DE3230442A1

DE3230442A1 - Verfahren zur messung der eigenschaften einer kunststoff-folie mittels infrarotstrahlung

Info

Publication number: DE3230442A1
Application number: DE19823230442
Authority: DE
Inventors: Sauli Juhani Dipl.-Ing. 02230 Espoo Törmälä
Original assignee: TOPWAVE INSTRUMENTS Oy
Current assignee: TOPWAVE INSTRUMENTS Oy
Priority date: 1981-08-18
Filing date: 1982-08-16
Publication date: 1983-03-10
Also published as: FI69370C; US4490612A; FI69370B; JPS5839931A; JPH0348705U; FI812546L

Description

Verfahren zur Messung der Eigenschaften einer Kunststoff-Folie mittels Infrarotstrahlung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Eigenschaften, insbesondere der Dicke einer Kunststoff-Folie, bei dem die Folie von einer Infrarotstrahlung durchstrahlt wird, wobei ein Teil der Strahlung in der Folie absorbiert wird.

Wenn Eigenschaften einer Kunststoff-Folie, insbesondere deren Dicke, nach einer Methode bestimmt werden sollen, die auf der Absorption von Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) beruht, kommt es aus verschiedenen Gründen zu Meßfehlern und es bestanden bisher Schwierigkeiten, diese Fehler zu eliminieren«

So verursacht eine nicht lotrechte Oberfläche eine Brechung der IR-Strahlen, fUr die folgende Gleichung gilt.

n^| _ sin α,η

n^ sin ag (1)

In der Gleichung bedeuten:

n^| = Brechungszahl der Luft

n~ = Brechungszahl des Kunststoffs

a^| = Winkel zwischen der Normalen der

Fläche und der Strahlung in der Luft ctp = Winkel zwischen der Normalen der

Fläche und der Strahlung im Kunststoff.

Der Brechungseffekt kann in vier Hauptteile eingeteilt werden:

A. Parallele Brechung der IR-Strahlen an einer Schrägfläche, wobei die Strahlung zum Teil den Detektox^ umgeht, was zu einer Erhöhung der Meßwerte führt.

B. Streuung der IR-Strahlen durch eine gebogene Fläche, wobei die Strahlung zum Teil den Detektor umgeht, was zu einer Erhöhung der Meßwerte führt.

G. Verengung des IR-Bündels durch eine gebogene Fläche, wobei alle Strahlen in die empfindliche Zone des Detektors kommen, was zu einer Erniedrigung der Meßwerte führt.

D. Der Linseneffekt dickerer oder dünnerer Stellen, klein im Vergleich zum IR-Strahl, was zu einer Erhöhung oder Erniedrigung der Meßwerte führen kann.

Eine mikroskopisch sichtbare Unebenheit der Fläche verursacht ebenfalls eine Reflexion der Strahlung in der Fläche des Kunststoffs.

Die molekulare Struktur des Kunststoffmaterials verursacht Streuung der Strahlung, da die Sichtung eines einzelnen Strahls geändert wird, wenn der Strahl gegen die Kunststoffmoleküle trifft.

Inhomogenität des Kunststoffmaterials verursacht eine Aenderung der Absorptionszahl. Inhomogenitäten bestehen z.B. bei Variation des Gehalts an Zusatzstoffen (z.B. Titanoxid), Variation der Dichte, Variation des Orientierungsgrades, Variation der Teilchengröße, Variation der Elristallinität.

Auch der Gehalt an Substanzen, die Strahlung absorbieren und in den Veg des IR-Strahls kommen führt zu Aenderungen.

Alterung und Verunreinigung der Komponenten verursachen eine Verschiebung des Arbeitspunkts des Sj^stems.

Starke Absorption durch das Kunststoff material führt zu einem niedrigen Signalniveau und zu einem schlechten Stör-

pegelverhältnis. IR-Strahlung in der Umgebung hat ebenfalls einen Störeffekt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten Störeffekte zu eliminieren und eine besser und genauer arbeitende Meßmethode völlig neuer Art zu schaffen.

Die Erfindung beruht, neben anderen Merkmalen, auf folgenden Gedanken:

Störungen durch Brechung und Streuung des IR-Strahls, sowie durch Inhomogenität des Materials werden dadurch kompensiert, daß aus der durch die Kunststoffschicht gehende^Strahlung zwei verschiedene Wellenlängenbereiche abgetrennt werden und das Verhältnis der Intensitäten in diesen verschiedenen Wellenlängenbereichen bestimmt wird. Da die Refraktionszahl des Kunststoffmaterials innerhalb von zwei nahe beieinanderliegenden Wellenlängentireichen praktisch konstant ist, beeinflußt die Brechung nicht das Verhältnis der Intensitäten.

Störungen durch Variation der Konzentration anderer Substanzen, die Strahlung absorbieren und in den Weg der IR-Strählung gelangen (z.B. Wasserdampf) werden durch eine sorgfältige Auswahl von PiItern eliminiert. Die störenden Substanzen dürfen kein Absorptionsmaximum innerhalb der Durchlaßbereiche der Filter haben. φ

Die Verschiebung des Arbeitspunktes durch Alterung und Verunreinigung von Komponenten wird mittels einer Bezugsmessung kompensiert. Bei der Bezugsmessung wird das Verhältnis der Intensitäten der freien, nicht durch den Kunststoff gehenden Strahlung innerhalb verschiedener Durchdringungsbereiche bestimmt. Während der eigentlichen Messung wird das Verhältnis der Intensitäten der Strahlung die durch den Kunststoff durchgegangen ist mit der Bezugsmessung verglichen.

Das Signalniveau (Steuerpegel) des Indikators kann auf hohe Stufe gebracht werden durch Auswahl der Durchdringungsbereiche der Filter beim Absorptionsmaximum bei etwa 2,4- μΐη. Dieses Maximum ist typisch für Kunststoffmaterial. Innerhalb dieses Bereichs ist die Intensität von ΙΕ-Quellen relativ hoch.

Der Störfaktor wird verbessert durch Verwendung eines Synchro ndetekt or s, wodurch die Breite eines Frequenzbandes am Detektorelement klein wird. Außerdem wird die Störung der Meßfrequenz durch Vorspannung ausgefiltert.

Die Wirkung irgendwelcher IR-Strahlung aus der Umgebung wird eliminiert durch Verwendung einer unterbrochenen (zerhackten) Strahlung und durch Verwendung eines Detektors, der mit der Unterbrechungsfrequenz synchronisiert ist.

Die wichtigsten Merkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführt.

Durch die Erfindung werden u.a. folgende Vorteile erreicht. Beide Wellenlängenbereiche werden einander ergänzend zu den Detektoren geleitet, wodurch das festzustellende und pro Zeiteinheit am empfindlichen Element des Detektors ankommende Signal so hoch wie möglich ist. Erfindungsgemäß braucht man keine lange Integrationszeit für das Signal. Verglichen z.B. mit einem Zeitteilungssystem ist der Unterschied ein Vielfaches.

Erfindungsgemäß ist es möglich, einen großen Umfang von Materialien, die bei verschiedenen Intensitäten absorbieren, zu untersuchen. Die Unterschiede in der Absorption zwischen den Durchdringungsbereichen der Interferenzfilter variiert nicht ebenso ausgedehnt wie die Absorptionen selbst. Außerdem macht die gleichzeitige Messung beider Bereiche Gebrauch

von der gesamten Strahlung.

Die Verschiebung des Arbeitspunktes kann kompensiert werden mittels der Messung der freien Strahlung, d.h. mittels der Messung des Verhältnisses der sogenannten Nullintensität. Der durch die Messung des Verhältnisses der Intensitäten innerhalb von zwei Wellenlängenbereichen erreichte Vorteil ermöglicht die Eliminierung der durch den Kunststoff selbst verursachten Störungen.

Durch Auswechslung der Interferenzfilter ist es möglich, auch andere Eigenschaften des Kunststoffs zu messen, vorausgesetzt daß diese Eigenschaften ein Maximum bzw. eine Spitze in der Absorptionskurve des Kunststoffs hervorrufen.

Durch Auflösung des sogenannten Störfaktors erhält man zusätzlich Informationen über die Eigenschaften des Kunststoffs.

Da der Wellenlängenbereich eines Interferenzfilters sich ändert, wenn der Winkel zwischen der Strahlung und dem Euter geändert wird, ist es in den meisten Fällen möglich, den selben Filter in beiden Stellungen zu verwenden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden die in den Zeichnungen dargestellten Ausfiihrungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 ist eine teilweise schematische Darstellung eines Meßsystems zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Auswahl der Wellenlängenbereiche auf der Grundlage der Form der Durchdringungskurve des Kunststoffmaterials .

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild für das in Fig. 1 dargestellte System.

Pig. 4 ist ein Blockschaltbild für eine andere Ausfiihrungsform.

Gemäß Fig. 1 geht ein unterbrochenes Bündel von IR-Strahlen 1 durch die Kunststoff-Folie 2 und der größere Teil der Strahlung trifft auf das Bandpaßfilter 3, das in einem Winkel von 4-5° zur Richtung der Strahlung angeordnet ist. Der Teil der Strahlung, der nicht durch das Bandpaßfilter 3 geht, wird rechtwinklig zur ankommenden Strahlung 1 reflektiert und trifft auf das Bandpaßfilter 4. Dieses ist parallel zur ankommenden Strahlung 1 und rechtwinklig zur reflektierten Strahlung 5 angeordnet.

Die Durchlaßbereiche der Bandpaßfiltsr 3 und 4 sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ausgewählt rings um das Absorptionsmaximum 6, das ein Charakteristikum des Kunststoffs ist. Das im Winkel von 45° angeordnete Bandpaßfilter 3 wird vom Wellenlängenbereich 7 durchdrungen und das rechtwinklig zur Strahlung angeordnete Bandpaßfilter 4· wird vom Wellenlängenbereich 8 durchdrungen. Der Wellenlängenbereich 9 bleibt außerhalb der Durchlaßbereiche beider Filter, so daß dessen Strahlen durch keines dieser Filter hindurchgehen. Da der Wellenlängenbereich 8 beim Absorptionsmaximum des Kunststoffmaterials liegt, wird die Strahlung dieses Bereichs stärker im Material absorbiert als die Strahlen des Wellenlängenbereichs 7·

Der Teil der Strahlung 10, der durch das Bandpaßfilter 3 geht und im Wellenlängenbereich 7 liegt, wird mittels der Linse 11 fokussiert und trifft auf das photoempfindliche Element 13 des Detektors 12. Der Teil der Strahlung 14, der durch das Bandpaßfilter 4 geht und im Wellenlängenbereich 8 liegt, wird mittels der Linse 15 fokussiert und trifft auf das photoempfindliche Element 17 des Detektors 16. Der Teil der Strahlung 18, der nicht in eines der Filter 3 oder 4 eintritt und im Wellenlängenbereich 9 liegt, wird vom Detektor weg reflektiert. Durchreichte Neigung des Filters 4 aus der Winkelstellung von 90° zur ankommenden Strahlung 5 kann

man die Ausbildung einer stehenden Welle aus der reflektierten Strahlung 18 verhindern.

Da die Strahlung 1 unterbrochen ist, erhält man von den photoempfindlichen Elementen 13 und 17 der Detektoren 12 und 16 eine Wechselspannung. Die Amplitude dieser Spannung ist proportional zur Intensität der auf dem Detektorelement ankommenden Strahlung. Die Detektoren 12 und 16 verstärken die von den Elementen 13 und 17 kommenden Signale und filtern den Teil der Frequenz der Unterbrechung des Signals. Bei der Filterung benutzt man das Synchronisierungssignal der Frequenz der Unterbrechung, das man vom Unterbrecher erhält. Der Logarithmusmodul 20 bildet den Logarithmus des Verhältnisses der Ausgangsspannungen 21 und 22 der Detektoren und die auf diesem Wege erhaltene Ausgangsspannung 23 ist proportional der Dicke der Kunststoff-Folie 2.

Die Wirkung der Detektorkonstruktion bezüglich der Ausschaltung der Störungen beruht darauf, daß irgendwelche Ablenkung, Verbreiterung oder Verengung des Bündels der IR-Strahlen 1, die möglicherweise im Kunststoffmaterial der Folie stattfinden können, in gleicher Weise auf die photoempfindlichen Elemente 13 und I7 einwirken, wodurch die Ausgangsspannungen 21 und 22 der Detektoren unverändert bleiben. Die Detektoren 12 und 16 sind identisch. Fig. 3 zeigt ein Schaltbild der Detektoren. Die Regler 24 und 25 filtern die erforderlichen Gittervorspannungen 28 und 29 aus den Betriebsspannungen 26 und 27. Die Tiefpaßfilter ⁷Jd und 31 begrenzen die Störung (noise) in der Ausgangsspannung der Regler auf einen Pegel, der beträchtlich unterhalb des Meßbereichs liegt. Der Widerstand 32 arbeitet als Arbeitswiderstand des Detektorelements 33· Der Widerstand 32 und das Detektorelement 33 bilden eine Spannungsteilung aus, deren Teilungsverhältnis sich in Uebereinstimmung mit der Menge der am Detektorelement 33 ankommenden

IR-Strahlung ändert. Wenn die von der IR-Quelle 34 erzeugte Strahlung mittels der Kollimatorlinse 35 parallel gemacht ist (37) und mittels der Unterbrecherscheibe 36 unterbrochen wird und auf diese Weise auf das Detektorelement 33 auftrifft, wird am Verbindungspunkt 38 von Widerstand 32 und Detektorelement 33 eine Wechselspannung gebildet. Die Amplitude dieser Wechselspannung ist proportional zur Intensität der auf das Detektorelement auftreffenden Strahlung.

Die Frequenz der Spannung ist die gleiche wie die Frequenz der Unterbrechungen. Der Vorverstärker 39 verstärkt die Spannung 38 auf die Spannung 40 der Wechselstromkomponente. Mittels einer Leuchtdiode 41, eines Phototransistors 42 und eines Vergleichers 43 erhält man ein Signal 44 für die Frequenz der Unterbrechung. Ein Multiplikator 45 bildet das Produkt 46 aus den Signalen 40 und 44. Die »Stellungen der Leuchtdiode 21 und des Phototransistors 42 werden so eingestellt, daß das angezeigte Signal 28 und das Synchronisierungssi gnal 44 in der selben Phase sind. Das Tiefpaßfilter 47 filtert das vom Multiplikator 45 kommende Signal und bildet ein Ausgangssignal 48. In Uebereinstimmung mit dem Arbeitsprinzip eines Synchrondetektors ist die vom Multiplikator kommende Spannung 46 proportional zu dem Teil der Frequenz der Unterbrechung des Signals 38 und zu dessen ungeradzahligen Oberschwingungen. Die Grenzfrequenz des Filters 47 ist so gewählt, daß sie unterhalb der ersten ungeradzahligen Oberschwingung liegt. Hierdurch umfaßt die Ausgangsspannung nur den Frequenzteil der Unterbrechung des angezeigten Signals. Die Tiefpaßfilter 30 und 31 verhindern ein Summieren von Störungen der Unterbrechungsfrequenz in dem angezeigten Signal 38.

Im Rahmen der Erfindung sind auch Ausführungsformen möglich, die sich von der oben beschriebenen unterscheiden.

So kann z.B. anstelle des ersten Bandpaßfilters 3 ein halbdurchlässiger oder teilweise durchlässiger Spiegel verwendet werden und das für den ersten Wellenlängenbereich 7 durchlässige Filter kann vor der Linse 11 angeordnet sein.

Der erste Wellenlängenbereich 7 kann oberhalb des Absorptionsmaximums 6 ausgewählt sein.

Die Wellenlängenbereiche der Bandpaßfilter 3 und 4 können in umgekehrter Folge gewählt sein.

Als Absorptionsmaximum kann auch ein anderer Punkt als in Fig. 2 gewählt sein.

Anstelle eines Synchrondetektors kann die Detektorelektronik mittels eines Bandpaßfilters und eines Gleichrichters ausgeführt sein, wie in Fig. 4 gezeigt.

Der Aufstellwinkel des ersten Filters 3 muß nicht 45° betragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch fiir Beflexionsmessungen angewendet werden. In diesem Fall wird die Strahlungsquelle und der Detektor auf der selben Seite der zu untersuchenden Kunststoff-Folie angeordnet.

Es ist auch möglich, daß - in Uebereinstimmung mit dem Zeitteilungsprinzip - zwei verschiedene Strahlungen eine nach der anderen angewendet werden. In diesem Fall verwendet man z.B. zwei rotierende Filter.

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Claims

PATENTANWALT DR.-ING. LOTTERHOS

FRANKFURT (MAIN)I

LICHTENSTEINSTRASSE 3
FERNSPRECHER: (0611) 55506t
TELEGRAMME: LOMOSAPATENT
LANDESZENTRALBANK 50007 M9
POSTSCHECK-KONTO FFM. 1667-609

Patentansprüche

III/T FRANKFURT (MAIN), 13· August 1982

Verfahren zur Messung der Eigenschaften, insbesondere der Dicke, einer Kunststoff-Folie, bei dem die Folie (2) von einer Infrarotstrahlung durchstrahlt wird, wobei ein Teil der Strahlung in der Folie absorbiert wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) von der durch die Folie gegangenen Strahlung wird ein erster Wellenlängenbereich (7) und ein zweiter Wellenlängenbereich (8) abgetrennt, dessen Wellenlänge (λ) nahe bei dem ersten Wellenlängenbereich (7) liegt, wobei der zweiteWellenlängenbereich (8) beim Absorptionsmaxiraum des Kunststoffmaterials der zu prüfenden Folie liegt;

b) die den ersten Wellenlängenbereich (7) umfassende Strahlung (10) wird zu einen ersten Detektor geleitet und gleichzeitig wird die den zweiten Wellenlängenbereich (8) umfassende Strahlung (14·) zu einem zweiten Detektor (16, 17) geleitet;

c) das Verhältnis der Ausgangssignale beider Detektoren (12, 13 und 16,17) wird errechnet und auf Basis dieses Verhältnisses wird der Wert der betreffenden Eigenschaft, z.B. der Foliendicke, am Meßpunkt festgestellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß man eine unterbrochene Strahlung (1) anwendet und mittels der Detektoren (12 und 16) die ankommenden Signale verstärkt und den Teil der Frequenz der Unterbrechung aus dem Signal herausfiltert.
3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß man zur Filterung ein Synchronisierungssignal (19) verwendet, das man vom Unterbrecher oder vom nachzuweisenden Signal erhält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man identische Detektoren (12 und 16) einsetzt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verschiebung des Arbeitspunkts kompensiert mittels einer Bezugsmessung, wobei das Verhältnis der Intensitäten der freien, nicht durch die Folie gehenden Strahlung innerhalb verschiedener Wellenlängenbereiche (7 und 8) gemessen wird und das Verhältnis der Intensitäten der die Folie passierenden Strahlung mit dieser Bezugsmessung verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wellenlängenbereiche (7 und 8) aus der durch die Folie gegangenen Strahlung trennt mittels eines ersten partiell reflektierenden Filters (3), das die Strahlen des ersten Wellenlängenbereichs (7) durchläßt und andere Strahlen reflektiert, und mittels eines zweiten partiell reflektierenden Filters (4), dem die vom ersten Filter (3) reflektierten Strahlen zugeleitet werden, wobei der zweite Filter (4) die Strahlen (14) des zweiten Wellenlängenbereichs (8) durchläßt und alle anderen Strahlen reflektiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filter (3) in einem Winkel von 45° zur Richtung der ankommenden Strahlung angeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7t

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filter (4) in einem leicht von 90° abweichenden Winkel zur Richtung der ankommenden Strahlung oder in einem leicht von 45° abdeichenden Winkel im Verhältnis zum ersten Filter (3) angeordnet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, daß man Interferenz-Bandpaßfilter als Filter (3,4) verwendet.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wellenlängenbereiche (7_?8) aus der durch die Folie (2) gegangenen Strahlung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels wie auch mittels zweier Bandpaßfilter trennt.