2.2 Вимірювання товщини шару покриття

Залежно від характеру покриття, фізичних властивостей матеріалу деталі та її покриття, необхідної точності, умов роботи тощо 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 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, ємнісні методи.

Вимірювання товщини шару покриття вихрострумовим методом може бути застосоване для вимірювань товщини нанесених на неферомагнітні (кольорові) метали ізоляційних покриттів. За способом перетворення товщини у вихідний сигнал розрізняють генераторні (взаємоіндуктивні) та параметричні (індуктивні) вихрострумові перетворювачі. В індуктивних вихрострумових перетворювачах змінне електромагнітне поле В_х, 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 відносно повного електричного опору), які є мірою вимірюваної товщини. Цей спосіб при його надзвичайній простоті є недосконалим і не застосовується.

У реальних засобах вимірювання 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 самим вихідна частота f_x вимірювального автогенератора, значення якої наближено може бути розраховано як

, (2.8)

де С_о – ємність резонансного контуру; L_o та R_o – відповідно індуктивність та активний опір вихрострумового перетворювача при відсутності досліджуваного об’єкта; L_вн та R_вн – внесені індуктивність та активний опір, зумовлені впливом вихрових струмів у досліджуваному об’єкті.

Найдосконалішою є двохгенераторна схема (з вимірювальним та опорним генераторами) з формуванням вихідного сигналу у вигляді різниці частот, аналогічно схемі (рис. 2.2, б). За такою структурою побудований вихрострумовий вимірювач товщини покрить ”Родон”, призначений для вимірювань товщини діелектричних покриттів, нанесених на струмопровідну основу плоскої, опуклої чи 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%.

Для вимірювань товщини покриттів на феромагнітних деталях можна застосовувати індуктивний метод. Первинним перетворювачем такого засобу буде індуктивний перетворювач, повний електричний опір чи індуктивність вимірювальної обмотки якого буде функцією товщини покриття

, (2.9)

де R_o – омічний опір обмотки, Х_м та R_м – реактивна та активна складові комплексного магнітного опору магнітопроводу; – магнітний опір покриття (між полюсними наконечниками магнітопроводу (див. рис.2.3) та поверхнею феромагнітного тіла деталі).

Рисунок - 2.3 Схема вихрового товщиноміра

Враховуючи, що магнітний опір магнітопроводу значно менший від магнітного опору покриття, еквівалентна індуктивність може бути записана як

, (2.10)

де w – кількість витків вимірювальної обмотки; S_м – площа перерізу магнітопроводу; – товщина шару покриття.

Вимірювальні кола індуктивних вимірювачів товщини покриттів можуть бути найрізноманітнішими. Зокрема, якщо інформативним параметром перетворювача є повний електричний опір, то для його вимірювань може бути використаний метод амперметра-вольтметра, що дає можливість дуже наближено визначити товщину покриття.

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.

Рисунок - 2.4 Мостова схема індуктивного товщиноміра

У мостовій схемі (рис.2.4) індикатором вимірюваної величини є магнітоелектричний мілівольтметр, увімкнений до виходу фазочутливої кільцевої схеми випрямлення. Резистор Rp 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%.

Із неруйнівних методів зупинимось ще на методі, основаному на використанні взаємоіндуктивних перетворювачів, вихідним інформативним параметром яких є ЕРС, наведена у вимірювальній обмотці (рис.2.5)

, (2.11)

де та – кількість витків намагнічуючої та вимірювальної обмоток; – намагнічуючий струм; S – площа перерізу магнітопроводу; – товщина покриття; – комплексний магнітний опір магнітопроводу (тут та – реактивна та активна складові комплексного магнітного опору магнітопроводу, що значно менші від магнітного опору покриття ).

Рисунок - 2.5 Вимірювач товщини гальванічного покриття

На базі такого методу побудовані прилади для вимірювань товщини покриття в межах до 3 мм з похибкою 10...15 %.

Серед методів руйнівного контролю найпоширенішим є хімічний метод, який оснований на усуненні покриття за допомогою спеціальних хімічних 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.