CS81885A3 - Apparatus for the detection of color differences - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro detekování rozdílů v barvězkoumaného materiálu, přičemž toto zařízení obsahuje prostřed-ky pro osvětlení materiálu, prostředky pro měření saaožstvísvětla odraženého materiálem a prostředky pro transport mate-riálu·

Zařízení podle vynálezu Je zvláště vhodné pro využitív přístroji pro detekci plynu obsahujícím materiál uzpůsobe-ný tak, aby změnil barvu při styku s plyny, a prostředky proutvoření kontaktu mezi tímto materiálem a plyny* Nicméně pou-žití zařízení podle vynálezu není omezeno pouze na tento pří-stroj pro detekci plynu*

Je znám přístroj pro detekci plynu, a to pro detekovánípřítomnosti různých druhů škodlivých plynů v atmosféře* V tonu-to zařízení podle dosavadního stavu techniky sestává materiálz páskovitého substrátu plastikového materiálu pokyytého vrst-vou chemické látky* Tato látka mění barvu v přítomnosti škod-livých plynů, které mají být detekovány, a nemění barvu, pokudtyto plyny nejsou přítomny* Přítomnost škodlivých plynů Je de-tekována. osvětlením místa měření na pásku materiálu prostřed-nictvím světelného zdroje a měřením světla odraženého od povr-chu pásku materiálu prostřednictvím fotodiody a následnému vy-stavení místa měření atmosféře, která má být monitorována aopakování měření odrazu po nějaké době* Výstražný signál sevytváří v odezvu na změřenou změnu odrazu přesahující předemstanovenou mezní hodnotu* Pásek materiálu není mezi měřenímiprvní a druhé odražené hodnoty transportován, takže postačí jeden světelný zdroj a jedna fotodioda.

Nevýhodou tohoto přístroje podle dosavadního stavu tech-niky je, že změna barvy pásku materiálu musí být podstatná,aby umožnila přesné určení přítomnosti nebo nepřítomnosti škodlivého plynu· Ve spojení s kolísáním intenzity světelného zdro·je a s nelinearitami, zvláště u světelného detektoru a k němupřipojených elektronických obvodů, je nemožné přesně určit ma-lou změnu barvy, přičemž dlouhodobé změny intenzity světelnéhozdroje a citlivosti fotodiody způsobují, že je nezbytné vytvá-řet výstražný signál pouze v odezvu na značnou změnu barvy,aby se zabránilo falešným poplachům· Nicméně zvláště při de-tekci extrémně škodlivých plynů, jako jsou jedovaté plyny, ježivotně důležité dosáhnout spolehlivé indikace přítomnosti ta-kových plynů v co možná nejranějším stadiu. Pro detekci urči-tých plynů lze použít hydrofylickou gázou ovinutou páskovitoulátku, o které bude dále pro jednoduchost řeč pouze jako o pás·ce, která je navlhčena v chemických látkách tak, aby nevykazo-vala žádnou změnu barvy v přítomnosti škodlivých plynů a abyvykazovala změnu barvy v nepřítomnosti takových plynů· Páskase průběžně posouvá. Výhodou takové pásky je, že může být ryfchle a zcela impregnována tekutými chemikáliemi, aniž by to ne-gativně ovlivnilo pevnost látky. Pokud by se používal homogen-nější materiál, jako je papírová páska, taková impregnace byzpůsobila, že materiál nabobtná a jeho pevnost se sníží, cožmá za následek zhoršený posuv pásku® Navíc v případě papírovépásky plyn nemůže dosáhnout chemikálií uvnitř pásku, což nega- - 3 - tivně ovlivňuje rychlost reakce. Kromě výše zmíněných výhodnicméně sebou použití pásku navlhčeného v chemikáliích přiná-ší množství specifických problémů, pokud Jde o měření barvypásku, zatímco průběžný přesun navíc vyžaduje v principu polo-žití dvou světelných zdrojů a dvou světelných detektorů, cožklade vysoké nároky na stejnost těchto součástek.

Chemická reakce vytvářející změnu barvy trvá desetinysekundy až několik minut v závislosti na aktivitě čidel a okol-ní teplotě. Nicméně skutečnost, že nedošlo ke změně barvy, mu-sí být zjištěna tak brzo, Jak Je to Jen možné. Experimentálněbylo prokázáno, že změna barvy pásku může být detekována poté,co reakce probíhala asi 10 sekund. Nejen konečná barva pásky,ale zvláště barva po době asi 10 sekund vysoce závisí na tep-lotě okolí a na stáří chemikálii. Navíc barva pásku po 10 se-kundách závisí na barvě pásku bez chemikálií, způsobu, kterýmJe pásek zvlhčován a množství materiálu pásky procházejícíhoměřicím systémem za Jednotku času. Odtud není možné prověřo-vat změnu barvy pásky srovnáváním její barvy s určitou, pře-dem stanovenou referenční barvou. Navíc páska není homogenní.Hustota osnovy není zanedbatelně malá ve vztahu k rozměrůmměřeného pole používaného v praxi pro měření barvy, přičemžvlákna nemají Jednotnou tloušíku a rozteče mezi vlákny se mě-ní v relativně velkém rozsahu. Výsledkem toho Je, že čistáoblast vlákna přítomná v měřicím poli bude podobně kolísat.Správná činnost detektoru plynu proto vyžaduje, aby měřeníbarvy bylo optimálně nezávislé na výše zmíněných faktorech. - 4 -

Pro vyřešení výše zmíněných problémů|podle vynálezu^jezajištěno detekční zařízení výše zmíněného typu/vekter émprostředky pro osvětlení pásku materiálu zahrnují první svě-telný zdroj adaptovaný pro emisi světla první barvy a druhýsvětelný zdroj adaptovaný pro emisi světla druhé barvy, při-čemž je zajištěn optický systém uspořádaný tak, aby dával vpodstatě stejné zlomky množství světla emitovaného prvním adruhým světelným zdrojem k první, a druhé měřené oblasti umí-stěné v určité vzdálenosti od sebe na pásku materiálu, kde každá měřená oblast je sdružená s prostředky pro měření množstvísvětla odraženého páskem materiálu/ přičemžVJšoďdále zajiště-ny prostředky uspořádané pro přímé měření množství světla emi-tovaného druhým světelným zdrojem a elektronické spínací pro-středky pro vybuzování prvního a druhého světelného zdrojestřídavě a elektronické řídicí prostředky reagující na měřenémnožství odraženého světla prvního světelného zdroje a odraže-ného světla druhého světelného zdroje pro řízení intenzitydruhého světelného zdroje tak, že měřená množství odraženéhosvětla jsou v podstatě rovné pro každou měřenou oblasto

Experimentálně bylo prokázáno, že s výhodou je světlo emitované prvním zdrojem zelené a světlo emitované druhým zdrojemje červené. Ve skutečnosti červené a zelené světlo vytvářejímaximální rozdíl v množství světla odraženého od bezbarvého,případně barevného pásku pro použitá barvicí činidlo, což zvy-šuje přesnost měření· - 5 - Ačkoli lze použít různé známé typy světelných zdrojů,použití červené a zelené bvětlo emitující diody se ukázalobýt zvláště výhodné, zejména s ohledem na vysokou četnost^se kterou mohou být tyto světelné zdroje spínány a vypínány*Potocitlivé rezistory a křemíkové fotodiody lze použít jakosvětlodětekující prostředky, přičemž výhodně jší_ jsou foto-diody, které okamžitě reagují na kolísání světla, mají ma-lou teplotní závislost a vykazují dobrý lineární vztah meziintenzitou osvětlení a proudem signálu*

Vynález je založen na zjištění, že je možné potlačitvliv šedosti pásku měřením odrazu pásku při dvou vhodnýchbarvách světla a následným určením poměru dvou měřených hod-not odraženého světla* Také vliv kolísání hustoty osnovy pás-ky se takto do značné míry potlačí. Navíc může být vliv zá-kladní barvy pásku eliminován měřením odrazu pásku ve dvouodlišných bodech, přičemž první bod je umístěný tak blízkoke stanici, v níž je pásek zpracováván tekutou chemikálií,takže dosud dost dobře nemohlo dojít k žádné chemické reakci,a druhý bod je umístěn ve vzdálenosti odpovídající dráze,o. kterou se pásek posune v době asi 10 sekund, což jest dobavyžadovaná k tomu, aby se dalo stanovitsdostatečnou určitos-tí, jestli došlo ke změně barvy nebo jestli ke změně barvynedošlo* Podíl signálů získaných ze dvou měřicích bodů potompředstavuje pouze informaci o změně barvy pásku v průběhu 10sekund* Je zřejmé, že tento měřicí postup klade vysoké nároky - 6 - na konstantnost poměru mezi intenzitami osvětlení světlemtéže barvy ve dvou bodech měření. Pro splnění těchto nárokůje podle vynálezu zajištěn optický systém dodávající konstant-ní zlomky množství světla z prvního a druhého světelného zdro-je ke dvěma měřeným oblastem. Podle vynálezu je takovým říze-ním světla z druhého červeného zdroje světla, aby odrazy mě-řené na prvé, případně druhé měřicí oblasti byly stejné pročervené světlo a zelené světlo, dosaženo toho, že změny napětía změny proudu a nelinearity zesilovačů v elektronickém obvo-du, stejně jako nelinearity fotobuněk nemají žádný účinek nakonečný výsledek měření..

Vynález bude dále detailněji popsán podle příkladnéhoprovedení a ve spojení s přiloženými výkresy, kde na obr. 1je schematicky znázorněn boční pohled na konstrukci optickéhoa světlovacího systému detekčního zařízení podle vynálezu,na obr. 2 je schematicky znázorněn čelní pohled na konstrukciz obr.l^ia obr. 3 je znázorněno schéma obvodu pro řízení svě-telných zdrojů na osvětlovacím, systému a prostředky pro dete-kování odraženého světla a na obr. 4 je schematicky znázorněnoněkolik průběhů signálů, které se mohou objevit v obvodechz obr. 3.

Obr. 1 a 2 znázorňují osvětlovací systém 1 obsahujícístředově připevněnou červenou světlo emitující diodu 1 a s vý-hodou čtyři až šest zelených světloemitujících diod 1,1*,upevněných rotačně symetrickým způsobem okolo světloemitující diody 2· Důvodem pro použití nestejného počtu světlo emitují-cích diod je, žehlené světlo emitující diodyížmitují světel-né paprsky o menší intenzitě než červené světloemitující diodya že křemíkové fotobuňký^použíiané jako světloemitující pro-středky jsou-méně citlivé na zelené světlo,než na světlo čer-vené· Difuzor £ mixůje světelné paprsky emitované různýmisvětlo emitujíc ími diodami/tak, že paprsek z něj vycházejícíje optimálně rotačně symetrický vzhledem k optické ose systémuOptický systém promítá aperturu osvětlovacího systému 1 napásku 12 ve dvou oblastech 12 ”, 12

Optický systém zahrnuje hlavní objektiv 6, který ohýbádivergentní světelné paprsky vycházející z apertury £ * vytvá-ří paralelní světelný svazek a objektivy 1Ό a 11 měřeného po-le konvergující oblasti 17 f případně 18 světelného svazku vy-stupujícího z objektivu 6 a odraženého zrcadlem 2 tak, že tytooblasti jsou zaostřeny na páskuj Symetrická struktura jak osvětlovacího systému, tak optického systému zajišťují, že na prvníměřicí oblast lg* a druhou měřicí oblast 12 na pásce/αopa-dají stejně veliké části světelného svazku vystupujícího zapertury 5· část světelného svazku vystupujícího z objektivu 6 při-chází na fotobuňku 8 přes filtr 2 propouštějící pouze červenésvětlo· Na fotobuňky 13 a 15 na první měřicí oblasti 12 'a 14 16 na druhé měřicí oblasti 12w dopadá světlo Odražené pás-kouj' přičemž neprůsvitné stínítko 1,9 Zabraňuje tomu, aby svět- νΛ'ί ? i'.'· νλ.) r.í7.λ' Ιο odražené na jedné z měřicích oblastí^dSsáhlo f otobunký^^H^družené k druhé měřicí oblasti//

Optický systém má v podstatě tytéž charakteristiky pročervené i zelené světlo· červená a zelená světelná stopa napásce<navzájem koincidují jak pokud jde o rozměr, tak pokudjde o polohu a distribuce intenzity světla v měřené oblastije pro obě barvy identická· To je základní podmínka pro správ-né potlačení kolísání odrazů světla páskotrv důsledku měnícíhose poměru mezi tloušťkou vlákna a hustotou osnovy v měřené ob-oblasti. Tomuto kolísání se také říká šum pásky·

Spektra červené a zelené světloemitující diody/se částeč- ně překrývají a není proto možné konstruovat optický filtr 2 3.3' blokující celkovou emisi zelených světloemitujících dioll/apropouštějící celkovou emisi červené světloemitu jící diody^·Nicméně elektronické obvody mohou být vybaveny zařízeními,která budou popsána později pro " optimální eliminaci účinkurušivého zeleného světla·

Obr· 3 znázorňuje blokové schéma elektronického obvodupro vytváření signálů dávajících optimálně přesnou informacio barvě světla na dvou měřicích oblastech· Světloemitujícídiody a fotobuňky znázorněné v obr· 1 a 2 jsou označeny týmižreferenčními čísly v obr. 3· Světí ©emitující diody J "a i'"jsou znázorněny proto, aby bylo jasné, že osvětlovací systém1 může zahrnovat čtyři nebo více zeíŠhých světloemitujícíchdiodTFže v principu těmito světlo emitujícími diodami prochá-zí tentýž proud. - 9 - Přepínače £0 až 25 na obr· 3 jsou znázorněny pouze sche-maticky a ve skutečnosti to s’výhodou budou vysoce rychlé přepínače MOSFET. Křemíkové fotobuňky 13 a lg jsou zapojeny v paralelnímvztahu k invertujícímu vstupu zesilovače 26.·Výstup zesilova-če £6 je přiveden zpět přes rezistor 27 k invertujícímu vstu-pu, aby se realizovala nízká vstupní impedance tohoto zesilo-vače^To je žádoucí, poněvadž křemíkové}buňký^tfykazují dobrélineární charakteristiky a relativně malou teplotní závislostkdyž pracují s nízkou ohmickou zátěží·

Fotobuňky 14 a 16 jsou podobně připojeny k invertujícímuvstupu druhého zesilovače 28 > jehož výstup je podohně přesrezistor spojen s invertujícím vstupem. Fotobuňka 8 je připojena k invertujícímu vstupu zesilovače 20, jehož výstup jepřes rezistor 21 spojen s invertujícím vstupem· Neinvertujícívstupy zesilovačů 26. 28 a 20 jsou připojeny k zemio Výstupní signály ze zesilovačů 26 a 28 mohou být přive-deny přes přepínače 20. případně 21 ke vstupu pásmové propus-ti 32. Tato pásmová propust 32 v činnosti filtruje nízkofrek-venční střídavé napěíové prvky z výstupních signálů ze zesi-lovačů 26 a 28, kde tyto složky jsou vytvářeny v odezvu nadenní světlo dopadající na fotobuňkyv průběhu údržby vodezvu na umělé světlo· Výstup zesilovače 20 jejprtpojen k pásmové propusti 50. která slouží témuž účelu jako pásmová pro- pust 22» - 10 - Výstup pásmové propusti 32 je připojen ke vstupu synchron-ního usměrňovač ího obvodu obsahujícího invertor 33, přepínač$g a obvod integrátoru sestavený z rezistoru 34. zesilovače 35 a zpětnovazebního kondensátoru 36. přičemž rezistor 34 jepřipojen k invertujícímu vstupu zesilovače 35 a kondensátor 36 je zapojen mezi výstup zesilovače 35 a jeho invertujícívstup. Neinvertující vstup zesilovače 3j> je připojen k zemi.*Invertor 33 v činnosti přídavně potlačuje nízkofrekvenční sig-nály. Výstup zesilovače 35 je připojen ke vstupu převodníku 32napětí na proud, jehož výstup řídí červenou světloemitujícídiodu 2· Výstup převodníku 37 může být připojen k zemi přespřepínač 23 tak, aby se odpojil proud ke světloemitující dio-dě £. Výstup pásmové propusti $0 je připojen ke vstupu synchron-ního usměrňovačího obvodu sestávajícího ze spínače 25, rezis-toru 3j) a kondenzátoru JO. Kondenzátor 40 má jeden svůj vývodpřipojen k zemi a svůj druhý vývod připojen k vývodu rezisto-ru 32 a ke vstupu součtového obvodu 41* Součtový obvod 41 mádruhý vstup připojen ke zdroji 42 stejnosměrného napětí· Vý-stup součtového obvodu 41 je připojen k prvému vstupu analogo-vého multiplexového obvodu 38 majícího svůj druhý vstup připo-jen k výstupu zesilovače 35· Výstup obvodu 3,8 je připojen kanalogově číslicovému převodníku který převádίJsignálj“přiváděnýlk němu) Xnatok údajů, které se přivádějí přes dato-vou sběrnici 44 k neznázorněnému mikroprocesoru. Mikroprocesor - 11 - přivádí prostřednictvím datová sběrnice ££ řídící signályk řídicímu obvodu 46. který řídí přepínače až 25. analo-gový násobící obvod 38. analogově číslicový převodník 4.3 ačíslicově analogový převodník JS. číslicově analogový převod-ník 43 přijímá data z mikroprocesoru před datovou sběrnici47· Výstup číslicově analogového převodníku 48 je připojenk převodníku 4J napětí na proud, jehož výstup je připojenk sériovému propojení světlo emitujících diod 2, 2*» 3/S 2.'"a ke kterékoli další zelené světloemitující^ diodě, která mů-že být v tomto zapojení přítomna® Výstup^obvoduY4g~^že býtpřipojen k zemi přes přepínač 24, aby se odpojilo řízení svět-1 o emituj íc ich diodJJ, 3 ' činnost detekčního zařízení podle vynálezu bude nyní po-psána detailněji·

Jak je znázorněno na obr· 1 a 2, jsou na pásce 12 dvě měřicí oblasti 12 a 12", přičemž první měřicí oblast 12 ’ jeumístěna poblíž stanioe, kde je páská^vlhčena chemikáliemi způsobujícími změnu barvy a druhá měřicí oblast 12 je umís-těna asi 8 mm dále ve směru pohybu pásk^/^kde tato vzdálenostodpovídá časovému intervalu asi 10 sekund při zvolené rychlos-ti páskyí^V průběhu této periody mohou totiž chemikálie způ-sobit změnu barvy páskyy když je atmosféra čisté, nebo je jimve způsobení takové změny barvy zabráněno příton^stí^plynů,které mají být detekovány· Na každé měřicí oblašTi^Je^páskastřídavě osvětlena zeleným světlem o vlnové délce asi 550 nma červeným světlem o vlnové délce asi 650 nm* četnost, na kte- - 12 - '· <-;>'.•všV:’,.; ',ί;ίί.?.ϊ/.'«ι.ι^,'-·’Λ .'. -.-z·.: :;.... ré se osvětlení v barvě střídá, je asi 1 kHz, takže vzdále-nost, kterou páska/^průběhu cyklu červeného a zeleného svět-la posune, je zanedbatelná. Obě měřicí oblastiT^soíTosvětle-ny z jediného osvětlovacího systému 1, kde tento systém jeadaptován, aby střídavě emitoval červené a zelené světlo.

Každá měřicí oblast/jepřidružena ke dvěma jeřem fkovýmfotobuňkám, to jest první oblast 12 *k fotobuňkám 13 a 15 adruhá oblast 12 "k fotobuňkám 14 a 16, které přijímají částsvětla odraženého a rozptýleného páskou/a které, jak je zná-zorněno na obr. 3, jsou propojeny pro použití jako zdroj prou-du, čímž je zajištěna rychlá a lineární odezva.»

Intenzita zeleného světla je v principu konstantní, za-tímco intenzita červeného světla je nastavena tak, aby na kaž-dé měřené oblastiAbyl výstupní signál paralelně zapojených fo-tobunek/v odezvu na červené světlo optimálně roven tomu, kte-rý je odezvou na zelené světlo. Vzhledem k tomuto řízení sig-nálů fotobuněk nemají absolutní citlivost fotobuňky a proudza tmy fotobuňky, odchylky proudů a případné nelinearity aměnící se poměr proudu k ^asu červeného světla vliv na výsle-dek měření. Řídící systémT^ídí přepínače £0 a 21, tak, že in-tenzita červené světloemitující diody/je řízena střídavě prodvě měřicí oblašti^průběhu asi 100 milisekund, takže na za-sebou; následujících bodech je intenzita červeného^světla střidávě nastavena, což jest měřítkem pro barvu páský/^ první mě-řicí oblasti 12 případně druhé měřicí oblasti 12^« Podíl 13 těchto dvou hodnot intenzity, kvocient Q barvy, je měřítkempro změnu barvy páský/^průběhu posuvu od první měřicí oblas-ti 1£ 1c druhé měřicí oblasti iP**·

Ve výpočtech, které budou následovat, bude použito ná-sledujících pojmůi Fg-bude světelná intenzita svazku zelené-ho světla vycházejícího z apertury Pr,..bude světelná inten-zita svazku červeného světla vycházejícího z apertury 5, cg,.,bude část svazku zeleného světla dopadající na pásku v jednéměřicí oblasti, Cr. bude část světelného svazku červeného svět-la dopadajícího na pásku v jedné měřicí oblasti, kg-bude efek-tivní koeficient odrazu pásky pro zelené světlo, kr.. bude efek-tivní koeficient odrazu pásky pro červené světlo, Gg. bude cit-livost fotobuňky přidružené k pásce na zelené světlo (miliamr-pér na lumen) a Gr...bude citlivost fotobuňky přidružené k pás-ce na červené světlo (miliampér na lumen)«

Jestliže řídicí systém nastavil intenzitu zdroje červe-ného světla způsobem výše popsaným, pro každou měřicí oblastbude platit následující rovnice

Pg · cg · kg · Cg * Pr o cr o kr « Gr takže cg kg Gg řI ,ř« ~ ’ k? (1)

Poněvadž cg/cr a Gg/Gr jsou v podstatě konstantní, Prje nastaveno na hodnotu, která je přímo úměrná Pg a dále zá-visí na barvě pásky/2. Předpokládá se, že při použití proudů fotobuňky na prv-ní měřicí oblasti 12.* jako kritéria, nastavuje řídicí systém^ 14 - intenzitu svazku červeného světla na hodnotu Frl a následněza použití proudu fotobuňky na druhé měřicí oblasti 12ja-ko kritérium na hodnotu Fr2. Následující rovnice pak platí pro poměr Prl/Fr2, to jest kvocient Q barvy pásky na dvou měřicích oblastech // o - Frl _ Fgl . cgl . er£o kgl . kr2 . Ggl . Gr2Q “ Fr2 “Fg2 cg2 ňg2 krl k£Š M ‘ Sg2 (2)

Rovnice (2) může být zjednodušena, jestliže1„ Pgl = Pg2, poněvadž je zde jedna konstanta, zdroj zelené- ho světla společný oběma měřicím oblastem2· různé hodnoty je jsou v principu stejné a jsou v každém pří- padě konstantní 3· podíly Ggl/Grl a Gg2/Gr2 jsou přibližně stejné (tytéž ty-py fotobuňky) a jsou v každém případě konstantní. Výsledkem toho; je, že se rovnice (2) zjednoduší na tvar

Frl kgl kr2 ® * "K5- * K "kST" ’ "kgS“ V rovnici (3) je K přibližně rovno 1 a je v každém případěkonstantní.

Určením kvocientu Q barvy výše uvedeným způsobem se do-sahuje toho;, že tento kvocient barvy není ovlivňován kolísá-ním tloušfky vlákna a rozměrů šířky pásk^^poněvadž v princi-pu tvto faktory ovlivňují stejně kg i kr v každé měřicí oblas-ti/írp5něvadž v principu změny v základní barvě pásků/nebov základní barvě chemikálií stejně ovlivňují kgl a kg2 a krla kr2vpříslušných měřených oblastech. 15

Barvy červená a zelená ee používají pro osvětlení pás-ku, poněvadž barva vytvořená na pásku, když je atmosféračistá, má za následek relativně velké snížení odrazu páskypro zelené světle a relativně malé snížení odrazu pro čer-vené světlo· Kvocient Q barvy je přibližně 1,1 pro barevnoupásku a přibližně 1 pro nebarevnou pásku· Výsledkem toho je,že je zajištěn relativně velký výstupní signál, což snižujenáchylnost k chybám měření·

Světelné intenzity Frl a Fr2 se měří fotobuňkou §_· Tatofotobuňka snímá z objektivu 6. konstantní část světelnéhosvazku vycházejícího z apertury Poněvadž je zapotřebí mě-řit fotobuňkou 8 pouze červené světlo a nikoli zelené světlopřítomné ve světelném svazku, je před fotobuňku 8 upevněnfiltr 2 propouštějící červené světlo a nepropouštějící zele-né světlo·

Fotobuňka &amp; střídavě dává následující signály S1 « sr3»Gr3»Frl+d a S2 a cr3*Gr3eFr2+d kde;cr3...je část světelného paprsku červeného světla dopada-jící na fotobuňku g, Gr3...je citlivost fotobuňky &amp; na červenésvětlo a d je proud za tmy plus odchylka proudu·

Pokud jde o přesné určení Q, poměr signálů S1/S2 by mělbýt optímělně roven poměru světla Frl/Fr2, přičemž S1 a S2musí být korigovány na hodnotu d· Za tímto účelem měřicícyklus, v průběhu něhož jsou střídavě Frl a Fr 2 řízeny tak,že jsou rovny Fgl, případně Fg2, také zahrnuje měřicí fázi - 16 - pro proud za tmy, v níž se zdroj červeného světla vypne aodtud Fr s 0* Fotobuňka 8 a obvod zesilovač<^íapojený mezituto fotobuňku/a analogově číslicový převodník 43 pak spoludávají složku signálu d_» Signály z fotobuňky £ jsou digitál-ně zpracovány přes analogově číslicový^kenvertor 43 a mikro-procesore Signály_Sl, S2 a d jsou postupně převedeny do di-gitální formy a uloženy do paměti mikroprocesoru» čistý kvo-cient Q barvy může být vypočten z těchto údajů následujícímzpůsobem: Q » -|i; 2 — » Z výše uvedeného je zřejmé, že popsaný systém je vysocenezávislý na absolutních hodnotách a pomalých změnách pomě-ru intenzity světla a proudu zdroje červených a zelenýchsvětlo emitujících diod, citlivosti a proudu za tmy fotobur·něk, trvalé odchylce napětí a proudů ze zesilovačů v obvo-du, základní barvě pásky a chemických zvlhčovačích činidel,kolísání tloušťky vlákna a hustotě osnovy té Části pásky,která je umístěna v měřicím poli, tak zvaném šumu pásky» činnost elektrických obvodů znázorněných na obr· 3 budedále vysvětlena s odkazem na obr» 4 znázorňující několikprůběhů signálů objevujících se v těchto obvodech» Řídicí cyklus obsahuje následující čtyři měřicí interva-iy<0"Ů(ílce trvání asi 100 milisekund každý označený na obr» 4 písmeny A, B, G, případně D» V intervalu A je červené světlo řízeno za použití sig-nálu vytvářeného fotobuňkami L3 a 15 přidnuženými k prvníměřicí oblasti ' jako kritérium» Spínač £0 je uzavřen a 17 - spínač 21je rozepnut, zatímco spínače 22 · 21 jsou takvybuzeny a nevybuzeny v rytmu 1 kHz, že když je spínač 21rozepnut, je spínač 24 sepnut a naopak· Výsledkem toho je,že jsou červeněná zelené světloemitující dio^T^^IcTávě vy-buzeny· Obr· 4a znázorňuje emisi zelených světloemitujích

3 3f3tY diod^áTobr· 4b emisi červených světlo emitujících diodož, V intervalu_S je červené světlo řízeno za použití signá-lu vytvořeného fotobuňkami ^4 a 16 přidruženými k druhé měři-cí oblasti 12 " jako kritérium· Spínač 20 je rozepnut a spí-nač 21 je sepnut, zatímco spínače 23 a £4 dále spínají a ro-zepínají v rytmu 1 kHz· V intervalu C se měří proudy za tmy a proudy stálé od-chylky· Spínače 22 a 21 jsou oba rozepnuty a spínač 23 jesepnut tak, Že světlo-emitující dioda 2 neemituje červenésvětlo, zatímco spínač 23 je dále spínán ja^vjpínan v rytmu 1 kHz, takže zelené světloemitující diodyTěmitují své obvyk-lé množství zeleného světla· V intervaluJD je červené světlo rozsťíceno za použití signálu vytvářeného fotobuňkami 14 a 16 přidruženými k druhé mě-řicí oblasti 12 jako kritérium· Spínač 22 Ó® rozepnut, spí-nač 21 j® sepnut a spínače 21 ® 24 jsou vybuzovóny a vypína-jí se v rytmu 1 kHz. Sídicí cyklus se po intervalu D opakuje·

Na konci každého intervalu se signál z fotobuňky 8 pře-vádí do číslicové formy a přivádí se k mikroprocesoru· V prů-běhu každého řídicího cyklu se získají dvě měření týkající - 18 se druhé měřicí oblasti a jedno měření týkající seprvní měřicí oblasti 1^\ Důvodem pro to je, že změny, po-kud k nějakým dojde, objevující se na první měřicí oblasti12 z, mohou být očekávány pouze jako postupné, zatímco pří-tomnost nebo nepřítomnost změny barvy bude vykázána na druhé měřicí oblasti 12" a musí být určena s tak malou ztrá-tou času, jak je to jen možné» Kolísání proudu za tmy astálé proudové odchylky bude podobně postupné, takže jednoměření, těchto proudů v průběhu jednoho řídicího cyklu po-stačí·

Na počátku řídicího intervalu se bude poměr mezi červe·ným a zeleným světlem detekovaným fotobuňkami přidruženýmik páscé/lišit od jedničky, takže pásmová propust 32 přijí-má na svém vstupu signál, jehož průběh je znázorněn na obr4c, a vytváří na svém výstupu signál, jehož průběh je zná-zorněn na obr» 4d· Synchronním usměrněním přes spínač 22»který je podobně vybuzován v jednokilohertzovém rytmu, sezíská stejnosměrný proud, jehož polarita a velikost závisína absolutní odchylce mezi aaplitudami signálů vytvářenými fotobuňkami v odezvu na světlo z červené světloemitující f) diodyéů případně zelených světloemitujících diotVTUsměrněnýproud je integrován integrátorem» Výstupní napětí integrá-toru, to jest výstupní napětí zesilovače 35, je znázorněnona obr» 4e· Dokud fotobuňky přidružené k pásce detekují více zeleného světla než červeného, výstupní napětí integrá- 19 - toru bude vzrůstat, zatímco toto výstupní napětí bude klesat,jakmile fotobuňky detekují převahu červeného světla nad zele-ným. Kifyž fotobuňky i.3, 12» případně 14» 16 dávají tolik sig-nálového proudu v odezvu na zelené světlo jako v odezvu načervené světlo, nepřivádí se k pásmové propusti 32 žádné stří-davé napětí o kmitočtu 1 kHz, takže vstupní proud integráto-ru je nulový a výstupní signál integrátoru zůstává konstantní©

Vhodnou volbou celkového zesílení smyčky a časové kon-stanty určené rezistorem 34 a kondensátorem 36 se v průběhuintervalu 100 milisekund dosáhne rovnovážného stavu, jak jejasně zřejmé zejména z obr. 4d a 4e©

Fotobuňka £ přímo přijímá světlo z červené světloemitu-jící diody 2. a část zeleného světla ze světí o emitujících diodJ, 2z a tak dále, pokud toto zelené světlo prochází filtrem2· Signál z fotodiody 8 je znázorněn na obr. 4f · Pásmová pro-pust 50 vytváří střídavé výstupní napětí, jehož průběh jeznázorněn na obr. 4g, jehož hodnota špička-špička je úměrnározdílu mezi výstupním proudem fotobuňky gv odezvu na červe-né světlo a tímtéž proudem v odezvu na zelené rozptylovésvětlo. V průběhu intervalu G kompenzace proudu za tmy ječervená světíoemitující diodá^vypnuta. Pásmová propust £0pak vytváří výstupní napětí, jehož hodnota špička-špička jeúměrná proudu fotobuňky 8 v odezvu na zelené rozptylové svět- lo. V přítomnosti pouze zeleného rozptylového světla je fá-ze výstupního signálu pásmové propusti 50 posunuta o 180stupňů vzhledem k fázi signálu vytvářeného v odezvu jak na :-¾¾¾ :>ί&amp; !:: - 20 - červené světle» tak na zelené rozptylové světlo· Tyto fázo-vé skoky jsou znázorněny na obr· 4f a 4g, jak na přechodu zintervalu B do intervalu G, tak na přechodu z intervalu Cdo intervalu Β» V součtovém obvodu 41 je signál ze synchronního usměrňo—vacího obvodu tvořeného spínačem 25, rezistorem -2^9 a konden-zátorem 40 převeden na stejnosměrné napětí, aby se přivedlovýstupní napětí součtového obvodu do rozsahu vstupního napě-tí analogově číslicového převodníku £3O Za tímto účelem jedruhý vstup součtového obvodu 41 připojen ke stejnosměrnémunapěťovému zdroji 42· Signál přítomný na prvním vstupu obvodu41 je znázorněn na obr. 4h· Přechod signálu z fotobuňky 8 k výstupu součtového obvo-du 41 se děje následujícím způsobem*

Fotobuňka 8 vytváří proud ir v odezvu na červené světloa proud ig v odezvu na zelené světlo· Pásmová propust $0blokuje střední složku (ir + ig) ; 2 a zesiluje střídavou na-pěťovou složku ir — ig na signálové napětí U1 mající hodnotuSpička-ěpička U1 » G · (ir - ig)· Synchronní usměrňovač dodá-vá kladné stejnosměrné napětí U2 * 1/2 G . (ir - ig) k sour-čtovému obvodu^Předpokládá se v této souvislosti, že spínačgjj je sepnut v průběhu kladné poloviny cyklu střídavého napě-ťového signálu Ul· Součtový obvod 41 přidává pevné stejnosměrné napětí UO k U2, což má za následek výstupní napětí Us = = 1/2 G . (ir - ig) + UO. Tento signál se přivádí k analogo-vému multiplexovacímu obvodu 38« převádí se do číslicovéhotvaru a ukládá se do paměti mikroprocesoru· 21 - V průběhu měřicího intervalu £ platí ir = 0, takže v prů-běhu tohoto intervalu vytváří součtový obvod £1 výstupní sig-nál Ud a 1/2 G « (-ig) + U0« ^ento signál je podobně převedendo číslicového tvaru a uložen do paměti v mikroprocesoru»

Odéčtením Ud od Us získáme Us — Ud « 1/2 G » (ir - ig) ++ U0 - 1/2 G » (-ig) — UO * 1/2 G · ir. V každé ze tří řídicích period řídicího cyklu je nasta-vována hodnota ir· Hodnota ig je v principu konstantní, po-něvadž proud přecházející zelenými světí oemi tu jícími diodami'je nastaven na pevnou hodnotu. Řízení na první měřicí oblasti 12 * má za následek signálUsl - Ud = 1/2 G · irl, zatímco řízení na druhé měřicí oblas-ti 12 které se uskutečňuje dvakrát v průběhu měřicíhocyklu, má za následek signál Us2 - Ud * 1/2 G » ir2»

Kvocient Q barvy lze nyní vypočítat z Q = Část pásky^imístěná v první měřicí oblasti Ig v danémčasovém okamžiku bude procházet druhou měřicí oblastí 12po asi 10 sekundách» Vezme-li se nejposlednějěí hodnota ir2a hodnota irl z doby před 10 sekundami při určování kvocien-tu barvy Q » Ui, získá se hodnota Q, která se týká téže čás- ti páskýZa odtud optimálně indikuje změnu barvy, ke které * V-/ doělo na daném úseku páský/v průběhu přemístění z první mě-řicí oblasti 12/ k druhé měřicí oblasti 12*% Přes všechny kroky podniknuté v optickém systému za úče-lem vyrovnání poměru mezi červeným a zeleným světlem pro - 22 - •/Λ- všechny části pásky^v rozmezí měřicí oblast^f~dochází k šumupásky, poněvadž ne všechny části zvlhčených vláken pásky aosnovy pásky, naplněné lišícími se množstvími vlhčící kapali-ny, budou odrážet červené a zelené světlo s toutéž intenzitoua tímtéž směrem* Odtud následné hodnoty ir budou vykazovat ma-lé rozdíly* Pro eliminaci tohoto šumového efektu při určovánípoměru lze použít hodnotu irl, která je průměrem-pěti měření,z nichž prostřední je to, které bylo provedeno jmenovitě 10sekund před tím.

Mikroprocesorový systém vytváří výstražný signál v odezvuna kvocient Q barvy přesahující předem stanovenou prahovou hod-notu* Tato prahová hodnota může být na teplotě závislá hodno-ta, poněvadž při relativně vysokých teplotách se na páse 10 sekundách vytváří větší zbarvení než při relativně nízkýchteplotách* Výstupní signál obvodu integrátoru, sestávajícího z rezis-toru zesilovače J5, kondenzátoru je přiveden k analo-govému multiplexovému obvodu 38 a analogově číslicovému pře-vodníku 43 za účelem detekce chyby* Když v důsledku vadné sou-částky nebo vnějších vlivů, například znečištění fotobuňky,řídicí obvod přestane správně pracovat, nebude ve většině pří-padů výstupní napětí integrátoru v rozmezí normálního dynamic-kého pracovního rozsahu a tento fenomén lze použít k tomu,aby mikroprocesor vytvořil chybový signál* Ačkoliv zařízení pro detekování rozdílů v barvě podle vy-nálezu bylo popsáno jako příklad provedení s odkazem na jehopoužití v detektoru plynu, je zcela zřejmé, že nejsou vylouče-na ani další použití tohoto zařízení.

Claims (9)

1. 23 J1f- /5-¼ r PATENTOVÉ

   Zařízení pro detekování rozdílů v barvě sledovanéhomateriálu, které obsahuje prostředky pro osvětlení materiáluzahrnující první světelný zdroj uzpůsobený pro emisi světlaprvní barvy a druhý světelný zdroj uzpůsobený pro emisisvětla druhé barvy, přičemž světla těchto dvou barev jsouaplikována na první a druhou měřicí oblast, přičemž měřícíoblasti jsou vzájemně prostorově oddělené a každá z -nich jepřidružena k prostředkům pro měření množství světla odraženého materiálem, a první elektronické spínacíprostředky pro střídané vybuzování při první rychlostiprvního a druhého světelného zdroje, vyznačujícíse t í m , že j e^O ptický systém (4,5,6,9,10,11) uspořádaný pro současné dodávání konstantní části světlaemitovaného právě vybuz^riý^ světelným zdrojemzK oběma měřicímoblastem (12', 12" ) ,'^ΐεκ ironické řídící prostředky (32^n3citlivé na naměřená množství od materiálu odraženého světlaprvního světelného zdroje/a od materiálu odraženého světladruhého světelného zdroje^uspořádané pro řízení intenzitydruhého světelného zdroje takovým způ-seboi/, aby uvedenáměřená množství odraženého světla byla vůči sobě v předemstanoveném poměru ^prostředky měřicí odražené světlo(13,15;14,16 ) , které jsou uzpůsobené pro provedení prvníhoměření v první měřící oblasti/"» druhého v těsném, sleilu následujícího měření v druhé měřící oblasti02^přostředky (8)uzpůsobené pro vytváření signálů’reprezentujících množstvísvětla emitovaného druhým světelným zdrojem během prvníhoměření a během druhého měření, Z^ySetekční prostředkyzjištující rozdíl mezi uvedenými signály.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, žťs zahrnuje prostředky pro přesun materiálu z první^-^y^ do druhé/ifiěrící oblasti, prostředky pro zpoždění uvedeného signálu reprezentujícího množství světla emitovaného druhým63,3^2^ světelným zdrojemýazískaného během prvního měření o dobupřibližně yovnou času nezbytnému k přesunu materiálu z prvndo druhé^/ňíěřící oblasti. ·Λ':'Λ <'ζ/Ι'ύ^-\'·. 24
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2,vyznačující se t í m , žé zahrnuje alternující prostředky (20,21) uspořádanépro řízení prostředků měřících odražené světlo (13,15;14,16 ) ,a to tak, aby bylo provedeno první a druhé měření plynule přidruhé rychlosti, přičemž tato druhá rychlost je nižší nežrychlost první.
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující setím, že prostředky měřící odražené světlo (13,15;14,16 )obsahují alespoň jeden světelný detektor v každé měřícíoblasti, a že alternující prostředky (20,21) jsou druhýmielektronickými spínacími prostředky.
5. 5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačují-cí se tím, že první elektronické spínací prostředky(23,24) jsou uspořádány pro vybuzení pouze prvního světelnéhozdroje (3,3’) během předem určeného časového období, přičemžuvedený výstupní signál prostředků (8) je měřítkem stáléodchylky proudu a proudu za tmy těchto prostředků, a tím, žezahrnuje paměťové prostředky pro uchování hodnoty uvedenéhovýstupního signálu.
6. 6. Zařízení podle některého z nároků 1 až 5, vyznačují-cí se t í m , že detekční prostředky jsou uspořádánypro určení poměru signálů prostředků (8) a že zahrnujeporovnávací prostředky uzpůsobené pro příjem vstupníhosignálu reprezentujícího uvedený poměr a pro porovnávánítohoto vstupního signálu se signálem s předem určenouhodnotou, přičemž porovnávací prostředky jsou uspořádány provytváření výstražného signálu v odezvu na překročení předemstanovené hodnoty vstupním signálem.
7. 7. Zařízení podle některého z nároků 1 až 6, vyznačují-cí se tím, že konstantní části světla emitovanéhovybuzeným světelným zdrojem jsou si rovny.
8. 8. Zařízení podle některého z nároků 1 až 7 se světelnými zdroji , kterými jsou světlo emitující diody, přičemž barva prvního světelného zdroje 4-¼^^) je zelená a barva 25 druhého světelného zdroje je červená, vyznačují cí se tím, že měřící prostředky (13,15;14,16)zahrnují alespoň jednu křemíkovou fotodiodu v každé měřícíoblasti (12’, 12") a tím, že prostředky (8) rovněž zahrnujíkřemíkovou fotodiodu a jsou opatřeny filtrem ( 7 ) j í ^πτ pro optimální zachycení zeleného světla.
9. 9. Zařízení podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že difuzor (4) je připevněn, předsvětelnými zdroji^- stělďÍné ddiujt) ( 2 ; 3,3 ' yT di f uzor^J 4 )jsou pevně připevněny v krytu (1), který obsahuje aperturu(5), ze které může vycházet světlo, a že objektiv (6) jeuzpůsoben pro přeměnu divergentního světelného svazkuvycházejícího z apertury (5) na paralelní svazek, jehož částse může dostat k prostředkům (8) že přídavné optické prostředky (9,10,11) jsou uspořádány tak, že další částparalelního svazku může jimi projít a dostat se k oběmaměřícím oblastem (12',12").