DE4007363A1 - Verfahren zur messung der dicke einer schicht auf einem traegermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mes­ sung der Dicke einer Schicht auf einem Träger­ material unter Verwendung von berührungslos arbeitenden Sensoren.

Auf den unterschiedlichsten Gebieten der Tech­ nik werden Trägermaterialien mit Schichten un­ terschiedlichster chemischer Zusammensetzung versehen. Hierzu zählen unter anderem das Aufbringen von Lackierungen und hier insbe­ sondere Pulverlackierungen sowie Kunststof­ fe auf metallisches Trägermaterial. So wird bei der Pulverlackierung zunächst Pulver auf das Blech aufgebracht und anschließend durch Brennen bleibend mit dem Trägermate­ rial verbunden. Erst dann erfolgt zur Kon­ trolle sowie zur optimalen Einstellung des Beschichtungsprozesses die Messung der Dicke der Lackschicht. Bei zu dünner Pulverschicht bilden sich Inseln auf dem Trägermaterial aus, wodurch der Oberflächenschutz beein­ trächtigt ist. Um auch bei unvermeidlichen Schwankungen der Dicke der Pulverschicht eine hinreichende Qualität zu garantieren, wird zur Sicherheit eine größere Schichtdic­ ke an Pulver als unbedingt erforderlich auf­ getragen, da die unmittelbar, d. h. vor dem Brennvorgang erfolgte Messung nicht ohne er­ heblichen Aufwand möglich ist. Hierzu einzig bekannt ist das Beta-Rückstrahlverfahren, das aus Gründen des Strahlenschutzes und dem Er­ fordernis der Dekontaminierung des gemessenen Materials einen derart erheblichen Aufwand bedeutet, daß es sich für industrielle An­ wendungen auf breiter Basis als ungeeignet erweist.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum berührungslo­ sen Messen der Dicke einer Schicht auf einem Trägermaterial bei geringem Aufwand zur Aufga­ be gemacht.

Gelöst wird diese Aufgabe unter Verwendung eines ersten Sensors, der den Abstand der dem Trägermaterial gegenüberliegenden Oberflä­ che der Schicht mißt und einem weiteren (zweiten) Sensor, der in gleicher Richtung den Abstand der der Schicht zugewandten Ober­ fläche des Trägermaterials erfaßt und durch Differenzbildung die Schichtdicke ermittelt.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht in der Messung der jeweils den Sensoren zugewandten Oberflächen von Schicht als auch Trägerma­ terial. Unter der Voraussetzung, daß die Schicht unmittelbar auf dem Trägermaterial aufliegt und die Messung beider Sensoren in gleicher Richtung, d. h. parallel zueinander erfolgt, erhält man bei Differenzbildung die Schichtdicke. Die normalerweise gegebene Vor­ aussetzung zur Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens ist, daß Schicht als auch Träger­ material unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen, die man sich durch Verwendung zweier nach verschiedenen Prin­ zipien arbeitenden Sensoren zunutze macht. Der den Abstand zu der dem Trägermaterial ge­ genüberliegenden Oberfläche der Schicht er­ fassende Sensor nutzt ein Meßverfahren bzw. physikalische Phänomene, die durch das Mate­ rial der Schicht beeinflußt, ausgelöst oder verändert werden. Der zweite, den Abstand der Oberfläche des Trägermaterials ermittelnde Sensor nutzt ein Meßverfahren, welches auf das Trägermaterial und demgegenüber nicht oder nur geringfügig auf das Material der Schicht anspricht.

Durch Differenzbildung erhält man aus beiden Abständen den gesuchten Wert der Schichtdicke. Er kann in an sich üblicher Weise angezeigt oder als Ist-Signal in einen Regelkreis zur Optimierung des Auftrages des Materials der Schicht eingesetzt und verwendet werden.

Der entscheidende Vorteil des erfindungsge­ mäßen Verfahrens besteht im problemlosen Er­ fassen und Regeln von Produktionsvorgängen, die ein Beschichten von Trägermaterial zum Gegenstand haben. Im vorerwähnten Spezial­ fall der Pulverlackierung kann noch vor dem Brennen die Pulverdicke auf den optima­ len Wert eingestellt werden.

Nachfolgend werden konkrete Beispiele von Sensoren angegeben, die sich zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren eignen. So sind zur Messung der äußeren Schicht (erster Sensor) in besonderer Weise geeignet ein ka­ pazitiver Sensor oder ein Sensor, der Schall­ wellen emittiert und die reflektierten Antei­ le erfaßt und hieraus den Abstand ermittelt. Nach diesen Prinzipien arbeitende Sensoren sind allgemein bekannt, so daß es näherer Er­ läuterungen ihrer Wirkungsweise nicht bedarf.

Auch eignen sich in besonderer Weise Senso­ ren, die Lichtwellen emittieren, deren re­ flektierter Anteil erfaßt und hieraus der Ab­ stand nach dem Prinzip optischer Endmaße ge­ nau ermittelt wird. Derartige Sensoren kön­ nen zur Messung der äußeren Schicht und da­ mit als erster Sensor und bei Verwendung von transparentem Material für die Schicht auch zur Erfassung des Abstandes der Oberfläche des Trägermaterials und folglich als zweiter Sensor Verwendung finden.

In der Praxis besteht das Trägermaterial häufig aus Metall. Sofern die Schicht nicht aus Metall aufgebaut ist - in diesem Fall könn­ te der erste Sensor induktiv und/oder mag­ netisch arbeiten - wird als zweiter Sensor ein induktiver und/oder magnetischer Sensor eingesetzt. Beim Lackieren, insbesondere Pul­ verlackieren, beim Beschichten mit Kunst­ stoff usw. besteht das Trägermaterial in aller Regel aus Metall. Unter der Voraus­ setzung, daß das Material der Schicht auf den jeweiligen Sensor nicht anspricht, er­ laubt das induktive oder magnetische Meß­ verfahren ein präzises Ermitteln des Abstan­ des des Trägermaterials mit Hilfe des (zwei­ ten) Sensors.

Durch das berührungslose Arbeiten der Senso­ ren empfiehlt sich das erfindungsgemäße Ver­ fahren in besonderer Weise zur Ermittlung der Dicken von Schichten aus Pulver, insbesonde­ re Lackpulver, welches anschließend dem Ein­ brennvorgang unterzogen wird, oder zur Er­ mittlung der Dicke von Kunststoffschichten oder auch zur Messung von Lackschichten im nassen Zustand.

Der Regelfall ist, daß die aufgebrachte Schicht mit dem Trägermaterial bleibend verbunden ist. Die Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist hierauf allerdings nicht beschränkt. So kann eine Bestimmung der Dicke der Schicht auch dadurch erfolgen, wenn sie nach Art einer Folie vorübergehend am Trägermaterial aufliegt, in dem die Folie über die Führungswalze geführt und im Augen­ blick des Kontaktes gemessen wird. Um Fehl­ messungen zu vermeiden, ist ein planes An­ liegen der Folie unabdingbar.

Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird die Verwendung eines Dreipunktsensors angesehen, durch den eine Abstandsmessung in drei verschiedenen Punkten gleichzeitig vor­ nehmbar wird. Ein Vergleich der jeweils er­ haltenen Meßwerte zeigt an, ob und bejahen­ denfalls in welchen Richtungen die Sensoren gegen die durch die Oberflächen von Träger­ material und/oder Sensoren gebildete Ebene verkantet ist.

Ein Dreipunkt-Abstandsmeßsystem ist insbe­ sondere dann von Vorteil, wenn die Sensoren räumlich relativ zum Meßobjekt bewegbar sind. Sie werden dann in einem definierten Abstand zur beschichteten Oberfläche heran­ geführt und führen dort ihre Messungen durch. Die räumliche Verstellbarkeit er­ laubt eine Anpassung an unterschiedlichste Formen des Meßobjektes. Andererseits be­ inhaltet sie die Gefahr zu Fehlmessungen durch Verkanten relativ zur Oberfläche von Schicht und Trägermaterial. Alternativ wäre denkbar, die verkantete Lage beizubehalten und bei der Ermittlung der Schichtdicke rechnerisch zu berücksichtigen.

Die konkrete Durchführung der Ermittlung der Schichtdicke wird im allgemeinen Fall da­ durch erfolgen, daß der durch beide Sensoren erfaßte Abstand stets gemessen und durch Dif­ ferenzbildung erhalten wird. Allerdings ist in Alternative hierzu möglich, bei räumlich verstellbaren Sensoren durch Eingabe eines bestimmten Abstandes, der durch einen Sen­ sor ermittelt wird, alle Sensoren an das Meß­ objekt bis zum voreingestellten Wert heran­ zuführen. Der zweite Sensor ermittelt den Abstand und folglich unmittelbar die Schicht­ dicke. Die Messung erfolgt automatisch über den einen nicht zur Erreichung des definier­ ten Abstandes benötigten Sensors.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung näher erläutert ist. Sie zeigt in schematisch gehaltener Darstellung eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeignete Vorrichtung.

Bei dem Meßobjekt besteht das Trägermaterial (1) aus einem Blech mit einer darauf angeord­ neten Schicht (2), welches vor den beiden Sen­ soren (3, 4) vorbeigeführt wird. Die Bewe­ gungsrichtung ist durch den Pfeil (5) ange­ geben.

In einem Gehäuse (6) sind nebeneinander der erste Sensor (3) und sowie der zweite Sen­ sor (4) untergebracht. Sie werden über eine Leitung (7) versorgt, die gleichzeitig der Weiterführung der Meßdaten an eine Auswerte­ elektronik, eine Anzeige oder an einen Rech­ ner dienen.

Die Änderung der räumlichen Positionierung der Sensoren (3, 4) bzw. des beide umgeben­ den Gehäuses (6) erfolgt über einen hier nur ansatzweise gezeigten Arm (8).

Im Hinblick auf die Funktion erfaßt der erste Sensor (3) den Abstand der Oberflä­ che der Schicht (2), die diesem zugewandt ist und der zweite Sensor (4) den ebenfalls dem Sensor zugewandten Oberfläche des Trä­ germaterials (1). Eine Differenzbildung führt zum gewünschten Meßwert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht auf einem Trägermaterial unter Ver­ wendung von berührungslos arbeitenden Senso­ ren, dadurch gekennzeich­ net, daß ein erster Sensor (3) den Abstand der dem Trägermaterial (1) gegenüberliegenden Oberfläche der Schicht (2) mißt und ein wei­ rerer (zweiter) Sensor (4) in gleicher Rich­ tung den Abstand der der Schicht (2) zuge­ wandten Oberfläche des Trägermaterials (1) er­ faßt und durch Differenzbildung die Schicht­ dicke ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sensor (3) ein kapazitiver Sensor oder ein Sensor ist, der Schallwellen emittiert, die reflektierten Anteile erfaßt und hieraus den Abstand ermittelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einer Schicht (2) aus undurchsichtigem Material der erste Sensor (3) oder bei einer Schicht (2) aus transparentem Material der zweite Sensor (4) Lichtwellen emittiert, den reflektierten Anteil erfaßt und hieraus den Abstand ermittelt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schicht (2) aus Metall der erste Sensor (3) und bei einem Trägermaterial (1) aus Metall der zweite Sensor (4) ein indukti­ ver und/oder magnetischer Sensor ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (1) aus Metall besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus Pulver, insbesondere Lackpulver oder Kunststoff oder Lack in nassem Zustand besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) als Folie über eine Füh­ rungswalze (=Trägermaterial (1)) geführt und gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Dreipunktsensoren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3, 4) in demselben, in sei­ ner räumlichen Position verstellbaren Gehäu­ se (6) untergebracht sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung der Sensoren (3, 4) durch Einstellung des Abstandes auf einen vorgegebenen Wert erfolgt.