<Desc/Clms Page number 1>
Procédé et appareil pour l'étude de matériaux ferromagnétiques.
On sait que dans un transformateur à noyau ferromagnétique, la forme de l'onde de tension aux bornes de l'enroulement secondaire peut constituer un élément caractéristique de la nature du métal, cette propriété ayant d'ailleurs déjà été utilisée pour étudier les lois du magnétisme et, en particulier, pour tracer le cycle d'hystérésis de métaux ferromagnétiques. D'autre part, en comparant cette tension ou le cycle d'hystérésis qui en découle, pour deux noyaux différents, on a pu mettre en évidence les différences de structure de ceux-ci, car il est connu que la composition et les propriétés mécaniques des métaux ferromagnétiques sont intimement liées à leurs caractéristiques magnétiques, et ceci constitue d'ailleurs une méthode non destructive d'étude ou de triage de ce genre de matériau.
L'invention a pour objet un appareil de ce genre, caractérisé, d'une part, par un montage d'alimentation spécial du transformateur assu- rant la mesure, d'autre part, par l'adjonction de circuits d'inté- gration ou de différnetation, le tout de telle sorte que l'on
<Desc/Clms Page number 2>
puisse aboutir à l'observation non seulement du cycle d'hystérésis caractérisant l'état magnétique du métal, mais également à d'autres cycles représentant les dérivées premières, secondes, troisièmes, etc... du cycle d'hystérésis et ce en raison de la constatation qui a pu être faite que de faibles variations de formes de ce cycle, inappréciables directement par l'oeil, deviennent évidentes que les cycles représentatifs des dérivées successives.
On notera d'ailleurs que la valeur théorique de cette observation n'a pas échappé aux techniciens puisqu'il est maintenant courant d'utiliser la notation de perméabilité différentielle, cette dernière ne représentant pas autre chose que la dérivée première de la courbe d'hystérésis pour la valeur du champ inducteur considéré.
L'invention permet donc non seulement le tracé de ce cycle de per- méabilité différentielle, mais également celui des autres dérivées et, par la position des extrêma ou points remarquables de ces courbes, de déterminer la valeur d'éléments caractéristiques du métal, par exemple: celle du champ coercitif, du champ de saturation etc.... de même il est ainsi possible d'étendre le champ d'observation des va- riations de ces éléments caractéristiques en fonction des influences que peuvent avoir sur eux, la composition chimique, les traitements thermiques, ou mécaniques, et c... appliqués au métal.
Enfin pour permettre la comparaison avec des échantillons parfai- tement caractérisés pris comme référence, on peut aboutir à l'obser- vation des courbes présentant la différence des courbes caractéris- tiques de l'état magnétique du métal étudié avec celles de l'échan- tillon, ces courbes caractéristiques pouvant représenter l'une ou l'autre des dérivées dont il a été parlé plus haut, cette dernière méthode permettant par conséquent d'effectuer un classement déer- miné de métaux dont les structures peuvent, pour des raisons di- verses, être différentes.
La première caractéristique de l'invention réside dans le procédé de mesure de la perméabilité différentielle à partir de laquelle pourront découler toutes les autres.
Ce procédé réside dans l'utilisation d'un transformateur dont le noyau magnétique est constitué par l'échantillon ferromagnétique
<Desc/Clms Page number 3>
à examiner et dont le primaire est alimenté à courant constant, ce qui signifie que, si l'onde de courant est par exemple sinusoïdale, elle le restera quelle que soit l'action apportée par l'échantillon.
On sait d'ailleurs que ce résultat peut être atteint si la source d'alimentation présente une grande impédance interne relativement à celle du primaire et que, pour qu'il en soit ainsi, il suffit, dans le cas où on ne dispose que d'une source à faible impédance, d'in- sérer en série avec l'impédance d'utilisation, une résistance de va- leur relativement élevée associée à une capacité dont la réactance compense celle de l'enroulement utilisé.
Ceci étant posé on sait que la tension eu secondaire fermé sur une impédance de grande valeur (impédance d'entrée d'un amplificateur électronique) est représentée par e = n do n étant le nombre de dt spires de ce dernier bobinage et ? le flux inducteur.Or, si S est la section utile de l'échantillon étudié et # l'induction magnétique, e = n sd ou encore e = n Sd dH , H étant le champ inducteur, dt dH, dt on remarque que l'on peut attribuer à H telle définition utile, puisque dH figure à la fois au numérateur et au dénominateur ;
enpar- ticulier on peut admettre qu'il s'agit du champ calculé fourni par la bobine inductrice, tant et si bien que, dans ces conditions, d représente la perméabilité diff2rentielle propre du fer dans dH /le champ démagnétisant est alors nul et par. conséquent/ le cas où l'échantillon est pris sous forme par de la bobine est égal au champ dans le fer) ou la perméabilité différen- tielle effective d'un barreau droit par exemple, cette dernière défi- nition étant prise par rapport eu champ de la bobine admis comme référence.
D'autre part, si H est suffisamment grand devant le champ de satura- tion de l'échantillon, dH peut être considéré comme constant, et dt à une constante près la perméabilité différentielle est bien repré- sentée par la valeur à chaque instant de la tension e.
Selon une seconde caractéristique de l'invention, on peut obtenir la valeur/l'induction, en intégrant par rapport au temps le signal représentant la tension secondaire ci-dessus.
Selon une troisième caractéristique de l'invention, la mesure de la valeur de crête de la tension au secondaire représentera al valeur
<Desc/Clms Page number 4>
de la perméabilité différentielle initiale, autrement dit la pente du cycle d'hystérésis pour la valeur du champ coercitif.
Selon une quatrième caractéristique de l'invention, la mesure de la valeur moyenne de l'une des phases de ce signal est caractéristique de l'ensemble des propriétés magnétiques du métal.
Selon une cinquième caractéristique de l'invention, la mesure de la voleur du signal après intégration représentera la valeur de l'in- duction de saturation.
Selon une sixième caractéristique de l'invention, le- mesure de la valeur efficace de l'une des phases de ce dernier signal représente l'énergie perdue au cours de la moitié d'un cycle d'hystérésis.
Selon une septième caractéristique de l'invention, l'examen des cycles de perméabilité différentielle et d'hystérésis peut être effectué sur l'écran d'un oscilloscope à condition d'exciter les plaques de déviation verticale avec le signal recueilli au secon- daire ou après intégration, et les plaques de déviation horizontale par une tension issue du courant d'excitation du bobinage primaire.
Selon une huitième caractéristique de l'invention, le décalage, dans le sens horizontal, entre les impulsions positives et négatives du signal au secondaire, représente le doable de le valeur du champ coercitif.
Selon une neuvième caractéristique de l'invention, on peut effectuer toutes les mesures et toutes les observations précédentes pour plu- sieurs fréquences distinctes- , les caractéristiques de matériaux différents variant de matière distinct en fonction de la fréquence , - du champ inducteur.
Selon une dixième caractéristique de l'invention, on peut effectuer par un dispositif classique une vobulation de fréquence, et ce dans le but de tracer sur l'oscilloscope une courbe représentant la va- riation de l'un ou l'autre des éléments caractéristiques ci-dessus en fonction de la fr équence.
Selon une onzième caractéristique de l'invention, on peut mesurer ou observer les valeurs des dérivées premières, secondes, etc... des éléments caractéristiques ci-dessus.
<Desc/Clms Page number 5>
Selon une douzième caractéristique de l'invention, on mesure et on observe les valeurs différentielles des éléments ci-dessus relatifs à deux échantillons distincts placés séparément au sein d'un trans- formateur comme ci-dessus, étant entendu que les primaires sont par- courus par le même courent d'alimentation et les enroulements secon- daires montés de telle sorte qu'il soit possible de mesurer la différence des tensions induites, cette mesure différentielle pouvant porter sur n'importe lequel des éléments ci-dessus, même sur les valeurs dérivées, et ceci dans le but de définir les différences caractéristiques dans l'état physico-chimique de deux matériaux différents dont l'un particulièrement défini est pris comme référence.
Sur les dessins ci-annexés, donnés uniquement titre d'exemple: la fig. I représente l'ensemble des courbes théoriques suffisant pour analyser le principe de la mesure de la perméabilité diffé- rentielle ; la fig. 2 montre un schéma d'ensemble des moyens utilisés pour la mesure précitée; la fig. 3 représente un schéma de montage pratique d'un appareil d'étude et de classement des matériaux ferromagnétiques.
Sur la fig. I, soit en effet, un cycle d'hystérésis - f(H) donné représenté en A et une courbe B représentant l'onde du cou- rant, par suite celle du champ inducteur, l'amplitude maximum de celle-ci étant grande devant celle du champ de saturation Hs; dans ces conditions, la tension e est représentée par la courbe dont les maxima représentent la valeur maximum de la perméabilité différen- tielle, autrement dit celle de la pente le long du cycle d'hystérésis, et qui par conséquent c o inc ident avec les passages du champ induc- teur par les valeurs du champ coercitif Hc. En dehors de ces maxima, la tension e diminue et s'annule lorsque le champ inducteur atteint le valeur du champ de saturation Hs.
La courbe D représente la valeur de la pente en chaque point du cycle d'hystérésis, autrement dit la tension e, non plus en fonc- tion du temps, mais en fonction du champ inducteur. C'est donc la courbe que l'on pourra observer sur l'écran d'un oscilloscope catho- dique excité sur une paire de plaques par la tension e et sur l'au- tre par une tension proportionnelle au champ inducteur ou encore
<Desc/Clms Page number 6>
au courant d'excitation primaire, ce moyen étant d'ailleurs également utilisé pour reproduire le cycle d'hystérésis correspondant en rem- plaçant cette fois la tension par son intégrale, autrement dit par la valeur de l'induction ss.
On notera que le décalage dans le sens horizontal entre les pointes de signal représente la valeur de 2 Hc.
La fig. 2 donne à titre d'exemple non limitatif un schéma d'ensemble des moyens utilisés pour aboutir à la mesure ou à l'observation des phénomènes dont il a été parlé plus haut.
Deux transformateurs dont les enroulements primaires I et 2 et les secondaires 6 et 7 sont bobinés concentriquement ou sous forme de galettes disposées parallèlement entre elles, sont montés électrique- ment comme sur la figs 2, les primaires sont alimentés en série à travers un condensateur 3 et une résistance 4, par un générateur à haute impédance 5, susceptible de fournir un courant d'excitation conforme à ce qui a déjà été précisé, les secondaires sont montés en opposition en tenant compte du sens d'enroulement des bobinages, de telle sorte quen l'absence de matériaux au sein des bobines, la tension résultante soit nulle.
Ceci étant posé, supposant d'abord que l'on introduise un échantillon ferromagnétique dans le seul bobinage supérieur, la tension résultante aux bornes à - B représente bien la perméabilité différentielle, la présence du bobinage inférieur ayant pour conséquence d'effectuer très sensiblement la compensation du flux de fuite du bobinage supérieur utilisé comme bobinage de mesure.
L'utilisation de cet effet de com- pensation est d'ailleurs caractéristique de l'invention, car elle permet d'éliminer l'introduction d'une err eur non négligeable lorsque les dimensions transversales de l'échantillon ferromagnétique sont faibles devant le diamètre du bobinage et rend possible l'utilisation d'une seule dimension de bobinage pour effectuer le sondage d'échan- tillons dont les dimensions extrêmes sont relativement éloignées.
Un voltmètre amplificateur différentiel 8 assure la mesure de la tension de crête résultante et par suite colle de la perméabilité différentielle maximum.
Un voltmètre amplificateur 9 assure la mesure de la valeur moyenne
<Desc/Clms Page number 7>
de la tension limitée à l'une dE/ses phases, cette valeur étant alors caractéristique non seulement de la tension maximum, mais également de la forme du signal représentatif de cette tension, donc de l'en- semble des caractéristiques magnétiques de l'échantillon.
Des circuits de différantiation fommés par l'ensemble de condensateurs tels que II et 13 et de résistances telles que 12 et 14 permet d'ob- tenir un signal résultant dont la crête mesurée par le voltmètre différentiel 15 représente la valeur maximum de la dérivée seconde le long du cycle d'hystérésis; on pourrait de la sorte obtenir les dérivées successives avec d'autres circuits de différentiation sem- blables qui n'ont pas été portés sur la fig. 2. Bien entendu, tout autre système pouvant conduire au même effet de différentiation peut convenir.
Dans les mêmes conditions, les circuits à constante de temps appropria 16,118 et 19 assurent cette fois un effet d'intégration de la ten- sion e et la tension de créée mesurée par :20 représente la valeur de l'induction de saturation, alors que la mesure de la valeur efficace de l'une des phases du signal correspondant, effectuée en 21 permet d'apprécier les pertes dans l'échantillon.
Si, maintenant, ayant introduit au sein du bobinage supérieur un échantillon de caractéristiques connues, on place à l'intérieur du second un autre échantillon à examiner, les différents appareils de mesure indiqueront cette fois la différence entre les valeurs des divers paramètres caractéristiques des échantillons.
On notera que, par l'emploi d'amplificateurs de gain convenable, on peut mettre en évidence des différences extrêmement faibles entre celles-ci et que cette méthode permet de déceler rapidement et de façon indiscutable toute différence d'état entre les deux échantillons Enfin, deux oscilloscopes 10 et 22 permettent l'examen, des diffé- rentes courbes caractéristiques de chacun des échantillons, par exemple la perméabilité différentielle, sa dérivée première, autre- ment dit la dérivée seconde le long du cycle d'hystérésis, éven- tuellement la dérivée n ième, le cycle d'hystérésis lui-même ou en- core des divergences entre ces diverses courbes pour deux échantillms d'états magnétiques différents.
<Desc/Clms Page number 8>
Les images observées sont stables sur l'écran, le balayage horizon- tal étant assuré par une tension prise aux bornes de 4 en liaison de phase avec les signaux appliqués aux plaques de déviation verti- cales.
L'appareil montre,sur la fig. 3 apporte diverses solutions originales à certains problèmes posés par la réalisation industrielle de l'appareil d'étude.
Selon une première caractéristique de l'invention, un circuit spécial permet de réaliser simultanément et simplement la détection diffé- rentielle des signaux recueillis aux bornes des enroulements secon- ' daires des bobines inductrices, ainsi que l'excitation des plaques de déflection de l'oscilloscope, sans apporter d'effet nuisible de déconcentration du faisceau cathodique, ni réduire l'amplitude du signal différentiel qui leur est appliqué.
Selon une seconde caractéristique de l'invention, le détection diffé- rentielle est réalisée de telle sorte que la sensibilité est inver- sement proportionnelle à l'amplitude du signal recueilli aux bornes du secondaire des bobines inductrices, et ceci dans le but de com- penser, dans une certaine mesure, la perte de sensibilité due à la réduction de section des matériaux ferromagnétiques à étudier, tout en protégeant l'appareil de mesure contre les surcharges acciden- telles.
Selon une troisième caractéristique, il est possible de réaliser la simplement un calage de la phase de/tension d'exploration horizontale de l'oscilloscope, dans le but d'obtenir des figures cathodiques parfaitement définies.
Sur la fig. 3, les bobines inductrices Bl et B2, alimentées au tra- vers du condensateur C1 et de la résistance R1' ont leurs enroule- ments secondaires connectés en opposition par l'intermédiaire d'un potentiomètre d'équilibrage P1. L'ensemble débite sur une combinaison de résistances (R2' R3 et R'2' R'3) symétriques par rapport à la masse et formant diviseur potentiométrique dans le but d'alimenter les grilles de la lampe double L à une tension convenable pour, près détection par Rs, Cs et R's' C's respectivement, obtenir l'effet de compensation, selon la seconde caractéristique.
Cet effet
<Desc/Clms Page number 9>
de compensation résulte de l'augmentation de la tension négative de grille lorsque l'amplitude du signal croît avec, comme conséquence, tendance à la réduction de courant anodique par le courbure de la caractéristique, au voisinage du "cut off"..
Les anodes débitent respectivement dans les résistances R6 et R'6. dont l'équilibre peut être obtenu par le réglage du potentiomètre P2.
Un appareil de mesure à zéro central est connecté entre chacune des anodes, soit directement, soit au travers de résistances R7 et R8' selon la sensibilité de lecture recherchée.
Selon la première caractéristique, le point milieu (curseur) du potentiomètre Pl est réuni à la masse par une résistance R4, dont 1 voleur est convenablement réglée. De ce fait, la tension diffé- rentielle appliquée aux plaques Pl et P2 de l'oscilloscope reste inaltérée, alors que les tensions respectives des plaques, par rapport à la masse, peuvent être réduites à une valeur suffisante pour que l'effet de déconcentration du faisceau soit inappréciable..
Les plaques de déviation verticale sont alimentées par un transfor- mateur T, dont le primaire, d'impédance suffisamment élevée, est branché aux bornes de la résistance R1 parcourue par le courant d'excitation des bobines. Un condensateur C3 branché aux bornes du secondaire permet de réaliser le recalage de phase, objet de la troi- sième caractéristique.
L'application de ce schéma ou d'un montage en découlant, n'est pas limitée à l'invention, mais présente un intérêt dans tous les cas où il est notablement nécessaire de réaliser, simultanément, et à peu de frais, la double alimentation d'un détecteur différentiel et d'un oscilloscope, et ceci à partir de signaux respectivement à niveau élevé, susceptible d'entrainer un/effet de déconcentration du faisceau.