专利名称：用于非接触式检测涂料涂层的干燥度的设备及其方法
用于非接触式检测涂料涂层的干燥度的设备及其方法本发明涉及一种用于非接触式确定基材上的涂料涂层的干燥度的设备，尤其涉及 用于非接触式确定航空器的外壳上的涂料涂层的干燥度的设备。为了满足在客机设计中的色彩方面的日益变化的客户需求，必须使用种类繁多的 系统来喷涂航空器。涂料的干燥时间取决于多个参数。例如，所使用的涂料的类型、空气温 度和喷涂室中的湿度都是重要的因素。此外，所使用的涂料的化学成分起到了重要的作用， 因为固化时间较大程度地取决于例如涂料是单一成分涂料还是多成分涂料，以及涂料是水 溶性的还是溶剂型的。当前，涂料涂层的各种固化程度通常是通过手工机械测试来确定的。在这些测试 中，带有尖边的测量件被推入到涂料涂层当中。测量件进入涂料涂层的凹陷程度越大，则涂 料涂层的固化进展地越小。这种确定方法的主要缺点在于，涂料涂层的完整性会被破坏。此 外，这种确定方法无法自动化并且测量的不确定性较高。当前使用干燥单元，特别是红外辐射器来干燥涂料，以便加速生产过程，这种干燥 单元需要非常高的电能。为了使得喷涂航空器的处理时间最小并且优化能耗，期望保持干 燥单元的操作时间尽可能的短，并期望以作为涂料涂层的干燥度的函数方式控制干燥单元 的操作时间。这是利用当前使用的手工测量方法所不能实现的。因此本发明的目的在于，制造一种能够以自动的且非接触的方式确定涂料涂层的 干燥度、同时获得高准确度的设备。本发明的其他目的在于，提供一种实现干燥度的测量的 方法。首先，利用具有权利要求1的所述特征的设备实现了这个目的。由于该设备包括用于电磁辐射的至少一个发射器、至少一个接收器及测量装置， 由此第一次以非接触的且定量的方式高准确度地测量涂料涂层的干燥度。通过发射器将具 有合适波长的电磁辐射照射到涂料涂层的表面上。由涂料涂层的表面反射(漫反射)的电 磁辐射的强度通过接收器确定并被传递至测量单元，用于进一步评估，并由此确定涂料涂 层的当前干燥度。利用具有Imm至Im之间的波长的微波辐射范围内的电磁辐射，或者可选 地利用具有0. 8 μ m至2. 5 μ m之间的波长的近红外辐射(NIR)范围内的电磁辐射来操作设 备。在各示例中，检测在干燥处理过程中在涂料涂层中出现的物理-化学变化，这例 如是各种溶剂(水或化学溶剂)的向外扩散、聚合过程或者类似物。如果使用了微波辐射， 则从适当的发射器向具有涂料涂层的基材照射微波。接收器产生由反射所激励的测量信 号。该测量信号包括由于在涂料涂层和基材中的吸收而造成的损失以及例如由于散射而造 成的进一步损失。如果在测量涂料的干燥的过程中发射器和接收器与涂料涂层之间的距离 以及发射器的辐射强度维持恒定，则可假设由于散射造成的损失也不会改变并且由接收器 接收到的微波的强度仅仅取决于涂料涂层中的吸收。特定波长的吸收取决于涂料的电容率 (介电常数)，而涂料的介电常数又与涂料的干燥度相关联。由于存在介电常数和干燥之间 的关系，通过测量吸收可确定各干燥度。然而，不必知晓微波辐射的绝对强度，因为在恒定 的输出强度以及也在恒定的环境条件下，通过确定微波辐射的测量曲线相对于时间的一阶导数仅仅评估由接收器接收到的微波辐射相对于时间的变化。然而，如果使用红外辐射，则激励涂料中的分子键振动。不同的分子键需要不同的 能量(频率，W = h*f)，以使其被完全激励。因此，在各示例中特定的分子键仅能由特定的频 率所激励。由于激励，辐射能被转化为涂料中的动能(热能)并由此被最终吸收。因此，在 各示例中特定基团的分子吸收特性波长。因此，为了通过近红外范围内的电磁辐射监控涂 料的干燥特性，需要知晓在干燥处理的过程中变化的涂料中的化学键。这样的一个例子是 水，水在干燥处理过程中蒸发，特别是在水溶性涂料的示例中。测量曲线可以由测量被水分 子典型地吸收的频率和波长来确定，在该曲线中这些频率的反射随着时间而增大，直到其 达到峰值。在其他基团的分子的示例中，吸收也会随着时间而增大，例如在多成分涂料固化 过程中形成了新的基团的分子时。然而，基于在各示例中所使用的特定涂料系统，始终存在 这样的频率，在该频率上在干燥处理的相关持续时间中可测量出反射相对于时间的变化。另一方面，当使用红外辐射时，知晓绝对辐射强度是无关的，这是因为设备仅评估 由反射测量相对于时间的趋势产生的测量曲线的梯度。改进的这种设备提供了与控制和/或调节装置相联接的测量单元。这意味着在该设备中可以自动地进行整个测量及评估程序。此外，组合后的控制 和/或调节装置使得能够自动地控制设备中的其他组的功能。根据进一步的有利配置，还提供了至少一个干燥单元，特别地提供了至少一个电 红外辐射器，该干燥单元以所获得的涂料涂层的干燥度的函数的方式通过控制和/或调节 装置来控制，特别地，可在获得期望的干燥度时自动地关闭该干燥单元。以这种方式，可在完全自动化的喷涂装置的下游设置自动操作的干燥装置。根据本发明的其他配置，发射器所发射的电磁辐射是短波红外辐射。与利用微波的测量相比较，这可简化设备的构成。近红外辐射是由发射器优选地 在具有0. 8 μ m和2. 5 μ m之间的波长的光谱范围内照射，由接收器获�。⒂刹饬孔爸貌饬� 及评估，以便量化干燥度。在其他权利要求中还提出了设备的进一步的有利配置。此外，通过根据权利要求10或权利要求12所述的方法实现了本发明的目的，由 此，通过测量作为短波红外辐射(NIR)的波长的函数的漫反射或通过测量具有特定波长的 微波辐射的漫反射，在各示例中在最高达48h的整个干燥间隔内通过该设备确定干燥度。 作为测量装置中的存储容量的函数，单次吸收测量之间的时间间隔可在Is至10分钟的范 围内变化。利用该方法，第一次实现了以相对准确的、非接触式的并由此导致的非破坏性的 方式确定对基材施加的涂料涂层的固化程度，由此第一次实现了完全自动的喷涂及干燥系 统的整合。在附图中
图1是示出了在以分钟为单位的所经过的干燥时间内涂料涂层的以百分比计的 干燥度的趋势曲线图；图2示出了利用微波范围内的电磁辐射的设备的示意性构成；图3示出了在利用近红外范围(OTR)内的电磁辐射的示例中的设备确定的测量曲 线；以及
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图4示出了利用λ = 1480nm波长的吸收Α( λ，t)相对于时间的、根据图3的测 量曲线确定的趋势、以及出于该目的所数值计算出的近似曲线。图1中的曲线图首先示出了利用根据本发明的设备所确定的、作为示例给出的涂 料涂层的干燥处理相对于时间的趋势。在该曲线图的垂直y轴上以百分比示出了各示例中得到的干燥度，而在水平χ轴 上示出了以分钟为单位的已经经过的干燥时间。很明显，在时刻t2 = 100分钟时，即当梯度 S(即，时刻t之后的干燥曲线的导数)达到大约0.6(对应于35° )的值时，已经获得大约 80%的干燥度。因此，一旦测量曲线落入低于、=100分钟时的0.6的梯度S，则干燥持续 时间的进一步延长总体上不再是有利的。在航空器制造中使用的涂料系统的示例中， S ^ 0.3的值对于干燥处理的自动化控制已经是合适的终止标准。图2示出了用于确定对基材施加的涂料涂层的当前干燥度或固化度的设备的基 本构成。设备1包括在微波范围内以第一变量发射电磁辐射的发射器2。发射器2 —般包 括驱动电子器件(未示出)和与该驱动电子器件相连接并且适用于发射各种波长的电磁辐 射的辐射器。发射器2向对基材4施加的涂料涂层5照射微波辐射3。通过在各示例中所使用 的适用于电磁辐射的接收器7，即例如通过微波辐射的示例中的天线，来获取从涂料涂层5 反射的微波辐射6，并将微波辐射6传递到下游连接的测量装置8，以放大、处理(滤波等)、 数字化及数值评估由天线7所获取的原始测量值。在测量装置8中，测量由涂料涂层5和 /或由基材4反射并由接收器接收到的微波辐射6。优选地，在测量装置8中已经对原始测 量值进行了数学处理。在测量装置8中被放大、处理及评估的测量值可由输出装置直接显 示，和/或可被传输至控制及调节装置9，例如以便当获得预定的干燥度时自动地关闭干燥 装置。例如，可在合适的指示器、显示器、监视器、屏幕或类似物上图形化示出特定波长或频 率(X*f = c)的吸收Α(λ，t)相对于时间的趋势。合适的干燥装置优选地包括以矩阵形式设置的多个可电操作的红外辐射器10，以 便在大表面区域上并且尽可能地均一地控制涂料涂层5的温度，从而加速干燥处理。测量 装置8和控制及调节装置9可以是集成计算单元的部件，该集成计算单元尤其是传统的个 人计算机(例如，PC)。由发射器2发射的微波辐射3作为当前介电常数的函数在涂料涂层5中和/或由 基材4吸收，而该介电常数这取决于涂料涂层5的固化程度。随后由接收器7测量被反射 的或未被涂料涂层5或基材4所吸收的微波辐射6的比例。发射器2的微波辐射器和作为 接收器7的天线可被配置为集成部件。在测量装置8中，通过一般所知晓的由发射器2发 出的微波辐射3的强度与由接收器7所确定的被反射的微波辐射6的强度之间的差来确定 吸收A (t)，并且这种吸收很大程度上关联于涂料涂层5的干燥度的趋势。在所关注的干燥 时刻、，即在例如干燥处理的开始、之后经过100分钟，测量曲线的梯度S(见图1)例如小 于或等于0. 3时，控制和/或调节装置9则可例如关闭由一个或更多个红外辐射器10所构 成的干燥装置，这是因为在这个示例中即使通过不呈比例地延长固化时间仍不能获得非常 高的干燥度。梯度S对应于在所关注的干燥时刻、对测量曲线施加的切线的倾角。此外， 微波辐射的波长还可以是变化的，以便确定吸收Α(λ，t)与波长和时间相关的趋势。
在可选的变型(图中未示出)中，利用0·8μπι至2·5μπι之间(“�。。糠洹�)的 “近红外范围”或“近红外光谱”内的电磁辐射来操作设备1。在这个示例中，采用漫反射测 量方法作为测量方法。在这种变型中，发射器2可例如由一个或更多个半导体顶二极管构 成，其中半导体顶二极管向涂料涂层5照射近红外范围内的具有恒定波长的电磁辐射。接 收器7例如包括至少一个光敏二极管，用于评估由涂料涂层5或基材反射的红外辐射，其中 由接收器接收到的该漫射顶辐射被转换为电输出信号，即在测量装置8中相应地被处理， 即特别地被滤波、被放大、被数字化及通过关于时间的导数被数值处理。由接收器7生成 的被测试的各波长的测量信号确定此处所关注的吸收Α(λ，t)相对于时间的变化。不必准 确地知晓由发射器2所发射的在近红外的波长或频率范围内的电磁辐射的强度，这是因为 例如通常认为涂料的干燥终止于测量曲线的梯度S < 0. 3 (见图1)。在本文中，绝对测量值 因此是不重要的。由发射器2所发射的近红外辐射或顶辐射处于涂料涂层5中包含的分子的振动 等级的能量范围内，即顶辐射的吸收对应地激励分子之间的键使其振动。如作为示例给出 的图3的曲线图所示，这些振动状况以波峰和波谷的形式在测量出的吸收光谱Α(λ，t)中 是可见的。由于辐射的相关能量或频率是各示例中普遍存在的键的特性，所以可识别出特 定的化学成分或分子。由于所发生的复杂化学-物理处理而致的干燥处理，涂料涂层5的 构成或组成连续变化，并且在测量出的顶吸收光谱中的变化反映出这些组成和成分中的 这些变化，因此可由上推导出基材4上的涂料涂层5的各当前固化程度或干燥进展。图3和图4中显示的关于吸收Α(λ，t)的测量曲线仅反映了它的定性的趋势，而 并不是为了确定定量的吸收值。例如，测量大约λ = 148011!11的顶辐射波长下的吸收Α(λ， t)的趋势已被证明对于确定在航空器构造中当前使用的涂料或涂料系统的干燥度是有利 的，如利用上述设备1确定的图3中的测量曲线所示。λ = 1480nm的波长特别对于涂料 涂层中包含的聚氨酯基(-C0-NH-R)是有代表性的，并且还不会被涂料涂层5中的原始材料 和/或溶剂或稀释剂的任何干扰吸收所重叠。测量曲线清楚地示出从0分钟处的干燥处 理的起始时刻、到例如800分钟的干燥处理的终止时刻t2，吸收值Α( λ，t)急剧地下降， 直到它达到最小值。在其他涂料系统的示例中，与评估相关的吸收Α( λ，t)相对于时间的 变化通常还在由于不同的化学成分而致的其他波长上发生。在水基涂料系统的示例中，例 如水或水蒸气的吸收波长是决定性的。因此，λ = 1. 48 μ m的吸收值Α( λ，t)的趋势很好地关联于基材上的涂料涂层5 的干燥处理的进展，这样，在测量装置8中的可选地所需的数值中间操作之后，在该波长上 所确定的吸收值Α(λ = 1480nm, t)可在各示例中被有利地用作涂料涂层5的当前干燥度
的量度。在图4中用实线绘制的测量曲线示出了在涂料涂层5的整个干燥周期t内(例如， 在、=0分钟和t2 = 800分钟之间)利用设备1测量出的吸收A ( λ，t)，在1480nm的固 定红外波长下的Α(λ = 1480nm, t)。虚线代表对于测量出的吸收A ( λ，t)的测量曲线而 言通过公知的数学方法获取的数值近似曲线。如图所示，该近似曲线是根据图1的曲线的 反转曲线，从根据图1的曲线，可在以分钟为单位的干燥时间t内直接地读取涂料涂层5的 以百分比计的干燥度。以这种方式，可直接地推导出图1的干燥曲线的图4的近似曲线，可 通过图4的原始测量曲线的近似来确定。
如果需要，从图1的干燥曲线获取的值可由设备1的用户直接用于显示。然而，追踪根据图1的测量曲线的梯度S，即追踪在特定波长的近红外范围内吸收 A(Ajt)相对于时间的变化，足够控制包括红外辐射器10的有源干燥装置，这样，例如在梯 度值S < 0. 3时通过控制及调节装置9关闭红外辐射器10。下面给出其他实施例。实施例1 一种用于以非接触方式确定在基材(4)上的涂料涂层(5)的干燥度的 设备(1)，特别是针对航空器的外壳，其中，设备(1)包括用于电磁辐射的至少一个发射器 (2)、至少一个接收器(7)和测量装置(S)0实施例2 根据实施例1的设备(1)，其中测量装置(8)与控制和/或调节装置(9) 相联接。实施例3 根据实施例1或实施例2的设备(1)，其中，提供了至少一个干燥装置， 该干燥装置特别地包括至少一个电红外辐射器(10)，该干燥装置可作为所获取的涂料涂层 (5)的干燥度的函数被控制和/或调节装置(9)控制，特别的，当获得预定的干燥度时可自 动地关闭该干燥装置。实施例4 根据实施例1至3中任一项的设备(1)，其中，由至少一个发射器(2)所 发出的电磁辐射是近红外范围内的短波红外辐射，特别是具有0. 8 μ m至2. 5 μ m之间的波 长的短波红外辐射。实施例5 根据实施例4的设备(1)，其中，通过确定红外辐射的至少一种恒定波长 λ的与时间相关的吸收A(X，t)，可测量涂料涂层(5)的干燥度。实施例6 根据实施例4或实施例5的设备(1)，其中，由发射器(2)发出的红外辐 射的波长λ可以被改变，以测量与波长和时间相关的吸收Α( λ，t)。实施例7 根据实施例1至3中任一项的设备(1)，其中，由至少一个发射器(2)发 出的电磁辐射是的微波辐射(3)，特别是在Imm和Im之间的波长范围内的微波辐射(3)。实施例8 根据实施例7的设备(1)，其中，通过确定在至少一种恒定波长λ的微 波辐射下，微波辐射的与时间相关的吸收Α(λ，t)，可测量干燥度。实施例9 根据实施例7或实施例8的设备(1)，其中，由发射器(2)发出的微波辐 射的波长λ可以被改变，以测量与波长和基于相关的吸收Α( λ，t)。实施例10 —种特别根据权利要求1至权利要求6中任一项的设备(1)用于确定 在基材(4)上的涂料涂层( 的干燥度的方法，其中，通过确定近红外范围内的红外辐射的 与时间相关的吸收Α(λ，t)来确定涂料涂层(5)的干燥度，特别地，该红外辐射具有0.8μπι 和2. 5 μ m之间的至少一种恒定波长。实施例11 根据实施例10的方法，其中，在一定时间间隔内评估吸收Α(λ，t)，特 别在最高达48h的时间周期内评估吸收Α( λ，t)。实施例12 —种特别根据权利要求7至权利要求9中任一项的设备(1)用于确定 在基材(4)上的涂料涂层( 的干燥度的方法，其中，通过确定微波辐射的与时间相关的吸 收Α(λ，t)来确定涂料涂层(5)的干燥度，特别在Imm和Im之间的至少一种恒定波长的微 波辐射下。实施例13 根据实施例12的方法，其中，在一定时间间隔内评估吸收A(t)，特别在 最高达48h的干燥周期内评估吸收A(t)。
附图标记的列表1 设备2发射器(NIR/微波)3 (照射的)微波辐射4基材(例如，机身单元外壳)5涂料涂层6 (被反射的)微波辐射7接收器8测量装置9控制和/或调节装置10红外辐射器
权利要求
1.一种用于非接触式确定基材(4)上的涂料涂层(5)的干燥度的设备(1)，特别是确 定航空器的外壳上的涂料涂层(5)的干燥度，其中，所述设备(1)包括用于电磁辐射的至 少一个发射器O)、至少一个接收器(7)和测量装置(8)，其中由所述至少一个发射器(2) 发出的电磁辐射是微波辐射(3)，其中能够通过确定在至少一种恒定波长(λ)的微波辐射 (3)下微波辐射(3)的与时间相关的吸收(A)来测量干燥度，并且其中利用所述测量装置 ⑶能确定吸收㈧相对于时间的变化所得到的测量曲线的梯度。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述测量装置(8)与控制和/或调节 装置(9)相联接。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，提供了至少一个干燥装 置(10)，该干燥装置(10)作为所获取的涂料涂层( 的干燥度的函数被所述控制和/或调 节装置(9)控制，特别地，当获得预定的干燥度时可自动地关闭该干燥装置(10)。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，其特征在于，所述微波辐射(3)具 有Imm和Im之间的波长范围。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，其特征在于，由所述发射器(2)发 出的微波辐射的波长(λ)可被改变，以测量与波长和时间相关的吸收(A)。
6.一种根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)确定在基材(4)上的涂料涂层 (5)的干燥度的方法，其特征在于，通过确定微波辐射(3)的与时间相关的吸收(A)来确定 涂料涂层( 的干燥度，特别是Imm和Im之间的至少一种恒定波长的微波辐射(3)，利用测 量装置(8)确定吸收(A)相对于时间的变化所得到的测量曲线的梯度，以评估所述涂料涂 层(5)的干燥度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在一定时间间隔内，特别在最高达48h的 时间周期内，评估所述吸收(A)。
全文摘要
本发明涉及用于对基材(4)上施加的涂料涂层(5)的干燥度进行非接触式并由此导致的非破坏性测量基材涂料涂层的设备(1)。根据本发明，该设备包括用于电磁辐射的至少一个发射器(2)、用于检测向涂料涂层(5)照射的电磁辐射的吸收的至少一个接收器(7)、以及测量装置(8)。由发射器(7)测量出的原始测量值被处理，并且在测量装置(8)中显示由原始值计算出的涂料涂层(5)的干燥度。使用微波辐射或近红外范围内的红外辐射作为测量辐射，在这两个示例中以恒定波长λ对至少一个与时间相关的吸收A(t)进行测量。当获得预定的干燥度时通过控制及调节装置(9)自动地关闭由红外辐射器构成的干燥装置。通过测量干燥度，不依赖环境影响和变化的涂料成分而高度准确地实现关闭，这实现了非�：玫脑傧中院透咧柿康耐糠蠼峁�。此外，本发明还涉及利用了近红外范围内的红外辐射或利用了微波、通过设备(1)确定涂料涂层(5)的干燥度的方法。
文档编号G01N22/00GK102112831SQ200980130591
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月7日 优先权日2008年8月6日
发明者丽贝卡·西韦特, 罗尔夫·本泽 申请人:空中客车运营有限公司
专业数控铣床产品供应商
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