NL8400380A

NL8400380A - Inrichting voor het detecteren van kleurverschillen.

Info

Publication number: NL8400380A
Application number: NL8400380A
Authority: NL
Original assignee: Optische Ind De Oude Delft Nv
Priority date: 1984-02-07
Filing date: 1984-02-07
Publication date: 1985-09-02
Also published as: DD232756A5; NO166423B; DK52185D0; CS81885A3; IL74255A; NO166423C; JPS60183531A; IN164131B; NO850417L; ZA85836B; US4681454A; ATE39762T1; EP0152979A1; DE3567273D1; IL74255A0; SU1479012A3; EP0152979B1; DK52185A; CA1256179A

Description

*··. 4 1 VO 5025

Inrichting voor het detecteren van kleurverschillen.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het detecteren van kleurverschillen van een te onderzoeken materiaal voorzien van middelen voor het belichten'van het materiaal, middelen voor het meten van de hoeveelheid door het materiaal gereflecteerd licht en 5 middelen voor het transporteren van het materiaal.

De inrichting volgens de uitvinding is in het bijzonder geschikt om toegepast te worden in een gasdetectieinrichting, welke voorzien is van een materiaal dat behandeld is om onder invloed van gassen te verkleuren en een middel om het materiaal met deze gassen in con-10 tact te brengen. De toepassing van de inrichting volgens de uitvinding is echter niet beperkt tot gasdetectieinrichtingen.

Een dergelijke gasdetectieinrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.032.297 en is bestemd voor het detecteren van schadelijke gassen van verschillende aard, die in de lucht aanwe-15 zig kunnen zijn. Bij de bekende inrichting bestaat het materiaal uit een strookvormige kunststof drager waarop een laag chemicaliën is aangebracht. De chemicaliën verkleuren bij aanwezigheid van de te detecteren schadelijke gassen en bij afwezigheid van de gassen verkleuren zij niet. De aanwezigheid van schadelijke gassen wordt gedecteerd 20 door een meetplaats op de strook materiaal te belichten met behulp van een lichtbron en het door het oppervlak van de strook materiaal gereflecteerde licht te meten met behulp van een fotodiode, door vervolgens de te controleren lucht aan de meetplaats toe te voeren en na enige tijd opnieuw de reflectie te meten. Wanneer de gemeten verande-• 25 ring in de reflectie een tevoren bepaalde grenswaarde overschrijdt wordt een alarmsignaal af gegeven. Tussen de meting van de eerste en tweede reflectiewaarde wordt de strook materiaal niet getransporteerd, zodat met één lichtbron en één fotodiode kan worden volstaan.

Een bezwaar van de bekende inrichting is dat de mate van ver-30 kleuring van de strook materiaal vrij groot moet zijn om nauwkeurig te kunnen bepalen of schadelijk gas al dan niet aanwezig is, een geringe verkleuring kan in verband met intensiteitsvariaties in de lichtbron en niet-lineariteiten in in het bijzonder de lichtdetector en de daarop aangesloten elektronische schakeling niet nauwkeurig bepaald 8400380 ff '* -2- worden, terwijl ook veranderingen op langere termijn in de intensiteit van de lichtbron en de gevoeligheid van de fotodiode het nodig maken de mate van verkleuring van de strook materiaal waarbij een alarmsignaal wordt af gegeven vrij groot te kiezen om vals alarm te voorkomen.

5 In het bijzonder bij het detecteren van zeer schadelijke gassen, zoals gifgassen, is het echter van groot belang om zo spoedig mogelijk een betrouwbare indicatie te krijgen van de aanwezigheid van dergelijke gassen. Voor het detecteren van bepaalde gassen kan gebruik gemaakt worden van een hydrofiel, gaasachtig geweven bandvormig materiaal, 10 dat in het hiernavolgende kortheidshalve lint genoemd zal worden, dat bevochtigd wordt met 'chemicaliën, waarbij het lint bij aanwezigheid van schadelijke gassen geen verkleuring vertoont en bij afwezigheid van die gassen wel verkleurt. Het lint wordt daarbij continu getransporteerd. Lint heeft als voordeel dat het snel en volledig met de 15 vloeibare chemicaliën doordrenkt kan worden zonder dat dit de materiaal-sterkte nadelig beïnvloedt. Bij het bevochtigen van meer homogeen materiaal, b.v. een strook papier, zou dit zwellen en de sterkte zou afnemen hetgeen het ransporteren van de strook bemoeilijkt. Bovendien kan bij. een papierstrook het gas de chemicaliën in het inwendige van 20 de strook niet bereiken, hetgeen de reactiesnelheid nadelig beïnvloedt. Naast de voornoemde voordelen ontstaan bij het toepassen van lint dat bevochtigd wordt met chemicaliën echter ook een aantal specifieke problemen bij het meten van de kleur van het lint. Terwijl ook het continu transporteren van het lint in principe het gebruik van twee 25 lichtbronnen en twee lichtdetectoren nodig maakt, hetgeen hoge eisen stelt aan de gelijkheid van deze componenten.

De chemische reactie waarbij kleur gevormd wordt duurt afhankelijk van de activiteit van de reagentia en van de omgevingstemperatuur enkele tientallen seconden tot enkele minuten. Het achterwege 30 blijven van de vorming van kleur moet echter zo snel mogelijk geconstateerd worden. Gebleken is dat verkleuring van het lint te detecteren is als de reactie ongeveer 10 seconden plaats kan vinden. Niet alleen de uiteindelijke kleur van het lint, maar vooral de kleur na verloop van ongeveer 10 seconden is sterk afhankelijk van de heersende 35 temperatuur en van de ouderdom van de chemicaliën. De kleur van het lint na 10 seconden is voorts afhankelijk van de lintkleur zonder 8400380 -3- 9 $ chemicaliën, de manier waarop het lint bevochtigd wordt en de hoeveelheid lintmateriaal die per tijdseenheid het meetsysteem passeert. Het is daardoor niet mogelijk de verkleuring van het lint te controleren door de lintkleur te vergelijken met de een of andere vaste referentie-5 kleur. Verder- is het lint niet homogeen. De maaswijdte is niet verwaarloosbaar klein, ten opzichte van de praktisch bruikbare afmetingen van een voor de kleurmeting toegepast meetveld terwijl tevens de draad-dikte niet homogeen is en de afstand tussen de draden relatief grote variaties vertoont. Daardoor varieert het netto binnen een meetveld 10 aanwezige draadoppervlak. Voor een goede werking van de gasdetector is het derhalve noodzakelijk dat de kleurmeting van vooraaemde faktoren zo goed mogelijk onafhankelijk is.

Cm voor voomoemde problemen een oplossing te bieden voorziet de uitvinding in een gasdetectieinrichting van voomoemde soort 15 waarbij de middelen voor het belichten van de strook materiaal een eerste lichtbron omvatten/ die licht kan uitzenden met een eerste kleur en een tweede lichtbron, die licht kan uitzenden met een tweede kleur, waarbij voorzien is in een optisch stelsel dat in wezen gelijke • fracties van het licht van de eerste en tweede lichtbron af kan geven 20 aan eerste en tweede, op afstand van elkaar gelegen meetgebieden op de strook materiaal, waarbij nabij ieder meetgebied is voorzien in middelen om de door de strook materiaal gereflecteerde hoeveelheid licht te metenwaarbij voorzien is in middelen die rechtstreeks de hoeveelheid licht van de tweede lichtbron meten en waarbij voorzien is 25 in elektronische schakelorganen om afwisselend de eerste en tweede lichtbron te bekrachtigen en in elektronische regelorganen om aan de hand van de gemeten reflectie van het licht van de eerste lichtbron en van de tweede lichtbron de intensiteit van de tweede lichtbron zodanig te besturen dat de gemeten reflectiewaarden per meetgebied in 30 hoofdzaak gelijk zijn.

Gebleken is dat het bijzonder gunstig is wanneer het licht van de eerste lichtbron groen licht is en het licht van de tweede lichtbron rood licht. Voor rood en groen licht is het verschil in reflectiewaarde bij resp. ongekleurd en gekleurd lint bij de toegepaste 35 kleurstof maximaal, hetgeen gunstig is voor de meetnauwkeurigheid.

8400380 * » -4-

Alhoewel voor de lichtbronnen diverse bekende typen lichtbronnen gebruikt kunnen worden is gebleken dat het gebruik van rode en groene lichtemitterende diodes zeer gunstig is, in het bijzonder in verband met de hoge snelheid waarmee deze' lichtbronnen kunnen wor-5 den in- en uitgeschakeld. Voor het detecteren van licht kunnen licht-afhankelijke weerstanden en siliciumfotodiodes worden toegepast. De laatste genieten de voorkeur aangezien zij snel reageren op lichtveranderingen, weinig temperatuurafhankelijk zijn en een goed lineair verband tussen de verlichtingssterkte en de signaalstroom vertonen.

10 De uitvinding berust op het inzicht, dat het mogelijk is de invloed van de grijsheid van het lint te onderdrukken door de reflectie van het lint te meten bij twee geschikte lichtkleuren en door vervolgens de verhouding van beide reflectiewaarden te bepalen. Ook de invloed van variaties in de grootte van de mazen in het lint worden 15 op deze manier sterk onderdrukt. Verder kan de invloed van de basis-kleur van het lint geëlimineerd worden door op twee verschillende plaatsen op het lint de reflectie te meten, nl. zodra het lint met de chemische vloeistof behandeld is en er nog niet voldoende tijd verlopen is om de chemische reactie te kunnen doen plaatsvinden en 20 ± 10 seconden later als met voldoende zekerheid bepaald kan worden of al dan geen kleurvorming heeft plaatsgevonden. Het quotiënt van de op de twee meetplaatsen verkregen signalen geeft dan uitsluitend informatie omtrent de verkleuring van het lint gedurende 10 seconden.

Het is duidelijk dat bij deze manier van meten hoge eisen gesteld 25 worden aan de constantheid van de verhouding tussen de ver licht ings-sterkte bij dezelfde lichtkleur op beide meetplaatsen. Om hieraan te voldoen voorziet de uitvinding in een optisch systeem dat constante fracties van het licht van de eerste en tweede lichtbron toevoert aan beide meetgebieden. Door volgens de uitvinding het licht van de twee-30 de, rode lichtbron zodanig te regelen dat de gemeten reflecties bij resp. het eerste en tweede meetgebied gelijk zijn voor rood licht en groen licht wordt bereikt dat offsetspanningen en offsetstromen en niet-lineariteiten van de versterkers in de elektronische keten alsook niet-lineariteiten van de fotocellen geen invloed hebben op het uit-35 eindelijke meetresultaat.

8400380 * *> "5“

De uitvinding zal in het hierna volgende nader beschreven worden aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de tekening/ hierin toont: fig. 1 in zijaanzicht een schematische weergave van de op-5 bouw van het optische en verlichtingsstelsel voor de gasdatectieinrich-ting volgens de uitvinding; fig. 2 een vooraanzicht van het stelsel volgens fig. 1? fig. 3 een schematische weergave van de elektrische keten voor het besturen van de lichtbronnen in het verlichtingsstelsel en 10 van de elementen voor het detecteren van het weerkaatste licht; fig. 4 schematisch een aantal golf vormen die in de schakeling volgens fig. 3 kunnen optreden

De fign. 1 en 2 tonen het verlichtingsstelsel 1 dat een centraal opgestelde rode LED 2 en bij voorkeur 4 a 6 rotatie-symmetrisch 15 rond trwo 2 opgestelde groene LED ' s bevat, waarvan er twee met resp. de verwijzingscijfers 3..en 3' zijn aangegeven. De redenen voor de ongelijke aantallen LED ’"s zijn dat groene L"ED' s in vergelijking met rode LED f's een geringere lichtstroom geven en dat de voor het detecteren van het licht benutte silicium-fotocellen voor groen licht 20 minder gevoelig zijn dan voor rood licht. Een diffusar 4 vermengt de lichtbijdragen van de verschillende LEB-1 &, zodat de uittredende lichtstroom zo goed mogelijk rotatie-symmetrisch is ten opzichte van de optische as van..het stelsel. Een optisch stelsel beeldt de verlichte apertuur 5 van het verlichtingsstelsel 1 af op twee plaat-25 sen op het lint 12, welke meetplaatsen in fig. 2 met resp. 12' en 12” zijn aangegeven.

Het optische stelsel omvat een hoofdobjectief 6, dat de uit de apertuur 5 tredende divergerende lichtstralen omzet in een evenwijdige bundel lichtstralen en meetveld-objectieven 10 en 11, die 30 resp. delen 17 en 18 van de totale door het objectief tredende en door een spiegel 9 gereflecteerde lichtbundel op het lint focusseren.

De symmetrische opbouw van zowel het verlichtingsstelsel als het optische stelsel waarborgt dat van de uit de apertuur tredende lichtstroom gelijke fracties meetplaats 12’ en meetplaats 12" op het lint 35 bereiken.

8400380 * c -6-

Een gedeelte van de uit het objectief 6 tredende lichtbundel bereikt een fotocel 8 via een filter 7, dat alleen rood licht doorlaat. De fotocellen 13 en 15 bij meetplaats 121 en 14 en 16 bij meetplaats 12" ontvangen het door het lint gereflecteerde licht. Een lichtschot 5 19 voorkomt dat het licht van een van de meetplaatsen de fotocellen van de naburige meetplaats bereikt.

Het optische stelsel heeft voor rood en groen licht nagenoeg dezelfde eigenschappen. De rode en groene lichtvlekken op het lint vallen wat betreft afmeting.en plaats samen en de lichtintensiteits-10 verdeling binnen de meetplaats is voor beide kleuren identiek. Dit is een voorwaarde voor het goed kunnen onderdrukken van de variaties in lichtreflectie door het lint tengevolge van de wisselende verhouding tussen draaddikte en maaswijdte binnen de meetplaats, de zgn. lintruis.

De spectra van de rode en groene LED's overlappen elkaar ge-15 deeltelijk en het is derhalve niet mogelijk een optisch filter 7 te construeren dat de totale emissie van de groene LED's blokkeert en de totale emissie van de rode LED doorlaat. Zoals onderstaand nader beschreven zal worden kunnen in de elektronische keten maatregelen getroffen worden om de invloed van het groene leklicht zoveel mogelijk 20 te elimineren.

Fig. 3 toont een blokschema van de elektronische keten, die * tot doel heeft signalen op te wekken die een zo nauwkeurig mogelijke informatie geven over de kleur van het licht op de beide meetplaatsen. In fig. 3 zijn de LED's en de fotocellen die ook in de fig. 1 en 2 25 voorkomen met gelijke verwijzingscijfers aangegeven. De LED's 3" en 3"' zijn getoond om aan te geven dat het verlichtingsstelsel 1 vier of meer groene LED's kan bevatten en dat deze in principe door dezelfde stroom doorlopen worden.

De in fig. 3 getoonde schakelaars 20 t/m 25 zijn slechts 30 schematisch aangegeven en zijn in werkelijkheid bij voorkeur uitgevoerd als snelle MOSFET-schakelaars.

De siliciumfotocellen 13 en 15 zijn parallel met elkaar verbonden en aangesloten op de inverterende ingang van een versterker 26. De uitgang van versterker 26 is via een weerstand 27 teruggekoppeld 35 naar de inverterende ingang om zo een lage ingangsimpedantie van versterker 26 te realiseren. Dit is gewenst omdat siliciumcellen bij 8400380 ·: 3- -7- een laagohmige belasting goed lineair en relatief temperatuuronge-voelig zijn.

Op dezelfde wijze zijn de fotocellen 14 en 16 verbonden met een inverterende ingang van een tweede versterker 28 waarvan de uit-5 gang eveneens via een weerstand 29 is teruggekoppeld naar de inverterende ingang. Tenslotte is de fotocel 8 verbonden met de inverterende ingang van een versterker 30, waarvan de uitgang via een weerstand 31 is teruggekoppeld naar de inverterende ingang. De niet-inverterende ingangen van de versterkers 26 , 28 en 30 zijn geaard.

10 De uitgangssignalen van de versterker 26 en 28 kunnen resp.

via schakelaars 20 en 21 verbonden worden met de ingang van een band-doorlatend filter 32. Dit banddoorlatende filter 32 heeft tot doel om uit het uitgangssignaal van resp. versterker 26 en 28 laagfrequente wisselspanningscomponenten te filteren, welke componenten ontstaan 15 door de invloed van daglicht op de fotocellen en bij onderhoud ook door de invloed van kunstlicht. Ook de uitgang van versterker 30 is verbonden met een banddoorlatend filter 33, dat hetzelfde doel heeft als filter 32.

De uitgang van bandfilter 32 is verbonden met de ingang van 20 een synchrone gelijkrichtketen bestaande uit een invertor 33, een schakelaar 22 en een integratorketen die een weerstand 34, een versterker 35 en een terugkoppelcondensator 36 omvat, waarbij de weerstand 34 verbonden is met de inverterende ingang van versterker 35 en de condensator 36 verbonden is tussen de uitgang van versterker 35 en de 25 inverterende ingang daarvan. De. niet inverterende ingang van versterker 35 is geaard. De invertor 33 zorgt voor een extra onderdrukking van laagfrequente signalen.

De uitgang van de versterker 35 is gekoppeld met de ingang van een spanning-stroomomzetter 37, waarvan de uitgang de rode LED 2 30 stuurt. De uitgang van de keten 37 kan via een schakelaar 23 geaard worden, om de stroom naar LED 2 te onderbreken.

De uitgang van bandfilter 33 is verbonden met de ingang van een synchrone gelijkrichter welke uit een schakelaar 25, een weerstand 39 en een condensator 40 bestaat. Een aansluitklem van condensator 40 35 is met aarde verbonden terwijl de andere aansluitklem verbonden is met een aansluitklem van weerstand 39 en met de ingang van een optelketen 8400330 -8- i w 41. Met een tweede ingang van de optelketen 41 is- een gelijkspannings-bron 42 verbonden. De uitgang van optelketen 41 is verbonden met de eerste ingang van een analoge multiplexketen 38; de tweede ingang van keten 38.is verbonden met de uitgang van versterker 35. De uitgang 5 van keten 38 is verbonden met een analoog-digitaalomzetter 43,. die het toegevoerde signaal omzet in een datastroom en deze via een databus 44 toevoert aan·een verder niet getoonde microprocessor. De microprocessor verschaft via een databus 45 regelsignalen aan een bestu-ringsketen' 46, welke besturingsketen de schakelaars 22 t/m 25, de 10 analoge vermenigvuldigketen 38, de analoge digitaalomzetter 43 en een digitaal-analoogomzetter 48 bestuurt. De digitaal-analoogomzetter 48 ontvangt via een databus 47 data van de microprocessor. De uitgang van digitaal-analoogomzetter 48 is verbonden met een spanning-stroomomzetter 49, waarvan de uitgang is verbonden met de in serie 15 verbonden LED’s 3, 3', 3" en 3."' en eventuele verdere groene LED’s.

De uitgang van keten 49 kan via schakelaar 24 geaard worden om zo de sturing van de LED's te onderbreken.

In het hiernavolgende zal de werking'van de gasdetectie-inrichting volgens de- uitvinding nader worden beschreven.

20 Zoals de fig. 1 en 2 tonen zijn er twee meetplaatsen resp.

12' en 12” op het lint, méetplaats 12' is dichtbij de plaats gelegen waar het lint wordt bevochtigd met de de verkleuring veroorzakende chemicaliën en meetplaats 12" is ongeveer 8 mm verder in de transport-richting van het liijt gelegen, hetgeen bij de gekozen lintsnelheid 25 overeenkomt met een tijdsduur van ongeveer 10 seconden,, gedurende welke tijd de chemicaliën het lint kunnen doen verkleuren bij schone lucht of niet doen verkleuren bij aanwezigheid van de te detecteren gassen.

Op elke meetplaats wordt het lint afwisselend verlicht met groen licht met een golflengte van ongeveer 550 nanometer en rood licht met een 30 golflengte van ongeveer 650 nanometer. Het tempo waarin de verlichting van kleur wisselt bedraagt ongeveer 1 kHz, zodat de lintverplaat-sing in een periode met rood en groen licht te verwaarlozen is. Beide meetplaatsen worden door één verlichtingsstelsel belicht, dat in fig. 1 met verwijzingscijfer 1 is aangegeven, en dat afwisselend rood en 35 groen licht kan leveren.

8400380 -9-

Elke meetplaats is voorzien van twee siliciumfotocellen, resp. 13 en 15 voor meetplaats 12' en 14 en 16 voor meetplaats 12", die een deel van. het door het lint gereflecteerde en verstrooide licht opvangen en die, zoals getoond is in fig. 3, zodanig aangesloten zijn dat zij als 5 stroombron gebruikt worden,, hetgeen een snelle en lineaire responsie waarborgt.

De intensiteit van het groene licht is in principe constant terwijl de intensiteit van het rode licht zodanig wordt ingesteld dat het uitgangssignaal van de parallel verbonden, fotocellen bij de 10 resp. meetplaatsen bij rood licht en groen licht zo goed mogelijk gelijk is. Door deze regeling van de fotocelsignalen hebben de absolute gevoeligheid en de donkerstroom. van de fotocel, de off set stromen en een 'eventuele niet lineaire en inconstante stroom-helderheids-relatie van de rode lamp geen invloed op het meetresultaat.

15 Het regelsysteem bestuurt de schakelaars 20 en 21 zodanig dat afwisselend voor de beide meetplaatsen gedurende ongeveer 100· msec de intensiteit van de rode LED wordt geregeld, zodat er op opeenvolgende tijdstippen afwisselend een intensiteit voor het rode licht ingesteld wordt, die resp. een maat. is voor de lintkleur op de meetplaats 12' 20 en op de meetplaats 12". Het quotient van deze twee intensiteitswaar-den, het kleurquotient Q, is een maat voor de kleurverandering die het lint bij het transport van. meetplaats 12' naar meetplaats 12" heeft ondergaan.

Voor de onderstaand te geven berekeningen wordt gesteld dat: 25 Fg - uit de apertuur 5 tredende lichtstroom van de groene lichtbron

Fr = uit de apertuur 5 tredende lichtstroom van de rode lichtbron cg = fractie van de groene lichtstroom, die op één meet-30 plaats het lint bereikt .

cr = fractie van de rode lichtstroom, die op één meetplaats het lint bereikt kg = effectieve reflectie-coëfficient van het lint bij groen licht 35 kr = effectieve reflectie-coëfficient van het lint bij rood licht

Gg = gevoeligheid van de fotocellen bij het lint voor groen 8 4 0 0 " il 0 -10- licht (mA/Lm)

Gr = gevoeligheid van de fotocellen bij het lint voor rood licht (mA/Lm) .

Indien het regelsysteem de intensiteit van de rode licht-5 bron op bovenstaand, beschreven wijze ingesteld heeft geldt voor één meetplaats·dan geldt:

Fg.cg.kg.Gg = Fr.cr.kr.Gr. zodat: 10 Daar cg/cr en Gg/Gr in wezen constant zijn, wordt Fr inge steld op een waarde, die recht evenredig is met Fg, en voorts afhangt van de lintkleur.

Aangenomen· wordt dat het regelsysteem de rode lichtstroom instelt op de waarde Frl met de fotocelstromen op meetplaats 15 12' als criterium, en vervolgens op de waarde Fr2 met de fotocelstro men op meetplaats 12" als criterium.

Nu geldt voor de verhouding Frl:Fr2, het kleurquotient Q

* i van het lint op de beide meetplaatsen: _ Frl _ Fgl cgl cr2 kgl kr2 Ggl Gr2 ...

2 “ Fr2 " Fg2 *cg2 *cg2*krl*kg2 *Grl‘Gg2 20 Vergelijking (1) kan worden vereenvoudigd doordat geldt: 1. Fgl = Fg2, er is één voor beide meetplaatsen gemeenschappelijke constante, groene lichtbron.

2. De diverse c-waarden zijn in principe gelijk, en in ieder geval constant.

25 3. De quotiënten en zijn ongeveer even groot (zelfde type fotocel) en overigens constant..

Hierdoor vereenvoudigt vergelijking (2) zich tot: 2 ~ Fr2 K*krl'kg2 l3)

In vergelijking. (3) is K «1 en in ieder geval constant 30 van grootte.

Door het kleurquotient Q op de bovenstaand beschreven wijze te bepalen wordt bereikt, dat het kleurquotient niet beïnvloed wordt door variaties in draaddikte en maaswijdte van het lint, omdat deze per meetplaats in principe een gelijke invloed hebben op kg en kr 84003*0 -lien dat variaties in de basiskleur van het lint of in de basiskleur van de chemicaliën in principe op beide meetplaatsen een gelijke invloed op resp* kgl, kg2 en krl en kr2 hebben.

Het gebruik van de kleunen rood en groen voor het verlichten 5 van het lint is gekozen omdat de kleurstof die bij schone lucht op het lint gevormd wordt, een relatief grotere vermindering van de reflectie van het lint bij groen licht geeft en relatief weinig vermindering van de reflectie bij rood licht. Het kleurquotient Q bedraagt bij gekleurd lint ongeveer 1,1 en bij ongekleurd lint ^ 10 ongeveer 1. Hierdoor is een relatiever groot uitgangssignaal aanwezig dat de kans op meetfouten verkleint.

De lichtstromen Frl en Fr2 worden gemeten door fotocel 8.

Deze fotocel ontvangt vanuit het objectief 6 een constant gedeelte van de uit de apertuur 5 tredende lichtstroom. Omdat alleen het rode 15 licht met behulp van fotocel 8 gemeten moet worden en het uit dezelfde bron afkomstige groene licht niet, is voor de derde fotocel voorzien in een rood-doorlatend, groen-blokkerend filter 7.

De fotocel 8 levert afwisselend de signalen: SI * cr3.Gr3.Frl+d en S2 = cr3.Gr3.Fr2+d.

20 waarin cr3 * gedeelte van de rode lichtstroom dat de fotocel 8 bereikt en Gr3 = gevoeligheid van fotocel 8 voor rood licht, d = donker- en offsetstroom.

Omdat voor een nauwkeurige bepaling van Q het signaalquotient 25 S1/S2 zo goed mogelijk gelijk moet zijn aan het lichtquotient Frl/Fr2, moet SI en S2 voor de waarde van d gecorrigeerd worden. Hiertoe is in de meetcyclus,gedurende welke FR1 en Fr2 afwisselend zo geregeld worden dat zij gelijk zijn aan resp. Fgl en Fg2, ook een meetfaze t voor de donkerstroom opgenomen, waarbij de rode lichtbron is uitge-30 schakeld en dus Fr = 0. De fotocel 8 levert dan samen met. de tussen deze fotocel, en de analoog digitaalconvertor 43 opgenomen verster-kingsketen een signaalcomponent d. De signalen van fotocel 8 worden digitaal verwerkt via de analoog digitaalomzetter 43 en de microprocessor. De signalen SI, S2 en d worden achtereenvolgens in digitale 35 vorm gebracht en in het geheugen van de microprocessor opgeslagen.

Dit deze gegevens kan het zuivere kleurquotient Q berekend worden met: 8 4 0 0 o Λ ft -12- _ Sl-d 2 " S2-d*

Uit het bovenstaande zal. duidelijk zijn dat het beschreven systeem in hoge mate ongevoelig is voor de absolute waarden en de langzame variaties van de verhouding tussen de lichtstroom en de 5 voedingsstroom.van.de rode en groene LED's, de gevoeligheid en de donkerstroom van de .fotocellen.; de offset-spanningen en off set-stromen van alle versterkers, in de schakeling; de basiskleur van het lint en van de chemische bevochtigingsmiddelen; en de snelle variaties in draaddikte en maaswljdte van ..het. stuk lint dat. in het meetveld gelegen 10 is, de zgn. lintruis.

De werking van de in fig. 3 getoonde elektrische keten zal onderstaand nader worden verd.uideli.jkt . aan de hand van fig.. 4*, die een aantal in deze keten optredende golfvormen toont, r De bestüringscyclus bestaat, uit de volgende, meetperioden 15 van elk ongeveer 100 milliseconden.

Periode A: -

Het rode licht wordt geregeld met als criterium het signaal van de fotocellen 13.en 15 bij meetplaats. 12'. Schakelaar 20 is gesloten en schakelaar 21. geopend, terwijl, de schakelaars 23 en 24 in een 20 1 kHz ritme zodanig omschakelen dat wanneer schakelaar 23 is geopend schakelaar 24 is gesloten en vice versa. Hierdoor, branden de rode en groene LED's afwisselend.

Fig. 4a toont de emissie van de groene LED's en fig. 4b de emissie van de rode LED.

25 Periode B:

Het rode licht, wordt geregeld met als criterium het signaal van de fotocellen 14 en 16 bij meetplaats .12"; schakelaar 20 is geopend en schakelaar 21 gesloten, terwijl schakelaars23. en 24 nog steeds in een 1 kHz ritme schakelen, 30 Periode C:

Meting van de donker- en offset-stroom; schakelaar 20 en 21 zijn beide geopend en schakelaar 23 is gesloten, zodat geen rood licht wordt afgegeven door.LED 2., schakelaar 24 schakelt echter in een 1 kHz ritme, zodat de groene LED's normaal branden.

35 Periode D:

Het rode licht wordt geregeld met als criterium het signaal van de fotocellen 14 en 16 bij meetplaats 12”; schakelaar 20 is geopend, 8400380 -13 - . -¾ schakelaar 21 is gesloten en de schakelaars 23 en 24 schakelen in een 1 kHz- ritme om.

Na periode D wordt de besturingscyclus herhaald.

5 Aan, het einde van elke periode wordt het signaal dat af-* komstig is van fotocel 8 in een digitale waarde omgezet en aan de microprocessor toegevoerd. Gedurende elke besturingscyclus worden twee meetwaarden van meetplaats 12" en een van meetplaats 12' verkregen. De reden hiervan is dat op meetplaats 12r in principe slechts 10 langzaam veranderingen te verwachten zijn, terwijl de eventuele verandering van kleur op meetplaats 12" te verwachten is en met een zo klein mogelijk tijdverlies gedetecteerd moet worden.

Ook de donker- en offsetstromen variëren langzaam zodat ook daarvoor een meetperiode per besturingscyclus voldoende is.

15 Aan het begin van een regelperiode zal de verhouding tussen het rode en het groene licht, die waargenomen wordt door de-fotocellen bij het lint, afwijken van 1, zodat het bandfilter 32 een signaal aan de ingang ontvangt zoals getoond in fig. 4c en aan de uitgang een signaal verschaft zoals getoond in fig* 4d. Door synchrone ge-20 lijkrichting via schakelaar 22, die eveneens in een 1 kHz ritme schakelt, wordt een gelijkstroom verkregen waarvan de polariteit en grootte afhangt van het absolute verschil tussen de amplitude van de door de fotocellen ontvangen hoeveelheid licht van. de rode en de groene LED. De gelijkgerichte stroom wordt door de integrator geinte-25 greerd. De uitgangsspanning van de integrator, d.w.z. de uitgangs- spanning van versterker 35 is getoond in. fig. 4e. Zolang de fotocellen bij het lint meer groen licht dan rood licht zien stijgt de uitgangsspanning van de integrator terwijl deze daalt zolang de fotocellen bij het lint meer rood licht zien dan groen licht. Wanneer resp. de 30 fotocellen. 13, 15 en 14, 16 evenveel signaalstroom bij groen als bij rood licht afgeven, wordt aan het bandfilter 32 geen 1 kHz wisselspanning meer toegevoerd, zodat ook de ingangsstroom van de integrator gelijk is aan nul en het uitgangssignaal van de integrator constant blijft.

35 Door een geschikte keuze van de totale lusversterking en de tijdconstante die wordt bepaald door de waarde van weerstand 34 en condensator 36 wordt de evenwichtstoestand binnen de periodeduur van 8 4 0 0 ’ ° 0 V \ -14- 100 millisec. bereikt, zoals duidelijk vooral uit de fign. 4d en 4e blijkt.

Fotocel 8 ontvangt rechtstreeks licht van de rode LED 2 en een gedeelte van het groene licht van de LED' s 3, 3' etc. voor zover 5 dit door het filter 7 wordt doorgelaten. Het signaal, van fotodiode 8 is getoond in fig. 4f. Het bandfilter 33 geeft een uitgangswissel-spanning af die getoond is in fig. 4g en waarvan de top-topwaarde evenredig is met het verschil tussen de uitgangsstroom van fotocel 8 bij rood licht en die bij groen leklicht. Tijdens de donkerstroom-10 compensatieperiode C is de rode LED gedoofd. Het bandfilter 33 geeft dan ëen uitgangsspanning af waarvan de top-topwaarde evenredig is met de stroom van fotocel 8 bij groen leklicht.. Het uitgangssignaal van het bandfilter 33 is bij aanwezigheid uitsluitend groen leklicht 180° in faze gedraaid ten opzichte van het signaal bij ontvangst 15 van zowel rood. licht als groen leklicht. Deze fazesprongen zijn te zien in de fign. 4f en 4g bij zowel de overgang van periode B naar periode C als . van periode C naar- periode. D .

In.de optelketen 41 wordt het signaal van de synchrone gelijk-richtketen die bestaat uit schakelaar 25, weerstand 39 en condensator 20 40 in gelijkspanning verschoven, om de uitgangsspanning van de optel keten binnen het ingangsspanningsbereik van. de analoog digitaalomzet-ter 43 te brengen. Hiertoe is de tweede ingang van. optelketen 41 gekoppeld met.de gelijkspanningsbron 42. Het aan de eerste ingang van keten 41 aanwezige, signaal is getoond in fig. 4h.

25 De signaaloverdracht vanaf fotocel 8 tot aan de uitgang van optelketen. 41 kan als volgt, worden bepaald:

Bij rood· licht, levert fotocel- 8 de stroom ir en bij groen licht de stroom ig. Het bandfilter 33 blokkeert de gemiddelde component (ir + ig):2 en versterkt de wisselspanningscomponent ir ^ ig 30 tot dè signaalspanning Dl met een top-topwaarde 01 = G (ir - ig) .

De synchrone gelijkrichter levert aan de optelketen een positieve gelijkspanning 02 = èG (ir + ig). Hierbij wordt, aangenomen dat schakelaar 25 gesloten is tijdens de positieve halve periode van het wisselspanningssignaal. 01. De optelketen 41 telt de vaste 35 gelijkspanning 00 op bij 02 en geeft als uitgangsspanning:

Os = iG (ir - ig) + OO. Dit signaal wordt aan de analoge multiplex--, keten 38 toegevoerd, in digitale waarden omgezet en in de micro- 8400380 -15- processor opgeslagen.

Tijdens de meetperiode C is ir = 0, zodat de optelketen 41 dan een uitgangsspanning levert: ad = \Q (-ig) + U0.

Dit signaal wordt eveneens in digitale waarden omgezet- en opgeslagen 5 in de microprocessor.

Door het aftrekken van üs en Ud verkrijgt men Us - Ud = iG (ir - ig) + UO - iG (-ig) - UO = iGir.

In elk van de drie regelperioden van een besturingscyclus .wordt een ir-waarde ingesteld;, de ig-waarde is in principe constant 10 omdat de stroom door de groene LED's op een vaste waarde is ingesteld.

De regeling op meetplaats 12' levert het signaal: üsl - Ud « iGirl regeling op meetplaats 121, hetgeen tweemaal per meetcyclus gebeurt, levert het. signaal: Us2 - Ud = iG-ir2.

15 Het kleurquotient Q kan' nu berekend worden uit

Usl - Ud = irl_ 2 _ Us2 - Ud ir2 *

Een lintgedeelte dat zich op een bepaald moment bij meetplaats 12* bevindt passeert na ongeveer 10 seconden meetplaats 12".

irl

Door bij de bepaling van het kleurquotient Q = meest recente 20 ir2-waarde te nemen en de irl-waarde van 10 seconden daarvoor wordt een Q-waarde verkregen, die betrekking heeft op hetzelfde lintgedeelte en dus zo goed mogelijk aangeeft wat de kleurverandering is die een bepaalt lintdeel heeft ondergaan tijdens de verplaatsing van meetplaats 12' naar meetplaats 12".

25 Ondanks de maatregelen in het optische stelsel die ten doel hebben de verhouding tussen rood en groen licht voor alle delen van het lint binnen de meetplaats gelijk te maken, zal toch lint-ruis optreden doordat niet alle delen.van de bevochtigde draden van het lint en de met meer of minder vloeistof gevulde mazen 30 in het lint rood licht en groen licht met dezelfde intensiteit en richting zullen reflecteren. Opeenvolgende waarden van ir zullen dus kleine verschillen vertonen. Om deze ruisinvloed tegen te gaan kan bij de quotientbepaling een irl-waarde gebruikt worden, die het gemiddelde is van vijf: metingen, waarbij de middelste meting dan die 35 is welke nominaal 10 seconden geleden werd verricht.

94003?0

-r V

-16-

Het micropracessorsysteem besluit tot het afgeven van een alarmsignaal wanneer het kleurquotiënt Q een bepaalde drempelwaarde overschrijdt. Deze drempelwaarde kan temperatuurafhankelijk zijn omdat bij relatief hoge temperaturen er na 10 seconden meer kleurstof op het 5 lint gevormd is dein. bij relatief lage temperaturen.

Het uitgangssignaal van de integratorketen rond versterker 35 is via een leiding 50 met de analoog-multiplexketen 38 en de analoog-digitaalomzetter 43 verbonden ten behoeve - van foutbewaking. Warneer door een defecte component of door invloeden van buitenaf, bijvoor-10 beeld vervuiling van een fotocel, de regelkring niet goed werkt, zal de uitgangsspanning van de integrator in de meeste gevallen buiten het normale dynamische werkgebied komen te liggen hetgeen gebruikt kan worden om de microprocessor een foutsignaal te doen opwekken. Alhoewel de inrichting voor het detecteren van kleurverschillen volgens 15 de uitvinding bij wijze van voorbeeld is beschreven voor toepassing bij een gasdetector, zijn andere toepassingen vanzelfsprekend niet uitgesloten..

8400330

Claims

1. Inrichting voor het detecteren van kleurverschillen van een te onderzoeken materiaal voorzien van middelen voor het belichten van het materiaal, middelen voor het meten van de hoeveelheid door het materiaal gereflecteerd licht en middelen voor het transporteren van 5 het materiaal, met het kenmerk, dat de middelen voor het belichten van de strook materiaal een eerste lichtbron omvatten, die licht kan uitzenden met een eerste kleur en een tweede lichtbron, die licht kan uitzenden met een tweede kleur, dat voorzien is in een optisch stelsel dat in wezen gelijke fracties van het licht van de eerste en tweede 10 lichtbron af kan geven aan eerste en tweede, op afstand van elkaar gelegen meetgebieden op het materiaal, waarbij nabij ieder meetgebied is voorzien in middelen om de door het materiaal gereflecteerde hoeveelheid licht te meten, dat voorzien is in middelen die rechtstreeks de hoeveelheid licht van de tweede lichtbron neten en dat is voorzien 15 in elektronische schakelorganen om afwisselend de eerste en tweede lichtbronnen te bekrachtigen en in elektronische regelorganen om aan de hand van de gemeten reflectie van het licht van de eerste lichtbron en de tweede lichtbron, de intensiteit van de tweede lichtbron zodanig te besturen dat de gemeten reflectiewaarden in hoofdzaak gelijk zijn. 20

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de lichtbronnen lichtemitterende diodes zijn en de detectiemiddelen . si-liciumfotodiodes, dat de kleur van de eerste lichtbron groen is en van de tweede lichtbron rood en dat de middelen die rechtstreeks de hoeveelheid licht van de tweede lichtbron meten eveneens een fotodiode 25 omvatten en voorzien zijn van een filter dat groen licht in hoofdzaak blokkeert.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om het verschil in reflectie van licht door het materiaal bij de beide meetplaatsen te bepalen door het berekenen 30 van de verhouding tussen de hoeveelheid licht die de tweede lichtbron uitstraalt bij belichting van het eerste meetgebied en bij belichting van het tweede meetgebied en dat voorzien is in middelen die bij het overschrijden van een tevoren bepaalde verhoudingswaarde een alarmsignaal kunnen opwekken. 8400380 7 -18- < ν α

4. Inrichting volgens ten minste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voorzien is in een rode lichtemitterende diode en n groene lichtemitterende diodes, welke symmetrisch rond de rode lichtemitterende diode gegroepeerd zijn en in een voor de licht-5 emitterende diodes geplaatste diffusor.

. 5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat. n = 6.

6. Inrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de lichtemitterende diodes en de diffusor zijn aangebracht in een behuizing met een apertuur voor het uitstralen van het licht van de licht- 10 emitterende diodes en dat voorzien is in een objectief om de door de apertuur uitgestraalde bundel divergerende lichtstralen om te vormen tot een bundel evenwijdige lichtstralen, waarvan een gedeelte via verdere optische organen naar beide meetgebieden op het materiaal geleid wordt en een ander gedeelte gericht is naar de middelen voor 15 het rechtstreeks meten van de hoeveelheid licht van de tweede lichtbron.

7. Inrichting volgens ten minste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schakelorganen zijn ingericht om gedurende een tevoren bepaalde periode uitsluitend de eerste lichtbron te be- 20 krachtigen, waarbij het uitgangssignaal van de middelen voor het rechtstreeks meten van de hoeveelheid licht van de tweede lichtbron een maat is voor de offset-stroom en de donkerstroom van deze middelen en dat voorzien is in geheugenorganen om de waarde van dit uitgangssignaal op te slaan. 8400300