СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКТА
METHOD AND DEVICE FOR QUALITY CONTROL OF PRODUCT

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и описывает способ контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов и устройство, реализующее предлагаемый способ. В качестве оптических характеристик продукта используют показатели преломления в нескольких спектральных диапазонах и координаты цветности.
Изобретение может быть использовано для контроля качества продуктов в пищевой и химической промышленности, а также в медицине, биологии и геологии как средство экспресс-анализа соответствия оптических характеристик исследуемого продукта эталонным образцам.
Известны способ и устройство, использующие для оценки состояния объекта исследования колориметрические измерения (Macfarlane, et al. Патент США №6437863 «Method and apparatus for detecting and measuring conditions affecting color», 20.08.2002 г.).
Недостаток этого способа состоит в том, что он позволяет исследовать только изменение цветности поверхности исследуемого объекта, что сужает область его применения.
Известен способ, по которому анализ продуктов ведут по его оптической плотности (показателю преломления) в различных спектральных диапазонах (Поплавский Ю.А. и др., патент РФ №2284506 «Автоматизированный способ спектрофотометрического анализа продуктов», 05.09.2002 г.).
Известно измерение таких оптических параметров продукта, как оптическая плотность и цвет (патент Беларуси BY №19402). Недостатки этого способа заключаются в том, что измерение цвета в единицах ЦНТ является очень грубым, т.к. использует всего лишь 16 эталонов цвета, т.е. имеет всего 16 градаций цвета, а измерения проводят монохромным фотоприемником, при этом диапазоны меняют установкой перед ним цветных светофильтров, что существенно увеличивает время измерений.
Известны способы и устройства, по которым измерение оптического показателя преломления исследуемого продукта осуществляют через критический угол полного внутреннего отражения оптического излучения (Конопский В.Н., патент РФ №2442142 «Способ измерения показателя преломления и устройство для его осуществления», 27.08.2009 г.; Безруков В.И., патент РФ №2314514 «Способ определения вязкости краски в электрокаплеструйном маркираторе и гидросистема электрокаплеструйного маркиратора», 25.07.2006 г.). Недостатки - работа в одном спектральном диапазоне.
Также известен способ идентификации продуктов путем сравнения характеристик исследуемого продукта с эталонными значениями предварительно сформированной базы данных (Карев А.И. и др., патент РФ №2444003 «Способ идентификации скрытых взрывчатых продуктов и наркотиков», 06.12.2010 г.).
Наиболее близким по технической сущности является способ по патенту РФ №2562270, предназначенный для измерения показателя преломления жидких и пастообразных продуктов методом предельного угла (Волков Р.И., Филатов М.И., патент РФ №2562270 «Способ измерения показателя преломления и дисперсии и устройство для его реализации», 31.01.2014 г.). В способе измерения щелевой диафрагмой формируют расходящийся пучок света от нескольких монохроматических источников света различных спектральных диапазонов, светорассеивателем преобразуют в единый расходящийся пучок света и направляют на многоспектральное матричное фотоприемное устройство (ММФПУ). Получают раздельные спектральные видеосигналы, по которым вычисляют показатели преломления и дисперсию анализируемого продукта. Перед измерениями измеряют показатель преломления воздуха, значение которого принимают за начало отсчета. Устройство содержит микропроцессор с дисплеем, который измеряет средние значения длительностей сигналов от строчного сигнала до переднего фронта сигналов для каждой длины волны, пропорциональные показателям преломления, и по ним вычисляет дисперсию продукта. Изобретение позволяет повысить точность измерений, ускорить и автоматизировать процесс измерения, а также упростить конструкцию устройства.
Недостатки указанных способа и устройства состоят в том, что они не позволяют эффективно и оперативно определить соответствие качества исследуемого продукта качеству эталонных образцов.
Предлагаемый способ определения качества продуктов характеризуется комплексным подходом при измерении оптических характеристик исследуемого продукта и сравнении полученных значений со значениями соответствующих оптических характеристик эталонных образцов, либо занесенных в предварительно сформированную базу данных, либо полученных для эталонного образца непосредственно перед измерениями исследуемого образца.
Отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что одновременно с измерением показателя преломления на одной и той же взятой для контроля пробе продукта измеряют координаты цветности исследуемого продукта и найденные значения сравнивают с показателями преломления и координатами цветности эталонов, причем показатели преломления продукта и координаты его цветности определяют одновременно по одним и тем же выходным сигналам ММФПУ.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично представлены оптическая схема и показан ход лучей и формирование границы тени и света на фоточувствительной поверхности ММФПУ для одного из спектральных диапазонов (показ хода лучей всех основных спектральных диапазонов сильно бы перегрузил рисунок); на фиг. 2 - распределение тени и света на фоточувствительной поверхности ММФПУ и соответствующие сигналы для различных спектральных диапазонов; на фиг. 3 - функциональная схема устройства; на фиг. 4 - функциональная схема примера выполнения блока вычисления показателей преломления (БВПП), а на фиг. 5 - функциональная схема примера выполнения блока вычисления координат цветности (БВКЦ).
В предлагаемом способе пучок света формируют от нескольких монохроматических источников света различного спектрального диапазона, световым смесителем преобразуют в единый расходящийся пучок света и направляют на ММФПУ, спектральная чувствительность элементов матрицы которого соответствует спектрам излучения источников света. Таким ММФПУ может быть, например, цветная телевизионная ПЗС или КМОП матрица, а в качестве монохроматических источников света - светодиоды. Часть света, претерпевшую полное внутреннее отражение, оптической системой направляют на ММФПУ, на фоточувствительной поверхности которого формируют зоны тени и света, различные для разных спектральных диапазонов. С ММФПУ получают раздельные для каждого спектрального диапазона сигналы, для каждого спектрального сигнала измеряют в каждой строке ММФПУ длительность и амплитуду сигнала, соответствующего зоне света, и находят среднее значение длительности и амплитуды этих сигналов для всех участвующих в измерении строк. Далее вычисляют отношения полученных средних значений длительности сигналов к длительности строки ММФПУ и отношения средних значений амплитуд к их сумме. Полученные отношения длительности сигналов пропорциональны показателю преломления исследуемого продукта для данного спектрального диапазона, а по отношениям средних значений амплитуд этих сигналов к их сумме определяют координаты цветности исследуемого продукта.
В качестве диапазонов световых потоков выбраны диапазоны стандартного цветного телевидения RGB (R - красный, G - зеленый, В - синий). Световые потоки от блока источников света 1 (фиг. 1), идущие от светодиодов с различными спектрами излучения - R, G и В, соединяют световым смесителем 2 в единый световой поток, выравнивают по диаграмме направленности и направляют на диафрагму 3. Расходящийся за диафрагмой 3 интегральный световой поток направляют на призму 4, рабочая грань 5 которой служит плоскостью раздела двух сред: исследуемого продукта 6 и призмы 4. Исследуемый продукт помещают в кювету 7. Лучи, падающие под углами к плоскости раздела меньше критических раздельно для каждого спектрального диапазона, уйдут в исследуемый продукт 6, а лучи, падающие под большими углами к плоскости раздела для каждого спектрального диапазона, будут претерпевать полное внутреннее отражение. Отраженные для каждого спектрального диапазона лучи с помощью оптической схемы 8 формируют на фоточувствительной поверхности 9 ММФПУ 10 для каждого спектрального диапазона зоны тени и света.
На фиг. 2 приведены примеры положения границы тени и света на фоточувствительной поверхности 7 ММФПУ 8 от исследуемого продукта для различных спектральных диапазонов и соответствующие им RGB сигналы с ММФПУ. Очевидно, что площадь света на фоточувствительной поверхности 7 зависит от значения критического угла, который, в свою очередь, зависит от показателя преломления исследуемого продукта для данного спектрального диапазона. Следовательно, если будет найдена площадь света для конкретного спектрального диапазона, то будет определено и значение показателя преломления исследуемого продукта для данного спектрального диапазона.
Значение площади света для конкретного спектрального диапазона (фиг. 2) пропорционально среднему значению длительности сигнала для этого спектрального диапазона. Чтобы получить средние значения длительности сигналов, измеряют длительности для всех строк матрицы, значения длительностей оцифровывают и усредняют, полученные средние значения сигналов делят на длительность строки ММФПУ и по полученному отношению находят значение показателя преломления исследуемого продукта для каждого спектрального диапазона.
Одновременно измеряют значение амплитуды сигнала для каждого спектрального диапазона (фиг. 2), оцифровывают и усредняют их. Значения всех усредненных амплитуд суммируют и находят отношения амплитуды сигнала для каждого спектрального диапазона к их сумме. Эти отношения и являются координатами цветности исследуемого продукта.
Далее, полученные цифровые значения показателей преломления для каждого спектрального диапазона и координаты цветности сравнивают с соответствующими значениями эталонов, записанными в запоминающем устройстве. По отклонению цифровых значений показателей преломления для каждого спектрального диапазона и координаты цветности исследуемого продукта от соответствующих значений эталона делают заключение о качестве продукта.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является устройство, представленное в российском патенте №2562270 (Волков Р.И., Филатов М.И., патент РФ №2562270 «Способ измерения показателя преломления и дисперсии и устройство для его реализации», 31.01.2014 г.).
Указанное устройство содержит блок источников света, в котором установлены светодиоды с различной длиной волны излучения: R (красный), G (зеленый), В (синий). За светодиодами установлен светорассеиватель, призванный выровнять диаграммы направленности светодиодов и смешать их излучение в единый интегрированный многоспектральный световой поток. Диафрагма, формирующая расходящийся световой поток, расположена перед измерительной призмой, рабочая грань которой служит плоскостью раздела исследуемого продукта и призмы. Исследуемый продукт помещают в кювету. Оптическая система формирует резкие границы тени и света на фоточувствительной поверхности ММФПУ. Выходы RGB-сигналов с ММФПУ подключены к входам микропроцессора, выход которого соединен с входом дисплея.
Предлагаемое устройство содержит (фиг. 1) блок источников света 1, в котором установлены светодиоды с различным спектральным диапазоном излучения: R (красный), G (зеленый), В (синий). За светодиодами установлен световой смеситель 2, призванный выровнять диаграммы направленности излучения светодиодов и смешать эти излучения в единый интегрированный многоспектральный световой поток. Диафрагма 3, формирующая расходящийся световой поток, расположена перед измерительной призмой 4, рабочая грань 5 которой служит плоскостью раздела исследуемого продукта 6 и призмы 4. Исследуемое вещество помещается в кювету 7. Оптическая система 8 формирует границы тени и света на фоточувствительной поверхности 9 ММФПУ 10.
Выходы RGB-сигналов ММФПУ 10 (фиг. 3) подключены к соответствующим входам вычислительного устройства 11. Вычислительное устройство 11 содержит блок вычисления показателей преломления (БВПП) 12, блок вычисления координат цветности (БВКЦ) 13 исследуемого продукта 6, подключенные к выходам ММФПУ, запоминающее устройство (ЗУ) 14 и блок сравнения 15, входы которого подсоединены к выходам БВПП 12, БВКЦ 13 и ЗУ 14, а выход - к какому-либо оконечному устройству. В качестве оконечного устройства может быть либо дисплей, либо компьютер, либо автоматизированная система контроля качества продукции и пр.
Следует заметить, что указанные блоки (БВПП 12, БВКЦ 13, ЗУ 14 и схема сравнения 15) могут представлять собой как электронные блоки, так и программные модули вычислительного устройства 11, выполняющие те же функции, что и указанные электронные блоки.
Блок БВПП (фиг. 4) содержит три идентичные электрические схемы, каждая из которых выполнена в виде последовательно соединенных измерителя длительности сигнала 16 одного из RGB сигналов, осреднителя длительности сигналов 17 и вычислителя отношения 18 осредненной длительности сигнала к длительности строки ММФПУ.
Блок БВКЦ (фиг. 5) содержит аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 19 для каждого RGB-сигнала, выходы которых подключены к входам сумматора 20 и соответствующим входам вычислителей отношения 21, ко вторым входам которых подключен выход сумматора 20.
Устройство работает следующим образом. При включении блока источников света 1 световые потоки от светодиодов RGB световым смесителем 2 преобразуются в единый световой поток, который диафрагмой 3 преобразуют в расходящийся пучок света и освещают им рабочую грань 5 призмы 4. Часть лучей света, падающих под углами больше критических, отражаются от плоскости раздела исследуемого вещества 6 и призмы 4. Из отраженных лучей света оптическая система 8 формирует на фоточувствительной поверхности 9 ММФПУ 10 зоны тени и света для каждого спектрального диапазона (фиг. 2).
ММФПУ 10 (фиг. 3) преобразует световые потоки от светодиодов RGB в электрические RGB-сигналы, которые поступают на входы БВПП 12 и БВКЦ 13 вычислительного устройства 11.
В БВПП 12 (фиг. 4) длительность RGB-сигналов измеряют измерителями длительности 16, усредняют осреднителями 17 и находят вычислителями 18 отношение средних значений длительностей RGB-сигналов к длительности строки ММФПУ 10 для каждого спектрального диапазона. Эти отношения пропорциональны показателям преломления исследуемого продукта для каждого спектрального диапазона.
БВКЦ 13 (фиг. 5) преобразует с помощью АЦП 19 RGB-сигналы в цифровую форму и подает их на входы сумматора 20 и входы вычислителей отношений 21, на выходах которых формируются координаты цветности исследуемого продукта.
Полученные значения показателей преломления с БВПП 12 и координат цветности с БВКЦ 13 исследуемого продукта сравнивают в блоке сравнения 15 с соответствующими значениями показателей преломления и координат цветности эталонного образца продукта, записанными в ЗУ 14. По величине отклонений полученных значений от эталонных значений делают заключение о соответствии качества исследуемого продукта заданным требованиям.