FR2790556A1 - Capteur a courants de foucault pour le controle non destructif de pieces electriquement conductrices ou magnetiques - Google Patents
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Abstract
Capteur à courants de Foucault pour le contrôle non destructif de pièces électriquement conductrices ou magnétiques.Il comporte un noyau (1) et trois groupes de bobinages d'excitation (2), (3) et (4). La forme du noyau s'adapte au type de cibles à contrôler : elle est cylindrique quand la cible est un tube et cubique quand la cible est une surface plane. Les bobinages (2), (3) et (4) sont réalisés de telle sorte que leurs axes soient mutuellement orthogonaux et que leurs spires forment des nappes jointives et s'étendent sur la quasi-totalité du noyau. Les bobinages d'excitation sont excités de différentes manières afin de créer des modes de contrôles appropriés. Un ou plusieurs bobinages de mesure ou capteurs de champ magnétique (5) sont fixés entre le capteur et la cible pour mesurer la distribution des champs électromagnétiques sur la cible.Le capteur selon l'invention est particulièrement destiné au contrôle destructif des structures réalisées en matériaux conducteurs.
Description
i La présente invention concerne un capteur à courants de Foucault
utilisant un ensemble de bobinages d'excitation et de mesure pour effectuer le contrôle non destructif
de pièces électriquement conductrices ou de pièces magnétiques.
Le capteur selon l'invention peut être utilisé pour effectuer le contrôle non destructif d'une pièce de forme et de dimensions quelconques, pourvu que cette pièce soit électriquement conductrice ou magnétique. Une application privilégiée, nullement limitative, concerne le contrôle des tubes des générateurs de vapeurs équipant les
centrales nucléaires.
Le principe du contrôle non destructif par capteurs à courants de Foucault consiste à soumettre la cible à un champ magnétique de propriétés appropriées et à étudier la
distribution des grandeurs électromagnétiques dans l'espace englobant cette cible.
Traditionnellement, un capteur à courants de Foucault comporte un seul bobinage
d'excitation et un ou plusieurs bobinages de mesure ou capteurs de champ magnétique.
Le bobinage d'excitation est parcouru par un courant alternatif de fréquence appropriée i = Iosin(2ift+4) issu d'un générateur de signal et crée, par conséquent, un champ magnétique alternatif dit champ primaire qui pénètre dans la cible. Ainsi, des courants induits par ce champ magnétique, appelés "courants de Foucault", se développent dans
cette cible. Ces courants induits créent à leur tour un champ magnétique secondaire.
Lorsqu'un défaut se présente dans la cible, il modifie le trajet naturel des courants induits et par conséquent le champ secondaire sera modifié. Grâce aux bobinages de mesure ou aux capteurs de champs électromagnétiques, on mesure ce champ secondaire et on en
déduit l'emplacement du défaut et l'état de la cible.
Toutefois, le capteur à courants de Foucault traditionnel à un bobinage d'excitation ne crée qu'un champ magnétique d'orientation fixe qui ne peut s'adapter aux différents types de défauts dans la cible. En pratique, pour détecter efficacement un défaut, il existe une orientation optimale du champ magnétique d'excitation, d'o la nécessité d'adapter
l'orientation du champ magnétique d'excitation au type de défauts recherchés.
Par ailleurs, on observe des déformations géométriques de la cible suivant la direction d'avancement du capteur, tels que les variations de diamètre ou d'épaisseur d'un tube. Traditionnellement, les capteurs ne comportent que des bobinages circulaires dont les axes sont parallèles à l'axe du tube. Cette configuration est sensible à ce type de déformations géométriques, ce qui nuit à la détection des réels défauts. Il en est de même
pour les autres types de cibles.
Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte en effet, selon une première caractéristique, un noyau et trois bobinages d'excitation
composés de nappes de spires bobinées sur ce noyau.
Dans le cas o la cible à contrôler est un tube, le noyau sera un cylindre. L'axe du premier bobinage est parallèle à l'axe du tube et ses spires sont quasiment parallèles à la circonférence du tube. L'axe du deuxième bobinage est perpendiculaire à l'axe du tube et ses spires sont parallèles aux génératrices du tube sauf aux extrémités du noyau. Le troisième bobinage est identique au deuxième bobinage mais son axe est perpendiculaire à l'axe de ce dernier. Dans le cas o le tube à contrôler est une surface relativement plane, le noyau sera un cube. Les trois bobinages sont réalisés de telle sorte que leurs
axes sont mutuellement orthogonaux et se confondent avec les axes x, y et z du cube.
Dans les deux cas, les spires des bobinages doivent former des nappes jointives et s'étendent sur la quasi-totalité des surfaces du capteur qui épousent celle de la cible, dites
"surfaces actives".
Ces trois bobinages sont parcourus par des courants alternatifs d'amplitudes différentes mais de fréquences et de phases identiques il = Ilsin(27cft), i2= 12sin(2nft) et i3= 13sin(2nft). Ils créent des champs magnétiques dits élémentaires orthogonaux car leurs axes sont mutuellement orthogonaux. Le champ magnétique primaire résultant de la composition de ces trois champs élémentaires aura une orientation déterminée par le
rapport entre les amplitudes respectives des courants d'excitation.
Lorsqu'on modifie le rapport entre les amplitudes des 3 courants i,, i2 et 13, on modifiera l'orientation du champ magnétique composé et également celle des nappes de
courants induits dans la cible, par exemple dans la paroi d'un tube.
Selon des modes particuliers de réalisation: * Le noyau servant de support peut être réalisé en matériaux non magnétiques ou
magnétiques et très peu électriquement conducteurs.
* Chacun des bobinages peut être remplacé par un groupe de plusieurs bobinages élémentaires afin de créer plusieurs surfaces actives pour adapter le capteur à la géométrie de la cible ou pour faciliter la fabrication du capteur. On obtient
alors trois groupes de bobinages au lieu de trois bobinages simples.
* Dans certains cas, on peut réaliser et utiliser seulement deux bobinages parmi
ces trois bobinages, selon une combinaison appropriée.
* Un ou plusieurs bobinages ou capteurs de champ magnétique peuvent être fixés entre les surfaces actives et la cible afin de recueillir le champ magnétique secondaire. Les dessins annexés illustrent l'invention * La figure 1 représente la structure du capteur de l'invention selon deux variantes: le capteur pour les tubes (figure la et lb) et le capteur pour les cibles
planes (figure 1c et ld).
* Les figures 2, 3 et 4 représentent respectivement la réalisation des 3 bobinages du capteur sur le noyau, pour le cas du capteur destiné aux tubes (2a, 3a,
4a) et pour le cas du capteur destiné aux surfaces planes (2b, 3b, 4b).
* La figure 4c illustre le principe d'occupation des surfaces du capteur par les spires. * La figure 5 explique la composition du champ magnétique et de la nappe de courants de Foucault tournants dans la cible. En référence à ces dessins, le capteur comporte un noyau (1) et trois bobinages (2), (3), (4) dont les axes sont perpendiculaires. Dans le cas d'un capteur destiné au contrôle des tubes, le noyau est un cylindre. L'axe du bobinage (2) est parallèle à l'axe du tube et ses spires sont quasi parallèles à la circonférence du tube. L'axe du bobinage (3)
est perpendiculaire à l'axe du tube et ses spires sont parallèles aux génératrices du tube.
L'axe du bobinage (4) est perpendiculaire à l'axe du tube et également perpendiculaire à
celui du bobinage (3), ses spires étant parallèles aux génératrices du tube.
Dans le cas d'un capteur destiné au contrôle des surfaces relativement planes, le noyau est un cube. Les trois bobinages (2), (3), (4) sont réalisés de telle sorte que leurs
axes sont mutuellement orthogonaux et se confondent avec les axes x, y et z du cube.
Dans les deux cas, les spires des bobinages forment des nappes jointives et
occupent la quasi-totalité des surfaces actives du capteur.
Les champs magnétiques créés par ces 3 bobinages forment un système de champs orthogonaux dans l'espace. En modifiant les amplitudes des courants circulant respectivement dans chaque bobinage, on peut modifier l'amplitude et l'orientation du
champ magnétique composé.
Pour simplifier l'explication du fonctionnement, on considère qu'un bobinage est
actif lorsqu'il est parcouru par un courant d'excitation et inactif si ce courant est nul.
Dans le cas du capteur pour les tubes, il y a plusieurs modes de fonctionnement
possibles.
Dans un premier mode de fonctionnement, on maintient le bobinage (2) inactif et modifie les amplitudes des courants dans les bobinages (3) et (4) selon une loi telle que 13= lo*sin(a) et 14= locos(a), on obtient un champ magnétique composé d'amplitude constante qui forme un angle a par rapport à l'axe du bobinage (3). En faisant varier la
valeur de a, on peut créer un champ magnétique tournant dans le tube.
Dans un deuxième mode de fonctionnement, l'un des trois bobinages (2), (3) et (4) est actif et les autres sont inactifs à tour de rôle. Quand le bobinage (2) est actif et les bobinages (3) et (4) sont inactifs, les courants de Foucault induits dans la cible circulent dans le sens de la circonférence du tube. Ce mode est utile pour la détection des défauts longitudinaux. Quand les bobinages (2) et (4) sont inactifs et le bobinage (3) est actif, les courants de Foucault induits dans la partie de la cible située sous les spires du bobinage (3) circulent dans le sens de la longueur du tube. Quand le bobinage (4) est actif et les autres bobinages sont inactifs, les courants de Foucault induits dans la partie de la cible située sous les spires du bobinage (4) circulent dans le sens de la longueur du tube. Ce
mode est utile pour la détection des défauts circonférentiels.
Dans un troisième mode de fonctionnement, le bobinage (2) est excité avec un courant 12= o10cos(a), alors que l'un des bobinages (3) et (4) est excité avec un courant 134= losin(a). Le vecteur directeur de la nappe de courants de Foucault induits dans la partie de la cible située sous les parties communes des bobinages actifs va former avec les génératrices du tube un angle a. En faisant varier a, on peut changer la direction de la nappe de courants de Foucault par rapport aux défauts recherchés afin d'obtenir un
rapport signal/bruit optimal.
Dans le cas du capteur pour les cibles planes, il y a également plusieurs modes de
fonctionnement possibles.
Dans un premier mode de fonctionnement, un des bobinages (2), (3) et (4) reste actif et les autres restent inactifs à tour de rôle. Le champ magnétique émis par le capteur se dirigera successivement selon les axes z, x ou y. Lorsque le bobinage (2) est actif et les bobinages (3) et (4) sont inactifs, le champ magnétique émis par le capteur est perpendiculaire à la surface de la cible. Ce mode de fonctionnement est utile pour mesurer les propriétés de la cible telle que la conductivité électrique, la perméabilité magnétique ou la distance capteur-cible. Lorsque l'un des deux bobinages (3) et (4) est actif et le bobinage (2) est inactif, les courants de Foucault circulent parallèlement avec les spires du
bobinage actif. On obtient ainsi deux directions principales des courants de Foucault.
Dans un deuxième mode de fonctionnement, les bobinages (3) et (4) sont actifs en même temps et le bobinage (2) est inactif. Le bobinage (3) est excité avec un courant i3 dont l'amplitude est 13= locos(a), alors que le bobinage (4) est excité avec un courant i4 de même fréquence et phase dont l'amplitude est 14= o10sin(a). Le vecteur directeur de la nappe de courants de Foucault induits dans la cible va former avec les spires du bobinage (4) un angle a. De même, le champ magnétique composé forme avec l'axe du bobinage (4) un angle a(. En faisant varier a, on peut changer la direction de la nappe de courants de Foucault par rapport aux défauts recherchés afin d'obtenir un rapport signal/bruit optimal et
l'on peut également créer un champ magnétique tournant.
Il est évident qu'on peut inventer d'autres modes de fonctionnement en modifiant l'ordre, la combinaison et l'amplitude du courant d'excitation des bobinages actifs et inactifs. Quoi qu'il en soit, on fixe des capteurs de champs électromagnétiques (5) sur les
surfaces actives du capteur.
La description qui précède montre que la structure du capteur selon l'invention
permet d'effectuer un contrôle non destructif d'une pièce de plusieurs manières.
Claims (10)
1. Capteur à courants de Foucault pour le contrôle non destructif des pièces électriquement conductrices caractérisé en ce qu'il comporte un noyau (1) sur lequel sont bobinés 3 bobinages (2), (3) et (4), lesquels étant composés de nappes de spires jointives, et sur ce même noyau (1) sont déposés également un ensemble de capteurs
de champs électromagnétiques (5).
2. Capteur à courants de Foucault selon la revendication 1 caractérisé en ce que le
noyau est cylindrique lorsque le capteur est destiné au contrôle d'un tube.
3. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que
I'axe du bobinage (2) est parallèle à l'axe du tube et ses spires sont quasi parallèles à la circonférence du tube, I'axe du bobinage (3) est perpendiculaire à l'axe du tube et ses spires sont parallèles aux génératrices du tube et que l'axe du bobinage (4) est perpendiculaire à l'axe du tube et également perpendiculaire à celui du bobinage (3),
les spires du bobinage (4) étant parallèles aux génératrices du tube.
4. Capteur à courants de Foucault selon la revendication 1 caractérisé en ce que le noyau est cubique lorsque le capteur est destiné au contrôle des surfaces relativement planes.
5. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que
les trois bobinages (2), (3), (4) sont réalisés sur le noyau de telle sorte que leurs axes
soient mutuellement orthogonaux et se confondent avec les axes x, y et z du cube.
6. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce
que le bobinage (2) est inactif et les amplitudes des courants dans les bobinages (3) et
(4) sont modifiées selon une loi telle que 13= losin(a) et 14= 10cos(a).
7. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce
que l'un des trois bobinages (2), (3) et (4) est actif et les autres sont inactifs à tour de rôle.
8. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce
que le bobinage (2) est excité avec un courant 12= locos(x), alors que l'un des
bobinages (3) et (4) est excité avec un courant 134= l0sin(a).
9. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1, 4 et 5 caractérisé en ce
que les bobinages (2), (3) et (4) restent actifs ou inactifs à tour de rôle.
10. Capteur à courants de Foucault selon les revendications 1, 4 et 5 caractérisé en ce
que le bobinage (2) est inactif, les bobinages (3) et (4) sont actifs simultanément et que les amplitudes de leurs courants d'excitation respectifs sont régies par la loi 13=
o35 cos(a) et 14= losin(a).
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