Sonde différentielle électromagnétique
La présente invention concerne une sonde différentielle électromagnétique qui sert comme dispositif de mesure de champs magnétiques, notamment de champs faibles continus.
Pour effectuer des mesures les plus variées de champs faibles ou assez forts, mais surtout continus, on se sert de plus en plus fréquemment de sondes électromagnétiques basées sur la formation de la deuxième harmonique. Une telle sonde consiste essentiellement en deux noyaux en matériau magnétique doux, qui sont aimantés par un champ alternatif au-dessus de la limite de saturation et qui sont simultanément aimantés par le champ à mesurer.
Chaque noyau est en outre pourvu d'une bobine dans laquelle est induite, par le flux magnétique déformé, une tension, qui contient une forte composante de la deuxième harmonique. Les deux bobines sont connectées mutuellement en sens contraire, ce qui cause l'annulation des harmoniques impaires tandis que les harmoniques paires sont additionnées.
Parmi les composantes paires on utilise pour les mesures celles de la deuxième harmonique, dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité du champ à mesurer. Les deux noyaux peuvent être pourvus d'une bobine commune de détection, les deux noyaux étant disposés au voisinage immédiat l'un de l'autre. Une telle disposition correspond à l'arrangement de la sonde électromagnétique le plus couramment utilisée.
Il existe cependant deux sources importantes d'erreurs qui faussent les mesures exécutées à l'aide de cette sonde. Il s'agit en premier lieu de la perturbation causée par un champ extérieur, dans lequel la mesure est exécutée, le champ terrestre par exemple, que l'on peut compenser à condition que ee champ perturbateur soit invariable et suffisamment homogène. Dans le cas contraire il est nécessaire de se servir de deux sondes identiques à proximité immédiate l'une de l'autre suivant le degré d'inhomo généité du champ perturbateur, ce qui limite toute fois les possibilités de mesures, étant donné que le champ mesuré ne doit agir que sur l'une de ces deux sondes, l'autre étant compensatrice.
La fabrication de deux sondes absolument identiques est d'ailleurs très difficile, de même que la fabrication d'une sonde à deux noyaux en miniature.
L'autre source d'erreurs réside dans le fait que le flux magnétique hors des noyaux est clos par l'air, et surtout la composante de champ induisant la deuxième harmonique, ce qui a pour conséquence que n'importe quel matériau non aimanté, mais conduisant l'électricité, qui est approché de la sonde produit un changement de distribution des flux magnétiques, ce qui fait varier la tension de sortie. Le dispositif indique alors ce changement de champ, ce qui fausse la mesure.
La sonde différentielle électromagnétique faisant l'objet de la présente invention a pour but d'éliminer ces inconvénients.
L'invention a pour objet une sonde différentielle électromagnétique à un seul noyau en matériau de fer doux pourvu d'un enroulement magnétisant et d'un enroulement de détection, sonde caractérisée par ce que l'enroulement de détection est constitué par deux enroulements ayant le même nombre de spires, mais toutefois enroulés dans des sens opposés symétriquement par rapport à un plan transversal passant sensiblement par le centre du noyau, dans le but de supprimer l'effet de champs extérieurs perturbateurs.
La description ci-après expose, à titre d'exemple, deux formes d'exécution particulières de la présente invention, représenté schématiquement aux dessins dans lesquels:
la fig. 1 représente une première forme d'exécution pourvue d'un noyau ouvert;
la fig. 2 montre l'allure des flux dans la sonde;
la fig. 3 montre la distribution de champs continus dans le noyau;
la fig. 4 représente une deuxième forme d'exécution à noyau fermé;
la fig. 5 montre le champ magnétique radial d'un échantillon à mesurer;
la fig. 6 illustre de manière schématique la mé- thode d'aimantation d'un échantillon à mesurer;
la fig. 7 représente de manière schématique un dispositif équipé d'une première forme d'exécution et destiné aux mesures du champ coercitif;
la fig. 8 montre de façon schématique, dans un autre exemple d'utilisation, la position de la sonde relativement à l'échantillon à mesurer.
Sur la fig. 1 est présentée une des réalisations possibles de la sonde différentielle électromagnétique munie d'un noyau droit. Sur cette figure, 1 désigne le noyau en matériau magnétique doux qui est entouré de l'enroulement d'aimantation 2 sur lequel se trouve la bobine de détection consistant en deux sections 3 et 4 ayant le même nombre de spires, enroulées toutefois en sens contraire. Les bornes de sortie de la bobine de détection sont indiquées par
S et 6. La sonde complète est enfermée dans une gaine 7 en matériau conduisant bien le courant électrique mais non magnétique. Cette gaine agit comme écran électromagnétique qui empêche la pénétration des champs alternatifs dans l'air hors de la gaine.
Au cas où un champ homogène agit sur cette sonde, il n'y aura sur les bornes de sortie 5 et 6 aucune tension, étant donné que les tensions induites dans chaque section de la bobine de détection sont de la même grandeur mais d'un signe contraire, ce qui cause leur annulation réciproque. Si un champ magnétique agit sur le noyau de telle manière que sa composante H dans une section de noyau soit de même grandeur que la composante dans la deuxième section, mais de signe contraire (voir la fig. 2), l'aimantation donne naissance dans les deux sections du noyau aux flux magnétiques
02, 03 qui seront de signes contraires et les tensions induites par ces flux dans lesdites sections de la bobine de détection seront additionnées. Il en résulte une tension sur les bornes 5 et 6. Cette tension sera proportionnelle à l'intensité du champ
H.
En l'absence de flux 02 et 0s, ce sera la tension alternative engendrée par la variation du flux St t commun aux deux sections de la bobine de détection, qui circulera par ces bornes. La sonde différentielle électromagnétique ne réagit donc pas à un champ magnétique homogène. Toutefois, sous l'influence d'un champ magnétique ayant des composantes de grandeurs différentes dans chaque section du noyau, une tension prendra naissance dans la bobine de détection, qui sera approximativement proportionnelle à la différence des grandeurs de ces composantes.
Ce fait peut être déduit du raisonnement suivant.
Si une composante d'intensité Hl d'un champ magnétique agit dans la section gauche du noyau, et une composante H2. dans la section droite (voir la fig. 3), on peut remplacer cette distribution de champ approximativement par le couple t H et - H, et par la composante Hss, commune pour le noyau tout entier. On a pour la grandeur absolue H la relation suivante:
H = H.,-H1
2
Cette intensité H sera donc proportionnelle à la tension aux bornes 5 et 6 de la bobine de détection. La disposition extrêmement simple de la sonde différentielle électromagnétique a pour résultat une autre caractéristique importante, à savoir que l'on peut réaliser sa construction en utilisant des paramètres très petits.
Cela permet d'employer une telle sonde de mesure partout où l'on ne peut utiliser une sonde à deux noyaux, étant donné l'impossibilité de réaliser la construction de celle-ci avec des paramètres très petits.
Une autre caractéristique importante de cette sonde repose sur le fait que celle-ci ne réagit point sous l'effet de corps aptes à conduire l'électricité, qui s'approchent d'elle et qu'elle réagit uniquement au champ magnétique. Cela est réalisé, comme déjà remarqué, par l'effet d'écran électromagnétique exercé par la gaine 7 en matériau non magnétique, toutefois conduisant parfaitement l'électricité. L'épaisseur de l'écran dépend de la fréquence choisie du champ magnétisant.
Les sondes électromagnétiques jusqu'à présent connues, c'est-à-dire des sondes qui se distinguent par le flux magnétique non limité qui passe par l'air, donnent lieu à des erreurs importantes causées par l'approche de corps qui conduisent l'électricité.
I1 est donc impossible d'exécuter des mesures sensibles lorsqu'il faut disposer de tels corps à proximité de la sonde. Les erreurs peuvent donc être provoquées par l'approche de n'importe quel matériau conduisant l'électricité et par conséquent aussi par l'approche des matériaux ferromagnétiques.
Le flux alternatif magnétisant peut être clos par le noyau 8, comme indiqué sur la fig. 4. Cette forme d'exécution se distingue par l'avantage important qu'il fait diminuer d'une part le flux de dispersion alternatif, d'autre part l'intensité nécessaire du champ magnétisant, et enfin élimine en grande partie l'effet perturbateur de champs voisins à l'égard desquels elle présente un facteur de démagnétisation plus accentué. Elle est avantageuse avant tout dans le cas où la section de noyau pourvue d'enroulement, à savoir la partie de mesure, est exposée à l'effet du champ mesuré dans une proportion plus importante que l'autre section de noyau qui est plus éloignée du champ mesuré. Le noyau et ses enroulements sont également enfermés dans une gaine de manière semblable à la forme d'exécution précédente.
Les sondes décrites trouvent leur application partout où les mesures sont effectuées dans un champ magnétique perturbateur, le champ terrestre par exemple, ainsi que partout où il s'agit de mesures ou d'indication de champs notablement non homogènes, c'est-à-dire déformés et quand la magnétisation préalable par le champ mesuré est inégale dans l'étendue de la longueur de noyau. Ainsi, on peut l'utiliser par exemple dans des appareils destinés aux mesures des défauts de matériaux par la méthode magnétique, étant donné que ces défauts engendrent des champs de dispersion courbés. En outre, on peut l'employer avec fruit pour les mesures du gradient magnétique, dans des appareils destinés aux mesures de la force coercitive, pour les mesures de la propriété non magnétique des matériaux, de la susceptibilité, etc.
Deux exemples typiques montrent la façon d'utiliser dans la pratique les qualités des sondes décrites.
Le premier exemple concerne un appareil destiné aux mesures du champ coercitif des matériaux magnétiques que l'on peut effectuer sans être obligé de fabriquer des échantillons spéciaux en utilisant des morceaux de tôle très minces. L'objet mesuré, dans ce cas un morceau de tôle, est magnétisé avant l'exécution de la mesure au moyen d'un fort champ magnétique de manière que le champ démagnétisant de la partie magnétisée soit élevé, par exemple en créant un champ dont les lignes de force ont la direction de rayons radialement divergents, comme le montre la fig. 5. Cela peut être obtenu par exemple à l'aide d'un aimant dont l'axe est perpendiculaire à l'objet mesuré (voir la fig. 6 où le chiffre 9 représente l'objet mesuré et le chiffre 10 I'aimant).
Après la magnétisation, un champ reste dans le matériau et en sa proximité immédiate dont la distribution est la même que celle du champ magnétisant et dont la grandeur est très voisine de la grandeur de la force coercitive Hc grâce au grand facteur démagnétisant de la pièce de tôle. La mesure de ce champ, et par suite aussi de Hc, peut être exécutée avec succès à l'aide des sondes décrites. Sur la fig. 7 est présenté de manière schématique le dispositif complet. On pose la sonde différentielle électroma gnétique 10 sur l'objet magnétisé radialement (la tôle 9 par exemple).
La sonde différentielle électromagnétique 10 a son enroulement magnétisant 2 alimenté par la source du courant alternatif 11, et aux bornes d'enroulement de détection 5 et 6 est connecté l'amplificateur 12 par lequel est alimenté (après redressement du courant) l'indicateur 13 présentant une échelle sur laquelle on peut lire directement l'intensité du champ Hc. Le noyau de la sonde 1 est aimanté par le champ d'intensité- Hc qui présente dans lesdites sections du noyau des directions de sens contraire. A l'aide du condensateur 14 on peut agir non seulement sur l'inctance propre de la bobine de détection mais aussi sur le circuit de résonance pour la deuxième harmonique. Cette méthode de mesure peut être utilisée pour effectuer des mesures sur les matériaux magnétiques même les plus doux.
Le deuxième exemple d'utilisation concerne la mesure de la force coercitive de matériaux magnétiques doux et durs par la méthode de démagnétisation. Cette mesure est effectuée couramment dans un solénoïde dont le champ électromagnétique est réglable, l'échantillon mesuré étant démagnétisé après avoir été préalablement complètement aimanté et l'intensité du champ lorsque l'échantillon devient non magnétique étant égale à celle du champ coercitif H,..
On utilise en général, en qualité d'indicateur d'intensité zéro de magnétisation de l'échantillon, une bobine rotative, dans laquelle le champ magnétique de l'échantillon sert par induction à mesurer le degré de magnétisation.
La bobine est actionnée par un moteur. Pendant ces mesures, le champ extérieur perturbateur, avant tout le champ terrestre, doit être compensé avant l'exécution des mesures en utilisant par exemple un champ auxiliaire, cela en supposant qu'aucune variation du champ perturbateur ne se produira pendant les mesures, ce qui d'ailleurs n'est pas le cas en général. La bobine rotative ne peut pas non plus être fabriquée en miniature ce qui empêche la réalisation de mesures exécutées en utilisant des échantillons trop petits. De même, la mise en place d'échantillons cause des difficultés, étant donné l'impossibilité de choisir ceux-ci arbitrairement selon les besoins.
Les sondes différentielles décrites éliminent ces inconvénients. La mise en place d'une sonde à l'in térieur du solénoïde 16 en relation avec l'échantillon mesuré 15 est représentée sur la fig. 8. La sonde différentielle électromagnétique 10 est présentée de manière schématique exclusivement par son noyau 1.
Il faut mentionner en outre que le noyau de la sonde ne doit pas être nécessairement droit, mais qu'en cas de besoin, il peut être aussi courbé.