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Industrielle Automation 5/2019

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Industrielle Automation 5/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Präziser als das menschliche Auge Inline-Farbmesssystem identifiziert Farben hochgenau Das Bestimmen, Messen oder Erkennen von Farben in industriellen Anwendungen ist eine komplexe Aufgabe. Doch moderne Technologien sind zunehmend auf dem Vormarsch: Zum Beispiel können Inline-Farbmesssysteme jetzt im Unterschied zu konventionellen Technologien Farben haargenau über das Reflexionsspektrum identifizieren – und nicht über den Vergleich zum Referenzwert. Lesen Sie mehr. Dipl.-Ing. (FH) Joachim Hueber, Produktmanager Farbsensoren, Micro-Epsilon Eltrotec GmbH, Uhingen Um Farbe in industriellen Anwendungen zu kontrollieren, sind entsprechende Sensoren notwendig. Diese müssen so funktionieren, dass sie der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges entsprechen. Diese wird durch Licht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm hervorgerufen. Das menschliche Auge hat unterschiedliche Sinneszellen: 120 Mio. Stäbchen, die für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig sind, und 6 Mio. Zapfen, die für die Farbwahrnehmung sorgen. Die Zapfen gibt es in drei verschiedenen Arten, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Spektrums empfindlich sind. Die Stäbchen habe eine höhere Empfindlichkeit als die Zapfen – der Grund, warum das Farbsehen von der Beleuchtung abhängig ist. Viele Farbtöne aus nur drei Grundfarben Auf Basis der menschlichen Farbempfindungen lassen sich Farben unterschiedlich beschreiben. Da es drei unterschiedliche Zapfenarten gibt, ist der Farbraum dreidimensional. Seit 1931 sorgt der von einer internationalen Kommission festgelegte Normfarbraum CIE 1931 für Vergleichbarkeit bei der Beschreibung von Farben. Dieser Farbraum beruht auf einer Studie, bei der das Farbempfinden von Probanden untersucht wurde. Gleichzeitig wurden Parameter, wie Beobachtungsbedingungen und Beleuchtung, festgelegt, sodass eine Vergleichbarkeit bei Farbmessungen gegeben ist. In technischen Anwendungen ist eher der CIELAB-Farbraum gebräuchlich, der sich aus dem Normfarbraum durch Transformation erzeugen lässt. Die Koordinaten dieses Farbraums sind L als Maß für die Helligkeit, a (Grün-/Rot-Buntheit) und b (Blau-/Gelb-Buntheit). Der Vorteil dieses Farbraums liegt darin, dass jeder Bunt-Ton, der vom menschlichen Auge als separate Farbe wahrgenommen wird, ein gleiches Volumen einnimmt. Weniger gebräuchlich ist der HSV/HSI-Farbraum. Die bei Bildschirmen und in der Drucktechnik verwendeten Farbräume RGB und CMYK sind deutlich kleiner als der CIE-Normfarbraum – sie können also nicht alle Farben abbilden, die das menschliche Auge erkennen kann, und sind somit für eine präzise industrielle Farbmessung ungeeignet. Farbsensor mit hoher Farbgenauigkeit Wenn die Beobachtungsgeometrie feststeht, ist die Farbe physikalisch gesehen ein reflektiertes Intensitätsspektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich. Dieses Reflexionsspektrum ist natürlich neben der Farbe des Objekts abhängig von der Beleuchtung. Für die Beleuchtung sind verschiedene Lichtquellen definiert, z. B. eine Glühlampe, Tages licht, Leuchtstofflampen oder kaltweiße LED. Ein Farbsensor muss in der Lage sein, das reflektierte Spektrum zu detektieren und sollte dabei die Funktionsweise des menschlichen Auges imitieren. Für die Messung wird das reflektierte Licht in spektrale Anteile zerlegt. Die einfachste Methode hierzu sind Filter, die jeweils nur für einen Teil des Spektrums durchlässig sind. Auf dieser Methode basieren auch die meisten herkömmlichen CCD-Kameras, deren Sensor in grüne, rote und blaue Pixel unterteilt ist. Mit einem genaueren Prinzip arbeiten Farbsensoren für industrielle Anwendungen, wie die neue Colorsensor-CFO-Serie von Micro-Epsilon Eltrotec. Die Probe wird mit einer Lichtquelle beleuchtet – i. d. R. 8 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK 02 sind dies heute Weißlicht-LED-Beleuchtungen. Das von der Probe reflektierte Licht trifft dann auf den Sensor, wo das Licht durch drei verschiedene Filter auf lichtempfindliche Sensorelemente trifft. Die Absorptionsspektren der verwendeten Filter sollten so gewählt sein, dass sich die Bereiche überlappen. Die Filter teilen das Licht auf in langwellige (X), mittelwellige (Y) und kurzwellige (Z) Anteile. Die einzelnen Signale werden dann in L*a*b*-Farbwerte transformiert. Auf diese Weise erhält man Messwerte, die eine Einordnung der Farbe entsprechend der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges ermöglichen. Man spricht daher auch von perzeptiven Farbsensoren oder True-Color-Sensoren. Diese Sensoren eignen sich ideal um Farbabweichungen zu erkennen. Über eine Teachin-Funktion kann der Anwender die gewünschte Farbe einlernen und zusätzlich eine maximal erlaubte Farbabweichung angeben. Der Sensor vergleicht dann im Betrieb die Farbe der Produkte und kann z. B. über einen digitalen Ausgang signalisieren, ob die Farbe der Probe innerhalb des Toleranzbereiches liegt. Für Inline-Messungen mit hoher Geschwindigkeit Mit einem anderen Funktionsprinzip arbeiten Farbmesssysteme wie das Colorcontrol vom Typ ACS7000 von Micro-Epsilon Eltrotec. Dieses zerlegt das Spektrum des einfallenden Lichts über Brechung an einem Gitter in 256 Anteile, die hinter dem Gitter auf 01 eine CCD-Sensorzeile abgebildet werden. Damit kann das komplette sichtbare Spektrum genau mit einer spektralen Auflösung von 5 nm vermessen werden. Das Farbmesssystem liefert im Gegensatz zum Farbsensor nicht nur einen Vergleich zu Referenzfarben, sondern kann einzelne Farben eindeutig identifizieren und als Koordinaten im Farbraum ausgeben. Sowohl Sensorsystem als auch Weißlicht-LED sind im Gehäuse des Systems untergebracht, an das verschiedene Messköpfe über Lichtwellenleiter angeschlossen werden können. Im Winkelmesskopf ACS1 für gängige Messaufgaben sind die Beleuchtung und Empfänger entweder im Winkel von 30°×:0° oder 45°×:0° angeordnet. Damit ergeben sich Beobachtungsabstände von 50 oder 38 mm. Für komplexere Messaufgaben, wenn etwa an strukturierten, hochreflektierenden sowie metallisch-glänzenden Oberflächen gemessen werden muss, steht der Ringmesskopf ACS2 zur Verfügung, bei dem 24 Beleuchtungsoptiken ringförmig unter einem Messwinkel von 45°c:0° angeordnet sind. Diese Anordnung sorgt für eine konstante und homogene Ausleuchtung, wodurch die Messung zudem unabhängig von der Drehlage des Objekts ist. Auch an kleineren Messobjekten oder an gekrümmten Oberflächen lassen sich damit zuverlässige Farbmessungen 01 Der L*a*b*-Farbraum, der sich zur Farbprüfung in der Industrie etabliert hat, umfasst alle für das menschliche Auge erkennbare Farben 02 Der Farbsensor zeichnet sich durch hohe Farbgenauigkeit, moderne Schnittstellen und eine intuitive Bedienung aus durchführen. Für Farbmessung an transparenten Objekten wie Folien oder Glas wird der Transmissionssensor ACS3 benötigt, bei dem Beleuchtung und Empfänger gegenüber 180°:0° angeordnet sind. Mit diesem Empfangssensor können auch die Farben von Selbstleuchtern vermessen werden – die Beleuchtungseinheit ist dabei nicht notwendig. Konfiguration per Webinterface Trotz der eher komplexen Materie „Farbmessung“ sind die Farbsensoren und Farbmesssysteme von Micro-Epsilon Eltrotec einfach zu bedienen. Zum Einlernen von Farben sind Teach-in-Tasten vorhanden, LED am Farbsensor bzw. am Messsystem signalisieren die Betriebszustände. In den meisten Fällen geschieht die Konfiguration aber über das integrierte Webinterface. Hier lassen sich einfach alle Einstellungen für eine perfekte Farberkennung oder Farbmessung vornehmen. Bilder: Aufmacher Fotolia, sonstige Micro-Epsilon www.micro-epsilon.de Datenlogger ALMEMO ® 710 •10Eingänge für beliebige Sensoren •hochgenaue Messung •mobil oder stationär •zuverlässige Datenauswertung Jetzt Infos anfordern! info@ahlborn.com AHLBORN Mess-und RegelungstechnikGmbH•Tel:08024/3007-0 www.ahlb born.com

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