Brevet FR2361647A1 — publié le 19780310

La présente invention a pour objet un procédé de contrôle par ultrasons et un dispositif de mise en oeuvre. Elle trouve une application notamment dans le contrôle des tubes utilisés pour le gainage des combustibles nucléaires. Le contrôle d'un tube par ultrasons consiste, ainsi qu'il est connu, envoyer sur le tube une onde ultrasonore et à analyser l'onde réfléchie par le tube, De la forme des échos on déduit la nature et la taille desdéfauts présents dans le tube. Cette onde, de fréquence de l'ordre de 4 MHZ par exemple, peut être modulée en trains, de fréquence de récurrence de l'ordre de I kHz par exemple De préférence, on effectue un balayage hélicordal du tube par un faisceau d'ultrasons. Ce balayage peut entre obtenu en conservant la source d'ultrasons fixe et en animant le tube d'un mouvement de rotation sur lui-m8me accompagné d'un mouvement de translation parallèlement a son axe. La fréquence de balayage est, par exemple de l'ordre de 50 Hz. De nombreux ouvrages et revues ont décrit ce genre de procédé. On pourra consulter par exemple l'ouvrage de J. et H. Krautkrämer "Ultrasonic Testing of Materials" publié par springer Verlag en 1969. Il résulte du caractère hélicoïdal du balayage qu'un défaut du tube donne naissance à un écho à chaque tour pendant plusieurs tours si le pas du balayage est suffisamment fin. Le signal correspondant a l'écho qui est l'enveloppe du signal électrique à fréquence ultrasonore recueilli par le transducteur-récepteur est en général observé sur l'écran d'un oscilloscope ; mais il peut être aussi enregistré. Ce signal présente donc la forme d'une suite d'impulsions dont l'amplitude est proportionnelle a celle de l'écho ultrasonore. La fréquence d'apparition de ces impulsions est égale è la fréquence de rotation du tube sur lui-mme. La forme des impulsions dépend de la nature du défaut et des circuits électroniques utilisés.Dans le cas d'une excitation par onde ultrasonore modulée en trains, elle est en général triangulaire avec un temps de montée très bref et une déc-roissan- ce lente, repsente l'enveloppe des maxima desy;;ehos élEmen- taires dus aux trains successifs. Pour certains tubes, et notamment pour ceux qui sont destinés au gainage des combustibles nucléaires, la structure du matériau employé peut entre grossière et consister en grains de taille plus ou moins grande. Cette structure provoque l'apparition de signaux parasites dus à la rétrodiffusion d'une partie de l'onde ultrasonore aux joints des grains. Il en résulte des échos multiples et aléatoires et des impulsions parasites qui noient dans le bruit le signal utile recherché. La présente invention a justement pour objet un procédé perfectionné de contrôle de tubes, grace auquel ces signaux parasites, dus à la structure granulaire de certains tubes, sont réduits. L'invention procède de la remarque suivante : les impulsions qui caractérisent la présence d'un défaut apparaSssent, dans le signal de mesure, avec une fréquence qui est celle du balayage (lorsque le transducteur est fixe, cette fréquence est celle de la rotation du tube à contrôler) Les signaux parasites provoqués par la structure grossière du tube ont une fréquence supérieure à cette fréquence de balayage.Pour débarrasser le signal global des impulsions parasites et pour conserver les seules impulsions caractérisant le défaut recherché, on effectue une opération de filtrage à la fréquence de balayage du tube, c'est- -dire, dans la plupart des cas, à la fréquence de rotation du tube. Dans une variante avantageuse, on compare la fréquence de balayage à la fréquence de filtrage, on en déduit un signal d'erreur qui est utilisé pour corriger l'une ou l'autre des deux fréquences ou pour déclencher un signal de contré (ou dealarme) lorsque l'écart entre les deux fréquences dépasse une valeur déterminée. De préférence, la fréquence' de filtrage est fixe et c'est la fréquence de balayage que l'on asservit Le dispositif qui met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini comprend, en plus des moyens classiques qui constituent tout dispositif de contrôle de tubes par ultrasons, un filtre passe-bande centré sur la fréquence de balayage,disposé après les circuits d'analyse du signal, et avant le dispositif dlenregistrement dus signal utile. Ce dispositif comprend avantageusement un circuit comparateur des fréquences de filtrage et de balayage, la sortie de ce comparateur étant dirigée soit vers des moyens de commande de l'une ou lRautre de ces deux fréquences, soit vers un circuit d'alarme, De préférence la fréquence de filtrage est fixe et déterminée par construction du filtre et des moyens sont prevus pour mesurer la fréquence de balayage et lgasservir à la fréquence de filtrage De toutes façons les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux apres la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique du dispositif de linvention - la figure 2 représente la forme caractéristique du signal électrique utile - la figure 3 est un exemple de réalisation d'un filtre passe-bande ;; - la figure 4 représente la courbe de réponse du filtre de la figure 3 - la figure 5 représente le schéma d'un circuit permettant de déterminer si la fréquence de Balayage est à une valeur convenable, située dans un intervalle de tolérance autour de la fréquence de filtrage , - la figure 6 représente un schéma logique expliquant le fonctionnement du circuit de la figure 5 - la figure 7 représente le schéma d'un circuit permettant d'obtenir une tension représentant la fréquence de filtrage I - la figure 8 représente le schéma d'un circuit permettant de définir la largeur de l'intervalle de tolérance à lintérieur duquel doit se trouver la fréquence de balayage - la figure 9 représente le schéma dsun circuit permettant d'obtenir une tension proportionnelle à la fréquence de balayage - la figure 10 représente un dispositif de commutation permettant de choisir la fréquence de balayage et la fréquence de filtrage Sur la figure 1, est représenté le schéma général du dispositif objet de la présente invention. Cette figure illustre également les caractéristiques du procédé mis en oeuvre. Le dispositif représenté comprend un transducteur ultrasonore 10 émettant un faisceau ultrasonore 12 dirigé sur un tube 14 dont on veut contrarier la qualité. Le transducteur 10 est, par exemple, fixe et le tube 14 est animé dsun mouvement hélicoSdal grâce à des moyens d'entraînement en rotation 16 commandés par un moteur 18 et à des moyens de translation non représentés mais bien connus.Entre le transducteur 10 et le tube à contrer 14, est disposé un liquide 20 de couplage acoustique. Le transducteur 10 se comporte de préférence en émetteur-récepteur et il délivre sur sa connexion de sortie 22 un signal électrique proportionnel à l'intensité de l'onde ultrasonore réfléchie par le tube 14. L'analyse de ce signal est effectuee par des moyens 24 qui permettent de détecter la présence de défauts dans le tube 14 Ces moyens 24 comportent essentiellement des moyens de détection de l'enveloppe du signal à la fréquence ultrasonore ; ils peuvent également comporter, de façon classique, un oscilloscope de vis2lisation de l'onde ultrasonore réfléchie et une porte électronique ouverte pendant 1 intervalle de temps correspondant au signal utile (intervalle centré sur le temps correspondant au parcours transducteur tube s transducteur) Selon l'invention, on dispose, après les moyens d'analyse 24, mais avant les moyens d'enregistrement 25 du signal utile, un filtre 26 du type passe-bande, centré sur la fréquence de balayage du tube 14.Ce filtre agit sur le signal basse fréquence envoyé à l'enregistreur et non sur le signal haute fréquence de quelque MHz délivré par le trans docteur La fréquence de ce filtre peut être déterminée à partir de la vitesse de rotation du tube 14 qui dépend des moyens deentraSnement 18 s c'est ce qui est représenté sym- boliquement par la connexion 28 en pointillé Mais il est plus simple d'utiliser un filtre 26 dont la fréquence a une valeur fixe et de maintenir la fréquence de balayage du tube à cette valeur.Cette commandé est effectuée à l'aide d'un circuit de comparaison 30 à-deux entrées 32 et.34 et une sortie 36, qui reçoit un signal de réf érence sur l'entrée 32 proportionnel à la fréquence de filtrage et un signal de mesure sur l'entrée 34, proportionnel à la fréquence de rotation du tube. La connexion de sortie 36 véhicule alors un signal dont l'amplitude est proportionnelle à 18écart entre les deux fréquences. Ce signal commande soit un dispositif d'alarme 38 qui est déclenche lorsque l'écart entre lex deux fréquences est trop important, soit les moyens 18 de commande de la rotation du tube 14, au besoin par l'intermédiaire d'un amplificateur 42. La figure 2 représente la forme habituelle du signal utile U correspondant à un défaut localisé sur une génératrice du tube. Ce signal a la forme d'une impulsion triangulaire à front de montée raide. Il va de soi que cette forme n'est donnée ici qu'à titre explicatif et que, selon les défauts ou les circuits électroniques utilisés, on peut obtenir des impulsions de forme différente. Si le pas du balayage est suffisamment fin, ce signal triangulaire se reproduit à chaque tour du tube pendant quelques tours. La période T du signal est égale à la période de rotation du tube sur lui-mrne. Si l'on désigne par V0 l'amplitude crête maximale du signal V détecté et par V1 sa valeur minimale, des considérations classiques en théorie du filtrage montrent qu'à la sortie d'un filtre passe-bande centré à la pulsation w, on obtient une tension sinusoedale de la forme L'amplitude de cette tension reflète l'importance du défaut détecté Le filtre peut donc être suivi avantageusement de circuits de mise en forme délivrant une tension proportionnelle à cette amplitude. Ces circuits peuvent être constitués par exemple de redresseurs ou de générateurs de tension carrée. Ils ne seront pas décrits ici car ils sont bien connus de l'homme de l'art. Le filtre passe-bande, dont l'utilisation est la caractéristique de l'invention, peut être réalisé de bien des manières connues . filtre passif, filtre actif etc. Un mode de réalisation, qui semble le plus avantageux va maintenant étre décrit à titre explicatif. I1 correspond au cas ob le filtre est constitué par un réseau à contre-réaction multiple, appelé encore structure de Rauch. Une telle structure comprend un amplificateur opérationnel associé à des résistances et à des capacités comme il est représenté sur la figure 3. L'amplificateur opérationnel porte la référence 48 , les résistances sont notées R1 , R2 et R3 et les capacités C1 et C2.Le signal d'entrée Ve est appliqué entre la terre et l'entrée inverseuse à travers R1 et C2. La tension de sortie est notée Vs. Plusieurs valeurs peuvent être utilisées pour constituer la résistance R2. La mise en service de l'une ou l'autre de ces résistances s'effectue à l'aide du commutateur 50. L'allure générale de la réponse Vs/Ve exprimée en décibels (dB) du filtre de la figure 3, est celle de la courbe de la figure 4. Sur cette figure, wgdésigne la pulsation du centre de la bande passante,Aw désigne la largeur de bande à 3dB, A le module du gain à la pulsation w0. Sur l'axe des abscisses est portée la pulsation w en coordonnées loga rithmiques. La courbe de réponse du filtre présente un axe de symétrie à la pulsation wO deux pentes de coupure autour de t0 et deux asymptotes respectivement a 6dB et -6dB par octave se coupant sur l'axe de symétrie de la courbe. Les caractéristiques A, wO et w du filtre et les valeurs des éléments R1, R2, R3 C1 et C2 sont reliées par les relations suivantes valables dans le cas où C1 = C2 = C R3 = 1 2 L'établissement de ces relations est hors de l'invention et découle de considérations classiques dans la B. 6029.3 RS théorie des amplificateurs opérationnels contre réactionnés. On remarque, dans les relations précédentes, que la résistance R2.n'intervient que dans le calcul de la pulsation d'accord wg, il est donc possible, avec un tel filtre, de modifier cette pulsation w02 autrement dit la fréquence de filtrage, en agissant sur la seule résistance R2, sans modifier ni le gain A à l'accord, ni la largeur de bande A Si, pour éviter les oscillations de llamplifica- teur opérationnel et pour obtenir un temps de réponse court, on limite le gain A du filtre à la valeur "1", si, de plus, on prend comme largeur #w la valeur 4,55 rd/s et si, enfin, on donne à C la valeur 1pF, on trouve pour les résistances les valeurs suivantes R1 = 220 kQ R3 = 440 kn La résistance Rj dépend de la pulsation de filtrage wOO On donnera donc à la résistance R2 la valeur qui correspond à la fréquence de rotation du tube, pour que la fréquence de filtrage soit égale à la fréquence de balayage. Le tableau I ci-dessous donne la correspondance entre la valeur de la résistance R2 et la fréquence de rotation N exprimée en tours/minute Comme les valeurs des résistances sont en général normalisées, la résistance R2 doit être constituée en associant des résistances normalisées. Dans la première colonne du tableau I, ce sont les couples de résistances normalisées qui sont indiqués. TABLEAU I R2 (#) N (tr/mn) 2200 + 150 296,6 1200 820 + 27 494 560 + 18 598 390 + 39 694 330 791,4 220 + 39 893,3 180 + 27 999,3 150 + 22 1096,3 120 + 22 1206,5 100 + 22 1301,7 82 + 22 1409,9 82 + 10 1499 Les moyens permettant de s'assurer que le filtre est bien accordé sur la fréquence de balayage vont maintenant être décrits à l'aide des figures 5 à 9. La valeur de la fréquence de filtrage peut être traduite en une tension proportionnelle V r et celle de la fréquence de balayage en une tension Vc, la tension Vc doit être égale à Vr, mais une tolérance de part et d'autre de V r est acceptée. Vérifier que le filtre est convenablement accordé revient donc à vérifier que la tension Vc tombe dans l'intervalle allant de V ^ s '7r + Le circuit capable de déterminer si cette condition est satisfaite est représenté sur la figure 5. il comprend deux comparateurs 51 et 52. Chacun de ces compara -teurs comprend deux entres et une sortie.Sur l'entrée inverseuse du comparateur 51, sont appliquées des tensions + # V r et -Vc à travers des résistances d'égales valeurs R-; l'entrée directe est reliée à la masse par une résistance R. Une diode Zener 53 est disposée en contre-réaction entre l'entrée inverseuse et la sortie La tension de sortie V1 du comparateur 51 est égale à O si la tension d'entrée -Vc +Vr + s est positive, c'est-à-dire si Vc V r + #. Sur l'entrée inverseuse du comparateur 52 sont appliquées des tensions -e, Vr et - Vc à travers des résistances de valeur R Une diode Zener 54 est encore montée en contre-réaction.La sortie V2 du comparateur 52 est égale à 0 si - Vc + Vr 0, c'est-à-dire si Vc Vr La figure 6 résume les différents cas possibles pour les tensions de sorties V1 et V2 Il est alors aisé, à l'aide d'un circuit logique de déterminer Si la tension v c tombe dans l'intervalle allant de Vr - à à v r E.En effet, il suffit, par exemple, de prévoir un circuit 56 comportant une porte inverseuse 57 et une porte ET 58 qui délivre à sa sortieun signal logique qui est au niveau "1" si V1 = 0 et si V2 = 1, c'est-à-dire si la tension est dans l'intervalle de tolérance Ce circuit logique 56 peut être réalisé par exemple en circuits MOS complémentaires car de tels circuits peuvent être alimentés par une tension de 15 V qui est, comme on le verra par la suite, une tension disponible dans les autres circuits utilisés. Le signal logique délivré par le circuit 56 peut être utilisé pour commander un dispositif d'affichage, par exemple une diode électroluminescente 60 qui constitue un voyant. Lorsque ce voyant est allumé, cela signifie que VC tombe dans l'intervalle de tolérance et que, par conséquent, le filtre est convenablement accordé à la vitesse de rotation du tube à contrôler. Inversement, l'extinction du voyant indique que la vitesse de rotation est sortie de l'intervalle de tolérance Des exemples de circuits permettant d'obtenir les tensions Vr, V c et c voct maintenant être décrits à l'aide des figures 7, 8 et 9. Sur la figure 7, est représenté le schéma d'un circuit C permettant d'obtenir la tension de référence Vr représentant la fréquence de filtrage Cette tension Vr s'obtint à partir d'une tension de - 15V délivrée par une source 70 appliquée, par l'intermédiaire d'une résistance R4 sur l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 72 monté en atténuateur-inverseur. Une résistance R5 est montée en contre-réaction L'entrée directe est reliée à la masse par une résistance de même valeur R5.Le gain de l'amplifi cateur est égal, ainsi qu'il est connu, à - R5/R4 ; la résis tance R4 qui est choisie supérieure à R5 est en réalité constituée par la mise en série de deux résistances, l'une fixe de valeur R'4 et l'autre variable-de valeur r'4, ceci afin de permettre un réglage éventuel du gain. Pour obtenir une suite de tensions de références Vrt plusieurs résistances R4 sont disposées à l'entrée de l'amplificateur 72 et le choix de la résistance à utiliser est effectué par un moyen de commutation 73 qui relie la source de tension à -15V à la résis tance convenable. La fréquence de filtrage du filtre F de la figure 3 étant définie par la valeur de la résistance R2 mise en service par le commutateur 50, le circuit de la figure 7 ne donnera la tension de référence V correcte que si la résis tance R4 sélectionnée par le commutateur 73 possède la valeur convenable A cette fin, les commutateurs 50 et 73 doivent etre couplés en un organe de commutation représenté sur la figure 10 et qui porte la référence 81. Cet organe est clas sique. La correspondance entre les valeurs des résis tances r'4 et R'4 exprimées en Ohms et la fréquence exprimée 4 r 4 et R' en tours/minute est donnée par le tableau II dans le cas où R5 = 5,6 kQ. T A B L E U II N (tr/mn) Résistances Résistances variables fixes r'4 (#) R'4(#) (9) 10 000 22 000 4 700 18 000 500 4 700 15 000 600 4 700 15 000 700 4 700 12 0Q0 800 4 700 12 000 900 1 000 10 000 + 1 000 1 000 1 000 10 000 1 100 1 000 8 200 + 1 000 1 200 1 000 8 200 + 220 1 300 1 000 8 200 1 400 1 000 6 800 + 1 000 1 500 1 000 6 800 Les tensions + # et - E définissent la largeur de '' ntervalle de tolérance sont obtenues par un circuit du même genre, qui est représenté sur la figure 8.Ce circuit utilise une source de tension + 15V, référencée 80, relise à travers une résistance R6, à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 82 monté en atténuateur-inverseur. L'entrée directe est reliée à la masse par une résistance R7. Une résistance de contre-réaction de même valeur R7 est reliée entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur 82. Avec une résistance R6 de 470 kQ et R7 de l-k# en série avec 4,7 kQ, on obtient une tension de sortie de 65,4 mV représentant la tension E. I1 suffit d'inverser ensuite cette tension , au moyen d'un amplificateur 84 associé à trois résistances R8 de même valeur par exemple de 10 kQ, pour obtenir la tension Le circuit permettant d'engendrer la tension Vc proportionnelle à la fréquence de balayage est représenté sur la figure 9. Le moteur M provoquant la rotation du tube est alimenté par un autotransformateur 91 relié au secteur 92. Une tension alternative est prélevée sur l'autotransformateur 91, et est appliquée à un pont redresseur à diode 93 qui délivre une tension -?c continue proportionnelle à la tension d'alimentation du moteur donc à la vitesse de rotation du tube Cette vitesse peut être réglée à l'aide d'un commutateur 94 Le commutateur 94 qui permet de régler la vitesse du moteur ME dont la fréquence de rotation du tube est avan tageusement couplé aux commutateurs 51 et 73 déterminant la fréquence de filtrage et la tension de référence Vr C'est ce qui est représenté symboliquement sur la figure 10.Il existe alors une correspondance entre les valeurs de la résistance Ruz du tableau I, les valeurs de la résistance R4 du tableau Il et la vitesse de rotation du tube. Par exemple, et conformoment aux valeurs numériques qui figurent dans ces tableaux, Si le commutateur 94 qui est sur une position qui correspond à N - 500 tours/mn, le commutateur 51 mettra en service dans le filtre une résistance de valeur 820 # + 27 g et le commutateur 73 relié à la source de - 15V du circuit C à la résistance de 4,7 k# + 15 k De cette manière, la tension de référence délivrée par le circuit C correspond bien à la fréquence de filtrage du filtre. Toute la description précédente concerne le contrôle par ultrasons de tubes et plus précisément de pièces de révolution ; l'invention est toutefois plus générale et trouve son application dans le contre par ultrasons de toutes pieces, à partir du moment où l'on effectue un balayage à vitesse constante de la pièce par le faisceau ultrasonore excitateur ; c'est le cas par exemple de l'examen d'une plaque plane fixe par un faisceau ultrasonore animé d'un mouvement de zigzag autour d'une direction moyenne (contrôle de soudures notamment). REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle par ultrasons, du genre de ceux dans lesquels on envoie sur une pièce à contrôler un faisceau d'ultrasons, on effectue un balayage de la pièce par ledit faisceau, on recueille l'onde ultrasonore réfléchie par ladite pièce on analyse le signal recueilli et on enregistre le signal utile, caractérisé en ce qu'on effectue en outre, après l'analyse, et avant l'enregistrement, un filtrage dudit signal autour de la fréquence de balayage 2. Procédé de contrôle de pièces de révolution, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit balayage est hélicodal. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : on compare les fréquences de balayage et de filtrage, on forme un signal d'terreur proportionnel à l'écart entre ces fréquences, et on utilise le signal soit pour corriger au moins l'une des deux fréquences pour annuler l'écart, soit pour déclencher un signal de contrle. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de filtrage étant fixe, on mesure la fréquence de balayage, on la compare à ladite fréquence de filtrage, on forme un signal d'erreur proportionnel à l'écart entre les deux fréquences et on corrige, à aide de ce signal, la fréquence de balayage pour annuler l'écart. 5. Dispositif pour le contrle par ultrasons, mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, du genre de ceux ceux qui comprennent r un transducteur ultrasonore dirigeant sur 7 hélicodal de ladite pièce par ledit faisceau, un récepteur du faisceau d'ultrasons réfléchi par la pièce, des circuits d'analyse du signal délivré par le récepteur, et un enregistreur du signal utile, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filtre passe-bande centré sur la fréquence de balayage et disposé entre les circuits d'analyse et l'enregistreur. 6O Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit comparateur à deux entrées et une sortie, l'une desdites entrées recevant un signal de référence correspondant à la fréquence de filtrage, l'autre recevant un signal correspondant à la fréquence de balayage, la sortie véhiculant un signal d'erreur dirigé soit vers des moyens de réglage de l'une des fréquences, soit vers un circuit d'alarme 7.Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit circuit comparateur est double et comprend -un premier comparateur à deux entrées et une sortie recevant sur l'une des entrées la tension de référence Vr moins une tolérance c, et sur l'autre la tension Vc correspondant à la fréquence de -balayage ; 'n second comparateur à deux entrées et une sortie, recevant sur l'une de ses entrées la tension de référence V r plus la tolérance et sur l'autre la tension Vc; ; - un circuit logique à deux entrées reliées respectivement aux deux sorties des deux comparateurs et à une sortie dont l'état indique si v c est dans l'intervalle allant de (Vr c c) à (Vr + E) OU en dehors de cet intervalle. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le filtre est constitué par un amplificateur opérationnel à contre-réaction multiple utilisant des résistances et des capacités.