Nouveaux outils de contrôle non destructif pour la recherche

MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France
Nouveaux outils de contrôle non destructif pour la recherche et la caractérisation de la
corrosion
Eric CRESCENZOa, Daniel CHAUVEAUb, Dee DULAYc
a
Société IXTREM, 9 rue Edouard Denis BALDUS 71100 CHALON SUR SAONE, [email protected]
b
Société IS SERVICES ZI Paris Nord II BP 50362 95942 ROISSY CDG Cedex,
[email protected]
c
Society NDT Consultants Ltd Middlemarch House Siskin Drive Coventry CV34FJ – UK, [email protected]
RESUME :
Bien que la technique EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducers) soit une technique ancienne
présentant comme principal avantage, en autre, de pouvoir réaliser des contrôles non destructifs à chaud,
son utilisation industrielle est restée à ce jour limitée à des cas spécifiques d’application. Cette technique, à
priori séduisante, a du mal à percer à cause de la difficulté de fabriquer des transducteurs performants et de
l’amplitude très faible des signaux captés (quelques µV).
L’objectif de nos travaux de recherche actuels vise à améliorer cette technique en concevant des
transducteurs EMAT plus performants, en développant des moyens électroniques appropriés permettant en
autre de réaliser des imageries ultrasonores de pièces corrodées.
MOTS-CLES :
EMAT, Corrosion, Ultrasons
TEXTE ETENDU :
Introduction :
En contrôle ultrasonore traditionnel, on ne s’intéresse en général qu’à la direction de propagation de l’onde
et non au plan de vibration des particules. En effet, dans le cas des ondes transversales, les particules se
déplacent toujours perpendiculairement à la direction de propagation. Elles peuvent néanmoins vibrer dans
différents plans définissant ainsi la polarisation de l’onde.
Les ondes transversales produites par effet piézoélectrique sont toujours polarisées verticalement (OT V),
alors qu’il est possible de choisir la polarisation des ondes produites par effet électromagnéto-acoustique en
jouant sur la polarisation du champ. C’est de cette façon que sont en général produites les ondes
transversales polarisées horizontalement (OT H).
Classiquement un EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) se compose d’un circuit magnétique de
type bobine ou serpentin (meanderline) qui produit des courants de Foucault à la surface de la pièce à
contrôler et d’un ou plusieurs aimants permanents qui par la force de Lorentz en résultant génère des ondes
acoustiques dont la polarisation de l’onde est maîtrisée.
L’intérêt des EMAT est de pouvoir opérer sans contact avec la pièce et de générer des ondes ultrasonores
polarisées horizontalement.
Toutefois, les EMAT ont comme principal handicap de nécessiter d’être alimentés avec des sources de
courant de puissance élevée et de générer des signaux en retour d’amplitude très faible (quelques µV).
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Rappels concernant les EMAT :
L’efficacité d’un EMAT d’après H. Shimizi et A-J Bahr [1] peut se calculer en utilisant en première
approximation la formule suivante :
Δω
B2
1
Mo.
=
.
ωo ωoµogρV 1 + Lad / Ld
ωo = Fréquence centrale
∆ω = Bande de fréquence utilisée
B = Induction magnétique à la surface de la pièce
µo = Perméabilité magnétique du matériau
ρ = densité du matériau
V = Vitesse de l’onde ultrasonore
Lad = Inductance parasite (parties de spire de la bobine n’intervenant pas dans la production des ondes
ultrasonores désirées).
Ld = Inductance de la bobine
Pour augmenter les performances d’un EMAT il faut donc :
-
Augmenter la puissance de l’aimant ;
Réduire les inductances parasites ;
Concevoir les bobinages d’excitation de façon à favoriser un seul type de mode de génération des
ondes ultrasons.
Par ailleurs, la densité des courants de Foucault créés par différents types d’EMAT ainsi que les forces de
Lorentz et finalement les ondes acoustiques émises à la surface de la pièce on été calculée par plusieurs
chercheurs en particulier Koorosh Mirkhani [2] et B.W. Maxfiel et C.M. Fortunko [3] selon différents types de
modèles. Bien évidemment il est nécessaire d’utiliser des intensités de courant électrique les plus
importantes que possible, ce qui conduit à alimenter l’émetteur avec des tensions élevées (jusqu’à 1KV) tout
en essayant d’adapter l’impédance électrique de la bobine émettrice pour obtenir le maximum d’efficacité.
Vice et versa il est également nécessaire d’adapter l’impédance électrique du récepteur et protéger le circuit
de pré-amplification des effets de couplage et de surtension.
L’amélioration des performances des EMAT nécessite un savoir-faire important en la matière et d’avoir
recours à la modélisation puis à l’expérimentation pour confirmer et améliorer la configuration de
transducteurs EMA adapté à une application particulière de contrôle non destructif.
Méthodologie des travaux de recherche :
Le développement des technologies EMAT et en particulier des ondes de Lamb guidées rentrent dans le
cadre de nos travaux de recherche planifiés par notre entreprise sur trois années dont le démarrage a lieu
début 2005.
La méthodologie utilisée pour mener à bien ces travaux de recherche se résume de la façon suivante :
-
Compilation des résultats de travaux de recherche réalisés par ailleurs, approche des solutions
techniques à investiguer par calcul et modélisation 1] [2] [3] [4] [5] [6].
Expérimentation en laboratoire des modèles de transducteurs EMAT optimisés.
Réalisation des EMAT émetteur et récepteur intégrant pour partie dans le transducteur des circuits
électroniques d’adaptation d’impédance, de conditionnement de signal (préamplification, filtrage,
protection contre les effets de couplage parasites).
Investigation des circuits électroniques pour l’acquisition et le traitement des signaux ultrasons.
Interface hardware et software de façon à faciliter l’interprétation des signaux par imagerie
ultrasonore ; en particulier interface avec un système de positionnement de transducteur 3D sans
contact par voie optique.
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Résultats obtenus à ce jour :
a. L’approche théorique a permis de s’orienter vers deux types de transducteurs :
-
Bobinage courants de Foucault ayant pour noyau des aimants permanents préférablement
de type Neodyme Fer Bore de façon à générer des ondes ultrasonores polarisées
horizontalement. [5] [6]
Bobine d’excitation
courants de Foucault
Aimants permanents
-
Utilisation des circuits électriques de type « serpentin » qui peuvent être grandement
améliorés en bobinant directement les « antennes » sur des « peignes » de haute
perméabilité magnétique et de « faible » conductivité électrique [1] [4].
Aimants permanents
Bobine courants de
Foucault
Peigne en matériau ferromagnétique de
haute perméabilité magnétique et faible
conductivité électrique
Pièce
Toute la difficulté réside dans la recherche de nouveaux matériaux adaptés à ce besoin et dans leur
mise en œuvre pour construire des EMAT performants.
b. Concernant la partie électronique nous sommes partie sur la base de la plateforme Zenix dont les
caractéristiques techniques sont résumées ci-après.
Pulseur
y
y
y
y
Tension 0-700 V réglable par 256 pas permettant le branchement de capteur sans couplant et EMAT
Impulsion carre à flanc raide
Largeur de pulse réglable de 15 ms à 100 µs par pas de 15 ms (step) : possibilité de brancher des
transducers US jusqu'à 50 kHz
Fréquence de tir de 1 ms à 10 s par pas de 1 ms
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Entrée
y
y
y
y
y
y
Impédance d'entrée 100 Ω
Bande passante 30 kHz – 5 MHz jusqu'à 100 MHz avec une résolution moindre
Gain 8 à 82 dB réglable par pas de 1 dB
3 filtres hardware passe bande à sélectionner manuellement : 50 kHz – 5MHz ; 300 kHz – 5MHz ; 2
MHz – 5 MHz
Conversion analogique / digitale très haute résolution 12 bits – 64 MHz
Mémoire d'acquisition 120 à 3072 sur 12 bits
Traitement du signal
y
y
y
y
y
c.
Fonction zoom
Moyennage de 1 à 100 oscillogrammes
Filtre numérique passe haut, passe bas, passe bande, coupe bande
Calcul FFT et représentation des données après filtrage
DLL utilisateur en C++ et Windows intégrant des possibilités de programmation de façon autonome
par l'utilisateur
Développement d’un scanner optique et de son interfaçage avec la plateforme Zénix.
La société NDT Consultant a développé un scanner optique permettant l’acquisition et le traitement de
données ultrasons et courants de Foucault.
Les principales caractéristiques de ce matériel peuvent se résumer par :
-
Volume de scan jusqu’à 6 mètres,
Angle de capture des signaux optique 75°
Résolution 0 ,1 mm
Précision 2 mm dans un plan et 8 mm selon l’axe Z
Ce scanner permet d’obtenir des imageries 3D avec des possibilités de seuillage en fonction de la taille de
corrosion jugée critique.
Exemple d’imagerie obtenu sur bloc
d’acier avec des trous à fond plat de
différents diamètre et profondeur
Nota : Le travail de recherche a consisté à travailler en collaboration avec la société NDT Consultants pour
intégrer des fonctions de communication avec notre plateforme Zénix et développer des algorithmes de
traitement et signaux propres à la mise en œuvre des EMAT.
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Références bibliographiques :
[1] H. Shimizu and A. J. Bahr, “Improved design for non-contracting electromagnetic acoustic transducers,
Remote Measurement Laboratory, SRI International Menlo Park, California 94025, Ultrasonics Symposium
Proceeding 1977
[2] Koorosh Mirkhani, Chris Chaggared, Chris Masterson, Maciej Jastrezebski, Tomas Dusatko, Anthony
Sinclair, Reza Jafari Shapoorabadi, Adalbert Konrad, Marcello Papini, ”Optimal design of EMAT
transmitters”, NDT&E International, 2004
[3] B.W. Mawfiel and C.M. Fortunko “The design and use of electromagnetic acoustic wave transducers
(EMATs)”, Material evaluation 41 / November 1983
[4] Hans Rainer and Hans-Jürgen Salzburger, “Imaging and reconstruction of surface defects on heavy
plates with EMA – Rayleigt wave transducers”, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsrreie
[5] E. CRESCENZO (IXTREM) – Richard DEWURST et Paul MURRAY (UMIST), "Les contrôles ultrasons
sans contact (laser / EMAT)", Congrès COFREND Reims du 24 au 26 avril 2001
[6] J.F. Martin Rockwell International Science Center Thousand Oaks, CA and R.B. Thompson Ames
Laboratory Iowa State University Ames, IA, “The Twin magnet EMAT configuration for exciting horizontally
polarised shear waves”.