La mesure du courant impulsionnel délivré par le système d’émission dans la bobine de l’EMAT par la sonde de Rogowski étant maîtrisée, il est intéressant de mesurer l’induction magnétique dynamique rayonnée par la bobine dans l’entrefer d’air séparant l’EMAT du milieu inspecté, pour comparer ses variations spatiales et temporelles aux résultats de simulation obtenus par CIVA CF. Cette mesure de champ magnétique est effectuée à l’aide d’un capteur de flux magnétique conçu au CETIM (Figure 5.100). Ce capteur est conceptuellement très simple, il est composé de deux spires de fil conducteur enroulées autour d’une gaine plastique. Les fils conducteurs sont torsadés de façon à opposer leurs effets inductifs pour réduire leur sensibilité aux parasites et aux phénomènes résonants liés à son inductance ‘self’.
Figure 5.100 : Schéma (gauche) et photo (droite) du capteur de flux magnétique fabriqué au CETIM.
Le signal temporel mesuré par cette sonde obéit à la loi de Faraday. Pour une hauteur donnée dans l’entrefer et une position spatiale connue relative à la bobine de l’EMAT, le capteur mesure la dérivée temporelle du flux magnétique ϕ(𝐱, t) traversant la surface S formée par les deux spires de mesure en une position 𝐱 et un instant t. La surface S étant très petite devant celle de la bobine de l’EMAT (S = 23.8 mm2 et S
bobine= 1260 mm2), la mesure est directement reliée à la dérivée temporelle de la
composante normale (selon z) de l’induction dynamique 𝐁𝐝(𝐱, t) rayonnée par la bobine de l’EMAT : dΦ(𝐱, t) dt = d dt[∬ 𝐁(𝐱, t). 𝐝𝐒S ] = d dt[∬ 𝐁S 𝐝(𝐱, t). 𝐧 dS] ≈ S. dBdz(𝐱, t) dt . (5.1)
Les mesures du flux magnétique sont réalisées à une hauteur fixe dans l’entrefer, en différentes positions spatiales sous la bobine de l’EMAT alimentée par le courant impulsionnel, mesuré en parallèle par la sonde de Rogowski, pour accéder aux variations spatiales et temporelles de la composante normale de l’induction magnétique dynamique rayonnée. Elles ont été menées dans deux configurations ne différant que par le milieu testé, conducteur amagnétique (aluminium) ou ferromagnétique (acier doux), afin d’observer l’influence des propriétés magnétiques du milieu inspecté sur l’induction magnétique dynamique induite par l’EMAT. Le dispositif de mesures magnétiques est illustré sur la Figure 5.101.
Figure 5.101 : Montage expérimental de la mesure de flux magnétique dynamique rayonné dans l’entrefer (visible au centre) par l’EMAT didactique placé sur un bloc d’acier doux (gauche et centre) et sur un bloc d’aluminium (droite).
L’EMAT est alimenté par le système d’émission du CETIM et placé sur la pièce inspectée. La sonde RCWT mesure le courant injecté dans la bobine, qui sert de déclencheur à l’oscilloscope pour la mesure de flux. L’entrefer entre l’EMAT et le bloc matériau est maintenu constant à 4 mm à l’aide de deux plaques de plastique qui guident le déplacement du capteur de flux (au centre de la Figure 5.101). De cette façon, les positions verticale et horizontale du capteur de flux sont maîtrisées, et une position verticale de 2.5 mm dans l’entrefer est maintenue. La dérivée temporelle du flux magnétique dynamique
est ainsi mesurée à différents incréments spatiaux sous la bobine, à hauteur fixe dans l’entrefer. Les Figure 5.102 et Figure 5.103 présentent les résultats de mesures lorsque l’EMAT est en regard d’un bloc d’aluminium, puis d’acier doux. Elles comprennent les mesures du courant injecté (en haut à gauche), des variations temporelles de la composante normale d’induction dynamique (estimée en intégrant l’équation (5.1)) dans l’entrefer à une position centrale sous la bobine (en haut à droite), et comparent les spectres (normalisés) des signaux temporels mesurés (en bas).
Figure 5.102 : Mesure de l’induction dynamique normale (en haut à droite) rayonnée au centre de la bobine alimentée d’un courant impulsionnel (en haut à gauche) dans le cas du bloc d’aluminium, et comparaison des spectres (en bas).
Figure 5.103 : Mesure de l’induction dynamique normale (en haut à droite) rayonnée au centre de la bobine alimentée d’un courant impulsionnel (en haut à gauche) dans le cas du bloc d’acier doux, et comparaison des spectres (en bas).
L’induction dynamique normale est maximale au centre de la bobine. En cette position, on relève une valeur pic d’induction dynamique de l’ordre de 50 mT dans le cas de l’aluminium, et de 100 mT dans le cas de l’acier doux. L’augmentation dans le cas de l’acier doux est naturellement associée à ses propriétés magnétiques. Ces intensités restent faibles comparées à celle de l’induction statique délivrée par le bloc d’aimants permanents de l’EMAT, malgré la très forte intensité d’excitation électrique injectée (environ 185 A pour les impulsions visualisées). On observe la proportionnalité entre l’induction magnétique dynamique et le courant électrique qui lui a donné naissance, notamment visible sur leurs spectres respectifs. Elle est flagrante dans le cas de l’aluminium (amagnétique), les deux signaux temporels présentant un contenu spectral quasiment identique avec une fréquence centrale de 2 MHz, fréquence fondamentale du courant I(t) injecté (voir section 5.1.2). Cette linéarité est également observée dans le cas de l’acier doux (ferromagnétique), bien qu’une composante continue et un phénomène résonant (de fréquence de l’ordre de 17 MHz) s’ajoutent au contenu fréquentiel de l’excitation électrique initiale. Ces écarts ne correspondent pas à la fréquence de résonance du capteur de flux (estimée à 1.2 MHz) et pourraient provenir du comportement magnétique de l’acier doux. La mesure est ensuite répétée pour différents incréments horizontaux de la sonde sous l’EMAT afin d’étudier les variations spatiales de l’induction dynamique normale rayonnée par la bobine émettrice et les comparer aux simulations CIVA CF. L’EMAT didactique est décrit dans la simulation avec une attention particulière portée sur la modélisation précise de la bobine inductrice, les paramètres de conception étant donnés au paragraphe 5.1.1. Le signal temporel numérisé du courant impulsionnel mesuré par la sonde de Rogowski est injecté en entrée de la simulation. Les comparaisons des résultats mesurés et simulés d’induction normale maximale en fonction de la position du capteur de flux sont illustrées par les figures Figure 5.104 et Figure 5.105, pour l’aluminium et l’acier doux, révélant un très bon accord, à la fois qualitatif et quantitatif. Pour les deux milieux testés, la valeur d’induction maximale est mesurée et prédite au centre de la bobine (autour de 27 mm) ; les positions d’induction nulle correspondent sur les courbes simulées et mesurées aux positions extrêmes de la bobine (autour de 10 mm et 42 mm), et enfin les pics secondaires d’induction magnétique sont prédits et mesurés en dehors de la face excitatrice de la bobine (zones [0 mm, 10 mm] et [45 mm, 55 mm]) avec une intensité similaire, de l’ordre de 20 % de celle du champ au centre de la bobine.
Figure 5.104 : Comparaison entre simulation et mesures des variations spatiales du maximum d’intensité de l’induction magnétique dynamique (normale) rayonnée à 2.5 mm dans l’entrefer entre l’EMAT et un échantillon d’aluminium.
Figure 5.105 : Comparaison entre simulation et mesures des variations spatiales du maximum d’intensité de l’induction magnétique dynamique (normale) rayonnée à 2.5 mm dans l’entrefer entre l’EMAT et un échantillon d’acier doux.
Les courbes sont affichées en valeur absolue ; on peut indiquer que le signe de l’induction dynamique normale dans ces zones est opposé à celui de l’induction au centre de la bobine, ce qui correspond au retour des lignes de champ magnétique à l’extérieur de la bobine de l’EMAT. Ces résultats de mesure sont très satisfaisants. Ils confirment la précision de la prédiction du champ d’induction magnétique dynamique par le module CIVA CF, y compris dans le cas de courant électrique de forte intensité et hautes fréquences. On constate tout de même dans l’acier doux un léger écart entre mesure et simulation pour les positions du capteur de flux dans la zone entre 45 mm et 55 mm, écart beaucoup moins visible dans le cas de l’aluminium. Cette légère différence pourrait s’expliquer par le retour du fil conducteur de la bobine à ce niveau de la sonde (Figure 5.94), engendrant une dissymétrie magnétique locale accentuée dans le cas de l’acier doux ferromagnétique. Cette dissymétrie n’affecte qu’un très faible angle solide, elle est également discutée dans le paragraphe 5.3.3.