UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL
FACULTÉ DES SCIENCES
Rabat
N° d’ordre : 2338THESE DE DOCTORAT
Présentée par
KHALID LARAKI
Discipline : Physique
Spécialité : Instrumentation Nucléaire
Titre : Conception et Réalisation de Nouveaux Types de Jauges
Radiométriques et Leurs Applications en Industrie
Soutenue le : 25/05/2007
Devant le Jury :
Président
• M. M. LFERDE
Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat
Examinateurs
• Mme R. CHERKAOUI EL MOURSLI
Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat
• M R. ALAMI
Chercheur au CNESTEN, Responsable de la Division Instrumentation et Applications Industrielles des Rayonnement Ionisants
• M A.FAHLI
Professeur à la Faculté des Sciences, Ben Msik, Casablanca
• M M.LAKHLOUFI
Professeur au CNRST, Rabat
• Mme N.EL KHAYATI
Avant Propos
Ce travail a été mené en collaboration entre le Laboratoire de Physique Nucléaire de la Faculté des Sciences de Rabat et celui d’Instrumentation et des Applications Industrielles des Rayonnements Ionisants du CNESTEN.
Qu’il me soit permis d’adresser ma profonde reconnaissance à madame RAJAA CHERKAOUI EL MOURSLI, professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, pour m’avoir accueilli au sein de son laboratoire, et pour la confiance qu’elle m’a témoigné le long de ce travail. Sa disponibilité et son constant souci de faire avancer nos recherches m’ont poussé à donner le meilleur de moi même. Sa lecture attentive de ce document, ses conseils et ses remarques se sont avérés judicieux et ont grandement aidé à améliorer ce mémoire. Je la remercie aussi de sa présence parmi le jury de thèse.
Mes sincères remerciements vont à monsieur RACHAD ALAMI, Chercheur au CNESTEN, Responsable de la Division Instrumentation et Applications Industrielles des Rayonnement Ionisants, pour avoir suivi ce travail de recherche avec un grand intérêt, son aide et ses conseils m’ont grandement facilité la tâche. Je le remercie également de sa présence parmi le jury de cette thèse.
A monsieur KHALID EL MEDIOURI, Directeur Général du CNESTEN, de m’avoir autorisé à préparer cette thèse en parallèle à ma tache en tant que responsable de l’entité Electronique et Instrumentation Nucléaire du CNESTEN. Je ne peux que lui être reconnaissant et je le remercie pour son aide et son soutien tout au long de la réalisation de ce travail.
Ma gratitude à monsieur ABDELMAJID CAOUI, Secrétaire Général du CNESTEN, qui m’encourageait à réaliser cette thèse et me soutenait chaque fois qu’il était nécessaire.
Ma reconnaissance à monsieur MOHAMED LFERDE, Professeur et Chef du Département de Physique à la Faculté des Sciences de Rabat, pour son soutien et ses encouragements. Il me fait l’honneur de présider le jury de cette thèse.
A madame NAIMA EL KHAYATI, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, je tiens â exprimer ma profonde gratitude pour l’honneur qu’elle me fait en acceptant de juger ce travail.
Mes remerciements à monsieur AHMED FAHLI, Professeur à la Faculté des Sciences de Ben Msik-Casa, pour ses remarques et ses encouragements. Sa présence parmi le jury de cette thèse me fait honneur.
A monsieur MOHAMED LAKHLOUFI, Professeur au CNRST, pour son soutien, ses encouragements et sa présence parmi les membres du jury de cette thèse.
Messieurs A.CHARIF, M.HAMZAOUI, F.DAOUDDI, A.BENAHMED, L.BADRI, L.MARZOUG, M.ENNAGRE m’étaient toujours disponibles et m’encourageaient pour l’accomplissement de ce travail. Qu’ils trouvent ici l’expression de mes amitiés
J’exprime ma gratitude à mes parents, ma femme et mes enfants pour leur soutien et leurs encouragements.
Enfin, je tiens à remercier tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à l’aboutissement de ce travail.
RESUME
Les applications industrielles des techniques nucléaires sont diverses et variées, et leur importance peut se mesurer par leur effet induit sur l’amélioration de la qualité des produits, ainsi que du rendement et de l’efficacité des installations industrielles. Les plus utilisées au Maroc sont principalement les techniques de contrôles, d’installations, de process et de produits industriels telles que la radiographie industrielle par rayon X ou Gamma et les techniques de jauges radiométriques. Bien que l’importance des technologies à base de radioéléments sont indéniables, les opérateurs industriels marocains ne sont pas toujours conscients des énormes potentialités offertes par l’application de ces techniques au niveau national pour faire face à la concurrence étrangère.
Afin d’améliorer cette situation, notre laboratoire a élaboré des programmes de partenariat avec des opérateurs industriels marocains pour justement promouvoir ces techniques et leur utilisation afin de leur permettre d’optimiser leur système de production.
Nous assurons également un rôle de recherche-développement, « à la carte » qui reste l’une de nos priorités vu son importance et son impact sur le développement des techniques nucléaires en industrie.
Le présent travail de recherche-développement concerne deux applications typiques de jauges dans les secteurs de la métallurgie et de l’industrie pétrolière :
La première application consiste en la conception et la réalisation d’une jauge radiométrique destinée au contrôle en ligne des revêtements de galvanisation sur tôle d’acier.
La deuxième application concerne la conception et la réalisation d’une nouvelle génération de systèmes d’acquisition et de traitement de données associés aux jauges radiométriques, en prenant le cas d’une jauge Gamma-Ray Scanning pour le contrôle de colonnes de distillation.
La réussite de cette dernière expérience peut être élargie à d’autres secteurs et notamment le secteur de l’hydraulique pour le pilotage en temps réel, des opérations de désenvasement des retenues de barrages pour garantir une perte minimale d’eau.
L’exemple ci-dessus n’est pas unique, et d’une manière générale on peut dire que les immenses potentialités offertes par ce genre de techniques devraient encourager les industries privées à envisager le recours aux technologies à base de radioéléments pour faire face aux nombreux défis qu’elles rencontrent souvent. Mots-clefs : Jauges Radiométriques, Fluorescence X, Acquisition et Traitement de Données, Gamma-Ray scanning, Système Expert
Table des Matières
Table des Matières ... 1
Table des Illustrations... 4
Liste des tableaux... 6
Introduction Générale ... 7
Chapitre1: Jauges Radiométriques... 10
A.Principe Général d’une Jauge Radiométrique... 11
B.Différents Types de Jauges... 12
I- Jauges de niveau et de position (Z=Cte, M=M0 ou 0) ... 12
II Jauges d’épaisseur (Z=Cte, M variable avec l’épaisseur)... 13
III- Jauges de densité (Z=Cte, M variable) ... 16
III-1 Exemple particulier de jauges de densité : les jauges de turbidité. ... 18
IV- Autres types de jauges: Humidimètres-Jauges d’humidité ... 21
Chapitre 2: Conception et Réalisation d’une Jauge Radiométrique Destinée au Contrôle en Ligne des Revêtements de Galvanisation sur Tôle d’Acier ... 22
A.Introduction ... 23
B.Têtes de Mesures de la Jauge KALFAN ... 24
I - Etude Théorique ... 24
I-1 Mesure par fluorescence ... 24
I-1-1 introduction à la spectrométrie par fluorescence X ... 24
I-1-2 Application à la mesure de l'épaisseur de zinc déposé sur une couche de fer :... 26
I-2 Intensité théorique de fluorescence d’une couche de Zinc ... 27
II - Etude expérimentale et Simulation ... 28
II-1 Appareillage... 28
II-1-2 Choix de la source ... 32
II-1-3 Choix de la géométrie Source-Détecteur ... 33
II-1-4 schéma du montage expérimental ... 35
II-2 Mesures et Analyse des Résultats... 35
II-2-1 Dispositif experimental... 35
II-2-2 Mesure de l’intensité de fluorescence du Zinc ... 36
II-2-3 Mesure de l’épaisseur de la tôle d’acier... 41
II-2-4 Mesure de la tôle d’acier par transmission de rayonnement . ... 44
III- Conclusion : ... 45
C.Dispositif de Mesure... 46
I- Station opérateur et logiciel WINKALFAN... 47
I-1 station opérateur ... 47
I-2 Logiciel Winkalfan ... 47
I-2-1 Structure des fichiers de données... 48
I-2-2 Le menu « Fichier » ... 50
I-2-3 Le menu « Acquisition »... 52
I-2-4 Menu Affichage... 54
I-2-5 Barre de commandes... 58
II- Unité d’acquisition... 58
III- Commande Electronique de Moteur pas à pas (Charlyrobot) ... 60
D.Bati de la Jauge ... 61
E.Accessoires... 62
I-Boite de transfert... 62
II- Signalisation lumineuse ... 62
F.Radioprotection : Etude radiologique du poste de travail autour de la jauge KALFAN... 63
I - Mesures de radioprotection ... 63
I-1 Débit de dose équivalente au contact (obturateur fermé) ... 63
I-2 Débit de dose équivalente autour de la tête de mesure (obturateur ouvert) ... 64
I -2-1 Mesure de débit de dose source ouverte « Mesures effectuées au laboratoire » ... 64
I-2-2 Débit de dose équivalente exprimé en valeur brute au niveau de la tôle « Mesures effectuées au laboratoire » ... 65
I-3 Débit de dose équivalente due au rayonnement diffusé par une tôle de
1,5mm d’épaisseur autour du bloc émetteur ... 67
I-4 Débit de dose équivalente autour de la jauge KALFAN « jauge en fonctionnement »... 67
II - Consignes de sécurité ... 68
G.Conclusion ... 70
Chapitre 3: Réalisation d’une Nouvelle Génération de Systèmes ATD Associés aux Jauges Radiometriques Application à une Jauge Gamma-Ray Scanning pour le Contrôle de Colonnes de Distillation ... 72
A.Objectifs et Description du Système... 73
B.Réalisation pratique... 75
C.Programmation de la carte... 77
I- Programmation de CPLD (Complex Programmable Logic Device) ... 77
II- Programmation du microcontrôleur... 77
D.Jauge Gamma-Ray Scanning pour le Contrôle de Colonnes de Distillation ... 78
I- Principaux Problèmes Rencontrés sur les Colonnes de Distillation ... 79
I-1- Entraînement liquide : ... 79
I-2- Engorgement ... 80
I-3- Autres Problèmes Rencontrés ... 81
II- Principe Méthodologique du GAMMA-RAY SCANNING... 81
III- Principe Physique du Gamma-Ray Scanning : ... 83
IV- Système ATD Développé ... 87
IV-1- Objectifs ... 87
IV-2-1 Module d’acquisition et de Traitement de données ... 89
IV-2-2 Logiciel de pilotage de scans ... 90
E.Conclusion ... 91
Conclusion Générale... 92
Bibliographie... 95
Table des Illustrations
Figure 1 : Principe général d’une jauge ... 11
Figure 2 : Exemples de jauges de niveaux ... 12
Figure 3 : Principe de jauge d’épaisseur... 14
Figure 4 : Sources utilisées pour la mesure d’épaisseurs... 15
Figure 5 : Jauge à retrodiffusion ... 16
Figure 6 : Jauges de densité ... 17
Figure 7 : Jauge de Turbidité à Diffusion ... 18
Figure 8 : Jauge de Turbidité à Transmission... 21
Figure 9 : Niveaux d'énergie des atomes et notation des raies de fluorescence ... 26
Figure 10: Schématisation de l’interaction d’un faisceau de photons ... 27
Figure 11 : Spectre de fluorescence X pour une épaisseur de Zinc (NaI) ... 29
Figure 12 : Spectre de fluorescence X pour une épaisseur de Zinc (CaF2) ... 29
Figure 13 : Cartes électroniques associées aux détecteurs CaF2... 32
Figure 14 : Variations de l’intensité de fluorescence X en fonction de l’épaisseur du zinc pour les différentes sources ... 33
Figure 15 : Mesure de l’intensité du Zinc en fonction de l’épaisseur pour différentes positions Source – Détecteur... 34
Figure 16 : Schéma de montage source – détecteur... 35
Figure 17 : Spectre de fluorescence du Zinc ... 36
Figure 18 : variation de l’intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn) ... 37
Figure 19 : Comparaisons des résultats de la simulation sous le logiciel MACALU 7.3 et de l’expérience ... 38
Figure 20 : Comparaisons des résultats théoriques et expérimentaux ... 40
Figure 21: Intensité de Fluorescence du Zinc et de Fer en fonction de l’épaisseur (Zn) (simulation) ... 41
Figure 22 : Mesure de l’épaisseur de la tôle d’acier ... 42
Figure 23 : Mesure de l’épaisseur de la tôle d’acier (simulation) ... 43
Figure 24 : Schéma bloc du système électronique de la jauge... 46
Figure 26 : Base de données des mesures ... 48
Figure 27 : Tables informations sur la tôle... 49
Figure 28 : Tables mesures ... 49
Figure 29 : Tables alarmes ... 50
Figure 30: Informations sur la tôle en cours... 51
Figure 31: Positions d’étalonnage de la jauge ... 51
Figure 32: Démarrage de l’acquisition ... 53
Figure 33 : Graphiques des mesures moyennes (Zn)... 54
Figure 34 : Graphiques des mesures moyennes (Acier)... 55
Figure 35 : Graphiques des mesures par secteur... 55
Figure 36 : Affichage numériques des mesures ... 56
Figure 37 : Interface de la motorisation ... 57
Figure 38 : Barre de commande ... 58
Figure 39 : Bâti de la jauge... 61
Figure 40 : Mesures effectuées au laboratoire ( Bruit de fond = 0,15 µSv.h-1 ) ... 64
Figure 41 : Schéma des Mesures (Bruit de fond = 0,15 µSv.h-1)... 64
Figure 42 : Courbes de débits de dose équivalente autour de la tête de mesure... 66
Figure 43 : Points de mesures de l’ensemble de la jauge KALFAN ... 67
Figure 44 : Jauge KALFAN montée sur la ligne de galvanisation ... 71
Figure 45: Schéma synoptique de la carte. ... 74
Figure 45: Schémas d’implantation des composants et des connexions... 76
Figure 47: Connexion de la carte avec l’extérieur... 76
Figure 48: Configuration des STRAPS ... 77
Figure 49 : Problème des colonnes de distillation ... 79
Figure 50: Principe du Gamma-ray scanning ... 81
Figure 51: Profile du Gamma-Ray scanning d’une colonne de distillation ... 82
Figure 52 : Exemple de profile de scan d’une portion d’une colonne de distillation.. 85
Figure 53 : Exemple de profile de scan difficile à interpréter ... 88
Figure 54: Schéma synoptique du système d'acquisition de la gauge -Scan ... 89
Liste des tableaux
Tableau 1 : Energie de liaison des électrons de la couche K (Fer et Zinc)...27
Tableau 2 : Réglage de la valeur de la haute tension (HT)...31
Tableau 3: Réglage des potentiomètres ...31
Tableau 4 : intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn) (exp) ...37
Tableau 5 : intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn ) ( simulation). 38 Tableau 6: Intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn) (comparaison entre la Théorie et la Mesure). ...39
Tableau 7: Intensité de Fluorescence du Zinc et de Fer en fonction de l’épaisseur (Zn) (simulation)...40
Tableau 8 : taux de comptage (diffusé Compton ) en fonction de l’épaisseur de la tôle d’acier (exp). ...42
Tableau 9 : taux de comptage (diffusé compton) en fonction de l’épaisseur de la tôle d’acier (simulation)...43
Tableau 10 : Débit de dose équivalente en (mSv.h-1)...65
Tableau 11 : débit de dose équivalente en (mSv.h-1) ...65
Introduction Générale
Les applications industrielles des techniques nucléaires sont diverses et variées. L’importance de ces applications peut se mesurer par leur effet induit sur l’amélioration à la fois de la qualité des produits ainsi que du rendement et de l’efficacité des installations industrielles.
Les plus utilisées au Maroc sont principalement les techniques de contrôle d’installations, de process et de produits industriels. Citons à titre d’exemples :
- la radiographie industrielle, par rayons X ou Gamma, qui fait partie de la panoplie des méthodes de Contrôles Non Destructifs (CND) et qui sont généralement mises en uvre par des prestataires de services indépendants ;
- les techniques de jauges radiométriques, qui sont souvent intégrées au sein même des lignes de production, telles que les jauges d’épaisseur, les jauges de niveau ou de densité.
- Les techniques de traceurs radioactifs dont la mise en uvre permet de réaliser des diagnostics, en temps réel, de l’état de fonctionnement de nombreux compartiments industriels.
L’ensemble des sous-secteurs industriels est concerné : l’industrie pétrolière et en particulier le raffinage, l’industrie minière, la métallurgie, l’agro-alimentaire, l’industrie du papier, le transport …
Cependant, si l'importance de telles applications est indéniable, les opérateurs industriels marocains n'en sont pas toujours conscients. L’occasion nous a même été donnée de rencontrer quelques cas extrêmes où de tels opérateurs ne se soient rendus compte de l’existence d’une technologie à base de radioéléments, au sein de leurs propres unités de production - qu’ils avaient acquises, clés en main, auprès de fournisseurs étrangers -, que d’une manière tout à fait fortuite.
C’est dire la grande méconnaissance, qui persiste encore de nos jours, des immenses potentialités offertes à notre industrie, pour la résolution de nombreux de ses problèmes et ‘’challenges’’ vis-à-vis de la concurrence étrangère, par le recours aux technologies à base de radioéléments.
Notre Laboratoire, fournit de grands efforts en vue d’améliorer cette situation, et ce au moyen de programmes de partenariat, établis avec divers opérateurs industriels publics et privés, montés autour de problématiques très concrètes, formulées par les industriels eux-mêmes.
Vis-à-vis de ces industriels nous essayons de jouer un rôle multiple :
- celui de promoteur, dans ce sens que nous élaborons des programmes permettant l’adoption des techniques nucléaires déjà existantes par les industriels eux-mêmes
- un rôle de prestataire de services pour la réalisation d’expertises, d’études, de formation etc… , pour le compte de partenaires industriels nombreux et variés : ONCF, ONE, OCP, SAMIR, les sociétés de métallurgie, les Bureaux de Contrôle, les collectivités locales, le secteur portuaire (Direction des Ports, ODEP, DRAPOR…), l’Administration de l’Hydraulique etc…
- un rôle de recherche-développement, ‘‘à la carte’’, sur de technologies répondant à des besoins spécifiques exprimés par différentes industries locales.
Ce dernier rôle fait partie de nos priorités vu son importance et son impact sur le développement des techniques nucléaires en industrie. Dans ce cadre Maghreb Steel et la SAMIR ont exprimé leur intérêt pour cette technologie qui est de nature à leur permettre d’améliorer leur système de production.
Le présent travail de recherche-développement, qui compte 3 chapitres, une conclusion générale et des annexes, consiste à présenter deux applications typiques de Jauges dans les secteurs de la Métallurgie et de l’industrie pétrolière .
Le premier chapitre se rapporte aux différents types de technologies de jauges radiométriques utilisées en industrie.
Le deuxième chapitre consiste en la conception et la réalisation d’une jauge radiométrique destinée au contrôle en ligne des revêtements de galvanisation sur Tôle d’acier. Cette jauge baptisée KALFAN, de l’arabe Kalfana : galvanisation, est constituée de trois têtes de mesure, d’une station utilisateur, d’une unité d’acquisition (UA) intelligente et d’un bâti sur lequel se trouvent deux mouvements de travelling synchronisés déplaçant les 3 têtes. La jauge KALFAN développée pour les besoins spécifiques de la société Maghreb-Steel (spécialisée dans le domaine de la métallurgie) permet de contrôler en permanence les profils de dépôt sur des écrans graphiques et de suivre l’avancement du rouleau et la consommation de Zinc.
Le troisième chapitre est consacré à la conception et la réalisation d’une nouvelle génération de systèmes d’acquisition et de traitement de données associés aux jauges radiometriques en prenant le cas d’une jauge Gamma-Ray Scanning pour le Contrôle de Colonnes de Distillation.
Une conclusion Générale rappelant l’importance, pour les Industriels, de l’utilisation des techniques nucléaires pour l’amélioration à la fois de la qualité de leurs produits ainsi que du rendement et de l’efficacité de leurs installations industrielles, retrace les réalisations et les résultats obtenus
Enfin, en annexe, sont présentés un certain nombre de détails techniques relatifs aux deux applications traitées.
Chapitre 1
Chapitre 1
Jauges Radiométriques
A. Principe Général d’une Jauge Radiométrique
Dans une jauge radiométrique, une source radioactive émet un rayonnement en direction de l’objet ou du système à contrôler. Une partie du rayonnement, après interaction avec celui-ci, est recueillie par un détecteur adéquat générant une information (signal) qui dépend en général, à un instant donné, de la masse M et de la composition Z de l’objet sous contrôle :
Figure 1 : Principe général d’une jauge
Les sources utilisées sont exclusivement des sources scellées, c’est à dire totalement étanches au radioélément (évitant ainsi tout risque de contamination par sa dispersion dans le milieu ambiant), et seulement partiellement étanches au rayonnement (grâce à l’emploi de collimateurs par exemple) en laissant passer la quantité de rayonnement nécessaire aux interactions avec l’objet que l’on veut contrôler.
i
=
f
(
M
(t), Z
(t))
Système à contrôler Enveloppe scellée Radioélément DétecteurB. Différents Types de Jauges
I- Jauges de niveau et de position (Z=Cte, M=M0 ou 0)
La jauge de niveau la plus simple contrôle la présence ou l’absence du matériau sur le trajet horizontal du rayonnement (mesure du ’’tout ou rien’’).
D’autres modèles plus complexes mesurent effectivement la hauteur d’un produit solide pulvérulent ou liquide dans un réservoir.
Le procédé est basé sur l’absorption d’un rayonnement gamma par le milieu de remplissage. Il est indépendant de toutes les propriétés chimiques et de la majorité des propriétés physiques du milieu de remplissage, telles que température, pression, conductibilité et constante diélectrique. Il est également insensible à la formation de poussières et, dans une large mesure, à la formation de mousses.
Les figures ci-dessous illustrent différentes configurations de mesures de niveau sur des réservoirs de formes très variées:
Figure 2 : Exemples de jauges de niveaux
Max. Min. Sources Détecteur allongées Détecteur Max. Min. Max. Min. Détecteur Source allongée Détecteur Max. Min. Sources allongées
Dans l’industrie, ces jauges ont souvent supplanté, pour les liquides, les jauges à flotteur ou à pression dans le cas où celles-ci convenaient mal (liquide corrosif, visqueux, réservoir étanche, haute pression) car elles donnent lieu à des systèmes plus fiables et plus robustes, susceptibles d’être couplés à des systèmes d’asservissement (maintien d’un niveau liquide entre deux niveaux donnés par exemple).
Ces jauges sont très utilisées pour le contrôle du remplissage ou de la vidange de réservoirs, silos ou trémies, notamment pour les produits en vrac ou pulvérulents (minerais, sable, ciment...). Leur emploi est également fréquent dans le contrôle et l’asservissement de remplissage de petits objets et d’empaquetages (industrie alimentaire : yaourts, laits; lessives; objets divers : briquets, flacons, munitions, bouteilles de gaz liquéfié, etc....).
Sur les mêmes principes, fonctionnent des détecteurs de position de complexité variable, tels que :
- proximètres : par exemple, mesure de la distance entre deux ponts roulants qui risquent de se heurter,
- jauges d’alignement et systèmes de sécurité: fermeture de portes, ou positionnement de wagons, de poussoirs de défournement, etc...
II Jauges d épaisseur (Z=Cte, M variable avec l épaisseur)
Dans le cas où le matériau à examiner est de composition et de densité constantes, le signal délivré par la jauge radiométrique est fonction de l’épaisseur.
Le plus souvent, source et détecteur sont de part et d’autre de l’objet à mesurer: les jauges sont dites à transmission. Cette méthode est utilisée lorsque le produit à mesurer est accessible des deux côtés. Le principe de mesure est basé sur l’absorption du rayonnement.
Figure 3 : Principe de jauge d’épaisseur
Ces appareils servent généralement à mesurer de façon continue (appareils dits en ligne) l’épaisseur de produits en feuilles : papier, tissus enduits, caoutchouc et plastiques, laminage à chaud ou à froid des tôles et feuillards ...
L’appareil donne une indication sur le poids par unité de surface du matériau, ou grammage (grandeur liée à l’épaisseur de celui-ci) et est souvent connecté à des systèmes d’automatisation et d’asservissement.
Dans les jauges à transmission, il est fréquent d’obtenir un contraste correspondant au plus petit signal à mesurer compris entre 0,1% et 1% de l’épaisseur nominale.
Pour chaque épaisseur à mesurer, il existe toujours au moins une source adaptée et parfois plusieurs ainsi qu’en témoigne la figure ci-dessous :
Détecteur Source Matériau à contrôler i = f(e)
Figure 4 : Sources utilisées pour la mesure d’épaisseurs
Plus rarement, source et détecteur sont du même côté de l’objet à mesurer : les jauges sont dites à rétrodiffusion. Cette méthode est utilisée lorsque le produit à mesurer n’est accessible que d’un seul côté ou lorsqu’il convient de mesurer des
mg . cm-2 g . cm-2 Sources α 241 Am 470ans 238 Pu 87ans 210 Po 138j 63 Ni-00ans β - 67 keV 14 C - 5760a β-155 keV 147 Pm - 2.6a β - 224 keV 85 Kr - 10ans β - 672 keV 90 (Sr + Y) -28ans β - 2250 keV 106 (Ru+Rh) -1an β - 3530 keV 241 Am - 456ans γ - 59 keV 137 Cs - 27 ans γ - 662 keV 60 Co - 5.3ans γ - 1250 keV 0.1 1 10 100 1 10 100 1000 épaisseur
couches minces sur des matériaux porteurs épais; la mesure s’effectue alors sur le rayonnement rétrodiffusé par le matériau porteur.
Figure 5 : Jauge à retrodiffusion
Les applications sont les suivantes :
- localisation des corrosions et des zones de dépôts dans les tuyauteries en service dans l’industrie chimique et pétrolière
- mesures des épaisseurs de dépôts (métaux précieux : placage or ; contrôle des dépôts pour les contacts électriques ; galvanisation ; émail ; peintures ; etc ... toutes couches de protection).
Par rétrodiffusion les précisions obtenues varient de 0,1% à quelques % de l’épaisseur nominale.
III- Jauges de densité (Z=Cte, M variable)
Dans le cas où le matériau est de composition constante mais de masse spécifique variable, celle-ci peut être mesurée par une jauge radiométrique si l’épaisseur est constante (cas d’un matériau dans une conduite) ou si l’épaisseur est grande devant le volume interessé par la mesure.
Figure 6 : Jauges de densité
Ces jauges sont principalement utilisées dans les trois domaines suivants :
- transports par tuyauteries : densité des hydrocarbures à la sortie des oléoducs; contrôle d’opérations chimiques (p.e. une polymérisation) ; densité de matériaux solides transportés par canalisation (hydrotransport, pneumotransport, dragage, air-lift...)
- transport de matériaux en vrac, notamment sur bandes transporteuses; associée à des mesures de vitesse, la jauge donne le débit d’alimentation de trémies, de fours, et d’une façon générale de réacteurs d’élaboration de produits bruts (sidérurgie, verrerie, industrie de transformation chimique...)
- densité des sols, mesure fort répandue dans les travaux publics (compactage des sols, masse volumique des revêtements de protection, enrobés bitumineux...) ainsi que dans le bâtiment. Ce type de mesure peut également se faire sur des échantillons avec comme finalité plus précise la recherche d’homogénéité (l’exemple le plus fréquemment cité est le contrôle du remplissage des gaines de précontraintes par le coulis de ciment).
Les sources utilisées pour les mesures de densité sont les mêmes que celles utilisées pour les mesures d’épaisseur.
. . ..
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Détecteur SourceIII-1 Exemple particulier de jauges de densité : les jauges de turbidité.
a) Jauge de Turbidité à Diffusion
Figure 7 : Jauge de Turbidité à Diffusion
Ce type de jauge est utilisé dans le domaine maritime, ainsi que dans les retenues d’eau pour le contrôle continu ou périodique de l’état d’envasement des chenaux d’accès portuaires ou des retenues de barrage.
La sonde de turbidité à diffusion permet d’obtenir une mesure des densités en fonction de la profondeur, rapide et précise, suivant un profil vertical, depuis le plan d’eau jusqu’au substratum rocheux, pour des densités de vase comprises entre 1.0 et 1.5.
De nombreux profils verticaux peuvent être rapidement effectués permettant ainsi la couverture d’une zone de façon suffisamment sûre et précise.
En pratique on peut compter sur une quinzaine de profils par heure.
Ces profils peuvent être associés à des mesures précises de positionnement délivrées par un système de positionnement par satellite DGPS (Différential
Global Positionning System), donnant une précision de l’ordre du mètre. Le couplage des données permet ainsi d’établir une véritable cartographie de l’état d’envasement de la retenue étudiée.
La sonde, pesant environ 20Kg, est constituée d’un corps tubulaire en acier inoxydable, équipé (figure 7) :
• d’un détecteur à scintillation (crystal NaI),
• d’une source radioactive scellée de Césium-137 de 500 µCi, émettant des rayonnements gamma de 662 keV,
• d’un capteur de pression à jauge de contrainte permettant de connaître la profondeur d’immersion (utilisable jusqu’à 100 m),
• d’un lest en plomb améliorant la pénétration de la sonde dans le milieu.
La sonde est reliée à l’électronique de mesure par un câble électroporteur enroulé sur un treuil à contacts tournants.
La jauge est connectée à un micro-ordinateur gérant les man uvrées du treuil et calculant automatiquement la densité (ou la concentration), la profondeur et les écarts types sur ces mesures, avec la possibilité de stocker ou de visualiser ces données sur l’écran ou sur imprimante.
Le principe de la mesure repose sur la diffusion de photons émis par la source radioactive dans le milieu entourant l’ensemble source-détecteur : les photons émis par la source interagissent avec les électrons, présents sur leur parcours, d’autant plus nombreux que le milieu est plus dense. Un certain nombre de ces photons est dévié de sa trajectoire par un ou plusieurs chocs avec des électrons et arrive au détecteur. Par conséquent, le comptage effectué par ce dernier est fonction de la densité du milieu mesuré.
Si l’on associe les données de densité d à celle de profondeur P, on obtient en un point de coordonnées en plan données (X, Y) un profil vertical de densité du massif de sédiments étudié : P = g (d).
En pratique, lorsqu’on lance l’acquisition d’un profil, la sonde est descendue depuis l’embarcation abritant l’électronique de mesure, à vitesse appropriée jusqu’au ’’fond’’ consolidé et le couplage des données de densité et de profondeur est réalisé automatiquement par l’appareil.
b) Jauge de Turbidité à Transmission
Cet instrument fournit en continu les paramètres de densité et de profondeur des couches de vase.
Le principe physique de la mesure réalisée par une jauge de turbidité à transmission repose sur l’atténuation par les sédiments du rayonnement gamma émis en direction d’un détecteur par une source radioactive scellée.
De même que pour la jauge à diffusion, la profondeur est donnée par un capteur de pression.
L’intérêt d’un tel dispositif réside dans les possibilités:
Ø d’obtenir des informations analogues à celles de la jauge à diffusion tout en étant remorquée par une embarcation mobile (mesures dynamiques). La surface explorée par unité de temps et le nombre d’informations recueillies étant très fortement augmenté, ce système peut être utilisé en complément par rapport aux mesures réalisées par la jauge à diffusion, surtout pour ’’ cartographier ’’ très rapidement des superficies relativement importantes des chenaux de navigation ou de retenues.
Ø de contrôler en continu la densité de la matière transportée par les eaux lors d’une chasse ou d’une opération de dragage sur un barrage, ce qui permet une bonne gestion des quantités d’eau mises en jeu dans de telles interventions.
Figure 8 : Jauge de Turbidité à Transmission
IV- Autres types de jauges: Humidimètres-Jauges d humidité
La méthode de mesure est basée sur le fait que les neutrons rapides sont freinés par diffusion sur les noyaux d’hydrogène et qu’ils ne sont ralentis que dans une faible mesure par les noyaux d’atomes de masse plus élevée. Au voisinage d’une source de neutrons rapides placée dans un milieu hydrogéné, il se forme de ce fait un nuage de neutrons lents dont la concentration dépend essentiellement de la teneur volumique en hydrogène, c’est-à-dire de l’humidité volumique.
Si l’on associe une telle source de neutrons rapides avec un détecteur de neutrons lents, on obtient une sonde humidimétrique qui fonctionne sans contact avec le matériau à mesurer.
Remarque :
Il faut tenir compte du fait qu’on mesurera par cette méthode en plus de l’hydrogène de l’eau libre (ou humidité), l’hydrogène lié chimiquement ainsi que l’hydrogène de l’eau de cristallisation. Les variations du pourcentage en eau de cristallisation limitent donc, par principe, la précision qu’on peut atteindre par cette mesure de l’humidité; il en est de même pour les variations de l’hydrogène chimique.
Chapitre 2
Conception et Réalisation d une Jauge
Radiométrique Destinée au Contrôle en
Ligne des Revêtements de
Galvanisation sur Tôle d Acier
Chapitre 2
Conception et Réalisation d une Jauge Radiométrique
destinée au contrôle en ligne des revêtements de
galvanisation sur Tôle d Acier
A. Introduction
Les plaques d’acier produites par Maghreb-Steel (spécialisée dans le domaine de la métallurgie) sont recouvertes d’une couche de Zinc afin d’augmenter leur résistance à la corrosion. La méthode chimique utilisée dans le processus de fabrication des tôles métalliques ne permet pas d’avoir une valeur exacte de l’épaisseur de la couche de Zinc. A cette fin et pour contrôler continuellement, en ligne de production, l’épaisseur de la couche de Zinc, qui est de l’ordre de 30 à 45 µm, nous avons réalisé un dispositif basé sur le phénomène de fluorescence X, susceptible de permettre ce contrôle d’épaisseur au pour cent près.
Ce dispositif, baptisé jauge KALFAN, de l’arabe Kalfana : galvanisation, est constitué d’une station utilisateur, d’une unité d’acquisition (UA) intelligente et d’un bâti sur lequel se trouvent deux mouvements de travelling synchronisés déplaçant les trois têtes de mesure (une pour chaque face de Zinc et une pour le ruban d’acier).
Les têtes de mesure sont composées de deux sources de rayonnement gamma et de trois détecteurs à scintillation CaF2.
L’isotope utilisé est l’Américium (241Am), favorable à un bon rendement de fluorescence.
Autonome, le système permet de contrôler en permanence les profils de dépôt sur des écrans graphiques, ainsi que de suivre l’avancement du rouleau et la consommation de Zinc.
Une alarme se déclenche automatiquement en cas de dépassement des limites supérieures ou inférieures de travail fixées par l’utilisateur.
B. Têtes de Mesures de la Jauge KALFAN
I - Etude ThéoriqueI-1 Mesure par fluorescence
I-1-1 introduction à la spectrométrie par fluorescence X a) Principe
La spectrométrie par fluorescence X est une méthode d’analyse non destructive à la fois qualitative et quantitative. Elle est basée sur le fait que, dans certaines conditions d’excitation, un atome émet un rayonnement dit de fluorescence. L’intensité de ce rayonnement est proportionnelle à la quantité d’atomes présents, et son énergie, située dans la gamme des rayons X, est caractéristique de l’élément étudié.
Pour obtenir de la fluorescence, il faut donc d’abord exciter les atomes. Cette excitation est en fait une ionisation. Elle est obtenue soit à la suite d’un choc avec des particules accélérées telles que les électrons, les protons, les particules alpha ou les ions, soit par interaction avec des photons produits par un générateur de rayons X ou par une source radioactive judicieusement choisie.
Pour que l’ionisation ait lieu, il faut bien sûr que l’énergie de la particule ou du rayonnement incident soit supérieure à l’énergie de liaison des électrons à éjecter.
Une fois l’atome ionisé, il se trouve dans un état instable et tend donc à revenir à un état de moindre énergie. Lorsqu’il s’agit de fluorescence, ce sont les électrons des couches internes (K,L,….) de l’atome qui sont éjectés, pour retourner à un état plus stable. L’atome doit combler la lacune créée par l’ionisation. Deux phénomènes entrent alors en concurrence :
• L’émission de photons X ou fluorescence X ; • L’émission d’électrons Auger.
Dans le cas de la fluorescence X, un électron provenant d’un niveau électronique supérieur à celui de l’électron éjecté vient prendre la place de ce dernier. Le surplus d’énergie, égal à la différence d’énergie de liaison des deux électrons considérés, est libéré sous forme d’un photon.
Quant à l’effet Auger, ce surplus d’énergie est réabsorbé par l’atome et sera utilisé pour éjecter un électron des couches supérieures appelé électron Auger. L’énergie du photon de fluorescence ( de quelques centaines d’électronvolts à une centaine de kilo-électronvolts) caractérise l’élément étudié puisqu’elle est directement liée à l’énergie des niveaux électroniques des atomes excités. D’autre part, le nombre de photons est proportionnel au nombre d’atomes ionisés et donc à la quantité d’atomes soumis à l’excitation. la mesure de l’intensité et de l’énergie du rayonnement de fluorescence permet ainsi l’analyse qualitative et quantitative de nombreux matériaux, qu’ils soient sous forme solide ou liquide.
b) Notation :
Le rayonnement de fluorescence est caractérisé par deux lettres et un chiffre. La première lettre est donnée par le nom de la couche électronique (K, L, M,….) où se forme la lacune. La seconde détermine le niveau d’où est issu l’électron qui vient combler cette dernière. On utilise la lettre pour la couche immédiatement supérieure à celle de la lacune, la lettreβ pour la suivante et ainsi de suite . Enfin ces deux lettres peuvent être affectées d'un chiffre précisant les sous couches. En fait ces règles ne sont pas toujours respectées et les notations choisies avant que l'atome soit bien connu continuent d'être utilisées (voir figure 9) .
Ainsi les raies de fluorescence obtenues par ionisation de la couche K, la lacune étant comblée par un électron de la couche L, sont nommées raies Kα1 et Kα2. Il n'y a que deux raies Kα car on rappelle que les transitions de niveaux, à même nombre quantique azimutal 1, sont interdites.
Figure 9 : Niveaux d'énergie des atomes et notation des raies de fluorescence
I-1-2 Application à la mesure de l'épaisseur de zinc déposé sur une couche de fer :
La fluorescence X est une méthode qui convient à la mesure non destructive d'une quantité de fer ou de zinc, à condition d'utiliser un matériel adapté aux énergies d'excitation et de fluorescence concernées.
En effet, la méthode proposée est l'analyse des raies K du fer et du zinc. L'excitation de la couche K de ces éléments n'est possible que pour des énergies supérieures à l'énergie de liaison des électrons. Pour ces éléments, les énergies de fluorescence moyenne des raies K(α) ainsi que les énergies de liaison des couches K sont répertoriées dans le tableau de la page suivante.
L’étude théorique et expérimentale présentée dans ce document va permettre de déterminer le couple détecteur – émetteur, qui mesure de manière précise et rapide l’épaisseur du dépôt de Zinc sur une plaque d’acier.
Tableau 1 : Energie de liaison des électrons de la couche K (Fer et Zinc)
Eléments
Energie de liaison des électrons de la couche K
(keV)
Energie moyenne de fluorescence des raies
K(α) (keV)
Fer 7.112 6.47
Zinc 9.659 8.64
I-2 Intensité théorique de fluorescence d une couche de Zinc
On considère une couche de Zinc plane, d’épaisseur e (Zn), superposée à une couche de Fer. Un faisceau de photon d’intensité
I
et d’énergie E est envoyé sur les deux couches ( Zinc + Fer) (voir figure 10 ci- dessous).Figure 10: Schématisation de l’interaction d’un faisceau de photons
Le taux de comptage (coups/s) est donné par :
Fe
Zn
R
R
R
=
+
Avec :
Equation d’autoabsorption du fluorescence du Zinc [Radiologie industrielle, Tome 1]
)
1
(
µZ 8. ZnZn
R
e
R
=
∞−
− εEquation d’absorption du fluorescence du Fer dans le Zinc [Radiologie industrielle,T 1] Zn Z µ Fe
R
e
R
=
0 − 6.ε Zn Fe Fluorescence du Zinc Fluorescence du Fe Détecteur SourceOù :
• µZ8 : Coefficient d’absorption dans le Zinc pour une énergie de 8,64 KeV (µm-1)
• µZ6 : Coefficient d’absorption dans le Zinc pour une énergie de 6,4 KeV (µm-1)
• zn : Épaisseur de Zinc (recherchée) (µm)
• R0 : Taux de comptage lorsqu’il n’y a que du Fer (épaisseur de Zinc nulle) (c/s)
• R : Taux de comptage lorsque l’épaisseur de Zinc est infinie (c/s)
Ceci donne :
Zn Z Zn Z µ µe
R
e
R
R
(
1
− 8.ε)
0 − 6.ε ∞−
+
=
)
1
(
µZ 8 . Zn 0e
µZ 6 . ZnR
R
e
R
R
ε − ε ∞ − ∞−
+
=
(I)
Le calcul de l’épaisseur de Zinc n’est pas direct car on ne peut pas isoler l’inconnue
e
Zn dans l’équation. On trouve la valeur par résolution numérique de l’équation (méthode de Newton).II - Etude expérimentale et Simulation II-1 Appareillage
II-1-1 Choix du détecteur
Après avoir effectué des mesures sur un certain nombre de détecteurs, principalement ceux recommandés par une étude antérieure : le détecteur diode au silicium, le détecteur NaI et le détecteur CaF2. Il s’est avéré que pour le premier on n’obtient pour les faibles énergies (la région qui nous intéresse est celle de l’énergie de fluorescence du Zinc qui est de 8.64 keV), que du bruit et ce jusqu’à 12 keV. Concernant les détecteurs NaI et CaF2 (Spectres : Figures 11,12) on observe nettement le pic de fluorescence du Zinc à 8.64 keV, avec un pic de fuite à 20 keV qui peut éventuellement perturber les mesures pour le détecteur NaI, d’où le choix du détecteur CaF2. Par ailleurs ce détecteur présente une meilleure résolution par rapport au NaI et est plus robuste.
Figure 11 : Spectre de fluorescence X pour une épaisseur de Zinc (Détecteur NaI)
Figure 12 : Spectre de fluorescence X pour une épaisseur de Zinc (Détecteur CaF2)
a) Caractéristiques du Détecteur utilisé dans le dispositif KALFAN
v Scintillateur :
• matériau : CaF2 , non hygroscopique.
• Epaisseur : 1mm. • Diamètre : 2 pouces. • Fenêtre : MIB de 168 µm. • Constructeur : CRISMATIC. v Photomultiplicateur : • Type : PM2412B. • Alimentation nominale : -800V. • Alimentation maximale : -1450V. b) Principe de détection
Les détecteurs de rayonnement utilisés sont des scintiblocs. Un scintibloc est un ensemble composé d’un scintillateur (CaF2 dans notre cas), d’un photomultiplicateur (PM) et d’une fenêtre d’entrée.
Le PM est alimenté par une carte haute tension négative SAPRA CHRIST 97 (voir caractéristiques ci-dessous).
Le rayonnement traverse la fenêtre (étanche à la lumière) du détecteur. Chaque photon gamma qui interagit avec le scintillateur est converti en impulsions lumineuses dont le nombre est proportionnel à l’énergie de ce photon. Le photomultiplicateur convertit ensuite ces impulsions lumineuses en électrons avec un très fort gain, ce qui permet d’obtenir un courant en sortie. On peut alors mesurer une différence de potentiels aux bornes d’une charge.
Le signal physique ainsi obtenu est traité par une carte à seuils suiveurs de pics PRETHOT (voir caractéristiques ci-dessous) afin d’éliminer les dérives du PM. Cette carte permet de discriminer le comptage dans deux fenêtres d’énergie différentes. Le signal TTL de sortie est ensuite traité par l’unité d’acquisition (voir Chapitre : Dispositif de Mesure).
c) Cartes électroniques Associées au Détecteur CaF2
v Carte haute tension
• Type : SAPRA CHRIST 97 (Schéma de la Carte : Annexe IV).
• N° 076, 078, 087.
• Alimentation : 0 – 12 V.
• Réglage de la HT par potentiomètre face supérieure.
Tableau 2 : Réglage de la valeur de la haute tension (HT)
Réglage de la Haute tension
Zinc supérieur Zinc inférieur Acier
HT -871V -858 V -863 V
v Carte à seuils suiveurs de pics
• Type : PRETHOT (Schéma de la Carte : Annexe V).
• N°98175,98176, 98180.
• Alimentation : 0 – 12.
• Réglage des seuils de discrimination par potentiomètres face supérieure
• Seuils préconisés :
Tableau 3: Réglage des potentiomètres
Potentiomètre de réglage
En Volt Zinc supérieur Zinc inférieur Acier
PT 5 S1 -0.55 -0.66 -4.21
PT4 S2 -2.23 -2.12 -9.31
PT3 S3 -3.69 -2.12 -4.23
Figure 13 : Cartes électroniques associées aux détecteurs CaF2
II-1-2 Choix de la source
La mesure de la Fluorescence X du Zinc est possible à partir d’un émetteur possédant des rayonnements X d’énergie supérieure à l’énergie de liaison des électrons de la couche K du Zinc, soit 9.659 KeV . Ainsi, 5 émetteurs susceptibles de convenir à cette étude ont été sélectionnés:
− Américium241 : Période : 432.2 ans, Energie : 59.54 keV
− Plutonium 238 : Période : 87.7 ans, Energie : 16.4 keV
− Curium 244 : Période : 18 ans, Energie : 16.7 keV
− Gadolinium 153 : Période : 242 Jours, Energie : 41.31 keV
− Cadmium 109 : Période : 463 Jours, Energie : 22 keV
Les courbes de la figure 14 ci-après représentent les variations de l’intensité de fluorescence X en fonction de l’épaisseur du zinc pour les différentes sources ci-dessus. On remarque que pour les sources d’Américium241 et de Gadolinium 153, le maximum d’intensité n’est atteint que pour des épaisseurs de Zn supérieures à 80 µm, alors que pour les autres sources, le maximum est atteint vers des épaisseurs ne dépassant pas 25 µm. Par conséquent, les sources de rayonnements les plus
intéressantes sont : l’Américium241 et le Gadolinium153. Toutefois, comme la source de Gadolinium 153 a une période de 242 Jours seulement, notre choix s’est porté sur la source d’Américium241.
Figure 14 : Variations de l’intensité de fluorescence X en fonction de l’épaisseur du zinc pour les différentes sources
v
Caractéristiques de la source utilisée :
• Isotope : Américium241.
• Activité : 11,1 GBq , 300 mCi.
• Energie : 59.54 keV.
• Demi-vie : 432.2 ans.
• N° source : 014-99 et 015 -99.
• Obturateur :disque de 7 mm de Dénal.
Le spectre de la source d Américium241 est représenté en annexe 1 de ce rapport.
II-1-3 Choix de la géométrie Source-Détecteur
La fluorescence émise par un matériau excité est auto-atténuée par celui-ci. Donc il y a deux phénomènes qui se compensent : l’augmentation du rendement de
fluorescence avec l’épaisseur du matériau et la diminution du pourcentage de photons de fluorescence qui parviennent à ressortir du matériau. C’est pourquoi l’on atteint rapidement (quelques centaines de microns) une épaisseur « infinie » de matériau à mesurer. Il s’agit de l’épaisseur au delà de laquelle le nombre de photons de fluorescence reste constant quelque soit l’épaisseur du matériau. Donc les angles incident et émergent ont une influence sur la précision de la mesure de l’épaisseur de Zinc.
En effet, pour plusieurs positions Source – Détecteur, on mesure l’intensité de la raie K de Zinc en faisant varier l’épaisseur de l’échantillon. Ainsi, on a obtenu les courbes de la figure 15.
Figure 15 : Mesure de l’intensité du Zinc en fonction de l’épaisseur pour différentes positions Source – Détecteur
Ces courbes montrent que les angles les plus favorables sont A = 45° (Incident) et B= 90° (émergent) puisque le maximum d’intensité n’est atteint que pour des épaisseurs de Zn supérieures à 80 µm, alors que pour les autres position, le maximum est atteint vers des épaisseurs d’au plus 25 µm.
II-1-4 schéma du montage expérimental
Figure 16 : Schéma de montage source – détecteur
II-2 Mesures et Analyse des Résultats
II-2-1 Dispositif expérimental
Pour les expériences effectuées au laboratoire, nous avons utilisé un certain nombre de logiciels et d’appareillage :
• Logiciel de simulation MACALU développé par le CEA / DIMRI. • Source d’241Am activité : 360 mCi.
• Chaîne électronique :
♦ Alimentation HT (1000 V). ♦ Amplificateur (Novelec 8204).
♦ Analyseur Multicanaux (SYSTEM BS 27/N).
II-2-2 Mesure de l’intensité de fluorescence du Zinc
L’intensité de fluorescence peut être définie comme étant le nombre de photons de fluorescence détectés par seconde. Nous cherchons à déterminer l’intensité de fluorescence des raies Kα du Zinc, c’est-à-dire le nombre de photons d’énergie 8.64
keV (figure 17). Le nombre d’électrons recueillis en sortie de détecteur est proportionnel à l’énergie du photon qui en est à l’origine. En fait, leur nombre varie autour de cette énergie selon une distribution qui suit la loi de Poisson. L’intensité de fluorescence est donc égale à la surface du pic de fluorescence. L’analyseur multicanaux, si on lui définit les bornes du pic, donne la somme du contenu des canaux entre les deux bornes qu’on a définies, donc l’intensité de fluorescence du Zinc.
Figure 17 : Spectre de fluorescence du Zinc
Energie
Pour plusieurs échantillons de Zinc, on a obtenu les résultats suivants :
Tableau 4 : intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn) (exp)
Figure 18 : variation de l’intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn)
Epaisseur (µm) Taux ( 10s) Taux (%)
0 17278 21% 14.1 41598 51% 28.5 58008 71% 43 68200 83.8% 57.6 74607 91.7% 80.3 80061 98.4% 125 81317 100% Ep de Zn (µm)
Cette courbe montre qu’on peut déterminer l’épaisseur de la couche de Zinc à partir de l’intensité de Fluorescence Zn pour des valeurs inférieures à 80 µm. Rappelons que la région d’épaisseurs qui nous intéresse est située entre 30 et 45µm,
Dans ce qui suit nous allons comparer ces résultats expérimentaux avec ceux de la simulation et de la théorie.
a) Simulation :
Avec le logiciel de simulation MACALU 7.3 on a obtenu les résultats suivants :
Tableau 5 : intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn ) ( simulation).
Epaisseur (µm) Taux (1s) Taux (%)
0 78 20% 14.1 182 47.6% 28.5 263 68.8% 43 309 80.9% 57.6 339 88.7% 80.3 358 95.7% 125 382 100%
Figure 19 : Comparaisons des résultats de la simulation sous le logiciel MACALU 7.3 et de l’expérience
Les deux courbes (expérimentale, simulation) présentent la même forme.
L’écart entre les deux s’explique par la différence au niveau de la géométrie (pour MACALU : l’angle détecteur est de 8°, Expérience : l’angle détecteur est de 45°).
b) Théorie
Sur le tableau suivant, figurent les résultats expérimentaux et ceux obtenus à partir de l’équation théorique (I).
Tableau 6: Intensité de Fluorescence du Zinc en fonction de l’épaisseur (Zn) (comparaison entre la Théorie et la Mesure).
Epaisseur (µm) Taux (%) exp Taux (%) Th
0 21% 21% 14.1 51% 51% 28.5 71% 71% 43 83.8% 83% 57.6 91.7% 90% 80.3 98.4% 96% 125 100% 99%
La figure de la page suivante montre que les deux courbes (expérimentale, théorique) sont quasiment superposées sauf pour des épaisseurs de Zinc > 80µm.
Les résultats obtenus (expérimentale, théorique, simulation) prouvent qu’il est possible de déterminer l’épaisseur de la couche de Zinc à partir de l’intensité de Fluorescence Zn pour des valeurs < 80µm.
Figure 20 : Comparaisons des résultats théoriques et expérimentaux
Cependant, chacune des courbes obtenues ci-dessus est la somme d’une courbe de Fluorescence de Zinc et celle de Fer comme l’illustre les résultats ci-dessous obtenus par le biais du logiciel de simulation MACALU :
Tableau 7: Intensité de Fluorescence du Zinc et de Fer en fonction de l’épaisseur (Zn) (simulation)
Epaisseur (µm) Taux (Zn) Taux (Fe) Somme
0 0 13 13 10 12.5 6.8 19.3 20 21.3 2.9 24.2 30 26.6 1 27.6 40 30 0.5 30.5 0 32.9 0 32.9 60 35 0 35 Ep de Zn (µm)
Figure 21: Intensité de Fluorescence du Zinc et de Fer en fonction de l’épaisseur (Zn) (simulation)
La figure 21 montre que pour des épaisseurs de zinc inférieures à 20µm, la valeur de la fluorescence du fer est non négligeable devant celle du zinc (environ 13.6%). Ce pourcentage tombe en dessous de 2% dès que l’épaisseur de Zinc atteint 30 µm. et puisque dans notre cas l’épaisseur de Zinc est supérieure à 30µm, alors seule la fluorescence du Zinc est prise en compte dans nos mesures.
II-2-3 Mesure de l’épaisseur de la tôle d’acier a) Etude expérimentale
Il s’agit de déterminer l’épaisseur d’acier en mesurant le pic de diffusé Compton des différents spectres. Les résultats obtenus sont donnés par le tableau suivant :
Tableau 8 : taux de comptage (diffusé Compton ) en fonction de l’épaisseur de la tôle d’acier (exp).
Epaisseur (mm) Taux (diffusé compton) Taux (%) 0 9705 16.4 0.35 34209 58 0.57 45766 77.6 0.92 54905 93 1.05 56900 96.5 1.27 58111 98.6 1.57 58721 99.6 2 58920 99.9 3 58930 100
b) Simulation
Avec le logiciel de simulation MACALU 7.3 on a obtenu les résultas suivants :
Tableau 9 : taux de comptage (diffusé compton) en fonction de l’épaisseur de la tôle d’acier (simulation).
Figure 23 : Mesure de l’épaisseur de la tôle d’acier (simulation)
Epaisseur (mm) Taux (diffusé compton) Taux (%) 0 0 0 0.2 115 47.7 0.3 146 60.5 0.4 168 69.7 0.5 183 75.9 0.75 211 87.5 1 228 94.6 1.5 236 97.9 2 240 99.5 3 241 100
Les deux courbes (figures 22 et 23) montrent qu’on ne peut déterminer l’épaisseur de la tôle d’acier que lorsque cette dernière est inférieure à 1mm. Alors que dans notre cas l’épaisseur de la tôle est de 2mm. D’où le recours à la méthode de transmission par rayonnement .
II-2-4 Mesure de la tôle d’acier par transmission de rayonnement
La mesure d’épaisseur du ruban d’acier se fait par absorption du rayonnement gamma de la source d’Américium 241 (59,54 keV).
Le faisceau traverse d’abord la première couche de Zinc, puis le ruban d’acier et enfin la deuxième couche de Zinc.
En connaissant l’épaisseur de chaque couche de Zinc et les coefficients d’absorption de chacun des matériaux (Fer et Zinc), on peut retrouver l’épaisseur d’acier.
L’équation suivante traduit la transmission du rayonnement gamma de la source d’Américium 241 à travers les deux couches de zinc et le ruban d’acier [Radiologie industrielle, Tome 1]:
)
(
60 1 2 60*
)
(
0
F Z ZµF
µZ
e
e
R
R
=
−
ε
+
ε
−
ε
(2) Avec :− R : taux de comptage mesuré (coups/s)
− R0 : taux de comptage à vide en transmission (ni Fer ni Zinc) (c/s)
− Z1, Z2 : épaisseurs des deux couches de zinc (µm) (connues)
− F : épaisseur de Fer (µm) (recherchée)
− µZ60 : coefficient d’absorption du Zinc à 59,54 keV (µm-1)
− µF60 : coefficient d’absorption du Fer à 59,54 keV (µm-1) Le calcul de l’épaisseur de Fer est direct :
−
⋅
+
⋅
=
µ
)
R
R
ln
µ
1
Z2 Z1 Z60 0 F60 F (3)III- Conclusion :
Cette étude théorique et expérimentale nous a permis de déterminer le couple détecteur – émetteur, qui mesure de manière précise et rapide l’épaisseur du dépôt de Zinc sur une plaque d’acier.
Le flux de photons incident, provenant de l’émetteur, interagit sur une surface localisée de la plaque, il sera donc nécessaire de bien vérifier que la surface sur laquelle porte la mesure est bien représentative du matériau étudié.
C. Dispositif de Mesure
Le système électronique associé à la Jauge KALFAN se présente sous la forme suivante :
Figure 24 : Schéma bloc du système électronique de la jauge COM 1
PC Maître
COM2CALCULATEUR
COMMANDE
ELECTRONIQUE
DE MOTEUR
PAS A PAS
DETECTEUR 1 (Face supérieur de Zinc)DETECTEUR 3 (Acier )
DETECTEUR 2 ( Face Inférieure du Zinc)
Moteur pas à pas Positionneur
Entrées /sorties de contrôle
RS485I- Station opérateur et logiciel WINKALFAN I-1 station opérateur
La station opérateur est l’interface entre l’utilisateur et la jauge.
Il s’agit du PC maître qui communique avec l’Unité d’Acquisition (UA) par liaison RS 485.
I-2 Logiciel Winkalfan
Winkalfan que nous avons développé est un logiciel de gestion de l’ensemble de la jauge de galvanisation. Il permet à l’utilisateur de choisir le mode de balayage pour les mesures ainsi que l’acquisition, le stockage et l’archivage des données de mesures. Il utilise une structure de base de données de type Microsoft Access, et permet donc de déporter des données sur d’autres standards.
Lors des recalages il recalcule les paramètres de réglage de la jauge afin d’éviter toute dérive dans le temps, et il permet à l’opérateur de contrôler en continu les épaisseurs mesurées sur des graphiques.
Au lancement de WINKALFAN, une interface de type MDI (interface Multi-document) s’affiche, et via son menu « Fichier », on peut soit ouvrir un nouveau fichier, soit reprendre un ancien fichier.
I-2-1 Structure des fichiers de données
Tous les fichiers de données sont organisés suivant le format de Microsoft Access. Chaque fichier (extension.mbd) est composé de quatre tables :
• Alarmes. • Comptage. • Informations. • Mesures.
Figure 26 : Base de données des mesures
v La table « information »
Cette table contient les informations générales sur le fichier de base de données (nom, numéro de série, date de création….).
Figure 27 : Tables informations sur la tôle
v La table de « Mesures »
Cette table regroupe les différentes valeurs de la galvanisation pour les deux faces de la tôle et pour chaque longueur de celle-ci. Les unités utilisées sont :
- le mètre (m) pour la longueur.
- Le g / m2 pour les couches de galvanisation. - Le mm pour les épaisseurs de la bande d’acier.
v La table « Alarmes »
Cette table enregistre les alarmes dues aux dépassements des différents seuils (supérieur et inférieur), pour chaque face (haute et basse), en fonction de la position sur la tôle du défaut détecté (début et fin du défaut).
Figure 29 : Tables alarmes
I-2-2 Le menu « Fichier »
v Le sous-menu « Nouveau »
Pour toute nouvelle acquisition, il faut choisir le nom du fichier de données ainsi que les caractéristiques de la tôle à mesurer.
Figure 30: Informations sur la tôle en cours
Ainsi on peut fixer la largeur et le décalage (voir figure 31), les différents seuils d’alarmes et la période d’étalonnage.
.
Figure 31: Positions d’étalonnage de la jauge
Pour l’affichage des valeurs (graphique ou numérique) seront fixées au gré de l’opérateur.
Par exemple si on veut afficher les dernières 30 minutes on doit choisir une gamme d’affichage de 60. Les valeurs des différents paramètres sur la figure 30 peuvent être modifiées au cours de l’acquisition.
v Le sous-menu « Ouvrir »
A travers cette commande, on peut reprendre un fichier existant et continuer l’acquisition. On peut aussi modifier les paramètres de contrôle et d’affichage.
v Le sous-menu « consulter fichier »
Cette commande ouvre le fichier courant sous Microsoft Access à travers le Shell, pour un traitement éventuel. Dans le cas où aucun fichier n’est chargé, une boîte de dialogue invite l’utilisateur à choisir un fichier spécifique.
v Le sous-menu « Fichier paramètres »
Cette commande affiche les valeurs courantes des différents paramètres des détecteurs. Ces paramètres sont calculés à chaque étalonnage. Aucune modification de ces paramètres n’est possible sur cette interface .
v Le sous-menu « Fermer » et « Quitter »
La commande « Fermer » permet de fermer le fichier courant et d’arrêter la transmission des données entre l’UA et le PC. On peut ensuite recharger un autre fichier et continuer l’acquisition. En revanche la commande « Quitter » permet de sortir du programme tout en arrêtant la transmission.
I-2-3 Le menu « Acquisition »
v Le sous-menu « Démarrer Acquisition ».
A travers cette commande on peut lancer l’acquisition de l’UA, de différentes manières
Figure 32: Démarrage de l’acquisition
− Sans initialisation : l’UA lance l’acquisition sans s’initialiser. Ceci est pratique par exemple dans le cas où il y a blocage des transmissions. L’UA continue normalement l’acquisition sans transmission de données, on peut donc récupérer les données non transmises.
− Avec initialisation : dans ce cas l’UA est initialisée, et toutes les données enregistrées par celle-ci seront perdues.
− Possibilité d’utiliser ou non la motorisation : dans ce dernier cas l’utilisateur doit commander manuellement l’étalonnage. Une fois l’acquisition lancée, on peut soit la suspendre (la transmission des données), soit l’arrêter. v Sous-menu « Etalonnage »
En ouvrant un fichier, l’opérateur peut fixer la période d’étalonnage. Toutefois on peut anticiper l’étalonnage en activant le sous-menu « Etalonnage ». Dans ce cas, l’étalonnage ne se lance qu’une fois la tête de mesure en position extrême droite (coté emplacement des étalons). Après Etalonnage, la tête continue normalement son acquisition.
Cette commande active l’interface de la figure 30. Elle permet entre autres la modification des différents paramètres de mesures et l’affichage au cours de l’acquisition. Toute modification doit être validée par le bouton « OK ».
I-2-4 Menu Affichage
v
Sous-menu « Graphes des val.moyennes »Cette commande permet de lancer l’affichage des valeurs moyennes de galvanisation sur les deux faces supérieure et inférieure. Ces valeurs moyennes sont calculées sur la base des mesures de chaque secteur.
Figure 33 : Graphiques des mesures moyennes (Zn)
L’ascenseur en bas de la fenêtre permet de glisser dans le fichier pour visualiser les valeurs antérieures (pour fixer le nombre des valeurs à afficher Cf sous-menu « seuils alarmes » ). Le rafraîchissement de l’affichage se fait d’une manière automatique chaque 10 secondes.
Les valeurs numériques affichées à droite de la fenêtre correspondent toujours aux dernières valeurs mesurées.
L’icône de la signalisation permet de visualiser l’état de la source (rouge = source active, vert = source désactivée), lorsqu’il y a dépassement des seuils fixés une icône représentant une alarme est alors affichée.
Figure 34 : Graphiques des mesures moyennes (Acier)
Le bouton « Annuler » permet de revenir à l’affichage des trois graphes. v Le sous-menu « Graphes des secteurs »
comme pour l’affichage des valeurs moyennes, cette commande permet d’afficher les valeurs de la galvanisation pour chaque secteur (gauche, milieu, droit) en plus de l’épaisseur de la couche d’acier de la tôle (valeur moyenne des trois secteurs).
Un double-clic sur l’un des graphes permet d’afficher celui-ci sur toute la partie utile de l’ écran. Le rafraîchissement se fait automatiquement chaque 10 secondes. v Le sous-menu « Affichage numérique »
Cette interface permet de visualiser toutes les caractéristiques de la tôle. On peut lire les mesures instantanées de la galvanisation ainsi que la longueur déroulée de la tôle et le poids total consommé du Zinc. Les états et le nombre d’alarmes sont aussi affichés.
Figure 36 : Affichage numériques des mesures
v Le sous-menu « Motorisation »
Cette commande affiche une interface à travers laquelle on peut commander le mouvement du moteur. Elle affiche aussi la position et la vitesse du Moteur.
