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pour : "Procédé et appareil pour la détermination de l'épaisseur de revêtements" Priorité d'une demande de brevet en Australie déposée le
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6 août 1982, sous le n PF 5249/82.
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"Procédé et appareil pour la détermination de l'épaisseur de revêtements" La présente invention est relative à la détermination de l'épaisseur du revêtement existant sur un objet très long, tel qu'un fil, un ruban, etc., comportant un support ferromagnétique pour le revêtement. Les revêtements auxquels l'invention est applicable sont normalement conducteurs de l'électricité et sont d'une perméabilité magnétique nettement inférieure à celle du support, qui habituellement n'est pas ferromagnétique. Une application particulièrement avantageuse de l'invention se situe dans la détermination continue directe de l'épaisseur du revêtement existant sur un fil en acier enrobé de métal, par exemple sur un fil en acier galvanisé.
La technique principale de galvanisation d'un fil en acier est constituée par le procédé d'immersion à chaud, suivant lequel on fait passer le fil à travers un bain de zinc en fusion et on le retire ensuite vers le haut à travers des postes d'essuyage et de refroidissement-éclair. Il est désirable d'assurer que le fil que l'on produit suivant une spécification particulière réponde de manière sûre à cette dernière et en conséquence on a utilisé toute une série de procédés pour déterminer l'épais-
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1seur du revêtement de zinc.
Il doit être entendu qu'une contrainte importante s'exerçant sur de telles déterminations est la pratique de production suppo- sant l'étirage d'un grand nombre de fils, par exemple jusqu'à 40, en formation parallèle à travers l'ins- tallation de galvanisation.
Un procédé industriel de détermination de l'épaisseur du revêtement consiste à découper une lon-
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gueur d'échantillon du fil et à enlever par voie chi- mique le revêtement à partir de cet échantillon.
L'épaisseur du revêtement s'obtint en comparant le poids de l'échantillon du fil avec et sans le revêtement, ou en mesurant le volume d'hydrogène formé par l'enlèvement chimique. Lorsque l'échantillon est prélevé en production directe, on limite habituellement ce prélèvement aux extrémités des longueurs produites de fil. On comprendra aisément qu'une telle
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solution n'apporte pas nécessairement une assurance de qualité pour l'ensemble de la longueur de produc- tion et on estime que la mesure d'échantillons extrê- mes peut ne pas être nécessairement représentative.
En partie pour éviter ces inconvénients, on a utilisé un autre procédé d'échantillonage, suivant lequel un échantillon d'une longueur standard est prélevé, par exemple toutes les trois boucles
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d'une très grande longueur de fil en se basant sur le fait que cette grande longueur est elle-même un échantillon de production sûr. Cette solution ne permet pas un contrôle simultané du procédé de revêtement et, en dépit des efforts et du temps impliqués, elle ne représente que l'un des multiples traitements de
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fils.
Un autre procédé antérieur statique de mesure est constitué par une détermination par points en utilisant une sonde magnétique. La sonde se base sur la réduction de champ magnétique qui se présente en fonction de la distance séparant la tête de la sonde par rapport au noyau d'acier. Avec cette technique, de nombreuses lectures seront nécessaires pour définir un revêtement moyen et cette technique est limitée par le diamètre du fil, car des erreurs de lecture sont introduites par la courbure superfi- cielle des fils de petit diamètre.
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Un autre groupe de procédés antérieurs de mesure englobe les dites de calibrage. techniquesDans le cas statique le plus simple, on utilise un calibre à vis micrométrique pour procéder à des comparaisons par points entre le diamètre du fil avant
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le revêtement et le diamètre de ce fil après le revê- tement. Cette solution exige également de nombreuses lectures pour définir un revêtement moyen, en particulier du fait que, comme on le sait, les revêtements de fils métalliques varient de façon sensible à l'échelle micrométrique.
Pour les besoins d'une mesure continue des revêtements de fils, on a appliqué avec succès des méthodes de calibrage optiques et par contact, à des revêtements qui sont importants par rapport au diamè- tre du fil, par exemple dans le cas de revêtements, tels que des revêtements en matières plastiques, qui
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sont de l'ordre de 0, 5 mm ou plus. Le calibrage optique utilise un projecteur de profil, dans lequel
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on fait passer un faisceau lumineux parallèle en travers du fil pour former une ombre dont la largeur est mesurée et est en rapport direct avec le diamètre du fil. Le calibrage par contact opère habituellement à l'intervention de leviers, de galets et de tateurs de position.
Les galets sont en contact avec la matière que l'on mesure et le diamètre dérive de la mesure du déplacement relatif de ces galets de contact.
Les méthodes de calibrage optiques et par contact ont tendance à prendre les lectures en travers d'un diamètre spécifique du fil et, de ce fait, des erreurs, notamment des erreurs constantes, peuvent être introduites par l'allure ovale du fil non revêtu ou par l'absence d'uniformité du revêtement.
En second lieu, on a constaté que l'environnement d'une installation de revêtement de fil d'acier par immersion à chaud est tel que les instruments d'op- tique et les instruments précis de calibrage du type par contact exigent une attention soutenue pour assurer leur précision. Une troisième limitation a déjà été précisée, à savoir que les techniques de calibrage deviennent moins sûres avec des fils d'un plus petit diamètre, pour lesquels les épaisseurs de revêtement sont de l'ordre de la tolérance prévue pour le diamètre du fil alimenté. Dans de tels cas, les techniques de calibrage direct nécessitent au moins une
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corrélation de mesures faites avant et après la galvanisation pour constituer une opération sûre.
Bien que l'on ait utilisé des calibres compliqués de détermination directe d'un revêtement, de type continu et à rayonnement, sans contact, par
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exemple dans la production de feuillards d'acier, et ce depuis de nombreuses années, ces calibres ne peuvent pas être adaptés à une application sur des fils.
De telles méthodes sans contact, qui se sont montrées très efficaces dans l'industrie des feuillards d'acier, supposent l'utilisation d'isotopes radioactifs et d'une fluorescence à rayons X mais ne sont pas applicables aux fils car elles ne conviennent que pour une surface plane et ne peuvent pas s'accommoder de la géométrie d'un fil. La nature multiple d'une installation de revêtement par immersion à chaud est également une contrainte importante : les unités connues du type à rayonnement sont complexes et coûteuses, et on ne peut pas les installer d'une manière facile
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et sure pour de nombreux fils parallèles, étroitement espacés. On comprendra que, dans un tel environnement, la fiabilité, la simplicité, un faible coût unitaire et une facilité d'entretien constituent des facteurs importants.
On a donc pu voir de la description précé- dente que toutes les techniques existantes de détermination de l'épaisseur du revêtement d'un fil en acier, en particulier de l'épaisseur du revêtement de zinc d'un fil en acier galvanisé, présentent un ou plusieurs désavantages importants.
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but de la présente invention est en
Unconséquence de prévoir un procédé et un appareil pour faciliter la détermination directe continue de l'épaisseur du revêtement d'un fil en acier enrobé de métal, ce procédé et cet appareil améliorant les techniques
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antérieures développées ci-dessus.
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La présente invention est basée sur la découverte que l'on peut répondre au but ci-dessus par une technique comparative simple qui se base sur les réponses relatives d'une paire de bobines d'induction à travers l'une desquelles on tire le fil revêtu.
On a constaté. de plus que, de façon surprenante, on peut obtenir des mesures très précises du revêtement sans exigence quelconque d'une détermination exacte des dimensions du fil d'alimentation d'un diamètre connu, et que la sensibilité peut être rendue optimale par un choix précis de la géométrie des bobines et de la fréquence du courant appliqué à ces bobines.
En outre, par la mise en application de méthodes d'analyse par signaux électroniques, l'installation de mesure peut être agencée pour fonctionner sur une large gamme de diamètres de fil.
L'invention prévoit, en conséquence, suivant un premier aspect, un procédé pour faciliter la détermination de l'épaisseur du revêtement existant sur un objet très long, comportant un support ferromagnétique pour ce revêtement, celui-ci étant conducteur de l'électricité et étant d'une perméabilité magnétique sensiblement inférieure à celle du support, ce procédé comprenant :
le déplacement relatif de l'objet à travers une première bobine d'un fil enroulé d'une manière inductive, et ce dans la direction
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longitudinale à la fois de cet objet et de cette bobine, tandis que l'on applique simultanément un courant électrique alternatif à la bobine et à une seconde bobine d'induction de référence, décalée par rapport à l'objet susdit, et la détermination ou surveillance
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d'une propriété électrique des bobines respectives, avec obtention d'un signal ou autre indication, représentatif d'une comparaison réalisée entre les propriétés surveillées, et à partir duquel on peut déterminer l'épaisseur du revêtement.
Le procédé peut en outre comprendre la détermination et l'affichage d'une lecture de l'épaisseur du revêtement et/ou l'utilisation du signal ou
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autre indication pour modifier et/ou contrôler l'épaisseur de ce revêtement.
L'invention prévoit en outre, suivant un second aspect, un appareil de surveillance directe, permettant de faciliter la détermination de l'épaisseur du revêtement existant sur un objet très long, comportant un support ferromagnétique pour ce revêtement, celui-ci étant conducteur de l'électricité et étant d'une perméabilité magnétique sensiblement inférieure à celle du support, cet appareil comprenant :
une paire de bobines d'induction i un disposi-
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tif pour déplacer de manière relative l'objet susdit à travers la première de ces bobines, et ce en direction longitudinale à la fois de cet objet et de cette bobine, l'autre bobine étant une bobine de référence décalée par rapport à l'objet ; un dispositif pour appliquer un courant électrique alternatif aux bobines respectives, et un dispositif pour surveiller ou déterminer une propriété électrique des bobines respectives, en dérivant un signal ou autre indication, représentatif d'une comparaison réalisée entre les propriétés surveillées, et à partir duquel l'épais- seur du revêtement peut être déterminée.
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La bobine d'induction de référence peut être avantageusement disposée au voisinage de la première bobine ou bobine de mesure, par exemple parallèlement à celle-ci, mais à une distance suffisante pour que l'objet qui se déplace n'affecte pas de façon importante son inductance. A titre de variante, la bobine de référence peut être placée à une distance importante de la bobine de mesure, par exemple dans une chambre de contrôle du procédé. On a constaté que cette technique arrive à une performance très satisfaisante lorsque le noyau de la bobine de référence est simplement de l'air. On a également constaté qu'il est préférable que les deux bobines soient géométriquement similaires et, en particulier, qu' elles soient enroulées de façon similaire.
Dans une application particulièrement intéressante, l'objet très long dont il a été question précédemment est constitué par un fil en acier enrobé de métal, par exemple un fil en acier galvanisé, un fil enrobé de cuivre, d'aluminium ou d'un alliage de zinc et d'aluminium, ou une corde de pneumatique, comprenant un fil très mince en acier enrobé de bronze.
Il est désirable que les paramètres du courant appliqué soient choisis afin d'éviter une saturation magnétique du support ; on a établi que la technique suivant l'invention donne des résultats
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satisfaisants à des densités de flux de lordre de 25 Gs. La fréquence du courant appliqué est également choisie dans l'intervalle mentionné ci-dessus afin d'assurer une pénétration, calculée à partir de la
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formule bien connue suivante, qui est de deux à quatre fois l'épaisseur attendue de revêtement :
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dans laquelle est la pénétration pour une longueur d'onde de signal dans l'air, c est la vitesse de la lumière, et # et sont respectivement la perméabilité relative et la conductivité du revêtement.
On a constaté qu'une sensibilité appropriée aux variations d'épaisseur du revêtement s'obtint avec ce choix de fréquence. Dans le cas important du point de vue industriel des revêtements métalliques
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réalisés par immersion à chaud sur des fils en acier, on a constaté que des fréquences de l'ordre de 20 KHz à 200 KHz sont satisfaisantes et que la gamme de 50 à 140 KHz est particulièrement préférable.
Il peut être aisément démontré qu'à toute fréquence donnée quelconque, la pénétration dans le revêtement est nettement plus élevée que dans le support, par exemple d'environ 10 fois plus élevée dans le cas d'un fil en acier galvanisé. On comprendra que cet effet a pour résultat une sélection préférentielle de signal du revêtement superficiel par rapport à la matière du support, en améliorant ainsi la sensibilité aux caractéristiques de revêtement par rapport aux caractéristiques de la matière du support.
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Le rapport longueur axiale/diamètre de la bobine de mesure est choisi de manière que l'inductance de cette bobine et, par conséquent, la sensibilité de
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l'appareil, ne soit pas affectée par un déplacement latéral de l'objet à l'intérieur de la bobine. En appliquant des principes connus, le rapport préféré est en conséquence de l'ordre de 4/1 à 8/1, plus particulièrement d'environ 5/1, pour assurer une bonne performance mais aussi une géométrie appropriée.
La propriété électrique des bobines respec- tives, qui est surveillée ou déterminée pour créer le signal ou autre indication dont il a été question précédemment, peut être constituée, de façon appropriée, par la force électromotrice (f. e. m.) aux bornes des bobines. On peut comparer les amplitudes ou les angles de déphasage.
Suivant un agencement particulier, les bobines respectives sont connectées sous forme de circuits parallèles à charge ohmique, aux bornes de la sortie d'un oscillateur de précision. Un circuit de détection connecté aux bornes correspondantes des bobines comprend un transformateur d'isolement et un système d'affichage accouplé à la sortie du transformateur par l'intermédiaire d'un amplificateur approprié. Suivant une variante d'agencement, la f. e. m. est appliquée aux bornes des deux bobines agencées sous forme d'éléments en série dans une branche d'un pont, tandis que les deux résistances en série constituent la seconde branche, un circuit de détection étant connecté aux points de jonction des deux bobines et des deux résistances.
Pour mieux mettre l'invention en évidence, celle-ci sera décrite plus complètement ci-après avec référence aux dessins non limitatifs annexés.
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La Figure 1 est une vue schématique d'un appareil suivant une première forme de réalisation de l'invention pour la détermination et la surveil- lance de l'épaisseur du revêtement existant sur un fil mobile unique.
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La Figure 2 est une représentation graphi- que d'exemples d'application de l'appareil à un fil en acier galvanisé lorsque les bobines de mesure et de référence sont des bobines d'induction similaires.
La Figure 3 illustre schématiquement une partie d'une installation de revêtement de fils multiples, cette installation comportant l'appareil suivant l'invention.
La Figure 4 est un schéma de circuit élec- trique de l'appareil suivant une seconde forme de réalisation de l'invention.
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La Figure 5 est une représentation graphique similaire à celle de la Figure 2 mais pour un fil à enrober de cuivre et lorsqu'on utilise un appareil suivant la Figure 4.
La Figure 6 est un graphique de la sensi- bilité par rapport à la fréquence du courant appliqué à la bobine, en utilisant l'appareil suivant - la Figure 4.
La forme de réalisation de l'invention, illustrée schématiquement par la Figure 1, comprend une paire de bobines d'induction similaires la, 12.
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La bobine la, qui est la bobine de mesure, est fixée en place autour du parcours d'un fil galvanisé 14 provenant d'une installation de galvanisation de fils multiples par immersion à chaud, cette bobine se
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situant en aval des unités d'immersion à chaud et d'essuyage, tandis que la bobine 12, qui est la bobine de référence, est prévue dans tout autre endroit approprié quelconque.
Cet endroit peut se situer dans le voisinage de la bobine de mesure 10, comme illustré par la Figure 1, mais la bobine 12 devrait être suffisamment décalée par rapport au fil 14 pour que celui-ci n'affecte pas de façon importante l'inductance de la bobine. Lorsque les bobines sont proches, elles sont normalement protégées par un blindage électromagnétique commun 13.
Les bobines sont géométriquement similaires sous tous les rapports, en étant notamment enroulées de façon similaire sur des gabarits semblables, elles sont toutes deux creuses de manière à comporter des noyaux à air, et elles sont connectées en série avec des résistances correspondantes 16, 18. Les deux circuits à charge ohmique sont accouplés en parallèle à la sortie d'un oscillateur de précision 20 à fréquence variable sélective.
Chaque bobine 10, 12 a un diamètre de l'or- dre de 20 à 30 mm et un rapport longueur/diamètre d'environ 5/1 pour assurer, en concordance avec la discussion antérieure, que les résultats ne soient pas sensibles à un déplacement latéral du fil 14 à l'intérieur de la bobine 10.
Les bornes respectives Il, 13 des bobines 10, 12, connectées aux résistances 16, 18, sont connectées à une bobine d'un transformateur d'isolement 22, tandis que l'autre bobine de ce transformateur est connectée à un amplificateur 24 dont la sortie
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va à un affichage approprié 26. On observera que le circuit, dans son ensemble, constitue un agencement de pont électrique.
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Durant le fonctionnement, on tire un fil galvanisé 14 qui vient d'être soumis à une immersion à chaud, grace à un chassis d'enroulement 25, ce déplacement se faisant essentiellement axialement, en direction longitudinale, à travers la bobine 10, le fil étant guidé par des galets ou guides similaires 28, tandis qu'un courant alternatif de fréquen- ce choisie suivant les principes décrits précédemment
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est aux deux bobines par l'oscillateur 20. appliquéL'affichage 26 fournit une indication représentative de la différence observée entre les amplitudes de la force électromotrice dans les deux bobines.
On a constaté que par une mise au point convenable, l'indication à l'affichage 26 peut être lue pour donner l'épaisseur du revêtement. Ceci peut se comprendre en considérant la Figure 2, qui démontre de façon concluante que l'on peut utiliser le procédé pour obtenir des résultats significatifs et sensibles. Cette Figure est un graphique des lectures obtenues sur instrument par rapport à une épaisseur et un poids approximatif de revêtement de zinc pour divers fils en acier d'un diamètre se situant dans 1' un de trois intervalles différents à une fréquence
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choisie de 90 KHz. Les gammes correspondent aux tolérances prévues pour des fils de diamètres nominaux particuliers. Les épaisseurs de revêtement ont été déterminées par des techniques traditionnelles.
On observera que l'on peut tirer des courbes signifi-
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catives de calibrage 1 correspondant de manière excellente aux points expérimentaux obtenus pour chaque gamme de diamètres, ce qui suggère qu'il n'est pas nécessaire de déterminer chaque diamètre lorsqu'on connaît le diamètre nominal.
Il doit être entendu qu'un signal dérivant de la comparaison peut être envoyé à un circuit de régulation automatique 27 connecté par une ligne 29 à l'unité d'essuyage associée (non illustrée) de l'installation de galvanisation, afin de régler automatiquement l'épaisseur du revêtement. De plus, dans une installation normale à fils multiples, on peut utiliser une technologie à microprocesseur pour traiter, enregistrer et présenter l'information requise sous n'importe quel format particulier, par exemple sous forme d'une série de signaux de régulation automatique.
La Figure 3 illustre schématiquement une
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partie d'une installation de revêtement de fil, pouvant traiter mobiles parallèles multiples, une bobine de mesure 10 et une bobine de référence 12 distinctes étant prévues pour chaque fil 14. Les des-filsdeux bobines sont logées dans des compartiments l3a d'une boite de blindage électromagnétique 13'compo- tant des éléments de subdivision l3b pour protéger les bobines des unes des autres et vis-à-vis des autres fils. L'amplificateur, le système d'affichage et les composants électroniques associées sont montés séparément en 21, en étant connectés aux bobines par
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un câble et à un calculateur de réglage de fonctionnement 27'par une ligne 21b.
Le calculateur 27'
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21asera utilisé pour régler automatiquement l'épaisseur du revêtement en amont de la partie illustrée de l'installation. Sur la Figure 3, on n'a illustré que huit fils mais des installations de ce genre peuvent comporter actuellement jusqu'à 40 fils. De plus, au lieu de monter des bobines dans un blindage
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commun, de la façon illustrée, chaque paire de bobines peut être disposée indépendamment en aval de l'endroit où les fils se séparent pour se rapprocher de leurs chassis distincts d'enroulement. Finalement, il peut y avoir moins de bobines de référence que de bobines de mesure, par exemple une seule bobine de référence pour chaque paire de bobines de mesure.
La Figure 4, sur laquelle les parties semblables à celles déjà décrites sont désignées par les mêmes numéros de référence, illustre un circuit
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d'une variante d'agencement pour surveiller et comparer les réponses de la bobine de mesure 10'et de la bobine de référence 12'. Les bobines sont, comme précédemment, enroulées de manière inductive et géométriquement similaires, mais dans le présent cas elles sont reliées en série à l'oscillateur 20'.
Deux résistances similaires 16', 18'reliées en série sont également connectées à l'oscillateur, en parallèle avec les bobines susdites. Un amplificateur 24' est connecté aux points de jonction 11', 13'des deux bo-
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bines et résistances dans l'agencement en pont res deuxrésultant. Comme précédemment, la sortie d'un amplificateur de détection 24'va à un système d'affichage approprié 26'.
L'application de l'appareil agencé suivant
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la Figure 4 est illustrée par la Figure 5. Dans le cas de cette dernière, le poids de revêtement (déterminé par des techniques traditionnelles) est mis en graphique par rapport à la lecture sur le système d'affichage 26'pour un fil enrobé de cuivre. Une courbe presque linéaire peut être tracée pour réunir les points obtenus.
Dans l'une et l'autre forme de réalisation,
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l'amplificateur 24, 24'peut être remplacé par un détecteur à sensibilité de phase pour comparer les angles de déphasage plutôt que les amplitudes de la f. e. m. des bobines.
La Figure 6 illustre l'effet de la fréquence sur la sensibilité de la mesure pour l'appareil de la Figure 4. On peut considérer de ces résultats que la fréquence devrait être supérieure à 10 KHz pour une sensibilité raisonnable et qu'il y a peu d'intérêt, en ce qui concerne la sensibilité, à augmenter la fréquence au-dessus de 200 KHz. Un bon intervalle opératoire va de 50 à 140 KHz.