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COURANT DE FOUCAULT

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Courants de Foucault

Courants étudiés par le physicien français LéonFoucault, apparaissant dans la masse de tout matériauconducteur en mouvement dans un champ magnétique,ou dans tout matériau conducteur placé dans un champmagnétique variable.

J.B. Léon Foucault (1819-1868)

Les lignes de ces courants sont ferméessur elles-mêmes : on parle de bouclesde courants. Les courants de Foucaults’expliquent par le phénomène d’induc-tion électromagnétique.En anglais, on parle d’ «eddy current ».

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Introduction• Méthode de contrôle qui consiste à provoquer, grâce à un

champ magnétique variable, la circulation d'un courantélectrique à la surface d'un matériau conducteur.

• Ces courants de surface, appelés courants de Foucault,décrivent des boucles concentriques autour de l'élémentinducteur (la sonde).

• Toutes variations affectant l'efficacité de l'induction électroma-gnétique ou la circulation des courants de surface entraînentune variation de l’impédance apparente de la sonde.

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Principes physiques

Induction électromagnétique

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Le passage d’un courant dans un solénoïde produit un flux magnétique proportionnel

Flux magnétique

FMM Nt I t

: Flux magnétique (Wb)FMM: Force magnétomotrice (At): Réluctance du circuit

magnétique (At/Wb)N: Nombre de tours du solénoïdeI: Courant en ampères (A)

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Loi de Faraday

d tE t N

dt

E: Tension induite en volts (V)N: Nombre de spires: Flux magnétique en webers (Wb)

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Inductance

2NLdttIdLtE

dttdNtE

tINtoù

I(t) E(t): Flux magnétique (Wb)N: Nombre de tours de filÂ: Réluctance du circuit magnétique (At/Wb)I: Courant électrique (A)E: Différence de potentiel (V)L: Inductance (H)

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Inductance mutuelle

Lorsque le flux produit par une bobine est partiellement intercepté par unedeuxième bobine, une tension apparaît à ses bornes

dttIdMtE 1

2

M: Inductance mutuelle (H)Dépend de N1, N2 et du couplage

magnétique entre les deux bobines

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Flux secondaireLorsqu'un courant circule dans la deuxième bobine, cecourant produit son propre flux magnétique qui estpartiellement intercepté par la première bobine.

Selon la loi de Lenz, le sens de ce courant fait en sorteque le flux secondaire s'oppose au flux primaire.

1 21

secondaireprimain ee rt

d I d IE L Mdt dt

Heinrich Lenz (1804-1865)

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Principes physiques

Impédance électrique des sondes à courants de Foucault

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Génération des courants

À l’intérieur de la sonde, se trouve un solénoïde.Lorsque ce solénoïde est parcouru par un courantalternatif, il génère un flux primaire alternatif.

Lorsqu’un matériau conducteur est exposé à uneportion de ce flux magnétique alternatif, desgradients de potentiel y sont induits. L'amplitudede ces gradients est directement proportionnelle àl'intensité du flux intercepté.

Ces gradients provoquent la circulation de chargesélectriques (des courants électriques) à la surfacedu conducteur. L'intensité de ces courants estaffectée par la résistivité électrique du matériau.Ces courants sont, en fait, des courants deFoucault.

1I

2J

J2: densité de courant (A/m2)

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Tension induite dans la sonde

En circulant, les courants de Foucaultproduisent leur propre flux magnétique (fluxsecondaire).

Selon la loi de Lenz, le flux secondaires’oppose au flux primaire.

La tension induite dans la sonde estproportionnelle à l'intensité du flux net passantau travers de la bobine de cette sonde.

1I

2J

tttdttdNtE

secondaireprimairenet

net

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Impédance de la sonde

• L’impédance d’une charge est la mesure de son opposition aupassage d’un courant alternatif

• Est exprimée en ohms (symbole )• De façon générale, l’impédance d’une charge est définie par:

EZI

Z: Impédance en ohms (Ω)E: Tension aux bornes en volts (V)I: Courant en ampères (A)

ZI E

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RIEZ

tIRtE

R

Donc

:ohmd' Loi

Résistance

Courant en phase avec la tension

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90tsinILtE

tsinItI

m

m

alors

, Si

Inductance

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Tension en avance de 90° sur le courant

dttIdLtE

LL XLtItE

Z

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, si tsinItI m

Impédance équivalente

RXtantsinIXR

tsinIXtsinIRtE

LmL

mLm

122

90

Tension en avance sur lecourant d'un angle

RXtan L1

22LXR

tItE

Z

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Composantes en quadrature

R

XLZ

2 2

1tan

L

L

Z R X

XR

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Impédance d'une sonde

Quand une sonde est loin de tout matériau conducteur,elle se comporte comme une simple inductance.

• le flux secondaire réduit le flux net et donc laréactance inductive de la sonde

• La circulation des courants de Foucault entraînedes pertes Joule dans la pièce inspectée. Cespertes sont représentées par l'apparition d'unecomposante résistive (Réq) dans l'impédanceéquivalente de la sonde

1I

2J

22

21

222

1

IRdVJP éqVJoule

Quand une sonde est à proximitéd'un matériau conducteur,

netINL

1

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Plan d'impédance complexe

= 0• Aucun courant de Foucault• net = 0 (L = L0)• Aucune perte de Joule (Réq = 0)

= ¥• secondaire = primaire• net = 0 (L = 0)• Aucune perte de Joule (Réq = 0)

0 < < ¥• secondaire croît avec l'accroissement de net décroît

• L décroît avec l'accroissement de •

* Matériau non magnétique et couplage de 100%

21IPR Jouleéq

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Principes physiques

Effet pelliculaire

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Effet pelliculaire (Effet de peau)

Phénomène de concentration des courants de Foucault à la surface du conducteur inspecté.

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1.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

(0.37)

Flux magnétique

z

Pro

fond

eur

Densité des courants 0JzJ

Profondeur de pénétration

J: Densité de courant (A/m2): Profondeur de pénétration standard (m): Perméabilité magnétique (H/m): Conductivité électrique (·m)-1

f: Fréquence (Hz)

f

ztsineJzJ z

10

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Pénétration standardPr

ofon

deur

Prof

onde

urPénétration standard

(Skin Depth)

Haute fréquenceGrande perméabilité

Faible résistivité

Basse fréquenceFaible perméabilitéGrande résistivité

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Pénétration standard

Métal r (mm)

% IACS x 106 (·m)-1 10 kHz 100 kHz 1 MHz

Cuivre 100 58.1 1 0.66 0.21 0.066

Al 6061-T6 42 24.4 1 1.02 0.32 0.102

Al 7075-T6 32 18.6 1 1.17 0.37 0.117

Nickel 19.8 11.5 600 0.060 0.019 0.006

Fer 17.8 10.4 5000 0.022 0.007 0.002

Plomb 7.8 4.53 1 2.36 0.75 0.236

SS304 2.5 1.45 1.02 4.14 1.31 0.414

Ti-6Al-4V 1.0 0.58 1 6.61 2.09 0.661

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Pénétration standardP

énét

ratio

n st

anda

rd (m

m)

10 100 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M

Fréquence (Hz)

logfloglog21

21

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z

Pro

fond

eur

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Retard de phase

0 sin

1801

zJ z J e t zzz

, radians

radian

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Résumé

• Courants en boucles concentriquesfermées

• Circulent dans un plan perpendiculaireà l’axe principal de la bobine(± parallèle à la surface de la pièce)

• Se concentrent à la surface de la pièce(effet pelliculaire). La profondeur depénétration est déterminée par lafréquence du courant de même quepar la conductivité et la perméabilitédu matériau.

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Applications

Détection et mesures

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Applications diverses

• Portique de détection dans les aéroports• Détecteur de métaux utilisé, entre autre, dans le

déminage• Four à induction• Moteur électrique à champ tournant• Système de freinage électrique

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Applications

• Mesure de la conductivité électrique et de la perméa-bilité magnétique d'un matériau

Identification d'un alliage Évaluation d'un traitement thermique Détection de surchauffes locales Évaluation d'un traitement superficiel

• Mesure de l'épaisseur d'une paroi mince (< 3) Détection et évaluation de surface corrodée

• Mesure de l'épaisseur d'un revêtement non conduc-teur

• Détection et caractérisation de fissures

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Conductivité

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Système de mesure

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Traitement d’alliages

Le traitement thermique d’alliages métalliques ou le travail à froidde ces mêmes alliages permet d’obtenir des gains en résistance eten dureté. L’intensité d’un tel traitement peut être vérifiée parcourants de Foucault.

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Recuit: les éléments d’alliage forment desprécipités grossiers, en dehors de la solutionsolide. Bonne conductivité.Trempe: les éléments d’alliage en solutiondans la matrice distorsionnent lamicrostructure et y introduisent descontraintes. Conductivité réduite.Travail à froid: la déformation plastique del’alliage s’accompagne de dislocations quiréduisent la conductivité de l’alliage.

0

T42

T861

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Perméabilité magnétique

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Applications

• Mesure de la conductivité électrique et de la perméa-bilité magnétique d'un matériau

Identification d'un alliage Évaluation d'un traitement thermique Détection de surchauffes locales Évaluation d'un traitement superficiel

• Mesure de l'épaisseur d'une paroi mince (< 3) Détection et évaluation de surface corrodée

• Mesure de l'épaisseur d'un revêtement non conduc-teur

• Détection et caractérisation de fissures

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Amincissement d'une paroi

• Plus la pièce inspectée est mince, plus la conduction y estdifficile réduction de l'intensité des courants deFoucault

• Cette réduction des courants de Foucault réduit le fluxsecondaire et, par le fait même, affecte l'impédance de lasonde

Courants deFoucault

Fluxmagnétique

Pièceinspectée

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Applications en aéronautique

Corrosion exfoliante(desquamation)

Érosion d'une pale

Évaluation des pertes de matériel en service

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Autres domainesÉvaluation des pertes de matériel en service

Corrosion et érosion de la tubulure dans les centrales nucléaires et les usines pétrochimi-ques

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Système de mesureSignaux produits

par divers niveaux de corrosion

SondeTube endommagé

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Applications

• Mesure de la conductivité électrique et de la perméa-bilité magnétique d'un matériau

Identification d'un alliage Évaluation d'un traitement thermique Détection de surchauffes locales Évaluation d'un traitement superficiel

• Mesure de l'épaisseur d'une paroi mince (< 3) Détection et évaluation de surface corrodée

• Mesure de l'épaisseur d'un revêtement non conduc-teur

• Détection et caractérisation de fissures

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Retrait

Distance de retrait

NDT Resource Center

Affecte l'intensité du flux magnétique intercepté par la pièce

* Matériau non magnétique

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Revêtements non conducteurs

• Plus le revêtement est épais, plus faible est l'intensité descourants de Foucault

• Cette réduction des courants de Foucault réduit le fluxsecondaire et, par le fait même, affecte l'impédance de la sonde

• Cette méthode de mesure permet des précisions de l'ordre de± 10 μm (< 0.001")

Substratconducteur

Revêtement non conducteurs

Courants deFoucault

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Épaisseur d'une peinture

Épaisseur de peinture croissante

8 différentes épaisseurs de pein-ture sur un panneau d'aluminium(fuselage d'un avion).

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Système de mesure

Positector (DeFelsko)

Sonde à pression constante, n’égratigne pas la surface

Port Infrarouge

Port série

Affichage cristaux liquides

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Autres causes de retrait

• Surface rugueuse ou irrégulière• Sonde manipulée incorrectement• Pression inégale sur la sonde• Contamination de surface

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Applications

• Mesure de la conductivité électrique et de la perméa-bilité magnétique d'un matériau

Identification d'un alliage Évaluation d'un traitement thermique Détection de surchauffes locales Évaluation d'un traitement superficiel

• Mesure de l'épaisseur d'une paroi mince (< 3) Détection et évaluation de surface corrodée

• Mesure de l'épaisseur d'un revêtement non conduc-teur

• Détection et caractérisation de fissures

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Effet d’un défaut

Flux magnétique principal

Courants de Foucault

Défaut

Flux magnétique secondaire

• Obstacle au passage des courants de Foucault• Diminution de l’intensité des courants• Impact sur l’impédance électrique de la sonde

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Type et orientation du défaut

Sonde de surface

SpécimenFissure

Dis

tanc

e de

la

surfa

ce

Porosité

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Orientation d’une fissure

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Variation d'impédance

NDT Resource Center

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Type de fissure

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Sonde en réflexion

Un solénoïde est utilisé pour générer les courants de Foucault alors qu’un second détecte le flux net.

• Aussi appelé configuration "driver/pickup".• Le solénoïde d’excitation, de grand diamètre, est conçu pour

produire un flux intense et uniforme.• Le solénoïde de détection, beaucoup plus petit en diamètre,

permet une résolution plus fine et une sensibilité plus élevée.

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Sonde absolue

Temps

Impé

danc

e

Réac

tanc

e

Résistance

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Sonde différentielle

Temps

Impé

danc

e

Réac

tanc

e

Résistance

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Sonde différentielle

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Comparaison

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Effet de bord

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Inspection manuelle

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Dispositif de guidage

Inspection du talon d'une roue d'avion

Disque de turbine à pied en sapin

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Sonde rotative

Affichage en cascade des signauxobtenus

Chaque ligne horizontalereprésente une rotation de lasonde

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Équipement

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Systèmes portatifs

Nortec 2000D

GE Locator 2s

Zetec MIZ-21B

Affichage des variations del'impédance complexe de lasonde sur un écran à cristauxliquides

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Systèmes portatifs

Possibilité de branchement avec des équipements tels un ordinateur ou une imprimante

• Stockage de l'information• Traitement et analyse des

résultats

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Systèmes automatisés

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Manuel vs Automatisation

Automatisation• Non portatif• Dispendieux• Indépendant de l'opérateur• Balayage de surfaces com-

plexes• Programmation des trajec-

toires de balayage requise• Plus grande sensibilité• Plus grande fiabilité

Manuel• Portatif• Peu coûteux• Dépend de l'habilité de

l'opérateur• Restreint au balayage de

surfaces simples

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Sondes de surface

Balayage manuel

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Sondes pour trous d'assemblage

• Sondes dont le diamètre externe s'adapte (de façon limitée) audiamètre interne du trou

• Utilisées pour la détection de fissures de fatigue

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Sondes encerclantes• Bobines qui encerclent la pièce à inspecter• Utilisées sur des barres et des tiges cylindriques de même que sur des

tubes

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Sonde miniaturisée

sonde

Accès à des surfaces confinées

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Sondes utilisées chez P&WC

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Sélection d'une sonde

• Type (absolue/différentielle, simple/double)• Géométrie (de surface, encerclante, interne pour trous et tubes,

…)• Dimension (plus le diamètre est grand, meilleure est la

pénétration mais plus faible est la résolution + problèmes destabilité sur surfaces courbes)

• Fréquence nominale (affecte la pénétration et la sensibilité de lasonde). Possibilité de multi-fréquences

• Interface avec le système (connecteur, adaptation d'impédance,…)

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Échantillons de référence

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Avantages

• Sensible à de petites fissures ou autres petits défauts• Détecte les défauts de surface et près de la surface• L'inspection donne des résultats immédiat (peu ou pas de

préparation)• Équipement portatif (avec quelques limitations)• Permet, en plus de la détection de défauts, d'évaluer

l'épaisseur, la conductivité électrique et la perméabilitémagnétique d'un matériau

• Possibilité d'effectuer des mesures sans contact• Possibilité d'inspecter des surfaces difficilement accessibles

(trous filetés ou non, tubes, …)

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Limitations

• Restreint aux matériaux conducteurs• Les surfaces doivent être accessibles à la sonde• Requiert une plus grande habilité/expérience de l'opérateur

(mesure et interprétation des résultats)• Le fini de surface (rugosité) peut affecter les résultats de mesure• Des échantillons de référence doivent être utilisés pour

étalonner le système• La profondeur de pénétration est limitée• Certains défauts sont difficilement détectables (délaminations

parallèles à la surface, …)

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