Brevet FR2623613A1 — publié le 19890526

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA DETECTION DE VARIATIONS DE SECTIONS DANS UN OBJET DE GRANDE LONGUEUR, NOTAM- MENT UN CABLE ___ La présente invention se rapporte généralementau contr8le électromagnétique d'objets de grande longueur tels que des câbles, des tuyaux, des tiges et similaires et concerne en particulier la détection des variations de section transversale d'un câble de fils d'acier. Les câbles de transport en acier sont utilisés dans de nombreuses applications pour transporter du personnel ou des matériaux. De tels câbles doivent être examinés régulièrement afin que l'on puisse s'assurer que les normes de fonctionnement sont conservées de façon conforme et afin de détecter les détériorations affectant les câbles avant que des problèmes de sécurité ne se produisent. Les défauts affectant les câbles de fils d'acier peuvent être classés en trois catégories, à savoir les variations de la surface de section transversale, les variations du dessin de contact des fils d'un câble qui est constitué par des torons de fils enroulés selon un dessin particulier, et les fils cassés. L'inventionse rapporte en premier lieu à la première caractéristique citée, à savoir les variations de sec- tion transversale d'un câble. La résistance d'un câble dépend de sa surface de section transversale en acier et celle-ci peut par exemple se trouver réduite par l'usure normale, la corrosion et le rétrécissement par allonge- ment d'une partie affaiblie. L'invention fournit un procédé de détection des variations de la surface de section transversale d'un objet de grande longueur qui comporte des opérations de magnétisation axiale de l'objet et d'utilisation d'au moins un transducteur non-inductif en vue de détecter les variations du flux magnétique axial dans l'objet qui peuvent être attribuées à des variations de surface de section transversale. Les variations de flux magnétique axial peuvent être détectées en mesurant les variations du flux ma- gnétique radial émanant de l'objet, ou reçu par celui-ci. On va montrer ci-après que la densité de flux magnétique radial est proportionnelle au gradient de la densité du flux magnétique axial. L'invention s'étend également à un appareil destiné à détecter les variations de surface de section transversale affectant un objet de grande longueur, comprenant une tête de magnétisation destinée à créer un premier champ magnétique et au moins un second champ magnétique qui est adjacent au premier champ magnétique, les deux champs magnétiques étant dirigés respectivement dans des sens opposés, un passage étant ménagé pour l'objet, lequel permet à l'objet de se déplacer dans le sens axial dans le premier champ magnétique et dans le second champ magnétique, l'objet étant magnétisé de ce fait dans des sens axiaux opposés par le premier champ magnétique et respectivement par le second champ magné- tique, et au moins un transducteur non inductif destiné à détecter les variations de flux radial provenant de l'objet ou s'y portant, qui sont attribuables à des variations de la surface de section transversale de l'objet. La tête de magnétisation peut être utilisée pour magnétiser axialement dans des sens opposés la partie de l'objet qui se trouve dans le passage. On peut faire usage d'une pluralité de trans- ducteurs et les signaux de sortie produits par les transducteurs peuvent être traités de n'importe quelle façon convenable, par exemple être additionnés en vue de produire un signal composite. Le signal composite peut être comparé à un signal de référence. Chaque transducteur peut comprendre un multi- plicateur à effet Hall, une magnéto-résistance, ou un dispositif similaire. Dans le cas o on utilise une pluralité de transducteurs, ceux-ci peuvent être disposés de façon à s'étendre au moins dans le sens axial de l'objet. Les transducteurs peuvent également s'étendre en cercle autour de l'objet. Le transducteur ou les transducteurs peuvent être situés à l'intérieur de la tête de magnétisation, par exemple adjacents à un gabarit qui est aligné avec le passage destiné à l'objet, et qui s'étend dans la tête de magnétisation. Les transducteurs peuvent s'étendre au moins axialement à l'intérieur de la tête entre les première et seconde positions, là o le champ magnétique est respectivement à son maximum dans l'objet dans des sens opposes. En variante, les transducteurs peuvent s'étendre au moins axialement depuis l'intérieur de la tête en un premier emplacement o le champ magnétique dans l'objet est à un maximum, jusqu'à une seconde position située en dehors de la tête, là o le champ magnétique dans l'objet est nul. La tête de magnétisation peut comprendre un pôle interne d'une première polarité, deux pôles externes d'une seconde polarité opposée à la première polarité et des empilages magnétiques permanents entre le pôle interne et respectivement chacun des pôles externes. Dans un exemple de l'invention, une pluralité de transducteurs sont reliés selon une configuration en pont de façon à compenser les effets de la température. L'invention est décrite plus avant en utilisant un exemple, avec référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels: - la figure 1 représente une partie d'un cy- lindre d'acier qui consiste par exemple en une longueur de câble de fils d'acier, qui est magnétisée, - la figure 2 représente en coupe transversale, et vue de côté, une tête magnétique qui est utilisée pour magnétiser un câble de fils d'acier et, à côté de la tète de magnétisation, des graphiques décrivant la variation de la densité du flux magnétique et le taux de variation de la densité de flux magnétique, rapportée à la longueur de la tête magnétique, - la figure 3 représente, de façon quelque peu schématique, une disposition de transducteurs selon une forme de réalisation de l'invention, et - la figure 4 montre un montage de mesure utilisé avec l'appareil de l'invention. Les principes de l'invention sont décrits dans ce qui suit tout d'abord en examinant la base théorique de l'invention, puis en considérant un exemple de réalisation pratique des principes théoriques. La figure 1 représente une partie d'un cylindre d'acier 10 qui dans cet exemple est une longueur de câble de fils d'acier de rayon r et de surface de section transversale A. Une bobine 12 de rayon R est placée autour d'un élément de fil de longueur Aú. On suppose que le câble de fils d'acier est magnétisé axialement et que la densité de flux magné- tique axial est Ba. Le flux axial du côté gauche de l'élément est 0a tandis que du côté droit de l'élément le flux est 0a + AOa. Sur la longueur A2 de l'élément, la densité de flux radial est Br et le flux radial est 0r. La relation entre le flux axial et la densité de flux axial peut s'exprimer comme suit: 0a =Ba A (1) Le flux axial total qui est inclus par la bobine 12 est 0t et il est fourni par l'expression: 0t = 0a + 0s (2) dans laquelle 0s est le flux intrinsèque dans la surface totale de la bobine. L'équation (2) peut être transcrite sous la forme: 0 = Ba A + Bs Â R2 (3) t a s dans laquelle Bs est la densité de flux dans l'espace et est fournie par l'expression: Bs =g 8 a (4) o Po est la perméabilité de l'espace libre et p est la perméabilité intrinsèque de l'élément de câble de fils d'acier pour la densité de flux Ba' En combinant l'équation (3) avec l'équation (4), l'équation (3) peut être transcrite sous la forme: t ea A + ea Bl'R2 (5) Si on établit la différentielle de l'équation (5) par rapport à A, en vue de déterminer la relation entre le flux total traversant la bobine 12 et une variation de la surface de section transversale du câble , on arrive & l'équation suivante: dyt Ba (6) dA L'équation (6) signifie que s'il y a une varia- tion de la surface de section transversale de l'élément de câble de fils d'acier en questionégale à AA, il en résulte une variation du flux axial dans l'élément A0a' qui est la même que la variation du flux traversant la bobine 12, et qui est donnée par l'expression: a0t = Ba A (7) A partir de l'équation (7), on peut déduire que pour un élément de câble de fils d'acier qui est ma- gnétisé axialement, et pour n'importe quelle densité de flux, les variations de la surface de section trans- versale de l'élément de câble d'acier peuvent être mesurées, en. déterminant les variations du flux magnétique axial total dans l'élément de câble d'acier. La figure I illustre une situation dans laquelle le flux axial dans l'élément 10 de câble de fils d'acier varie d'une quantité AOa sur la longueur Ak. La loi de flux de Gauss indique que les lignes de flux sont continues et n'ont pas d'origine. En conséquence, une variation de flux axial, comme montré dans la figure 1, doit être accompagnée d'une variation du flux radial Dr sur la longueur Aú. On suppose que A& est suffisamment faible pour que la densité de flux radial B r sur le rayon R de la bobine 12 soit considérée comme constante. On peut alors exprimer la relation qui en résulte sous la forme: a = AcBr (8) dans laquelle Ac est la surface de paroi d'un cylindre de rayon R et de longueur Aú, et est fourni par l'ex- pression: A = 2 w R Aú (9) c En utilisant l'équation (9), l'équation (8) peut être transcrite sous la forme: d0 = A(AcBr) = 2 w R A2 Br (10) Si la surface sur laquelle se produit la différence de flux 0a = A(BaA) = A B A a a a) l'équation (10) peut être transcrite sous la forme: B = A (l) r 2 Si ú - O,on peut alors exprimer l'équation (11) sous la forme suivante: aE= 27rR B (4) (12) a r dé A L'équation (12) fournit la relation entre la densité de flux axial et la densité de flux radial en fonction de la longueur de l'élément de câble de fils d'acier 10. L'intégration de l'équation (12) sur une longueur de l'élément de câble de fils d'acier comprise entre les emplacements 21 et 2 donne la relation suivante: B (i) - B (I) = R / r d (13) A qui peut s'exprimer sous la forme: - t2)3"(t1 ba r "tt (t). dé (14) L'interprétation que l'on peut faire de l'équation (14) est qu'une variation du flux axial entre deux points quelconques pris sur la longueur du cylindre magnétique est égale à la variation du flux radial qui passe dans le cylindre entre ces deux points. Cette relation est juste non seulement dans le cas d'une surface radiale qui a un rayon constant R, mais éga- lement dans le cas de toute surface, quelle que soit la forme de sa circonférence, étant entendu que Br est défini comme étant normal à la surface circonférentielle sur toute sa longueur circonférentielle. L'équation (7) montre que la variation du flux traversant la bobine 12 dépend d'une variation de surface quelconque de l'élément de câble de fils d'acier , et l'équation (14) montre que la variation de flux peut être mesurée par un procédé comprenant l'intégra- tion de la densité de flux radial. Ces deux équations peuvent être combinées pour donner la relation sui- vante: &A = 2rR (15) La figure 2 représente une vue latérale en coupe transversale d'une tête de magnétisation 14 du genre décrit dans le brevet sud-africain N' 87/1964. Cette tête comporte un pôle nord central 16 et deux pôles sud externes respectivement 18 et 20. Des empilages d'ai- mants permanents 22 et 24 sont respectivement position- nés sur des gabarits, entre les faces opposées des paires de pôles. Des transducteurs 29 sont situés au voisinage du gabarit et s'étendent dans le sens axial du câble. Les empilages magnétiques et les pièces polaires sont placés circonférentiellement sur un gabarit 26 qui comporte un passage axial à travers la tête de magnéti- sation, pour un câble 28 à contr8ler. Au-dessus du dessin de la tête de magnétisation 14 se trouve un graphique 30 qui représente la variation de la densité de flux B dans le câble 28 de fils d'acier, et ungrapique32 qui décrit la variation du gradient de densité de flux dans le câble, dans chaque cas en fonc- tion de la position axiale à l'intérieur de la tête. Aux emplacements ú1, 2,2 ú3 et ú4' la courbe 32 présente une valeur nulle. La courbe 30 présente une valeur nulle à l'emplacement 25 qui correspond approximativement à la position centrale du pôle nord, et aux emplacements R1 et ú4. Les valeurs de densité de flux maximum se ren- contrent dans le sens négatif, à l'emplacement ú2, et dans le sens positif, à l'emplacement ú3. Différents points importants des courbes 30 et 32 sont désignés par les lettres de référence a à g. En utilisant l'équation (14) et en effectuant dans chaque cas l'intégration entre les emplacements 1 et ú2' ú2 et ú31 ainsi que ú3 et ú41 on obtient les expressions suivantes -A = - 27rR r) di -=2lTk(surfaesous la courbe abc) (16) =-21rR (surface s ou sla courbe abc) ( 16) - Bm A - Bm A = - 2WR B 1) c; = - 2TR (surface sur la courbe cde) (17) B,!A = 2TR CIú le, = 2 F R (surface sous la courbe efg) du flux radial net qui pénètre dans la surface circon- férentielle du câble entre les emplacements ú3 et ú4. On considère des dispositifs de mesure de flux non inductifs tels que des multiplicateurs à effet Hall, -des magnéto-résistances et similaires. On suppose qu'un dispositif dece genre a une surface active S qui, si le dispositif est rectangulaire, est donnée par l'expres- sion S = 2w dans laquelle ú est la longueur de la sur- face active et w est la largeur de la surface active. Si le dispositif est suffisamment petit, sa sensibilité est constante et son signal de sortie f est directement proportionnel au flux éxistant audessus de la zone active. f peut s'exprimer sous la forme: f = K 0m = K Bm úw (20) mm dans laquelle 0m est le flux existant au-dessus de la surface active S, et Bm est la densité de flux moyen, S étant suffisamment faible pour que B soit considérée m comme étant constante au-dessus de la surface S. K est une constante du dispositif. Si un élément transducteur du genre en question est placé en un point quelconque de la tête d'essai de la figure 2 entre les emplacements ú3 et ú4' par exemple à une distance radiale r de l'axe longitudinal du câble, 1 1 la surface active S de l'élément étant normale à un rayon s'étendant à partir de l'axe, alors on obtient à partir de l'équation (20): f(Q) = K Br(2)2w (21) r o Br(2) est la densité de flux radial en fonction de la longueur axiale de câble. Si une série d'éléments transducteurs similaires est placée de façon à ce que la surface active de chaque élément soit adjacente à celle des surfaces actives voisines, sur la longueur s'étendant entre les empla- cements R3 et 24, et si ces éléments sont reliés de façon à ce que leurs signaux de sortie respectifs s'ac- cumulent, le signal net F émis par les transduc- teurs est alors donné par: F j= ú f()= K w transducteurs interconnectés, s'étendant de l'empla- cement 23 à l'emplacement 24 est directement propor- tionnel à la surface de section transversale A du câble. Les variations &A de la surface de section transversale du câble peuvent s'exprimer par la for- mule: mule: A _27CR \ F (25) A35A Kw E On peut arriver à des expressions similaires pour des séries de transducteurs placés entre les emplacements 21 et 22' et respectivement 22 et 23' en utilisant les équations (16) et (17) dans chaque cas. La relation indiquée dans l'équation (25) est indépendante de la vitesse du câble. Une vitesse limite est cependant déterminée par la vitesse de réponse des éléments transducteurs aux variations de flux. Si les éléments transducteurs présentent des caractéristiques idéales, alors les variations de la surface de section transversale d'un câble de fils d'acier peuvent être mesurées directement avec une vitesse de câble nulle. Il apparaît que les éléments transducteurs, montés en lignes, peuvent être incorporés dans la tête d'essai comme montré dans la figure 2, et désignés par la référence numérique 29, en s'étendant entre les empla- cements 21 et 22' ou 22 et 23' ou 23 et 24. Deux des séries de transducteurs peuvent également être utili- sées, ou, si on le désire, les trois montages possibles de transducteurs peuvent êtreemployés,. On sait qu'un câble de fils d'acier convention- nel du genre utilisé dans les machines d'extraction pour l'exploitation minière souterraine est magnétiquement saturé à environ 1,7 tesla. Une tête magnétique repré- sentée dans la figure 2 est conçue de façon à ce que le câble passant à l'intérieur de cette dernière soit magnétisé à approximativement 2,2 tesla, ce quist -sensiblementau-delà de la saturation. Lorsque le câble passe dans la tête de magné- tisation, toutes les parties sont d'abord magnétisées jusqu'à la saturation négative à l'emplacement 22 et ensuite jusqu'à la saturation positive à l'emplacement 23. Sans rapport avec le magnétisme rémanant existant dans le câble avant son entrée dans la tête d'essai, cette partie de la courbe 30 entre 22 et 23 peut être répétée chaque fois que l'on fait passer un câble déterminé dans une tête d'essai déterminée. De ce fait, on préfère que la série de trans- ducteurs qui est employée dans l'appareil de l'invention s'étende entre les emplacements 22 et 23. En combinant l'équation (17) avec l'équation (23), pour obtenir la forme de réalisation dans laquelle les séries de transducteurs s'étendent entre 22 et 23' les variations de la surface de section transversale AA -sont données par l'équation: A __R _ F (26) Kw B m Du point de vue pratique, il est seulement nécessaire d'afficher le voltage net qui est créé par la chaîne de transducteurs et de détecter les variations de ce voltage en vue de situer les irrégularités de la surface de section transversale du câble qui est essayé. Pour augmenter la sensibilité du procédé d'essai, on peut utiliser des lignes de transducteurs supplémentaires de façon à créer un faisceau de lignes qui s'étend sensiblement sur l'ensemble de la surface circonférentielle de rayon R entre ú2 et R3. Dans ce cas, on mesure sensiblement l'ensemble du flux radial entre 22 et 23. Evidemment, s'il était possible de créer un tel dispositif, le même résultat serait obtenu au moyen d'un seul transducteur comportant une sensibilité constante sur l'ensemble de sa surface active qui s'étendrait autour du câble et qui aurait une longueur active de (23 à 22) et une largeur active de (2 wR). La figure 3 représente le câble 28 en cours d'essai, avec six lignes de transducteurs T1 à T6 placées respectivement autour du câble. La tête d'essai elle-même n'a pas été représentée en vue d'améliorer la clarté de la représentation. Dans la forme de réalisation représentée, les lignes de transducteurs T1 et T4 sont diamétralement opposées et s'étendent dans les gorges du gabarit 26 dans le sens longitudinal entre les emplacements Q2 et 23' Des lignes de transducteurs T2 et T5 s'étendent en demi-cercle respectivement aux emplacements ú2 et 23' tandis que des lignes de transducteurs qui leur font face T5 et T6 s'étendent en demi-cercle aux mêmes emplacements. On suppose que les chaines de transducteurs sont constituées par des magnéto-résistances. Ces dispositifs ont des coefficients de température qui peuvent affecter les mesures de surface. Aux emplacements ú2 et R3 B = O. En conséquence, les lignes de transducteurs semi-circulaires T2 et T3, et T5 et T sont magnétique- 2 eT3, t5 T6sn antqe ment inactives. On suppose que les six chaines de transducteurs de la figure 3 sont montées en pont de Wheatstone comme montré dans la figure 4. Les lignes inactives T2 et T3, et T5 et T6, compensent les effets de température qui se produisent dans les chaînes actives T et T4, à condi- tion naturellement que les éléments soient équilibrés et qu'avec une densité de flux nulle, les valeurs de résistance dans le pont soient équilibrées. Dans le cas du montage de la figure 4, la sortie de l'amplificateur 40 qui pilote les variations du signal de sortie du montage de pont, est proportionnelle aux variations de la surface de section transversale du câble 28 qui est essayé. Des montages semblables peuvent être utilisés, par exemple, avec des dispositifs à effet Hall ou d'autres transducteurs non inductifs. L'invention trouve son application principale dans l'essai des câbles en fils d'acier, et cette application a été décrite ici dans ce qui précède. Le champ de l'invention n'est cependant pas restreint à cette utilisation particulière, car l'invention peut être utilisée pour esayer d'autres objets de grande longueur tels que les tuyaux, les câbles, les tiges et similaires. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection des variations de la surface de section transversale d'un objet de grande longueur comportant l'opération de magnétisation axiale de l'objet et caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à utiliser au moins un transducteur non inductif en vue de détecter les variations du flux magnétique axial dans l'objet qui peuvent être attri- buées & des variations de la section transversale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les variations du flux magnétique axial sont détectées en mesurant les variations du flux magnétique radial émanant de l'objet, ou reçu par lui. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de transducteurs non inductifs sont montés parallèlement à l'objet, à proximité d'au moins une zone de l'objet dans laquelle le flux magné- tique axial passe d'une valeur maximum à zéro, le procédé comprenant l'opération de pilotage d'un signal composite produit par les transducteurs en vue de détecter les variations du flux magnétique radial émanant de l'objet ou s'y portant. 4. Appareil destiné à détecter des variations de la surface de section transversale affectant un objet de grande longueur (28), lequel comprend une tête de magnétisation (14) destinée à créer un premier champ magnétique et au moins un second champ magnétique qui est adjacent au premier champ magnétique, les deux champs magnétiques étant dirigés respectivement dans des sens opposés, un passage (26) étant ménagé pour l'objet, lequel permet à l'objet de se déplacer dans le sens axial dans le premier champ magnétique, et dans le second champ magnétique, l'objet étant de ce fait magnétisé dans des sens axiaux opposés par le premier champ magnétique et respectivement par le second champ magnétique, lequel appareil est caractérisé en ce qu'au moins un transducteur non inductif (T1 à T6) est utilisé pour détecter les variations de flux radial provenant de l'objet ou s'y portant, sont attribuables à des varia- tions de la surface de section transversale de l'objet. 5. Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la tête de magnétisation (14) est uti- lisée pour magnétiser axialement dans des sens opposés la partie de l'objet qui se trouve dans le passage. 6. Appareil selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'une pluralité de transducteurs (T1 à T6) sont interconnectés en vue de produire un signal composite, et qu'il comprend un moyen (40) destiné à la comparaison du signal composite avec un signal de référence. 7. Appareil selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les transducteurs (T1 à T6) sont disposés de façon à former au moins un faisceau dans le sens axial de l'objet. 8. Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en ce qu'il comprend au moins deux des faisceaux de transducteurs dirigés axialement, positionnés respec- tivement sur des côtés diamétralement opposés de l'objet de grande longueur. 9. Appareil selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les transducteurs s'étendent axialement entre le premier et le second emplacements, emplacements o le champ magnétique est à un maximum dans l'objet, respectivement dans des sens opposés. 10. Appareil selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les transducteurs s'étendent axialement à partir de l'intérieur de la tête à un premier emplacement o le champ magnétique est à un maximum, jusqu'à un second emplacement situé à lexté- rieur de la tête, o le champ magnétique est nul dans l'objet. 11. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de transducteurs qui sont montés en formant une configuration de pont de façon à compenser les effets de la température (figure 4). 12. Appareil selon la revendication 11, carac- térisé en ce que la configuration de pont comprend deux faisceaux de transducteurs dirigés axialement (T1 à T4), lesquels sont positionnés respectivement sur des côtés diamétralement opposés de l'objet de grande longueur, et quatre faisceaux semi-circulaires (T2, T5, T3, T6) de transducteurs disposés en une première paire de fais- ceaux qui se font face, à proximité respectivement des premières extrémités des faisceaux axiaux, et en une seconde paire de faisceaux qui se font face, à proximité des secondes extrémités des faisceaux axiaux. 13. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 12, caractérisé en ce que le transducteur, ou chaque transducteur, est un multiplicateur à effet Hall ou bien une magnéto-résistance. 14. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 13, caractérisé en ce que la tête de magnétisation (14) comprend un pôle interne (16) d'une première polarité, deux pôles externes (18, 20) d'une seconde polarité qui est opposée à la première polarité, et des empilements magnétiques permanents (22, 24) entre le pôle intérieur et respectivement chacun des pôles extérieurs. 15. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 14, caractérisé en ce que le passage destiné à l'objet est défini par un gabarit (26) qui traverse la tête magnétique et en ce que le transducteur ou chaque transducteur est monté sur le gabarit.