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 revętements 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 ętre appliquée sans erreur d'épaisseur ŕ des surfaces planes plus petites et ŕ 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 revętement. Dans le présent document, le terme «revętement» est utilisé pour désigner des produits tels que, par exemple, les peintures et vernis, les revętements électrolytiques, les revętements en émaux, les revętements plastiques, les placages et les revętements en poudre. Cette méthode s'applique tout notamment au mesurage de l'épaisseur des revętements métalliques. Ces revętements peuvent ętre des revętements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base non conducteurs, conducteurs ou magnétiques, mais aussi des revętements magnétiques sur des matériaux de base non conducteurs ou conducteurs. Le mesurage des revętements 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.

General Information

Status
Published
Publication Date
18-Sep-2019
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
15-Aug-2019
Completion Date
19-Sep-2019
Ref Project

RELATIONS

Buy Standard

Standard
ISO 21968:2019 - Non-magnetic metallic coatings on metallic and non-metallic basis materials -- Measurement of coating thickness -- Phase-sensitive eddy-current method
English language
39 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview
Standard
ISO 21968:2019 - Revetements métalliques non magnétiques sur des matériaux de base métalliques et non métalliques -- Mesurage de l'épaisseur de revetement -- Méthode par courants de Foucault sensible aux variations de phase
French language
41 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview

Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
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
Reference number
ISO 21968:2019(E)
ISO 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 21968:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2019

All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may

be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting

on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address

below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 21968:2019(E)
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

© ISO 2019 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
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.
iv © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 21968:2019(E)
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
© ISO 2019 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 21968:2019(E)
— 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.
2 © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 21968:2019(E)

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
© ISO 2019 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 21968:2019(E)
Dimensions in micrometre
Key
1 conductivity local curve for the frequency f
2 thickness local curve of Cu for the frequency f
3 conductivity local curve for the frequency f
4 thickness local curve of Cu for the frequency f
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
4 © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 8 ----------------------
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).
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).

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

© ISO 2019 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 21968:2019(E)

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.

6 © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 21968:2019(E)
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).

© ISO 2019 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 21968:2019(E)
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
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 21968:2019(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2019

Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

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.

ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 21968:2019(F)
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
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 21968:2019(F)

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................41

iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
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.
© ISO 2019 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
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)
© ISO 2019 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 21968:2019(F)
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

2 © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 21968:2019(F)

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
© ISO 2019 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 21968:2019(F)
Dimensions en micromètres
Légende
1 courbe locale de conductivité pour la fréquence f
2 courbe locale d’épaisseur du Cu pour la fréquence f
3 courbe locale de conductivité pour la fréquence f
4 courbe locale d’épaisseur du Cu pour la fréquence f
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
4 © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 21968:2019(F)

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).

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).

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.
© ISO 2019 – Tous droits réservés 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
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

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.