DE2061708A1

DE2061708A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Überzuges

Info

Publication number: DE2061708A1
Application number: DE19702061708
Authority: DE
Inventors: Guy Sassenage Fougea Dems Grenoble Salvt Antoine Fontaine Dedianne, (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Centre Scientifique et Technique du Batiment CSTB
Current assignee: Centre Scientifique et Technique du Batiment CSTB; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-12-19
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1971-07-01
Also published as: ES386647A1; GB1312710A; FR2071173A5; CH533292A; BE760394A

Description

Patentanwälte Dlpl.-Ing. R. BEETZ sen. Dipi-tnn. κ. la: r>:-;2CHT
Divine. R. u~:j r ζ Jr. 41O-16.411P 15.12.1970

8 München 22, Sioinodorfstr. 18

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

und CENTRE SCIENTIPIQUE et TECHNIQUE du BATIMENT, Paris (Prankr.)

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Dicke

eines Überzuges

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Überzuges auf einer Metalloberfläche, die sich insbesondere im Fall von hohlen g

zylindrischen Gegenständen anwenden lassen, die einen inneren oder äußeren Überzug aus einem von dem Metall des Gegenstandes verschiedenen Metall tragen.

Die zerstörungsfrei arbeitenden bekannten Vorrichtungen dieser Art, z. B. solche, deren Funktionswelse auf der Änderung der Reluktanz eines Magnetkreises basleren, dessen Spalt der Überzug ist (der Magnetkreis schließt sich im Trägermetall, das magnetisch sein muß), bewirken punktweise Messungen und erfordern im allgerneinen· eine Oberfläche bestimmter Form.

3886.3)-Tp-r (7)

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines solchen Überzuges anzugeben, womit sich die Nachteile der punktförmigen Messungen vermeiden lassen, indem die Messung auf den ganzen Bereich eines Zylinders ausgedehnt wird.

Gegenstand der Erfindung, mit der diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrene gelöst wird, ist ein Verfahren zum Messen der Dicke eines Metallüberzuges auf einem zylindrischen Gegenstand aus einem von dem des Überzuges verschiedenen Metall, mit dem Kennzeichen, daß man ein Magnetfeld mittels einer zum zylindrischen Gegenstand koaxialen Erregungsspule erzeugt, die von einem(periodischen elektrischen Strom derart veränderlicher Frequenz durchflossen wird, daß die Hautdicke des Überzuges fUr diese Frequenz mindestens gleich seiner Dicke ist, und daß man mittels einer zur Erregungs«pule koaxialen, dem Überzug am nächsten liegenden Anzeigeapule die Werte der durch da· Magnetfeld in der Anzeigespule induzierten Potentialdifferent! einerseits in Gegenwart des zylindrischen Gegenstandes und andererseits in «einer Abwesenheit mißt, wobei das Verhältnis der beiden Meßwerte eine Funktion der Dicke des Überzuges darstellt·

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Meßverfahrens, die durch eine aus zwei koaxialen Spulen, und zwar der Erregungsspule und der dem Überzug am nächsten liegenden Anzeigespule bestehende Sonde, einen der Erregung·spule den periodischen elektrischen Strom der derart veränderlichen Frequenz, daß die Hautdicke des Überzuges für diese Frequenz min-

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destens gleich seiner Dicke ist, zuführenden Oszillator, Mittel zur Verstärkung sowie Mittel zur Gleichrichtung an den Anschlußklemmen der Anzeigespule auftretenden Spannung und Mittel zum Messen dieser verstärkten und gleichgerichteten Spannung gekennzeichnet ist.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigern

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsart der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Dicken des Überzugs als Funktion des Verhältnisses der gemessenen Felder liefert;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Hautdicken als Funktion der Frequenz für übliche Metalle; und

Fig. h ein Funktionsschema einer Vorrichtung gemäß '

der Erfindung.

Öle im folgenden beschriebene bevorzugte Ausführungsart bezieht sich auf galvanische Innenüberzüge in Eisenrohren, wo man einen um so inhomogeneren Zinkniederschlag erhält, je geringer der Innendurchmesser des Rohres ist* Veiter ist, wenn die Rohre gewalzt und geschweißt werden, die Schweißstelle niemals mit einer gleichmäßigen Dicke von Zink bedeckt· Da das beanspruchte Verfahren «ine voll-

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ständige Messung über den gesamten Querschnitt des Rohres zu erhalten gestattet, wird auch die Schweißzone erfaßt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsart der Erfindung. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der Variation des Selbstinduktionskoeffizienten und des Magnetfeldes im Inneren eines Solenoids, wenn man dieses, wie es in dem Ausführungsbeispiel der Fall ist, mit einer Abschirmung umgibt. Dieser Effekt beruht auf in der Abschirmung durch das Feld des Solenoids induzierten Strömen} die induzierten Ströme hängen von der Art der Abschirmung ab, und die Änderung des Feldes im Inneren des Solenoids ist eine Funktion der Abschirmung.

Eine Sonde 1, die zwei koaxiale Spulen 2 und 3 umfaßt, ist in die Achse eines Eisenrohres k eingeführt, das im Inneren mit einem Zinküberzug 5 bedeckt ist, wobei dieses Ganze die Absohirmungsfunktion ausübt. Die sogenannte Erregungsspule 2 hat einen Radius a, die sogenannte Anzeigespule einen a übertreffenden Radius b. Wenn man die Erregungespule 2 einem statischen Strom der Frequenz f unterwirft, erzeugt sie längs ihrer Achse ein Magnetfeld Hl in Gegenwart der Abschirmung und ein Feld Ho, das größer als Hi ist, wenn man diese Abschirmung entfernt. Die Potentialunterschiede e und e. entsprechend den Feldern Ho und Hi werden an den Anschlußklemmen der Anzeigespule 3 gemessen. Andererseits rufen, wenn die Arbeitsfrequenz erhöht wird, die in der Abschirmung induzierten Ströme Hauteffekte hervor, die im Eisen und im Zink verschieden sind.

Wenn man den Widerstand des je Längeneinheit des Rohres h induzierten Strommantels 6 mit R, die Pulsation des

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die Spule 2 durchsetzenden Erregungsstromes üu> und die magnetische Permeabilität /U nennt, erhält man im Absolutwert:

Ho
Hi

2 2>

2 2 2

L> JU O /T

2 2 2

w 4 ' a R

2 2 2

1/2

2 2

(D

Man sieht, daß eine Variation des Widerstandes R des induzierten Strommantels zu einer Änderung des Verhältnisses rr führt.

nl

Wenn X der Gesaujtstrom in der Abschirmung und P die in den beiden Metallen verteilte Leistung ist, kann man schreiben}

R =

2P

(2)

Die Werte von P und I werden durch folgende Ausdrücke wiedergegebent

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-2 —* -2

1 - e ^8z ₊ -JE e

CTf

wobei P=O f 1-^z\

q = 6z e ^OZ sin _i ^

worini

1 = Dicke der Zinkschicht, (5 = Hautdicke bezüglich des Zinks, f_ a Hautdicke bezüglich des Eisens, _, a Leitfähigkeit bezüglich des Zinks, g-|. s Leitfähigkeit bezüglich des Eisens, i s Stromdichte an der Oberfläche.

Schließlich ist es möglich, nachdem man R mittels der

LI

Gleichungen 2, 3 und h errechnet hat, _t> als Funktion

TT

der Dicke des Zinks 1 auszudrucken. 1

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Fig. 2 ist ein Diagramnbeispiel, das die Dicke 1 als Funktion des Verhältnisses der gemessenen Spannungen ergibt, oder, was auf das gleiche herauskommt, als Funktion des Verhältnisses der Felder im Inneren der Spule 2 liefert. Man erhält ein Kurvennetz für Arbeitsfrequenzen von 50, 80, 100 und 120 kHz} die anderen Parameter a, b, r werden weiter unten erläutert. Ausgehend von diesen Kurven genügt es also für den Beschäftigten, bei der gewählten Arbeitsfrequenz den Wert der Magnetfelder H und H. mittels der Anzeigespule 3 einerseits in Anwesenheit und andererseits ™

in Abwesenheit des zu prüfenden Rohres zu messen, um den Wert 1 des Zinküberzugs zu erhalten.

Die Genauigkeit des Verfahrens hängt von der Art der Abschirmung und der Dicke de· Überzuge· ab. Insbesondere im Fall eines Überzuges aus Zink auf Eisen ist bei gegebener Frequenz die Hautdicke "«im Bisen sehnmal geringer als die Hautdicke 6_χ im Zink. Di·· ist sehr gttnatig bei der Ausführung der Erfindung} denn bei einer geeigneten Zinkdicke gibt es viel Strom im Zink und sehr wenig Strom im Eisen· Veiter wählt man die Arbeitsfdrequenz in der Weise, daß man in den linearen Teil der Kurven von Fig. 2 ä

kommt.

Fig. 3 zeigt graphisch die Hautdicke 6, in λ ausgedrückt, als Funktion der Frequenz f fUr die üblichen Metalle, im CGS-System drückt man O aus durcht

1/2

μ cH

Die Messung der Dicke 1 de« Überzüge· ist um ·ο ge-

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nauer, je verschiedener die O-Werte des Trägers und des Überzuges sind, und die folgenden Fälle sind zur Ausführung der Erfindung besonders gunstigι

a) Kombination eines ferromagnetisehen Metalles mit einem nichtferromagnetlschen Metall,

b) zwei ferromagnetische Metalle sehr verschiedener Widerstandswerte _f

c) zwei nichtferromagnetische Metalle sehr verschiedener Widerstandswerte·

Im Fall eines Trägers aus Eisen mit einem Zinküberzug hat mant

für das Eisen ^ « 10,5 · 10"*⁸ O/m /U = 200;

für das Zink ζ* 6,25 · 10

-8

/U=Io

Fig. h zeigt einen schematisehen Schaltkreis einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur industriellen Auswertung des beanspruchten Vefahrens. Es geht um die schnelle Erfassung der Dickenänderungen von Zink im Inneren von galvanisierten Eisenrohren.

Ein Oszillator 7 liefert der Erregungsspule 2 einen

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Strom bestimmter Frequenz über einen Widerstand 8. Ein Verstärker 9» dessen Durchlaßband 400 kHz ist, verstärkt

die durch die Anzeigespule 3 gelieferte Spannung. Seine regelbare Verstärkung ermöglicht, den Wert des durch die

Spule 3 erfaßten Feldes Ho durch eine "Tarierung" genannte Operation auf einen konstanten W_ert, z. B. 10 Volt, zu

bringen« Der Gleichrichter 10 erfaßt die Ausgangsspannung des Verstärkers 9» und auf Einstellung der Tarierung 11 des Kommutators eines Voltmeters 12 ist es möglich, die

Ausgangs spannung e.. des Gleichrichters 10 zu messen« "

Der Gleichstromdifferentialverstärker 13 ermöglicht, durch die Spannung e_? dank eines Potentiometers 14, das von einer Bezugsgleichspannungsquelle E gespeist ist, die vom Gleichrichter 10 austretende Spannung e. auszugleichen· Da die Ausgangsspannung e_ von 13 i« Gleichgewicht 0 ist, genügt es, die Sonde 1 in das Innere des Rohres zu bringen, um die Dickenänderungen des Zinks zu beobachten, die sich als Pendelwerte um 0 bei einer Empfindlichkeit des Voltmeters von z. B. = 0,5? 1} 2} 5 oder 10 Volt ergeben, die dank einer Vorrichtung mit Widerstand 15 im Voltmeter 12 einstellbar ist· Der Verstärker 16, dessen Eingang mit dem ä Ausgang des Verstärkers 13 verbunden ist, liefert eine Spannung e^. Der Trigger 17 mit zwei Eingängen ist ein Gleichstromverstärker; einer seiner Eingänge erhält die Spannung e^ und der andere eine Spannung s, die von einer Gleichstromspannungequelle V geliefert wird und stufenweise mittels einer Widerstandsvorrichtung 18 regelbar ist« Wenn mangels Zinkiiberzugs die Spannung e. unterhalb eines festgelegten Schwellenwerte fällt, leuchtet die Prüflampe 19 auf.

Beispielsweise wurde bei der in Fig. k dargestellten

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Ausführungsart eine Prüfung von galvanisierten Eisenrohren mit einem Durchmesser 2r » i6,5 mm und einer Dicke 1 des Überzuges von 80 ax durchgeführt. Die Sonde mit einem Außendurchmesser von 13 mm umfaßte zwei Spulen mit 6h Windungen und Radien a und b von k_t8 bzw· 5»5 mm·

Das Ho/Hi als Funktion der Zinkdicke 1 (Fig. 2) liefernde Kurvennetz wurde nach diesen Werten berechnet. Jedoch wurde bei dieser Berechnung den verschiedenen Legierungsschichten während der Warmgalvanisierung nicht Rechnung getragen!

Schicht 5 I Fe₅ Zn₃₁, die 21 bis 28 # Eisen enthält

und eine Dicke von 1 /u hat

/u

Schicht 6 t Fe Zn_, die 7 bis 12 # Eisen enthält

und eine Dicke von 10 /U hat,

Schicht *? ι Fe Zn , die 5,8 bis 6 # Eisen enthält

und eine Dicke von 5 /U hat.

Nur die Schicht T) , die nur reines Zink enthält und deren Dicke zwischen 60 und 100 /U ist, wurde bei dieser Berechnung berücksichtigt.

Eine praktische Eichung der Sonde hat gezeigt, daß der theoretische Wert (Ho/Hi) in einem Verhältnis 1,30 korrigiert werden mußte. Die durch die mit den galvanisierten Rohren durchgeführten Messungen mittels der in Fig. k dargestellten Vorrichtung naoh der Erfindung erhaltenen Ergebnisse wurden mit solchen Ergebnissen verglichen,

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die durch elektrolytische Auflösung dieser Rohre erhalten wurden* Die Übereinstimmung ist in der Lage der Maxima und Minima des Überzuges besonders gut.

Um einen Begriff der Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zu haben, wurde ein Spalt mit einer Breite von 2 mm im Zinküberzug einer Dicke von 80 ax angebracht. Das Vorliegen dieses Spalts zeigte sich in einer Spannungsabweichung e„ von 80 mV, d. h. in g

einem leicht erfaßbaren Wert.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ebenfalls in dem Fall anwendbar, daß ein äußerer Überzug auf einem Zylinder vorliegt; in diesem Fall muß die Sonde den Zylinder umgeben.

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Claims

Patentansprüche

1 ,J Verfahren zum Messen der Dicke eines Metallüberzuges auf einem zylindrischen Gegenstand aus einem von dem des Überzuges verschiedenen Metall, dadurch gekennzeichnet} daß man ein Magnetfeld mittels einer zum zylindrischen Gegenstand (k) koaxialen Erregungsspule (2) erzeugt, die von einem periodischen elektrischen Strom derart veränderlicher Frequenz durchflossenwird, daß die Hautdicke des Überzuges (5) für diese Frequenz mindestens gleich seiner Dicke (l) ist, und daß man mittels einer zur Erregungsspule (2) koaxialen, dem Überzug am nächsten liegenden Anzeigespule (3) die Werte der durch das Magnetfeld in der Anzeigespule induzierten Potentialdifferenz einerseits in Gegenwart des zylindrischen Gegenstandes*(U) und andererseits in seiner Abwesenheit mißt, wobei das Verhältnis der beiden Meßwerte eine Funktion der Dicke (l) des Überzuges darstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vorzugsweise die beiden Spulen (2 und 3) im Inneren des zylindrischen Gegenstandes {k) koaxial zu diesem anordnet, wenn sich der Überzug (5) auf dessen Innenwand befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vorzugsweise die beiden Spulen (2 und 3) außerhalb des zylindrischen Gegenstandes (k) koaxial zu diesem anordnet, wenn sich der Überzug (5) auf dessen Außenseite befindet.

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k. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Gegenstand (h) aus einem nichtferromagnetisehen Metall und der Überzug (5) aus einem ferromagnetisehen Metall bestehen.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Überzuges (5) und des Gegenstandes (4) Metalle mit sehr verschiedenen Widerstandswerten gewählt sind, wenn die beiden Metalle ^ nahe beieinanderliegende Werte der magnetischen Permeabilität aufweisen.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5» gekennzeichnet durch eine aus zwei koaxialen Spulen, und zwar der Erregungsspule (2) und der dem Überzug (5) &n> nächsten liegenden Anzeigespule (3) bestehende Sonde (i), einen der Erregungsspule (2) den periodischen elektrischen Strom der derart veränderlichen Frequenz, daß die Hautdicke des Überzuges (5) für diese Frequenz mindestens gleich seiner Dicke (l) ist, zuführenden Oszillator (7), Mittel (9) zur Verstär- J kung sowie Mittel (1O) zur Gleichrichtung der an den Anschlußklemmen der Anzeigespule (3) auftretenden Spannung und Mittel zum Messen dieser verstärkten und gleichgerichteten Spannung.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (2 und 3) bei Vorliegen des Überzuges (5) auf der Innenwand des Gegenstandes (k) im Inneren desselben und koaxial dazu angeordnet werden.

B. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Spulen (2 und 3) beim Vorliegen des Überzuges (5) auf der Außenwand des Gegenstandes (k) außerhalb desselben und koaxial dazu angeordnet werden.

9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Messen einerseits ein an den Ausgang der Gleichrichtungsmittel (1O) angeschlossenes Voltmeter (12) mit mehreren Meßempfindlichkeitsbereichen und andererseits eine Bezugsspannungsquelle (E), einen Differentialverstärker (13) mit zwei Eingängen, wovon der eine mit dem Ausgang der Gleichrichtungsmittel (1O) und der andere mit dem Ausgang der Bezugsspannungsquelle (E) verbunden sind, welcher Differentialverstärker an seinem Ausgang ein Signal mit einer der Differenz der Ausgangsspannungen der Gleichrichtungsmittel (10) und der Bezugsspannungsquelle (E) proportionalen Amplitude liefert, und Mittel zum Messen dieses Signals umfaßt.

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