DE2626462A1 - Ein schwarzer strahler, der infrarot- strahlung abgibt - Google Patents

Description

• Ein schwarzer Strahl er, der Infrarft-Str'älllung abgibt
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtungt die einen schwarzen Strahler darstellt, der Infrarot-Strahlung abstrahlt. Eine An-Wendung dieser Erfindung ist es, die Dicke eines schützenden Plastikfilms auf einer Metallplatte oder auf einem anderen selbsttragenden IRlterual zu messen, das für Dosen verwendet wird.
• Es ist bekait, die Dicke eines Films auf einem Substrat dadurch zu messen, daß ein Lichtstrahl durchgeschickt wird und die Absorption des Strahls, der den Film passiert, gemessen wird; die Absorption ist eine Funktion der Filmdicke. Wenn sich das Substrat mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt, sind die Messungen schwierig, und zwar wegen des Springens der Folie, oder wegen der Bildung von Brllchen, insbesondere wenn die Folie recht dünn ist und Bruchgefahr besteht. Im Falle eines opaken, reflektierenden Substrats ist es üblich, dadurch zu messen, daß die Absorption des Lichts gemessen wird, wenn es den Film passiert, an der Grundfläche des Substrats reflektiert wird und den Film wieder passiert. Das Biegen des Substrates verursacht unkontrollierte Änderungen der Richtung des reflektierten Lichtstrahls und kann drastisch die Messung beeinflussen. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen MeBapparat des oben erwähnten Typs zu enüiickeln, bei dem das normale Biegen oder Springen des beim Dessen bewegten Materials oder die normale Lichtdispersion des genessenen terials die Nessungen nicht wesentlich beeinflußt. Nach einer bevorzugten Ausfmirungsform der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß als Lichtquelle ein schwarzer Strahler vorgesehen ist, der bei einer regulierten Temperatur gehalten wird, so daß Infrarotstrahlen bekannter wellenlänge emitt-.ert -.4.rvrden; der Strahler wird in eine derartige Stellung gebracht, daß er im wesentlichen das Gebiet des Films, das zu einem bestimmten Zeitpunkt abgetastet wird, einkreist; dadurch bilden alle Beobachtungen des Gebietes eine Beobachtung eines Gebietes des Strahlers, und zwar unabhängig vom Winkel des normalen Biegens des Materials. Uber sein ganzes Gebiet wird der Strahler bei einer gleichförmigen Lichtintensität gehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der schwarze Strahler ein isothermer Hohlraum, der im wesentlichen haibkugelförmige Gestalt hat; der Teil des sich bewegenden Films, der zu jenem Zeitpunkt geprüft wird, befindet sich ungefahr im Zentrum der Hibkugel.
• Ein Pyrometer spricht auf die Infrarotstrahlen an oder auf andere Strahlen der Quelle. Ein Infrarotpyrometer ist fur diese Messung mItzlich, denn es muß in einem Wellenlängenbereich hoher Absorption durch das Filmmaterial arbeiten. Da das Pyrometer nicht nur auf die Strahlung der Quelle, die den Film passiert, anspricht, sondern auch auf die Infrarotstrahlung der Filmoberfläche selbst, ist es wichtig, daß die Strahlungsintensität der Quelle im Vergleich mit der Strahlung von der Filmoberfläche groß ist. Daher wird die Quelle der Strahlung bei einer hohen Temperatur gehalten, etwa 2600C (oder höher), während der Film sich bei Raumtemperatur befindet. Der Film, dessen.Dicke gemessen wird, befindet sich bei einer Temperatur von ungefähr 51 0C oder weniger. Im vervrendeten Wellenlängenbereich ist die Infrarotstrahlung eine exponentielle Funktion der Temperatur. Diese Funktion liegt im allgemeinen oberhalb der vierten Potenz. Daher ist die Infrarotstrahlung des zu messenden Films ein vernachlässigbarer Teil der Infrarotstrahlung des schwarzen Strahlers.
• Wie das obige Ziel und weitere Ziele dieser Erfindung verdeutlicht werden, ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
• Es zeigen: Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Apparates; Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Querschnitts durch eine Folie oder ein Substrat mit einem Schutzfilm, dessen Dicke gemessen werden soll; Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des Beobachtungsfensters des schwarzen Strahlers in Fig. 1; Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Messung der Dicke einer Folie, die für hindurchgeschickte Strahlen transparent ist.
• In den Zeichnungen bezeichnen durchgehend gleiche Ziffern gleiche Teile.
• Bei 1 ist eine beschichtete Folie angedeutet, die aus einem Substrat 2 besteht, das eine reflektierende metallische Oberfläche 3 hat, auf der sich ein schützender Film 4 befindet.
• Das Substrat 2 ist für InfrarotstrGlllen undurchlässig. Es kann eine Weißblech- oder Aluminiumfolie sein, wie sie für Gefäße verwendet werden oder es kann eine reflektierende Folie sein, die so dünn wie erforderlich ist, und einen Papierrücken hat, um die Handhabung zu erleichtern. Jedenfalls ist sie für- sich-tbares Licht undurchlässig. Der Film 4 auf der Folie kann einige Hundertstel oder einige Tausendstel eines Zentimeters dick sein. Der Film 4 besteht häufig aus transparentem Plastik.
• Er ist für Infrarotstrahlen transparent und auch für andere unsichtbare Strahlen wie auch für sichtbare Strahlen. Es ist wichtig, die Dicke des Films 4 messen und angeben zu können, wo die Filmdicke vorgeschriebene Maximal- und Minimalwerte überschreitet.
• Die Folie 1 passiert eine Station 7 eines Meßapparates 8 in Fig. 1. Die Folie wird bei diesen Stationen von den Rollenpaaren 10-10 und 11-11 in ihrer Lage gehalten; die Folie bewegt sich zwischen den Rollen in Richtung des Pfeiles 12.
• Der Neßapparat 8 benützt einen Strahl einer Strahlung, die Energie in einem Wellenlängenbereich starker Absorption durch den Film 4 enthält. Sobald der Strahl den Film passiert, wird er beim Durchtritt stark absorbiert. Die Intensität der Energie des Strahls fällt beim Durchtritt durch den Plastikfilm 4 exponentiell ab. Da das Substrat 2 für die Wellenlänge der Energie der Quelle undurchdringli.ch ist, benützt diese Erfindung die Reflexionseigenschaften der Oberfläche 3, um zu bewirken, daß der Strahl zweimal die Dicke des Films durchquert. Die Strahlenquelle sollte nur im Wellenlängenbereich starke Absorption emittieren öder der verwendete Detektor sollte nur im Wellenlängenbereich starke Absorption messen.
• Das Instrument kann dadurch kalibriert werden, daß ein Substrat 2 hindurchgeführt wird, das ohne den Film 4 ist (ein Film der Dicke Null). Wenn daher ein Substrat mit einem Film 4 die Station passiert, absorbiert der Film einen Teil der Strahlung.
• Da diese Absorption eine Funktion der Dicke des Films ist, kann das Instrument entsprechend kalibriert werden.
• Die Beleuchtungsquelle, bei 15 angedeutet, ist ein schwarzer Strahler, der elektrisch auf eine konstante Temperatur erhitzt wird, um Strahlung bekannter Wellenlänge zu erzeugen, und zwar unter Kontrolle eines thermostatischen Regulators 16. Der Regulator kontrolliert den Heizkreis für den Strahler 15 (die Quelle der Elektrizität ist bei E). Mittels eines Einstellknopfes 16 ist es möglich, den Regulator 16 auf irgendeinen erwünschten Temperaturbereich des Strahlers 15 einzustellen.
• Der Strahler 15 ist ein halbkugelförmiger Hohlraum 17 mit einer Beobachtungsöffnung oder einem Loch 18 in Gestalt eines kreisförmigen Loches mit einer Messerschneide 19. Die Rollen 10-10 und 11-11 halten den richtigen Abstand 20 zwischen der Folie1 und dem Strahler 15 aufrecht, der vorzugsweise so klein wie möglich sein soll, wobei aber der Kontakt zwischen der Folie 1 und dem Strahler 15 zu vermeiden ist, da die Folie bei ihrer Bewegung durch die Station 7 vibriert oder springt.
• Infrarotstrahlung aus der inneren Oberfläche 24 des Strahlers passiert den Film 4, wird bei 3 reflektiert und tritt dann durch den Film und die Öffnung 18 in den Apparat 8 ein. Der Apparat 8 ist ein elektronisches Pyrometer zur Messung der Oberflächentemperatur durch Messung der Infrarotstrahlung der Oberfläche. Die Endanzeige des Apparates 8 wird auf dem Instrument 25 abgelesen. Die Skala des Instnunents 25 kann für die Dicke des Films geeicht werden.
• Das reflektionsfähige Aluminiumsubstrat dient dazu, den Strahl wieder durch den Plastikfilm zu reflektieren, so daß der Film doppelt so dick erscheint als er in rklichlreit ist.
• Das Substrat, obwohl es in d esem besonderen Fall Aluminium ist, muß nicht aus diesem Material bestehen, sondern kann aus irgendeinem Material bestehen, das in dem selben Wellenlängenbereich reflektiert, in dem der Film absorbiert.
• Das Substrat kann durchsichtig sein und dies hat solange keine Bedeutung, als es in demselben ellenlängenbereich reflektiert, in dem der Film absorbiert.
• Die reflektierende Oberfläche des Substratmaterials kann spiegelnd sein oder sie kann rauh sein und die seine Oberfläche beleuchtende Energie verteilen. Unter solchen Umständen ist es höchst wünschenswert, eine ausgedehnte Gebietsquelle der Energie zu verwenden. Der Ausdruck "ausgedehntes Gebiet" bedeutet, daß die Quelle 15 beinahe die ganze Hemisphäre über dem Teil oder dem Gebiet 90, das in jedem Augenblick gemessen wird> bedecken sollte. Die gemessene Reflexion wird also der hemisphärische Wert sein und Ausrichtungsprobleme eliminieren, welche ein System stören können, das ein kleines Quellengebiet verwendet und einen Aufbau nur für Spiegelreflexionen verwendet, wo das reflektierende Substrat rauh ist und/oder die Beschichtung pigmentiert ist. Aus diesem GrU17Lde ist der Durchmesser des isothermen Hohlraums groß im Vergleich mit dem oberen Gebiet der Öffnung 18 und ihrer Entfernung von der Folie 1.
• Wenn die Temperatur des Films im wesentlichen der Raumtemperatur entspricht und die Temperatur des schwarzen Strahlers in der Größenordnung von 3160C ist, ist die Temperaturdifferenz zw.ischen den beiden groß und kein wesentlicher Meßfehler ergibt sich aus der vom Film 4 emittierten Energie aufgrund seiner eigenen Temperatur. In einer Konstruktion arbeitet das Strahlungspyrometer 8 bei einer Wellenlänge von 3,43 Mikron.
• Die Temperatur des Hohlraumkörpers des schwarzen Strahlers betrug 3160c.
• Der hier gezeigte Hohlraumkörper 17 ist halbkugelförmig, aber diese Form ist nicht wesentlich. Es ist wünschenswert, daß eine Linie von irgendeinem Punkt auf der Kante 21 zur Kante des Gebietes 30, das durch die Öffnung 18 abgetastet wird, einen möglichst kleinen Winlcel mit der Oberfläche des sich bewegenden Films bildet.
• Wenn das Substrat in dem Wellenlängenbereich der Absorption des Films sehr transparent ist, dann wird der Detektor 8 und die Quelle der schwarzen Strahlung auf entgegengesetzten Seiten des Gegenstandes angebracht, dessen Dicke gemessen werden soll.
• Dies wird in Fig. 4 gezeigt, wo das Substrat, bei 2' angedeutet, einen schützenden Film 4' hat und beide für die vom schwarzen Strahler 15' emittierte Infrarotstrahlung transparent sind (der schwarze Strahler 15' ist mit 15 identisch, abgesehen davon, daß das Nadelloch 18 der Fig. 3 fehlt). In diesem Fall ist die beschichtete Folie zwischen dem schwarzen Strahler 15i und dem Strahlungspyrometer 8 placiert. Das Instrument ist so geeicht, daß die Filmdicke aus der Absorption der Infrarotstrahlung beim einmaligen Durchgang durch den Film 4' ab geleitet wird (irn Gegensatz zun zweimaligen Durchgang, siehe Fig. 1). Das Substrat 2" in Fig. 4 hat eine präzise Dicke, die beim normalen Herstellungsvorgang erhalten urde. Der Film 4' kann schadhaft sein, z.B. Unterbrechungen aufweisen oder in einigen kleinen Gebieten die Dicke Null aufweisen.
• Zweck der Erfindung ist ,, » /ein Apparat für und ein Verfahren zur Messung der Dicke eines schützenden Films auf einer Folie oder auf einem Substrat, wen die Folie den Apparat passiert. Der Apparat besteht aus einem schwarzen Strahler in Form eines isothermen Hohlraums mit einer Öffnung, über welche die Folie bewegt wird. Der Hohlraum hat ein Beobachtungsfenster gegenüber der Öffnung, durch welche die Oberfläche der bewegten Folie abgetastet werden kann. Ein Strahlungspyrometer tastet d,e bewegte Folie durch die Beobachtungsöffnung ab. Strahlen des Strahlers durchdringen den Film bis zum Substrat, werden Vom Substrat reflektiert, passieren den Film nochmals und gelangen dann durch das Fenster zum Pyrometer. Die Absorption von Strahlen des schwarzen Strahlers beim Passieren des Films ist eine Funktion der Dicke des beobachteten Teils des Films. Das Strahlungspyrometer empfängt also eine Ausgangs strahlung, die eine Funktion der zu messenden Filmdicke ist.

Claims (16)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung, die einen schwarzen Strahler darstellt, der Infrarotstrahlung abstrahlt, gekennzeichnet durch ellen isothermen Hohlraum mit einer Öffnung, über welche die zu prüfende Folie bewegt werden kann, ein Beobachtungsloch, das so angeordnet is, daß durch dieses Loch ein Teil des Gebietes, das durch die Öffnung erfaßt wird> abgetastet werden kann und ein Pyrometer, das ein beschränktes Gebiet durch dieses Beobachtungsloch abtastet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minimaldistanz zwischen der Peripherie der Öffnung, über welche der Film bewegt wird, und dem Teil ein Vielfaches der maximalen Abmessung dieses Gebietes ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Bewegung der zu prüfenden Folie über die Öffnung des Hohlraums, eine Vorrichtung, um die bewegte Folie in einer Entfernung von der Peripherie des isother:nen Korpus zu halten, die einen Bruchteil der maximalen Ausdehnung über dem Hohlraum ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um den Hohlraum bei einer derartigen Temperatur zu halten daß Infrarotstrahlung emittiert wird, und zwar hauptsächlich von der Wellenlänge 3,4 Mikron.
5. 5. Borrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Reflektor von Infrarotstrahlen, der für das Infrarotlicht des Strahlers undurchlässig ist, auf der Seite der Folie befindet, die von dem Strahler entfernt ist, so daß das Licht des Strahlers das die Folie passiert, reflektieft wird und wieder die Folie passiert und wenigstens einen Teil des Lichtes des Strahlers darstellt, welches durch das Beobachtungsloch hindurchtritt, um das Pyrometer zu beeinflussen
6. 6. Apparat zur Prufung der Dicke eines bewegten Films, gekennzeichnet durch einen Körper mit einem Gebiet, das eine Quelle von Infrarotstrahlen darstellt und über welches der zu untersuchende Film bewegt werden kann, eine zur richtung zum Erhitzen des Gebietes auf eine komstante Temperatur, um Infrarotlicht gleichmäßiger Intensität über dem ganzen Gebiet zu erhalten, eine Infrarotmeßeinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie Strahlen von der Quelle empfängt, welche einen Teil des bewegten Filiis passierten, um die Abnahme der Intensität solcher Infrarotstrahlen beim Passieren des Films zu besti=.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Messung des Lichts im wesentlichen Licht der Wellenlänge 3,4 Mikron ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, R die Temperatur derart ist, daß die Energie des Infrarotlichts, das von der Oberfläche des Films übermittelt lFird, unbedeutend ist im Vergleich mit der Energie der Infrarotstrahlung, die von der Quelle durch den Film zu der EMeß-Vorrichtung übermittelt wird.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Beobachtungsloch zentral durch dieses Gebiet aufweist, um Infrarotlicht, das den Film passiert, von diesem Gebiet zu übertragen, die Infrarotmeßeinrichtung so angeordnet ist, daß sie die übertragenen Strahlen aufnimmt
10. 10 Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsloch im wesentlichen ein nadelförmiges Loch ist.
11. 11. Apparat zur Prüfung der Dicke eines Films auf einer bewegten Folie, die aus einem Film und einem Substrat besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Infrarotstrahlen den Film unter wesentlicher Absorption passieren können und das Substrat für sie undurchlässig ist und sie reflektiert, ein isothermer Körper einen Infrarotstrahler bildet, der ein infrarotes Licht abstrahlendes Gebiet aufweist, das Gebiet erhitzt wird, um eine im wesentlichen gleichförmige Infrarotemission des ganzen Gebietes aufrechtzuerhalten, der Film fieber das Gebiet bewegt wird, die Infrarotstrahlen dieses Gebietes gemessen werden, nachdem diese den bewegten Film passiert haben, umdas Ausmaß zu bestimmen, bis zu welchem sie in ihrer Intensität beim Passieren durch den Film geschwächt wurden, und ein Pyrometer für infrarotes Licht, das aus diesem Gebiet durch den Film passiert und durch das Substrat reflektiert wird und dann in der entgegengesetzten Richtung durch den Film passiert, worauf ein Austritt durch die Beobachtungsöffnung erfolgt.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine Kuppel über den Teil des Films bildet, der jeden Augenblick untersucht werden kann.
13. 13. Verfahren zur Prüfung der Dicke eines Films auf einer Folie, gekennzeichnet durch einen Strahler, der einen Infrarotstrahlungsbereich besitzt, wobei dieser Bereich erhitzt wird, um eine im wesentlichen gleichmäßige Infrarotlichtemission durch dieses Gebiet aufrecht zu erhalten; Bewegung eines Films durch dieses Gebiet und Messen der Infrarotstrahlen aus diesem Gebiet, welche durch den sich bewegenden Film hindurchgegangen sina, um das Ausmaß zu bestimmen, bis zu welchem diese Strahlen in ihrer Intensität durch das Passieren durch den Film verringert wurden.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb der Temperatur des Films liegt, so daß die Energie der vom Film aufgrund seiner eigenen Temperatur emittierten Infrarotstrahlen zu vernachlässigen ist im Vergleich mit der Energie der Strahlen des Strahlers, die durch den Film geschickt und gemessen werden.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Licht auf einen Wellenlängenbereich beschränkt ist, in welchem der Film transparent ist, in welchem aber Absorption durch den Film erfolgt, die eine Funktion der Filmdicke ist.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Licht im wesentlichen die Wellenlänge von 3,4 Mikron hat.