专利名称：染料耗尽率监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种染料监测装置，特别是涉及一种能自动选取合适的侦测光波波长及侦测光程，并在染整过程中，实时监测染料耗尽率变化的装置。
染整工业染料耗尽率的准确性、稳定性和重复性，是决定染整布匹时的质量与增进产业竞争优势的关键。柒整工业染整布匹的方式，一般可分为批式染整和连续染整。过去在批式柒整的过程中，染料浓度与显色都由经验丰富的老师傅评鉴，但由于人心理状态的影响和眼睛辨色重复性与精确度的限制，其判断结果的误差仍难以控制。而且在批式染布的过程中，染料随时间是否均匀附着在布匹上，也是决定布匹质量的关键，这一点是人无法掌握的，需要仪器的辅助，来监测染料的耗尽率。
在连续染整中，维持染料浓度的固定，也是决定染整布匹质量的最重要因素，所以也需要一染料耗尽率监测装置，实时监测染料的耗尽率。再者，由于不同波长的光穿透不同染料或不同浓度染液时的穿透率不同，因此该染料耗尽率监测装置，应具备自动选取最适合的量测波长与光程的能力，以达到浓度和穿透率取自然对数后的关系尽量呈线性，且侦测的动态范围最大的程度。
美国专利第5,125,747号揭露一仪器，能监测染料的耗尽率，但其对不同的染料或不同浓度的染液，量测的光波波长亦即滤片的选取与量测光程的选取，都需由人根据其所示的标准而予于选取。又如TEINOLAB公司所生产的染料耗尽率监视系统，其除了和上述专利相同，需人为操作选取外，其所用的滤片频宽太宽，仅仅使用四片滤片，覆盖400nm至700nm的波长，影响了量测的准确性。其他目前已开发完成的监测仪器，如Brinkmann公司所生产的比色浓度计(Colorimeter)等，仅适用于取样方式的情况，而非实时测量情形下使用。
归结目前染整工业所遇到的问题，包括1、在批式染整中，无法得知染整过程中染料的浓度，因此无法搭配温度与助剂，来控制染料随时间均匀附着在布匹上。
2、在连续染整中，需靠固定时间采样稀释检测，再依此调整染料的浓度，反应较慢，质量也较难控制。
3、针对不同颜色和浓度的染料溶液，不易掌握合适的量测波长和光程。
4、缺乏生产线上实时且长时间的染料耗尽率监测装置，来使整个染整过程最佳化。
因此本发明的主要目的就是提供一种染料耗尽率监测装置，能在染整的过程中，针对不同浓度和颜色的染料溶液，可以作线上实时且长时间的染料浓度或耗尽率的直接测量，以期使整个染整过程最佳化。
本发明的另一目的是提供一种染料耗尽率监测装置，能针对不同浓度和颜色的染料溶液，自动选取最适合的测量波长与光程，亦即选取最适合的滤片与光程，以达到浓度和穿透率取自然对数后的关系最线性，且侦测的动态范围最大的目的。
为达到本发明的上述和其他目的，本发明提供一种染料耗尽率监测装置，可监测一染料溶液，包括一光源，用以产生一光束；一滤片旋转装置，用以使上述光束通过该滤片旋转装置后，形成不同预定波长的一窄频宽光束；一染料检测长度驱动装置，其以光学方式耦接至该滤片旋转装置，上述染料溶液流经该染料检测长度驱动装置，该染料检测长度驱动装置接收该窄频宽光束，使其穿透该染料溶液，以形成一穿透衰减光束，该染料检测长度驱动装置可改变该窄频宽光束穿透该染料溶液时的一量测距离；一检测电路，其以光学方式耦接至该染料检测长度驱动装置，用以将该穿透衰减光束转换成一光功率模拟信号；以及一电路处理及显示装置，耦接至该滤片旋转装置、染料检测长度驱动装置、以及检测电路，该电路处理及显示装置控制该滤片旋转装置以获得不同预定波长的该窄频宽光束，控制该染料检测长度驱动装置以逐步改变各预定波长的该窄频宽光束的该量测距离，该电路处理及显示装置记录所对应的该光功率模拟信号，并依此来自动选取最佳预定波长的该窄频宽光束及该量测距离，再实时监测并显示该染料溶液中染料的耗尽率。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图作详细说明。附图中，
图1是依照本发明一较佳实施例的一种染料耗尽率监测装置的方块图；图2是图1的一种染料耗尽率监测装置较详尽的方块示意图；图3是图1中滤片旋转装置的机械结构示意图；图4是图1中染料检测长度驱动装置的机械结构示意图。
当一光束穿透一染料溶液时，依据贝尔法则(Berr′s law)可有如下的关系Pout＝Pine-α(λ)CL式中Pout为射出光束的功率，Pin为射入光束的功率；α(λ)为吸收系数，与波长λ相关；C为溶液中染料的浓度；L为光束行经染料溶液的距离(光程)。
因此，由上式可知，只要选择适当的光波波长及光程，可由光功率的变化求得溶液中染料的浓度，进而监测该染料溶液染料的耗尽率。但由于测量的光束的频宽都有一定的范围，且各种测量的误差等种种因素，实际测量计算时，不同的染料或不同的浓度，在不同的波长范围及不同的光程，由光功率变化求得穿透率再取自然对数后，与染料浓度符合线性变化原则的程度各不相同。
故本发明的染料耗尽率监测装置，其使用的流程，基本上分为两种，一为对未知染料的浓度监测，另一为对已知染料的浓度监测。对未知染料的浓度监测时，由本发明的装置自动决定适合测量的光程与波长，并建立染程的基本数据，再实时监测与记录染料的耗尽率等数据。对已知染料的浓度监测时，则由人员设定已知量测的光程与波长，以提高染色重现的可能性。
请参照图1，其绘示了依照本发明一较佳实施例的一种染料耗尽率监测装置的方块图。该染料耗尽率监测装置包括光源110、滤片旋转装置120、染料检测长度驱动装置130、检测电路140、以及电路处理及显示装置150。滤片旋转装置120与染料检测长度驱动装置130之间，染料检测长度驱动装置130与检测电路140之间，都以光学方式耦接，一般是以单一光纤或光纤束来传递光束信号。
首先光源110产生一光束，而滤片旋转装置120提供许多不同波长的窄频宽光波过滤功能，能使上述光束通过该滤片旋转装置120后，形成各种不同预定波长的窄频宽光束，以增加测量的准确性。接着将该窄频宽光束送到染料检测长度驱动装置130内，由于染料溶液同样也流经染料检测长度驱动装置130，此时染料检测长度驱动装置130使该窄频宽光束穿透该染料溶液，依据贝尔法则，该窄频宽光束的功率会依浓度衰减，形成一穿透(透射)衰减光束。染料检测长度驱动装置130具备适当的机械结构，可改变该窄频宽光束穿透该染料溶液时的测量距离。
检测电路140接收到染料检测长度驱动装置130送出的穿透衰减光束后，将该穿透衰减光束的功率转换成以电信号形式表现的光功率模拟信号。检测电路140也可以光学方式耦接至滤片旋转装置120，以便将滤片旋转装置120送出的该窄频宽光束转换成以电信号形式表现的光源功率模拟信号，作为光源稳定的基准，以及依据贝尔法则来计算浓度的基础。此时，滤片旋转装置120可使用Y型光纤束来传递该窄频宽光束，Y型光纤束的输入端接到滤片旋转装置120，输出的一端接到检测电路140，另一端接到染料检测长度驱动装置130。
当然检测电路140也可不耦接至滤片旋转装置120，只要事先设计好该窄频宽光束的光功率，并不在线上实时量测，当依据贝尔法则来计算浓度时，将该窄频宽光束的光功率设定为常数，这样的应用也是本发明的另一实例。
本发明的控制处理中心是电路处理及显示装置150，其耦接至滤片旋转装置120、染料检测长度驱动装置130、以及检测电路140。电路处理及显示装置150控制滤片旋转装置120以获得不同预定波长的窄频宽光束，电路处理及显示装置150再控制染料检测长度驱动装置130以逐步改变各预定波长的窄频宽光束穿透染料溶液时的测量距离，电路处理及显示装置150同时逐步接收并记录检测电路140送出的对应的光功率模拟信号，再根据贝尔法则来自动选取，浓度和穿透率取自然对数后的关系最线性，且侦测的动态范围最大的一组最佳预定波长的窄频宽光束及量测距离。此后以此组最佳预定波长的窄频宽光束及测量距离，来实时监测并显示该染料溶液的浓度或染料的耗尽率。
值得注意的是，上述电路处理及显示装置150自动选取最佳的一组窄频宽光束及量测距离的方法，是逐步改变各种不同预定波长的窄频宽光束，以及在各种预定波长的窄频光束穿透该染料溶液时的各种测量距离，并记录所对应的光功率模拟信号，再根据贝尔法则检验每一预定波长的窄频宽光束在各种测量距离的穿透率，其中穿透率是由窄频宽光束的功率和穿透衰减光束的功率来决定的，再判断穿透率取自然对数后是否与量测距离(光程)成线性比例，并在一预定的容许误差范围内，选取量测的动态范围最大的就是最佳预定波长的窄频宽光束及量测距离。
请参照图2，其绘示出图1的一种染料耗尽率监测装置较详尽的方块示意图。光源110包括灯泡214以及灯泡驱动电路212，用来产生光束。滤片旋转装置120主要包括滤片装置222以及马达224。马达224接受图1的电路处理及显示装置控制，以传动机构连接至滤片装置222，用来带动滤片装置222，使光源110发出的光束通过滤片装置222的不同位置，滤光后形成不同预定波长的窄频宽光束。
请参照图3，其绘示的图1中滤片旋转装置的机械结构示意图。滤片旋转装置主要包括滤片装置310、马达320、马达固定座330，并且具有灯泡座340、灯泡支架345、光纤束座350。光束通过滤片装置310的不同位置时，会形成不同预定波长的窄频宽光束，一般滤片装置310形成的不同预定波长的窄频宽光束，其中心波长范围由400nm至700nm。灯泡355发出的光束，通过滤片装置310滤光后形成窄频宽光束，由固定在光纤束座350上的光纤束360，接收传导出去。固定在马达固定座330上的马达320带动滤片装置310，使光束通过滤片装置310的不同位置，形成不同预定波长的窄频宽光束。马达320使用步进马达，因为步进马达比较容易以数字方式控制。
滤片装置310可以是多个窄频宽滤片，例如本实施例由16片窄频宽滤片组成，每片频宽为10nm，片与片频率间隔20nm，其中心波长范围恰好由400nm至700nm，放在一周缘已制作有孔位的一圆盘上，窄频宽滤片就固定在上述孔位内，圆盘置于马达320的轴心上，马达320带动圆盘旋转，使上述光束通过不同的窄频宽滤片。上述窄频宽滤片愈多，其频率间隔与频宽愈小，可借以增加量测的准确性。
滤片装置310也可以是波长范围由400nm至700nm的一连续波长滤片，该连续波长滤片置于马达320的轴心上，马达320带动该连续波长滤片旋转，使光束通过该连续波长滤片的不同位置，形成不同预定波长的窄频宽光束。
请参照图4，其绘示出图1中染料检测长度驱动装置的机械结构示意图。染料检测长度驱动装置主要包括光程驱动装置和马达。光程驱动装置包括推进轮轴套425、轴心套筒430、回复弹簧435、测量套筒440、以及染料导流孔450，另外还有凸轮410、凸轮固定座420等。首先待测的染料溶液流经染料导流孔450内，而滤片旋转装置送出的不同预定波长的窄频宽光束，也由光纤束460送到染料导流孔450，窄频宽光束穿透染料溶液后，依据贝尔法则，其功率会依染料溶液的染料浓度衰减，射出的光束称之为穿透衰减光束。
马达接受图1的电路处理及显示装置控制，旋转带动固定在凸轮固定座420的凸轮410，经上述各机构连动，可改变染料导流孔450内光纤的间隙，亦即在窄频宽光束穿透染料溶液时，提供多种测量距离。本实施例提供的测量距离有0.5mm、1mm、2mm、4mm，可再行扩充，只要略微修改机构即可。同样这里的马达使用步进马达，因为步进马达比较容易以数字方式控制。本实施例使用凸轮410来驱动，其他也可使用传动轴等机构来连动，使量测距离改变。
请参照图2，不同预定波长的窄频宽光束，经由光纤送到染料检测长度驱动装置130内，穿透染料溶液后，形成穿透衰减光束，再送到检测电路140。检测电路140主要由光功率检测电路245构成，其功能是将光束功率转变成电信号，亦即将该穿透衰减光束的功率，转换成以电信号形式表现的光源功率模拟信号。检测电路140也将滤片旋转装置120送出的窄频宽光束，转换成以电信号形式表现的光源功率模拟信号，作为计算浓度的基础。
电路处理及显示装置包括滤片驱动电路250、光程驱动电路260、光功率模拟/数字(A/D)转换电路270、中央处理单元280、以及显示装置290。滤片驱动电路250以及光程驱动电路260，分别连接到滤片旋转装置120和染料检测长度驱动装置130的马达，用来提供驱动马达所需的电力及控制信号。光功率A/D转换电路270，接收检测电路140送出的光功率模拟信号，并将之转换成以数字形式表现的光功率数字信号，同时也将光源功率模拟信号转换成数字形式。
中央处理单元280是本发明的心脏，内部有光程与波长判断模型的程序，其控制滤片驱动电路250，以驱动滤片旋转装置120，来获得不同预定波长的窄频宽光束，中央处理单元280控制光程驱动电路260，以驱动染料检测长度驱动装置130，来逐步改变各个预定波长的窄频宽光束的各种量测距离，中央处理单元280控制光功率A/D转换数字电路270，以获得稳定的光功率数字信号，并依据上述光功率数字信号，来自动选取最佳的一组窄频宽光束及量测距离，以此组最佳的窄频宽光束及测量距离，再实时监测染料溶液的染料的耗尽率。
显示装置290在本实施例是一台个人电脑，以RS232串行传输和中央处理单元270连结，来实时地在电脑显示器上显示染料的耗尽率，并可将耗尽率等数据存于磁盘中，将来再作分析。
光功率A/D转换电路270可再分解成多工器272、自动增益控制电路274、以及A/D转换电路276。多工器272以时间分割的方法，分时传送经滤片旋转装置120与染料检测长度驱动装置130的光功率模拟信号以及滤片旋转装置120的光功率模拟信号给自动增益控制电路274，自动增益控制电路274接受中央处理单元280的控制，可等比例自动调整光功率模拟信号以及光源功率模拟信号的大小，来得到信号范围稳定的光功率稳定信号及光源功率稳定信号。A/D电路276同样接受中央处理单元280的控制，将上述光功率稳定信号转换成光功率数字信号，以供中央处理单元280记录使用。
自动增益控制电路274主要是因应灯泡光谱在400nm与700nm的光功率相差约40倍，经过窄频宽滤片后，光功率会相差更多，因此为避免A/D转换电路276所送出的数字信号数值相差太大，影响计算的准确度，故将信号放大至一稳定范围，以减少误差。
在检测电路140内有二组光功率检测电路，主要目的是消除光源长时期驱动所造成的不稳定度。
由上述再推论可知，本发明的染料耗尽率监测装置，其对未知染料的监测流程如下a、归零，首先将染料检测长度驱动装置和滤片旋转装置的位置归零。
b、自动选取适当的量测距离(光程)及波长1、使清水或清水加助剂流过染料检测长度驱动装置，并撷取16个波长在4种不同光程下的光功率。
2、将加入染料搅拌均匀后的染料溶液，流过染料检测长度驱动装置，再撷取16个波长在4种不同光程下的光功率。
3、上述各数据经中央处理单元的光程与波长判断模型程式处理运算后，本发明的染料耗尽率监测装置会自动选取适当的光程与波长。
c、实时量测染料耗尽率或浓度中央处理单元处理数据后，显示于显示装置的电脑显示幕上，并可将耗尽率的数据存于磁盘中再作分析。
归结上述说明，本发明的染料耗尽率监测装置，能针对不同浓度和颜色的染料溶液，自动选取最适合的量测波长与光程，再作线上实时且长时间的染料耗尽率直接测量，过程中并不需要溶液采样，操作简易，使整个柒整过程最佳化，并可容易地控制染色的重现性。增加中央处理单元的程序后，更可做到自我诊断，以确认更换灯泡的时机，并可实现异常状态自动警报的功能。
虽然本发明已以一较佳实施例做了上述描述，但它并不用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可以作出各种变更和修正，因此本发明的保护范围应由后附的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种染料耗尽率监测装置，可监测一染料溶液，包括一光源，用以产生一光束；一滤片旋转装置，用以使上述光束通过该滤片旋转装置后，形成不同预定波长的一窄频宽光束；一染料检测长度驱动装置，其以光学方式耦接至该滤片旋转装置，上述染料溶液流经该染料检测长度驱动装置，该染料检测长度驱动装置接收该窄频宽光束，使其穿透该染料溶液，以形成一穿透衰减光束，该染料检测长度驱动装置可改变该窄频宽光束穿透该染料溶液时的一量测距离；一检测电路，其以光学方式耦接至该染料检测长度驱动装置，用以将该穿透衰减光束转换成一光功率模拟信号；以及一电路处理及显示装置，耦接至该滤片旋转装置、染料检测长度驱动装置、以及检测电路，该电路处理及显示装置控制该滤片旋转装置以获得不同预定波长的该窄频宽光束，控制该染料检测长度驱动装置以逐步改变各预定波长的该窄频宽光束的该量测距离，该电路处理及显示装置记录所对应的该光功率模拟信号，并依此来自动选取最佳的该窄频宽光束及该量测距离，再实时监测并显示该染料溶液中染料的耗尽率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中以光学方式耦接是采用光纤来传递光束。
3.根据权利要求1所述的装置，其中该检测电路，更以光学方式耦接至该滤片旋转装置，以便将该窄频宽光束转换成一光源功率模拟信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其中该滤片旋转装置使用一Y型光纤束来传递该窄频宽光束，该Y型光纤束输出的一端接到该检测电路，另一端接到该染料检测长度驱动装置，之后再接到检测电路。
5.根据权利要求1所述的装置，其中该电路处理及显示装置自动选取最佳的该窄频宽光束及该量测距离的方法，是逐步改变各预定波长的该窄频宽光束及该量测距离，并记录所对应的各该光功率模拟信号，再根据贝尔法则检验每一预定波长的该窄频宽光束在各该量测距离的一穿透率，判断该穿透率取自然对数后是否与该量测距离成比例，并在一预定的容许误差范围内，选取量测的动态范围最大的该窄频宽光束及该量测距离。
6.根据权利要求1所述的装置，其中该滤片旋转装置包括一滤片装置，该光束通过该滤片装置的不同位置，会形成不同预定波长的该窄频宽光束；以及一马达，以机构耦接至该滤片装置，该马达接受该电路处理及显示装置控制，用以带动该滤片装置，使光束通过该滤片装置的不同位置。
7.根据权利要求6所述的装置，其中该马达为步进马达。
8.根据权利要求6所述的装置，其中该滤片装置形成的不同预定波长的该窄频宽光束，其波长由400nm至700nm。
9.根据权利要求8所述的装置，其中该滤片装置包括多个窄频宽滤片，该马达以传动机构带动这些窄频宽滤片，使光束通过不同的窄频宽滤片。
10.根据权利要求9所述的装置，其中该窄频宽滤片共有16片，每片频宽为10nm，片与片频率间隔20nm。
11.根据权利要求10所述的装置，其中该16片窄频宽滤片置于周缘已制作有孔位的一圆盘上，该圆盘置于该马达的轴心上，该马达带动该圆盘旋转，使上述光束通过不同的该窄频宽滤片。
12.根据权利要求8所述的装置，其中该滤片装置为一连续波长滤片，该连续波长滤片置于该马达的轴心上，该马达带动该连续波长滤片旋转，使光束通过该连续波长滤片的不同位置。
13.根据权利要求6所述的装置，其中该滤片旋转装置还包括一马达固定座，以传动机构耦接至该马达，用以固定该马达。
14.根据权利要求1所述的装置，其中该染料检测长度驱动装置包括一光程驱动装置，其以光学方式耦接至该滤片旋转装置，该染料溶液流经该光程驱动装置，该光程驱动装置接收该窄频宽光束，使其穿透该染料溶液，以形成该穿透衰减光束，该光程驱动装置提供多种该窄频宽光束穿透该染料溶液时的该量测距离；一马达，以传动机构耦接至该光程驱动装置，该马达接受该电路处理及显示装置控制，用以带动该光程驱动装置，来改变该窄频宽光束穿透该染料溶液时的该量测距离，
15.根据权利要求14所述的装置，其中该马达带动该光程驱动装置是使用凸轮实现的。
16.根据权利要求14所述的装置，其中该马达带动该光程驱动装置是使用传动轴实现的。
17.根据权利要求14所述的装置，其中该马达采用步进马达。
18.根据权利要求14所述的装置，其中多种该量测距离包括0.5mm、1mm、2mm、4mm。
19.根据权利要求1所述的装置，其中该电路处理及显示装置包括一滤片驱动电路，耦接至该滤片旋转装置，用以提供驱动该滤片旋转装置所需的电力及控制信号；一光程驱动电路，耦接至该染料检测长度驱动装置，用以提供驱动该染料检测长度驱动装置所需的电力及控制信号；一光功率模拟/数字转换电路，耦接至该检测电路，用以将该光功率模拟信号转换成一光功率数字信号；一中央处理单元，耦接至该滤片驱动电路、光程驱动电路、以及光功率模拟/数字转换电路，该中央处理单元控制该滤片驱动电路，以驱动该滤片旋转装置，来获得不同预定波长的该窄频宽光束，该中央处理单元控制该光程驱动电路，以驱动该染料检测长度驱动装置，来逐步改变各预定波长的该窄频宽光束的该量测距离，该中央处理单元控制该光功率模拟/数字转换电路，以获得稳定的该光功率数字信号，并依据该光功率数字信号，来自动选取最佳的该窄频宽光束及该测量距离，再实时监测该染料溶液的染料耗尽率；以及一显示装置，耦接至该中央处理单元，用以显示该染料溶液的染料耗尽率。
20.根据权利要求19所述的装置，其中该光功率模拟/数字转换电路包括一自动增益控制电路，耦接至中央处理单元，用以自动调整该光功率模拟信号的大小，来得到稳定范围的一光功率稳定信号；以及一模拟/数字转换电路，耦接至该自动增益控制电路以及中央处理单元，用以将该光功率稳定信号转换成该光功率数字信号，以供该中央处理单元记录使用。
全文摘要
一种染料耗尽率监测装置包括一光源；一滤片旋转装置，以形成窄频宽光束；一染料检测长度驱动装置，以改变光束穿透染料溶液的测量距离，并形成穿透衰减光束；一检测电路，以将穿透衰减光束转换成一光功率模拟信号；及一电路处理及显示装置，以控制滤片旋转装置及上述驱动装置，改变测量距离，其可记录所对应的光功率模拟信号，依此自动选取最佳预定波长的窄频宽光束及测量距离，实现实时监测并显示染料溶液中染料的耗尽率。
文档编号G01N21/00GK1164026SQ9610517
公开日1997年11月5日 申请日期1996年4月26日 优先权日1996年4月26日
发明者李彦铮, 黄裕文, 谢达理 申请人:财团法人工业技术研究院