СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
METHOD FOR EDDY CURRENT-MEASUREMENT OF THICKNESS OF METAL COATINGS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля методом вихревых токов и может быть использовано для измерения толщин тонких неферромагнитных покрытий из висмута, свинца, цинка, кобальта, кадмия и их сплавов, имеющих меньшую электропроводность, чем неферромагнитные основания из меди, латуней, бронз, серебра и т.п. Кроме того, способ может быть использован для измерения толщин покрытий изделий с шероховатой и (или) криволинейной поверхностью, а также имеющих неэлектропроводное покрытие в виде лака, краски и т.п.
п
п
о
п
о
z
Перечисленные материалы и сплавы широко применяются в электротехнической промышленности. При этом толщины покрытий Т как правило, малы - от 0,5 до 21 мкм [1]. Электропроводность покрытий σобычно лежит в диапазоне (6-9,5) МСм/м, а электропроводность оснований σ может составлять (16-60) МСм/м. Таким образом, относительная электропроводность оказывается меньше единицы, σ/σ=(0,11-0,55). Основания зачастую оказываются малоразмерными изделиями с зоной измерения диаметром 2…5 мм, с неплоскими формами, например цилиндрическими, с диаметром D (2-10 мм), трубчатыми при минимальной толщине стенки до 0,3 мм, в том числе с шероховатой поверхностью R=5-15 мкм. Кроме того, на готовые изделия иногда наносятся дополнительные неэлектропроводные покрытия - лаки, краски и т.п. Таким образом, особенности задачи измерения толщины покрытия в рассматриваемых условиях состоят в том, что:
- электропроводность покрытия оказывается близкой и меньше электропроводности основания, что в существенной степени затрудняет измерения;
- кривизна изделий, их шероховатость и дополнительные покрытия в существенной степени влияют на контакт измерителя с объектом измерений и, соответственно, на точность измерений.
Эти особенности предъявляют повышенные требования к тщательности выбора способов и средств измерений.
Известен способ измерения свойств металлических покрытий [2], заключающийся в том, что катушкой индуктивности в материале покрытия при разных зазорах h между измерителем и объектом измерения возбуждают импульсный ток с частотой, обеспечивающей максимальную степень зависимости от нее контролируемых теплофизических параметров, измеряют температуру материала покрытия, по которой судят о теплофизических свойствах покрытия, а по выходным электрическим сигналам вихретокотеплового преобразователя судят об информативных параметрах материала покрытия.
Недостатками данного способа являются низкие точность и скорость измерений, связанные со сложностью быстрого и точного измерения температурных показателей материала. Способ определения информативных параметров материала покрытия, например толщины, в патенте [2] не рассматривается.
п
о
Известны приборы для измерения толщин, в том числе электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях, в частности PosiTector 6000 NAS2 Standard [3], Pocket-Surfix [4] и другие. Такие приборы предназначены для измерения толщины неферромагнитных покрытий при условии, что электропроводность покрытия выше электропроводности основания: σ/σ=6-30, например медь на нержавеющей стали, серебро на латуни и т.п.
Таким образом, недостаток указанных устройств состоит в ограниченности области применения с точки зрения соотношения характеристик материалов оснований и покрытий.
Наиболее близким к заявляемому является способ вихретокового измерения толщины покрытий [5], заключающийся в том, что для зондирований подают гармонический сигнал выбранной частоты на обмотку возбуждения, установленную на середине ферритового сердечника, снимают сигналы с одинаковых измерительной и компенсационной обмоток, установленных на противоположных концах ферритового сердечника, находят их разностный сигнал и измеряют его фазу φ, при зондированиях объекта измерений прижимают к нему конец ферритового стержня с измерительной обмоткой.
п
о
Известно [6], что возможности применения вихретоковых способов, использующих измерения фазы разностного сигнала, существенно ограничены из-за низкой чувствительности в области покрытий толщиной до 20 мкм. Особенно для случая σ/σ=(0,11-0,55).
Задачей заявляемого способа является измерение толщины тонких неферромагнитных металлических покрытий, нанесенных на неферромагнитные основания, в том числе в условиях, когда электропроводность покрытия меньше электропроводности основания, с возможностью измерения объектов с шероховатыми покрытиями и (или) криволинейными поверхностями, а также имеющих дополнительное неэлектропроводное покрытие.
опт
Для решения поставленной задачи в способе вихретокового измерения толщины металлических покрытий, заключающемся в том, что для зондирований подают гармонический сигнал выбранной частоты на обмотку возбуждения, установленную на середине ферритового сердечника, снимают сигналы с одинаковых измерительной и компенсационной обмоток, установленных на противоположных концах ферритового сердечника, находят их разностный сигнал и измеряют его фазу φ, при зондированиях объекта измерений прижимают к нему конец ферритового стержня с измерительной обмоткой, выбирают оптимальную f частоту обмотки возбуждения из соотношения:
опт
0
п
пmax
2
f≈(0,3…0,7)/(π µσТ ),
0
п
пmax
где µ - магнитная постоянная; σ - электропроводность покрытия; Т- максимальная толщина покрытия,
п
п
п
п
перед началом измерений балансируют измерительную и компенсационную обмотки, добиваясь нулевого разностного сигнала при отсутствии объекта измерений, устанавливают прокладку из неферромагнитного металла, близкого по электропроводности к материалу покрытия, между ферритовым стержнем и объектом измерений, толщину прокладки выбирают так, чтобы при ориентировочно известных параметрах исследуемого объекта и ферритового стержня с обмотками обеспечить максимальную расчетную чувствительность амплитудно-фазовых характеристик разностного сигнала от толщины покрытия объекта, при зондированиях измеряют дополнительно амплитуду А разностного сигнала, градуируют измеритель, для чего зондируют мерные объекты, имеющие характеристики, близкие к исследуемому объекту, с несколькими известными толщинами Т покрытия и при нескольких известных значениях зазоров h между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью мерных объектов, сохраняют зависимость амплитуд и фаз разностных сигналов от толщин покрытия и зазоров А,φ(Т, h), зондируют исследуемый объект, вычисляют толщину покрытия Т и зазор h между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью покрытия объекта по измеренным значениям амплитуды и фазы разностного сигнала у исследуемого объекта, используя зависимость А,φ(Т, h).
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг.1 - вихретоковый измеритель, где
1 - обмотка возбуждения;
2 - ферритовый стержень;
3 - измерительная обмотка;
4 - компенсационная обмотка;
5 - объект измерения;
6 - покрытие;
7 - основание;
8 - прокладка;
9 - балансировочная схема;
10 - вход балансировки;
11 - вихретоковый преобразователь;
12 - блок детектирования.
Фиг.2 - зависимость комплексного разностного сигнала от толщины покрытия.
Фиг.3 - зависимость комплексного разностного сигнала от толщины покрытия и высоты измерителя над поверхностью объекта измерений.
Фиг.4 - измеритель над шероховатой поверхностью объекта измерений.
Фиг.5 - измеритель над округлой поверхностью объекта измерений.
Фиг.6 - структурная схема устройства измерения толщины покрытия, где:
13 - микроконтроллер;
14 - устройство управления и индикации.
в
и
к
и
к
0
и
к
и
п
п
о
к
п
п
п
Для измерений толщины покрытий, как правило, используют вихретоковые преобразователи, Фиг.1. Принцип их действия состоит в том, что при зондировании на обмотку возбуждения 1 подают гармонический сигнал u выбранной частоты f. Поле, возникающее в ферритовом сердечнике 2, вызывает появление сигналов u и u в одинаковых измерительной 3 и компенсационной 4 обмотках, соответственно. Эти сигналы поступают на балансировочную схему 9, где вычитаются. При отсутствии объекта исследования сигналы равны u=u=u, а разностный сигнал измерительной 3 и компенсационной 4 обмоток (Δu)=(u-u) на выходе балансировочной схемы 9 равен нулю. Если конец ферритового сердечника 2, на котором расположена измерительная обмотка 3, прижать к объекту исследования 5, то сигнал u изменяет амплитуду А и фазу φ в зависимости от толщины покрытия Т и высоты (зазора) h вихретокового преобразователя над объектом измерения, электропроводности материалов покрытия σ и основания σ и других параметров. Разностный сигнал измерительной 3 и компенсационной 4 обмоток Δu поступает на блок детектирования 12. Сигнал u с компенсационной обмотки 4 используется в качестве опорного. На выходе блока детектирования формируются сигналы, пропорциональные модулю амплитуды A(T, h) и фазы φ(T, h) разностного сигнала. Эти сигналы, Фиг.2, могут быть изображены в комплексной плоскости . Корректное использование этих сигналов позволяет определить искомые характеристики Т и h. Для решения этой задачи необходимо выбрать оптимальные параметры вихретокового преобразователя.
и
0
п
и
п
Для расчета параметров измерительного преобразователя удобно использовать обобщенный параметр , где R - эквивалентный радиус обмотки возбуждения 1; σ - интегральная электропроводность объекта измерений; µ - магнитная постоянная. Для измерения малоразмерных объектов следует выбирать минимальные из технически реализуемых размеры ферритового стержня. Если ферритовый стержень 2 имеет диаметр 1 мм, то эквивалентный радиус обмотки возбуждения 1 может составлять R=0,5…0,7 мм. Вариация Т будет приводить к изменению интегрального значения электропроводности σ в зоне измерения и, соответственно, параметра β. Для обеспечения приемлемой чувствительности величину β(σ) следует выбирать на уровне порядка 5…30 [7].
пmax
omin
В общем случае глубина проникновения вихревых токов 8, определяющая максимальную измеряемую толщину покрытия Т и минимальную толщину основания T, равна: , где σ - электропроводность материала (покрытия или основания).
пmax
оmin
В соответствии с [8] диапазон измерения Т=(0,6…0,8)δ, а минимальная допустимая толщина основания T=2,5δ. Из указанных выше соотношений следует, что оптимальное значение частоты преобразователя равно:
Для обеспечения оптимального β значение эквивалентного радиуса R обмотки возбуждения для вихретокового фазового преобразователя необходимо выбирать из условия:
п
п
Рассмотрим подробнее заявляемый способ оценки толщины покрытия объекта измерения на основе амплитуды A(T, h) и фазы φ(T, h) разностного сигнала.
Вектор комплексного относительного разностного напряжения  может быть рассчитан теоретически по формулам [9]:
при
В
И
и
в
i
i
К
где  - модуль напряжения на выходе измерительной обмотки при отсутствии объекта измерений, R - радиус обмотки возбуждения; R -радиус измерительной обмотки; z, z - расстояние от измерительной обмотки и обмотки возбуждения до поверхности изделия соответственно; J(λR) - функция Бесселя первого порядка; λ - параметр преобразования; М - коэффициент начальной взаимоиндукции между обмотками; ω=2πf -круговая частота тока возбуждения; U - напряжение на выходе компенсационной обмотки. При расчетах можно принять радиусы обмоток равными радиусу ферритового сердечника [10].
P
P
п
п
п
п.
п.
п
пр
п
п
пmax
На Фиг.2 на комплексной плоскости представлена рассчитанная в соответствии с (2) зависимость (линия а-b-c-d-e) комплексного относительного разностного напряжения от толщины покрытия -  в виде вещественной RE(U*) и мнимой IM(U*) составляющих для оловянно-свинцового покрытия медного основания, при h=0. В точке а Т=0, а в точке е Т=∞. На участке а-b в диапазоне Т=(0…15) мкм фаза φ практически не изменяется, а линия a-b-c-d-e совпадает с линией Н, которая характеризует изменение комплексного относительного разностного напряжения  при увеличении высоты h между ферритовым стержнем и измеряемым объектом, т.е. покрытия такой толщины с точки зрения вихретоковых измерений воспринимаются как зазор. Таким образом, участок а-b оказывается малоинформативным и не пригоден для измерения толщины покрытия ТНа участке b-с указанная чувствительность возрастает, но не достаточна для точного измерения толщины покрытия ТНаконец после точки с при реализуемых на практике точностях измерения фазы φ и амплитуды А появляется возможность измерять Т=(0…15) мкм с абсолютной погрешностью на уровне ±(1…1,5) мкм. Для обеспечения возможности измерения толщины тонких покрытий (в диапазоне толщин 0…20 мкм) необходимо перенести начало измерений в точку с, например, путем установки, Фиг.1, прокладки 8 из материала, соответствующего или близкого по электропроводности материалу покрытия 6 (например, сплава олово-свинец), толщиной порядка Т=(15-60) мкм, между ферритовым стержнем 2 и объектом измерения 5 (покрытием 6). На Фиг.2 показано, что при установке прокладки толщиной 55 мкм в точке с Т=0 и годограф  при изменении Т от нуля до Т будет располагаться между точками с-е.
На Фиг.3 представлено семейство зависимостей  при разных значениях h. Эти зависимости могут быть рассчитаны теоретически, но большей точности измерений можно добиться за счет градуировки реальных приборов на образцовых объектах.
Существенными отличиями заявляемого способа являются следующие.
опт
Выбирают оптимальную f частоту обмотки возбуждения из соотношения (1). Такой выбор частоты позволяет выбрать наилучшие условия для измерения искомых параметров объекта измерений.
В прототипе частота обмотки возбуждения выбирается оператором исходя из параметров материала объекта исследований, требований по разрешающей способности и т.п., однако конкретные рекомендации по выбору частоты не рассматриваются.
Перед началом измерений балансируют измерительную и компенсационную обмотки, добиваясь нулевого разностного сигнала при отсутствии объекта измерений, что позволяет исключить влияние различных (параметрических, температурных и т.п.) источников нестабильности работы.
В прототипе балансировка не проводится.
Устанавливают прокладку из неферромагнитного металла близкого по электропроводности к материалу покрытия между ферритовым стержнем и объектом измерений, а толщину прокладки выбирают так, чтобы при ориентировочно известных параметрах исследуемого объекта и ферритового стержня с обмотками обеспечить максимальную расчетную чувствительность амплитудно-фазовых характеристик (5) разностного сигнала от толщины покрытия объекта (Фиг.2). Указанные действия позволяют добиться удовлетворительной чувствительности измерителя в сложных условиях измерения материалов, близких по свойствам.
В прототипе вопросы чувствительности измерителя не рассматриваются.
При зондированиях измеряют дополнительно амплитуду А разностного сигнала, что позволяет использовать амплитудно-фазовую характеристику разностного сигнала, т.е. более полную информацию о свойствах объекта измерений.
В прототипе измеряют только фазу разностного сигнала.
п
п
Градуировка измерителя путем зондирования мерных объектов, имеющих характеристики, близкие к исследуемому объекту, с несколькими известными толщинами Т покрытия и при нескольких известных значениях зазоров h между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью мерных объектов и сохранение зависимости амплитуд и фаз разностных сигналов от толщин покрытия и зазоров А,φ(Т, h) позволяет получить зависимость, изображенную на Фиг.2, и за счет этого проводить измерения с учетом конкретных материалов и условий измерений.
В прототипе градуировка не предусмотрена.
п
Определяют толщину покрытия и зазор между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью покрытия объекта по измеренным значениям амплитуды и фазы исследуемого объекта с использованием указанной зависимости А,φ(Т, h). Толщина покрытия является искомым параметром объекта измерения для всех подобных устройств, однако в данном случае появляется возможность измерения тонких покрытий, которые не способны измерить известные авторам другие способы и устройства. Возможность измерения зазора между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью покрытия объекта позволяет оценивать толщину диэлектрического покрытия, например лака, краски и т.п., нанесенного на объект измерений, уточнять толщину покрытия при наличии шероховатости и (или) кривизны объекта исследования.
В прототипе определяют только толщину, причем не тонких покрытий.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
в
опт
к
и
и
к
и
Для зондирований подают гармонический сигнал u выбранной частоты f на обмотку возбуждения 1, установленную на середине ферритового сердечника 2, снимают сигналы с одинаковых обмоток компенсационной 3 - u и измерительной 4 - u, установленных на противоположных концах ферритового сердечника 2. На практике для упрощения обработки вместо uудобнее снимать разностный сигнал Δu=u-u с балансировочной схемы 9. Находят фазу φ и амплитуду А разностного сигнала .
При изготовлении измерителя балансируют измерительную 4 и компенсационную 3 обмотки, добиваясь нулевого разностного сигнала на выходе балансировочной схемы 9 при отсутствии объекта измерений 5.
п
По известным характеристикам материалов основания 5 и покрытия 6 измеряемого объекта 7 по формулам (2) рассчитывают зависимость  и определяют необходимую толщину прокладки 8 так, чтобы обеспечить максимальную расчетную чувствительность амплитудно-фазовых характеристик разностного сигнала  от толщины покрытия Т объекта измерения 7. Устанавливают прокладку 8 из неферромагнитного металла, близкого по электропроводности к материалу покрытия 6, между ферритовым стержнем 2 и объектом измерений 5.
п
п
п
Градуируют измеритель, для чего зондируют мерные объекты, имеющие характеристики, близкие к исследуемому объекту, с несколькими известными толщинами Т покрытия и при нескольких известных значениях зазоров h между ферритовым стержнем 2 с прокладкой 8 и поверхностью мерных объектов 5. В результате получают градуировочную зависимость А,φ(Т, h), которую сохраняют. Эта зависимость позволяет решить обратную задачу: по известным значениям А и φ найти Т и h.
п
п
Зондируют исследуемый объект 5, измеряют амплитуду А и фазу φ разностного сигнала , по которым с использованием сохраненной зависимости А,φ(Т, h) определяют толщину покрытия Т и зазор h между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью покрытия объекта.
п
z
э
Таким образом, знание величины зазора h позволяет определить толщину покрытия Т, в том числе и для объектов с дополнительным неэлектропроводящим покрытием (лак, краска и т.п.), имеющих шероховатость металлического покрытия R (Фиг.5) и криволинейные поверхности (радиус r - Фиг.6), поскольку все эти факторы могут рассматриваться как эквивалентный зазор h [11].
Рассмотрим устройство, реализующее заявляемый способ, Фиг.1, 6.
п
в
п
Вихретоковый преобразователь 11 содержит ферритовый стержень 2, на который намотаны обмотки возбуждения 1, измерительная 3 и компенсационная 4. На конце стержня 2 установлена прокладка 8. Для зондирований стержень 2 с прокладкой 8 прижимают к измеряемому объекту 5, состоящему из основания 7 с покрытием 6. Заметим, что на Фиг.1, 6 для наглядности не соблюден масштаб, поскольку при толщине стержня в единицы миллиметров, толщина прокладки 8 и покрытия 6 может составлять десятки микрометров. Балансировочная схема 9 выполнена в виде цифроуправляемого от входа 10 резистора и позволяет выставить нулевой разностный сигнал измерительной 3 и компенсационной 4 обмоток. Блок детектирования 12 содержит амплитудный и фазовый детекторы, позволяющие определить амплитуду и фазу разностного сигнала измерительной и компенсационной обмоток, которые зависят от толщины покрытия и высоты вихретокового преобразователя над поверхностью объекта, т.е. А,φ(Т, h). Микроконтроллер 14 содержит цифроаналоговый преобразователь для формирования сигнала U для обмотки возбуждения и аналого-цифровые преобразователи для приема сигналов, пропорциональных амплитуде и фазе А,φ(Т, h) разностного сигнала. Микроконтроллер снабжен пультом управления и индикации 14, с которого производится задание режимов работы измерителя и отображаются результаты измерений.
При изготовлении производится балансировка измерителя. Для этого зондируют пространство без объекта и, изменяя через вход балансировки 10 код балансировочной схемы 9 от микроконтроллера 13, добиваются нулевых разностных сигналов на выходе блока детектирования 12.
о
п
пmax
оmin
Перед началом измерений необходимо иметь априорную информацию об электропроводностях основания σ и покрытия σ, предполагаемых их толщинах Т, T.
опт
Вычисляют оптимальную частоту возбуждения f, используя соотношение (1).
пр
По соотношениям (2) строят теоретическую линию a-b-c-d-e, Фиг.2, и определяют необходимую толщину прокладки Т. Устанавливают прокладку 6 на конец сердечника 2 вихретокового преобразователя 11.
опт
в
к
п
При зондированиях микроконтроллер 13 формирует меандр с частотой f, который после сглаживания на фильтре нижних частот (на Фиг.6 не показан) в виде синусоидального сигнала u подается на обмотку возбуждения 1. Снимают сигналы Δu и u с балансировочной схемы 9 и компенсационной 4 обмоток соответственно. По полученным сигналам блок детектирования формирует сигналы, пропорциональные амплитуде и фазе разностного сигнала А,φ(Т, h).
п
п
п
п
Установка соответствующей прокладки и градуировка измерителя могут производиться в процессе изготовления прибора, если его назначение и условия применения априорно известны, или непосредственно перед измерениями. Градуировка прибора представляет процедуру установки чувствительности с использованием комплекта мер толщины покрытия Т на основании. Калибровка по зазору осуществляется, например, путем наклеивания на меры толщины слоев диэлектрической пленки известной толщины. При градуировке производятся зондирования, определяются амплитуды А и фазы φ разностных сигналов при известных толщинах покрытия и Т и зазорах h. Полученные результаты А,φ(Т, h) сохраняются в постоянном запоминающем устройстве микроконтроллера 13. Впоследствии это постоянное запоминающее устройство используется как функциональный преобразователь для решения обратной задачи: T,h(А,φ).
п
Зондируют исследуемый объект, измеряют амплитуду и фазу разностного сигнала, определяют толщину покрытия Т и зазор h между ферритовым стержнем с прокладкой и поверхностью покрытия объекта с использованием описанного функционального преобразователя.
z
Для исследуемых объектов с шероховатыми покрытиями и (или) криволинейными поверхностями измеренная величина зазора h характеризует с степень шероховатости R и(или) кривизны r.
Таким образом, заявляемый способ является технически реализуемым и позволяет проводить измерения толщины покрытий в указанных условиях.
min
zmin
п
Устройства, разработанные в соответствии с изложенным выше, позволяют производить измерение толщины неферромагнитных металлических покрытий с электропроводностью от 6 до 9,5 МСм/м на неферромагнитных основаниях из цветных металлов с электропроводностью от 16 до 60 МСм/м. Минимальный диаметр оснований d=2 мм, максимальная шероховатость R=20 мкм. Основная допустимая погрешность измерения толщины покрытия ΔТ не более ±(1…2) мкм.
Источники информации
1. Бабаджанов Л.С., Бабаджанова М.Л. Метрологическое обеспечение измерений толщины покрытий. - М.: «Издательство стандартов», 2004. - 264 с.
2. Патент RU 2351924 Вихретокотепловой способ контроля параметров сверхтонких металлопокрытий.
3. http://www.ndtprom.ru/product/positector_6000nrs2.html.
4. http://www.graco-spb.ru/control/p_surfix.html.
5. Патент RU 2384839 Вихретоковый измеритель.
6. Дорофеев А.Л., Никитин А.И., Рубин А.Л. Индукционная толщинометрия. - М.: «Энергия», 1978. - 184 с.
7. «Неразрушающий контроль». Справочник в 8 томах под общей редакцией В.В Клюева, Том 2, Книга 2, «Вихретоковый контроль», 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 688 с.
8. ISO 21968. Non-magnetic metallic coatings on metallic and nonmetallic basis materials - Measurement of coatings thickness - Phasesensitive eddy-current method.
9. «Неразрушающий контроль». Справочник в 8 томах под общей редакцией В.В Клюева, Том 2, Книга 2, «Вихретоковый контроль», 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 688 с.
10. Дорофеев А.Л., Никитин А.И., Рубин А.Л. Индукционная толщинометрия. - М.: «Энергия», 1978. - 184 с.
11. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Вихретоковая толщинометрия неферромагнитных металлических покрытий на изделиях из цветных металлов // Мир измерений, 2010, №6, стр.18-23.