DE2454644C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Beurteilen des Glanzvermögens von hochglänzenden Oberflächen insbesondere organischer Überzüge - Google Patents

Description

Die Erfin Jung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beurteilen des Glanzvermögens von hochglänzenden Oberflächen insbesondere organischer Überzüge, wie Lacken, durch Messen der Intensität des von der hochglänzenden Oberfläche reflektierten Lichtes bei feststehender Beleuchtungsrichtung aus verschiedenen Meßwinkeln mittels eines Goniophotometers, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Unter »Glanzvermögen« wird die Eigenschaft eines Körpers verstanden, unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen bei einem Betrachter den subjektiven Eindruck »Glanz« hervorzurufen. 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 Oberfläche reflektierte und zurückgestreute Licht Informationen über deren Beschaffenheit.

Geräte, die die Intensitätsvertei'ung des rückgestreuten und reflektierten Lichtes über einen mehr oder weniger großen Winkelbereich zu messen gestatten, werden allgemein Goniophotometer genannt und sind bereits bekannt.

Bei den meisten unter der Bezeichnung »Glanzmeßgerät« bekannten Vorrichtungen handelt es sich um einfache Reflektometer gemäß DIN 67 530.

Bei einer bekannten Vorrichtung (DT-Cbm 44 088) werden zwei getrennte, mit Lichtquellen versehene optische Systeme, die Licht unier jeweils anderem Winkel auf die zu beurteilende Oberfläche werfen, in einem gemeinsamen Gehäuse — gegeneinander lichtdicht abgeschirmt — verwendet, und wechselweise benutzt. Hierzu wird die eine oder andere Blende

freigegeben. Die reflektierten Strahlen werden von Fotozellen gemessen, die dem jeweiligen optischen System zugeordnet und unter festem Winkel von 20° bzw. 60° zur Vertikalebene angeordnet sind. Außerdem ist es für eine ausreichende Charakterisierung des Glanzvermögens hochglänzender Oberflächen nicht ausreichend, allein das direkt reflektierte Licht zu messen, vielmehr steckt hauptsächlich im nicht unter der Reflexionsrichtung remittierten Licht die Information über die optische Beschaffenheit der Oberfläche. Die Verwendung mehrerer optischer Systeme mit den diesen zugeordneten Fotozellen ist nicht nur aufwendig, sondern auch störanfällig, wenn sich eine der Fotozellen in bezug zur anderen hinsichtlich ihrer Charakteristik ändert. ,₅

Ferner ist es bekannt, aus der Form der winkelabhängigen Streulichtverteilung Kenngrößen zu ermitteln, die das Glanzvermögen Beschreiben sollen. Dabei ist es auch bekannt Registriereinrichtungen zu verwenden, die die Intensitätsverteilung über einen gewissen Winkelbereich selbsttätig aufzeichnen.

Bei diesen Verfahren besteht ein entscheidender Nachteil darin, daß höchste optische Präzision und hohes Auflösungsvermögen, 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. So war es bisher notwendig, entweder die gesamte Remissionskurve zu registrieren und nachträglich auszuwerten oder von Hand aus die wesentlichen Meßstellen punktweise aufzusuchen. Im zweiten Fall ist es überaus schwierig, bei Verwendung kleiner Aperturen von weniger als 0,5 Grad und Messung hochglänzender Hächen den Intensitätsverlauf im Bereich des Reflexionswinkels zu vermessen. Verkippungen 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 Probe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Glanzvermögen hochglänzender Oberflächen mit einfachen Mitteln möglichst gut beurte^:len zu können. Die dafür vorgesehene Vorrichtung soll einfach aufgebaut, möglichst von Laien bedienbar und weitgehend störunanfällig sein. Die Beurteilung des Glanzvermögens entspricht gewissermaßen einem Vergleich jeweils ähnlicher hochglänzender Flächen.

Die Erfindung besteht darin, dab mindestens drei jeweils unterschiedlichen Meßwinkeln entsprechende charakteristische Meßwerte aufgenommen werden, indem zuerst das Maximum bzw. der Scheitelwert der Remissionskurve ermittelt und gemessen, und anschließend die Meßwerte von mindestens zwei weiteren Meßwinkeln aufgenommen werden, die in einem Bezug zu den dem Scheitelwert entsprechenden Meßwerten stehen.

Hierdurch wird das Ausmessen der gesamten Remissionskurve überflüssig, obwohl in weitgehender f,_o Näherung die wichtigsten Charakteristika zur Beurteilung des Glanzvermögens zur Verfügung gestellt werden. Dadurch enifallt nicht nur die Aufnahme und Registrierung der Intensitätsverteiluin: de; unter verschiedenen Winkeln reflektierten Strahlen, sondern auch die damit verbundene umständliche Kurvcnaus-

wertur.g
Geringe

Verkippungen der zu 'untersuchenden Fläche, die in der Praxis nicht immer zu vermeiden sind, werden durch Bestimmung der wahren Richtung der regulären Reflexion (Maximum bzw. Scheitelwert der Remissionskurve) automatisch berücksichtigt. Die beiden weiteren Meßwerte werden auf diese für jede Probe bzw. zu untersuchende Oberfläche korrigierte Richtung bezogen. Dadurch können Meßfehler, die ohne Berücksichtigung der wahren Richtung der regulären Reflexion speziell bei geringen Aperturen sehr wahrscheinlich sind, vermieden werden.

Es ist daher besonders zweckmäßig, zuerst den Meßwert des tatsächlichen Reflexionswinkels und erst danach die Meßwerte der anderen Winkel und hierbei zweckmäßigerweise der um die einfache und um die vierfache Halbwertsbreite des Goniophotometers vom Reflexionswinkel abweichenden Meßwinkel aufzunehmen.

Zum Ermitteln des Scheitelwerts der Remissionskurve werden zweckmäßigerweise die Lichtintensitätswerte derselben im Bereich des erwarteten Reflexionswinkels unter laufender Winkelvr-änderung mit dem vorhergehenden Lichtintensi'ätswert verglichen; bei Erreichen des Scheitelwertes wird ein elektronischer Zähler, der Winkeländerungen festhält, auf Null gestellt. Hierbei empfiehlt es sich, wenn der Zähler bei mehreren, sukzessive ansteigenden Spitzenwerten mit jedem neuen höheren Spitzenwert wieder auf Null gestellt wird.

Die charakteristischen Meßwerte können in digitaler Form gespeichert werden. Die Meßwerte können im logarithmischen Maßstab dargestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die mit einem eine Lichtquelle und eine photoelektrische Meßzelle aufweisenden Goniophotometer versehen ist, Meßzelle und Meßoptik mittels eines Schrittmotors in der Meßebene in die Meßwinkeistellungen verschwenkbar, um das oben genannte besonders bevorzugte Verfahren einfach durchführen zu können, empfiehlt es sich, wenn die Meßzelle und die Meßoptik mittels eines Schrittmotors nach Aufnahme des letzten Meßwertes in die Ausgangslage zurückschwenkbar sind.

Die Vorrichtung sollte einen Zähler aufweisen, der die von einem Bezugswinkel der Meßzelle und Meßoptik ausgehenden Winkelabweichungen feststellt.

Den fotoelektrischen Meßzellen sollten logarithmischc Meßverstärker für das Meß- und Referenzsignal nachgeschaltet sein. Hierbei ist es empfehlenswert, wenn Analog-Digital-Wandler die aus dem Quotienten aus Referenz- und Meßsignal gebildeten Meßspannungen umwandeln und digitale Speicher diese Werte speichern.

Eine solche Vorrichtung weist insbesondere einen Rechenverstärker, der die Quotientenbildung vornimmt, ein Eichpotentiometer, das das Ausgangssignal des Rechenverstärkers normiert, einen weiteren nicht-linearei. Verstärker, der das Ausgangssignal entlogarithmiert, und ein Potentiometer auf, das den Proportionalilätsfaktor für die linearisierte Ausgangsspannung des Verstärkers einsieht.

Nach einer besonders bevorzugten Ausbildung dieser Irfindung weist ii;e Vorrichtung zwei Analog-Digital-Wandler, einen digitalen, aus einem Zwischenspeicher und einem digitalen Komparator bestehenden Spitzenwertdetektor, eine Steuerlogik, einen digitalen Zähler, vier digitale Speicher für die Aufnahme der charakteristischen Meßwerte in lotranthmischer Form, ein

Bedienungsfeld zur Auslösung der einzelnen Goniophotometerfunktionen, wie Vorlauf, Rücklauf und Beginn eines Meßzyklus, einen Multiplexer zur Abfrage der digitalen Speicher, zwei digitale Anzeigen und dazugehörige Codewandler zum Sichtbarmachen der Meßwerte in linearer und in logarithmischer Form und Anschlüsse für einen digitalen Drucker und ein analoges Registriergerät auf.

Der digitale Spitzenwertdetektor dient hierbei zur genauen und von der Signaländerungsgeschwindigkeit unabhängigen Feststellung des Spitzenwerts.

Wenn nach dem Verfahren der Zähler mit jedem neuen, höheren Spitzenwert wieder auf Null gesetzt wird, werden die folgenden Einstellungen stets auf den wirklichen Reflexionswinkel bezogen, dies ist zweckmäßig im Falle sehr unebener Oberflächen, bei denen es zu mehreren, sukzessive ansteigenden Spitzenwerten im Bereich der regulären Reflexion kommen kann.

Die teils lineare, teils logarithmische Darstellung der Meßwerte empfiehlt sich, wenn sich die Intensitäten des reflektierenden und gestreuten Lichtes, je nach Eigenart der Oberfläche, um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Deshalb werden die Meßwerte vorzugsweise im logarithmischen Maßstab dargestellt, und der der regulären Reflexion entsprechende Wert auch im linearen Maßstab. Außerdem entspricht die logarithmische Darstellung am besten der subjektiven Bewertungsikala (Weber-Fechnersches Gesetz).

Für die praxisnahe Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es von Bedeutung, wenn nach Erreichen des dritten Meßwertes automatisch 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 beliebig lange Zeit unverändert zur Verfügung stehen.

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 Verfügung. 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.

Zum noch besseren Verständnis der Erfindung dient die Zeichnung. Darin zeigt

Abb. 1 das Schema eines für die Vorrichtung geeigneten Goniophotometers und A b b. 2 einen Schaltplan.

Das Goniophotometer gemäß A b b. 1 besteht aus einer Beleuchtungsoptik 1, der Lichtquelle 3, der Meßoptik 2, der Meßzelle 4, der Referenzzejle 5 und einem Schrittmotor 31 für die Meßoptik zur Änderung des Winkels «₂. Der Winkel «i (Beleuchtungswinkel) kann von Hand aus verstellt werden. Die Schwenkachse beider Optiken liegt in der Oberfläche der zu untersuchenden Probe 6.

Gemäß Abb. 2 sind Meßverstärker 7, 8 mit logarithmischer Übertragungscharakteristik für einen Eingangsstrombereich von vorzugsweise 5-6 Dekaden vorgesehen. Der Rechenverstärker 9 bildet die Differenz der von den Meßverstärkern 7, 8 abgegebenen Spannungen plus der am Eichpotentiometcr 10 eingestellten Korrekturspannung. Die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 9 kann damit bei Messung eines geeigneten Standards auf Null abgeglichen werden. Ein weiteres nichtlineares Rechenelement, der Verstärker 12 mit der Umkehrfunktion der logarithmischen Meßverstärker 7,8, liefert an seinem Ausgang eine dem ίο Verhältnis der von der Meßzelle 4 und der Referenzzelle 5 abgegebenen Ströme proportionale Spannung, der Proportionalitätsfaktor wird am Potentiometer 11 eingestellt. Zwei Analog-Digital-Wandler 13, 14 setzen die Ausgangsspannungen des Rechenverstärkers 9 und des nichtlinearen Verstärkers 12 in digitale Signale um. Der digitale Spitzenwertdetektor zur Feststellung der wahren Reflexionsrichtung besteht aus dem Register oder Zwischenspeicher 15 und dem Komparator 20. Dieser vergleicht die bei jeweils aufeinanderfolgenden Schritten des als Antriebsmotor dienenden Schrittmotors 31 vom Wandler 13 abgegebenen digitalisierten Meßwerte. Ist bei Durchlauf durch den Reflexionswinkel der neue Meßwert erstmals kleiner als der im Zwischenspeicher 15 gespeicherte vorhergehende Wert, so entspricht der im Zwischenspeicher 15 gespeicherte Wert dem Spitzenwert. Die Steuerlogik 29 verhindert eine neuerliche Übernahme durch den Zwischenspeicher nach Erreichen des Spitzenwertes. Gleichzeitig bewirkt sie eine Übernahme des digitalisierten logarithmischen Wertes in das Register bzw. den digitalen Speicher 16 und den Start des Zählers 30. Dieser veranlaßt die Übernahme der bei den charakteristischen Winkeln gemessenen logarithmischen Meßwerte durch die Register bzw. digitalen Speicher 17, 18 und nach Erreichen des letzten Meßpunktes die Rückkehr der Meßoptik 2 gemäß Abb. 1 an den Anfangspunkt.

Über das Bedienungsfeld 28 und die Steuerlogik 29 wird der Meßarmantrieb 32 mit dem Schrittmotor 31 sowie die Auswahl der Anzeige der in den Rcgisterr bzw. Speichern 15, 16, 17, 18, 19 gespeicherten Werte mit Hilfe des Multiplexers 21 gesteuert. Die Codewand ler 22, 23 setzen die digitalisierten Meßwerte in einer für die Anzeigen 24,25 geeigneten Code um. Wahlweise kann neben den Anzeigen 24, 25 eir digitaler Drucker 26 zur Meßwerterfassung bzw. auch ein Registriergerät 27, das die analogen Eingangssignak der beiden Wandler 13, 14 aufzeichnet, angeschlosser werden.

Die Register 15,19 werden als Zwischenspeicher füi die Anzeigen 24, 25 benutzt, wenn mit Hilfe de; Goniophotometers eine winkelabhängige Intensitäts verteilung nicht nur an den ausgewählten Meßpunkter erfaßt werden soll. Zu diesem Zweck wird über da; Bedienungsfeld 28 und die Steuerlogik 29 der beschrie bene digitale Spitzenwertdetektor und der Zähler 3( blockiert und die Meßoptik 2 mittels Antrieb 32 unc Schrittmotor 31 an die gewünschte Meßstelle bewegt.

Zur Stromversorgung der gesamten Anordnunj sowie der Lichtquelle 3 dient ein volltransistorisierte Netzgerät 34.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   I. Verfahren zum Beurteilen des Glanzvermögens von hochglänzenden Oberflächen insbesondere organischer Überzüge, wie Lacken, durch Messen der Intensität des von der hochglänzenden Oberfläche reflektierten Lichtes bei feststehender Beleuchtungsrichtung aus verschiedenen Meßwinkeln mittels eines Goniophotometers, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß mindestens 3 jeweils unterschiedlichen Meßwinkeln entsprechende charakteristische Meßwerte aufgenommen werden, indem zuerst das Maximum bzw. der Scheitelwert der Remissionskurve ermittelt und gemessen und anschließend die Meßwerte von mindestens 2 weiteren Meßwinkeln aufgenommen werden, die in einem Bezug zu den dem Scheitelwert entsprechenden Meßwinkeln stehen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der Meßwert des tatsächlichen Reflexionswinkels und danach die Meßwerte der um die einfache und die vierfache Halbwertsbreite des Goniophotometers vom Reflexionswinkel abweichenden Meßwinkel aufgenommen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln des Scheitelwertes der Remissionskurve die Lichtintensitätswerte derselben im Bereich des erwarteten Reflexionswinkels unter laufender Winkelveränderung mit dem vorhergehenden Lichiintensitätswert verglichen werden und bei Erreichen des Scheitelwertes ein elektronischer Zähler, der Winkeländerungen festhält, auf 0 gestellt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler bei mehreren, sukzessive ansteigenden Spitzenwerten mit jedem neuen höheren Spitzenwert wieder auf 0 gestellt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Meßwerte in digitaler Form gespeichert werden.
6. 6. Ve; fahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte im logarithmischen Maßstab dargestellt werden.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem eine Lichtquelle und eine fotoelektrische Meßzelle aufweisenden Goniophotometer, dadurch gekennzeichnet, daß Meßzelle (4) und Meßoptik (2) mittels eines Schrittmotors (31) in der Meßebene in die Meßwinkelstellungen verschwenkbar sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (4) und Meßoptik (2) mittels eines Schrittmotors (31) nach Aufnahme des letzten Meßwertes in die Ausgangslage zurückschwenkbar sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler die von einem Be.iugswinkel der Meßzelle (4) und Meßoptik (2) ausgehenden Winkelabweichungen feststellt.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß den fotoelektrischen Meßzellen (4,5) logarithmische Meßverstärker (7,8) für das Meß- und Referenzsignal nachgeschaltet sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch

    gekennzeichnet, daß Analog-Digital-Wandler (13, 14) die aus dem Quotienten aus Referenz- und Meßsignal gebildeten Meßspannungen umwandeln und digitale Speicher (16, 17, 18, 19) diese Werte speichern.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechenverstärker (9) die Quotientenbildung vornimmt, ein Eichpotentiometer (10) das Ausgangssignal des Rechenverstärkers (9) normiert, ein weiterer nichtlinearer Verstärker (12) das Ausgangssignal entlogarithmiert und ein Potentiometer (11) den Proportionalitätsfaktor für die linearisierte Ausgangsspannung des Verstärkers (12) einstellt
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch 2 Analog-Digital-Wandler (13, 14), einen digitalen, aus einem Zwischenspeicher (15) und einem digitalen Komparator (20) bestehenden Spitzenwertdetektor, einer Steuerlogik (29), einem digitalen Zähler (30), vier digitalen Speichern (16,17, 18, 19) für die Aufnahme der charakteristischen Meßwerte in logarithmischer Form, ein Bedienungsfeld (28) zur Auslösung der einzelnen Goniophotometerfunktionen wie Vorlauf, Rücklauf und Beginn eines Meßzyklus, einen Multiplexer (21) zur Abfrage der digitalen Speicher (16, 17, 18, 19), zwei digitale Anzeigen (24, 25) und dazugehörige Codewandler (22, 23) zum Sichtbarmachen der Meßwerte in linearer und logarithmischer Form, und Anschlüsse für einen digitalen Drucker (26) und ein analoges Registriergerät (27).