DE3248157C2 - - Google Patents

Description

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 kontinuierliche 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 Pro­ dukten 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 Meß­ vorrichtung von hoher Genauigkeit benötigt.

Bekannt sind Meßvorrichtungen unter Verwendung von Strahlen, z. B. Röntgenstrahlen oder Betastrahlen. Auf­ grund der hierbei zu beachtenden strengen Sicherheits­ vorschriften können diese Vorrichtungen aber nicht über­ all eingesetzt und insbesondere nicht von ungelerntem Personal gehandhabt werden. Auch ist die Meßgenauigkeit dieser Vorrichtungen häufig nicht genügend. Diese Vor­ richtungen haben daher nur beschränkt Verwendung gefun­ den.

Bekannt sind ferner Meßvorrichtungen, die anstelle von Röntgen- oder Betastrahlen Infrarotstrahlen verwenden, z. B. gemäß US-PS 39 73 122. 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, ins­ besondere wenn diese z. B. aus einer hochpolymeren Ver­ bindung besteht.

Der in US-PS 39 73 122 beschriebene Meßapparat um­ faßt einen schwarzen Strahler oder Hohlraumstrahler, der gebündelte Infrarotstrahlen von bestimmter Wellenlänge auf einen auf einen Träger laminierten Film aussendet, sowie ein elektronisches Pyrometer zum Messen der von der Oberfläche des Substrats reflektierten Infrarot­ strahlungsbündel, wobei die Dicke der Beschichtung auf der Basis der Intensität der reflektierten Infra­ rotstrahlen 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 er­ zielt 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 Werk­ stoffen mit hoher Genauigkeit messen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Vorrichtung, bei der der Einfluß der von der Be­ schichtung selbst sowie dem Substrat aufgrund deren Eigen­ temperatur 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 z. B. Metallblech, umfaßt: 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 Wellenlängenbereich, der sowohl von dem Strahler ausgesendete und von der Substrat­ oberfläche durch die Beschichtung hindurch reflek­ tierte Infrarotstrahlen als auch von der Beschichtung und dem Substrat aufgrund ihrer Eigentemperatur aus­ gesendete Infrarotstrahlung umfaßt; Infrarotsensoren, von denen einer die Intensität der vom Substrat re­ flektierten Infrarotstrahlen mißt und sie in ent­ sprechenden elektrische Signale umwandelt, während der andere Sensor die Intensität der Infrarot-Eigen­ strahlung sowohl der Beschichtung als auch des Sub­ strates detektiert und sie in entsprechende elektrische Signale Umwandelt; eine Bezugssignalquelle, in der verschiedene vorweggemessene Bezugskoeffizienten für die Infrarotabsorption in Bezug auf verschiedene Dicken der Beschichtung und/oder verschiedene Be­ schichtungsmaterialien sowie verschiedene vorweg­ gemessene Bezugs-Reflektionskoeffizienten bezüglich verschiedener Arten von Reflektionsoberflächen von verschiedenen Substraten gespeichert sind und diesen Bezugskoeffizienten entsprechende Bezugssignale 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 wieder­ geben, 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 Ge­ nauigkeit 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 Aus­ führungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Meßvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendete Drehscheibe.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist mit 1 das zu messende Objekt, z.B. ein lakiertes Blech be­ zeichnet, welches aus einem Träger 1 und einer damit ver­ bunden, z.B. laminierten, Beschichtung 2 besteht. Dieses Werkstück wird in Richtung des Pfeiles P durch einen (nicht dargestellten) Förderer gefördert.

Die Meßvorrichtung umfaßt eine Infrarotdetektorein­ richtung 4, die im Förderweg des Werkstückes 1 so ange­ ordnet ist, daß sie der die Beschichtung 3 tragenden Seite zugewendet ist. Die Infrarotdetektoreinrichtung 4 umfaßt ein Gehäuse 5, einen schwarzen Strahler oder Hohlraum­ strahler 6 zum Aussenden der Infrarotstrahlung auf das Werkstück 1, sowie einen im wesentlichen gleichgeformten Hohlraum 8, der neben und in Förderrichtung des Werk­ stückes 1 hinter dem Hohlraumstrahler 6 angeordnet ist.

Der Hohlraumstrahler 6 kann im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie der Hohlraumstrahler gemäß der US-PS 39 73 122 aufweisen. Insbesondere kann der Hohl­ raumstrahler 6 einen halbkugelförmigen Hohlraum auf­ weisen, der am Scheitelpunkt ein Loch 7 aufweist und elektrisch auf eine konstante Temperatur unter der Kon­ trolle eines (nicht dargestellten) thermostatischen Reglers aufgeheizt wird, um das Werkstück 1 Infrarot­ strahlen auszusetzen, die einen Wellenlängenbereich auf­ weisen, 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 aus­ gesandten Infrarotstrahlen treten in die Beschichtung 3 ein und werden an der Oberfläche 2 a des Trägers 2 reflek­ tiert, und treten dann erneut durch die Beschichtung 3 hindurch und laufen dann durch das Loch 7 des Hohlraum­ strahlers. Die durch das Loch 7 tretende Infrarotstrahlung umfaßt nicht nur die am Werkstück reflektierten Infrarot­ strahlen, sondern auch solche Infrarotstrahlen, die von dem Werkstück 1 aufgrund von dessen Eigentemperatur ab­ gestrahlt werden.

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

Die Infrarotdetektoreinrichtung umfaßt ferner eine Drehscheibe 10 mit einer Vielzahl von Bandpaßfiltern 11, die Infrarotstrahlung aus den Löchern 7 und 9 der Hohl­ räume 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 konzen­ trischer 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, z.B. den Bereich von 1 bis 3 µm oder von 3 bis 6 µm.

Die Infrarotsensoren 16 und 17 detektieren die durch die Filter 11 durchgetretene Infrarotstrahlung, sowie diejenige Infrarotstrahlung, die von dem Scheibenkörper 12 an sich aufgrund von dessen Eigentemperatur 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 zu­ geordneten Signalverarbeitungsschaltungen 18 und 19 zu. In jeder dieser Signalverarbeitungsschaltungen 18 und 19 werden die Signale, die der durch die Filter 11 durchge­ lassenen Infrarotstrahlung entsprechen, und die Signale, die der Eigenstrahlung des Scheibenkörpers 12 entsprechen, miteinander verglichen, und es werden Signale, die die Differenz zwischen diesen beiden Arten von Infrarot­ strahlung darstellen, erzeugt und in einen Vergleicher 21 eingegeben, der Bestandteil einer Verarbeitungsein­ heit 20 ist. Mit anderen Worten, die in der Signalver­ arbeitungsschaltung 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 repräsen­ tieren die von der Signalverarbeitungsschaltung 19 er­ zeugten Signale nur die Menge der Infrarotstrahlung, die von dem Werkstück 2 aufgrund seiner Eigentemperatur ab­ gestrahlt 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 18 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 Be­ schichtung 3 des Werkstückes hindurchgetreten ist, ohne Einschluß der vom Werkstück 1 aufgrund seiner Temperatur abgegebenen Eigenstrahlung.

Es ist ferner eine Bezugssignalquelle 23 vorge­ sehen, in der Bezugsdaten, insbesondere verschiedene Bezugskoeffizienten für die Infrarotabsorption für verschiedene Dicken von Beschichtungen 2 sowie ver­ schiedene Bezugs-Reflektionskoeffizienten in Bezug auf die Oberfläche 2 a von verschiedenen Unterlagen oder Trägerwerkstoffen 2 gespeichert sein können. Be­ zugssignale, die diese Koeffizienten für die Infrarot­ absorption und die Reflektionskoeffizienten repräsen­ tieren, werden von der Bezugssignalquelle 23 der Funktions­ konvertierschaltung 22 zugeführt. Ferner ist eine Eingabe­ schaltung 24 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 2 a des Trägers 2 hängen ab von den Bearbeitungsbedingungen wie z.B. der Rauheit der Oberfläche des Trägers 2 sowie der Dicke einer z.B. durch chemische Umwandlung erzeugten Be­ schichtung auf der Oberfläche 2 a des Trägers 2. Elektrische Korrektursignale entsprechend diesen Vorbehandlungsbedingungen können daher in solcher Weise erzeugt und der Funktionskon­ vertierschaltung 22 zugeführt werden, daß die von der Bezugssignalquelle 23 der Funktionskonvertierschaltung 22 zugeführten Bezugssignale durch die entsprechenden Korrektursignale vom Korrekturdateneingang 24 korri­ giert werden.

In der Funktionskonvertierschaltung 22 werden die von dem Vergleicher 21 zugeführten Signale auf der Grund­ lage einer bestimmten Umwandlungsformel unter Verwendung der Bezugsinformation, nämlich der die Bezugs-Absorptions­ koeffizienten für die Beschichtung 3 und die Bezugs-Reflek­ tionskoeffizienten für die Oberfläche 2 a 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 Vor­ richtung (nicht dargestellt) zwecks Einhaltung einer kon­ stanten Beschichtungsdicke verwendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der be­ schriebenen 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 Infrarot­ strahlen von dem Hohlraumstrahler 6, je nach der Förder­ 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 16 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 auf­ weist. Solche und ähnliche Abwandlungen der Vorrichtung liegen im Rahmen der Erfindung.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Beschichtung auf einer Unterlage mit einem Infrarotstrahler, der kon­ tinuierlich konstante Infrarotstrahlung auf das Werk­ stück abgibt, mit einer Meßvorrichtung für die vom Werkstück kommende Infrarotstrahlung, mit einem Band­ paßfilter (11) für den Durchtritt von Infrarotstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich, der die von dem Infrarotstrahler (6) erzeugte und von der Unter­ lage (2) durch die Beschichtung (3) hindurch reflektierte Infrarotstrahlung und vom Werkstück (1) aufgrund von dessen Eigentemperatur ausgestrahlte Infrarotstrahlung umfaßt, mit einem Sensor (16) zum Detektieren der Intensität der vom Werkstück (1) reflektierten Infra­ rotstrahlung und der Eigenstrahlung des Werkstücks (1), und mit einem Bezugsgrößenspeicher, in dem verschiedene vorweggemessene Bezugskoeffizienten für die Infrarot­ absorption bei verschiedenen Beschichtungsdicken, so­ wie verschiedener vorweggemessener Bezugsreflexions­ koeffizienten für verschiedene Arten von reflektierenden Oberflächen von verschiedenen Unterlagen gespeichert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Sensor (17) vorgesehen ist zum Detektieren der Intensität der Eigenstrahlung des Werkstücks (1), daß mehrere Bandpaßfilter (11) kranzförmig auf einer Drehscheibe (10) angeordnet sind, derart, daß sie bei Drehung der Drehscheibe (10) abwechselnd Infrarot­ strahlung durchlassen und sperren und daß eine Ver­ arbeitungseinheit (20) vorgesehen ist, in der die Signale, die der durch die Bandpaßfilter (11) durch­ gelassene Infrarotstrahlung entsprechen und die Signale, die der Eigenstrahlung der Drehscheibe (10) entsprechen, miteinander verglichen werden und Signale erzeugt werden, die der Differenz zwischen diesen beiden Arten von Infrarotstrahlung entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Infrarotstrah­ ler ein Hohlraumstrahler (6) ist mit einem halb­ kugelförmigen Hohlraum, von dessen Innenfläche die Infrarotstrahlen emittiert werden und der am Schei­ tel ein Loch (7) zum Durchlassen der vom Werkstück (1) reflektierten Infrarotstrahlung zum Bandpaßfilter (11) und dem Sensor (16) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zweiter Hohl­ raum (8) vorgesehen ist, der dem Hohlraumstrahler (6) in Förderrichtung des Werkstücks (1) benachbart an­ geordnet ist und an seinem Scheitel ein Loch (9) zum Durchlassen der vom Werkstück (1) aufgrund seiner Temperatur ausgestrahlten Infrarotstrahlung zu dem Bandpaßfilter (11) und dem zweiten Sensor (17) auf­ weist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verarbeitungs­ einheit (20) eine Korrekturdateneingabeschaltung (24) aufweist, in der Korrekturdaten in Bezug auf eine den Reflektionskoeffizienten der Unterlage (2) be­ einflussende Vorbehandlung der Unterlage (2) einge­ geben bzw. gespeichert und dann in die Verarbeitungs­ einheit (20) zur Korrektur der von der Bezugssignal­ quelle (23) zugeführten Reflektionskoeffizienten eingegeben werden können.