Виды толщиномеров: магнитные, вихретоковые, ультразвуковые и механические

Оглавление

• 1. Введение
• 2. Классификация толщиномеров
• 3. Магнитные толщиномеры
• 4. Вихретоковые толщиномеры
• 5. Ультразвуковые толщиномеры
• 6. Механические толщиномеры
• 7. Толщиномеры покрытий: особенности применения
• 8. Сравнительный анализ методов измерения толщины
• 9. Критерии выбора толщиномера
• 10. Типичные ошибки при проведении измерений
• 11. Заключение

1. Введение

Измерение толщины материалов и покрытий является одной из ключевых задач неразрушающего контроля в машиностроении, судостроении, авиационной промышленности, строительстве и производстве металлоконструкций. Точные данные о толщине стенки изделия или толщине защитного покрытия позволяют оценивать остаточный ресурс оборудования, контролировать качество нанесения лакокрасочных, гальванических и порошковых покрытий, а также выявлять участки утонения, вызванные коррозией или механическим износом.

В зависимости от физических свойств объекта контроля и характера измеряемой величины применяются различные принципы измерения. Современные средства измерений позволяют определять толщину как самих изделий (стенок труб, сосудов, листового проката), так и нанесённых на них покрытий без разрушения поверхности. Правильный выбор метода и типа прибора напрямую влияет на достоверность результатов, производительность контроля и соответствие требованиям нормативных документов.

В настоящей статье рассмотрены четыре основных класса приборов: магнитные, вихретоковые, ультразвуковые и механические толщиномеры. Отдельное внимание уделено специфике измерения толщины покрытий, поскольку именно эта задача наиболее часто встречается в практике контроля качества.

Профессионалы неразрушающего контроля предпочитают заказать VA-TM8043 толщиномер покрытий с автоматическим определением типа основания.

2. Классификация толщиномеров

Классификация толщиномеров может проводиться по нескольким признакам:

• по физическому принципу действия;
• по назначению (измерение толщины стенок изделий или толщины покрытий);
• по способу доступа к объекту (односторонний или двусторонний);
• по характеру взаимодействия с объектом (контактный или бесконтактный);
• по типу измеряемого покрытия и основания.

По физическому принципу действия выделяют следующие основные группы:

• Магнитные толщиномеры — используют магнитные свойства ферромагнитных оснований.
• Вихретоковые толщиномеры — основаны на возбуждении вихревых токов в электропроводящих материалах.
• Ультразвуковые толщиномеры — измеряют время распространения ультразвуковых колебаний в материале.
• Механические толщиномеры — реализуют прямой контактный способ измерения линейных размеров.

Существуют также комбинированные приборы, совмещающие магнитный и вихретоковый принципы, что позволяет измерять покрытия как на ферромагнитных, так и на немагнитных металлических основаниях одним устройством. Нормативная база, регулирующая методы измерения толщины покрытий, включает ГОСТ 31993-2024 (модифицированный по отношению к ISO 2808:2019), ГОСТ Р ИСО 2178, ГОСТ Р ИСО 2360-2021 и ряд других документов.

Для ультразвуковых толщиномеров общего назначения действует ГОСТ 28702-90, а принципы контактного ультразвукового измерения толщины изложены в ГОСТ ISO 16809-2022.

3. Магнитные толщиномеры

3.1. Физические основы и принцип работы

Магнитные методы измерения толщины покрытий применяются преимущественно для немагнитных покрытий, нанесённых на ферромагнитные основания (сталь, чугун и другие материалы с высокой магнитной проницаемостью). Принцип действия основан на зависимости магнитного сопротивления или силы магнитного взаимодействия от величины зазора между преобразователем и поверхностью ферромагнитного основания. Этот зазор и является толщиной покрытия.

Различают несколько реализаций магнитного метода:

• магнитоиндукционный (метод магнитной индукции);
• магнитоотрывной (пондеромоторный);
• метод, использующий эффект Холла.

В магнитоиндукционных толщиномерах переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой преобразователя, замыкается через ферромагнитное основание. При увеличении толщины покрытия магнитный поток уменьшается, что приводит к изменению ЭДС, наводимой в измерительной обмотке. Сигнал обрабатывается электронным блоком и преобразуется в значение толщины.

Магнитоотрывные приборы измеряют силу притяжения постоянного магнита к ферромагнитному основанию. Сила притяжения уменьшается с увеличением толщины покрытия. Эти приборы просты по конструкции, но обладают меньшей точностью и требуют более тщательной калибровки.

Метод, основанный на эффекте Холла, применяется в приборах, где постоянный магнит и датчик Холла измеряют изменение напряжённости магнитного поля в зависимости от расстояния до ферромагнитной поверхности или до стального шарика, размещённого с противоположной стороны тонкостенного изделия.

Нормативным документом, регламентирующим магнитный метод измерения толщины немагнитных покрытий на магнитных основаниях, является ГОСТ Р ИСО 2178.

3.2. Основные виды магнитных толщиномеров

По конструктивному исполнению магнитные толщиномеры подразделяются на:

• приборы с встроенным преобразователем;
• приборы с выносным преобразователем;
• приборы с возможностью подключения сменных преобразователей различного назначения.

По способу получения результата различают аналоговые (стрелочные) и цифровые модели. Современные цифровые приборы, как правило, имеют функцию статистической обработки результатов, память измерений и возможность передачи данных.

Отдельной группой являются магнитные толщиномеры, предназначенные для измерения толщины неферромагнитных материалов (пластмасс, стекла, композитов) методом магнитного притяжения стального шарика, расположенного с противоположной стороны стенки. Такие приборы позволяют контролировать изделия, к которым возможен двусторонний доступ.

3.3. Преимущества, ограничения и области применения

Преимущества магнитных толщиномеров:

• высокая скорость измерений;
• простота эксплуатации;
• относительно низкая стоимость;
• возможность работы на ферромагнитных основаниях любой толщины (при условии достаточной магнитной проницаемости);
• хорошая повторяемость результатов при правильной калибровке.

Ограничения:

• неприменимость к немагнитным основаниям;
• влияние кривизны поверхности, краевых эффектов и шероховатости;
• зависимость показаний от магнитных свойств основания (требуется калибровка на аналогичном материале);
• ограниченная точность при измерении очень тонких покрытий (менее 5–10 мкм) у ряда простых моделей.

Основные области применения: контроль лакокрасочных покрытий на стальных конструкциях, измерение толщины гальванических покрытий (цинк, кадмий, хром) на стальных деталях, контроль порошковых покрытий, проверка антикоррозионных покрытий трубопроводов и резервуаров.

4. Вихретоковые толщиномеры

4.1. Принцип работы

Вихретоковый метод применяется для измерения толщины неэлектропроводящих покрытий на немагнитных электропроводящих основаниях (алюминий, медь, латунь, титан и их сплавы), а также для измерения некоторых металлических покрытий. Принцип действия основан на возбуждении вихревых токов в электропроводящем основании высокочастотным электромагнитным полем преобразователя.

При приближении преобразователя к поверхности электропроводящего основания вихревые токи создают собственное электромагнитное поле, которое взаимодействует с первичным полем катушки. В результате изменяется полное сопротивление (импеданс) обмотки преобразователя. Величина этого изменения зависит от расстояния между катушкой и поверхностью основания, то есть от толщины покрытия.

Амплитудно-чувствительный вихретоковый метод подробно описан в ГОСТ Р ИСО 2360-2021 (идентичен ISO 2360:2017). Метод особенно эффективен для измерения оксидных покрытий, полученных анодированием алюминия, а также лакокрасочных и полимерных покрытий на цветных металлах.

Глубина проникновения вихревых токов в материал определяется выражением:

\[ \delta = \dfrac{1}{\sqrt{\pi f \mu \sigma}} \]

где \( f \) — частота возбуждающего тока, \( \mu \) — магнитная проницаемость материала, \( \sigma \) — удельная электрическая проводимость. С увеличением частоты глубина проникновения уменьшается, что необходимо учитывать при выборе рабочей частоты прибора и минимальной толщины основания.

4.2. Особенности и факторы влияния

На точность вихретоковых измерений влияют следующие факторы:

• электрические свойства основания (проводимость);
• толщина основания (должна превышать определённое минимальное значение, зависящее от частоты);
• геометрия поверхности (кривизна, близость к краям);
• шероховатость поверхности;
• давление и наклон преобразователя;
• температура;
• наличие промежуточных слоёв.

Для минимизации погрешностей рекомендуется проводить калибровку на образцах, максимально близких по свойствам к контролируемому изделию, и соблюдать требования к минимальной толщине основания, указанные в документации на конкретный преобразователь.

4.3. Преимущества и ограничения

Преимущества:

• возможность измерения покрытий на цветных металлах;
• высокая чувствительность к тонким покрытиям;
• быстрота измерений;
• отсутствие влияния магнитных свойств основания.

Ограничения:

• неприменимость к ферромагнитным основаниям (или сильное влияние магнитной проницаемости);
• зависимость от электропроводности основания;
• влияние толщины основания при работе на тонких листах;
• необходимость более тщательной калибровки по сравнению с магнитным методом.

Вихретоковые толщиномеры широко применяются в авиационной промышленности, судостроении (алюминиевые конструкции), производстве теплообменного оборудования и при контроле анодированных поверхностей.

5. Ультразвуковые толщиномеры

5.1. Эхо-импульсный метод

Ультразвуковые толщиномеры предназначены преимущественно для измерения толщины стенок изделий из металлов, пластмасс, стекла, керамики и других материалов, способных проводить ультразвуковые колебания. Основным методом является эхо-импульсный.

Принцип работы заключается в измерении времени прохождения ультразвукового импульса от поверхности ввода до противоположной (донной) поверхности и обратно. При известной скорости распространения ультразвука в материале толщина рассчитывается по формуле:

\[ h = \dfrac{v \cdot t}{2} \]

где \( h \) — толщина изделия, \( v \) — скорость ультразвука в материале, \( t \) — время двойного пробега импульса.

В реальных приборах учитывается также время прохождения импульса в протекторе преобразователя и слое контактной жидкости. Для этого вводится коррекция нуля (zero offset).

Различают несколько режимов измерения:

• по первому донному эхо-сигналу;
• по времени между последовательными донными эхо-сигналами (режим многократного отражения);
• через линию задержки.

Общие технические требования к ультразвуковым толщиномерам установлены ГОСТ 28702-90. Принципы контактного ультразвукового измерения толщины изложены в ГОСТ ISO 16809-2022.

5.2. Особенности калибровки и применения

Точность ультразвукового измерения критически зависит от правильной установки скорости ультразвука для конкретного материала. Скорость звука в стали обычно принимается около 5900–5920 м/с, в алюминии — около 6300–6400 м/с, однако реальные значения могут отличаться в зависимости от марки сплава, термообработки и температуры.

Калибровка выполняется на образцах известной толщины из того же материала, что и объект контроля, либо с использованием встроенных калибровочных блоков. Для работы на грубых, корродированных или покрытых поверхностях применяют специальные преобразователи с повышенной износостойкостью и возможностью работы через покрытие (режим эхо-эхо).

Ультразвуковые толщиномеры позволяют измерять толщину в диапазоне от долей миллиметра до нескольких сотен миллиметров (в зависимости от частоты преобразователя и затухания в материале). Высокочастотные преобразователи (7–15 МГц и выше) используются для тонких стенок, низкочастотные — для толстостенных изделий и материалов с высоким затуханием.

5.3. Преимущества и ограничения

Преимущества:

• возможность измерения толщины стенок при одностороннем доступе;
• широкий диапазон измеряемых толщин;
• применимость к большинству конструкционных материалов;
• возможность работы через некоторые виды покрытий;
• высокая точность при правильной калибровке.

Ограничения:

• необходимость знания скорости ультразвука в материале;
• влияние состояния поверхности (шероховатость, коррозия, наличие отслоений);
• сложность измерений на материалах с высоким затуханием или сильной анизотропией;
• потребность в контактной жидкости;
• ограничения при измерении очень тонких стенок (менее 0,5–1 мм) без специальных преобразователей.

Ультразвуковые толщиномеры являются основным средством контроля остаточной толщины стенок трубопроводов, сосудов давления, корпусов судов, котлов и других ответственных конструкций в процессе эксплуатации.

6. Механические толщиномеры

6.1. Микрометрические и индикаторные толщиномеры

Механические толщиномеры реализуют прямой контактный способ измерения линейных размеров. Они применяются в тех случаях, когда возможен двусторонний доступ к изделию или когда требуется измерить толщину листовых, плёночных, тканых и других мягких материалов.

Наиболее распространёнными являются индикаторные толщиномеры, требования к которым установлены ГОСТ 11358-89. Согласно этому стандарту приборы подразделяются на следующие основные типы:

• настольные толщиномеры с нормированным измерительным усилием (ТН-10, ТН-25);
• ручные толщиномеры с нормированным измерительным усилием (ТР-10, ТР-25);
• ручные толщиномеры без нормированного измерительного усилия (ТР-25Б, ТР-50Б);
• стенкомеры различных модификаций (С-2, С-10А, С-10Б, С-25, С-50).

Принцип действия индикаторных толщиномеров основан на передаче перемещения измерительного наконечника на стрелочный или цифровой отсчётный механизм. Цена деления составляет 0,01 или 0,1 мм. Нормированное измерительное усилие обеспечивает стабильность показаний при контроле податливых материалов (резина, картон, ткани, плёнки).

Микрометрические толщиномеры (гладкие микрометры, листовые микрометры) обеспечивают более высокую точность — до 0,01 мм и выше. Они применяются для измерения толщины листового металла, пластин, фольги и других жёстких материалов при наличии двустороннего доступа.

6.2. Специальные механические средства контроля

К специальным механическим средствам относятся:

• толщиномеры-гребёнки для измерения толщины мокрого (неотвердевшего) лакокрасочного слоя;
• колёсные толщиномеры мокрого слоя;
• щуповые и игольчатые толщиномеры для мягких материалов;
• разрушающие механические средства (метод клинового надреза).

Толщиномеры-гребёнки представляют собой пластины с набором выступов фиксированной высоты. Прибор устанавливают перпендикулярно поверхности, и по последнему выступу, коснувшемуся покрытия, определяют приблизительную толщину мокрого слоя. Метод описан в ГОСТ 31993-2024 (ISO 2808) и широко используется для оперативного контроля при нанесении лакокрасочных материалов.

Разрушающий метод клинового надреза позволяет измерять толщину как однослойных, так и многослойных покрытий. После выполнения надреза под заданным углом толщина слоёв определяется оптическим способом по проекции среза. Метод применяется в качестве арбитражного и при необходимости анализа структуры покрытия.

Преимущества механических толщиномеров:

• независимость от физических свойств материала (магнитных, электрических, акустических);
• простота конструкции и высокая надёжность;
• отсутствие необходимости в источниках питания (для аналоговых моделей);
• возможность измерения мягких и податливых материалов.

Ограничения:

• необходимость двустороннего доступа (за исключением некоторых специальных конструкций);
• возможность повреждения мягких покрытий или тонких изделий;
• более низкая производительность по сравнению с электронными методами;
• ограниченная применимость для контроля толщины стенок закрытых конструкций.

7. Толщиномеры покрытий: особенности применения

Измерение толщины покрытий занимает особое место в практике неразрушающего контроля. К покрытиям относятся лакокрасочные материалы, порошковые покрытия, гальванические покрытия (цинк, никель, хром, кадмий), анодно-окисные плёнки, полимерные покрытия и плакирующие слои.

Выбор метода измерения определяется сочетанием свойств покрытия и основания:

Комбинированные приборы, совмещающие магнитный и вихретоковый принципы, автоматически определяют тип основания и переключают метод измерения. Это существенно повышает удобство работы при контроле изделий из разнородных материалов.

При измерении толщины покрытий необходимо учитывать влияние кривизны поверхности, близости к краям и углам, шероховатости основания и температуры. Калибровку следует выполнять на образцах с покрытием известной толщины или с использованием сертифицированных мер толщины.

8. Сравнительный анализ методов измерения толщины

Для наглядного сопоставления основных характеристик методов приведена сводная таблица.

Из таблицы видно, что ни один метод не является универсальным. Выбор определяется конкретной задачей контроля, свойствами объекта и требованиями к точности и производительности.

9. Критерии выбора толщиномера

При выборе толщиномера следует последовательно оценить следующие факторы:

• Характер измеряемой величины — толщина покрытия или толщина стенки изделия.
• Материал основания — ферромагнитный, немагнитный электропроводящий или диэлектрик.
• Толщина покрытия или стенки — определяет требуемый диапазон измерений и тип преобразователя.
• Доступ к объекту — односторонний или двусторонний.
• Состояние поверхности — шероховатость, кривизна, наличие загрязнений, температура.
• Требуемая точность и повторяемость.
• Условия эксплуатации — цех, полевые условия, взрывоопасные зоны, работа на высоте.
• Необходимость документирования результатов — наличие памяти, статистической обработки, передачи данных.
• Метрологическое обеспечение — возможность поверки, наличие мер толщины, межповерочный интервал.

Для контроля лакокрасочных покрытий на стальных конструкциях оптимальным является магнитный толщиномер. При работе с алюминиевыми изделиями — вихретоковый. Для оценки остаточной толщины стенок трубопроводов и сосудов — ультразвуковой. При оперативном контроле мокрого слоя и измерении мягких материалов — механический.

В ряде случаев целесообразно иметь комплект приборов разных типов или комбинированный толщиномер, совмещающий магнитный и вихретоковый принципы.

10. Типичные ошибки при проведении измерений

Даже при использовании исправного и поверенного прибора результаты могут быть недостоверными из-за ошибок оператора или неправильной подготовки к измерениям. Наиболее распространённые ошибки:

• Отсутствие или неправильная калибровка. Калибровку необходимо выполнять на материале, близком по свойствам к объекту контроля, с использованием мер толщины или образцов с известной толщиной покрытия.
• Игнорирование краевого эффекта. Измерения вблизи краёв, отверстий, сварных швов и резких переходов геометрии дают завышенные или заниженные показания.
• Неправильный выбор преобразователя. Использование преобразователя, не соответствующего диапазону толщин или типу основания.
• Нарушение ориентации преобразователя. Наклон преобразователя относительно поверхности приводит к увеличению показаний.
• Недостаточное или избыточное измерительное усилие (для механических и некоторых электронных приборов).
• Отсутствие или неравномерное нанесение контактной жидкости при ультразвуковых измерениях.
• Измерение на загрязнённой, влажной или сильно шероховатой поверхности без предварительной подготовки.
• Использование неверной скорости ультразвука при контроле стенок изделий.
• Неучёт температуры объекта и прибора. Значительные отклонения температуры влияют на магнитные, электрические и акустические свойства материалов.
• Недостаточное количество точек измерения. Для получения представительного результата необходимо выполнять измерения в нескольких точках и усреднять данные.

Соблюдение методики измерений, регулярная проверка работоспособности прибора на контрольных образцах и обучение персонала позволяют существенно снизить влияние перечисленных факторов.

11. Заключение

Выбор вида толщиномера определяется физическими свойствами объекта контроля, характером измеряемой величины и условиями проведения работ. Магнитные толщиномеры обеспечивают высокую производительность при контроле покрытий на ферромагнитных основаниях. Вихретоковые приборы незаменимы при работе с цветными металлами. Ультразвуковые толщиномеры позволяют оценивать остаточную толщину стенок конструкций при одностороннем доступе. Механические средства сохраняют свою актуальность при измерении мягких материалов, мокрого слоя и в качестве арбитражных методов.

Правильное применение каждого из рассмотренных методов, соблюдение требований нормативных документов и учёт факторов, влияющих на точность, обеспечивают получение достоверных результатов контроля. Современные толщиномеры при грамотном выборе и эксплуатации позволяют эффективно решать задачи как входного, так и периодического контроля качества покрытий и толщины стенок изделий.

При необходимости подобрать толщиномер под конкретную задачу, уточнить технические характеристики или узнать актуальную цену, можно обратиться к специалистам. Купить подходящий прибор с учётом особенностей объекта контроля и условий эксплуатации поможет консультация технического специалиста.

Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич