FR2675261A1 - Systeme de caracterisation de capteurs a courants de foucault. - Google Patents

Abstract

Un système pour la caractérisation d'un capteur d'un type prédéterminé pour le contrôle non destructif par courants de FOUCAULT destiné à détecter des défauts d'une nature connue dans des produits métalliques de forme connue, comportant un milieu électriquement non conducteur (51) contenant au moins une zone électriquement conductrice (54-56), et des moyens électriquement non conducteurs (52) de guidage en déplacement, adaptés à recevoir l'un quelconque d'une pluralité de capteurs de ce type connu mais de dimensions différentes et à guider un mouvement relatif entre ce capteur et cette zone électriquement conductrice selon une trajectoire relative prédéterminée (T") telle que cette zone conductrice intercepte le champ d'influence du capteur en une portion et une portion seulement de cette trajectoire.

Description

La présente invention est relative à la caractérisation des capteurs pour le contrôle non destructif des produits métalliques par courants de
FOUCAULT. Elle s'applique aux différents types de capteurs susceptibles d'etre utilisés, classés communément en trois familles dont la définition est rappelée ci-dessous
- capteurs de surface 1 (figure 1) destinés au contrôle de pièces planes 2, ou de pièces quelconques, conductrices de l'électricité, ferromagnétiques ou non, pour lesquelles on cherche une anomalie locale de propagation des courants induits par le champ magnétique d'excitation du capteur : l'examen complet de la surface de la pièce est assuré par un balayage approprié de cette dernière par le capteur 1, maintenu dans une position aussi reproductible que possible par rapport à la pièce 2, fonction de l'application.Le corps de capteur est généralement cylindrique, de diamètre compris entre 5 et 30 mm et l'orientation est telle que l'axe du cylindre est perpendiculaire à la surface d'examen,
- bobines encerclantes 3 (figure 2), générale ment de section circulaire, destinées au contrôle de produits longs tels que barres et tubes ou profilés 4, conducteurs de l'électricité, ferromagnétiques ou non l'examen complet de la surface du produit est assuré par le déplacement axial de ce dernier, à vitesse constante, au travers des bobines : le diamètre intérieur des bobines peut varier, dans les applications usuelles, entre 5 et 100 mm.Le produit à contrôler est maintenu en position centrée, de manière aussi reproductible que possible par rapport à l'axe du bobinage,
- sondes internes 5 (figure 3) de forme généralement cylindrique, destinees au contrôle de produits tubulaires 6, conducteurs de l'électricité, ferromagnétiques ou non : l'examen complet de la surface du produit est assuré également par le déplacement axial de la sonde à vitesse constante le long et à l'intérieur du tube Le diamètre extérieur de la sonde peut varier dans les applications les plus courantes entre 10 et 50 mm. La sonde est maintenue en position centrée de manière aussi reproductible que possible par rapport à l'axe du tube.

La grande disparité des applications, combinée aux divers paramètres de réglage de la chaîne de mesure, conduit à des difficultés dans l'évaluation des performances d'un capteur pour la mise en évidence d'un défaut donné : la chaîne de mesure et le capteur constituent un ensemble indissociable pour l'utilisateur et il est difficile à l'heure actuelle de séparer efficacement l'influence de l'un par rapport à l'autre.

Cette remarque nous amène à préciser deux notions importantes pour la compréhension de l'invention - la notion de "caractérisation" destinée à apprécier les paramètres susceptibles d'affecter la réponse d'un défaut donné en séparant les contributions respectives de la chaîne de mesure et du capteur, - la notion d' "étalonnage" destinée à régler les paramètres de la chaîne de mesure associée à un capteur donné, pour pouvoir détecter un ou plusieurs défauts de référence et renseigner l'utilisateur sur l'importance et la localisation du défaut naturel décelé dans le produit contrôlé, par comparaison aux signaux engendrés par les défauts de référence.

En matière de caractérisation c'est surtout la chaîne de mesure qui fait l'objet à l'heure actuelle de développement de méthodes d'investigation : ces méthodes reposent essentiellement sur des mesures de métrologie électrique visant à préciser par exemple les critères à adopter pour la linéarité des amplificateurs, la caractérisation des bandes passantes des filtres avant et après démodulation, la précision à satisfaire au niveau de la phase, la répartition spectrale de l'onde sinusoïdale servant à l'excitation comparativement à celle donnée par le capteur associé à l'amplificateur de réception, la tenue en température de l'appareillage, son immunité aux parasites électriques de toute nature,
Ces mesures réconfortent l'utilisateur sur le bon fonctionnement de son matériel mais elles ne répondent pas vraiment au souci de la caractérisation des performances intrinsèques du capteur.

La caractérisation du capteur est beaucoup plus complexe car elle fait intervenir des problèmes d'interaction avec le matériau à tester conjugués à des modifications d'impédance d'enroulements de mesure : les travaux en cours pour surmonter ces problèmes n'ont pas débouché jusqu'à présent sur des recommandations précises dans la normalisation. Seule la modélisation des phénomènes électromagnétiques, grâce à la puissance des moyens informatiques modernes, apporte une contribution significative à la caractérisation du capteur : la notion de défaut naturel reste cependant très difficile à modéliser.

En matière d'étalonnage la pratique courante est la suivante : l'étalonnage de la chaîne de mesure et des capteurs associes est réalisé actuellement à partir de pièces de référence de même nature (matériau) et même géométrie et dimensions que les pièces à contrôler, comportant des défauts artificiels de géométrie connue, réalisés par usinage conventionnel ou par électro-érosion
- pour des pièces planes on utilise par exemple des fissures électro-érodées de profondeur 0.2, 0.5 et 1 mm débouchant en surface,
- pour des tubes, objet de contrôles aussi bien par sonde interne que par bobine encerclante suivant l'accessibilité, on utilise des trous traversant la paroi dont le diamètre est compris entre 0.5 et 3 mm et des gorges circulaires, internes et externes, de profondeurs comprises entre 5 % et 50 % de l'épaisseur, suivant la nature du tube à contrôler et les exigences imposées dans les spécifications.

Les défauts artificiels réalisés dans ces pièces de référence provoquent une perturbation dans la conduction des courants induits par les capteurs et engendrent des signaux de référence qui permettent ensuite d'apprécier, par comparaison, l'importance des défauts naturels repérés lors du contrôle. A titre d'exemple, pour des conditions précises d'étalonnage de la chaîne de mesure et avec un capteur différentiel (notion précisée cidessous), on observe pour chaque défaut, dans une représentation cartésienne de type X, Y sur l'unité de visualisation, la forme de signal symétrique de la figure 4, caractérisée par son amplitude 7 et sa phase 8 : ces deux paramètres permettent de caractériser de façon connue la position et l'importance du défaut dans la section du produit contrôlé.

L'utilisateur doit faire appel à une collection de pièces de référence, appelées communément "étalons", spécifiques de chaque nuance et de chaque géométrie et dimensions de produits contrôlés, ce qui représente les inconvénients suivants - la collection représente un investissement important, - la précision limitée d'usinage des défauts conduit à des dispersions dans les réponses des signaux de référence, - l'étalon ne résout pas le problème de l'évaluation des caractéristiques électromagnétiques propres au capteur.

On peut s'interroger en particulier sur la caractérisation de l'homogénéité du champ magnétique créé dans l'environnement du capteur par le bobinage d'excitation, sur l'étendue dans l'espace de l'influence de ce champ, sur son caractère plus ou moins directif, sur le pouvoir de résolution du capteur c'est-à-dire son aptitude à déceler de petits défauts et à les séparer, lorsqu'ils sont très proches, par leurs réponses respectives en amplitude et en phase, sur la surface minimale du défaut détectable, son orientation et sa position par rapport au capteur ....

Les "étalons" tels que définis précédemment ne permettent pas une "caractérisation" absolue puisqu'ils sont, de par nature, représentatifs d'une application spécifique : il n'existe pas actuellement d'outil unique susceptible de produire un signal de référence exploitable pour chaque famille de capteur et capable d'apprécier notamment les paramètres d'homogénéité du champ magnétique, d'étendue, de directivité et de résolution spatiale.

L'invention a pour objet de mettre à la disposition de l'utilisateur un outillage unique de caractérisation pour chaque famille de capteurs, présentant les avantages suivants - un seul outillage par famille suffit pour la caractérisation, - l'outillage permet la délivrance par la chaîne de mesure de signaux de référence, d'amplitudes et phases comparables à celles des défauts artificiels contenus dans chaque étalon classique, - les signaux de référence permettent à l'utilisateur de mettre en place des critères de réception des capteurs neufs et de suivre le vieillissement de leurs caractéristiques en service par comparaison aux critères de réception.

L'invention propose à cet effet un système pour la caractérisation d'un capteur d'un type prédéterminé pour le contrôle non destructif par courants de FOUCAULT destiné à détecter des défauts d'une nature connue dans des produits métalliques de forme connue, comportant un milieu électriquement non conducteur contenant au moins une zone électriquement conductrice, et des moyens de guidage en déplacement, adaptés à recevoir l'un quelconque d'une pluralité de capteurs de ce type connu mais de dimensions différentes et à guider un mouvement relatif entre ce capteur et cette zone électriquement conductrice selon une trajectoire relative prédéterminée telle que cette zone conductrice intercepte le champ d'influence du capteur en une portion et une portion seulement de cette trajectoire.

Selon des dispositions préférées, éventuellement combinées - cette zone électriquement conductrice comporte au moins un circuit adapté à être fermé sur lui-même et comportant au moins une spire, - cette zone électriquement conductrice est formée d'un empilement de circuits imprimés multicouches connectés en série, parallèle ou de façon mixte, - cette zone électriquement conductrice est au moins globalement plane, - les capteurs étant du type capteurs de surface, ledit milieu électriquement non conducteur a, à proximité de la zone électriquement conductrice, une surface au moins approximativement plane, et les moyens de guidage comportent une gorge de centrage en V ménagée dans un support mobile parallèlement à cette surface en ayant une orientation donnée par rapport à celle-ci, - la gorge de centrage en V a un angle d'environ 600 et le support est muni de moyens de maintien adaptés à maintenir un capteur de surface dans cette gorge, - ledit milieu électriquement non conducteur comporte une pluralité d'au moins trois zones conductrices de tailles différentes disposées sous ladite surface le long de ladite trajectoire relative, - chaque zone électriquement conductrice comporte des enroulements en court-circuit, constitués de spires concentriques parallèles à ladite surface, - chaque zone électriquement conductrice comporte des enroulements connectés à des bornes de sortie, - chaque zone est parallèle à la surface ou au contraire inclinée voire perpendiculaire à celle-ci, - le capteur est orienté perpendiculairement à la surface ou au contraire présente une inclinaison inférieure à 900, - la trajectoire du capteur intercepte la zone en son centre ou au contraire à l'écart de celui-ci, - les capteurs étant du type bobines encerclantes, ledit milieu électriquement non conducteur comporte deux cônes de centrage coaxiaux à écartement ajustable et au travers desquels sont ménagés des alésages, et la zone électriquement conductrice, d'inclinaison quelconque par rapport à l'axe des cônes, est liée à une pige non conductrice montée coulissante dans un fourreau traversant lesdits cônes à la faveur des alésages et constituant lesdits moyens de guidage, - le demi-angle au sommet vaut entre 450 et 600, - lesdits alésages sont soit dans l'axe, soit décalés par rapport à l'axe des cônes de centrage, avec une inclinaison nulle ou non par rapport à cet axe, - ce système de caractérisation comporte une pluralité de zones électriquement conductrices liées respectivement à une pluralité de piges non conductrices adaptées à coulisser dans le fourreau, - les capteurs étant du type sondes internes, le milieu électriquement non conducteur fait partie d'un bloc de préférence parallélipipédique comportant une gorge de guidage en forme de V et la zone électriquement conductrice est au moins approximativement dans un plan traversant cette gorge avec une inclinaison quelconque, - la gorge de centrage a un angle de 600 environ, - la zone électriquement conductrice est de préférence au moins approximativement perpendiculaire à la gorge de centrage, - la zone électriquement conductrice comporte des enroulements disposés de part et d'autre de la gorge en V et symétriques par rapport au plan de symétrie de la gorge, - la zone électriquement conductrice comporte un enroulement disposé sous la gorge en V ;; en variante, les enroulements peuvent être dissymétriques, voire n'être disposés que d'un côté seulement de cette gorge, - ce bloc est modulaire et comprend plusieurs zones électriquement conductrices séparées par des sous-ensembles isolants, ces zones et ces sous-ensembles étant maintenus assemblés par des tirants sensiblement parallèles à la gorge en V.

Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1A est un schema en élévation d'un capteur de surface classique, en cours d'utilisation,
- la figure 1B est une vue de dessus de ce capteur de surface en cours d'utilisation,
- la figure 2 est une vue en coupe d'une bobine encerclante classique, en configuration d'utilisation,
- la figure 3 est une vue en coupe d'un tube contenant une sonde interne classique,
- la figure 4 est la représentation graphique d'un signal typique de défaut,
- la figure 5 est un schéma de principe d'un capteur et d'un produit à contrôler,
- la figure 6 est un schéma de principe du mode différentiel de mesure,
- la figure 7 est un schéma de principe du mode absolu de mesure,
- la figure 8 est une vue de principe d'un capteur, et d'un système de caractérisation de ce capteur, conforme à l'invention,
- la figure 9A est une vue en élévation d'un tel système conforme à 1 invention pour la caractérisation d'un capteur de surface,
- la figure 9B en est une vue de dessus,
- la figure 10A en est une vue partielle avec un capteur d'un premier diamètre,
- la figure lOB en est une vue partielle avec un capteur d'un deuxième diamètre,
- la figure 11 est un schéma de la plaque de référence du système de caractérisation de la figure 9A,
- la figure 12 en est une variante de réalisation,
- la figure 13 est une vue en coupe d'un système conforme à l'invention, pour la caractérisation d'une bobine encerclante,
- la figure 14A en est une vue partielle avec une bobine,
- la figure 14B est une vue partielle avec une autre bobine,
- la figure 15A est une vue de bout d'un système pour la caractérisation de sondes internes,
- la figure 15B en est une vue de dessus,
- la figure 16A en est une vue en bout, avec une première sonde,
- la figure 16B en est une vue en bout, avec une seconde sonde,
- la figure 17 est un premier exemple de circuit de référence pour le système de caractérisation de sondes des figures 15A à 16B,
- la figure 18 en est un deuxième exemple,
- la figure 19 en est un troisième exemple,
- la figure 20 est un exemple de liaison du circuit de référence de la figure 19 à un bornier d'adaptation d'impédance,
- les figures 21A à 21D sont des exemples de signaux de référence délivrés par l'un des systèmes de caractérisation des figures 15A à 20,
- la figure 22 est un exemple de signaux de référence obtenus avec un étalon classique utilisé industriellement avec un réglage de la chaîne de mesure semblable à celui de l'un des systèmes des figures 15A à 20,
- la figure 23 est un graphique corrélant, pour diverses fréquences avec les modes obsolu ou différentiel, les amplitudes obtenues, avec le système des figures 15A et 15B, pour diverses sondes classées par tailles croissantes (de 13 à 24 mm), en provenance d'un même fabricant et repérées de façon arbitraire, et
- la figure 24 est un graphique corrélant pour ces fréquences les phases obtenues pour ces mêmes sondes.

Trois étapes sont suivies ci-dessous pour favoriser la compréhension du fonctionnement du système de caractérisation faisant l'objet de l'invention - des rappels sur le principe du contrôle par courants de
FOUCAULT, - la description du principe de fonctionnement du système de l'invention, comparé à ce principe du contrôle, - la description du système de l'invention proprement dit et des outillages propres à chaque famille ou type de capteurs
On peut assimiler le fonctionnement d'un capteur destiné au contrôle d'un produit à celui d'un transformateur (figure 5).

Le capteur schématisé en 9 comporte un enroulement assimilable au primaire du transformateur : la chaîne de mesure (non représentée à la figure 5), sur laquelle est branché ce capteur par ses bornes, est ainsi couplée à une impédance caractérisée par sa composante résistive 10, sa composante selfique due à l'enroulement proprement dit 11, et sa composante capacitive due au câble de liaison 12.

Le produit à contrôler 13, conducteur de l'électricité, est parcouru, sous l'action du champ magnétique d'excitation créé par l'enroulement 11, par des courants induits se refermant sur eux-mêmes : les trajectoires de ces courants constituent l'enroulement secondaire du transformateur dont l'impédance se caractérise également par sa composante résistive 14 et sa composante selfique 15.

L'impédance équivalente Z, vue par la chaîne de mesure, est fonction des paramètres suivants - les caractéristiques électromagnétiques de l'enroulement d'excitation primaire traduites en particulier par les valeurs de la composante résistive 10 et de la composante selfique 11, - les caractéristiques électromagnétiques du circuit secondaire, traduites en particulier par les valeurs de la composante résistive 14 et de la composante selfique 15 ces valeurs sont influencées par la géométrie du produit, sa nature et son homogénéité, - la mutuelle induction 16 entre les deux circuits dont la valeur dépend en particulier de la distance qui les sépare et de leurs caractéristiques géométriques et électromagnétiques : ce couplage constitue un élément très important dans la sensibilité du capteur.

La chaîne de mesure est généralement constituée d'un pont d'impédance pouvant fonctionner avec un capteur donné suivant deux modes - le mode différentiel, objet de la figure 6, pour lequel ce capteur est constitué de deux enroulements adjacents 19 et 20 (analogues chacun à l'enroulement 11) qui influencent deux zones voisines du produit contrôlé ; ils sont alimentés d'une manière isolée par un amplificateur d'injection 17, au travers d'un transformateur d'isolation 17A, et la mesure est assurée par un amplificateur différentiel 18, ce qui a pour effet de comparer, pendant le balayage du capteur, deux volumes voisins du produit : la présence d'un défaut dans l'un ou l'autre de ces volumes induit une différence de réponse caractéristique de la présence de l'anomalie (la distance entre les enroulements varie comme le sait l'homme de métier, avec la taille du défaut recherché), - le mode absolu, objet de la figure 7, pour lequel un seul enroulement 19 est théoriquement alimenté par rapport au potentiel de référence de l'amplificateur d'injection 17 la mesure est effectuée par l'amplificateur 18 aux bornes de cet enroulement, ce qui permet de suivre les évolutions de son impédance pendant le balayage du capteur.

Les connexions mises à la disposition de l'utilisateur pour le branchement des capteurs, combinées aux différents types de capteurs disponibles sur le marché, font que pour ce mode absolu les deux enroulements 19 et 20 peuvent être alimentés simultanément par l'amplificateur d'injection alors que seul l'enroulement 19 est relié à l'amplificateur de mesure. Deux situations sont alors possibles - les deux enroulements 19 et 20 sont alimentés par des courants tels que les champs magnétiques s'ajoutent : les flux développés sont additifs et le champ 21 résultant dans le plan de symétrie des deux enroulements est maximum, - les deux enroulements 19 et 20 sont alimentés par des courants tels que les champs magnétiques se retranchent les flux développés sont soustractifs et le champ 21 résultant dans le plan de symétrie des deux enroulements est minimum.

Seule la situation correspondant à l'additivité des flux est en pratique acceptable pour l'obtention d'un véritable signal absolu et il est particulièrement important que l'utilisateur puisse identifier simplement (de toute manière connue appropriée) ce mode de branchement pour satisfaire les exigences qui lui sont imposées.

Quel que soit le mode, absolu ou différentiel, le pont de mesure est équilibré au moyen de circuits appropriés, en zone saine du produit de référence, ce qui a pour effet de ne prendre en considération pour la mesure que la variation Z due à la modification de la trajectoire des courants induits consécutive à la présence du défaut dans le produit à contrôler.

Le système de caractérisation objet de l'invention repose sur une inversion (principe de réciprocité) entre le caractère conducteur du produit contrôlé et le caractère isolant du défaut contenu dans le produit (voir la figure 8) - le produit est remplacé par un milieu 22 non conducteur de l'électricité, - le défaut est remplacé par un pseudo-défaut constitué d'un circuit de référence 22A, conducteur de l'électricité, dont les caractéristiques électriques sont l'image de la perturbation apportée par le défaut réel.

il faut préciser ici qu'on connaît généralement la nature des défauts réels que l'on cherche à détecter dans des produits métalliques (ils sont le plus souvent de nature géométrique : fissures, piqûres ...) et que la présence de ceux-ci est décelée à partir de la variation locale de conductivité introduite par ces défauts.

Lorsque le capteur est couplé magnétiquement au matériau non conducteur constitutif du système de caractérisation 22 et qu'il n'est pas influencé par le circuit de référence, l'impédance équivalente vue par la chaîne de mesure a une valeur Z' (différente de Z) caractérisée par la composante résistive et la composante selfique du matériau non conducteur.

Lorsque la zone d'influence du capteur se déplace jusqu'à intercepter l'environnement immédiat du circuit de référence, l'impédance équivalente Z' se modifie d'une quantité dz' par suite de la variation de flux induit par le capteur dans le circuit de référence : AZ' est fonction de la composante résistive 23 et de la composante selfique 24 du circuit de référence.

Le circuit de référence comporte de préférence un (ou plusieurs) enroulement(s) et la mutuelle induction 25 entre l'enroulement d'excitation du capteur et le circuit de référence est fonction, comme dans le cas du couple produit/défaut réel de la figure 5, des paramètres électromagnétiques des deux enroulements en présence, de leurs géométries et de leurs positions relatives.

En résumé, les valeurs de la composante résistive 23 et de la composante selfique 24 du circuit de référence sont assimilables aux valeurs des composantes, résistive et selfique, de la variation de l'impédance tZ consécutive à la présence du défaut réel ; de même la mutuelle induction 25 est assimilable à la mutuelle induction 16 entre l'enroulement du capteur et le produit à contrôler de la figure 5.

Le modèle de fonctionnement équivalent à celui du transformateur est conservé et l'originalité de l'invention réside dans l'analogie (voire l'identité) de la variation d'impédance Z propre au défaut réel et de la variation d'impédance dZ' propre au circuit de référence, pour un réglage identique de la chaîne de mesure.

Les figures 9A à 12 représentent un système (ou outillage) de caractérisation de capteurs de surface qui est compatible avec un corps de capteur cylindrique de diamètre compris entre 5 et 30 mm et de hauteur libre au moins égale à 20 mm ce qui couvre la majorité des cas rencontrés industriellement : d'autres dimensions de capteurs pourraient bien sûr être caractérisées moyennant des aménagements mineurs de cet outillage.

La figure 9A présente la vue d'ensemble en élévation du système de caractérisation en l'absence de capteur monté et la figure 9B en présente la vue de dessus.

Trois parties essentielles rentrent dans la composition de cet outillage - un support de capteur 26, - une plaque de référence 28 comportant des circuits de référence dans un milieu non conducteur, - un support 27 pour cette plaque de référence.

Le support de capteur 26 est constitué d'un V de centrage de demi-angle au sommet ici égal à 300, d'orientation perpendiculaire au plan de la plaque de référence, assurant ainsi la condition classique d'orthogonalité entre l'axe du capteur à tester et la surface du circuit : une vis 29 est prévue pour rendre le capteur 30 ou 30' solidaire du support 26 quel que soit le diamètre du corps de capteur. La figure 10 représente deux exemples de mise en place du corps de capteur 30 pour deux diamètres différents.

La plaque de référence 28 est rendue solidaire du support par l'intermédiaire de deux vis 31.

Le support de capteur peut glisser manuellement le long des faces latérales du circuit de référence 28, ici le long de rails 27A, de telle sorte que l'axe du corps de capteur reste dans le plan médian de la plaque de référence, en décrivant une trajectoire repérée T.

La conception de cette plaque de référence 28 ou 28' (voir les figures 11 et 12) fait appel à la technique du circuit imprimé multicouches, comportant plusieurs enroulements conducteurs tels que ceux représentés à titre d'exemple sur les figures 11 et 12 sous les références 32 à 37.

Deux types d'enroulements sont ici considérés - des enroulements en court-circuit 32 à 34 constitués de spires concentriques intéressant une ou plusieurs couches, (voir la figure 11), - des enroulements 35 à 37 intéressant également une ou plusieurs couches et dont les extrémités sont libres, formant bornes de sortie, et permettent le branchement de composants extérieurs, du type résistif ou capacitif, pour adapter l'impédance aux valeurs imposées par l'application (voir la figure 12).

Les enroulements en court-circuit 32-34 sont adaptés aux chaînes de mesure dont la détection ne prend en compte que l'amplitude du signal de déséquilibre alors que les enroulements 35-37 avec les extrémités libres sont adaptés aux chaînes de mesure dont la détection prend en compte à la fois l'amplitude et la phase du signal de déséquilibre.

Trois enroulements ont été sélectionnés dans chaque cas pour simuler trois natures de défauts différents - les caractéristiques principales de ces enroulements sont, à titre d'exemple, comprises dans les limites suivantes
* nombre de spires compris entre 1 et 20
* largeur de pistes comprise entre 0,25 et 0,5 mm
* intervalle entre pistes compris entre 0,25 et 0,5 mm
* épaisseur de couche de cuivre dépose voisine de
35 pm.

L'adaptation d'impédance est réalisée pour chaque enroulement 35 à 37 à l'aide d'une résistance telle que 38, dont la valeur est comprise entre 0 et 50 Ohms et d'une capacité telle que 39, dont la valeur est comprise entre 30 picoFarad et 300 microFarad, ces valeurs étant fonction de l'application (seul le circuit complémentaire à l'enroulement 35 est matérialisé à la figure 12 pour des raisons de lisibilité).

En fonction de l'orientation des défauts réels à détecter, on peut prévoir une inclinaison entre les circuits 32-37 et la surface de la plaque 28. Selon des variantes non représentées, l'inclinaison du V de centrage par rapport à la plaque de référence peut être différente de 900, de même que la trajectoire T du capteur peut croiser les enroulements latéralement à l'écart de leurs centres.

Les éléments constitutifs de l'outillage sont en un matériau isolant tel que le plexiglass, pour éviter toute interaction du capteur avec des éléments conducteurs autres que ceux du circuit de référence.

Les figures 13 et 14 représentant un système de caractérisation de bobines encerclantes qui est compatible avec une gamme de diamètres intérieurs compris entre 10 et 100 mm et d'épaisseur suivant l'axe voisine de 30 mm, ce qui couvre la majorité des cas rencontrés industriellement : d'autres bobines de dimensions différentes pourraient être caractérisées moyennant des aménagements mineurs de cet outillage.

La figure 13 est la vue d'ensemble de l'outillage avec une bobine encerclante 3 adaptée à tester un produit dont l'encombrement est schématisé en 4. Trois parties essentielles rentrent dans la composition de cet outillage - deux cônes de centrage 40 coaxiaux, - un fourreau de centrage ou de guidage 41, traversant ces cônes à la faveur d'alésages en regard 40A ou 40B, ici parallèles à l'axe, - au moins une pige de contrôle 42, munie d'un circuit de référence.

Les cônes de centrage sont destinés à venir en appui sur les deux arêtes internes de la bobine 3 : les figures 14A et 14B présentent la position de principe des deux cônes engagés dans l'alésage de deux bobinages de diamètres différents 49 et 50 : le demi-angle au sommet des cônes est avantageusement adapté aux différents diamètres, à savoir ici - 450 pour les diamètres intérieurs inférieurs à 40 mm (cônes 40C de la figure 14B), - 600 pour les diamètres intérieurs compris entre 40 et 100 mm (cônes 40 des figures 13 et 14A).

Le positionnement des cônes suivant l'axe du bobinage est assuré par la mise en pression des deux bagues 44 sur des joints déformables 43 eux-mêmes en pression sur les flasques latéraux des deux cônes.

Aux figures 13 à 14B le fourreau 41 est engagé dans des alésages axiaux 40A des cônes 40 d'où pour le circuit de référence une trajectoire T' selon l'axe des cônes.

Pour les diamètres intérieurs de bobine encerclantes compatibles, le fourreau 42 (ou un deuxième fourreau de guidage) peut être mis en place dans une position désaxée en exploitant deux alésages tel que 40B, de manière à permettre la caractérisation du bobinage suivant plusieurs positions angulaires réparties sur la circonférence.

En variante non représentée, pour certaines applications on peut prévoir des alésages pour le fourreau qui sont inclinés par rapport à l'axe.

La pige de contrôle 42, dont le diamètre est par exemple voisin de 8 mm, coulisse manuellement à l'intérieur du fourreau de centrage. Un circuit de référence 47 dont la conception fait comme précédemment appel à des pistes de circuit imprimé multicouches, est placé à une extrémité de la pige de contrôle et relié par un câble coaxial 48 à des composants résistif 45 et selfique 46 reportés dans un boîtier à l'autre extrémité, pour assurer l'adaptation d'impédance.

Trois pièces de référence différentes au bout de leurs piges respectives sont par exemple prévues pour simuler, comme dans le cas des capteurs de surface, trois défauts caractérisés par des amplitudes 7 et phases 8 différentes données figure 4. Les circuits de référence de ces trois piges sont ici dans des plans perpendiculaires à l'axe du bobinage (mais peuvent, en variante, avoir une orientation qui est fonction de l'application particulière visée, et comportent des enroulements qui diffèrent l'un de l'autre par leur nombre de spires et leur adaptation d'impédance).

Tous les éléments constitutifs de l'outillage, à l'exception des circuits de référence, sont comme dans le cas précédent, réalisés dans un matériau isolant tel que le plexiglass, pour éviter toute interférence parasite induite avec le champ du bobinage à caractériser.

Les valeurs de résistance 45 et de capacité 46 nécessaires à l'adaptation d'impédance sont du même ordre de grandeur que celles préconisées précédemment pour les capteurs de surface.

Ainsi que cela est représenté aux figures 15A et 15B, l'outillage de caractérisation réalisé pour les sondes internes est constitué d'un bloc parallélépipédique 51 dans lequel on a aménagé une gorge longitudinale 52 en forme de V, de demi-angle au sommet 300.

Le bloc est ici modulaire constitué en réalité de quatre sous-ensembles isolants assemblés entre eux par des tirants 53 les traversant de part en part : ces tirants assurent le positionnement de trois circuits de référence 54, 55 et 56 d'épaisseur croissante pris en sandwich entre les sous-ensembles, et ici disposés à 900 par rapport à la gorge.

La profondeur de la gorge en forme de V est voisine de 50 mm, ce qui, pour l'angle au sommet choisi, couvre la gamme des diamètres de sondes compris entre 10 et 50 mm les plus utilisés industriellement : des aménagements mineurs permettraient de couvrir une gamme plus étendue.

La gorge en forme de V 52 constitue une référence de position pour les sondes : les figures 16A et 16B représentent le principe de positionnement de deux sondes 57 et 58 de diamètre différent sur le même bloc 51.

Le corps cylindrique de la sonde est maintenu manuellement en pression dans la gorge et le guidage selon la trajectoire T" est assuré, au cours du déplacement axial, par les deux faces du V en contact avec deux génératrices du cylindre constituant la sonde.

Les circuits de référence 54, 55 et 56 sont comme précédemment, réalisés à partir de circuits imprimés multicouches dont le plan des pistes est ici perpen diculaire à la direction générale de la gorge en V 52.

Les pistes ont une largeur comprise entre 0,25 mm et 0,5 mm et sont espacées entre elles de 0,25 mm à 0,5 mm : des exemples d'enroulements sont donnés sur les figures 17, 18 et 19 : les enroulements globalement triangulaires 60A et 60B, 61A et 61B des figures 17 et 18 sont disposés de part et d'autre de la gorge en V, symétriquement par rapport au plan de symétrie P de la gorge, et placés dans l'environnement immédiat du champ magnétique d'excitation de la sonde, alors que l'enroulement 62 de la figure 19 (ou 20)est placé sous la gorge à distance plus éloignée.

En variante non représentée, les circuits peuvent être formés d'enroulements dissymétriques, voire situés d'un seul côté de la gorge.

La combinaison de la mise en série ou en parallèle de ces enroulements est rendue possible par un repérage des entrées et sorties de chaque enroulement, ce qui permet de faire varier la self et la résistance du circuit résultant : la figure 20 présente le bornier des entrées et sorties, et la possibilité de branchement de composants supplémentaires 59 et 60 pour parfaire l'adaptation d'impédance aux conditions requises par l'application.

Les valeurs de résistance 59 et capacité 60 nécessaires à l'adaptation d'impédance sont du même ordre de grandeur que celles préconisées précédemment.

L'empilage de plusieurs circuits imprimés entre deux sous-ensembles de guidage, permet de faire varier également l'étendue du "défaut équivalent" suivant l'axe de la gorge en V, autorisant ainsi la caractérisation de la résolution spatiale de la sonde suivant cette direction.

En variante non représentée, la direction générale de la gorge 52 peut être choisie avec une inclinaison différente de 900 par rapport au plan des pistes.

A titre d'exemple, les figure 21A à 21D présentent les signaux de défauts obtenus à partir de quatre enroulements de référence différents - figure 21A : longueur suivant l'axe : 2 mm, diamètre moyen : 75 mm, nombre de spires : 14, - figures 21B et 21C : deux enroulements de même longueur suivant l'axe : 5 mm et même nombre de spires : 35 mais de diamètres moyens différents 60 et 75 mm, - figure 21D : longueur suivant l'axe : 30 mm, diamètre moyen : 75 mm, nombre de spires : 210.

Par comparaison à ces résultats la figure 22 présente les signaux recueillis à partir d'un tube "étalon" classique en laiton de diamètre extérieur 16 mm et d'épaisseur 1 mm, comportant trois gorges circulaires externes de profondeur respective 10%, 25% et 50% de l'épaisseur.

Le système de l'invention permet, pour la première fois, de caractériser chaque famille de capteur d'une manière indépendante du matériau et des dimensions du produit contrôlé.

Si l'équilibrage en zone saine du produit à contrôler reste un élément de réglage indispensable pour la chaîne de mesure, il est cependant possible à l'aide du système, une fois ce réglage effectué, de définir un niveau de sensibilité adapté à l'application, de manière à obtenir un réglage d'amplitude 7 et de phase 8 pour un ou plusieurs enroulements de référence, conforme à des valeurs prescrites.

L'utilisateur peut ainsi consigner pour chaque application les paramètres de réglage et les réponses obtenues sur les enroulements du système de référence : il n'y a plus à s'équiper d'une famille "d'étalons" et les chaînes informatiques lui permettent d'archiver directement ces paramètres, les réponses correspondantes et de s'y reporter en permanence.

Parallèlement, comme dans le cas de "étalon", l'utilisateur peut comparer les réponses obtenues à un instant donné par le système, à celles notées lors de l'acquisition du capteur, à la différence importante près, qu'il n'a plus besoin que d'un seul outillage par famille.

A titre d'exemple, les figures 23 et 24 présentent la réponse obtenue avec un même circuit de référence présentant une longueur suivant l'axe de 2 mm, un diamètre moyen de 75 mm et comportant 14 spires, pour plusieurs sondes de diamètres différents compris entre 13 et 24 mm et pour trois conditions d'excitation différentes correspondant aux trois fréquences 5 kHz, 10 kHz et 20 kHz, en mode absolu ou en mode différentiel - la figure 23 présente l'amplitude en volts pour diverses sondes (repérées par des références arbitraires) classées par diamètres croissants, - la figure 24 présente la phase en degrés pour ces diverses sondes classées par diamètres croissants.

Ces résultats confirment la possibilité d'obtention de signaux de référence significatifs, à partir d'un même outillage de caractérisation et pour plusieurs capteurs d'une même famille et des conditions d'excitation différentes (au niveau de la fréquence en particulier).

Chaque outillage est conçu de telle sorte qu'un repérage précis de position du capteur soit assuré aussi bien par rapport à la surface balayée que par rapport à la position des enroulements de référence, garanti par - l'adoption de gorges de centrage en V 26 et 52, aussi bien pour les capteurs de surface que pour les sondes, et de cônes 40 pour les bobines, - la mise en place d'une règle graduée (non représentée), aussi bien sur le support de capteur 27 que le bloc parallélépipédique 51 ou les piges de contrôle 42.

Cette souplesse autorise une définition précise de la résolution spatiale de chaque capteur, chaque outillage se comportant comme un instrument métrologique il est en particulier plus facile de noter une éventuelle hétérogénéité de répartition du champ magnétique créé par le capteur en comparant les réponses pour plusieurs positions angulaires de ces derniers à l'intérieur du V de centrage 26 et 52, ou de la pige de contrôle 42 à l'intérieur de son fourreau 41. On peut aussi prévenir d'éventuelles usures des corps de capteurs en utilisation ou toute dérive par rapport aux valeurs initiales au moment de l'achat.

Le caractère additif ou soustractif des flux engendrés par les deux enroulements constitutifs des bobines ou sondes différentielles utilisées en mode absolu (figure 7), peut être apprécié simplement en branchant un oscilloscope aux bornes de l'enroulement du circuit de référence.

La phase caractéristique du signal de référence, ou le déphasage entre deux signaux, peut être apprécié d'une manière plus précise en choisissant des circuits de référence tels que celui décrit en figure 21a, caractérisé par une signature parfaitement linéaire en fonction du balayage.

L'utilisation de circuits imprimés en couches minces (connectés en série, en parallèle ou de façon mixte, selon les besoins) pour la fabrication des enroulements de référence, associée à l'emploi de composants 38, 39, 45, 46, 59, 60 nécessaires à l'adaptation d'impédance, apporte une fiabilité accrue dans la réponse des signaux d'étalonnage de la chaîne de mesure, le concepteur pouvant disposer d'un moyen de réglage (nombre exact de circuits empilés) aussi bien au niveau de l'amplitude 7 que de la phase 8 du signal, condition beaucoup plus aléatoire à satisfaire avec un défaut artificiel usiné dans un étalon classique.

En résumé les outillages proposés dans le cadre de cette invention peuvent être considérés comme des moyens métrologiques nouveaux pour la caractérisation des capteurs à courants de FOUCAULT, ouvrant la porte à des mesures inaccessibles jusqu'à présent avec des "étalons" conventionnels.

On appréciera que le dispositif selon l'invention intègre diverses caractéristiques originales en soi, notamment - le principe de réciprocité suivant lequel un capteur à courants de FOUCAULT couplé à un produit conducteur de l'électricité, ferromagnétique ou non, conduit, sous certaines conditions, à une réponse identique de la chaîne de mesure, lorsqu'il est couplé à un matériau isolant contenant un circuit fermé, conducteur de l'électricité et de caractéristiques bien définies - les caractéristiques électriques et géométriques du "circuit fermé" dit "de référence'' à savoir
nature conductrice, forme, géométrie, orienta
tion et position par rapport au champ magnéti
que induit par le capteur,
conception à partir de circuits imprimés,
simple ou multicouches, comportant des dépôts
de cuivre sous forme de disques, de spires
concentriques et de pistes constitutives
d'enroulements,
largeur des pistes, positions relatives,
nombres de spires.

- les valeurs des composantes résistives et réactives 38, 39, 45, 46, 59, 60, nécessaires à l'adaptation d'impédance des circuits de référence aux trois familles d'outillage, pour l'obtention de signaux de référence compatibles avec chaque application.

- les caractéristiques mécaniques de conception de chaque outillage pour assurer le positionnement précis des circuits de référence 32, 33, 34, 35, 36, 37, 47, 54, 55, 56 par rapport aux capteurs à analyser 1, 3, 5, 30, 49, 50, garantis en particulier par
les gorges de centrage en V 26, 52 pour les
capteurs de surface 1, 30 et les sondes 5, 57,
58,
les cônes 40 pour les bobines encerclantes 3,
49, 50.

il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Système pour la caractérisation d'un capteur d'un type prédéterminé (1, 3, 5) pour le contrôle non destructif par courants de FOUCAULT destiné à détecter des défauts d'une nature connue dans des produits métalliques de forme connue, comportant un milieu électriquement non conducteur (28 ; 40, 41 ; 51) contenant au moins une zone électriquement conductrice (32-37 ; 47 ; 54-56), et des moyens électriquement non conducteurs (26, 41, 52) de guidage en déplacement, adaptés à recevoir l'un quelconque d'une pluralité de capteurs de ce type connu mais de dimensions différentes et à guider un mouvement relatif entre ce capteur et cette zone électriquement conductrice selon une trajectoire relative prédéterminée (T, T', T") telle que cette zone conductrice intercepte le champ d'influence du capteur en une portion et une portion seulement de cette trajectoire.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette zone électriquement conductrice (32-37, 47, 54-56) comporte au moins un circuit adapté à être fermé sur lui-même et comportant au moins une spire.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette zone électriquement conductrice est formée d'un empilement de circuits imprimés multicouches.

4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que cette zone électriquement conductrice est au moins globalement plane.

5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les capteurs étant du type capteurs de surface (1, 30, 30'), ledit milieu électriquement non conducteur (28) a, à proximité de la zone électriquement conductrice (35, 36, 37), une surface au moins approximativement plane, et les moyens de guidage comportent une gorge de centrage en V ménagée dans un support (26) mobile parallèlement à cette surface en ayant une orientation donnée par rapport à celle-ci.

6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la gorge de centrage en V a un angle d'environ 600 et le support (26) est muni de moyens de maintien (29) adaptés à maintenir un capteur de surface (30) dans cette gorge.

7. Système selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ledit milieu électriquement non conducteur comporte une pluralité d'au moins trois zones conductrices de tailles différentes disposées sous ladite surface le long de ladite trajectoire relative.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chaque zone électriquement conductrice (32-34) comporte des enroulements en court-circuit, constitués de spires concentriques parallèles à ladite surface.

9. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chaque zone électriquement conductrice (35-37) comporte des enroulements connectés à des bornes de sortie.

10. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que chaque zone électriquement conductrice (32-37) est parallèle à la surface du milieu électriquement non conducteur (28) et est traversée en son milieu par rapport la trajectoire (T), et la gorge de maintien est perpendiculaire à cette surface.

11. Système, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les capteurs étant du type bobines encerclantes (3, 49, 50), ledit milieu électriquement non conducteur comporte deux cônes de centrage coaxiaux (40) à écartement ajustable et au travers desquels sont ménagés des alésages (40A, 40B), et la zone électriquement conductrice (47) est liée à une pige non conductrice (42) montée coulissante dans un fourreau (41) traversant lesdits cônes à la faveur des alésages et constituant lesdits moyens de guidage.

12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet vaut entre 450 et 600.

13. Système selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits alésages (40B) sont décalés par rapport à l'axe des cônes de centrage.

14. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de zones électriquement conductrices liées respectivement à une pluralité de piges non conductrices adaptées à coulisser dans le fourreau.

15. Système selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 14, caractérisé en ce que chaque zone électriquement conductrice (47) est perpendiculaire à la pige non conductrice (42) dont elle est solidaire.

16. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les capteurs étant du type sondes internes (5, 57, 58), le milieu électriquement non conducteur fait partie d'un bloc (51) comportant une gorge de guidage (52) en V et la zone électriquement conductrice (54-56) est au moins approximativement dans un plan traversant cette gorge.

17. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que la gorge de centrage a un angle de 600 environ.

18. Système selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisé en ce que la zone électriquement conductrice (54-56) est au moins approximativement perpendiculaire à la gorge de centrage.

19. Système selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que la zone électriquement conductrice (54-56) comporte des enroulements (60A, 60B, 61A, 61B) disposés au moins d'un côté de la gorge en V.

V et symétriques par rapport au plan de symétrie (P) de la gorge.

20 Système selon la revendication 19, caractérisé en ce que chaque zone électriquement conductrice comporte des enroulements de part et d'autre de la gorge en

21. Système selon l'une quelconque des revendications 16 à 20, caractérisé en ce que la zone électriquement conductrice comporte un enroulement (62) disposé sous la gorge en V.

22. Système selon l'une quelconque des revendications 16 à 21, caractérisé en ce qu'il est modulaire et comporte plusieurs zones électriquement conductrices séparées par des sous-ensembles isolants, ces zones et ces sous-ensembles étant maintenus assemblés par des tirants (53) sensiblement parallèles à la gorge en V.