IT9022375A1

IT9022375A1 - Sistema di correnti parassite a frequenza spazzolata per misurare spessori di rivestimenti

Info

Publication number: IT9022375A1
Application number: IT022375A
Authority: IT
Inventors: David Webster Oliver
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1991-06-15
Also published as: GB2239525A; CN1052548A; DE4039426A1; IT1244183B; JPH03189503A; CA2021600A1; IT9022375A0; FR2656086A1; US5017869A; GB9026555D0

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione riguarda misure di spessori di rivestimento e, più particolarmente, un apparato usante correnti parassite con un oscillatore a frequenza spazzolata.

Quando parti di substrato sono rivestite con strati sottili, è importante controllare lo spessore degli strati. Quando il rivestimento ha delle proprietà fisiche, per esempio impedenza acustica o resistività elettrica, che sono distintamente differenti da quelle del substrato, il controllo dello spessore di strato viene fatto con tecniche standard, come ultrasuoni o correnti parassite a frequenza fissa. Tuttavia, nel rivestire alcune parti di substrato, i materiali di substrato e di rivestimento differiscono solo leggermente, per esempio, il rivestimento di un tubo di lega zircalloy con zirconio metallico. Quindi, la differenza di proprietà fisiche è lieve, il che rende difficile determinare lo spessore del rivestimento.

Perciò uno scopo della presente invenzione è di determinare lo spessore di rivestimento, specialmente quando le differenze di proprietà fisiche del rivestimento e del substrato sono piccole.

In breve, questi e altri scopi vengono ottenuti mediante un apparato secondo l’invenzione per misurare lo spessore di un rivestimento su un substrato avente un dato materiale di substrato, comprendente mezzi per generare correnti disperse a frequenza variabile nel substrato rivestito, nel rivestimento e un substrato non rivestito del dato materiale e mezzi per paragonare cambiamenti di conduttività per cambiamenti di frequenza del rivestimento e del substrato rivestito con quelli del substrato non rivestito. Un metodo secondo l’invenzione per misurare Io spessore di un rivestimento su un substrato avente un dato materiale di substrato, comprende generare correnti parassite a frequenza variabile nel substrato rivestito, nel rivestimento e in un substrato non rivestito del lato materiale; e paragonare cambiamenti di conduttività per cambiamenti di frequenza del rivestimento e del substrato rivestito con quelli del substrato non rivestito.

La figura 1 è un schema a blocchi di una realizzazione dell’invenzione; la figura 2 è una vista in sezione della disposizione delle bobine di sonda usata in figura 1;

la figura 3 è una vista in sezione di un blocco d’angolo usato per tarare l’invenzione;

la figura 4 è un grafico di segnale nella realizzazione di figura 1; e la figura 5 è uno schema parziale a blocchi di un’altra realizzazione dell’invenzione.

La figura 1 mostra un circuito a ponte IO contenente bobine di sonda 12 e 14, ciascuna avente un estremo collegato a terra. Un ponte 10 comprende anche induttori 16 e 18 che sono rispettivamente collegati agli estremi rimanenti di sonde 12 e 14. Benché gli induttori 16 e 18 possono essere sostituiti con resistor! o condensatori, è preferibile che siano induttori in modo che la sensibilità del ponte 10 sia mantenuta su una larga gamma di frequenza. Una sorgente di segnale o oscillatore 20 a frequenza spazzolata è collegata agli estremi rimanenti degli induttori 16 e 18. La sorgente 20 ha un tipico spazzolamento di frequenza tra circa 10 KHz e 10 MHz, con una frequenza di spazzolamento di circa 30Hz, benché si possano usare altre frequenze. Di preferenza, la sorgente 20 è una sorgente a corrente costante (alta impedenza di uscita) allo scopo di fiutare ulteriormente a mantenere la sensibilità del ponte sull’intera gamma di frequenza spazzolata.

Mezzi di paragone, come rivelatori di fase 22 e 24, hanno ciascuno una coppia di ingressi rispettivamente collegati all’unione delle bobine 12 e 16 e anche all'unione delle bobine 14 e 18. La sorgente 20 fornisce un segnale all’ingresso di un regolatore di fase 26. Il segnale di uscita dal regolatore 26 è applicato direttamente ad un ingresso di un rivelatore 24 e anche all’ingresso di un circuito 28 di spostamento di fase di 90°; il segnate di uscita dal circuito 28 è applicato al rivelatore 22. Quindi, il rivelatore 22 è il rivelatore di fase di canale Q (quadratura), mentre il rivelatore 24 è il rivelatore di fase di canale I (in fase).

Come noto nella tecnica, i rivelatori 22 e 24 possono comprendere ciascuno un ponte di diodi con il segnale differenziale dalle sonde 12 e 14 e dalla sorgente 20 come segnali di ingresso. Un segnale di uscita dal ponte è applicato ad un filtro passabasso a resistore e condensatore. Questo filtro potrebbe avere una costante di tempo più lunga del periodo del limite inferiore di frequenza della frequenza spazzolata, per esempio I/10KHz e più breve del periodo della frequenza di spazzolamento per esempio 1/30 Hz. I rivelatori di fase 22 e 34 passano essenzialmente il segnale differenziale dalle sonde 12 e 14, se questo è in fase con quello del segnale deU’oscillatore di riferimento applicato al rispettivo rivelatore, e non passano il segnale differenziale di ingresso se è fuori fase con il medesimo. Il segnale di uscita dal rivelatore 22 di canale Q è applicato ad un servocircuito 30, che contiene un manipolatore meccanico (non mostrato) per controllare la posizione della sonda 12, come mostrato dalla linea tratteggiata 32. Il segnale di uscita dal rivelatore 22 di canale Q è anche applicato all'ingresso di asse verticale di un visualizzatore 33 a tubo a raggi catodici, che ha uno spazzolamento di tempo su asse orizzontale sincronizzato con lo spazzolamento di frequenza della sorgente 20.

Il segnale di uscita dal rivelatore 24 di canale I è applicato all’ingresso di un amplificatore 34, il quale amplificatore fornisce un segnale di uscita ad un commutatore 36. Quando il commutatore 36 impegna un contatto 38 di un modo di visualizzazione diretta, il segnale di uscita deH’amplificatore 34 è applicato all’ingresso di asse verticale di un visualizzatore 40 a tubo a raggi catodici, che ha anche uno spazzolamento di tempo su asse orizzantale sincronizzato con lo spazzolamento di frequenza della sorgente 20 allo scopo di visualizzare una frequenza di transizione (spiegata sotto).

Quando il commutatore 36 impegna un contatto 42, viene scelto un modo digitale di adattamento di curva. Detto segnale di uscita di amplificatore 34 è applicato ad un circuito 22 di analisi di regressione che può comprendere un microelaboratore programmato per eseguire un adattamento a quadrati minimi, una tecnica di massima similitudine, ecc., come noto nella tecnica, allo scopo di determinare la frequenza di transizione. Si potrebbe anche usare un circuito cablato. Il segnale di uscita di frequenza di transizione dal circuito 44 è applicato ad un circuito 46, per esempio una ROM, che è stata tarata con una tabella di spessori di rivestimento in funzione di frequenze di transizione (spiegate qui sotto), il segnale di uscita di spessore di rivestimento dal circuito 46 è applicato ad un visualizzatore 47, che può essere un visualizzatore analogico o digitale dello spessore di rivestimento.

Quando il commutatore 36 impegna un contatto 48, detto segnale di uscita di amplificatore 34 è applicato ad un differenziatore 50 per calcolare la derivata prima di detto segnale di uscita. Il segnale di uscita dal differenziatore 50 è applicato ad un circuito di rapporto 52, che può comprendere un microelaboratore programmato per calcolare un rapporto. Si possono anche usare circuiti digitali e analogici cablati per calcolare rapporti, come è noto nella tecnica. Il segnale di uscita dal differenziatore 50 è anche applicato ad un differenziatore 54 allo scopo di calcolare la derivata seconda del segnale di uscita 34 dell'amplificatore. Il segnale di uscita dal differenziatore 54 è applicato ad un circuito di rapporto 52. Il segnale di uscita dal circuito di rapporto 52 è applicato all'ingresso di asse verticale di un visualizzatore 56 a tubo a raggi catodici, il quale ha uno spazzolamento di tempo di asse orizzontale sincronizzato con lo spazzolamento di frequenza della sorgente 20. Si vedrà che i visualizzatori 33, 40 e 56 possono essere il medesimo visualizzatore con un commutatore (non mostrato) commutante l'ingresso del visualizzatore tra le uscite di circuiti 22, 34 o 52 secondo la posizione del commutatore 36 o l’operazione di regolazione di fase (descritta qui sotto). Si può anche usare come visualizzatore un’oscilloscopio a doppia traccia.

Come mostrato in figura 2(a), durante la prima operazione chiamata "regolazione di fase", la sonda 12 è posta vicino e con l’asse della bobina preferibilmente perpendicolare ad un substrato 58 avente un rivestimento o corazzatura 60 di spessore noto o ignoto. La sonda 14 è piazzata vicino, e l’asse di bobina è perpendicolare ad un substrato di riferimento non rivestito 62 del medesimo materiale del substrato 50, come mostrato in figura 2(b). In generale, i substrati 58 e 62 e il rivestimento 60 possono essere di qualsiasi materiale conduttore, per esempio metalli, plastica conduttrice, materiali compositi, ecc. Entrambe le sonde 12 e 14 e i substrati 58 e 60 sono normalmente immobili. Un segnale a frequenza spazzolata è generato da una sorgente 20 che crea correnti parassite in substrati 58 e 62 e nel rivestimento 60 secondo le loro rispettive conduttività alla frequenza istantanea. Un rivelatore di fase 22 di canale Q paragona queste conduttività paragonando l'ampiezza e la fase delle tensioni che generano correnti parassite nelle bobine 12 e 14, il quale paragone è visualizzato su un visualizzatore 33. Il circuito 26 di regolazione di fase viene quindi regolato allo scopo di dare la linea di visualizzazione 64 più orizzontale possibile sul visualizzatore 33, cioè la sensibilità minima possibile del rivelatore 22 di canale Q a differenze di cambiamenti di conduttività.

Questo corrisponde approssimativamente alla sensibilità massima del rivelatore 22 di canale Q a cambiamenti differenziali di conduttività dei substrati 58 e del rivestimento 60 rispetto al substrato 62 e anche alla sensibilità massima del rivelatore 22 di canale Q a cambiamenti di distanza tra la sonda 12 e il substrato 58. Tali cambiamenti ulteriori sono chiamati "sollevamenti".

La successiva fase è la taratura e, come mostrato in figura 3, la sonda 12 è disposta vicino ad un substrato 66 avente un rivestimento 68 ad angolo lappato sagomato a cuneo. Lo spessore del rivestimento 68 varia in modo noto con la distanza lungo il substrato 66. Invece di essere sagomato a cuneo, il rivestimento 68 può essere sagomato a scalinata con salti di altezza nota. La sonda 14 è ancora disposta come mostrato in figura 2(b). Si attiva la sorgente 20 e la sua frequenza viene spazzolata. Quando la sonda 12 è vicino ad una zona sottile di rivestimento 68 e la frequenza è bassa, le correnti parassite penetrano nel rivestimento 68 e nel substrato 66. Quindi i segnali dalle sonde 12 e 14 sono quasi uguali e il ponte 10 è pressocchè in equilibrio dato che le sonde 12 e 14 misurano rispettivamente la Conduttività dei substrati 66 e 62 che sono uguali. Quando la frequenza è aumentata, l'equilibrio inizialmente rimane costante, ma infine l’effetto pelle obbliga le correnti parassite a penetrare sempre meno nel substrato 66 e aumenta lo sbilanciamento del ponte, vedere curva 70 di figura 4. Infine, lo sbilanciamento prevale dato che viene misurata principalmente la conduttività del rivestimento 68. A metà strada tra queste due porzioni di livello della curva 70 c'è una frequenza di transizione f2 che capita quando lo spessore del rivestimento 68 è all’incirca uguale alla profondità di pelle. Poiché lo spessore di rivestimento è noto, un punto di taratura di frequenza in funzione dello spessore viene ottenuto e memorizzato in un circuito 46 e gli assi orizzontali dei visualizzatori 40 e 56 vengono tarati. La sonda 12, viene quindi mossa per essere disposta vicino ad una porzione più spessa del rivestimento 68 e il processo viene ripetuto come mostrato dalla curva 72.

Questa volta si ottiene una nuova frequenza di transizione f1, dove f2 è maggiore di f1. Il nuovo punto di taratura è memorizzato nel circuito 46 e gli assi orizzontali dei visualizzatori 40 e 56 vengono tarati. Questo processo è ripetuto parecchie volte fino a che si ottiene un numero sufficiente di punti di taratura. Ovviamente, si può prima usare per taratura un rivestimento più spesso e quindi rivestimenti più sottili.

La fase successiva è di usare l’apparato dell’invenzione per misurare lo spessore di un rivestimento ignoto disponendo la sponda 12 vicino ad un substrato 58 avente un rivestimento 60 di spessore ignoto, come mostrato in figura 2(a). La sonda 12 è mossa lentamente su un percorso mono o bidimensionale sopra il substrato 58. Alternativamente, il substrato 58 può essere mosso mentre la sonda 12 è fissa, o si può usare qualche combinazione di entrambi i movimenti specialmente per un’analisi bidimensionale, dove uno di detti movimenti può essere in una direzione e l'altro movimento può essere perpendicolare a detta prima direzione. Per "lentamente" si intende che questa analisi meccanica è lenta rispetto alla frequenza di spazzolamene della sorgente 20. Se desiderato, durante questa analisi il segnale di uscita dal rivelatore 22 si canale Q può essere usata per controllare un servocircuito 30 che, a sua volta tiene la distanza tra la sonda 12 e il substrato 58 sostanzialmente costante, cioè minimizza il sollevamento, per misure di spessore più accurate. La sonda 14 è ancora disposta come mostrato in figura 2(b).

Un amplificatore 34 fornisce un segnale, come mostrato dal numero 74 in figura I . Se si sceglie il modo di visualizzazione diretta, mediante il commutatore 36, il segnale 74 verrà visualizzato da un visualizzatore 40. Se si sceglie il modo di adattamento digitale di curva, un circuito 44 di analisi di regressione determina la frequenza di trasmissione di migliore adattamento al segnale 74. Quindi, un segnale rappresentante questa frequenza è applicata ad un circuito 46 e uno spessore corrispondente a questa frequenza viene letto e visualizzato da un visualizzatore 47.

Se viene scelto il modo di rapporto tra inclinazione e curvatura, non viene usato direttamente lo sbilanciamento di ponte, ma viene calcolata da un circuito 50 la derivata prima del segnale 74, come mostrato dal segnale 76.

Quindi la derivata seconda del segnale 74 viene calcolata da un circuito 54, come mostrato dal segnale 78. Il rapporto del segnale 76 rispetto al segnale 78 viene quindi calcolato da un circuito 52. A frequenze alte e basse la derivata prima è piccola. Alla frequenza di transizione la derivata è grande e la derivata seconda va a zero. Il rapporto è ad un massimo al punto di inflessione della curva dello sbilanciamento del ponte in funzione della frequenza, come mostrato da un segnale 80. Quindi, questo metodo è una misura molto sensibile della frequenza di transizione. Il segnale 80 viene quindi visualizzato da un visualizzatore 56.

Se desiderato, e se viene usato un analizzatore bidimensionale, il segnale di uscita dall’amplificatore 34 può essere usato per dare un'immagine spaziale su un visualizzatore (non mostrato) in scala di grigi o in colore.

Si osserverà che la presente invenzione fonrisce un apparato sensibile e un metodo per misurare lo spessore di un rivestimento su un substrato anche quando le differenze di proprietà fisiche del rivestimento e del substrato sono piccole. Si osserverà inoltre che sono possibili parecchie altre realizzazioni entro lo spirito e il campo dell’invenzione. Per esempio, come mostrato in figura 5, invece di essere parte di un circuito a ponte 10, le sonde 12 e 14 possono essere accoppiate a rispettivi ingressi di mezzi di paragone ad amplificatore differenziale 82. Un ingresso di ciascuno dei rivelatori 22 e 24 è collegato all'uscita dell’amplificatore 82, mentre il rimanente ingresso di ciascuno dei rivelatori 22 e 24 è collegato a terra. Il resto del circuito è identico a quello mostrato in figura 1.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparato per misurare lo spessore di un rivestimento su un substrato avente uh dato materiale di substrato, detto apparato comprendendo: mezzi per generare correnti parassite a frequenza variabile nel substrato rivestito, nel rivestimento e in un substrato non rivestito del dato materiale; e mezzi per paragonare cambiamenti di conduttività per cambiamenti di frequenza del rivestimento e del substrato rivestito con quelli del substrato non rivestito.
2. L'apparato di rivendicazione 1 , nel quale detti mezzi di paragone comprendono mezzi per rivelare differenze di fase tra dette correnti parassite.
3. L'apparato di rivendicazione 1, nel quale detti mezzi generatori comprendono una coppia di prima e seconda bobina di sonda adatte ad essere disposte rispettivamente vicino ai substrati rivestiti e non rivestiti.
4. L’apparato di rivendicazione 3, nel quale detti mezzi generatori comprendono un circuito a ponte contenente detta prima e seconda bobina.
5. L’apparato di rivendicazione 4, nel quale detto circuito a ponte contiene anche una terza e una quarta bobina.
6. L'apparato dì rivendicazione 3, nel quale detti mezzi di paragone contengono un amplificatore differenziale avente una coppia di ingressi collegati rispettivamente a dette bobine.
7. L’apparato di rivendicazione I, nel quale detti mezzi generatori contengono un oscillatore che spazzola di frequenza da circa lOKHz a 10MHz.
8. L'apparato di rivendicazione 1 comprendente inoltre mezzi visualizzatori collegati a detti mezzi di paragone.
9. L’apparato di. rivendicazione 1, comprendente inoltre un circuito di analisi di regressione collegato a detti mezzi di paragone e una memoria di frequenza in funzione dello spessore collegato a detto circuito di analisi.
10. L’apparato di rivendicazione 9, nel quale detto circuito di analisi è un circuito di analisi per quadrati minimi.
11. L’apparato di rivendicazione 9, nel quale detto circuito di analisi è un circuito di analisi per massima similitudine.
12. L'apparato di rivendicazione 1 comprendente inoltre un primo differenziatore collegato a detti mezzi comparatori, un secondo circuito differenziatore collegato a detto primo differenziatore e un circuito misuratore di rapporto collegato ad entrambi detti differenziatori.
13. Apparato per misurare lo spessore di un rivestimento su un substrato avente un dato materiale di substrato, detto apparato comprendendo: una coppia di prime e seconde bobine di sonda adatte ad essere disposte rispettivamente vicino ai substrato rivestito e ad un substrato non rivestito del dato materiale; un oscillatore a frequenza spazzolata collegato a dette bobine; e mezzi, collegati a dette bobine e a detto oscillatore, per paragonare cambiamenti di conduttività per cambiamenti di frequenza del rivestimento e del substrato rivestito con quelli del substrato non rivestito.
14. L’apparato di rivendicazione 13, comprendente inoltre i substrati rivestiti e non rivestiti.
15. L’apparato di rivendicazione 14, nel quale ciascuno di detti substrati comprende lega zircalloy e detto rivestimento comprende zirconio.
16. L’apparato di rivendicazione 13, comprendente inoltre un circuito a ponte contenente dette bobine di sonda.
17. L’apparato di rivendicazione 16, nel quale detto circuito a ponte contiene una terza e una quarta bobina collegate rispettivamente a detta prima e seconda bobina.
18. L’apparato di rivendicazione 13, nel quale detto oscillatore a frequenza spazzolata spazza tra circa 10KHz e 10MHz.
19. L’apparato di rivendicazione 13, nel quale detti mezzi di paragone comprendono un primo rivelatore di fase collegato a dette bobine, detto primo rivelatore essendo collegato a detto oscillatore.
20. L’apparato di rivendicazione 19, comprendente inoltre un secondo rivelatore di fase collegato a dette bobine e uno spostatore di fase a 90° collegato tra detto oscillatore e detto secondo rivelatore.
21. L’apparato di rivendicazione 20 comprendente inoltre mezzi di regolazione di fase aventi un ingresso collegato a detto oscillatore e un’uscita collegata a detto primo rivelatore e a detto spostatore di fase.
22. L’apparato di rivendicazione 20 comprendente inoltre un servocircuito collegato a detto secondo rivelatore e collegato meccanicamente a detta bobina disposta vicino a detto substrato rivestito.
23. L'apparato di rivendicazione 13, nel quale detti mezzi di paragone comprendono un amplificatore differenziale avente un coppia di ingressi, rispettivamente, collegata a dette bobine.
24. Metodo per misurare lo spessore di un rivestimento su un substrato avente un dato materiale di substrato, detto metodo comprendendo: generare correnti parassite a frequenza variabile nel substrato rivestito, nel rivestimento e in un substrato non rivestito del dato materiale; e paragonare cambiamenti di conduttività per cambiamenti di frequenza del rivestiménto e del substrato rivestito con quelli del substrato non rivestito.
25. Il metodo di rivendicazione 24, nel quale detta fase di paragone comprende rivelare differenze di fase tra dette correnti parassite.
26. Il metodo di rivendicazione 24, nei quale detta fase di generazione comprende generare una frequenza che spazza tra circa 10KHz e 10MHz.
27. Il metodo di rivendicazione 24, comprendente inoltre visualizzare le correnti parassite paragonate.
28. Il metodo di rivendicazione 24, comprendente inoltre calcolare una frequenza di transizione e determinare lo spessore da detta frequenza di transizione.
29. Il metodo di rivendicazione 28, nel quale detta fase di calcolo comprende il metodo dei quadrati minimi.
30. Il metodo di rivendicazione 28, nel quale detta fase di calcolo comprende il metodo della massima similitudine.
31. Il metodo di rivendicazione 24 comprendente inoltre calcolare la derivata prima di un segnale rappresentante cambiamenti di conduttività comparati, calcolare la derivata seconda di detto segnale e calcolare il rapporto tra la derivata prima e la derivata seconda.
32. Il metodo di rivendicazione 24, comprendente inoltre eseguire regolazione di fase per sensibilità massima.
33. Il metodo di rivendicazione 24 comprendente inoltre eseguire una taratura usando un substrato avente un rivestimento di spessore noto.