Messaufgaben Schichtdickenmessung

 

Spezielle Messaufgaben

Nicht jedes Messobjekt ist „ideal“ und in der praktischen Anwendung treten häufig Schwierigkeiten auf, die zu Messfehlern führen können. Typische Fehlerquellen sind stark gekrümmte Oberflächen, raue Oberflächen, Messungen an Kanten oder weiche Schichten. In vielen Fällen führt eine Kalibrierung des Messgerätes zu einem genauen und zuverlässigen Messwert. Im folgenden werden einige Messaufgaben und Lösungsvorschläge vorgestellt.


Messen auf gekrümmten Oberflächen

Konvex gekrümmte Oberflächen des Messobjektes führen gegenüber Messungen auf ebenen Flächen zu größeren Messwerten, konkav gekrümmte Oberflächen zu kleineren Messwerten. Durch eine Kalibrierung kann dieser Effekt kompensiert werden. Für jeden Sondentyp gibt es einen Grenzwert, der angibt, ab welcher Krümmung eine zusätzliche Kalibrierung sinnvoll ist. Die Geräte benötigen keine zusätzliche Kalibrierung, wenn auf Oberflächen gemessen werden soll, deren Krümmungsradien größer sind als die in der Tabelle aufgeführten Richtwerte.

  r-min für Stahl/Eisen r-min für NE-Metalle
Surfix® Pro S mit 1.5mm-Sonde
Surfix® S mit 1.5mm-Sonde
Surfix® E-Modelle
Pocket Surfix®
20 mm 50 mm
Surfix® Pro S mit 3.5mm-Sonde
Surfix® S mit 3.5mm-Sonde
Surfix® easy
30 mm 75 mm
Surfix® Pro S mit FN1.5/90°-Sonde
Surfix® S mit FN1.5/90°-Sonde
25 mm 65 mm
Surfix® Pro S mit F10-Sonde
Surfix® S mit F10-Sonde
50 mm

Bei kleineren als den oben genannten Krümmungsradien sollte auf einem unbeschichteten Messgegenstand gleicher Krümmung geprüft werden, ob der Nullwert oder ein mit einer Kalibrierfolie gemessener Messwert hinreichend genau ist. Bei unzureichender Genauigkeit sollte eine zusätzliche Kalibrierung auf der gekrümmten Oberfläche des unbeschichteten Messgegenstands durchgeführt werden.


Messen bei rauen Oberflächen des Grundwerkstoffes

Ohne besondere Vorkehrungen werden Schichten auf rauen Metalloberflächen, z. B. zur Beurteilung des Korrosionsschutzes, gegenüber Schichten auf glatten Oberflächen immer zu dick gemessen.

Wir empfehlen Ihnen daher für unsere Schichtdickenmessgeräte zwei Methoden, die es erlauben, den Einfluss der Rauheit zu minimieren. Diese Methoden ermöglichen es, die Schichtdicke über den Spitzen zu messen. Für beide Methoden muss zum Kalibrieren die raue Oberfläche zugänglich sein.

Methode A (geeignet für Rauheiten mit Rz kleiner 20μm):

  1. Nullen: Zum Nullen setzen Sie die Sonde etwa 10 mal auf die raue Oberfläche auf.
  2. Zweipunkt-Kalibrierung (Folienkalibrierung): Für eine Folienkalibrierung setzen Sie die Sonde etwa 5 mal auf eine Kalibrierfolie auf, die auf der rauen Oberfläche liegt.
  3. Messen: Setzen Sie die Sonde mehrmals auf. Der Mittelwert entspricht der mittleren Schichtdicke über den Spitzen.

Methode B (geeignet für Rauheiten mit Rz größer 20μm):

  1. Kalibrieren des Gerätes auf einer glatten Oberfläche gleicher Form und gleicher Stahlsorte wie der beschichtete raue Messgegenstand (Einpunkt- oder Zweipunkt-Kalibrierung).
  2. Bestimmen des Rauheitseinflusses. Setzen Sie die Sonde etwa 10 mal auf den rauen unbeschichteten Messgegenstand und bilden Sie aus den Messwerten den Mittelwert x0 ± s0. Dieser Mittelwert x0 ± s0 ist ein Maß für den Rauheitseinfluss auf das Schichtdickenmessgerät. Zur Mittelwertbildung können Sie auch die Statistik-Funktion des Gerätes benutzen.
  3. Messen der Schichtdicke auf der rauen Oberfläche. Setzen Sie die Sonde etwa 5 bis 10 mal auf die zu messende Schicht. Bilden Sie wie unter Punkt 2 aus den Messwerten den Mittelwert x0+C [c=coating]. Dieser Mittelwert x0+C ergibt sich aus der Schichtdicke plus dem Rauheitseinfluss.
  4. Berechnen Sie die Differenz aus den Mittelwerten x0+C - x0. Die Differenz ist die mittlere Schichtdicke xC über den Spitzen.

Beispiel:

Aus Punkt 2 ergibt sich z.B. für x0 = 15μm, s0 = 5μm
Aus Punkt 3 ergibt sich z.B. für x0+C = 80μm
Aus Punkt 4 ergibt sich für xC = (x0+C - x0) = 65µm

Hinzu kommen Schwankungen auf Grund der Rauhigkeit (S0=± 5 µm) sowie die Toleranz des Gerätes, hier z.B. ± (1 µm+1% vom Messwert)

Die mittlere Schichtdicke über den Spitzen beträgt somit 65µm ± 7µm.


Messungen an Kanten

Schichtdickenmessungen in der Nähe von Kanten zeigen tendenziell zu große Messwerte an, d.h. die tatsächliche Schicht ist dünner als der angezeigte Messwert. Dieser Effekt tritt auf, wenn der Abstand des Messpunktes von der Kante kleiner ist als der Durchmesser des Messsensors

Durchmesser der PHYNIX-Messsensoren:

Sonde / Gerät Sensordurchmesser
1.5 mm-Sonde (FN1.5, F1.5, N1.5), Surfix®, Pocket Surfix® 5 mm
90°-Sonde (FN1.5/90°) 6 mm
3.5 mm-Sonde (FN3.5, F3.5), Surfix® easy 10 mm
10 mm-Sonde (F10) 20 mm

Ist bei einer Messung der Abstand zu einer Kante deutlich kleiner als der Sensor-Durchmesser, dann ist genau in dem gewünschten Messabstand zur Kante eine Kalibrierung auf einem unbeschichteten Teil durchzuführen. Der Kantenfehler ist dann durch die Kalibrierung eliminiert.


Messungen an weichen und empfindlichen Schichten

Die Auflagekraft des Messsensors von ca. 0,3N kann bei weichen und empfindlichen Schichten einen Eindruck hervorrufen. Es wird dann eine zu geringe Schichtdicke angezeigt.

Zur Vermeidung einer Fehlmessung kann zwischen dem Messpol der Sonde und der Schicht eine Kunststoff-Folie (z. B. eine Kalibrierfolie, Dicke zwischen 30μm und 100μm) gelegt werden, die den Druck auf die empfindliche Schicht verringert.

Nach der Messung wird deren Foliendicke vom Messwert abgezogen, z.B. mit Hilfe der Offset-Funktion.


Messungen von Lack auf Zink und Stahl

Zerstörungsfreie Bestimmung der Dicke einzelner Schichten bei einem Schichtaufbau "Lack auf Zink auf Stahl"

Die messtechnische Trennung der Schichten Lack und Zink lässt sich erreichen, indem zwei verschiedene Messverfahren, das magnetische und das Wirbelstrom-Verfahren, nacheinander angewendet werden. Mit einem Kombi-Gerät FN lässt sich diese Aufgabe problemlos lösen.

 

Trennung der einzelnen Schichten bei einem Schichtsystem von Lack auf Zink auf Stahl

 

Wichtig:

  • Die Zinkdicke sollte dicker als 25 µm sein, um nicht zu große Messfehler bei der Lackdickenmessung zu erhalten. Diese entstehen durch zu dünne Zinkdicken.
  • Zum Kalibrieren und Messen müssen Sie entweder den Messmodus F oder N fest einstellen. Es darf nicht im automatischen Messmodus Auto-FN gemessen werden!

Zum Messen der einzelnen Schichten müssen Sie entweder den Messmodus ’F’ oder ’N’ fest einstellen.

Mit dem Messmodus ’F’ messen Sie die Gesamtschichtdicke (Lack plus Zink), da beide Einzelschichten Zink und Lack unmagnetisch sind. Mit dem Messmodus ’N’ messen Sie nur die Lackschicht über der Zinkschicht. Die Differenz der beiden Messwerte ergibt die Zinkschichtdicke.

Vor dem Messen sollte zur Erhöhung der Mess­genauigkeit eine Kalibrierung durchgeführt werden. Vor der Messung der Gesamtschichtdicke (Lack plus Zink) sollten Sie auf einem unbeschichteten, blanken Stahlteil gleicher Geometrie im Messmodus ’F’ (induktives Verfahren) eine Ein- oder Zweipunkt-Kalibrierung durchführen. Vor der Messung der Lackdicke müssen Sie im Messmodus ’N’ (Wirbelstrom-Verfahren) auf einer kleinen, entlackten, blanken Zinkoberfläche eine Zweipunkt–Kalibrierung durchführen.

Die genannte Methode führt bei gleichbleibender Zinkdicke über der Messfläche zu genauen Lackdickenmessungen. Bei Änderungen der Zinkschichtdicke, insbesondere bei Schichten über 30µm , übertragen sich diese Änderungen nur in geringem Maße auch auf die Lackdickenanzeige.

Abhängigkeit des Fehlers E der Lackdickenmessung von der Zinkdickenschwankung ‘D-Zinkdicke‘,
bezogen auf die Kalibrierung mit der jeweiligen Zinkdicke.

 

Faustregel:

Ändert sich die Zinkschichtdicke von ca. 25 µm unter der Lackschicht um z.B. +3 µm, dann wird an dieser Stelle etwa +1µm zu viel Lack angezeigt. Für genaue Lackdickenmessungen empfiehlt es sich, an mehreren kleinen Stellen die Lackschicht zu entfernen und die Gleichmäßigkeit der Zinkdicke im Messmodus F zu überprüfen und später bei der Lackdickenmessung zu berücksichtigen. Bei Zinkdicken über ca. 50 µm wird der Messfehler für die Lackdicke vernachlässigbar. 

Zerstörungsfreier Nachweis von Zinkschichten auf Stahl durch die vorhandene Lackierung hindurch, z.B. bei Autokarossen

Für einen zusätzlichen Korrosionsschutz wird bei vielen Stahlteilen vor der Lackierung eine Verzinkung durchgeführt. Dies kann eine galvanische Zinkschicht oder eine Feuerverzinkung sein. Diese Schichten sind in der Regel dicker als ca. 8 µm. Unter 5 µm hat eine Zinkschicht keine signifikante korrosionsschützende Wirkung.

Der Nachweis einer Zinkschicht erfolgt durch zwei Messungen, einmal mit dem magnet-induktiven Verfahren (F-Modus) und einmal mit dem Wirbelstrom-Verfahren (N-Modus). Aus der Differenz der Anzeigewerte kann dann eindeutig abgeleitet werden, ob unter der Lackierung eine Zinkschicht von mehr als 5 µm Dicke vorhanden ist oder nicht. Auch dünnere Zinkschichten als 5 µm sind erkennbar. Da der Rechenalgorithmus von der Charakteristik der verwendeten Sonde abhängt, kann an dieser Stelle nur auf die detailierte Beschreibung in der jeweiligen Bedienungsanleitung verwiesen werden.

Das beschriebene Verfahren gilt für Messgegenstände aus Stahl/Eisen mit ebener oder schwach gekrümmter Oberfläche beim Einsatz von Schichtdickenmessgeräten mit einer Kombisonde (z.B. Surfix® FN oder Surfix® easy FN).