WO2022106220A1 - Dispositif de contrôle non destructif d'une structure, comprenant un organe de réduction de bruits électromagnétique - Google Patents

Dispositif de contrôle non destructif d'une structure, comprenant un organe de réduction de bruits électromagnétique Download PDF

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WO2022106220A1
WO2022106220A1 PCT/EP2021/080761 EP2021080761W WO2022106220A1 WO 2022106220 A1 WO2022106220 A1 WO 2022106220A1 EP 2021080761 W EP2021080761 W EP 2021080761W WO 2022106220 A1 WO2022106220 A1 WO 2022106220A1
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transducer
destructive testing
testing device
noise sensor
electrical signal
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PCT/EP2021/080761
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Frédéric NOZAIS
Philippe BREDIF
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the invention relates to the field of non-destructive testing of longitudinal structures, for example an electric cable, a railway track or a pipe, with the aim of controlling the state of health of the structure and identifying the presence of defects, for example a crack, an incipient break or a clean break.
  • Active structure inspection techniques using ultrasonic waves generally consist of generating waves in the structure or on the surface of the structure using sensors, then measuring the properties of the propagated waves using one or more sensors positioned on the structure.
  • the ultrasonic waves generated in the structure to be studied can propagate over great distances, a fortiori in a longitudinal structure. Since ultrasonic waves are sensitive to defects, the measurements contain information concerning the state of "health" of the structure. The measurements carried out make it possible to detect a wide variety of defects. Under certain conditions, it is also possible to locate and quantify certain defects.
  • the invention relates more particularly to the field of non-destructive testing devices based on electromagnetic acoustic transducers (EMAT) which aim to generate an ultrasonic wave directly in the part to be inspected by electromagnetic coupling without the need to physically connect to the room.
  • EMAT electromagnetic acoustic transducers
  • This type of device makes it possible to avoid the use of couplant, which induces limitations for applications for monitoring very long structures such as electric cables.
  • the fact of being able to carry out an electromagnetic coupling without direct contact makes it possible, for example, to embark the device on board a train to carry out the inspection of the rails at high speeds.
  • An EMAT type sensor has an operation which combines the interaction of a magnetic field and eddy currents induced in the rail by a coil close to the latter. These currents are transformed into efforts at the surface of the rail under the effect of the magnetic field which in turn generates the ultrasonic waves. This process is reversible and can be used in transmission as in reception.
  • the invention applies more generally to any type of sensor comprising an electromagnetic transmitter and one or more receiver(s) of different forms of electromagnetic coils but also magnetic sensors of the giant magnetoresistance (GMR) type, tunnel magnetoresistance ( TMR), or anisotropic magnetoresistance (AMR).
  • GMR giant magnetoresistance
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • the sensors used to monitor their state of health can be disturbed by this noisy environment.
  • the signals measured by a sensor operating in reception can be disturbed by undesired signals (similar to noise) which are induced by couplings of electric fields and magnetic fields.
  • These fields come in particular from the high voltages involved in the electric power cables, the catenary of a railway line as well as the currents which circulate in the environment and in the parts to be inspected such as alternating or chopped currents in the electric cables, the traction currents which circulate in the rail and in the catenary but also the currents of the signaling circuit which circulate in the rails of railway.
  • EMAT sensors based on transducers having a coil in the form of a meander in reception have high frequency selectivity.
  • the surrounding high voltage and the currents crossing the part to be inspected create significant noise (of the order of the useful signal) at the sensitivity frequency of the sensor .
  • Another solution for combating this noise consists in filtering the signal measured by the sensor to retain only the signal comprising the frequency content of the useful signal.
  • this approach only makes it possible to suppress the noise in frequency bands different from the useful signal.
  • Using a filter is not effective in removing noise in the same frequency band as the wanted signal.
  • Another solution consists in performing synchronous detection or coherent demodulation of the signal, for example by modulating the magnetic field.
  • this technique is difficult to implement for an on-board inspection in the railway context because the inspection is done at high speeds.
  • the patent application W02008137231 also proposes a noise reduction method based on a differential measurement to suppress the electromagnetic noise of the locomotive engine on the communication coils of a signaling system.
  • This method is not applicable for a non-destructive testing device because it does not allow to analyze the state of health of a rail.
  • the device proposed in this patent application is based on two sensors positioned on two separate rails and does not provide for the generation of an ultrasonic wave propagating in the same rail in order to control the state of this rail.
  • the present invention provides a device incorporating a member for reducing electromagnetic noise picked up by the receiving transducer. Noise reduction is achieved by subtracting the disturbing signal picked up by the transmission transducer from the useful signal picked up by the reception transducer.
  • the invention takes advantage of the fact that the disturbing signals are received synchronously by the transmitting transducer and the receiving transducer then that the ultrasonic wave (useful signal) propagates between these two transducers with a propagation time depending on the distance between the two transducers.
  • the subject of the invention is a device for non-destructive testing of a structure, comprising a first transducer capable of generating a main ultrasonic wave propagating in the structure, a second transducer capable of picking up the main ultrasonic wave after its propagation in the structure and converting it into a main electrical signal and a noise sensor, the noise sensor and the second transducer being capable of picking up one or more electromagnetic interference signals and converting them into a secondary electrical signal, the device comprising a acquisition module configured to measure, over a same acquisition time window, the signals picked up by the noise sensor and by the second transducer, the device further comprising a noise reduction device connected to the noise sensor and to the second transducer and configured to subtract the secondary electrical signal measured by the noise sensor from the primary electrical signal measured by the second transducer.
  • the secondary electrical signal is measured simultaneously by the noise sensor and by the second transducer.
  • the noise sensor is produced by the first transducer.
  • the first transducer and the second transducer each comprise one or more identical field coil(s).
  • the first transducer and the second transducer each comprise one or more different field coil(s) and the noise reduction member is configured to normalize the amplitude of the signal secondary electrical signal measured by the first transducer relative to the amplitude of the primary electrical signal measured by the second transducer.
  • the noise sensor is produced by a third transducer, the first transducer and the second transducer each comprising one or more different field coil(s).
  • the noise sensor is produced by a coil.
  • the third transducer is identical to the second transducer.
  • the second transducer is a magnetic sensor of the giant magnetoresistance, tunnel magnetoresistance, or anisotropic magnetoresistance type and the noise reduction device is configured to apply a phase shift to the secondary electrical signal measured by the noise sensor.
  • the first transducer is an electromagnetic acoustic transducer.
  • the main ultrasonic wave is a pulse signal having a duration less than the wave propagation time in the structure between the first transducer and the second transducer.
  • the acquisition time window begins at a time greater than the sum of the time of generation of the main ultrasonic wave and the duration of the pulse signal and has a duration at least equal to the propagation time of the ultrasonic wave between the first transducer and the second transducer.
  • the structure to be checked is a longitudinal structure, for example a railway rail, an electric cable or a pipeline.
  • the first transducer, the second transducer and the noise sensor are intended to be positioned above the structure to be controlled with the same air gap and the same orientation with respect to the longitudinal axis of the structure.
  • FIG. 1 represents a block diagram of an electromagnetic acoustic transducer
  • FIG. 2 represents a diagram illustrating the influence of disturbing signals on the operation of a non-destructive testing device applied to a rail
  • FIG. 3 represents a diagram of a device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents a diagram of a device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 represents a diagram of a device according to a third embodiment of the invention.
  • the invention is described below for an application for monitoring the state of health of railway rails, but it is more generally applicable to any longitudinal structure, for example an electric power cable, or a pipeline, the environment of which is subject to electromagnetic interference.
  • FIG. 1 represents several diagrams illustrating the operation of an electro-magnetic acoustic transducer or EMAT (ElectroMagnetic Acoustic Transducer) transducer.
  • This type of transducer consists of one or more induction coils B and one or more permanent magnets (or electromagnets) A.
  • the coils can take different shapes (meanders, cylindrical, etc.). These elements induce eddy currents and radiate electromagnetic excitations (dynamic and static) which interact with the microstructure of the inspected part (conductive medium, magnetic or not). These interactions generate the dynamic sources (volume and surface) at the origin of the ultrasonic wave generated by the transducer in the medium: it is an electro magneto-elastic coupling.
  • a transducer is composed of a coil able to generate an eddy current and a magnet or an electromagnet able to generate a magnetic field. The interaction between these two elements allows the generation or detection of ultrasonic waves in the structure to be controlled.
  • EMAT transducers allow the generation and reception of ultrasonic waves without contact and therefore without mechanical coupling with the part. They are capable of generating and receiving a wide variety of wave types (surface, volume and guided) and polarizations depending on the geometric configuration of the coils and the polarization of the permanent magnets.
  • a transducer operating in reception can be produced by a magnetic sensor of the giant magnetoresistance (GMR), tunnel magnetoresistance (TMR) or anisotropic magnetoresistance (AMR) type.
  • GMR giant magnetoresistance
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • the transducer still comprises a magnet or electromagnet but the coil is replaced by an integrated circuit or a chip on silicon sensitive to magnetic fields.
  • the transducer operating in transmission comprises, for its part, always a coil.
  • Figure 2 shows a diagram of a non-destructive testing device for monitoring the state of health of a railway track. It consists of a first transducer E capable of generating an ultrasonic wave which propagates in the rail and a second transducer R capable of picking up the ultrasonic wave and converting it into an electrical signal. Analysis of the characteristics of this signal makes it possible to identify a fault in the section of the rail located between the two transducers.
  • the ultrasonic wave generated is of the discontinuous type (for example: pulses, sinusoidal pulse train, etc.).
  • the electromagnetic environment of the rail and the transducers is disturbed by electric fields EC and/or magnetic fields MC from the catenary C and traction or signaling currents flowing in the rail which generate also MR magnetic fields.
  • the secondary electrical signal SP actually consists of an addition of several disturbing electrical signals from the various sources indicated above.
  • this disturbing electrical signal is considered in the following as a whole.
  • the transducers E and R are advantageously placed above the same rail with a preferably identical air gap for the two transducers. They are oriented identically to each other and preferably parallel to the axis of the rail. For this purpose, the transducers E and R are separate and can be positioned at distance from each other to be able to identify a defect in the section of the rail located between the two transducers.
  • the transducers E and R are positioned on board a train, preferably under a wagon and above a rail, in its alignment. In this way, it is possible to continuously analyze the health of the rail while the train is running.
  • Figure 3 schematizes an example of a non-destructive testing device according to an embodiment of the invention which consists of an adaptation of the device described in Figure 2.
  • the secondary electrical signal Sp from the various sources of interference described above is received synchronously (or with a constant phase shift for GMR magnetic receivers, etc.) by the two transducers E, R.
  • the first transducer E always comprises a coil which is sensitive to the electric current and can therefore pick up disturbing signals.
  • the secondary electric signal propagates in the rail at the speed of the electric current which is much higher than the speed of propagation of the ultrasonic waves.
  • the secondary electrical signal is received almost simultaneously by the two transducers if they have identical coils and they are positioned in the same plane parallel to the axis of the rail and the catenary.
  • the ultrasonic wave generated by the first transducer E is only received by the second transducer R after a propagation time equal to the distance between the two transducers divided by the propagation speed of the ultrasonic wave.
  • the invention then consists in subtracting from the signal measured by the second transducer R, that picked up by the first transducer E which comprises only the disturbance signal. Indeed, the useful signal received by the receiver R being delayed with respect to the transmission time, the subtraction of the two signals has no influence on the useful signal outside the transmission time window.
  • the device according to the invention thus comprises a noise reduction unit ORG consisting of a subtractor, a first input of which receives the useful signal measured by the second transducer R and a second input receives the signal picked up by the first transducer E .
  • the noise reduction unit also applies a constant phase shift to the signal from the first transducer E before the subtraction.
  • the device according to the invention also comprises an ACQ acquisition module which makes it possible to control the synchronous acquisition of the two transducers E, R over a predetermined time window.
  • the ACQ acquisition module performs analog signal acquisition.
  • a digital analog converter (not shown in Figure 3) is responsible for converting the acquired signals digitally.
  • the noise reduction unit ORG can be made in digital form and then be placed after the analog-to-digital converter, but it can also be made in analog form and be placed before the analog-to-digital converter.
  • the acquisition time window (for the two transducers) begins at a time to+timp, with Lmp the duration of the generated pulse and has a duration at least equal to the propagation time of the ultrasonic wave between the two transducers.
  • the subtraction of the two signals makes it possible to reduce or even cancel the synchronous disturbing signals and to retain only the useful signal.
  • the invention thus makes it possible to improve the signal-to-noise ratio.
  • the device according to the invention comprises a third transducer R 'whose coil is identical to the second transducer R which has the function of receiver.
  • This third transducer R' has the role of picking up the disturbing signals.
  • the noise reduction device ORG is then connected, by a first input to the second transducer R and by a second input to the third transducer R′.
  • the third transducer R′ is distinct from the second transducer R and can be positioned at a distance from it.
  • the third transducer does not include a magnet (it only includes a coil or a magnetic sensor) to capture only the secondary electrical signal and not be sensitive to the useful ultrasonic signal.
  • a magnet it only includes a coil or a magnetic sensor
  • the third transducer R′ includes a magnet (FIG. 4)
  • a second out-of-phase useful signal can disturb the acquisition carried out on this transducer R′.
  • the start of the acquisition time window must therefore be adapted to take into account the position of the third transducer R' and the propagation time of the signal between the transmitting transducer E and this third transducer.
  • FIG. 4 gives the indication of the acquisition time window FT in dotted lines for the case where the transducer R′ comprises a magnet.
  • Figure 5 illustrates the same principle for a transducer R' without magnet.
  • the noise reduction device comprises an attenuator or an amplifier for applying an attenuation or amplification gain to the one of the two input signals in order to normalize it with respect to the other signal before carrying out the subtraction of the two signals.

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Abstract

Dispositif de contrôle non destructif d'une structure, comprenant un premier transducteur (E) apte à générer une onde ultrasonore principale se propageant dans la structure, un second transducteur (R) apte à capter l'onde ultrasonore principale après sa propagation dans la structure et à la convertir en signal électrique principal et un capteur de bruit (E), le capteur de bruit (E) et le second transducteur (R) étant aptes à capter un ou plusieurs signaux perturbateurs électromagnétiques et à les convertir en un signal électrique secondaire, le dispositif comprenant un module d'acquisition configuré pour mesurer, sur une même fenêtre temporelle d'acquisition, les signaux captés par le capteur de bruit (E) et par le second transducteur (R), et un organe de réduction de bruit (ORG) connecté au capteur de bruit (E) et au second transducteur (R) et configuré pour soustraire le signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit au signal électrique principal mesuré par le second transducteur.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Dispositif de contrôle non destructif d’une structure, comprenant un organe de réduction de bruits électromagnétique
[0001] L’invention concerne le domaine du contrôle non destructif de structures longitudinales, par exemple un câble électrique, un rail de chemin de fer ou une canalisation, dans le but de contrôler l’état de santé de la structure et d’identifier la présence de défauts, par exemple une fissure, une amorce de cassure ou une cassure franche.
[0002] Les techniques actives d’inspection de structure par ondes ultrasonores consistent généralement à générer des ondes dans la structure ou à la surface de la structure à l’aide de capteurs, puis à mesurer les propriétés des ondes propagées à l’aide d’un ou plusieurs capteurs positionnés sur la structure.
[0003] Les ondes ultrasonores générées dans la structure à étudier peuvent se propager sur de grandes distances, a fortiori dans une structure longitudinale. Les ondes ultrasonores étant sensibles aux défauts, les mesures contiennent des informations concernant l’état de « santé >> de la structure. Les mesures effectuées permettent de détecter des défauts d’une grande variété. Dans certaines conditions, il est également possible de localiser et de quantifier certains défauts.
[0004] L’invention concerne plus particulièrement le domaine des dispositifs de contrôle non destructifs basés sur des transducteurs acoustiques électromagnétiques (EMAT) qui visent à générer une onde ultrasonore directement dans la pièce à inspecter par un couplage électromagnétique sans nécessité de se connecter physiquement sur la pièce.
[0005] Ce type de dispositif permet d’éviter l’utilisation de couplant qui induit des limitations pour des applications de surveillance de structures de grande longueur telles que des câbles électriques. Le fait de pouvoir réaliser un couplage électromagnétique sans contact direct permet par exemple d’embarquer le dispositif à bord d’un train pour réaliser l’inspection des rails à des vitesses élevées.
[0006] Un capteur de type EMAT présente un fonctionnement qui combine l’interaction d’un champ magnétique et des courants de Foucault induits dans le rail par une bobine à proximité de ce dernier. Ces courants se transforment en efforts à la surface du rail sous l’effet du champ magnétique qui génèrent à leur tour les ondes ultrasonores. Ce processus est réversible et peut être utilisé en émission comme en réception.
[0007] L’invention s’applique plus généralement pour tout type de capteur comprenant un émetteur et un ou des récepteur(s) électromagnétique de différentes formes de bobines électromagnétiques mais aussi des capteurs magnétiques de type magnétorésistance géante (GMR), magnétorésistance tunnel (TMR), ou magnétorésistance anisotrope (AMR).
[0008] L’environnement électromagnétique des câbles électrique ou des rails de chemins de fer est parfois bruité du fait des hautes tensions et forts courants qui peuvent transiter dans les câbles, les rails, la caténaire, etc...
[0009] De ce fait, les capteurs utilisés pour contrôler leur état de santé peuvent être perturbés par cet environnement bruité. En particulier, les signaux mesurés par un capteur fonctionnant en réception peuvent être perturbé par des signaux non souhaités (assimilables à du bruit) qui sont induits par des couplages de champs électriques et de champs magnétiques. Ces champs proviennent notamment des hautes tensions mises en jeu dans les câbles électriques de transport d’énergie, la caténaire d’une voie ferrée ainsi que les courants qui circulent dans l’environnement et dans les pièces à inspecter tel que des courants alternatifs ou hachés dans les câbles électriques, les courants de traction qui circulent dans le rail et dans la caténaire mais aussi des courants du circuit de signalisation qui circulent dans les rails de chemin de fer.
[0010] Ainsi l’analyse du signal utile peut être faussée de par la présence de ces signaux perturbateurs.
[0011] La protection du capteur par un blindage électromagnétique n’est pas toujours possible car, dans le présent cas d’application des capteurs Emat, cela réduirait conjointement le bruit et les signaux utiles.
[0012] Les champs électromagnétiques perturbateurs extérieur (ou provenant de la caténaire dans une application ferroviaire) pourraient éventuellement être réduits par ce type de blindage mais il n’est pas possible de protéger le capteur des champs électriques et magnétiques provenant de pièce à inspectée qui est au contact de la bobine de réception. En effet, le blindage s’intercale entre la source de perturbation et l’élément perturbé qui est ici la bobine de réception du transducteur. Une telle protection bloquerait également les champs électromagnétiques issus du signal utile.
[0013] Les capteurs EMAT basés sur des transducteurs ayant une bobine en forme de méandre en réception présentent une forte sélectivité en fréquence. L’expérience montre que la haute tension environnante et les courants traversant la pièce à inspecter (câbles électriques, caténaire, rails d’une locomotive électrique) créent un bruit significatif (de l’ordre du signal utile) à la fréquence de sensibilité du capteur.
[0014] Une autre solution pour lutter contre ce bruit consiste à filtrer le signal mesuré par le capteur pour ne conserver que le signal comportant le contenu fréquentiel du signal utile. Cependant, cette approche, ne permet de supprimer que le bruit dans des bandes de fréquences différentes du signal utile. L’utilisation d’un filtre n’est pas efficace pour supprimer le bruit dans la même bande de fréquence que le signal utile.
[0015] Une autre solution consiste à réaliser une détection synchrone ou démodulation cohérente du signal, par exemple en modulant le champ magnétique. Cependant, cette technique est difficile à mettre en oeuvre pour une inspection embarquée dans le contexte ferroviaire car l’inspection se fait à des vitesses importantes.
[0016] Dans le cas d’application ferroviaire, la demande de brevet W02008137231 propose encore une méthode de réduction de bruits basée sur une mesure différentielle pour supprimer le bruit électromagnétique du moteur de locomotive sur les bobines de communication d’un système de signalisation. Cette méthode n’est pas applicable pour un dispositif de contrôle non destructif car elle ne permet pas d’analyser l’état de santé d’un rail. En effet, le dispositif proposé dans cette demande de brevet est basé sur deux capteurs positionnés sur deux rails distincts et ne prévoit pas la génération d’une onde ultrasonore se propageant dans un même rail dans le but de contrôler l’état de ce rail.
[0017] La présente invention propose un dispositif intégrant un organe de réduction des bruits électromagnétiques captés par le transducteur de réception. La réduction de bruit est réalisée en soustrayant le signal perturbateur capté par le transducteur d’émission au signal utile capté par le transducteur de réception.
[0018] L’invention tire avantage du fait que les signaux perturbateurs sont reçus de façon synchrone par le transducteur d’émission et le transducteur de réception alors que l’onde ultrasonore (signal utile) se propage entre ces deux transducteurs avec un temps de propagation dépendant de la distance entre les deux transducteurs.
[0019] L’invention a pour objet un dispositif de contrôle non destructif d’une structure, comprenant un premier transducteur apte à générer une onde ultrasonore principale se propageant dans la structure, un second transducteur apte à capter l’onde ultrasonore principale après sa propagation dans la structure et à la convertir en signal électrique principal et un capteur de bruit, le capteur de bruit et le second transducteur étant aptes à capter un ou plusieurs signaux perturbateurs électromagnétiques et à les convertir en un signal électrique secondaire, le dispositif comprenant un module d’acquisition configuré pour mesurer, sur une même fenêtre temporelle d’acquisition, les signaux captés par le capteur de bruit et par le second transducteur, le dispositif comprenant en outre un organe de réduction de bruit connecté au capteur de bruit et au second transducteur et configuré pour soustraire le signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit au signal électrique principal mesuré par le second transducteur.
[0020] Selon un aspect particulier de l’invention, le signal électrique secondaire est mesuré simultanément par le capteur de bruit et par le second transducteur.
[0021] Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur de bruit est réalisé par le premier transducteur.
[0022] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur et le deuxième transducteur comportent chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) identiques.
[0023] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur et le deuxième transducteur comportent chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) différentes et l’organe de réduction de bruit est configuré pour normaliser l’amplitude du signal électrique secondaire mesuré par le premier transducteur par rapport à l’amplitude du signal électrique principal mesuré par le second transducteur.
[0024] Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur de bruit est réalisé par un troisième transducteur, le premier transducteur et le deuxième transducteur comportant chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) différentes.
[0025] Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur de bruit est réalisé par une bobine. [0026] Selon un aspect particulier de l’invention, le troisième transducteur est identique au deuxième transducteur.
[0027] Selon un aspect particulier de l’invention, le second transducteur est un capteur magnétique de type magnétorésistance géante, magnétorésistance tunnel, ou magnétorésistance anisotrope et l’organe de réduction de bruit est configuré pour appliquer un déphasage au signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit.
[0028] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur est un transducteur acoustique électromagnétique.
[0029] Selon un aspect particulier de l’invention, l’onde ultrasonore principale est un signal impulsionnel ayant une durée inférieure au temps de propagation de l’onde dans la structure entre le premier transducteur et le second transducteur.
[0030] Selon un aspect particulier de l’invention, la fenêtre temporelle d’acquisition débute à un instant supérieur à la somme de l’instant de génération de l’onde ultrasonore principale et de la durée du signal impulsionnel et a une durée au moins égale au temps de propagation de l’onde ultrasonore entre le premier transducteur et le second transducteur.
[0031] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure à contrôler est une structure longitudinale, par exemple un rail de chemin de fer, un câble électrique ou une canalisation.
[0032] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur, le second transducteur et le capteur de bruit sont destinés à être positionnés au-dessus de la structure à contrôler avec un même entrefer et une même orientation par rapport à l’axe longitudinal de la structure.
[0033] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.
[0034] [Fig. 1] représente un schéma de principe d’un transducteur acoustique électromagnétique,
[0035] [Fig. 2] représente un schéma illustrant l’influence de signaux perturbateurs sur le fonctionnement d’un dispositif de contrôle non destructif appliqué à un rail, [0036] [Fig. 3] représente un schéma d’un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention,
[0037] [Fig. 4] représente un schéma d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
[0038] [Fig. 5] représente un schéma d’un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
[0039] L’invention est décrite par la suite pour une application de contrôle de l’état de santé de rails de chemins de fer mais elle est applicable de façon plus générale à toute structure longitudinale, par exemple un câble électrique d’énergie, ou une canalisation, dont l’environnement est soumis à des perturbations électromagnétiques.
[0040] La figure 1 représente plusieurs schémas illustrant le fonctionnement d’un transducteur acoustique électro-magnétique ou transducteur EMAT (ElectroMagnetic Acoustic Transducer). Ce type de transducteur est constitué d’une ou plusieurs bobines inductrices B et d’un ou plusieurs aimants permanents (ou électro-aimants) A. Les bobines peuvent prendre différentes formes (méandres, cylindriques...). Ces éléments induisent des courants de Foucault et rayonnent des excitations électromagnétiques (dynamique et statique) qui interagissent avec la microstructure de la pièce inspectée (milieu conducteur, magnétique ou non). Ces interactions génèrent les sources dynamiques (volumiques et surfaciques) à l’origine de l’onde ultrasonore générée par le transducteur dans le milieu : il s’agit d’un couplage électro magnéto-élastique.
[0041] Autrement dit, un transducteur est composé d’une bobine apte à générer un courant de Foucault et d’un aimant ou d’un électro-aimant apte à générer un champ magnétique. L’interaction entre ces deux éléments permet la génération ou la détection d’ondes ultrasonores dans la structure à contrôler.
[0042] Les transducteurs EMAT permettent la génération et la réception d’ondes ultrasonores sans contact et donc sans couplant mécanique avec la pièce. Ils sont capables de générer et recevoir une grande variété de types d’ondes (surfaciques, volumiques et guidées) et de polarisations selon la configuration géométrique des bobines et la polarisation des aimants permanents. [0043] Dans un autre mode de réalisation de l’invention, un transducteur fonctionnant en réception peut être réalisé par un capteur magnétique de type magnétorésistance géante (GMR), magnétorésistance tunnel (TMR), ou magnétorésistance anisotrope (AMR). Dans ce cas, le transducteur comporte toujours un aimant ou électroaimant mais la bobine est remplacée par un circuit intégré ou une puce sur silicium sensible aux champs magnétiques.
[0044] Le transducteur fonctionnant en émission comporte, quant à lui, toujours une bobine.
[0045] La figure 2 représente un schéma d’un dispositif de contrôle non destructif pour la surveillance de l’état de santé d’un rail de chemin de fer. Il est constitué d’un premier transducteur E apte à générer une onde ultrasonore qui se propage dans le rail et d’un second transducteur R apte à capter l’onde ultrasonore et à la convertir en signal électrique. L’analyse des caractéristiques de ce signal permet d’identifier un défaut dans la section du rail située entre les deux transducteurs.
[0046] L’onde ultrasonore générée est de type discontinue (par exemple : impulsions, train d’impulsions sinusoïdale, etc..).
[0047] Comme indiqué en préambule, l’environnement électromagnétique du rail et des transducteurs est perturbé par des champs électriques EC et/ou des champs magnétiques MC issus de la caténaire C et des courants de traction ou de signalisation circulant dans le rail qui génèrent également des champs magnétiques MR.
[0048] Ces courants et champs magnétiques secondaires engendrent un signal électrique secondaire SP qui perturbe le signal utile Su mesuré par le second transducteur R comme représenté sur le diagramme sur la droite de la figure.
[0049] Le signal électrique secondaire SP est constitué en réalité d’une addition de plusieurs signaux électriques perturbateurs provenant des différentes sources indiquées ci-dessus. Pour simplifier, on considère par la suite ce signal électrique perturbateur de façon globale.
[0050] Les transducteurs E et R sont avantageusement placés au-dessus du même rail avec un entrefer préférablement identique pour les deux transducteurs. Ils sont orientés de façon identique entre eux et préférentiellement parallèle à l’axe du rail. A cet effet, les transducteurs E et R sont distincts et positionnables à distance l’un de l’autre pour pouvoir identifier un défaut dans la section du rail située entre les deux transducteurs.
[0051] Dans un mode de réalisation de l’invention, les transducteurs E et R sont positionnés à bord d’un train, préférablement sous un wagon et au-dessus d’un rail, dans son alignement. De cette façon, il est possible d’analyser en continu l’état de santé du rail pendant que le train circule.
[0052] La figure 3 schématise un exemple de dispositif de contrôle non destructif selon un mode de réalisation de l’invention qui consiste en une adaptation du dispositif décrit à la figure 2.
[0053] Le signal électrique secondaire Sp issu des différentes sources de perturbations décrites ci-dessus, est reçu de façon synchrone (ou avec un déphasage constant pour les récepteurs magnétiques GMR, etc.) par les deux transducteurs E, R. En effet, le premier transducteur E comporte toujours une bobine qui est sensible au courant électrique et peut donc capter les signaux perturbateurs.
[0054] Par ailleurs, le signal électrique secondaire se propage dans le rail à la vitesse du courant électrique qui est très supérieure à la vitesse de propagation des ondes ultrasonores.
[0055] Pour ces raisons, le signal électrique secondaire est reçu quasi simultanément par les deux transducteurs si ceux-ci comportent des bobines identiques et qu’ils sont positionnés dans un même plan parallèle à l’axe du rail et de la caténaire.
[0056] A l’opposé, l’onde ultrasonore générée par le premier transducteur E n’est reçue par le second transducteur R qu’après un temps de propagation égal à la distance entre les deux transducteurs divisés par la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore.
[0057] L’invention consiste alors à soustraire au signal mesuré par le second transducteur R, celui capté par le premier transducteur E qui ne comporte que le signal de perturbation. En effet, le signal utile reçu par le récepteur R étant retardé par rapport au temps d’émission, la soustraction des deux signaux n’a pas d’influence sur le signal utile en dehors de la fenêtre de temps d’émission. [0058] Le dispositif selon l’invention comporte ainsi un organe ORG de réduction de bruit constitué d’un soustracteur dont une première entrée reçoit le signal utile mesuré par le second transducteur R et une seconde entrée reçoit le signal capté par le premier transducteur E.
[0059] Dans le cas d’un récepteur magnétique GMR, TMR, etc., l’organe de réduction de bruit applique également un déphasage constant au signal du premier transducteur E avant la soustraction.
[0060] Le dispositif selon l’invention comporte également un module d’acquisition ACQ qui permet de commander l’acquisition synchrone des deux transducteurs E,R sur une fenêtre temporelle prédéterminée.
[0061 ] Le module d’acquisition ACQ réalise une acquisition analogique des signaux. Un convertisseur analogique numérique (non représenté à la figure 3) est chargé de convertir les signaux acquis numériquement.
[0062] L’organe de réduction de bruit ORG peut être réalisé sous forme numérique et être alors placé après le convertisseur analogique numérique mais il peut également être réalisé sous forme analogique et être placé avant le convertisseur analogique numérique.
[0063] Si le transducteur émetteur E génère le signal utile à un instant t0, la fenêtre temporelle d’acquisition (pour les deux transducteurs) débute à un instant to+timp, avec Lmp la durée de l’impulsion générée et a une durée au moins égale au temps de propagation de l’onde ultrasonore entre les deux transducteurs.
[0064] La soustraction des deux signaux permet de réduire voire d’annuler les signaux perturbateurs synchrones et de conserver uniquement le signal utile. L’invention permet ainsi d’améliorer le rapport signal à bruit.
[0065] Cela est représenté schématiquement sur les diagrammes D1 , D2, D3 qui représentent temporellement respectivement les signaux captés par le premier transducteur E, le second transducteur R et le signal obtenu en sortie de l’organe de réduction de bruit ORG ainsi que la fenêtre temporelle d’acquisition FT en pointillés. Comme la fenêtre temporelle d’acquisition débute à to+timp, cela permet d’éliminer le signal d’excitation généré par le premier transducteur émetteur E. [0066] Pour s’assurer de ne supprimer que les signaux perturbateurs, une condition à vérifier est que le temps de propagation de l’onde entre les deux transducteurs E,R doit être plus grand que la durée timp de l’impulsion du signal utile.
[0067] Dans une variante de réalisation de l’invention, si les bobines des deux transducteurs E,R sont différentes, dans ce cas, le dispositif selon l’invention comporte un troisième transducteur R’ dont la bobine est identique au deuxième transducteur R qui a la fonction de récepteur. Ce troisième transducteur R’ a pour rôle de capter les signaux perturbateurs. L’organe de réduction de bruit ORG est alors connecté, par une première entrée au deuxième transducteur R et par une seconde entrée au troisième transducteur R’. Cette variante est représentée à la figure 4. Le troisième transducteur R’ est distinct du deuxième transducteur R et positionnable à distance de lui.
[0068] Avantageusement, le troisième transducteur ne comporte pas d’aimant (il ne comporte qu’une bobine ou un capteur magnétique) pour ne capter que le signal électrique secondaire et ne pas être sensible au signal utile ultrasonore. Cette variante est représentée à la figure 5
[0069] Si le troisième transducteur R’ comporte un aimant (figure 4), un second signal utile déphasé peut perturber l’acquisition réalisée sur ce transducteur R’. Il faut donc que le début de la fenêtre temporelle d’acquisition soit adapté pour tenir compte de la position du troisième transducteur R’ et du temps de propagation du signal entre le transducteur émetteur E et ce troisième transducteur.
[0070] La figure 4 donne l’indication de la fenêtre temporelle d’acquisition FT en pointillés pour le cas où le transducteur R’ comporte un aimant.
[0071] La figure 5 illustre le même principe pour un transducteur R’ sans aimant.
[0072] Dans une autre variante de réalisation de l’invention, au lieu d’utiliser un troisième transducteur, l’organe de réduction de bruit comprend un atténuateur ou un amplificateur pour appliquer un gain d’atténuation ou d’amplification à l’un des deux signaux d’entrée afin de le normaliser par rapport à l’autre signal avant d’effectuer la soustraction des deux signaux.

Claims

REVENDICATIONS Dispositif de contrôle non destructif d’une structure, comprenant un premier transducteur (E) apte à générer une onde ultrasonore principale se propageant dans la structure, un deuxième transducteur (R) apte à capter l’onde ultrasonore principale après sa propagation dans la structure et à la convertir en signal électrique principal et un capteur de bruit (E,R’), le premier transducteur (E) et le deuxième transducteur (R) étant distincts et positionnables à distance l’un de l’autre, le capteur de bruit (E,R’) et le deuxième transducteur (R) étant distincts et positionnables à distance l’un de l’autre et aptes à capter un ou plusieurs signaux perturbateurs électromagnétiques et à les convertir en un signal électrique secondaire, le dispositif comprenant un module d’acquisition configuré pour mesurer, sur une même fenêtre temporelle d’acquisition, les signaux captés par le capteur de bruit (E,R!) et par le deuxième transducteur (R), et un organe de réduction de bruit (ORG) connecté au capteur de bruit (E,R’) et au deuxième transducteur (R) et configuré pour soustraire le signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit au signal électrique principal mesuré par le deuxième transducteur. Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 1 dans lequel le signal électrique secondaire est mesuré simultanément par le capteur de bruit et par le deuxième transducteur. Dispositif de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le capteur de bruit est réalisé par le premier transducteur (E). Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 3 dans lequel le premier transducteur (E) et le deuxième transducteur (R) comportent chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) identiques. Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 3 dans lequel le premier transducteur (E) et le deuxième transducteur (R) comportent chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) différentes et l’organe de réduction de bruit (ORG) est configuré pour normaliser l’amplitude du signal électrique secondaire mesuré par le premier transducteur par rapport à l’amplitude du signal électrique principal mesuré par le deuxième transducteur. Dispositif de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel le capteur de bruit est réalisé par un troisième transducteur (R’), le premier transducteur (E) et le deuxième transducteur (R) comportant chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) différentes. Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 6 dans lequel le capteur de bruit est réalisé par une bobine. Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 7 dans lequel le troisième transducteur (R’) est identique au deuxième transducteur (R). Dispositif de contrôle non destructif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le deuxième transducteur (R) est un capteur magnétique de type magnétorésistance géante (GMR), magnétorésistance tunnel (TMR), ou magnétorésistance anisotrope (AMR) et l’organe de réduction de bruit (ORG) est configuré pour appliquer un déphasage au signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit (E). . Dispositif de contrôle non destructif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier transducteur (E) est un transducteur acoustique électromagnétique. . Dispositif de contrôle non destructif selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’onde ultrasonore principale est un signal impulsionnel ayant une durée inférieure au temps de propagation de l’onde dans la structure entre le premier transducteur (E) et le deuxième transducteur (R). . Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 11 dans lequel la fenêtre temporelle d’acquisition débute à un instant supérieur à la somme de l’instant (tO) de génération de l’onde ultrasonore principale et de la durée (timp) du signal impulsionnel et a une durée au moins égale au temps de propagation de l’onde ultrasonore entre le premier transducteur et le deuxième transducteur. . Dispositif de contrôle non destructif selon l’une des revendications précédentes dans lequel la structure à contrôler est une structure longitudinale, par exemple un rail de chemin de fer, un câble électrique ou une canalisation.
. Dispositif de contrôle non destructif selon la revendication 13 dans lequel le premier transducteur, le deuxième transducteur et le capteur de bruit sont destinés à être positionnés au-dessus de la structure à contrôler avec un même entrefer et une même orientation par rapport à l’axe longitudinal de la structure.
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