FR2767196A1

FR2767196A1 - Sonde de controle par courants de foucault

Info

Publication number: FR2767196A1
Application number: FR9710222A
Authority: FR
Inventors: Blanc Annie Le; Michel Pigeon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1999-02-12
Anticipated expiration: 2017-08-08
Also published as: WO1999008103A1; FR2767196B1

Abstract

La sonde comprend au moins une bobine émettrice (2) d'un champ magnétique et un élément récepteur (3) sensible à des courants de Foucault induits par le champ dans l'épaisseur d'une pièce métallique (1) adjacente. Des blindages conducteurs (6) sont disposés autour des éléments récepteurs (3) pour les soustraire à l'induction directe par la bobine (2). Le reste de la sonde est en matériau amagnétique tel qu'en alliage de nickel et de cuivre. Cette disposition des blindages permet de ne pas affaiblir l'énergie électromagnétique produite par la bobine (2) sur la pièce (1). De telles sondes à courant de Foucault s'appliquent à la détection des défauts et aux contrôles non destructifs de surfaces.

Description

SONDE DE CONTROLE PAR COURANTS DE FOUCAULT
DESCRIPTION
L'invention concerne une sonde de contrôle par courants de Foucault.

La technique de contrôle par courants de
Foucault est largement utilisée dans les contrôles non destructifs des matériaux. Les sondes utilisées comprennent au moins une bobine excitatrice alimentée en courant, dont l'axe est généralement perpendiculaire à la surface d'une pièce à contrôler, et au moins un élément récepteur disposé à côté de cette bobine émettrice et qui fournit un signal par l'intermédiaire des courants de Foucault induits dans le matériau à contrôler. Ces courants et le signal du récepteur sont influencés par les défauts proches de la surface de la pièce à contrôler, ce qui permet de détecter l'existence de ces défauts. Un domaine privilégié de cette technique est la détection de fissures dans les composants des installations nucléaires tels que les tubes des générateurs de vapeur, dans lesquels les sondes peuvent être introduites et procéder à un contrôle rapide et continu de la totalité de l'épaisseur de la pièce à contrôler, de sorte qu'elles constituent les seuls appareils efficaces.

I1 est possible de multiplier les bobines émettrices et les éléments récepteurs afin d'accroître la zone d'inspection et la nature des défauts détectés : les sondes destinées à des tubes comprennent ainsi fréquemment une couronne de bobines émettrices dirigées sur l'ensemble d'une circonférence du tube et qui est adjacente à une couronne d'éléments récepteurs, si bien que l'inspection porte sur toute la surface interne du tube quand la sonde est déplacée dans l'axe de celui-ci ; il arrive aussi fréquemment qu'on dispose aussi un cercle d'éléments récepteurs autour d'une bobine émettrice, car les défauts les plus facilement détectés sont les fissures de direction sensiblement parallèle à la direction d'alignement d'une bobine émettrice et d'un récepteur : on peut alors facilement détecter des fissures s'étendant dans des directions diverses. Les éléments récepteurs peuvent être de natures variées et notamment consister en des bobines dont l'axe est sensiblement perpendiculaire à la surface inspectée, tout comme les bobines émettrices.

Les courants électriques d'excitation peuvent prendre différentes natures : ces dernières années, les excitations impulsionnelles sont devenues en faveur car elles permettent de fournir des composants de courant de fréquences variées qui pénètrent plus ou moins profondément dans la matière à inspecter et donnent donc des indications sur des défauts à différentes profondeurs.

Un problème généralement rencontré est l'influence directe des bobines émettrices sur les éléments récepteurs, par la création d'un champ magnétique qui perturbe les mesures. On a proposé, pour s'affranchir de cette influence indésirée, de contenir le champ magnétique engendré par la bobine émettrice par un blindage au champ magnétique, généralement conducteur de l'électricité disposé autour de la bobine et qui l'isole donc des éléments récepteurs environnants. Ce blindage en anneau est cependant le siège d'un courant induit quand la bobine émettrice est active, ce qui crée une sorte de boucle de court circuit dont l'effet est de réduire gravement les courants de Foucault développés dans la matière à inspecter. L'atténuation du bruit produit par l'influence directe de la bobine émettrice sur le récepteur n'a donc pas forcément l'effet d'améliorer grandement la qualité d'un signal par là même affaibli.

Les inventeurs de la présente invention ont mis au jour que les sondes destinées au contrôle par courants de Foucault fournissent des résultats généralement meilleurs en blindant les éléments récepteurs plutôt que le bobinage émetteur. La réalisation de cette idée constitue la définition la plus générale de l'invention. Pour une absorption du champ magnétique produit par la bobine tout aussi bonne qu' avec les conceptions connues, cette disposition ne contrarie pas le développement des courants de Foucault dans la matière à inspecter.

Les caractéristiques de l'invention sont particulièrement avantageuses lors de l'utilisation d'excitations impulsionnelles.

Une disposition particulièrement avantageuse consiste à interrompre le blindage, dans le cas où il est électriquement conducteur à l'opposé de la bobine émettrice, ce qui a pour effet d'interdire l'apparition de courants induits circulaires qui exerceraient une influence résiduelle sur le récepteur.

On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes
la figure 1 illustre par souci de récapitulation
une conception conforme à l'art antérieur
les figures 2, 3 et 4 illustrent quelques
réalisations de l'invention ;
la figure 5 illustre le système d'exploitation de
la sonde
les figures 6, 7 8 et 9 illustrent une
réalisation concrète de la sonde
et les figures 10 et 11 illustrent une autre
réalisation de la sonde.

Dans la suite de la description, on supposera que les éléments récepteurs sont aussi des bobinages avec ou sans noyau de ferrite, bien que d'autres, tels que des magnétorésistances ou des capteurs à effet Hall, puissent être envisagés. La sonde connue de la figure 1 est placée sur la surface d'une pièce 1 à inspecter. Elle n'est pas représentée entièrement, mais on n'a figuré au contraire que ses éléments essentiels, à savoir une bobine émettrice 2 et quatre bobines réceptrices 3. De plus, un blindage 4 se présentant sous forme d'un anneau conducteur entoure la bobine émettrice 2 à peu de distance d'elle et l'isole des bobines réceptrices 3 comme on l'a signalé.

Les signaux induits dans les bobines réceptrices 3 sont uniquement produits par les courants de Foucault apparaissant dans la pièce 1, à l'exclusion de toute influence directe du champ magnétique produit par la bobine émettrice 2.

Les bobines réceptrices 3 sont à la même distance de la bobine émettrice 2 et réparties en deux paires. Les bobines réceptrices 3 de chacune des paires sont branchées sur le circuit de mesure, non représenté, de la sonde pour que leurs mesures se soustraient, ce qui affine la sensibilité à certains défauts de la pièce 1. Les paires sont disposées perpendiculairement à partir de la bobine émettrice 2 et détectent ainsi chacune des défauts différents et notamment des fissures de directions différentes. Bien d'autres dispositions du bobinage et notamment des bobines réceptrices 3 peuvent être choisies selon les défauts dont on privilégie la détection.

L'une d'elle est illustrée à la figure 2 on trouve cette fois quatre paires de bobines réceptrices 3 autour de la bobine émettrice 2, les bobines réceptrices 3 supplémentaires à celles de la figure 1 étant situées symétriquement aux précédents par rapport à la bobine émettrice 2 qui est donc entièrement entourée par les huit bobines réceptrices 3. Cependant, cette figure décrit une réalisation de l'invention : on remarque que le blindage 4 entourant la bobine émettrice 2 dans la réalisation précédente a disparu et est remplacé par un nouveau blindage de forme rectangulaire 5 pour chacune des paires de bobines réceptrices 3. Le blindage 5 entoure complètement chacune des bobines réceptrices 3 de la paire considérée et les sépare l'une de l'autre ainsi que des autres bobines 2 et 3.

Une réalisation un peu différente est illustrée à la figure 3, où huit bobines réceptrices 3 sont disposées régulièrement en cercle autour de la bobine émettrice 2 ; le blindage est lui-même modifié et prend l'aspect d'anneaux 6 entourant individuellement chacune des bobines réceptrices 3.

La figure 4 illustre une configuration où les anneaux 6 blindés sont remplacés par des anneaux blindés 7 qui se distinguent d'eux en ce qu'ils présentent une interruption ou une ouverture 8 afin de limiter les courants susceptibles d'y être induits. Les ouvertures 8 sont placées à l'opposé de la bobine émettrice 2 et ne réduisent ainsi presque pas l'isolation offerte par les anneaux 7.

Les principes précédents présidant à la construction des blindages pourront sans difficultés être appliqués à d'autres configurations des bobines émettrices et réceptrices qu'on peut envisager et dont de nombreuses sont d'ailleurs exposées dans l'art antérieur. On passe maintenant à la description du schéma de principe de l'appareil de contrôle, illustré à la figure 5. Un générateur 9 délivre des signaux d'émission pulsés à une sonde 10 dont les éléments essentiels ont été décrits précédemment et qui sera à son tour illustrée complètement aux figures suivantes.

Les caractéristiques du signal d'émission sont telles que celui-ci contient avantageusement des composantes suffisamment nombreuses à basse fréquence qui, on le sait, pénètrent mieux dans le matériau de la pièce 1 en profondeur. Les signaux induits dans les bobines réceptrices 3 sont détectés électroniquement et mis en forme dans un dispositif de réception et de mise en forme du signal 11, dont les signaux de sortie sont délivrés à un dispositif d'analyse du signal 12 qui lui est associé. L'analyse peut être effectuée manuellement ou automatiquement. Dans ce dernier cas, elle est avantageusement facilitée par des logiciels d'application dédiés et incorporés au dispositif d'analyse du signal 12, qui comprendra alors un ordinateur. On trouve enfin un dispositif de déplacement mécanique 13 connu du métier qui permettra de balayer partiellement ou totalement la surface de la pièce 1. Quand plusieurs mesures sont entreprises à la fois sur autant de bobines réceptrices 3 ou de paires de bobines réceptrices 3 montées en différentiel, le dispositif de réception et de mise en forme du signal 11 peut être enrichi d'un multiplexeur qui recueille tour à tour les informations fournies par les différentes voies de mesure.

La figure 6 montre le schéma de principe pour contrôler l'intérieur de tubes métalliques 14. La sonde 10 est disposée à l'extrémité d'un train de sonde 15 pouvant comprendre essentiellement une gaine de liaison 16 souple, reliée au dispositif de balayage 13 et une tête de sonde 17 accrochée à la gaine de liaison 16 et qui comprend un alvéole 18 pour la sonde 10 et deux centreurs 19 s'appuyant sur le tube 14, par exemple par des billes repoussées par des ressorts. Les figures 7, 8 et 9 représentent la disposition de la sonde 10 dans son alvéole 18 en vues longitudinale, transversale et de face. Outre les bobines émettrice 2 et réceptrices 3, la sonde 10 comprend une armature 20 mobile qui maintient ces bobines en place et coulisse dans l'alvéole 18, qui est creusé dans un corps de sonde 21. Le déplacement de l'armature 20 est assuré par une pièce déformable 22 disposée au fond de l'alvéole 18 et comprimée entre le fond de l'armature 20 et le corps de sonde 21 et qui joue le rôle d'un ressort tendant à repousser la sonde 10 vers l'extérieur de l'alvéole 18 et à déplacer en particulier les bobines 2 et 3 vers la surface du tube 14. La saillie de la sonde 10 hors de l'alvéole 18 est cependant limitée par l'action d'un pointeau 23 ayant un bout conique 24 contre lequel une face conique 25 d'un creux latéral de l'armature 20 bute. Le pointeau 23 étant disposé dans un alésage fileté 26 de la tête de sonde 17 et orienté dans l'axe du train de sonde 15, il suffit de le visser pour modifier son enfoncement dans le creux latéral de l'armature 20 et l'enfoncement de celle-ci dans l'alvéole 18. L'emploi de ces pièces est justifié par la nécessité de placer la sonde 10 le plus près possible de la surface du tube 14 afin de minimiser l'entrefer avec les bobines émettrice et réceptrices 2 et 3. On trouve ici une bobine émettrice 2 unique et une paire de bobines réceptrices 3 situées côte à côte et entourées par un blindage commun, pratiquement semblable à celui de la figure 2 et portant donc la référence 5. Cependant, on remarque que les bobines réceptrices 3 ont des axes inclinés par rapport à celui de la bobine émettrice 2 dans des directions opposées, afin qu'elles soient dirigées normalement à la portion de surface du tube 14 sur laquelle elles sont dirigées. Cette situation est donc due à la forme incurvée de la surface du tube 14 et ne serait pas justifiée pour l'examen d'une pièce plane.

On observe enfin un pion 27 fixé à l'armature 20 et coulissant dans une rainure 28 du corps de sonde 21 pour régler le mouvement de la sonde 10, et des fils électriques 29 qui relient les bobines 2 et 3 au générateur 9 d'impulsions et au dispositif de réception et de mise en forme du signal 11. I1 est avantageux que les éléments structurels de la sonde 10, et en particulier le corps de sonde 21 et l'armature 20, soient en matière amagnétique pour ne pas perturber l'induction dans la pièce 1 et les mesures. Des alliages de nickel et de cuivre peuvent être proposés.

Une dernière réalisation de l'invention est décrite à l'aide de la figure 10 et de sa coupe 11. La sonde peut être réalisée par les techniques de construction des circuits imprimés : elle peut alors comprendre une superposition de couches souples de substrat dont certaines sont des couches actives comprenant, comme on le représente à la figure 10, des spirales émettrices 102 et des spirales réceptrices 103, au nombre d'une et d'une paire respectivement comme dans la réalisation des figures 6 à 9. Les spirales réceptrices 103 ont des directions opposées pour réaliser une mesure différentielle. Elles sont entourées d'un blindage 105 disposé sous forme d'un rectangle conducteur évidé à l'emplacement des spirales réceptrices 103. il ne sépare pas les spirales réceptrices 103 l'une de l'autre, contrairement au blindage 5 de forme analogue, car l'influence de cette séparation est peu importante. Les spirales 102 et 103 et les blindages 105 des différentes couches superposées sont reliés entre eux par des plots d'interconnexion 106 et des pistes d'interconnexions 107 disposés dans des couches 108 intermédiaires aux couches actives 109. Les spirales forment alors des bobines émettrices et réceptrices analogues à celles des figures précédentes. L'empilement des couches 108 et 109 est logé dans un alvéole de corps de sonde 110 et forme une armature souple pour le circuit imprimé sa position est réglée par plusieurs vis 111 ou des moyens équivalents qui permettent de le déformer à volonté pour l'adapter à la forme de la surface à inspecter. C'est un des avantages principaux de cette construction. Un autre a trait à la facilité de choisir le nombre de spirales et l'impédance des bobines.

Claims

REVEND I CAT I ONS

1. Sonde (10, 110) comprenant une bobine émettrice (2, 102) et . un ou plusieurs éléments récepteurs (3, 103) sensibles à des courants de

Foucault parcourant une pièce (1, 14) sondée, adjacente à la sonde, quand la bobine émettrice est parcourue par un courant inducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un blindage (5, 105, 6, 7, 8) éventuellement conducteur de l'électricité, entourant le ou les éléments récepteurs, le blindage étant continu au moins devant la bobine émettrice, et en ce que la bobine émettrice est dépourvue de blindage 1' entourant.

2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou les éléments récepteurs sont constitués de bobinages similaires à la bobine émettrice, de magnétorésistances ou de capteurs à effet

Hall.

3. Sonde selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le blindage (8) est discontinu, interrompu à l'opposé de la bobine émettrice.

4. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bobine émettrice, le blindage et les éléments récepteurs sont construits sous forme d'au moins une couche de circuit imprimé (109).

5. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une paire d'éléments récepteurs montés en opposition pour donner une mesure différentielle.

6. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de multiplexage (11) pour recueillir successivement les courants induits dans les éléments récepteurs par les courants de Foucault.

7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le courant inducteur présente de fortes composantes à basse fréquence.

8. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps de sonde (21) et/ou une armature (20) en matière amagnétique.

9. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps de sonde (21, 110) dans lequel coulisse une armature (20, 108, 109) porteuse de la bobine émettrice et des éléments récepteurs, et un système de réglage (22 à 26) de position de l'armature dans le corps de sonde.

10. Sonde selon les revendications 4 et 9, caractérisée en ce que le système de réglage comprend plusieurs éléments indépendants (111) permettant de déformer l'armature, qui est formée par un substrat souple du circuit imprimé.