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Verfahren und Anordnung zur automatisierten Messung des Glanzvermögens
von ebenen Oberflächen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur vereinfachten und genauen Messung des Glanzvermögens ebener Oberflächen, insbesondere
von organischen Überzügen sowie eine Anordnung zur Durchführung dieser Messungen.
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Unter "Glanzvermögen" wird die Eigenschaft eines Körpers verstanden,
unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen bei einem Betrachter den subjektiven Eindruck
"Glanz" hervorzurufen.
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Entscheidend für das Glanzvermögen ist die Beschaffenheit der für
Reflexion und Streuung wirksamen Grenzflächen. Beleuchtet man eine Oberfläche mit
einem gebündelten Lichtstrahl, so enthält das von der Fläche reflektierte und zurückgestreute
Licht Informationen über deren Eeschafferheit.
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Geräte, die die Intensitätsverteiiung des rückgestreuten und reflektierten
Lichtes über einen mehr oder weniger großen Winkelbereich zu messen gestatten werden
allgemein Goniophotometer genannt und sind z. B. in dem Artikel "New Aspects of
Gloss of Paint Film and its Measurement?t von U. ZORRL in der Zeitschrift "Progress
in Organic Coatings' 1, 1972, 113 in verschiedensten Ausführungsformen beschrieben,
Ebenso snld mehrere Methoden bekannte aus der Form der winkelabhängigen Streulichtverteilung
Kenngrößen zu ermitteln, die das Glanzvermögen beschreiben sollen (" La Mesure Objective
du Brillant das Revetements" von J. ROVIE und A. KARAGUENZOGLOU in Fatipec 1974,
Seite 385 oder "Beitrag zur Praxis der Glanzmessung" von Th. KOSBAHN, Farbe und
Lack, 70 , 1964, 693).
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Vielfach wurden auch Registriereinrichtungen verwendet, die eine selbsttätige
Aufzeichnung der Intensitätsverteilung über einen gewissen Winkelbereich gestatten
("Ein Goniophotometer zur Glanzmessung" von K. HOFFMANN und Th. KOSBAHN, Farbe und
Lack 72, 1966, 119 bzw. "La Measure Objective du Brillant des Rezt8terlents" a.a.O.
oder "Ein registrierendes Goniophotometer" von U. VEIEL in Farbe und Lack 73, 1967,
743).
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Der entscheidende Nachteil aller bisher bekannten Meßverfahren bestand
darin, daß höchste optische Präzision und hohes auf lösungsvermögen, die für die
Erkennung geringster, -vom menschlichen Auge aber noch erfaßbarer Unterschiede unumgänglich
sind, unvereinbar schienen mit einfacher Bedienung und Auswertung, wie sie für die
praxisnahe Anwendung notwendig sind.
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So war es bisher notwendig, entweder die gesamte Remissionskurve zu
registrieren und nachträglich auszuwerten oder von Hand aus die wesentlichen Meßstellen
punktweise aufzusuchen. In zweiten Fall ist es überaus schwierig, bei Verwendung
kleiner Aperturen (hunter Ö, 5 Grad) und Messung hochglänzender Flachen den Intensitiserlauf
im Bereich des Reflexionswinkels zu vermessen. Verkippegen der Probenflächen in
der- Größenordnung der Eigenhalbwertsbreite des Instrumentes sind bei nicht streng
idealen Oberflächen nicht ungewöhnlich und verlangen daher eine Wiederholung der
Justierung mit jeder Piobe.
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Es wurde nun ein Verfahren zur Messung des Glanzvermögens gefunden,
das die genannten Nachteile vermeidet, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses
Meßverfahrens.
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Dieses Verfahren zur vereinfachten automatischen Messung des Glanzvermögens
von ebenen Oberflächen, insbesondere von organischen Überzügen, wie Lacken und Beschichtungen,
mittels -eines Goniophotometers ist dadurch gekennzeichnet, daß das Glanzvermögen
durch Messung von vorzugsweise drei charakteristischen Werten der winkelabhängigen
Intensitätsverteilung mittels eines Goniophotometers mit quasi-parallelem Strahlengang,
dessen Meßeinrichtung (2) mittels eines Antriebsmotors (31) über einen bestimmten
Winkelbereich in der Beleucktungsebene geschwenkt werden kann, beschrieben wird
und die aufs dem Quotienten aus Referenzsignal und Meßsignal gebildeten Meßspannungen
in linearer und/oder vorzugsweise logarithmisch komprimierter Form in Analog-Digital-Wandlern
umgesetzt werden, wobei beim Erreichen der für die Intensitätsverteilung charakteristischen
winkeleinstellungen die jeweiligen ZIeßwerte van digitalen Speichern
übernommen
werden und simultan oder nacheinander angezeigt und/ oder ausgedruckt werden.
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Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Intensitätsverteilung
nicht zur Gänze registriert zu werden braucht und damit die nachträgliche Kurvenauswertung
entfallen kann.
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Die im Sinne des beanspruchten Verfahrens charakteristischen Meßpunkte
sind: 1. bei der Richtung der regulären Reflexion 2. bei einer Winkelabweichung
von der Reflexionsrichtung um vorzugsweise die einfache Halbwertsbreite des Instrument
es (Aleßapeltllr bzw. Beleucktungsapettur) 3. ei einer Winkelabweichung von der
Reflexionsrichtung um vorzugsweise die vierfache Halbwertsbreite des Instrumentes.
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Ein besonderes Kennzeichen des beanspruchten Verfahren besteht ferne
darin, daß geringe Verkippungen der zu untersuchenden Flächen, wie sie in der Praxis
häufig auftreten, durch eine Bestimmung der wahren Richtung der regulären Reflexion
automatisch berücksichtigt werden. Die beiden weiteren Meßpunkte werden auf diese
für jede Probe korrigierte Richtung bezogen.
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Meßfeiller, die ohne Berücksichtigung der wahren Richtung der regulären
Reflexion speziell bei geringen Aperturen sehr wahrscheinlich sind, können damit
vermieden werden.
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Die Richtung der regulären Reflexion wird nach dem beanspruchten Verfahren
dadurch bestimmt, daß die Meßeinrichtung vorzugsweise durch einen Schrittmotor über
den erwarteten Refiexionsbereich geschwenkt wird, wobei das Auftreten des Spitzenwertes
im Meßsignal das Erreichen des eigentlichen Reflexionswinkels bedeutet. Zur genauen
und von der Signaländerungsgeschwindigkeit unabhängigen Feststellung des Spitzenwertes
wird vorzugsweise ein digitaler Spitzenwertdetektor verwendet, wie er in der beanspruchten
Anordnung noch genauer beschrieben wird
Die eben beschriebene Methode
der Seststellung der wahren Richtung der regulären Reflexion gestattet in der Folge
auch eine besonders ei.nfache Einstellung der weiteren Meßpunkte. Durch den Antrieb
der Meßeinrichtung über einen Schrittmotor mit geeigneter Untersetzung ist der jeweilige
Meßwinkel durch die Anzahl der von einem Referenzpunkt (Reflexionswinkel) eurückgelegten
Schritte definiert und kann z. B., wie später beschrieben, mit Hilfe eines elektronischen
Zählers bestimmt werden.
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im Falle sehr unebener Oberflächen kann es zu mehreren, sukzessive
ansteigenden Spitzenwerten im Bereich der regulären Reflexion kommen. Nach dem beanspruchten
Verfahren wird der b,eschriebene Zähler mit jedem neuen, höheren Spitben.velt wieder
auf Null 9'6setZt. womit- die folgenden Einstellungen stets auf den wirklicllen
Reflexionswinkel bezogen werden.
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Ein weiteres Merkmal des beanspruchten Verfahrens ist die teils lineare,
teils logarithmische Darstellung der Meßwerte. Die Intensitäten des reflektierenden
und gestreuten Lichtes können sich, je nach Eigenart der Oberfläche, um mehrere
Größenordzungen unterscheiden. Deshalb werden die Meßwerte vorzugsweise im logarithmischen
Maßstab dargestellt, der der regulären Reflexion entsprechende Wert auch im linearen
Maßstab, Außerdem entspricht die logarithmische Darstellung am besten der subjektiven
Bewertungsskala (Weber-Fechner'sches Gesetz).
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Für die praxisnaile Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
schließlich von Bedeutung, daß nach Erreichen des dritten Meßpunktes automati.sch
ein Rücklauf der Meßanordnung bis an eine Stelle vor dem Reflexionswinkel eingeleitet
wird, wobei aber sämtliche Meßwerte in digitaler Form bis zum nächsten Meßzyklus
gespeichert bleiben und daher für bel-iebig lange Zet unverändert zur Verfügung
stehen.
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Während dieses Rücklaufes, der aus mechanischen Gründen auf jeden
Fall einige Sekunden in Anspruch nimmt, werden alle Meßwerte teils gleichzeitig,
vorzugsweise aber nacheinander
aus den digitalen Speichern abgerufen
und stehen am Druckerausgang zur Verfugung. Der Vorteil dieses Verfahrens ist darin
zu sehen, daß beispielsweise nur eine Anzeige bzw. ein Datenkanal erforderlich ist,
wobei aber mehrere Meßwerte für diese Anzeige bzw. für die Datenerfassung zur Verfügung
stehen.
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Zum bessere Verständnis der für das beschriebene Verfahren geeigneten
erfindungsgemäßen Meßanordnungen sei auf die Abbildungen 1 und 2 verwiesen.
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Abbildung 1 stellt das Schema eines für die beanspruchte Anordnung
geeigneten Goniophotometers dar. Dieses Goniophotometer besteht aus einer Beleuchtungsoptik
(1), der Lichtquelle (3), der Meßoptik (2), dar Meßzelle (4), der Referenzzelle
(5) und einem Schrittmotor (31) für die Meßoptik zur Änderung des Winkels 2. Der
Winkel al (Beleuchtungswinkel) kann von-Hand aus verstellt werden, die Schwenkachse
beider .Opt iken liegt in der Oberfläche der zu untersuchenden.Probe (6).
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Abbildung 2 enthält die für die beanspruchte Anordnung wesentlichen
Teile. (7) und (8) sind Meßverstärker mit logarithmischer Übertragungscharakteristik
für einen Eingangsstrombereich von vorzugsweise 5 -- 6 Dekaden, der Rechenverstärker
(9) bildet die Differenz der von (7) und (8) abgegebenen Spannungen plus der am
Eichpotentiometer (10) eingestellten Korrekturspannung.
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-Die Ausgangsspannung von (9) kann damit bei Messung eines geeigneten
Standards auf Null abgeglichen werden. Ein weiteres nichtlineares Rechenelement
(12) mit der Umkehrfunktion der logarithmischen Meßverstärker liefert an seinem
Ausgang eine dem Verhältnis der von den Meßzellen (4,5) abgegebenen Ströme proportionale
Spannung, der Proportionalitätsfaktor wird am Potentiometer (11) eingestellt. Zwei
Analog-Digitalwandler (13, 14) setzen die Ausgangsspannungen von(9) und (12) in
digitale Signale um. Der digitale Spitzenwertdetektor zur Feststellung der wahren
Reflexionsrichtung besteht aus dem Register(15) und dem Komparator (20). Der Komparator
(20) vergleicht die bei jeweils aufeinanderfolgenden Schritten des Antriebsmotors
(31)
vom Wandler (13) abgegebenen digitalisierten Meßwerte. Ist
bei Durchlauf dadurch den Reflexionswinkel der neue Meßwert erstmals kleiner als
der im Register (15) gespeicherte vorhergehende Wert, so entspricht der im Register
(15) gespeicherte ert dem Spitzenwert. Die Steuerlogik (29) verhindert eine neuerliche
Übernahme durch das Register (15) nach Erreichen des Spitzenwertes. Gleichzeitig
bewirkt sie eine Übernahme des digitalisierten logarithmischen Wertes in das Register
(16) und den Start des Zählers (30). Der Zähler (30) veranlaßt die Übernahme der
bei den charakteristischen Winkeln gemessenen logarithmischen Meßwerte durch die
Register (17) und (18) und nach Erreichen des letzten Meßpunktes die Rückkehr der
Meßoptik (2, Abb.l) an den Anfangspunkt.
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Über das Bedienungsfeld (28) und die Steuerlogik (29) wird der Meßarmantrieb
(32) mit dem Schrittmotor (31) sowie die Auswahl der Anzeige der in den Registern
(15, 16, 17, 18, 19) gespeicherten Werte mit Hilfe des Multiplexers (21) gesteuert.
-Die Wandler (22. 23) setzen die digitalisierten Meßwerte in einen für die Anzeigen
(24, 25) geeigneten Code um.
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Wahlweise kann neben den Anzeigen (24,25) ein digitaler Drucker (26)
zur MeßwerterEsung angeschlossen werden, bzw. auch ein Registriergerät (27), das
die analogen Eingangssignale der beiden Wandler (13, 14) aufzeichnet.
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Die Register (15) und (19) werden als Zwischenspeicher für die Anzeigen
(24, 25) benutzt, wenn mit Hilfe des Goniophotometers eine winkelabhängige Intensitätsverteilung
nicht nur an den ausgewählten Meßpunkten erfaßt werden soll. Zu diesem Zweck wird
über das Bedienungsfeld (28) und die Steuerlogik (29) der beschriebene digitale
Spitzenwert detektor und der Zähler (30) blockiert und die Meßoptik (2, Abb. 1)
mittels Antrieb (32) und Schrittmotor (31) an die gewünschte Meßstelle bewegt.
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Zur Stromversorgung der gesamten Anordnung sowie der Lichtquelle (3)
dient in bekannter Weise ein volltransistorisiertes Netzgerät (34).