Foucault - Castro, Pensar a Foucault. Interrogantes Filosóficos de La Arqueología Del Saber
04_Courants de Foucault (1)
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MEC-761 Essais mécaniques et contrôle non destructif 04 – Courants de Foucault (ET)
MEC761 - Martin Viens, prof.Département de génie mécaniqueProgramme de baccalauréat
Le génie pour l'industrie
MEC-761Essais mécaniques et contrôle non destructif
MEC-761 Essais mécaniques et contrôle non destructif 04 – Courants de Foucault (ET)
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Le génie pour l'industrie
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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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Le génie pour l'industrie
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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
où
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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
où
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
où
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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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MEC761 - Martin Viens, prof.Département de génie mécaniqueProgramme de baccalauréat
Le génie pour l'industrie
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Systèmes automatisés
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Le génie pour l'industrie
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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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Le génie pour l'industrie
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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Le génie pour l'industrie
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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Le génie pour l'industrie
Sondes utilisées chez P&WC
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Le génie pour l'industrie
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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Le génie pour l'industrie
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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