Тема 9. Вимірювання товщини шару покриття

- Руйнівні та неруйнівні методи вимірювання товщини шару

покриття

Залежно від характеру покриття, фізичних властивостей

матеріалу деталі, необхідної точності та умов роботи

використовують найрізноманітніші методи вимірювань. Всі ці

методи можуть бути розділені на дві великі групи: з

руйнуванням покриття та без його руйнування. Найбільшу

групу серед методів, так званого неруйнівного контролю,

становлять електрофізичні методи, а також методи, основані на

використанні відмінностей у фізичних властивостях деталі та її

покриття. Серед них: вихрострумові, індуктивні,

магнітометричні, радіаційні, індукційні та ємнісні методи.

Вимірювання товщини шару покриття вихрострумовим

способом може бути застосоване для вимірювань товщини

нанесених на неферомагнітні (кольорові) метали ізоляційних

покрить. За способом перетворення товщини у вихідний сигнал

розрізняють генераторні (взаємоіндуктивні) та параметричні

(індуктивні) вихрострумові перетворювачі. В індуктивних

вихрострумових перетворювачах змінне електромагнітне поле

створюване вимірювальною котушкою, наводить у

поверхневому шарі деталі із електропровідного матеріалу

вихрові струми. Поле вихрових струмів, взаємодіючи з полем

котушки, приводить до зміни її індуктивності L (та відповідно

повного електричного опору), які є мірою вимірюваної товщини.

Цей спосіб при його надзвичайній простоті є недосконалим і не

застосовується.

У реальних засобах вимірювань товщини вихрострумовим

методом використовують звичайно частотний спосіб отримання

вимірювальної інформації. Вимірювальна котушка вмикається в

LC -контур генератора високої частоти. Залежно від товщини

покриття, а також від інтенсивності взаємодії поля вихрових

струмів з вимірювальною котушкою більшою або меншою

мірою змінюється індуктивність вимірювальної котушки і тим

90

самим вихідна частота

^fx ^{вимірювального автогенератора,}

значення якої наближено може бути розраховано як

^fx ^{           −}

^{ R0  Rвн } ,

⁴  ^L0 ^− Lвн 

1 1

^{2 C}0  ^L0 ^− Lвн 

2

2

(9.1)

^де C0 ^{- ємність резонансного контуру; L}0 ^та R0 ^{- відповідно}

індуктивність та активний опір вихрострумового перетворювача

^{за відсутності досліджуваного об’єкта; L}вн ^та Rвн ^{- внесені}

індуктивність і а активний опір, зумовлені впливом вихрових

струмів у досліджуваному об’єкті.

Найдосконалішою є двогенераторна схема (з вимірювальним

та опорним генераторами) з формуванням вихідного сигналу у

вигляді різниці частот, аналогічно схемі (рис. 8.1, тема 8). За

такою структурою побудований вихрострумовий вимірювач

товщини покрить типу "Радон", призначений для вимірювань

товщини діелектричних покрить, нанесених на струмопровідну

основу плоскої, випуклої та увігнутої форм і товщини виробів із

діелектрику, які під час їх дослідження ставлять на

струмопровідну основу. Прилад має діапазон вимірювань 0...10

мм та граничну похибку, яка не перевищує 1 %.

- Вимірювання товщини покрить на феромагнітних

деталях

Для вимірювання товщини покриттів на феромагнітних

деталях можна застосовувати індуктивні вимірювальні засоби,

первинним перетворювачем яких буде індуктивний

перетворювач ПП (рис. 9.1).

Індуктивний перетворювач ПП за допомогою кабелю

^{з’єднаний з кварцевим генератором Г}x ^{, вихідна частота f}x

^{якого, є функцією індуктивності L}x ^{. Частота f}x ^{та опорна}

^{частота f}0 ^{від опорного генератора Г}0 ^{надходить на вхід}

суматора СМ, вихідна частота якого ∆f дорівнюватиме різниці

^{між частотами f}x ^та f0  ^∆f  fx ^− f0  ^{. Після лінеаризації за}

91

допомогою мікропроцесора МП, сигнал надходитиме до

цифрового відлікового пристрою, проградуйованого в

мікрометрах, з якого зчитується результат вимірювання

^{товщини } K ^{покриття на феромагнітній деталі.}

Рис. 9.1. Схема індуктивного товщиноміра

Інформативним параметром такого індуктивного

перетворювача є повний електричний опір Z намагнічувального

кола або еквівалентна індуктивність цього кола, значення яких є

^{функцією комплексного магнітного опору Z}M ^{магнітного кола}

 ^RM ^ R   ^ X M^{2 2}M^{w2  RM  R }

^w X M

 ^RM ^ R   ^ X

перетворювача:

^Z  R0 ^ 

2

2 ^ j 2

, (9.2)

^де R0 ^{- активний опір обмотки; w - кількість її витків; R}M ^та

^X M ^{- активна та реактивна складові комплексного магнітного}

^{опору Z}M ^{магнітопроводу; R} ^{- магнітний опір повітряного}

проміжку.

^{Якщо складова X} M ^{, яка відображає втрати на гістерезис та}

^{вихрові струми у феромагнетику мала порівняно з R}M ^ R ^, що

практично завжди відзначається в реальних конструкціях

перетворювачів, то повний електричний опір можна подати у

^w2  ^RM ^ R 

^w X M

 ^RM ^ R ^{2 2}

 ^RM ^ R

вигляді:

^Z  R0 ^ 

2

 j

92

^ R0 ^ ∆Rекв ^ jLекв ^, (9.3)

^w X M

^де ∆Rекв ^ 

2

 ^RM ^ R 

2

- приріст еквівалентного електричного

опору;

^Lекв 

w²

^RM ^ R

-    еквівалентна   індуктивність

намагнічувального кола.

^{Враховуючи, що R}M ^ M

^lM

^SM

^, а R ^ 

^0^S

, якщо площі

поперечного перерізу магнітопроводу та повітряного проміжку

однакові

^SM ^ S ^{,  еквівалентна  індуктивність}

^Lекв

дорівнюватиме

^Lекв 

^w20^SM

M 0^lM  

.                (9.4)

∆L 

¹⁻

^{M 0lM  } 

^{M 0lM    ∆} 

^{Неважко переконатись, що зміна індуктивнсті L}екв ^{, викликана}

^{зміною повітряного проміжку на величину} ∆ ^, буде

M 0^lM  

^w20^SM ^{ }

 ^{. (9.5)}

^{За невеликих відносних змін}  ^{, враховуючи, що магнітний}

опір магнітопроводу значно менший від магнітного опору

повітряного проміжку, коли можна вважати

^M ^0^lM ^{  ,}

^w20^SM

^Lекв ^{      ,              (9.6)}

^∆L ≈ Lекв

  ∆

^{еквівалентна індуктивність L}екв ^{дорівнюватиме}



а її зміна ∆L визначиться як

∆

. (9.7)

Отже, функція перетворення індуктивного перетворювача зі

^{змінною величиною повітряного проміжку Z  f}  ^∆  ^чи

^Lекв ^ F ^∆  ^{нелінійна (рис. 9.2).}

93

Рис. 9.2. Функція перетворення індуктивного перетворювача

Характер зміни

^Z  f  ^∆ 

залежить  від  частоти

напагнічувального струму. За низьких частот, коли індуктивний

^{опір  L}екв ^{стає близьким чи навіть меншим від активного опору}

^R0 ^{обмотки, відносна зміна повного електричного опору за}

інших однакових умов дуже зменшується.

Індуктивний перетворювач зі змінною величиною

повітряного проміжку можна вважати практично лінійним

перетворювачем лише при малих відносних змінах довжини

^{цього проміжку} ∆ /  ^{. В реальних конструкціях таких}

перетворювачів при ∆ /   0,1...0,15 відносна зміна

індуктивності не перевищує 0, 05...0,1 при нелінійності функції

перетворення 1...3% .

- Вимірювальні кола індуктивних товщиномірів

Вимірювальні кола індуктивних вимірювачів товщини

покрить можуть бути найрізноманітнішими.

Здебільшого застосовують мостові методи вимірювань з

використанням робочого індуктивного перетворювача, що

розміщений на деталі з покриттям, та ідентичного робочому

компенсаційного перетворювача, розміщеного на аналогічній

деталі без покриття. Використання компенсаційного

перетворювача, увімкненого у сусіднє плече моста, дає змогу

усунути вплив зовнішніх чинників, зокрема температури, на

результат вимірювань.

94

У мостовій схемі (рис. 9.3) індикатором вимірюваної

величини є магнітоелектричний мілівольтметр, увімкнений до

^{виходу фазочутливої кільцевої схеми випрямлення. Резистор R}p

змінного опору призначений для встановлення нульового показу

мілівольтметра при нульовому чи заданому значенні

вимірюваної товщини.

Похибка вимірювання товщини покриття з використанням

індуктивних перетворювачів лежить у межах 10%.

^e2 ^ w2 2 ^{1 1 ≈}

^{Iw w}1^w2 ^I1

^2 /  ^0^S 

Рис. 9.3. Мостова схема індуктивного товщиноміра

Із неруйнівних методів зупинимось ще на методі,

заснованому на використанні взаємоіндуктивних

перетворювачів, вихідним інформативним параметром яких є

ЕРС, наведена у вимірювальній обмотці (рис. 9.4).

  w , (9.8)

^ZM

де

^w1

та

^w2

-  кількість витків намагнічувальної та

^{вимірювальної обмоток; I}1 ^{- намагнічувальний струм; S -}

^{площа перерізу магнітопроводу;}  ^{- товщина покриття;}

^ZM ^  ^RM ^ RM  ^ jX M ^≈ RM ^{- комплексний магнітний опір}

^{магнітопроводу (тут X} M ^та RM ^{- реактивна та активна складові}

95

^{менші від магнітного опору покриття R}M ^

0^S

комплексного магнітного опору магнітопроводу, що значно

2

).

Рис. 9.4. Вимірювач товщини гальванічного покриття

На основі такого методу побудовані прилади для вимірювань

товщини покриття в межах до 3 мм з похибкою 10... 15 %.

Серед методів руйнівного контролю найпоширенішим є

хемічний метод, - оснований на усуненні покриття за

допомогою спеціальних хемічних реактивів. За цим методом

мірою товщини покриття може бути час усунення покриття або

його маса чи різниця між масою покритої деталі та масою деталі

після усунення покриття.

96