Anna Lewińska-Romicka - Badania Nieniszczące

Metody pomiaru gruboĞci powáok
Metoda magnetyczna, metoda elektromagnetyczna
i metoda spadku potencjaáu
Anna LewiĔska-Romicka
W niniejszym artykule zostaną przedstawione zasady pracy warstwomierzy i aplikacje
metody magnetycznej, metody elektromagnetycznej i metody spadku potencjaáu – w ich
zastosowaniach do pomiarów gruboĞci powáok. Artykuá jest kontynuacją artykuáu autorki
opublikowanego w nr 4, 2004, niniejszego czasopisma.
Szczegóáowy opis metod pomiarów, przetworników, warstwomierzy i ich zastosowaĔ podano
w ksiąĪce A. LewiĔskiej-Romickiej, pt.: „Pomiary gruboĞci powáok”, wydanej przez Biuro
Gamma z Warszawy.
1. Pomiary gruboĞci powáok metodą magnetyczną
Metoda magnetyczna jest wykorzystywana do pomiaru gruboĞci powáok z materiaáów
nieferromagnetycznych, np. powáok z miedzi, z aluminium i z oáowiu (jest to jej gáówne
zastosowanie), naáoĪonych na stal oraz do pomiaru gruboĞci elektroosadzanych powáok z
niklu, naniesionych na podáoĪe z materiaáów nieprzewodzących prądu elektrycznego albo
nieferromagnetycznych lub ferromagnetycznych.
Przy pomiarze gruboĞci powáok metodą magnetyczną Ĩródáem pola magnetycznego,
wzbudzanego w obwodzie magnetycznym, jest magnes staáy. Przetwornik gruboĞciomierza
stanowi otwarty obwód magnetyczny. Obwód ten jest zamykany poprzez mierzoną powáokĊ i
materiaá podáoĪa. Powáoka, jeĞli jest nieferromagnetyczna, jak juĪ zaznaczono, stanowi
szczelinĊ w obwodzie magnetycznym przetwornik - obiekt, zarówno przy pomiarach metodą
magnetyczną, jak i elektromagnetyczną (rys. 1, rys. 2). Jej wpáyw, na obwód magnetyczny,
jest podobny do wpáywu szczeliny powietrznej w obwodach magnetycznych, np. niektórych
dáawików. Szczelina, w porównaniu do materiaáu ferromagnetycznego (rdzenia
magnetycznego), ma bardzo duĪą opornoĞü magnetyczną:
RP
l
P0 ˜ Pr ˜ S
gdzie:
RP – opornoĞü magnetyczna fragmentu obwodu magnetycznego,
l –
dáugoĞü obwodu magnetycznego,
przenikalnoĞü magnetyczna próĪni,
P0 –
przenikalnoĞü magnetyczna wzglĊdna materiaáu,
Pr –
S –
powierzchnia przekroju obwodu magnetycznego.
(1)
Pomiary gruboĞci powáok metodą magnetyczną są przeprowadzane „kontaktowo”.
Stosowane są warstwomierze magnetyczne mierzące siáĊ przyciągania magnetycznego.
Jednak obecnie najczĊĞciej są wytwarzane warstwomierze mierzące zmiany strumienia
magnetycznego (rys. 1), które mają o wiele szersze, od poprzednich, zakresy pomiarowe.
Rys. 1. Ukáad przetwornik – obiekt, w zastosowaniach metody magnetycznej do pomiaru
gruboĞci powáok.
Przetwornik warstwomierza magnetycznego mierzącego zmiany strumienia
magnetycznego) pokazano na przykáadzie pomiaru gruboĞci elektroosadzanej
powáoki z niklu, naáoĪonej na podáoĪe nieprzewodzące lub na podáoĪe
nieferromagnetyczne (przy pomiarach gruboĞci takich powáok podáoĪe moĪe byü
równieĪ ferromagnetyczne):
1 - magnes staáy, 2 - hallotron, 3 - linie siá staáego pola magnetycznego, 4 - sygnaá
wyjĞciowy U = f (g), gdzie g - gruboĞü powáoki
Na podstawie materiaáów i za zgodą firmy Helmut Fischer£ GmbH + Co.KG
W przetworniku warstwomierza magnetycznego (rys. 1) znajduje siĊ magnes staáy. Jest on
Ĩródáem staáego pola magnetycznego, wprowadzanego do obiektu. WartoĞü wytworzonego
pola zaleĪy od gruboĞci mierzonej powáoki, np. z niklu. NatĊĪenie pola magnetycznego
rozproszenia (tj. pola magnetycznego w powietrzu; nad obiektem) jest mierzone z uĪyciem
hallotronu. NapiĊcie Halla jest funkcją gruboĞci powáoki. W przypadku pomiaru gruboĞci
powáok z metali nieferromagnetycznych, na stali, natĊĪenie pola magnetycznego jest
proporcjonalne do odlegáoĞci pomiĊdzy koĔcówką sondy a podáoĪem.
Zaletą metody magnetycznej jest brak zakáócającego wyniki pomiarów wpáywu prądów
wirowych1, co ma szczególne znaczenie w przypadku pomiaru gruboĞci grubych powáok,
wykonanych z metali nieferromagnetycznych.
Sondy warstwomierzy magnetycznych mogą byü proste lub kątowe, co pozwala na dotarcie
do powierzchni pomiarowej.
Warstwomierze magnetyczne są przeznaczone do pomiaru gruboĞci powáok z metali
nieferromagnetycznych naáoĪonych na podáoĪe stalowe. Zakres pomiaru wynosi na przykáad
1
Ze wzglĊdu na staáomagnetyczne wzbudzenie przetwornika. Prądy wirowe mogą byü wzbudzane w obiektach przewodzących prąd
elektryczny jedynie przy oddziaáywaniu na nie zmiennego pola magnetycznego.
od 0 do 4 mm, a dokáadnoĞü r 0,0003 mm w zakresie do 0,25 mm i < r 0,5 % dla wiĊkszych
zakresów. Mogą byü teĪ mierzone gruboĞci elektrolitycznie osadzanych powáok niklu i záota
(np. na záączach do ukáadów do komputerów), naniesionych
na podáoĪach
nieferromagnetycznych. Zakres pomiaru wynosi od 0 do 150 Pm, a dokáadnoĞü r 0,2 Pm w
zakresie do 20 Pm i r 1 % dla wiĊkszych zakresów.
Szczególnym ale istotnym przypadkiem są pomiary gruboĞci powáok z niklu (materiaá
ferromagnetyczny) naniesionych na podáoĪu ze stali. Pomiary takie mogą byü np.
wykonywane z wykorzystaniem metody magnetycznej lub metody prądów wirowych i
fazoczuáej obróbki sygnaáów przetworników wiroprądowych.
Przy pomiarach gruboĞci powáok z niklu na stali, metodą magnetyczną, jest konieczne
zastosowanie metody nadrzĊdnej: albo metody kulometrycznej albo metody fluorescencji
promieniowania X. Producenci warstwomierzy, przeznaczonych do pomiarów gruboĞci
powáok z niklu na stal, dostarczają wzorce powáok niklowych. Jednak ze wzglĊdu na róĪnice
wáasnoĞci elektromagnetycznych tego metalu wskazane jest wykonywanie wáasnych
wzorców.
Na dokáadnoĞü pomiaru gruboĞci powáok metodą magnetyczną mają wpáyw: gruboĞü
powáoki, wáasnoĞci magnetyczne materiaáu podáoĪa, kierunek obróbki mechanicznej i
pozostaáoĞü magnetyczna metalu podáoĪa (jeĞli jest ferromagnetyczny), gruboĞü podáoĪa (dla
kaĪdego metalu podáoĪa i dla kaĪdego przyrządu okreĞlana jest tzw. gruboĞü krytyczna),
efekty brzegowe, krzywizna i chropowatoĞü powierzchni, wáasnoĞci magnetyczne materiaáu
powáoki, obecnoĞü powáoki z niklu po drugiej stronie obiektu, wystĊpowanie zakáócających
pól magnetycznych pochodzących od urządzeĔ elektrycznych i pola ziemskiego,
wystĊpowanie zanieczyszczeĔ powierzchni powáoki obcymi cząstkami (takimi, jak brud,
Ğlady oleju, produkty korozji), siáa docisku sondy, poáoĪenie sondy wzglĊdem powierzchni
obiektu i jej orientacja wzglĊdem kierunku ziemskiego pola magnetycznego.
Do metody magnetycznej, w jej zastosowaniu do pomiarów gruboĞci powáok, odnoszą siĊ np.
postanowienia normy PN-EN ISO 2178: 1998 (norma ta dotyczy powáok z materiaáów
nieferromagnetycznych, nakáadanych na podáoĪe z materiaáów ferromagnetycznych. Jest to
najbardziej typowe zastosowania tej metody), normy PN-EN ISO 2361:1995 (norma dotyczy
elektroosadzanych powáok niklu naáoĪonych na podáoĪe nieferromagnetyczne lub
ferromagnetyczne) i normy DIN 50981.
2. Pomiary gruboĞci powáok metodą elektromagnetyczną
Metoda elektromagnetyczna jest wykorzystywana do pomiaru gruboĞci powáok z materiaáów
nieferromagnetycznych (np. powáok z cynku, brązu, chromu, cyny, kadmu, miedzi, mosiądzu,
oáowiu, srebra, powáok lakierowych lub powáok z tworzyw sztucznych oraz powáok
metalizacyjnych), naniesionych na podáoĪe z materiaáów ferromagnetycznych: ze stali
ferrytycznych i z Īeliwa.
Pomiary gruboĞci powáok metodą elektromagnetyczną są przeprowadzane „kontaktowo”.
Rys. 2. Ukáad przetwornik jednobiegunowy – obiekt, w zastosowaniach metody
elektromagnetycznej do pomiaru gruboĞci powáok:
1 - prąd wzbudzający I~, 2 - ferromagnetyczny rdzeĔ stalowy, 3 - linie siá
zmiennego pola magnetycznego o stosunkowo maáej czĊstotliwoĞci, 4 - sygnaá
wyjĞciowy U = f (g), gdzie g - gruboĞü powáoki
Na podstawie materiaáów i za zgodą firmy Helmut Fischer£ GmbH + Co.KG
Metoda elektromagnetyczna2 i metoda prądów wirowych są w szczególnoĞci stosowane do
pomiaru gruboĞci powáok, naniesionych na duĪe obiekty, pokrywane elektrolitycznie. Metody
te są stosowane m. in. w przemyĞle samochodowym, w zakáadach wytwarzających farby i w
zakáadach stosujących pokrycia malarskie, w przemyĞle wytwarzającym urządzenia do
eksploracji przestrzeni kosmicznej i w przemyĞle chemicznym.
Przetworniki, stosowane w aplikacjach metody elektromagnetycznej, mogą byü
jednobiegunowe (rys. 2) lub dwubiegunowe.
Przetwornik jest transformatorem prądowym o otwartym obwodzie magnetycznym. Stosowane
jest wzbudzenie zmiennym polem o stosunkowo maáej czĊstotliwoĞci, np. od 200 Hz do 2000 Hz.
Przy umieszczeniu sondy z przetwornikiem na powáoce, naniesionej na podáoĪe, obwód
magnetyczny zamyka siĊ przez nie. Jak juĪ zaznaczono, powáoka stanowi szczelinĊ w
obwodzie magnetycznym: przetwornik - powáoka - podáoĪe. Prąd wzbudzający, o stosunkowo
maáej czĊstotliwoĞci i o staáej amplitudzie, páynący przez uzwojenie pierwotne przetwornika,
wprowadza do obiektu pole magnetyczne o maáej czĊstotliwoĞci. Indukcja magnetyczna tego
pola zaleĪy od odlegáoĞci pomiĊdzy przetwornikiem a ferromagnetycznym podáoĪem. Sygnaá
wyjĞciowy pobierany jest z wtórnego uzwojenia przetwornika (rys. 2.1). WartoĞü tego
sygnaáu zaleĪy od gruboĞci mierzonej powáoki.
NapiĊcie, indukowane w uzwojeniu wtórnym przetwornika, zaleĪy od gruboĞci powáoki,
przenikalnoĞci magnetycznej materiaáu podáoĪa, promienia krzywizny obiektu, gruboĞci
podáoĪa obiektu, pola powierzchni, na jakiej przeprowadzany jest pomiar, chropowatoĞci
powierzchni obiektu i odlegáoĞci miejsca pomiaru od krawĊdzi obiektu.
Warunki wzorcowania gruboĞciomierzy elektromagnetycznych muszą uwzglĊdniaü wyĪej
wymienione czynniki.
2 Metoda elektromagnetyczna jest stosowana do pomiarów gruboĞci powáok galwanicznych, z wyjątkiem powáok niklowych.
Model matematyczny opisuje zaleĪnoĞü napiĊcia wyjĞciowego przetwornika od gruboĞci
powáoki.
Sondy warstwomierzy elektromagnetycznych mogą byü proste lub kątowe, co pozwala na
dotarcie do powierzchni pomiarowej.
DokáadnoĞü pomiaru gruboĞci powáok metodą elektromagnetyczną zaleĪy od doboru obiektu
do wzorcowania - bez pokrycia i obiektu z pokryciem o gruboĞci, odpowiadającej koĔcowej
wartoĞci zakresu. Obiekt, na którym przeprowadza siĊ wzorcowanie, powinien mieü te same
wáasnoĞci fizyczne (przenikalnoĞü magnetyczną) i geometryczne (promieĔ krzywizny i
chropowatoĞü), co obiekt badany.
Metoda elektromagnetyczna jest teĪ wykorzystywana do pomiaru zawartoĞci ferrytu delta w
stalach i w záączach ze stali austenitycznych lub ze stali typu duplex (ferrytyczno austenitycznych) oraz do pomiaru zawartoĞci ferrytu delta w pokryciach z austenitycznych
stali chromowych, na podáoĪu ze stali konstrukcyjnych.
Z uĪyciem niektórych warstwomierzy elektromagnetycznych moĪna teĪ mierzyü sumaryczną
gruboĞü dwuwarstwowych powáok galwanicznych, np. powáok miedĨ – chrom, mosiądz –
chrom, brąz – chrom, miedĨ – cyna i mosiądz – cyna, naáoĪonych na podáoĪa ze stali lub na
podáoĪa z Īeliwa.
Niektóre warstwomierze elektromagnetyczne pozwalają teĪ na przeprowadzanie pomiarów
gruboĞci powáok ogniowych i dyfuzyjnych: cynowych, cynkowych, aluminiowych i
chromowych, naáoĪonych na podáoĪa ze stali lub z Īeliwa.
Warstwomierze elektromagnetyczne umoĪliwiają wykonywanie pomiarów gruboĞci wszelkich
powáok lakierniczych jedno- i wielowarstwowych oraz gruboĞci powáok emalii i warstw
fosforanowych, naáoĪonych na podáoĪa ze stali lub na podáoĪa z Īeliwa.
Warstwomierze elektromagnetyczne mogą mieü np. zakresy pomiarowe: 0 y 1999 Pm, 0 y 19,99
mils3 i 20 mils y 99,9 mils.
DokáadnoĞü pomiaru gruboĞci powáok wynosi odpowiednio w tych przedziaáach: r 3 % r 1
Pm, r 3 % r 0,02 mils i r 3 % r 0,1 mils.
Minimalne wymiary mierzonych przedmiotów, to odpowiednio powierzchnie páaskie nie
mniejsze niĪ Ğrednica sond (13 mm) z 0,5 mm, waáki I 5 x 20 mm (pomiar powáok o gruboĞci
do 50 Pm) i waáki I10 x 20 mm (pomiar powáok o gruboĞci do 200 Pm).
Niektóre warstwomierze elektromagnetyczne pozwalają na pomiary gruboĞci powáok w
zakresie od 0 do 1500 Pm. DokáadnoĞü pomiaru wynosi r 0,25 Pm w zakresie do 50 Pm, r 0,5
% w zakresie do 1000 Pm i < r 2,5 % dla wiĊkszych zakresów.
Niektóre warstwomierze, z dwubiegunowymi sondami, są przeznaczone do pomiarów
gruboĞci grubych powáok z metali nieferromagnetycznych. Zakres pomiaru wynosi od 0 do 30
mm. DokáadnoĞü pomiaru w zakresie do 1 mm wynosi r 0,02 mm, a w zakresie do 30 mm: r 2
%.
Niektóre sondy dwubiegunowe warstwomierzy elektromagnetycznych odznaczają siĊ maáą
wraĪliwoĞcią na zawartoĞü ferrytu delta, w pokryciach ze stali austenitycznych.
W przypadku chropowatej powierzchni obiektów sondy dwubiegunowe umoĪliwiają
uzyskanie wiĊkszych dokáadnoĞci pomiaru gruboĞci powáok, w porównaniu z sondami
jednobiegunowymi.
3 1 mils = 0,001 cala = 25,4 Pm.
Metoda elektromagnetyczna jest wykorzystywana do „rĊcznych” (wyrywkowych) oraz do
zautomatyzowanych pomiarów gruboĞci powáok.
Na dokáadnoĞü pomiaru gruboĞci powáok metodą elektromagnetyczną mają wpáyw: gruboĞü
powáoki, wáasnoĞci magnetyczne materiaáu podáoĪa, kierunek obróbki mechanicznej i
pozostaáoĞü magnetyczna metalu podáoĪa (jeĞli jest ferromagnetyczny), gruboĞü podáoĪa (dla
kaĪdego metalu podáoĪa i przyrządu okreĞlana jest gruboĞü krytyczna), efekty brzegowe,
krzywizna i chropowatoĞü powierzchni, wáasnoĞci magnetyczne i przewodnictwo elektryczne
materiaáu powáoki, wystĊpowanie zakáócających pól magnetycznych pochodzących od
urządzeĔ elektrycznych, wystĊpowanie zanieczyszczeĔ powierzchni powáoki obcymi
cząstkami (takich, jak brud, Ğlady oleju, produkty korozji), siáa docisku sondy, poáoĪenie
sondy wzglĊdem powierzchni obiektu i jej orientacja wzglĊdem kierunku magnetycznego
pola ziemskiego.
Do metody elektromagnetycznej, w jej zastosowaniu do pomiarów gruboĞci powáok, odnoszą
siĊ np. normy PN-EN ISO 2178: 1998 (norma ta dotyczy pomiarów gruboĞci powáok z
materiaáów nieferromagnetycznych naáoĪonych na podáoĪe z materiaáów ferromagnetycznych),
DIN 50981 i ASTM B499.
3. Pomiary gruboĞci powáok metodą spadku potencjaáu
Metoda spadku potencjaáu (ang.: Alternating Current Potential Drop, w skrócie ACPD) znalazáa
przede wszystkim zastosowanie do pomiaru gáĊbokoĞci powierzchniowych nieciągáoĞci
materiaáowych obiektów metalowych, do pomiaru gruboĞci powáok z miedzi na podáoĪach
wielowarstwowych, a takĪe w badaniach archeologicznych oraz w kryminalistyce.
Metoda spadku potencjaáu moĪe byü stosowana jedynie do pomiaru gruboĞci powáok z
materiaáów przewodzących prąd elektryczny (metali). Jest stosowana do pomiaru gruboĞci
powáok z miedzi na izolacyjnych lub ew. na nieferromagnetycznych podáoĪach: na cienkich
laminatach, na podáoĪach wielowarstwowych obwodów drukowanych do komputerów, na
podáoĪach wielowarstwowych z epoksydową warstwą przejĞciową.
Metoda spadku potencjaáu jest wáaĞciwie jedyną metodą, przy stosowaniu której wyniki
pomiarów gruboĞci powáok z miedzi nie są zaleĪne od wpáywu warstw miedzi, znajdujących
siĊ pod mierzoną powáoką.
Pomiary gruboĞci powáok metodą spadku potencjaáu mogą byü wykonywane na maáych
obiektach.
Pomiar gruboĞci powáok i gáĊbokoĞci powierzchniowych nieciągáoĞci materiaáowych, metodą
spadku potencjaáu, obiektów metalowych polega na:
1.
przepuszczaniu prądu elektrycznego przez obiekt. Prąd do obiektu jest doprowadzany
przy uĪyciu elektrod prądowych,
2. pomiarze rezystancji pomiĊdzy dwiema elektrodami potencjaáowymi (napiĊciowymi).
Pomiary są wykonywane kontaktowo i w sposób czteropunktowy.
Przy liniowym rozmieszczeniu elektrod, stosowanym m. in. w pomiarach gruboĞci powáok,
elektrody prądowe umieszczane są na zewnątrz elektrod napiĊciowych, po obu ich stronach.
ZasadĊ pomiaru gruboĞci powáok poprzez pomiar rezystancji, metodą czteropunktową,
ilustruje rysunek 3.
Rys. 3. Ilustracja do opisu zasady pomiaru gruboĞci powáok poprzez pomiar rezystancji
metodą czteropunktową
Poprzez elektrody prądowe S1 i S2 do obiektu z powáoką doprowadzany jest prąd elektryczny.
Przy pomiarach gruboĞci powáok stosowany jest prąd zmienny.
Wytworzone pomiĊdzy elektrodami napiĊciowymi M1 i M2 napiĊcie U (spadek potencjaáu)
jest proporcjonalne do rezystancji pomiĊdzy tymi elektrodami. Rezystancja ta jest miarą
gruboĞci powáok.
Spadek potencjaáu jest odwrotnie proporcjonalny do gruboĞci powáok.
NajproĞciej zaáoĪyü jest „wstĊgowy” przepáyw prądu, tj. jedynie pomiĊdzy elektrodami
prądowymi, podczas, gdy w praktyce, prąd páynie przez caáą szerokoĞü obiektu.
Stosowanie prądu zmiennego pozwala na uĪycie gáowic o maáych odstĊpach elektrod
prądowych. W pomiarach gruboĞci powáok stosowane są niezbyt duĪe natĊĪenia prądu,
páynącego pomiĊdzy elektrodami prądowymi. Zapobiega siĊ w ten sposób powstawaniu
przypaleĔ, w miejscach styku elektrod prądowych, z obiektem. Zmiennoprądowe zasilanie z
elektrod prądowych, przez stosunkowo krótki odstĊp czasu, pozwala na dáugotrwaáą pracĊ
warstwomierzy, przy bateryjnym ich zasilaniu.
NieliniowoĞü charakterystyk przetwarzania warstwomierzy, pracujących przy wykorzystaniu
metody spadku potencjaáu, wynika stąd Īe róĪny jest przebieg (dáugoĞü) ĞcieĪek prądu, przy
róĪnych gruboĞciach powáok.
Charakterystyki przetwarzania warstwomierzy, pracujących w oparciu o metodĊ spadku
potencjaáu, są róĪne dla róĪnych materiaáów, ze wzglĊdu na róĪne ich parametry
elektromagnetyczne (tj. ich przewodnoĞü elektryczną i przenikalnoĞü magnetyczną).
Niektóre warstwomierze, pracujące w oparciu o metodĊ spadku potencjaáu, mają zakresy
pomiarowe wynoszące 0 y 10 Pm i 5 Pm y 120 Pm.
Na dokáadnoĞü pomiaru gruboĞci powáok, z wykorzystaniem metody spadku potencjaáu, mają
wpáyw: dokáadnoĞü wzorcowania, parametry elektromagnetyczne materiaáów, dokáadnoĞü
styku elektrod potencjaáowych i prądowych z obiektem, odchylenia od ustawienia elektrod
prądowych, w linii prostej, róĪnice w odlegáoĞci pomiĊdzy elektrodami (w celu eliminacji
tego wpáywu obecnie wytwarzane gáowice mają postaü scaloną), pĊkniĊcia, które zakáócają
przebieg ĞcieĪek przepáywu prądu przy pomiarze gruboĞci powáok, bliskoĞü krawĊdzi obiektu
i krzywizna powierzchni obiektów.
Wpáyw przewodnoĞci materiaáu powáok, na wyniki pomiarów ich gruboĞci, jest mniejszy przy
zasilaniu przetworników prądem zmiennym, niĪ przy ich zasilaniu prądem staáym.
Wzorcowanie, na obiekcie z powáoką z danego materiaáu, pozwala na wprowadzanie, do
charakterystyk
przetwarzania
warstwomierzy,
wspóáczynnika
korekcyjnego,
uwzglĊdniającego parametry elektromagnetyczne materiaáu obiektu.
4. Bibliografia
BibliografiĊ podano w artykule A. LewiĔskiej-Romickiej, pt.: Metody pomiaru gruboĞci
powáok. Badania nieniszczące, nr 4, 2004