Mesure de l’épaisseur à haute température avec des Transducteurs ÉlectroMagnétiques Acoustiques (EMATs)

Rollet, Paul (2025). Mesure de l’épaisseur à haute température avec des Transducteurs ÉlectroMagnétiques Acoustiques (EMATs). Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La mesure d’épaisseur constitue une opération essentielle du contrôle non destructif (CND) pour le suivi de l’intégrité des structures soumises à des conditions sévères, telles que les conduites industrielles ou les composants exposés à de fortes températures. Parmi les différentes techniques disponibles, les ultrasons représentent une solution privilégiée pour leur précision, leur rapidité d’exécution et leur capacité à évaluer les discontinuités internes des matériaux.

Le transducteur électromagnétique acoustique (EMAT) se distingue des capteurs piézoélectriques traditionnels par son fonctionnement sans couplant et sa capacité à générer des ondes de cisaille ment. Ce type d’onde, dont la longueur d’onde est plus courte que celle des ondes longitudinales à fréquence donnée offre une meilleure résolution spatiale pour la mesure d’épaisseur. L’EMAT exploite principalement la force de Lorentz issue de l’interaction entre la densité de courant induite dans la pièce et un champ magnétique, permettant la génération et la détection d’ondes de cisaillement selon une configuration pulse-echo. Dans les matériaux ferromagnétiques, des phénomènes de magnétisation et de magnétostriction contribuent également à la transduction d’ondes.

Des simulations par éléments finis ont permis d’optimiser la conception du dispositif, en étudiant la distribution du champ magnétique statique et la densité des forces de Lorentz. Plusieurs configurations d’aimants et de bobines ont été évaluées, et l’agencement combinant un noyau ferromagnétique central, des aimants latéraux et une bobine papillon s’est révélé le plus performant, améliorant significativement le rapport signal sur bruit (Signal to Noise Ratio - SNR) et la directivité acoustique.

Les prototypes ont été réalisés à l’aide d’aimants permanents en Samarium-Cobalt (SmCo) et d’un circuit imprimé (Printed Circuit Board - PCB) en céramique d’alumine (Al2O3), assurant une stabilité mécanique et thermique jusqu’à 400 °C. Les essais sur des échantillons d’acier 1018 et 1045 ont révélé un SNR supérieur à 17 dB sur l’ensemble de la plage de température, et une excellente stabilité après plusieurs cycles thermiques ainsi qu’une semaine d’essai continu à 300 °C.

Enfin, la détection de défauts internes de type trou à fond plat (Flat Bottom Hole - FBH) a été réalisée avec succès, y compris à haute température, au moyen d’un EMAT compact.

Titre traduit

High temperature gauging using an electromagnetic acoustic transducer

Résumé traduit

Thickness measurement is an essential operation in non-destructive testing (NDT) for monitoring the integrity of structures operating under severe conditions, such as industrial pipelines or components exposed to high temperatures. Among the various available techniques, ultrasonics remain a preferred solution due to their accuracy, rapid acquisition, and ability to evaluate internal discontinuities within materials.

The electromagnetic acoustic transducer (EMAT) differs from conventional piezoelectric sensors by its couplant-free operation and its ability to generate shear waves. This type of wave, with a shorter wavelength at a given frequency, provides higher spatial resolution for thickness measurement. The EMAT mainly relies on the Lorentz force resulting from the interaction between the induced current density in the specimen and a static magnetic field, enabling the generation and detection of shear waves in a pulse-echo configuration. In ferromagnetic materials, additional contributions from magnetization and magnetostrictive effects also participate in the acoustic wave transduction process.

Finite element simulations were performed to optimize the device design by analyzing the distribution of the static magnetic field and the density of Lorentz forces within the active region. Several magnet and coil configurations were investigated, and the arrangement combining a ferromagnetic core, lateral magnets, and a butterfly-shaped coil proved to be the most efficient, leading to a significant improvement in signal-to-noise ratio (SNR) and acoustic beam directivity.

Prototypes were fabricated using Samarium–Cobalt (SmCo) permanent magnets and a ceramic printed circuit board (PCB) made of aluminum oxide (Al2O3), ensuring mechanical and thermal stability up to 400 °C. Tests conducted on 1018 and 1045 steel samples showed an SNR greater than 17 dB across the entire temperature range, with excellent stability after several thermal cycles and one week of continuous operation at 300 °C.

Finally, the detection of internal defects, such as flat bottom holes (FBH), was successfully achieved, including at high temperature, using a compact and optimized EMAT.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 77-81).
Mots-clés libres:	ultrasons, contrôle non destructif (CND), transducteur électromagnétique acoustique (EMAT), haute température
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	24 févr. 2026 18:37
Dernière modification:	24 févr. 2026 18:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3789

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