Как работает толщиномер?

Продолжим автомобильную тему, т.к. многим зашел пост о материалах, из которых изготовлен кузов авто. Сегодня поговорим о популярных устройствах – толщиномерах, которыми измеряют толщину покрытия на металле.

На самом деле толщиномер, можно сказать, относится к устройствам неразрушающего контроля – отдельной области науки и техники, занимающейся поиском дефектов и измерением свойств материалов без их разрушения. Рассмотрим, как он работает.

На самом деле устройство нехитрое и основано на известной нам еще со школы электромагнитной индукции. И здесь есть два разных принципа, по которым толщиномер определяет толщину покрытия на железе и на немагнитных цветных металлах.

Внутри устройства находится катушка, в которой генерируется переменный ток. А переменный ток, как мы знаем, создает переменное магнитное поле. Когда мы подносим прибор к железу, которое, как известно, является ферромагнетиком, оно из-за очень высокой магнитной проницаемости концентрирует магнитный поток внутри себя, и поле возле поверхности локально усиливается. Подробно о ферромагнетиках я рассказывал в большом посте.

Такое изменение магнитного поля возле поверхности железа фиксирует датчик, в котором находится еще одна – приемная – катушка. Переменное магнитное поле индуцирует в ней ток, и этот ток измеряется. Само лакокрасочное покрытие почти не влияет на магнитное поле, но создает расстояние между прибором и металлом. А магнитное поле быстро ослабевает по мере удаления от поверхности. Поэтому чем толще покрытие, тем дальше прибор находится от железа, тем слабее магнитное поле и тем слабее сигнал в приемной катушке.

Когда известна зависимость величины магнитного поля (или «приемного» тока) от расстояния, прибор калибруют и получают значения толщины покрытия.

В немагнитных металлах, таких как медь, алюминий, цинк и пр., такая схема не прокатит, т.к. магнитная проницаемость у них слабая, и сигнал будет слишком маленьким. Здесь работает другой принцип – вихретоковый.

Когда катушка с переменным током создает магнитное поле, оно, в свою очередь, порождает в металле вихревые токи, или токи Фуко. Об этих токах я рассказывал, когда мы разбирали принцип работы индукционной плиты. Эти вихревые токи создают собственное магнитное поле, которое влияет на магнитное поле катушки. То есть это возникающее поле как бы выталкивает поле, его породившее. Тем самым изменяется ток в генерирующей катушке.

Чем дальше от металла находится прибор (на расстоянии толщины покрытия), тем слабее возбуждаются вихревые токи. А дальше также калибруем прибор и связываем сигнал с толщиной покрытия.

Здесь стоит упомянуть важный фактор, влияющий на измерения, – скин-эффект, о котором я рассказывал здесь. Вихревые токи концентрируются не во всем объеме металла, а лишь в тонком приповерхностном слое. Толщина этого слоя тем меньше, чем больше частота возбуждающего тока. Поэтому вихретоковое определение толщины тонких покрытий проводится на высоких частотах. Так прибор становится более чувствителен к маленьким расстояниям.

Однако, при измерении толщины покрытия на магнитном материале (железе) переменное магнитное поле тоже возбуждает в нем вихревые токи, которые могут мешать измерениям. И в этом случае стоит задача их ослабить и «загнать» глубже в металл, чтобы они меньше влияли на поверхность, а значит – уменьшить частоту возбуждающего тока. Ну или проводить измерения с помощью постоянного магнита, как это делали в более старых приборах. В них просто магнит прижимался к кузову, а затем с помощью пружинки измерялась сила его отрыва, которая уменьшается с увеличением толщины немагнитного покрытия. Также можно использовать для этих целей датчики Холла, о которых я рассказывал здесь.

Вот в таких повседневных и относительно недорогих приборах кроется гениально простая школьная физика.