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SONDE MAGNÉTIQUE POUR LA DÉTECTION DE DÉFAUTS DANS
DES CÅBLES COMPORTANT UNE PARTIE FERROMAGNÉTIQUE,
MÉTHODE ET SYSTEME ASSOCIÉS
DOMAINE TECHNIQUE
La présente demande se rapporte au domaine des appareils et méthodes
permettant de détecter et localiser un ou plusieurs défauts dans des
composants
comportant au moins une partie ferromagnétique, et concerne plus
particulièrement une sonde magnétique pour la détection de défauts dans des
câbles comportant une partie ferromagnétique.
1 o ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Il est estimé qu'il existe approximativement 5 millions de kilomètres de
lignes haute
tension à travers le monde, nombre auquel s'ajoutent annuellement
environ 200 000 km de lignes haute tension. Pour mettre ce nombre en
perspective, Hydro-Québec possède le plus vaste réseau électrique de
l'Amérique
du Nord avec 35 000 km de lignes haute tension, ce qui représente environ 0,7
%
du total mondial. Une grande proportion des conducteurs électriques utilisés
sur
ces lignes haute tension sont du type ACSR (acronyme emprunté de l'anglais
pour Aluminum Conductor Steel Reinforced ) ou AAAC (acronyme emprunté
de l'anglais pour All Aluminum Alloy Conductors ). Dans le cas du réseau
d'Hydro-Québec, on ne retrouve pratiquement que des conducteurs ACSR. Ces
derniers sont constitués d'une âme d'acier centrale assurant la résistance
mécanique du conducteur. Elle comprend généralement entre 1 et 37 brins
d'acier
galvanisés au zinc pour résister à la corrosion et/ou d'autres forces
mécaniques
externes. En périphérie de l'âme d'acier, on retrouve généralement entre 6 et
84
brins d'aluminium assurant la conduction de l'électricité. Un exemple de
conducteur est présenté à la Figure 3 (ART ANTÉRIEUR). Enfin, les conducteurs
ACSR sont produits en longueur finie de l'ordre du kilomètre et doivent donc
être
raboutés à l'aide de manchons de raccordement, aussi en acier et en aluminium.
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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Au-delà d'une cinquantaine d'années, ou en cas d'une installation inadéquate
des
conducteurs, les agents de corrosion présents dans l'environnement peuvent
corroder l'âme d'acier et/ou les manchons de raccordement. Des conditions
météorologiques extrêmes, comme par exemple et sans être limitatif, de forts
vents, du verglas, la foudre, peuvent endommager les conducteurs électriques,
ce
qui peut résulter en des brins brisés. Le bris d'un brin est notamment associé
à
une perte de résistance mécanique, ce qui peut mener ultimement à la rupture
du
conducteur électrique, et donc, de la ligne haute tension. Pour éviter cette
situation, il est possible d'effectuer des essais non destructifs avec des
sondes
magnétiques qui peuvent utiliser le principe de Magnetic Flux Leakage
(MFL),
comme les appareils ou dispositifs suivants : le Magnetester , l' lntron
ou le
Magnetograph . Ces appareils ou dispositifs comprennent des détecteurs pour
les pertes de sections d'acier ( Loss of Metallic Area ou LMA ) et pour
les
brins brisés ( Local Fault ou LF ). Toutefois, ces appareils ou
dispositifs ne
sont pas adaptés aux conducteurs ACSR, mais plutôt aux câbles composés d'acier
uniquement. Plus spécifiquement, ces appareils ou dispositifs ont une
ouverture
trop petite pour la plupart des conducteurs ACSR ou ils sont trop lourds pour
être
facilement transportés, incluant notamment le transport par drone. De plus,
les
appareils et dispositifs existants ne peuvent pas franchir les manchons de
raccordement, ce qui limite leur caractérisation.
A la lumière de ce qui précède, il existe donc un besoin pour un appareil, une
méthode et un système associé permettant de résoudre au moins un des
problèmes et/ou limitations discutés ci-dessus.
SOMMAIRE
Selon un aspect, une sonde magnétique pour la détection de défauts dans une
partie ferromagnétique d'un câble est fournie. La sonde magnétique inclut un
cadre, au moins trois circuits magnétiques et au moins trois capteurs
magnétiques.
Le cadre a un axe central et un passage permettant d'y passer le câble. Les au
moins trois circuits magnétiques sont maintenus par le cadre, distants les uns
des
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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autres. Chaque circuit inclut un noyau configure pour s'étendre le long du
câble
lorsque la sonde est en service (i.e., au moins un côté du noyau est
substantiellement parallèle au câble); des moyens pour générer un flux
magnétique dans une section de la partie ferromagnétique du câble; et un
entrefer
situé dans le noyau pour créer un point de champ magnétique nul entouré d'une
zone à faible champ magnétique, entre le noyau et l'axe central. Chaque
capteur
magnétique est associé à au moins un des au moins trois circuits magnétiques
et
est situé à l'extérieur du noyau, dans la zone à faible champ magnétique. Les
au
moins trois capteurs magnétiques sont aptes à mesurer un faible flux
magnétique
ou une faible variation du flux magnétique causée par des défauts dans la
partie
ferromagnétique du câble.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique inclut exactement
trois
circuits magnétiques et trois capteurs magnétiques associés, équidistants les
uns
par rapport aux autres.
Dans certains modes de réalisation, deux circuits magnétiques adjacents sont
espacés de 1200, autour de l'axe central du cadre.
Dans certains modes de réalisation, le noyau inclut une partie longitudinale
s'étendant le long du câble, lorsque la sonde est en service, et deux pattes
orientées radialement vers l'axe central; et les moyens pour générer le flux
incluent un premier aimant situé dans une première patte des deux pattes et un
second aimant situé dans une seconde patte des deux pattes.
Dans certains modes de réalisation, le flux magnétique généré dans le câble
est
en deçà d'un niveau de saturation magnétique du câble lorsque la sonde
magnétique est en service.
Dans certains modes de réalisation, l'entrefer de chaque circuit crée, produit
ou
génère une fuite de champ magnétique au voisinage de celui-ci et crée un point
de champ magnétique nul entouré d'une zone de champ magnétique faible.
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Dans certains modes de réalisation, les au moins trois capteurs magnétiques
sont
des capteurs ultrasensibles.
Dans certains modes de réalisation, les au moins trois capteurs magnétiques
sont
des capteurs aptes à mesurer un flux magnétique de moins de 5 mT.
Dans certains modes de réalisation, les au moins trois capteurs magnétiques
ont
chacun une plage d'opération de 2.5 mT, et préférablement une plage
d'opération minimalement incluse entre 1 mT.
Dans certains modes de réalisation, un positionnement symétrique des au moins
trois capteurs magnétiques et le moyennage des mesures peuvent compenser des
déplacements du câble par rapport à l'axe central jusqu'à 2 cm en limitant
l'erreur
à 2 pT au maximum.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique inclut un ou des
modules
de contrôle, chacun incluant des moyens d'acquisition, des moyens de
traitement
et des moyens de calculs pour acquérir et traiter des signaux captés par les
au
moins trois capteurs magnétiques, et pour réaliser des calculs à partir des
signaux
traités.
Dans certains modes de réalisation, un positionnement symétrique des au moins
trois capteurs magnétiques permet de réduire ou d'éliminer l'effet produit par
un
déplacement du câble relativement à l'axe central sur les mesures réalisées
lorsque la sonde magnétique est en service, les moyens de calcul étant
configurés
pour moyenner les mesures des au moins trois capteurs magnétiques ou réaliser
une opération équivalente.
Dans certains modes de réalisation, chaque module de contrôle inclut des
moyens
d'enregistrement et/ou des moyens de transmission des mesures ou des calculs
effectués à partir des mesures.
Dans certains modes de réalisation, chaque module de contrôle est configure
pour
calculer des pertes de surface magnétique (LMA) et/ou d'identifier des brins
brisés
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(LF) à partir des valeurs du flux magnétique ou des variations du flux
magnétique
mesurées par au moins un des au moins trois capteurs magnétiques.
Dans certains modes de réalisation, chaque module de contrôle inclut des
moyens
algorithmiques pour réduire ou supprimer l'effet d'un champ magnétique généré
.. par un courant circulant dans le câble sous inspection, le câble
correspondant
dans ce cas à un conducteur électrique énergisé d'une ligne de transport haute
tension.
Dans certains modes de réalisation, un champ magnétique provenant du câble ou
parasite est un champ magnétique alternatif et les moyens algorithmiques pour
réduire ou supprimer l'effet du champ magnétique alternatif généré par un
courant
circulant dans le câble sous inspection incluent un algorithme permettant de
filtrer
une composante à la fréquence d'un signal mesuré ou de synchroniser les temps
de lecture de mesures de flux avec les temps où le courant circulant dans le
conducteur passe par zéro.
Dans certains modes de réalisation, chaque module de contrôle est configure
pour
calculer des pertes de surfaces magnétiques (LMA) à partir de mesures absolues
réalisées par les capteurs magnétiques.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique inclut un encodeur
linéaire configure pour être en contact avec le câble à inspecter, chaque
module
de contrôle étant configure pour localiser les brins brisés (LF) à partir de
mesures
différentielles réalisées par les capteurs magnétiques ou à partir de mesures
absolues lues à intervalles réguliers, les intervalles étant déterminés en
fonction
de lectures de position obtenues de l'encodeur linéaire.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique inclut un capteur du
champ gravitationnel terrestre, chaque module de contrôle incluant des moyens
algorithmiques permettant de réduire ou de supprimer l'effet du champ
gravitationnel terrestre sur les mesures de flux magnétiques réalisées par les
capteurs.
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Dans certains modes de réalisation, une ouverture de la sonde magnétique
correspond à une section circulaire transverse autour de l'axe central pouvant
recevoir le câble entre les au moins trois capteurs magnétiques de la sonde
magnétique, le ratio du rayon de l'ouverture de la sonde magnétique sur le
poids
de la sonde magnétique étant de l'ordre de 60 mm/kg. Il est à noter que
l'ouverture
est la section circulaire au centre de la sonde magnétique 20, autour de l'axe
central, où se situera le câble 22 lors de l'inspection.
Dans certains modes de réalisation, les au moins trois circuits magnétiques et
les
au moins trois capteurs magnétiques sont positionnés et dimensionnés pour
permettre l'inspection de câbles dont la partie ferromagnétique a un diamètre
inclus entre approximativement 2 mm et approximativement 50 mm.
Dans certains modes de réalisation, les au moins trois circuits magnétiques et
les
au moins trois capteurs magnétiques sont positionnés et dimensionnés pour
permettre l'inspection de manchons de raccordement de conducteurs électriques
sur des lignes de transport à haute tension, la partie ferromagnétique
incluant une
section dans les manchons raccordant les conducteurs électriques, et une zone
de transition entre les conducteurs et les manchons, dans laquelle la mesure
de
la sonde magnétique permet d'insérer le câble dans la sonde et dans laquelle
l'ouverture de la sonde magnétique permet une prise de mesure en continu lors
d'un mouvement relatif entre la sonde magnétique et le manchon.
Dans certains modes de réalisation, les au moins trois circuits magnétiques et
les
au moins trois capteurs magnétiques sont paramétrés pour permettre
l'inspection
de l'âme ferromagnétique de conducteurs de type ACSR.
Dans certains modes de réalisation, le cadre, les au moins trois circuits
magnétiques et les au moins trois capteurs ont une masse totale de moins de 2
kg,
rendant la sonde magnétique portative par drone ou par moyens de transport
similaires.
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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Dans certains modes de réalisation, la configuration du passage dans le cadre
permet d'installer la sonde sur un câble, par drone, sans intervention
humaine.
Dans certains modes de réalisation, les au moins trois capteurs magnétiques
sont
de type fluxgate , à effet Hall ou à magnétorésistance.
Dans certains modes de réalisation, les mesures réalisées par les au moins
trois
capteurs magnétiques ont une relation linéaire avec un paramètre géométrique
de
la partie ferromagnétique du câble, facilitant la calibration de la sonde
magnétique.
Dans certains modes de réalisation, le passage inclut un espacement fixe,
ouvert
de manière permanente.
Dans certains modes de réalisation, le noyau et les pattes incluent chacun un
empilement de lamelles en acier doux.
Dans certains modes de réalisation, le cadre n'inclut pas de mécanisme
d'ouverture ou de fermeture pour installer la sonde magnétique sur le câble.
Selon un aspect, une méthode pour la détection de défauts d'une partie
ferromagnétique d'un câble est fournie. La méthode emploie la sonde magnétique
telle que définie précédemment.
Selon un aspect, un système pour la détection de défauts d'une partie
ferromagnétique d'un câble est fourni. Le système inclut une sonde magnétique
telle que définie précédemment et des moyens de transport permettant de
déplacer la sonde magnétique le long du câble de manière à récolter des
mesures
représentatives de potentiels défauts dans la partie ferromagnétique du câble.
La technologie et ses avantages ressortiront mieux de la description non
limitative
qui suit des modes de réalisation préférés de la technologie, faite en se
référant
aux dessins annexés.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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Les Figures 1 à 27 présentent différents aspects de la technologie ou des
aspects
reliés à celle-ci.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Dans la description qui suit, les composantes et/ou fonctionnalités similaires
dans
les figures sont représentées par les mêmes numéros de référence. Afin de ne
pas
encombrer les figures, certains éléments ne sont pas identifiés sur toutes les
figures s'ils ont déjà été présentés sur des figures précédentes. Les éléments
présentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle et l'accent
est
plutôt mis sur l'illustration claire des éléments et structures des différents
modes
.. de réalisations présentés ci-dessous.
En outre, bien que les modes de réalisation décrits et illustrés comprennent
divers
composants, et bien que certains de ces composants présentent certaines
configurations géométriques, il est entendu que le nombre de composants et
leurs
géométries peuvent varier, et ne doivent donc pas être pris dans leur
acception
restrictive, et ne doivent pas être interprétés de manière à limiter la portée
de la
présente technologie. Il doit être compris, comme il apparaîtra également à la
personne versée dans l'art, que d'autres composants appropriés, ainsi que
d'autres configurations géométriques appropriées, peuvent être utilisées pour
la
présente technologie et les parties correspondantes de la présente
technologie.
Tous les termes et expressions techniques et scientifiques utilisés dans la
présente description ont les mêmes définitions que celles généralement
comprises
par la personne versée dans l'art de la technologie actuelle. Les définitions
de
certains termes et expressions utilisés sont néanmoins fournies ci-dessous.
Le terme environ tel qu'utilisé dans le présent document signifie
approximativement , dans la région de , autour de ou toute autre
expression ayant une signification similaire. Par exemple, lorsque le terme
environ est utilisé en lien avec une valeur numérique, il pourrait la
modifier au-
dessus et/ou en dessous par une variation prédéterminée. Dans certains
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exemples, la variation prédéterminée est d'environ 10 % par rapport à la
valeur
nominale. Ce terme peut aussi tenir compte, par exemple, de l'erreur
expérimentale d'un appareil de mesure, de l'arrondissement et/ou de déviations
statistiques. Lorsqu'un intervalle de valeurs est mentionné dans la présente
demande, les bornes inférieures et supérieures de l'intervalle sont, à moins
d'indication contraire, toujours incluses dans la définition.
L'expression défaut(s) , ainsi que toute expression similaire ou
équivalente,
sera utilisée dans le cadre de la présente divulgation pour référer à certains
types
de pertes de matière ou d'intégrité physique dans des matériaux
ferromagnétiques, comme par des pertes de section d'acier ( LMA ), de brins
d'aciers brisés ( LF ) et de bris de manchons de raccordement des
conducteurs
électriques (comme par exemple des conducteurs électriques de type ACSR).
Le terme signal , ainsi que toute expression similaire ou équivalente,
représente une variation d'une grandeur physique quelconque. Un signal peut
être
analogique ou numérique, et transporte typiquement de l'information. Un signal
peut être continu ou discret et posséder différentes caractéristiques comme,
par
exemple et sans être limitatif, une période, une amplitude et une phase. Par
exemple, dans le contexte des applications en électricité ou impliquant
l'utilisation
d'électricité, un signal électrique peut être représentatif d'une différence
de
potentiel, de l'intensité d'un courant électrique, de la variation de
l'amplitude, de la
variation d'une fréquence, de la variation d'une phase et/ou de toute autre
grandeur physique pertinente. Il est à noter que les propriétés d'un signal
peuvent
être mesurées et que lors d'une mesure, un échantillon représenté par un
ensemble de données est obtenu. L'ensemble de données est généralement
représentatif du signal mesuré. Le temps de mesure représente la durée,
généralement finie, de l'acquisition d'un échantillon comprenant un ensemble
de
données. Suite à son acquisition, le signal (ou l'échantillon comprenant un
ensemble de données représentatif du signal) peut être traité. Le traitement
d'un signal inclut typiquement une méthode, une procédure et/ou l'utilisation
de
technique(s) permettant de confirmer la présence (ou l'absence) de défauts, de
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localiser la localisation d'un ou plusieurs défauts le cas échéant, et/ou de
révéler
certaines caractéristiques physiques pertinentes à la caractérisation de ces
défauts. Par exemple, de manière générale et sans être limitatif, le
traitement d'un
signal peut inclure des opérations ou une suite d'opérations mathématiques.
Ces
opérations comprennent, mais ne sont pas limitées à des opérations de :
contrôle,
filtrage, compression, transmission, réduction de bruit, convolution,
déconvolution,
prédiction, identification et/ou classification, en plus des autres opérations
mathématiques de base (e.g., addition, soustraction, multiplication et/ou
division).
Ainsi, le traitement de signal permet typiquement d'obtenir une propriété d'un
signal qui peut être subséquemment associée à une grandeur physique ou à la
variation de celle-ci, ce qui peut être à son tour associé à la présence ou à
l'absence de défauts dans la partie ferromagnétique du câble inspecté.
Certaines des expressions suivantes (incluant les expressions similaires,
synonymes et équivalentes) seront utilisées dans le cadre de la présente
divulgation :
- Haute précision signifiera que l'erreur est sous un seuil de 2%;
- Mesure rapide signifiera que la bande passante est supérieure à 30
kHz
- Résolution fine signifiera que la résolution est inférieure à lpT;
- Faible décalage (ou offset ) signifiera un décalage inférieur à 10
pT;
- Faible niveau de bruit signifiera que la densité spectrale du bruit est
inférieure à 10 nThiliz;
- Gain précis signifiera que l'erreur associée au gain est inférieure
à 0.05%; et
- Très faible non-linéarité signifiera que l'erreur de linéarité est
inférieure
à 0.1 %.
Les expressions rayonnement externe , perturbations externes , et toute
autre expression similaire ou équivalente, représentent un bruit électrique,
magnétique ou électromagnétique. Le bruit est ici entendu comme un signal
ayant
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une origine autre ou différente que le signal associé aux défauts étant
caractérisés
par les techniques ici présentées. Par exemple, un signal associé à du bruit
présente généralement des propriétés différentes d'un signal de défaut(s) dans
une partie ferromagnétique d'un câble.
Les appareil(s), méthode(s) et système(s) décrits ici, ou au moins des
éléments
de ceux-ci, peuvent être mis en oeuvre dans des programmes informatiques
exécutés sur des ordinateurs programmables (e.g., un microcontrôleur), chacun
comprenant au moins un processeur, un système de stockage de données
comprenant, par exemple et sans être limitatif, des éléments de mémoire
volatile
et non-volatile, au moins un périphérique d'entrée et au moins un périphérique
de
sortie. Dans certains exemples, l'ordinateur programmable peut être une unité
logique programmable, un ordinateur central, un serveur et un ordinateur
personnel, un système d'informatique en nuage, un ordinateur portable, une
assistance de données personnelles, un téléphone cellulaire, un téléphone
intelligent, un périphérique portable, une tablette, un dispositif d'affichage
intelligent, un décodeur ou un dispositif de réalité virtuelle. Chaque
programme est
de préférence implémenté dans un langage de programmation, de programmation
procédurale ou orienté objet de haut niveau pour communiquer avec un système
informatique. Toutefois, les programmes peuvent être implémentés en langage
assembleur ou en langage machine. Dans tous les cas, le langage peut être un
langage compilé ou interprété. Chacun de ces programmes informatiques est de
préférence stocké sur un support de stockage ou un dispositif lisible par un
ordinateur programmable général ou spécial pour la configuration et le
fonctionnement de l'ordinateur lorsque le support ou le périphérique de
stockage
est lu par l'ordinateur pour exécuter les procédures qui seront décrites dans
la
présente description. Dans certains modes de réalisation, les systèmes peuvent
être intégrés à un système d'exploitation s'exécutant sur l'ordinateur
programmable.
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Mise en contexte
La technique dite de Magnetic Flux Leakage , aussi couramment appelée
la technique MFL , est connue depuis bien longtemps. Elle trouve une
multitude
d'applications pour la détection de défauts dans les matériaux
ferromagnétiques.
Le principe de base de la MFL repose sur la formation d'un circuit magnétique
entre une sonde magnétique et un échantillon ou un objet inspecté (ou au moins
une portion de l'échantillon ou de l'objet). La sonde magnétique est adaptée
pour
produire un champ magnétique relativement élevé, ou au moins assez élevé pour
saturer l'échantillon ou l'objet objet. En présence d'un défaut, le flux
magnétique
change localement de chemin près du défaut (il fuit), causant une diminution
ou
une augmentation du champ qui est détecté par des détecteurs appropriés,
comme par exemple des détecteurs magnétiques.
Différentes solutions commerciales existent, comme par exemple, et sans être
limitatif :
1. Le Magnetester , illustré à la Figure 2. Ce dispositif a une masse de
23 kg et une ouverture maximale de 44 mm, ce qui équivaut à un ratio
ouverture/masse de 1,9 mm/kg;
2. L' lntron . Ce dispositif a une masse de 3 kg et une ouverture maximale
de 24 mm, ce qui équivaut à un ratio ouverture/masse de 8 mm/kg; et
3. Le Magnograph 3 . Ce dispositif a une masse de 13 kg et une ouverture
maximale de 45 mm, ce qui équivaut à un ratio ouverture/masse
de 3.5 mm/kg.
Les trois exemples non-limitatifs présentés ci-dessus suggèrent une tendance
pour ce type de sonde. En effet, pour les solutions commerciales déjà
disponibles,
l'ouverture de la sonde est corrélée avec la masse de la sonde (i.e., plus
l'ouverture est grande, plus la masse est importante), ce qui est résumé par
le ratio
ouverture/masse présenté ci-dessus pour chacun des dispositifs. Cette tendance
peut notamment être expliquée par la nécessité de saturer magnétiquement
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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l'échantillon ou l'objet inspecté. Il est à noter qu'environ 80 % des 35 000
km des
lignes haute tension d'Hydro-Québec ont un diamètre plus grand que 24 mm,
limitant les solutions commerciales pouvant être employées, ce qui limite
aussi les
conducteurs pouvant être inspectés. De plus, l'inspection de manchons de
raccordement serait impossible avec les exemples de solutions commerciales
présentées ci-dessus.
La configuration du circuit magnétique est très semblable d'une sonde à
l'autre.
En effet, les solutions existantes incluent des sondes composées de pôles en
forme de U . Ces pôles sont continus et faits en acier doux, et comprennent
des aimants à fort champ magnétique (e.g. : NdFeB) pour créer le champ
magnétique, comme illustré à la Figure 1 (ART ANTÉRIEUR). Les capteurs
magnétiques sont généralement placés près du circuit magnétique et à des
endroits distincts dans les différentes sondes. Cependant, peu importe le
choix de
l'emplacement, les capteurs magnétiques se trouvent en présence d'un champ
magnétique non nul lequel est produit par la sonde magnétique. Par conséquent,
cette configuration des solutions existantes nécessite l'utilisation d'un
capteur
magnétique à grande plage dynamique (e.g., capteur à effet Hall). Cette
configuration est donc moins sensible et moins précise qu'un capteur à plus
petite
plage de mesure.
Les sondes magnétiques existantes utilisent plusieurs pôles pour éliminer ou
tenter d'éliminer l'impact du déplacement du câble/conducteur dans
l'ouverture.
Par exemple, parmi les solutions existantes présentées ci-dessus, les sondes
magnétiques Magnetester et Intron utilisent 2 pôles pour réduire la
sensibilité au
déplacement du câble selon l'axe gravitationnel. La sonde Magnograph 3 utilise
4
pôles, ce qui permet en supplément de réduire la sensibilité au déplacement du
câble dans l'axe perpendiculaire à l'axe gravitationnel et à l'axe du câble.
Dans
tous les cas, la présence de 2 ou 4 pôles nécessite un mécanisme d'ouverture
et
de fermeture pour installer la sonde magnétique autour du câble à inspecter.
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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Sonde magnétique, méthode et système associés
La technologie ici décrite concerne une sonde magnétique ultralégère et à
grande
ouverture permettant une détection relativement précise de pertes de section
d'acier ( LMA ), de brins d'acier brisés ( LF ) et de bris dans les
manchons de
raccordement des conducteurs électriques de type ACSR. La détection
relativement précise de ces défauts est possible malgré la relativement faible
masse totale de la sonde magnétique. Plus particulièrement, la sonde
magnétique
a une masse totale d'environ 1.5 kg et possède une ouverture ayant un diamètre
d'environ 90 mm, ce qui équivaut à un ratio ouverture/masse de 60 mm/kg. Ces
caractéristiques permettent à la sonde d'être portée par drone, ou des moyens
de
transport similaires, et de rouler sur les manchons de raccordement et
portion(s)
de câble haute tension, ce qui est une amélioration par rapport aux sondes
existantes qui ont été présentées ci-dessus. En effet, le ratio
ouverture/masse de
la sonde magnétique ici présentée est donc environ 7 fois meilleur que les
solutions existantes. De plus, la sonde magnétique ici décrite possède une
symétrie cylindrique à trois pôles permet d'éliminer ou d'au moins réduire
l'effet du
déplacement du conducteur sur le signal mesuré, en plus d'éliminer le
mécanisme
d'ouverture et de fermeture. De plus, la création d'un point de champ
magnétique
nul (point zéro) sur chacun des pôles de la sonde magnétique permet
l'utilisation
de capteurs magnétiques ultrasensibles, et donc, une mesure très précise, ce
qui
est aussi une amélioration par rapport aux solutions existantes.
La technologie ici décrite surclasse à plusieurs niveaux les sondes
actuellement
disponibles sur le marché dans l'application précise de l'inspection des
câbles en
acier (ce qui inclut les conducteurs électriques ACSR). Comme il le sera
décrit
avec plus de détails plus bas, la sonde magnétique ici présentée mesure les
défauts LMA et les relativement petits défauts LF avec une grande précision,
peut
être transportée par drone ou tout autre moyen de transport similaire, peut
être
déployée sans un opérateur pour ouvrir ou fermer son passage, et possède une
ouverture assez grande pour inspecter les manchons de raccordement.
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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Comme il le sera décrit avec plus de détails plus bas, la sonde magnétique
repose
notamment sur l'introduction d'un entrefer au circuit magnétique pour créer un
point de champ magnétique nul ( point zéro ), une symétrie à trois pôles et
une
utilisation en régime non saturé de la sonde magnétique, comme illustré de
manière non-limitative à la Figure 4.
Les sondes magnétiques MFL existantes utilisent des pôles en forme de U
sans discontinuité, dans lesquelles il n'y a aucun endroit à proximité des
pôles où
le champ magnétique est nul. Dans les technologies existantes, il est
nécessaire
d'utiliser des capteurs magnétiques à grande plage de mesure, lesquels sont
généralement peu précis, afin de ne pas les saturer. L'introduction d'un
entrefer
au milieu de chaque pôle magnétique de la sonde permet de créer une fuite de
champ magnétique dans l'air au milieu des pôles. Cette fuite de champ
magnétique est en sens inverse avec le champ magnétique dans l'air en absence
d'entrefer. Il y a donc assurément un point ou une région où le champ
magnétique
est nul, dont la position dépend des paramètres géométriques de la sonde. Il
devient alors possible d'utiliser toute la plage d'un capteur magnétique plus
précis
si le capteur est positionné près de ce point zéro. Il devient dès lors
possible, avec
la sonde magnétique ici décrite, de mesurer des champs magnétiques
relativement faibles, voire très faibles, ce qui permet de réduire la masse
totale de
la sonde magnétique et d'augmenter le diamètre d'ouverture de la sonde
magnétique, tout en conservant une mesure aussi précise des défauts LMA et LF.
L'augmentation du diamètre de l'ouverture permet d'inspecter des conducteurs à
grand diamètre ainsi que les manchons de raccordement, ce qui n'était pas
possible avec les solutions existantes.
.. L'utilisation d'une configuration de symétrie à trois pôles suivant une
symétrie
cylindrique permet une compensation du déplacement du conducteur sur deux
axes. Par exemple, les trois pôles peuvent être disposés à un angle d'environ
1200
entre eux. Il est à noter que sur la configuration illustrée, les pôles 1 et 3
sont
attachés au pôle 2, mais les pôles 1 et 3 ne sont pas attachés entre eux,
laissant
ainsi un passage au bas de la sonde magnétique. Ce passage (voir par exemple
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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l'élément 30 sur la Figure 6) est adapté, positionnée et dimensionnée pour y
insérer le conducteur sans avoir à ouvrir et fermer la sonde, ou à recourir à
un
mécanisme d'ouverture et/ou de fermeture de la sonde magnétique. Il n'est donc
pas nécessaire qu'un opérateur monte près du conducteur pour fermer et ouvrir
la
sonde, comme il est actuellement requis en utilisant les solutions existantes.
La
sonde magnétique peut donc être déposée par drone, ou tout autre moyen de
transport similaire, ce qui permet un déploiement rapide et plus sécuritaire,
réduisant les expositions aux hautes tensions, potentiellement dangereuses
pour
les opérateurs.
Le principe de compensation du déplacement du conducteur par la sonde
magnétique sera maintenant expliqué avec plus de détails. Dans un scénario où
le câble ou une portion une de celui-ci s'approche du pôle 1, l'amplitude du
signal
détecté par le capteur magnétique associé au pôle 1 sera modifié, tandis que
l'amplitude du signal respectivement détecté par les capteurs magnétiques
associés aux pôles 2 et 3 sera modifié à l'opposé du pôle 1. En effectuant la
moyenne des signaux sur les trois pôles, ces variations s'annulent presque
complètement, ce qui permet d'au moins réduire et préférablement d'éliminer
les
variations significatives de signal, malgré le déplacement du conducteur (Le.,
le
mouvement relatif du conducteur eu égard à la position des capteurs
magnétiques). Il est à noter que la compensation ou la correction du signal
n'est
valide que dans une certaine limite de déplacement, ou plus particulièrement
une
plage de valeurs de déplacement. Par exemple, et sans être limitatif, pour une
sonde magnétique ayant une ouverture avec un rayon de 4,5 cm, la correction ou
la compensation du signal sera valide pour un déplacement maximal d'environ 2
cm. En pratique, il est rare qu'un déplacement soit plus grand que 2 cm. Cette
plage est donc suffisante pour les applications visées. En résumé, la
géométrie de
sonde à trois pôles permet de réduire et préférablement d'éliminer la
variation de
signal causée par le déplacement du conducteur par rapport à certaines
composantes de la sonde magnétique, comme illustré de manière non-limitative
aux Figures 15 et 16.
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A plusieurs endroits dans la littérature, il est mentionné que les sondes
magnétiques fonctionnent ou opèrent en régime saturé. Toutes les sondes
magnétiques existantes destinées à l'inspection des câbles d'acier semblent
fonctionner en régime saturé. La sonde magnétique ici décrite n'opère pas en
régime saturé, ce qui permet notamment de réduire grandement le poids de la
sonde magnétique. Lors des tests effectués, rien ne suggère que la saturation
soit
nécessaire pour effectuer des mesures appropriées. En effet, la sonde
magnétique
ici présentée permet de détecter de relativement petits défauts en régime non
saturé grâce à l'utilisation de capteurs ultrasensibles.
Maintenant que la sonde magnétique et son principe de fonctionnement ont été
décrits d'un point de vue général, différents modes de réalisation de la
technologie
seront maintenant présentés, en référence aux Figures 3 à 27.
Un mode de réalisation d'une sonde magnétique 20 pour la détection de défauts
d'une partie ferromagnétique d'un câble 22 est illustré à la Figure 5.
La sonde magnétique 20 inclut un cadre 24, au moins trois circuits magnétiques
26 et au moins trois capteurs magnétiques 28. Le cadre 22 a un axe central et
un
passage 30 permettant d'y passer le câble 22. Les au moins trois circuits
magnétiques 26 (ou simplement les circuits magnétiques 26) sont maintenus par
le cadre 24, distants les uns des autres. Il est à noter que le passage 30
permet
au câble 22 d'être inséré dans le cadre 24. Chaque circuit magnétique 26
inclut un
noyau 32 configure pour s'étendre le long du câble 22 lorsque la sonde
magnétique 20 est en service; des moyens 34 pour générer un flux magnétique
dans une section de la partie ferromagnétique du câble 22; et un entrefer 36
situé
dans le noyau 32 pour créer un point de champ magnétique nul entouré d'une
zone à faible champ magnétique, entre le noyau 32 et l'axe central du cadre
24.
Chaque capteur magnétique 28 est associé à au moins un des au moins trois
circuits magnétiques 26 et est situé à l'extérieur du noyau 32, dans la zone à
faible
champ magnétique. Les au moins trois capteurs magnétiques 28 (ou simplement
les capteurs magnétiques 28) sont aptes à mesurer un faible flux magnétique ou
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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une faible variation du flux magnétique causée par des défauts dans la partie
ferromagnétique du câble 22.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique 20 inclut exactement
trois circuits magnétiques 26 et exactement trois capteurs magnétiques
associés 28, équidistants les uns par rapport aux autres. Dans d'autres modes
de
réalisations, la sonde magnétiques pourrait inclure quatre, cinq ou six
circuits
magnétiques.
Dans les configurations illustrées, deux circuits magnétiques 28 adjacents
sont
espacés de 120 , autour de l'axe central du cadre 24 Il est à noter que
l'angle
dépend du nombre de circuits magnétiques étant montés sur le cadre 24.
Dans certains modes de réalisation, le noyau 32 inclut une partie
longitudinale 38
s'étendant le long du câble 22, lorsque la sonde magnétique 20 est en service,
et
deux pattes 40 orientées radialement vers l'axe central du cadre 22. Les
moyens 34 pour générer le flux incluent un premier aimant 42 situé dans une
.. première patte des deux pattes 40 et un second aimant 44 situé dans une
seconde
patte des deux pattes 40.
Dans certains modes de réalisation, le flux magnétique généré dans le câble 22
est en deçà d'un niveau de saturation magnétique du câble 22 lorsque la sonde
magnétique 20 est en service, Le, la sonde magnétique n'est pas opérée en
régime saturé.
L'entrefer 36 de chaque circuit magnétique 26 est adapté et configuré pour
créer
une fuite de champ magnétique dans l'air 48 à proximité de l'entrefer 36 (Le,
dans
l'air au centre du circuit 26, et en bas du noyau 32)), en sens inverse du
flux
magnétique généré dans l'air 48 en l'absence d'entrefer 32.
Dans certains modes de réalisation, les capteurs magnétiques 28 sont des
capteurs ultrasensibles. Par exemple, les capteurs magnétiques 28 pourraient
être
des capteurs aptes à mesurer un flux magnétique de moins de 5 mT. Dans
certains
modes de réalisation, les capteurs magnétiques 28 ont chacun une plage
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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d'opération de 2.5 mT, et préférablement une plage d'opération minimalement
incluse entre 1 mT. Il est à noter que la sonde magnétique 20 permet
d'effectuer
des mesures relativement peu sensibles à une dérive du gain ou du décalage en
fonction de la température.
.. Comme illustré sur certaines Figures, il est possible qu'un mouvement ou un
déplacement relatif (e.g., un déplacement radial) entre la sonde magnétique 20
et
le câble 22 doive être compensé. A cet égard, un positionnement symétrique des
trois capteurs magnétiques 28 et le moyennage des mesures prises par ces
derniers peuvent compenser des déplacements du câble 22 par rapport à l'axe
central du cadre 24 jusqu'à 2 cm en limitant l'erreur à 2 pT au maximum.
Ainsi,
l'effet potentiellement négatif du déplacement relatif du câble 22 par rapport
à la
sonde magnétique 20 peut être compensé, ce qui permet d'effectuer des mesures
assez précises pour les applications visées.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique 20 inclut un ou des
modules de contrôle, chacun incluant des moyens d'acquisition, des moyens de
traitement et des moyens de calculs pour acquérir et traiter des signaux
captés par
les capteurs magnétiques 28. Les modules de contrôles permettent de réaliser
des
calculs, incluant une pluralité d'opérations mathématiques à partir des
signaux
mesurés et traités. Comme précédemment présenté, un positionnement
symétrique des capteurs magnétiques 28 permet de réduire ou d'éliminer l'effet
produit par un déplacement du câble 22 relativement à l'axe central sur les
mesures réalisées lorsque la sonde magnétique 20 est en service. Les moyens de
calcul sont configurés pour moyenner les mesures des capteurs magnétiques 28
ou réaliser une opération équivalente. Chaque module de contrôle pourrait
inclure
des moyens d'enregistrement et/ou des moyens de transmission des mesures ou
de calculs effectués à partir des mesures. Dans certains modes de réalisation,
chaque module de contrôle est configure pour calculer des pertes de section ou
surface magnétique (LMA) et/ou d'identifier des brins brisés (LF) à partir des
valeurs du flux magnétique ou des variations du flux magnétique mesurées par
au
moins un des capteurs magnétiques 28. Dans certains modes de réalisation,
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20
chaque module de contrôle inclut des moyens algorithmiques pour réduire ou
supprimer l'effet d'un champ magnétique généré par un courant circulant dans
le
câble 22 sous inspection, le câble 22 correspondant en ce cas à un conducteur
électrique énergisé d'une ligne de transport haute tension. Dans certains
modes
de réalisation, un champ magnétique provenant du câble ou parasite est un
champ
magnétique alternatif et les moyens algorithmiques pour réduire ou supprimer
l'effet du champ magnétique alternatif généré par un courant circulant dans le
câble sous inspection incluent un algorithme permettant de filtrer une
composante
à la fréquence d'un signal mesuré ou de synchroniser les temps de lecture de
mesures de flux avec les temps où le courant circulant dans le conducteur
passe
par zéro.
Dans certains modes de réalisation, chaque module de contrôle peut être
configuré pour calculer des pertes de surfaces magnétiques (LMA) à partir de
mesures absolues (Le, des mesures non relatives) réalisées par les capteurs
magnétiques 28.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique 20 inclut un encodeur
linéaire 46 configuré pour être en contact avec le câble à inspecter, chaque
module
de contrôle étant configuré pour localiser pour des brins brisés (LF) à partir
de
mesures différentielles réalisées par les capteurs magnétiques 28 ou à partir
de
mesures absolues lues à intervalles réguliers. Les intervalles sont déterminés
en
fonction de lectures de position obtenues de l'encodeur linéaire 46.
Dans certains modes de réalisation, la sonde magnétique 20 inclut un capteur
du
champ gravitationnel terrestre, et chaque module de contrôle inclut des moyens
algorithmiques permettant de réduire ou de supprimer l'effet du champ
gravitationnel terrestre sur les mesures de flux magnétiques réalisées par les
capteurs.
Dans certains modes de réalisation, une ouverture de la sonde magnétique
correspond à une section circulaire transverse autour de l'axe central pouvant
recevoir le câble entre les au moins trois capteurs magnétiques de la sonde
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magnétique, le ratio du rayon de l'ouverture de la sonde magnétique sur le
poids
de la sonde magnétique étant de l'ordre de 60 mm/kg. Il est à noter que
l'ouverture
est la section circulaire au centre de la sonde magnétique 20, autour de l'axe
central, où se situera le câble 22 lors de l'inspection.
Dans certains modes de réalisation, les circuits magnétiques 26 et les
capteurs
magnétiques 28 sont positionnés et dimensionnés pour permettre l'inspection de
câble 22 dont la partie ferromagnétique a un diamètre inclus entre
approximativement 2 mm et approximativement 50 mm. Dans certaines
implémentations, le diamètre pourrait aller jusqu'à 15 mm, par exemple dans le
contexte de la détection des défauts LF, jusqu'à 20 mm, par exemple dans le
contexte de la détection des défauts LMA et jusqu'à 30 mm, par exemple dans le
contexte de la détection de la corrosion des manchons.
Dans certains modes de réalisation, les circuits magnétiques 26 et les
capteurs
magnétiques 28 sont positionnés et dimensionnés pour permettre l'inspection de
manchons de raccordement de conducteurs électriques sur des lignes de
transport
à haute tension, la partie ferromagnétique incluant une section dans les
manchons
raccordant les conducteurs électriques, et une zone de transition entre les
conducteurs et les manchons, dans laquelle le passage 30 du cadre 24 de la
sonde
magnétique 20 permet une prise de mesure en continu lors d'un mouvement
relatif
entre la sonde magnétique et le manchon, le mouvement relatif étant ici défini
lorsque la sonde magnétique 20 avance et recouvre progressivement le manchon,
ou à l'inverse laisse le manchon sortir de la sonde magnétique 20.
Dans certains modes de réalisation, les circuits magnétiques 26 et les
capteurs
magnétiques 28 sont paramétrés pour permettre l'inspection de l'âme
ferromagnétique de conducteurs de type ACSR. Par exemple, les circuits
magnétiques 26 et les capteurs magnétiques 28 peuvent être optimisés, dans
leur
position et leurs dimensions, de manière à permettre l'inspection de l'âme
ferromagnétique de conducteurs de type ACSR, par opposition à un câble tout en
acier de même diamètre.
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Dans certains modes de réalisation, le cadre 24, les circuits magnétiques 26
et les
capteurs magnétiques 28 ont une masse totale de moins de 2 kg, rendant la
sonde
magnétique 20 portative par drone ou par moyens de transport similaires.
Dans certains modes de réalisation, la configuration du passage 30 dans le
cadre 24 permet d'installer la sonde magnétique 20 sur le câble 22, par drone,
sans intervention humaine, ce qui permet de simplifier grandement
l'installation de
la sonde magnétique 20 sur le câble 22.
Dans certains modes de réalisation, les capteurs magnétiques 28 sont de
type fluxgate , à effet Hall ou à magnétorésistance.
Dans certains modes de réalisation, les mesures réalisées par les capteurs
magnétiques 28 ont une relation linéaire avec un paramètre géométrique de la
partie ferromagnétique du câble 22, facilitant la calibration de la sonde
magnétique 20. Le paramètre géométrique pourrait être un rayon, un diamètre,
une section ou une aire.
Dans certains modes de réalisation, le passage 30 inclut un espacement fixe,
ouvert de manière permanente.
Dans certains modes de réalisation, le noyau 32 et les pattes 40 incluent
chacune
un empilement de lamelles en acier doux dans une configuration qui minimise le
poids en optimisant la forme de manière à y concentrer et uniformiser le flux
magnétique.
Dans certains modes de réalisation, le cadre 24 n'inclut pas de mécanisme
d'ouverture ou de fermeture pour installer la sonde magnétique 20 sur le câble
22.
Selon un aspect, une méthode pour la détection de défauts d'une partie
ferromagnétique d'un câble est fournie. La méthode emploie la sonde magnétique
telle que définie précédemment.
Selon un aspect, un système pour la détection de défauts d'une partie
ferromagnétique d'un câble est fourni. Le système inclut une sonde magnétique
Date Reçue/Date Received 2022-08-24
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telle que définie précédemment et des moyens de transport permettant de
déplacer la sonde magnétique le long du câble de manière à récolter des
mesures
représentatives de potentiels défauts dans la partie ferromagnétique du câble.
La technologie ici présentée repose sur la combinaison d'une grande ouverture
de
la sonde magnétique (diamètre de 90 mm) et d'un faible poids de la sonde
magnétique (1,5 kg). La technologie repose aussi sur l'absence d'un mécanisme
d'ouverture et de fermeture de la sonde grâce à la symétrie à trois pôles. La
technologie repose aussi sur la compensation du déplacement du conducteur sur
deux axes grâce à la symétrie à trois pôles. La technologie repose aussi sur
la
sensibilité de la sonde résultant d'un emplacement stratégique pour les
capteurs
magnétiques ultrasensibles (plage de 2.5 mT) dans une zone de champ nul
(point
zéro). Plus particulièrement, la sonde magnétique inclut l'ajout d'un entrefer
dans
le circuit magnétique des pôles, la création d'un point de champ magnétique
nul
(point zéro) à proximité de l'objet inspecté, l'utilisation d'un détecteur
ultrasensible
et à faible niveau de bruit près du point zéro, la réalisation de la mesure de
l'objet
inspecté en régime non-saturé et l'utilisation d'une symétrie à 3 pôles. Cette
configuration permet notamment d'obtenir une sonde magnétique ultralégère,
ultrasensible, à grande ouverture et sans mécanisme de fermeture. La
technologie
ici décrite est particulièrement bien adapté aux conducteurs ACSR. Elle
pourrait
aussi être utilisée pour les câbles tout en acier. Enfin, la sonde magnétique
ici
décrite permet la détection des défauts LMA et LF, en plus de pouvoir être
transportée par drone, être déposée sur le conducteur sans opérateur pour la
fermer et franchir des manchons de raccordement pour inspecter leurs défauts.
Des exemples non limitatifs de résultats pouvant être obtenus avec la
technologie
ici présentée sont illustrés aux Figures 17 à 27.
Bien que plusieurs modes de réalisations préférés aient été décrits en détail
ci-
dessus et illustrés dans les dessins annexés, l'invention n'est pas limitée à
ces
seuls modes de réalisation. La personne versée dans l'art comprendra que les
revendications ne doivent pas être limitées dans leur portée par les
réalisations
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préférentielles illustrées dans les exemples présentés ci-dessus, mais doivent
recevoir l'interprétation la plus large qui soit conforme à la description
dans son
ensemble et les revendications annexées.
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