СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ НЕФЕРРОМАГНИТНОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ПОКРЫТИЯ СТАЛИ
MEASUREMENT METHOD OF THICKNESS OF NON-FERROMAGNETIC ELECTRICALLY CONDUCTING COATING OF STEEL

Изобретение относится к области неразрушающего контроля методом вихревых токов и может быть использовано для измерения толщин неферромагнитных покрытий из цинка, висмута, свинца, кобальта, кадмия и их сплавов на стальном основании. Выбор стали обусловлен тем, что в большинстве практических случаев основанием для покрытий являются стали различного сортамента.
1
2
2
1
Известен способ вихретокового измерения толщины покрытий [1], заключающийся в том, что зондируют изделие, для чего измерителем возбуждают в нем электромагнитное поле гармоническим сигналом u(ωt), получают сигнал u(ωt), пропорциональный электромагнитному полю вихревых токов, наведенному в изделии, оценивают фазовый сдвиг Δφ сигнала u(ωt) относительно u(ωt), по которому определяют толщину покрытия.
Недостатком такого способа является низкая точность, связанная с тем, что вихретоковые измерения сопровождаются воздействием множества мешающих параметров и для точного измерения толщины покрытий необходимы калибровки, которые в [1] не рассматриваются.
В [2] показано, что вихретоковый фазовый метод может быть успешно применен для определения толщины металлических покрытий массово выпускаемых изделий. Однако для его применения в [2] предлагают использовать образцовые меры с известными толщинами покрытий и на том типе стали, которую имеют изделия, подлежащие измерению. Очевидно, что сортамент сталей на производствах огромен, и иметь образцовые меры для каждой из них крайне затруднительно.
1
2
2
1
пи
п
п
и
и
пн
н
изм
Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения толщины неферромагнитного электропроводящего покрытия [3], заключающийся в том, что зондируют изделие, для чего измерителем возбуждают в нем электромагнитное поле гармоническим сигналом u(ωt), получают сигнал u(ωt), пропорциональный электромагнитному полю вихревых токов, наведенному в изделии, оценивают фазовый сдвиг Δφ сигнала u(ωt) относительно u(ωt), при изготовлении измерителя градуируют его, для чего зондируют мерные образцы с известными толщинами Т неферромагнитного электропроводящего покрытия, получают и сохраняют в измерителе градуировочную зависимость толщины покрытия Т от указанного фазового сдвига Т=F(Δφ) при измерениях изделий с неизвестной толщиной Тпокрытия, зондируют его, оценивают указанный фазовый сдвиг Δφ и по градуировочной зависимости определяют толщину Т покрытия изделия.
Недостатком данного способа является сложность калибровки, связанная с тем, что для нее требуются образцовые меры, близкие по характеристикам к предлагаемым изделиям. Таким образом, если такая калибровка производится при изготовлении прибора, то он оказывается узкоспециализированным, а если калибровка происходит непосредственно на месте применения, то потребителю необходим набор дорогостоящих образцовых мер, а сами измерения становятся трудоемкими.
Основной проблемой при изготовлении и использовании вихретоковых фазовых измерителей толщины является множество параметров, влияющих на точность измерения. К указанным параметрам относятся: индивидуальные особенности самого измерителя, различия в электромагнитных свойствах покрытий и оснований, ожидаемые толщины и шероховатость покрытий, температура и многие другие. Влияние этих факторов может быть в значительной степени устранено за счет градуировки и калибровки измерителя. Желательно, чтобы эти действия в большей степени производились на этапе изготовления прибора так, чтобы потребитель имел как можно меньше хлопот и затрат при его использовании.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является создание простых и удобных способов градуировки и калибровки, обеспечивающих точное измерение толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на стали.
1
2
2
1
пи
г
п
п
пн
н
изм
пи
пи
пмакс
пмакс
пн
изм
0
изм
Для решения поставленной задачи в способе измерения толщины неферромагнитного электропроводящего покрытия стали, заключающемся в том, что зондируют изделие, для чего измерителем возбуждают в нем электромагнитное поле гармоническим сигналом u(ωt), получают сигнал u(ωt), пропорциональный электромагнитному полю вихревых токов, наведенному в изделии, оценивают фазовый сдвиг Δφ сигнала u(ωt) относительно u(ωt), при изготовлении измерителя градуируют его, для чего зондируют мерные образцы, изготовленные с основанием из известной стали с известными толщинами Тпокрытия, получают и сохраняют в измерителе градуировочную зависимость указанного фазового сдвига Δφ(Т) от толщины покрытия Т при измерениях изделий из стали с неизвестной толщиной Т покрытия, зондируют его, оценивают указанный фазовый сдвиг Δφ и по градуировочной зависимости определяют толщину Т покрытия изделия, при градуировке измерителя используют дополнительно мерные образцы без покрытия Т=0 и с толщиной покрытия не меньше максимальной Т≥Т, где Т - расчетное значение максимальной толщины покрытия, которую способен измерить данный измеритель, перед измерениями изделий с неизвестной толщиной Т покрытия и с основанием из произвольной стали предварительно калибруют измеритель, для чего зондируют изделие с таким же основанием без покрытия, определяют и сохраняют кажущуюся толщину Т=ΔТ покрытия, а при измерении неизвестной толщины покрытия определяют измерителем толщину покрытия Т и вычисляют действительное значение толщины покрытия по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
Существенные отличия заявляемого способа от прототипа заключаются в следующем.
пи
пи
пмакс
пмакс
г
п
При градуировке измерителя используют дополнительно мерные образцы без покрытия Т=0 и с толщиной покрытия больше максимальной Т≥Т, где Т - расчетное значение максимальной толщины покрытия, которую способен измерить данный измеритель. Использование таких мер при градуировке позволяет определить граничные точки градуировочной зависимости Δφ(Т). Градуировка измерителя производится однократно при его изготовлении, что упрощает использование приборов потребителем. При градуировке могут использоваться образцы толщин покрытий на любых (одинаковых) имеющихся в распоряжении производителя основаниях из стали, что удешевляет градуировку для изготовителя прибора.
В прототипе калибровка и градуировка совмещены и осуществляются путем измерения образцов с толщинами покрытия, близкими к измеряемой. Получение таких образцов является непростым делом, что ставит перед пользователем серьезные проблемы.
пн
изм
0
Перед измерениями изделий с неизвестной толщиной Т покрытия и с основанием из произвольной стали предварительно калибруют измеритель, для чего зондируют изделие с таким же основанием без покрытия, определяют и сохраняют кажущуюся толщину Т=ΔТ покрытия. Таким образом, простое и единственное измерение позволяет определить положение новой градуировочной зависимости.
В прототипе изменение материалов требует новой калибровки на образцах с известными толщинами покрытий, что достаточно сложно и дорого.
изм
При измерении неизвестной толщины покрытия определяют измерителем толщину покрытия Т и вычисляют действительное значение толщины покрытия по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Таким образом, вычисление простой линейной функции позволяет получить действительное значение толщины покрытия.
В прототипе толщина покрытия определяется по градуировочным данным.
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы.
2
1
п
Фиг.1 - градуировочные характеристики вихретокового фазового преобразователя - зависимость фазового сдвига Δφ сигнала, наведенного в изделии u(ωt) относительно возбуждающего сигнала u(ωt), от толщины покрытия Т, где:
1 - градуировочная характеристика зависимости, снятая на эталонных мерах толщины цинкового покрытия, нанесенных на основания из стали Ст20 [5];
2 - градуировочная характеристика изделия с цинковым покрытием и основанием, у которой магнитная проницаемость основания меньше магнитной проницаемости стали Ст20.
Фиг.2 - устройство, реализующее заявляемый способ, где:
4. Вихретоковый преобразователь.
5. Фазовый детектор.
6. Компьютер.
п
7. Изделие с толщиной покрытия Т.
пд
8. Результаты измерений Т.
9. Входы управления.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
При реализации заявляемого способа или разработке соответствующего измерителя предварительно ограничивают область его применения, в частности задаются типом покрытия, например цинк на стали, максимальной толщиной покрытия, которая может быть у измеряемых изделий, и другими предполагаемыми параметрами. Эти параметры позволяют выбрать амплитуды и частоты возбуждающих сигналов, чувствительность и характеристики приемного тракта и т.п. Данный этап разработки выходит за рамки заявляемого способа.
1
2
2
1
п
Процесс зондирования измерителем изделия с основанием из стали с неферромагнитным электропроводящим покрытием заключается в том, что со стороны покрытия в изделии возбуждают электромагнитное поле гармоническим сигналом u(ωt) и получают сигнал u(ωt), пропорциональный электромагнитному полю вихревых токов, наведенному в изделии. Оценивают фазовый сдвиг Δφ сигнала u(ωt) относительно u(ωt). В общем случае фазовый сдвиг Δφ пропорционален толщине покрытия, но имеет сложную нелинейную зависимость, которую необходимо определить. Для этого необходимо провести градуировку, т.е. связать значения фазовых сдвигов Δφ с абсолютными величинами толщин покрытий Т.
п
1
Градуировка производится путем зондирования мер - изделий с основанием из стали с известными толщинами покрытий. Такие меры сложны в изготовлении, достаточно дороги и требуют аттестации. Таким образом, градуировку выполняют у производителя измерителя. Производитель может иметь один набор таких мер, например, с покрытием на основании из стали марки Ст20. В результате градуировки получают зависимость Δφ(Т) - кривая 1, фиг.1, которую сохраняют в измерителе. Среди мерных образцов должен присутствовать образец без покрытия, которому соответствует сдвиг фаз Δφ - точка А, фиг.1.
пмакс
1
пмакс
г
пмакс
п
пмакс
пмакс
При измерениях существует максимальная толщина покрытия Т, при которой все поле, создаваемое возбуждающим гармоническим сигналом u(ωt), не выходит за пределы покрытия. В результате дальнейшее увеличение толщины покрытия не изменяет фазовый сдвиг. Изделию с такой толщиной покрытия соответствует фазовый сдвиг Δφ(Т), точка В, фиг 1. Для получения Δφ(Т) проводят зондирование покрытия без основания, в рассматриваемом случае можно использовать толстую Т≥Т цинковую пластину. Величину Т определяют теоретически [4] по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mi>σ</mi><mi>ω</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
1
где σ - электропроводность покрытия, µ - магнитная постоянная, ω - круговая частота сигнала возбуждения u(ωt).
г
п
Полученная и сохраненная в измерителе градуировочная зависимость Δφ(Т) - кривая 1, фиг.1 пригодна для измерений толщины покрытий изделий на основании из стали Ст20. Однако в производственном процессе потребителя измерительного прибора могут использоваться основания из других типов сталей. Построение градуировочных зависимостей для разных типов сталей привело бы к неоправданным затратам изготовителя или потребителя.
Пусть требуется найти градуировочную зависимость для изделий с цинковыми покрытиями на стали, у которой магнитная проницаемость основания меньше магнитной проницаемости стали Ст20, например нержавеющей стали 45X13, т.е. провести калибровку измерителя. Неизвестная градуировочная зависимость имеет вид 2, фиг.1. Положение точки В, фиг.1 не зависит от свойств основания и оказывается общим для всех градуировочных зависимостей.
2
0
1
2
п
п
пмакс
Для определения точки С этой градуировочной зависимости 2, фиг.1 проводят зондирование изделия из стали 45X13 без покрытия и получают фазовый сдвиг Δφ, фиг.1. По градуировочной зависимости 1 определяют толщину покрытия ΔТ, которую имело бы это изделие, если бы оно было выполнено из стали Ст20, и сохраняют это значение. В результате этого измерения становится известным положение точки С градуировочной зависимости 2 для стали 45X13. Предполагают, что градуировочные зависимости 1 и 2 отличаются на линейную функцию 3, равную Δφ-Δφ при толщине покрытия равной нулю Т=0 и равную нулю при Т=Т. Измерения показали, что такое предположение оправдано и обеспечивает с достаточной для практических применений точностью получение градуировочной зависимости для оснований из стали, отличной от использовавшейся при градуировке.
изм
При измерениях изделий для определения неизвестной толщины покрытия на стали 45X13 определяют измерителем толщину покрытия Т, используя градуировочную зависимость 1, точка Е, фиг.1. А затем вычисляют действительное значение толщины покрытия по формуле, используя корректировочную прямую 3, фиг.1:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
пд
изм
Если измерению подвергается изделие с основанием из стали Ст20, то ΔT и Т= T.
Таким образом, описанная калибровка измерителя позволяет с достаточной точностью определять толщины покрытий на основании из любой стали. Заявляемый способ удобен как для изготовителя измерителей, т.к. требует градуировки на образцовых мерах с одним типом оснований, так и для пользователя, т.к. требует проведения простой однократной калибровки путем измерения изделия без покрытия.
Рассмотри работу устройства, фиг.2, реализующего заявляемый способ. В целом, работа устройства не отличается от классических схем вихретоковых измерителей [1,3].
1
2
Вихретоковый преобразователь 4 предназначен для возбуждения электромагнитного поля в изделии 7 под воздействием гармонического сигнала u(ωt) и получения сигнала u(ωt), пропорционального электромагнитному полю вихревых токов, возникших в изделии. Вихретоковый преобразователь 4 [3] содержит сердечник с обмотками возбуждения, измерительной и компенсационной, также схему балансировки.
2
1
Фазовый детектор 5 предназначен для нахождения фазового сдвига Δφ сигнала u(ωt) относительно u(ωt).
1
Компьютер 6 обеспечивает формирование зондирующего сигнала u(ωt), прием фазового сдвига Δφ, хранение градуировочных и калибровочных данных, расчет толщин покрытий и передачу результатов измерений через выход 8. Управление режимами работы измерителя осуществляется через входы 9. Компьютер 6 реализован в виде микроконтроллера.
1
2
1
Для зондирования сердечник вихретокового преобразователя 4 прислоняется к изделию 7. Компьютер 6 формирует зондирующий сигнал u(ωt), вихревое поле, наведенное в изделии, преобразуется в измерительной обмотке в напряжение u(ωt), пропорциональное электромагнитному полю, которое подается на фазовый детектор 5. На его второй вход подается напряжение u(ωt) не от компьютера, а снятое с компенсационной обмотки, что выгоднее исходя из схемотехнических соображений.
2
1
Фазовый сдвиг Δφ сигнала u(ωt) относительно u(ωt) с фазового детектора через аналого-цифровой преобразователь (не показан) поступает в компьютер 6.
п.
осн
оснi
п
п
п
При производстве выполняется балансировка вихретокового преобразователя 4, а затем компьютер 6 переводит измеритель в режим градуировки. При этом в качестве изделия используются мерные аттестованные образцы с известными толщинами покрытия ТВ качестве мерных следует использовать образцы, у которой магнитная проницаемость стали основания больше, чем σ>σ для всех изделий, подлежащих измерению. Определяют соответствующие фазовые сдвиги Δφ и сохраняют зависимость Δφ(Т) в виде таблицы. Для решения обратной задачи - нахождения неизвестной толщины Тпо фазовому сдвигу Δφ аппроксимируют Δφ(Т) полиномом.
пмакс
Рассчитывают величину Т, используя формулу (1), и сохраняют полученное значение в памяти компьютера 6.
0
Перед измерениями толщин покрытий измеритель через вход 9 компьютера 6 переводят в режим калибровки. Проводят зондирование изделия без покрытия. Сохраняют в компьютере 6 значение ΔТ.
изм
пд
При измерениях зондируют изделия с покрытием, определяют по градуировочной зависимости 1, фиг.1, толщину покрытия Т (точка Е), а затем по формуле (2) вычисляют действительную толщину Т покрытия (точку F, фиг.1, градуировочной зависимости 2).
п
п
Исследования показали, что при предложенном методе калибровки ошибка в измерении толщины ΔТ<±(0,01Т+1) мкм в диапазоне контролируемых толщин до 100 мкм, что вполне пригодно для практических применений.
Таким образом, заявляемый способ может быть реализован на практике и при достаточной точности обеспечивает простоту и удобство изготовления устройств и их применения.
Источники информации
1. Патент RU 2384839.
2. Ноймайер П. Вихретоковый фазовый метод измерения толщины гальванических покрытий. - В мире неразрушающего контроля, 2008, №2, с.29-30.
3. Патент RU 2456589.
4. Потапов А.И., Сясько В.А. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий / Научное, методическое, справочное пособие. - СПб.: Гуманистика, 2009. - 904 с.