CH667528A5

CH667528A5 - Verfahren zum bestimmen der dicke von transparenten lackschichten und vorrichtung zu dessen ausfuehrung.

Info

Publication number: CH667528A5
Application number: CH1171/85A
Authority: CH
Inventors: Erich Dr Hoefling; Zdenek Maly
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1985-03-15
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1988-10-14
Also published as: GB2172397A; GB8605424D0; DE3605436A1; GB2172397B; US4703187A

Description

BESCHREIBUNG

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:

Id = Io-e-k'c's

Dabei bedeuten Id die aus der transparenten Schicht austretende Lichtenergie, Io 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 Id/Io der Lichtenergie, des Durchlassungsvermögens D, beträgt also -k - c*s.

Beim Auftrag einer homogenen transparenten Schicht lässt eine Veränderung des Durchlassungsvermögens direkt auf eine Änderung der Schichtdicke schliessen, weil nicht nur der Extinktionskoeffizient k, sondern auch die Konzentration c konstant bleiben.

Bei der bestehenden Praxis der Folien- bzw. Dünnbandbe-schichtung 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

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

667528

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 erfindungs-gemäss 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.

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 Ulbrichtsche 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 Öffnung der Lochblende erzeugt. Die den Messfleck bildenden fokussierten Lichtstrahlen werden nach teilweiser Absorption in der transparenten Schicht vorerst mehr oder weniger fokussiert in die Ulbrichtsche Kugel reflektiert und dort vielfach weiterreflektiert. Dadurch wird die Ulbrichtsche Kugel gleichmässig ausgeleuchtet, wodurch der gewünschte integra-tionseffekt erzielt wird. Ausserhalb des Wirkungsbereichs der von der Folie bzw. dem Dünnband direkt reflektierten Strahlen sind Schmalbandfilter üblicher Bauart angebracht, die zur Erhöhung 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 Ulbrichtschen Kugel geleitet.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsge-mäss 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 Ulbrichtsche Kugel,

- eine mit ihrer Mantelfläche tangential oder sehr wenig ausserhalb der Tangentialebene an die Ulbrichtsche Kugel angeordnete Umlenkwalze im Bereich der Austrittsöffnung, über welche die Folie bzw. das Dünnband mit der zu mes^ senden Schicht der Ulbrichtschen Kugel zugekehrt läuft und somit eine für die Messung geeignete reproduzierbare Lage einnimmt,

- eine die Austrittsöffnung in der Ulbrichtschen Kugel gegen von aussen einfallendes Fremdlicht abschirmende, in geringem Abstand von der Umlenkwalze angeordnete Lichtfalle,

- mindestens einen Schmalbandfilter auf der Kugelinnenfläche, ausserhalb des Bereichs der direkten Reflektion von Strahlen von der Folie bzw. dem Dünnband, und

- einen hinter dem Schmalbandfilter angeordneten 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 Ulbrichtschen Kugel ist zweckmässig matt vergoldet oder mit einer anderen, im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 4 Jim diffus reflektierenden Schicht versehen. Der Schmalbandfilter ist zweckmässig ein Interferenzfilter mit einem Spektralbereich um etwa 3,3 [xm.

Das sichtbare Licht zur Messung von eingefärbten Klarlacken dagegen wird zweckmässig mit einer Jod-Quarzlampe erzeugt und die fokussierten Strahlen durch eine Ulbrichtsche 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 erfindungsgemässen 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 fokus-sierenden 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 fokussie-renden 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 Ulbrichtsche 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 Ulbrichtsche Kugel 22 über den Kugelmittelpunkt und verlassen sie schliesslich durch die Austrittsöffnung 24. Der Kondensor 12 und das Objektiv 16, beides optische Linsen,

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

667 528

4

bestehen für sichtbares Licht aus optischem Glas,für Infrarotstrahlung beispielsweise aus Kochsalz oder Germanium.

Im Bereich der Austrittsöffnung 24 ist eine Umlenkwalze 26 in bezug auf die Ulbrichtsche Kugel 22 tangential angeordnet. Über 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 Öffnung der Lochblende 14 abgebildet wird und einen Messfleck mit 1 -2 cm Durchmesser bildet. Die Austrittsöffnung 24 ist etwas grösser 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 Umlenkwalze 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 Ulbrichtschen 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 Grösse des Messflecks.

Die Ausleuchtung der Ulbrichtschen Kugel 22 durch diffuses Licht ist umso grösser, je kleiner der Durchmesser der Umlenkwalze 26, je grösser 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 lau-5 fenden 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 io Filters ist, desto grösser 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 15 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 Phototransi-20 stören 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 obenstehend erläuterten Lambert-Beerschen Gesetzes.

Obwohl in der Praxis bevorzugte Messwerte mit einem 30 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.

35

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

667 528 PATENTANSPRÜCHE

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 Messerte 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 (22) zu einer Austrittsöffnung (24) in der Kugeloberfläche geleitet, auf der in diesem Bereich zylindrisch gekrümmt angeordneten Folien- bzw. Dünnbandoberfläche eine als Messfleck dienende Abbildung einer Öffnung der Lochblende (14) erzeugen, vom Messfleck unter Bildung der direkten Reflektion (18) auf die Innenfläche der Ulbrichtschen 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 Ulbrichtschen 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 Folie bzw. das Dünnband (34) mit der zu messenden Schicht der Ulbrichtschen Kugel (22) zugekehrt läuft und somit eine für die Messung geeignete reproduzierbare Lage einnimmt,

- eine die Austrittsöffnung (24) in der Ulbrichtschen Kugel (22) gegen von aussen einfallendes Fremdlicht 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) angeordneten 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 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 Ulbrichtschen Kugel (22) geführten fokussie-renden Strahlen (18) liegt.