Brevet FR2780510A1 — publié le 19991231

I La présente invention concerne un dispositif capable de créer un champ magnétique et des courants électriques induits dirigeables par des consignes électriques dans une cible réalisée en matériaux magnétiques ou en matériaux électriquement conducteurs afin d'y détecter des défauts de manière non destructive. Ce dispositif peut être utilisé dans un capteur à courants de Foucault ou dans n'importe quel autre type de capteur dont le fonctionnement nécessite l'application d'un champ magnétique à la cible. A titre d'exemple nullement limitatif, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour contrôler de manière non destructive les tubes des générateurs de vapeurs équipant les centrales nucléaires ou les plaques réalisées en composites carbones. Dans les dispositifs de contrôle non destructif utilisant un champ magnétique, il est nécessaire de soumettre la cible à un champ magnétique de propriétés appropriées et d'étudier la distribution des grandeurs électromagnétiques dans l'espace englobant cette cible. Par exemple dans la méthode du flux de dispersion, on applique un champ magnétique à la cible à l'aide d'un aimant électrique (solénoïde parcouru par un courant électrique). On utilise alors des capteurs de champ pour étudier la distribution du champ magnétique à la surface de la cible. Si un défaut est présent dans la cible, il pourrait perturber les lignes de champ, provoquant ainsi une dispersion locale du flux de champ magnétique, ce qui révèle son existence. Cette méthode est surtout utilisée pour contrôler les cibles réalisées en matériaux magnétiques. La méthode des capteurs à courants de Foucault nécessite également l'application d'un champ magnétique à la cible mais, à la différence de la méthode du flux de dispersion qui utilise un champ magnétique continu ou de basses fréquences, le champ magnétique dans cette méthode est souvent de fréquences suffisamment élevées afin de pouvoir induire des courants de Foucault dans la 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 (voir figure 1). Le bobinage d'excitation est parcouru par un courant alternatif de fréquence appropriée i = 10sin(2inft+) 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 (voir figure 2). Grâce aux bobinages de mesure ou à des 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 permet pas de bien détecter les défauts dont l'orientation est parallèle au trajet naturel des courants induits. Ceci est dû au fait que ces défauts ne modifient pas de façon significative ce trajet (voir figure 3). En effet, pour que la détection d'un défaut soit efficace, ce défaut doit couper le trajet naturel des courants induits. Or, on ne peut pas modifier ce trajet naturel avec un seul bobinage d'excitation. Il en est de même avec les autres méthodes nécessitant l'application d'un champ magnétique à la cible. Dans tous les cas, ce champ magnétique doit être dirigeable électriquement selon les orientations comprises entre 0 et 360 afin que le contrôle soit souple et efficace. Les dispositifs existants ne possèdent souvent qu'un seul bobinage et ne peuvent pas créer de champ magnétique dirigeable. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient. Il comporte en effet, selon une première caractéristique, deux bobinages d'excitation (2) et (3), lesquels sont composés de nappes de spires jointives et sont superposés l'un sur l'autre de sorte que leurs axes soient orthogonaux et que leurs spires respectives se croisent de manière orthogonale sur au moins une surface commune non négligeable (voir figure 4). Cette surface commune constitue la surface utile pour la détection de défauts, elle est également appelée la surface active du capteur. Ces deux bobinages permettront de créer un champ magnétique dirigeable et, si la cible est électriquement conductrice, des courants induits dans la partie de la cible située sous la surface active dont le trajet naturel sera modifiable, comme l'expliquent les paragraphes suivants. Les deux bobinages d'excitation (2) et (3) sont parcourus par deux courants alternatifs d'amplitudes différentes mais de fréquences et de phases identiques i1 = 1lsin(27rft+.) et i2 = 12sin(2ft+(). D'après les théories en électromagnétisme, ils créent donc des champs magnétiques dits élémentaires orthogonaux. Le champ magnétique primaire résultant de la composition de ces deux champs élémentaires aura une orientation déterminée par les amplitudes respectives des courants d'excitation (voir figure a). Egalement selon les théories en électromagnétisme, lorsqu'un bobinage porteur d'un courant alternatif se trouve à proximité d'une cible conductrice, les courants induits sous la surface couverte par ses spires ont tendance à circuler parallèlement à celles-ci (voir figure 5b). On observe également ce même phénomène avec le système de deux bobinages si un seul d'entre eux est parcouru par un courant. Puisque les spires des deux bobinages sont orthogonales, lorsqu'on coupe le courant dans l'un des deux bobinages et que l'on fait passer un courant identique dans l'autre bobinage, I'orientation des courants induits dans la cible change de +90 ou -90 , selon le sens de passage du courant dans le bobinage d'excitation. La relation entre l'amplitude d'un courant circulant dans un bobinage d'excitation et celles des courants induits dans la cible peut être déterminée par les théories en électromagnétisme. Lorsque tous les deux bobinages sont parcourus en même temps par deux courants électriques d'amplitudes différentes mais de fréquences et phases identiques, ils créent simultanément des courants induits dans les deux orientations perpendiculaires, désignées par les symboles "0 " et "+/- 90 ". Ils composent des courants induits résultants dont l'orientation et l'amplitude sont variables en fonction des amplitudes des courants dans les bobinages d'excitation. L'angle géométrique entre le vecteur du champ magnétique composé et le vecteur directif de l'éventuelle nappe de courants induits est de 90 (voir figure 5c). Afin que le champ magnétique composé et les courants induits dans la cible conservent leurs amplitudes pour toutes les orientations possibles entre 0 et 90 , les courants des deux bobinages d'excitation doivent respecter les relations suivantes: i1 = losin(I))sin(2nft+90 ) i2 = klocos(t)sin(2nft+90 ) avec 10: amplitude maximale, '): angle d'orientation des courants induits, k: constante corrective introduite pour tenir compte du fait que les bobines sont pas strictement identiques. Cette constante est à déterminer au cas par cas selon les configurations particulières. Pour avoir un angle ( 90 , il suffit d'inverser le sens de circulation de l'un des courants d'excitation il ou i2. Ceci est réalisable à l'aide de commutateurs électromécaniques ou électroniques. La figure 6 illustre ces relations. Pour adapter le principe décrit ci-dessus à des configurations particulières, on peut également brancher plusieurs bobinages d'excitation en série et les disposer de manière adéquate pour former deux groupes de bobinages principaux: un premier groupe destiné à créer des courants induits selon une orientation, désignée par le symbole "0 ", et un deuxième groupe destiné à créer des courants induits selon une autre orientation perpendiculaire à la première, désignée par le symbole "90 ". On verra plus loin que cette structure de plusieurs bobinages est particulièrement adaptée à la géométrie tubulaire. Ainsi, lorsqu'on modifie les amplitudes des courants circulant dans les bobinages d'excitation, on peut créer un champ magnétique et éventuellement des nappes de courants induits de n'importe quelle orientation et attaquer les éventuels défauts sous n'importe quel angle (voir figure 7). A titre d'exemple non limitatif, ceci est réalisé à l'aide d'amplificateurs de gains variables et de commutateurs électromécaniques ou électroniques. (voir figure 8). Pour obtenir un fonctionnement efficace et pour réduire l'encombrement du dispositif selon l'invention, l'épaisseur des bobinages d'excitation doit être très faible par rapport au plus petit segment de la plus petite des surfaces actives. Ce rapport doit être inférieur ou égal à 1/10. Selon des modes particuliers de réalisation: * Les deux bobinages d'excitation peuvent être réalisés sur un noyau servant de support réalisé en matériaux non magnétiques (perméabilité magnétique relative pr =1) ou magnétiques (perméabilité magnétique relative pr >1) et peu électriquement conducteurs. L'utilisation d'un matériau magnétique comme noyau favorisera le couplage électromagnétique entre le capteur et la cible car le noyau constitue un circuit magnétique et diminue donc la réluctance à l'intérieur du capteur. On pourrait ainsi utiliser un noyau en ferrite ou en fer silicium feuilleté. * Le noyau peut avoir la forme d'un parallélépipède rectangle (voir figure 9) ou d'un tube (voir figure 10). Dans le premier cas, le capteur sera destiné aux cibles planes, alors que dans le deuxième cas, il sera destiné aux cibles tubulaires. Ce noyau pourrait également avoir une forme particulière pour épouser la surface d'une cible quelconque (voir figure 1 1). * Chaque bobinage d'excitation 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 à contrôler. On obtient alors deux groupes de bobinages principaux au lieu de deux bobinages. * Les bobinages appartenant à un des deux groupes principaux peuvent être connectés à des sources d'alimentation électriques via des commutateurs électromécaniques ou électroniques de telle sorte que deux bobinages consécutifs puissent créer des flux de champs magnétiques qui s'ajoutent ou qui s'annulent. Cette configuration est particulièrement utile dans les capteurs destinés à contrôler les cibles tubulaires. * 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. On peut disposer ces bobinages de mesure ou capteurs de champ magnétique sous forme d'une matrice pour avoir une cartographie du champ secondaire (voir figure 12). Pour ne pas éloigner les bobinages d'excitation de la cible inutilement, ces bobinages de mesure ou capteurs de champ doivent être de très faible épaisseur. Cette épaisseur doit être inférieure à un dixième de la largeur de la plus petite des surfaces actives. * Dans le cas o le dispositif selon l'invention est utilisé dans un capteur à courants de Foucault, des dispositifs électroniques et informatiques peuvent être utilisés pour mesurer les tensions aux bornes de chaque bobinage puis effectuer une sommation en temps réel de ces tensions. L'allure de la courbe représentant la somme de ces tensions par rapport à l'angle de rotation de la nappe des courants induits permet de déterminer l'orientation d'un éventuel défaut. Les dessins annexés illustrent l'invention: * Les figures de 1 à 3 expliquent le principe de fonctionnement d'un capteur à courants de Foucault traditionnel. * Les figures de 4 à 12 expliquent le principe de fonctionnement du dispositif de I'invention. * Les figures de 13 à 15 illustrent deux modes de réalisation possibles du dispositif de l'invention. En référence aux figures 4, 13, 14 et 15 le dispositif comporte un noyau servant de support (1). Ce noyau est un parallélépipède rectangle dans la forme de réalisation selon la figure 13 et un tube dans la forme de réalisation selon les figures 14 et 15. Sur ce noyau (1), deux bobinages ou groupes de bobinages (2) et (3) sont réalisés de telle sorte qu'ils possèdent des surfaces communes les plus larges possible et que leurs spires respectives se croisent de manière orthogonale sur ces surfaces. Les figures 13, 14, 15 donnent trois exemples non limitatifs de réalisation. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 13, le premier bobinage (2) est réalisé sur les faces A1, A2, A3, A4 du noyau alors que le deuxième bobinage (3) est réalisé sur les faces A5, A2, A6, A4 du noyau. Les surfaces actives correspondent aux faces A2 et A4. Le dispositif final est désigné par le numéro (5). Il s'agit de la structure de capteur destiné aux cibles planes. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 14, le premier bobinage (2) est réalisé de façon radiale pour que ses spires soient parallèles aux génératrices du noyau tubulaire à l'extérieur de celui-ci, alors que le deuxième bobinage (3) est réalisé de manière circulaire sur le noyau pour que ses spires soient orthogonales aux génératrices du noyau tubulaire à l'extérieur de celui-ci. La surface active correspond à la surface sur la face extérieure du tube o les spires des deux bobinages se croisent de manière orthogonale. Le dispositif final est désigné par le numéro (5). Il s'agit d'un capteur destiné aux cibles tubulaires. On peut remarquer que dans la configuration illustrée sur la figure 14, le deuxième bobinage (2) ne peut pas couvrir toute la circonférence du noyau (1) pour éviter que le champ magnétique créé ne soit pas uniquement confiné dans l'espace intérieur dudit noyau à cause de sa forme torique. Pour la même raison, si le noyau (1) est en matériau magnétique (par exemple en ferrite), il est recommandé que seule la partie couverte par les spires du noyau (1) soit en matériau magnétique et le reste dudit noyau soit en matériau non magnétique. D'après les considérations théoriques et pratiques, la partie couverte par les spires du bobinage (2) ne devrait pas dépasser la moitié de la circonférence du noyau (1). Puisque l'autre moitié de la circonférence du noyau (1) n'est pas couverte par des spires, la surface active est faible. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 15, on a pu éviter cet inconvénient. Le bobinage (2) est composé de deux bobinages (2a) et (2b) identiques disposés symétriquement par rapport au centre du noyau et occupant une partie de la circonférence du noyau correspondant à un angle cc (voir figure 15a). Ils sont connectés en série et de façon telle qu'ils créent, à tout instant, des flux de champs magnétiques opposés (les signes * indiquent la polarité des bobinages). Le noyau peut être réalisé avantageusement en matériau magnétique dans sa totalité. Comme on peut le voir sur la figure 15a, les bobinages (2a) et (2b) forment ainsi deux pôles magnétiques à leurs extrémités, ce qui permet d'engendrer des courants induits dans le sens longitudinal du tube. Le bobinage (3) permet de créer les courants induits dans le sens de la circonférence du tube. Ces deux nappes de courants induits composent une nappe de courants induits dirigeable dont l'orientation est déterminée par la relation entre les courants il et i2 exposée plus haut. Le champ magnétique composé par les champs élémentaires créés par les bobinages (2a), (2b) et (3) se trouve à 90 par rapport au vecteur directif de la nappe de courants induits dirigeable. Le dispositif comporte en outre un boîtier (5) pour loger l'électronique, un trou de fixation (6) et un câble (7). Selon un autre mode de réalisation non illustré ici, le bobinage (2) comprend un nombre pair de bobinages identiques connectés en série et de façon telle que les flux de champs magnétiques engendrés par les deux bobinages consécutifs s'opposent. La longueur de chaque bobinage est déterminée selon chaque application pour optimiser le couplage électromagnétique entre le capteur et la cible. Quoi qu'il en soit, la matrice des bobinages de mesure ou de capteurs de champ magnétique (4) est placée entre la surface commune utile et la cible afin de collecter les informations sur le champ secondaire. Par souci de clarté, cette matrice n'est pas dessinée sur le dispositif final (5) de la figure 14. Les groupes de bobinages (2) et (3) sont alimentés par deux sources de signal lesquels doivent être capables d'imposer les amplitudes voulues des courants i1 et i2 dans ces bobinages. La description qui précède montre que la structure du dispositif selon l'invention permet de créer un champ magnétique et des courants induits dirigeables par des consignes électriques afin d'augmenter la possibilité de détecter la présence des défauts inclus dans une cible et de déterminer leur emplacement et leurs caractéristiques. REVENDICATION 1. Dispositif destiné à effectuer le contrôle non destructif sur des objets en matériaux magnétiques ou en matériaux électriquement conducteurs par la méthode des courants de Foucault ou par une méthode quelconque dont le fonctionnement nécessite I'application d'un champ magnétique à la cible caractérisé en ce qu'il comporte un noyau (1), deux groupes de bobinages d'excitation (2) et (3), et des bobinages de mesure ou des capteurs de champ magnétique (4). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bobinages d'excitation sont composés de nappes de spires jointives et que les bobinages d'excitation appartenant à I'un des deux groupes de bobinages (2) et (3) sont superposés sur ceux de l'autre groupe de façon telle que leurs axes soient orthogonaux et que leurs spires se croisent de manière orthogonale sur au moins une surface commune non négligeable, laquelle constitue une surface active utile pour la détection de défauts. 3. Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur des bobinages d'excitation et le segment le plus petit de la plus petite des surfaces actives est inférieur ou égal à 0,1. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le noyau (1) est un parallélépipède rectangle pour les cibles planes. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le noyau (1) est un tube pour les cibles tubulaires. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que le noyau (1) a une forme qui épouse la surface de la cible à contrôler. 7. Dispositif selon les revendications 1, 4 et 5 caractérisé en ce que le noyau (1) est en matériaux magnétiques (de perméabilité magnétique relative supérieure à 1) et très peu électriquement conducteurs. 8. Dispositif selon les revendications 1, et 5 caractérisé en ce que le groupe de bobinages (2) comprend un nombre pair de bobinages et que ces bobinages sont connectés en série et de façon telle que les flux de champs magnétiques créés par chaque paire de deux bobinages consécutifs s'opposent. 9. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bobinages de mesure ou les capteurs de champ magnétique (4) sont fixés sur la surface utile, entre le capteur et la cible, sous forme d'une matrice. 10. Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que les dispositifs électroniques et informatiques effectuent la somme des tensions aux bornes des bobinages appartenant à deux groupes de bobinages principaux pour déterminer l'orientation des éventuels défaut.