CH423274A - Verfahren und Vorrichtung zum automatischen und kontinuierlichen Messen von Schichtdicken - Google Patents

Description

  



  Verfahren und Vorrichtung zum automatischen und kontinuierlichen Messen von Schichtdicken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen und kontinuierlichen Messen (der Dicke einer auf einer fortlaufend bewegten, nicht textilen Trägerbahn befindlichen Schicht mit Hilfe eines Lichtstrahles, dessen Spektrum im Spektralbereich vom   Ultrarot    bis Ultraviolett liegt, wobei die   Spek-      tralverteilung    im Lichtstrahl so gewählt wird, dass er einen im   Absorptionsgebiet der Schicht liegenden    Spektralteilbereich und einen anderen, im   wesent-    lichen ausserhalb dieses Absorptionsgebiets   liegen-    den   Spektralteilbereich    enthält und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.



   Für optische messungen von Schichten im La  boratoriumsmassstab stehan eine    Reihe von optischen Messverfahren und Messgeräten zur Verfügung, mit Hilfe derer im Auf- und Durchlicht die Menge der Schichtbestandteile oder ideren Abweichung von einer    gefonderten oder Sgewünschten Grösse-dem soge-      nannten      Sollwert-gemessen    werden kann. Die ge  nannten    Schichten sind in der Technik praktisch immer auf Papieren, Folien oder anderen   flächen-    artigen, bandförmigen materialien aufgebracht.



   Messgeräte dieser Art können. im allgemeinen nicht ohne grossen Aufwand an laufenden Maschinen oder in   Produktionsräumen    installiert werden, da die Messgenauigkeit hierbei erhebliche Abweichungen infolge von Erschütterungen und Temperatureinflüssen   erleadat. Da    jedoch für betrieblcihe Zwecke in vielen Fällen eine laufende Kontrolle an den Maschinen selbst stattfinden muss, die eine meist sehr dünne Beschichtung auf eine Trägerbahn kontinuierlich und automatisch auftragen, war es die Aufgabe der Erfindung, ein mit hoher Genauigkeit, automatisch uns kontinuierlich unter den   genannten schwierigen Be-    dingungen arbeitenden Messgerät zu schaffen.



   Das   erfiadungsgemässe    Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man zur messung der Dicke einer schicht, die sich auf einer lichtdurchläswsigen Unterlage befindet, einen Lichtstrahl, der beide genannte Spektralteilbereiche umfasst, gegen die Schicht schickt und erst danach die spektrale   Zerlegung nes    Strahls vornimmt.



   Die Vorrichtung zur Ausführung des genanntem Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die   Füh-    rung für die zu untersuchende Trägerbahn zwischen einer Lichtquelle und zwei lichtelektrischen Zellen angeordnet ist.



   Durch die Erfindung wird es in vorteilhafter Weise möglich, auch unter schwirerigen betrieblichen Bedingungen, bei Erschütterung des Standortes und bei Temperaturschwankungen, unter weitgehender Wartungslosigkeit eine   kontinuierliche, genaue Mes-      sung    der jeweils   aufgestochenen    Schichtmengen, z. B. an   Beschichtungsmaschmen,    vorzunehmen. Hierbei kann zwischen dem Messgerät und der zu prüfenden Materialbahn ein genügender Raum freigehalten werden, um dem Bedienungspersonal das ungehinderte Hantieren, z. B. das Einziehen neuer Bahnen, zu ermöglichen. In vorteilhafter Weise beeinflussen die unvermeidlichen Dickeschwankungen des Trägermaterials, z. B. des Papiers oder der Folie, in keiner Weise die Messgenauigkeit hinsichtlich der Beschich0  tung.   



   Darüber hinaus kann die erfindungsgemässe Vorrichtung ohne roteierende oder bewegliche Teile aufgebaut werden, womit eine erhöhte   Betriebssicher-    heit und eine geringe Störanfälligkeit erreicht wird.



  Ausserdem ist das Gerät klein dimensioniert, so dass es praktisch an jeder für die Messung wichtigen Stelle angebracht werden kann, ohne den Arbeitsablauf zu stören.



   Besonders hervorzuheben ist die   Betriebszuver-       lässigkeit der erfindungsgemässen Vormehtung, tdie    über sehr lange Zeit, auch ohne Anwendung von   Spannungskonstanthaltem oder Nachjustisrung    rich  tige Messwerte anzeigt.   



   Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung werden im folgenden an Hand von. schematischen Zeichnungen rein beispielsweise näher   erläu-    tert.



   Die Vorrichtung, arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kompensation, indem die Intensität einer von dem zu untersuchenden Material sehr schwach absorbierten Strahlung mit einer solchen verglichen wird, die infolge der zu überwachenden Färbung spezifisch stärker, absorbiert wird. Der mögliche   Wel-    lenlängenbereich dieser Strahlung soll nicht nur das sichtbare, sondern auch das ultraviolette und infrarote Licht umfassen. Bei   ! der Auflichtanondnung kann    die Messstelle ausserdem mit   einem Weiss-oder Fairb-    standard hinterlegt werden, dessen Remision für die   Referenzwellenlänge mit derjenigen übsram-    stimmt, die sehr viele Lagen oder sehr dicke Stücke des   des      rüfmaterials    haben würde.



   Zur Erzeugung der Strahlung werden z. B. Gasentladungslampen benutzat, die intensive Spektrallinien mindestens in den Bereichen, die von der zu messenden Probebahn schwach absorbiert (im folgenden Wellenbereich 1 genannt) und die von dieser Probebahn spezifisch stark absorbiert (im folgenden   Wellenbereich II    genannt) werden, ausstrahlen.



   Der optische Aufbau enthält gemäss Fig. 1 einevon der zu prüfenden Probebahn   1    genügend weit entfernte, möglichst gut ausgeleuchtete - Auffangeoptik 2, die das bei   Auflichtanondnung    (Lichteinfall 3) von der Probebahn ausgehende Streulicht oder das bei   Durchlichtanordnung (Lichtemfail    4)   himduroh-    retende Licht erfasst, über eine weitere Optik 5, wie z. B. eine Sammellinse oder Hohlspiegel, auf die lichtelektrischen Zellen 6 und 7, hier Photoelemente, abgebildet wird. Im Strahlengang zwischen der   wei-    teren Optik 5   und den lichtelektcischien    Zellen 6 und 7 befindet sich eine Einrichtung zur Teilung des Lichtes, z.

   B. ein   teildurchlässiger    Spiegel 8, dessen n   Durchlassgrad    den Intensitäten den Bereiches i und des Bereiches II angepasst ist. Er kann durch einen Spiegel ersetzt werden, der nur gewisse Wellen  längenberaicbe durchlässt oder reflektiert, wie z.    B. die sogenannten   Kaltlichtspiegel,    oder durch einen Reflexionsfilter oder durch die spiegelnde Seite eines Interferenzlinien-oder Bandfilters. Vor den lichtelektrischen Zellen 6 und 7 befinden sich Farbfilter oder Specktrallinienfilter 9 bzw. 10.

   Diese Filter sind für den Übergang zu anderen   Farbmessungen    gegen andere   Filtersätze    austauschbar.   Bei Verwen-    dung der genannten, nur   gewisse Wellenlängenbe-    reiche durchlassenden   und/oder    reflektierenden Spiegel bzw. Interferenzfilter kann auf eines, eventuell sogar auf beide Farbfilter vor den lichtelektrischen Zellen verzichtet wenden. Bei genügend hoher Lichintensität in den beiden Wellenlängenbereichen kann auf die beiden erwähnten optischen Systeme verzichtet werden, z. B. bei der   Durchlichtanordnung    für die Messung   niohtstreuender    Folien. Durchleuchtet man das erwähnte Material z.

   B. mit Parallellicht, so kann die beschriebene   Strahlbeilung    ohne zusätzliche Optik vor den lichtelektrischen Zellen erfolgen. In jedem Fall werden Wellenbereich I und II also erst   unmit-    Telbar vor den lichtelektrischen Zellen getrennt und stammen deshalb stets von   den    gleichen Stellen der Probebahn.



   Die beiden lichtelektrischen Zellen 6 und 7   be-    finden sich eng beieinender in einem thermisch, isolierten Gehäuse 11, das bei Bedarf zusätzlich gekühlt oder auf einer festen Temperatur gehalten werden kann. Sie sind nach bekannten elektrischen Methoden   (im    folgenden  Vergeichsschaltung  ge  nannt) so. gegeneinander geschaltet, dass nur    ihr Differenzstrom, die Differenzspannung oder das Verhältnis ihrer Ströme oder Spannungen aus dem erwähnten thermisch isolierten Gehäuse 11 herausgeführt wird. In Fig. 2 ist als Beispiel eine besonders einfache Schaltung für diese Photoelemente 6 und 7 angegeben. Beim gewünschten Beschichtungssollwert ist der Differenzstrom oder die Differenzspannung Null bzw. das Verhältnis der Ströme oder Spannungen Eins.

   Diese Ströme oder Spannungen werden bei   A    nach geeigneter Verstärkung an eine Anzeigevorrichtung, z. B. einen Streifenschreiber, gegeben oder über eine entsprechende Regeleinrichtung zur Steuerung der Produktion verwendet.



   Die   Be-bzw.      Durchleuchtung der Probebahn    kann nach bekannten optischen Verfahren mit Hilfie von Linsen, Spiegeln, Blenden usw. erfolgen, wobei lediglich   ! dar, auf zu achten    ist, dass ein genügender Arbeitsabstand zwischen Beleuchtungsteil und Probebahn eingehalten wird, Die Sollerteinstellung der Vergleichsschaltung wird elektrisch mit bekannten Massnahmen, z. B. einer Potentiometerschaltung, durch Reduzieren des einen, stärkeren Photostromes s bzw. der höheren   Photospannung    vorgenommen.



   Vorteile bietet auch eine rein optische   Kom-    pensation, z. B. durch drehbare Paare von Polari  sationsfiltern vor dsn photoelektrischen    Zellen. Eine andere. im Rahmen der Erfindung liegende Methode benutzt einen Farbfilter, der   so,    ausgewählt ist, dass er das Licht eines Wellenlängenbereiches-z. B. Bereich   II-sehr gut    durchlässt, während er das Licht der anderen Wellenlänge zurückhält. Er wird vor einer stets gleichartig ausgeleuchteten Blende so im Strahlengeng angebracht, dass er die Blendenöffnung in messbarer Weise mehr oder weniger bedeckt. Die Formen von Blende und Filter können beliebig aus , gewählt sein und müssen nur einen fein abgestuften Abgleich ermöglichen.

   Die beschriebene   Messblende    (Fig. 3) kann sowohl im Beleuchtungs- als auch im eingentilichen Messteil angebracht sein, aber stets   50,    dass das teilweise Abdecken der Blendenöffnung 12 die gleichmässige Ausleuchtung beider   photoelektri-    scher Zellen nicht stört. Auf der Messseite ist   z.    B. die Wertere abbildende Optik ein geeigneter Ort, wenn man für deren gleichmässige Ausleuchtung sorgt.



  Die   Sollwerteinstellung    des Gerätes geht im Betrieb so vor sich, dass der Filter 13 auf einen durch eine unabhängige Eichung festgelegten Wert in den Strahlengang gebracht wind, während der zweite Filter 14 den Strahlengang völlig freigibt.   



   Da diese Zweifilteranordnung durch gleichzeiti-    ges Anwenden beider Filter die Möglichkeit gibt, jedes gewünschte Intensitätsverhältnis zwischen licht des Bereiches   1    und   II    einzustellen, kann man nach vorheriger Eichung beliebige   Absoluteinstellungen    direkt an der Maschine vornehmen. Dazu wird bei der Auflichtandordnung unmittelbar über der Bahn des Prüfmaterials ein Weilss- oder   Farbstandard, gegen    den vorher geeicht wurde, angebracht. Bei Durchlichtmessung wird dagegen ohne Prüfmaterial gegen Luft oder ein Farbfilter eingestellt.



   Eine Steigerung der langzeitlichen Konstanz des   Nullwertes    des Gerätes wird dadurch erreicht, dass der von der erwähnten   elektrischen Vergleichsschjal-    tung abgegebene Strom oder die Spannung eventuell nach entsprechender Verstärkung dazu benutzt wird,    die oben beschriebenen optischen Abgleicheinmch-      tungen    automatisch in bekannter Weise so nachzuregeln, dass die Bestrahlungsstärken    bzw. deren Ver-      hältnis    der   lichtelektr, ischen    Zellen stets gleich   blei-    ben. Die   Verstellung der Kompensationsoinmohtung    kann dann über einen z.

   B. elektrischen Geber an ne geeignete Mess-und   Registriereinrichtung oder    an   eine Steuereinrichtung für die Maschine weiter-    gegeben werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum automatischen und kontinu ierlichen Messen der Dicke einer auf einer fortlaufend bewegten, nicht textilen Trägerbahn befindlichen Schicht mit Hilfe eines Lichtstrahles, dessen Spektrum im Spektralbereich vom Ultrarot bis Ultraviolett liegt, wobei die Spektraverteilung im Lichtstrahl so gewählt wird, dass er einen im Absorptionsgebiet der Schicht liegenden Spektralteinbereich und einen anderen, im wesentlichen ausserhalb dieses Absorptionsgebiets leigenden Spektraleilbereich enthält, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Messung der Dicke einer Schicht, die sich auf einer lichtdurch lässigen Unterlage befindet, einen Lichtstrahl, der beide genannte Spektralteilbereiche umfasst,

   gegen die Schicht schickt und erst danach die spektrale Zerlegung des Strahls vornimmt.

   II. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach. Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung für die zu untersuchende Trägerbahn zwischen einer Lichtquelle und zwei lichtelektrischen Zellen angeordnet ist, dass ein Anzeigeinstrument zur sichtbaren Anzeige der Differenz der gebildeten Photoströme vorgesehen ist und dass Mittel zur Zer- legung des von der Lichtquelle ausgesandten Licht- strahls in zwei Wellenbereiche zwischen der Führung für die Trägerbahn und den lichtelektrischen Zellen angeordnet, ist.

   UNTERANSPRUCH Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auffang-und Sammeloptik für die Strahlung vorgesehen ist, wobei die zu messende Schicht sich zwischen Optik und Strahlungs- quelle befindet.