Brevet FR2008391A1 — publié le 19700123

La présente invention se rapporte à un appareil pour la mesure des profils. Sa présente invention fournit un appareil de mesure des profils comprenant une source de rayonnement, un détecteur de rayonnement et donnant un signal de sortie indiquant l'intensité du rayonnement qui tombe sur le détecteur, un moyen de commande servant à modifier la position ou la position apparente de la source telle qu'elle est vue par-le détecteur, la sortie du détecteur étant appliquée au moyen de commande de sorte que lorsqu'un objet est interposé entre la source et le détecteur, le moyen de commande modifie la position ou la position apparente de la source suivant une direction assurant l'occultation par l'objet si l'intensité du rayonnement détectée par le détecteur est superieure à une fraction prédéterminée de l'intensité maximale du rayonnement détecté provenant de la source qui n'est pas occultée et le moyen de commande modifiant la position ou la position apparente de la source en sens opposé si l'intensité du rayonnement détectée par le détecteur est inférieure à ladite fraction prédétermineeG De cette manière, la position de la source, ou sa position apparente telle qu' elle est vue par le détecteur, est amenée automatiquement à une position d'équilibre suivant laquelle la source est partiellement occultée pour le détecteur, par l'~objet. Si la direction précitée de déplacement commandé de la position ou de la position apparente de la source est la direction de 1' axe de Tu, et si la position ou la position apparente de la source est déplacée indépendamment,transversalement, dans la direction de l'axe BI , ltappareil effectue automatiquement un déplacement dans la direction Y de sorte que la position ou la position apparente de la source suit le profil de l'objet. Lorsque l'objet est exploré de cette manière dans la direction X, le signal de commande du moyen de commande représente par suite instantanément la coordonnée Y correspondante du profil de l'ob- jet. Dans un mode de réalisation préfére de l'invention, un spot pouvant astre dévié et qui constitue la source de rayonnement. Ce spot présentant des dimensions finies, est focalisé dans un plan qui contient le profil de l'objet qui doit être examiné. De préférence, la source formée par le spot mobile est constituée par le spot formé sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques et de préférence la lumiere provenant du spot est focalisée par une lentille optique. Dans ce cas, le détecteur est constitué d'une manière commode par un photomultiplicateur. De pr4fêrence, la sortie du photomultiplicateur est amplifiée d'une manière appropriée, elle est appliquée au système de déviation Y d-u tube à rayons cathodiques et l'objet est exploré dans la direction X par un signal de base de temps appliqué au système de déviation X du tube à rayons cathodiques. lies signaux de déviation X et Y représentent les coordonnees X et Y du profil examiné. De préférence, on utilise des moyens de comparaison pour comparer automatiquement les signaux de déviation X et Y avec des signaux de référence et des moyens indicateurs de défauts indiquent la présence d'un défaut lorsque pour une déviation X donnée, le signal de déviation Y diffère du signal de référence Y correspondant d'une quantité supérieure à une quantité prédéterminée. D'autres avantages et caractéristiques de la présente inven- tion ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé qui donne à titre expli. catif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation confor me à I1 invention. Sur ce dessin, la figure 1 représente schématiquement les éléments principaux de l'appareil. la figure 2 montre comment est suivi le profil-d'un objet. la figure 3 est un schéma de circuit d'une partie de l'appa- reil, et la figure 4 représente schématiquement les composants élec- triques et leurs connexions utilisés afin de traiter automatique- . ment l'information de sortie provenant de l'appareil représenté sur la figure le Dans cet exemple, l'appareil est destiné à examiner automatiquement le profil d'ailettes 11 de tubes en acier inoxydable allongés 12, tels que ceux qui sont utilisés pour les cartouches de combustible des réacteurs nucléaires. Une source de rayonnement lumineux est formée par un spot 13 sur l'écran fluorescent 14 d'un tube à rayons cathodiques t5. Le spot 13 est focalisé par une lentille optique 16 dans un plat 17 où doit être examiné le profil de l'ailette 11e La lumière qui passe par l'objet est reçue par un photomultiplicateur 18. La sortie du photomultiplicateur 18 est appliquée par l'in- termédiaire d'un amplificateur 19 à l'amplificateur 21. de@dévia- tion Y du tube à rayons cathodiques 15. Ceci forme un système@@ de réaction qui est agencé de telle sorte que la lumière non @@- cultée pre@enant du spot et qui att@int le photomultiplicate@@ 18 produit un signal de de@iation Y qui entraîne le spot vers : une position d'occultation par l'ailette 11: tandis que l'atsence de lumière atteignant le photomultiplicateur 18 produit un signal de déviation Y qui entraîne le spot n sens opposé.De cette manière, on atteint une condition d'équilibre suivant laquelle le spot 13, tel qu'il est-vu par le photomultiplicateur 18, est partiellement occulté par le profil de l'ailette 11. L'application d'une tension appropriée à l'amplificateur 22 de déviation X@ pour faire balayer lentement par le spot 13 la direction X, se traduit par le fait que le spot 1 3 suit le profil de l'ailette 11, comme on le voit sur la figure 2. La flèche A indique la longueur du balayage X et la flèche B indique l'amplitude de la déviation Y. Le balayage est fourni d'une manière commode par un signal de base de temps. A condition que le système de déviation du tube à rayons cathodiques soit linéaire, la tension à l'amplificateur de déviation Y présente la mdme forme que le profil de 11 objet ; l'amplitude de la tension Y est proportionnelle à la dimension en hauteur dans la direction Y, tandis que les dures sont proportion- nelles à la dimension en longueur dans la direction X. Dans cet exemple, le balayage X est répétitif et le tube est déplacé lentement à travers l'appareil dans la direction X, à une vitesse qui n'est pas supérieure à 5 % de la vitesse du balayage X0 On fait en sorte qu'une mesure du profil d'-une ailette soit effectuée pendant un seul balayage X lorsque le profil est proche du centre du tube à rayons cathodiques9 et énsuite toute autre mesure est bloquée jusqu'àce que le profil suivant soit arrivé à cette position. les para@ètres prévus des composants du circuit asservi @e déviation Y doivent présenter un ce@promis entre la précision @@ la rapidité des mesures.On tient @@ompte des facteurs suivan@s : (I) La constante de temps de Ia substance luminescente de l'écran du tube à rayons cathodiques doit entre courte en comparaison de la durée minimale des éléments transitoires de tension de ia forme d'onde du profila Ceci est dû au fait que la crois sance et la décroissance de lå lumière est de forme exponentiel- le et que ceci produit un retard dans le temps-du signal dans le circuit asservi de déviation Y. De cette manière, si le retard (ou déphasage) devient trop grand en comparaison de la-vitesse de fonctionnement (ou largeur de bande) du système asservi, il se produit des oscillations.Des substances luminescentes, dont les constantes de temps sont inférieures à 5 microsecondes ont été choisies, en les comparant avec une forme d'onde de profil type d'une durée drune millisecondeo (II) les dimensions du spot à l'endroit de l'objet (après transmission à traversa lentille) constituent l'un des facteurs principaux qui imposent une limite à la précision des mesures0 On obtient un gain considérable de précision en faisant de sorte que la conception du circuit oblige à obtenir l'équilibre lorsque la moitié du spot est occultée par le profil.Même dans ce cas, il est nécessaire de maintenir suffisamment faibles les dimensions du spot pour pouvoir mesurer d'une façon raisonnable les coins présentés par le profil0 (III) Il est important que le circuit asservi fonctionne aussi linéairement que possible sur la gamme de travail et que la position dans laquelle le spot de lumière du tube à rayons cathodiques est verrouillé sur le profil soit la seule position d'équilibre stable. Cette exigence implique que le spot de lumière provenant du tube à rayons cathodiques soit reçu par' le photomultiplicateur, (en l'absence de tout profil d'objet) pour toutes les positions possibles du spot du tube à rayons catHodiques sur l'écran. Il est par suite nécessaire de limiter les excitations de déviation X et Y disponibles du tube à rayons cathodiques de telle sorte que le faisceau se trouve toujours sur l'écran du tube à rayons cathodiques. L'amplificateur Y qui suit le photomultiplic'-ateur est de ce fait conçu avec une caractéristique de surcharge @appropriée as- surant une tension de sortie maximale raisonnàble; tandis que la longueur du balayage X est préréglée à une valseur appropriée. Ces dispositions limitent le déplacement du spot de manière à ce qu'il reste bien à l'intérieur des limites de l'écran. (IV) La distance focale et l'ouverture de la lentille sont choisies pour être adaptées à l'application particuSière,- Su fait que les dimensions de balayage du faisceau du tube àrayon:s cathodiques doivent entre adaptées pour correspondre nécessaire ment aux dimensions du profil. Il faut tenir eompte de l'effet des déplacements mécaniques de l'objet lorsqu'il est déplacé pour effectuer des mesures successives, du fait que ees déplacements peuvent comporter certaines vibrations dues à l'équipement de manipulation mécanique. L'ouverture maximale de la lentille est commandée par la profondeur de la distance focale appropriée à l'objet. En particulier, la lumière provenant de la lentille doit être raisonnablement parallèle et la lumière diffusée par des réflexions sur la surface métallique doit être maintenue dans des niveaux acceptables0 (V) la photo-cathode du photomultiplicateur doit etre disposée de telle sorte que toute la lumière passant-au-delà du profil soit reçue. Cette condition doit être satisfaite, alors que le faisceau du tube à rayons cathodiques se trouve n1 importe où sur sa surface d'exploration.Dans cet exemple, on utilise un photomultiplicateur (Electrical & Musical Instruments Ltd., type 9524) avec une photo-cathode de 25,4 mm de diamètre et un gain qui peut étire utilisé dans une gamme de 103-à 106. Tune des difficultés principales qu'on éprouve lorsqu'on utilise un photomultiplicateur est de le protéger et de le mettre à l'abri des dégâts lorsqu'on ouvre l'appareil pour changer un échantillon et lorsque toute la lumière ambiante est reçue par la photo-cathode, ce qui donne une très forte surchage de courant à travers tout le photomultiplicateur. -Cet effet peut autre supprimé : soit (a) en utilisant un obturateur mécanique disposé en avant de la photo-cathode, soit (b) en réduisant la haute tension appliquée au photomultiplicateur. le procédé (b) est utilisé dans cet exemple et il est décrit ci-après en liaison avec la figure 3o (Vl) Il est important que l'amplificateur 19 soit monté directement entre la sortie du photomultiplicateur 18 et le système de déviation du tube à rayons- cathodiques. Dans cet exemple, on utilise un tube à rayons cathodiques à déviation magnétique pour obtenir une brillance maximale avec une bonne résolution - et le photomultiplicateur doit de ce fait commander directement la déviation magnétique Y du tube à rayons cathodique s0 La figure 3 représente le circuit amplificateur simple.Le courant provenant du photomultiplicateur 18 doit appliquer un courant de polarisation de 35 microampères à l'entrée 23 avant que l'amplificateur 19 n'arrive à sa caractéristique linéaire. la haute tension du photomultiplicateur 18 qui est appliquée a la photo-cathode H est réglée de telle sorte que le courant anodique normal soit de 70 microampères pour un éclairement complet du spot. Le circuit asservi de l'-amplificateur Y est équilibré avec 35 microampères de courant anodique du photomu@tiplicateur alors que le spot de lumiere est à moitié occulté par l'objet. La polarisation appropriée pour l'équilibre à. 35 microampères est réglée par la valeur de R1 et par la tenson appliquée en De Lorsque la lumière ambiante tombe sur la photo-cathode, le courant anodique du photomultiplicateur dépasse considérablement 35 microampères et le potentiel anodique tombe, ce qui coupe l'@@@ plificateur en faisant apparattre une tension de commande de sor. tie en 24. Cette tension de commande est prévue de manière à com- mander ltensemble fournissant la haute tension alimentant H de façon à réduire la haute tension et limiter le courant anodique à une valeur ne dépassant pas 300 microampères. les spécifications des composants représentés sur la figure sont les suivantes R1 = 180 kiloohms R2 = 22 kiloohms R3 = 1 kiloohm R4 - 47 kiloohms R5 = 10 Ohms C = 0,1 microfarads 19 = PLESSEY SL701B L'appareil représenté sur la figure 4 est utilise pour traite la sortie de O (figures I et 3) lorsqu'on l'utilise pour mesurer des profils dtailettes. La forme d'onde de la tension électrique qui apparat en O présente la même forme que le profil de l'ailet- te et apparatt comme représente sur la figure 2. Dans cet exemples le traitement est basé sur la mesure de la hauteur (amplitude) et de la largeur (durée) de l'impulsion de tension qui représente l'ailette 11. Dans ee but, la sortie de 0 est appliquée à un convertisseur 25 de hauteur de profil en temps et à un convertisseur 26 de lar- geur de profil en temps . le convertisseur 25 produit un signal qui maintient ouverte une porte 27 pendant une période d'une durée proportionnelle à la hauteur du profil de l'ailette. Le convertisseur 26 produit un signal qui maintient ouverte une porte 28 pen- dant une période de durée proportionnelle à ..Ia largeur du profil de l'ailette Des oscillateurs 29, 31 sont reliés respectivement à-des compteurs 32, 33 par l'intermédiaire des-portes 27, 28-.De cette manière, des trains d'impulsions sont appliqués aux compteurs, le nombre d'impulsions dans un train étant proportionnel aux impulsions de hauteur ou de largeur-, suivant le cas. En choisissant d'une manière appropriée la fréquence de l'oscillateur, on peut faire en sorte que le nombre d'impulsions qui correspond à une dimension donnée soit commode. Dans cet exemple, cent impulsions représentent 0,25 mm. les sorties numériques ainsi obtenues peuvent entre affichées pour qu'-un opérateur les lise lorsque l'échantillon est immobile, Cependant, lorsque le tube se déplace à sa vitesse d'avance normale, les chiffres se présentent trop rapidement et ne peuvent pas dtre lus par l'opérateur. Dans ce cas, on peut utiliser deux formes de traitement automatique des données (a) les valeurs numériques sont comparées/avec des limites d'essai appropriées, établies-sous la forme de valeurs numériques, dans un discriminateur numdrique pour déterminer si la dimension du profil est au-dessous, dans, ou au-dessus des tolérances spécifiées.Si une dimension quelconque du profil se trouve en dehors des tolérances, le tube peut autre arrêté et examiné ou bien en variante, on peut compter le nombre total de profils qui -tombent en dehors des tolérances. Cb les valeurs numériques sont transférées/d'une manière continue à un petit ordinateur où elles sont comparées avec des limites spécifiées. Cette comparaison peut s'effectuer sous--la commande d'un programme de façon à pouvoir obtenir une détermination de qualité plus détaillée. Par exemple, on peut spécifier cinq catégories de tolérance c'est-à-dire"' très en-dessous,juste an dessous, dans les tolérances, juste au-dessus et très au-dessus de celles-ci. Le nombre de mesures de profils tombant; dans chacune des catégories est compté et enregistré. En commun avec tous les appareils-optiques utilisant une occultation , la lumière ne peut indiquer la différence entre la pous sière et le métal. De plus, le balayage du tube à rayons cathodi- ques ne s'effectue que dans 'une seule direction, de sorte qu'il ne peut suivre tous les contours métalliques qui comportent-des dépouilles. De ce fait, un fil mince dè métal -ou. de matière texti le faisant saillie - sur le sommet d'une ailette dans la direction du balayage X peut donner un profil qui est artificiellement large. Par suite, le profil métallique doit être nettoyé extrêmement bien avant d'effectuer la mesure. : 'effet de ces fils minces de métal ou te--matière textile est moins marqué si le spot de lumière est plus graxld que lalargeur du fil, du fait qu'fil peut être impossible dans ce cas d'occulter à moitié le spot. Si cette condition d'équilibre Y est impossible à obtenir, le spot d'exploration passe au-dessus du fil mince et ignore par suite ce détail fin De ce fait, plus le spot de lumière-de balayage est petit, et plus il est affecté par les irrégularités fines du profil, et plus des normes de propreté élevée sont nécessaires. Il faut éviter autant que possible que le tube ne vibre-pendant qu'il se déplace Ceci peut être obtenu en montant un amortisseur et en utilisant des supports de tubes appropriés. La présente invention ne se limite pas aux détails de l'exem- ple précédent. Par exemple, on a décrit un système optique très simple comprenant une lentille 16 servant à focaliser le spot 13 sur le plan 170 En pratique,- on obtient un fonctionnement perfectionné avec, par exemple, un système optique télécentrique qui comporte une autre lentille disposée entre l'objet et le photomultiplicateur 18. Il va de soi que la presente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1.- Appareil de mesure des profils, caraotérisé en ce qu'il comprend une source de rayonnement, un détecteur de rayonnement dé- livrant un signal de sortie indiquant l'intensité du rayonnement tombant sur le détecteur, un dispositif de commande modifiant la position ou la position apparente de la source telle que reçue par le détecteur, la sortie du détecteur étant appliquée au dispositif de commande de manière que lorsqutil est utilise pour un objet interposé entre la source et le détecteur, le dispositif de commande rfssdifie la position ou la position apparente de la source suivant une direction tendant à une occultation par l'objet si l'intensité du rayonnement détecté par le détecteur est supérieure à une fraction prédéterminée de l'intensité maximale du rayonnement détecté et provenant de la source qui n' est pas occultée, le dispositif de commande modifiant la position ou la position apparente de la source en sens opposé si l'intensité du rayonnement détecté par le détecteur est inférieure à ladite fraction prédéterminée. 2.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un spot pouvant être dévié, formant une source de rayonnement et présentant des dimensions finies, est focalisé dans un plan qui contient le profil de l'objet qui doit dtre examiné. 3.- Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le spot pouvant être dévié et formant la source est constitué par le spot formé sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques. 4.- Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le spot est focalisé par une lentille optique. 5. Appareil suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le détecteur est un photomultiplicateur. 6.- Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie du photomultiplicateur est amplifiée d'une manière appropriée et appliquée au système de déviation Y du tube à rayons cathodiques, l'objet étant balayé dans la direction X par un signal de base de temps appliqué au système de déviation X du tube à rayons cathodiques. 7.- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que des moyens de comparaison sont utilisés pour comparer automatiquement les signaux de déviation X et Y avec des signaux de référen ce, un indicateur de défauts indiquant la présence d'un défaut lorsque pour une déviation X donnes, le signal de déviation Y dif- fère du signal de référence Y correspondant d'une valeur supérieure à une valeur prédéterminée.