DE1958344A1 - Colorimeter - Google Patents

Colorimeter

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DE1958344A1
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Germany
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light
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colorimeter
color
light guide
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DE19691958344
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English (en)
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Falcoff Allan Frohm
Guthrie James Nesbitt
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EIDP Inc
Original Assignee
EI Du Pont de Nemours and Co
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

Colorimeter
Die vorliegende Erfindung betrifft Colorimeter und in3beson«= dere eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung des Farb» re flexions indexes von Faser«=· und Garnproben. Der Farbindex v/ird zur Messung der Farbaufnahmefähigkeit unter kontrollierten Färbebedingungen verwendet, um einen Qualitätspararaeter des Fadens oder Garns zu steuern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Bestandteil eines Colorimeters, welcher die Beleuchtung für die zu prüfende Fadenprobe liefert.
In der Vergangenheit war es üblich, Colorimeter zu verwenden, wie sie beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift Nr. 2 774 276 (Glasser et al) beschrieben sind. Proben von Garn oder losen Fäden, die näherungsweise ein bestimmtes Gewicht aufwiesen, wurden unter gesteuerten Bedingungen bezüglich Farbkonzentration, Temperatur und Zeit gefärbt. Sie wur-
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den ansehlisasend getrocknet und in einen Probenträger mit durchsichtigem Boden eingegeben. Die Proben wurden darauf im Träger zusammengepresst und der Träger wurde über die Proben« öffnung des Colorimeters gebracht. In diesem Colorimeter wurde ein einzelner Lichtstrahl in einem Winkel von 45° nach oben gegen den Boden der Probe gebracht und photometrisehe Abmessungen wurden längs einer Geraden vorgenommen, die senkrecht zur Bodenfläche des Probenträgers verlief. Dabei stallte sich
& heraus, dass die Ablesungen für derartige Proben von der Winkellage der Probe innerhalb des Trägers abhängig waren. Es war daher erforderlich, eine Einrichtung zur Drehung d©s Proben« trägers während einer Farbindex»Bestimmung vorzusehen, um Durehsehnitts-Ablesungen über alle Winkellagen der Probe innerhalb des Trägers zu erhalten. Dies erfolgt mittels einer über der Probenöffnung angeordneten kugelgelagerten Basis und eines Motors zur Drehung derselben und des Probenträgers mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, uns eine gemittelte Farbindexbestimmung zu ergeben. Dieses Verfahren hat sich als zeitlich aufwendig herausgestellt, neigte zu oszillierenden Ablesungen, wies einen Mangel an Genauigkeit auf und eignete sich nur mit Schwierigkeit zur automatischen Einstellung eines Proben-
|i trägers, welcher eine Anzahl von Proben aufwies.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbes« serte gleiehraässige Beleuchtung von Faden«» oder Garnproben zu schaffen, um die genannten Schwierigkeiten zu beseitigen.
Diea wird erfindungsgemöss mittels eines Colorimeters erreicht, welches eine Lichtquelle aufweist, sowie eine optische Einrichtung, um das Licht einer Lichtquelle gegen den Farbprobenträger zu richten, wobei das Colorimeter durch eine Einrichtung gekennzeichnet ist, welche den Probenträger gleichmäselg be»
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leuchtet. Biese genannte Einrichtung weist eine Anzahl von optiaehen Lieht führungsanordnung^ auf» deren entgegengesetzts Enden derart angeordnet sindt dass das erste Ende einer j©«= atm Liebttührungseinriehtung unterhalb des Probenträgers liegt, diesen umfangaseitig utagibt und gegen ihn gerichtet ist, und ferner daa andere Ende an jeder Lichtführungseinriehtung im genannten Liehtweg angeordnet ist, um dadurch Licht von diesem aufannehmenο Die erstgenannten Enden können wahlweise umfange= seitig im gleichen Abstand um den Probenträger angeordnet und nach oben gegen den Mittelpunkt desselben orientiert sein.
Die vorausgehend genannte, im Colorimeter angeordnete optische Einrichtung kann ein Lichtfilter aufweisen« welches optisch fluchtend zur Lichtquelle liegt, eine Sammellinse sowie einen balbdurehläasigen Spiegel, welcher daa von der Sammellinse kommende Licht jeweils gegen eimm Yergleichefarbenträger und einen abnehmbaren Farbprobentrager richtet, wobei die genannte Einrichtung zur gleichförmigen Beleuchtung des Probenträgers mit Licht des zweiten Lichtwegs folgende Teile aufweist: (a) einen unterhalb des Probenträgers und mit diesem axial fluchtend angeordneten Ring, welcher eine zylindrische Aussen- und Innenfläche aufweist, wobei eine Anzahl von öffnungen die Aussen- und Innenfläche verbinden (und die öffnungen umfanga» seitig am Ring verteilt und nach oben gegen den Probenträger gerichtet sind), sowie (b) eine Anzahl von zur Lichtführung dienenden optischen Fasern, wobei ein Ende jeder Lichtführung in einer getrennten öffnung befestigt ist und das andere Ende einer jeden Lichtführung axial im zweiten Lichtweg orientiert ist. Die öffnungen sind vorzugsweise im gleichen Abstand um den Umfang des Ringe angeordnet und senkrecht zu der im 45°~ Winkel liegenden konischen Innenfläche des Rings.
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Das Colorimeter kann ferner ein Paar Photodetektoren aufwei~ sen, ν/ο ν on einer auf die Probe und der andere auf die Vergleiehafarbe gerichtet ist und die mit einem Schaltkreis zur Abtastung des elektrischen Ungleichgewichtes zwischen den Photodetektoren verbunden sind. Bine weitere Verbesserung der Einrichtung besteht aus einer zusätzlichen Liehtführung, deren eines Ende sich oberhalb des Rings erstreckt und gegen den Probenträger gerichtet ist, sowie aus einem lichtbetätigten Schaltkreis, welcher mit dem Abtastkreis verbunden ist» um den Abtastkreis auaser Betrieb zu setzen. Das andere Ende der Liehtführung ist an den lichtbetätigten Schaltkreis angeschlossen, wobei ein© Entnahme des Probenträgers eine Zuführung von Aussenlieht, welshea durch die zusätzliche Liehtfübrung weitergeleitet wird, den Abtastkreis ausser Betrieb setzt.
Die in diesem Zusammenhang vorzugsweise verwendeten Liehtführungen bestehen aus Acrylfaser.
Figur 1 stellt eine schematisehe, perspektivische Ansicht der Anordnung der optischen Elemente dar, welche im wesentlichen in der amerikanischen Patentschrift 2 774 276 beschrieben sind, mit Ausnahme der abgeänderten Probenbeleuchtungseinrichtungen gemäss der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Aufsicht der Beleuchtungseinrichtung gemäas der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Probenhaiter, welcher eine Faden-oder Faserprobe enthält.
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der zusätzlichen Isichtführung, die an die Photozelle, des lichtbetätigten Schaltkreises angeschlossen ist.
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4 stellt ein Teilsehaltbild der Elektronik des Colori» meters dar, in welcher die zusätzlichen Schaltkreiselemente sur Abschaltung angegeben sind.
Die Anordnung der optischen Elemente gemäas Figur 1 entspricht im wesentlichen der Anordnung nach der amerikanischen Patent» schrift Nr. 2 774 276. Die Anordnung weist eine Lichtquelle 10, eine Wand 11 mit einer öffnung 15» eine Farbfilterseheibe 12 mit daran angebrachten Filtern 19» eine Köndehsorlinse 21, einen Strahlenteiler 23, eine Maske 36 mit einer öffnung 35» eine Liehtregeleinriehtung 37 mit Einstellwelle 42, einen Spiegel 38„ einen Vergleiehsphotodetektor 41, eine sweite Lieht= einstellvorrichtung 24 mit Einstellwelle 31 und einen Proben«= photödetektor 2Θ auf. Die Filter 19 werden wahlweise durch Drehung der Scheibe 12 mittels der biegsamen Steuerwelle 20 in den Lichtstrahl eingeschaltet, Der Strahlenteiler 23 besteht aus einem halbdurchlässigen Spiegel, welcher dag eintretende Licht in zwei getrennt© Liehtwega aufteilt, nämlich einen ersten Liehtweg 13 und einen zweitan Lichtweg 14. Die verbesserte Beleuchtungseinrichtung 15 gemäas der vorliegenden Erfindung weist eine neben der Lichteinetellvorrlchtung 24 liegende Fas» sung 51 auf, weicht das eingangsseitige, bündelartige Ende der Lichtführungen 52 enthält. Die eingangsseitigeη Enden der Lichtführungen werden durch die Lage der Fassung 51 im zweiten LichtVf^g 14 eingestellt, so dass jedes Ende Licht aus dem zweiten Lichtweg aufnimmt. Die ausgabeseitigen Enden der Lichtführungen 52 sind in einem Be1euchtungsring 54 befestigt, des» sen Aufbau nachfolgend beschrieben wird. Eine zusätzliche Abänderung des grundlegenden Colorimeteraufbaus besteht aus einem sphärischen Spiegel 56, welcher hinter der Lichtquelle 10 angeordnet ist, um die auf daa Colorimeter fallende Strah»
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lung zu konzentriereno
Figur 2 zeigt die Lage der erfindungsgemäsaen Beleuchtungeeinrichtung 50 innerhalb eines Colorimeters 60 gegenüber der Probenöffnung 62 im Colorimeter und dem Probenträger 27?der oberhalb der öffnung 62 engeordnet ist. Der Hing 54 der Beleuchtungseinrichtung 50 ist unterhalb der Probenöffnung 62 befestigt, so dass die Aehse des Ringes mit der Hittellinie der öffnung und des Trägers 27 zusammenfällt, wobei der Ring 54 eine zylindrische Aussenflache 70 besitzt, sowie eine teil= weise zylindrische Innenfläche 72, die sich von der Bodenflä*» ehe über einen Teilbereich nach oben erstreckt, und eine im 45°=>Winkel angeordnete Konusfläche 74, welche den restlichen Teil der Ringhöhe darstellt. Eine Anzahl von 30 öffnungen 76 erstreckt sieh von der Fläche 74 durch den Ring 54 zur Fläche 70, und zwar untar einsm Winkel von 45° zur Erzeugenden der Fläche 7P am Berührungspunkt jeder Öffnung mit der Fläche Ba die Fläche 74 einen Teil eines 45°=Kegels bildet, liegt jede öffnung 76 senkrecht zur Fläche 74. Eine zusätzliche öffnung 77 erstreckt sieh unter einem Winkel von 45° von der ©be=» ren Endfläche 78 zur äusseren zylindrischen Seitenfläche. 70 des Rings 54. Lichtführungen 52 sind in jeder öffnung 76 eingesetzt und erstrecken sich bis zur Fläche 74. Sie Lichtführungen 52 sind in den öffnungen 76 verklebt und ihre ausgangsseitigen Enden liegen bündig mit der Fläche 74 und sind geschliffen und poliert, um klare Ausgangsenden fUr jede Lichtführung zu ergeben. Biβ anderen Enden der Lichtführungen 52 sind bündel=· artig zusammengefasst und in der Fassung 51 verklebt, wobei sich ihre Enden zur Aussenfläche 82 der Fassung erstrecken. Die eingangsseiiigen Enden der Lichtführungen 52 werden dann geschliffen und poliert und liegen bündig mit der Fläche 82.
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Die geraäsB einer bevorzugten Aueführungsform verwendeten Lichtführungen bestehen aus Orofon (eingetragenes BuPont-Warenzeiehen) 1610X und umfassen ein Bündel aus 64 Acrylfasern mit einem !Durchmesser von 0,254 mm, wovon jede zur Erzeugung einer inneren Totalreflexion mit einem Überzug versehen ist. Sine zusätzliche Lichtführung 80 ist durch die Öffnung 77 eingesetzt und erstreckt sich geringfügig an einem Ende über die Oberfläche 78 soweit hinaus, dass sie mit dem äusseren Colorimetergehäuae im Bereich des Auseenumfangsr der öffnung 62 bündig liegt« Da© äusssre Ende der Lichtführung 80 ist im Träger 96 verklebt, welcher eine zusätzliche Photozelle 98 aufweist, die an Leitungen 97, 99 (Pigur 3) angeschlossen ist·
Aus Figur 4 ist ersichtlich, in welcher Weise die zusätzliche Photoselle 98 im Elektronikkreie eines Colorimeters verwendet wird. Eine Wechselstrom~Stromveroorgung ist über einen Transformator T1 und einen Gleichrieh'ierkreis (mit Diode 102 und Zensrdiode 104 mit zugehörigen Widerständen und Kapazitäten) mit der Photozelle 98 und der Relaisspule 106 in Reihe verbunden. Zwei Kontakte 108 des Relais 106 sind derart angeschlos«= @en, daea sie den Mittelpunkt der Verbindung zwischen den Photodetektoren 28 und 41 mit Erde verbinden und gleichzeitig das Steuergitter'110 der Verstärkerröhre 112 ebenfalle an Erde anachliessen, sooft Licht auf die Photozelle 98 fällt. Das obere Ende der zusätzlichen Lichtführung 80 ist derart angeordnet, dass, wenn.ein Faserprobenträger 27 für coloriwetriaehe Messungen über die öffnung 62 gebracht wird, kein Aussenlicht auf das obere Ende der zusätzlichen Lichtführung 80 fällt. Ist jedoch kein Probentrfiger über der Öffnung 62 eingesetzt, so trifft Aussenlicht auf das obere Ende der Lichtführung 80 und wird durch die Lichtführung nach unten zur Photozeile 98 gegleitet, wodurch die Relaiespule 106 unter Strom gesetzt und
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der Schaltkreis in der dargestellten Weise geerdet wird. Auf diese Weise wird die Schalteinrichtung zur Abtastung eines elektrischen Ungleichgewichts zwischen den Photozellen 28 und 41 durch einen lichtbetätigten Schaltkreis ausser Betrieb gesetzt, um die Sehaltkreiselemente zu schützen, wenn zuviel Licht auf die Photozelle 28 fällt, während gleichzeitig der Verstärker in einem erwärmten Zustand gehalten wird und dadurch gleichförmigere Abmessungen ermöglicht werden, selbst wenn Probenträger während einer Reihe eolorimetriecher Messungen abgenommen und wieder eingesetzt werden·
Bei Betrieb der' Vorrichtung liefert die Beleuchtungseinrichtung Licht aus dem Probenlichtstrahl 14 des Colorimeters, verteilt das Licht Über einen vollen Kreisbogen und projiziert es nach oben unter einem Winkel von 45° zur Ebene des Probenträgers 27> Es wurde festgestellt, dass diese Anordnung die Notwendigkeit für ein Drehen der Proben wHhrend. der Messung beseitigt. Daher stellt die Erfindung eine Verbesserung bezüglich Präzision und Stabilität der Messung dar. DarUber hinaus kann eine Reihe mit einer grossen Anzahl von gleich gross bemessenen Probenträgern automatisch in zwei Richtungen in einer zur Prüföffnung 62 parallelen Ebene eingestellt und gesteuert werden, um automatische Farbmessungen einer grossen Anzahl von Proben durchzuführen.
Ee ist offensichtlich, dass viele Abänderungen der gezeigten Einrichtung im Rahmen der Erfindung möglich sind. Beispielsweise kann das dargestellte Zweistrahl-Colorimeter ohne weiteres durch ein Einstrahl-Colorimeter ersetzt werden. Dabei wäre es eine einfache Entwurfsabänderung, eine Vielzahl von Einstrahl-Colorimetern und Beleuchtungsringen in einer Gruppe anzuordnen und ihre einzelnen Ausgänge mittels einer Reehnerlogik abzutasten.
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Claims (6)

  1. 20. November
    Patentansprüche
    Colorimeter mit einer Lichtquelle und einer optischen Einrichtung, welche Licht aus der Lichtquelle gegen einen Färbprobenträger richtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Colorimeter eine Einrichtung zur gleichmässigen Beleuchtung des Farbprobenträgers aufweist, der eine Anzahl von länglichen optischen Lichtführungan mit entgegengesetzten Enden aufweist, wobei das erste End« einer jeden Lichtführung unterhalb des Farbprobenträgers liegt und umfangeseitig am Farbprobenträger verteilt und nach oben gegen diesen gerichtet ist, während das andere Ende einer jeden Lichtführung im Lichtweg liegt, um aus dienern Licht aufzunehmen, und ferner wahlweise die ersten Enden der Lichtführungen im gleichen Abstand voneinander umfangsseitig um den Farbprobenträger angeordnet und nach obon gegen die Mitte dea Farbprobenträgers gerichtet sind.
  2. 2. Colorimeter nach Anspruch !,.dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Lichtführungen aus Acrylfaser» bestehen.
  3. 3. Colorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung ein Lichtfilter aufweistt welches optisch fluchtend zur Lichtquelle liegt, mit einer Sammellinse und mit einem halbdurch'.äeeigen Spiegel, welcher das. Licht aus der Sammellinse in «inen ersten und aweiten Lichtweg jeweils gegen einen Verglülchefarbentrftger und einen abnehmbaren Farbprobtnträger leitet» dadurch gekennzeichnet, das» da« Colorimeter eine Einrichtung cur gleichförmigen Beleuchtung dte Farbprobtntrtt&tre alt Licht au· dem «wti-
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    ten Lichtweg aufweist, welche folgende Teile umfasst:
    (a) einen unterhalb des Farbprobenträgers angeordneten Ring» welcher axial fluchtend zum Farbprobenträger liegt und welcher eine zylindrische Innen» und Aussenfläche auf· weist, wobei diese durch eine Anzahl von öffnungen mit« einander verbunden sind, welche umfangsseitig am Ring verteilt und nach oben gegen den ?arbprobenträger gerichtet sind, und
    (b) eine Anzahl von optischen Lichtführungen, wobei ein Ende einer jeden Lichtführung in einer eigenen öffnung befestigt ist, während das andere Ende einer jeden Lichtführung im genannten zweiten Lichtweg angeordnet 1st und aus diesem Licht aufnimmt· ·
  4. 4. Colorimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten öffnungen gegen den Farbprobenträger unter einem Winkel von etwa 45° gegenüber dessen Aussenfläche an« geordnet sind.
  5. 3. Colorimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die genannte Innenfläche aufeinanderfolgend einen konischen und einen zylindrischen Bereich aufweist, wobei die Öffnungen die genannte Aus senf lache und den sich verjüngenden Bereich verbinden und wahlweise das genannte erste Ende einer jeden Lichtführung in getrennten öffnungen befestigt ist, die bündig mit dem genannten sich verjüngenden Bereich liegen*
  6. 6. Colorimeter naoh Anspruch 3» gekennzeichnet durch die folgenden zueätsliohen wahlweise vorhandenen Eleaente* Sin Paar fhotodetektoren, wovon einer gegen die farbprobe und
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    der andere gegen die Vergleichefarbe gerichtet 1st und die mit einem Schaltkreis zur Abtastung eines elektrischen Un* gleichgevrlchts zwischen den Photozellen verbunden sind, mit einer zusätzlichen Lichtführung, deren eines Ende sich oberhalb des Ringes hinaus erstreckt und gegen den Farbproben·» träger gerichtet ist, mit einam lichtbetätigten Schaltkrele« der mit dem Abtastkreis verbunden ist, wobei das äussere Ende der zusätzlichen Lichtführung mit dem llehtbetätigten Schaltkreis verbunden ist und Abnahme des Parbprobenträgerβ eine Ausserbetriebsetzung des Abtastkreises durch Aussenlicht, welches durch die zusätzliche Liehtführung tritt, gestattet.
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