Die automatische Farberkennung erobert sich neue Einsatzbereiche: von der Verpackungs- und Druckindustrie über die Qualitätskontrolle in automatischen Fertigungsprozessen bis hin zum Separieren unterschiedlicher Komponenten. In Zukunft könnte sich dieser Trend noch verstärken, denn neue Standardsensoren erledigen diese Aufgabe zu einem konkurrenzfähigen Preis-Leistungs-Verhältnis.

Ein Dreibereichs-Farbsensor arbeitet nach dem additiven RGB-Verfahren (Rot-Grün-Blau). Alle drei Farben zusammen ergeben Weiß.

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Prinzipiell gibt es bei Farbsensoren zwei unterschiedliche Varianten: Sensoren, die Farben wieder erkennen und „echte" Farbsensoren, die - vergleichbar einer Waage mit geeichter Skala - Farben absolut erfassen. Letztere erweisen sich im Praxiseinsatz als zu teuer und sind darüber hinaus meist zu langsam für schnelle Online-Messungen. Hier toppen Sensoren, die Farben nicht messen, sondern wieder erkennen -, zumal die vergleichende Messung praktikablere Ergebnisse liefert. Gut-/Schlecht- Aussagen sind meist sinnvoller, als die genauen RAL-Farbtöne oder RGB-Werte zu kennen.

Wiedererkennende Farbsensoren arbeiten dennoch keineswegs ungenau, nur weil sie die Farbanteile nicht absolut messen. Mit der vergleichenden Farbmessung nach dem so genannten Dreibereichsverfahren lassen sich alle Farbschattierungen unterscheiden, die mit dem menschlichen Auge wahrnehmbar sind, also mehrere 100 000 Farbtöne.

Wie funktioniert nun die vergleichende Farbmessung beziehungsweise die Farbwiedererkennung? Das Prüfobjekt wird während der Messung von einer LED mit Weißlicht oder nach den Gesetzen der additiven Farbmischung nacheinander mit rotem, grünem und blauem Licht beleuchtet. Das Licht wird auf eine Fotodiode reflektiert.

Die spektralen Teillichtströme für Rot, Grün und Blau werden ausgewertet und mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Je nach Ergebnis des Vergleichs signalisiert der Ausgang das binäre Signal „Farbe erkannt" oder „Farbe nicht erkannt". Um die entsprechenden Referenzwerte zu hinterlegen, lassen sich bei den neuen Farbsensoren von Contrinex beispielsweise für bis zu drei Kanäle per Knopfdruck im Teach-in-Verfahren die entsprechenden Farben beziehungsweise Farbschattierungen einlernen.

Dabei sind für jeden Kanal die Schalttoleranzen jeweils in fünf Abstufungen einstellbar. Dadurch können die Geräte einerseits feinste Nuancen erkennen, andererseits aber auch eine gewisse Farbvariation zulassen.

Die Bedingungen für eine korrekte Farberkennung

Für eine genaue und konsistente Farberkennung müssen jedoch einige grundsätzliche Bedingungen erfüllt sein. Eine besondere Herausforderung für eine zuverlässige Erkennung stellt die reflektierte Lichtstärke dar. Deshalb sollte der Abstand zum Objekt normalerweise möglichst klein und gleichbleibend sein. Eine regelmäßige Korrektur, etwa durch eine Messung des Untergrunds, gilt ebenfalls als obligatorisch.

Aufbau der Sensor-Optik: Durch sie ist die Farberkennung im Bereich zwischen 30 und 40 mm nahezu unabhängig vom Abstand zum Mess-Objekt.

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Sie wirkt praktisch als Eichung, die immer nach einer bestimmten Anzahl von Messungen vorgenommen werden sollte, um die Genauigkeit der Ergebnisse langfristig zu gewährleisten. Um auch dann eine genaue und zuverlässige Farberkennung zu garantieren, wenn die Applikationsgegebenheiten nicht optimal sind, haben die Konstrukteure von Contrinex eine Optik entwickelt, die im Vergleich zu herkömmlichen Autokollimations-Optiken vor allem einen Vorzug aufweisen.

Da die Lichtstärke im Arbeitsbereich zwischen 30 und 40 mm nahezu unabhängig vom Abstand des zu erfassenden Objekts ist, wird auch die Farberkennung in diesem Bereich nahezu abstandsunabhängig. Der Auswerte-Elektronik, die die Signale der Fotodiode verarbeitet, stehen für jeden Ausgang die drei RGB-Signale zur Verfügung.

So kann für jedes Eingangssignal zwischen Ist- und Teach-Wert unterschieden werden. Alle 8 ms erfasst der Sensor automatisch die Farbwerte des Untergrunds. Dieser Untergrundabzug sorgt dafür, dass die Mess-Ergebnisse auch langfristig stabil bleiben.

Dreibereichssensoren in der Praxis

Variation der Lichtstärke als Funktion des Objekt-Abstands: Vergleich einer Autokollimations-Optik mit der verwendeten Optik.

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Mit einer Schaltfrequenz von bis zu 4 kHz und der programmierbaren Impulsverzögerung von 0 bis 500 ms ist selbst bei hohen Taktraten eine sichere Erfassung möglich. Befestigen lassen sich die Sensoren entweder mit Winkeln oder in einer Klemmhalterung mit Schwalbenschwanz-Nut.

Das Glasfenster lässt sich mit herkömmlichen Mitteln reinigen, so dass man die Geräte auch in staubigen Umgebungen einsetzen kann. Die Farbsensoren sind in einem glasfaserverstärkten Kunstoffgehäuse in den Abmessungen 40 mm × 50 mm × 15 mm untergebracht. Sie erfüllen die Anforderungen der EN 61140, Isolationsklasse II. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Verpackungs- und Druckindustrie bis hin zu automatischen Fertigungsprozessen. Hier lassen sich die Farbsensoren zur Qualitätskontrolle oder zum Separieren unterschiedlicher Komponenten einsetzen.

Sie eignen sich zur Prüfung und Analyse von Mischverhältnissen und können die Position oder Anwesenheit von Prüfsiegeln oder ähnlichem kontrollieren. Prinzipiell sind sie überall dort verwendbar, wo Farben automatisch identifiziert werden sollen.

Autoren: Dr. Marc de Huu leitet die Entwicklungsabteilung von Contrinex in Givisiez, Schweiz.

Pierre-Yves Dénervaud ist Entwicklungsingenieur bei Contrinex in Givisiez, Schweiz.