CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

31
CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT Cours Auteur de la Ressource Pédagogique G. PEIX 3, 4 et 5 GMC Année de création : 1989

Transcript of CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

Page 1: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

Cours

Auteur de la Ressource PédagogiqueG. PEIX

3, 4 et 5 GMC

Année de création : 1989

Page 2: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

I .N.S.A. de Lyon

Génie Mécanique Construction

CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR COURANTS DE FOUCAULT

AN EXAMFLS 0F MAFPING i:;SIDE 0F A TU3E .7ITH CRACKS AND HOLZ3

G i L l e s PEIXLaboratoire d'Etude des Matériaux

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 3: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-2-

PRINCIPES PHYSIQUES DU CONTROLE PAR COURANTS DE FOUCAULT

I - Place des C.F. parmi Les méthodes de C.N.D.

L'avantage des contrôles par courants de Foucault réside dans la

possibilité de tester à grande vitesse les pièces qui présentent une

forme simple.

Le contrôle par C.F. est applicable sur tout matériau conducteur.

II est très fréquemment utilisé dans le cas de tubes, barres, profilés —

II connaît, à l fheure actuelle, un développement important.

Il ne se prête qu'au contrôle de la zone "proche" de la surface.

A) EElQElEÊ général

Fig-,1. Contrôle d'une barre à l'aide descourants de Foucault

a) Bobine parcourue par un courant alternatif (fréquence ajustable) ;

b) Pièce à contrôler placée dans l'excitation magnétique de la bobine.Un champ magnétique prend naissance dans la pièce ;

c) Naissance de courants induits dans la pièce qui devient une bobinefictive.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 4: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-3-

L'ensemble de La bobine excitatrice et du barreau est équivalent

électriquement à une impédance z (résistance + inductance). Si le barreau

est parfait, z ne varie pas lorsque la bobine se déplace.

Par eontre, toute zone présentant une anomalie provoque, lors de

son passage dans le bobinage, une modification de la répartition du champ

magnétique ou (et) des courants de Foucault. Ainsi, toute variation locale

des propriétés électriquts (eonduetivité a), magnétiques (perméabilité y)

ou géométriques (dimension, hétérogénéités...) modifie l'impédance z lue

aux bornes de li bobin© primaire,

B) AEBl,i£ât 2pl industr2|].];es

Les courants induits alternatifs qui prennent naissance dans la

pièce sont assez intenses en surface. Leur intensité décroît en profondeur.

Ce type de contrôle révèle les hétérogénéités proches de la surface

(quelques mm). Applications :

, défectoscopie,

» tri de nuances (composition, structure...),

. mesure d'épaisseur (d'une plaque métallique, d'un trai-

tement superficiel, d'une couche isolante sur un matériau

conducteur, d'une distance entre bobine et pièce — ).

II - Equation de propagation dans un milieu parfait et conducteur

Equations de Maxwell

div b * P div B =? 0

™tî--if ™ts.-j*|floi d'Ohm————~- _^ _^

J = aE

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 5: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-4-

On fait les hypothèses suivantes :

a) matériau parfait B = yH

D = et

e, y et a constants au sein du matériau.

->b) milieu conducteur : Le courant de déplacement -r— est petit

-> > ^ dt

devant J. On a donc rot H = J

E et D champ et excitation électriques (V.m"1 et C.m"2)

H et B excitation et champ magnétiques (AvnfT1 et T)

e et y permittivité et perméabilité (F.m""1 et K.m""1)

a conductivité (^"1.m""1 ou S.m"1)

p charge volumique (C.m~3)

J densité du courant (A.m"2)

On a : rot B = y rot H

= y J->

= yaE

rot rot B = ya rot E

^ C^Ddonc rot rot B = - ya —ro.t

L'analyse vectorielle nous donne :

rot rot B = grad (div B) - AB

avec div B = 0^ £\D

Finalement AB = ya T-T-o t

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 6: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-5-

Si te champ magnétique e$t une fonction sinusoïdale du temps :

B F BO ej ^ , on obtient L'équation différentielle complexe :

II «. j yaga B " Q

a) f§t la pul$ation ; pu = ZTTV (v §n Hz).

En poiant k - / yoo) on obtitnt l'équation générait de propagation

d fMn 6hamp iinusplcl^l dans un milieu conducteur

J.I.-..J1 )>i - /•) —J*'

AB « j k2 B »P 0

Pour chaque géométrie particulière (forme de la pièce, forme de la

bobina induotriqe) on obtient le champ t en développant cette équation et

en l'intégrant compte tenu des conditions aux Limites.

On obtient ensuite J :

. . « . - . . . . . . . . . . . . . . . . , , .J s rot H c rot —

III - Ca$ particulier d'un matériau plan

A^ 5e£!ll££!lt^ëÊ«^É9yâîi2D-£â£Ë£îé£l2ii9yê-Bâ£îi£yiiÊ^

Considérons un (natériau ayant une face plane (plan 0, X, Y) et

occupant tout le demi-espace défini par Z > 0 (figure 2).

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 7: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

Le matériau est excité par une nappe de courant, plane, uniforme

et infinie, contenue dans un plan ïï parallèle à la face et coupant l'axe

(0,Z) en un point de cote négative. Le courant est sinusoïdal, de pulsa-

tion 0).

Une telle nappe crée un champ perpendiculaire à (0,x). Pour res-

pecter la symétrie du système, Le champ est également parallèle au plan

(0,X,Y). Le vecteur champ B garde donc toujours la même direction : il

est porté par (0/Y). On peut se contenter de le décrire à l'aide d'un"*" "*"

r é e l B = B - Y La grandeur B garde une valeur constante dans tout

plan parallèle à II.

La valeur du champ ne dépend que de la distance qui sépare le

point considéré de la nappe de courant, c'est-à-dire de la cote Z :

B est donc fonction de Z et de t, exclusivement.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 8: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-7-

L'équation de propagation s'écrit alors :

0- j.k'.B.O

P* iD£Ë9ESii20^§_ilÉ9yâîi22--iïîS£êDîiëIiê

L'équation caractéristique est 5

r2 - j k2 - 0

r = ± k /T = ± (1 + j) -72

ainsi B * Cl e(1+ ) + C2 9-

(1^>?I Z

^ Poyr un matériau s'étendant jusqu'à L'infini Le Long de L'axe(Q,E) Le champ tend vers 0

00 WQO

0 5= Cj ,e * C^,e

On en tire s

ÇX - 0 et B C2 e~(1*j)?f Z

C2 représente donc le champ magnétique en $urface (Z * Q).C'est une fonction du temps (puLsation ça).

On pose : Ça = 80 eja>

La phase du champ ^n surface est ainsi prise pour originef

FinaLement;

a ~ D *~ *75 Z j(o)t - Jç Z)8 = BQ e /2 e^ v72

Soit^ en notation ré^LLe

- - 4 - Z • kB = BQ e v7? cos (ut - yp 7-J

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 9: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-8-

- l^mplitude diminue, au sein du matériau, selon une Loi

exponentielle,

- la phase varie linéairement avec Z.

C) Densi^té_de_courant

Calculons la densité de courant J

rot H = j"

rot B = yJ

B n'a qu'une composante selon (0,y). De plus, le réel B est uniquement

fonction de Z et de t. On a donc :

*nr.-(!f)î

Ainsi Le courant est dirigé parallèlement à l 'axe (0,X).

-> ->Soit J tel que : J = J.X. On écrit, en projection :

9B i' 3f = yJ

j =1 (1+j ) _JL BO e-722 e j (co t " A Z )

mai s

2+j j .TT/4 soit 1, 7-7T = 6 '

soit . _ . .kBn k 7 . . . k ^ . T T .

*= — . e"72Z .e j ( a j t " 72 Z + 4}

y

En désignant par JQ l'amplitude du courant à la surface, il

vient : i •

^J = J0 e" 72 l cos(ut- - Z + J)

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 10: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-9-

Tout comme Le champ, la densité de courant diminue exponentielLement au

sein du matériau et la phase varie linéairement. Le courant est déphasé

de . jr piP PiP.p©Pt ai.

D) Profondeyr_de^ginétration

on appelle profondeur de pénétration' standard la profondeur 5

pour laquelle L'amplitude du ceurant est égale à l'amplitude en surface

divisée par e, soit 37% de JQ

k - JQ. ; J o e 7?**T

• . . 7 y « - i

fi.^.\/irK y UQU)

gn fonction de la fréquence v^ on a :

6-v/X1'.V Tryya

Cette profondeur çle pénétration standard est très gtilisép, dan^

la pratique, pour caractériser la distribution en profqndeMr dçs courant^

de Fouc^ult, quelles que soient la forme du matériau et s<a disposition par

rapport aux courants inducteurs.

Si l'on ne tient pas compte de la phase, on écrit alors d'gne

manière simplifiée :

, „ . - ' , - Z /iTvyaJ F J0 e

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 11: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

IV - Cas d'un cylindre

A) §9yâïÎ2D-£â!IË£ÏÊCi§£i9yË-B§Eîi£yiiêEË

Un conducteur cylindrique de rayon a est placé dans un solénoide

coaxial de rayon c parcouru par un courant sinusoïdal (figure 3).

On suppose que le barreau ainsi que le solénoïde ont une longueur

très supérieure à Leurs rayons. »

Le champ est encore donné par l'équation

ÂB - jk2 B = 0

Dans un tel montage, B est parallèle à l'axe (0,?) et sa valeur

ne dépend pas de Z. La valeur du champ ne dépend que de la distance r du

point considéré à l'axe. Le vecteur B peut, ici encore, être remplacé par

un scalaire.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 12: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

«11-

En coordonnées pylindHqueç, le Uaplacien devient alprs

AB = (*Z* * 1 &9]AB ' |JF? + 7TFJ

L'équation de propagation s'écrit donc :

0*i ^-i-'»-o

On obtient l'^quation différentielle de KeLvin-Beis^l dont

l'intégration conduit à la solution :

a - , n T Mfcr) J[wt+2o<kr> - 00(ka)]

^ w w n M0(ka) ^^ \

atténuation déphasage

dans laquelle on :

n : nQ^bre de spires'de la bobine par unité de longueur ;

I : amplitude du courant d'excitation ;

MgCx) et QçCx) : module et argument des fonction^ de K^lvinrÇessel de 1èr^

^spèçe d^ordre zérpf

La densité dç courant varie d'une manière tout à fait semblable

au champ. J n'a qu'une composante tangentielle (perpendiculaire à 0,Z)T

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 13: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-la-

B^ y2!2 Lë-dê.CéîÉ£êD£ê-êi.Ï£ê9yêD£§-£§EI£ÎÊEl§il9yê

Le paramètre ka (nombre sans dimension) qui intervient dans le

calcul précédent est appelé nombre de référence.

On appelle fréquence caractéristique v la fréquence pour laquelle

le nombre de référence est égal à l'unité

a/y a 2i\ vc = 1

1v = ——— ô"c 2ïï y a a^

Aux basses fréquences de travail, la pénétration des courants de

Foucault est plus importante qu'aux hautes fréquences, comme le montrent

les équations de propagation. Pour une fréquence de travail valant v :

si — < 10 la pénétration est dite forte ;

si — » 10 la pénétration est dite légère,c

C? PE2Î2Qdêy£»de_génétration

Le développement du calcul donnant la densité de courant en fonction

du rayon r, pour une barre cylindrique, montre que la profondeur de pénétration

n'excède jamais 63% du rayon a du barreau.

6 < 0,63 a !

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 14: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-13-T

II tst possible d'obtenir une valeur approchée d$ ô(à 20% près)

en considérant gui f

6 s V^ t8nt que v °'63a

• ô'à Q^éla lorsque A / > O^ôSa

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 15: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-.14-

APPLICATIONS INDUSTRIELLES DES COURANTS DE FOUCAULT

I - Influence des divers paramètres d'examen

••A> lQÏiy§Q£ê.ËÊ_i§_Σë9yêD£Ë

Les équations établies dans le chapitre "Principes physiques du

contrôle par courants de Foucault11 permettent de tracer les figures 4 et 5, qui

nous montrent Les variations d'amplitude et de phase dans un conducteur cylindri^

que, pour différentes fréquences.

On constate qu'une augmentation de la fréquence provoque :

a) Une atténuation encore plus rapide des C.F. en fonction de

la profondeur au sein du matériau (fig.4).

b) Un déphasage encore plus grand entre les courants de surface

et les courants internes (fig.5).

On constate sur ces figures qu'une baisse exagérée de la fréquence

augmente la pénétration des courants mais réduit considérablement La sensi-

bilité de la méthode.

B* îQÏiu§Q£ÊJË£-LâJ3S£!Séâ!:

La perméabilité magnétique y d'un matériau s'écrit sous la forme

y = yo iv

où yo/- perméabi Lite du vide, vaut 4.7T.10"7 H.m""1

yr, perméabilité relative du matériau, est un nombre sans dimension

yr = 1 dans l'air ainsi que dans tout matériau non magnétique. Un acier

doux, par contre, présente une perméabilité relative élevée (yr = 1000).

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 16: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 17: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 18: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-17-

Exemple : Calculons La profondeur de pénétration standard 6 dans Lfétain

(non magnétique) et dans L'acier doux, pour une fréquence de 2 kHz.

Ces deux matériaux ont même çonduçtivité 8.10-6 S^nT1,

On constate qui ô fit très pttit dans L'acier, Pour augmenter La

profondeur de pénétration, dans un matériau ferromagnétique, on L'aimante à

saturation par un champ magnétique auxiliaire continu. Dans Lt cas de L'acier

doux, on réduit ainti Mr jusqu'à une valeur voisine de 100 (yr - 100).

C) ipfiygQCê^de^ia^condueti.v^té^él.ectrigue.

Le tableau I donne La vaLeur de La conductivité, en MS.m""1 (|fnéga

siemens par mètrt), dfi matériaux conducteurs Les pLus employés en cgnstryc-

tion.

Dtux matériaux non magnétiques, comme Le cuivre et L'inox austé*-

nitique, se caractérisent donc par des profondeurs de pénétration très dif-*

férentes, pour une fréquence donnée. En d'autres termes, on peut dire que Le

contrôle de matériaux très bons conducteurs nécessite L'utilisation de basses

fréquences,

MATERIAUX o en MS-nr1 MATERIAUX a en MS^m^

ACIERS NON ALLIES 6,5 DURALUMIN 34(valeur moyenne)

ACIERS AU CARBONE 5 à 7 ETAIN 7,7

ACIERS AU CHROME 1 à 2 FER ARMCO 9,5

ACIERS EXTRA DOUX 8,5 FONTE GRISE (Val. moy.) 1,5

ACIERS FAIBLEMENT ALLIES 3 à 5 LAITON ALUMINIUM 13,3

ACIERS INOX 18/8 1,4 LAITON 70/30 14

ACIERS MOULES 5 MAILLE CHORT 3

ALUMINIUM 35 MERCURE 1

ARGENT 67 NICKEL 8

CONSTANTAN 2 OR 45

CUIVRE 63 PLATINE 9

CUPRONICKEL 90/10 5,2 PLOMB 5

CUPRONICKEL 70/30 2,7 ZINC 18

INCONEL 1

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 19: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-18-

II - Calcul de l'impédance aux bornes de la bobine primaire

A) ÇalcuL_de_z

Plaçons-nous dans Le cas du contrôle d'un tube très mince à l'aide

d'une bobine encerclante. Le jeu radial est suffisamment faible pour que l'on

puisse considérer, en première approximation, que Le diamètre du tube est égal

à celui de la bobine. Le solénoîde, d'inductance à vide LQ et de résistance

nulle (hypothèse simplificatrice), comporte au total NQ spires sur une longueur l.

La longueur l est très supérieure au diamètre.

Le tube est équivalent à un bobinage constitué d'une seule spire.

Un courant induit apparaît sur la longueur l située à l'intérieur du

solénoîde . Son inductance est L et sa résistance est R (résistance de la

boucle que constitue Le tube si on le coupe le long d'une génératrice).

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 20: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-19-

Les courants de Foucault n'existent que dans La zone du tube intérieur*

à La bobine : ainsi La Longueur L des deux bobinages est La même.

Puisque U b©bin§ ixcititrict est supposé© sans résistance, li ttnsion

instantanée u à ses bornes s'écrit :

u ^ j l Q w i t j M c o i - j ( 1 )

où. t. représente Le courant induit dans le tube (courant de Foucault) et M

l'inductinci mutuelle des dtux conducteurs.

Le tube constitue également unt bobine : la tension est nulle à

les bornes puisqu'on réalité il formt une boucle fermée. On écrit :

Q = R i<j * j L <i> ii * j M 03 i (2)

Lt courint induit est tiré de la seconde égalité

' M ça iM = *" 3 R 4- j L ça

En reportant dans (1)

, . . A M2o)2 i".*-il*"\+TTTTïï

• j LQ M i ^ (R ~ J> ^ ^ «2 1

R2 + L2 a)2

Ainsi l'impédance aux bornçs de la bobine primaire vaut :

_ R M2 u>2 . f. L M2 a)3 }2 " R2"TT2~2 + J [L° w " R2"TT2^J

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 21: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-20-

Dans cette expression L0, L et M ne dépendent que de La géométrie

du montage. En effet, on a :

N2 x SLQ = yq x P .— inductance à vide de La bobine primaire

S est La section intérieure du solénoide

1 x SL = yo x —[— inductance du tube pour une seule spire

et si Le tube ne contient pas d'autre

matériau

M = y0 Q x , — inductance mutuelle des deux bobinages

précédents.

On néglige, pour ce dernier calcul/.La présence du matériau du tube

à L'intérieur de La bobine d'excitation : si ce matériau est ferromagnétique,

alors yp ^ 1 sur une faible fraction de S.

On constate donc que, pour un montage donné, z ne dépend que de La

fréquence choisie et de la résistance R du tube, considéré comme une boucle.

On vérifie, en passant, que l'on a :

M2 = L LQ (cas du couplage parfait avec a = c)

B^ Ê2Q£C2iê« y-£y!2Ë

Si un tube présentant des imperfections géométriques (variations de

diamètre ou d'épaisseur) ou des discontinuités (fissures, inclusions...), défile

à L'intérieur de la bobine, alors z variera. C'est le principe du contrôle par

courants de Foucault.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 22: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-21-

Un§ modification géométrique entraînera une variation de L,, induc-

tance du tube.

Une discontinuité C©u uni hétérogénéité) au itin du matériau du

tybt entraînera une variation de R.

Une modification dis propriétés magnétiques n'est pas priât en

§ompti par nQtrt modèU pyiiqut nous ivons négligé La présence éventuelle

çji mitériiu présentant un y différent de 1* dans l'expression de M«

Intéressons^noui è la rtchtrche d'une discontinuité, défaut quiintroduit unt variation locilf df R, résistance du tube.

c) iîsaciifflf ëliSËÉ iûii»

Nous avons établi i

R M2 cua . , f. L M2 a)3 }

z „ ^ ^ + j Q w . -jp- J

Cettç expression est de la forme z - Jj, + j £- o>

Etudions la variation de z en fonction de R, résistance du tube.

R = o «*> z = j (LO a. - ]

mais nous avons montré que M2 vaut en fait LLg donc

R = 0 = v z = 0

et lorsque R devient infini :

R = oo > Z = j LO 0)

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 23: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-22-

Pour Les valeurs intermédiaires, on démontre aisément que L'extré-

mité de z parcourt un demi-cercle du plan complexe (figure 7).

Fig.7.Variation de l'impédance apparente de la bobineLors d'un contrôle-

Une résistance infinie signifie que les courants de Foucault

ne prendront pas naissance dans le tube. Alors, l'impédance sera celle de La

bobine vide, soit j LQ. oy.

Une résistance nulle signifie que Les C.F. circulent librement

et induisent une excitation qui s'oppose exactement à L'excitation primaire.

L'inductance de L'ensemble est donc nulle.

III - Appareillage.

A) L˧_£tB£.Ëy£§"

Appelés bobines, sondes ou palpeurs, ils peuvent être caractérisés

par le nombre d'enroulements dont ils sont constitués.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 24: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-23-

Bobines simples : elles servent à créer le champ magnétique alterna-

tif et, simultanément, à détecter Les défauts, par la mesure de leur impédance.

Ainsi* les barres sont eontrllées à L'aide ei'uni bebini extfrityre,,

La zone étudiée est un petit disque.

La barre défile à l'intérieur de la bobine dont l'impédance varie

brutalement au passage d'un défaut.

Les tubes peuvent Itrt contrôlés à l'aide d'une bobine extérieure

ou intérieure. La zone étudiée est un petit anneau.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 25: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-24-

Les plaques et Les objets de formes irrégulières sont contrôlés

à L'aide de petites bobines appelées sondes, qui permettent d'étudier un

cylindre de l'échantillon dont la section est voisine de celle de la bobine.

Bobines doubles : la bobine d'excitation induit le champ magné-

tique. Une bobine de détection, électriquement indépendante, permet de détec-

ter les défauts avec une grande sensibilité. La bobine d'excitation est

divisée en deux parties placées de part et d'autre de la bobine de détection.

On Lit directement les variations de la f.e.m. aux bornes de La bobine

détectrice.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 26: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-25-

Bobi nés différentiel Les : il s'agit de comparer La pièce à étudier

ayec un échantiLLon.

§n peut éfaLtniint c^mpurer deux régions différentes di La pièce

à examiner. Le passage d'un défaut modifiera Li f,e.m. aux bornes des deux

bobines détectriees successivement.

Fig.12. Bobine doubLe différentieLLe.

Les deux parties de La bobine de détection sont connectées de teLLe

manière que Les f.e.m. induites s'annuLent Lorsque Les matériaux sont identiques.

Le passage d'un défaut modifie La f.e.m. dans chacun des deux éLéments de çtétec^-

tion successivement. On obtient un signaL de défaut présentant deux pics opposés.

Les bobines différentieLLes sont très sensibLes à La présence de

petits défauts.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 27: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-26-B^ IHËÎiÊïïÊDl du_si^nai_ot>tenuUn courant sinusoïdal de fréquence déterminée, délivré par un

générateur de courant, parcourt le solénoîde. Une tension apparaît. Sa fré-

quence est la même que celle du courant. Son amplitude et sa phase consti-

tuent les grandeurs à mesurer puisqu'elles traduisent la valeur de l'impédance

apparente de la bobine.

V Détection synchrone

Une détection synchrone comprend :

- un générateur de signaux carrés, a(t) en phase avec une référence,

- un multiplieur qui effectue La multiplication du signal carré a(t) par

le signal à traiter s(t) ; M(t) = a(t) x s(t),

- un intégrateur qui mesure La valeur moyenne du signal M(t), soit M(t) le

résultat.

La figure 13 schématise ce traitement. L'aire hachurée est proportion-

nelle à la valeur moyenne dé--M(t).

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 28: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-27-

s(t) peut être considéré comme La somme de deux signaux, l'un "en

phase avec la référence, et L'autre déphasé de -=r • On écrit, par exemple :

sCt) « ii(t) + SgCt)

i(t) = AI sin o)t + A2 sin (o>t + î- )

La figure 14 montre ce que donneriit Le traitement des deux

fonctions sjCt) et S2Ct)s Soient Mi-(t) et M^Ct) Les résultats.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 29: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-28-

Lfintégration de s2(t), composante du signal qui est en quadrature

avec La référence, conduit à un résultat nul. Seule La composante en phase

du signal participe au résultat.

On utilise alors la propriété suivante :

La valeur moyenne d'une somme de deux signaux de mêmepériode est égale à la somme des valeurs moyennes desdeux signaux.

I c i :

M(t) = Mi(t) + M2(t)

et puisque Mbft) est nul, la détection synchrone nous permet d'extraire la

valeur moyenne de la partie du signal en phase avec la référence.

,Dans La pratique, la plupart des appareils à courants de Foucault

possèdent deux détections synchrones permettant d'extraire Les valeurs moyennes

de la composante en phase avec le courant et de La composante en quadrature.

2) Présentation des résultats.

Envisageons le cas simple du contrôle d'une pièce non magnétique.

Pour une fréquence donnée, la conductivité du matériau ainsi que la forme du

bobinage et de la pièce déterminent l'impédance apparente. Sur la figure 15,

cette valeur de z est représentée par le vecteur OMo- Le passage d'une

hétérogénéité du métal modifie l'impédance : la présence d'une fissure, par

exemple, se traduit par une diminution de a. Sur le diagramme, l'extrémité

du vecteur impédance se déplace de M0 en M]_ puis revient en MQ, après le

passage du défaut.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 30: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

Fig«15. Variation d'impédance provoquée par une variationdi conductivité du matériau contrôlé.

Un appareil à courants de Foucault équipé d'une double détection

synchrone nous donne la projection du signal sur deux axes en quadrature. Il

est alors commode d'envoyer ces deux signaux sur les plaques de déviation

horizontales et verticales d'un oscilloscope. Le spot visualise alors exacte-

ment la position du point MO-

Ce que nous souhaitons détecter avec le maximum de sensibilité,

c'tst: tn fait La variation locale des propriétés physiques du matériau. On

étalonne l'appareil en utilisant une pièce de référence parfaitement saine

et en positionnant le spot au centre de l'écran. Lors du contrôle, le dé-

placement du spot représente la variation locale des propriétés physiques

du matériau.

Dans notre exemple, nous n'avons pas pris en compte une éventuelle

variation des propriétés magnétiques du matériau. La direction de déplacement

du point MO serait différente, mais Le mode de présentation des résultats

conviendrait encore parfaitement.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.

Page 31: CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS PAR COURANTS DE FOUCAULT

-30-

Nous avons également simplifié en nous Limitant à un défaut en

surface, près de la bobine- Le même défaut, situé plus profondément au sein

du matériau, donnerait un signal déphasé et moins intense (cf. page 8).

Exemple : signal donné lors du passage de la sonde au niveaud'une plaque entretoise, dans un échangeur de chaleur(générateur de vapeur). Le capteur interne au tube,comporte deux bobinages en sens inverse, ce qui expliquelfexistence de deux boucles symétriques par rapport aupoint d féquilibre.

© [G.PEIX], [1988], INSA de Lyon, tous droits réservés.