Brevet FR2679336A1 — publié le 19930122

La présente invention concerne le contrôle non destructif des produits métalliques longs tels que des fils, des barres ou des tubes, ce contrôle étant effectué lors de leur fabrication, c'est-à-dire lorsque ces produits métallurgiques longs se déplacent, généralement à grande vitesse, dans l'installation de fabrication. L'invention concerne plus particulièrement un appareil destiné à détecter par courants de Foucault des défauts de surface du produit métallique à contrôler. On connait actuellement deux types de capteurs de défauts basés sur la détection de la variation des courants de Foucault créés dans le produit métallurgique à contrôler, ladite variation étant causée par les défauts à détecter. Un premier type de capteur est constitué par les capteurs "encerclants" qui comportent au moins une bobine cylindrique disposée coaxialement autour du produit métallurgique à contrôler On peut les classer en quatre familles schématiquement. Une première famille est le capteur encerclant différentiel à émission et réception confondues. I1 comporte deux bobines identiques disposées en alignement l'une derrière l'autre et montées en opposition. On effectue alors une mesure différentielle d'impédance, le signal étant nul lorsqu'il nty a pas de défaut. Ce modèle de capteur est très sensible aux défauts courts, c'est-àdire aux défauts dont la longueur est de l'ordre de celle des bobines. I1 présente un bon rapport signal/bruit, mais il présente l'inconvénient d'être insensible aux défauts longs dont seul le début et la fin peuvent être détectés lorsque les extrémités du défaut sont "franches". Une deuxième famille de capteur encerclant est le capteur différentiel à émission et réception séparées. I1 comporte une bobine cylindrique émettrice et deux bobines réceptrices cylindriques identiques disposées à l'intérieur de la bobine émettrice symétriquement par rapport au plan transversal médian de celle-ci. On effectue également une mesure différentielle du couplage électromagnétique entre la bobine émettrice et les deux bobines réceptrices. Ces capteurs présentent les mêmes avantages et le même inconvénient que le capteur à émission et réception confondues qui vient d'être décrit. Mais le fait de séparer l'émission et la réception permet d'injecter un courant très élevé à l'émission sans saturer la réception, ce qui entraîne un gain en sensibilité. Il existe également des capteurs encerclants "absolus" à émission et réception confondues ou séparées. Les premiers comportent une seule bobine qui est à la fois émettrice et réceptrice et le signal obtenu correspond en fait aux variations d'impédance complexes de la bobine. Ces capteurs encerclants absolus sont sensibles à la fois aux défauts courts et aux défauts longs, mais ils présentent un très mauvais rapport signal/bruit et ne peuvent donc être utilisés dans le cas où l'on ne peut supprimer la cause du bruit, ce qui est le cas en particulier du contrôle à chaud et en ligne d'un fil métallique. Les capteurs encerclants absolus à émission et réception séparées comportent deux bobines coaxiales, une bobine émettrice et une bobine réceptrice à l'intérieur de cette dernière. Ils présentent les mêmes avantages et inconvénients que les capteurs encerclants absolus à émission et réception confondues mais le fait de séparer l'émission et la réception permet de travailler avec des courants plus élevés au niveau de l'émission. On connait également des dispositifs capteurs comportant des sondes tournantes qui permettent de détecter tous les types de défauts, mais ces capteurs ont une structure complexe du point de vue mécanique et ils ne peuvent en aucun cas être utilisés pour un contrôle sur des produits métallurgiques chauds. La présente invention se propose de fournir un appareil de contrôle non destructif par variation de courants de Foucault de produits métallurgiques longs, de type statique, qui soit capable de détecter à la fois les défauts courts et les défauts longs. L'invention a pour objet un appareil de contrôle non destructif par courants de Foucault de produits métalliques longs en défilement du type comportant une bobine cylindrique émettrice disposée coaxialement autour du produit métallique à contrôler et deux bobines réceptrices cylindriques identiques disposées à l'intérieur de la bobine émettrice coaxialement au produit métallique à contrôler, ces deux bobines réceptrices étant disposées symétriquement par rapport au plan transversal médian de la bobine émettrice, les deux bobines réceptrices étant montées en différentiel, le signal de mesure correspondant à la différence des deux signaux produits par les deux bobines, caractérisé en ce qu'il comporte une bague cylindrique en matériau électroconducteur disposée au moins partiellement à l'intérieur de la bobine émettrice coaxialement au produit métallique à contrôler. Cette bague crée une dissymétrie du champ magnétique fourni par la bobine émettrice de telle sorte que l'une des bobines devient plus sensible que l'autre aux défauts longs. Avantageusement, la bague est en métal, et de préférence en métal amagnétique, tel qu'un acier inoxydable amagnétique ou du cuivre, ce qui permet d'éviter une atténuation trop élevée. Elle peut également être en tout autre matériau conducteur de l'électricité, tel que du carbone, ou encore en matériau semiconducteur. Le diamètre de ladite bague cylindrique est du même ordre de grandeur que le diamètre des bobines réceptrices. Elle se comporte en fait comme un atténuateur de champ magnétique qui agit localement. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite bague est disposée de manière dissymétrique à la bobine émettrice. Elle est avantageusement disposée à une extrémité de la bobine émettrice à la suite des deux bobines réceptrices et son diamètre est sensiblement égal à celui des deux bobines réceptrices. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ladite bague s'étend sur toute la longueur de la bobine émettrice à l'intérieur des bobines réceptrices et son épaisseur présente une dissymétrie par rapport au plan médian transversal de la bobine émettrice. La bague précitée constitue alors un tube de protection mécanique des bobines contre les vibrations du fil. Dans ce cas, la bobine présente une surépaisseur locale qui perturbe uniquement une des bobines réceptrices. Cette surépaisseur est par exemple localisée au niveau d'une des bobines. Avantageusement, dans le cas où le produit à contrôler est à température élevée, on prévoit un dispositif de refroidissement à circulation d'eau dont la bague précitée constitue le manchon intérieur, le manchon extérieur étant constitué par un élément en résine dans lequel sont noyées les bobines. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil conforme à la présente invention - la figure 2 et 3 sont des diagrammes représentant les signaux fournis par un capteur encerclant différentiel à émission et réception séparées de type connu respectivement pour un défaut court et pour un défaut long - la figure 4 est une figure expliquant l'effet d'atténuation apporté par la présente invention - les figures 5 et 6 sont des diagrammes correspondant aux diagrammes des figures 2 et 3 mais montrant les signaux obtenus avec un appareil conforme à la présente invention ; et - la figure 7 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente schématiquement un appareil destiné à effectuer un contrôle non destructif d'un produit métallurgique long 1 qui défile dans une installation de fabrication. Cet appareil est destiné en particulier à détecter des défauts de surface du produit métallurgique 1. Il est essentiellement constitué d'un bobine émettrice 2 cylindrique qui est coaxiale au produit métallurgique 1. Dans cette bobine émettrice 2 sont disposées deux bobines réceptrices identiques 3 et 4 qui sont également coaxiales par rapport à l'axe de défilement du produit métallurgique 1 et qui sont disposées symétriquement dans la bobine 2, c'est-à-dire qu'elles sont disposées symétriquement par rapport au plan médian transversal 6 de la bobine 2. Ce qui vient d'être décrit constitue un capteur à courants de Foucault du type encerclant différentiel à émission et réception séparées de type connu. La bobine émettrice 2 est alimentée avec un courant alternatif dont la fréquence est adaptée à la profondeur des défauts de surface à détecter ; sa fréquence peut varier par exemple de 5 à 300 kHz, une fréquence élevée correspondant à une épaisseur de pénétration faible dans le produit à contrôler. Chaque défaut de surface entraîne une perturbation des courants de Foucault induits dans le produit métallurgique 1. Ceci correspond à une perturbation de l'induction totale ; la variation induite dans les bobines secondaires 3 et 4 étant faible, celles-ci sont montées en différentiel, c'est-à-dire que la tension de réception traitée par l'appareil courants de Foucault est la différence des tensions induites aux bornes des deux bobines 3 et 4. Ces tensions induites peuvent être par exemple de l'ordre de 100 V crête à crête pour un courant d'excitation primaire de 1 A crête à crête. En l'absence de perturbation, les deux tensions induites sont égales et le signal obtenu est nul. La figure 2 représente les signaux obtenus aux bornes de l'appareil lorqu'un défaut court, c'est-à-dire un défaut dont la longueur correspond à peu près à la longueur d'une bobine réceptrice défile dans l'appareil. L'appareil courants de Foucault enregistre les variations d'amplitude et de phase de la tension différentielle de réception par rapport au courant d'alimentation de la bobine émettrice 2. I1 est classique, pour représenter les variations d'amplitude et de phase d'un signal par rapport à un autre, d'utiliser un formalisme mathématique faisant appel aux nombres complexes. On définit ici un signal complexe dont le module est proportionnel aux variations d'amplitude et la phase égale aux variations de phase. Les deux courbes de la figure 2 sont respectivement les parties réelle et imaginaire du signal complexe de défaut obtenu avec un capteur différentiel. Les deux signaux obtenus sont redressés, filtrés et soumis à une détection à seuil afin de fournir un signal caractéristique du défaut considéré. Dans le cas d'un défaut court, les deux bobines détectent les variations de courants dues aux défauts de manière séparée dans le temps et on obtient alors les signaux équilibrés représentés sur la figure 2. Par contre, lors de l'apparition d'un défaut long, la détection est impossible car un tel défaut ne provoque un signal important que lors du passage de son début (instant Tl) et de sa fin (instant T2) devant les bobines réceptrices. On obtient alors les signaux de parties réelle et imaginaire représentés sur les diagrammes de la figure 3 ; ils ne permettent pas d'obtenir une détection du signal. Conformément à l'invention, on dispose dans la bobine émettrice 2 une bague électroconductrice cylindrique coaxiale à l'axe de défilement du produit métallique 1. Cette bague est de préférence réalisée en matériau amagnétique tel que l'acier inoxydable, le titane, le zirconium etc. Le diamètre de cette bague 5 (voir figure 1) est de l'ordre du diamètre des deux bobines réceptrices 3 et 4. Le but de cette bague est de réaliser une atténuation locale du champ magnétique créé par la bobine émettrice 2. Ceci est illustré sur la figure 4 où l'on a représenté le diagramme du champ magnétique induit au niveau de l'axe y des bobines, c'est-à-dire de l'axe du produit 1 dans un appareil de type classique, c'est-àdire sans bague (courbe en trait plein) et le même champ magnétique induit conformément à l'invention (courbe en trait interrompu). On voit que la bague 5 a pour effet d'atténuer localement le champ magnétique créé par la bobine 2 au niveau d'une seule des bobines réceptrices, la bobine réceptrice 4 en l'occurence. On introduit donc un déséquilibre entre les deux bobines réceptrices de manière aisée et reproductible. Ce déséquilibre doit rester inférieur à la limite d'équilibrage de l'appareil de contrôle à courants de Foucault utilisé. Du fait de la dissymétrie créée dans le champ magnétique, la deuxième bobine réceptrice 3 est plus sensible aux variations des paramètres physiques tels que l'état de surface du produit, son diamètre, la conductivité électrique et la perméabilité magnétique du produit, les vibrations du produit etc. Il en résulte qu'un défaut long ne perturbera pas de manière identique les deux récepteurs ce qui va entraîner un décalage du zéro pendant tout le temps de défilement de ce défaut long devant les bobines réceptrices. Ceci est illustré sur les figures 5 et 6 qui représentent les signaux obtenus dans le cas d'un défaut court (figure 5) et dans le cas d'un défaut long (figure 6). On voit que pendant tout le temps de passage du défaut long, le signal fourni présente un décalage (D,D') du zéro qui est fonction de la profondeur du défaut. Le décalage du zéro constaté permet, par projection, redressement et détection à seuil de capter les défauts longs du produit à contrôler. Avangeusement, on prévoit un filtre passe-bas dans le dispositif du traitement du signal correspondant à un défaut long, ce qui permet d'obtenir un meilleur rapport signal/bruit. La figure 7 représente une variante de réalisation de l'invention dans laquelle la bague métallique 11 s'étend sur toute la longueur de la bobine émettrice 2, les bobines réceptrices 3 et 4 étant disposées à l'extérieur de la bague. Dans ce cas, l'atténuation locale du champ magnétique est obtenue par le fait que l'épaisseur de la bague 11 présente une dissymétrie; par exemple la bague comporte une surépaisseur locale 12 qui introduit une variation locale du champ magnétique au niveau d'une des bobines, la bobine 4 par exemple. Cette surépaisseur 12 est par exemple prévue au niveau de la bobine 4. Ce mode de réalisation permet d'utiliser la bague métallique 11 comme tube de protection mécanique séparant le produit métallique 1 des bobines constituant le capteur. Ce tube constitue une protection en particulier contre les vibrations du produit, en particulier dans le cas d'un fil. Dans le cas où l'on effectue un contrôle dans une partie de l'installation où le produit est à température élevée, on peut prévoir un dispositif de refroidissement des bobines dont la bague 11 constitue un des éléments. Elle constitue un manchon intérieur et le manchon extérieur est constitué par un manchon de résine 13 dans lequel les bobines sont noyées. Ces deux manchons délimitent une chemise 14 dans laquelle on fait circuler un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas où l'on réalise un contrôle à un emplacement de l'installation de fabrication où le produit métallique défile à température élevée. On voit que l'invention permet d'obtenir un capteur statique à courants de Foucault qui est capable de détecter à la fois les défauts courts et les défauts longs. Comme indiqué plus haut, l'invention s'applique également pour le contrôle à chaud des produits métallurgiques longs. Bien évidemment, comme cela a été indiqué plus haut, le déséquilibre qui est induit par l'atténuation locale du champ magnétique est limité de manière à obtenir encore une compensation suffisante des différents bruits qui peuvent être créés par exemple par la vibration du produit, les variations de sa perméabilité magnétique, les variations de son diamètre etc. En fait, l'invention permet d'obtenir un compromis entre les capteurs encerclants différentiels à émission et réception séparées et les capteurs encer clants absolus à émission et réception séparées. En effet, grâce à l'invention on obtient une sensibilité satisfaisante aux défauts longs que ne peuvent pratiquement pas détecter les capteurs différentiels. Par ailleurs, le rapport signal/bruit est fortement amélioré par rapport à celui que l'on obtient avec les capteurs absolus. REVENDICATIONS 1. Appareil de contrôle non destructif par courants de Foucault de produits métalliques longs en défilement du type comportant une bobine cylindrique émettrice (2) disposée coaxialement autour du produit métallique à contrôler et deux bobines réceptrices cylindriques identiques (3,4) disposées à l'intérieur de la bobine émettrice (2) coaxialement au produit métallique à contrôler (1), ces deux bobines réceptrices (3,4) étant disposées symétriquement par rapport au plan transversal médian (6) de la bobine émettrice (2), les deux bobines réceptrices (3,4) étant montées en différentiel, le signal de mesure correspondant à la différence des deux signaux produits par les deux bobines, caractérisé en ce qu'il comporte une bague cylindrique (5,11) en matériau électroconducteur disposée au moins partiellement à l'intérieur de la bobine émettrice (2) coaxialement au produit métallique à contrôler (1). 2. Appareil statique de contrôle non destructif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bague (5,11) est en matériau amagnétique. 3. Appareil statique de contrôle non destructif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de ladite bague cylindrique (5,11) est du même ordre de grandeur que le diamètre des bobines réceptrices (3,4). 4. Appareil statique de contrôle non destructif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite bague (5) est disposée de manière dissymétrique dans la bobine émettrice (2). 5. Appareil statique de contrôle non destructif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite bague (5) est disposée à une extrémité de la bobine émettrice (2), à la suite des deux bobines réceptrices (3,4). 6. Appareil statique de contrôle non destructif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite bague (5) a un diamètre sensiblement égal à celui des deux bobines réceptrices (3,4). 7. Appareil statique de contrôle non destructif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite bague (11) s'étend sur toute la longueur de la bobine émettrice (2) à l'intérieur des bobines réceptrices (3,4) et en ce que son épaisseur présente une dissymétrie par rapport au plan médian transversal (6) de la bobine émettrice (2). 8. Appareil statique de contrôle non destructif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite bague (11) présente une surépaisseur (12) au niveau d'une des bobines réceptrices (4). 9. Appareil statique de contrôle non destructif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite bague (11) constitue un tube de protection mécanique et en ce que l'on prévoit un dispositif de refroidissement par circulation de fluide comportant un deuxième manchon (13) extérieur à ladite bague (11) et dans lequel les bobines (2,3,4) sont noyées.