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NDT.net Issue - 2010-01 - NEWS

Schnelles Detektorsystem für linienförmige Markierungen


Salzgitter Mannesmann Forschungsinstitut GmbH47, Duisburg [Germany]
NEWS  DE  
NDT.net Journal
Issue: 2010-01
Vorgestellt wird ein System zur Detektion linienförmiger Markierungen in der schnellen Vorbeifahrt, das durch den Einsatz eines Zeilensensors die schnelle und sichere Erkennung auch bei hohen Geschwindigkeiten und ebenso bei unvollständig aufgebrachter oder teilweise abgetragener Markierung erlaubt. Die Vorteile gegenüber den häufig für diese Aufgabe verwendeten Lumineszenztastern wie hohe Abtastsicherheit, niedrige Betriebskosten und hohe Lebensdauer werden erläutert.

Die Erkennung linienförmiger Positionsmarkierungen am schnell bewegten Produkt ist in Transportsteuerungen und Prüfanlagen beispielsweise der Rohrproduktion eine häufiger vorkommende Aufgabe. An mehreren Stationen der Produktion sind die zuvor gezielt aufgebrachten Markierungen einer Umfangs- oder Längsposition bei schneller Bewegung des Rohres oder eines Prüfwagens erneut zu detektieren, damit an den Bearbeitungs- und Prüfstationen jede Stelle auf dem Produkt örtlich eindeutig wieder zugeordnet werden kann.

Die üblicherweise mit fluoreszierender Farbe aufgebrachten Markierungen werden meist mittels eines Lumineszenztasters ("LUT") detektiert, der in einem runden Detektionsfeld mittels einer UV-Beleuchtung die Strichmarkierung zur Fluoreszenz anregt, was dann vom lichtempfindlichen Detektor registriert wird.

Ein Nachteil dieser LUTs ist die Unsicherheit bei der Detektion der Strichmarkierung. So wird eine z.B. durch Abtragung an den Transportrollen entstandene lückenhafte Markierung am Produkt nicht mehr erkannt, wenn der Detektionsfleck gerade eine nicht mit Farbe bedeckte Stelle des Markierstrichs trifft. Umgekehrt werden anderswo - beispielsweise durch Transportrollen - angetragene Farbreste fälschlicherweise als Markierstrich detektiert. Ein weiterer Nachteil der LUTs liegt in der Verwendung von UV-Brennern zur Beleuchtung des Detektionsflecks. Zum einen sind beim Einsatz von UV-Licht Arbeitsschutzmaßnahmen zu beachten, zum anderen haben die UV-Brenner einen relativ hohen Energiebedarf und eine begrenzte Lebensdauer, müssen aber, da sie erst nach einer Warmlaufphase volle Intensität liefern, dauernd eingeschaltet bleiben. Damit ergeben sich hohe Energie- und Wartungskosten beim Betrieb der LUTs.

All diese Nachteile werden durch das hier vorgestellte System vermieden, das zukünftig an mehreren Prüfanlagen eines Großrohrherstellers die korrekte Lesung und Zuordnung der Längskoordinate gewährleistet. Der Koordinatenursprung ist in diesem Fall durch einen in Umfangsrichtung aufgebrachten, etwa 30 cm langen Strich markiert, der aus fluoreszierender Farbe besteht und etwa 1 cm - 3 cm breit ist. Diesen Markierstrich muss das Detektorsystem während der Einfahrt des Rohres in die jeweilige Prüfanlage erkennen und dies der SPS melden, die dann in Reaktion darauf das Rohr exakt in die einzuhaltende Ruheposition etwa 2,5 m hinter der Detektionsebene abbremst. Der hier bisher zur Detektion der Markierung verwendete LUT der oben beschriebenen Bauart detektiert auf einem Fleck von ca. 3 cm Durchmesser in einem lichten Abstand zum Rohr von 10 cm die per UV-Strahlung zur Fluoreszenz angeregte Markierung, was aus den genannten Gründen häufiger fehlschlägt, so dass dann das Bedienpersonal gezwungen ist, das Rohr manuell zu positionieren.

Mit dem neu entwickelten und auch zum Patent angemeldeten Smart Line Checker wird am gleichen Einbauort und im gleichen lichten Abstand zum Rohr eine sichere Erkennung der Markierung erreicht, auch wenn diese partiell beschädigt oder mit fluoreszierender Kreide nachgezogen wurde.

Systemaufbau:
Durch Verwendung einer Kamera zur Detektion der Markierung und einer intensiven blauen LED-Beleuchtung ohne UV-Anteil, die, nachgewiesen in Laborversuchen, die Markierfarbe ebenfalls und sogar stärker zur Fluoreszenz anregt als der UV-Brenner der LUTs, können deren prinzipielle Nachteile umgangen werden. Dabei spricht neben der notwendigerweise hohen Bildrate, die bei schnellen Objekten erforderlich ist, auch der relativ hohe Aufwand an Bildverarbeitung bei der Stricherkennung gegen die Verwendung einer Matrixkamera.

Stattdessen ist durch ihre hohen Scanraten und ihre bereits linienförmige Detektionszone eine Zeilenkamera geradezu prädestiniert, die Stricherkennung zu übernehmen.

Da hier der Detektionsbereich genau der Form der Markierung entspricht, ist ohne aufwändige Bildverarbeitung, nur mit einer einfachen Amplitudenbewertung, bereits eine große Sicherheit bei der Detektion gegeben, wenn gleichzeitig der Kontrast zwischen Rohroberfläche und Farbmarkierung mittels eines der Markierfarbe angepassten optischen Filters gesteigert wird (siehe Abbildung 1). Dies gilt übrigens auch für nicht fluoreszierende Markierlinien, die durch Auswertung des von der Markierung zurück gestreuten Auflichts ebenfalls erkannt werden.


Abbildung 1: Fluoreszenzanregung mit blauem LED-Licht und
Kontraststeigerung durch Einsatz eines Farbfilters

Die Stricherkennung bleibt aufgrund der Detektion auf der gesamten Strichlänge stabil, auch wenn einzelne Bereiche des Striches abgetragen sind, denn dies wirkt sich im Helligkeitswert über die gesamte Strichlänge nur wenig aus. Andererseits können abgetragene und anderswo wieder aufgebrachte Farbreste oder auch andere am Rohr vorhandene Signierungen nicht so leicht zu einer fälschlichen Erkennung führen, da sie dann auch in ausreichender Ausdehnung im linienförmigen Detektionsbereich des Systems auftreten müssen und nicht nur punktuell im Sichtfeld der Zeilenkamera.

Die Umsetzung des Messprinzips in eine industrietaugliche Systemausführung beinhaltet:

  • Anregung der Fluoreszenz auf dem gesamten Markierstrich
  • Verwendung einer blauen High-Power-LED Linienleuchte statt UV zur Anregung
  • Detektion der Markierung mit einer Zeilenkamera über die gesamte Strichlänge
  • Kontraststeigerung durch Einsatz eines optischen Filters (als Schutzglas des Gehäuses)
  • Kompaktes, autark arbeitendes Echtzeitsystem im IP67 Schutzgehäuse


Abbildung 2: Smart Line Checker mit LED-Linienlicht an einer Rohrprobe

Die verwendete intelligente Zeilenkamera mit integriertem DSP-Rechner und echtzeitfähigem Betriebssystem ist ca. 5 Sekunden nach dem Einschalten betriebsbereit, sie arbeitet völlig autark und mannlos nach dem Prinzip eines "intelligenten Sensors". Dazu steckt sie in einem gleichzeitig der Kühlung dienenden, wasserdichten Schutzgehäuse mit IP67-Steckverbindern zum Anschluss der Spannungsversorgung und der SPS-Kontakte.

Neben der kompakten Bauweise des Gesamtsystems erlaubt die verwendete Smart-Kamera das Setzen der Ergebnisausgänge in Echtzeit, so dass eine exakte Transportsteuerung bzw. Positionszuordnung in den Prüfanlagen gewährleistet ist. Gemeldet wird die Erkennung der Strichmarkierung über einen Ausgang "Markierung kommt". Zusätzlich wird über einen zweiten Ausgang "Markierung geht" der Zeitpunkt signalisiert, zu dem die Markierung aus dem linienförmigen Sichtfeld wieder verschwindet. Damit kann wahlweise sowohl die steigende als auch die fallende Flanke der Markierung als Triggersignal verwendet werden.

Fazit:
Der Smart Line Checker garantiert durch seinen der gesuchten Markierung angepassten Detektionsbereich und die Messrate von 1 kHz die sichere und schnelle Erkennung linienförmiger Farbmarkierungen.

Arbeitsschutzrichtlinien zur Handhabung von UV-Strahlung spielen beim Einsatz des Smart Line Checkers keine Rolle mehr. Die verwendete High-Power-LED-Linienleuchte der Lichtfarbe blau braucht trotz der stärkeren Fluoreszenzanregung der Markierung wesentlich weniger Energie als die in den LUTs verbauten UV-Brenner und sie ist ohne Warmlaufphase sofort hell, so dass sie nur bei Bedarf eingeschaltet werden muss. Hinzu kommt die hohe Lebensdauer der Leuchte von 50000h, durch die ein regelmäßiger Austausch wie bei den LUTs nicht mehr notwendig ist.

Damit ergeben sich neben der erhöhten Detektionssicherheit bei Einsatz des Smart Line Checkers erhebliche Vorteile auch bei den Energie- und Betriebskosten.

Kontakt:
Jan Kowalski
Systemtechnik - Automatisierung
Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH
Ehinger Strasse 200
47259 Duisburg
Telefon +49 0203 999-3106
Telefax +49 0203 999-4427
j.kowalski@du.szmf.de
Internet www.szmf.de

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