Appareil pour la vérification d'un échantillon de matière conductrice par des courants de Foucault
La présente invention a pour objet un appareil pour la vérification d'un échantillon de matière conductrice par des courants de Foucault, comprenant au moins un ensemble de bobines coaxiales comportant deux bobines extérieures connectées électriquement ensemble et une bobine intérieure disposée entre elles.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce que les bobines extérieures sont connectées en série et en phase, en ce que les dimensions radiales de chaque bobine sont grandes comparativement à sa longueur axiale et à la distance axiale entre les centres des bobines extérieures, et en ce que des couches conductrices sont disposées entre la bobine intérieure et chaque bobine extérieure pour constituer un blindage magnétique et concentrer le couplage magnétique sur une courte longueur de l'échantillon.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe longitudinale de deux ensembles de bobines.
La fig. 2 est une vue d'une des bobines à spire unique.
La fig. 3 est un schéma simplifié d'un appareil.
Les fig. 4 et 5 sont des diagrammes indiquant le type de champ magnétique produit par une bobine et la manière suivant laquelle ses composantes varient avec le déplacement le long de l'axe.
La forme d'exécution particulière représentée est destinée à l'essai par courants de Foucault à vitesse élevée de tubes et de tiges et en particulier d'un tube présentant un diamètre extérieur de l'ordre de 3 mm (1/8"). Comme représenté à la fig. 1, l'appareil comprend deux ensembles de bobines comprenant chacun une bobine primaire 10 disposée entre une paire de bobines secondaires 12 et 14 conjointement avec quatre disques annulaires de blindage en une matière magnétique de perméabilité élevée dont deux numérotés 16 sont montés entre l'enroulement primaire et les enroulements secondaires adjacents et les deux autres 18 sont montés sur les côtés opposés des enroulements secondaires.
Comme représenté à la fig. 2, chaque bobine primaire et chaque bobine secondaire consiste en une spire unique d'une matière conductrice telle que du cuivre constituée par un disque annulaire présentant une fente radiale 20 et des pattes inclinées 21 pour la connexion extérieure. Chaque disque magnétique peut également présenter une fente radiale pour diminuer l'amplitude des courants de Foucault induits dans celui-ci. Les diamètres intérieurs des bobines et des disques de blindage sont tous égaux de manière à laisser le jeu requis minimum entre eux et l'échantillon. Chaque bobine et chaque anneau de blindage peut avoir une épaisseur de 0,051mu.
Chaque ensemble de bobinage en sandwich est assemblé pour former une unité pleine ou bloc en intercalant, entre les blindages et les bobines, de l'isolation sous forme de disques minces en papier imprégnés d'une substance isolante et adhésive telle qu'une résine époxy (par exemple, celle connue sous le nom de Araldite ), et les deux ensembles de bobinages sont montés entre trois organes d'espacement tubulaires isolants 24 et 25.
Dans le schéma de lafig. 3, les deux enroulements primaires 10 des deux ensembles de bobinages sont connectés en série l'un avec l'autre et avec une résistance 30 à une source de courant alternatif tel qu'un amplificateur basse fréquence 28 de 15 watts alimenté à partir d'un oscillateur 29 de 10 kilocycles par seconde. Un courant primaire d'un ampère peut convenir. Les deux enroulements secondaires de chaque ensemble sont connectés ensemble en phase et les deux paires d'enroulements secondaires sont connectées en opposition aux bornes de l'enroulement primaire d'un transformateur d'entrée 31.
L'enroulement secondaire de ce transformateur est connecté à un amplificateur 32 de sélection de fréquence dont la sortie alimente une unité de compensation 33 dans laquelle la tension de sortie est équilibrée par rapport à une tension de polarisation constante obtenue à partir de l'amplificateur 28. De là, tout signal d'erreur dû à un manque d'équilibrage ou d'accord précis entre les deux ensembles de bobinages ou à d'autres facteurs extérieurs, peut tre équilibré de sorte qu'un échantillon uniforme donne une tension de sortie nulle à partir de l'unité de compensation 33 et un signal n'est obtenu que lorsqu'une discontinuité traverse les ensembles de bobinages.
La tension de sortie de l'unité de compensation est amenée à un amplificateur 34 et à un détecteur 35 sensible à la phase, dans lequel la phase du signal est comparée à celle de la tension d'entrée provenant de l'amplificateur 28. La tension continue provenant du détecteur sensible à la phase alimente un amplificateur à courant continu et un enregistreur 36.
Les bobines secondaires d'un ensemble de bobinages sont placées près de leur bobine primaire et sont blindées de manière à limiter leur effet à une courte longueur du spécimen ou échantillon, mais les deux ensembles de bobinages sont séparés d'une distance suffisante pour s'assurer que l'action réciproque magnétique entre eux soit négligeable et qu'une discontinuité affectant l'un n'affectera pas l'autre.
Divers types d'ensembles de bobines ont été utilisés jusqu'à présent pour l'essai d'échantillons allongés par courants de Foucault. Dans quelques cas, la disposition est telle qu'elle induit des courants de
Foucault sur une longueur relativement grande du tube, ce qui rend difficile d'obtenir des indications notables à partir de petits défauts, puisque le défaut ne représente qu'une très petite proportion de la longueur de l'échantillon dans lequel des courants de
Foucault sont produits et détectés.
Pour surmonter cette difficulté, il a été proposé de localiser les courants de Foucault par un blindage magnétique, par exemple par un écran de forme toroidale avec un espace d'air annulaire entourant l'échantillon. Cependant, la fuite du flux à partir de l'espace d'air dans la pièce d'essai peut devenir négligeable et les amplitudes des courants induits deviennent trop petites pour permettre la détection de défauts. Egalement lorsque le champ magnétique est localisé sur une courte longueur de l'échantillon, la proportion de composantes radiales par rapport aux composantes axiales augmente. La fig. 4 montre le type général de champ produit par un enroulement primaire.
Comme indiqué à la fig. 5, le champ axial
Hz est symétrique par rapport au plan de la bobine de sorte que les courants engendrés par ce champ dans l'échantillon dans les plans des deux bobines secondaires placées symétriquement sur les côtés opposés de celui-ci seront en phase. D'autre part, le champ radial Hr change de signe en passant à travers le plan de l'enroulement primaire, de sorte que des courants engendrés par celui-ci seront de phases opposées dans les plans secondaires. En outre, tandis que des courants de Foucault dus à la composante axiale sont indépendants de la vitesse à laquelle l'échantillon est déplacé à travers la bobine primaire, des courants de Foucault induits par la composante radiale (désignés souvent comme courants induits dynamiquement) ont une amplitude proportionnelle à la vitesse relative entre la pièce d'essai et la bobine.
En utilisant un bobinage symétrique avec les deux enroulements secondaires connectés en phase, la tension totale induite dans les deux enroulements secondaires n'est affectée que par des variations de la composante axiale du champ et non par des variations de sa composante radiale.
Les deux ensembles de bobinages doivent tre suffisamment espacés l'un de l'autre. En premier lieu, si les deux ensembles sont près l'un de l'autre, une condition asymétrique apparaît dans chaque ensemble du fait de la proximité de l'autre ensemble et un signal déséquilibré est engendré, proportionnel à la vitesse de déplacement de la pièce d'essai. Ceci est parfois un inconvénient en pratique car une vitesse constante ne peut pas toujours tre maintenue.
En outre, avec deux ensembles de bobinages espacés d'une distance suffisante pour s'assurer qu'une discontinuité particulière dans l'échantillon affecte l'un d'eux et pas l'autre, toutes les perturbations seront pratiquement équilibrées à l'exception de celles dues à une telle discontinuité.
L'appareil décrit comprend deux ensembles de bobines compacts qui induisent des courants de Foucault dans un volume très réduit de la pièce d'essai et permettent la détection de défauts extrmement petits. Etant donné qu'aucune carcasse ou support de bobine n'est nécessaire, le jeu entre les périphéries intérieures des bobines primaire et secondaires et des blindages, d'une part, et l'échantillon d'autre part, peut tre réduit à un chiffre très petit (0,3 mm (0,012") dans la forme d'exécution décrite) de sorte qu'un couplage magnétique de rendement élevé est réalisé. Ceci peut tre obtenu mme avec des échantillons de section transversale non circulaire, par exemple elliptique ou mme de sections irrégulières. Ce couplage serré et la forme des bobines permettent d'utiliser suffisamment de courant pour induire un flux satisfaisant dans l'échantillon.
Il est possible d'exciter les bobines primaires avec un courant comprenant des composantes de différentes fréquences comportant des fréquences relativement basses pour pénétrer profondément dans l'échantillon et des fréquences plus élevées pour déceler des discontinuités superficielles. Le courant peut tre dérivé d'une source donnant une propor tion élevée d'harmoniques mais de préférence il a une forme d'onde carrée. Ceci peut, par exemple, tre produit par un interrupteur mécanique ou électronique à trembleur relié directement dans le circuit des enroulements primaires, ou dans le circuit d'entrée d'un amplificateur ayant sa sortie reliée aux enroulements primaires.
La vitesse rapide de variation du courant dans une forme d'onde carrée améliore le rapport entre la tension de sortie désirée en réponse à un défaut et des tensions de sortie indésirables dues par exemple, au déplacement de l'échantillon.
Diverses formes de bobines peuvent tre utilisées, telles que des bobines spirales ayant de préférence des spires d'une dimension radiale sensiblement plus grande que leur dimension axiale. De telles bobines peuvent tre formées par des techniques de circuit imprimé ou par placage ou encore par dépôt de métal sur un support isolant qui peut, par exemple, comprendre une mince couche isolante appliquée sur un disque magnétique adjacent formant écran. Chaque bobine peut comprendre une paire de telles spirales reliées ensemble à leurs rayons intérieurs et connectées respectivement à l'entrée ou à la sortie à leurs rayons extérieurs.
Lorsque la bobine consiste en une seule spire, elle esit de préférence usinée de façon précise à des dimensions prédéterminées. L'importance des caractéristiques d'uniformité et de stabilité ainsi que l'équilibrage des bobines est très grande puisque les signaux produits par un défaut ont souvent approximativement la mme amplitude que le signal qui serait produit si l'impédance de l'une des bobines variait d'un dix millième par rapport à l'impédance des autres bobines.
Apparatus for the verification of a sample of conductive material by eddy currents
The present invention relates to an apparatus for the verification of a sample of conductive material by eddy currents, comprising at least one set of coaxial coils comprising two outer coils electrically connected together and an inner coil disposed between them.
The apparatus according to the invention is characterized in that the outer coils are connected in series and in phase, in that the radial dimensions of each coil are large compared to its axial length and to the axial distance between the centers of the outer coils. , and in that conductive layers are disposed between the inner coil and each outer coil to provide magnetic shielding and to concentrate the magnetic coupling over a short length of the sample.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is a longitudinal section of two sets of coils.
Fig. 2 is a view of one of the single turn coils.
Fig. 3 is a simplified diagram of an apparatus.
Figs. 4 and 5 are diagrams showing the type of magnetic field produced by a coil and how its components vary with displacement along the axis.
The particular embodiment shown is intended for high speed eddy current testing of tubes and rods and in particular of a tube having an outside diameter of the order of 3 mm (1/8 "). As shown in Fig. 1, the apparatus comprises two sets of coils each comprising a primary coil 10 disposed between a pair of secondary coils 12 and 14 together with four annular shielding disks made of a high permeability magnetic material, two of which are numbered 16. are mounted between the primary winding and the adjacent secondary windings and the other two 18 are mounted on opposite sides of the secondary windings.
As shown in fig. 2, each primary coil and each secondary coil consists of a single turn of a conductive material such as copper constituted by an annular disc having a radial slot 20 and inclined tabs 21 for the external connection. Each magnetic disk can also have a radial slot to reduce the amplitude of the eddy currents induced therein. The inner diameters of the coils and shielding discs are all equal so as to leave the minimum required clearance between them and the sample. Each coil and each shield ring can be 0.051mu thick.
Each sandwich coil assembly is assembled to form a solid unit or block by interposing, between the shields and coils, insulation in the form of thin discs of paper impregnated with an insulating and adhesive substance such as epoxy resin. (for example, that known as Araldite), and the two sets of coils are mounted between three insulating tubular spacers 24 and 25.
In the diagram of lafig. 3, the two primary windings 10 of the two sets of windings are connected in series with each other and with a resistor 30 to an AC source such as a 15 watt low frequency amplifier 28 powered from an oscillator 29 of 10 kilocycles per second. A primary current of one ampere may be suitable. The two secondary windings of each set are connected together in phase and the two pairs of secondary windings are connected in opposition to the terminals of the primary winding of an input transformer 31.
The secondary winding of this transformer is connected to a frequency selection amplifier 32, the output of which feeds a compensation unit 33 in which the output voltage is balanced against a constant bias voltage obtained from the amplifier 28 From there, any error signal due to a lack of balance or precise tuning between the two sets of windings or to other external factors, can be balanced so that a uniform sample gives an output voltage. zero from the compensation unit 33 and a signal is only obtained when a discontinuity crosses the sets of windings.
The output voltage of the compensation unit is fed to an amplifier 34 and a phase sensitive detector 35, where the phase of the signal is compared to that of the input voltage from amplifier 28. The DC voltage from the phase sensitive detector powers a DC amplifier and recorder 36.
The secondary coils of a set of coils are placed near their primary coil and are shielded so as to limit their effect to a short length of the specimen or sample, but the two sets of coils are separated by a sufficient distance to s' ensure that the magnetic interaction between them is negligible and that a discontinuity affecting one will not affect the other.
Various types of coil assemblies have heretofore been used for testing elongated eddy current samples. In some cases, the arrangement is such that it induces currents of
Eddy over a relatively large length of the tube, making it difficult to obtain noticeable indications from small defects, since the defect represents only a very small proportion of the length of the sample in which currents of
Foucault are produced and detected.
To overcome this difficulty, it has been proposed to locate the eddy currents by magnetic shielding, for example by a toroidal shaped screen with an annular air space surrounding the sample. However, the flow leakage from the air space into the test room can become negligible and the magnitudes of the induced currents become too small to allow detection of faults. Also when the magnetic field is localized over a short length of the sample, the proportion of radial components to axial components increases. Fig. 4 shows the general type of field produced by a primary winding.
As shown in fig. 5, the axial field
Hz is symmetrical with respect to the plane of the coil so that the currents generated by this field in the sample in the planes of the two secondary coils placed symmetrically on the opposite sides of it will be in phase. On the other hand, the radial field Hr changes sign while passing through the plane of the primary winding, so that currents generated by it will be of opposite phases in the secondary planes. Further, while eddy currents due to the axial component are independent of the speed at which the sample is moved through the primary coil, eddy currents induced by the radial component (often referred to as dynamically induced currents) have an amplitude proportional to the relative speed between the test piece and the coil.
By using a symmetrical winding with the two secondary windings connected in phase, the total voltage induced in the two secondary windings is only affected by variations in the axial component of the field and not by variations in its radial component.
The two sets of coils must be sufficiently spaced from one another. First, if the two sets are close to each other, an asymmetric condition appears in each set due to the proximity of the other set and an unbalanced signal is generated, proportional to the speed of movement of the test piece. This is sometimes a drawback in practice because a constant speed cannot always be maintained.
Also, with two sets of coils spaced a sufficient distance apart to ensure that a particular discontinuity in the sample affects one of them and not the other, all disturbances will be virtually balanced except those due to such a discontinuity.
The disclosed apparatus comprises two compact coil assemblies which induce eddy currents in a very small volume of the test piece and allow the detection of extremely small defects. Since no casing or coil support is necessary, the clearance between the inner peripheries of the primary and secondary coils and the shields, on the one hand, and the sample on the other hand, can be reduced to one figure. very small (0.3 mm (0.012 ") in the embodiment described) so that a high efficiency magnetic coupling is achieved. This can be obtained even with samples of non-circular cross section, for example elliptical or even with irregular sections This tight coupling and the shape of the coils make it possible to use sufficient current to induce a satisfactory flux in the sample.
It is possible to excite the primary coils with a current comprising components of different frequencies with relatively low frequencies to penetrate deep into the sample and higher frequencies to detect surface discontinuities. The current can be derived from a source giving a high proportion of harmonics but preferably it has a square wave form. This can, for example, be produced by a mechanical or electronic shaker switch connected directly in the circuit of the primary windings, or in the input circuit of an amplifier having its output connected to the primary windings.
The rapid rate of current change in a square waveform improves the ratio of the output voltage desired in response to a fault to unwanted output voltages due, for example, to sample displacement.
Various forms of coils can be used, such as spiral coils preferably having turns of a radial dimension which is substantially greater than their axial dimension. Such coils can be formed by printed circuit techniques or by plating or even by depositing metal on an insulating support which can, for example, comprise a thin insulating layer applied to an adjacent magnetic disk forming a screen. Each coil may comprise a pair of such spirals connected together at their inner spokes and respectively connected at the inlet or outlet at their outer spokes.
When the coil consists of a single turn, it is preferably precisely machined to predetermined dimensions. The importance of the characteristics of uniformity and stability as well as the balancing of the coils is very great since the signals produced by a fault often have approximately the same amplitude as the signal which would be produced if the impedance of one of the coils varied by one ten thousandth compared to the impedance of the other coils.