Настоящее изобретения относится к датчику для квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца, способу квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца с помощью датчика согласно изобретению, и к применению датчика согласно изобретению для квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца для определения цветовых характеристик лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты или их разбавленные растворы.
Возникновение цветных отпечатков является физически сложным процессом, поэтому сначала следует разъяснить использованные термины.
В принципе, следует различать самосветящиеся объекты (например, лампы, экраны, световые поля) и объекты, которые для наблюдения должны освещаться. При этом объект или просвечивается, и наблюдается проходящий свет (термин "пропускание"), или облучается падающим светом, и наблюдается отраженный свет (термин "диффузное отражение"). "Цветными" называют композиции, которые поглощают часть видимого света.
"Рассеянием вперед" обычно обозначаются процессы рассеяния, при которых происходит отклонение света в прямом направлении. Таким образом, отражение вперед отличается от пропускания, среди прочего, отклонением под углом θ рассеяния, причем угол рассеяния, в общем, определяется как угол, на который рассеивается свет после взаимодействия с частицей или корпускулой. Таким образом, рассеянием (VS) вперед в духе изобретения обозначаются процессы рассеяния, при которых происходит отклонение света в прямом направлении в диапазоне рассеяния между >0° и <90° и которые не включают в себя пропускание. Рассеяние вперед, в общем, делает возможным определение размера и изотропии частиц или корпускул.
От рассеяния вперед отличается и здесь приводится только для полноты квази-обратное рассеяние, при котором свет вследствие диффузного распространения света в дисперсионной среде снова рассеивается назад в направлении облучения, то есть под углом рассеяния 180°. Это измерение обратного рассеяния под одним углом/измерение квази-обратного рассеяния не содержит почти никакой информации о величине и изотропии частиц или корпускул.
Наглядными являются понятия "прозрачный" и "диффузно рассеивающий". В качестве известных объектов здесь, с одной стороны, можно упомянуть в качестве примера "прозрачных" бесцветные или окрашенные прозрачные пленки или оконные стекла, а с другой стороны, в качестве примера "диффузно рассеивающих" мутные пленки (например, бумагу) или молочное стекло. Окрашивающие композиции также отличаются в этой точки зрения, например, говорят о кроющих красках или прозрачных красках. Последние, чтобы сделать краску видимой, требуют рассеивающее, лучше всего белое грунтовое покрытие, например бумагу, пластмассовую пленку или текстильный материал. Кроющие композиции создают окрашенную поверхность без просвечивания грунтового покрытия (например, масляные краски, автомобильные лаки, краски для стен) и составлены или из смесей рассеивающих пигментов (белых пигментов, например TiO2) и поглощающих компонентов (не рассеивающих или слабо рассеивающих цветных пигментов и/или растворимых поглощающих компонентов), или из пигментов, которые являются как рассеивающими, так и поглощающими.
При промышленном производстве цветных композиций клиент ожидает, что поставленный согласно спецификации продукт после применения всегда образует одинаковый цвет.
Цвет в смысле диффузионного отражения и кроющая способность являются, таким образом, составной частью спецификации на продукт. Проще говоря, лакокрасочный материал при нанесении с обычной для специалиста толщиной слоя должен получаться на черном и белом грунтовом покрытии одинакового цвета.
При рассмотрении цветов следует разъяснить понятие измерения, цвета. Существует много технических возможностей их проведения. Получаемые при этом результаты, в принципе, являются переносимыми и сравнимыми, хотя не всегда с равноценным разрешением мелких деталей. Измерение цвета является определяемым стандартом DIN 5033. Обычно измерение выполняется в диапазоне длин волн видимого свети от 380 до 780 нм, причем иногда также рассматривается меньший диапазон длин волн.
Все измерения цвета ориентируются на средние способности человека различать расположенные рядом гомогенные окрашенные поверхности. Человеческий глаз может различать только 3 цвета, а именно, красный, зеленый и голубой. Эти диапазоны чувствительности в технике называются Χ, Υ и Z, и являются не совсем перекрывающимися со спектрами аддитивного смешения цветов R, G и В как, например, у телевизоров и компьютерных мониторов.
В принципе, являются общепринятыми два решения для измерения цвета, с одной стороны, детекторы с фильтрами, с другой стороны, системы с диспергирующим по длине волны элементом на пути луча, которые отображают расщепленный спектр на диодной линейке или ПЗС-линейке. Для вариантов с фильтрами и детекторами имеются следующие очевидные выполнения:
- 3 диапазона с Χ, Υ, Ζ или R, G, B фильтрами и 3 детекторами
- n диапазонов с n узкополосными фильтрами и n детекторами.
Для варианта с диспергирующим по длине волны элементом типичным образом используются варианты с 128, 256, 512, 1024 и более диапазонами детектирования. Меньшее требуемое разрешение по длинам волн реализуется за счет суммирования соседних каналов. Эти способы сжатия данных специалисту известны.
В принципе, возможен и обратный путь, прием происходит широкополосным детектором, который является чувствительным во всем исследуемом диапазоне длин волн, и выбор длин волн происходит со стороны освещения, в то время как друг за другом включаются 3 или более разных источников света аналогично описанных выше диапазонам длин волн или источник белого света связывается с диспергирующим по длине волны элементом.
Зачастую, является достаточным измерение цвета, которое опрашивает 3 диапазона длин волн. Самые точные измерения обеспечивают измерительные приборы, которые весь видимый спектр подразделяют на очень узкие диапазоны, например с длиной волны 2-20 нм.
При научном описании цветных композиций для характеристики придающих окраску веществ общепризнанными стали понятия рассеяние (S) и поглощение (K или А) как основания для всех теорий и формул, которые описывают цвет окрашенных слоев, и здесь следует сослаться на известную специалисту теорию Кубелки-Мунка, которая оценивает отраженную (отражение R(λ)) или пропущенную (пропускание (Τ(λ)) интенсивность облучаемого белым света слоя данной толщины (d) при длине волны λ наблюдения.
До сих пор согласно уровню техники можно было выполнять эти вычисления для изотропно действующих пигментов и красящих средств. Научные подходы, которые позволяют выполнять эти вычисления также для любых красящих средств, например с придающими эффект пигментам, до сих пор не находятся в общем доступе.
Вычисления для определения из обычных свойств пигмента свойств получающегося смешанного продукта опубликованы и также используются на практике.
Также уровню техники соответствуют способы определения из измерений смесей продукта с известными стандартными образцами (белые и черные пасты) характеристик рассеяния и поглощения.
Альтернативно, исходя из образца типа продукта, можно добавлять к нему известные количества компонентов продукта и регистрировать воздействия в виде концентрационных рядов. Тогда на основании таких данных можно интерпретировать отклонения цвета партии продукта как отклонение рецептуры и соответственно выполнять корректировку.
С помощью разных математических методов инверсии можно также разработать способ вычисления, чтобы из измеренных свойств пигментной композиции определять свойства и/или концентрации отдельных компонентов композиции.
Хотя свойства бесконечно тонких слоев пигментов для всех красящих средств поддаются описанию (например, теория Ми, предпочтительно дипольная аппроксимация), вычисление многократного рассеяния слоев близкой к используемой на практике толщины (то есть не бесконечно тонких) не является уровнем техники.
При изготовлении лакокрасочных материалов всех видов можно в любое время отобрать пробу для создания таблицы проб, высушить ее и в некоторых случаях подвергнуть термообработке (сушке) и измерить образующийся при этом цвет. Тогда из отклонений от согласованного "типа" образца цвета можно определить корректирующие меры. При этом достигнутый цветовой тон и достигнутая кроющая способность являются двумя независимыми подлежащими установлению показателями. Чтобы разъяснить эту проблематику, рассмотрим краску, которая состоит из смеси белого пигмента и красящего вещества. Если соотношение компонентов смеси из белого пигмента и красящего вещества отклоняется, то цвет станет или слишком бледным или слишком интенсивным или темным. Специалисту известно, что согласно Кубелке-Мунку цвет зависит только от отношения K/S, поглощающего и рассеивающего компонентов, однако если оба компонента содержатся в композиции в слишком малых количествах, требуемая кроющая способность не достигается (тогда для потребителя просвечивает грунтовое покрытие).
Поэтому для надежности в композицию зачастую добавляют или дозируют больше чем необходимо пигмента, чтобы даже при неизбежных колебаниях качества входного продукта, процессов изготовления и применения гарантировать надежность и, таким образом, в полном объеме выполнять спецификации потребителя.
Однако как раз в случае лакокрасочных материалов в низком ценовом сегменте (например, строительных красок) это является недостатком, так как тем самым необходимо дозировать дорогостоящие пигменты в большем количестве, чем необходимо для требуемого цветового эффекта, и при известных условиях дополнительно оказывается отрицательное влияние на другие свойства продукта.
Также определение, как и контроль качества или свойств придающих эффект пигментов или жидких композиций придающих эффект пигментов, например алюминиевых или слюдяных пигментов, которые используются а области лаков и красок, в общем, является трудным и дорогостоящим. Для получения полных характеристик должны учитываться размеры частиц, зависящая от угла окраска частиц и общее восприятие цвета.
Поэтому требуется измерительный прибор, который позволяет с высокой точностью измерения, наиболее просто и быстро определять цветовые свойства, такие как точка цветности, кроющая способность и интенсивность окраски (см., например, 
Lexikon, Georg Thieme Verlag), жидких образцов, то есть отдельных компонентов или готовой продуктовой смеси, следовательно, лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты.
US2008/0273204 А1 относится к устройству и способу измерения пропускания и диффузного отражения жидкого образца, прежде всего краски или другой непрозрачной жидкости, включающий в себя эталонный источник 1 света, делитель 18 луча ("переключатель"), проточную измерительную ячейку 11 с регулируемой измерительной щелью ([0110]), по меньшей мере одну принимающую оптическую систему и по меньшей мере один детектор, а также синхронный усилитель, который должен заметно улучшить отношение сигнал/шум. При этом делитель луча 18 может разделять выходящий из стекловолокна 10 световой поток, благодаря чему возможно одновременное или отдельное измерение диффузного отражения и пропускания. За счет сдвига положения делителя 18 луча являются устанавливаемыми угол освещения и, тем самым, угол диффузного отражения ([0126]). Также может быть зарегистрировано рассеяние вперед ("вторично переданное электромагнитное излучение") под углом 45° ([0127]).
ЕР 0 472 899 А1 относится к фотометрическому устройству для измерения коэффициента затухания при распространении света в дисперсных системах, включающему в себя проточную кювету (1), один источник (4) света, по меньшей мере одну осветительную оптическую систему в виде оптоволоконных кабелей (LWL) и по меньшей мере одну принимающую оптическую систему в виде оптоволоконных кабелей (LWL), причем за счет выбора числа волокон и их компоновки в оптоволоконных кабелях, а также ввода в кювету, например под углом 45°, или через надетую стеклянную пластину (Gp) толщиной от 400 до 700 мкм для измерения диффузного отражения, могут одновременно регистрироваться пропускание и диффузное отражения или пропускание и квази-обратное рассеяние.
Из WO2005/003740 известен датчик диффузионного отражения для измерения жидких образцов, который состоит из:
а) оптического блока (А), который включает в себя источник (Аа) света в виде лампы и оптоволоконную оптическую систему, включающую в себя световоды (Ab), причем по меньшей мере один световод является эталонным световодом, и
б) блок (В) анализа образца, который включает в себя измерительное окно (Ва) и ячейку (Bb) для анализа образца, причем на одной стороне измерительного окна расположен оптический блок, а на другой стороне того же окна расположена ячейка для анализа образца, причем она прижимается к измерительному окну так, что между измерительным окном и ячейкой для анализа образца образуется щель, которую должен пересекать подлежащий измерению образец в виде жидкой пигментной композиции, причем при пересечении щели происходит значительный сдвиг образца, и
в) блок (С) управления системой, включающий в себя детекторы (Са) для приема данных измерений и подключенное к ним устройство (Cb) обработки данных,
причем по меньшей мере одно оптоволоконное соединение проведено от источника (Аа) света к измерительному окну (Ва) и от измерительного окна (Ва) дальше к детектору (Са) для выработки сигнала измерения (диффузное отражение продукта), и по меньшей мере одно эталонное оптоволоконное соединение проведено непосредственно от источника (Аа) света к детектору (Са) или от измерительного окна (Ва) к детектору (Са) для выработки эталонного сигнала (внутреннее отражение).
В дополнение к описанному выше (WO2005/003740) датчику диффузного отражения, WO2005/062022 раскрывает трехмерную проточную ячейку для ориентации не изометрических частиц в жидком образце по двум осям и ее применение с датчиком диффузного отражения. В принципе, названа также возможность измерения с помощью фотометрического измерительного устройства пропускания или квази-обратного рассеяния.
US 6,040,913 и WO 00/45152 относятся к способу определения эффективности рассеяния белого пигмента, в котором эффективность рассеяния света коррелирует с рабочими характеристиками при конечном применении, включающему в себя приготовление разбавленной суспензии пигмента в жидкой среде с известной концентрацией пигмента в суспензии, измерение полного пропускания (Т) суспензии при длине волны примерно 600 нм, преобразование измерения пропускания (Т) в оптическую плотность (OD) согласно уравнению OD=-log(T) и деление оптической плотности на концентрацию пигмента в суспензии, чтобы определить интенсивность рассеяния света пигментом. WO 2013/173401 относится к способу измерения одной или нескольких характеристик жидкости, включающий в себя:
изготовление тонкой пленка образца жидкости с заранее заданной толщиной пленки в диапазоне от 0,05 мм до 2 мм с использованием тонкослойного конструктивного элемента, включающего в себя: С1:
а) круглую плоскую шайбу (101), содержащую на противолежащих сторонах круглой плоской шайбы первую поверхность (101а) и вторую поверхность (101b) шайбы, причем круглая плоская шайба соединена с вращающимся стержнем (120), соединенным с вращательно-симметричной осью (110) круглой плоской шайбы, перпендикулярной поверхностям шайбы, чтобы сделать возможным вращение круглой плоской шайбы,
б) раму (121) конструктивного элемента, которая задает положение круглой плоской шайбы и вращающегося стержня,
в) элемент (125) регулировки толщины, содержащий обрамляющую пленку кромку (125а), соединенную с возвратным каналом (125b) для жидкости и по меньшей мере одним соединительным элементом (125 с), который соединяет обрамляющую кромку (125а) и возвратный канал (125b) для жидкости с рамой (121) конструктивного элемента, причем соединительный элемент рамы выполнен с возможностью перемещения относительно рамы конструктивного элемента, и
г) подвижный элемент (130), соединенный с вращающимся стержнем для обеспечения возможности вращения вращающегося стержня (120), и устройство (131) регулирования движения для регулирования скорости вращения, направления вращения вращающегося элемента или их комбинаций,
причем элемент (125) регулировки толщины расположен на первой стороне (101а) круглой плоской шайбы (101), обрамляющая пленку кромка (125а) расположена по существу параллельно первой поверхности, и охватывающая пленку кромка (125а) перекрывается с круглой плоской шайбой, причем перекрывается область от 50% до 99% радиуса круглой плоской шайбы (101),
причем расстояние (127) между обрамляющей пленку кромкой (125а) и первой поверхностью (101а) лежит в диапазоне от 0,05 до 5 мм и является регулируемым через соединительный элемент рамы,
и причем заранее заданная толщина пленка регулируется за счет этого расстояния (127) и за счет скорости вращения и направления, С2:
измерение тонких пленок с помощью одного или нескольких измерительный устройств для получения данных образца, и С3:
установку одной или нескольких характеристик на основании данных образцов.
ЕР 0 932 829 относится к системе анализа для анализа физических свойств лаков, пигментных паст или аналогичных систем, которая состоит из устройства для образования пленки лака, пигментной пасты и аналогичных систем с конкретной толщиной, источника света для облучения подлежащего исследованию лака или подлежащей исследованию пигментной пасты или аналогичных систем, причем происходит взаимодействие между светом и лаком, пигментной пастой или аналогичными системами, причем вырабатывается сигнал измерения, и устройства для приема измерительных сигналов, а также связанного с устройством для приема измерительного сигнала детектором.
WO 2009/065613 А1 относится к устройству для определения концентрации частиц, размера частиц, среднего размера частиц и распределения по размеру частиц дисперсной фазы, а также ее мутности путем измерения пропускания и/или путем измерения рассеянного света измерительного луча после прохода заданного измерительного расстояния в дисперсионной системе, причем в значительной степени избегаются отложения на поверхностях излучения измерительного луча и поверхности сбора измерительного луча.
US 6,288,783 В1 относится к системе анализа текучей среды для анализа специфических физических свойств текучей среды и способу анализа, причем система имеет средство пленкообразования, чтобы образовывать пленку текучей среды с заданной толщиной, устройство облучения пленки, которое пригодно для облучения пленки электромагнитным излучением, чтобы сгенерировать излучение взаимодействия, и приданный приемнику детектором для регистрации излучения взаимодействия. Кроме того, по меньшей мере одна из противолежащих поверхностях контакта с текучей средой прозрачна для электромагнитного излучения, и система имеет установку для очистки поверхности.
Измерительные устройства согласно уровню техники обладают недостаточными точностью измерений, скоростью и возможностью проведения нескольких высокоточных спектрометрических исследований жидкого образца. При существовавшем до сих пор уровне техники является нерешенной надежная регистрация спектрометрических данных измерений для определения цветовых характеристик, таких как точка цветности, кроющая способность и интенсивность окраски, предпочтительно поглощения (K или А) и рассеяния (S) жидких образцов, то есть отдельных компонентов или готовых продуктовых смесей, следовательно, лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты, с высокой точностью и достаточной скоростью. Прежде всего, отсутствует измерительное устройство, которое делает возможным получение полных характеристик зависящих от угла частиц, таких как, например, диоксид титана или алюминиевые и слюдяные придающие эффект пигменты. Также при современном уровне техники не решена непрерывная регистрация данных спектрометрических измерений с высокой точностью и достаточной точностью на жидком образце, прежде всего текущем жидком образце.
Решение задачи
Для решения вышеназванной постановки задачи был предложен датчик для квази-одновременного выполнения по меньшей мере двух из трех видов измерения: измерения пропускания (ТМ) и/или измерения рассеяния (VS) вперед и/или измерения диффузного отражения (REM) и для одновременного выполнения измерения пропускания (ТМ) и рассеяния (VS) вперед или измерения пропускания (ТМ) и диффузного отражения (REM) жидкого образца, причем датчик состоит из:
а) одного или нескольких источников (LQ) света, и
б) одной или нескольких осветительных оптических систем (ВО), и
в) по меньшей мере одной измерительной ячейки (MZ), и
г) двух, трех, четырех, пяти, шести, семи или восьми принимающих оптических систем (EO)(TM/VS/REM), и
д) двух, трех, четырех, пяти, шести, семи или восьми детекторов (DET)(TM/VS/REM) для измерения сгенерированных за счет пропускания сигналов пропускания, для измерения сгенерированных за счет рассеяния вперед сигналов рассеяния вперед или для измерения сгенерированных за счет диффузного отражения сигналов диффузного отражения,
причем:
- измерительная ячейка (MZ) является проточной ячейкой, которая имеет два противолежащих, параллельно расположенных измерительных окна (MF1) и (MF2), которые расположены относительно друг друга так, что между измерительными окнами образуется измерительная щель (MS), которая заполняется подлежащим измерению образцом, причем измерительные окна имеют заданное расстояние относительно друг друга, которое в проточном режиме работы является переменно устанавливаемым,
- измерительная ячейка (MZ) выполнена так, что одно из обоих измерительных окон (MF1) и (MF2) соединено с аксиально подвижным штоком (ST),
- положение штока (ST), а тем самым и заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) является переменно устанавливаемым в проточном режиме посредством системы позиционирования с точностью в среднем от 40 до 100 нм как стандартным отклонением разности фактического и заданного значения.
Новый датчик для квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного рассеяния жидкого образца в дальнейшем называется также датчиком согласно изобретению. Предпочтительные варианты осуществления датчика согласно изобретению следуют из нижеследующего описания, а также зависимых пунктов формулы изобретения.
Предметом настоящего изобретения также является способ квазиодновременного выполнения по меньшей мере двух из трех видов измерения: измерения пропускания (ТМ) и/или измерения рассеяния (VS) вперед и/или измерения диффузного отражения (REM) и одновременного выполнения измерения пропускания (ТМ) и рассеяния (VS) вперед или измерения пропускания (ТМ) и диффузного отражения (REM) жидкого образца с помощью предлагаемого в изобретении датчика, включающий в себя:
i) образование измерительного объема с заданной толщиной за счет установки расстояния между измерительными окнами (MF1) и (MF2) на заданное расстояние от 1 до 10000 мкм, предпочтительно от 5 до 5000 мкм, особо предпочтительно от 10 до 500 мкм, путем аксиального перемещения штока (ST) системы позиционирования,
ii) облучение образца под одним или несколькими углами с помощью посылаемого источником (LQ)(REM) света электромагнитного излучения, причем электромагнитное излучение вступает во взаимодействие с образцом, и часть излучения после взаимодействия с образцом отражается диффузно и/или направлено, и
облучение образца с помощью посылаемого источником (LQ)(TM/VS) света электромагнитного излучения, причем электромагнитное излучение вступает во взаимодействие с образцом, и часть излучения после взаимодействия с образцом проходит через образец или рассеивается в прямом направлении,
iii) прием и регистрацию диффузно отраженного излучения под одним или несколькими углами, и
прием и регистрацию прошедшего через образец излучения в виде сигнала пропускания под одним углом и/или в виде сигнала рассеяния вперед под одним или несколькими углами,
причем, альтернативно могут измерять только сигнал пропускания под одним углом одновременно с сигналом рассеяния вперед или сигналом диффузного отражения под одним или несколькими углами.
Предлагаемый в изобретении способ может использоваться для определения цветовых характеристик лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты или их разбавленных растворов.
Описание изобретения
"Квази-одновременная"
Под выражением "квази-одновременная" в духе настоящего изобретения следует понимать последовательную регистрацию пропускания и/или рассеивания вперед и/или диффузного отражения, которая происходит в пределах от 1 мс до 10 с. Было обнаружено, что последовательная регистрация пропускания и/или рассеивания вперед и/или диффузного в пределах от 1 мс до 10 с не оказывает отрицательного влияния на точность измерений.
"Одновременная"
Если происходит одновременная регистрация пропускания и рассеивания вперед или пропускания и диффузного отражения, то она выполняется, предпочтительно, как описано ниже.
Измерительная система может быть модифицирована так, что используется только один источник (LQ) света под углом 90° (вертикально), чтобы сделать возможным одновременное измерение пропускания (180°) и рассеяния вперед при отказе от диффузионного отражения или одновременное измерение пропускания (180°) и диффузного отражения при отказе от рассеяния вперед и отказе от угла диффузного отражения от 110° до угла скольжения.
"Датчик согласно изобретению"
Датчик согласно изобретению пригоден для квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца.
Таким образом, датчик согласно изобретению охватывает следующие варианты измерений:
Варианты квази-одновременных измерений:
а) пропускания и рассеивания вперед
б) пропускания и диффузного отражения
в) пропускания и рассеяния вперед и диффузного отражения
г) рассеяния вперед и диффузного отражение.
Варианты одновременных измерений:
д) пропускания и рассеяния вперед
е) пропускания и диффузного отражения.
Сообразно этому, формулировки "квази-одновременное" и "одновременное" должны указывать на то, что должны выполняться по меньшей мере два из трех вышеприведенных видов измерений пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения, причем очевидно, что в помощью датчика согласно изобретению могут также выполняться отдельные измерения пропускания, рассеяния вперед или диффузного отражения. Однако, предпочтительно, в сочетании выполняются квази-одновременно по меньшей мере два измерения, выбранные из пропускания, рассеяния вперед и диффузного отражения. Одновременно выполняются всегда два измерения в сочетании.
Выше и в дальнейшем под "REM" следует понимать диффузное отражение, под VS" - рассеяние вперед, и под "ТМ" - пропускание.
Под "TM/VS" в духе настоящей заявки следует понимать "ТМ" или "VS", то есть пропускание и/или рассеяние вперед.
"Образец"
Под образцом в духе настоящего изобретения следует понимать жидкую смесь из отдельных компонентов или готовой продуктовой смеси, прежде всего окрашивающих пигментных композиций. При этом выражение "цветной" включает в себя наряду с любыми цветами также "черный" и "белый".
Жидкие смеси отдельных компонентов или готовые продуктовые смеси, прежде всего цветные пигментные композиции, существуют, например, в виде лакокрасочных материалов, лаков или пигментных паст или в виде стабильных разбавленных смесей красок, лаков или пигментных паст.
Под стабильными разбавленными смесями лакокрасочных материалов, лаков или пигментных паст следует понимать растворы или дисперсии красок, лаков или пигментных паст, которые не расслаиваются, на образуют хлопья или не агрегируют. Подходящие растворяющие или диспергирующие средства специалисту известны. Примерами являются вода, органические растворители, прозрачные лаки или связующие средства.
С помощью датчика согласно изобретению могут квази-одновременно определяться пропускание и/или рассеяние вперед и/или диффузное отражение и непрерывно определяться пропускание и рассеяние вперед или пропускание и диффузное отражение жидкого образца в виде слоя.
Образцом в виде слоя в духе изобретения являются находящаяся между двумя измерительными окнами (MF1) и (MF2), предпочтительно, протекающая жидкая пигментная композиция или ее соответствующие разбавленные смеси, которые выше и в дальнейшем будут называться образцом.
Для определенных продуктов является предпочтительным разбавление образца, например, для улучшения текучести и при известных условиях для приведения в соответствие измерительных диапазонов. За счет этого может быть, например, предотвращена излишне высокая дозировка дорогого пигмента, которая может оказать отрицательное влияние на свойства образца.
Чертежи
Ниже настоящее изобретение будет разъяснено со ссылкой на чертежи. При этом использованные на чертежах сокращения имеют следующее значение:
ТМ пропускание
REM диффузное отражение
VS рассеяние вперед
LQ источник света (REM, ТМ, VS)
ВО осветительная оптическая система (REM, ТМ, VS)
STS система делителя луча
RO эталонная оптическая система (REM, ТМ, VS, REF)
DET детектор (REM, ТМ, VS, REF)
ЕО принимающая оптическая система (REM, ТМ, VS)
ST шток
DS(2) уплотнительная система штока
P(DS2) насос уплотнительной системы штока
V(DS2) сборник уплотнительной системы штока
AK исполнительный элемент (система позиционирования)
С-AK контроллер исполнительного элемента (контроллер системы позиционирования)
POS система измерения положения
C-Pos контроллер системы измерения положения
MZ измерительная ячейка
MF измерительное окно
MS измерительная щель
DS(1) уплотнительная система измерительной ячейки
GP пластина основания
K канал, образованный из пространства между измерительной
ячейкой (MZ), измерительным окном (MF1) и выдвинутым вперед штоком (TS),
для беспрепятственного прохождения жидкого образца через
измерительную ячейку (MZ).
MG измерительный прибор
Р(Р) насос образца
V(P) насос сборника
РС(Р) регулятор давления образца
На фиг.1А-1Г показана приведенная в качестве примера компоновка в датчике согласно изобретению одного или более источников (LQ) света, одной или более осветительных оптических систем (ВО), по меньшей одной измерительной ячейки (MZ), по меньшей мере одной принимающей оптической системы (EO)(TM/VS/REM) и по меньшей мере одного детектора (DET)(TM/VS/REM) для измерения сгенерированных за счет пропускания сигналов пропускания, для измерения сгенерированных за счет рассеяния вперед сигналов рассеяния вперед или для измерения сгенерированных за счет диффузного отражения сигналов диффузного отражения.
На фиг.1А показана приведенная в качестве примера компоновка датчика согласно изобретению с двумя REM детекторами (DET)(3, 4) и их соответствующими оптическими системами (ЕО)(3, 4) под углом 25° или 45° к углу скольжения источника (LQ)(2)(REM) света, из которых (DET)(3) также может быть использован как детектор пропускания под углом 180° к источнику (LQ)(1)(TM/VS) света, a (DET)(4) как один из возможных детекторов рассеяния вперед под углом 20° к источнику (LQ)(1)(TM/VS) света, а также установленными в ходе лучей источников (LQ)(1, 2) света осветительными оптическими системами (ВО)(1, 2). Кроме того, показаны используемые, предпочтительно в связи с источниками (LQ)(1)(TM/VS) и (LQ)(2)(TM/VS) света, эталонные детекторы (DET)(1)(REF TM/VS) или (DET)(2)(REF TM/VS), включая используемую в таком случае систему делителя (STS)(1, 2) луча и эталонной оптической системы (RO)(1)(TM/VS) или (RO)(2)(TM/VS).
Таким образом, в приведенной на фиг.1А в качестве примера компоновке датчика согласно изобретению источник (LQ)(REM) света, осветительная оптическая система (BO)(TM/VS), по меньшей мере одна принимающая оптическая система (EO)(TM/VS/REM) и по меньшей мере один детектор (DET)(TM/VS)(REM) расположены на стороне измерительного окна (MF1), а осветительная оптическая система (BO)(TM/VS) расположена на стороне противолежащего измерительного окна (MF2).
На фиг.1Б показана предпочтительная компоновка датчика согласно изобретению с пятью REM детекторами (DET)(3, 4, 5, 6, 7) и соответствующими принимающими оптическими системами (ЕО)(3, 4, 5, 6, 7) под углами 15°, 25°, 45°, 75° и 110° относительно угла скольжения источника (LQ)(2)(REM) света, из которых (DET)(3) может быть использован как детектор пропускания, a (DET)(4, 5, 6, 7) могут быть использованы как возможные детекторы рассеяния вперед под углом 20°, 30° или 65° относительно источника (LQ)(1)(TM/VS), двумя эталонными детекторами (DET)(1)(TM/VS) и (DET)(2)(TM/VS) с соответствующими эталонными оптическими системами (RO)(1)(TM/VS) и (RO)(2)(REM), а также двумя источниками (LQ)(1)(TM/VS) и (LQ)(2)(REM) света.
В предпочтительном варианте компоновки датчика согласно изобретению на фиг.1Б также расположены на стороне измерительного окна (MF1) источник (LQ)(2)(REM) света, осветительная оптическая система (BO)(2)(REM), принимающие оптические системы (ЕО)(3, 4, 5, 6, 7)(TM/VS)(REM), а на стороне противолежащего измерительного окна (MF2) источник (LQ)(1)(TM/VS) света и осветительная оптическая система (BO)(1)(TM/VS).
На фиг.1В показана приведенная в качестве примера компоновка только с одним источником (LQ) света. При этом на стороне измерительного окна (MF1) расположены источник (LQ)(1)(TM/REM) света, два REM детектора (DET)(2,3)(REM) и их соответствующие принимающие оптические системы (ЕО)(2,3), а на стороне расположенного напротив источника (LQ)(1)(TM/REM) измерительного окна (MF2) расположен ТМ детектор (DET)(1)(TM). Если, как является предпочтительным, используется эталонный детектор, то этот эталонный детектор (DET)(4)(TM/REM) вместе с эталонной оптической системой (RO)(1) и системой (STS)(1) делителя луча находится на стороне измерительного окна (MF1).
На фиг.1Г показана еще одна приведенная в качестве примера компоновка с расположенным на стороне измерительного окна (MF2) только одним источником (LQ)(1)(TM/VS). На стороне измерительного окна (MF1) расположены четыре VS детектора (DET)(4, 5, 6,7)(VS) и их соответствующие принимающие оптические системы (ЕО)(4, 5, 6, 7)(ТМ) под углом 20°, 30°, 45° и 65° относительно источника (LQ)(1)(TM/VS) света и ТМ детектор (DET)(3)(TM) под углом 180° относительно источника (LQ)(1)(TM/VS) света. Предпочтительно, используемый эталонный детектор (DET)(1)(TM/VS) и соответствующая эталонная оптическая система (RO)(1), а также система (STS)(1) делителя луча расположены на стороне измерительного окна (MF2).
На фиг.2А-2Г показана приведенная в качестве примера компоновка согласно предпочтительному варианту осуществления измерительной ячейки (MZ), в которой измерительное окно (MF2) соединено с штоком (ST), причем шток (ST) выполнен с возможностью аксиального перемещения посредством исполнительных элементов (AK), причем фигуры 2А и 2В разрезаны вдоль оси протекания, а фигуры 2Б и 2Г разрезаны поперек оси протекания.
На фиг.2А и 2Б показаны два вида приведенной в качестве примера компоновки с открытой измерительной щелью (MS), то есть компоновка, при которой шток (ST) оттянут далеко назад, и расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) максимально.
На фиг.2В и 2Г показаны два вида приведенной в качестве примера компоновки с (почти) закрытой измерительной щелью (MS), то есть компоновки, в которой расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) заметно уменьшено за счет сдвигания штока (ST) вперед в измерительную ячейку (MZ). Оно, таким образом, представляет собой возможную компоновку во время измерения образца.
При этом на фиг.2Г ясно показано, что измерительная ячейка (MZ) за счет сдвига вперед штока (ST) и за счет этого измерительного окна (MF2), благодаря чему устанавливается измерительная щель (MS), закрыта не полностью, а что выступающий в измерительную ячейку шток (ST) со стенкой измерительной ячейки и измерительным окном (MF1) образует в направлении течения слева и справа от штока (ST) два канала (K), через которые часть направляемого в измерительную ячейку (MZ) потока образца может сбоку обтекать шток (ST) и, таким образом, беспрепятственно (и не измеренным) проходить через измерительную ячейку (MZ).
На фиг.3А показаны схематическое изображение, а на фиг.3Б фотография одной стороны реализованной измерительной ячейки (MZ) с отведенным назад измерительным окном (MF2) и штоком (ST) соответственно схематически показанной компоновке на фиг.2А и 2Б, на которых еще раз ясно показано, что часть потока образца может через расположенные в направлении течения слева и справа каналы (K) беспрепятственно обтекать шток (ST), когда он выдвинут вперед, и диаметр (D) измерительного окна (MF2) меньше, чем ширина (d) основания измерительной ячейки (MZ). Другая часть образца во время измерения течет, как показано прямой стрелкой на фиг.3А, между измерительными окнами (MF1) и (MF2). Кроме того, показаны подводные и отводные каналы образца в измерительной ячейке (MZ), а также канавка, которая, например, с уплотняющим резиновым кольцом представляет собой возможное выполнение уплотнительной системы (DS) измерительной ячейки.
На фиг.3В показана фотография противоположной стороны показанной на фиг.3Б измерительной ячейки (MZ), в которой на пластине (GP) основания установлено измерительное окно (MF1).
На фиг.3Г показана фотография предпочтительной компоновки с источником (LQ) света, осветительной оптической системой (ВО), системой (STS) делителя луча, эталонной оптической системой (RO), детектором (DET) и исполнительным элементом (AK) для приведения в движение штока (ST) (причем дополнительный исполнительный элемент (AK), система (POS) измерения положения и шток (ST) скрыты.
На фиг.4А и 4Б показаны два приведенных в качестве примера варианта выполнения общей конструкции датчика согласно изобретению с приведенным в качестве примера выполнения патрубка подвода образца и патрубка отвода образца, а также уплотнительная система штока (DS2).
При этом фиг.4А соответствует описанной на фиг.1А оптической конструкции, фиг.4Б соответствует описанной на фиг.1В оптической конструкции.
На фиг.5А и 5Б показаны фотографии реализованной общей конструкции согласно показанной на фиг.4А оптической конструкции.
Показанные на чертежах элементы и использованные в описании к чертежам выражения, а также их варианты осуществления, насколько они в нижеследующей заявке подробно не разъясняются, специалисту известны и являются обычно используемыми в технологических и оптомеханических измерительных устройствах.
Подробное описание изобретения
Ниже описываются отдельные компоненты от а) до д) датчика согласно изобретению:
а) один или несколько источников (LQ) света, предпочтительно два источника (LQ)(TM/VS) и (LQ)(REM) света
Физическая функция:
В принципе, каждое отдельное измерение исходит из источника (LQ) света, который обеспечивает свет в требуемом диапазоне длин волн с требуемыми интенсивностью, стабильностью и долговечностью
Источники (LQ) света могут быть основаны на очень многих различных принципах, начиная с ламп со спиральными нитями накаливания, газоразрядных ламп до светодиодов. Преимуществом светодиодов является возможность поддержания постоянной интенсивности за счет эксплуатации со стабилизированным током и возможность отказа от механического затвора (ток выключен = свет выключен). Также возможно применение лазеров.
Предпочтительно, источники (LQ) света выбираются независимо друг от друга - в случае, когда используются несколько источников тока - из группы, состоящей из светодиодов, предпочтительно белых светодиодов, RGB-светодиодов, матриц из светодиодов с граничащими друг с другом диапазонами длин волн, ламп со спиральными нитями накаливания, газоразрядных ламп.
Источники (LQ) света обычно обладают хорошей тепловой и механической стабильностью, то есть небольшими колебаниями в течение коротких промежутков времени, без больших изменений в течение длительных промежутков времени, большим сроком службы. Предпочтительно, источники света имеют однородный спектр, так что все длины волн, которые должны измеряться на образце, попадают в детектор с достаточной интенсивностью.
Предпочтительно, источники (LQ) света могут включаться и выключаться как угодно часто, особо предпочтительно посредством механического затвора, переключением источника электропитания источника света и/или оптоэлектронного затвора. В высшей степени предпочтительно, источник света включается или выключается за счет переключения источника электропитания.
Один предпочтительный вариант осуществления настоящей заявки относится к устройству, в котором за источником света расположен компенсационный фильтр. При этом под "за источником света" следует понимать, что компенсационный фильтр следуя по ходу светового луча расположен после источника света. Используемый в этом варианте осуществления компенсационный фильтр линеаризирует спектр источника света так, что отношение между самой высокой и самой низкой интенсивностью света, излучаемого источником света, достигает максимально 4, предпочтительно 3-4, а не 10-20, как это обычно для уровня техники. Это достигается с помощью имеющихся на рынке стеклянных фильтров.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления за источником (LQ) света - при использовании компенсационного фильтра между источником света и компенсационным фильтром - расположены инфракрасный фильтр-пробка, конденсор и рассеивающая пластина. Снова "за источником света" в духе настоящей заявки означает следование за лучом света после источника света. Инфракрасный фильтр-пробка используется для уменьшения тепловой нагрузки, которая за счет источника света действует на образце, световод, компенсационный фильтр и другие узлы датчика.
Конденсор используется для того, чтобы фокусировать свет источника света на входе оптической системы, например оптоволоконной оптической системы. Рассеивающая пластина используется для того, чтобы достичь свободного от структур, равномерного распределения яркости света источника света по месту и углу апертуры световода. Подходящие выполнения конденсоров и рассеивающих пластин, которые пригодны для датчика согласно изобретению, специалисту известны.
Встроенный согласно изобретению в одном варианте осуществления в источник света затвор является, например, электромеханическим затвором, который может полностью затемнять осветительное волокно. Затемнение источника света служит измерению темнового тока (электрическое зависящее от температуры смещение детектора и соответствующей усиливающей электроники), который должен вычитаться из сигнала измеренного значения при включенном источнике света. В высшей степени предпочтительной здесь форме измерения темнового тока источник света отключается. Измеренное спектрометром количество света при считывании сбрасывается, но возможно (в зависимости от аппаратного обеспечения) только на примерно 99%, так что остаток последнего измерения остается в спектрометре и искажает первое измерения темнового тока. Начиная со второго следующего друг за другом измерения темнового тока, остаточное значение в рамках точности измерения является незначительным.
б) одна или несколько осветительных оптических систем (ВО), предпочтительно две осветительные оптические системы (BO)(TM/VS) и (ΒΟ)(RΕΜ)
Физическая функция осветительной оптической системы (ВО):
Излучаемый источником света свет принимается в заданном диапазоне пространственных углов оптической конструкцией и направляется на измеряемый объект (здесь, в общем, слой жидкого образца, например цветной композиции). Эту конструкцию называют осветительной оптической системой.
Предпочтительно, датчик в дополнение к осветительной оптической системе (ВО) или оптическим системам имеет одну или несколько эталонных оптических систем (RO), предпочтительно (RO)(TM/VS) и (RO)(REM), и в дополнение к детектору или детекторам (DET)(TM/VS/REM) по меньшей мере один детектор, предпочтительно два детектора, в качестве эталонных детекторов (RDET), предпочтительно (RDET)(TM/VS) и (RDET)(REM).
Физическая функция эталонной оптической системы (RO), эталонного детектора (RDET):
Для оптимизации точности измерения часть света, посылаемого источником (LQ) света, может отбираться и с помощью отдельной оптической системы (эталонной оптической системы (RO)) направляться к эталонному детектору (RDET).
Осветительная оптическая система (ВО) освещает измеряемую поверхность образца продукта с заданным пространственным углом. Возможно освещение с разными главными углами, в сухой колориметрии известны углы 0° и 45°, и с разными апертурными углами. Параллельное освещение имеет апертурный угол ~0°, при также известном "диффузном" освещении свет попадает на измеряемую поверхность со всех пространственных направлением. При этом речь не идет о лучшей или худшей сравнимости мокрого измерения с сухим измерением. В научной литературе и у некоторых производителей обсуждается также использование разных направления освещения.
Осветительная оптическая система (ВО) может быть, в общем, выполнена "традиционно" с линзами и диафрагмами, однако может также содержать оптоволоконные элементы. Важным является постоянство интенсивности облучения и положение освещенного пятна. Обеспечиваемое для эталонного детектора (RDET) количество света должно быть подходящим, регулироваться при одновременной работе с измерительным детектором, и всегда иметь постоянное отношение к интенсивности освещения. Отбор для сравнения у оптоволоконных систем может происходить через закрепленное параллельно вместе с другими волокнами в штекере для ввода излучения волокно или у обычных систем за счет полупрозрачного зеркала в ходе лучей.
Таким образом, осветительные оптические системы (ВО), предпочтительно, выполняются независимо друг от друга в виде оптоволоконной системы и/или в виде обычной системы с линзами и диафрагмами.
Таким образом, эталонная оптическая система (RO), предпочтительно эталонная оптическая система (RO)(TM/VS) и (RO)(REM), в оптоволоконных системах выполняется за счет закрепленного параллельно вместе с другими волокнами в штекере для ввода излучения волокна, и у обычных систем за счет полупрозрачного зеркала или действующих аналогичным образом оптических систем в ходе луча, например светоделительной призмы, стеклянной пластины.
Световоды состоят из стеклянных волокон или пластмассовых волокон или жидких световодов, в виде отдельных волокон или пучков волокон.
Предпочтительно, стеклянные волокна с диаметром волокон 100, 200, 400, 600, 800 мкм или более неподвижно монтируются, например, на спектрометре. Особо предпочтительно, используемое в качестве эталонного световода волокно имеет приведенный в соответствие, предпочтительно меньший, диаметр, чем остальные световоды, чтобы репрезентативная часть света используемого источника (LQ) света, предпочтительно светодиода, достигала непосредственно эталонного детектора (RDET) и по возможности точно измерялась.
Эталонный световод в предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению направляется через поглощающий элемент, то есть точный дистанционный элемент с встроенное рассеивающей пластиной, чтобы получить полный апертурный угол.
Приведенные выше описания справедливы также для упомянутой в пункте г) принимающей оптической системы (ЕО).
в) По меньшей мере одна измерительная ячейка (MZ), причем измерительная ячейка (MZ) является проточной ячейкой, которая имеет два противолежащих параллельно расположенных измерительных окна (MF1) и (MF2), которые расположены относительно друг друга так, что между измерительными окнами (MF1) и (MF2) образуется измерительная щель (MS), которая заполняется подлежащим измерению образцом, причем измерительные окна (MF1) и (MF2) имеют заданное расстояние друг от друга, которое является переменно устанавливаемым.
Физическая функция:
Подлежащий измерению слой образуется жидким образцом, который, как правило, заполняет образованную между двумя противолежащими параллельно расположенными измерительными окнами (MF1) и (MF2) щель (измерительную щель (MS)). Предпочтительно, в случае образца речь идет о протекающем образце, причем путь течения является образованной двумя противолежащими параллельно расположенными измерительными окнами (MF1) и (MF2) измерительной целью (MS).
Измерительная ячейка (MZ) является проточной ячейкой, которая обеспечивает для противолежащих измерительных окна (MF1) и (MF2) (для диффузного отражения, пропускания и рассеяния вперед) на постоянном или переменном, но постоянно точно измеренном расстоянии, между которыми находится образец, предпочтительно протекающий образец.
Для транспортировки подлежащего проверке образца в измерительную цель (MS) она открывается, то есть расстояние между обеими измерительными окнами (MF1) и (MF2) увеличивается до тех пор, пока слой, в общем, полностью не обновится. Затем измерительная щель (MS) между измерительными окнами (MF1) и (MF2) для собственно измерения (снова) сужается до требуемого положения измерения или расстояние между обоими измерительными окнами (MF1) и (MF2) уменьшается, причем избыточный образец, предпочтительно, может беспрепятственно вытекать через каналы (K). Оставшийся образец, в общем, подвергается еще небольшом сдвигу, что необходимо для измерения.
Заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2), предпочтительно в проточном режиме, является переменно устанавливаемым, то есть образованная за счет заданного расстояния между противолежащими параллельно расположенными измерительными окнами (MF1) и (MF2) измерительная щель (MS) и за счет этого также толщина слоя образца может изменяться, предпочтительно может изменяться в проточном режиме, причем установленное заданное расстояние постоянно является точно определяемым. Переменно устанавливаемое, но постоянно точно определяемое расстояния, предпочтительно в проточном режиме, может потребоваться, чтобы измерительную щель (MS) или толщину слоя приспосабливать индивидуально, предпочтительно бесступенчато, к соответствующему образцу, чтобы таким образом, по мере надобности устанавливать толщину слоя, при которой образец является непрозрачным, полупрозрачным или прозрачным.
Предпочтительно, заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) составляет от 1 до 10000 мкм, особо предпочтительно от 5 до 5000 мкм, в высшей степени предпочтительно от 10 до 500 мкм.
Предпочтительно, измерительные окна (MF1) и (MF2) являются плоскими пластинами, изготовленными независимо друг от друга из прозрачного для используемого диапазона длин волн материала с достаточной механической и химической стойкостью, например из пластмассы (например, полистирола, поликарбоната, полиэтилентерефталата, полиметилметакрилата), стекла (BK7, BaK2, LaSF9, боросиликатного стекла, кварцевого стекла), кварца, диоксида циркония, полудрагоценного камня (например, циркона), или драгоценного камня (например, топаза, сапфира, алмаза).
Предпочтительно, измерительное окно (MF1) имеет толщину до 1 до 12 мм, особо предпочтительно от 4 до 10 мм, в высшей степени предпочтительно от 6 до 8 мм. Измерительное окно (MF1), в общем, имеет диаметр от 10 до 100 мм, предпочтительно от 30 до 70 мм.
Предпочтительно, измерительное окно (MF2) имеет толщину до 1 до 12 мм, особо предпочтительно от 1 до 8 мм, в высшей степени предпочтительно от 1 до 4 мм. Измерительное окно (MF2), в общем, имеет диаметр (D) от 5 до 100 мм, предпочтительно от 10 до 30 мм.
В одном предпочтительном варианте осуществления заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) в проточном режиме является переменно устанавливаемым, это значит, что протекающий образец не должен задерживаться, прерываться, уменьшаться или другим образом приводиться в соответствие, чтобы устанавливать заданное расстояние между противолежащими расположенным параллельно измерительными окнами (MF1) и (MF2), устанавливать его на требуемую величину и задавать точное положение.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению одно из обоих измерительных окон (MF1) и (MF2), предпочтительно (MF2), соединено со штоком (ST), предпочтительно выполненным с возможностью аксиального перемещения штоком (ST), который делает возможной индивидуальную установку, предпочтительно бесступенчатую установку, расстояния между обеими параллельно расположенными противолежащими измерительными окнами (MF1) и (MF2). Во всяком случае, за счет перемещения штока (ST), предпочтительно за счет аксиального перемещения штока (ST), расстояние между обоими расположенными параллельно противолежащими измерительными окнами (MF1) и (MF2) может увеличиваться и уменьшаться, благодаря чему может индивидуально, предпочтительно бесступенчато, регулироваться измерительная щель (MS) и, тем самым, также толщина, предпочтительно, протекающего подлежащего измерению образца.
В одном особо предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению одно из обоих измерительных окон (MF1) и (MF2), предпочтительно (MF2), соединено со штоком (ST), предпочтительно выполненным с возможностью аксиального перемещения штоком (ST), который делает возможной индивидуальную установку, предпочтительно бесступенчатую установку, расстояния между обеими параллельно расположенными противолежащими измерительными окнами (MF1) и (MF2), причем диаметр (D) соединенного со штоком измерительного окна (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2), меньше, чем ширина (d) основания измерительной ячейки (MZ) (сравни фиг.2А-Г и 3А), к которому прилегает соединенное со штоком измерительное окно (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2). За счет того, что диаметр (D) измерительного окна (и, следовательно, штока (ST)) меньше, чем ширина (d) основания измерительной ячейки (MZ), канал для образца при сближении измерительных окон (MF1) и (MF2), то есть при уменьшении измерительной щели (MS), причем шток (ST) вдвигается в измерительную ячейку, не полностью закрывается, сбоку от штока (ST) (слева и справа в направлении потока) образуются два канала (K). Следующим из этого преимуществом является беспрепятственное вытекания избыточного образца через стороны измерительного окна в каналы (K) при уменьшении расстояния между измерительными окнами (MF1) и (MF2). Еще одним преимуществом этого предпочтительного устройства измерительной ячейки (MZ) является то, что часть вводимого в измерительную ячейку образца, предпочтительно часть вводимого в измерительную ячейку протекающего образца, может через каналы (K) беспрепятственно обтекать выступающий в измерительную ячейку при уменьшении измерительной щели (MZ) шток (ST), за счет чего не подвергнутая измерению часть образца (образец не проходит через измерительную щель (MS) между измерительными окнами (MF1) и (MF2)), предпочтительно не подвергнутая измерению часть протекающего образца, может почти беспрепятственно проходить мимо измерительной ячейки (сравни фиг.2А-2Г и 3А-Б). Такое выполнение пригодно, прежде всего, для непрерывного режима измерения или непрерывного подвода образца, при котором измерительная щель уменьшается только в случае необходимости, без заметного уменьшения самого потока через измерительную ячейку (MZ). Поэтому при непрерывном режиме измерения подвод образца, предпочтительно протекающего образца, не уменьшается, задерживается или прерывается другим образом.
Положение штока (ST), а тем самым и расстояние между обоими измерительными окнами (MF1) и (MF2), в общем, может устанавливаться посредством системы позиционирования, предпочтительно, посредством одного или более исполнительных элементов (AK) с соответствующим контроллером (С-AK), причем точное положение может определяться посредством системы (POS) измерения положения и соответствующего контроллера (C-POS). Приведенные для примера компоновки показаны на фиг.1А-1Г, а также на фиг.2А-2Г.
В датчике согласно изобретению измерительная щель (MS), то есть заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2), является переменно устанавливаемым, предпочтительно, в проточном режиме, предпочтительно с точностью в среднем от 40 до 100 нм, особо предпочтительно в среднем от 40 до 60 нм (стандартное отклонение разности фактического и заданного значения).
В одном особо предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению одно из обоих измерительных окон (MF1) и (MF2), предпочтительно (MF2), соединено со штоком (ST), предпочтительно выполненным с возможностью аксиального перемещения штоком (ST), причем положение штока (ST), а тем самым и расстояние между обоими измерительными окнами (MF1) и (MF2) устанавливается переменно посредством системы позиционирования, предпочтительно, в проточном режиме, предпочтительно посредством одного или более исполнительных элементов (AK) с соответствующим контроллером (С-AK) с точностью в среднем от 40 до 100 нм, особо предпочтительно в среднем от 40 до 60 нм (стандартное отклонение разности фактического и заданного значения), причем точно достигнутое положение может определяться, предпочтительно, посредством системы (POS) измерения положения и соответствующего контроллера. Приведенные для примера компоновки показаны на фиг.1А-1Г, а также на фиг.2А-2Г.
В случае, когда подлежащий измерению образец протекает через измерительную щель (MS), при пересечении щели возникает сдвиг образца. Предпочтительно, сдвиг достигается за счет того, что падение давления в щели составляет, предпочтительно, от 0,1 до 3 бар на длине от 1 до 30 мм, особо предпочтительно от 0,5 до 1,5 бар на длине от 2 до 15 мм.
Чтобы поддерживать определенное состояние образца и, тем самым, получать сравнимые данные измерений, в случае, когда подлежащий измерению образец протекает через измерительную щель (MS), является предпочтительным постоянный сдвиг образца. Предпочтительно, это осуществляется за счет непрерывного контроля входного давления, то есть давления в месте входа жидкой пигментной композиции в измерительную щель (MS).
Контроль давления является предпочтительным, чтобы сделать возможным заданный сдвиг в месте измерения. Если это обеспечено другими средствами (например, известной производительностью насоса, вязкостью и шириной щели), то измерение давления можно исключить. При измерении давления являются возможными несколько вариантом, а именно, Т-конфигурация, V-конфигурация, измерение с проточным датчиком давления, а также отверстие в продуктовой ячейке. Структуры названных конфигураций специалисту известны. Критерием выбора является достаточно точное измерение относительно низких давлений, нечувствительность к колебаниям давления (например, когда продукт подается пульсирующим насосом), а также легкая промываемость (отсутствие мертвого пространства) или, по меньшей мере, возможность очистки.
Установка входного давления зависит, среди прочего, от кроющей способности, а также от вязкости образца, прежде всего жидкой пигментной композиции или ее разбавления. Если в качестве образца используется, например, не сильно кроющий лак, то необходимо использовать измерительную ячейку (MZ) с большей измерительной щелью (MS), чем при использовании более сильно кроющего лака. Тогда объемный поток должен быть заново установлен, чтобы потеря давления оставалась постоянной.
г) по меньшей мере одна принимающая оптическая система (EO)(TM/VS/REM)
Физическая функция:
Испускаемый образцом свет в диапазоне пространственных углов принимается принимающей оптической системой (ЕО) и направляется к детектору (DET). В зависимости от того, на какой стороне находится этот диапазон пространственных углов, говорят о диффузном отражении (та же сторона относительно измерительного окна, что и для (LQ)) или о пропускании/рассеянии вперед (регистрируется прошедший через образец на другой стороне от источника (LQ) света относительно измерительного окна свет).
В принципе, принимающая оптическая система (ЕО) устроена аналогично осветительной оптической системе (ВО) (см. комментарии к осветительной оптической системе (ВО), раздел б)). В одном варианте осуществления можно выполнять измерение испускаемого света с угловым разрешением, так что несколько регистрирующих только заданный диапазон пространственных углов принимающих оптических систем с соответствующим детектором размещены концентрически рядом друг с другом и приводятся в действие последовательно или лучше параллельно.
Предпочтительно, принимающие оптические системы (ЕО) выполнены независимо друг от друга в виде оптоволоконных систем и/или в виде обычных систем с линзами и диафрагмами.
Обычно датчик согласно изобретению содержит 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8 принимающих оптических систем (ЕО).
д) по меньшей мере один детектор (DET)(TM/VS/REM) для измерения сгенерированного за счет пропускания сигнала пропускания, для измерения сгенерированного за счет рассеяния вперед сигнала рассеяния вперед или для измерения сгенерированного за счет диффузного отражения сигнала диффузного отражения
Физическая функция:
Собранный принимающей оптической системой (ЕО) свет достигает детектора (DET), который анализирует спектр света, в общем, в сравнении со спектром источника света. Это, как правило, происходит за счет разрешающего по длинам волн измерения интенсивности с помощью спектрометра.
Детектор (DET) является комплементарным аналогом источника (LQ) света. Спектральные свойства образца определяются путем сравнения освещающего спектра (предпочтительно, из измерения эталонного канала) с излучающим образцом спектром. Результатом всегда является отношение интенсивностей в диапазоне длин волн или ряд результатов измерений (массив) для каждого подлежащего определению диапазона длин волн. В принципе, является равноценным, происходит ли выбор длин волн уже на стороне источника света (перестраиваемый источник света или избирательный по длине волны элемент на пути луча) в комбинации с широкополосным детектором в одном канале, или же на стороне детектора, например с помощью так называемого монолитного спектрометра (стеклянный блок с дисперсионной решеткой и CCD-линейкой или диодной линейкой). Последняя конструкция не нуждается в подвижных деталях и является очень быстрой и надежной.
Предпочтительно, детекторы (DET) являются, таким образом, детекторами интенсивности, особо предпочтительно спектрально-разрешенными детекторами интенсивности, в высшей степени предпочтительно оптоволоконными монолитными датчиками с диодной линейкой.
Считывание с детектора и оцифровка сигналов с хорошим разрешением (например, 15 бит) является коммерчески доступным, отношение сигнал/шум может быть, в общем, улучшено за счет повторного измерения и усреднения. Обычно датчик согласно изобретению содержит 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8 детекторов.
В одной предпочтительной компоновке датчика согласно изобретению по меньшей мере 3 детектора (DET), предпочтительно 5 детекторов (DET), расположены для многоугольного измерения сгенерированных за счет диффузного отражения сигналов по меньшей мере под 3 пространственными углами, предпочтительно 5 пространственными углами, в диапазоне пространственных углов от 10° до 115°, предпочтительно 15°, 25°, 45°, 75° и 110° относительно угла скольжения источника (LQ)(REM) света. В еще одной предпочтительной компоновке датчика согласно изобретению по меньшей мере 2 детектора (DET), предпочтительно по меньшей мере 3 детектора (DET), расположены для многоугольного измерения сгенерированных за счет рассеяния вперед сигналов рассеяния вперед по меньшей мере под 2 пространственными углами, предпочтительно по меньшей мере 3 пространственными углами, в диапазоне пространственных углов от >0° до <90°, предпочтительно в диапазоне пространственных углов от 10° до 80°, особо предпочтительно 20°, 30°, 45° и 65°, относительно источника (LQ)(VS) света.
В одной особо предпочтительной компоновке датчика согласно изобретению по меньшей мере 3 детектора (DET), предпочтительно 5 детекторов (DET), расположены для многоугольного измерения сгенерированных за счет диффузного отражения сигналов диффузного отражения по меньшей мере под 3 пространственными углами, предпочтительно 5 пространственными углами, в диапазоне пространственных углов от 10° до 115°, предпочтительно 15°, 25°, 45°, 75° и 110°, относительно угла скольжения источника (LQ)(REM) света, причем эти детекторы также используются для многоугольного детектирования сгенерированных за счет рассеяния вперед сигналов рассеяния вперед по меньшей мере под 2 пространственными углами, предпочтительно по меньшей мере 3 пространственными углами, в диапазоне пространственных углов от>0° до<90°, предпочтительно в диапазоне пространственных углов от 10° до 80°, особо предпочтительно 20°, 30°, 45° и 65°, относительно источника (LQ)(VS) света.
При этом регистрация в пространственном угле имеет заданнный допуск, то есть может проводиться регистрация не в четко ограниченном пространственном угле, а скорее в диапазоне пространственных углов, который в зависимости от пространственного угла может иметь разную величину. Например, при измерении диффузного отражения разрешаются допуски до ±8° при пространственных углах 15°, 25°, и 45°, а также до ±10° при пространственном угле 75° и до ±20° при пространственном угле 110°, соответственно относительно угла скольжения источника света (ASTM Е2194). Многоугольное измерение рассеяния вперед, прежде всего рассеяния белого света, делает возможным исчерпывающее получение характеристик зависящих от угла частиц, прежде всего придающих эффект пигментов или композиций придающих эффект пигментов, за счет определения размера и изотропии частиц, а также определения зависящих от угла точек цветности.
Как уже упоминалось в разделе б), датчик, предпочтительно, дополнительно к осветительной оптической системе (ЕО) или осветительным оптическим системам имеет одну или более осветительных оптических систем, предпочтительно две осветительные оптические системы, в качестве эталонных оптических систем (RO), предпочтительно (RO)(TM/VS) и (RO)(REM), и в дополнение к детектору или детекторам (DET)(TM/REM/VS) по меньшей мере один детектор, предпочтительно два детектора, в качестве эталонных детекторов (RDET), предпочтительно (RDET)(TM/VS) и (RDET)(REM).
В одном предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению имеются несколько источников (LQ) света и несколько осветительных оптических систем (ВО), причем один источник (LQ)(REM) света, одна осветительная оптическая система (BO)(REM), по меньшей мере одна принимающая оптическая система (EO)(TM/VS/REM) и по меньшей мере один детектор (DET)(TM/VS/REM) расположены на стороне измерительного окна (MF1), а один источник (LQ)(TM/VS), а также одна принимающая оптическая система (BO)(TM/VS) расположены на стороне противолежащего измерительного окна (MF2).
В еще одном предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению имеются только один источник (LQ) света и только одна осветительная оптическая система (ВО), которые расположены или на стороне измерительного окна (MF1) или на стороне измерительного окна (MF2), причем, предпочтительно, по меньшей мере одна принимающая оптическая система (EO)(TM/VS) и по меньшей мере один детектор (DET)(TM/VS) для измерения пропускания и/или рассеяния вперед расположены на стороне противолежащего источнику (LQ) и осветительной оптической системы (ВО) измерительного окна (MF2) или (MF1), и, предпочтительно, по меньшей мере одна принимающая оптическая система (EO)(REM) и по меньшей мере один детектор (DET)(REM) для измерения диффузного отражения расположены на стороне измерительного окна (MF1) или (MF2), которая соответствует стороне источника (LQ) света.
В одном особо предпочтительном варианте осуществления датчика согласно изобретению все узлы датчика от (а) до (д) размещены, в общем, или разделенном на две части корпусе. Предпочтительно, речь идет о передвижном корпусе, который без затруднений может транспортироваться к месту использования, например в корпусе на колесах. Предпочтительно, корпус термостатируется, так как постоянная температура приводит к улучшению точности измерения (вентиляция, регулируемый термостатом отвод тепла, охлаждающая вода, охладитель/вентилятор и/или термостабилизированная измерительная среда). Независимо от этого может быть также необходимым в отношении температуры образца соблюдать заданные допуски, так как возможны сильное испарение растворителя, теплочувствительность и термохроматические эффекты (вентиляция, регулируемый термостатом отвод тепла, охлаждающая вода, охладитель/вентилятор и/или термостабилизированная измерительная среда). Одновременно избегаются переменные тепловые нагрузки, которые могут приводить к механическим изменениям. Кроме того, благодаря корпусу избегается прикосновение к световоду, а также к другим элементам датчика и обеспечивается светонепроницаемость. Таким образом, благодаря общему корпусу достигается повышение точности измерения.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления датчик согласно изобретению содержит, как показано на чертежах, уплотнительную систему (DS(2)), которая, в общем, делает возможной точную установку штока (ST) с помощью имеющихся в распоряжении сил при наличии мелкодисперсных пигментов, полимеров и растворителей. Известные специалисту уплотнительные системы следует выбирать и использовать с этой точки зрения.
Точность
Для надежной регистрации спектрометрических данных измерений для определения цветовых характеристик, таких как точка цветности, кроющая способность и интенсивность окраски или поглощение (K или А) и рассеяния (S) жидких образцов является особенно важным точно устанавливать или знать расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) (то есть измерительную щель (MS) и, таким образом, толщину слоя). Предпочтительно, установка измерительной щели (MS) (заданное значение) происходит с точностью (стандартное отклонение разности фактического и заданного значения) в среднем от 40 до 100 нм, особо предпочтительно в среднем от 40 до 60 нм.
Одношаговый режим
При одношаговом режиме устанавливается только толщина слоя, абсолютное знание которого для определения цветовых характеристик образца должно быть возможно точно определено.
Двухходовой режим
Абсолютное знание толщины слоя не является настоятельно необходимым, когда могут проводиться два измерения с известной разницей в толщине слоя, и разность пропускания (тем самым специалисту доступна также известная ему экстинкция) затем может быть соотнесена с разностью толщины слоя. Этот способ действия делает возможным определение одинаковых свойств продукта как при одношаговом режиме. Однако двухходовое измерение на практике значительно облегчает измерение, так как технически доступная абсолютная точность пьезоэлектрического привода, который, предпочтительно, используется в качестве исполнительного элемента (AK), является очень высокой, в то время как воспроизводимость измерительной щели (MS), то есть толщины слоя, после разборки и сборки, например после очистки измерительной ячейки в открытом состоянии, обычно хуже на порядок величины. Таким образом, когда в дальнейшем речь будет идти о толщине слоя, всегда учитывается возможность проведения и оценки двух измерения с известной разностью толщины слоя.
Определение идеальной толщины слоя
Для получения полной характеристики образца необходимо устанавливать одну или несколько подходящих толщин слоя, причем оптимальная для измерения толщина слоя зависит от самого образца. Согласно теории Кубелки-Мунка, для измерения REM может быть установлен покрывающий и не покрывающий слой, и для измерений пропускания и рассеяния вперед важно, чтобы имелась достаточная интенсивность сигнала. Для измерения рассеяния вперед это, например, означает, что при слишком малой толщине слоя эффект измерения, то есть изменение измеряемого сигнала в зависимости от взаимодействия с образцом, получается слишком низким, чтобы иметь возможность определения свойств образца продукта с достаточной точностью. Если, с другой стороны, толщина слоя выбрана слишком большой, через слой проникает так мало света, что измерение этого количества света с требуемой точностью невозможно. Поэтому для всех трех видов измерения, то есть диффузного отражения, рассеяния вперед и пропускания, может быть необходимым устанавливать разные толщины слоя, чтобы добиться требуемого значительного эффекта измерения.
Датчик согласно изобретению отличается высокоточной оптической геометрией для квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения, а также высокоточной системой для установки измерительной щели (MS), причем, предпочтительно, одно из обоих измерительных окон (MF1) и (MF2), предпочтительно (MF2), соединено с выполненным с возможностью перемещения штоком (ST), предпочтительно выполненным с возможностью аксиального перемещения штоком (ST), который делает возможной индивидуальную установку, предпочтительно бесступенчатую индивидуальную установку расстояния между обоими расположенными параллельно противолежащими измерительными окнами (MF1) и (MF2). Источник (LQ) света или источники (LQ) света, предпочтительно, сравниваются посредством эталонного детектора (DET). Во всяком случае, за счет перемещения штока (ST), предпочтительно за счет аксиального перемещения штока (ST), расстояние между обоими расположенными параллельно противолежащими измерительными окнами (MF1) и (MF2) увеличивается или уменьшается, благодаря чему измерительная щель (MS) и, тем самым, также толщина слоя могут индивидуально, предпочтительно, бесступенчато адаптированы к предпочтительно, протекающему образцу. Очевидно, что соединенное со штоком (ST) ирмерительное окно (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2), соединено со штоком (ST) таким образом, который не приводит к прерыванию луча света через образец.
Обычно устанавливаемые посредством измерительной щели (MS) предпочтительные толщины слоя лежат, в общем, в диапазоне от не покрывающих (например, 10-50 мкм) до покрывающих слоев (например, 500-700 мкм) для измерения диффузного отражения и в диапазоне полупрозрачных слоев (10-300 мкм) для измерения пропускания и рассеяния вперед. Точность, прежде всего при измерении пропускания, является вызовом, так как ошибка в толщине слоя непосредственно входит в установленную тем самым концентрацию пигмента, то есть неопределенность в 1 мкм, например, при измерительной щели в 10 мкм, обозначает неопределенность в ±10% при определении концентрации пигмента. Было найдено, что при заданном расстоянии между измерительными окнами (MF1) и (MF2), предпочтительно от 1 до 10000 мкм, особо предпочтительно от 5 до 5000 мкм, и в высшей степени предпочтительно от 10 до 500 мкм, с датчиком согласно изобретению получаются приемлемые результаты измерений.
Предпочтительная установка базовой точки измерения диффузного рассеяния, пропускания и рассеяния вперед, в общем, происходит за счет того, что во время измерения как сигнал образца, так и сигнал источника света одновременно спектрально регистрируются, так что колебания источника света могут регистрироваться и исключаться из сигналов образца и, таким образом, диффузное отражение, пропускание и рассеяние вперед могут определяться независимо от освещения.
С помощью датчика согласно изобретению может достигаться очень высокая точность измерения обычно от <0,5 до 0,05 ΔΕ, что достигается за счет абсолютной точности измерения от <0,1% до 0,01% необработанных данных измерений (интенсивности диффузного отражения, интенсивности пропускания, интенсивности рассеяния вперед). При этом в случае ΔΕ речь идет о знакомом специалисту понятии из L*а*b*-цветового пространства (CIELAB, EN ISO 11664-4), которое указывает на евклидову разность в цвете значений L*a*b* двух точек цветности.
Предпочтительно, перед началом измерения датчик калибруется. Это может происходить любым известным специалисту образом. Выбор подходящей процедуры калибровки описан ниже:
Процедура калибровки
а. Система установки расстояния
Калибровка может происходить посредством поглощающего (цветного) раствора путем установки разных измерительных щелей (MS), измерения пропускания и оценки по известному специалисту закону Ламберта-Бера, в котором ослабление интенсивности излучения при прохождении через среду с абсорбируемым веществом описывается в зависимости от концентрации поглощающего вещества и толщины слоя. Особенно в линейной области закона Ламберта-Бера достигается высокая точность при калибровке системы позиционирования.
б. Диффузное отражение
Калибровка может происходить посредством белого стандарта в твердой или жидкой форме. Предпочтительно, воздушный зазор между подходящим для измерения диффузного отражения измерительным окном (MF1) или (MF2) и твердым белым стандартом заполняется иммерсионной жидкостью, например иммерсионным маслом.
в. Пропускание
Калибровка может происходить с прозрачным не поглощающим или поглощающим раствором при разных измерительных щелях (MS).
г. Рассеяние вперед
Калибровка рассеяния вперед возможна с жидкими стандартами рассеяния (например, латексными дисперсиями, дисперсиями TiO2, а также эмульсиями и другими стандартами рассеяния) при одной или нескольких измерительных щелях (MS).
Способ
Настоящее изобретение в еще одном варианте осуществления относится к способу квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения образца.
Предпочтительно, процесс измерения (способ измерения) с помощью датчика согласно изобретению происходит путем выполнения следующих шагов от i) до viii) и произвольно частых повторениях, причем соответствующие шаги выполняются в зависимости от требуемого варианта способа, причем включены следующие варианты способа:
Квази-одновременные варианты измерения:
а) пропускание и рассеяние вперед
б) пропускания и диффузное рассеяние
в) пропускание и рассеяние вперед и диффузное отражение
г) рассеяние вперед и диффузное отражение.
Одновременные варианты измерения:
д) пропускание и рассеяние вперед
е) пропускание и диффузное отражение.
Шаги способа:
i) установка измерительной щели (MS) с заданным расстоянием X между измерительными окнами (MF1) и (MF2),
ii) измерение пропускания (ТМ) при вариантах а), б) и в) способа,
iii) измерение рассеяния (VS) вперед при вариантах а), в) и г) способа,
iv) измерение диффузного отражения при вариантах б), в) и г) способа,
v) установка новой отклоняющейся от шага i) измерительной щели (MS) с заданным расстоянием Υ между измерительными окнами (MF1) и (MF2),
vi) измерение пропускания (ТМ) при вариантах а), б) и в) способа,
vii) Измерение рассеяния (VS) вперед при вариантах а), в) и г) способа,
viii) измерение диффузного отражения (REM) при вариантах б), в) и г) способа,
причем отдельные шаги i)-viii) могут повторяться произвольно часто и причем заданные расстояния X и Υ независимо друг от друга составляют от 1 до 10000 мкм, предпочтительно от 5 до 5000 мкм, особо предпочтительно от 10 до 500 мкм, причем Χ≠Υ.
При квази-одновременном варианте измерения следующие за шагом i) или v) "установка измерительной щели (MS)" шаги от ii) до iv) или от vi) до viii) выполняют последовательно в течение 1 мс до 10 с, причем варианты измерения TM/VS/REM, то есть шаги от ii) до iv) или от vi) до viii) могут выполнять в любой последовательности (TM/VS/REM, TM/REM/VS, VS/TM/REM, VS/REM/TM, REM/TM/VS и REM/VS/TM) или в любом сочетании отдельных измерительных шагов (TM/RM, TM/VS, VS/TM, VS/REM, REM/TM, REM/VS). При одновременном варианте измерения шаги "измерение пропускания (ТМ)" и "измерение рассеяния (VS) вперед" или "измерение пропускания (ТМ)" и "измерение диффузного отражения (REM)" происходят одновременно.
Поэтому в зависимости от варианта осуществления датчика согласно изобретению настоящее изобретение относится к способу квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения образца с помощью датчика согласно изобретению, включающему в себя:
i) образование измерительного объема с заданной толщиной (толщина слоя) за счет установки расстояния между измерительными окнами (MF1) и (MF2), то есть измерительной щели (MS), на заданное расстояние от 1 до 10000 мкм, предпочтительно от 5 до 5000 мкм, особо предпочтительно от 10 до 500 мкм,
ii) облучение образца под одним или несколькими углами с помощью посылаемого источником (LQ)(REM) света электромагнитного излучения, причем электромагнитное излучение вступает во взаимодействие с образцом, и часть излучения после взаимодействия с образцом отражается диффузно и/или направлено, и
облучение образца с помощью посылаемого источником (LQ)(TM/VS) света электромагнитного излучения, причем электромагнитное излучение вступает во взаимодействие с образцом, и часть излучения после взаимодействия с образцом проходит через образец или рассеивается в прямом направлении, iii) прием и регистрацию диффузно отраженного излучения в виде сигнала диффузного отражения (обратное рассеяние) под одним или несколькими углами, и
прием и регистрацию прошедшего через образец излучения в виде рассеяния вперед под одним или несколькими углами и/или в виде сигнала пропускания (пропускание) под одним углом.
Особо предпочтительно, способ дополнительно включает в себя следующие шаги:
iv) прием и регистрацию эталонного сигнала, причем эталонный сигнал является посланным от того же источника (LQ)(REM) света, который используется для облучения образца, электромагнитным излучением, которое не вступает во взаимодействие с образцом, и/или
прием и регистрацию эталонного сигнала, причем эталонный сигнал является посланным от того же источника (LQ)(REM) света, который используется для просвечивания образца, электромагнитного излучения, которое не вступает во взаимодействие с образцом,
причем сигнал диффузного отражения и эталонный сигнал (LQ)(REM) регистрируют одновременно,
и причем сигнал пропускания/сигнал рассеяния вперед и эталонный сигнал (LQ)(TM/VS) регистрируют одновременно.
За счет этого достигается, что все сигналы, то есть сигналы диффузного отражения и эталонный сигнал подвергаются одинаковым случайным колебаниям. Предпочтительно, это достигается за счет использования оптоволоконных монолитных детекторов с диодной линейкой, которые, предпочтительно, имеют разрешение по меньшей мере 15 бит и которые с временам интегрирования между 4 мс и 600 мс адаптированы к имеющейся яркости. Измеренные такими спектрометрами с диодной линейкой значения относятся к номеру диода и должны быть интерполированы на фиксированные длины волн. Эта интерполяция является особенно точной, когда используется сплайновая кривая, что является предпочтительным.
В одном особо предпочтительно варианте осуществления способ согласно изобретению является непрерывным способом квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения протекающего образца, в котором измерительную щель уменьшают только при необходимости без заметного уменьшения потока через измерительную ячейку (MS). Таким образом, в непрерывном режиме измерения подвод протекающего образца не должен прерываться. Предпочтительно, с помощью датчика согласно изобретению достигается непрерывный способ, в котором диаметр (D) соединенного со штоком измерительного окна (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2), меньше, чем ширина (d) основания измерительной ячейки (MZ) (сравни фиг.2А-Г и 3А-Б), к которому прилегает соединенное со штоком измерительное окно (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2). Благодаря тому, что диаметр (D) измерительного окна (и, следовательно, штока (ST)) меньше, чем ширина (d) основания измерительной ячейки (MZ), канал для образца при сближении измерительных окон (MF1) м (MF2), то есть при уменьшении измерительной щели (MS), причем шток (ST) вдвигается в измерительную ячейку, закрывается не полностью, а слева и справа от штока (ST) в направлении потока образуются два канала (K), которые делают возможным беспрепятственный проход части введенного в измерительную ячейку (MZ) протекающего образца, за счет чего только часть протекающего образца протекает в измерительной щели (MS) между измерительными окнами (MF1) и (MF2) и имеется в наличии для измерения.
С помощью датчика согласно изобретению, а также способа согласно изобретению возможно точное и быстрое определение цветовых характеристик (например, кроющей способности, интенсивности цвета, точки цветности, зависящей от угла точки цветности) образца, например лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты и/или их стабильные разбавленные смеси.
Применение
В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретению относится к применению датчика согласно изобретению для квази-одновременного измерения пропускания и/или рассеяния вперед и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения образца для определения цветовых характеристик лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты и/или их стабильные разбавленные смеси. Предпочтительно, датчик согласно изобретению применяется на любой стадии способа при приготовлении, дальнейшей обработке и применении образцов в виде жидких пигментных композиций и их разбавленных смесей, предпочтительно для контроля количества пигментов в лакокрасочных материалах, лаках и пигментных пастах, для контроля качества при диспергировании пигментированных лакокрасочных материалов, лаков и пигментных паст, для оценки качества при производстве лакокрасочных материалов, при производстве лаков и при производстве пигментных паст, для управления дозирующим устройством при производстве лаков, лакокрасочных материалов и пигментных паст путем смешения различных жидкостей/суспензий/эмульсий, для автоматического управления регулировкой цвета посредством придания оттенка цвета при производстве лакокрасочных материалов, при производстве лаков и при производстве пигментных паст, для цветовой адаптации окраски лака в установке для окраски, которая имеет дозирующее устройство для цветных паст и/или для контроля за нежелательными измерениями цвета за счет старения или сдвиговых нагрузок на пигментированные лакокрасочные материалы, лаки или пигментные пасты, или для проверки оптимальной степени размола прозрачных и полупрозрачных пигментных паст. Прежде всего, датчик согласно изобретению пригоден для измерения строительных красок и базовых лаков и прозрачных лаков в области производства автомобилей и оборудования.
Настоящее изобретение относится к датчику для квазиодновременного измерения пропускания, и/или рассеяния вперед, и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца, способу квазиодновременного измерения пропускания, и/или рассеяния вперед, и/или диффузного отражения и одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца с помощью датчика согласно изобретению, и к применению датчика согласно изобретению для квазиодновременного измерения пропускания, и/или рассеяния вперед, и/или диффузного отражения и для одновременного измерения пропускания и рассеяния вперед или пропускания и диффузного отражения жидкого образца для определения цветовых характеристик лакокрасочных материалов, таких как лаки и краски, пасты и пигменты или их разбавленные растворы. Технический результат – повышение точности и информативности получаемых данных. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 16 ил.
1. Датчик для квазиодновременного выполнения по меньшей мере двух из трех видов измерения: измерения пропускания (ТМ), и/или измерения рассеяния (VS) вперед, и/или измерения диффузного отражения (REM) и для одновременного выполнения измерения пропускания (ТМ) и рассеяния (VS) вперед или измерения пропускания (ТМ) и диффузного отражения (REM) жидкого образца, причем датчик состоит из:
а) одного или нескольких источников (LQ) света, и
б) одной или нескольких осветительных оптических систем (ВО), и
в) по меньшей мере одной измерительной ячейки (MZ), и
г) двух, трех, четырех, пяти, шести, семи или восьми принимающих оптических систем (EO)(TM/VS/REM), и
д) двух, трех, четырех, пяти, шести, семи или восьми детекторов (DET)(TM/VS/REM) для измерения сгенерированных за счет пропускания сигналов пропускания, для измерения сгенерированных за счет рассеяния вперед сигналов рассеяния вперед или для измерения сгенерированных за счет диффузного отражения сигналов диффузного отражения,
причем:
- измерительная ячейка (MZ) является проточной ячейкой, которая имеет два противолежащих, параллельно расположенных измерительных окна (MF1) и (MF2), которые расположены относительно друг друга так, что между измерительными окнами образуется измерительная щель (MS), которая заполняется подлежащим измерению образцом, причем измерительные окна имеют заданное расстояние относительно друг друга, которое в проточном режиме работы является переменно-устанавливаемым,
- измерительная ячейка (MZ) выполнена так, что одно из обоих измерительных окон (MF1) и (MF2) соединено с аксиально-подвижным штоком (ST),
- положение штока (ST), а тем самым и заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) является переменно-устанавливаемым в проточном режиме посредством системы позиционирования с точностью в среднем от 40 до 100 нм как стандартным отклонением разности фактического и заданного значений.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что при квазиодновременном измерении выполняются в сочетании по меньшей мере два измерения, выбранные из пропускания (ТМ), рассеяния (VS) вперед и диффузного отражения (REM).
3. Датчик по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сгенерированные за счет рассеяния вперед сигналы рассеяния вперед измеряются одновременно под по меньшей мере 2 пространственными углами, предпочтительно по меньшей мере 3 пространственными углами, в диапазоне пространственных углов от >0° до <90°, предпочтительно в диапазоне пространственных углов от 10° до 80°, особо предпочтительно 20°, 30° и 65°, относительно источника (LQ)(VS) света.
4. Датчик по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что сгенерированные за счет диффузного отражения сигналы диффузного отражения измеряются одновременно по меньшей мере под 3 пространственными углами, предпочтительно 5 пространственными углами, в диапазоне пространственных углов от 10° до 115°, предпочтительно 15°, 25°, 45°, 75° и 110°, относительно угла скольжения источника (LQ)(REM) света.
5. Датчик по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что положение штока (ST) является устанавливаемым посредством одного или нескольких исполнительных элементов (AK) с соответствующим контроллером (С-AK), причем точно достигнутое положение является определяемым посредством системы (POS) измерения положения и соответствующего контроллера (C-POS).
6. Датчик по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что диаметр (D) соединенного со штоком (ST) измерительного окна (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2), меньше, чем ширина (d) основания измерительной ячейки (MZ), к которому прилегает соединенное со штоком измерительное окно (MF1) или (MF2), предпочтительно (MF2).
7. Датчик по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что заданное расстояние между измерительными окнами (MF1) и (MF2) составляет от 1 до 10000 мкм, предпочтительно от 5 до 5000 мкм, особо предпочтительно от 10 до 500 мкм.
8. Датчик по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что принимающие оптические системы выполнены независимо друг от друга в виде оптоволоконной системы и/или в виде обычной системы с линзами и диафрагмами.
9. Датчик по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что детекторы являются детекторами интенсивности, предпочтительно спектрально-разрешенными детекторами интенсивности, особо предпочтительно оптоволоконными монолитными датчиками с диодной линейкой.
10. Датчик по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что все узлы датчика от (а) до (д) размещены в общем корпусе, в котором происходит вентиляция и регулируемый термостатом отвод тепла.
11. Способ квазиодновременного выполнения по меньшей мере двух из трех видов измерения: измерения пропускания (ТМ), и/или измерения рассеяния (VS) вперед, и/или измерения диффузного отражения (REM) и одновременного выполнения измерения пропускания (ТМ) и рассеяния (VS) вперед или измерения пропускания (ТМ) и диффузного отражения (REM) жидкого образца с помощью датчика по одному из пп. 1-10, включающий в себя:
i) образование измерительного объема с заданной толщиной за счет установки расстояния между измерительными окнами (MF1) и (MF2) на заданное расстояние от 1 до 10000 мкм, предпочтительно от 5 до 5000 мкм, особо предпочтительно от 10 до 500 мкм, путем аксиального перемещения штока (ST) системы позиционирования,
ii) облучение образца под одним или несколькими углами с помощью посылаемого источником (LQ)(REM) света электромагнитного излучения, причем электромагнитное излучение вступает во взаимодействие с образцом, и часть излучения после взаимодействия с образцом отражается диффузно и/или направленно, и
облучение образца с помощью посылаемого источником (LQ)(TM/VS) света электромагнитного излучения, причем электромагнитное излучение вступает во взаимодействие с образцом, и часть излучения после взаимодействия с образцом проходит через образец или рассеивается в прямом направлении,
iii) прием и регистрацию диффузно отраженного излучения под одним или несколькими углами, и
прием и регистрацию прошедшего через образец излучения в виде сигнала пропускания под одним углом и/или в виде сигнала рассеяния вперед под одним или несколькими углами,
причем альтернативно могут измерять только сигнал пропускания под одним углом одновременно с сигналом рассеяния вперед или сигналом диффузного отражения под одним или несколькими углами.
12. Способ по п. 11, дополнительно включающий в себя следующие шаги:
iv) прием и регистрацию эталонного сигнала, причем эталонный сигнал является посланным от того же источника (LQ)(REM) света, который используется для облучения образца, электромагнитным излучением, которое не вступает во взаимодействие с образцом, и/или
прием и регистрацию эталонного сигнала, причем эталонный сигнал является посланным от того же источника (LQ)(TM/VS) света, который используется для просвечивания образца, электромагнитным излучением, которое не вступает во взаимодействие с образцом,
причем сигнал диффузного отражения и эталонный сигнал (LQ)(REM) регистрируют одновременно, и
причем сигнал пропускания/сигнал рассеяния вперед и эталонный сигнал (LQ)(TM/VS) регистрируют одновременно.
13. Способ по п. 11 или 12, отличающийся тем, что речь идет о непрерывном способе, в котором только часть введенного в измерительную ячейку (MZ) образца протекает между измерительными окнами (MF1) и (MF2), а другая часть введенного в измерительную ячейку образца может беспрепятственно вытекать из измерительной ячейки (MZ), предпочтительно через образованные из измерительного окна (MF1), штока (ST), а также измерительной ячейки каналы (K) в направлении течения слева и справа от штока (ST).
14. Применение датчика по одному из пп. 1-10 для квазиодновременного выполнения по меньшей мере двух из трех видов измерения: измерения пропускания (ТМ), и/или измерения рассеяния (VS) вперед, и/или измерения диффузного отражения (REM) и для одновременного выполнения измерения пропускания (ТМ) и рассеяния (VS) вперед или измерения пропускания (ТМ) и диффузного отражения (REM) жидкого образца.
15. Применение согласно п. 14 на любой стадии способа при приготовлении, дальнейшей обработке и применении образцов в виде жидких пигментных композиций или их стабильных разбавленных смесей, предпочтительно для контроля количества пигментов в лакокрасочных материалах, лаках и пигментных пастах, для контроля качества при диспергировании пигментированных лакокрасочных материалов, лаков и пигментных паст, для оценки качества при производстве лакокрасочных материалов, при производстве лаков и при производстве пигментных паст, для управления дозирующим устройством при производстве лаков, лакокрасочных материалов и пигментных паст путем смешения различных жидкостей/суспензий/эмульсий, для автоматического управления регулировкой цвета посредством придания оттенка цвета при производстве лакокрасочных материалов, при производстве лаков и при производстве пигментных паст, для цветовой адаптации окраски лака в установке для окраски, которая имеет дозирующее устройство для цветных паст, и/или для контроля за нежелательными изменениями цвета за счет старения или сдвиговых нагрузок на пигментированные лакокрасочные материалы, лаки или пигментные пасты, или для проверки оптимальной степени размола прозрачных и полупрозрачных пигментных паст.
| WO 2009065613 A1, 28.05.2009 | |||
| US 20160202164 A1, 14.07.2016 | |||
| US 20080273204 A1, 06.11.2008 | |||
| US 3826364 A1, 30.07.1974 | |||
| US 6288783 B1, 11.09.2001 | |||
| Способ определения показателя рассеяния взвешенных в среде диспергированных веществ | 1991 |
|
SU1827589A1 |
