ISO 21968:2019
(Main)Non-magnetic metallic coatings on metallic and non-metallic basis materials — Measurement of coating thickness — Phase-sensitive eddy-current method
Non-magnetic metallic coatings on metallic and non-metallic basis materials — Measurement of coating thickness — Phase-sensitive eddy-current method
This document specifies a method for using phase-sensitive eddy-current instruments for non-destructive measurements of the thickness of non-magnetic metallic coatings on metallic and non-metallic basis materials such as: a) zinc, cadmium, copper, tin or chromium on steel; b) copper or silver on composite materials. The phase-sensitive method can be applied without thickness errors to smaller surface areas and to stronger surface curvatures than the amplitude-sensitive eddy-current method specified in ISO 2360, and is less affected by the magnetic properties of the basis material. However, the phase-sensitive method is more affected by the electrical properties of the coating materials. In this document, the term "coating" is used for materials such as, for example, paints and varnishes, electroplated coatings, enamel coatings, plastic coatings, claddings and powder coatings. This method is particularly applicable to measurements of the thickness of metallic coatings. These coatings can be non-magnetic metallic coatings on non-conductive, conductive or magnetic base materials, but also magnetic coatings on non-conductive or conductive base materials. The measurement of metallic coatings on metallic basis material works only when the product of conductivity and permeability (σ, μ) of one of the materials is at least a factor of two times the product of conductivity and permeability for the other material. Non-ferromagnetic materials have a relative permeability of one.
Revêtements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base métalliques et non métalliques — Mesurage de l'épaisseur de revêtement — Méthode par courants de Foucault sensible aux variations de phase
Le présent document spécifie une méthode utilisant des instruments fonctionnant par courants de Foucault sensibles aux variations de phase pour le mesurage non destructif de l'épaisseur des revêtements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base métalliques et non métalliques, tels que: a) le zinc, le cadmium, le cuivre, l'étain ou le chrome sur de l'acier; b) le cuivre ou l'argent sur des matériaux composites. La méthode sensible aux variations de phase peut être appliquée sans erreur d'épaisseur à des surfaces planes plus petites et à des surfaces courbes plus accentuées que la méthode par courants de Foucault sensible aux variations d'amplitude, spécifiée dans l'ISO 2360, et est moins affectée par les propriétés magnétiques du matériau de base. Toutefois, la méthode sensible aux variations de phase est davantage affectée par les propriétés électriques des matériaux de revêtement. Dans le présent document, le terme «revêtement» est utilisé pour désigner des produits tels que, par exemple, les peintures et vernis, les revêtements électrolytiques, les revêtements en émaux, les revêtements plastiques, les placages et les revêtements en poudre. Cette méthode s'applique tout notamment au mesurage de l'épaisseur des revêtements métalliques. Ces revêtements peuvent être des revêtements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base non conducteurs, conducteurs ou magnétiques, mais aussi des revêtements magnétiques sur des matériaux de base non conducteurs ou conducteurs. Le mesurage des revêtements métalliques sur des matériaux de base métalliques ne fonctionne que lorsque le produit de la conductivité et de la perméabilité (σ, μ) de l'un des matériaux représente au moins deux fois le produit de la conductivité et de la perméabilité de l'autre matériau. Les matériaux non ferromagnétiques ont une perméabilité relative de un.
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STANDARD 21968
Second edition
2019-09
Non-magnetic metallic coatings
on metallic and non-metallic basis
materials — Measurement of coating
thickness — Phase-sensitive eddy-
current method
Revêtements métalliques non magnétiques sur des matériaux de
base métalliques et non métalliques — Mesurage de l'épaisseur
de revêtement — Méthode par courants de Foucault sensible aux
variations de phase
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Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principle of measurement . 2
5 Factors affecting measurement uncertainty . 5
5.1 Basic influence of the coating thickness . 5
5.2 Electrical properties of the coating . 5
5.3 Geometry — Base material thickness . 5
5.4 Geometry — Edge effects . 5
5.5 Geometry — Surface curvature . 6
5.6 Surface roughness . 6
5.7 Lift-off effect . 6
5.8 Probe pressure . 8
5.9 Probe tilt . 8
5.10 Temperature effects . 8
5.11 Intermediate coatings . 8
5.12 External electromagnetic fields . 8
6 Calibration and adjustment of the instrument . 8
6.1 General . 8
6.2 Thickness reference standards . 9
6.3 Methods of adjustment . 9
7 Measurement procedure and evaluation .10
7.1 General .10
7.2 Number of measurements and evaluation .10
8 Uncertainty of the results .11
8.1 General remarks .11
8.2 Uncertainty of the calibration of the instrument .11
8.3 Stochastic errors .12
8.4 Uncertainties caused by factors summarized in Clause 5 .13
8.5 Combined uncertainty, expanded uncertainty and final result .13
9 Precision .14
9.1 General .14
9.2 Repeatability (r) .14
9.3 Reproducibility limit (R) .16
10 Test report .17
Annex A (informative) Eddy-current generation in a metallic conductor .18
Annex B (informative) Basics of the determination of the uncertainty of a measurement of
the used measurement method corresponding to ISO/IEC Guide 98-3 .24
Annex C (informative) Basic performance requirements for coating thickness gauges based
on the phase-sensitive eddy-current method described in this document .26
Annex D (informative) Examples for the experimental estimation of factors affecting the
measurement accuracy .28
Annex E (informative) Table of the student factor .33
Annex F (informative) Example of uncertainty estimation .34
Annex G (informative) Details on precision .37
Bibliography .39
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ISO 21968:2019(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/107, Metallic and other inorganic coatings.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 21968:2005), which has been technically
revised. The main changes compared with the previous edition are as follows:
— this document has been adapted to the current requirements of ISO/IEC Guide 98-3 (also known as
“GUM: 1995”);
— hints, practical examples and simple estimations of the measurement uncertainty for most important
factors have been added;
— repeatability and reproducibility values for typical applications of the method have been added;
— the annex has been expanded with further applications and experimental estimations of factors
affecting the accuracy.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
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Non-magnetic metallic coatings on metallic and non-
metallic basis materials — Measurement of coating
thickness — Phase-sensitive eddy-current method
1 Scope
This document specifies a method for using phase-sensitive eddy-current instruments for non-
destructive measurements of the thickness of non-magnetic metallic coatings on metallic and non-
metallic basis materials such as:
a) zinc, cadmium, copper, tin or chromium on steel;
b) copper or silver on composite materials.
The phase-sensitive method can be applied without thickness errors to smaller surface areas and to
stronger surface curvatures than the amplitude-sensitive eddy-current method specified in ISO 2360,
and is less affected by the magnetic properties of the basis material. However, the phase-sensitive
method is more affected by the electrical properties of the coating materials.
In this document, the term “coating” is used for materials such as, for example, paints and varnishes,
electroplated coatings, enamel coatings, plastic coatings, claddings and powder coatings.
This method is particularly applicable to measurements of the thickness of metallic coatings. These
coatings can be non-magnetic metallic coatings on non-conductive, conductive or magnetic base
materials, but also magnetic coatings on non-conductive or conductive base materials.
The measurement of metallic coatings on metallic basis material works only when the product of
conductivity and permeability (σ, μ) of one of the materials is at least a factor of two times the product
of conductivity and permeability for the other material. Non-ferromagnetic materials have a relative
permeability of one.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 2064, Metallic and other inorganic coatings — Definitions and conventions concerning the measurement
of thickness
ISO 4618, Paints and varnishes — Terms and definitions
ISO/IEC Guide 98-3, Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in
me a s ur ement (GUM: 1995)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2064, ISO 4618 and the
following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
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— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
adjustment of a measuring system
set of operations carried out on a measuring system so that it provides prescribed indications
corresponding to given values of a quantity to be measured
Note 1 to entry: Types of adjustment of a measuring system can include zero adjustment of a measuring system,
offset adjustment, and span adjustment (sometimes called gain adjustment).
Note 2 to entry: Adjustment of a measuring system should not be confused with calibration (3.2), which is a
prerequisite for adjustment.
Note 3 to entry: After an adjustment of a measuring system, the measuring system shall usually be recalibrated.
Note 4 to entry: Colloquially the term “calibration” is frequently, but falsely, used instead of the term “adjustment”.
In the same way, the terms “verification” and “checking” are often used instead of the correct term “calibration”.
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007, 3.11 (also known as “VIM”), modified — Note 4 to entry has been added.]
3.2
calibration
operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity
values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding
indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to
establish a relation for obtaining a measurement result from an indication
Note 1 to entry: A calibration may be expressed by a statement, calibration function, calibration diagram,
calibration curve, or calibration table. In some cases, it may consist of an additive or multiplicative correction of
the indication with associated measurement uncertainty.
Note 2 to entry: Calibration should not be confused with adjustment of a measuring system (3.1), often mistakenly
called “self-calibration”, nor with verification of calibration.
Note 3 to entry: Often, the first step alone in the above definition is perceived as being calibration.
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007, 2.39 (also known as “VIM”)]
4 Principle of measurement
Phase-sensitive eddy-current instruments work on the principle that a high-frequency electromagnetic
field generated by the probe system of the instrument will produce eddy currents in the coating on which
the probe is placed and in the base material beneath the coating in case this base material is conductive
(see Figure 1). These induced currents cause a change of the electromagnetic field surrounding the
probe coil system and therefore result in a change of the amplitude and the phase angle of the probe coil
impedance. The induced eddy-current density is a function of the coating thickness, the conductivity of
the coating material, the used frequency of the probe system and the base metal conductivity. If the
thickness of a coating of constant conductivity is increased for a given frequency, the impedance vector
describes a so-called local function of the thickness in the impedance plane (see Figure 2). Each point of
this local curve connects a phase angle of the impedance vector with the respective coating thickness.
Consequently, this impedance angle (phase shift) can be used as a measure of the thickness of the
coating on the conductor by means of a calibration with reference standards (see also Annex A).
In order to measure a change of the coil impedance phase angle, the test coil is usually part of a coil
system and is coupled with the exciting coil on one ferrite core such as in a transformer (see Figure 1).
The changes of phase angle and amplitude due to the impact of the induced eddy currents can be
measured, for example, using a lock in amplifier. These values are usually pre-processed by digital
means and the resulting thickness is then calculated and displayed.
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The probe and measuring system/display may be integrated into a single instrument.
NOTE 1 Annex C describes the basic performance requirements of the equipment.
NOTE 2 Factors affecting measurement accuracy are discussed in Clause 5.
Key
1 exciting current 4 measured signal U = f(t(φ))
2 ferrit core of probe 5 base material (conductive)
3 high-frequency alternating magnetic field 6 induced eddy currents
Figure 1 — Phase-sensitive eddy-current method
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Dimensions in micrometre
Key
1 conductivity local curve for the frequency f
2
2 thickness local curve of Cu for the frequency f
2
3 conductivity local curve for the frequency f
1
4 thickness local curve of Cu for the frequency f
1
5 coil in air (unaffected)
X real part
Y imaginary part
Figure 2 — Thickness local curves of Cu in the normalized impedance plane for two frequencies
f and f
1 2
For each instrument, there is a maximum measurable thickness of the coating.
Since this thickness range depends on both the applied frequency of the probe system and the electrical
conductivity of the coating, the maximum thickness should be determined experimentally, unless
otherwise specified by the manufacturer.
An explanation of eddy-current generation and the calculation of the maximum measurable coating
thickness, t , is given in Annex A.
max
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ISO 21968:2019(E)
However, in the absence of any other information, the maximum measurable coating thickness, t ,
max
can be estimated using Formula (1):
t ≈⋅08, δ (1)
max 0
where δ is the standard penetration depth of the coating material (see Annex A).
0
5 Factors affecting measurement uncertainty
5.1 Basic influence of the coating thickness
The sensitivity of a probe, i.e. the measurement effect, depends on the used frequency, the conductivity
of the coating and the base material, and the properties of the probe system. Besides the properties of
the probe system, the resulting uncertainty of the thickness also depends on the sample materials, such
as the homogeneity of the coating and base metal conductivity and roughness.
5.2 Electrical properties of the coating
The conductivity of the coating as well as the base material determine the induced eddy-current density
for a given probe system and frequency. Consequently, the coating and base metal conductivity cause
the measurement effect for this method. The relationship between coating thickness and the measured
value depends strongly on the conductivity of both the coating and base material. Therefore, calibration
procedures and measurements shall be made on the same material. Different materials with different
conductivities as well as local fluctuations of the conductivity or variations between different samples
can cause (more or less) errors in the thickness reading.
5.3 Geometry — Base material thickness
In cases of a conductive base material (base metal), the generation of eddy currents by the coil's
magnetic field in the depth of the base metal is obstructed if the base metal thickness is too small. This
influence can only be neglected above a certain critical minimum base metal thickness.
Therefore, the thickness of the base metal should always be higher than this critical minimum base
metal thickness. An adjustment of the instrument can compensate for errors caused by thin base metal.
However, any variation in thickness of the base metal can cause increased uncertainty and errors.
The critical minimum base metal thickness depends on both the probe system (frequency, geometry)
and the conductivity of the coating and the base metal. Its value should be determined experimentally,
unless otherwise specified by the manufacturer.
NOTE A simple experiment to estimate the critical minimum base metal thickness is described in Annex D.
However, in the absence of any other information, the required minimum base metal thickness, t ,
min
can be estimated from Formula (2):
t =⋅3 δ (2)
min 0
where δ is the standard penetration depth of the base metal (see Annex A).
0
In cases of a non-conductive and non-magnetic base material, the base material thickness does not
affect the measurement results and consequently it shall not be considered as an influencing factor.
5.4 Geometry — Edge effects
The induction of eddy currents is obstructed by geometric limitations of the coating (such as edges,
drills and others). Therefore, measurements made too near to an edge or corner may not be valid unless
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the instrument has been specifically adjusted for such measurements. The necessary distance in order
to avoid an impact of the edge effect depends on the probe system (field distribution).
NOTE 1 A simple experiment to estimate the edge effect is described in Annex D.
NOTE 2 Amplitude-sensitive eddy-current instruments as described in ISO 2360 can be substantially more
affected by edge effects.
5.5 Geometry — Surface curvature
The propagation of the magnetic field and consequently the induction of eddy currents are affected by
the surface curvature of the coating and the base material. This influence becomes more pronounced
with decreasing radius of the curvature and decreasing coating thickness. In order to minimize this
influence, an adjustment should be performed on a sample with the same geometry.
The influence of surface curvature depends considerably on the probe geometry and can be reduced
by reducing the sensitive area of the probe. Probes with very small sensitive areas are often called
“microprobes”.
NOTE 1 There are instruments and probes available that are capable of automatically compensating the sample
surface curvature influence if the curvature diameter is known. They can avoid the resulting thickness error.
NOTE 2 A simple experiment to estimate the effect of surface curvature is described in Annex D.
5.6 Surface roughness
Measurements are influenced by the surface topography of the coating and can also be influenced by the
surface topography of a conductive base metal. Rough surfaces can cause both systematic and random
errors. Random errors can be reduced by making multiple measurements, each measurement being
made at a different location, and then calculating the average value of that series of measurements.
In order to reduce the influence of roughness, a calibration should be carried out with reference parts
with a roughness equivalent to the coated sample.
If necessary, the definition of the average coating thickness that is used should be stated between
supplier and client.
NOTE Amplitude-sensitive eddy-current measurement as described in ISO 2360 can be more affected by
base metal roughness.
5.7 Lift-off effect
If the probe is not placed directly onto the coating, the gap between probe and coating (lift-off) will
affect the measurement of the metal coating thickness. The strength of the lift-off effect depends on the
probe design and the resulting field geometry. By using appropriate electronic circuit design and/or a
mathematical algorithm in the instrument, lift-off compensation can be applied for gaps of up to 1 mm.
The strength of the lift-off effect can be small for some probe designs. In this case, an increase of the
lift-off height results mainly in a reduction of the impedance amplitude but only in a small change of the
phase angle as a measure of the thickness (see Figure 3). The remaining influence can be compensated
by an appropriate mathematical algorithm using the measured amplitude and phase angle information.
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Key
sample conductivity σ = 101,088 % IACS
sample conductivity σ = 60,407 % IACS
sample conductivity σ = 43,48 % IACS
sample conductivity σ = 27,688 % IACS
sample conductivity σ = 17,85 % IACS
sample conductivity σ = 9,534 % IACS
sample conductivity σ = 3,551 % IACS
1 increasing lift-off height in µm
2 increasing σ in % IACS
X real part
Y imaginary part
Figure 3 — Lift-off effect
Lift-off compensation shall be verified in accordance with the manufacturer’s instructions by using
electrically nonconductive shims of known thickness, which are inserted between the probe and the
coating.
NOTE 1 A simple experiment to estimate the lift-off effect is described in Annex D.
NOTE 2 Instead of lift-off compensation, the thickness of non-conductive coatings on top of conductive base
metals can be measured by using the amplitude change as measuring effect (see Annex A).
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5.8 Probe pressure
The pressure with which the probe is applied to the test specimen shall be made constant as it can
affect the instrument reading.
NOTE The phase-sensitive eddy-current measurement can be substantially less affected by the pressure
with which the probe is placed onto the sample than the amplitude-sensitive eddy-current method given in
ISO 2360. Contactless measurements are possible.
5.9 Probe tilt
Unless otherwise instructed by the manufacturer, the probe should be applied perpendicularly to the
coating surface as tilting the probe away from the surface normal can cause measurement errors.
The possibility of tilt inadvertently occurring can be minimized by probe design or by using a probe
holding jig.
5.10 Temperature effects
As temperature changes affect the characteristics of the probe, it should be used under approximately
the same temperature conditions as when the instrument was calibrated.
The influence of temperature variations can be reduced by a temperature compensation of the probe.
The manufacturer’s specification shall be taken into account.
Most metals change their electrical conductivity with temperature. Because the measured coating
thickness is influenced by changes in the electrical conductivity of the coating and the base material,
large temperature changes should be avoided (see 5.2).
NOTE Temperature differences between the probe, the electronics of the instrument, the environment and
the sample can cause large thickness errors. One example is the thickne
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21968
Deuxième édition
2019-09
Revêtements métalliques non
magnétiques sur des matériaux de
base métalliques et non métalliques —
Mesurage de l'épaisseur de revêtement
— Méthode par courants de Foucault
sensible aux variations de phase
Non-magnetic metallic coatings on metallic and non-metallic basis
materials — Measurement of coating thickness — Phase-sensitive
eddy-current method
Numéro de référence
ISO 21968:2019(F)
©
ISO 2019
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ISO 21968:2019(F)
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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CH-1214 Vernier, Genève
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Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
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Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principe de mesure . 2
5 Facteurs influant sur l’incertitude de mesure . 5
5.1 Influence fondamentale de l’épaisseur du revêtement . 5
5.2 Propriétés électriques du revêtement . 5
5.3 Géométrie — Épaisseur du matériau de base . 5
5.4 Géométrie — Effets de bord . 6
5.5 Géométrie — Courbure de la surface . 6
5.6 Rugosité de surface . 6
5.7 Effet d’éloignement . 6
5.8 Pression de la sonde . 8
5.9 Inclinaison de la sonde . 8
5.10 Effets de la température . 8
5.11 Revêtements intermédiaires . 8
5.12 Champs électromagnétiques externes . 8
6 Étalonnage et ajustage de l’instrument . 8
6.1 Généralités . 8
6.2 Étalons de référence d’épaisseur . 9
6.3 Méthodes d’ajustage . 9
7 Mode opératoire de mesurage et évaluation .10
7.1 Généralités .10
7.2 Nombre de mesurages et évaluation .11
8 Incertitude des résultats .11
8.1 Remarques générales .11
8.2 Incertitude associée à l’étalonnage de l’instrument .12
8.3 Erreurs stochastiques .13
8.4 Incertitudes dues aux facteurs récapitulés à l’Article 5 .13
8.5 Incertitude composée, incertitude élargie et résultat final .14
9 Fidélité .14
9.1 Généralités .14
9.2 Répétabilité (r) .14
9.3 Limite de reproductibilité (R) .16
10 Rapport d’essai .18
Annexe A (informative) Production de courants de Foucault dans un conducteur métallique .19
Annexe B (informative) Principes de base de la détermination de l’incertitude de mesure
de la méthode de mesure utilisée correspondant au Guide ISO/IEC 98-3 .25
Annexe C (informative) Exigences de performance de base des jauges d’épaisseur
de revêtement fondées sur la méthode par courants de Foucault sensible
aux variations de phase décrite dans le présent document .27
Annexe D (informative) Exemples d’estimation expérimentale des facteurs qui affectent
l’exactitude de mesure .29
Annexe E (informative) Tableau de la variable de Student .35
Annexe F (informative) Exemple d’estimation de l’incertitude.36
Annexe G (informative) Détails relatifs à la fidélité .39
© ISO 2019 – Tous droits réservés iii
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ISO 21968:2019(F)
Bibliographie .41
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO 21968:2019(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comité membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/foreword .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 107, Revêtements métalliques et
autres revêtements inorganiques.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 21968:2005) qui a fait l’objet d’une
révision technique. Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:
— le présent document a été adapté aux exigences actuelles du Guide ISO/IEC 98-3 (désigné également
c om me « GU M: 19 95»);
— des conseils, d’exemples pratiques et d’estimations simples de l’incertitude de mesure pour les
facteurs les plus importants ont été ajoutés;
— une répétabilité et des valeurs de reproductibilité pour les applications types de méthode ont été
ajoutées;
— l’annexe a été élargie à des applications supplémentaires et des estimations expérimentales des
facteurs qui affectent l’exactitude.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
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NORME INTERNATIONALE ISO 21968:2019(F)
Revêtements métalliques non magnétiques sur des
matériaux de base métalliques et non métalliques —
Mesurage de l'épaisseur de revêtement — Méthode par
courants de Foucault sensible aux variations de phase
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie une méthode utilisant des instruments fonctionnant par courants
de Foucault sensibles aux variations de phase pour le mesurage non destructif de l’épaisseur des
revêtements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base métalliques et non métalliques,
tels que:
a) le zinc, le cadmium, le cuivre, l’étain ou le chrome sur de l’acier;
b) le cuivre ou l’argent sur des matériaux composites.
La méthode sensible aux variations de phase peut être appliquée sans erreur d’épaisseur à des surfaces
planes plus petites et à des surfaces courbes plus accentuées que la méthode par courants de Foucault
sensible aux variations d’amplitude, spécifiée dans l’ISO 2360, et est moins affectée par les propriétés
magnétiques du matériau de base. Toutefois, la méthode sensible aux variations de phase est davantage
affectée par les propriétés électriques des matériaux de revêtement.
Dans le présent document, le terme «revêtement» est utilisé pour désigner des produits tels que,
par exemple, les peintures et vernis, les revêtements électrolytiques, les revêtements en émaux, les
revêtements plastiques, les placages et les revêtements en poudre.
Cette méthode s’applique tout notamment au mesurage de l’épaisseur des revêtements métalliques. Ces
revêtements peuvent être des revêtements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base non
conducteurs, conducteurs ou magnétiques, mais aussi des revêtements magnétiques sur des matériaux
de base non conducteurs ou conducteurs.
Le mesurage des revêtements métalliques sur des matériaux de base métalliques ne fonctionne que
lorsque le produit de la conductivité et de la perméabilité (σ, μ) de l’un des matériaux représente au
moins deux fois le produit de la conductivité et de la perméabilité de l’autre matériau. Les matériaux
non ferromagnétiques ont une perméabilité relative de un.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 2064, Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques — Définitions et principes
concernant le mesurage de l'épaisseur
ISO 4618, Peintures et vernis — Termes et définitions
Guide ISO/IEC 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure
(GUM: 1995)
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3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l’ISO 2064, ISO 4618, ainsi que les
suivants, s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
ajustage d’un système de mesure
ensemble d’opérations réalisées sur un système de mesure pour qu’il fournisse des indications
prescrites correspondant à des valeurs données des grandeurs à mesurer
Note 1 à l'article: Divers types d’ajustage d’un système de mesure sont le réglage de zéro, le réglage de décalage et
le réglage d’étendue (appelé aussi réglage de gain).
Note 2 à l'article: Il convient de ne pas confondre l’ajustage d’un système de mesure avec l’étalonnage (3.2), qui est
une condition préalable à l’ajustage.
Note 3 à l'article: Après un ajustage d’un système de mesure, le système doit généralement être réétalonné.
Note 4 à l'article: Dans le langage courant, le terme «étalonnage» est souvent utilisé, à tort, à la place du terme
«ajustage». De même, les termes «vérification» et «contrôle» sont souvent utilisés à la place du terme correct
«étalonnage».
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007, 3.11 (également connu en tant que «VIM»), modifié — la Note 4 à
l’article a été ajoutée.]
3.2
étalonnage
opération qui, dans des conditions spécifiées, établit en une première étape une relation entre les
valeurs et les incertitudes de mesure associées qui sont fournies par des étalons et les indications
correspondantes avec les incertitudes associées, puis utilise en une seconde étape cette information
pour établir une relation permettant d’obtenir un résultat de mesure à partir d’une indication
Note 1 à l'article: Un étalonnage peut être exprimé sous la forme d’un énoncé, d’une fonction d’étalonnage, d’un
diagramme d’étalonnage, d’une courbe d’étalonnage ou d’une table d’étalonnage. Dans certains cas, il peut
consister en une correction additive ou multiplicative de l’indication avec une incertitude de mesure associée.
Note 2 à l'article: Il convient de ne pas confondre l’étalonnage avec l’ajustage d’un système de mesure (3.1), souvent
appelé improprement «auto-étalonnage», ni avec la vérification de l’étalonnage.
Note 3 à l'article: La seule première étape dans la définition est souvent perçue comme étant l’étalonnage.
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007, 2.39 (également connu en tant que «VIM»)]
4 Principe de mesure
Les instruments à courants de Foucault sensibles aux variations de phase fonctionnent sur le
principe suivant: un champ électromagnétique à haute fréquence, généré par le système de sonde de
l’instrument, produira des courants de Foucault dans le revêtement sur lequel est placée la sonde et
dans le matériau de base au-dessous du revêtement si celui-ci est conducteur (voir la Figure 1). Ces
courants induits provoquent une variation du champ magnétique autour du système de bobine de la
sonde et entraînent par conséquent une variation de l’amplitude et de l’angle de phase de l’impédance
de la bobine de la sonde. La densité des courants de Foucault induits est une fonction de l’épaisseur
de revêtement, de la conductivité du matériau de revêtement, de la fréquence utilisée du système de
sonde et de la conductivité du métal de base. Si l’épaisseur d’un revêtement ayant une conductivité
constante est accrue pour une fréquence donnée, le vecteur d’impédance décrit une fonction dite locale
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de l’épaisseur dans le plan d’impédance (voir la Figure 2). Chaque point de cette courbe locale relie un
angle de phase du vecteur d’impédance à l’épaisseur de revêtement correspondante. Par conséquent,
cet angle d’impédance (déphasage) peut être utilisé comme une mesure de l’épaisseur du revêtement
sur le conducteur au moyen d’un étalonnage à l’aide d’étalons de référence (voir également l’Annexe A).
Afin de mesurer une variation de l’angle de phase de l’impédance de la bobine, la bobine d’essai
fait habituellement partie d’un système de bobine et elle est couplée à la bobine d’excitation sur un
noyau de ferrite comme dans un transformateur (voir la Figure 1). Les variations de l’angle de phase
et de l’amplitude liées à l’impact des courants de Foucault induits peuvent être mesurées à l’aide d’un
amplificateur à verrouillage, par exemple. Ces valeurs sont généralement soumises à un prétraitement
par des moyens numériques et l’épaisseur résultante est ensuite calculée et affichée.
La sonde et le système de mesure et d’affichage peuvent être intégrés dans un seul et même instrument.
NOTE 1 L’Annexe C décrit les exigences de performance de base de l’instrument.
NOTE 2 Les facteurs influant sur l’exactitude de mesurage sont discutés dans l’Article 5.
Légende
1 courant d’excitation 4 signal mesuré U = f(t(φ))
2 noyau de ferrite de la sonde 5 matériau de base (conducteur)
3 champ magnétique alternatif à haute fréquence 6 courants de Foucault induits
Figure 1 — Méthode par courants de Foucault sensible aux variations de phase
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Dimensions en micromètres
Légende
1 courbe locale de conductivité pour la fréquence f
2
2 courbe locale d’épaisseur du Cu pour la fréquence f
2
3 courbe locale de conductivité pour la fréquence f
1
4 courbe locale d’épaisseur du Cu pour la fréquence f
1
5 air de la bobine (non affecté)
X partie réelle
Y partie imaginaire
Figure 2 — Courbe locale d’épaisseur du Cu dans le plan d’impédance normalisé pour
les deux fréquences f et f
1 2
Pour chaque instrument, il y a une épaisseur de revêtement maximale mesurable.
Cette plage d’épaisseur étant fonction de la gamme de fréquences de l’instrument, ainsi que de la
conductivité électrique du revêtement, il convient de déterminer l’épaisseur maximale de façon
expérimentale, sauf spécification contraire du fabricant.
Une explication de la production des courants de Foucault et du calcul de l’épaisseur maximale
mesurable du revêtement, t est donnée dans l’Annexe A.
max
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Toutefois, en l’absence de toute autre information, l’épaisseur de revêtement maximale mesurable, t ,
max
peut être estimée à l’aide de la Formule (1):
t ≈⋅08, δ (1)
max 0
où δ est la profondeur de pénétration conventionnelle du matériau de revêtement (voir l’Annexe A).
0
5 Facteurs influant sur l’incertitude de mesure
5.1 Influence fondamentale de l’épaisseur du revêtement
La sensibilité d’une sonde, c’est-à-dire l’effet de mesure, dépend de la fréquence utilisée, de la
conductivité du revêtement et du matériau de base, et des propriétés du système de sonde. Outre des
propriétés du système de sonde, l’incertitude résultante de l’épaisseur dépend aussi des matériaux de
l’échantillon, comme l’homogénéité du revêtement ainsi que la conductivité et la rugosité du matériau
de base.
5.2 Propriétés électriques du revêtement
La conductivité du revêtement, ainsi que celle du matériau de base, détermine la densité des courants
de Foucault induits pour un système de sonde et une fréquence donnés. Par conséquent, la conductivité
du revêtement et du métal de base est à l’origine de l’effet de mesure pour cette méthode. La relation
entre l’épaisseur du revêtement et la valeur mesurée dépend dans une large mesure de la conductivité
à la fois du revêtement et du matériau de base. Par conséquent, les procédures d’étalonnage et les
mesurages doivent être réalisés sur le même matériau. Des matériaux différents ayant des conductivités
différentes, de même que des fluctuations locales de la conductivité ou des variations entre différents
échantillons, peuvent provoquer un nombre plus ou moins important d’erreurs de lecture de l’épaisseur.
5.3 Géométrie — Épaisseur du matériau de base
Dans le cas d’un matériau de base (métal de base) conducteur, la production de courants de Foucault par
le champ magnétique de la bobine dans la profondeur du métal de base est entravée si l’épaisseur du
métal de base est trop faible. Cette influence ne peut être négligée qu’au-delà d’une certaine épaisseur
minimale critique du métal de base.
Par conséquent, il convient que l’épaisseur du métal de base soit toujours supérieure à cette épaisseur
minimale critique du métal de base. Un ajustage de l’instrument peut compenser les erreurs provoquées
par un métal de base mince. Néanmoins, toute variation de l’épaisseur du métal de base peut provoquer
un accroissement de l’incertitude et des erreurs.
L’épaisseur minimale critique du métal de base dépend à la fois du système de sonde (fréquence,
géométrie) et de la conductivité du revêtement et du métal de base. Sauf spécification contraire du
fabricant, il convient de déterminer sa valeur expérimentalement.
NOTE Une expérience simple permettant d’estimer l’épaisseur minimale critique du métal de base est
décrite dans l’Annexe D.
Toutefois, en l’absence de toute autre information, l’épaisseur minimale requise du métal de base, t ,
min
peut être calculée à partir de la Formule (2):
t =⋅3 δ (2)
min 0
où δ est la profondeur de pénétration conventionnelle dans le métal de base (voir l’Annexe A).
0
Dans le cas d’un matériau de base non conducteur et non magnétique, l’épaisseur du matériau de base
n’affecte par les résultats de mesure et il est par conséquent inutile de la considérer comme un facteur
d’influence.
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ISO 21968:2019(F)
5.4 Géométrie — Effets de bord
L’induction des courants de Foucault est entravée par les limites géométriques du revêtement (comme
les bords, perçages et autres). De ce fait, les mesurages effectués trop près d’un bord ou d’un angle
ne seront valables que si l’instrument a été spécialement ajusté pour ces mesurages. La distance à
respecter pour éviter un impact de l’effet de bord dépend du système de sonde (distribution du champ).
NOTE 1 Une expérience simple permettant d’estimer l’effet de bord est décrite dans l’Annexe D.
NOTE 2 Les instruments à courants de Foucault sensibles aux variations d’amplitude tels que décrits dans
l’ISO 2360 peuvent être notablement plus affectés par les effets de bord.
5.5 Géométrie — Courbure de la surface
La propagation du champ magnétique, et par conséquent l’induction de courants de Foucault sont
affectées par la courbure de la surface du revêtement et du matériau de base. Cette influence est d'autant
plus prononcée que le rayon de courbure et l’épaisseur du revêtement sont faibles. Pour réduire au
minimum cette influence, il convient d’effectuer l’ajustage sur un échantillon ayant la même géométrie.
L’influence de la courbure de la surface varie considérablement selon la géométrie de la sonde et peut
être atténuée en réduisant la surface sensible de la sonde. Les sondes ayant de très petites surfaces
sensibles sont souvent appelées «microsondes».
NOTE 1 Il existe des instruments et des sondes capables de compenser automatiquement l’influence de
la courbure de la surface de l’échantillon si le diamètre de courbure est connu. Ils peuvent éviter l’erreur sur
l’épaisseur résultante.
NOTE 2 Une expérience simple permettant d’estimer l’effet de la courbure de la surface est décrite dans
l’Annexe D.
5.6 Rugosité de surface
Les mesurages sont affectés par la topographie de surface du revêtement, mais ils peuvent également
être influencés par la topographie de la surface d’un métal de base conducteur. Les surfaces rugueuses
peuvent conduire à des erreurs aussi bien systématiques qu’aléatoires. Les erreurs aléatoires peuvent
être réduites en effectuant plusieurs mesurages, tous en des endroits différents, puis en calculant la
valeur moyenne de cette série de mesurages.
Pour réduire l’influence de la rugosité, il convient d’effectuer un étalonnage avec des pièces de référence
ayant une rugosité équivalente à celle de l’échantillon revêtu.
Si nécessaire, il convient que le fournisseur et le client définissent conjointement l’épaisseur moyenne.
NOTE Le mesurage par courants de Foucault sensible aux variations d’amplitude tel que décrit dans
l’ISO 2360 peut être davantage affecté par la rugosité du métal de base.
5.7 Effet d’éloignement
Si la sonde n’est pas placée directement sur le revêtement, l’interstice entre la sonde et le revêtement
(éloignement) affectera le mesurage de l’épaisseur du revêtement métallique. L’intensité de l’effet
d’éloignement dépend de la conception de la sonde et de la géométrie du champ résultant. L’utilisation
d’une conception de circuit électronique appropriée et/ou d’un algorithme mathématique approprié de
l’instrument permet de compenser cet éloignement pour des interstices allant jusqu’à 1 mm.
L’intensité de l’effet d’éloignement peut être faible avec certaines conceptions de sonde. Dans ce cas, une
augmentation de la hauteur d’éloignement se traduit principalement par une réduction de l’amplitude
de l’impédance, mais seulement par un petit changement de l’angle de phase en tant que mesure de
l’épaisseur (voir la Figure 3). L’influence peut être compensée par un algorithme mathématique
approprié en utilisant l’amplitud
...
Questions, Comments and Discussion
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