DE3605436A1 - Verfahren zum bestimmen der dicke von transparenten lackschichten und vorrichtung zu dessen ausfuehrung - Google Patents
Verfahren zum bestimmen der dicke von transparenten lackschichten und vorrichtung zu dessen ausfuehrungInfo
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Description
SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, 3965 Chippis
Verfahren zum Bestimmen der Dicke von transparenten Lackschichten und Vorrichtung zu dessen Ausführung
15.3.1985
AMD-FPRS-HBr/Im -1687-
Verfahren zum Bestimmen der Dicke von transparenten
Lackschichten und Vorrichtung zu dessen Ausführung
Lackschichten und Vorrichtung zu dessen Ausführung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke von transparenten oder transparent eingefärbten
Lackschichten auf walzblanken, metallischen Folien bzw. Dünnbändern, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen,
wobei das optische Durchlassungsvermögen der Schicht bestimmt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Die industriellen Folien- bzw. Dünnbandhersteller sind darauf angewiesen, dass die Lacke stets in gleicher Dicke
aufgetragen werden; insbesondere beim Auftrag von transparent eingefärbten Lacken ist ein objektiver Farbvergleich
notwendig. Mit Hilfe der sogenannten Farbenmetrik werden die Farben in zahlen ausgedrückt.
Es ist bekannt, dass die Dicke von transparenten Schichten gemessen werden kann, indem die Absorption von infrarotem
oder sichtbarem Licht in einem schmalen Spektralbereich gemessen wird. Dazu wird das aus der klassischen Physik bekannte
Lambert-Beersche Gesetz angewandt:
I0= I0 · e~k'c#s
Dabei bedeuten I0 die aus der transparenten Schicht austretende
Lichtenergie, I0 die eingestrahlte Lichtenergie, k der molare Extinktionskoeffizient, c die Konzentration des
transparenten Farbstoffs und s die Schichtdicke des transparenten homogenen Mediums.
Der natürliche Logarithmus des von der transparenten Schicht durchgelassenen Anteils Iq/Io °^er Lichtenergie,
des Durchlassungsvermögens D, beträgt also -k*c«s.
Beim Auftrag einer homogenen transparenten Schicht lässt eine Veränderung des Durchlassungsvermögens direkt auf eine
Aenderung der Schichtdicke schliessen, weil nicht nur der Extinktionskoeffizient k, sondern auch die Konzentration c
konstant bleiben.
Bei' der bestehenden Praxis der Folien- bzw. Dünnbandbeschichtung
wird der Lackauftrag entweder gravimetrisch (bei Klarlacken) oder der Farbton visuell bzw. mit Farbmessgerät
(bei eingefärbten Klarlacken) an Proben vom Anfang und Ende einer Rolle kontrolliert. Etwaige Veränderungen des Lackauftrages
und damit eventuell des Farbtons, die während der Beschichtung einer Folienrolle, die mehrere 1000 Laufmeter
aufweist, auftreten, können somit erst am Ende festgestellt werden. Dies führt zu erheblichen Verlusten an Material und
Arbeit.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem/der an laufenden
Folien bzw. Dünnbändern, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die Dicke oder der Farbton der aufgetragenen
transparenten oder transparent eingefärbten Lackschichten kontinuierlich, berührungslos und mit hoher Präzision
gemessen werden können, wobei etwaige Veränderungen unmittelbar nach dem Auftreten signalisiert oder automatisch
korrigiert werden.
In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsge-
mäss. dadurch gelöst, dass die Schwächung von eingestrahltem,
auf der gewölbt angeordneten metallischen Oberfläche reflektiertem Licht im infraroten bis sichtbaren Bereich
beim Durchgang durch die Lackschichten gemessen wird.
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Die Messungen werden bevorzugt an der laufenden Folie bzw.
am laufenden Dünnband durchgeführt.
Vorzugsweise werden die ermittelten Messwerte mit denjenigen
einer Eichkurve oder mit einem Sollwert verglichen. Abweichungen werden manuell oder vollautomatisch durch Erhöhung
oder Senkung des Lackauftrags korrigiert.
In der industriellen Praxis hat sich folgende Durchführung
des erfindungsgemässen Verfahrens bewährt:
Durch eine Lochblende geführte und fokussierte Lichtstrahlen aus einer in bezug auf die Intensität stabilisierten
Lichtquelle werden durch eine ülbrichtsche Kugel zu einer Austrittsöffnung in der Kugeloberfläche geleitet. Auf der
im Bereich dieser Austrittsöffnung zylindrisch gekrümmt angeordneten Folien- bzw. Dünnbandoberfläche wird eine als
Messfleck dienende Abbildung der Oeffnung der Lochblende erzeugt. Die den Messfleck bildenden fokussierten Lichtstrahlen
werden nach teilweiser Absorption in der transparenten Schicht vorerst mehr oder weniger fokussiert in die
ülbrichtsche Kugel reflektiert und dort vielfach weiterreflektiert.
Dadurch wird die ülbrichtsche Kugel gleichmässig ausgeleuchtet, wodurch der gewünschte Integrationseffekt
erzielt wird. Ausserhalb des Wirkungsbereichs der von der Folie bzw. dem Dünnband direkt reflektierten Strahlen sind
Schmalbandfilter üblicher Bauart angebracht, die zur Erhö-
-Λ -
hung der Empfindlichkeit einen schmalen, für den jeweiligen Fall geeigneten Spektralbereich des dort auftreffenden diffusen
Lichts durchtreten lassen. Ein Auswertungsgerät mit einer oder mehreren Photodioden und Verstärker/n führt/führen
die Signale zu einem Rechner. Dieser vergleicht die Signale mit einem vorgegebenen Eichwert, berechnet Abweichungen
und zeichnet diese auf einem Bildschirm und ggf. einem Massenspeicher auf. Die ausgewerteten Signale können
zur automatischen Prozesssteuerung, d.h. zur Regulierung des Lackauftrages, verwendet werden.
Die fokussierten Strahlen werden vorzugsweise durch den Bereich des Zentrums der ülbrichtschen Kugel geleitet.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss gelöst durch
- eine in bezug auf die Intensität stabilisierte Strahlungsquelle zur mindestens teilweise gerichteten Abgabe
von Licht im infraroten oder sichtbaren Bereich,
- eine optische Anordnung aus Kondensor, Lochblende und Objektiv zur Ausbildung fokussierter Strahlen,
- eine mit Eintritts- und Austrittsöffnung für die fokussierten
Strahlen versehene ülbrichtsche Kugel,
- eine mit ihrer Mantelfläche tangential oder sehr wenig ausserhalb der Tangentialebene an die Ülbrichtsche Kugel
angeordnete Umlenkwalze im Bereich der Austrittsöffnung, über welche die Folie bzw. das Dünnband mit der zu messenden
Schicht der Ulbrichtchen Kugel zugekehrt läuft und
somit eine für die Messung geeignete reproduzierbare Lage
einnimmt,
- eine die Austrittsöffnung in der ülbrichtschen Kugel gegen
von aussen einfallendes Fremdlicht abschirmende, in geringem Abstand von der Umlenkwalze angeordnete Lichtfalle,
- mindestens einen Schmalbandfilter auf der Kugelinnenfläehe,
ausserhalb des Bereichs der direkten Reflektion von Strahlen von der Folie bzw. dem Dünnband, und
- einen hinter dem Schmalbandfilter angegeordneten Detektor mit einem Verstärker.
Zur Messung der Dicke von farblosen Lackschichten wird Infrarotstrahlung
eingesetzt, die vorzugsweise mit einem Nernstschen Stift erzeugt wird. Die strahlenreflektierende
Innenschicht der Ülbrichtschen Kugel ist zweckmässig matt vergoldet oder mit einer anderen, im Wellenlängenbereich
zwischen 3 und 4 pm diffus reflektierenden Schicht versehen.
Der Schmalbandfilter ist zweckmässig ein Interferenzfilter mit einem Spektralbereich um etwa 3,3 pm.
Das sichtbare Licht zur Messung von eingefärbten Klarlacken dagegen wird zweckmässig mit einer Jod-Quarzlampe erzeugt
und die fokussierten Strahlen durch eine ülbrichtsche Kugel geleitet, welche innen eine weisse Beschichtung, z.B. aus
Bariumsulfat oder Magnesiumoxid, aufweist. Bei sichtbarem Licht ist der Schmalbandfilter bevorzugt ein Interferenzfilter,
dessen Durchlässigkeitsbereich je nach dem Spektralverlauf des Farbtons gewählt wird.
Der Schmalbandfilter der erfindungsgemassen Vorrichtung
darf nie direkt von der Folie bzw. dem Dünnband reflektierte Strahlen erfassen, sondern stets nur die integrierte,
von der beschichteten Innenfläche der Ulbrichtschen Kugel reflektierte Strahlung. Der/die Schmalbandfilter wird/werden
bevorzugt auf dem Schnittkreis angeordnet, der an der Oberfläche der ulbrichtschen Kugel durch eine Ebene erzeugt
wird, welche durch die Achse der Umlenkwalze und die Strahlungsquelle bestimmt ist. Da die Achse der Umlenkwalze und
die durch die Ulbrichtsche Kugel geführten fokussierenden Strahlen einen rechten Winkel bilden, treffen auf dem erwähnten
Schnittkreis keine reflektierten Strahlen auf. Die Filter werden vorzugsweise in einem Winkel von 90° zur optischen
Achse der Ulbrichtschen Kugel angeordnet.
Insbesondere beim Einsatz eines einzigen Schmalbandfilters ist dessen bevorzugter Standort der Schnittpunkt des oben
erwähnten Schnittkreises mit der mittelsenkrechten Ebene der durch die Ulbrichtsche Kugel geführten fokussierenden
Strahlen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke
von transparenten oder transparent eingefärbten Lackschichten wird in der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
- Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht, und
- Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht von Fig. 1.
Die Strahlungsquelle 10 besteht aus einer Jod-Quarzlampe,
sendet also sichtbares Licht aus, welches von einem Kondensor 12 parallel gerichtet wird. Das nunmehr parallel gerichtete
Licht trifft auf eine Lochblende 14. Ein Objektiv 16 erzeugt die fokussierten Strahlen 18, welche durch eine
Eintrittsöffnung 20 in eine ülbrichtsche Kugel 22 treten. Diese hat beispielsweise einen Durchmesser von 10-20 cm und
eine der Strahlungsart entsprechende beschichtete Innenfläche. Die fokussierten Strahlen 18 durchgreifen die ülbrichtsche
Kugel 22 über den Kugelmittelpunkt und verlassen sie schliesslich durch die Austrittsoffnung 24. Der Kondensor.
12 und das Objektiv 16, beides optische Linsen, bestehen für sichtbares Licht aus optischem Glas, für Infrarotstrahlung beispielsweise aus Kochsalz oder Germanium.
Im Bereich der Austrittsoffnung 24 ist eine Umlenkwalze 26
in bezug auf die ülbrichtsche Kugel 22 tangential angeordnet. Ueber diese Umlenkwalze 26, welche einen in der Folienveredelung
üblichen Durchmesser von 50-150 mm hat, wird die Folie bzw. das Dünnband 34 mit der zu messenden transparenten
Lackschicht geleitet.
Das Objektiv 16 ist so gestaltet und angeordnet, dass auf der/dem laufenden Folie/Dünnband 34 die Oeffnung der Lochblende
14 abgebildet wird und einen Messfleck mit 1-2 cm Durchmesser bildet. Die Austrittsoffnung 24 ist etwas grosser
als der Messfleck.
Die fokussierten Strahlen 18 werden vom transparenten Lack mit geringer Schwächung des Lichts durchgelassen, auf der
blanken Metalloberfläche praktisch vollständig reflektiert und wiederum vom transparenten Lack mit Verlust durchgelassen.
Die zylinderförmig gekrümmte Oberfläche der Umlenkwal-
-sr- /3-
ze 26 und damit der Folie bzw. des Dünnbands 34 bewirkt, dass die Reflektion der fokussierten Lichtstrahlen 18 weitgehend
senkrecht zur Achse der Umlenkwalze 26, aber sich über einen grossen Winkelbereich auffächernd, reflektiert
werden. Die direkte Reflektion 28 geht teilweise zur Lichtquelle zurück, trifft aber grösstenteils auf die ihrerseits
reflektierende Innenfläche der ülbrichtschen Kugel 22. Dort wird die indirekte Reflektion 30 erzeugt, welche das diffuse
Licht in der Kugel bildet und diese ausleuchtet.
Die Begrenzung der direkten Reflektion 28 ist im wesentlichen abhängig vom Durchmesser der Umlenkwalze 26 und von
der Grosse des Messflecks.
Die Ausleuchtung der Ülbrichtschen Kugel 22 durch diffuses
Licht ist umso grosser, je kleiner der Durchmesser der Umlenkwalze 26, je grosser der Messfleck und je stärker die
Lichtquelle 10 ist.
Im Bereich der Austrittsöffnung 24 ist eine in bezug auf
die Umlenkwalze 26 konzentrisch angeordnete Lichtfalle 32 angeordnet, die auf der der/dem Folie/Dünnband 34 zugewandten
Seite geschwärzt ist. Der Abstand zwischen der Lichtfalle 32 und der/dem auf der Umlenkwalze 26 laufenden Folie/Dünnband
34 ist möglichst klein, jedoch berührungsfrei.
Insbesondere Fig. 2 zeigt deutlich, wie der Schmalbandfilter
36 ausserhalb des Bereichs der direkten Reflektion 28 angeordnet ist. Je schmalbandiger der Spektralbereich des
Filters ist, desto grosser ist die Empfindlichkeit der Messmethode. In der Praxis werden beispielsweise vier
Schmalbandfilter 36 pro Kugel eng benachbart angeordnet,
die zweckmässig auswechselbar sind. Die vier eingebauten Schmalbandfilter mit Zubehör sind wohl alle montiert, es
wird jedoch nur jeweils derjenige mit dem im betreffenden Fall günstigsten Wirkungsbereich eingeschaltet.
Unmittelbar hinter dem Schmalbandfilter 36 ist ein Detektor 38 angeordnet. Für sichtbares Licht ist in der Regel eine
Silizium-Photodiode angeordnet, aber auch Phototransistoren und Photowiderstände, für infrarotes Licht werden Detektoren
auf der Basis von Bleisulfid und Bleiselenid als Detektor' 38 bevorzugt.
Die im Detektor 38 erzeugten Signale werden in einem Verstärker
40 verstärkt und von dort zu einem Rechner weitergeführt. Die Auswertung der Resultate erfolgt unter Anwendung
des bbenstehend erläuterten Lambert-Beerschen Gesetzes.
Obwohl in der Praxis bevorzugt Messwerte mit einem Eichwert verglichen, d.h. auf einen Standard bezogen werden, sind
auch absolute Messungen möglich. Dazu muss jedoch vorgängig die Absorptions-Konstante der betreffenden Schicht für die
Frequenz des Schmalbandfilters empirisch eingestellt werden.
Einem bestimmten Rezept kann dann eine im voraus bekannte Reflektion zugeordnet werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum Bestimmen der Dicke von transparenten
oder transparent eingefärbten Lackschichten auf walzblanken, metallischen Folien bzw. Dünnbändern (34),
insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wobei das optische Durchlassungsvermögen (D) der
Schicht bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwächung von eingestrahltem, auf der gewölbt angeordneten metallischen Oberfläche reflektiertem Licht
im infraroten bis sichtbaren Bereich beim Durchgang durch die Lackschichten gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen an der laufenden Folie bzw. am laufenden
Dünnband (34) durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Messwerte mit denjenigen
einer Eichprobe oder mit einem Sollwert verglichen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass fokussierte Lichtstrahlen (18) aus einer in bezug auf die Intensität stabilisierten Lichtquelle
(10) durch eine Ulbrichtsche Kugel (2 2) zu einer Austrittsöffnung (24) in der Kugeloberfläche geleitet,
auf der in diesem Bereich zylindrisch gekrümmt angeordneten Folien- bzw. Dünnbandoberfläche eine als Mess-
"Zi'"
- vr-
fleck dienende Abbildung einer Oeffnung der Lochblende
(14) erzeugen, vom Messfleck unter Bildung der direkten Reflektion (18) auf die Innenfläche der ülbrichtschen
Kugel (22) auftreffen und durch weitere indirekte Reflektionen (30) ein diffuses Licht erzeugen, wobei ausserhalb
des Wirkungsbereichs der von der Folie bzw. dem Dünnband (34) direkt reflektierten Strahlen (28) mindestens
ein Schmalbandfilter (36) einen schmalen Spektralbereich
der das diffuse Licht bildenden Reflektionen (30) durchtreten lässt, und ein Auswertungsgerät
-die Intensität misst, aufzeichnet und/oder mit einem Eichwert vergleicht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierten Strahlen (18) durch den zentralen Bereich
der ülbrichtschen Kugel (22) geleitet werden.
6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
- eine in bezug auf die Intensität stabilisierte Strahlungsquelle
(10) zur mindestens teilweise gerichteten Abgabe von Licht im infraroten oder sichtbaren Bereich,
- eine optische Anordnung aus Kondensor (12), Lochblende (14) und Objektiv (16) zur Ausbildung fokussierter
Strahlen (18),
- eine mit Eintritts- (20) und Austrittsöffnung (24) für die fokussierten Strahlen (18) versehene Ulbrichtsche
Kugel (22),
- eine mit ihrer Mantelfläche tangential oder sehr wenig
ausserhalb der Tangentialebene an die Ulbrichtsche Kugel (22) angeordnete Umlenkwalze (26) im Bereich
der Austrittsöffnung (24), über welche die Fo-0 lie bzw. das Dünnband (34) mit der zu messenden
Schicht der Ulbrichtschen Kugel (22) zugekehrt lauft und somit eine für die Messung geeignete reproduzierbare
Lage einnimmt,
- eine die Austrittsöffnung (24) in der ulbrichtschen
Kugel (22) gegen von aussen einfallendes Premdlicht abschirmende, in geringem Abstand von der Umlenkwalze
(26) angeordnete Lichtfalle (32),
- mindestens einen Schmalbandfilter (36) auf der Kugelinnenfläche,
ausserhalb des Bereichs der direkten Reflektion von Strahlen (28) von der Folie bzw. dem
Dünnband (34), und
- einen hinter dem Schmalbandfilter (36) angegeordneten Detektor (38) mit einem Verstärker (40).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung von infrarotem Licht die Strahlungsquelle
(10) als Nernstscher Stift ausgebildet und die Ulbrichtsche Kugel (22) innen vorzugsweise matt vergoldet
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung von sichtbarem Licht die Strahlungsquelle
(10) eine Jod-Quartzlampe und die Ulbrichtsche Kugel (22) innen vorzugsweise mit Bariumsulfat oder
- -B- Magnesiumoxid beschichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der/die vorzugsweise auswechselbare/n
Schmalbandfilter (36) auf dem Schnittkreis, der durch die Achse der Umlenkwalze (26) und die Strahlungsquelle
(10) bestimmten Ebene und der Oberfläche der Ulbrichtschen Kugel (22) gebildet ist, angeordnet
ist/sind.
10- Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Schmalbandfilter (36) auf einem Schnittpunkt des Schnittkreises mit der mittelsenkrechten Ebene der
durch die Ulbrichtsche Kugel (22) geführten fokussierenden Strahlen (18) liegt.
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