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Dokumentenidentifikation DE3207369C2 19.12.1991
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Farbstoffzufuhr zu einer laufenden Materialbahn
Anmelder Sentrol Systems Ltd., Downsview, Ontario, CA
Erfinder Mactaggart, John W., Bolton, Ontario, CA
Vertreter Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 02.03.1982
DE-Aktenzeichen 3207369
Offenlegungstag 25.11.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.12.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.12.1991
IPC-Hauptklasse G05D 11/00
IPC-Nebenklasse B41F 33/14   D06B 23/26   B05B 12/08   B05D 1/34   G03F 3/10   G01N 21/27   G01N 21/86   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Zuführung mehrerer Farbstoffe zum Einfärben einer kontinuierlich zugeführten Materialbahn sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Im allgemeinen arbeiten vorbekannte Systeme zur Regelung der Einfärbung einer sich bewegenden Materialbahn derart, daß die sogenannten Tristimulus-Werte X, Y und Z des von einem bewegten Teil der Materialbahn reflektierten Lichts gemessen werden. Diese Tristimulus-Werte, die grob den Rot-, Grün- und Blau-Anteilen des reflektierten Lichts entsprechen, werden entweder gleichzeitig mittels verschiedener Detektoren gemessen, wie dies in der US-PS 39 36 189 beschrieben ist, oder durch schrittweise Benutzung eines Filterrades oder dergleichen, wie dies in der US-PS 40 19 819 beschrieben ist. (Die Kalibrierung eines Spektrofotometers bzw. Kolorimeters mit einem in spezieller Weise ausgebildeten Filterrad mit einem keilförmigen variablen Interferenzfilter ist beispielsweise in der US-PS 40 29 419 beschrieben). Die X-, Y- und Z-Tristimulus-Werte werden dann entweder direkt zur Steuerung ausgewertet oder zuerst in andere Koordinaten, beispielsweise in die sogenannten Hunter-Koordinaten L, a und b umgesetzt.

Während Dreifarben- oder Vierfarben-Filter - Kolorimeter der vorstehend erwähnten Art zum gebräuchlichen Stand der Technik gehören und für die üblichen Steuer- bzw. Regelsysteme brauchbar sind, leiden sie andererseits doch unter verschiedenen deutlichen Nachteilen.

Zunächst einmal sind die X-, Y- und Z-Tristimulus- Ausgangssignale lediglich "Hinweiswerte" auf die erfaßte Farbe der Materialbahn bei der in dem betreffenden Kolorimeter verwendeten Lichtquelle. Eine Farbabstimmung hinsichtlich der Tristimulus-Werte muß jedoch bei Verwendung einer Standard-Lichtquelle nicht notwendigerweise dieselbe Abstimmung ergeben, wenn eine Beleuchtung mit einem anderen Spektrum verwendet wird. Tatsächlich ist es im allgemeinen nicht möglich, die Farbwirkung eines Materials bei einer bestimmten Beleuchtung anzugeben, wenn lediglich die Tristimulus- Werte X, Y und Z dieses Materials bekannt sind. Weiterhin besteht die Gefahr, daß dann, wenn die tatsächlichen Spektralkurven der Lichtquelle und/oder des Detektors in einem Kolorimeter von den Spektralkurven abweichen, für die die Filter entwickelt wurden, die mit einem solchen Gerät ermittelten Tristimulus-Werte noch nicht einmal die Farbeigenschaften des Materials bei Beleuchtung desselben mit einer Standard-Beleuchtung angeben. In der US-PS 40 19 819 wird nun zwar angeregt, gegebenenfalls eine relativ große Anzahl von schmalen Bandfiltern zu verwenden, um ein vereinfachtes Spektro-Fotometer anzunähern, wobei jedoch hinsichtlich dieses Vorschlags keine praktischen Maßnahmen bzw. Einrichtungen für ein im On-line-Betrieb arbeitendes System vorgeschlagen werden.

Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Regelsysteme ergibt sich aufgrund der Nicht-Linearität der Verknüpfungen zwischen den Tristimulus-Werten X, Y und Z und den zu regelnden Farbstoff-Konzentrationen. Während diese Nicht- Linearität bei niedrigen Farbstoff-Konzentrationen relativ unbedeutend ist, steigen ihre Auswirkungen mit den Farbstoff-Konzentrationen an, so daß die Nicht- Linearität, wenn relativ satte Farben hergestellt bzw. gemessen werden sollen, beträchtlich ist. Bei den in der Praxis verwendeten Systemen muß folglich die Verknüpfung zwischen den Tristimulus-Werten X, Y und Z und den Farbstoff-Konzentrationen bezüglich eines Soll- Arbeitspunktes linearisiert werden, um brauchbare Rechnungen durchführen zu können. Diese Notwendigkeit für eine Linearisierung ist aber offensichtlich nachteilig, da nicht nur der tatsächliche Arbeitspunkt bezüglich des vorgegebenen Arbeitspunktes schwankt, sondern da auch der Soll-Arbeitspunkt häufig geändert werden muß, was eine Neuberechnung der linearisierten Gleichungen erforderlich macht.

In der US-PS 36 01 589 ist ein System beschrieben, welches dazu dient, Pigmente so auszuwählen, daß eine bestimmte Oberflächenbeschichtung erreicht wird, wobei die anfängliche Pigmentzusammensetzung vor dem tatsächlichen Mischen der Pigmente erzeugt wird, indem diejenigen Konzentrationen gewählt werden, gemäß welchen das gesamte Fehlerquadrat zwischen dem gemessenen Reflexionsvermögen der zu erzielenden Beschichtung und dem berechneten Reflexionsvermögen des Pigmentgemisches zu einem Minimum wird. Der eigentliche Mischprozeß wird dabei jedoch durch Prüfen des Gemisches mit einem Kolorimeter kontrolliert, wobei die L-, a- und b-Koordinaten, die aus dem Kolorimeter- Ausgangssignal berechnet werden, dazu dienen, die ursprüngliche Pigment-Zusammensetzung zu korrigieren.

Außerdem ist aus der DE-AS 27 28 738 ein System zur Kontrolle und Regelung der Farbgebung an Druckmaschinen bekannt, bei dem die Farbzufuhr über Farbdosierelemente erfolgt, die durch eine Computersteuerung gesteuert werden, wobei die Berechnung der Farbdichte aufgrund eines speziellen Algorithmus erfolgt, der in der Druckschrift nicht im einzelnen angegeben ist.

Ausgehend vom Stande der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Farbmessung und -Regelung anzugeben, bei der bei beliebiger Beleuchtung eine Farbanpassung bzw. die gewünschte Farbe erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Was die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Kombination der Merkmale gemäß Patentanspruch 3 gelöst.

Es ist ein wesentlicher Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung, daß hinsichtlich der Farbmessungen und der Regelung der Farbzufuhr eine relative Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen des Arbeitspunktes gegeben ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß auch Messungen und Regelungen für Farbsysteme mit vier oder mehr Farben durchgeführt werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe das optische Reflexionsvermögen einer Oberfläche, insbesondere der Oberfläche einer sich bewegenden Bahn, in der Weise gemessen wird, daß in einem der beiden Pfade, über die das Licht von einer Lichtquelle mit einem vorgegebenen Spektrum einem Bereich der Oberfläche zugeführt wird, und über die das reflektierte Licht von diesem Oberflächenbereich zu einem Detektor gelangt, ein Bandpaßfilter eingefügt wird, welches eine Bandpaßcharakteristik hat, die sich zumindest im wesentlichen kontinuierlich über das optische Spektrum erstreckt, wobei die Mittenfrequenz des jeweils wirksamen Bandpaßbereichs davon abhängig ist, an welcher Stelle der betreffende optische Pfad durch das Filter hindurchgeht. Indem man den Kreuzungspunkt zwischen dem optischen Pfad und dem Filter ändert, kann dabei ein Ausgangssignal des Detektors erhalten werden, welches das gesamte optische Spektrum überstreicht. Vorzugsweise ist die Auflösung des optischen Systems dabei so gewählt, daß aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Detektors etwa 180 verschiedenen Bandmittenfrequenzen bzw. Wellenlängen entsprechen, die jeweils etwa 1,7 nm auseinander liegen. Das "kontinuierliche" Filter ist dabei vorzugsweise ein kreisförmiges bzw. ringförmiges, variables Filter, welches den optischen Pfad mit einem Randbereich durchläuft und welches zu einer Drehbewegung angetrieben wird, so daß das optische Spektrum periodisch abgetastet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ferner im On-Line-Betrieb das Aufbringen mehrerer Farbstoffe auf ein kontinuierlich zugeführtes bzw. hergestelltes Material geregelt, wobei das Reflexionsvermögen eines Bereichs des bereits mit den Farbstoffen eingefärbten Materials für eine Anzahl von Wellenlängen gemessen wird. Die Zuführung der Farbstoffe zu dem Material wird dann so geregelt, daß die Summe der Fehlerquadrate der gemessenen Werte des Reflexionsvermögens gegenüber den vorgegebenen gewünschten Werten für das Reflexionsvermögen auf ein Minimum reduziert wird. Vorzugsweise werden die Meßwerte für das Reflexionsvermögen des Materials dabei unter Verwendung eines kreisförmigen, variablen Bandpaßfilters in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten.

Im übrigen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Farbstoffen solche Stoffe zu verstehen, mit denen eine Färbung eines Materials herbeiführbar ist, wobei diese Farbstoffe insbesondere transparente Farben sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Sensorkopfes eines Farbmeß- und -regel-Systems gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines kreisringförmigen, variablen Filters des Sensorkopfes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch den Sensor gemäß Fig. 1 längs der Linie 3-3 in dieser Figur;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild eines Tristimulus-Farbmeßsystems mit einem Sensorkopf gemäß Fig. 1;

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Programms zur Steuerung der Arbeitsweise des Systems gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild eines Farbregelsystems gemäß der Erfindung mit einem Sensorkopf gemäß Fig. 1;

Fig. 7a und Fig. 7b Flußdiagramme eines Programms zur Steuerung des Systems gemäß Fig. 6 und

Fig. 8 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Anpassung der einzelnen Farbabsorptionsspektren an das gemessene Reflexionsspektrum einer Materialbahn mit Hilfe des Systems gemäß Fig. 6.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 der Zeichnung den Sensorteil 10 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Farbe einer Materialbahn 12, insbesondere einer Papierbahn oder dergleichen. Der Sensorteil 10 weist dabei einen optischen Sensorkopf 14 auf, der oberhalb der Bahn 12 angeordnet ist, und einen optischen Fußteil bzw. Schuh 16, der unterhalb der Bahn 12 angeordnet ist. Für die Montage des Sensorkopfes 14 und des Schuhs 16, d. h. für die Montage des Sensorteils 10, können dabei beliebige geeignete Einrichtungen vorgesehen sein, die es gestatten, den Sensorteil 10 in seine Arbeitsposition bezüglich der Bahn 12 hinein und aus dieser Arbeitsposition herauszubewegen.

Der Sensorkopf 14 besitzt ein Gehäuse 18 mit einer Deckplatte 20, die beispielsweise mittels Schrauben 22 und mittels einer Dichtung 24 dichtend am oberen Ende des Gehäuses 18 festgelegt ist. Die Deckplatte 20 trägt einen Montagestutzen 26, der zur Befestigung des Sensorkopfes 14 an einer Halterung (nicht dargestellt) geeignet ist. Das Gehäuse 18 besitzt Zugriffsöffnungen 28 und 30, die normalerweise mittels Abdeckungen 32 bzw. 34 verschlossen sind, die über Dichtungen 36 dichtend an den Öffnungen 28 und 30 anliegen.

Das Gehäuse 18 besitzt eine Basis 38, die mit einer Öffnung 40 versehen ist, über der ein Fenster 42 befestigt ist. Beispielsweise ist ein Rahmen 44 mit dem Fenster 42 an einem Flansch des Bodens bzw. der Basis 38 bezüglich der Öffnung 40 festgeschraubt, wobei rund um die Öffnung 40 eine Dichtung 46 vorgesehen ist.

Der Sensorkopf 14 enthält eine Lichtkugel 48, die im Inneren des Gehäuses 18 angeordnet ist und aus einer unteren Hälfte 50 und einer oberen Hälfte 54 besteht, wobei die untere Hälfte mit einer Öffnung 52 versehen ist, die mit dem Fenster 42 fluchtet und wobei die obere Hälfte 54 in geeigneter Weise betriebsmäßig mit der unteren Hälfte 50 verbunden ist.

Über Öffnungen in der oberen Kugelhälfte 54 sind rohrförmige Glühbirnenhalterungen 56 montiert. An den Halterungen 56 sind Fassungen 58 befestigt, in denen Glühbirnen 60 bzw. 62 stecken, von denen das Licht in das Innere der Kugel 48 fällt. Die untere Kugelhälfte 50 ist mit zwei Deflektorplatten 64, 66 versehen, die in Verbindungen mit zwei in der oberen Kugelhälfte 54 vorgesehenen Deflektorplatten 68, 70 die richige Verteilung des von den Lichtquellen bzw. Glühbirnen 60, 62 ausgehenden Lichts innerhalb der Kugel 48 gewährleisten und gleichzeitig verhindern, daß der weiter unten noch näher zu beschreibene Detektor direkt von dem Licht der Glühbirnen 60, 62 getroffen wird. Obwohl jede geeignete Lichtquelle verwendet werden kann, werden erfindungsgemäß vorzugsweise zwei 50 W-Wolframdraht-Quarz/Jod-Lampen verwendet, die aus einer Konstantstromquelle für diese Lampen 60, 62 gespeist werden.

In der oberen Kugelhälfte 54 ist eine Öffnung 72 vorgesehen, durch welche reflektiertes Licht von einem punktförmigen Bereich der Bahn 12 zu einem Fotodetektor 78 gelenkt wird. Im einzelnen ist angrenzend an die Öffnung 72 ein Rohr 74 vorgesehen, in dessen unterem Ende angrenzend an die Öffnung 72 eine Linse 76 angeordnet ist. Diese bündelt das Licht von einem punktförmigen Bereich der Bahn 12 auf den Fotodetektor 78, der am anderen - in Fig. 1 oberen - Ende des Rohres 74 angeordnet ist. Zwischen dem Detektor 78 und der Linse 76 ist dabei ein kreisscheibenförmiges, variables Filter 80 vorgesehen.

Wie Fig. 2 zeigt, weist das Filter 80 einen Grundkörper 82 auf, der auf seiner einen Seite mit einer Interferenzfilter-Beschichtung 84 versehen ist. Dabei ändert sich die Dicke der Interferenzfilter-Beschichtung 84 auf dem Substrat bzw. dem Grundkörper 82 längs des Umfangs des Filters 80, d. h. in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Filterscheibe. Im Ergebnis erhält man eine entsprechende winkelmäßige Abhängigkeit der Bandmittenfrequenz des von einem Segment der Beschichtung 84 durchgelassenen Frequenzbandes. Beim Ausführungsbeispiel ist die Dicke t&sub0; der Beschichtung an der dünnsten Stelle, d. h. für die 0°-Position so gewählt, daß die Bandmittenfrequenz einer Wellenlänge von etwa 400 nm entspricht, während die Dicke der Beschichtung für das 360°-Segment (in Fig. 2 nicht gezeigt) so gewählt wird, daß sich eine Bandmittenfrequenz ergibt, die einer Wellenlänge von etwa 700 nm entspricht. Zwischen diesen beiden Extremwerten ändert sich die Dicke der Beschichtung und damit die Bandmittenfrequenz linear mit dem Drehwinkel, so daß die Dicke t&sub1;&sub8;&sub0; für das 180°-Segment beispielsweise so gewählt ist, daß die Bandmittenfrequenz einer Wellenlänge von etwa 550 nm entspricht.

Das Filter 80 ist auf der Welle 86 eines geeigneten Motors, beispielsweise eines Schrittschaltmotors 88, montiert, welcher das Filter 80 dreht, um so die Wellenlänge des zu dem Detektor 78 durchgelassenen Lichts zu verändern. Ein mit der Motorwelle 86 verbundener Positionscodierer 90 liefert auf einer Leitung bzw. einem Kanal 108 (Fig. 4) in paralleler Form ein digitales Ausgangssignal L, welches anzeigt, welches der 2°-Segmente des Filters 80 in der optischen Achse der Detektoranordnung liegt. Vorzugsweise liegt zwischen dem Filter 80 und dem Detektor 78 eine Schlitzblende 92, um den Ausschnitt des Filters 80 zu begrenzen, der in einem bestimmten Moment vor dem Detektor 78 liegt. Die Breite d des Schlitzes in der Schlitzblende 92 ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß sich für den mittleren Abstand r von der Drehachse des Filters 80 eine Öffnungsweite ergibt, die einem Winkel von etwa 2° entspricht (Fig. 3).

Der Schuh 16, welcher die Bahn 12 abstützt, während diese sich an dem Sensorkopf 14 vorbeibewegt, besitzt ein Gehäuse 104, in dem ein drehbarer Block 102 angeordnet ist. Normalerweise, d. h. während der Farbmessung und während der Kontrollphase ist der Block 102 in dem Gehäuse 104 so ausgerichtet, daß sich unter der Bahn 12 eine geeignete Standard-Reflexionsfläche 94 befindet. Außerdem besitzt der Block drei weitere Reflexionsflächen 96, 98, 100, die beim Eichen in ihre Betriebsstellung unter der Bahn 12 bewegt werden. Zu diesen Reflexionsflächen 96-100 kann beispielsweise eine weiße Standard-Reflexionsfläche, eine schwarze Standard-Reflexionsfläche und eine weitere Reflexionsfläche zum Eichen der Ansprechempfindlichkeit des Detektors 78 führen.

Wie Fig. 4 zeigt, liefert der Sensorkopf 14 Eingangssignale für ein System 105 mit einem Rechner 110, von dessen Ausgängen 113, 115 und 117 eine X-Anzeigeeinheit 114, eine Y-Anzeigeeinheit 116 und eine Z-Anzeigeeinheit 118 angesteuert werden. Diese Anzeigeeinheiten 114-118 zeigen die sogenannten Tristimulus-Werte des von der Bahn 12 reflektierten Lichts an. Im einzelnen empfängt der Rechner 110, beispielsweise ein bekannter Mehrzweck-Mikrocomputer, seine einen Eingangsdaten von der Leitung 108, auf der das Signal L ansteht, welches die Winkelstellung des Filters 80 angibt. Über eine zweite Leitung 106 wird dem Rechner 110 von dem Sensorkopf 14 ein Signal IREFL zugeführt, welches der Intensität des reflektierten Lichts proportional ist und welches dem Rechner 110 über einen Analog/Digital- Wandler 112 zugeführt wird. Der Rechner 110 liefert den Eingangssignalen L bzw. IREFL entsprechende digitale Ausgangssignale an die drei Anzeigeeinheiten 114, 116 und 118, die in bekannter Weise aufgebaut sein könne, beispielsweise als digitale Segment-Anzeigen, Linienschreiber usw. Außerdem stehen die X-, Y- und Z-Ausgangssignale auf den Ausgangsleitungen 113, 114 und 117 zur Verfügung, die als Eingangsleitungen für ein geeignetes Steuersystem (nicht dargestellt) dienen können, mit dessen Hilfe die Einfärbung der Bahn 12 steuer- bzw. regelbar ist.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm eines Programms, nach welchem der Rechner 110 arbeiten kann, um aus den Ausgangssignalen L und IREFL des Sensorkopfes 14 die Tristimulus-Werte X, Y und Z zu erzeugen. Das betrachtete Programm kann typischerweise ein Unterprogramm sein, welches zwischen den einzelnen Eichphasen während der Meßphasen wiederholt durchlaufen wird. Im einzelnen wird nach dem Start des Unterprogramms (Block 120) mit einem Index K, der die Anzahl der vollständigen Umdrehungen des Filters 80 pro Intervall für eine Mittelwertbildung angibt, bei "Null" begonnen (Block 122). Anschließend wird mit den Tristimulus-Werten ebenfalls bei "Null" begonnen (Block 124). Der Index K wird dann um 1 erhöht (K+1) (Block 126), während bezüglich eines zweiten Index I, der dem jeweiligen 2°-Segment des Filters 80 zugeordnet ist, anschließend mit dem Wert "Null" begonnen wird (Block 128).

Der Index I wird dann um 1 erhöht (Block 130) und das codierte Positionssignal L wird abgefragt, um festzustellen, ob es gleich dem Index I ist (Blöcke 132 und 134), wobei der Motor 88 entweder kontinuierlich läuft oder schrittweise um jeweils 2° fortgeschaltet wird, um die Schleife mit den Blöcken 132 und 134 zu durchlaufen. Das Unterprogramm bleibt kann in der genannten Schleife hängen, bis das Positionssignal L dem Index I entspricht. Anschließend wird das Detektorausgangssignal IREFL abgefragt (Block 136). Gemäß dem Unterprogramm wird das Signal IREFL benutzt, um die Tristimulus-Werte X, Y und Z auf den neuesten Stand zu bringen, indem zu den zuvor gespeicherten Werten Beträge addiert werden, die porportional zum Produkt des Detektorausgangssignals IREFL und des jeweiligen Tristimulus-Wertes mit der dem Index I entsprechenden Wellenlänge sind (Block 138, 140 und 142). Das Unterprogramm wird dann gemäß den Blöcken 130-142 für jeden Wert des Index I fortgesetzt, bis der Wert 180 des Index I erreicht ist, woraufhin das Unterprogramm die Schleife (Block 144) verläßt und prüft, ob der Index K einen vorgegebenen Wert, im vorliegenden Fall den Wert 10, erreicht hat (Block 146). Wenn der Index K kleiner ist als 10, kehrt das Unterprogramm zu dem Block 126 zurück, so daß K wieder um 1 erhöht wird, woraufhin die Tristimulus-Werte für X, Y und Z für eine weitere Umdrehung des Filters 80 auf den neuesten Stand gebracht werden. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis der Index K den Wert 10 erreicht, woraufhin gemäß dem Unterprogramm die letztlich errechneten Tristimulus-Werte für X, Y und Z zu den Anzeigeeinheiten 114, 116 und 118 übertragen werden (Block 146). Danach wird aus dem Unterprogramm in das Hauptprogramm (nicht dargestellt) zurückgekehrt (Block 150), gemäß welchem typischerweise sofort eine erneute Rückkehr zu dem Unterprogramm gemäß Fig. 5 erfolgt.

Fig. 6 dient der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, gemäß welchem die Absorptionsspektren von Farben nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate an das gemessene Spektrum der Bahn 12 angepaßt werden, um Flußkorrektursignale zu erzeugen. Das in Fig. 6 gezeigte System 152 arbeitet dabei mit einem Rechner 154, der ähnlich oder genauso ausgebildet sein kann wie der Rechner 110 in Fig. 4. Der Rechnere 154 empfängt das Positionssignal L vom Kopf 14 direkt über einen geeigneten Eingangsanschluß. Ein Analog-Multiplex-Kreis 156, dem das Signal IREFL vom Kopf 14 als ein analoges Eingangssignal zugeführt wird, liefert ein analoges Eingangssignal für einen Analog/Digital-Wandler 158 in Abhängigkeit von einem Adressensignal, welches von dem Rechner 154 geliefert wird. Der A/D-Wandler 158 liefert ein aus mehreren Bit bestehendes digitales Ausgangssignal an einen weiteren Eingangsanschluß des Rechners 154. Der Rechner 154 liefert seinerseits über Kanäle 160, 162 und 164 Flußtsteuersignale FC1, FC2 bzw. FC3 an Digital/Analog-Wandler 166, 168 und 170. Die D/A- Wandler 166, 168 und 170 steuern zugeordnete Pumpen 172, 174 bzw. 176, welche in Farbstoffleitungen 178, 180 bzw. 182 liegen, die mit Farbstoff-Vorratsbehältern 184, 186 und 188 verbunden sind. Die Leitungen 178, 180 und 182 speisen einen einzigen gemeinsamen Sprühkopf 190, der die Farbstoffe aus den Vorratsbehältern 184, 186 und 188 auf die Materialbahn 12 aufsprüht, die sich an ihm vorbeibewegt. Der Sprühkopf 190 ist dabei stromaufwärts von dem Sensorkopf 14 angeordnet, so daß dieser Farbänderungen messen kann, die auf Änderungen der Farbzufuhr zu der Materialbahn 12 zurückzuführen sind. Durchflußmesser 192, 194 und 196 in den Farbstoffleitungen 178, 180 bzw. 182 liefern Meßsignale F1, F2 bzw. F3 über die zugeführte Farbstoffmenge über Leitungen 198, 200 und 202 an die Analog-Multiplex- Schaltung 156.

Der Zusammenhang zwischen dem gemessenen Reflexionsvermögen Ri der Materialbahn für Licht einer vorgegebenen Wellenlänge λi und die jeweiligen Farbstoffkonzentrationen c&sub1;, c&sub2; und c&sub3;, die sich aus den Durchflußmengen F1, F2 und F3 ergeben, wird durch folgende Gleichung sehr gut angenähert:

Ri = Irefl/I0i

= R0i/exp (Xi1c&sub1; + Xi2c&sub2; + Xi3c&sub3; + ei) (1)

wobei i = Index zwischen 1 und 180, Irefl = gemessene Intensität des von der Bahn 12 reflektierten Lichts in Form des Signals IREFL, I0i = vorher ermittelte Intensität des auf denselben Bereich der Materialbahn 12 auftreffenden Lichts mit der Wellenlänge λi, R0i = Reflexionsvermögen des ungefärbten Bahnmaterials für Licht mit der Wellenlänge λi; Xi1, Xi2 und Xi3 = vorgegebene Konstante und ei = statistischer Fehlerterm, welcher Faktoren, wie z. B. Abweichungen im tatsächlichen Reflexionsvermögen des ungefärbten Materials, Abweichungen in der tatsächlichen Stärke oder Zusammensetzung des Farbstoff usw., berücksichtigt.

Die angegebene Gleichung (1) läßt sich formelmäßig auch wie folgt angeben:

Yi = -1n (Ri/R0i)

= Xi1c&sub1; + Xi2c&sub2; + Xi3c&sub3; + ei (2)

Diese Gleichung (2) läßt sich in Matrix-Schreibweise wie folgt formulieren:

Y = Xc + e (3),

wobei

Y = Vektorspalte mit den Elementen Y&sub1;, Y&sub2; . . . Y&sub1;&sub8;&sub0;;

e = Vektorspalte mit den Elementen e&sub1;, e&sub2; . . . e&sub1;&sub8;&sub0;;

c = Vektorspalte mit den Elementen c&sub1;, c&sub2;, c&sub3;; und

x = eine 180×3-Matrix mit den Elementen Xij.

Aufgrund der normalen Regressionstheorie ergibt sich ein geschätzter bzw. effektiver Farbstoffkonzentrationsvektor ce, d. h. die Menge, durch die das Fehlerquadrat

(Y - Xc)&min;(Y - Xc) (4)

zu einem Minimum wird, wobei (Y-Xc)&min; durch Transponieren von (Y-Xc) gemäß folgender Beziehung erhalten wird:

ce = (X&min;X)-1Y&min;Y (5).

Einfacher gesagt kann der Konzentrationsvektor ce wie folgt ausgedrückt werden:

ce = AY (6)

wobei gilt:

A = (X&min;X)-1X&min; (7).

In dem betrachteten System werden die effektiven Farbstoffkonzentrationen, die auf diese Weise erhalten werden, mit den zuvor ermittelten, erwünschten Konzentrationen verglichen, um Konzentrations-Fehlerwerte zu erhalten, die auf die oben angegebene Faktoren zurückzuführen sind. Die jeweiligen tatsächlichen Farbstoffkonzentrationen, die von den Farbstoff-Durchflußmessern angezeigt werden, werden dann um Beträge verändert, die gleich den Konzentrationsfehlerwerten sind, um korrigierte Konzentrationen der Farbstoffe zu erhalten, die auf die Materialbahn aufzubringen sind. Diese korrigierten Farbstoffkonzentrationen reduzieren das gesamte Fehlerquadrat zwischen dem gemessenen Reflexionsspektrum und dem gewünschten Reflexionsspektrum der Materialbahn auf ein Minimum.

Um zu beweisen, daß dies tatsächlich der Fall ist, soll cd als dreidimensionale Vektorspalte der theoretischen gewünschten Farbstoffkonzentrationen definiert werden. Ferner soll kein Fehlervektor e vorhanden sein. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich für Δc folgende Gleichung:

Δc = ce - cd (8)

Außerdem ergibt sich eine Größe ck gemäß folgender Gleichung:

ck = c - Δc (9)

wobei c, wie oben ausgeführt, die tatsächlichen Farbstoffkonzentrationen darstellt, die den zugeführten Farbstoffmengen F1, F2 und F3 entsprechen.

Wenn wir nun die tatsächlichen Farbstoffkonzentrationen auf den Wert ck ändern, dann ergibt sich der neue Wert für X gemäß folgender Gleichung:

Yk = Xck + e (10)

Andererseits würden die theoretisch erwünschten Konzentrationen cd unter der Voraussetzung, daß ein Fehlervektor e von Null vorhanden wäre, zu einem gewünschten Wert von Y gemäß folgender Gleichung führen:

Yd = Xcd (11)

Die Differenz bzw. der Fehler zwischen diesen beiden Werten ergibt sich gemäß folgender Gleichung:

Yk - Yd = Xck + e - Xcd (12).

Diese mathematische Beziehung läßt sich unter Anwendung der Gleichungen (3), (8) und (9) wie folgt formulieren:

Yk - Yd = Xc + e - Xce = Y - Xce (13),

wobei Y = der mit den ursprünglichen tatsächlichen Konzentrationen c erhaltene Wert. Da wir jedoch bereits das Quadrat auf der linken Seite der Gleichung (13) durch Wahl von ce auf ein Minimum reduziert haben, haben wir damit auch das Quadrat des Fehlers des Terms auf der linken Seite der Gleichung auf ein Minimum reduziert.

In Fig. 7a und 7b ist das Flußdiagramm ein Progamm zur Steuerung der Zuführung von Farbstoff aus den Vorratsbehälter 184, 186 und 188 in Übereinstimmung mit der von dem Sensorkopf 14 gemessenen Farbe der eingefärbten Materialbahn 12 gezeigt. Wie das in Fig. 5 gezeigte Programm kann auch das in Fig. 7a und 7b gezeigte Programm typischerweise als ein Unterprogramm angesehen werden, welches zwischen aufeinanderfolgenden Eichungen des Systems 152 wiederholt durchlaufen wird. Nach dem Start des Programms (Block 204) beginnt das Unterprogramm damit, daß der Index K, der die Anzahl der Umdrehungen des Filters 80 anzeigt, auf den Wert Null gesetzt wird (Block 206). Außerdem werden die Werte C(1), C(2) und C(3), die den Komponenten des effektiven Farbstoffkonzentrationsvektors ce entsprechen, auf Null gesetzt (Block 208). Gemäß dem Unterprogramm wird der Index K um 1 erhöht (Block 210), woraufhin der Index I, der dem Index i in den Gleichungen (1) bis (13) entspricht, auf Null gesetzt wird (Block 212). Gemäß dem Unterprogramm wird anschließend der Index I um 1 erhöht (Block 214) und gewartet (Blöcke 216 und 218), bis das Positionssignal L des Sensorkopfes 14 dem Index I entspricht. Wenn dies eintritt, wird gemäß dem Unterprogramm die Multiplex-Schaltung 156 adressenmäßig aufgerufen, um den gemessenen Wert der Lichtintensität IREFL in den Rechner einzugeben (Block 220).

Nach Empfang des Signals IREFL wird dieses gemäß dem Unterprogramm durch einen zuvor gespeicherten Wert IO(I) (entsprechend dem Wert I0i) geteilt, der die Intensität des einfallenden Lichts bei dieser Wellenlänge angibt, um ein Signal R(I) (entsprechend dem Wert Ri) zu erhalten, welches das Reflexionsvermögen der Materialbahn 12 bei der Wellenlänge angibt, die dem Index I entspricht (Block 222). Gemäß dem Unterprogramm wird die Größe R(I) durch eine zuvor gespeicherte Größe RO(I) (entsprechend dem Wert R0i), welche dem Reflexionsvermögen der ungefärbten Materialbahn bei dieser Wellenlänge entspricht, geteilt, woraufhin der negative Logarithmus -1n dieses Quotienten gebildet wird, um eine Größe Y(I) (entsprechend dem Wert Yi) zu erhalten, der sich linear mit der Farbkonzentration ändert (Block 224). Das Unterprogramm tritt dann in eine Schleife ein (Blöcke 226-232), in der die zuvor gespeicherten Größen (C(1), C(2) und C(3) geändert werden, indem zu ihnen Terme addiert werden, die proportional zu der berechneten Größe Y(I) sind. Gemäß Block 230 entspricht die Größe A(I, J) dem Element Aij der Matrix für die Optimierung der kleinsten Quadrate gemäß Gleichung (7).

Gemäß dem Unterprogramm wird anschließend der Index I abgefragt (Block 234), um festzustellen, ob der Wert 180 erreicht ist, woraufhin, wenn dies nicht der Fall ist, zum Block 214 zurückgekehrt wird, um das Signal IREFL für den nächsten Wellenlängenbereich zu erhalten und zu verarbeiten. Dabei werden gemäß dem Unterprogramm für jeden Wert des Index I die Blöcke 214-234 durchlaufen. Wenn diese Schleife für alle Werte des Index I bis zum Wert 180 durchlaufen wurde, dann wird vom Ja- Ausgang des Blockes 234 zum Block 236 übergegangen, um den Index K abzufragen und festzustellen, ob dieser bereits einen vorgegebenen Wert, beispielsweise den Wert 10, erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist, dann wird gemäß dem Unterprogramm zum Block 210 zurückgekehrt, und die gesamte Programmfolge (Block 210 bis 236) für eine weitere Umdrehung des Filters 80 ausgeführt.

Nach Ablauf eines geeigneten Zeitintervalls für die Mittelwertbildung von mehreren, im vorliegenden Fall 10, Umdrehungen des Filters (Block 236) wird durch das Unterprogramm ein Zeitgeber (nicht dargestellt) gesetzt, der im Rechner 154 vorgesehen ist, und ein Zeitintervall für einen Steuervorgang (Block 238) vorgibt. Während dieses Zeitintervalls werden gemäß dem Unterprogramm zunächst die einzelnen Konzentrationsfehlersignale CE1, CE2 und CE3 erzeugt, die den Komponenten des Fehlervektors Δc entsprechen, indem von den entsprechenden, geschätzten Konzentrationen C(1), C(2) und C(3) die Mengen CO1, CO2 und CO3 abgezogen werden, die den Elementen des angestrebten Konzentrationsvektors cd entsprechen (Block 240). Gemäß dem Unterprogramm werden dann entsprechende Durchflußsteuersignale FC1, FC2 und FC3 erzeugt, indem die Konzentrationsfehlersignale CE1, CE2 und CE3 mit zuvor bestimmten Koeffizienten -G1, -G2 und -G3 multipliziert werden (Block 242). Anschließend wird gemäß dem Unterprogramm ein geeignetes Adressensignal erzeugt, um die Durchflußeingangssignale F1, F2 und F3 zu erhalten (Block 244). Außerdem werden entsprechende Ziel-Durchflußwerte F1T, F2T und F3T erzeugt, indem zu den einzelnen gemessenen Durchflußsignalen F1, F2 und F3 die entsprechenden Durchfluß-Korrektursignale FC1, FC2 bzw. FC3 addiert werden (Block 246).

Gemäß dem Unterprogramm wird dann in eine Schleife eingetreten (Blöcke 248-254), in der die gemessenen Durchflußwerte F1, F2 und F3 kontinuierlich abgefragt und Durchflußsinale PC1, FC2 und FC3 erzeugt werden, und zwar auf der Basis der Differenz zwischen den gemessenen Durchflußwerten und den zuvor erzeugten Ziel- Durchflußwerten. Die ständig neu errechneten Korrektursignale FC1, FC2 und FC3 werden D/A-Wandlern 166, 168und 170 zugeführt, welche die Pumpen 172, 174 bzw. 176 steuern. Am Ende des durch den Zeitgeber gemäß Block 238 vorgegebenen Zeitintervalls, d. h. zu einem Zeitpunkt, zu welchem die gemessenen Durchflußwerte F1, F2 und F3 konvergierend auf die Ziel-Durchflußwerte F1T, F2T und F3T geführt wurden, wird die Schleife gemäß dem Unterprogramm verlassen (Block 254), und es erfolgt eine Rückkehr (Block 256) in das Programm (nicht dargestellt), mit dem das Unterprogramm aufgerufen wird. Wie oben erwähnt, wird das in Fig. 7a und 7b gezeigte Unterprogramm zwischen aufeinanderfolgenden Eichperioden des Systems 152 typischerweise wiederholt durchlaufen bzw. aufgerufen.

In dem System gemäß Fig. 6 werden die Durchfluß- Korrektursignale FC1, FC2 und FC3 erzeugt, indem die Farbabsorptionsspektren an das gemessene Reflexionsspektrum der Materialbahn angepaßt werden, um die sogenannten effektiven Farbkonzentrationen C(1), C(2) und C(3) zu erhalten. Man sieht jedoch, daß die in diesem Zusammenhang durchzuführenden Rechenschritte kommutativ sind und daß auch die Alternative besteht, das gemessene Reflexionsspektrum mit einem gewünschten Spektrum zu vergleichen und dann die Farbabsorptionsspektren an das so erhaltene Federspektrum anzupassen.

Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Anpassung der einzelnen Absorptionsspektren der Farben an das gemessene Reflexionsspektrum der eingefärbten Materialbahn. In Fig. 8 ist längs der Abszisse die Wellenlänge in Nanometer aufgetragen, während längs der Ordinate der negative Logarithmus des gemessenen Reflexionsvermögens aufgetragen ist, da dies die Größe ist, welche in erster Näherung linear von der Farbstoffkonzentration abhängig ist. In Fig. 8 entspricht die Kurve 258 dem gemessenen Reflexionsvermögen der Farbe auf der eingefärbten Materialbahn 12, während die Kurven 260, 262 und 264 den Absorptionsspektren der einzelnen Farben entsprechen, die mit den geschätzten Farbstoffkonzentrationen C(1), C(2) und C(3) bewichtet sind, die mit dem Unterprogramm gemäß Fig. 7a und 7b erhalten wurden. In der grafischen Darstellung gemäß Fig. 8 wird davon ausgegangen, daß das Reflexionsvermögen einer nicht gefärbten Materialbahn unabhängig von der Wellenlänge λ ist, so daß das Spektrum, welches der Summe der Kurve 260, 262 und 264 entspricht, eine nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate berechnete Annäherung der tatsächlichen Reflexionskurve 258 darstellt.

Während bei dem System 152 gemäß Fig. 6 mit drei Farbstoffen gearbeitet wird, soll an dieser Stelle betont werden, daß das System ohne weiteres zur Steuerung der gleichzeitigen Aufbringung einer größeren Anzahl von Farben geeignet ist, falls eine exaktere Farbanpassung gewünscht sein sollte. Tatsächlich besteht einer der entscheidenden Vorteile des erfindungsgemäßen Farbstoffregelsystems darin, eine Optimierung nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate durchzuführen, so daß keine Einschränkung auf nur drei Farben vorliegt, wie bei Systemen, die auf dem Verfahren der Messung der Tristimulus-Werte X, Y und Z basieren. In dem erfindungsgemäßen System kann beispielsweise eine Farbabweichung in einem Bereich des sichtbaren Spektrums dadurch korrigiert werden, daß man eine zusätzliche Farbe verwendet, die in dem betreffenden Bereich des Spektrums ein selektives Absorptionsvermögen besitzt, ohne die Farbabstimmung in anderer Hinsicht zu beeinträchtigen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird und daß bei dem erfindungsgemäßen Farbmeß- und Regelsystem keine Anpassung der Spektral-Kurven seiner verschiedenen optischen Komponenten erforderlich ist, und daß das System auch gegenüber Änderungen des Arbeistpunktes relativ unempfindlich ist. Weiterhin gestattet das erfindungsgemäße System eine unabhängige Steuerung bzw. Regelung der Zuführung von vier oder mehr Farbstoffen.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß gewisse Einzelmerkmale und Unterkombinationen auch für sich allein besonders nützlich sein können. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß vorstehend lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiels näher erläutert wurde und daß dem Fachmann, ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel, zahlreiche Änderungen und Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedankten der Erfindung verlassen müßte.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung der Zuführung mehrerer Farbstoffe zum Einfärben einer kontinuierlich zugeführten Materialbahn, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    1. a) es wird kontinuierlich über das optische Spektrum für die Wellenlängen λi das Reflexionsvermögen des ungefärbten Bahnmaterials Roi gemessen;
    2. b) für jede der Wellenlängen λi und jeden der Farbstoffe f(f=1, 2, 3, . . .) werden Konstanten Xif bestimmt zur Beschreibung der Farbstoffkonzentrationsabhängigkeit des Reflexionsvermögens der eingefärbten Materialbahn Ri gemäß folgender Gleichung:

      Ri = Roi/exp (Xi1 c&sub1; + Xi2 c&sub2; + Xi3 c&sub3; + . . .),

      wobei Cf (f=1, 2, 3, . . .) die jeweiligen Farbstoffkonzentration ist;
    3. c) bei jeder Wellenlänge λi wird der Istwert des Reflexionsvermögens Ri eines Bereichs des mit den Farbstoffen eingefärbten Materials gemessen, und es werden unter Zufhilfenahme der Werte Roi für das Reflexionsvermögen der ungefärbten Materialbahn die Größen

      gebildet;
    4. d) es wird ein effektiver Farbstoffkonzentrationsvektor ce gemäß

      ce = (X&min;X)-1 X&min;Y

      ermittelt, wobei

      Y = Vektorspalte mit den Elementen Yi,

      X = eine Matrix mit den Elementen Xif,

      X&min; = die transponierte Matrix zu X,

      mit der Eigenschaft, daß bei diesem effektiven Farbstoffkonzentrationen das gesamte Fehlerquadrat zwischen den gemessenen Werten des Reflexionsvermögens und den vorgegebenen gewünschten Werten zu einem Minimum wird;
    5. e) der so ermittelte effektive Farbstoffkonzentrationsvektor ce wird mit den erwünschten Sollkonzentrationen für die einzelnen Farbstoffe verglichen, um Konzentrationsfehlerwerte zu erhalten, bei denen die Summe der Fehlerquadrate auf ein Minimum reduziert ist,
    6. f) die Farbstoffzuführung der einzelnen Farbstoffe zu der Materialbahn wird ausgehend von den gemessenen Farbstoffdurchflußwerten entsprechend den ermittelten Konzentrationsfehlerwerten verändert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoffe transparente Farbstoffe verwendet werden.
  3. 3. Vorrichtung zur Regelung der Zuführung mehrerer Farbstoffe zum Einfärben einer kontinuierlich zugeführten Materialbahn zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

    gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

    es sind Meßeinrichtungen (14) zum Messen des Reflexionsvermögens eines Bereiches der mit den Farbstoffen eingefärbten Materialbahn (12) für mehrere Wellenlängenbereiche (λi) vorgesehen;

    es sind Rechen- und Signalerzeugungseinrichtungen (105) vorgesehen, mit deren Hilfe Konzentrationsfehlerwerte berechenbar und entsprechende Signale erzeugbar sind, bei denen die Summe der Fehlerquadrate bezüglich der Abweichungen der gemessenen Werte des Reflexionsvermögens von vorgegebenen, gewünschten Werten des Reflexionsvermögens zu einem Minimum wird; und

    es sind Stelleinrichtungen (172, 174, 176) vorgesehen, mit deren Hilfe die Farbstoffzufuhr zu der Materialbahn (12) in Abhängigkeit von den Konzentrationsfehlersignalen einstellbar ist.






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