金屬包裝涂膜厚度離線與在線檢測(cè)技術(shù)

無論是金屬包裝的外涂還是內(nèi)涂，主要功能都是防止金屬腐蝕，而適當(dāng)厚度的涂層是確保這一功能的前提。對(duì)兩片飲料罐的罐身，三片罐生產(chǎn)材料金屬片材，或者易拉蓋料卷涂/片涂的涂膜厚度測(cè)量，是金屬包裝制造流程中至關(guān)重要的一個(gè)例行步驟。

涂膜測(cè)量有兩個(gè)目的，二者在某種意義上相互矛盾。首先是確保金屬外部涂有充足涂料，可預(yù)防后續(xù)出現(xiàn)問題和客戶投訴。其次，是確保無需使用過多昂貴的涂料便能充分保護(hù)涂層完整性。因此，最優(yōu)的平衡點(diǎn)是在金屬表面按規(guī)格要求盡可能涂布最少的涂料。由于現(xiàn)在飲料罐、食品罐的涂層只有幾微米厚，所以只能使用高度敏感且準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)x器。

測(cè)量需要盡可能接近生產(chǎn)線，從而迅速發(fā)現(xiàn)并糾正任何缺陷，以防生產(chǎn)大量報(bào)廢產(chǎn)品。在理想情況下，涂布流程應(yīng)得到監(jiān)控，以識(shí)別變化和趨勢(shì)，從而在事情超出規(guī)范前采取整改行動(dòng)。

離線涂膜測(cè)厚技術(shù)

手動(dòng)式濕膜杯法 制罐廠不僅需要測(cè)量固定點(diǎn)的涂層厚度，還要測(cè)量整個(gè)產(chǎn)品上的涂料分布和變化情況。最粗糙的涂層厚度測(cè)量方法是用簡(jiǎn)單的手動(dòng)設(shè)備浸泡入濕涂層中。由于這類方法會(huì)嚴(yán)重受到操作員的影響，產(chǎn)品準(zhǔn)確性和一致性極差，讀數(shù)也會(huì)因濕涂料的表面張力而有嚴(yán)重誤差。

淘膜法： 對(duì)于金屬板來說，一種稍微可靠且常用的方法是在金屬片上戳一個(gè)小圓片，然后測(cè)量有涂層的圓片的重量，再計(jì)算剝落涂層后的重量，最后利用二者之重量差以平均涂層厚度計(jì)算每平方米的重量。

上述所謂的“淘膜法”缺點(diǎn)有二。一是耗時(shí)費(fèi)力。由于必須待金屬片在烘爐完成固化后才能得到結(jié)果，意味著在識(shí)別問題和調(diào)整涂布機(jī)之前，生產(chǎn)商可能已經(jīng)生產(chǎn)了大量缺陷品，因此通過這種方法來設(shè)定涂布機(jī)的涂層厚度非常耗時(shí)、費(fèi)力。二是無益于事。知道總體“膜重”對(duì)了解涂料分布毫無幫助，即便總重量正確，金屬片上其他部分的區(qū)域也可能還未達(dá)到最低規(guī)格的要求。

干膜檢測(cè): 電子數(shù)字測(cè)量?jī)x器 如今在制罐業(yè)最廣泛使用的方法是電子式干膜涂層測(cè)厚儀。技術(shù)人員先對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，以專門的探頭測(cè)試產(chǎn)品后，測(cè)厚儀便能立即給出讀數(shù)。該儀器可以在產(chǎn)品的多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，并準(zhǔn)確、快速計(jì)算涂料分布。

電子式干膜涂層測(cè)厚儀采用的是電容原理，涂膜在平行板中間作為電介質(zhì)，兩邊導(dǎo)板分別加載正負(fù)電荷, 這樣就成為了一個(gè)很簡(jiǎn)單的平行板電容器, 正電荷與負(fù)電荷會(huì)分別累積于平行板導(dǎo)體上，從而產(chǎn)生電容。

涂膜(介電層“d”)越厚，留在電路上的電荷會(huì)減少, 電容值“C”亦會(huì)減少；反之，如果涂膜越薄，留在電路上的電荷會(huì)增大，電容值亦會(huì)增大，就像圖4中的公式所表示的那樣，每種涂料的介電常數(shù)（E）是不同的，需要通過對(duì)厚度已知的相同涂層的校準(zhǔn)樣本來進(jìn)行對(duì)標(biāo)計(jì)算，且每一種涂料都必須校準(zhǔn)。因此, 用作校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)片的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)測(cè)厚儀的測(cè)量結(jié)果至為關(guān)鍵。

非接觸式在線濕膜測(cè)厚方法

為了實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)控制, 制罐商希望有一種可以在線涂膜測(cè)量的方法, 以便在涂料進(jìn)烘爐之前就進(jìn)行測(cè)量并且不間斷地實(shí)時(shí)顯示膜厚的讀數(shù)，這樣操作人員就可以直接基于實(shí)時(shí)的厚度來調(diào)整涂布機(jī)了。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)在線涂膜測(cè)量的技術(shù)主要有兩種, 即光譜技術(shù)及紅外線光波吸收法技術(shù)。

光譜技術(shù)： 在知道每種涂料折射率的前提下，使用光譜儀能得出絕對(duì)的厚度讀數(shù)，無需以校準(zhǔn)樣本進(jìn)行校準(zhǔn)。兩片罐制造商一般使用的涂料也就3~4種，因此較容易滿足上述前提條件。但三片罐廠可能需要使用多種不同的涂料，因而明確每種涂料的折射率就變得很困難。

聯(lián)系涂料供應(yīng)商獲取不同涂料的折射率并儲(chǔ)存所有數(shù)據(jù)需要消耗大量的時(shí)間精力。實(shí)際上，操作員通常只會(huì)用電容式測(cè)厚儀得出一個(gè)干膜重量讀數(shù)，然后通過增量調(diào)整光譜儀的設(shè)置直到其顯示的涂層厚度讀數(shù)與電容式測(cè)厚儀讀數(shù)相匹配為止，最后再計(jì)算涂料的折射率。顯然這種方案極易受操作員的影響，因而損害光譜儀理論上特有的任何優(yōu)勢(shì)。

紅外線光波吸收法技術(shù) 相反，紅外線技術(shù)采用的是光吸收測(cè)量法，而非折射原理，也就是說操作員無須知道不同涂料的折射率，只需要用干膜測(cè)厚儀就可以快速、可靠地進(jìn)行校準(zhǔn)。

光波吸收法的原理是利用有機(jī)化合物可以吸收特定波長(zhǎng)光波的特點(diǎn), 不同分子結(jié)構(gòu)可以吸收不同波長(zhǎng)的光波，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)涂料中的碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)可以吸收大量波長(zhǎng)為2.32?m的光波。由于這一波長(zhǎng)剛好落在紅外線范圍內(nèi)，如果涂料吸收光波越多，就意味著涂層越厚。

紅外線探頭內(nèi)發(fā)光燈泡的光源穿過高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)的紅外視窗膜，形成了一道波長(zhǎng)為2.32?m的紅外線，由反射鏡折射到涂料濕膜層，收集反射光的光通量后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換及對(duì)比，便可直接顯示涂料的干膜重量。

由于在線濕膜儀能實(shí)時(shí)給出關(guān)于涂層厚度的數(shù)據(jù)，因而涂布線工作人員可以依照數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，使得涂料線的運(yùn)行更加接近目標(biāo)而不會(huì)超出規(guī)格，這便能預(yù)防為安全起見而過度涂布的慣常做法。如果客戶的涂布機(jī)較老舊、滾軸狀況不良或員工欠缺經(jīng)驗(yàn)，那么對(duì)于單張金屬板來說，這項(xiàng)技術(shù)可節(jié)約涂料少則0.5gsm，多則13%。同時(shí)，由于運(yùn)行和調(diào)整之間轉(zhuǎn)換速度更快，產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量也有所提高。

兩片飲料鐵罐在線涂膜厚度檢測(cè)法

對(duì)于三片鐵罐生產(chǎn)線上的金屬片涂層而言，使用紅外線光波吸收法的確是一項(xiàng)非常理想的技術(shù)，但如果用在兩片罐生產(chǎn)線的噴涂機(jī)上, 圓形鐵罐會(huì)讓這一技術(shù)變得不太適合。因此，如果在兩片鐵罐生產(chǎn)中使用非接觸式測(cè)厚, 就必須開發(fā)一項(xiàng)新技術(shù)來應(yīng)對(duì)特殊的工作環(huán)境，此時(shí)光學(xué)技術(shù)正好大派用場(chǎng)。

基于可見光或“白”光的光學(xué)干涉技術(shù)的局限性 光學(xué)涂層測(cè)厚儀一般基于“干涉測(cè)量”理論，亦稱“光學(xué)干涉技術(shù)”或“光譜學(xué)”。由于從涂層表面和下面金屬基底反射來的光束在兩個(gè)媒介的速度不同，所以反射的光波呈異相從而形成相位差。對(duì)相位差加以分析后就可以計(jì)算出從涂層表面到金屬基底之間的距離，亦即涂層厚度。

一般的干涉測(cè)量設(shè)備基于可見光或“白”光，這類設(shè)備能很好地應(yīng)付無印刷金屬基底上的無色涂層，因而對(duì)某些食品罐制造應(yīng)用十分有效。但是，標(biāo)準(zhǔn)的干涉測(cè)量法難以測(cè)量彩色油墨基底涂層或著色基底涂層，原因是彩色涂層會(huì)吸收波長(zhǎng)不同的可見光，所以并非光束中的所有光波都能被均勻反射。因此，利用白光并不能可靠地測(cè)量印刷或著色基底涂層食品罐的涂層厚度，同樣也排除了在大多數(shù)飲料罐批量生產(chǎn)上的應(yīng)用。

改良方案之紅外線干涉測(cè)量法 鑒于現(xiàn)有解決方案的缺陷，英國(guó)Sencon公司與英國(guó)一所頂尖的科技大學(xué)聯(lián)合開展了一個(gè)為期三年的研發(fā)項(xiàng)目，旨在開發(fā)一種基于紅外光干涉測(cè)量形式的定制光學(xué)測(cè)量與信號(hào)處理技術(shù)，將其專門用于測(cè)量飲料罐的涂層厚度。由于紅外光不在可見光譜內(nèi)，因而可避免彩色墨水選擇性吸收波長(zhǎng)的問題。實(shí)驗(yàn)證明，這項(xiàng)技術(shù)在測(cè)量帶印刷油墨（包括黑墨）金屬罐的各類外部涂層方面極為可靠，同時(shí)也適用于啞光涂層，以及用于評(píng)估專業(yè)接觸型涂層的最小厚度。

電子數(shù)字測(cè)量?jī)x器的未來

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)測(cè)量提出了更高的要求，讓快速、實(shí)時(shí)、精確、自動(dòng)化成為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展主流。可以說沒有測(cè)量就不可能有生產(chǎn)信號(hào)的分析與處理，電子測(cè)量技術(shù)憑借諸多優(yōu)勢(shì)正在扮演現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的主角，在信息獲取與工業(yè)控制方面發(fā)揮著不可替代的作用。

整體來看，筆者認(rèn)為電子數(shù)字測(cè)量?jī)x器未來將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)。儀器非接觸化 未來工業(yè)測(cè)量?jī)x器非接觸化必定是一個(gè)主要的發(fā)展方向。非接觸測(cè)量具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)。

首先，測(cè)量沒有破壞性，且可以排除接觸測(cè)量對(duì)柔性物體測(cè)量的人為因素干擾。

其次，數(shù)據(jù)采集速度快。

第三，減少人為影響，大大提升重復(fù)性和再現(xiàn)性。

第四，非接觸式測(cè)量多采用光學(xué)掃描探頭，可完全獲取復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸信息，因此更多關(guān)鍵特征得到測(cè)量。

第五，無機(jī)械傳感器，可盡量減少磨損部件 ，僅需最低限度的維護(hù)。

第六，生命周期成本非常低。

網(wǎng)絡(luò)化與模塊化 隨著測(cè)量?jī)x器接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和總線技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量?jī)x器逐漸與計(jì)算機(jī)融為一體。通過總線、標(biāo)準(zhǔn)接口與一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)測(cè)量?jī)x器間的數(shù)據(jù)共享和相互控制。同時(shí)儀器模塊化帶來了成本下降，應(yīng)用靈活性提高，以及性價(jià)比幅度優(yōu)化。

高度自動(dòng)化及智能化： 隨著工業(yè)的發(fā)展需要，電子測(cè)量技術(shù)的自動(dòng)化及智能化程度在不斷提高。同時(shí)，近年來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)發(fā)展為電子測(cè)量?jī)x器的智能提升提供了良好的條件，憑借高可靠性、高穩(wěn)定性、快速性等優(yōu)勢(shì)被迅速應(yīng)用于電子測(cè)量?jī)x器中。這些基于微型計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的微處理器賦予了測(cè)量?jī)x器“測(cè)量方法多樣化、測(cè)量實(shí)時(shí)化和高度智能化”等特點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器的進(jìn)一步融合，電子測(cè)量?jī)x器的易操作性、易升級(jí)性、測(cè)量能力、數(shù)據(jù)處理和分析能力、自我診斷和校準(zhǔn)能力都得到了大幅度提高。與此同時(shí)，由于軟件工程與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正越來越多地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，電子測(cè)量技術(shù)勢(shì)必將成為多學(xué)科、多領(lǐng)域發(fā)展的共同結(jié)晶，彼此之間又相互服務(wù)，共同發(fā)展。