Brevet FR2540630A1 — publié le 19840810

O La présente invention, due aux travaux de Messieurs DETRICHE de la Société C E R M, GACHET et HOUCHE du Commissariat à l'Energie Atomique, concerne une sonde multibobines à courants de Foucault munie d'un dispositif d'équilibrage des bobines A titre d'exemple non limitatif, l'invention se rapporte au problème de la détermination, à l'aide de bobines juxtaposées disposées en lignes ou en matrices, du profil du joint séparant deux pièces à souder afin de commander le positionne ment automatique d'un organe tel qu'une torche de soudage par rapport à ce joint ou encore de faire varier certains paramètres de soudage en fonction du profil détecté Ce- pendant, cette application n'est pas limitative et l'in- vention peut aussi être utilisée pour déterminer le pro- fil de toutes surfaces métalliques conductrices ou pour réaliser le contrôle non destructif de telles surfaces. Elle peut aussi s'appliquer à des bobines non juxtapo- sées destinées à délivrer des informations comparables. Le principe d'une sonde à courants de Foucault consiste à alimenter une bobine par un courant électri- que sinusoïdal de haute fréquence, de manière à créer un champ alternatif qui induit, dans une pièce en matériau conducteur de l'électricité exposée en vis-à-vis de la sonde, des courants de Foucault créant en retour un champ qui s'oppose au champ initial et modifie l'impé- dance de la bobine Les variations de l'impédance de la bobine donnent une indication sur la disposition de la bobine par rapport à la pièce en visà-vis et sur le profil particulier de cette pièce; cette indication est de manière générale une information sur la distance sé- parant la bobine de la pièce dans le cas d'une sonde utilisée en proximètre Ce peut être aussi une informa- tion sur la structure de la pièce dans le cas d'une sonde utilisée en contrôle non destructif. Une sonde à courants de Foucault peut compor- ter une ou plusieurs bobines Dans le cas d'une sonde à une seule bobine, la détection du profil d'une pièce ou le contrôle non destructif de cette pièce nécessite un moyen pour réaliser un balayage mécanique de la pièce par la bobine Dans une sonde à plusieurs bobines, ce balayage mécanique est souvent remplacé par un balayage électronique des bobines juxtaposées qui fournissent chacune un point du profil à déterminer Un tel disposi- tif est souvent préférable à un dispositif à une seule bobine dans lequel le balayage mécanique introduit des vibrations dans la sonde qui peuvent s'avérer préjudi- ciables à la précision des mesures. De manière générale, la sensibilité de la me- sure est maximale lorsque les bobines sont réglées à la surtension Les sondes à courant de Foucault sont donc munies de moyens pour régler chaque bobine à la surten- sion Le moyen de réglage le plus couramment utilisé consiste à utiliser un réseau résistance-capacité varia- 2.0 ble, relié à une extrémité de la bobine d'une part, à la masse d'autre part. L'utilisation de plusieurs bobines juxtapo- sées qui peuvent éventuellement être organisées en ma- trice est délicate à cause des interactions magnétiques entre bobines proches En particulier, le signal délivré par une bobine peut être affecté par l'alimentation des bobines proches Le brevet français NO 79 10458 déposé le 25 avril 1979 apporte une solution à ce problème de l'alimentation des bobines, en proposant une excitation séquentielle de celles-ci Cette invention propose éga- lement d'utiliser autant de moyens de traitement des si- gnaux issus des bobines qu'il y a de bobines, ce qui simplifie le réglage des bobines, puisque chaque bobine est accordée sur un moyen de traitement qui lui est pro- pre, mais ce qui augmente le nombre de circuits donc accroît le co t de l'appareil et diminue sa fiabilité. Le brevet français n 81 11087 déposé le 4 juin 1981 apporte une amélioration au brevet précé- dent Les bobines sont excitées en parallèle et déli- vrent des signaux à un multiplexeur relié à un moyen de traitement unique 1 e traitement se fait donc séquen- tiellement sur chacun des signaux issus des bobines. L'utilisation d'un moyen de traitement unique simplifie le dispositif 2 mais celui-ci est parfois délicat à équi- librer car il faut ajuster le réseau résistance-capacité variable de chaque bobine de telle sorte que chacune des bobines soit réglée à la surtension L'homme de- l'art utilise ici des capacités variables à air miniaturisées et piacées le plus près possible des bobines et dont la plage de variation est de l'ordre de quelques pourcents, ce qui n'est pas toujours suffisant pour annuler totale- ment les disparités des caractéristiques des différentes bobines qui par construction peuvent différer de plus de 10 %. L'objectif de l'invention est de pallier ces inconvénients en fournissant un appareil comportant une sonde à courants de Foucault muni d'un moyen de réglage de chaque bobine ayant une grande dynamique donc facile à utiliser. De manière plus précise, l'invention a pour objet une sonde multibobines à courants de Foucault mu- nie d'un dispositif d'équilibrage des bobines du genre de celles qui comprennent une pluralité de bobines, un moyen de réglage de chaque bobine, un oscillateur haute fréquence excitant séquentiellement chaque bobinez un moyen de traitement unique des signaux aux bornes de chaque bobine, caractérisé en ce que le moyen de réglage de chaque bobine agit sur la fréquence du signal élec- trique délivré par l'oscillateur haute fréquence à ladi- te bobine. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le moyen de réglage comprend un commutateur dont la sortie est reliée à l'oscillateur haute fréquen- ce et dont les entrées, en nombre égal au nombre de bobines, sont reliées à des éléments de réglage. Selon une caractéristique secondaire, les éléments de réglage sont des résistances variables. Selon une autre caractéristique secondaire, les éléments de réglage sont des capacités variables. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles z la figure 1 représente de façon schématique une sonde multibobines à courants de Foucault conforme à l'invention utilisée dans la détermination du profil d'une surface, la figure 2 représente le circuit de traite- ment en proximètre du signal délivré par la sonde à cou- rants de Foucault dans le-dispositif de la figure 1, la figure 3 représente le circuit déphaseur logique utilisé dans le circuit de traitement représenté sur la figure 2, la figure 4 représente le circuit-discrimi- nateur de phase utilisé dans le circuit de traitement de la figure 2, la figure 5 représente un circuit de traite- ment et d'échantillonnage conforme à l'invention d'une sonde à courants de Foucault comprenant un nombre N de bobines, la figure 6 représente la courbe de varia- tion de la sensibilité de la mesure de phase en fonction de la fréquence du signal appliqué à la bobine. Sur la figure 1, on a représenté le cas d'une sonde 10 à multibobines à courants de Foucault utilisée pour détecter le profil de la surface 20 d'une pièce conductrice A titre d'exemple, cette sonde comprend treize bobines B 1,, B 13 disposées sur trois rangées décalées Ces trois rangées de bobines sont proches les unes des autres de telle sorte que la sonde 10 détecte le profil d'une ligne de la surface 20 parallèle à une rangée de bobines plutôt qu'une aire de ladite surface On comprend alors que l'utilisation de plusieurs rangées décalées de bobines permet d'augmenter la réso- lution de la sonde 10 puisque l'on a sur une sonde 10 de longueur donnée, égale à la distance entre les centres des bobines Bl à B 5, d'autant plus de bobines qu'il y a de rangées. Ces bobines B 1 à B 13 sont, conformément à l'invention, réglées individuellement à la surtension par un moyen 30 qui comprend un oscillateur haute fré- quence alimentant séquentiellement les bobines et dont la fréquence est ajustée à une valeur propre pour chaque bobine Les signaux 51 à 513 délivrés séquentiellement par chacune des bobines B 1 à B 13 de la sonde 10 sont appliqués sur l'entrée d'un multiplexeur 32 utilisé com- me commutateur Celui-ci injecte successivement chacun de ces signaux 51 à 513 dans un circuit de traitement unique 34 qui reçoit aussi un signal de référence du moyen 30 Un moyen de commande 36 permet simultanément par l'intermédiaire d'un circuit 38 d'effectuer l'adres- sage du multiplexeur 32 et du moyen 30 ce qui réalise l'adressage d'une bobine Bl de la sonde 10 Le circuit de traitement 34 délivre alors un signal V Si qui est mémorisé dans un bloc mémoire 42 Le moyen de commande 36 active en outre un circuit 40 qui injecte dans le bloc mémoire 42, en parallèle avec le signal V Si, un signal xi qui rend compte de la position de la bobine Bi Le balayage de l'ensemble des bobines ainsi réalisé par une série de treize impulsions sous l'action du moyen de commande 36 grace au multipiexeur 32 et au moyen 30 conduit à introduire dans le bloc mémoire 42 le profil image du profil objet placé en vis-à- vis de la sonde. On voit sur la figure i que le profil image apparaissant dans le bloc mémoire 42 n'est pas identique au profil réel de la surface 20 placée en face de la sonde 10 Cette différence résulte du caractère non li- néaire de la caractéristique de l'ensemble capteur-cir- cuit de traitement 34 qui ressortira de la description détaillée de ce circuit effectuée sur la base des figu- res 2 à 4. On a représenté sur la-figure-2 le circuit de traitement électronique 34 des signaux délivrés par la sonde à courants de Foucault 10 Ce circuit permet d'ef- fectuer une mesure différentielle de phase entre le si- gnal issu de la bobine B et un signal de référence. Cette mesure est utilisée pour déterminer par exemple la distance qui sépare l'extrémité de la sonde de la surfa- ce en vis-à-vis. Afin de permettre la détection des variations de l'impédance de la bobine B de la sonde, celle-ci est placée avec une résistance de référence R dans un pont de mesure symétrique dont les deux branches R et R 2 servent à assurer l'équilibre Le pont de mesure ainsi constitué est alimenté entre le point haut défini par la jonction de la bobine B avec la résistance R et le point bas défini par la jonction des branches R 1 et R 2 par un signal sinusoïial haute fréquence (par exemple 240 k Hz) provenant d'un oscillateur haute fréquence 44 La fré- quence de ce signal sinusoïdal est déterminée par une capacité C O et une résistance R O +Pl, o Pl est une ré- sistance variable ajustée de telle sorte que la bobine B soit à la surtension Les signaux de sortie sinusoïdaux Vbl et Vb 2 pris respectivement aux bornes communes des branches B et R 1 et R et R 2 sont transmis respectivement à la borne + et à la borne d'un amplificateur diffé- rentiel 46 qui délivre'un signal sinusoidal Vbo On voit que ce montage permet de faire une mesure différentielle de phase entre le signal Vbl issu de la bobine B et le signal Vb 2 proportionnel et en phase avec le signal émis par l'oscillateur Le signal Vb est injecté dans un som- mateur 48 avec un signal V O qui correspond au signal injecté dans le pont de mesure par l'oscillateur 44 et déphasé de 2 par un déphaseur 50 Le signal sinusoidal Vc délivré par le sommateur 48 est injecté à la borne + d'un comparateur 52 dont la borne est connectée à la terre De même, le signal sinusoidal délivré par luos- cillateur 44 est injecté à la borne + d'un autre compa- rateur 54 dont la borne est également reliée à la terre Les comparateurs 52 et 54 délivrent des signaux logiques positifs pour les alternances positives des si- gnaux sinusoïdaux qui leur sont injectés Le signal lo- gique délivré par le comparateur 54 est représentatif des alternances positives du signal sinusoïdal délivré par l'oscillateur 44 Il est injecté dans un déphaseur logique 56 délivrant un signal déphasé d'une valeur don- née par rapport au signal d'entrée Ce signal déphasé est à son tour injecté dans un discriminateur de phase 58 en même temps que le signal délivré par le compara- teur 52, ce dernier étant représentatif de la valeur des signaux aux bornes de la bobine B et de la résistance R. Le discriminateur de phase 58 délivre un signal Vs re- présentatif de la diffeérence de phase entre le signal lié Vbl issu de la bobine B et le signal de référence Vb 2 lié à l'oscillateur 44 Comme le montre la figure '3, le déphaseur lo- gique 56 comprend un inverseur 60 et deux circuits RC permettant de retarder le signal injecté en E dans le déphaseur et le signal sortant de l'inverseur 60 Le signal injecté dans le déphaseur et retardé par l'un des circuits RC, ainsi que le signal sortant de l'inverseur sont injectés dans une première porte NON/OU 62 De même, le signal injecté en E dans le déphaseur 56 ainsi que le signal sortant de l'inverseur 60 et retardé pax le second circuit RC sont injectés dans une seconde por- te NON/OU 64 Les signaux délivrés par chacune des por- tes NON/OU 62 et 64 sont injectés dans une porte OU 66 qui délivre en S un signal logique dont chaque impulsion correspond au début et à la fin d'un créneau du signal injecté a l'entrée E du déphaseur 56 Ce signal logique. est injecté à l'entrée d'un monostable 68, à l'entrée J d'une bascule JK 70 et, par l'intermédiaire d'un inver- seur 72, à l'entrée K de cette dernière Le signal de sortie du monostable 68, qui correspond à une suite de créneaux de durée déterminée débutant avec un retard dé- terminé par rapport à chaque impulsion du signal délivré en S, est injecté à l'entrée H de la bascule JK dont le signal de sortie délivré en Q est identique au signal injecté à l'entrée E du déphaseur mais déphasé, selon une valeur déterminée par le retard imposé par le monostable 68 Ce signal de sortie est injecté dans le discrimina- teur de phase 58. Comme le montre la figure 4, les deux entrées du discriminateur de phase 58 sont reliées, d'une part, à une porte OU EXCLUSIF 74, et d'autre part, à une porte OU EXCLUSIF 76 après passage dans un inverseur 78 du signal provenant du déphaseur logique 56 La sortie de chacune des portes OU EXCLUSIF 74, 76 est reliée à un int égrateur 78; 80 dont les signaux de sortie, représen- tant la composante continue de chacun des signaux injec- tés à l'entrée du discriminateur de phase, sont injectés dans un soustracteur 82 délivrant le signal de sortie continu Vs dont la valeur correspond à la différence de s phase entre le signal délivré par le déphaseur 56 et le signal issu du comparateur 52. Sur la figure 5, on a représenté un circuit de traitement et d'équilibrage d'une sonde à courants de Foucault comprenant N bobines B 1 i Bn Chacune des bo- bines B 1,o Bn est excitée séquentiellement par un os- cillateur haute fréquence 44 La fréquence de cet oscil- lateur haute fréquence 44 est déterminée pour chaque bo- bine par la valeur d'une capacité C O et par la valeur d'une résistance fixée par le moyen de réglage 84 com- prenant un commutateur 86 à une sortie et N entrées, chacune reliée à un élément de réglage Pi,; o 14 i/n, constitué d'une résistance variable en séie avec une résistance R O commune Le signal électrique sinusoïdal noté V{ pour la bobine i, issu de l'oscillateur haute fréquence 44, est injecté dans un commutateur 88 dont chacune des N sorties est reliée à une extrémité de cha- cune des bobines Bl I Bn La commutation du signal électrique sinusoïdal V, séquentiellement sur chacune des sorties du commutateur 88, se fait par l'intermé- diaire d'un moyen de commande 96. Le signal électrique sinusoïdal Vbi mesuré aux bornes de la bobine Bl est acheminé vers le moyen de traitement 92, conforme aux circuits des figures 2, 3 et 4 Le moyen de traitement 92 reçoit outre le signal électrique sinusoïdal Vbi, le signal électrique sinusoi- dal Vi issu de l'oscillateur haute fréquence 44 Il dé- termine la différence de phase entre ces deux signaux et délivre en sortie un signal électrique continûment va- riable V Si qui rend compte de la distance entre l'extré- mité de la bobine Bl et la surface dont on désire mesu- rer la distance par rapport à ladite bobine Bi On peut effectuer différents traitements sur ce signal électri- que V Si. A titre d'exemple, comme dans le cas de la figure, il peut être injecté dans le ième des N moyens Ei d'échantillonnage et de maintien E 1, E 21, En- Il peut aussi être injecté dans un convertisseur analogique digital pour être injecté dans un circuit ou dans une mémoire numérique La commande d'échantillonnage de l'un des circuits d'échantillonnage et de maintien Ely E 2 Ense fait par l'intermédiaire d'un décodeur 90 possédant N sorties-chacune reliée à un circuit d'échan- tillonnage et de maintien E 1, E 2, f En et recevant en entrée les signaux de commande issus des moyens de com- mande 96. Le circuit de la figure 5 fonctionne de la façon suivante Le moyen de commande 96 active la pre- mière voie de chaque commutateur 86, 88, et du décodeur c'est-à-dire que l'entrée du commutateur 86 est com- mutée sur l'élément de réglage Pl, la sortie du commuta- teur 88 sur la bobine B 1, 1 l sortie du décodeur 90 sur le moyen d'échantillonnage et de maintien E 1 l Ce moyen de commande peut être constitué d'une horloge incrémentant un codeur qui adresse les commutateurs 86, 88, et le décodeur 90 La bobine Bl est alors alimentée électri- quement par l'oscillateur haute fréquence 44 La fré- quence du signal délivré dans la bobine Bl est fonction de la valeur de l'élément de réglage Pi Celle-ci a été au préalable réglée pour que la bobine Bl soit à la surtension La tension Vbl aux bornes de la bobine Bl présente un déphasage avec le signal V 1 fourni par l'os- cillateur haute fréquence 44 dont l'évaluation fournit une indication sur la distance de la bobine B 1 à la surface en vis-à-vis La valeur de ce déphasage est re- pr-en'e par un signai V 51 qui es; échantillonné et maintenu dans le premier circuit d'échantillonnage et de maintien E 1 Après une durée d'au moins cinq fois la période de l'oscillateur, l'adresse présentée à la sor- tie du moyen de commande 96 est incrémentée pour posi- tionner les commutateurs 86, 88 et le décodeur 90 sur la bobine B 2 et l'élément de réglage P 2 et le deuxième cir- cuit d'échantillonnage et de maintien E 2 La tension Vb 2 aux bornes de B 2 et la tension de référence V 2 sont alors injectées dans le moyen de traitement 92 qui déli- vre le signal V 52 Ce signal est reçu dans le deuxième moyen d'échantillonnage et de maintien E 2 ' Le moyen de commande 96 adresse de la même manière séquentiellement chacune des autres bobines B 3, Bn- On peut exploiter les signaux V Si O V Sn re- cueillis de diverses manières Si la sonde est utilisée en proximètre, la suite des signaux permet par exemple de reconstituer le profil de la surface anatlysée; ai on désire effectuer une mesure différentielle entre les si- gnaux issus de deux bobines juxtaposées, par exeple pour évaluer la pente dbune surface, on effectue un traitement différentiel sur les signaux Toute autre combinaison, linéaire ou non, en temps réel ou en diffé- ré, est possible sur ces signaux puisqu'ils sont mémori- sés dans les moyens d'échantillonnage et de maintien El, E 2-,,En. Le circuit conforme à l'invention de la figure , alimente chaque bobine avec un signal de fréquence propre à chaque bobine Il faut s'assurer que les fré- quences d'excitation différentes des bobines n'entraîne pas une sensibilité différente du moyen de traitement 92, ce qui nuirait à la validité des mesures. Sur la figure 6, on a représenté la courbe de la sensibilité de la mesure de phase en fonction de la fréquence d'excitation des bobines Il apparaît que cet- te sensibilité est à neu près constante pour une gamme de fréquence s'étendant de 100 k Hz à 500 k Hz Les ajus- tements de fréquence nécessaires à l'équilibrage des bo- bines est de l'ordre de 10 % à 20 % de la fréquence moyen- ne d'excitation des bobineso En choisissant une fréquen- ce moyenne d'excitation de 300 k Hz, il apparaît à la lecture de la courbe de la figure 6, que l'on travaille à sensibilité constante, si l'on s'écarte de + 20 % par rapport à cette valeur moyenne. 2540630- Cette courbe a été établie avec un circuit de traitement 92 conforme aux figure 2, 3 et 4 Des résul- tats analogues seraient obtenus avec d'autres circuits élaborant un signal fonction de la différence de phase entre le signal mesuré aux bornes de la bobine et un signal de référence. D'autre part, la fréquence de l'oscillateur étant fixée par le produitrésistance-capacité RC, le réglage peut évidemment aussi être réalisé selon l'in- vention à partir d'une résistance R O commune, d'une ca- pacité C O commune, et de capacités de réglage Ci pour chaque bobine i. REVENDICATIONS 1 Sonde multibobines à courants de Foucault munie d'un dispositif d'équilibrage des bobines du genre de celles qui comprennent une pluralité de bobines (Bt 1, Bn) un moyen de réglage ( 84) de chaque bobine (B 1, Bn), un oscillateur haute fréquence ( 44) exci- tant séquentiellement chaque bobine (Bl, Bn) un moyen de traitement ( 30) unique des signaux aux bornes de chaque bobine (B 1, Bn), caractérisé en ce que le moyen de réglage ( 84) de chaque bobine (B 1, Bn) agit sur la fréquence-du signal électrique (Vi) délivré par l'oscillateur haute fréquence ( 44) à ladite bobine. 2 Dispositif selon la revendication 1, à plu- sieurs bobines, caractérisé en ce que le moyen de régla- ge ( 84) comprend un commutateur ( 86) dont la sortie est reliée à l'oscillateur haute fréquence ( 44) et dont les entrées, en nombre égal au nombre de bobines (B 1, o Bn) sont reliées à des éléments de réglage (Pli Pn) 3 Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les éléments de réglage (P 1, Pn) sont des résistances variables. 4 Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les éléments de réglage (P 1, Pn) sont des capacités variables. 5 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement ( 30) est apte à engendrer un signal fonction de la différence de phase entre le signal mesuré aux bornes de chaque bobine (B 1,,Bn) et un signal de ré- férence.