Brevet FR2550333A1 — publié le 19850208

La présente invention concerne un mesureur d'épaisseur de paroi de pièces tubulaires et plus spécialement un mesureur utilisant une source et un detecteur de rayonnement - de rayonnement y par exemple - pour déterminer notamment ltépaisseur de paroi de tubes d'acier avec ou sans soudure dans le stade final de la fabrication et sans interrompre la fabrication. Dans la fabrication conventionnelle de tubes par laminage dans l'industrie sidérurgique, l'épaisseur de paroi des tubes doit être mesuree genéralement avec une grande précision. Pour ne pas réduire la productivité, il est essentiel que cette mesure s'effectue sur la ligne de fabrication et sans interrompre le flux de produits. De plus, comme les opérations de laminage se déroulent en partie au moins à de très hautes températures, il est souhaitable que la mesure de l'epaisseur de paroi s'effectue non seulement sans contact mais aussi à une distance aussi grande que possible du tube. La figure 1 représente un système conventionnel pour mesurer l'épaisseur de paroi de pièces tubulaires. I1 comprend des sources de rayons r, désignées par 1, 2 et 3, et des détecteurs ou capteurs de rayonnement 4, 5 et 6. Les sources li, 2 et les détecteurs 4, 5 sont montés sur un cadre fixe 7, tandis que la source 3 et le détecteur 6 sont montés sur un cadre mobile 8. La pièce tubulaire 11, dont il s'agit de mesurer lZépaisseur de paroi, est transportée, transversalement aux rayons r de mesure, sur un transporteur 9. Les positions relatives des sources et des détecteurs de rayonnement sont des facteurs importants dans un tel système. Le cadre mobile 8 doit être positionné de manière que les sommets du triangle équilatéral EFG formé par les faisceaux de mesure soient situés, comme on peut le voir sur la figure 2, sur un cercle dont le diamètre représente la moyenne du diamètre nominal exterieur et du diamètre nominal intérieur de la pièce tubulaire 11. Le principe de cette mesure est decrit en détail dans la demande de brevet japonais 46406/1981 soumise à l'inspection Publique. Comme, de plus, il n'est pas essentiel à la compréhension de l'invention, il ne sera pas décrit ici. Pendant que la pièce tubulaire 11 avance sur le transporteur 9, elle est soumise en permanence à des vibrations suivant les axes Z1 ~ Z2 et Z3 - Z4, voir figure 2. Même en ajoutant 2 3 figure un rouleau anti-vibration (non représenté) aux rouleaux du transporteur 9, il est extrêmement difficile de positionner les sommets du triangle équilatéral EFG exactement sur le cercle de diamètre moyen. Comme les mesures supplémentaires, telles que l'adjonction d'un rouleau anti-vibration, pour réduire ou supprimer la vibration de la pièce tubulaire 11 sont compliquees techniquement et en plus très coûteuses, on se contente généralement, avec un système conventionnel comme celui représenté sur les figures 1 et 2, de tenir compte, dans les resultats des mesures, d'une erreur due à la vibration et appelée "erreur par défaut dsalignement". La demande de brevet japonais soumise à l'Inspection Publique 114263/1979 décrit un autre procédé pour mesurer l1épais- seur de paroi d'un tube d'acier au moyen d'un rayonnement. Selon ce procédé, basé sur le fait qu'un rayonnement appliqué de l'extérieur à un tube d'acier est atténué au maximum lorsqu'il est tangentiel à la paroi interne du tube et qu'il est atténué au minimum lorsque le rayonnement est tangentiel à la surface externe du tube, on détecte les points d'atténuation maximale et minimale et on détermine l'épaisseur de paroi du tube à partir de la distance entre ces deux points. Cependant, lorsqu'on applique ce procédé à des tubes d'acier dont l'épaisseur de paroi va de 5 ou 6 mm à 40 mm, même si la source de rayonnement utilise un matériau radioactif de 30 Curies, la mesure demande au moins 20 ms à 1 s parce que le rayonnement de la source est généralement fractionné. Comme le tube d'acier doit être arrêté pendant ce temps, ce procédé n'est pas applicable à la mesure de l'épaisseur de paroi pendant le défilement de tubes d'acier qui sont soumis à des vibrations pendant leur transport.De plus, lorsqu'on prend l'image d'un tube d'acier exposé à un rayonnement par une caméra de télévision avec la fente émettrice de rayonnement ajustée à une largeur d'environ 2 mm, on comprendra que la précision de la mesure d'épaisseurs de paroi de tubes d'acier selon ce procédé est inférieure de plusieurs dizaines de micromètres à la précision d'un mesureur d'épaisseur de tôles d'acier, du fait que la résolution de la caméra de télévision est seulement de 1 mm environ. L'invention apporte un mesureur d'épaisseur de paroi de pièces tubulaires permettant des mesures très précises sur des pièces en défilement, même si la pièce est soumise à des vibrations, ou à des décentrages d'une autre nature, parce que son principe de mesure est indépendant d'éventuels défauts d'alignement. Selon l'invention, un mesureur d'épaisseur de paroi de pièces tubulaires, comprenant une source de rayonnement et un detecteur de rayonnement, est caractérisé en ce que la source et le détecteur sont disposés face à face, avec la pièce tubulaire entre eux, et en ce que la source et le détecteur possèdent une longueur, transversalement à l'axe de la pièce tubulaire, qui est plus grande que le diamètre extérieur de la pièce, l'agencement étant tel que des faisceaux parallèles de rayonnement émis par la source et atteignant le détecteur traversent toute la section de la pièce tubulaire, ce qui permet de déterminer l'épaisseur de paroi moyenne de la pièce à partir de l'atténuation du rayonnement relevée par le détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation particulier préfére mais nullement limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un systeme conventionnel pour mesurer l'épaisseur de paroi d'une pièce tubulaire (dejà décrit); - la figure 2 représente schématiquement un détail du système de figure 1; - les figures 3a et 3b sont des représentations schématiques servant à expliquer le principe du mesureur selon l'invention; - la figure 4a est une coupe axiale d'une source de rayonnement linéaire selon un exemple de réalisation; - la figure 4b est la vue frontale d'un collimateur comme celui utilisé avec la source de rayonnement de figure 4a; - la figure Sa est une vue en élévation latérale d'un détecteur linéaire;; - la figure 5b est la vue frontale dlun collimateur comme celui utilisé sur le détecteur linéaire de figure 5a; - la figure 6 est un diagramme servant à expliquer la relation fonctionnelle entre l'épaisseur de paroi d'un tube et sa position; - la figure 7 est un graphique indiquant la relation entre l'épaisseur de paroi et une grandeur de mesure fournie par le détecteur; - la figure 8 est une vue schematique, en perspective, d'un exemple de disposition d'un mesureur selon l'invention par rapport à un tube dont il s'agit de mesurer l'épaisseur de paroi; - les figures 9a et 9b sont une élévation latérale respectivement une vue frontale schématiques d'un étireur-réducteur à deux galets par poste pour la fabrication de tubes, comme exemple d'application d'un mesureur selon l'invention; et - les figures 10a et lOb sont des vues analogues d'un étireur-réducteur à trois galets par poste. Le principe de mesure selon l'invention sera expliqué ci-après en référence aux figures 3a et 3b. La figure 3a représente une rangée de sources de rayons y formant une source de rayonnement linéaire 21, de même qu'une rangée de détecteurs formant un détecteur linéaire 22, qui sont disposés de part et d'autre d'une pièce tubulaire 11. La longueur X de la source linéaire 21 et du détecteur linéaire 22 est nettement plus grande que le diamètre extérieur du tube 11. Le détecteur 22 permet de déterminer l'atténuation par la pièce 11 du rayonnement y émis par la source 21, d'ou peut être tirée l'épaisseur moyenne de la paroi du tube 11 dans la section traversée par le rayonnement. Sur la figure 3b, le rectangle en bas représente le rayonnement total N détecté par le détecteur linéaire 22 en o l'absence d'un tube entre la source 21 et le détecteur 22. La figure au-dessus de ce rectangle représente le rayonnement total N détecte s (compté) par le détecteur 22 lorsque le tube l1 est interposé entre la source 21 et le détecteur 22.L'épaisseur moyenne de la paroi du tube 11 peut être déterminée à partir des deux valeurs N et N o s Lorsque la longuair x de la source 21 et du détecteur 22 dépasse le diamètre exterieur du tube 11 dans une mesure suffisante pour que le tube reste à l'intérieur de la zone comprise entre la source et le détecteur lorsqu'il est soumis à des vibrations, le rayonnement total détecté ne sera pas influencé par les vibrations du tube. L'invention permet par conséquent de mesurer l'épaisseur moyenne de la paroi d'un tube sans tenir compte d'une erreur par défaut d'alignement. La source de rayonnement linéaire 21 peut être réalisée comme représenté sur la figure 4a. Un porte-source 211 est placé dans une cavité 216 d'un conteneur de source linéaire 210. Le porte-source 211 contient une rangée de capsules 212 constituant des sources- de rayonnement, de caesium 137 par exemple. Dans la cavité 216 du conteneur 210 est disposé en outre un obturateur rotatif 213. Le conteneur 210 est couplé à un collimateur 214 présentant un certain nombre de trous de collimateur 215 parallèles.L'obturateur 213 peut être tourne par un mécanisme de rotation (non représenté) pour placer la plaque d'obturation 217 à la position représentée parallèle au plan du dessin pour permettre au rayonnement des capsules 212 de passer par le collimateur 214 pendant une mesure, et pour placer la plaque perpendiculairement au plan du dessin pour couper le rayonnement en dehors des périodes de mesure. Les capsules 212 émettent des rayonnements radialement mais ceux-ci sont transformés par les trous 215 du collimateur 214 en faisceaux de rayonnement parallèles. Les figures 5a et 5b représentent un exemple de réalisation du détecteur linéaire 22. Celui-ci est combiné avec un collimateur 220 présentant un trou rectangulaire 224. Le collimateur est suivi d'un scintillateur t21 en polyvinyltoluène. A ce scintillateur est relié un guide de lumière 222 en acrylique. Au guide de lumière est couplé un tube multiplicateur de photo-électrons 223, dont le signal de sortie est appliqué à un amplificateur (non représenté). Comme décrit ci-dessus, les trous 215 du collimateur 214 forment des faisceaux parallèles du rayonnement émis par la source 21. Après avoir traversé le tube 11, les faisceaux parallèles pénètrent dans le trou 224 du collimateur 220 du detecteur.Le trou rectangulaire unique 224 de ce collimateur peut également être remplacé par un certain nombre de trous de collimateur disposés suivant des lignes parallèles, comme les trous 215 du collimateur de la source 21. L'homme de l'art sait que le fonctionnement d'un mesureur d'épaisseur travaillant par transmission d'un rayonnement est basé sur l'équation suivante N = nô exp. ( - 1ut) (1) où N est la valeur de mesure fournie par le détecteur lorsque le rayonnement traverse un objet ayant l'épaisseur t, N0 est la valeur de référence fournie à la sortie du detecteur en l'absence d'objet (lorsque l'épaisseur t égale 0), et et est une constante ou coef- ficient d'absorption. La figure 6 représente deux axes orthogonaux x et y et une section du tube 11. On voit qu'une épaisseur de paroi t du tube 11 dans le sens de l'axe y peut être exprimée comme une fonction de la distance x. suivant l'axe x comme suit t = f(x) (2) de sorte que la valeur de mesure N fournie par un détecteur linéaire s 22 comme celui de la figure 3a peut être exprimée comme suit La figure 7 représente un graphique indiquant I'épaisseur de paroi t à différentes distances suivant l'axe x et les valeurs de mesure N correspondantes obtenues à la sortie du s détecteur. Comme il ressort du graphique de la figure 7, lorsque la valeur Qn(Ns/No) sur l'axe y est réduite de moitié, la variation S de l'épaisseur de paroi (appelée ci-après épaisseur de demi-atténuation") est d'environ 4,5 mm. D'une manière générale, si l'épaisseur de deniatténuation est très grande ou très petite par rapport à l'épaisseur à mesurer la mesure devient difficile. L'épaisseur de demiatténuation pour une tôle plane ordinaire mesurée au moyen d'un mesureur d'épaisseur du type à transmission, qui est un appareil utilisé à grande échelle, est d'environ 11 mm. Comme la valeur de 4,5 mm mentionnée plus haut représente environ la moitié de cette valeur de 11 mm, on peut prévoir que l'appareil selon l'invention pour mesurer l'épaisseur de paroi de pièces tubulaires possède une précision de mesure qui est sensiblement la même que celle du mesureur indiqué ci-dessus pour tôles. On voit sur le graphique de figure 7 que la courbe d'atténuation est linéaire dans la plage d'épaisseur de paroi allant de 3 mm à 15 mm (ce qui correspond à peu près à la plage allant de 0,03 à 0,1 dans le rapport t/d de l'épaisseur de paroi t au diamètre D), de sorte qu'il n'est pas nécessaire de réaliser la correction requise lorsque la courbe n'est pas linéaire. Autrement dit, l'épaisseur de paroi moyenne de la pièce peut être déterminée directement à partir de la valeur fournie à la sortie du détecteur linéaire. En appliquant le principe de mesure décrit ci-dessus, on peut utiliser un mesureur comme celui représenté sur la figure 8 pour déterminer l'épaisseur de paroi d'une pièce tubulaire. Les rouleaux 9 servent à transporter la pièce tubulaire 11 transversalement au mesureur. La longueur x de la source de rayonnement linéaire 21 et du détecteur de rayonnement linéaire 22 dépasse nettement le diamètre extérieur D du tube 11. Un tel appareil possède une vitesse de réponse élevée et permet de mesurer l'épaisseur de paroi d'un tube sans venir en contact avec lui, pendant que le tube avance et quelles que soient les vibrations auxquelles le tube est soumis pendant son transport. L'épaisseur de paroi ainsi mesuree peut être appliquée, par exemple, au laminoir en amont produisant la pièce tubulaire pour déclencher, dans le cas d'un écart par rapport à une valeur de consigne, une variation de vitesse ou de température dans le laminoir en vue du maintien des caractéristiques désirées et de la qualité du tube. Dans le système selon l'invention, l'épaisseur de demi-atténuation est à peu près la moitié de celle d'une tôle plane, comme indiqué plus haut. Cela signifie qu'un changement d'épaisseur de paroi de tube d'environ 0,5 mm modifie autant l'intensité du rayonnement reçu qu'un changement d'épaisseur de 1 mm d'une tôle plane. L'invention permet par conséquent de mesurer l'épaisseur de paroi d'un tube avec au moins autant de précision qu'il est possible de mesurer l'épaisseur d'une tôle plane, ce qui correspond à un degré de précision très élevé Le mesureur selon I'inention est applicable de façon particulièrement avantageuse à un étireur-réducteur, c'est-àdire à une machine (laminoir ou banc) utilisée dans le laminage de finition dans pratiquement toutes les fabrications de tubes sans soudure de diamètre relativement petit.En raison de son haut degré d'efficacité, un étireur-rjducteur est également utilisé dans le stade final de fabrication de tubes soudés de diamètre relativement petit. Dans une telle machine, quatorze à vingt cages comportant chacune deux ou trois galets sont disposes les unes à la suite des autres le long je'un tube. Pendant que les galets exercent une action de laminage sur la surface externe du tube, les galets des cages ou postes voisins sont entraînés à des vitesses circonférentielles différentes, de sorte que le tube est étiré longitudinalement pendant qu'il est laminé, avec variation de son épaisseur de paroi. Une telle machine permet de traiter des tubes de différentes sortes et de produire des tubes de différents diamètres. Les figures 9a et 9b représentent schématiquement et partiellement un étireur-réducteur du type à deux galets par poste, tandis que les figures lOa et lOb sont des vues analogues d'un étireur-réducteur du type à trois galets par poste Ces figures représentent des galets 31 agissant sur un tube 32 en cours d'étirage.Comme l'allongement d'un tube sur une telle machine change également son épaisseur de paroi, pour améliorer la conduite de la machine, il est essentiel de détecter l'épaisseur de paroi moyenne d'un tube dans le sens longitudinal, plutôt que de détecter les éventuelles irrégularités de l'dpaisseur de paroi dans la section du tube, en particulier dans le cas d'un tube d'acier soudé fabriqué à partir d'un matériau plat d'épaisseur uniforme. Au cas où, sur une telle machine à multiples postes d'étirage et de réduction, on change la vitesse pour changer la traction exercée sur le tube en vue du réglage de son épaisseur de paroi, il est souhaitable que la vitesse de réponse du mesureur d'épaisseur de paroi soit élevée. Un mesureur selon l'invention appliqué à un étireur-réducteur sera généralement placé à l'entrée ou à la sortie, où le tube est exposé à une vibration considérable. Or, à ces endroits, il n'y a pas de place pour monter des rouleaux ou des galets pinceurs anti-vibration. L'invention supprime ce problème, en éliminant le besoin de dispositifs anti-vibration, par un mesureur dont les mesures ne sont pas affectes par la vibration du tube et dont le temps de réponse est en outre très court. Bien que les systèmes conventionnels pour mesurer l'épaisseur de paroi permettent aussi de mesurer la variation de l'épaisseur de paroi dans le sens de la section du tube, ces systemes sont très coûteux puisqu'il faut au moins trois sources de rayonnement et trois détecteurs. L'appareil selon l'invention ne comporte en revanche qu'une seule source de rayonnement et un seul détecteur, de sorte qu'il peut être beaucoup plus économique. Quoique l'invention ait été décrite en référence à des tubes d'acier, il est à noter que le concept de base de l'invention est applicable de manière générale à la mesure d'une épaisseur de paroi de pièces tubulaires et que l'on peut utiliser des rayons y comme des rayons X, des rayons p, des rayons ultraviolets, des rayons visibles et des rayons infrarouges, notamment en fonction du matériau constitutif des pièces tubulaires, lesquelles peuvent être faites de métal mais aussi de matière plastique, de verre, de ciment et ainsi de suite. L'invention n'est donc nullement limitée aux formes de rdalisation ddorites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil pour mesurer l'épaisseur de paroi de pièces tubulaires, comprenant une source de rayonnement et un detecteur de rayonnement, caractérisé en ce que la source (21) et le détecteur (22) sont disposés face à face, avec la pièce tubulaire (11) entre eux, et en ce que la source et le détecteur possèdent une longueur ), transversalement à l'axe de la pièce tubulaire (11), qui est plus grande que le diamètre extérieur de la pièce, l'agencement étant tel que des faisceaux parallèles de rayonnement émis par la source (21) et atteignant le détecteur (22) traversent toute la section de la pièce tubulaire, ce qui permet de déterminer l'épaisseur de paroi moyenne de la pièce à partir de l'atténuation du rayonnement relevée par le détecteur. 2. Appareil selon la revendication 1, où la source de rayonnement (21) et le détecteur de rayonnement (22) sont combinés chacun avec un collimateur (214, 220) pour former des faisceaux de rayonnement parallèles. 3. Appareil selon la revendication 2, où la pièce tubulaire (11) est transportée transversalement auxdits faisceaux parallèles, notamment de façon continue sur une ligne de fabrication de pièces tubulaires (11).