Pöörisvool tuvastab võltsmündid ja liigutab hõljukronge

Kuigi pöörisvool, kui nähtus, on tuntud juba elektri uurimise algaegadest, on selle kasutamine materjalide, sealhulgas ka metallide, uurimisel leidmas üha laiemat rakendust. Eestis tegeleb selliste mõõtmistega Tallinna Tehnikaülikooli (TTÜ) uurimisrühm eesotsas professor Olev Märtensiga (61). Teadlasega vestles Ants Vill.  Tavainimesele kõige arusaadavama rakenduse ja käegakatsutavama kasuga on TTÜ mõõteelektroonika töörühma uurimistöö euromüntide ehtsuse tuvastamise alal. Töö, mille tellis Euroopa Liidu pettustevastane büroo OLAF, valmis koostöös AS Metroserdiga, mis on Eesti suurim metroloogiliste teenuste osutaja. Kaasatud olid ka mitmed rahvusvahelised partnerid. Uurimuse peateema oli euromüntidega seotud mõõtmiste, kalibreeringute ja sertifitseerimismeetodite ühtlustamine, samuti vahendite leidmine müntide kiireks tuvastamiseks nii nominaali ehk väärtuse järgi kui ka võimalike võltsmüntide avastamine. Ettevõtmine oli väga vajalik, kuna euroalal käibel olevad suured mündikogused olid toodetud paljudes riikides, kasutades erinevatest allikatest pärit toorikuid. Mõõtmisi-tuvastamisi tegi keeruliseks ka see, et igas riigis on müntide vermimisel oma standardid ja sertifitseerimisalused, mis teiste riikidega kokku ei lange. Samuti on olnud puudus tõhusatest, kuid lihtsatest ning kiiretest vahenditest, millega tunda ära müntide väärtust ja teha kindlaks võltsinguid. „Siin tuli kasuks meie maine pöörisvoolu kasutamisel metallide omaduste kindlaks tegemisel. Oleme sel teemal tegutsenud juba palju aastaid. Võin kinnitada, et pöörisvoolu kasutamine sellisel otstarbel on üks kiiremaid, kindlamaid, lihtsamaid ja nii ka vast üks odavamaid viise sellise, ütleks isegi, et lausa kullaväärtusega probleemi lahendamisel,” ütles TTÜ Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituudi mõõteelektroonika professor Olev Märtens. Muide, T. J. Seebeck (1770–1831) oli Tallinnas sündinud baltisaksa teadlane, kes avastas termoelektri. „Kõlab veidi uskumatuna, aga euroliidus polnud keegi selliseid standardeid pakkunud. Euroopa Keskpank nentis, et riigiti olid need üksteise suhtes vägagi paigast ära. See oli sarnane olukord nagu Nõukogude ajal, kui kuuldavasti vahelduvvoolu ühe voldi etalonväärtus gigahertsi-ribas kõikus NSVL-i piires isegi kuni seitse protsenti,” tõi Märtens esile kummastava paralleeli. „Meie ehitasime müntide uurimiseks erilise seadme, mõõtmispingi. Sellel sai mõõta nii müntide impedantsi ehk takistust vahelduvvoolule, aga hinnata ka nende visuaalseid ja akustilisi omadusi. Näiteks kasutatakse võltsimisel teisi metallisulameid, nende elektro-magnetilised omadused on teistsugused. Need mündid ka kõlisevad teisiti. Tihti ei vaevu võltsijad tegema müntidele lisaks ääre rihveldusele sinna sisse ettenähtud tekste. Uurimisalused etalonmündid võtsime ringlusest, toormaterjali näidistega varustas meid Soome riiklik rahapada (Mint of Finland), mis on üks juhtivaid mündivalmistajaid maailmas, tootes münte nii Euroopa, Aasia, Aafrika kui ka Ladina-Ameerika riikidele. Suur tänu nendele!” Uuringutega määrasime ära müntide ja toormaterjalide takistusnäitajad ning muud karakteristikud, mille järgi sai asuda üleeuroopaliste standardite loomisele.

Mis on pöörisvool: selgitus mitteelektroonikutele

Pöörisvoolul ehk magnetilisel induktsioonil põhinevaid mõõtmisi on kasutatud metallmaterjalide ja struktuuride mittepurustavaks testimiseks (NDT) paljudes valdkondades, näiteks lennundus, tuumaenergeetika, metallurgia ja ehitus juba aastakümneid. Põhimõte on lihtne: solenoid ehk keerdmähis asetatakse proovimaterjalist teatavale kaugusele, solenoidi juhitakse kindla sagedusega vahelduvvool ning siis analüüsitakse proovimaterjalist põhjustatud takistuse või juhtivuse muutust solenoidis. Tulemusi võrreldakse etteantud etaloni mõõtetulemustega. Nii saab hinnata, milliste omadustega on testitav proovitükk, kui palju see erineb etalonist. Materjali uurimissügavus sõltub kasutatava vahelduvvoolu sagedusest: madalama sagedusega saab uurida sügavamaid kihte. Märtensi töörühma kasutatava spektraalmeetodi puhul rakendatakse uurimisel solenoidis korraga väga palju erinevaid sagedusi. Mõõtetulemuste kompleksset signaali analüüsitakse Fourier’ teisendustega, nii tuletatakse nendest materjalide omadused erinevatel sügavustel. Tulemuste analüüsil kasutatakse etaloniga võrdlemise asemel üha enam absoluutmõõtmist, kus mõõtetulemusi analüüsitakse materjali elektromagnetiliste omaduste mudeli alusel. Etaloniga võrdlemise meetod võeti kasutusele juba Teise maailmasõja aastail Saksamaa lennukitööstuses. Professor Friedrich Förster kohandas Keiser Wilhelmi Instituudis (nüüd Keiser Wilhelmi Selts) tegutsedes pöörisvoolu tehnoloogia tööstuslikuks kasutamiseks, töötades välja juhtivuse mõõtmise ja segatud raudkomponentide sorteerimise instrumendid. Pärast sõda, 1948. aastal, asutas Förster ettevõtte, nüüdse nimega FoersterGroup, kus tegi suuri edusamme praktiliste mõõteinstrumentide väljatöötamisel ja turustamisel. Pöörisvooluga testimine on nüüd laialt kasutatav ja hästi mõistetav kontrollivõte vigade avastamiseks, samuti paksuse ja juhtivuse mõõtmiseks.

Ametlik ajalugu 

Pöörisvoolu n-ö ametlik ajalugu ulatub juba kahe aastasaja taha. Esimest korda täheldas pöörisvoolu 1824. aastal toonase Prantsusmaa valitsuse mitmekordne minister ning matemaatik ja füüsik François Arago. Pöörisvoolude avastamise au on aga aastast 1855 teisel prantsuse füüsikul Léon Foucault’l, kelle nime nähtus ka kannab – Foucault’ voolud. Pöörisvoolude kasutamisele mõõtmisteks avas tee inglise teadlane Michael Faraday, kes 1831. aastal avastas elektromagnetilise induktsiooni. Ta märkas, et kui on olemas suletud tee, mille kaudu saab vool ringelda ja aja jooksul muutuv magnetväli läbib juhi (või vastupidi), voolab selle juhi kaudu elektrivool. Aastal 1879 näitas teine Inglismaal sündinud teadlane David Edward Hughes, kuidas mähise omadused muutuvad kokkupuutel erineva juhtivuse ja läbilaskvusega metallidega, nähtust rakendati peagi metallurgilistel sorteerimiskatsetel. „Magnetväljas liikuvas elektrijuhis tekib elektrivool, see on magnetiline induktsioon. Ja vastupidi: muutuv elektrivool elektrijuhis tekitab magnetvälja,” võttis teadlane Märtens pöörisvoolu olemuse kokku lihtsate sõnadega, nagu mitte-elektroonikust üliõpilastele seletades.

Elektroonik maast-madalast

Aastal 1960 Tallinnas sündinud Olev Märtensil oli juba kaheksandas klassis selge, et tahab saada elektroonikuks. Seda toetasid nii neli aastat vanema venna eeskuju kui ka mitmekesine tegevus toonases Pioneeride Palee raadioringis. Nii ongi kulgenud: pärast keskkooli kohe TTÜ-sse (tollane Tallinna Polütehniline Instituut) tööstuselektroonika erialale, mille lõpetas cum laude elektroonikainseneri kutsega. Juba ülikooli lõpuaastail oli ta tööl Raadioelektroonika Konstrueerimisbüroos, mis oli tollal salastatud, kaitsetööstuse objekt. Seal töötati välja muuhulgas raadioaparaate, eelkõige kuulsaid radioolasid „Estonia” sarjast. Peamiselt valmistati aga suure Nõukogude Liidu jaoks elektroonilisi mõõteriistu: voltmeetreid, oommeetreid, ampermeetreid, kalibraatoreid ning muid, peamiselt vahelduvvoolu mõõteriistu. „Seal oli leiutamine kõrgesti hinnas ja soositud. Osakonnajuhataja Toom Pungas (1937–2011) oli ise suur leiutaja, julgustas ja juhendas ka teisi selles vallas. Patente tollal ei antud, küll aga autoritunnistusi, riik jättis õigused endale. Minul oli neid tunnistusi mitukümmend. Osa tehtud leiutamine leiutamise pärast, n-ö igavusest. Aga paljudel oli praktiline väärtus. Leiutamine on väga rahuldustpakkuv tegevus. Leian, et see suund on paljudel puhkudel põhjusetult unarusse jäetud. Teadustegevuse korraldamise süsteem paraku praegu seda eriti ei soosi. Aga leiutamine on see, mis viib inseneriteadust, aga ka teadust tervikuna edasi. Absoluutselt! Muuhulgas näiteks tegelesime oma hobina stereodekoodrite arendamisega. Vene ajal olid need lääne omadest erinevate standarditega,” meenutas professor Märtens. „Ja kuigi piirid olid kinni, eriti meile, kes me töötasime salastatud ettevõttes nn postkastis, number pole oluline, siis lääne tehnikauudistega olime küllalt hästi kursis. Uudiseid vahendati venekeelsetes väljaannetes, vajadusel sai patendiraamatukogudes ligi isegi lääne patendikirjeldustele originaalkeeles. Samuti hankis KGB eriosakond läänest uuemaid teadusaparatuure, aga ka olmetehnika näidiseid, millest siis sai eeskuju võtta,” meenutas ta. Tehnikaülikoolis on kulgenud oluline osa professor Märtensi teadus- ja õppetööst. „Siinsamas korrusel ma pärast lõpetamist alustasin. Pärast mitmeid mujal õppimisi ja töötamisi olen siin siiani ametis,” viipas ta Ehitajate tee 5 asuva, 1967. aastal valminud õppehoone 2. korpuse 2. korrusel.

Professor Märtensi üks huviala on Eesti elektroonika ajaloo, sealhulgas 1962. aastal Paul Plaki asutatud TTÜ tööstuselektroonika kateedri ajaloo uurimine. „Muide, mulle südamelähedane mõõte-elektroonika arendamine oli Paul Plaki jaoks läbiv teema juba enne kateedrit, 1930. aastatest ja ka kateedri ajal. Pöörisvoolude teemadel kirjutas ta tunnustuse pälvinud võistlustöö juba üliõpilaspõlves. Kandidaaditöö oli tal otseselt seotud tootmisega – Eesti majanduses väga suurt kaalu omanud, kütte- ja elektritootmiseks vajaliku kohaliku tooraine, freesturba, niiskuse elektrilise määramise metoodika väljatöötamine. Aga tervikuna – Paul Plakk oli Eesti elektroonika- ja raadiotehnikaalase kõrghariduse üks alusepanijaid,” rääkis Olev Märtens.

Pöörisvoolu kasutusala ulatub rongidest rahani 

„Kõige nähtavam rakendus on rongidel kasutatavad pöörisvoolupidurid. Ratastega ühendatud vaskkettale lähendatakse pidurdamiseks tugevad püsi- või (enamasti) elektromagnetid. Need põhjustavad kettas pöörisvoolude tekke, kineetiline energia muudetakse soojuseks, tekkivad induktsiooniväljad takistavad ketta pöörlemist. Lõplikuks pidurdamiseks vajatakse muidugi ka mehhaanilisi pidureid,” selgitas professor. „Kõige laiemalt levinum kasutusala on vist aga müntide tuvastamine nii pangas nende lugemisel, aga ka näiteks müügiautomaatides.” Pöörisvoole kasutatakse ka näiteks ülikiirete hõljukrongide ehitamisel. Põhiline kasutusala on aga siiski materjalide tuvastamine, mõõtmine, ka näiteks korrosiooni avastamine isegi värvikihi all mittepurustava testmeetodiga. Väga suur valdkond on pöörisvoolude kasutamine bioloogilise materjali, näiteks inimorganismi seisundi, eriti diagnostilistel eesmärkidel, uurimisel. Selles on suuri edusamme saavutatud TTÜ emeriitprofessor Mart Mini juhtimisel. Silmapaistvaid uurimistöid elektrilise bioimpedantsi meetodiga tehti Tartu Ülikoolis juba 1960. aastail Leo-Henn Humala juhtimisel. Induktsioonkardiograafia ehk Foucault’ kardiograafia meetod pälvis toona üleliidulist tähelepanu. Koostöös Jüri Vedruga jätkas ta neid uuringuid hiljem,1990. aastatest alates.

Olulised tööd ja rakendused

Pärast OLAF-i jaoks tehtud uurimus- ja arendamistööd keskenduti Euroopa Liidu 7. raamprogrammi raames väikeste ja keskmiste ettevõtete (VKE) projektis „SafeMetal”  müntide mõõtmise parendamisele ja valideerimise väljatöötamisele. Kasutati mitmesageduslikku mõõtmist, mis on eriti tulemuslik, kui mõõtmisobjektiks on mitmekihilised bimetallmündid, nagu näiteks ühe- ja kaheeurosed. „Meie patenteeritud lahendused on sarnaste mõõtmiste jaoks eriti tõhusad. Samas võimaldab meie teine patenteeritud lahendus mõõta isegi 1000 spektrit sekundis, nii saab mõõtmisi sooritada ülikiirelt!” Sel teemal kirjutas doktorant Alina Gavrijaševa professor Märtensi ja vanemteadur Raul Landi juhendamisel ka doktoritöö.

Uurimistöödel on tihti väljund tootmisse, selleks tehakse ettevõtetega koos uurimistöid. „Üks selline oli kuulsa Normaga, kus oli plaanis pöörisvoolude mõõtmisel töötava kontroll-mõõteriista integreerimine otse vooluliini. Aga see kahjuks jäi sealsete ümberkorralduste tõttu esimeste tööstuslike tulemuste saavutamise järel soiku. Paraku peabki ütlema, et tootmisettevõtted on orienteeritud sellele, et raha ja aega on vähe, nii soovitakse saada kohe tootmisvalmis lahendusi. Üldse, tootmise huvi võiks olla teadusarenduste suhtes suurem, selles osas on ülikooli ja tööstuse vahel lausa vastuolu. Ja sugugi mitte ainult meie alal. Selle lõhe ületamiseks oleks vaja kaasata kasvõi EAS-i toel mõni olemasolev või loodav kompetentsikeskus. Absoluutselt!” Suurt praktilist väärtust võib näiteks pakkuda uurimistöö, mida tehti toonase Eesti Innovatsiooni Instituudi, Suurbritannias asuva PERA organisatsiooni allettevõtte jaoks korrosiooni valdkonnas. „Näitasime, et pöörisvoolu impedantsspektroskoopia võimaldab tõhusalt tuvastada ja mõõta korrosioonipiirkondade suurust ja ka sügavust terase pinnal ja seda isegi värvikihi all,” märkis ta. Rakenduse idee seisneb selles, et korrodeerunud osa (ehk rooste) elektrijuhtivus ja magnetiline läbitavus on võrreldes algse terasmaterjaliga palju madalam. Selle ja ka teiste projektide jaoks töötati TTÜ-s välja spetsiaalne pöörisvooluga mõõtmise 3D-skanner. Teatav huvi on ka erinevate terasesortide eristamise puhul. Selle praktiline väljund on näiteks võimalus hinnata, kas kallim kodutehnika – ja seadmed (pesumasinad, vannid jne) on valmistatud (nagu nõuded ette näevad) kvaliteetsest terasest või mingist odavast ja vähem vastupidavast sulamist. Samuti on uuritud mitmete tööstuses ja ehituses kasutatavate terasesortide eristamise ja ka nende kvaliteedi hindamise meetodeid. On olnud läbirääkimisi rakenduse väljatöötamiseks väga suure terasetööstusega nende sadadesse miljonitesse tonnidesse küündiva aastatoodangu jooksvaks hindamiseks ja kvaliteedikontrolliks vajalike seadmete metoodika väljatöötamiseks. Hiljutine on ka töö, mis tehti koostöös TTÜ materjaliteadlastega metallkeraamika terasest pöörisvoolul põhinevate keevisliidete teadus- ja arendustegevust. „Kokkuvõttes võib nentida, et pöörisvoolul põhinev impedantsspektroskoopia on lisaks sellele, et seda saab edukalt kasutada mittepurustava ehk NDT-tööriistana, meie edasiarendustes ka täpsem, tundlikum, kiirem ning laiema sagedusribaga aparatuuri arendamist võimaldav töövahend. Sellise aparatuuri kasutamine, koos täiustatud analüütiliste mudelite ja/või kaasaegsete masinõppe (AI) tehnikatega, laiendab pöörisvoolu kasutamise valdkondi veelgi ja võimaldab oluliselt parandada seniseid mõõtmis- ja testrakendusi,” rõhutas professor Märtens.