DE3248157A1

DE3248157A1 - Vorrichtung zum messen der dicke einer beschichtung auf einer unterlage

Info

Publication number: DE3248157A1
Application number: DE19823248157
Authority: DE
Inventors: Masanori Ibaraki Osaka Hori; Masao Osaka Tanabe; Yoshiyasu Ibaraki Osaka Terasaka
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 1981-12-29
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1983-07-07
Also published as: JPS6217167B2; US4549079A; FR2519139A1; FR2519139B1; JPS58115306A; DE3248157C2

Description

GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER ...... PATENTANWÄLTE 3248157

.·* :* ' EUROPEAN RfKTENTATTORNEYS

RICHARD GLAWE KLAUS OELFS OR.-ING DIPL-ING. ULRICH MENGDEHL WALTER MOLL DIPL-CHEM. DR. RER. NAT. DIPL-PHYS DR RER. NAT. HEINRICH NIEBUHR OFF BEST DOLMETSCHER DIPL-PHYS. DR. PHIL HABlL.

Chugai Ro Kogyo Co., Ltd. 4-7, Kyomachibori 2-chome Nishi-ku, Osaka-shi Osaka-fu, Japan

8000 MÜNCHEN 26	2000 HAMBURG 13
POSTFACH 162	POSTFACH 25 70
UEBHERRSTR. 20	ROTHENBAUM-
TEL. (089) 22 65 48	CHAUSSEE 58
TELEX 5 22 505 SPEZ	TEL (040) 4102008
TELECOPIER (089) 223938	TELEX 212921SPEZ
MÜNCHEN
A 35

Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Beschichtung auf einer Unterlage

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Beschichtung auf einer Unterlage, z. B. der Dicke einer Farbschicht, Lackschicht oder Kunststoffschicht auf einem Metallblech oder dergleichen, und zwar durch kontinuierlich« Messung unter Verwendung von Infrarotstrahlen.

Mit Farbe, Lack, Kunststoff, Kautschuk oder dergleichen beschichtete Bleche oder sonstige Unterlagen werden in den verschiedensten Industriezweigen zur Herstellung von Produkten wie z. B. Baumaterialien, Geräten, Konservendosen oder dergleichen verwendet. Es ist in vielen Fällen wichtig,

hierbei eine Beschichtung von sehr genau eingehaltener Dicke aufzubringen, und "zu diesem Zweck wird eine Meßvorrichtung von hoher Genauigkeit benötigt.

Bekannt sind Meßvorrichtungen unter Verwendung von Strahlen, z. B, Röntgenstrahlen oder Betastrahlen. Aufgrund der hierbei zu beachtenden strengen Sicherheitsvorschriften können diese Vorrichtungen aber nicht überall eingesetzt und insbesondere nicht von ungelerntem Personal gehandhabt werden. Auch ist die Meßgenauigkeit dieser Vorrichtungen häufig nicht genügend. Diese Vorrichtungen haben daher nur beschränkt Verwendung gefunden.

Bekannt sind ferner Meßvorrichtungen, die anstelle von Röntgen- oder Betastrahlen Infrarotstrahlen verwenden,

z. B. gemäß US-PS 3 973 122. Meßvorrichtungen dieser Art nützen die Tatsache aus, daß ein Teil der Infrarotstrahlen in einem bestimmten Wellenlängenbereich beim Durchtritt durch die Beschichtung von dieser absorbiert werden, insbesondere wenn diese z. B. aus einer hochpolymeren Ver-

!0 bindung besteht. ■

Der in US-PS 3 973 122 beschriebene Meßapparat umfaßt einen schwarzen Strahler oder Hohlraumstrahler, der gebündelte Infrarotstrahlen von bestimmter Wellenlänge auf einen auf einen Träger laminierten Film aussendet,

■ - 2 -

sowie ein elektronisches Pyrometer zum Messen der von der Oberfläche des Substrats reflektierten Infrarotstrahlungsbündel, wobei die Dicke der Beschichtung auf der Basis der Intensität der reflektierten Infrarotstrahlen gemessen wird, von denen ein Teil bei ihrem Durchtritt durch die Beschichtung absorbiert worden ist.

Mit dieser bekannten Vorrichtung kann jedoch eine hohe Meßgenauigkeit nicht konstant und gleichmäßig in Bezug auf verschiedene Arten von Beschichtungen erzielt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Beschichtung unter Verwendung von Infrarotstrahlen zu schaffen, die die Dicke von Beschichtungen auf verschiedenen Werkstoffen mit hoher Genauigkeit messen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Vorrichtung, bei der der Einfluß der von der Beschichtung selbst sowie dem Substrat aufgrund deren· Eigentemperatur ausgestrahlten Infrarotstrahlung eliminiert und dadurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Dicke von Beschichtungen, Anstrichen, Lackierungen, Kaschierungen und dergleichen auf einer Unterlage, wie

ζ« B. Metallblech, umfaßts einen schwarzen Strahler oder Hohlraumstrahler, der kontinuierlich konstante Infrarotstrahlen in Richtung auf die Beschichtung des Substrats aussendet, welches kontinuierlich in einer Richtung gefördert wird? mindestens"ein Band» passfilter zum Durchlassen von Infrarotstrahlen in einem vorgegebenen Wellenlä"ng©nbereieh, der sowohl von dem Strahler ausgesendete und von der Substratoberfläche durch die Beschichtung hindurch reflektierte Infrarotstrahlen als auch von der Beschichtung und dem Substrat aufgrund ihrer Eigentemperatur ausgesendete Infrarotstrahlung umfaßt,· Infrarotsensoren, von denen einer die Intensität der vom Substrat reflektierten Infrarotstrahlen mißt und sie in. entsprechende, .elektrische Signale umwandelt, während der andere Sensor die Intensität der Infrarot-Eigenstrahlung sowohl der Beschichtung als auch des Substrates detektiert und sie in entsprechende elektrische Signale Umwandelt; eine BezugsSigna!quelle, in der verschiedene vorweggemessene Bezugskoeffizienten für die Infrarotabsorption in Bezug auf verschiedene Dicken der Beschichtung und/oder verschiedene Beschichtungsmaterialien sowie verschiedene vorweggemessene Bezugs-Reflektionskoeffizienten bezüglich

>5 verschiedener Arten von Reflektionsoberflachen von verschiedenen Substraten gespeichert sind und diesen Bezugskoeffizienten entsprechende Bezugssignale

- 4 - ■

erzeugbar sind; und eine Signalverarbeitungseinheit in der die Signale von beiden Infrarotsensoren miteinander verglichen werden und Signale, die nur die Intensität der vom Substrat reflektierten Infrarotstrahlung wiedergeben, nach Verarbeitung auf der Grundlage der von der Bezugssignalquelle gelieferten Bezugskoeffizienten als die Dicke der Beschichtung repräsentierende Signale erzeugt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Dicke von verschiedenen Arten von Beschichtungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Da der Signalverarbeitung nur derjenige Signalanteil zugrundegelegt wird, der die an der Substratoberfläche reflektierte Strahlung darstellt, wird der Einfluß der Eigenstrahlung des Substrates und der Beschichtung aufgrund ihrer Eigentemperatur völlig ausgeschaltet und damit die Meßgenauigkeit weiter verbessert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausf'Uhrungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Meßvorrichtung

gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ;

5 -

t ■

O O / Q 1 C

Fig» 2 ©ine Draufsicht auf die in der Vorrichtung nach Fig_o 1 verwendete Drehscheibe.

B@i der in Fig_o 1 dargestellten Vorrichtung ist mit 1 das zu messende Objekt„ Z₀B₀ ein lakiertes Blech bezeichnet ₉ welches aus einem Träger 1 und einer damit verbunden, ZoBo laminierten, Beschichtung "2 "besteht» Dieses Werkstück wird in Richtung des Pfeiles P durch ©inen (nicht dargestellten) Förderer geförderte

Die Meßvorrichtung umfaßt eine Infrarotdetektoreinrichtung U₉ die im Förderweg des Werkstückes 1 so angeordnet ist j daß sie der die Beschichtung 3 tragenden Seite zugewendet ist« Die Infrarotdetektoreinrichtung 4 umfaßt ©in Gehäuse 5, einen schwarzen Strahler oder Hohlraum» strahler 6 zum Aussenden der Infrarotstrahlung auf das Werkstück 1₉ sowie einen im wesentlichen gleichgeformten Hohlraum 8„ der neben und in Förderrichtung des Werk·= Stückes 1 hinter dem Hohlraumstrahler β angeordnet ist»

Der Hohlraumstrahler 6 kann im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie der Hohlraumstrahler gemäß der US=PS 3 973 122 aufweisen» insbesondere kann der Hohlraumstrahler β einen halbkugelförmigen Hohlraum aufweisen,, der am Scheitelpunkt ein Loch 7 aufweist und elektrisch auf eine konstant© Temperatur unter der Kon» trolle eines (nicht dargestellten) thermostatisehen

- 6

Reglers aufgeheizt wird, um das Werkstück 1 Infrarotstrahlen auszusetzen, die einen Wellenlängenbereich aufweisen, der Wellenlängen umfaßt, die von der Beschichtung 3 auf der Unterlage 2 des durchlaufenden Werkstückes stark absorbiert werden.

Die von der Innenfläche des Hohlraumstrahlers 6 ausgesandten Infrarotstrahlen treten in die Beschichtung 3 ein und werden an der Oberfläche 2a des Trägers 2 reflektiert, und treten dann erneut durch die Beschichtung 3 hindurch und laufen dann durch das Loch 7 des Hohlraumstrahlers. Die durch das Loch 7 tretende Infrarotstrahlung umfaßt nicht nur die am Werkstück reflect^; -■?.· ten Infrarotstrahlen, sondern auch solche Infrarotstrahlen, die von dem Werkstück 1 aufgrund von dessen Eigentemperatur abgestrahlt werden.

Der andere Hohlraum 8 hat die gleiche Form mit einem Loch 9, welches die von dem Werkstück 1 aufgrund von dessen Eigente.mperatur ausgestrahlten Infrarotstrahlen hindurchtreten läßt.

Die Infrarotdetektoreinrichtung umfaßt ferner eine Drehscheibe 10 mit einer Vielzahl von Bandpassfiltern 11, die Infrarotstrahlung aus den Löchern 7 und 9 der Hohlräume 6 und 8 durchtreten lassen, Sammellinsen 14 und 15, die die durch die entsprechenden Teile der Drehscheibe 11 durchgetretenen Strahlen bündeln und sie auf ,je einen

Infrarotsensor 16 und 17 konzentrieren»

Die Drehscheibe 10 ist so angeordnet, daß sie durch einen Elektromotor 13 mit vorgegebener konstanter Drehzahl rotiert. Die Bandpassfilter 11 sind in konzentrischer Anordnung auf dem Scheibenkörper 12 angeordnet, so daß sie die Infrarotstrahlen von dem Werkstück 1 empfangen« Jedes Filter 11 gestattet den Durchtritt eines bestimmten Wellenlängenbereichs j, z.B. den Bereich von 1 bis 3 μω oder von 3 bis β μηι.

Die Infrarotsensoren 16 und 17 detektieren die durch die Filter 11 durchgetretene Infrarotstrahlung, sowie diejenige Infrarotstrahlung, die von dem Scheibenkörper an sich aufgrund von dessen Sigentemperatur ausgestrahlt wird, wobei der Scheibenkörper 12 insbesondere durch die Nachbarschaft zu dem Hohlraumstrahler 6 aufgeheizt wird.

Die Infrarotsensoren 16 und 17 wandeln die ihnen zugeführte Infrarotstrahlung in elektrische Signale um, die der Menge der Infrarotstrahlung entsprechen» und führen diese Signale in einer zeitlich versetzten Art bzw«, im Zeitmultiplex zugeordneten Signalverarbeitungsschaltungen 18 und 19 zu. In jeder dieser Signalverarbeitungsschaltungen 18 und 19 werden die Signale, die der durch die Filter 11 durchgelassenen Infrarotstrahlung entsprechen;, und die Signale, die der Eigenstrahlung des Scheibenkörpers 12 entsprechen,, miteinander verglichen„ und es werden Signale, die die

=» 8

Differenz zwischen diesen beiden Arten von Infrarotstrählung darstellen, erzeugt und in einen Vergleicher 21 eingegeben, der Bestandteil einer Verarbeitungseinheit 20 ist. Mit anderen Worten, die in der Signalverarbeitungsschaltung 18 erzeugten Signale repräsentieren die Gesamtmenge sowohl der vom Werkstück 2 reflektierten Strahlung als auch der vom Werkstück 2 ausgestrahlten Eigenstrahlung, jedoch ohne Einschluß der durch die Temperatur des Hohlraumstrahlers selbst in der Meß-Vorrichtung erzeugten Strahlung. Andererseits repräsentieren die von der Signalverarbeitungsschaltung 19 erzeugten Signale nur die Menge der Infrarotstrahlung, die von dem Werkstück 2 aufgrund seiner Eigentemperatur abgestrahlt wird, jedoch ohne Einschluß der aufgrund der Temperatur des Hohlraumstrahlers 6 in der Vorrichtung selbst erzeugten Strahlung.

Die Verarbeitungseinheit 20 umfaßt den genannten Vergleicher 21 und eine Funktionskonvertierschaltung 22. In dem Vergleicher 21 werden die Signale von den Signal-Verarbeitungsschaltungen 13 und 19 miteinander verglichen, und Signale, die die Differenz zwischen den Signalen von den Signalverarbeitungsschaltungen 18 und 19 darstellen, werden umgewandelt in Signale, die die Absorption in Bezug auf die Beschichtung 2 des Werkstückes 1 repräsentieren, und diese Signale werden in die Fuktionskonvertierschaltung 22 eingegeben. Die genannte Differenz kennzeichnet nur den

Betrag derjenigen Infrarotstrahlung;, die durch die Beschichtung 3 des Werkstückes hindurchgetreten ist, ohne Einschluß der vom Werkstück 1 aufgrund seiner Temperatur abgegebenen Eigenstrahlung.

Es ist ferner eine Bezugssignalquelle 23 vorgesehen, in der Bezugsdaten, insbesondere verschiedene Bezugskoeffizienten für die Infrarotabsorption für verschiedene Dicken von Beschichtungen 2 sowie verschiedene Bezugs-Reflektionskoeffizienten in Bezug auf die Oberfläche 2a von verschiedenen Unterlagen oder Trägerwerkstoffen 2 gespeichert sein können= Bezugssignale, die diese Koeffizienten für die Infrarotabsorption und die Reflektionskoeffizienten repräsentieren, werden von der Bezugssignalquelle 23 der Funktionskonvertierschaltung 22 zugeführt» Ferner ist eine Eingabeschaltung 2h für Korrekturdaten vorgesehen* über welche Korrekturdaten bezüglich der Behandlungsbedingungen des Metallblechs oder dergleichen Trägers in einer vorhergehenden Bearbeitungsstufe kontinuierlich oder periodisch zugeführt werden können« Die Reflektionskoeffizienten der Oberfläche 2a des Trägers 2 hängen ab von den Bearbeitungsbedingungen wie ZoBo der Rauheit der Oberfläche des Trägers 2 sowie der Dicke einer ZoB₀ durch chemische Umwandlung erzeugten Beschichtung auf der Oberfläche 2a des Trägers 2„ Elektrische Korrektursignale entsprechend diesen Vorbehandlungsbedingungen können daher in solcher Weise erzeugt und der Funktionskon-

10 -

vertierschaltung 22 zugeführt werden, daß die von der Bezugssignalquelle 23 der Funktionskonvertierschaltung 22 zugeführten Bezugssignale durch die entsprechenden Korrektursignale vom Korrekturdateneingang 24 korrigiert werden.

In der Funktionskonvertierschaltung 22 werden die von dem Vergleicher 21 zugeführten Signale auf der Grundlage einer bestimmten Umwandlungsformel unter Verwendung der Bezugsinformation, nämlich der die Bezugs-Absorptionskoeffizienten für die Beschichtung 3 und die Bezugs-Reflektionskoeffizienten für die Oberfläche 2a des.Trägers 2 darstellenden Signale, verarbeitet, und hierdurch werden Signale, die die Dicke der Beschichtung 2 darstellen, erzeugt und einer Anzeigeeinrichtung 25 zugeführt, an der die Dicke der Beschichtung 2 angezeigt werden kann. Die die Dicke der Beschichtung 2 darstellenden Signale können auch zum Steuern einer die Beschichtung aufbringenden Vorrichtung (nicht dargestellt) zwecks Einhaltung einer konstanten Beschichtungsdicke verwendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann der Hohlraum 8 auch in Bezug auf die Förderrichtung des Werkstücks 1 vor dem Hohlraumstrahler 6 angeordnet sein, da die Aufheizung des Werkstücks durch die Infrarotstrahlen von dem Hohlraumstrahler 6, je nach der Förder-

- 11 -

geschwindigkeit des Werkstücks, in der Regel sehr gering ist. Ferner können die Signale„ die die Menge der vom Scheibenkörper 12 abgegebenen Eigenstrahlung darstellen, getrennt von den Infrarotsensoren 1.6 und 17 gesondert erfaßt und z. B. in die Korrekturdateneingabeschaltung 24 eingegeben werden« Ferner brauchen die Filter 11 nicht auf der Drehscheibe angeordnet sein, sondern können auch stationär angeordnet werden, wobei lediglich eine Drehscheibe mit Löchern verwendet wird/ die periodisch den Durchgang der Strahlung zu den feststehenden Filtern 11 freigibt. Auch ist es möglich., die Drehscheibe 10 so auszubilden, daß sie nur ein einziges Bandpassfilter aufweist. Solche und ähnliche Abwandlungen der Vorrichtung liegen im Rahmen der Erfindung»

L e e r s e i t e

Claims

1./ Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Beschichtung auf einer Unterlage, mit einem Hohlraumstrahler, · der kontinuierlich konstanter Infrarotstrahlung auf das Werkstück abgibt, und einer Meßvorrichtung für die vom 7/erkstück kommende Infrarotstrahlung, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung mindestens ein Bandpassfilter (11) für den Durchtritt von Infrarotstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich aufweist, der von dem Hohlraumstrahler(6)erzeugte und von der Unterlage (2) durch die Beschichtung (3) hindurch reflektierte Infrarotstrahlung und vom Werkstück (1)

aufgrund von dessen Eigentemperatur ausgestrahlte Infrarotstrahlung umfaßt, daß ein Sensor (16) zum Detektieren der Intensität der vom Werkstück (1) reflektierten Infrarotstrahlung und ein Sensor (17) zum detektierender Eigenstrahlung des Werkstücks (1), sowie zum Erzeugen entsprechender elektrischer Signale vorgesehen sind, daß eine Bezugssignalquelle (23) vorgesehen ist, in der verschiedene vorweggemessene Bezugskoeffizienten für die Infrarotabsorption bei verschiedenen Beschichtungsdicken sowie verschiedener vorweggemessenen Bezugs-Reflektionskoeffizienten für verschiedene Arten von reflektierenden Oberflächen von verschiedenen Unterlagen gespeichert sind und diesen Bezugskoeffizienten entsprechende Signale erzeugt und einer Verarbeitungseinheit (20) zugeführt v/erden, und daß in der Verarbeitungseinheit (20) die Signale von den Infrarotsensoren (16, 17) miteinander verglichen werden und Signale, die nur die Intensität der vom Werkstück reflektierten Infrarotstrahlung repräsentieren, nach Verarbeitung auf der Grundlage der von der Bezugssignalquelle (22) zugeführten Bezugskoeffizienten als die Dicke der Beschichtung (3) darstellende Signale erzeugt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlraumstrahler (6) einen halbkugelförmigen Hohlraum aufweist, von dessen Innenfläche die Infrarotstrahlen emittiert werden und der am Scheitel ein Loch (7) zum Durchlassen der vom Werkstück (1

— 2 —

reflektierten Infrarotstrahlung zu dem Bandpassfilter (11) aufweist»

3. Vorrichtung nach Anspruch. 2,. dadurch, g e kennzeichnet , daß ein zweiter Hohlraum (8) vorgesehen istjder den Hohlraumstrahler (6) in Förderrichtung des Werkstücks (1) benachbart angeordnet ist und.an seinem Scheitel ein Loch (9) zum Durchlassen der vom Werkstück (1) aufgrund seiner Temperatur ausgestrahlten Infrarotstrahlung zu dem Bandpassfilter (11) aufweist.

4_O Vorrichtung nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Bandpassfilter (11) kranzförmig auf einer Drehscheibe (10) angeordnet sind derart, daß sie bei Drehung der Drehscheibe (10) abwechselnd Infrarotstrahlung von den Löchern (7, 9) der beiden Hohlräume (6, 8) empfangen.

5ο Vorrichtung nach Anspruch h_f dadurch gekennzeichnet s <äaß die Verarbeitungseinheit (20) eine Korrekturdateneingabeschaltung (24) aufweist, in der Korrekturdaten in Bezug auf ©ine den Reflektionskoeffizienten der Unterlage (2) beeinflussend® Vorbehandlung der Unterlag© (2) ©ingegeben b.zv/_o gespeichert und dann, in-die Ver~ arbeitungseinheit (20) zur Korrektur der von der Bezugssignalquelle (23) sugeführten Reflektionskoefflzienten eingegeben werden können, -