Brevet FR2378270A1 — publié le 19780818

L'invention concerne l'évaluation des contraintes exercées selon une direction préférentielle dans un matériau ferromagnétique et, plus spécialement, l'application de ce procédé au contrôle de la planéité, au cours du laminage, des tôles rninces laminées à froid. I1 est important, pour la qualité du produit fini, de pouvoir contrôler en cours, et plus particulièrement en fin, de laminage la planéité des tôles minces. En effet, au cours des reductions successives d'épaisseur, les bandes peuvent subir, dans le sens transversal, des différences d'allongement entre fibres causées soit par des défauts propres au laminoir (contre-cambrage ou bombé excessif des cylindres) soit par des anisotropies du métal (différences de dureté, de recuit ou de refroidissement). Bien entendu, pendant le laminage, la tension exercée par les cylindres ne permet pas aux différences d'allongement d'apparaltre de façon visible, mais ces dernières se traduisent par des contraintes internes variant avec l'élongation des fibres.Si aucune mesure n'est prise avant la fin du laminage, la tôle au repos, présentera des défauts appartenant à l'un,ou à plusieurs, des types suivants - centres longs, situés en milieu de tôle et présentant de larges poches, - lignes de déformation, formées de poches étroites mais de grande amplitude, dirigées dans le sens du laminage et pouvant apparaître en tout endroit de la tôle, - bords longs, d'aspect sinusoidal et pouvant s'étendre jusqu'à 10 cm à l'intérieur de la tôle. Afin de déterminer les contraintes internes de la bande en cours de laminage, divers dispositifs ont déjà été proposés. Certains sont basés sur une mesure directe de la tension subie par les fibres, tension qui varie à l'inverse de l'élongation de la fibre; d'autres sur l'utilisation du phénomène de magnétostriction présenté par les corps ferromagnétiques. On distingue également les dispositifs qui fonctionnent en contact avec la tôle de ceux qui sont placés à faible distance de cette dernière mais sans contact direct. Les premiers comportent tous un rouleau, sur lequel est tendue la tôle, et qui enregistre les variations de contrainte sur toute la largeur du produit. Les seconds sont presque tous basés sur le phénomène de magnétostriction et plus spécialement sur l'effet Villari, c'est-à-dire la variation de perméabilité magnétique qui résulte d'une variation de contrainte appliquée au matériau.Le brevet US 3 798 537, notamment, décrit un capteur du dernier type, comportant un noyau magnétique à quatre branches formant deux U croisés à 900, deux enroulements primaires et deux enroulements secondaires disposés chacun autour d'une des branches. Les enroulements primaires sont alimentés en courant alternatif, les secondaires reliés à des appareils de mesure et, en fonctionnement, le capteur est placé à faible distance du matériau étudie, de manière qu'un primaire et un secondaire soient alignés dans la direction de traction et les deux autres dans la direction perpendiculaire. Par différence entre les deux signaux fournis par les deux secondaires on peut éliminer la perméabilité magnétique de la tôle, supposée constante, ainsi que l'effet de distance.On peut donc espérer, à l'aide de ce capteur, obtenir après traitement un signa représentatif uniquement de l'état de contrainte du matériau. Mais en fait, et les travaux du demandeur ont contribué à le mettre en évidence, la perméabilité magnétique des tôles est loin d'être constante, même sur la faible distance séparant les deux enroulements secondaires. Cet effet, qui sera désigné par la suite par "anisotropie magnétique", correspond à des hétérogénéités magnétiques sensiblement négligeables sur une longueur voisine de quelques mètres dans la direction de laminage mais parfaitement aléatoires dans une direction perpendiculaire, donc à une variation de perméabilité dans le sens transversal, et ne peut absolument pas être éliminé par un traitement ultérieur des signaux des secondaires.A l'aide du capteur décrit dans le brevet précité et à fortiori des capteurs connus du même type, moins perfectionnés, on peut donc, au mieux, obtenir un signal dépendant des contraintes internes mais pas de signal représentatif de ces seules contraintes avec une approximation suffisante. Le but de la présente invention est donc de fournir un procédé et un dispositif permettant d'eliminer les erreurs causées par l'anisotropie magnétique du produit étudié. A cet effet l'invention a pour objet un procédé d'évaluation des contraintes exercées selon une direction préférentielle dans un matériau ferromagnétique, à l'aide d'au moins un capteur électromagnétique, non en contact avec le materiau, et comportant deux enroulements primaires et deux enroulements secondaires.Les enroulements primaires créent des flux, qui se referment dans le matériau ; on élabore à l'aide de l'un des secondaires, disposé de manière qu'il soit sensible à la différence des flux dirigés dans la direction de la contrainte et dans la direction perpendiculaire,un premier signal ; on élabore à l'aide de l'autre secondaire,disposé de manière qu'il soit sensible aux flux dirigés à 450 par rapport aux précédents, un second signal ; on recueille les deux signaux émis par les deux secondaires et on élabore par comparaison un signal représentatif de la contrainte seule. De façon particulièrement avantageuse ce procédé peut être appliqué à la mesure des contraintes internes, et par conséquent au contrôle de la planéité des tôles minces en cours de laminage. Selon une caractéristique avantageuse du procédé selon l'invention, le signal correspondant à la contrainte seule est élaboré par différence crête à crête des tensions fournies par les deux secondaires. L'invention a également pour objet un dispositif d'évaluation des contraintes exercées selon une direction donnée dans un matériau ferromagnétique,essentiellement constitué par un noyau magnétique, comportant quatre branches verticales et deux branches horizontales qui définissent deux U perpendiculaires, deux enroulements primaires et deux enroulements secondaires. Les deux primaires sont bobinés chacun autour de deux branches appartenant à des U différents ; les deux secondaires sont bobinés l'un sur deux branches du même U, l'autre sur deux branches appartenant à des U différents et de manière à être adjacent aux deux primaires. Selon un mode de réalisation préféré les extrêmités des branches définissent un carré sur lequel les projections des deux primaires occupent des côtes opposés, la projection de l'un des secondaires un côté adjacent aux deux précédents et celle de l'autre secondaire une diagonale. En position de mesure le capteur est disposé à faible distance du produit ferromagnétique et de manière que les deux primaires forment un angle de 450 avec la direction des contraintes, que l'un des secondaires soit parallèle à cette direction et l'autre 450. Comme on le comprend, les procédés de mesure des contraintes basés sur l'effet Villari mettent en jeu, en fait, trois facteurs principaux : la distance, l'anisotropie magnétique et la contrainte. La distance est un facteur bien connu et dont on sait s'affranchir de manière satisfaisante. Par contre, les solutions proposées jusque là n'ont pas permis d'obtenir un signal réellement représentatif de la contrainte seule. En effet, lorsqu'on alimente en courant alternatif un ou plusieurs enroulements primaires, on crée une nappe de flux; on peut-ensuite, en quelque sorte, "individualiser" le flux dans une direction donnée en positionnant de manière adéquate un enroulement secondaire.Or, les variations de perméabilité magnétique dues à une contrainte étant maximales dans la direction même de la contrainte et dans la direction perpendiculaire, il est nécessaire, pour avoir une bonne réponse en contrainte, de placer le ou les secondaires de manière qu'ils soient sensibles aux flux dans ces directions. Si l'anisotropie magnétique reste très faible sur une assez grande longueur dans la direction de la contrainte, par contre elle est extrêmement marquée dans la direction perpendiculaire. I1 n'est donc pas possible d'obtenir directement un signal ayant une bonne sensibilité en contrainte et ou l'influence de l'anisotropie soit négligeable. L'idée de base de l'invention est donc d'utiliser les flux dans les directions ou la variation provenant de l'application d'une contrainte est maximale, même si l'anisotropie y est maximale et, d'autre part, d'élaborer un autre signal, représentatif de l'anisotropie seule. Les travaux du demandeur lui ont permis d'établir, que, dans des directions à 450 de la direction de la contrainte, l'isotropie en contrainte est suffisante pour que les flux mesurés conduisent à un signal dépendant de l'anisotropie seule avec une approximation satisfaisante. L'élaboration des deux signaux : anisotropie + contrainte et anisotropie seule pourrait évidemment être effectuée à l'aide de deux dispositifs indépendants, mais le demandeur a également réussi à mettre au point un capteur unique permettant de les- fournir simultanément. Ce capteur comporte deux enroulements primaires, bobinés chacun autour de deux branches d'un noyau magnétique, parallèles dans l'espace et reliés électriquement en série, de manière à faire circuler des flux de pdle à pâle, un enroulement secondaire adjacent aux deux primaires et un autre enroulement secondaire disposé selon la diagonale de l'angle formé par l'un des primaires et le secondaire.Ce dernier enroulement, qui, en position de mesure, doit être placé dans la direction de la contrainte, les deux primaires faisant alors un angle de 450 avec cette dernière, constitue en quelque sorte une bobine de compensation, sensible uniquement aux variations de perméabilité magnétique dues à l'anisotropie propre au matériau étudie. L'invention sera de toutes façons bien comprise en se reportant à la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, en référence aux planches de dessin annexées sur lesquelles - la figure 1 est une représentation schématique, en perspective, du capteur selon l'invention, - la figure 2 représente ce même capteur, en projection sur son plan de base, les flux à un instant donné étant indiqués. Sur la figure 1 on peut voir en 1 le noyau magnétique constitué, dans l'exemple considéré, par un bloc de ferrite à quatre branches verticales 2, 2', 3, 3', reliées deux à deux par deux branches horizontales 4 et 5 se coupant à angle droit. Les branches 2 et 2' réunies par la branche horizontale 4 formment un premier U et les branches 3, 3' et 5 un second U perpendiculaire au premier. Les quatre branches verticales sont de longueurs identiques et leurs bases occupent, dans le plan horizontal qui sera désigné par la suite par "plan de base", les quatre sommets d'un carré. Les deux enroulements primaires P et P2 sont respectivement bobinés autour de deux branches appartenant à des U différents : P1 autour de 2 et 3 et P2 autour de 2' et 3'. Ces deux enroulements sont normalement connectés en série à une même source de courant alternatif régulé constant, et parcourus par des courants en sens contraire ; le branchement, parfaitement classique, n' a pas été représenté ici pour ne pas surcharger la figure. Le premier enroulement secondaire S1 est bobiné également autour de deux branches appartenant à des U différents, 2 et 3' dans l'exemple considéré, et est disposé entre les deux primaires.Le deuxième secondaire est bobiné entre deux branches d'un même U, ici 2 et 2'. Les connections des deux secondaires aux appareils de mesure permettant de détecter les variations de perméabilité magnétique du matériau étudié n'ont pas été non plus représentées par raison de simplicité. On voit donc que, et cela apparaît encore plus clairement sur la figure 2, trois des branches du noyau 1 sont communes à plusieurs enroulements. Ainsi 2 est commune à P1, S1 et S2, 2' à P2 et et et 3' à P2 et S1. En projection sur le plan de base, les deux primaires occupent donc deux côtés opposés du carré constitué par les quatre bases des branches verticales, le secondaire S1 l'un des côtés adjacents aux précédents et le secondaire S2 une diagonale. Sur la figure 2 le capteur a été schématisé dans la position, par rapport à la direction de la contrainte indiquée par la flèche DC, qu'il occupe en fonctionnement. Le produit étudié est parallèle au plan de base et à faible distance de ce dernier, il n'a pas été représenté pour ne pas surcharger la figure. Les deux primaires P1 et P2, connectés en série à une source de courant alternatif, envoient des flux variables dans le temps mais toujours orientés dans la même direction. Ces flux sont schématisés à un instant donné par les flèches #1, #2, #3, "4.Le secondaire S1 est sensible aux flux 91 et +2, le secondaire 52 aux flux 3 et f. Dans l'air, le capteur étant de constitution symétrique, #1 et sont égaux et, l'un étant entrant et l'autre sortant, la réponse de S1 est nulle. Par contre, en presence d'un matériau ferromagnétique soumis à une contrainte de direction DC, f1 est sensible à la traction et son intensité augmente, +2 est dans le sens de la compression et son intensité diminue, S1 fournit donc un signal lié à la contrainte mais dont une composante, comme cela a été expliqué plus haut, dépend de l'anisotropie magnétique du matériau. Les flux t3 et 4 sont tous deux à 450 de la direction de la contrainte, donc orienté dans des sens où il y a isotropie en traction et en compression. Le signal recueilli aux bornes de n'est par conséquent pas influencé par la contrainte appliquée au produit, mais est fonction de la seule anisotropie magnétique de ce dernier. A partir des deux signaux fournis par S1 et S2 il est possible, à l'aide d'un traitement que sait effectuer tout électro- nicien dans chaque cas particulier, d'élaborer un signal représentatif de la contrainte. Dans son application au contrôle de la planéité des tôles minces, le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre de façon particulièrement avantageuse à la sortie d'un outil de laminage, soit un train à bandes soit un skin pass. On pourra alors disposer au-dessus ou au-desscus de la tôle, mais toujours à faible distance de celle-ci, une rangée de capteurs selon l'invention de manière à couvrir toute la largeur de la tôle. I1 est egalement possible de n'utiliser qu'un seul capteur, animé de façon connue d'un mouvement de va et vient latéral régulier, qui explore la bande transversalement. Dans ce dernier cas la bande n'est plus étudiée selon une direction perpendiculaire au sens de laminage mais selon une diagonale, car il y a cotinaison des mouvements de la tôle et du capteur, cependant, comme le profil de contrainte est stable sur une longueur voisine de quelques mètres, le signal obtenu est représentatif de l'état de la tôle avec une précision suffisante. Afin de s'affranchir de l'effet de distance, auquel le capteur est très sensible, on peut soit travailler au droit d'un rouleau déflecteur, soit associer au capteur selon l'invention un dispositif de type classique permettant de déterminer la distance, soit traiter les deux signaux fournis par les deux secondaires de façon connue, afin d'en éliminer la composante distance qui leur est commune. L'exemple suivant, donné à titre purement illustratif, permettra de faire apparaître plus clairement les moyens de mise en oeuvre de l'invention, dans un cas particulier d'application au contrôle de la planéité des tôles. Un seul capteur, monté sur un support accroché à un portique est disposé au-dessus de la tôle, cette dernière étant tendue par le skin pass. Le capteur est animé d'un mouvement de va et vient avec une vitesse voisine de lm/sec. La distance entre son plan de base et la tôle est de 8 mm environ, ce qui permet d'avoir une bonne sensibilité à la contrainte et minimise la sensibilité à la distance, et elle est maintenue aussi constante que possible en se plaçant au droit-d'un rouleau amagnétique. Les deux primaires sont alimentés en courant alternatif avec une fréquence de 275 Hz. Le capteur crée un champ magnétique alternatif voisin de 6 Oe. On recueille les deux tensions fournies par S1 et S2 et on en effectue la différence crête à crête afin d'obtenir le signal recherché, représentatif de la contrainte seule. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples décrits et notamment l'alimentation en courant alternatif n'a été choisie que pour la facilité d'exploitation des signaux obtenus. De même la forme du circuit magnétique peut être différente, à condition qu'elle remplisse les mêmes fonctions, c'est-à-dire d'avoir une sensibilité à la fois aux flux dans les directions ol l'influence de la contrainte sur les variations de perméabilité magnétique est maximale et dans les directions oh cette influence est sensiblement nulle. REVENDICATIONS 1 - procédé d'évaluation des contraintes exercées selon une direction préférentielle dans un matériau ferromagnétique, à l'aide d'au moins un capteur électromagnétique non en contact direct avec le matériau et comportant deux enroulements primaires et deux enroulement secondaires, procédé caractérisé en ce que - on génère des flux primaires qui se referment dans le matériau, - on élabore à l'aide de l'un des secondaires, disposé de manière qu'il soit sensible à la différence des flux dirigés dans la direction de la contrainte et dans la direction perpendiculaire, un premier signal, - on élabore à l'aide de l'autre secondaire, disposé de manière qu'il soit sensible aux flux dirigés à 450 par rapport aux précédents, un second signal, - on recueille les deux signaux émis par les deux secondaires, - on élabore, par comparaison desdits signaux, un signal unique représentatif de la contrainte seule. 2 - Application du procédé selon la revendication 1 au contrôle de la planéité des tôles minces en cours de laminage, par détermination des contraintes internes à la tôle, cette dernière étant sous tension longitudinale. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on élabore le signal final unique par différence crête à crête des tensions fournies par les deux secondaires. 4 - Dispositif d'évaluation des contraintes exercées selon une direction préférentielle dans un matériau ferromagnétique, essentiellement constitué par un noyau magnétique comportant quatre branches verticales et deux branches horizontales qui définissent deux U perpendiculaires, deux enroulements primaires et deux enroulements secondaires, dispositif caractérisé en ce que les deux primaires sont bobinés chacun autour de deux branches appartenant à des U différents, et en ce que les deux secondaires sont bobinés l'un sur deux branches d'un même U, l'autre sur deux branches appartenant à des U différents et de manière à être adjacent aux deux primaires. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les extremités des branches des deux U définissent un carré sur lequel les projections des deux primaires occupent des côtés opposés, la projection de llun des secondaires un côté adjacent aux deux précédents et celle de l'autre secondaire une diagonale. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que les deux primaires sont alimentés en courant alternatif de manière à faire circuler des flux de pôle à pôle.