Brevet FR2528568A1 — publié le 19831216

r t- Sonde de jauge d'épaisseur courants de Foucault La présente invention concerne des jauges d'épaisseur électromagnétiques et elle a trait, plus particulièrement à des jauges qui sont utilisées pour mesurer l'épaisseur d'une couche faiblement ferromagnétique déposée sur une matière de support ferromagnétique. Dans certains procédés de fabrications une couche d'une matière donnée est déposée sur une matière de support différente Pour contrôler ces procédés et vérifier le produit, il est souhaitable d'appliquer un procédé simple non destructeur pour déterminer l'épaisseur de la couche de matière* Si on constate que le rev Stement dans la région vérifiée est inférieur à une épaisseur spécifiée, on peut alors ajouter une matière supplémentaire à la couche Pour des matières de re'rtement non magnétiques, telles que l'Incouel et les aciers inoxydables 600 et 304, sur une matière de support ferromagnétique, on peut déterminer l'épaisseur du revêtement en utilisant des techniques et des matériels connus tels que des sondes à courants de Foucault basse fréquence en des sondes k force magnétique. Dans la fabrication de certains composants destinés étre utilisés dans l'industrie nucléaire, on dépose sur un support en acier une couche d'acier inoxydable austénitique. La matrice d'acier inoxydable austénitique non magnétique contient une certaine quantité de ferrite S que l'on ajoute pour empfcher une fissuration de la couche La ferrite S est un constituant magnétique qui a une grande influence sur les caractéristiques de la couche d'acier inoxydable austé- nitique, comme par exemple l'intensité d'aimantation et la perméabilité Par conséquent, la présence de ferrite S dans une couche d'acier inoxydable austénitique nuit au comportement des tondez normales à, courants de Foucault ou des sondes à force magnétique. Du fait que les signaux des sondes à courants de Foucault sont affectée par la perméabilité de la matière de revêtement ainsi que par l'épaisseur du revêtement, on ne peut effectuer une mesure directe de l'épaisseur du rev 8 tement que si l'on élimine ou tout au moins réduit la perméabilité de la matière de revêtement de telle sorte que son influence soit minimale Pour une couche d'acier inoxydable austénitique comportant en tant que constituant une ferrite ( , on peut réduire à un minimum l'effet de la perméabilité en saturant magnétiquement cette ferrite d * La présente invention a pour objet principal d'effectuer une saturation de la ferrite & d'une façon simple et efficace. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans une sonde pour mesurer l'épaisseur d'une couche contenant de petites quantités de matière ferromagnétique déposée sous forme d'un revêtement sur un support ferro- magnétique, ladite sonde comprenant une bobine de mesure ayant une caractéristique électrique qui Tarie en fonction de la conductivité magnétique de ladite couche et dudit support) caractérisée par un moyen pour engendrer un champ magnétique constant d'intensité suffisante pour sensiblement saturer nagnétiquement lesdites petites quantités de matière ferro- magnétique de ladite couche en cours de mesure De préférence, la sonde comprend un moyen pour alimenter les bobines avec un signal alternatif et un moyen pour mesurer les variations de la caractéristique électrique de la bobine de mesure lorsque cette bobine de mesure est alimentée. L'invention apparaîtra plus facilement au cours de la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré donnée ci-après à titre d'exemple uniquemeont en ré 'érence aux dessins annexés, sur lesquels o la figure 1 est une vue en coupe transsersale d'une sonde d'épaisseur à courants de Foucault présentant une polarisation magnétique constante en tant qu'élément consti- tutif d'une jauge selon un des modes de réalisation de la présente invention; et la figure 2 est une vue d'extrémité de la sonde de la jauge de la figure 1. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une sonde d'épaisseur à courants de Foucault destinée à ftre utilisée dans une jauge d'épaisseur selon un des modes de réalisation de la présente invention La branche principale de la sonde est en une matière à forte perméabilité, telle que du fer doux Un aimant permanent 12 placé près de l'ex-' trémité de la branche principale 10 de la sonde constitue un moyen pour créer un champ magnétique de polarisation constant. Une bobine 14 à courants de Foucault est maintenue au voisinage immédiat de l'aimant permanent 12 à l'intérieur d'un manchon isolant 16 Un dispositif 18 de génération et de traitement de signaux comprend un moyen pour alimenter avec un signal de courant alternatit, par l'intermédiaire d'un cable 20, la bobine 14 à courants de Foucault et comprend également un moyen pour mesurer une variation des caractéristiques élec- triques de la bobine 14 à courants de Foucault Le c Able 20 traverse un trou central 22 de la branche 10 de la sonde et l'aimant permanent 12 Une culasse 24 comprend deux branches qui s'étendent depuis la branche principale 10 de la sonde et qui sont usinées de telle sorte que leursface 26 et 28 d'etx- trémité se trouvent dans le même plan que la surface d'extré- mité 30 de la bobine 14 à courants de Foucault La culassoe bien que cela ne soit pas indispensable, est en une matière à faible réluctance, telle que le fer doux, et réduit la chute de force magnétomotrice dans l'entrefer en donnant ainsi une densité de flux plus élevée dans le revêtement en cours de mesure La branche principale 10 de la sonde comprend une partie filetée 32 pour permettre la fixation d'un connecteur électrique. Pour des épaisseurs de revêtement en acier inoxydable austénitique de l'ordre de 1,3 -m à 6,4 mm ( 50 à 250 mils) et comprenant jusqu'à 25 % de ferrite 6 en tant que constituant, il faut un champ de polarisation constant d'environ 8 à 10 kilogauss pour réduire les effets de la perméabilité du revitement à un niveau satisfaisant pour des mesures directes de l'épaisseur de ce revêtement L'intensité du champ de polarisation constant doit être choisie de manière k saturer suffisamment le revêtement sans saturer la matière ferro- magnétique du support ou la branche et la culasse de la sonde. La bobine à courants de Foucault, dans ce mode de réalisation, est une bobine à noyau à air ayant une épaisseur d'environ 1,6 mmi ( 1/16 pouces) et comprenant 425 spires de fil n O 40 pour électro-aimants présentant une résistance au courant continu d'environ 70 ohms et une inductance d'environ 2 milli- henrys L'utilisation d'une telle bobine à courants de Foucault comportant un noyau à air évite les pertes et les effets thermiques d'une bobine à noyau à pot en acier doux et élimine la saturation du noyau dont on a constaté l'apparition dans les bobines à noyau à pot en ferrite. La figure 2 montre une vue d'extrémité de la sonde de la figure 1 suivant II-II de cette figure Les faces usinées 26 et 28 de la culasse 24 sont représentées comme étant cour- bées afin d'assurer une concentration plus uniforme du flux dans la couche en cours de mesure Bien que la culasse 24 ne soit pas nécessaire pour le fonctionnement de la sondes son utilisation améliore le comportement de celle-ci. La sonde à courants de Poucault et à aimant. permanent selon la figure 1 a été utilisé* en coopération avec un instrument à courants de Foucault fabriqué par Automation Industries, Ine sous le n de modèle EM-3300 que l'on a utilisé comme dispositif 18 de génération et de traitement de signaux pour déterminer l'épaisseur de neuf échantillons à recouvrement soudé en acier inoxydable austénitique présentant des teneurs en ferrite différentes. On a usiné à partir de chacun des neuf échantillons des blocs à gradins présentant des épaisseurs de gradins de 2,5 mm, 3,2 mm, 3,8 mm et 4,4 mm ( 0,100, 0,125, 0,150 et 0,175 pouces). On a utilisé une fréquence de 2 kilohertz et on a équilibré le dispositif EU-3300 à l'aide des sondes, à cette fréquence, en réglant le signal de sortie de pont résultant affiché sur l'oscilloscope du dispositif EM-3300, L'affichage de ce dispositif EU-3300 comprend une trace d'oscilloscope présentant un déplacement proportionnel à l'impédance de la bobine à courants de Foucault et, par conséquent, proportionnel à l'épaisseur de la couche On a mesuré les déplacements résultants obtenus à partir de photographies des affichages successifs apparaissant au fur et à mesure que l'on a placé la sonde à courants de Foucault sur chacun des neuf échantil- lons en acier inoxydable que l'on avait disposéssur une plaque d'acier plate et lisse On a choisi arbitrairement l'échantil- lon n 3 comme référence et on l'a utilibé pour obtenir une courbe de l'épaisseur du revotement en fonction du déplacement relatif On a ensuite déterminé les épaisseurs de gradins des huit autres échantillons à partir de cette courbe. Le tableau 1 énumère les épaisseurs de gradins mesurées des huit autres échantillons rev#tus. TA Bl EAU 1 EPAISSBUR DES GRADINS DES ECHANTILLONS REVETUS DETERMINEE PAR UTILISATION D'UNE SONDE A COURANTS DB FOUCAULT A POLARISATION MAGNETIQUE CONSTANTE NUMERO EPAISSEUR DRS GRADINS BCHANTIL. 2,5 mm( O t,100 *) 3,2 mm( 0,125 w) 3,8 mm(O,150 ") 4,4 mm( 0,175 ") 1 2, 4 mm( 0,096 ") 3,0 mm(O,117 ") 3,6 mm( 0,141 ") 4,2 mm( 0,167 ") 2 2,5 m( 0,098 ") 3,0 Sm"( 0,120 ") 3,9 m=( 0,154 ") 4,4 mm( 0,175 ") 3 Rftérence 4 2,5 m( 0,098 ") 3,05 mm(O,120 ") 3,7 mm(O,145 ") 4,2 rm(O,167 ") 2,5 am(,098 ") 3,O 5 mm(O,120 ") 3,9 mm( 0,154 ") 4,4 am(O 175 ") 6 2,7 mm(O, 107 ") 3,3 mm(O,130 ') 3,9 m( 0,154 ") 4,4 am( 0,175 ") 7 2,6 m(O,103 ") 3,2 mm(O,127 u) 40 Omm( 0,t 59 ") 4,6 mm(O,180 ") 8 2,5 mm( 0,100 ") 2,2 mm( O 0127 ") 3,9 mm( 0,-54 ") 4,6 um( 0,180 ") 9 2,6 mm(O,103 ") 3,3 me(O,130 ") 4,m O m(O,159 ") 4; 6 mm(O,180 u) L'erreur maximale pour la détermination des épaisseurs de gradins est de + 7 pourcent Pour une sonde à courantsde Foucault et à polarisation magnétique censtante similaire à celle représentée sur la figure 1 mais sans la culasse 24, les p 30 paisseurs de gradins ont été déterminées avec une erreur maximale de + 10 pourcent Dans chaque cas, l'aimant permanent était en cobalt au samarium (Sm Co 5) qui engendrait un flux suffisant pour saturer la ferrite 6 de la couche dont on mesurait l'épaisseur. La sonde d'épaisseur à courants de Foucault pour essais non destructeurs avec une polarisation magnétique essentiellement constante telle que décrite par la présente invention peut être utilisée pour déterminer l'épaisseur de revêtement d'un acier inoxydable austénitique ou d'un autre matériau comportant un constituant ferromagnétique atteignant pourcent et une épaisseur d'environ 1,3 mm a 6,4 mm ( 50 à 250 mils) Dans la pratique, l'épaisseur de couche maximale que l'on peut mesurer est limitée par les aimensions de l'aimant de la sonde tandis que l'épaisseur de couche minimale est limitée par la fréquence de mesure, On peut utiliser la sonde sur un revitement soudé ou sur des surfaces incurvées, également,bien que des jauges d'épaisseur spéciales présentant la courbure appropriée seraient nécessaires pour des surfaces ayant des rayons inférieurs à environ 30 cm. Le procédé d'utilisation de la jauge d'épaisseur ' courants de Foucault pourvue diune polarisation magnétique constante et telle que représentée sur la figure 1, pour mesurer l'épaisseur d'une couche faiblement ferromagnétique sur un support ferromagnétique, comprend des phases consistant t à placer une bobine de mesure de façon adjacente à la couche faiblement ferromagnétique; ' appliquer un champ magnétique constant à la couche faiblement ferromagnétique, ce champ ayant une intensité suffisante pour saturer sensiblement les constituants magnétiques de la couche; à appliquer un signal alternatif à la bobine de mesure et k mesurer une caracté- ristique électrique telle que l imp 6 dauce de ta bobine, cetoe caractéristique électrique variant en fonction de i't 4 pai seur de la matière faiblement ferromagnétique. I 1 est bien ente;ndu que la description qui précèds n'a été donnée qu'a titre purement illustiatif et non limitatif et que des variantes ou des mo ifications peuvent y &tre apportées dans le cadre de la présente ijiention. REVENDICATIONS 1 Sonde pour mesurer l'épaisseur d'une couche contenant de petites quantités d'une matière ferromagnétique déposée sous forme d'un revêtement sur un support ferro- magnétique, ladite sonde comprenant une bobine de mesure ( 14) ayant une caractéristique électrique qui varie en fonction de la conductibilité magnétique de ladite couche et dudit support, caractérisée par un moyen ( 12) pour engendrer un champ magné- tique constant d'intensité suffisante pour sensiblement saturer magnétiquement lesdites petites quantités de matière ferromagnétique de ladite couche en cours de mesure. 2 Sonde de mesure d'épaisseur suivant la revendication 1, caractérisée par un moyen ( 18, 20) pour alimenter ladite bobine ( 14) avec un sàgnal électrique alternatif, et un moyen ( 18) pour mesurer les variations de ladite caractéristique électrique de la bobine de mesure précitée pendant que ladite bobine de mesure est alimentée. 3 Sonde de mesure d'épaisseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée par une culasse ( 24) en matière de faible réluctance disposée autour dudit moyen ( 12) pour engendrer un champ magnétique constant, ladite culasse ( 24) comportant deux faces ( 26, 28) adjacentes à la surface de ladite couche en cours de mesure, lesdites faces ( 26, 28) se trouvant sur les côtés opposés dudit moyen ( 12) de génération de champ magnétique constant en concentrant ainsi ledit champ magnétique constant dans une partie de ladite couche entre lesdites faces ( 26, 28). 4 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que ledit moyen engendrant un champ magnétique constant est un aimant permanent. Sonde de mesure d'épaisseur suivant la revendication 4, caractérisée par le fait que ledit aimant permanent ( 12) est constitué par du cobalt au samarium. 6 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que ledit moyen ( 12) engendrant un champ magnétique constant est un électro-aimant. 7 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que ledit champ magnétique constant est d'au moins 8 kilogauss. 8 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que ladite bobine de mesure est une bobine plate comprenant environ 425 spires de fil pour électro-aimants présentant une résistance au courant continu d'environ 70 ohms et une inductance d'environ 2 millihenrys. 9 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que ladite bobine de mesure est disposée entre ladite couche et ledit moyen ( 12) engendrant un champ magnétique constant. Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que ladite bobine de mesure ( 14) comporte un noyau à air. 11 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que ladite bobine de mesure ( 14) et ledit moyen ( 12) engendrant un champ magnétique constant sont disposés à l'intérieur d'un manchon isolant ( 16). 12 * Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 11, caractérisée par le fait que ledit champ magnétique constant a une intensité suffisante pour saturer sensiblement une couche contenant jusqu"à 25 pourcent de ferrite & dans une matrice non magnétique. 13 Sonde de mesure d'épaisseur suivant l'une quel- conque des revendications 1 '12, caractérisée par un moyen pour engendrer un signal proportionnel à l'épaisseur de ladite couche en réponse à ladite caractéristique électrique de la bobine de mesure précitée.