Brevet FR2782803A1 — publié le 20000303

La présente invention concerne un capteur inductif destiné au contrôle non destructif de pièces de formes quelconques réalisées en un matériau électriquement conducteur. Un tel capteur trouve de nombreuses applications dans différents domaines industriels pour localiser des défauts dans des pièces manufacturées. A titre d'exemple nullement limitatif, le capteur inductif selon l'invention peut être utilisé pour contrôler les tubes des générateurs de vapeur équipant les centrales nucléaires ou les grands réservoirs de carburants. Il existe actuellement un grand nombre de capteurs inductifs. Ces capteurs diffèrent les uns des autres par leurs formes, le nombre de bobinages qu'ils comportent, les paramètres électriques et géométriques et le mode de connexion de ces bobinages. Lorsqu'un capteur inductif fonctionne avec un courant d'excitation alternatif basse fréquence ou continu, il est un capteur magnétique. Au contraire, lorsque ce capteur fonctionne avec un courant d'excitation de fréquence suffisamment élevée, il est un capteur à courants de Foucault. Le capteur selon l'invention peut fonctionner comme un capteur à courants de Foucault ou comme un capteur magnétique grâce à ses nombreux modes de connexion électrique. Généralement, les capteurs existants sont conçus pour une utilisation spécifique et ne peuvent pas fonctionner avec une même efficacité sur des cibles et des défauts très différents. Notamment, les capteurs existants concilient très difficilement la portée et la résolution spatiale, les gammes basse et haute du spectre fréquentiel du courant d'excitation, les défauts internes et externes à d'une paroi, les sensibilités par rapport aux différentes orientations d'un défaut, etc.. L'invention a pour objet un capteur dont la structure lui permet de fonctionner de différentes manières selon le mode de connexion électrique choisi, cette structure étant telle qu'il peut exciter la pièce à contrôler avec un champ magnétique et des courants de Foucault de caractéristiques variables, permettant ainsi son adaptation à des situations de fonctionnement très différentes. Conformément à l'invention, ce capteur comporte en effet plusieurs bobinages de géométries et de caractéristiques électromagnétiques sensiblement identiques, disposés selon une matrice. Les bobinages sont connectés aux moyens d'alimentation électrique et de mesure via un système de commutateurs électroniques ou électromécaniques afin qu'ils puissent assurer la double fonction émetteur-récepteur et être parcourus par un courant d'excitation dans les deux sens quand ils sont émetteurs. Les bobinages fonctionnant comme émetteurs sont parcourus par un même courant d'excitation. Un bobinage crée un champ magnétique dit "0 " (repéré par le signes lorsque le commutateur se trouve dans la position A et un champ magnétique dit "180 " (repéré par le signe *) Iorsque le commutateur se trouve dans la position B (voir figure 1). Parce que le sens de parcours du courant i est inversé quand le commutateur se bascule de la position A à la position B et vice versa, les champs magnétiques "0 " et "180 " se dirigent suivant les deux sens opposés. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, les bobinages sont carrés et plats (le rapport entre l'épaisseur et le côté d'un bobinage est inférieur ou égal à 0,1). Ils sont fixés côte à côte sur un support réalisé en un matériau électriquement isolant de façon que l'écart entre eux soit le plus faible possible. Le support est conçu pour avoir une forme qui épouse la forme de la cible à contrôler et pour être déplacé relativement à cette cible, de façon à effectuer un balayage de sa surface. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, le support est un film mince, souple et électriquement isolant tel qu'il peut être fixé aussi facilement sur une surface présentant une courbure que sur une surface plane. Selon des modes particuliers de réalisation: * Le support peut être fixé sur un noyau réalisé en matériau indéformable, électriquement isolant, non magnétique ou magnétique. * Pour une cible plane, le noyau peut être un parallélépipède rectangle. * Pour une cible tubulaire, le noyau peut être une barre ronde ou un tube. * Le nombre d'éléments de la matrice de bobinages peut varier selon I'application envisagée. Selon des modes particuliers de connexions électriques: * Un groupe de bobinages peut être connecté pour émettre un champ magnétique "0 " alors qu'un autre groupe émettre un champ magnétique "180 ". L'emplacement et le nombre d'éléments de chacun de ces groupes peuvent être variés selon l'application envisagée. * Tous les bobinages peuvent être connectés pour créer un champ magnétique "0 " ou "180 " et ils assurent en même temps les deux fonctions émetteur et récepteur. * Un seul bobinage ou groupe de bobinages peut être connecté en émetteurs alors que les bobinages entourant le ou lesdits émetteurs sont connectés en récepteurs. L'emplacement de cet ensemble émetteurs-récepteurs peut être déplacé périodiquement selon un cycle pendant que le capteur reste fixe à une position précise sur la cible. Les dessins annexés illustrent l'invention e* La figure 1 illustre la méthode d'inversion du sens de parcours du courant dans les bobinages. * La figure 2 est une vue de dessous représentant uniquement la matrice des bobinages comportant 16 éléments d'un capteur conforme à l'invention. * La figure 3 est une vue en coupe d'un capteur pourvu d'un noyau destiné aux cibles planes selon la ligne 11-11 de la figure 2. * La figure 4 est une vue comparable à la figure 2 illustrant un capteur destiné aux cibles tubulaires contrôlées par l'intérieur. * La figure 5 est un schéma électrique représentant l'association d'un élément de la matrice de bobinages aux différents blocs de circuits électriques. * Les figures de 6 à 12 illustrent les différents modes de connexion électriques réalisables avec la structure du capteur selon l'invention. Sur certaines de ces figures, seule la matrice de bobinages est présentée. Les courants de Foucault induits sont représentés par des flèches. Les carrés blancs représentent les emplacements des bobinages dans la matrice. Pour simplifier la description du fonctionnement du capteur selon l'invention, on se limite à une matrice de bobinages comprenant 16 éléments organisés en 4 lignes et 4 colonnes. Bien entendu, ceci ne constitue qu'un cas d'exemple nullement limitatif et le nombre de bobinages peut être déterminé librement selon l'application visée. En référence aux dessins annexés, le capteur comporte une matrice de bobinages (1), laquelle est fixée fermement sur un support (2) qui est fixé à son tour sur un noyau (3) (figures 2-4). Chacun des bobinages est désigné par une paire de chiffres indiquant son numéro de ligne et son numéro de colonne. Par exemple, le bobinage (1,1) est celui situé sur la ligne numéro 1 et la colonne numéro 1. Chaque bobinage est associé à un dispositif de mesure de la tension sur ses bornes (4), et à un dispositif destiné à inverser le sens de parcours du courant d'excitation (5). Un dispositif de multiplexage (6) est interposé entre la source d'alimentation électrique (7) et les bobinages et leurs dispositifs associés (4) et (5). Le dispositif (6) a plusieurs rôles: il permet de brancher les bobinages en parallèle ou en série, et de connecter ou déconnecter un bobinage de la source pour que ledit bobinage fonctionne en émetteur-récepteur ou en récepteur simple. Les figures 3 et 4 représentent deux variantes du capteur selon l'invention. La première variante (figure 3) est destinée au contrôle des cibles planes et la deuxième variante (figure 4) est destinée au contrôle des cibles tubulaires. Le support (2) est fixe sur le noyau (3), lequel est un parallélépipède rectangle électriquement isolant selon la figure 3 et un tube électriquement isolant selon la figure 4. Selon un mode de connexion électrique, les bobinages dans la matrice sont connectés de façon telle que chaque paire de lignes consécutives émette une paire de champs magnétiques "0 " et "180 " (voir figure 6). Ainsi, une différence de potentiels magnétiques se développe entre chaque paire de lignes et provoque des courants de Foucault circulant horizontalement dans la cible. Selon un autre mode de connexion électrique, les bobinages dans la matrice sont connectés de façon telle que chaque paire de colonnes consécutives émette une paire de champs magnétiques "0 " et "180 " (voir figure 7). Ainsi, une différence de potentiels magnétiques se développe entre chaque paire de colonnes et provoque des courants de Foucault circulant verticalement dans la cible. En appliquant successivement ces deux modes de connexion électrique, on peut créer des courants de Foucault dans les deux sens vertical puis horizontal, ce qui permet d'améliorer la possibilité de détecter les défauts d'orientation quelconque. Selon encore un autre mode de connexion électrique, les éléments situés sur les diagonales allant du haut à gauche au bas à droite de la matrice émettent les champs magnétiques "0 " et ceux sur les diagonales allant du haut à droite au bas à gauche de la matrice émettent les champs magnétiques "180 ". Ainsi, chaque pôle magnétique est entouré par trois ou quatre pôles magnétiques opposés et le flux du champ magnétique sortant de chaque pôle est très intense (voir figure 8). Selon encore un autre mode de connexion, tous les éléments de la matrice émettent des champs magnétiques identiques, soit "0 " soit "180 ". Ils forment ainsi un grand pôle magnétique équivalent à un grand bobinage mais la distribution du champ magnétique à l'intérieur de la matrice est beaucoup plus régulière que celle créée par un grand bobinage simple (voir figure 9). Puisque les éléments de la matrice peuvent assurer une double fonction émetteur-récepteur, ils peuvent scruter la cible avec une résolution beaucoup plus grande que celle d'un bobinage simple. Ainsi, on peut améliorer à la fois la portée du capteur et sa résolution. Selon encore un autre mode de connexion, seul un groupe de neuf éléments de la matrice est utilisé. L'élément central est un émetteur (repéré par la lettre E) alors que les huit éléments l'entourant sont des récepteurs (repérés par la lettre R). On scrute successivement le signal de chaque récepteur de façon à parcourir un carré autour de l'émetteur. Ensuite, on applique ce mode de connexion à un autre groupe de neuf éléments de la matrice de façon à parcourir toute la surface de cette matrice. Ce mode de fonctionnement est particulièrement utile lorsqu'on veut déterminer précisément I'emplacement du défaut (voir figure 10). Selon encore un autre mode de connexion électrique réalisé sur une matrice de bobinages plus grande (4x9), un groupe de bobinages est branché pour créer un champ magnétique "00" alors qu'un autre groupe est branché pour créer un champ magnétique "180 ". On obtient ainsi un dipôle magnétique. En modifiant l'emplacement de ces deux groupes de bobinages, on fait varier l'écartement du dipôle et la portée du champ magnétique. Ce mode de connexion est très utile lorsqu'on souhaite inspecter les défauts profonds ou situés sur la face opposée d'une paroi. En effet, pour inspecter les défauts à la surface de la cible, on utilise des dipôles dont l'écartement est faible (voir figures 1 a,b). Lorsqu'il s'agit de contrôler des défauts profonds ou situés sur l'autre face, on utilise un grand dipôle pour que le champ magnétique émis ait une grande portée. Les autres bobinages de la matrice seront utilisés comme récepteurs (voir figure 11c et 11d). Les figures 11b et 1 1d présentent des vues en coupe du capteur et de la cible selon la ligne A- A. On peut également faire varier l'emplacement de ces deux groupes de bobinages de façon à obtenir un champ magnétique tournant (voir figures 12a, 12b). Dans le premier temps, les lignes 1 et 2 émettent les champs magnétiques "0 " alors que les lignes 3 et 4 émettent les champs magnétiques "180 ". Un champ magnétique vertical est ainsi créé. Dans le deuxième temps, les colonnes 1 et 2 émettent les champs magnétiques "0 " alors que les colonnes 3 et 4 émettent les champs magnétiques "180 ". Un champ magnétique horizontal est ainsi créé. En alternant ces deux temps, on obtient un champ magnétique tournant entre deux directions horizontale et verticale. En choisissant d'autres emplacements des deux groupes de bobinages, on peut également créer des champs magnétiques dans les directions intermédiaires entre ces deux directions de base (voir figure 12c, 12d). Tout en conservant la possibilité de réalisation des modes de connexion précédents, les bobinages de la matrice peuvent être connectés en série ou en parallèle ou en parallèle par groupes de connexion en série. En effet, lorsqu'on fait varier la fréquence du courant d'excitation i, les bobinages des capteurs classiques souffrent de résonance à hautes fréquences et d'une trop faible impédance à basses fréquences. Grâce au capteur selon l'invention, on peut connecter les bobinages en série pour obtenir une impédance suffisante à basse fréquence et les connecter en parallèle à hautes fréquences afin d'éviter la résonance. En manipulant habilement les combinaisons série- parallèle, on peut obtenir une adaptation d'impédance entre le moyen d'alimentation et la charge constituée par ces bobinages. Lorsqu'on alimente le capteur par un courant d'excitation basse fréquence ou continu, il fonctionne en capteur magnétique. Dans ce cas, pour obtenir une impédance convenable vis-à-vis du moyen d'alimentation, les bobinages sont connectés en série. La description qui précède montre que l'agencement des bobinages du capteur selon l'invention permet d'envisager des modes de connexion adaptés aux applications visées en vue d'obtenir une bonne efficacité d'une structure préfabriquée. REVENDICATION 1. Capteur inductif caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de bobinages de caractéristiques électromagnétiques et géométriques identiques (1), fixée sur un support souple et électriquement isolant (2), et associée à des inverseurs (5) capables d'inverser indépendamment le sens de parcours du courant d'excitation dans chaque bobinage. 2. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support (2) est souple tel qu'il peut être fixé sur des surfaces épousant celle de la cible à contrôler. 3. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque bobinage de la matrice est associé à un dispositif de mesure de la tension sur ses bornes (4). 4. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bobinages sont carres. 5. Capteur selon la revendication 1 dans lequel des inverseurs du sens de parcours du courant d'excitation (5) sont interposés entre le dispositif de multiplexage (6) et les bobinages afin que des différences de potentiel magnétique se forment entre des groupes distincts de bobinages. 6. Capteur selon les revendications 1 et 5 dans lequel des inverseurs du sens de parcours du courant d'excitation (5) sont interposés entre le dispositif de multiplexage (6) et les bobinages afin que les différences de potentiel magnétique se déplacent pour former un champ magnétique tournant. 7. Capteur selon la revendication 1 dans lequel un dispositif de multiplexage (6) est interposé entre la source d'alimentation électrique (7) et les bobinages et leurs dispositifs associés (4) et (5), afin que les bobinages soient branchés en émetteur- récepteur ou en récepteur simple. 8. Capteur selon les revendications 1 et 7 dans lequel un dispositif de multiplexage (6) est interposé entre la source d'alimentation électrique (7) et les bobinages et leurs dispositifs associés (4) et (5), afin qu'un bobinage soit branché en émetteur et les bobinages l'entourant soient successivement branchés en récepteurs. 9. Capteur selon les revendications 1, 7 et 8 dans lequel un dispositif de multiplexage (6) est interposé entre la source d'alimentation électrique (7) et les bobinages et leurs dispositifs associés (4) et (5), afin que l'emplacement de l'émetteur et des récepteurs se déplacent sur la matrice (1).