FR2769986A1 - Appareil de controle non destructif de pieces metalliques par courants de foucault - Google Patents

Abstract

Le dispositif permet d'analyser différentes propriétés d'une pièce métallique au moyen de courants de FOUCAULT en utilisant principalement la technique du signal différentiel.L'appareil utilise un seul bobinage (20). La sortie (21) de ce dernier est connectée à un dispositif à retard (23) pilotable par une commande à retard (25). La sortie du dispositif à retard est inversée à l'aide d'un inverseur (24). Un circuit sommateur (26) délivre la différence entre le signal absolu et le signal absolu retardé. Le signal différentiel ainsi obtenu est alors visualisé, de préférence par une visualisation du type figure de LISSAJOUS (29). Application à la vérification et au contrôle des pièces métalliques.

Description

APPAREIL DE CONTROLE NON DESTRUCTIF
DE PIECES METALLIQUES PAR COURANTS DE FOUCAULT
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne le contrôle non destructif de pièces métalliques en utilisant les courants de FOUCAULT. Cette méthode d'essai permet d'évaluer des caractéristiques physiques de pièces métalliques, notamment la position et la profondeur des éventuels défauts. Sous certaines conditions, elle permet également de mesurer l'épaisseur de parois, ou de revêtements, ainsi que d'évaluer les déformations géométriques de certains composants.

Art antérieur et problème posé
Le principe de contrôle par courants de
FOUCAULT, basé sur l'interrogation des matériaux par les ondes électromagnétiques, est bien connu de l'homme du métier du contrôle non destructif.

Cette technique de contrôle non destructif pour des pièces métalliques est employée avec des appareils adaptés pour obtenir des signaux de mesure, soit absolus, soit différentiels, relatifs aux paramètres physiques de ces pièces métalliques, ainsi examinées. Comme cité déjà plus haut, ces paramètres peuvent être la position et la taille des défauts, la profondeur des défauts dans chacune des pièces, mais aussi la mesure d'épaisseur de parois, ou de revêtements, ainsi que l'évaluation de certaines déformations géométriques de composants. En outre, elle permet d'obtenir une minimisation des paramètres non désirés, tels que les signaux provenant des supports environnant la pièce à examiner, les signaux d'excentrement de la sonde, la variation de la distance sonde-pièce, tous autres phénomènes perturbateurs indésirables, tels les ballottements, ou bien une combinaison de plusieurs de ces paramètres.

En se référant à la figure 1, des courants électromagnétiques induits, baptisés courants de
FOUCAULT , sont provoqués par induction à l'intérieur d'une pièce à contrôler à l'aide d'un capteur 1, généralement constitué d'un ou de plusieurs bobinages, appelés aussi enroulements, placés à proximité de la pièce à examiner 2, en regard d'une de ses surfaces, et excité par un signal alternatif. Les courants de
FOUCAULT générés dans la pièce produisent un champ magnétique qui se couple au bobinage excitateur et/ou à un autre bobinage séparé, appelé bobinage récepteur.

Ces courants de FOUCAULT induisent des tensions dans les bobinages de la sonde. Ces tensions sont enregistrées par un appareil récepteur 3. On peut utiliser un capteur à deux bobinages séparés, dit également capteur à fonctions séparées, ou un capteur, dit capteur à double fonction, dont le(s) bobinage (s) effectue(nt) à la fois l'émission et la réception.

Les contrôles non destructifs à l'aide des courants de FOUCAULT sont de plus en plus fréquemment utilisés avec plusieurs fréquences injectées simultanément ou en mode d'injection multiplexé dans le bobinage excitateur. Du signal issu du bobinage récepteur, deux paramètres X et Y sont alors extraits pour chaque fréquence et sont donc la composante en phase et la composante en quadrature de la tension induite, représentatives de l'impédance du capteur d'examen. Ainsi, comme le montre la figure 1, à la sortie de l'appareil détecteur 3, plusieurs couples de composantes X et Y sont extraits simultanément. Ils peuvent alors être mélangés ou combinés en temps réel par des circuits arithmétiques, analogiques ou numériques, pour obtenir la suppression de paramètres influents non désirés. Ces composantes X et Y sont utilisées pour interpréter une variété de matériaux incluant l'évaluation de la conductivité électrique, la perméabilité magnétique, l'épaisseur de paroi, les défauts naturels métallurgiques, tels que les fissures, inclusions, ou différentes variations de l'écartement capteur-pièce, et d'autres connus de l'homme du métier.

Les signaux provenant d'un bobinage unique sont dits signaux absolus. Ils sont généralement utilisés pour analyser les variations spatialement étendues des paramètres. Par contre, en couplant deux bobinages voisins, on obtient un signal différentiel qui rend mieux compte des variations locales des paramètres du matériau analysé.

En référence à la figure 2, on sait donc utiliser un capteur encerclant composé ici de deux bobines de mesure 4 entourant une pièce à examiner 6, telle qu'un tube, ou une pièce cylindrique. Dans ce mode particulier de mesure, l'objet à examiner traverse donc les deux bobinages 4 du capteur. Ce mode de mesurage convient donc particulièrement aux produits longs, tels que les tubes, barres, profilés. La distance constante séparant les deux bobinages 4 du capteur permet d'obtenir deux signaux de deux endroits voisins de la même pièce 6. La mesure différentielle de ces deux signaux peut donc mettre facilement en valeur les petites variations locales des courants de FOUCAULT dans la pièce 6. On note, à ce sujet, qu'une visualisation du type Y(x) ou X(y), dite figure ou courbe de LISSAJOUS permet de visualiser parfaitement le résultat obtenu par cette mesure différentielle.

Cependant une représentation en temps X(t) et Y(t) connus de l'homme du métier convient aussi bien pour l'interprétation des signaux.

La figure 3 montre un capteur axial appelé sonde dite axiale. En effet, dans ce cas, on explore une pièce cylindrique illustrée ici par un tube 6 avec une sonde 7 placée à l'intérieur de celui-ci. Cette sonde 7 possède deux bobinages 8 placés sur sa périphérique latérale. On comprend ainsi qu'on puisse explorer la surface interne d'un tube 6 et même toute l'épaisseur de ce tube 6 en déplaçant la sonde 7 à l'intérieur de celui-ci.

Enfin, la figure 4 montre un capteur dit ponctuel 5 composé de deux bobinages 9 dont les axes sont ici perpendiculaires à la surface de la pièce à examiner 2. Un examen total de la zone à contrôler s'effectue par un balayage de la sonde 5 sur toute cette zone.

La figure 5 montre un exemple de schéma d'un appareil à courants de FOUCAULT connecté à un capteur selon l'art antérieur, par exemple de ceux qui viennent d'être décrits aux figures 2, 3 et 4. Deux injecteurs 11 produisent chacun un courant d'excitation identique dont l'un est appliqué à une première extrémité 10 d'un bobinage 12A après inversion dans un dispositif 14A, et l'autre à l'extrémité 19 de l'autre bobinage 12B, l'autre extrémité 18 de chaque bobinage 12A et 12B étant reliée à une terre. Les deux courants d'excitation alternatifs injectés dans les bobinages 12A et 12B peuvent être simples (monofréquence) ou composites, c'est-à-dire multifréquence. Ils sont injectés simultanément dans les bobinages 12A et 12B.

On peut noter que très souvent les injecteurs 11 sont confondus en un injecteur unique qui alimente alors les deux bobinages, après inversion dans une des branches du circuit. Les injecteurs sont soit du type injecteur en tension, soit injecteur en courant. La première extrémité 10 du premier bobinage 12A est également reliée à un démodulateur 13 dont la sortie est connectée à un dispositif de visualisation 16. Ce dernier visualise donc le signal de mesure produit par la présence du premier bobinage 12A auprès de pièces à contrôler, ou à mesurer. La première extrémité 19 du deuxième bobinage 12B, ainsi que la première extrémité 10 du premier bobinage 12A sont appliquées à l'entrée d'un sommateur 14, la sortie de celui-ci est connectée à l'entrée d'un démodulateur 15 dont la sortie est appliquée à un deuxième dispositif de visualisation 17.

Ce dernier visualise donc un signal qui est la combinaison des deux signaux issus des deux bobinages 12A et 12B. Si cette combinaison est une différence, on obtient un signal résultat, qui est un signal différentiel, mettant en valeur les différences entre les deux signaux produits à l'extrémité des bobinages 12A et 12B. Ces quelques variations ou différences existant entre ces deux signaux, dues à des changements locaux de configuration de la pièce à examiner, sont donc mises en valeur. En d'autres termes, compte tenu de la distance existant entre le bobinage 12A et le bobinage 12B sur la surface de la pièce à examiner, on constate que le signal différentiel est établi à partir des deux signaux absolus qui sont en fait des signaux provenant de deux endroits voisins de la pièce. Compte tenu de la séparation spatiale des enroulements et de la vitesse de balayage du capteur, les signaux absolus respectifs d'un même point sont décalés dans le temps.

La visualisation permet de montrer les composantes séparées X1 et X2 de deux fréquences différentes dans les deux bobinages. Le signal résultant de la combinaison X1 et X2 correspond au signal différentiel.

Il en est de même pour les composantes Y1 et Y2.

Lorsqu'on utilise les composantes X et Y d'un même signal, il est possible de visualiser ce signal dans un plan, dit diagramme d'impédance. On obtient donc sur un écran des courbes caractéristiques dites figures de LISSAJOUS.

Dans l'application de ce type d'appareil au contrôle par l'intérieur de tubes de générateurs de vapeur d'une chaudière nucléaire, la distance séparant les deux bobinages enroulements de la sonde est de l'ordre de 1 mm. On note que la vitesse de déplacement de la sonde doit être constante.

Or, comme on peut le constater sur la figure 5, les capteurs de ce type, dits différentiels, nécessitent la présence de deux bobinages dont les caractéristiques doivent être strictement similaires, de manière à répondre, de façon identique, aux défauts à détecter, car le capteur doit posséder des bobinages équilibrés. Par ailleurs, pour des problèmes de fabrication, la distance séparant les bobinages est fixée une fois pour toute. S'il s' avère expérimentalement utile, ou efficace, d'accroître, ou de réduire cette distance, un nouveau capteur doit être alors fabriqué. Il est possible de construire un capteur comprenant de multiples bobinages séparés que l'on connecte par paires à façon en fonction de l'applicaion recherchée. Cependant, un tel capteur requiert une plus grande complexité de fabrication.

L'invention vise donc à remédier à ces inconvénients en proposant un appareil de type différent.

Résumé de l'invention
A cet effet, l'objet principal de l'invention est un dispositif de contrôle non destructif de pièces métalliques par courants de
FOUCAULT, en utilisant une mesure du type différentiel issu d'un bobinage ou enroulement unique avec un signal d'excitation. Le dispositif comprend au moins
- un injecteur pour produire un courant d'excitation électrique
- au moins un capteur comprenant un bobinage de mesure auquel on applique le courant d'excitation et délivrant en retour un signal absolu
- des moyens à retard pour retarder le signal absolu
- une unité arithmétique pour fournir en temps réel un signal différentiel à partir du signal absolu et du signal absolu retardé ; et
- des moyens de visualisation du signal différentiel et/ou du signal absolu pour détecter des éventuelles variations de la mesure lors d'un déplacement du capteur le long de la pièce.

De préférence, l'unité arithmétique comprend
- un inverseur pour inverser soit le signal absolu direct, soit le signal absolu retardé ; et
- un sommateur pour fournir le signal différentiel.

Dans une première réalisation, les moyens pour retarder le signal absolu sont constitués d'un dispositif à retard dont la valeur du retard est susceptible d'être choisie.

Dans ce cas, on dispose, de préférence, de moyens de commande de retard automatique programmés pour sélectionner ladite valeur de retard susceptible d'être choisie.

Dans un deuxième mode préféré de réalisation, les moyens à retard et l'arithmétique sont constitués par une unité spécialisée de traitement comprenant, entre autres, une fonction de registre à décalage constituant les moyens à retard.

Dans ce cas, de préférence, l'unité spécialisée de traitement est un appareil de traitement de signal numérique (DSP : Digital Signal Processing), programmé à l'avance ou pilotable en temps réel par un calculateur.

Il est possible, dans le dispositif selon l'invention, d'utiliser plusieurs sondes montées en multiplexage.

Dans la plupart des cas, il est très avantageux de disposer de moyens de visualisation Y(x) ou X(y) du type figure de LISSAJOUS. Cependant, des représentations en temps X(t) et Y(t) sont tout à fait acceptables et possibles.

Dans une première forme de réalisation, le capteur est du type sonde axiale pour pouvoir parcourir l'intérieur de pièces cylindriques.

En deuxième réalisation, le capteur est encerclant de manière à parcourir l'extérieur de tubes ou de pièces cylindriques.

Dans une troisième réalisation, le capteur est du type ponctuel aussi dit de surface pour balayer une surface de la pièce à contrôler.

Liste des figures
L'invention, ses réalisations et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description suivante, illustrée de quelques figures représentant, respectivement
- figure 1, déjà décrite, un schéma de principe de la méthode de mesure par courants de
FOUCAULT ;
- figure 2, déjà décrite, une coupe d'un premier type de capteur de l'art antérieur sous forme de bobine encerclante ;
- figure 3, déjà décrite, en coupe, un capteur d'un deuxième type de l'art antérieur, sous forme de sonde
- figure 4, déjà décrite, un capteur ponctuel d'un troisième type de l'art antérieur
- figure 5, déjà décrite, un schéma d'un dispositif de l'art antérieur
- figure 6, un schéma d'un dispositif selon l'invention dans sa première réalisation
- figure 7, un schéma du dispositif selon l'invention dans une deuxième réalisation
- figure 8, un schéma d'un dispositif à décalage utilisé dans le deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- figure 9, un schéma relatif à l'échantillonnage pratiqué dans le deuxième mode de réalisation selon l'invention.

Description détaillée de deux modes de réalisation
En se reportant à la figure 6, le dispositif selon l'invention n' utilise qu'un seul bobinage 20 relié à la terre et par une extrémité de connexion 21, au reste du circuit. Un injecteur 22 produit un courant d'excitation alternatif qui peut être simple (monofréquence) ou composite, c'est-à-dire multifréquence. Ce courant est appliqué à l'extrémité de connexion 21 du bobinage 20. Le bobinage 20 peut être installé sur n'importe quel support tubulaire, circulaire, ou plan susceptible de constituer un capteur de n'importe quel type, comme ceux décrits aux figures 2, 3 et 4. L'extrémité de connexion 21 est également reliée à un dispositif à retard 23 commandé par un circuit de commande de sélection 25 qui est de préférence automatique, programmé pour sélectionner la valeur de retard choisie. La sortie du dispositif à retard est connectée à un inverseur 24 dont la sortie est connectée à un sommateur 26, constituant tous deux l'unité arithmétique, qui reçoit également en direct le signal modulé à l'extrémité de connexion 21 du bobinage 20. Bien entendu, il est possible de placer l'inverseur 24 avant le dispositif à retard 23, l'ordre de ses fonctions étant sans importance. Ce sommateur 26 a le même rôle que le sommateur 14 du circuit de l'art antérieur représenté à la figure 5. Le signal issu du sommateur 26 est ensuite démodulé dans un démodulateur 27 pour être ensuite visualisé sous une ou plusieurs formes possibles à l'aide d'un ou de plusieurs appareils de visualisation 28 et 29.

Dans l'exemple illustré, l'appareil de visualisation 28 visualise le signal absolu démodulé, l'appareil de visualisation 29 visualise le signal différentiel. En sélectionnant correctement la valeur du dispositif à retard 23, il est possible de reproduire des signaux différentiels correspondant à diverses distances entre les bobinages d'un appareil selon l'art antérieur, ou bien le signal absolu en choisissant un retard infini (circuit ouvert). Il est à noter qu'il existe plusieurs modes dérivés de ce mode de réalisation. Dans un des modes dérivés, l'inverseur 24 est placé avant le dispositif à retard 23. Dans un second mode dérivé, l'inverseur 24 est placé dans la branche du circuit reliant l'extrémité de connexion 21 au sommateur 26. A titre d'exemple non limitatif, un des modes de réalisation pratique du dispositif à retard est constitué de lignes à retard mise en parallèle. La valeur du retard choisie s'obtient en sélectionnant une ligne particulière à l'aide d'un sélecteur.

Ainsi, avec un seul bobinage 20, que l'on déplace à proximité de la pièce à examiner, il est possible de procéder à une mesure du type différentiel possédant tous les avantages de ce type de mesure, tel qu'il est pratiqué dans l'art antérieur, par exemple avec le dispositif représenté à la figure 5.

En référence maintenant à la figure 7, le deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention utilise toujours un seul bobinage 20 dont l'extrémité de connexion 21 reçoit le courant de la part d'un injecteur 22. Cette extrémité de connexion 21 du bobinage est reliée également au reste du circuit du dispositif, à savoir un démodulateur 27 dont la sortie démodulée est connectée à un convertisseur analogique-numérique 31. La sortie de ce dernier est connectée à une unité de traitement de signal 30 commandée elle-même par un circuit de commande 32. Les différents signaux produits par l'unité de traitement de signal 30 sont adressés de manière adéquate (analogique ou numérique) à différents dispositifs de visualisation 33, 34 et 35.

On note que le signal est adressé à une unité de traitement de signal sans décalage temporel.

C'est cette unité de traitement de signal 30 qui est apte à créer un décalage temporel et une inversion sur le signal. Les moyens de commande 32 peuvent être remplacés par une programmation préalable avec un programme stocké en mémoire. L'unité de traitement de signal 30 effectue un décalage temporel du signal absolu. Le décalage, équivalent au dispositif à retard de la réalisation précédente, peut être obtenu au moyen d'une fonction registre à décalage. Une telle fonction est représentée et référencée 38 sur la figure 8. Elle possède un certain nombre de cases dont une case d'entrée 38E et une case de sortie 38S. Le nombre de case mémoire, c'est-à-dire d'échantillons, dépend de la largeur temporelle At du décalage retenu.

La figure 9 illustre l'échantillonnage du signal analogique par le convertisseur 31 avec une largeur temporelle At de cet échantillon instantané du signal, correspondant aux sept mémoires de décalage de la fonction registre à décalage représentée à la figure 8. Dans l'exemple illustré, le premier dispositif de visualisation 33 visualise le signal absolu. Le deuxième dispositif de visualisation 34 visualise le signal différentiel à une fréquence donnée. Le troisième dispositif de visualisation 35 visualise le signal différentiel soit à une fréquence autre que celle représentée sur le dispositif de visualisation 34 soit à la même fréquence mais avec une autre valeur du décalage temporel.

L'unité de traitement de signal 30 peut être réalisée sous la forme d'un circuit pilotable en temps réel, du type DSP (Digital Signal Processing) connu de l'homme du métier, ou par un calculateur interne.

Le dispositif selon l'invention, utilisant un seul bobinage 20, peut être mis sous la forme des trois types de capteurs de l'art antérieur, évoqués aux figures 2, 3 et 4. On peut ainsi avoir une sonde du type axial, un capteur du type encerclant, un capteur du type de surface. D'autres types de sondes pourraient être envisagés.

On précise également que les sondes ou capteurs du dispositif selon l'invention peuvent être utilisées indifféremment en mode monofréquence, ou en mode multifréquence, simultanées ou multiplexées.

De plus, il peut s'avérer intéressant d'utiliser plusieurs sondes ou capteurs dans un même dispositif et de les utiliser simultanément en mode multiplexage des entrées.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de contrôle non destructif de pièces métalliques par courants de FOUCAULT, en utilisant un mesurage du type différentiel issu d'un bobinage unique avec un même signal d'excitation, comprenant

- un injecteur (22) pour produire le courant d'excitation

- au moins un capteur comprenant principalement un bobinage (20) auquel on applique ledit courant d'excitation et délivrant un signal absolu

- des moyens à retard pour retarder ledit signal absolu

- une unité arithmétique pour fournir en temps réel un signal différentiel à partir du signal absolu et du signal absolu retardé ; et

- des moyens de visualisation (28, 29, 33, 34, 35) pour visualiser le signal différentiel et/ou le signal absolu et détecter des éventuelles variations de la grandeur mesurée sur la pièce métallique, lors d'un déplacement du capteur de mesure le long de la pièce.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité arithmétique comprend

- un inverseur (24) pour inverser soit le signal absolu direct, soit le signal absolu retardé, et

- un sommateur (26) pour fournir le signal différentiel.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour retarder le signal sont constitués par au moins un dispositif à retard (23) dont la valeur de retard est susceptible d'être choisie.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande de retard (25) automatique et programmé pour sélectionner ladite valeur de retard.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens à retard pour retarder le signal absolu et l'unité arithmétique sont constitués par une unité de traitement de signal (30) comprenant une fonction de registre à décalage (38) constituant elle-même les moyens à retard.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de traitement de signal est un appareil du type DSP (Digital Signal

Processing), préprogrammé ou pilotable en temps réel par un calculateur.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capteurs montés en multiplexage.

8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de visualisation sont du type Y(x) ou X(y) dit figure de LISSAJOUS (28, 29, 33, 34, 35).

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de visualisation sont du type représentation en temps X(t) et Y(t).

10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est une sonde axiale pour pouvoir être utilisée à l'intérieur de pièces cylindriques.

11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est du type bobine encerclante pour être utilisé à l'extérieur d'un tube, ou d'une pièce cylindrique.

12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est du type ponctuel, dit aussi de surface, pour balayer la surface de la pièce examinée.