Die Auswahl der Komponenten zur Bildaufnahme erfolgt nach Maßgabe des Entwurfs des zerstörungsfreien Prüfverfahrens in Abschnitt 4.4.3. Die wesentli-chen Rahmenbedingungen hinsichtlich der spezifiswesentli-chen Auswahl der Komponen-ten betreffen die technischen Anforderungen. Diese umfassen die Materialbreite (85 – 115 mm), die Geschwindigkeit der Materialbahn (100 minm ) sowie die benö-tigte Auflösung (20 µm).
Auswahl der Beleuchtung
Die Erkenntnisse des Entwurfs der Bildaufnahme umfassen in Bezug auf die Beleuchtung die Auswahl einer LED-Beleuchtung mit einer Wellenlänge im roten Spektralbereich sowie einer möglichst hohen Bestrahlungsstärke. Die aus-gewählte Beleuchtungseinheit ist in Tabelle 16 dargestellt.
Tabelle 16: Beleuchtungseinheit zur Prüfung von Batterieseparatoren
Eigenschaft Technische Daten
Wellenlänge 625 nm
Bestrahlungsstärke 1800 mW2
Anzahl LEDs 180
Breite der Linie 400 mm
Zudem werden die einzelnen Beleuchtungseinheiten als T-, RD- sowie RH-Beleuchtung in Bezug auf die Zeilenkamera sowie den Batterieseparator ange-ordnet (vgl. Abbildung 32). Dabei steht die RD-Beleuchtung senkrecht zur Mate-rialbahn. Die Anstellwinkel δ der T- und der RH-Beleuchtung sowie der An-stellwinkel der Kamera τ betragen jeweils 25°.
Abbildung 32: Anordnung der Beleuchtungseinheiten relativ zur Kamera und der Materialbahn
Zeilenkamera
RD-Beleuchtung
RH-Beleuchtung
T-Beleuchtung Materialbahn
δ τ δ
Auswahl der Kamera
Bei der Auswahl der Kamera ist ein geeigneter Zeilensensor auf Basis der CMOS-Technologie auszuwählen. Hierzu wird zunächst die erforderliche Pixel-anzahl ermittelt. Maßgeblich ist dabei die Breite des Materials, welche nach DIN SPEC 91252 (2011) für prismatische Zellen maximal 115 mm beträgt. Die benö-tigte Pixelanzahl ergibt sich schließlich aus dem Quotienten der benöbenö-tigten Sicht-feldbreite FOVH und der benötigten Auflösung AO:
Pixelanzahl = FOVH
AO = 7500 Pixel (6-1)
Für die benötigte Sichtfeldbreite FOVH wurden 135 mm gewählt. Die benötigte Auflösung AO wurde etwas niedriger als erforderlich auf 18 μm festgelegt. Dar-aus errechnet sich eine erforderliche Pixelanzahl von 7500.
Ein weiteres Kriterium ist die Bildaufnahmefrequenz. Diese muss so eingestellt werden, dass sich in Material- und Querrichtung die exakt gleiche Auflösung ergibt. Somit resultieren quadratische Pixel. Die benötigte Bildaufnahmefrequenz fA ergibt sich aus dem Quotienten der Materialgeschwindigkeit vR und der benö-tigten Auflösung AO:
fA = vR
AO = 9,259 kHz (6-2)
Als Prüfgeschwindigkeit wird für den vorliegenden Prüfstand 10 minm gewählt.
Daraus errechnet sich eine minimal erforderliche Bildaufnahmefrequenz von ca.
9,3 kHz. Eine Übertragbarkeit auf die reale industrielle Prüfgeschwindigkeit von 100 minm wird durch die spätere Überprüfung der Skalierbarkeit sichergestellt.
Da die drei Beleuchtungen mittels nur einer Zeilenkamera ausgewertet werden, ist es erforderlich, dass die Kamera über mehr als eine Pixelzeile verfügt. Über eine Steuerung werden die Beleuchtungen in fester Reihenfolge sequenziell ein- und ausgeschaltet. Die Frequenz dieses Ein- und Ausschaltens muss an die Bild-aufnahmefrequenz angepasst sein. Dies erfolgt über den Inkrementalgeber, der sowohl die Bildaufnahmefrequenz als auch die Frequenz der Beleuchtung vor-gibt. Hierzu muss die Auflösung des Inkrementalgebers (im vorliegenden Fall 12,5 μm) niedriger sein als die benötigte Auflösung. Am Beispiel einer Kamera mit drei Zeilen ist der Vorgang in zeitlicher Reihenfolge in Abbildung 33 darge-stellt. Darin ist zu fünf verschiedenen Zeitpunkten t1 bis t5 die Bildaufnahme eines Materials gezeigt, welches sich horizontal nach rechts bewegt. Der zeitliche
Abstand ∆t zwischen den Zeitpunkten entspricht dem reziproken Wert der Bild-aufnahmefrequenz und der Beleuchtungsfrequenz fB:
∆t = 1
fB (6-3)
Es kann anhand des Beispiels gezeigt werden, dass die Punkte 1, 2 und 3 des Materials in allen drei Beleuchtungen (T, RH und RD) erfasst werden.
Abbildung 33: Simultane Bildaufnahme in drei Beleuchtungskanälen mittels eines Zeilensensors mit drei Zeilen
Wird die Beleuchtungsfrequenz höher als die Bildaufnahmefrequenz gesetzt, werden die Zeilen der Kamera jeweils nur zu einem Teil ausgeleuchtet. Hier-durch kann eine Auswertung dreier Beleuchtungen Hier-durch eine Kamera mit zwei Zeilen erfolgen. Die ausgewählte Kamera ist in Tabelle 17 dargestellt. Da die Pixelzahl höher liegt als gefordert, kann auf die Nutzung der Sensorränder, wel-che eine höhere Verzeichnung aufweisen, verzichtet werden.
Tabelle 17: Kamera zur Prüfung von Batterieseparatoren
Eigenschaft Technische Daten
Pixelzahl 2 x 8192
Pixelgröße 7 x 7 μm
Bildaufnahmefrequenz 37 kHz Kameraverstärkung 0…+34 dB
Beleuchtung:
T
Beleuchtung:
RH
Beleuchtung:
RD
Beleuchtung:
T
Beleuchtung:
RH t 1
Materialrichtung
t 2 t 3 t 4 t 5
3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1
Legende:
Pixel des Sensors Projiziertes Pixel auf dem Material
Auswahl des Objektivs
Das Objektiv hat die Aufgabe, das Bild vollflächig auf den Sensor zu projizieren.
Durch ein iteratives Vorgehen zur Bestimmung der Gegenstandsweite gw und der Brennweite fw wurde im letzten Schritt das Objektiv ausgewählt. Hierdurch konnte eine Gegenstandsweite von 365 mm ermittelt werden. Die Brennweite fw
ergibt sich schließlich aus dem folgenden Zusammenhang:
fw = gw∙ BG
GG+ BG = gw∙ BS
FOVH + BS ≈ 102 mm (6-4)
Dabei bezeichnet gw die Gegenstandsweite, GG die Gegenstandsgröße sowie BG
die Bildgröße. Die Gegenstandsgröße GG entspricht der Breite des Sichtfeldes FOVH (135 mm). Die Bildgröße BG entspricht der genutzten Breite des Sensors BS und ergibt sich aus dem Produkt aus der genutzten Pixelzahl (7500) und der Pixelgröße (7 μm) zu 52,5 mm. Das nach der Maßgabe einer Brennweite von ca. 102 mm ausgewählte Objektiv ist in Tabelle 18 dargestellt.
Tabelle 18: Objektiv zur Prüfung von Batterieseparatoren
Eigenschaft Technische Daten
Brennweite 102,3 mm
Blendenzahl 5,6
Bildkreis 108 mm
Transmission 400 – 700 nm
Wichtig für die spätere Auslegung des Prüfstands von Rolle zu Rolle ist die sich durch das Objektiv ergebende Schärfentiefe ST. Diese berechnet sich aus folgen-dem Formelzusammenhang zwischen der Gegenstandsweite gw, der Brennweite fw, der Blendenzahl kB und dem Durchmesser des Zerstreuungskreises C, der als die halbe Größe des Sensorelements zu 3,5 μm angenommen wird (vgl. Ab-schnitt 3.2.1):
ST = 2CkBgw(gw− fw)
fw2 = 0,34 mm (6–5)
Um scharfe Bilder erzeugen zu können, muss daher die Materialführung in einer Weise erfolgen, dass der Batterieseparator den Bereich der Schärfentiefe nicht verlässt. Im Folgenden wird ein Prüfstand beschrieben, der dies sicherstellt.