Brevet FR2578319A1 — publié le 19860905

La présente invention concerne un dispositif de mesure d'épaisseurs par l'utilisation d'ultrasons. Actuellement on connalt une grande quantité d'appareils de mesure d'épaisseurs qui utilisent les ultra- sons, mais qui indéfectiblement présentent une série de dés- avantages et d'inconvénients. Il en existe de deux types, ceux à branchement électromagnétique et ceux qui utilisent des transducteurs piézoélectriques. Tous les appareils de mesure du premier type connus utilisent un seul transducteur acoustique électroma- gnétique qui agit en alternance comme transmetteur et comrnme récepteur. En agissant commne transmetteur il génère des on- des transversales perpendiculaires' à la surface de l'épaisseur à mesurer, et en agissant comme récepteur il dé- tecte les rebondissements des ondes produites. La durée de temps mesurée entre les rebondissements successifs, détermi- ne l'épaisseur. Ces appareils ont essentiellement trois problè- mes: la configuration requise des champs magnétiques oblige à monter des entrefers extrêmement petits, et qui pour cette raison ne sont pas applicables pour mesurer des épaisseurs de pièces ou éléments montés sur une ligne de production, à moins de posséder des caractéristiques géométriques dimen- sionelles de grande précision, incluant la rectitude dans le cas de tubes, fait qui se vérifie rarement dans les lignes de production industrielles. Ils requièrent un certain pa- rallélisme entre les surfaces intérieures et extérieures de l'épaisseur à mesurer parce que s'ils excèdent un certain angle, les signaux ultrasoniques ne sont pas captés par le récepteur. Enfin la définition de l'épaisseur demande d'identifieèr le maximum de l'enveloppante du signal de re- bondissement, fait qui diminue la précision de la mesure. Les appareils du second type connus (à transduc- teur piézoél1ectrique) présentent un inconvénient supplémen- taire, étant donné qu'il est nécessaire d'établir, au moyen d'eau, d'huile ou de graisses spéciales, un raccord pour transmettre les utrasons, depuis le cristal piézoélectrique qui le produit, jusqu'à l'élément à mesurer. L'objet de la présente invention, est de fournir un dispositif de mesure d'épaisseurs qui ne présente aucun desdits inconvénients. Dans le dispositif de la présente invention, les ultrasons sont générés directement à la surface de la pièce à mesurer, le raccordement est électromagnétique, il n'est pas nécessaire d'avoir un contact entre le transmetteur ou le récepteur, avec la pièce à mesurer et la façon de générer un tel champ magnétique qui laisse un grand espace pour l'insertion des transducteurs. L'objet de la présente invention est un dispositif de mesure d'épaisseurs, de type utilisant les ondes ultraso- niques, et comprenant une bobine de génération du champ électromagnétique, un support et un ensemble de circuits as- sociés, caractérisé par le fait que la bobine génératrice du champ électromagnétique est annulaire; l'ensemble des cir- cuits associés comprend un circuit de contrôle, avec un gé- nérateur d'impulsions qui a une sortie branchée au travers d'un amplificateur sur la bobine d'émission posée sur le support; installée sur ledit support et à une distance dé- terminée de la bobine d'émission, une bobine de réception branchée au travers d'un circuit de réception sur un circuit de logique et de contrôle, dont la sortie est branchée au travers d'un circuit digital sur des moyens indicateurs de mesure; le support est placé au centre de la bobine annulaire. Dans la pratique, on utilise une bobine plate com- posée de divers conducteurs parallèles dans lesquels circu- lent des impulsions de courant de haute intensité qui géné- rent une image des courants de la bobine sur la surface (de la même façon que dans un transformateur) et qui en intera- gissant avec le champ magnétique continu de grande intensité dans lequel se trouve immergé la pièce, génère des- forces perpendiculaires qui forment un angle par rapport au plan formé par le champ et le courant, produisant ainsi des trac- tions et des compressions à la surface, ce qui génère l'ultrason. Réciproquement, quand l'onde générée, qui se propage selon des modes différents qui lui sont propres pro- voque une incidence dans la région correspondante de la bo- bine réceptrice, elle se génère avec les mêmes courants, qui une fois traités indiquent l'épaisseur. Dans ce cas, la bobine utilisée est une bobine plate avec des conducteurs parallèles dans, lesquels cir- culent le courant. Grâce à la forme de la bobine, le courant circule dans le sens inverse, dans les conducteurs adja- cents. Les zones situées sous ces conducteurs sont soumi- ses à des forces alternatives qui provoquent une vibration à la surface du matériel. Cette vibration génère des ondes ul- trasoniques qui pénètrent à l'intérieur du matériel dans tous les sens. Comme l'efficacité de ce type de raccordement est sensiblement inférieur lorsqu'on utilise des appareils conventionnels, dans ce cas là, il faut des techniques élec- troniques spéciales et des champs magnétiques forts pour réaliser les mesures. Compte-tenu du type de matériel uti- lisé on profite dans certains cas de l'apparition du phéno- mène de magnéto-striction qui permet de travailler à des niveaux de magnétisation sensiblement inférieurs. C'est Ce cas en particulier pour les aciers au carbone de bas niveau d'alliage. Au moment o sont produits les ultrasons, des on- des transversales et longitudinales apparaissent à la surfa- ce de la pièce à mesurer, de même que dans chacune des réflections successives. Simultanément se génèrent les ondes acoustiques propres et caractéristiques de l'épaisseur du matériel mesuré. Dans chacune des réflections d'ondes apparaissent - des nouveaux trains d'ondes longitudinales et transversales et arrive finalement au récepteur un train d'ondes, qui est un mélange des ondes précédentes. L'invention sera mieux comprise en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels on représente une forme pré- férée de réalisation de l'invention. Sur les dessins: Figure I représente une vue schématique en pers- pective de l'objet de l'invention. Figure 2 est un diagramme en bloc d'une variante de la meilleure réalisation du circuit du dispositif de me- sure d'épaisseurs, objet de l'invention. Figure 3a montre les mesures obtenues au moyen de l'objet de l'invention et la Figure 3b les mesures obtenues au moyen d'un appa- reil conventionnel de mesure. Fig. 4 est un diagramme en blocs d'une seconde va- riante de la meilleure réalisation du circuit du dispositif, objet de l'invention. Sur la figure 1 est représenté le dispositif de mesure, objet de l'invention, en déterminant l'épaisseur d'un tube en acier I qui se déplace suivant la direction qui est indiquée par la flèche. Sur le tube 1 en mouvement, s'appuie avec un glissement, un support 3, qui se trouve as- socié par des bras articulés 4a et 4b en pivotement, avec un support 5. Un des bras articulés 4a est raccordé à- un piston pneumatique 6, dont l'autre bout se trouve fixé au support 5. Au moyen du piston 6, on peut le lever et le descendre jusqu'à l'entrée en contact avec le tube 1 et le support 3. Le support 3 comporte l'émetteur et le récepteur d'ondes d'ultrason montés, séparés entre eux par une distance déter- minée, le support 3 étant inmmergé dans le champ magnétique généré par la bobine annulaire 2. L'information de la variation d'épaisseur est don- née par les changements de phase de l'onde ultrasonique, et étant donné qu'on utilise le signal en provenance des rebon- dissements successifs et des générations d'ondes longitudi- nales et transversales, l'information arrive au récepteur de façon continue. Avec ce dispositif, on 1élimine les pertes d'information, au cas o les surfaces intérieures et exté- rieures du tube ne seraient pas parallèles, et de cette façon on écarte le petit entrefer entre la culasse de magné- tisation, des appareils conventionnel s et la pièce à mesurer. Au moyen du circuit électronique, représenté dans la figure 2, se génèrent des courants de haute fréquence de l'ordre de 2 MH-z, qui se transmettent à l'aide d'un trans- metteur, à la surface du tube I à mesurer, o se génère l'ultrason qui est envoyé à travers l'épaisseur du tube 1 avec un angle d'environ de 300, jusqu'à ce qu'il rebondisse à la surface intérieure, d'o il est renvoyé à la surface extérieure o il rebondit de nouveau. Ce processus se répète à plusieurs reprises, jusqu'à ce que le front de l'onde ar- rive à la bobine réceptrice 11. On détermine le temps qu'il a mis pour arriver à partir du moment o elle a été émise, et avec cette donnée du temps, et avec la vitesse de propa- gation de l'ultrason dans le milieu mesuré, on détermine le trajet parcouru par ce train d'ondes. Il est important de préciser que l'information de variation d'épaisseur est donnée conmme une variation de pha- se, et non pas conmme une variation d'ampleur comme dans les méthodes conventionnelles. Grâce à cela, le dispositif, objet de l'invention, est insensible aux bruits électriques, qui affectent les ap- pareils déjà connus. Le dispositif de mesure d'épaisseurs comprend un circuit de contrôle 12, branché sur un transmetteur propre- ment dit 13, à son tour branché sur une bobine plate d'émission 10, une bobine plate de réception 11 branchée sur un récepteur proprement dit 14, qui se trouve interconnecté avec un circuit analogique 15, un circuit digital 16 et un circuit de contrôle 12. La sortie du circuit digital est branché sur un dispositif indicateur 17 des mesures obtenues et à un traceur de graphique 18. Le circuit de contrôle 12 comprend un générateur de synchronisme 19, qui génère les signaux de synchronisme et d'horloge à partir d'un oscillateur de 50 M-Hz, et qui est branché à un générateur de trains d'impulsion-20, avec le- quel on existe la surface du matériel, pour produire des on- des ultrasoniques dans le volume de la pièce à mesurer. On atteint celleci en envoyant des trains d'impulsions d'une fréquence de 1,79 MHz chaque 2 microsecondes. Le générateur des trains d'impulsions 20 est branché au circuit transmetteur 13 qui comprend un amplifi- cateur 21, amplifiant les trains d'impulsions provenant du circuit de contrôle 12, et renvoie à la bobine plate d'émission 10 du courant allant jusqu'à 50 Amp. La bobine plate de réception 11 reçoit les signaux émis et les envoie au circuit récepteur 14 comprenant un deuxième amplificateur 22, qui amplifie les signaux de l'ordre de 3 ou 4 volts d'amplitude, pointe à pointe. La sortie du deuxième amplificateur 22 est branchée sur le cir- cuit analogique 15. Ce circuit analogique 15 comprend des moyens de filtration, d'amplification et de mise en forme des trains d'impulsions reçus et amplifiés, de sorte qu'à la sortie de ce circuit ils aient tous la même amplitude, alors que l'information se trouve dans la phase relative de chaque im- pulsion par rapport au train d'impulsions d'origine. La sortie de ce circuit analogique 15 est raccor- dée au circuit digital 16 qui comporte un circuit de sélec- tion d'impulsion 23 connecté à un générateur de fenêtre 24 et à un contacteur 25 qui a sa sortie également associée à un convertisseur digital/analogique 26, et son entrée égale- ment associée à ce. circuit de sélection d'impulsions 23, ainsi qu'au circuit récepteur 22. La sortie du convertisseur digital/analogique 26 est connectée au traceur graphique 18 et au dispositif indicateur 17. Ce circuit digital 16 est le centre vers lequel convergent tous les signaux du dispositif, qui une fois mis en forme, sont appliqués au traceur graphique 18 et à un dispositif indicateur 17, qui, dans ce cas, est un milliam- péremètre qui permet de visualiser les variations d'épaisseur. Ce générateur de fenêtre 24 qui est également connecté au générateur de synchronisme 19 indique le moment o doit cornnencer le compte du temps. Le circuit de sélection d'impulsions 23 donne un signal qui est prédisposé au moyen d'une clé sélectrice 27 et permet de choisir une impulsion donnée afin qu'en mesu- rant ses déplacements dans le temps, il puisse permette de déterminer l'épaisseur. Le compteur 25 est branché sur-l'oscillateur cen- tral qui fournit un signal de 50 rvHz, signal qu'on utilise pour compter le temps d'une façon précise, étant donné sa très courte durée. Les signaux de fenêtre, de sélection d'impulsion et celui en provenance du récepteur 11 s'additionne et on obtient deux impulsions, l'une correspondant au commencement de la fenêtre et la deuxième à l'impulsion choisie, ces deux impulsions sont injectées dans un compteur 25 qui compte les impulsions de 50 Miz à partir du moment o le premier l'enclenche jusqu'à ce que la seconde impulsion l'arrête. Cette information est envoyée vers un converseur digital analogique 26 qui la transforme en couran-t continu d'ampleur variable, visualisé sur un instrument 17-donnant les indications d'épaisseur. Parallèlement à l'instrument 17 on branche un tra- ceur de graphique 18 montrant de façon continue, les varia- tions d'épaisseur. Dans la figure 3a on montre la courbe de variation d'épaisseurs obtenue au moyen du dispositif de mesure, objet de l'invention et dans la figure 3b on représente une courbe indicatrice de variation d'épaisseurs obtenue avec un appa- reil conventionnel de mesure. Le tube utilisé dans les deux cas est un tube en acier 0-35 segm API de 16,8 cm et d'une épaissseurde 8,94 TIm. Dans la mesure effectuée avec le dispositif, objet de l'invention, et représenté sur la Figure 3a, le tube se déplaçait à une vitesse de 0,8 m/sec et le papier du traceur de graphique, à une vitesse de 50 mrn/sec. L'appareil conven- tionnel utilisé est un appareil ultrasonique Krautkramer EOMvl-2 de 2 MH-Iz de fréquence. Dans le cas d'application d'un appareil conven- tionnel, on a effectué 42 mesures ponctuelles, avec le tube arrêté, et la courbe finale 38 a été obtenue par interpola- tion des mesures obtenues. Sans tenir compte de la perte de temps occasionnée par l'utilisation d'un appareil conventionnel, par rapport au dispositif, objet de l'invention, on observe que la pré- cision de la courbe 3a, obtenue avec l'invention est très supérieure à la 3b, obtenue avec l'appareil conventionnel utilisé. Dans la figure 3a il est seulement représenté la portion de mesures obtenues; qui coïncide avec le tronçon d'environ 2 m dans lequel a été utilisé l'appareil conventionnel. Dans la figure 4 on représente une seconde varian- te de la meilleure réalisation de l'ensemble des circuits du dispositif, objet de l'invention. La variante de la meilleure réalisation comprend un circuit de contrôle 12 branché sur un circuit transmet- teur proprement dit 13, branché sur la bobine plate d'émission 10, une bobine plate de réception 11 branchée sur un circuit récepteur 14, interconnecté avec un circuit de logique et de contrôle 15, avec un circuit digital 16 et le circuit de contrôle 12. La sortie du circuit digital 16 est branchée sur un dispositif indicateur 17 des mesures obte- nues et sur un traceur de graphique 18. Le circuit de contrôle 12 inclut un microproces- seur 30 de surveillance des principales fonctions du dispositif. Le microprocesseur 30 est interconnecté avec un circuit de mise en forme 31, avec un générateur de synchro- nisme 32, un oscillateur de fréquence variable, type PLL (avec boucle de phase) 33, avec un générateur de trains d'impulsions 34, et avec un générateur d'enveloppante 37 in- clus dans le récepteur proprement dit 14. L'oscillateur de fréquence variable type PLL 33 est également branché sur un générateur de trains d'impulsions 34, dont la sortie est branchée au transmetteur 13 qui comprend, un amplificateur 35 qui amplifie les trains d'impulsions reçus et les envoie à la bobine plate d'émission 10. La bobine plate de réception 11 reçoit les signaux émis et les envoie à un filtre passe-bande et à un amplifi- cateur 36, branché sur un générateur d'enveloppante 37 et dont la sortie est branchée au circuit de logique et de contrôle 15. Les sorties du circuit de logique et de contrôle sont branchés sur un contacteur 38 et une vanne Y (AND) 39, qui font partie du circuit digital 16 et sur l'oscillateur de fréquence variable faisant partie du cir- cuit de contrôle 12. En plus le compteur 38 est intercon- necté avec un converseur digital-analogique 40, un généra- teur 41 d'un signal de fréquence de 200 Miz, à la sortie de la vanne Y (AND) 39 et un microprocesseur 30. La sortie di converseur digital-analogique 40 est connectée au dispositif indicateur 17 et à l'enregistreur 18. Le circuit digital 16 comprend en plus un généra- teur de fenêtre 42, branché sur une entrée de la vanne Y (AND) et sur le générateur de synchronisme 32 ainsi que sur un générateur de trains d'impulsions 34. Sur le mode étalonneur, le microprocesseur 20 com- mande à l'oscilateur de fréquence variable type PLL 33, de balayer un certain champ de fréquence, et simultanément le générateur de trains d'impulsions 34 envoie des impulsions de cette fréquence à l'amplificateur 35, qui a son tour les envoie à la bobine émettrice 10 du dispositif, sous forme d'impulsions de courants de haute intensité. La bobine réceptrice 11 reçoit les réponses à l'excitation et à son tour envoie les signaux à l'étage de filtrage et d'amplification 36, ce signal est pris par le générateur d'enveloppante 37 et réalimenté au micro- processeur 30. Ce processus s'effectue de façon répétitive jusqu'à la détection maximale d'ampleur dans la bobine ré- ceptrice 11 indiquant pour cette épaisseur d'étalonnage se produit une excitation sur un mode fondamental. Une fois détectée cette fréquence, on passe au mo- de de travail. Sur ce mode, le microprocesseur 30 fixe la fré- quence initiale de l'oscillateur de fréquence variable 33 et conmmande le générateur de synchronisme 32, qui à son tour commande le générateur de fenêtre 42. La fenêtre permet de situer la zone sénoide que l'on utilisera pour mesurer ses passages par zéro. La fréquence observée est également utilisée pour réalimenter et varier la fréquence de l'oscillateur de fré- quence variable 33 afin que celle-ci continue les variations d'épaisseur pour obtenir l'ampleur maximale dans le signal recueilli par le transducteur-récepteur ou la bobine récep- trice 11. Le générateur de trains d'impuisions 34 envoie des trains d'impulsions de la fréquence fixée par l'oscillateur type PLL 33 à l'amplificateur de puissance 35, qui à son tour les transforment en impulsions de courant de grande in- tensité qui sont envoyés au transducteur-transmetteur ou bo- bine émettrice 10. Le tranducteur récepteur 11 reçoit les signaux en provenance du champ, dont la mécanique de génération a été déjà expliquée antérieurement et les envoie au circuit de filtrage et amplification 36. Ces signaux sont par la suite dérivés vers le circuit de logique et de contrahle 15 o l'on procède à l'interprétation. Le nombre de passages par zéro à computer est une donnée à mettre a priori dans le microprocesseur 30. Le temps passé entre le premier et le dernier pas- sage par zéro, détermine un temps proportionnel à l'épaisseur. La mesure de ce temps est réalisée sur conmmnande des signaux de préparation du circuit de logique et de contrôle 15 et en comptant les impulsions provenant du géné- rateur 41 de 200 MivHz o plus. L'.information du compteur 38 est envoyé au conver- seur digital-analogique 4b o ce signal se transforme en analogique dans un enregistreur 18 à ruban et se visualise dans un instrument 17. Eventuelement on peut avoir la valeur digitale et l'envoyer à des systèmes de contrôle et de sur- veillance à base de microprocesseur, de programmreur logique *ou de computer. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'épaisseurs par l'utilisation d'ultrasons, comprenant une bobine de généra- tion du champ électromagnatique, un support et un ensemb _ de circuits associés, caractérisé en ce que la bobine de gé- nération du champ électromagnétique est annulaire. l'ensemble des circuits associés étant composé par un cir- cuit de contrôle, dont la sortie est branchée à travers Ä. circuit de transmission sur une bobine d'émission installée sur le support, et qu'est prévue montée sur le support et une distance déterminée de la bobine d'émission, une bobine de réception, branchée à travers un circuit de réception s'- un circuit analogique, le circuit analogique étant associé à un circuit digital interconnecté à des moyens indicateurs de mesure, tandis qu le support se trouve au centre de- la bo- bine annulaire. 2. Dispositif selon la revendication l, caracte- risé en ce que les bobines d'émission et de réception sont plates. 3. Dispositif selon la revendication l, caracté- risé en ce que le circuit de contrôle comprend un microp:-- cesseur interconnecté à un générateur de synchronisme, à un oscillateur de fréquence variable, à un générateur de trains d'impulsions, à un circuit de réception, à un circuit d'étalonnage et à un circuit digital, l'oscillateur de fre- quence variable se trouve branché au générateur de trains d'impulsions, dont la sortie est branchée sur le circuit de transmission. 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le circuit de transmission est un amplificateur. 5. Dispositif selon les revendications I et 3, ca- ractérisé en ce que le circuit de réception comprend un gé- nérateur d'enveloppante qui est branché sur un microprocesseur et sur un circuit de filtre passe-bande ec 2-578319 d'amplification dont l'entrée est branchée sur la bobine de réception et dont la sortie est branchée sur le circuit analogique. 6. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le circuit analogique comprend des moyens de filtrage et de conformation d'impulsions. 7. Dispositif selon les revendications I et 3, ca- ractérisé en ce que le circuit digital comprend un généra- teur de fenêtre branché sur un générateur de synchronisme et h travers une vanne Y (AND) sur un compteur, le compteur se trouve interconnecté avec le circuit analogique, avec le mi- croprocesseur, avec un générateur, avec la sortie de la van- ne Y (AND) et avec l'entrée d'un converseur digital-analo- gique dont la sortie est branchée à des moyens indicateurs de mesure. 8. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le circuit de contrôle comprend un gé- nérateur de synchronisme branché à l'entrée d'un générateur des trains d'impulsions dont la sortie est branchée au cir- cuit de transmission. 9. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le circuit de transmission est un ampi ificateur. 10. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le circuit de réception est un amplificateur. 11. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le circuit analogique comprend des moyens de filtrage et des- conformations d'impulsions. 12. Dispositif selon les revendications I et 3, caractérisé en ce que le circuit digital comprend un circuit de sélection d'impulsions associé à une clé de sélection d'impulsions et branché à un générateur de fenêtre, lequel est branché au générateur de synchronisme et se trouve branché à travers un compteur sur un converseur digital- analogique, la sortie du converseur digital-analogique étant branchée sur des moyens indicateurs. 13. Dispositif selon la revendication 1, caract6- risé en ce que les moyens indicateurs consistent au moins en un groupe constitué par des milliampèremètres et des tra- ceurs de graphique.