Brevet FR2508174A1 — publié le 19821224

PROCEDE ET APPAREIL DE CONTROLE DE RAILS PAR ULTRASONS L'invention concerne un procédé et un appareil de contrôle de rails non destructifs,par ultrasons. Il est connu de contrôler de manière non destructi- ve des pièces métalliques par la technique des ultrasons. Il est possible d'effectuer des sondages par trans- mission ou par écho et de recueillir des signaux sonores et/ou visualiser lesdits signaux sur un écran cathodique. La technique de sondage par échos d'ultrasons con- siste à placer sur la pièce à sonder un palpeur émetteur- récepteur d'ultrasons ou deux palpeurs distincts respecti- vement d'émission et de réception et de visualiser les si- gnaux d'échos par un affichage cathodique. Les oscillogrammes obtenus par cette technique peu- vent être classiquement des représentations à une dimension avec en ordonnées l'intensité des échos et en abscisses le temps de parcours ou encore des représentations montrant schématiquement une coupe de la pièce ou, de manière plus sophistiquée, des-vues en plan de la pièce au moyen d'une synchronisation du balayage et de la position du palpeur, Jusqu'à présent, c'est la technique de sondage par échos d'ultrasons avec visualisation cathodique qui a été retenue pour le contrôle des rails. Cette méthode présente l'avantage d'être simple dans le maniement des appareils et offre une sécurité abso- lue pour les utilisateurs étant donné l'innocuité des ultra- sons. Toutefois, les appareils connus ont l'inconvénient d'être encombrants, ce qui est particulièrement gênant pour le contrôle sur place. En outre, et surtout, si cette méthode permet de connaître avec une bonne précision la localisation, le type et les dimensions des défauts rencontrés, l'interprétation des résultats ainsi visualisés sur l'écran cathodique néces- site une formation très poussée En effet, il faut savoir tenir compte des différences d'ondes acoustiques, des ni- veaux de mesure, des fréquences utilisées, des angles, etc. C'est notamment pourquoi l'invention propose un procédé simple et un appareil facile à utiliser ne nécessi- tant pas de connaissances particulières et ayant en outre une bonne autonomie et des dimensions et un poids particu- lièrement réduits. Le procédé selon l'invention est remarquable en ce qu'il consiste à émettre dans le rail des trains d'ondes ultrasonores alternativement selon une direction verticale et une direction oblique, puis à recueillir les signaux d' émission et les signaux d'écho et à les traiter pour affi- cher sur un écran simultanément les signaux d'écho selon les deux directions d'émission. Un mode préféré selon l'invention est remarquable en ce qu'il consiste à afficher les signaux d'écho sur un écran muni de deux rampes de diodes électroluminescentes représentant les deux directions de sondage de telle sorte que le nombre et la position des diodes allumées indiquent en clair pour la zone sondée, l'épaisseur du rail et/ou la présence et la position d'un trou d'éclisse et/ou la posi- tion et la nature de défauts internes du rail. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'invention prévoit un appareil de contrôle remarquable en ce qu'il comporte un palpeur émetteur-récepteur d'ultrasons à deux voies destiné à émettre des trains d'ondes ultrasonores alternativement selon une direction verticale et une direc- tion oblique, des moyens électroniques de commande d'émis- sion et des moyens de réception des signaux d'écho du pal- peur, des moyens de traitement et de mesure des signaux, et des moyens d'affichage des signaux d'écho simultanément pour les deux directions de sondage. De préférence, dans ce cas, les moyens d'affichage comportent un écran muni de deux rampes formées chacune d' une pluralité de diodes électroluminescentes et représen- tant les deux directions de sondage dans le rail tandis que les moyens de traitement et de mesure des signaux sont aménagés pour permettre d'allumer sélectivement les diodes de façon telle que le nombre et la position desdites diodes allumées indiquent en clair pour la zone sondée l'épaisseur du rail et/ou la présence d'un trou d'éclisse et/ou la po- sition et la nature de défauts internes du rail. L'invention sera mieux comprise et d'autres parti- cularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère au dessin annexé dans lequel: la figure 1 schématise l'appareil selon l'inven- tion et ses accessoires, la figure 2 montre, à titre d'exemple, un schéma de l'électronique de l'appareil, la figure 3 est un relevé des divers signaux ren- contrés dans le schéma de la figure 2, la figure 4 montre divers affichages possibles en fonction de plusieurs positions du palpeur sur un rail, schématisées sur la même figure. L'appareil, selon l'invention, schématisé sur la figure 1, comporte une électronique 1 de commande et d'affi- chage des résultats à laquelle est connecté un palpeur 2, et une batterie d'alimentation 3 rechargeable par un char- geur 4, le palpeur étant disposé sur un rail schématisé en 5. L'électronique de l'appareil (figure 2) peut se di- viser en trois cartes respectivement d'émission-réception, de mesure et d'affichage,séparées sur le schéma de la figu- re 2 par des traits interrompus et mentionnées ER, ME et AF. La carte ER comporte un oscillateur ou horloge H qui délivre deux signaux To et Tl (figure 3) logiquement complémentaires,Le signal To attaque une bascule monostable Ml qui délivre deux signaux complémentaires dont l'un, T 2, est mis en forme par un monostable M 2 pour former le signal T 3 Le signal T 3 arrive à l'une des deux entrées de deux portes NAND Nl et N 2 dont les autres entrées sont connec- tées respectivement aux sorties To et Tl de l'oscillateur H. Les signaux de sortie (T 12, Tii) des portes Nl et N 2 (avec donc T 12 = T 3 To et Tll = T 3 Tl) viennent comman- der des émetteurs respectivment Emo et Em 7 dont les thyris- tors d'émetteur sont déclenchés par le signal T 4 provenant d'une alimentation HT connectée à la sortie complémentaire de T 2 du monostable Ml. Les émetteurs Emo et Em 7 possèdent chacun un canal de sortie pour le branchement du palpeur à deux voies sché- matisé en 2 sur la figure 2 Le palpeur émet ainsi deux trains d'ondes ultrasonores alternativement selon une di- rection verticale (au moyen de Emo) et selon une direction oblique (au moyen de Em 7). La direction oblique choisie est ici de 700, d'o les chiffres O et 7 accompagnant certaines lettres de réfé- rence A titre d'exemple, la fréquence d'émission dans la direction verticale est 4 M Hz et dans la direction de 70 2,5 M Hz, tandis que la fréquence de récurrence est de 150 Hz Les signaux d'émission et de réception pour chaque voie, respectivement T 5 et T 6 sont amplifiés par des préamplifi- cateurs PA à commande unique de gain Les signaux ainsi ob- tenus sont mélangés en T 7 etamplifiés au moyen d'un ampli- ficateur A qui délivre le signal T 8 Ce dernier montre bien sur le relevé de la figure 3, les signaux d'émission et des signaux d'écho. La sortie de l'amplificateur A est connectée à deux monostables M 3 et M 4 commandés respectivement par les si- gnaux To et Tl de l'oscillateur H de manière à séparer de nouveau les signaux des deux voies qui deviennent T 9 et Tl O. La carte mesure ME comporte deux oscillateurs OSC 0 et OSC 7 destinés à traiter les deux voies distinctement étant donné la différence entre les vitesses de propagation des ondes de direction verticale (ondes longitudinales) et celles de direction oblique (ondes transversales) Les os- cillateurs OSC 0 et OSC 7 sont déclenchés par les signaux T 12, Tll de porte d'émission, décalés par des circuits à retard afin de compenser le temps de parcours des ondes dans l'écran de protection du palpeur. Les signaux T 12 et Tll sont d'abord transformés par les monostables M 5 et M 6 et forment des signaux T 13 et T 14 qui attaquent des bascules R Srespectivement RSO et R 57 destinées à déclencher les oscillateurs, tandis que des compteurs Co et C 7 sont destinés à lire respective- ment, dans cet exemple, jusqu'à 16 et 8 et à arrêter les bascules correspondantes RSO et R 57. La carte ME comporte en outre des monostables M 7 et M 8 pour la mise en forme des signaux T 9 et T 10 qui de- viennent respectivement en sortie T 17 et T 18. La carte d'affichage AF comporte deux registres à décalage Do et D 7 munis respectivement de 16 et 8 sorties. Les registres Do et D 7 reçoivent en donnée respec- tivement les signaux T 17 et T 18 ainsi que les signaux T 15 et T 16 de sortie des oscillateurs OSC 0 et OSC 7 consti- tuant ainsi des signaux d'horloge, tandis que les fronts montant des signaux T 13, T 14 des monostables M 5 et M 6 dont les sorties sont aussi connectées auxdits registres remet- tent ces derniers à zéro. Comme le montre le relevé de la figure 3, les re- gistres à décalage Do et D 7 décalent les signaux d'écho du nombre de pas d'horloge qui sont après lui (voir T 19 par rapport à T 15 et T 17 de même que T 20 par rapport à T 16 et T 18) A partir du dernier front montant des signaux d'hor- loge T 15 et T 16, les signaux T 19 et T 20 sont au niveau haut jusqu'à la remise à zéro par respectivement T 13 et T 14 de telle sorte qu'il s'écoule un temps suffisamment long pour allumer la diode sélectionnée par l'écho comme il sera dit ci-après. Les registres Do et D 7 possèdent en effet dans cet exemple, respectivement 16 et 8 sorties pour pouvoir allu- mer un nombre correspondant de diodes par l'intermédiaire des registres tampons ou Buffers Bo et B 1, les diodes ef- fectivement allumées étant celles sélectionnées par les signaux d'écho de chaque voie. Le schéma de la figure 2 montre également un bou- ton marche-arrêt MA connecté à la batterie d'alimentation schématisé en BA, ainsi qu'un bouton de calibrage BC sous la forme d'un poussoir à relâchement et dont il sera question plus loin. L'affichage et l'interprétation des résultats se comprennent aisément par le croquis de la figure 4. L'écran à diodes électroluminescentes ou LED com- porte deux rampes RO et R 7 formées d'une pluralité de diodes et disposées l'une verticalement ( 16 diodes) et l'autre obli- quement ( 8 diodes) pour visualiser les résultats simultanément, par mémorisation de l'allumage des diodes, et respectivement selon la voie de sondage verticale et la voie de sondage oblique. Le croquis de la figure 4 montre en effet 5 positions d'un palpeur 2 ( 2 a à 2 e) sur un rail 5 et l'affichage corres- pondant Aa à Ae des diodes sur l'écran. Dans la position 2 a du palpeur, l'affichage Aa montre une seule diode allumée sur la rampe verticale et qui correspond à l'écho de fond, c'està-dire à la visualisation de la hauteur du rail, par exemple 150 mm. Dans la position 2 b, l'affichage Ab montre aussi une seule diode allumée mais au milieu de la rampe verti- cale, l'écho de fond ayant disparu Cet affichage est faci- lement interprété comme la visualisation d'un trou d'éclis- se 6. Dans la position 2 c, plusieurs diodes sont allumées sur la rampe verticale avec disparition aussi de l'écho de fond. Il s'agit ici d'échos multiples résultant d'une fissure sensi- blement horizontale dans la tête du rail. Dans la position 2 d, l'écho de fond apparaît bien sur la rampe verticale et/ou l'allumage successif de diodes de la rampe oblique indiquent la présence d'une fissure transversale de la tête du rail, en déplaçant la sonde. Enfin, dans la position 2 e, la disparition de l'écho 7 2508174 de fond, sans qu'aucune autre diode ne soit allumée indique la présence d'une étoilure au niveau par exemple d'un trou d'éclisse 6 '. Comme on peut le constater sur la figure 4, l'inter- prétation des résultats est simple et la localisation des défauts précis, par une disposition des rampes selon les deux directions de sondage et schématisant le rail. Pour faciliter encore cette interprétation, les diodes-en bas de la rampe verticale (par exemple les trois dernières) et les diodes du milieu (par exemple deux) sont de couleur verte, tandis que toutes les autres sont oranges, de manière à distinguer 'L'affichage de la hauteur du rail et la visualisation de trous d'éclisse par rapport à la visualisation d'un défaut. Il est en outre possible de prévoir également un bruiteur actionné par certains signaux d'écho de manière à attirer l'attention de l'utilisateur sur la présence de défauts. Enfin, l'invention prévoit au moins un bouton de calibrage ou de contrôle BC (figure 2) Ce bouton à poussoir prévu ici pour la voie oblique est destiné à introduire un retard artificiel du signal T 16 par l'allongement du signal T 14 au moyen de l'introduction dans le circuit du monostable M 6 d'un condensateur (voir signaux T 14 C et T 16 C de la figure 3). Ceci permet d'allumer sur la rampe oblique une diode -25 correspondant à un trou d'éclisse. Ce moyen permet un contrôle du bon fonctionnement de la voie oblique En voie verticale, le contrôle est faci- lement effectué en visualisant le pied du rail à l'aide d'une diode verte sur l'échelle de mesure verticale. De nombreuses modifications ou variantes peuvent évidemment être apportées au mode de réalisation décrit sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle de rails par échos d'ultra- sons, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre dans le rail des trains d'ondes ultrasonores alternativement selon une direction verticale et une direction oblique, puis à recueillir les signaux d'émission et les signaux d'écho et à les traiter pour afficher sur un écran simultanément les signaux d'écho selon les deux directions d'émission. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à afficher les signaux d'écho sur un écran muni de deux rampes de diodes électroluminescentes représentant les deux directions de sondage de telle sorte que le nombre et la position des diodes allumées indiquent en clair pour la zone sondée, l'épaisseur du rail et/ou la présence et la position d'un trou d'éclisse et/ou la posi- tion et la nature de défauts internes du rail. 3)Appareil de contrôle de rails par échos d'ultra- sons, caractérisé en ce qu'il comporte un palpeur ( 2) émet- teur-récepteur d'ultrasons à deux voies destiné à émettre des trains d'ondes ultrasonores alternativement selon une direction verticale et une direction oblique, des moyens électroniques de commande d'émission et des moyens de récep- tion des signaux d'écho du palpeur, des moyens de traite- ment et de mesure des signaux, et des moyens d'affichage des signaux d'écho simultanément pour les deux directions de sondage. 4) Appareil de contrôle de rails selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que les moyens d'affichage compor- tent un écran muni de deux rampes (Ro, R 7) formées chacune d'une pluralité de diodes électroluminescentes et represen- tant les deux directions de sondage dans le rail tandis que les moyens de traitement et de mesure des signaux, sont amé- nagés pour permettre d'allumer sélectivement les diodes de façon telle que Le nombre et la position desdites diodes allumées indiquent en clair, pour la zone sondée, l'épais- seur du rail et/ou la présence d'un trou d'éclisse ( 6,6 ') et/ou la position et la nature de défauts internes du rail. )Appareil de contrôle de rails selon l'une des re- vendications 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens de commande d'émission comportent un oscillateur ou horloge (H) à deux sorties qui délivre deux signaux crénaux complé- mentaires (To, Tl) traités par des bascules et des portes logiques (Ml, M 2, Nl, N 2) de manière à former deux signaux (T 12, Tll) alternés qui sont destinés à déclencher deux émetteurs (Emo, Em 7) connectés au palpeur ( 2) à deux voies pour créer des trains d'ondes alternés dans des directions respectivement verticale et oblique. 6) Appareil de contrôle de rails selon la revendi- cation 5, caractérisé par les moyens de réception des si- gnaux d'écho du palpeur comportent deux préamplificateurs (PA) à commande unique de gain (G) et destinés à amplifier les signaux (T 5, T 6) d'émission et de réception de chaque voie séparément, un amplificateur (A) pour l'ensemble des- dits signaux dont la sortie est connectée à deux bascules (M 3, M 4) commandées respectivement par les signaux de sor- tie (To, Tl) de l'oscillateur (H) de manière à séparer et mettre en forme les signaux d'émission et d'écho (T 9, T 10) de chaque voie. 7) Appareil de contrôle de rails, selon l'ensemble des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les mo- yens de traitement et de mesure des signaux comportent deux oscillateurs (OSC 0, OSC 7) déclenchés respective- ment par les signaux (T 12, Tll) de commande d'émetteurs et par l'intermédiaire et pour chacun d'un monostable (M 5, M 6), d' une bascule RS (R So, R 57) et d'un compteur (Co, C 7). 8) Appareil de contrôle de rails, selon l'ensemble des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'affichage comportent deux registres à décalage (Do, D 7) qui reçoivent respectivement les signaux d'émission et d' écho (T 9, T 10) des deux voies, convenablement mis en forme par des monostables (M 7, M 8) ainsi que les signaux (T 15, T 16) des deux oscillateurs (OSC 0, OSC 7) servant d'horloges et les signaux (TI 3, T 14) de déclenchement desdits oscillateurs et destinés à la remise à zéro des registres, ces derniers étant en outre munis d'une pluralité de sorties pour pouvoir allumer un nombre correspondant de diodes par l'intermédiaire, pour chacun, d'un registre tampon (Bo, B 7), les diodes effecti- vement allumées étant celles ainsi sélectionnées par les signaux d'écho de chaque voie. 9) Appareil selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'un bruiteur actionné par les signaux d'au moins certains échos est prévu pour indiquer de manière auditive la présence d'un défaut. ) Appareil selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'un moyen de calibrage (BC) est prévu pour entraîner un décalage dans les signaux de commande d'affi- chage pour la direction de sondage oblique, de manière à per- mettre d'allumer certaines diodes de visualisation qui représen- tent la détection du trou d'éclisse. 11) Appareil selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que certaines diodes de la rampe (Ro) repré- sentant le sondage vertical, sont de couleur différente des autres lorsqu'elles correspondent, d'après leurs positions, à la hauteur du rail (écho de fond) ou à la présence d'un trou d'éclisse.