Sonde Courant de Foucault à capteurs magnétiques pour le contrôle de matériaux magnétiques

Sonde Courant de Foucault à capteurs magnétiques pour le contrôle de matériaux magnétiques B. Marchand, JM. Decitre, CEA LIST, France T. Sollier, G. Cattiaux, IRSN/DSR/SAMS, Fontenay-aux-Roses, France Ces développements ont été réalisés dans le cadre d un partenariat entre le CEA-LIST et l IRSN JOURNEES COFREND, 20-22 mai, Bordeaux - France

Contexte Les aciers ferritiques sont couramment utilisés dans le domaine nucléaire (16 ou 18MND5 par exemple) La détection précoce des défauts est un atout pour la surveillance des installations nucléaires Les méthodes et technologies utilisées doivent être performantes et sûres pour assurer des contrôles efficaces: Sensibilité, Fiabilité, Inspection rapide et Efficace Difficultés liées à la nature même des pièces contrôlées: Propriétés des matériaux magnétiques Perméabilité magnétique élevée Champ magnétique rémanent Géométrie complexe des pièces Variation de géométrie Zones difficiles d accès

Profondeur de pénétration (mm) Sensibilité [db] Propriétés des aciers ferritiques (1/2) Pénétration des courants induits dans l épaisseur du matériau Js = amplitude de la densité surfacique σ = conductivité électrique µ = perméabilité magnétique Sensibilité ( et bobine) en fonction de la fréquence 10 4 - bobine - bobine 10 3 Variation de δ en fonction de la fréquence 10 2 δ mag.mat fréquence (Hz) Titane Inconel 600 Inox Alliage d aluminium Aluminium Fer 10 1 coil 10 0 10 2 10 3 10 4 Fréquence Fréquence [Hz] (Hz) 10 5 La détection de défauts sub-surfaciques nécessite l utilisation de basses fréquences (effet de peau). Pour les matériaux magnétiques, la fréquence doit être d autant plus basse que leur perméabilité magnétique est élevée A dimension équivalente, les capteurs magnétiques sont plus sensibles que les bobines et plus adaptés aux sondes ME

Propriétés des aciers ferritiques (2/2) Cycle d hystérésis: B = µh µ= perméabilité magnétique µ = µr. µ0 µr > 1 si le matériau est magnétique Champ rémanent saturation Domaines de Weiss aimantation // champ appliqué 1 ière aimantation Domaines de Weiss aimantation // champ appliqué saturation Domaines de Weiss PAS D AIMANTATION Absence de champ extérieur Les capteurs magnétiques sont sensibles à toutes les variations de champ magnétique extérieur Le champ rémanent susceptible d être présent dans la pièce inspectée perturbe le signal mesuré par le capteur fausse alarme ou mauvais RSB

Inspection d un acier ferritique avec un capteur magnétique (1/3) Cas #01: sans défaut, sans champ magnétique rémanent Tension de sortie (V) en fonction du champ Tension de sortie (V) en fonction du temps V (t) Tension de sortie (V) après démodulation Caractéristique de la S: polarisation Réponse avant démodulation f= feddy current Signal après démodulation PAS de défaut PAS de chp rémanent Fréquence du chp mag = Fréquence des CF V (H): caractéristique de la V (t): tension donnée par la [V] V (t): tension du signal en amplitude V (t), Après démodulation [V] H POL : champ magnétique requis pour polariser la [A/m] H CF (t): variation du champ magnétique à la fréquence des CF (induits dans l émetteur) [A/m] S: point de polarisation sans chp remanent S : point de polarisation en présence d un chp rémanent

défaut Inspection d un acier ferritique avec un capteur magnétique (2/3) Cas #02: avec un défaut, sans champ magnétique rémanent Tension de sortie (V) en fonction du champ Tension de sortie (V) en fonction du temps Tension de sortie (V) après démodulation S: polarisation V (t) Réponse avant démodulation V(t) Signal après démodulation Caractéristique de la f= feddy current défaut défaut Variation de l amplitude La variation de la tension de sortie de la après démodulation synchrone indique la présence d un défaut

Chp rémanent défaut Inspection d un acier ferritique avec un capteur magnétique (3/3) Cas #03: avec un défaut, avec champ magnétique rémanent Tension de sortie (V) en fonction du champ Tension de sortie (V) en fonction du temps Tension de sortie (V) après démodulation polarisation V V (t) (t) Chp remanent rémanent field V(t) Signal après demodulation Caractéristique de la défaut défaut Chp rémanent Variation 1 Variation 2 Après démodulation, 2 variations de la tension de sortie: Absence ou mauvaise détection du défaut Fausse alarme

Développement d une sonde CF innovante intégrant des capteurs magnétiques () Electronique embarquée pour contrôler la polarisation des capteurs magnétiques Développement d un premier démonstrateur Interrupteur on/off du circuit électronique z x Démonstrateur vue de dessus y Inducteur: bobine Distance E/R ajustable Capteur : mesure de la composante verticale du chp (Bz) bobine Démonstrateur vue de dessous

Développement d une sonde CF innovante intégrant des capteurs magnétiques () Validation expérimentale sur une plaque magnétique (16MND5) contenant 2 trous Maquette: 16MND5 - σ = 2.08 MS/m - µ = (estimé) Trou #1: Diamètre: 5mm Prof: 2.5mm Un aimant est posé pour créer un chp rémanent puis il est retiré Trou #2: Diamètre: 4mm Prof: 2mm z y x CSCAN expérimental à 70kHz: capteur magnétique sans circuit électronique trou #1 Chp rémanent trou #2 CSCAN expérimental à 70kHz: capteur magnétique avec circuit électronique trou #1 Chp rémanent trou #2 Meilleure détection des trous, amélioration du RSB Le signal du au chp rémanent a presque disparu

Développement d une sonde CF innovante intégrant des capteurs magnétiques () Validation expérimentale sur un cylindre en 18MND5 CSCAN de l entaille #01 depuis la surface externe Entaille 1 : L=20mm / l=0.2mm / H=9.5mm (ligament = 2mm) f = 1kHz CSCAN (module) f = 1kHz circuit off CSCAN (module) f = 1kHz circuit on y x y x Sans le circuit d asservissement l entaille est quasiment indétectable Grâce au circuit, l entaille est détectée avec un bon RSB

Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Flexibilité Réduction du bruit d entrefer amélioration du RSB Inspection de pièces à géométrie complexe Meilleure accessibilité Multiélément Augmentation de la largeur inspectée Contrôle plus rapide Résolution spatiale compatible des défauts recherchés 10th ICNDE, October 1-3, Cannes, France

Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Etude paramétrique sous CIVA Conception de la sonde Inducteur = nappe de courant gravée sur film souple Récepteur = matrice de 8 (2x4), reportées sur film souple Flip-chip Bx orientation 1 lobe unique y Facilité d interprétation x défaut Courant induit CSCAN composante Bx CSCAN - composante By CSCAN - composante Bz - + - Axe sensible selon x - + - + - - + - + f = 1MHz f = 1MHz f = 1MHz Rque: Dans cet exemple le défaut est surfacique, ce qui impose une fréquence relativement élevée 1MHz

Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Etude et optimisation des paramètres sous CIVA Evaluation de la disparité inter-éléments CSCAN (module) f = 220Hz au centre du réseau A1max Défaut : L = 10mm, l=0.15mm, h=2mm (lig = 8mm) à l extrémité du réseau A2max/A1max 6% CSCAN (module) f = 220Hz A2max Disparité inter-élément = 6% (pire cas) Bonne homogénéité des éléments de la matrice Rque: La fréquence basse de 220Hz a été optimisée en fonction du ligament du défaut et des propriétés du matériau 10th ICNDE, October 1-3, Cannes, France

Largeur de la matrice Largeur de la matrice Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Etude et optimisation des paramètres sous CIVA Définition du pas de mesure CSCAN (module), scan = 1 ligne Entaille: L = 10mm / l = 0.15mm / H = 8mm (Lig = 2mm) CSCAN (module), scan = 1 ligne Entaille: L = 10mm / W = 0.15mm / H = 2mm (Lig = 8mm) f = 3.5kHz f = 220Hz Le nombre d éléments en suffisant pour assurer la détection du défaut spécifié avec un bon RSB Validation de la résolution spatiale de la sonde

Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Développement de la sonde film flexible 4 couches E/R fonctions séparées connectées en Flip-Chip 1 bobine de polarisation pour les 8 Technologie Kapton Electronique embarquée Amplifications Emission Réception (amplificateurs différentiels) Circuit d asservissement de la polarisation des 1 seule bobine mise en œuvre d un multiplexeur (8 1) piloté par CPLD Forte intégration pour réduire la taille du PCB et donc de la sonde

Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Développement de la sonde Utilisation manuelle ou mécanique PRESENTATION DE LA SONDE SUR LE STAND DU CEA LIST / STATICE Electronique embarquée Support flexible Film souple Inducteur s Bobine de polarisation 10th ICNDE, October 1-3, Cannes, France

line line line line line Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Résultats expérimentaux acier inox entaille surfacique L=5mm l = 0.2mm H=3mm mm lignes Entaille surfacique La sonde effectue un balayage de la pièce 1.4 1.4 lignes avec un pas de 0.5mm 1.2 1.2 3.5 1 1 3 0.8 0.8 Le multiplexeur permet de piloter les consécutivement 2.5 0.6 0.6 2 0.4 0.4 Dans cet exemple: 4 activées 4 cartographies 0.2 0.2 1.5 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 30 35 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 30 35 CSCAN (module), #01 2 1.5 1 0.5 mm 1.5 1 0.5 f = 0kHz CSCAN (module), #03 2 f = 0kHz 2 1.5 1 0.5 2 1.5 1 0.5 CSCAN (module), #02 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 mm f = 0kHz CSCAN (module), #04 f = 0kHz 4 3 2.5 2 1.5 3 2.5 2 1.5 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 30 35 mm 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 mm 2 5.19 La localisation du défaut dépend 1.5 1.5 de la position de la dans la matrice 5.188 1 1 Bon RSB 5.186 0.5 0.5 même signal (forme et amplitude) pour les toutes les bonne homogénéité 5.184 5 10 15 20 25 305 3510 15 20 25 30 35 5 10 15 20 25 30 35 Fonctionnement correct du multiplexeur 2 5 10 15 20 25

line Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Résultats expérimentaux plaque inox entaille surfacique L=5mm l = 0.2mm H=3mm 1 CSCAN avec 8 s pilotées en même temps Balayage = 1 seule ligne Chaque ligne = signal d une 1 CSCAN (module), f = 0kHz 1 ligne 2 3 mm Entaille surfacique 4 5 6 7 entaille (5mm) 8 L entaille est détectée par 3 Bon RSB mm

Sonde CF flexible multiélément intégrant une matrice de capteurs magnétiques () Résultats expérimentaux Cylindre inox diamètre = 134mm, épaisseur = 12 mm 7 entailles longi en paroi interne (longueur 10 and 20 mm), avec différents ligaments entaille #05: L = 10mm, l = 0.15mm, H = 10mm Inspection par la surface externe ligament = 2mm CSCAN (partie réelle), #01 entaille#05 CSCAN (partie imaginaire), #01 entaille #05 f = 10kHz f = 10kHz Rque: Dans cet exemple le défaut est sub-surfacique avec un ligament tel que le fréquence optimale de détection est égale à 10kHz Bon RSB (~20dB) Possibilité d inspecter des pièces complexes

Conclusions Les capteurs magnétiques offrent des atouts (petites dimensions, large bande passante, coût) mais sont sensibles au champ magnétique rémanent. Une électronique spécifique est nécessaire Un démonstrateur intégrant un capteur magnétique a été développé. Les résultats expérimentaux démontrent la capacité de la sonde à inspecter des pièces magnétiques Une sonde flexible CF, intégrant une matrice de 8 a été développée Les résultats expérimentaux sont prometteurs. D autres essais doivent être réalisés sur des pièces magnétiques à géométrie complexe 10th ICNDE, October 1-3, Cannes, France

MERCI POUR VOTRE ATTENTION! Benoit Marchand benoit.marchand@cea.fr 06 84 02 35 25