Medición del espesor de la película y los recubrimientos

Los sensores de infrarrojos se utilizan más ampliamente para medir la composición química de los materiales en función de la absorción específica de la longitud de onda de la luz. En su mayor parte, se trata de mediciones de superficie y la precisión depende de que la superficie del material sea representativa del material total. El ángulo de incidencia del sensor, la distancia al producto y el área del haz no suelen ser importantes para esta medición.

La medición del espesor es muy diferente del análisis de la composición y depende de la transmisión total de la luz a través de todo el grosor del producto. Sensores de reflexión como el Sensortech Serie NIR-6000 dependen de la retrodispersión de la luz infrarroja de las moléculas del producto o, alternativamente, requieren un fondo reflectante para devolver la luz de manera efectiva en un doble paso a través del producto. Al medir un revestimiento de plástico, el sustrato de papel suele proporcionar un buen soporte reflectante. Cualquiera de los dos métodos es generalmente efectivo y requiere el uso de una longitud de onda que sea absorbida por el producto en comparación con una longitud de onda que sea menos absorbida. Los productos de película polimérica están basados en hidrocarburos y requieren el uso de una longitud de onda que absorba el C-H. Se utilizan diferentes longitudes de onda según el grosor de la película o del revestimiento. Los pesos base de papel y pañuelos livianos se pueden medir utilizando una longitud de onda que absorba celulosa.

Si bien las variaciones físicas, como el ángulo de incidencia y la distancia del producto, tienen poco impacto en las mediciones de los componentes de la superficie, afectan gravemente a las mediciones del espesor.

Figura 1: T = t/cosΦ

La figura 1 muestra una trayectoria de luz normal al producto (90°) y también en un ángulo de incidencia Φ. La longitud de la trayectoria que atraviesa el producto es: t/cos (la longitud de la trayectoria variará según el ángulo de incidencia)

La mayoría de las películas o recubrimientos tienden a ser brillantes y altamente reflectantes. Esta primera reflexión superficial no sirve de nada en términos de medición, pero la alta energía reflejada saturará el detector. Por esta razón, el instrumento casi siempre se monta en un ángulo que no es perpendicular, de modo que la primera reflexión superficial no se devuelve al instrumento.

Figura 2: Ángulo de montaje IR

Si el instrumento no está firmemente montado en una estructura rígida, el movimiento puede provocar inestabilidad debido a un ángulo de incidencia variable. Al medir un producto en banda entre rodillos, el movimiento de la banda provocará un cambio en el ángulo de incidencia y, por lo tanto, una fluctuación de medición. La figura 2 ilustra este fenómeno con un aleteo exagerado.

Figura 3

Al colocar el sensor directamente sobre un rodillo, como en la figura 3, se minimiza el aleteo. Otra ventaja es que el rodillo actúa como un buen reflector. La variación natural del proceso dará lugar a una variación continua del grosor alrededor de un punto de ajuste. Estas variaciones se pueden promediar filtrando (amortiguando). La respuesta del instrumento es inherentemente logarítmica. La medición de una amplia gama de espesores produce errores de linealidad. Es mejor linealizar la curva de calibración por partes, quizás en un rango de +/ -20% del punto de ajuste nominal. Ejemplo: Para una película de 10 g/m², calibra entre 8 y 12 g/m².

Resumen

Los medidores de reflectancia IR son una alternativa válida a la medición nuclear en aplicaciones de espesor de película y revestimiento, siempre que se tenga cuidado al montar los sensores. La precisión óptima se logra con lo siguiente:

1. El sensor debe montarse en un soporte rígido para minimizar el movimiento.
2. El sensor debe estar en un ángulo de incidencia de 15° a 20°, eliminando la reflectancia de la primera superficie. Una vez calibrado, este ángulo debe permanecer constante.
3. El haz del sensor debe dirigirse a un rodillo para minimizar el aleteo de la red.
4. Debe aplicarse un filtrado (amortiguamiento) suficiente para calcular el promedio de las fluctuaciones a corto plazo.
5. Una sola calibración no se adaptará adecuadamente a amplios rangos de espesor. Utilice varios códigos de producto calibrados para diferentes grosores y pesos básicos.