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La présente invention *et relative à un procédé et à un appareil pour douer un* quantité d'une suestance dans une matière de base en utilisant'les phénomènes de réflectivité et d'absorption des rayons infra-rouges. Un* forme de réalisa tion donnée comme exemple de ,l'invention et les principe.
de cette dernière seront exposés en déterainant de façon continue la quantité d'eau dana une fouille de papier mobile ainai que l'on déaire couvent le faire dans la fabrication du papier*
Des efforts antérieure pour mesurer la quantité d'eau et d'autres fluides dans du papier et d'autres matière* consistaient à essayer de coordonner l'attémuation des rayons bâta, les changements d'impédance ou de propriétés diélectri- que* ou l'absorption d'énergie de microondes à des change.
mente du contenu de la substance dans la matière* Aucun de ces efforts n'a réussi dans la moeurs nécessaire pour recevoir une large diffusion commerciale,
Par suite, l'un des buts de la présente Invention est de procurer un dispositif de dosage meilleur pour mesurer la quantité de fluide ou d'autre substance dans une autre matière.
Un autre but important de l'invention est de procurer un dispositif de dosage qui ne vienne pas en c ontact avec la matière*
D'autres buts poursuivie sont de procurer un dispositif de dosage qui soit comparativement peu coûteux ,d'un manie. rent facile potable e t exact et capable de .'adapter . des
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processus continus et à l'emploi en laboratoires, et qui mesu- re le contenu de la substance dans un domaine très étendu.
Un objet plus spécifique consiste à prévoir un dispositif de do- sage utilisant les propriétés d'absorption et de réflexion des rayons infra-rouges.
La réalisation des objets spécifiques indiqués précé- demment et d'autres qui le sont davantage apparaîtront de temps à autre dans la description suivante.
La présente invention se caractérise en ce qu'on pro- jette un faisceau de rayonnement qui comprend le spectre infra- rouge sur une matière telle que du papier dans laquelle a été absorbée une substance telle que de l'eau. Une paire de dispo- sitifs monochromants dissemblables pour 1'infra-rouge passe successivement à travers le faisceau , sois avant, soit après qu'il ait été réfléchi par la matière. Deuk longueurs d'ondée sont monochromées, L'une se trouve dans la bande d'absorption de la substance et l'autre, une longueur d'onde de référence, se trouve à l'extérieur de sa bande d'absorption. Les longueur* d'ondes ne sont pas affectées de manière disproportionnée par le changement de la matière elle-même.
Par l'intermédiaire d'un dispositif sensible à l'infra-rouge convenable, le rayon- nement réfléchi par la matière est alors détecté de façon conti- nue pour en déduire un signal électrique pulsé. Les amplitudes des deux composantes de ce signal sont proportionnelles à la réflectivité pour les deux longueurs d'ondes. Le rapport de ces amplitudes est une donnée analogique de la teneur en substan-' ce.
Le mot substance, tel qu'il est utilisé ici, se rappor- te à des molécules qui sont liées dans une matière de base et qui ne perdent pas leur identité. Le mot Matière se rapporte au matériau sur lequel ou dans lequel la substance est liée
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en sorte de permettre que le rayonnement soit réfléchi par cette matière.
@ Une description plus détaillée de l'invention sera donnée en association avec les dessins joints au présent mémoire dans lesquels :
Figure 1 est une représentation schématique, donnant un exemple d'un dispositif de dosage pour mesurer une substance dans une matière fluide solide.
Figure 2 est une vue en élévation d'une tête sensible utilisée dans l'appareil de dosage , en partie en coupe e t en partie schématiquement.
Figure 3 est une vue en plan d'un ensemble de filtre rotatif , considérée suivant une ligne correspondant à 3-3 de la figure 2.
Figure 4 est une courbe montrant les relations entre le signal de sortie d'un dispositif photosensible et la lon- gueur d'onde du rayonnement réfléchi reçu par ce dispositif; et
Figures 5 et 6 sont des coubes qui montrent les signaux obtenue en divers points du système , pour faciliter l'expose de l'invention.
On considérera tout d'abord la figure 1 dans laquelle on voit une feuille de matière mouillée 1 qui peut se déplacer à grande vitesse de façon générale dans le sens de la flèche indiquée , comme dans une machine à fabriquer le papier. A distance du papier 1 se trouve une source de rayonnement repré- sentée comme une lampe à incandescence 2 ayant une distribution de sortie de spectre continu comprenant la bande infra-rouge.
Le rayonnement provenant de la lampe 2 est collimaté par une lentille 3 qui projette un faisceau parallèle de rayons tant visibles qu'invisibles, normalement au plan d'une paire de deux filtres à interfér3nce passe-bandes à caractère de bande étroite
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4 et 5. Le filtre 4 est montré dans le faisceau , mais le deux filtres sont propres à tourner à raison de 600 tours par minute en sorte qu'ils se présentent alternativement au faisceau en succession rapide pour donner lieu à des impulsions indivi- duelles de rayonnement réfléchi par le papier à une fréquence correspondante qui serait de 10 cycles par seconde dans cet exemple.
Le rayonnement réfléchi puisé provenant du papier 1 est détecté par un dispositif photosensible tel qu'une cellule photoélectrique à. sulfure de plomb 6 qui est dirigée vers ' une sphère d'intégration 7; Le faisceau qui tombe sur le papier . en provenance de chaque filtre passe d'abord par une fenêtre 8 capable de transmettre le rayonnement infra-rouge,au sommet de la sphère ? et, ensuite, par une fenêtre 9, de préférence plus grande , diamétralement opposée, se trouvant de préférence en bas. Les faisceaux alternants, après avoir frappé le papier 1, sont réfléchis de façon diffuse à travers la fenêtre du bas 9 où les rayons sont interceptés par la surface intérieure de la sphère et réfléchis dans tous les sens en sorte qu'il en résulte une distribution uniforme du rayonnement.
Le dispositif photo- sensible 6 transforme les impulsions de rayonnement d'inten- faisceaux ' site différente des alternée , en impulsions élec- triques correspondantes qui sont fournies à un pré-amplifica- tour-10, Les impulsions sont traitées ensuite pour développer un signal de sortie de courant continu correspondant à la teneur en eau , ainsi qutil sera expliqué plus complètement dans la. suite.
11 sera évident pour les spécialistes que les filtres 4 et 5 peuvent être situés aussi dans le trajet de rayonnement entre le papier réfléchissant 1 et le dispositif photosensible 6. @
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Les filtres 4 et $ sont choisis suivant des longueurs d'ondes différentes ou des bandes spectrales différentes devant passer par chacun d'eux.
Ceci dépend de la nature de la matière et de la substance.Dans le présente exemple, on peut suppo- ner que les quantités d'eau absorbées dans le papier sont l'objet de la détermination , auquel cas le filtre 4 est de préférence un filtre ayant une bande passante dont le centre se situe à 1,94 micron ,c'est-à-dire une longueur d'onde, parmi celles du spectre ,
pour laquelle il y a des bandes d'absorp- tion importantes et où des changements prononcés de réflecti- vité du rayonnement infra-rouge par l'eau contenue dans le papier se produisent.Une certaine tolérance dans la valeur du centre de la bande passante du filtre existe puisque de bons résultats ont été obtenus avec un filtre dont le centre de la bande passante se trouvait à 1,91 micron et dont la largeur de la bande pour une amplitude demi-maximum de pointe était de 0,08 micron ,ce qui signifiait que le filtre réduisait simplement l'intensité de la longueur d'onde essentielle de 1,94 micron qui intéressé le cas.
Une longueur d'onde voisine de 2,67 microns peut également être utilisée dans certains cas o ù l'on désirs mesurer l'humidité du papier.
Le filtre 5 qui fait passer seulement la longueur d'one de de rayoanement de référence est choisi èn sorte que la bande qu'il fait passer soit complètement à l'extérieur de la bande d'absorption du filtre 4 ou de toute autre bande d'absorption pour le fluide*Une longueur d'onde de référence de 1,63 micron s'est avérée être la plus satisfaisante pour mesurer la quan- tité d'eau dans le papier.D'autres longueurs d'ondes convenant comme référence parce qu'elles ne sont pas affectéespar les variations de la teneur en eau peuvent se trouver près de 1,0, 1,2 et 2,2 microns,
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Le rayonnement aux longueurs d'ondes de 1,94 et de 1,
63 micron est intercepté par la cellule photoélectrique 6 sous forme d'impulsion* en raison du déplacement des filtres 4 et 5 après réflexion par le papier 1. Le signal de sortie provenant de la cellule photoélectrique 6 se présente sous la forme d'une onde représentée à la figure 5. Pans cette figure, les abscisses représentent les temps, et les ordonnées, la tension.
La première impulsion qui peut représenter le rayonne- ment à 1,94 micron traversant le filtre 4 et réfléchie par le papier , est désignée par 4a et on voie qu'elle a une ampli- tude plus grande que l'onde suivante 5a qui représente l'in- tensité du rayonnement de 1,63 micron provenant du filtre de référence 5. Comme montré, l'impulsion représentant le rayonne-
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ment de bzz'4 Micron est plus Jrlnde qut'P88,/ l"ryoMement repr4. sentant 1,63 micron parce que l'intensité incidente du rayon- nement de 1,94 micron est plus grande que celle du rayonnement de 1,63 micron.
Si la quantité d'eau de la matière est augmentée, l'impulsion 4a diminue en amplitude en raison de l'absorption accrue et une diminution correspondante se constate dans la réflectivité , tandis que la hauteur de l'impulsion 5a reste essentiellement constante.
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Si la tension de polarisation sur la cellule plotaéleatr3, que 6 varie ou si l'intensité de la source 2 change, les hauteurs d'impulsions changeraient* en même temps.Mais reste- raient dans le même rapporta Ceci résulte avec évidence de la figure 4 qui montre comment le courant de lacellule photo électrique varie avec la longueur d'onde lorsque le rayonne.. ment infra-roug& est réfléchi, par le papier, Le courant de la cellule photoélectrique est porté en ordonnées et la longueur d'onde est portée en abscisses* La courbe en traits pleins 11 représente la sortie de courant pour un niveau d'intensité
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Sur presque tout le spectre, on voit que la sortie de courent est uniforme.
Aux environs de 1,94 micron ,cependant, il y a une absorption accrue par l'eau du papier, en sorte que la ré- flectivité et, par suite, le courant de sortie tombent brus- quement. La profondeur de la pointe inverse pour la bande d'absorption de 1,94 micron dépend de la quantité d'eau pré- sente dans la matière. La ligne en pointillés 12 montre com- ment le courant de sortie provenant de la cellule photoélec- trique 6 peut tomber par exemple lorsque l'intensité de la source tomba.
Bien que la courbe 12 soit à un niveau différent de celui de la courbe 11, il y a encore essentiellement le même changement relatif de la sortie de la cellule photoélectri- que à 1,94 micron en comparaison de la longueur d'onde de référence de 1,63 micron .
Ceci signifie qu'il reste un même rappel d'amplitudes de pointe des impulsifs 4a et 5a à la figure 5 si la quantité d'eau présente reste constante. On voit que l'amplitude des impulsions 4a , qui dépend de la ré- flestivité du rayonnement de 1,94 micron varie avec le chan- gement de la teneur en eau du papier et avec d'autres facteurs tandis que l'amplitude des impulsions alternantes 5a dépend de la réflectivité à la 1 ongueur d'onde de référence d e 1,63 micron et varie seulement avec d'autres facteurs.
Par suite,, l'effet de changements de la teneur en eau peut ttre déterminé,
La longueur d'onde alternante montrée à la figure 5 est passée de la cellule photoélectrique 6 au pré-ampliticateur 10 qui filtre aussi ou égalise l'onde dans une certaine me- sure. Le signal de sortie provenant du pré-amplificateur 10 est fourni à un amplificateur 13 accordé, très stable, à gain variable. L'amplificateur 13 compense électroniquementles varia- bles tels que l'intensité de la source 2, la tension de pola- risation sur la cellule photoélectrique 6, et la tension de la ligne en émettant un signal qui a une valeur moyenne constat
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.de 30 volts dans le cas présent.
Ce procédé maintient des différences constantes entre les amplitudes de pointe des Impulsions 4a et 5a de la figure 5 dans un rapport constant d'amplitudes. Des niveaux d'entrée de 0,2 à 10 volts sont reçus par l'amplificateur 13. L'amplificateur 13 à gain varia- ble est commandé par un circuit de réaction qui reprend une partie du signal de sortie , le redressa en 14 et l'amplifie en 15.
' La sortie de l'amplificateur 13 à gain variable est passée à un amplificateur accordé 16 où la composante de fré- quence d'airé.,qui est la fréquence de changement à 10 cycles par seconde du filtre/est amplifiée , se traduisant par la forme d'onde que l'on voit à la figure 6. Les coordonnées sont les mêmes qu'à la figure 5. La forme d'onde de la figure 6 est passée au démodulateur 19 en même temps qu'un signal de référence est déduit d'un autre dispositif photosensible t el que la cellule photoélectrique 18 que l'on voit à la figure 1.
La cellule photoélectrique 18 engendre des impulsions d'onde carrée à une fréquence de 10 cycles. La forme des impulsions de référence et leur rapport avec les impulsions 4b et 5b se voient aussi à la figure 6 sous forme de la courbe 17.
Pendant l'intervalle de temps de zéro à t, le démodulateur 19 intègre l'aire de l'impulsion 4b. Pendant l'intervalle de temps qui s'écoule de t à 2t, le démodulateur intègre l'aire de l'impulsion 5b. Pour réaliser ce qui précède, la forme d'onde de la figure 6 est passée à la grille d'un tube à vide triode non montré , dont la résistance de plaque et la résistance de cathode sont de valeurs égales. La tension sur la résistance de plaque est déphasée de 180 par rapport à la tension sur la résistance de cathode.
Le signal de référence 17, voir figure 6, est utilisé pour actionner un relais ,non montré, qui commute
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alternativement la tension apparaissant sur la résistance de plaque et sur la résistance de cathode , dana un réseau de filtration qui donne une valeur moyenne de l'aire des deux composantes 4b plus la valeur négative de 5b. Un courant continu de sortie cet obtenu , que l'on calibre pour indiquer le pourcentage d'humidité du. papier. te signal de synchronisation en onde carrée fourni au démodulateur 19 par le conducteur 20 peut Être déduit de plu- sieurs façons différentes.
Dans le cas présent , la cellule pho- toélectrique 18 est utilisée. A la figure 1, la cellule photo- électrique 18 est située de façon à intercepter la lumière va* nant de la source 2 à travers une fente sensiblement semi- Circulaire 21 d'un disque 22 qui tourne en même temps que les filtres 4 et 5. La disposition relative de la fente 21 et des filtre 4 et 5 se voit le mieux à la figure 3 qui montre une vue en plan du disque 22. Pendant un demi-tour du disque 22, soit en X, la cellule photoélectrique 18 est éclairée à travers la fente 21.
Ceci peut correspondre à la période comprise entre les ordonnées zéro et t ,le long de l'axe ides t à la figure 6.
En même temps, le filtre 4 peut être trans@@tteur. Pendant le prochain demi tour, le faisceau lumineux venant de la source 2 pour passer à la cellule photoélectrique 18 peut ttre coupé par la partie non perforée du disque 22 et, à ce moment, le filtre 5 transmet.
Le disque 22 est concentrique à une roue 23 sur la- quelle il est maintenu par des vis 24 qui traversent des fentes allongées 25. Ce mode de construction permet de régler le dis- que 22 en rotation, en sorte que la fente 21 coupe le fais- ceau précisément lorsque l'un des filtres s'écarte du fais- ceau et que l'autre y pénètre.
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La construction de la figure 3 ne donne qui= eUtlp1A du signal de synchronisation que l'on peut ""tenir da tout*
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façon convenable*
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Par exemples des trous uniques peuvent 't,...1.t"'.
A chaque extrémité de l'arc défini par la tant* 21 a rt# qu'un* court* Impulsion de lU1Ú.iJ" tombe sur la "11u1e photo- électrique 16 , 9 *ta par l'éclat ainsi développé, un. m4t±vtb - tair non montré ou un autre dispositif "-14"1...,.., ItH dé clenche pour produira 1* impulsion 6.-11..,.. Une autre oltotm- tiT8 qui n'a pas été montrêe consista à acuter qu *Ïownt parma- nout sur la roua 23 en sorte que cet .i8v Am<ht<A .. toaoïm dans une bobina fixa par voit d'induction f1ect...
Certains des détails structural* de .l'aMiail M'WMt passés er!reYUfl Maintenant ne reportant à 1-..tlpft 2 . montre la tilt. sensible du cU.1IIPOdt.:U'. Cet4.....o1 paMt aie z nue dans une enveloppe 116taU1que 26 qu1 est reprëoeatâo 9MW une li8M bris'-. Sa couftrâmt4on .........-- de c:II8Js d'un cas à ]:'autre. la tfto o*ao4Uo el ''l'(f'II1f;ft itaf M<0)'e< de lumière 2, un* lentille co1l:l8t,rioI 30 4" <!UMMia< 4 <? $# una roua 23 sur laquelle ces flltraa meut tptMOt w M' aBt bou"mnt orbital, un disque; da< adt<nMlt.iM)t.1!<tw 2ZIIt mm apmre d'intégration 7, Dam zw 4ffl 26 *lut oaonpiria iaaMMt des dispositifs photoamnslblas 6 oc 11..... |WW|iiH (Wc iWNWMt 10 et ri asaoci4a aux diîsposltîf s 6 - 18 ,JIt1"- AMAISI et aitude du. l'anwloppa 26 ai oat U désira.
La roue 2j peut <<bre rtvae A we a * 2$ *a *oc mante pour tourner dira un taoyam "1e <çui !loHii fw tt#JL oguaoKi bras 29, Le bras et 1'arbN - :s1l1t- lÀÙ8 telle f#csm <DU"Us .'b8't.r!'reDt paa aiMe la raiamnmaB M0ftp-n!?c nmmiH3tawn8&& que 'l"8,"I"88"" les fatras . 811; 5 an ? 3* wh lJ 11 mes Usa t.n8t:
r. lt dia 1a-re ..1II!t.. 1/- Za wley Z3 ai 9=1- tie eou"1t me po U* da= .1w sa tfcHia uw# \uMt) retmuàm
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périphérique 30 pour une courroie ronde 31 au' entraîne aussi uhe poulie d'entraînement 32 qui est commandée par un moteur Dans ce cas, la vitesse du moteur est choisie de telle sorte que les filtres 4 et 5 tournent à 600 tours par minute. Les spécialistes comprendront que la vitesse de rotation dépend des'paramètres choisis pour le fonctionnement des autres élé- ments électroniques du système.
Par commodité, le dispositif photosensible 6 a été considéré comme une cellule photoélectrique au sulfure de plomb, mais il peut avoir d'autres formas telles que celles d'un bole- mètre, d'une cellule photovoltaique ou d'un autre photo- conducteur ou de tout autre dispositif dont le signal de or- tie varie en correspondance avec l'intensité du rayonnement infra-rouge qui tombe sur la substance sensible.
On peut utiliser plus d'un dispositif photosensible tel que 6 ,si on lesmet en parallèle. Il y a avantage A cela lorsque l'on utilise des photoconducteurs parée que le rapport de signal à bruit est plus grand pour des couches de plus gravi. de étendue , en sorte que l'effet du bruis* se trouve réduit* Tout dispositif photosensible utilisé dont avoir son élément sensible placé dans une position coïncidât avec la surface intérieure de la sphère d'intégration 7 en sorte que le rayon- nement qu'il reçoit soit augmenté et coïncide avec celui qui tombe sur les autres parties de l'intériour de la sphère.
La sphère d'intégration 7 peut litre une coque, Minet d'aluminium passé au tour dont: la surface intérieure est rendue rugueuse par un souffle, de limaille pour diffuser tout rayonnement reçu par son intérieur et? le réfléchir dans tous les sens un grand nombre de fois. La fenêtre d'antrée 8 recevant le faisceau parallèle de rayonnement infra-rouga à partir des filtres 4 et 5 peut être d'une substance que nonque transmettant le rayonnement/ infra-rouge telle que le verre
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ou une pellicule mince de polyéthylène.
L'objet poursuivi dans tous les cas est de diminuer l'atténuation du faisceau lors- qu'il passe par une fenêtre de sorti* semblable 9 pour le rayonnement primaire* La fenêtre d'entrée 8, dans une forme de réalisation pratique, avait un diamètre de 18 mm et la fenêtre de sortie 9 avait un diamètre de 38 mm dans une sphère 7, d'intégration,d'un diamètre intérieur de 16 cm.
La fenêtre 9 constitue aussi une entrée pour le rayonne ment réfléchi de façon diffuse à la surface du papier 1 qui peut se déplacer à une vitesse allant jusqu'à 800 mètres par minute. On remarquera que le plan du papier 1 peut être légè- rement incliné par rapport au faisceau incident en sorte que l'on supprime la possibilité que des rayons réfléchis direc- tement , venant de la surface généralement plane du papier 1, soient renvoyés le long de leur parcours originel à travers la fenêtre d'entrée 8.
En d'autres termes, la plus grande partie du rayonnement total réfléchi à la surface du papier 1 tombe d'abord sur une région à l'intérieur de la sphère 7 qui ne comprend pas la région embrassée par la fenêtre 8 et tous les rayons réfléchis directement auront un angle de réflexion fai- sant qu'ils tombent près de la fenêtre d'entrée 8. Ceci contri- bue à donner des signaux de sortie maximum. Pour les filtres à interférence 4 et 5 . passe-bandes, à caractère étroit, on peut utiliser d'autres dispositifs monochromants , tels que des réseaux optiques, des prismes, des fentes ou des réflec- leurs monochromatiques.
Le signal de sortie provenant du sys- tème peut être amené à n'importe quel dispositif d'enregis- trement ou de commande ou peut être simplement observé aur un appareil tel que 34.
La construction et les principes de fonctionnement de l'appareil ont été décrits principalement en ce qui converne
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la détermination de la teneur d'un papier en fluide. Ceci a été choisi comme exemple convenable parce que l'invention a beau- coup d'usages, La détermination de la teneur en un fluide tel que l'eau dans des matières organiques ou cellulosiques en est un autre. En mesurant Item dans des matériaux textiles coton- neux, par exemple, on a obtenu de bons résultats avec l'appa- reil indiqué en utilisant le rayonnement infra-rouge de 1,94 Micron , comme rayonnement affecté par les variations de la teneur en eauen utilisant le rayonnement infra-rouge de 1,63 micron comme rayonnement de référerite.
Naturellement, d'autres paires de bandes spectrales mentionnées précédemment peuvent également être utilisées lorsque l'on désire mesurer l'eau et, en tous les cas, lorsque diverses substances doivent être mesurées dans diverses matières , les spécialistes choisiront la combinaison convenable de bandée spectrales convenant à la substance et à la matière.
Bien que les principes de l'invention aient été décrits en association avec un appareil particulier et un circuit spécial, et que l'on ait décrit des emplois spécifiques de l'invention, on comprendra que cette description n'a d'autre but que de faire connaître l'invention et non de la limiter, puisqu'on peut la réaliser sous des formes diverses et l'uti- liser pour la mesure de Substances différentes dans des matiè- res différentes.
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