Messung von Schichtdicken und Beschichtungen

IR-Sensoren werden am häufigsten verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Materialien auf der Grundlage der spezifischen Lichtwellenlängenabsorption zu messen. In den meisten Fällen handelt es sich um Oberflächenmessungen, und die Genauigkeit hängt davon ab, ob die Materialoberfläche für das gesamte Material repräsentativ ist. Der Einfallswinkel des Sensors, der Abstand zum Produkt und die Strahlfläche sind für diese Messung in der Regel nicht von Bedeutung.

Die Dickenmessung unterscheidet sich stark von der Analyse der Zusammensetzung und hängt von der Gesamtdurchlässigkeit des Lichts durch die gesamte Dicke des Produkts ab. Reflexionssensoren wie der Sensortech NIR-6000-Serie hängen von der Rückstreuung des Infrarotlichts der Moleküle im Produkt ab oder benötigen alternativ einen reflektierenden Hintergrund, um das Licht bei einem doppelten Durchgang durch das Produkt effektiv zurückzuleiten. Bei der Messung einer Kunststoffbeschichtung bietet das Papiersubstrat häufig eine gute reflektierende Rückseite. Beide Methoden sind im Allgemeinen wirksam und erfordern die Verwendung einer Wellenlänge, die vom Produkt absorbiert wird, im Vergleich zu einer Wellenlänge, die weniger absorbiert wird. Produkte aus Polymerfolien basieren auf Kohlenwasserstoffen und erfordern die Verwendung einer C-H-absorbierenden Wellenlänge. Je nach Film- oder Schichtdicke werden unterschiedliche Wellenlängen verwendet. Die Flächengewichte von leichtem Papier und Taschentuch können mit einer zelluloseabsorbierenden Wellenlänge gemessen werden.

Physikalische Schwankungen wie Einfallswinkel und Produktabstand haben zwar nur geringe Auswirkungen auf die Messung der Oberflächenbestandteile, sie wirken sich jedoch erheblich auf Dickenmessungen aus.

Abbildung 1: T = t/cosΦ

Abbildung 1 zeigt einen Lichtweg senkrecht zum Produkt (90°) und ebenfalls unter einem Einfallswinkel Φ. Die Weglänge durch das Produkt ist: t/cosund (Die Pfadlänge variiert je nach Einfallswinkel)

Die meisten Filme oder Beschichtungen neigen dazu, glänzend und stark reflektierend zu sein. Diese erste Oberflächenreflexion ist für die Messung nutzlos, aber die hohe reflektierte Energie sättigt den Detektor. Aus diesem Grund wird das Instrument fast immer in einem Winkel montiert, der von der Senkrechten abweicht, sodass die erste Oberflächenreflexion nicht auf das Instrument zurückgeführt wird.

Abbildung 2: IR-Montagewinkel

Wenn das Instrument nicht fest an einer starren Struktur befestigt ist, kann eine Bewegung aufgrund eines unterschiedlichen Einfallswinkels zu Instabilität führen. Bei der Messung eines bahnförmigen Produkts zwischen den Walzen führt das Flattern der Bahn zu einer Änderung des Einfallswinkels und damit zu Messschwankungen. Abbildung 2 veranschaulicht dieses Phänomen mit übertriebenem Flattern.

Abbildung 3

Durch die Positionierung des Sensors direkt über einer Walze, wie Abbildung 3, wird das Flattern minimiert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Rolle als guter Reflektor fungiert. Natürliche Prozessschwankungen führen zu kontinuierlichen Dickenschwankungen in der Nähe eines Sollwerts. Diese Schwankungen können durch Filterung (Dämpfung) gemittelt werden. Die Reaktion des Geräts ist von Natur aus logarithmisch. Die Messung eines breiten Dickenbereichs führt zu Linearitätsfehlern. Es empfiehlt sich, die Kalibrierungskurve stückweise zu linearisieren, vielleicht über einen Bereich von +/- 20% des nominalen Sollwerts. Beispiel: Kalibrieren Sie für einen 10 g/m²-Film zwischen 8 und 12 g/m2.

Zusammenfassung

IR-Reflexionsmessgeräte sind bei Schichtdicken- und Beschichtungsanwendungen eine sinnvolle Alternative zur Kernmessung, sofern bei der Sensormontage sorgfältig vorgegangen wird. Optimale Genauigkeit wird mit den folgenden Komponenten erreicht:

Der Sensor muss an einem starren Ständer montiert werden, um Bewegungen zu minimieren.
Der Sensor sollte einen Einfallswinkel von 15°-20° haben, wodurch die erste Oberflächenreflexion vermieden wird. Nach der Kalibrierung muss dieser Winkel konstant bleiben.
Der Sensorstrahl sollte auf eine Walze gerichtet werden, um das Flattern der Bahn zu minimieren.
Es sollte ausreichend gefiltert (gedämpft) werden, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen.
Eine einzige Kalibrierung reicht nicht aus, um große Dickenbereiche angemessen abzudecken. Verwenden Sie mehrere Produktcodes, die für unterschiedliche Dicken/Flächengewichte kalibriert sind.