Wyższa Szkoła Morska W Szczecinie Zakład Diagnostyki i Remontów Maszyn Okrętowych
Laboratorium Remontów Maszyn i Urządzeń Okrętowych
Imię i nazwisko: Robert Dąbrowski	Grupa: III MAa	Zespół:
		Numer ćwiczenia:
Temat ćwiczenia: POMIARY GRUBOŚCI WARSTW I GRUBOŚCI ŚCIANEK
Data wykonania ćwiczenia:	Data oddania sprawozdania:
Prowadzący:	Ocena:	Podpis:

1. Wstęp:

W przypadkach , kiedy dostęp do mierzonego przedmiotu jest ograniczony , tzn. możliwy tylko z jednej strony lub kiedy , ze względu na duże rozmiary mierzonego przedmiotu nie jest możliwe zastosowanie przyrządów pomiarowych takich jak : suwmiarkowe , mikrometryczne , czujnikowe lub maszyn pomiarowych jak : mikroskopy pomiarowe , długościomierze , maszyny współrzędnościowe , stosuje się specjalne przyrządy i techniki pomiarowe .

Najczęściej stosowanymi przyrządami są przyrządy , w których wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne , pole magnetyczne , i fale ultradźwiękowe .

Konieczność stosowania różnych metod pomiarów grubości wynika z istnienia szeregu kombinacji warstwa wierzchnia / podłoże . Kombinacje te charakteryzują się różnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi . Należy dobierać metodę pomiarową do kombinacji warstwa wierzchnia / podłoże .

Istnieją trzy grupy materiałowe stosowane na warstwy wierzchnie i podłoże : materiały magnetyczne , materiały nieżelazne , materiały nie przewodzące prądu elektrycznego . Grupy te tworzą kombinacje :

pomiar trudny pomiar łatwy

2. Metody pomiarów nieniszczących warstw wierzchnich :

Rozróżnia się nasępujące metody pomiarów nieniszczących warstw wierzchnich:

• Metody magnetyczne i elektromagnetyczne

• Metoda prądów wirowych

• Metoda β-odbiciowa

• Metoda fluorescencyjna ( fluorescencji rentgenowskiej)

• Metody pojemnościowe

• Metody termoelektryczne

• Metoda przekroju świetlnego .

Metody magnetyczne i elektromagnetyczne stosuje się do pomiaru warstw z materiałów niemagnetycznych nałożonych na podłoże ferromagnetyczne .

Metoda magnetyczna polega na pomiarze siły potrzebnej do oderwania magnesu trwałego od przedmiotu z badaną warstwą . Siła ta jest zależna od grubości warstwy . przez obrót pokrętła pomiarowego względnie przez unoszenie tulejki obudowy następuje napinanie sprężyny i magnes stały zostaje oderwany od badanego przedmiotu w momencie gdy siła sprężyny stanie się większa od siły przyciągania magnesu . Grubość warstwy można odczytać bezpośrednio na podziałce przyrządu .

Metoda magnetyczna : 1-śruba regulacyjna , 2-tulejka zewnętrzna , 3-magnes trwały , 4-podłoże ferromagnetyczne .

Metody elektromagnetyczne charakteryzują się tym , że do pomiaru grubości wykorzystuje się strumień magnetyczny przebiegający od sądy pomiarowej przez nieferromagnetyczną warstwę ferromagnetycznego podłoża .

W zależności od rodzaju warstwomierzy metoda pomiaru polega na :

• pomiarze napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym czujnika

• 
  pomiarze zmian indukcyjności czujnika .

Metoda elektromagnetyczna : 1-podłoże ferromagnetyczne , 2-warstwa mierzona , 3-sonda pomiarowa , 4-cewka wzbudzająca , 5-cewka pomiarowa , 6-wzmacniacz pomiarowy .

Metoda prądów wirowych :

Metoda prądów wirowychnadaje się do pomiaru wszystkich metalicznych i niemetalicznych warstw na metalicznym podłożu pod warunkiem pod warunkiem , że istnieje dostatecznie duża różnica przewodności elektrycznej warstwy i podłoża . Stosunek przewodności elektrycznej pomiędzy materiałem warstwy i podłoża powinien być niewiększy od 3 i niemniejszy od 0,3 .

Metoda pomiaru polega na pomiarze impedancji cewki sondy , zasilanej prądem zmiennym wielkiej częstotliwości , w chwili przyłożenia sądy do badanego elementu . Pod wpływem pola elektromagnetycznego wywołanego

prądem cewki powstają w metalu warstwy lub podłoża ( materiale przewodzącym ) prądy wirowe , które wywołują zmianę impedancji cewki . Wartość tej zmiany jest mierą odległości sondy od podłoża i tym samym miarą grubości warstwy .

Metoda prądów wirowych

1-cewka pomiarowa

Metoda β-odbiciowa :

Metoda β-odbiciowa ma zsadniczo bardzo duży obszar zastosowń . Możliwy jest pomiar metalowych i niemetalowych warstw na metalowych i niemetalowych podłożach o ile efektywna różnica liczb porządkowych (atomowych) materiału warstwy i podłoża wynosi około 20% . Głównym jednak obszarem jej zastosowań jest pomiar grubości pokryć z metali szlachetnych .

Metoda pomiaru polega na tym , że promieniowanie β emitowane przez źródło promieniowania , trafia na materiał badany . Część tego promieniowania zostaje odbita . Intensywność promieniowania odbitego jest funkcją efektywnej liczby porządkowej ( atomowej ) materiału . Jeżeli podłoże pokryte jest warstwą której liczba atomowa jest różna od liczby atomowej podłoża , to intensywność promieniowania odbitego leży w granicach określonych przez liczby atomowe materiału warstwy i podłoża . Intensywność promieniowania odbitego jest tym samym miarą masy warstwy , z której po uwzględnieniu gęstości materiału warstwy można określić grubość warstwy .

Metoda β-odbiciowa : 1-źródło promieniowania ( pręcik radioizotopu np. Cu¹⁴ , Sr⁹⁰ , Ru¹⁰⁶ ) , 2-podłoże , 3-warstwa mierzona , 4-cząstki β , 5-detektor , 6-przyrząd pomiarowy .

Metoda fluorescencyjna (fluorescencji rentgenowskiej) :

Metoda ta ma podobne zastosowanie jak metoda β-odbiciowa . Różnice w liczbie atomowaj materiału warstwy i podłoża może być jednkże znacznie mniejsza i może wynosić tylko jedną do dwóch jednostek , tak że można np. badać warstwy niklu na miedzi lub na stali .

Metodę fluorescencyjną można stosować do pomiaru bardzo małych grubości . Grubość warstwy nasyconej ( czyli warstwy rozpraszającej lub odbijającej powyżej której intensywność promieni rozproszonych lub odbitych już nie wzrasta ) jest znacznie mniejsza od tej dla metody β-odbiciowej ; np. maksymalnie mierzalna grubość warstewki złota wynosi około 8μm .

Zjawisko fluorescencji polega na wybiciu elektronu z orbity w wyniku zderzenia z kwantem energii promieniowania rentgenowskiego . W wyniku zderzenia z kwantem o energii powyżej 100keV , po wybiciu następuje zjawisko tworzenia się pary elektronowej ( elektron i pozyton ) , które opuszczają atom . Na miejsce wybitego elektronu z orbity K przeskakują elektrony z orbit leżących na zewnątrz orbity wybitego elektronu ( L lub M ) . Podczas tego przeskoku następuje wypromieniowanie nadmiaru energii . Powstaje w ten sposób dyskretne wtórne promieniowanie rentgenowskie ( fluorescencja ) .

Pomiaru intensywności promieniowania , dokonuje się za pomocą detektora promieniowania np. licznika scyntylacyjnego sprzężonego z wielokanałowym analizatorem energii promieniowania . Intensywność promieniowania charakterystycznej długości ( energii ) jest miarą grubości warstwy.

Metoda fluorescencyjna : 1-lampa rentgenowska , 2-przysłona , 3-promieniowanie rentgenowskie pierwotne , 4-warstwa mierzona , 5-podłoże , 6-promieniowanie wtórne , 7-detektor promieniowania , 8-sygnał elektryczny , 9-wielokanałowy analizator promieniowania , 10-widmo promieniowania wtórnego .

Metody pojemnościowe :

Metodami pojemnościowymi można mierzyć grubości warstw z materiałów nie przewodzących prądu na podłożach materiałów będących przewodnikiem prądu.

W metodach pojemnościowych , sonda pomiarowa o zdefiniowanej powierzachni tworzy z przewodzącym prąd materiałem podłoża płaski kondensator C . Warstwa wierzchnia jest dielektrykiem . Kondensator wraz z indukcyjnością L tworzy obwód drgający o określonej częstotliwości . Zmiana grubości dielektryka powoduje zmianę częstotliwości . Zależność tę wykorzystuje się do pomiaru grubości .

Metoda pojemnościowa : 1-sonda pomiarowa , 2-warstwa , 3-podłoże , 4-kondensator C , 5-cewka L , 6-częstotliwościomierz .

Metody termoelektryczne :

Metody termoelektryczne znajdują zastosowanie przede wszystkim przy pomiarze warstwy z niklu na podłożu stalowym , warstwy mosiądzu na odlewie ciśnieniowym cynku . Metody te wykorzystują właściwości termoelektryczne połączenia warstwa niklu-podłoże . W miejscu , do którego zostanie dociśnięta gorąca sąda o stałej temperaturze ( najczęściej 130 ÷ 180 ⁰C ) , powstaje pomiędzy warstwą i podłożem różnica potencjałów o wartości kilkuset μV . Temperatura a tym samym różnica potencjałów w miejscu pomiaru jest zależna od grubości warstwy niklu .

Metoda termoelektryczna : 1-ogrzewanie sondy pomiarowej , 2-wzmacniacz , 3-warstwa mierzona , 4-materiał podłoża .

Metoda przekroju świetlnego :

Metodę przekroju świetlnego stosuje się do pomiaru warstw przezroczystych na nieprzezroczystym podłożu .

W metodzie przekroju świetlnego promień świetlny wysyłany przez żródło światła częściowo odbijany jest od powierzchni przezroczystej warstwy a pozostała część odbijana jest od powierzchni nieprzezroczystej warstwy podłoża. Kąt promieni odbitych od podłoża zależy od współczynnika ( n) załamania światła w warstwie przezroczystej . Odległość ( d`) dwóch odbitych wiązek promieni jest miarą poszukiwanej grubości ( d ) warstwy .

Metoda przekroju świetlnego

3. Część praktyczna :

Przyrządy użyte dopomaru grubości ścianek :

• grubościomierz typ 545H działający na zasadzie ultradźwięków , wysyłanych przez głowicę nadawczo-odbiorczą

• suwmiarka

Przyrządy stosowane do pomiaru grubości warstw :

• warstwomierz

• leptoskop

Pomiary grubości ścianek :

Wytwarzanie fal ultradźwiękowych odbywa się w urządzeniach zwanych generatorami , przetwarzanie w urządzeniach zwanych przetwornikami lub głowicami . Budowa głowic bazuje na tzw. efekcie piezoelektrycznym kryształu kwarcu , który poddawany jest rozciąganiu i ściskaniu .

Urządzenie musi być wyskalowane przed pomiarem , a dokładność pomiaru musi być sprawdzana w czasie badań .

Pomiar nr1 - płytka :

• pomiar grubości suwmiarką

• pomiar grubości grubościomierzem

Pomiar nr 2 - tulejka

Lp.	g[mm]	h[mm]
1	11,2	10
2	12,1	20
3	12,5	30
4	13,2	40
5	13,7	50
6	14,2	60
7	14,7	70

Pomiar nr3 -stożek

Lp.	g[mm]	h[mm]
1	10,6	10
2	10,8	20
3	11,2	30
4	11,6	40
5	12,4	50
6	12,9	60

Pomiar nr4 -Tulejka

Lp.	g[mm]	h[mm]	g[mm]
1	11,6	35	13,2
2	11,6	40	13,1
3	11,5	45	13
4	11,1	35	13,0
5	10,5	10	13,1

Pomiary grubości warstw lepto skopem :

• metodą prądów wirowych

• indukcji magnetycznej

Lp.	g[μm]	g[μm]
1	6	5
2	5	5,6
3	5	4,5
4	4	4

Pomiar nr 6 -wałek

Lp.	g[mm]	g[mm]
1	28	25
2	26	26
3	27	25

Pomiar nr 7 - pierścienie

Lp.	g[μm]	g[μm]
1	5	17
2	5	13
3	5	13
4	4	13
5	5	13
6	5	13
7	5	13
8	5	13
9	5	13
10	8	15

Pierścień nr 2

g[μm]=5

Warstwa wierzchnia

Podłoże

Materiał nieżelazny

Materiał magnetyczny

Materiał nie przewodzący prądu

Materiał nieżelazny

Materiał magnetyczny

Materiał nie przewodzący prądu

1

2

3

D

4

E

G

R

2

1

4

5

3

6

100,95

80,7

17,7

17,75*

17,6

17,65*

17,7

17,75*

17,7

17,75*

100,95

Φ20

80

Φ11

Φ50

g

h

Φ22

Φ40

Φ47,7

g

h

70

h

g

g

h

g

h

~

D

1

D

3

4

1

5

6

2

9

10

1

8

7

2

6

3

5

4

~

d`

2

4

1

100÷150⁰C

1

3

5

3

2

6

4

---