FR2766269A1 - Sonde a courants de foucault pour le controle non destructif de la paroi d'un tube et procede de traitement des signaux de la sonde - Google Patents
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Abstract
La sonde à courants de Foucault comporte une bobine d'excitation (4) constituée par un solénoïde dont le diamètre extérieur maximal est inférieur au diamètre intérieur du tube (1), une pluralité de capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique répartis circonférentiellement autour de la bobine d'excitation (4), dans une disposition coaxiale à la bobine d'excitation (4), des moyens (8) de traitement des signaux des capteurs (6) comportant une unité d'analyse statistique d'un signal de bruit recueilli pendant le déplacement de la sonde (2) dans le tube (1) et des moyens de détermination de signaux aberrants dus à des défauts isolés du signal de bruit, ainsi que des moyens (10) de déplacement de la sonde à l'intérieur du tube en translation.
Description
L'invention concerne une sonde à courants de Foucault pour le contrôle non destructif de la paroi d'un tube, par l'intérieur du tube et en particulier d'un tube du faisceau d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.
Les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression comportent un faisceau constitué de plusieurs milliers de tubes pliés en épingle et comportant chacun deux branches droites qui sont fixées dans des trous traversant une plaque tubulaire. Ces tubes ont une longueur de l'ordre de vingt mètres, un diamètre intérieur de l'ordre de vingt millimètres et une épaisseur un peu supérieure à un millimètre.
Dans le générateur de vapeur en fonctionnement, les tubes sont au contact d'eau de refroidissement et d'eau d'alimentation du générateur de vapeur à haute pression et à haute température et circulant à grande vitesse au contact des parois du tube. Les tubes du générateur de vapeur sont soumis de ce fait à des contraintes mécaniques et thermiques et à la corrosion de telle sorte qu'ils sont susceptibles de présenter, après un certain temps de fonctionnement du générateur de vapeur, des détériorations telles que des fissures ou des diminutions d'épaisseur de paroi, dans les zones d'usure par frottement des tubes sur des dispositifs de maintien tels que des plaques-entretoises.
En outre, les tubes des générateurs de vapeur, qui assurent la séparation entre le fluide de refroidissement primaire du réacteur nucléaire à très haute pression, de l'ordre de 155 bars, et de l'eau d'alimentation du générateur de vapeur à une pression sensiblement inférieure (de l'ordre de 55 bars), doivent être remplacés ou réparés, lorsque des détériorations telles que la fissuration ou l'usure sont apparues dans la paroi de ces tubes.
II est donc nécessaire de disposer de moyens de contrôle des tubes des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression permettant de détecter, pendant une période d'arrêt du réacteur nucléaire, la présence de défauts tels que des fissures dans la paroi des tubes.
Les dispositifs utilisés doivent permettre de réaliser un contrôle efficace de l'ensemble de la paroi de chacun des tubes du faisceau, en un temps très court, par l'intérieur du tube. Les tubes ne sont en effet accessibles que par leur extrémité d'entrée ou de sortie dans la boîte à eau du générateur de vapeur et les faisceaux de tubes des générateurs de vapeur comportent un très grand nombre de tubes. II est donc nécessaire d'effectuer le contrôle avec une sonde de petite dimension qui peut être introduite par une extrémité d'un tube du générateur de vapeur et déplacée à l'intérieur du tube de manière à réaliser un balayage à très grande vitesse de la surface intérieure du tube.
En outre, les signaux fournis par la sonde de contrôle doivent pouvoir être exploités soit en temps réel, soit de manière différée, de telle sorte qu'on puisse détecter et dimensionner facilement les défauts éventuels dans la paroi d'un tube, le but du contrôle étant de déterminer de manière précise si le tube est sain ou présente des défauts qui nécessitent sa réparation, son bouchage ou son remplacement.
En outre, les sondes de mesure doivent présenter des dimensions suffisamment faibles pour être introduites et déplacées dans toutes les parties des tubes du faisceau et en particulier dans les parties cintrées des tubes.
On connaît des techniques de contrôle des tubes des faisceaux de générateur de vapeur, selon l'art antérieur, qui utilisent des sondes à courants de Foucault, c'est-à-dire des sondes comportant un bobinage d'excitation et un bobinage de détection dont le couplage est réalisé par une partie de la paroi du tube dont on réalise le contrôle. On mesure le flux magné- tique circulant dans le circuit magnétique constitué par la sonde et la paroi du tube ou l'impédance du circuit magnétique.
Le bobinage d'excitation est généralement enroulé sur une partie d'un circuit magnétique ayant la forme d'un U dont les extrémités constituent des pôles autour desquels sont enroulés des bobinages de mesure.
Une telle sonde à courants de Foucault peut être déplacée en translation axiale à l'intérieur du tube, pour effectuer une inspection du tube sur toute sa longueur ou en translation et en rotation, mais, dans ce cas, on ne peut l'utiliser que sur des longueurs de tube limitées pour des inspections localisées, du fait de la vitesse de déplacement limitée en translation.
Pour effectuer un contrôle de toute la paroi du tube, sous toute sa longueur, il serait nécessaire d'utiliser des dispositifs mécaniques complexes à l'intérieur de la boîte à eau pour permettre un déplacement précis et rapide de la sonde à courants de Foucault suivant un mouvement généralement hélicoïdal, à l'intérieur du tube.
En outre, les mesures effectuées ou les signaux fournis par une sonde à courants de Foucault pendant son déplacement à l'intérieur d'un tube ne permettent pas de détecter de manière précise et de dimensionner tous les défauts dans la paroi du tube, du fait des perturbations introduites dans les conditions de couplage de la sonde et du tube, pendant le déplacement de la sonde à l'intérieur du tube. En particulier, le jeu radial entre la sonde et la paroi intérieure du tube est susceptible de varier pendant les déplacements de la sonde en rotation et en translation à l'intérieur du tube de générateur de vapeur.
Enfin, I'exploitation des signaux fournis par la sonde, par les techniques utilisées jusqu'ici ne permet pas de réaliser de manière simple une analyse conduisant à une détermination et à un dimensionnement précis des défauts.
II est connu, dans le cas de tubes en matériau non magnétique tels que les tubes de générateur de vapeur en alliage de nickel, de réaliser l'excitation de la sonde à courants de Foucault par un courant multifréquence ce qui permet, dans certains cas, d'éliminer certains facteurs perturbateurs de la mesure, mais, dans ce cas, les méthodes d'exploitation et d'analyse des signaux utilisées jusqu'ici ne permettent pas de déterminer de manière simple la présence et les dimensions de défauts.
Le but de l'invention est donc de proposer une sonde à courants de
Foucault pour le contrôle non destructif de la paroi d'un tube, par l'intérieur du tube, comportant au moins une bobine d'excitation alimentée en courants multifréquence, au moins un moyen de détection du champ magnétique produit par les courants induits dans la paroi du tube, des moyens de trai tement de signaux reçus par le moyen de détection et des moyens de déplacement de la sonde à l'intérieur du tube, cette sonde permettant de réaliser un contrôle non destructif, précis et rapide à l'intérieur de tubes tels que les tubes d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.
Foucault pour le contrôle non destructif de la paroi d'un tube, par l'intérieur du tube, comportant au moins une bobine d'excitation alimentée en courants multifréquence, au moins un moyen de détection du champ magnétique produit par les courants induits dans la paroi du tube, des moyens de trai tement de signaux reçus par le moyen de détection et des moyens de déplacement de la sonde à l'intérieur du tube, cette sonde permettant de réaliser un contrôle non destructif, précis et rapide à l'intérieur de tubes tels que les tubes d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.
Dans ce but:
- la bobine d'excitation est un solénoïde dont le diamètre extérieur maximal est inférieur au diamètre intérieur du tube,
- le moyen de détection du champ magnétique est constitué par une pluralité de capteurs de la composante radiale du champ magnétique répartis circonférentiellement autour de ia bobine d'excitation, dans une disposition coaxiale à la bobine d'excitation,
- les moyens de traitement des signaux des capteurs comportent une unité d'analyse statistique d'un signal de bruit recueilli pendant le déplacement de la sonde dans le tube et des moyens d'affichage de signaux aberrants dus à des défauts isolés du signal de bruit, et
- les moyens de déplacement de la sonde à l'intérieur du tube sont des moyens de déplacement de la sonde en translation dans le tube de manière que la bobine d'excitation soit coaxiale au tube.
- la bobine d'excitation est un solénoïde dont le diamètre extérieur maximal est inférieur au diamètre intérieur du tube,
- le moyen de détection du champ magnétique est constitué par une pluralité de capteurs de la composante radiale du champ magnétique répartis circonférentiellement autour de ia bobine d'excitation, dans une disposition coaxiale à la bobine d'excitation,
- les moyens de traitement des signaux des capteurs comportent une unité d'analyse statistique d'un signal de bruit recueilli pendant le déplacement de la sonde dans le tube et des moyens d'affichage de signaux aberrants dus à des défauts isolés du signal de bruit, et
- les moyens de déplacement de la sonde à l'intérieur du tube sont des moyens de déplacement de la sonde en translation dans le tube de manière que la bobine d'excitation soit coaxiale au tube.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, à titres d'exemples, plusieurs modes de réalisation d'une sonde à courants de Foucault suivant i'inven- tion.
La figure 1 est une vue en coupe schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant l'invention en position de contrôle à l'intérieur d'une portion de tube d'un générateur de vapeur.
La figure 2 est une vue schématique en coupe de la bobine d'excitation d'une sonde à courants de Foucault suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation représentée à l'intérieur d'une portion d'un tube de générateur de vapeur en cours de contrôle.
La figure 2A est un diagramme montrant la densité de courants induits dans le tube par la bobine d'excitation représentée sur la figure 2, le long d'une génératrice.
La figure 3 est une vue schématique en coupe partielle d'une bobine d'excitation d'une sonde à courants de Foucault suivant l'invention et suivant un second mode de réalisation en position de contrôle à l'intérieur d'une portion d'un tube de générateur de vapeur.
La figure 3A est un diagramme montrant la densité de courants induits dans le tube par la bobine d'excitation représentée sur la figure 3, le long d'une génératrice du tube.
La figure 4 est une vue en coupe partielle schématique d'une bobine d'excitation d'une sonde à courants de Foucault suivant l'invention et suivant un troisième mode de réalisation en position de contrôle à l'intérieur d'une portion de tube d'un générateur de vapeur.
La figure 4A est un diagramme montrant la densité des courants induits dans le tube par la bobine d'excitation représentée sur la figure 4, le long d'une génératrice du tube.
La figure 5 est une vue en élévation latérale avec coupe partielle d'une sonde à courants de Foucault suivant l'invention en position de contrôle à l'intérieur d'une portion de tube dont on effectue le contrôle.
La figure 5A est une vue en perspective agrandie de la partie 5A de la sonde représentée sur la figure 5.
La figure 5B est une vue agrandie du détail 5B de la figure 5A.
La figure 6A est une vue en perspective d'une partie analogue à la partie 5A de la sonde, dans le cas d'une bobine d'excitation selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4.
La figure 7A est une vue en perspective d'une partie analogue à la partie 5A représentée sur les figures 5A et 6A comportant de plus un enroulement de mesure du flux d'excitation de la sonde.
La figure 8 est un diagramme relatif à l'analyse des signaux de la sonde à courants de Foucault en composantes principales.
La figure 9 est une représentation d'un banc de filtre associé à la transformée en ondelette continue des signaux de la sonde à courants de
Foucault.
Foucault.
La figure 10A est une représentation en trois dimensions de la cartographie du signal de la sonde à courants de Foucault.
La figure 10B est une image en trois dimensions de la cartographie correspondant à la figure 1 0A de défauts du tube détectés par courants de
Foucault après traitement par transformée en ondelettes.
Foucault après traitement par transformée en ondelettes.
La figure 1 1A est une représentation en trois dimensions de la cartographie du signal du capteur à courants de Foucault à l'intérieur d'un tube.
La figure 11B est la cartographie correspondant à la figure 11A de défauts détectés par courants de Foucault après traitement par transformée en ondelettes.
La figure 12A est une image en trois dimensions de la cartographie du signal du capteur à courants de Foucault à l'intérieur d'un tube.
La figure 12B est une image en trois dimensions de la cartographie correspondant à la figure 1 2A de défauts détectés dans le tube après traitement par transformée en ondelettes.
La figure 12C est une image dilatée de la partie C de la figure 12B.
Sur la figure 1, on a représenté une portion de tube 1 qui peut être une portion de tube d'un générateur de vapeur dans lequel on a introduit une sonde 2 à courants de Foucault suivant l'invention.
La sonde 2 comporte en particulier une tête de mesure 3 qui est fixée à l'extrémité d'une gaine flexible 10 permettant de déplacer la tête de mesure 3 à l'intérieur du tube 1, en translation suivant la direction de l'axe 5 du tube, par poussée et par traction, comme représenté par la flèche 11.
La tête de mesure 3 comporte en particulier un bobinage d'excitation 4 qui est constitué sous la forme d'un solénoïde et un ensemble de capteurs 6 fixés sur un support, de façon à être répartis circonférentiellement autour du bobinage d'excitation 3, de manière symétrique autour de l'axe du solénoïde.
La tête de mesure 3 fixée à l'extrémité de la gaine 10 présente un diamètre extérieur hors tout très légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube, de manière que la tête de mesure 3 fixée à l'extrémité de la gaine 10 puisse être déplacée à l'intérieur du tube 1 dans une disposition coaxiale par rapport au tube 1. La tête de mesure 3 etlou la gaine 10 peuvent être solidaires de moyens de centrage et de guidage de la sonde dans le tube.
La gaine 10 porte des conducteurs électriques permettant l'alimentation en courant électrique de la bobine d'excitation 4 et le recueil des signaux de mesure des capteurs 6.
Le câble 10 est relié à son extrémité opposée à la tête de mesure 3 à l'extérieur du tube 1, à un ensemble d'alimentation et de traitement des signaux 8.
La bobine d'excitation 4 doit présenter une longueur totale permettant d'obtenir des courants induits dans la paroi du tube d'une intensité suffisante pour réaliser les mesures. De plus, la longueur totale de la bobine d'excitation 4 doit permettre de déplacer la tête de mesure 3 dans toutes les parties des tubes du faisceau et en particulier dans les parties cintrées des tubes présentant les plus petits rayons de courbure. A courant d'excitation constant, il existe une longueur critique au-delà de laquelle l'intensité des courants induits dans la zone de mesure n'augmente plus. Cette longueur critique est d'environ 25 mm dans le cas de tubes de générateur de vapeur dont le diamètre intérieur est proche de 20 mm.
Sur les figures 2, 3 et 4, on a représenté des bobinages d'excitation, respectivement 4a, 4b et 4c qui sont réalisés de manière à présenter la longueur totale requise pour produire des courants induits d'intensité voulue dans la paroi du tube 1 et qui sont réalisés suivant trois formes de réalisation différentes.
Sur la figure 2, le bobinage 4a est constitué de deux bobinages élémentaires 4'a et 4"a qui peuvent être alimentés de manière à être parcourus par des courants sinusoïdaux en phase ou en opposition de phase. Dans tous les cas, les deux bobinages placés bout à bout présentent la longueur voulue pour produire dans la paroi du tube 1 les courants induits nécessaires pour la mesure.
La présence de deux bobinages d'excitation n'est pas une nécessité, toutefois, ils permettent, par mulitplexage rapide des deux sondes d'excitation en phase et en opposition de phase, de multiplier par deux le nombre de mesures relatives à chacune des positions de la tête de mesure dans le tube. Lorsqu'on utilise un seul bobinage correspondant à la réunion des deux bobinages représentés sur la figure 2, on peut encore effectuer les mesures mais celles-ci sont moins performantes.
Comme il est visible sur la figure 2A, I'intensité des courants induits sur une longueur du tube correspondant sensiblement à la longueur du bobinage est sensiblement constante.
Comme il est visible sur la figure 3, il est possible également d'utiliser deux bobinages 4'b et 4"b coaxiaux placés dans le prolongement l'un de l'autre avec une faible distance dans la direction axiale les séparant. On peut par exemple utiliser deux bobinages d'une longueur de l'ordre de 12,5 mm séparés par une distance dans la direction axiale de l'ordre de 2 mm.
Dans ce cas, comme il est visible sur la figure 3A, on observe une chute assez marquée de l'intensité des courants induits dans la zone située entre les deux bobinages. Un tel dispositif comportant deux bobinages peut être utile cependant pour obtenir une tête de mesure susceptible de se déplacer dans des parties cintrées de tubes à faible courbure.
De manière à obtenir une intensité maximale des courants induits dans la paroi du tube, le diamètre du bobinage d'excitation doit être le plus grand possible, c'est-à-dire le plus proche possible du diamètre inteme du tube 1 à contrôler.
Cependant, comme il est visible sur la figure 4, il est possible d'obtenir des courants induits sensiblement identiques au cas d'un bobinage à grand diamètre, en utilisant un bobinage d'excitation 4c, qui peut être en deux parties, d'un diamètre sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tube, le bobinage d'excitation étant enroulé sur un noyau ayant une per méabilité élevée, par exemple un noyau en ferrite. Cependant, les pôles 4'c et 4"c du noyau doivent avoir un diamètre très peu inférieur au diamètre intérieur du tube 1.
Comme il est visible sur la figure 4A, on obtient alors des courants induits dans la paroi du tube qui sont sensiblement identiques aux courants induits obtenus dans le cas d'un bobinage de grand diamètre, comme représenté sur la figure 2.
Sur la figure 5, on a représenté une tête de mesure suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation. Les éléments de la sonde sont désignés par les mêmes repères que les éléments correspondants de la sonde représentée sur la figure 1.
La tête de mesure 3 comporte un bobinage d'excitation 4 en deux parties 4' et 4" entre lesquelles est intercalé un disque 7 dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre extérieur des bobinages 4' et 4".
Les capteurs de mesure 6 de la composante radiale du champ magnétique créé par les courants induits dans la paroi du tube 1 sont fixés autour de la surface latérale du disque 7, suivant une surface ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre du bobinage d'excitation.
Sur la figure 5A, on a représenté le disque 7 constituant le support des capteurs 6.
L'inconvénient de ce montage est que les bobinages 4' et 4" constituant le bobinage d'excitation 4 sont écartés l'un de l'autre de part et d'autre du disque 7, de sorte que l'intensité des courants induits chute dans la partie de la paroi du tube située en face du disque 7.
Comme représenté sur la figure 6A, il peut être préférable d'utiliser un support 7' en forme de couronne portant les capteurs 6 qui peut être engagé sur la surface extérieure d'un bobinage d'excitation constitué de deux bobinages joints, comme représenté sur la figure 2. Ce montage nécessite toutefois un diamètre du bobinage d'excitation sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tube, c'est-à-dire l'utilisation d'un bobinage d'excitation ayant un noyau en ferrite, comme représenté sur la figure 4.
Le nombre de capteurs 6 disposés sur la surface latérale du disque 7 ou de la couronne 7' placée de manière coaxiale par rapport au bobinage d'excitation ayant pour axe l'axe 5 du tube dans sa position de mesure représentée sur la figure 5 doit etre suffisant pour fixer le pas d'échantillonnage circonférentiel du champ magnétique à une valeur permettant d'obtenir une représentation caractéristique du champ magnétique.
Dans le cas de tubes d'un diamètre intérieur de l'ordre de 20 mm, on estime qu'un pas de 2 mm serait satisfaisant, ce qui conduit à placer trentedeux capteurs à la périphérie du bobinage d'excitation, dans des dispositions angulaires également réparties autour de l'axe 5 de la tête de mesure.
Comme représenté sur la figure 5B, les capteurs 6 peuvent être constitués par des bobinages de très petites dimensions. On peut également utiliser des dispositifs à magnétorésistance.
Lorsque le capteur 6 est une bobine, comme représenté sur la figure 5B, la bobine est reliée à un amplificateur dont la résistance d'entrée est suffisamment grande pour qu'on puisse considérer que la bobine n'est parcourue par aucun courant électrique. De ce fait, la force électromotrice aux bornes de la bobine est proportionnelle à l'amplitude de la dérive du flux magnétique qui la traverse.
Lorsqu'on augmente la profondeur de la bobine, c'est-à-dire sa dimension dans la direction radiale, on augmente le niveau du signal capté mais on diminue la qualité de l'échantillonnage réalisé.
De même, lorsqu'on augmente le diamètre de la bobine on augmente le niveau du signal de mesure mais on diminue la qualité de l'échantillonnage. Dans le cas d'un tube de 20 mm de diamètre, le diamètre extérieur des bobines constituant les capteurs 6 ne doit pas excéder 500 pm pour pouvoir séparer deux entailles circonférentielles de 100 pm d'ouverture distantes d'un millimètre.
Comme il est visible sur la figure 7A, en plus des capteurs de champ magnétique 6 placés sur la surface extérieure d'un support tel que le support annulaire 7', la tête de mesure peut comporter une bobine plate de quelques spires 9 situées dans le plan médian de l'excitation et ayant pour axe l'axe 5 de la tête de mesure constituant l'axe de l'excitation. Le diamètre des spires de l'enroulement 9 est sensiblement égal au diamètre d'excitation. Le bobinage 9 qui constitue un capteur du flux d'excitation peut être placé à l'extérieur ou à l'intérieur des capteurs 6 de mesure de champ. On peut également envisager de placer quelques spires en série de part et d'autre du disque 7 ou de la couronne 7' portant les capteurs 6. Le capteur 9, de par ses dimensions, est peu sensible à de petits défauts dans le tube.
II donne une information relative aux variations du flux d'excitation dues à de grosses perturbations telles que le passage dans des zones du tube en contact avec des dispositifs de maintien tels que des plaques-entretoises ou des barres antivibratoires.
La tête de mesure 3 de la sonde doit être déplacée, pour effectuer les mesures, à l'intérieur du tube 1, dans un mouvement de translation suivant l'axe 5 du tube, sans rotation. Pour les tubes d'un diamètre intérieur de l'ordre de 20 mm, le pas de d'échantillonnage axial des mesures ne doit pas être supérieur à 0,50 mm.
Dans une situation idéale, c'est-à-dire avec un tube sans défaut, de diamètres interne et externe parfaitement constants, une sonde parfaitement symétrique autour d'un axe placé de manière parfaitement centrée et aligné suivant l'axe du tube, la résultante de la composante radiale du champ est nulle et cette composante n'apparaît qu'en présence d'un défaut.
Le principe du contrôle suivant l'invention repose sur cette constatation et les mesures peuvent être effectuées avec un fort gain sur la chaîne d'acquisition.
Cependant, il apparaît un certain nombre de causes perturbatrices qui modifient sensiblement les signaux fournis par les capteurs et qui peuvent masquer la présence de défauts.
Les perturbations essentielles sont provoquées par le bruit de surface du tube qui induit plusieurs effets.
Tout d'abord, la composante radiale du champ n'est jamais nulle même en l'absence de défaut dans la paroi du tube.
En outre, les dispositifs de centrage de la sonde sont soumis aux variations de diamètre intérieur du tube et de ce fait la sonde n'est jamais exactement centrée ni alignée sur l'axe du tube. La distance entre un capteur 6 quelconque et la surface intérieure du tube 1 varie donc sous l'effet cumulé de la variation de diamètre interne et du décentrement du capteur.
Pour exploiter les mesures de la sonde à courants de Foucault suivant l'invention, il est donc nécessaire de réaliser un prétraitement des signaux de manière à minimiser l'effet des perturbations et à obtenir un signal révélateur de la présence de défauts.
Pour éliminer les perturbations venant du signal de bruit dues à la surface du tube, on a proposé jusqu'ici principalement deux méthodes, à savoir le filtrage adaptatif de type passe-bande des signaux et la combinaison des différences fréquences et positions en rotation des signaux pour mieux faire apparaître les défauts extemes.
Le filtrage adaptatif ne présente que des résultats médiocres en ce qui concerne la discrimination des défauts internes.
La sonde suivant l'invention met en oeuvre une technique originale de traitement des signaux qui consiste de manière générale à utiliser les propriétés statistiques du bruit à la surface du tube pour extraire des aberrations dues aux défauts.
Dans ce but, les moyens 8 de traitement des signaux des capteurs reliés à la tête de mesure 3 comportent une unité d'analyse statistique du signal de bruit recueilli pendant le déplacement de la sonde 2 dans le tube 1 et des moyens d'isolation et d'affichage de valeurs aberrantes du signal de bruit dues à des défauts isolés du signal de bruit.
De manière plus précise, le prétraitement suivant l'invention utilise l'une des deux techniques qui seront indiquées ci-dessous ou la combinaison de ces deux techniques
Une première technique utilise des ondelettes pour réaliser le filtrage. Une seconde technique utilise l'analyse en composantes principales des signaux.
Une première technique utilise des ondelettes pour réaliser le filtrage. Une seconde technique utilise l'analyse en composantes principales des signaux.
Le prétraitement suivant l'invention peut avantageusement combiner les deux méthodes, c'est-à-dire réaliser une analyse en composantes principales des signaux puis un filtrage par ondelettes des composantes contenant le signal de défaut.
L'analyse en composantes principales est une technique bien connue dans le domainte de l'économétrie pour séparer et identifier des paramètres influants, lorsqu'on ne dispose pas de modèle satisfaisant.
Lorsqu'on déplace la sonde à courants de Foucault suivant l'invention à l'intérieur du tube, on récupère un mélange linéaire de plusieurs signaux les uns étant considérés comme normaux et toujours présents, ces signaux étant dus au bruit de surface du tube et aux évolutions de la position du capteur dans le tube et les autres, épisodiques, dus aux défauts dans la paroi du tube correspondant à des valeurs aberrantes des signaux normaux. Les signaux normaux présentent des énergies cumulées beaucoup plus importantes que les signaux aberrants.
Dans l'analyse en composantes principales, on ne considère plus le bruit de surface du tube comme une perturbation à éliminer mais on utilise les propriétés statistiques du bruit pour extraire les aberrations dues aux défauts.
Pour un capteur 6, un point de mesure dans une position déterminée sur un axe parallèle à l'axe du tube comporte p coordonnées provenant des parties en phase et en quadrature de chaque force électromotrice fournie par les capteurs 6 et prise à des fréquences différentes.
Dans le cas où l'on travaille à trois fréquences du signal multifréquence d'alimentation de la sonde, par exemple 100, 240 et 400 kHz, on obtient, pour chacun des points, six coordonnées pour chacun des modes d'excitation en phase et en opposition, c'est-à-dire p = 12 coordonnées pour chacun des points.
Ces coordonnées peuvent comporter également les coordonnées de la force électromotrice fournie par le capteur de flux d'excitation 9 pour chacun des modes d'excitation. Pour trois fréquences d'excitation, on obtient alors p = 24 coordonnées par point de mesure.
En considérant N points de mesure, on obtient un nuage de N points à p coordonnées que l'on peut regrouper dans une matrice M de dimension
N *p. Pour un tube sans défaut chaque capteur de champ devrait fournir des signaux ayant les mêmes propriétés statistiques.
N *p. Pour un tube sans défaut chaque capteur de champ devrait fournir des signaux ayant les mêmes propriétés statistiques.
En considérant le cas où l'on utilise s capteurs 6 du champ radial (par exemple s = 32 capteurs), on place bout à bout les nuages de points fournis par chacun des s capteurs, pour obtenir une matrice MT de taille (s*N)*p. On peut ainsi construire une matrice carrée Mc de dimension p"p et obtenir la base de vecteurs propres U de la matrice MT.
Le traitement consiste ensuite, pour chaque capteur 6, à projeter le nuage de points correspondant aux points de mesure du capteur, sur la base de vecteurs propres U. On obtient alors, pour chaque capteur, p nouveaux signaux classés par énergie décroissante, appelés composantes principales. En l'absence de défaut, les demières composantes principales ne comportent aucune information significative. En revanche, en présence d'un défaut, ces mêmes composantes vont présenter des valeurs anormales.
L'analyse en composantes principales est d'autant plus efficace qu'on multiplie le nombre de modes de fonctionnement des capteurs, par exemple en réalisant une excitation en phase ou en opposition, en utilisant des capteurs de champ ponctuels et un capteur de flux d'excitation. En fait, on a montré qu'un ensemble de vingt-quatre coordonnées, comme décrit cidessus, suffit pour réaliser une analyse en composantes principales permettant de déceler les défauts du tube.
II est même possible d'envisager l'utilisation d'une sonde n'utilisant que le mode d'excitation en phase, c'est-à-dire une sonde ayant un bobinage unique d'excitation et ne comportant pas de capteur de flux d'excitation tel que le bobinage 9.
Sur la figure 8, on a représenté les six dernières composantes principales pour un tube étalon en utilisant douze co défauts détectés sont nettement plus petits que ceux habituellement détectés par les sondes à courant de Foucault traditionnelles.
On peut également utiliser une méthode fondée sur l'utilisation d'ondelettes comme filtres passe-bande pour le traitement des signaux.
La transformée de signaux en ondelettes a été mise au point pour analyser des transitoires dans des signaux. Une transformée en ondelette revient à faire passer le signal à analyser dans une famille de filtres passebande. Cette opération demande de très longs de calcul mais dans un contexte donné on peut se limiter à une très petite famille de filtres.
Dans le cas de signaux d'une sonde à courants de Foucault suivant l'invention utilisée pour le contrôle d'un tube, on a utilisé une ondelette connue depuis longtemps sous le nom d'ondelette de Morlet dont l'expression peut être donnée de la manière suivante:
Dans l'expression 1, (a) est le facteur d'échelle.
Dans l'expression 2, de manière classique, on prend (do = 2x fJ2, où f. est la fréquence d'échantillonnage spatial (dans le cas envisagé 0,5 mm).
On peut ainsi analyser les fréquences de fd2 à 0 en faisant varier a de 1 à l'infini.
Sur la figure 9, on a représenté la fonction l(f)l. Les courbes donnent la représentation d'un banc de filtres associé à la transformée en ondelettes continues des signaux de la sonde à courants de Foucault. Le filtre correspondant à l'échelle 1 est centré autour de la fréquence f = 250 Hz et celui correspondant à l'ondelette d'échelle 5 est centré autour de 50 Hz.
Si l'on se limite à une seule ondelette, par exemple l'ondelette d'échelle 4, I'expression de l'ondelette devient:
Cette ondelette est la réponse impulsionnelle d'un filtre passe-bande analytique.
Cette fonction est symétrique, c'est-à-dire que si elle échantillonnée correctement, elle correspond à un filtre à phase linéaire. On peut l'appliquer aux parties réelles et imaginaires des signaux de mesure sans perte d'information de phase.
En outre, la fonction est une fonction analytique, c'est-à-dire que la transformée de Fourier est nulle pour les fréquences négatives. On obtient donc en prenant le module du signal, I'enveloppe de la réponse et non une réponse d'autant plus oscillante que le filtre est sélectif.
Le filtrage est appliqué à la partie réelle et à la partie imaginaire du signal du capteur Sg(t), de chaque génératrice, par convolution avec l'ondelette selon les formules suivantes:
S9(t) = Rg(t) + jXg(t) (4)
Rgs(t) = Rg)(t)*#4(t) = Rg(#)#/4(t-#)d# (5)
Xfl(t) = Xg(t)* V4(t) = Xg(#)#4(t-#)d# (6)
Les formules 5 et 6 concernant la partie réelle et la partie imaginaire, respectivement, des signaux deviennent, dans le cas de signaux échantillonnés.
S9(t) = Rg(t) + jXg(t) (4)
Rgs(t) = Rg)(t)*#4(t) = Rg(#)#/4(t-#)d# (5)
Xfl(t) = Xg(t)* V4(t) = Xg(#)#4(t-#)d# (6)
Les formules 5 et 6 concernant la partie réelle et la partie imaginaire, respectivement, des signaux deviennent, dans le cas de signaux échantillonnés.
Rgf(n) = #Rg(k)#(n-k) (7)
Xgf(n) = #Xg(k)#(n-k) (8)
Les signaux Rgf et Xgf sont des signaux analytiques complexes dont l'interprétation de la phase est relativement difficile. On ne trace que les modules au carré |Rgf| et |Xgf|, soit temporellement, soit en figure de Lissajoux, ce qui permet de distinguer les défauts intemes des défauts externes.
Xgf(n) = #Xg(k)#(n-k) (8)
Les signaux Rgf et Xgf sont des signaux analytiques complexes dont l'interprétation de la phase est relativement difficile. On ne trace que les modules au carré |Rgf| et |Xgf|, soit temporellement, soit en figure de Lissajoux, ce qui permet de distinguer les défauts intemes des défauts externes.
Des exemples de traitement des signaux de défauts sont donnés sur les figures îOAet 10B, 11A et 11B et 12A et 12C.
Sur chacune des figures 10A, 11A et 12A est représentée la cartographie du signal donné par le capteur, suivant la circonférence développée et suivant la longueur du tube.
Sur les figures respectives 10B, Il B et 12B est donnée la cartographie de détection des défauts résultant du traitement.
Sur la figue 12C est donnée un agrandissement avec dilatation dans la direction verticale de la cartographie de détection des défauts.
Le filtrage par ondelette se résume à la convolution des parties réelles et imaginaires des signaux de chaque capteur à une ou plusieurs fréquences, par quelques réponses impulsionnelles dont on trace le module. II semble en fait que la seule fréquence de 240 kHz suffise pour les tubes étalons qui ont fait l'objet d'essais.
II est possible également d'effectuer successivement une analyse en composantes principales de manière à ne conserver que les composantes pour lesquelles le bruit de surface est minimisé et appliquer à ces composantes la convolution par quelques ondelettes.
La sonde à courants de Foucault suivant l'invention permet donc d'enregistrer et de traiter des signaux de manière à isoler des signaux aberrants dus à des défauts dans la paroi du tube, à partir d'un traitement statistique du signal de bruit enregistré par les capteurs de la composante radiale du champ produit par les courants induits, en utilisant de plus, éventuellement, les signaux fournis par le bobinage de mesure du flux d'excitation.
La sonde à courants de Foucault suivant l'invention et son procédé d'utilisation sont beaucoup plus sensibles et permettent de discriminer de manière plus efficace les signaux dus à des défauts quelles que soient leur position (interne, externe) et leur orientation (longitudinale, circonférentielle) dans la paroi du tube.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.
C'est ainsi que la structure et les composants de la sonde à courants de
Foucault peuvent être différents de la structure et des composants décrits plus haut.
Foucault peuvent être différents de la structure et des composants décrits plus haut.
De même, le procédé et les moyens de traitement des signaux peuvent être différents du procédé utilisant les composantes principales ou du procédé utilisant des ondelettes ou encore au procédé combinant ces deux moyens d'analyse.
Claims (14)
- REVENDICATIONS- que les moyens de déplacement (10) de la sonde (2) à l'intérieur du tube (1) sont des moyens de déplacement de la sonde en translation dans le tube (1) de manière que la bobine d'excitation (4) soit coaxiale au tube (1).- que les moyens de traitement (8) des signaux des capteurs comportent une unité d'analyse statistique d'un signal de bruit recueilli pendant le déplacement de la sonde (2) dans le tube (1) et des moyens d'affichage de valeurs aberrantes du signal de bruit dues à des défauts, et- que le moyen de détection du champ magnétique est constitué par une pluralité de capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique répartis circonférentiellement autour de la bobine d'excitation (4), dans une disposition coaxiale à la bobine d'excitation (4),- que la bobine d'excitation (4) est un solénoïde dont le diamètre extérieur maximal est inférieur au diamètre intérieur du tube (1),1.- Sonde à courants de Foucault pour le contrôle non destructif de la paroi d'un tube (1), par l'intérieur du tube (1), comportant au moins une bobine d'excitation (4) alimentée en courant multifréquence, au moins un moyen de détection du champ magnétique produit par les courants induits dans la paroi du tube (1), des moyens de traitement de signaux (8) reçus par le moyen de détection (6) et des moyens de déplacement de la sonde (2) à l'intérieur du tube (1), caractérisée par le fait:
- 2.- Sonde suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la bobine d'excitation (4) comporte deux bobinages (4'a, 4"a, 4'b, 4"b, 4'c, 4"c) disposés coaxialement dans le prolongement axial l'un de l'autre.
- 3.- Sonde suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que les bobinages (4'a, 4"a) sont disposés bout à bout, de manière jointive.
- 4.- Sonde suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que les bobinages (4'b, 4"b) sont disposés de manière coaxiale dans le prolongement axial l'un de l'autre avec un espacement l'un par rapport à l'autre dans la direction axiale.
- 5.- Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la bobine d'excitation (4, 4a, 4b) présente un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube (1).
- 6.- Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le bobinage d'excitation (4c) présente un diamètre extérieur sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tube (1) et comporte un noyau en un matériau à forte perméabilité magnétique tel qu'une ferrite comportant des pièces polaires dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube (1).
- 7.- Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que les capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique sont fixés sur un support (7, 7') ayant une surface latérale externe cylindrique.
- 8.- Sonde suivant la revendication 7, caractérisée par le fait que le support (7) des capteurs (6) présente la forme d'un disque intercalé entre un premier bobinage d'excitation (4') et un second bobinage d'excitation (4").
- 9.- Sonde suivant la revendication 7, caractérisée par le fait que le support (7') des capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique est constitué par une pièce annulaire (7') engagée sur la surface extérieure de la bobine d'excitation (4).
- 10.- Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que les capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique sont constitués par des bobinages.
- 11. - Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que les capteurs (6) sont des capteurs magnétorésistifs.
- 12.- Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par le fait qu'elle comporte de plus un capteur de flux d'excitation (9) constitué par des spires enroulées sur une partie médiane du bobinage d'excitation d'une manière coaxiale par rapport au bobinage d'excitation (4).
- 13.- Procédé de traitement de signaux des capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique d'une sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, ou des signaux des capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique et des signaux du capteur (9) de flux d'excitation selon la revendication 12, caractérisé par le fait qu'on effectue une analyse des signaux en composantes principales, les signaux en chacun des points de mesure étant obtenus pour plusieurs fréquences et plusieurs modes d'excitation.
- 14.- Procédé de traitement de signaux des capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique d'une sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, ou des signaux des capteurs (6) de la composante radiale du champ magnétique et des signaux du capteur (9) de flux d'excitation selon la revendication 12, caractérisé par le fait qu'on utilise une transformée en ondelettes pour réaliser le filtrage des signaux de mesure.
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| WO2002061412A2 (fr) * | 2001-01-29 | 2002-08-08 | Pure Technologies Ltd. | Controle magnetoscopique de torons de tension pour le beton |
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1998
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