FR2584190A1 - Procede et dispositif de determination en volume de la teneur en composant magnetique d'un materiau - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF DE DETERMINATION, EN VOLUME, DE LA TENEUR EN COMPOSANT MAGNETIQUE, D'UN MATERIAU. LE PROCEDE COMPREND LES ETAPES CONSISTANT I.A EXCITER LE MATERIAU A L'AIDE D'UNE SONDE MAGNETIQUE 221; II.A DETECTER, A L'AIDE DE LA SONDE, L'INDUCTION MAGNETIQUE RESULTANTE 222; III.A DECOMPOSER 223 EN FONCTIONS ELEMENTAIRES UN SIGNAL DERIVE DE LA REPONSE DETECTEE A L'ETAPE II POUR DEFINIR DES COEFFICIENTS DE PONDERATION H; ET IVA DETERMINER 225 LA VALEUR DES INDICES M EN COMPOSANT MAGNETIQUE DE COUCHES SUPERPOSEES DU MATERIAU EN RESOLVANT UNE SERIE D'EQUATIONS DANS CHACUNE DESQUELLES UN COEFFICIENT DE PONDERATION H DEFINI A L'ETAPE III, EGALE UNE SOMMATION DE PARAMETRES H REPRESENTATIFS DE LA CONTRIBUTION RESPECTIVE DE CHAQUE COUCHE A LA GENERATION DE LA FONCTION ELEMENTAIRE ASSOCIEE DANS LE SIGNAL ET DETERMINES SUR DES ECHANTILLONS ETALONS, PONDERES RESPECTIVEMENT PAR LES INDICES M EN COMPOSANT MAGNETIQUE DES COUCHES.

Description

La présente invention concerne la détermination de la teneur en composant magnétique, par exemple en ferrite, d'un matériau.

D'une facon générale, la connaissance de la teneur en composant magnétique d'un matériau permet d'analyser les propriétés de celui-ci.

Plus précisément, la connaissance de la teneur en ferrite dans les aciers inoxydables permet de prévoir le comportement mécanique et la resistance à la corrosion de ces matériaux.

Toutefois, il est fréquent que les matériaux comportant une phase magnétique présentent une hétéro généité de la teneur en composant magnétique.

En particulier, en raison des techniques actuelles d'élaboration des matériaux inoxydables - moulage, soudure, dépôt en surface- ces matériaux présentent une hétérogé nudité de la teneur en ferrite due au gradient de tempéra-ture et aux propriétés du métal de base plus ou moinsferritique notamment.

Le problème posé est donc de déterminer la position du composant magnétique, en particulier de ferrite, dans le matériau, ainsi que sa teneur.

Comme cela est classique pour les techniques actuelles de détermination de l'indice de ferrite desdépôts en acier inoxydable, la teneur déterminée en composant magnétique est arbitraire et relative et ne correspond pas necessal- rement à la teneur en composant magnétique réelle ou absolue. Pour cette raison, on parlera d'indice de composant magnétique et non pas de pourcentage de composant magnétique pour exprimer la teneur déterminée de celuici.

La ferrite, phase magnétique, se trouve insérée dans l'austénite, phase inoxydable et non magnétique.

On a déjà proposé diverses méthodes de détermination de l'indice de ferrite, basées sur les effets magnétiques de la phase ferritique.

L'appareillage le plus utilisé mettant en oeuvre une méthode destructive est dénommé sigmamètre. Cet appareil mesure l'indice de ferrite moyen à partir de la saturation magnétique d'un échantillon de masse connue.

Les méthodes non destructives jusqu'ici proposées se répartissent en deux groupes.

Le premier groupe permet de déterminer l'indice à partir de la perméabilité statique à l'aide d'un appareil dénommé magnégage. Cet appareil exploite le fait que la force magnétique d'un aimant permanent sur le matériau à analyser est fonction de l'indice de ferrite.

Le volume observé est de quelques mm au voisinage de la surface.

Le second groupe permet de déterminer l'indice à partir de la perméabilité dynamique. Les appareils du second groupe exploitent le fait que l'induction magnétique produite dans le matériau est fonction de l'indice. Les mesures sont très superficielles et varient avec l'épaisseur du revêtement analysé.

La présente invention vient maintenant proposer un procédé et un dispositif qui permettent ae résoudre le problème précédemment défini, et qui permettent une analyse de l'indice de composant magnétique, en particulier de ferrite, in situ, dans trois dimensions à partir de la surface de l'objet à analyser et pour des profondeurs pouvant atteindre 1 cm.

Le procédé de détermination, en volume, de la teneur en composant magnétique, par exemple en ferrite,
d'un matériau comprend les étapes consistant à :
i) exciter la structure du matériau à l'aide d'une sonde
magnétique, selon un cycle connu prédéterminé,
ii) détecter, à l'aide de la sonde, l'induction magné
tique résultante produite en réponse par le matériau,
iii) décomposer en fonctions élémentaires un signal
dérivé de la réponse détectée à l'étape ii) pour définir
des coefficients de pondération respectifs H n des fonc
tions élémentaires intervenant dans la génération dudit
signal, et
iv) déterminer la valeur des indices m en composant
magnétique ae couches superposées du matériau en résol vant une série d'équations (H n = Emp hP ) dans chacune
n
desquelles un coefficient de pondération H n défini à
l'étape iii) et associé à une fonction élémentaire donnée,
égale une sommation de paramètres hn représentatifs de
la contribution respective de chaque couche p à la géné
ration de ladite fonction élémentaire donnée dans le
signal et déterminés sur des échantillons étalons rece
vant le cycle connu prédéterminé d'excitation, pondérés respectivernent par les indicesrecherches mp en composant maqnetimue des couches.

De façon largement préférentielle, selon la pré sente invention, les coefficients de pondération H
n définis à l'étape iii) sont les coefficients de Fourier d'harmoniques de rang impair.

Par ailleurs, selon la présente invention, la réponse détectée à l'étape ii) précitée et décomposée à l'étape iii)est constituée de façon préférentielle de la dérivée par rapport au temps du flux du champ magnétique créé par le matériau à travers une bobine induite.

Afin de préciser le résultat de l'analyse, de
préférence, les étapes i) à iv) sont réitérées pour une
pluralité de valeurs d'excitation.

Selon une autre caractéristique importante de la
présente invention, la détermination, à l'aide d'échan
tillons étalons de meme caractéristique magnétique, c'est-à-dire
de même cycle d'hystérésis B(H) pour le même indice, que le matériau a étudier, des paramètres représentatifs de la contribution respective de chaque couche à la génération d'une fonction élémentaire donnée dans le signal détecté, utilisés à l'étape iv)comprend les étapes consistant à a) exciter, selon un cycle connu prédéterminé, une structure étalon formée d'une pluralité de couches superposées d'indice connu en composant magnétique, à l'aide d'une sonde, b) détecter, à l'aide de la sonde, l'induction magnétique résultant produite en réponse par la structure, c) décomposer en fonctions élémentaires un signal dérivé de la réponse détectée à l'étape b) pour définir des coefficients de pondération respectifs Hnétalon des fonctions élémentaires intervenant dans la génération dudit signal, d) réitérer les étapes a), b) et c) après avoir modifié l'indice en composant magnétique de l'une des couches de la structure étalon, et p e) déterminer la valeur desdits paramètres h n en résolvant une série d'équations (Hnétalon = #p xp hnP) dans chacune p p n desquelles un coefficient de pondération Hnétalon défini à l'étape c) et associé à une fonction élémentaire donnée, égale une sommation desdits paramètres recherchés hP, représentatifs de la contribution respective de chaque ouche à la génération de ladite fonction élémentaire donnée, pondérés respectivement par les indices xpconnus en composant magnétique des couches x = 0 ou x pour les
o faibles indices, xp autour de x pour les forts indices.

La présente invention concerne également un dispositif de détermination en volume de la teneur en composant magnétique d'un matériau comprenant - une sonde magnétique apte à exciter la structure du matériau selon un cycle connu prédéterminé et à détecter l'induction magnétique résultante produite en réponse par le matériau, - des moyens de décomposition aptes à décomposer en fonctions élémentaires un signal dérivé de la réponse détectée par la sonde pour définir des coefficients de pondération respectifs H n des fonctions élémentaires intervenant dans la génération dudit signal et - et des moyens d'analyse aptes à déterminer la valeur des indices mp en composant magnétique de couches superposées du matériau en résolvant une série d'équations (H n = Emp lln ) dans chacune desquelles un coefficient de
pn pondération H défini par les moyens de décomposition
n et associé à une fonction élémentaire donnée, égale une p sommation de paramètres h n représentatifs de la contribut ion respective de chaque couche à la génération de ladite fonction élémentaire donnée dans le signal et déterminés sur des échantillons étalons recevant le cycle connu prédéterminé d'excitation, pondérés respectivement par les indices m en composant magnétique des couches,
p et - des moyens de visualisation desdits indices
De préférence, selon la présente invention, la sonde comprend une bobine inductrice créant un champ d'excitation alternatif et deux bobines secondaires de détection placées symétriquement au voisinage des extrémités axiales de la bobine d'induction.

Selon une caractéristique avantageuse de l'inven- tion, le dispositif de détermination précité comprend de plus des moyens d'alimentation de la bobine inductrice par décharge capacitive.

Comme on l'a évoqué précédemment lors de la définition du procédé conforme à la présente invention, le dispositif de détermination des indices de composant magnétique comprend avantageusement des moyens aptes à réitérer le processus d'analyse des indices en composant magnétique des différentes couches superposées du matériau pour une pluralité de valeurs d'excitation.

Afin de permettre une analyse tridimensionnelle de la structure du matériau, le dispositif de détermination comprend de préférence des moyens aptes à déplacer la sonde magnétique sur la structure du matériau et à réitérer en synchronisme le processus d'analyse.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donne à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels:
- la figure i représente une vue schématique sous forme de blocsfonctionnelsd'un dispositif de détermination conforme à la présente invention,
- la figure 2 illustre de façon schématique, et en vue agrandie, la structure d'une sonde utilisée dans le dispositif conforme à la présente invention,
- la figure 3 représente schématiquement, en fonction du temps, l'allure du courant d'excitation appliquée à la bobine inductrice,
- la figure 4 représente l'induction magnétique B dans un matériau en fonction de l'excitation H,
- la figure 5 représente, en fonction du temps, la dérivée de l'induction magnétique pour une valeur d'excitation H faible, dans la plage de variation linéaire de l'induction en fonction de l'excitation,
- la figure 6 représente également en fonction du temps la dérivée de l'induction B, mais pour une valeur d'excitation H supérieure, au-delà de la plage de variation linéaire entre l'induction B et l'excitation H,
- la figure 7 représente une autre vue schématique générale sous forme de blocsfonctionnelsdu dispositif de détermination conforme à la présente invention et illustre en particulier diverses options du dispositif,
- la figure 8 représente sous forme d'organigr-amme schématique le procédé d'analyse conforme à la présente invention, et
- les figures 9, 10, 11 et 12 représentent schématiquement divers résultats obtenus à l'aide d'un dispositif d'analyse conforme à la présente invention.

Le procédé et le dispositif d'analyse spatiale de la teneur en composant magnétique, en particulier de la teneur en ferrite, conformes à la présente invention reposent sur 3 composantes principales - une sonde magnétique à mesure différentielle de faibles dimension à gradient spatial d'excitation et à excitation maximale illustrée en particulier sur la figure 2, - la non-linéarité des cycles d'hystéréris du matériau magnétique à analyser, tel qu'illustré par exemple sur la figure 4 annexée, et - une analyse de l'ensemble des mesures prises en un point de la surface du matériau comparées avec des mesures sur étalons mémorisées.

On apersoit sur la figure 1 une sonde magnétique 100 disposée en regard d'un cordon de soudure C à analyser, et des moyens d'analyse du signal généré par la sonde de mesure 100, portant la référence générale 200.

La sonde magnétique 100 permet d'exciter la structure du matériau C à analyser et d'enregistrer un cycle d'hystérésis du matériau excité.

Comme cela apparait à l'examen de la figure 2, la sonde 100 comprend une bobine inductrice 101 généralement cylindrique de révolution, dont l'axe longitudinal est référencé 102. La bobine inductrice 101 est reliée à un générateur 201 appartenant aux moyens d'analyse 200 pour créer un champ d'excitation alternatif sur le matériau C à analyser, par exemple sous forme de demi-sinusoldes présentant chacune une période de 20 msecondes.

Le générateur 201 peut être adapté pour alimenter la sonde 100 par décharge capacitive.

L'amplitude du courant d'excitation appliquée par le générateur 201 sur la bobine inductrice 101 peut varier de l'ampère à plusieurs centaines d'ampères.

La sonde 100 comprend par ailleurs deux bobines secondaires de détection 103, 104 placées symétriquement au voisinage des extrémités axiales de la bobine d'induction, coaxialement à l'axe 102 précité. Les bobines induites 103, 104 sont reliées en opposition de sorte que lorsqu'aucun matériau magnétique n'est à proximité de la sonde 100, la différence de potentiel totale prise aux bornes des bobines induites 103, 104 reste nulle.

Par contre, la présence d'une substance magnétique C au voisinage d'une des bobines induites 103, 104 déséquilibre l'ensemble et crée une force électromotrice caractéristique du matériau, en fonction du courant d'excitation dans les bobines 103, 104 connectées en série.

Dans le cas où l'indice de ferrite du matériau C est grand, supérieur à 25 par exemple, il est encore possible d'utiliser la sonde 100 sous forme d'un appareil de zéro en plaçant sur la bobine induite supérieure 1048 soit la bobine opposée au matériau C à analyser, un étalon homogène 105, schématiquement illustré sur la figure 2, d'indice égal à l'indice du matériau C à analyser, à plus ou moins 5 près.

De préférence, le générateur 200 est adaptée pour moduler l'amplitude du courant sinusoïdal dsexcitation appliqué à la bobine inductrice 101 et schématiquement illustré sur la figure 3 pour créer un champ d'excitation alternatif composé de demi-périodes de sinusoldes d'amplitude variable.

L'excitation dans l'axe 102 de la sonde atteint le Tesla au voisinage des bobines induites 103, 104.

Le champ induit produit par les ampériens du matériau magnétique C créé une force électromotrice seule détectée par les bobines induites 103, 104 connectées en série.

La basse fréquence de 50 Hz retenue de préférence comme fréquence d'excitation permet d'atténuer les courants de Foucault, dont l'amplitude est par ailleurs faible en raison de la résistivité élevée des aciers inoxydables.

De préférence, comme cela est illustré sur la figure, le volume central de la bobine inductrice 101 ne contient que de l'air, de sorte que la sonde ne contient pas de matériau magnétique afin d'obtenir une excitation paffaitement sinusoïdale sans génération d'harmoniques.

Néanmoins, le cas échéant, on peut envisager d'enrouler la bobine inductrice 101 sur un noyau,magné- tique parfaitement homogène a caractérlstique magnétique linéaire.

L'amplitude du courant d'excitation peut alors être réduite, ce qui permet notamment de miniaturiser la sonde.

A titre d'exemple non limitatif, les bobines induites 103, 104 peuvent présenter un diamètre intérieur de l'ordre de 2 mm et comprendre environ 120 spires.

Le signal détecté aux bornes des bobines induites 103, 104 connectées en série est appliqué à un amplificateur d'instrumentation à gain variable, de préférence intégré à la sonde,référencé 202 sur la figure 1.

Cet amplificateur 202 est de préférence suivi d'un convertisseur analogique/numérique.

Comme cela apparaît sur la figure 4, et comme cela est bien connu de l'homme de l'art, pour un matériau ferromagnétique, par exemple la ferrite, la relation entre l'excitation H et l'induction magnétique B n'est pas linéaire pour les fortes valeurs de l'excitation.

Le signal détecté aux bornes des bobines induites 103, 104, tel que représenté sur les figures 5 et 6, correspond à la dérivée par rapport au temps du champ magnétique induit par le matériau magnétique C à analyser.

Comme cela est représenté sur la figure 5, pour une faible excitation H, le régime est linéaire et la réponse est sinusoidale, soit dB/dt = BA XO cos ') (1)
o (Wot o
Par contre, pour une forte excitation, le régime n'est plus linéaire et la réponse est périodique avec une génération d'harmoniques de rang impair d'autant plus importante que l'excitation H est plus forte, tel que reptésenté schématiquement sur la figure 6 annexée.

Dans le matériau C à analyser, au voisinage de la surface, le champ d'excitation est plus important qu'en profondeur. Les ampériens des couches superficielles produisent des réponses plus chargées en harmoniques que ceux des couches profondes dont la réponse tend à devenir sinusoïdale. La réponse détectée dB/dt est alors de la forme

On remarquera que l'excitation résultante est l'excitation produite par les ampères tours inducteurs augmentée de celle produite par les ampériens.

L'excitation produite par les ampériens est sensible pour un indice supérieur à 10.

On va maintenant décrire le procédé d'analyse conforme à la présente invention en regard de la figure 8 annexée.

Le processus d'analyse conforme à la présente invention est basé sur le fait que après décomposition en fonctions élémentaires de la réponse d'un matériau donné à une excitation générée par la bobine inductrice 101, les coefficients de pondération respectifs (coefficients de Fourier) H n desdites fonctions élémentaires peuvent être exprimés sous forme d'une sommation de paramètres han représentatifs de la contribution respec tive de différentes couches superposées du matériau (telles que référencées 0, 1, 2, ...p...r sur le bas de la figure 2) à la génération de ladité fonction élémentaire, pondérés respectivement par les indices mp en composant magnétique des couches.

Dans un premier temps, comme cela est illustré par les étapes référencées 210 à 219 sur la figure 8, p il est nécessaire de déterminer les paramètres h n précités, qui sont représentatifs de la contribution respective de chaque couche 0, 1, 2...i...p à la génération d'une fonction élémentaire donnée dans le signal, à l'aide d'échantillons étalons.

On supposera pour faciliter l'explication de la détermination des paramètres hPn qui va suivre, que les échantillons étalons utilisés sont divisés fictivement en deux zones référencées respectivement 1 et 2, superposées, la première adjacente à la sonde 100 et
la seconde opposée à celle-ci , mais de même indice.

Les échantillons étalons utilisés pour la déter
mination des paramètres hPn peuvent être par exemple
des étalons secondaires de métal fondu utilisés habituel
lement pour l'étalonnage des instruments de mesure de
ferrite et préparés par exemple pour lacoEmission Il de l'ils par le Welding Institute (Royaume-Uni) et le VEW-
Bohler utriche). Ces échantillons possèdent le même cycle
d'hystérisis B(H) que le matériau à étudier pour un même indice.

L'indice x de ces échantillons étalons est connu.

La première étape 210 du procédé consiste à mettre en place la sonde 100 sur un éch-antillon étalon d'indice x connu.

La structure de l'échantillon étalon est alors excitée comme illustré schématiquement sur la figure 8 par l'étape 211 grâce à la sonde 100. Simultanément, les bobines 103, 104 permettent la mesure de la réponseinduction magnétique résultante- produite par la structure (étape 212 sur la figure 8).

Les moyens d'analyse 200 permettent alors comme illustré à l'étape 213 sur la figure 8 la décomposition de la réponse par transformée de Fourier pour obtenir les coefficients de Fourier étalon qui constituent les coefficients de pondération respectifs des fonctions élémentaires intervenant dans la génération de la réponse produite par l'échantillon étalon testé.

Le cas échéant, les étapes 211, 212 et 213 peuvent être réitérer pour un nombre Y prédéterminé d'excitations, en modifiant, à chaque cycle d'excitation 211 et de mesure 212, l'amplitude du courant d'excitation appliqué à la bobine inductrice 101 (étapes 214 et 215).

A titre d'exemple, les étapes 211 à 215 précitées permettent, pour une valeur d'excitation donnée, à l'aide des coefficients de Fourier H1 et H3 pondérant respectivement les harmoniques 1 et 3, décrire les relations suivantes H1étalon =x h11 + xh12 (3) H3étalon = x h31 +x h32 (4)
3 3 dans lesquelles , x représente l'indice connu du composant magnétique dans l'échantillon étalon, le paramètre h1 représente la contribution de la couche superficielle 1 de l'échantillon étalon à la génération de l'harmonique 1, le paramètre h12représente la contribution de la couche profonde 2 à la génération de la même harmonique 1, le paramètre h3 représente la contribution de la couche 3 paramètre h31 représente superficielle 1 à la génération de l'harmonique 3, 2 le paramètre h3 représente la contribution de la couche profonde 2 à la génération de l'harmonique 3.

Comme cela est représenté sur la figure 8 par les étapes 216 et 217, l'échantillon étalon est alors éloigné de la sonde 100 d'un pas égal à l'épaisseur de la couche superficielle 1 précitée, avant de reprendre les étapes 211 à 215 précitées.

La réitération des étapes d'excitation 211 et de mesure 212 permet d'écrire, en considérant les nouveaux coefficients de Fourier H1' étalon et H' correspondant aux coefficients de pondération respectifs des harmoniques 1 et 3, la série d'équations suivantes
H1'étalon = Oh11 + xh12 (5)
H'2étalon = Oh31 + xh32(6)
Le rapprochement des relations (3), (4), (5) et (6) précitées permet de déterminer successivement les paramètres 2,2 h3, h1 et h1
Dans la pratique, il est nécessaire d'opérer une discrétisation plus fine des paramètres précités, c'està-dire de subsiviser le matériau à analyser en un nombre de couches superposées supérieur à deux, et de déterminer les paramètres hnP pour chacune de ces couches,
Pour cela, comme illustré par les étapes 216 et 217 sur la figure 8, il faut réitérer p fois le cycle des étapes 211 à 2'5 en déplaçant entre chaque cycle l'échantillon par rapport à la sonde 100 d'un pas égal à l'épaisseur des couches considérées, pour obtenir des systèmes d'équations similaires aux équations (3), (4), (5) et (6) précitées permettant de déterminer les pa ramètres hPn La détermination de ces paramètres h p pour chaque
n valeur d'excitation sur la base des relations précitées est schématisée par l'étape 218 sur la figure 8.

Cette étape 218 est suivie de l'étape 219 au cours de laquelle les paramètres hP sont mémorisés.

n
Bien entendu, dans la pratique, il n'est pas nécessaire de réaliser les étapes 210 à 219 précitées avant chaque processus d'analyse d'un matériau, les paramètres pouvant être introduits à demeure par le constructeur
n dans une mémoire de masse 203 des moyens d'analyse 200.

Le processus précédemment décrit de détermination des paramètres hP applique le théorème de superposi
n tion des états et suppose que l'indice des échantillons étalons est faible, par exemple inférieur à 10-.

Pour les fortes concentrations, par exemple si l'indice du matériau devient supérieur à 10, le théorème de superposition est applicable après linéarisation autour d'une valeur moyenne expérimentalement définie, ce qui revient à dire que l'on ne considère que les variations autour d'un indice moyen déterminé.

Pour cela, lors du déplacement de l'échantillon étalon par rapport à la sonde 100, illustré par l'étape 217 sur la figure 8, il convient de ne pas laisser libre l'espace défini entre l'échantillon étalon et la sonde, mais de remplir cet espace grâce à des échantillons étalons présentant un indice connu différent de celui utilisé lors du premier essai.

Le processus d'analyse proprement dit de la teneur en composant magnétique d'un matériau correspond aux étapes référencées 220à228 sur la figure 8, dans la mesure, où, comme on l'a évoqué précédemment, les paramètres hn peuvent être mémorisés à demeure dans une mémoire de masse 203 des moyens d'analyse 200.

Le processus d'analyse commente par la mise en place de la sonde 100 sur la pièce C à analyser, comme illustré à l'étape 220 sur la figure 8.

La sonde 100 peut par exemple être disposée en regard d'un cordon de soudure C, l'axe longitudinal 102 de la bobine inductrice 101 s'étendant transversalement à la surface principale extérieure du cordon de soudure
C.

Le générateur 201 applique alors un courant d'excitation à la bobine inductrice 101 pour exciter la structure du matériau C comme illustré à l'étape 221 sur la figure 8.

Simultanément, les bobines induites 103, 104 détectent la réponse-induction magnétique résultanteproduite par le matériau C, comme illustré à l'étape 222 sur la figure 8.

De façon similaire à l'étape 213 précitée, les moyens d'analyse 200 procèdent alors à la décomposition de la réponse détectée pour déhnir les coefficients de pondération respectifs Hn(coefficient de Fourier) des fonctions élémentaires (harmoniques de rang impair) intervenant dans la génération dudit signal (étape 223).

Comme cela est représenté sur la figure 8 par étape de test 224 et l'étape ultérieure 227, le cycle des étapes 221, 223 peut être réitéré z fois, en modifiant pour chaque cycle l'amplitude de l'excitation due à la sonde 100.

Là encore, dans un premier temps, pour simplifier les explications qui vont suivre, on supposera que le matériau C à étudier est coupé en deux zones 1 et 2, tel que l'excitation dans la couche 1 superficielle soit non linéaire, la réponse étant chargée en harmoniques, tandis que l'excitation dans la couche profonde 2 est linéaire.

En d'autres termes, la contribution de la couche profonde 2 à la génération de l'harmonique 3 dans le signal est nulle.

Comme illustré à l'étape 225 sur la figure 8, les moyens d'analyse 200 peuvent alors déterminer les indices pour chaque excitation sur la base de relations simi laires à l'équation précitées H = mp hnp .

n pn
Plus précisément, dans l'exemple théorique précité où le matériau C à analyser est divisé en deux couches superposées 1, 2, les moyens d'analyse 200 déterminent les indices m1 et m2 respectifs de celles-ci sur la base du système d'équation H1 = m1 h1 + m2 2 (7)
1 1
H3 = m1 h1 O ( 8)
3 dans lesquelles
H1 et H3 représentent les coefficients de pondération coefficients de Fourier déterminés à l'étape 223, et - les paramètres h11, h12, h31 représentent les paramètres déterminés précédemment sur la base des équations (3), (4), (5) et (6) à l'aide des échantillons étalons.

Dans la pratique, comme on l'a évoqué précédemment lors de la détermination des paramètres hnP sur échantillons étalons, il est souhaitable de réaliser une discrétisation plus fine, c'est-à-dire de découper fictivement le matériau à analyser en un nombre de zones superposées supérieur à 2, tel qu'illustré sur la figure 2 par les couches référencées 0, 1, 2...p...rt la dernière r représentant la couche profonde et qui délivre une réponse linéaire.

Dans un tel cas, en raison de la multiplication des indices m à déterminer, il est souhaitable de pren
p dre en compte des harmoniques de rang supérieur à 3 d'une part et de contrôler les valeurs obtenues par calcul pour différents cycles d'excitation 221-mesure 222 correspondant à des amplitudes d'excitation respectives (étapes de réitération 224 et 227).

A titre d'exemple, la discrétisation fine peut être réalisée par découpage du matériau C à tester en zone de 0,5 à lmm d'épaisseur, la dernière zone rétant supposée être formée d'un fond homogène. La position de cette dernière zone n peut varier par exemple de 0,5 à 1 cm.

Dans tous les cas, les indices m sont déterminés
p sur la base d'un système d'équations similaire à la rela tion précitée: H n = zmp hn .

pn
Bien entendu, les résultats sont d'autant plus précis que les états qualifiant les différents couches superposées du matériau sont indépendants au sens vectoriel.

L'analyse précédemment définie et illustrée par les étapes 221 à 225 sur la figure 8 ne définit qu'un point de mesure et suppose que l'indice en composant magnétique du matériau C à analyser évolue surtout dans le sens de la profondeur. Ce cas se rencontrera dans les plaques, les placages d'aciers inoxydables, les soudures de grandes dimensions.

Néanmoins, selon la présente invention, on peut opérer aisément un balayage automatique de la sonde 100 sur la surface du matériaur C à analyser pour permettre une analyse à 3 dimensions de ce dernier en corrélant un résultat des divers points de mesures. Ce balayage automatique est illustré schématiquement sur la figure 8 par l'étape de test 226 qui, si elle est positive, induit une réitération des étapes 221, 222, 223, 224, 225 et 227 précitées.

Un tel balayage automatique de la sonde permettant une analyse à 3 dimensions est notamment intéressant dans le cas de l'analyse transversale des tordons de soudure, dans les aciers inoxydables par exemple, où le cordon de soudure présente généralement un indice faible par rapport à l'indice des éléments soudés environnants.

L'étape ultime du processus d'analyse consiste en la visualisation des indices m , comme illustré à l'étape 228 sur la figure 8.

Le processus de détermination des indices m
p précités suppose que ces derniers sont faibles, par exemple inférieurs à 10 et applique le théorème de superposition des états.

Dans le cas où les indices m sont élevés, par exemple supérieurs à 10, le théorème de superposition des états n'est plus applicable directement. Néanmoins, les études de la Demanderesse ont permis de constater que l'allure des courbes représentant les coefficients de Fourier H en fonction des indices mp montre que la linéa
n P risation est bonne dans un domaine Am = 5 autour d'une valeur moyenne m. En applicant les théorèmes des accroissements finis, l'analyse est ramenée au problème précédent pour le calcul des Amp et mp =m + Amp
Les moyens d'analyse 200 illustrés sur les figures peuvent être constitués de moyens de calcul classiques en soi et ne seront pas décrits en détail par la suite.

Néanmoins, comme cela est illustré schématiquement sur la figure 1, on notera que ces moyens d'analyse 200 peuvent comprendre des cartes de gestion de données 204, gérées par microprocesseur, connectées en sortie de l'amplificateur 202 et dialoguant avec le générateur 201, des cartes 205 de gestion de sortie également gérées par microprocesseur, la mémoire de masse 203 et iin clavier 206 permettant l'introduction de facteurs par l'utilisateur.

Les résultats peuvent être consignes sur cassettes 207 et visualisés sur écran 208 comme illustré schématiquement sur la figure 1.

Des moyens d'analyse 200 généralement similaires à ceux illustrés sur la figure 1 sont représentés sur la figure 7.

Néanmoins, sur cette dernière, on aperçoit le convertisseur analogique numérique 209 intercalé entre l'amplificateur 202 et la carte de gestion de données 204.

Une première option de ce système tel que représenté en haut à droite sur la figure 7 peut être constituée d'un micro-ordinateur 230 comprenant par exemple un lecteur de disquettes 231, un écran 232 et un clavier 233.

Deux autres options illutrées en bas à droite sur la figure 7 peuvent être formées d'un lecteur de cassettes 234 et d'une table traçante 235.

Une quatrième option illustrée en haut à gauche sur la figure 7 peut être formée d'un jeu de sondes diverses comportant des étalons 105 d'indice homogène connu sur la bobine induite supérieure 104. Cet étalon 105 permet d'accroître la précision des mesures dans le cas d'indices forts, par exemple supérieurs à 25, en transformant l'analyseur en appareil de zéro.

Enfin, une cinquième option illustrée en bas à gauche sur la figure 7-peut être formée d'un capteur de déplacement sensible aux déplacements de la sonde 100 sur le matériau C à tester pour permettre une analyse à 3 dimensions.

Bien entendu, la présente invention, n'est aucunement limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.

A titre d'exemple, on peut envisager d'opérer la décomposition en fonctions élémentaires de la réponse détectée par la sonde grâce à une série de filtres appropriés.

Sur les figures 9, 10, 11 et 12, on a réalisé sous forme de zones hachurées la plage de mesures obtenues à l'aide d'un dispositif d'analyse conforme à la présente invention, tandis que les plages de mesures obtenues à l'aide de dispositifs classiques du type magnégage sont représentées sous forme de zones ombrées.

Par ailleurs, le sens de la mesure est illustré schématiquement par des flèches sur les figures 9, 10, 11 et 12.

La figure 9 représente les résultats de détermination d'indices sur un échantillon de plaquage inox sur fond de ferrite.

La comparaison de l'allure de la zone hachurée obtenue conformément à la présente invention par rapport à la zone rectiligne obtenue grâce à des dispositifs classiques montre clairement la finesse de la mesure obtenue grâce au processus d'analyse conforme à la présente invention.

La figure 10 représente les résultats d'analyse sur un échantillon de plaquage inox d'une épaisseur de 9,1 mm.

On remarquera la bonne correspondance entre les mesures faites grâce au dispositif d'analyse conforme à la présente invention sur la face 1 et la face 2 de l'échantillon.

La figure 11 et la figure 12 représentent les résultats de deux analyses opérées sur un empilement d'étalons secondaires du Welding Institute.

Sur ces figures 11 et 12, les plages ombrées correspondent aux plages de mesures du Welding Institute, tandis que, comme cela a été précédemment évoqué, les zones hachurées correspondent aux plages de mesures obtenues grâce au dispositif d'analyse conforme à la présente invention.

Les résultats illustrés sur les figures 11 et 1 2 montrent la précision des mesures dans le cas de variations d'indice extrêmes.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé de détermination en volume, de la teneur en composant magnétique, par exemple en ferrite, d'un matériau (C), caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à i) exciter (221) la structure (C) du matériau à l'aide d'une sonde magnétique (100), selon un cycle connu prédéterminé, ii) détecter (222), à l'aide de la sonde (100), l'induction magnétique résultante produite en réponse par le matériau, iii) décomposer (223) en fonctions élémentaires un signal dérivé de la réponse détectée à l'étape ii) pour définir des coefficients de pondération respectifs H n des fonctions élémentaires intervenant dans la génération dudit signal, et iv) déterminer la valeur des indices mp en composant magnétique de couches superposées du matériau en résolvant une série d'équations (han = Emp hn) dans chacune desquelles un coefficient de pondération H n défini à l'étape iii) et associé à une fonction élémentaire donnée, égale une sommation de paramètres hrP, représentatifs de la contribution respective de chaque couche p à la génération de ladite fonction élémentaire donnée dans le signal et déterminés (210-219) sur des échantillons étalons recevant le cycle connu prédéterminé d'excitation, pondérés respectivement par les indices recherchés mp en composant magnétique.

2. Procédé de détermination de la teneur en composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les coefficients de pondération H définis

n à l'étape iii) sont les coefficients de Fourier d'harmoniques de rang impair.

3. Procédé de détermination de la teneur en composant magnétique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le signal dérivé de la réponse détectée à l'étape ii) et décomposée à l'étape iii) est constituée de la dérivée par rapport au temps

(dB/dt) du flux du champ magnétique crée par le matériau

(C) à travers une bobine induite (103).

(224, 227).

4 Procédé de détermination de la teneur en composant magnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les étapes i) à iv) sont réitérées pour une pluralité de valeurs d'excitation

5. Procédé de détermination de la teneur en composant magnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la détermination, à l'aide d'échantillons étalons de meme caractéristique magnétique, c'està-dire de même cycle d'hystéréris B(H) pour le même indice que le matériau à étudier, des paramètres hP représentatifs de la contribution respective de chaque couche à la génération d'une fonction élémentaire donnée dans le signal détecté, utilisés à l'étape iv), comprend les étapes consistant a) exciter (211) selon un cycle connu prédéterminé, une structure étalon, formée d'une pluralité de couches superposées d'indice connu en composant magnétique, à l'aide d'une sonde (100), b) détecter (212), à l'aide de la sonde (100), l'induction magnétique résultante produite en réponse par la structure, c) décomposer (213) en fonctions élémentaires un signal dérivé de la réponse détectée à l'étape b) pour définir des coefficients de pondération respectifs Hnétaîon des fonctions élémentaires intervenant dans la génération dudit signal, d) réitérer les étapes a), b) et c) après avoir modifier (216, 217) l'indice en composant magnétique de l'une des couches de la structure étalon, et e) déterminer (218) la valeur desdits paramètres hP en résolvant une série d'équations (étalon = Exphpn) dans chacune desquelles un coefficient de pondération étalon défini à étape c) et associé à une fonction élémentaire donnée, égale une sommation desdits paramètres hpn représentatifs de la contribution respective de chaque couche à la génération de ladite fonction élémentaire donnée, pondérés respectivement par les indices connus xpen composant magnétique des couches, avec x = 0 ou x pour les faibles indices -p

Xp autour de x pour les forts indices.

6. Dispositif de détermination en volume de la teneur en composant magnétique, d'un matériau, caractérisé par le fait qu'il comprend - une sonde magnétique (100) apte à exister la structure du matériau selon un cycle connu prédéterminé et à détecter l'induction magnétique résultante produite en réponse par le matériau, - des moyens de décomposition (200) aptes à décomposer (223) en fonctions élémentaires un signal dérivé de la réponse détectée par la sonde pour définir des coefficients de pondération respectifs H n des fonctions élémentaires intervenant dans la génération dudit signal et - des moyens d'analyse (200) aptes à déterminer (225) la valeur des indices m en composant magnétique de couches superposées du matériau en résolvant une série d'équations (Hn = E}ap hpn) dans chacune desquelles un coefficient de pondération H défini par les moyens de décomposition

n et associé à une fonction élémentaire donnée, égale une

p sommation de paramètres h représentatifs de la contri

n but ion respective de chaque couche à la génération de ladite fonction élémentaire donnée dans le signal et déterminés sur des échantillons étalons recevant le cycle connu prédéterminé d'excitation, pondérés respectivement par les indices recherchés m en composant magnétique des couches, - des moyens de visualisation (208) desdits indices.

7. Dispositif de détermination en volume de la teneur en coeosant magnétique, d'un matériau, selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la sonde (100; comprend une bobine inductrice (101) créant un champ d'excitation alternatif et deux bobines secondaires de détection (103, 104) placées symétriquement au voisinage des extrémités axiales de la bobine d'induction.

8. Dispositif de détermination en volume de la teneuren composant magnétique, d'un matériau,selon la reven diction 7, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'alimentation (201) de la bobine inductrice (101) par décharge capacitive.

9. Dispositif de détermination en volume de la teneur en composant magnétique, d'un matériau, selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à réitérer (224, 227) le processus d'analyse des indices m en composant

p magnétique des différentes couches superposées du matériau pour une pluralité de valeurs d'excitation.

10. Dispositif de détermination en volume de la teneur en composant magnétique, d'un matériau, selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à déplacer (226) la sonde magnétique sur la structure de matériau et à réitérer en synchronisme le processus d'analyse.

11. Dispositif de détermination en volume de la

teneur en composant magnétique, d'un matériau, selon l'une

des revendications 6 à 10, caractérisé par le fait que les

moyens de décomposition (200) comprennent des moyens de

calculs par transformée rapide de Fourier.

12. Dispositif de détermination en volume de la

teneur en composant magnétique, d'un matériau, selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé par le fait que pour

la détermination, à l'aide d'échantillons étalons de même caractéristique magnétique, c'est-à-dire de même cycle d'hystéréris

B(H) pour le même indice que le matériau à étudier, des paramètres -Y representatifs de la contribution respective de chaque couche à la vénération a'une fonction élémentaire donnée dans le signal détecté, il comprend des moyens aptes à a) exciter (211) selon un cycle connu prédéterminé, une structure étalon, formée d'une pluralité de couches superposées d'indice x connu en composant magnétique, à l'aide d'une sonde (100), b) détecter (212) à l'aide de la sonde (100) l'induction magnétique résultante produite en réponse par la structure, c) décomposer (213) en fonctions élémentaires un signal dérivé de la réponse détectée pour définir des coefficients de pondération respectifs Hnétalon des fonctions élénientaires intervenant dans la génération dudit signal, d) réitérer (216, 217) les étapes d'excitation (211), détection (212) et décomposition (213) après avoir modifié l'indice en composant magnétique de l'une des couches de la structure étalon, et e) déterminer (218) la valeur desdits paramètres hpn en résolvant une série d'équations (Hétalon = #pxphnp) dans chacune desquelles un coefficient de pondération Hnétalon défini à l'étape de décomposition et associé à une fonction élémentaire donnée, égale une sommation desdits paramètres P h n ' représentatifs de la contribution respective de chaque couche à la génération de ladite fonction élémentaire donnée, pondérés respectivement par les indices i connus en composant magnétique des couches xp = 0 ou x pour les faibles indices, xp autour de x pour les forts indices.

13. Dispositif de détermination en volume de la teneur en composant magnétique d'un matériau selon l'une des revendications 6 à 12, prise en combinaison avec la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un étalon homogène (105) adjacent à 1 'une des bobines secondaires de détection dans le cas où le matériau possède un indice élevé, afin d'utiliser la sonde (100) sous forme d'un appareil de zéro.