Brevet FR2689625A1 — publié le 19931008

La présente invention est relative à la mesure d'épaisseur par analyse ondes ultra-sonores. Elle concerne en premier lieu un procédé pour déterminer l'épaisseur entre deux surfaces d'un élément en matériau à structure interne hétérogène. On connaît par le document US 4 398 421 un procédé de mesure par ultra-sons de l'épaisseur entre des surfaces opposées d'un élément travaillé. Dans ce procédé connu, on mesure la vitesse des ondes ultra-sonores dans le matériau de l'élément travaillé, au moyen de deux traducteurs, un traducteur travaillant en émission et un traducteur travaillant en réception. Les ultra-sons sont émis de manière à entrer dans l'élément suivant un angle d'incidence par rapport à la surface extérieure de l'élément. L'onde ultra-sonore est réfléchie suivant llangle de réfraction sur la surface du fond de l'élément, l'onde réfléchie retourne à la surface extérieure de l'élément en un point connu. Le traducteur de réception a été placé à ce point.La distance entre le point d'entrée et le point de sortie de l'onde ultra-sonore est connue car déterminée en fonction de l'angle d'incidence, la mesure effectuée fournit le temps mis par l'onde ultra-sonore pour aller d'un traducteur à l'autre. Avec ces données, on déduit la vitesse de propagation de l'onde dans le matériau de l'élément. La vitesse étant connue, on émet et on reçoit des ondes ultra-sonores au moyen de deux traducteurs droits. La mesure du temps écoulé entre l'émission et la réception permet de déterminer l'épaisseur de l'élément. Ce procédé nécessite l'utilisation de quatre traducteurs, d'un fluide spécial servant à coupler les ultrasons à la pièce et de nombreuses opérations et réglages. Cela rend très difficile l'automatisation. L'invention a principalement pour but de remédier à ces inconvénients par un procédé qui permet de mesurer, sans modification, ni réglage, avec un seul traducteur par point de mesure de nombreuses gammes d'épaisseurs d'éléments plans ou de diamètre variable avec une grande précision. Le procédé selon l'invention permet l'automatisation des mesures, sans ralentir les temps de cycle lors de la fabrication par une durée de mesure par point suffisamment courte.A cet effet, le procédé selon l'invention consiste en a) une mesure de temps entre échos comprenant - un test constatant la présence d'échos - une acquisition de la représentation des échos sous forme d'un signal - une détermination du rapport signal sur bruit - une détection de la position et de l'amplitude des échos - une analyse des échos et l'élimination des échos parasites - une déduction du temps mis par l'onde ultra-sonore pour traverser l'élément en fonction du signal recueilli b)une mesure de vitesse de l'onde ultra-sonore correspondant à chaque mesure de temps comprenant - une pondération du premier écho d'épaisseur - une détermination des coefficients d'un filtre dont l'entrée est un bruit blanc et la sortie le premier écho d'épaisseur pondéré - une détermination de la réponse du filtre en fonction des fréquences demandées - une détermination de la position du pic maximum et de la bande passante du filtre - une corrélation entre les caractéristiques dudit filtre et la vitesse de l'onde ultra-sonore dans l'élément c)une analyse du signal en fonction du temps et de la vitesse qui détermine l'épaisseur entre deux surfaces délimitant l'élément en matériau à structure interne hétérogène. L'invention concerne en second lieu un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé, conçu d'une part de façon à émettre des ondes ultra-sonores pénétrant dans le matériau suivant un axe normal à la surface de l'élément en matériau à structure interne hétérogène et d'autre part à assurer un bon couplage des ultrasons. La perpendicularité permet l'utilisation d'un seul traducteur par point de mesure travaillant en émission et en réception pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, quelle que soit la forme dudit élément, plane ou cylindrique. Le couplage est effectué par immersion locale, ce qui permet l'automatisation des mesures. Ces résultats sont atteints car le dispositif selon l'invention est du type comportant un moyen d'alimentation en fluide couplant les ondes ultra-sonores à l'élément en matériau à structure interne hétérogène.Il comporte également un moyen de positionnement géométrique angulaire du traducteur permettant de maintenir ledit traducteur normal à la surface externe de l'élément à structure hétérogène. Suivant d'autres caractéristiques - Le moyen de positionnement géométrique angulaire du dispositif de mesure selon l'invention est un compas comportant au moins deux bras respectivement reliés à l'élément à structure interne hétérogène au moyen d'un patin et, entre eux, par un moyen de déplacement par rapport à la surface de l'élément à structure interne hétérogène à une vitesse identique pour chaque bras, - le moyen de déplacement par rapport à la surface de l'élément à structure interne hétérogène à une vitesse identique pour chaque bras, consiste en au moins un secteur denté monté sur chaque bras.Les secteurs dentés sont de diamètre et de pas identiques, - le moyen de déplacement par rapport à la surface de l'élément à structure interne hétérogène, à une vitesse identique pour chaque bras, consiste en une tige filetée à pas égal et inversé à chacune de ses extrémités, chacune desdites extrémités coopérant avec un bras du compas, - un moyen de pression et/ou de traction est appliqué à au moins un bras entre le moyen de déplacement et la patin dudit bras. - le moyen de pression est un ressort ou un vérin. Pour automatiser la mesure, il est nécessaire que le liquide couplant les ondes ultra-sonores soit d'une très faible viscosité, d'un coût modique et que la qualité du couplage soit constante, dans ce but ledit liquide est de l'eau (immersion locale). Le dispositif selon l'invention comprend une butée montée sur le moyen de positionnement angulaire, ladite butée étant apte à éviter le contact entre l'élément en matériau à structure interne hétérogène et le moyen d'alimentation en fluide ou le transducteur. L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un dispositif tel que défini ci-dessus pour mesurer l'épaisseur de pièces en fonte. Un exemple non limitatif de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique d'un dispositif de génération des ultra-sons avec une représentation sous forme d'oscillogramme simplifié du signal ultra sonore - la Fig. 2 représente sous forme d'organigramme les étapes du procédé selon l'invention de mesure du temps de déplacement des ondes ultra-sonores dans l'élément à structure interne hétérogène - la Fig. 3 est un organigramme des étapes du procédé permettant de déduire la vitesse des ondes ultra sonores dans l'élément à structure hétérogène - la Fig. 4 représente sous forme d'oscillogramme un exemple de signal ultra-sonore obtenu sur un élément à structure interne hétérogène - la Fig. 5 représente le filtre à qui on associe le premier écho d'épaisseur - la Fig. 6 est la courbe illustrant la réponse spectrale du filtre pour les fréquences demandées - la Fig. 7 représente le dispositif assurant la perpendicularité traducteur-pièce et le couplage des ultra-sons Suivant l'exemple d'exécution de la Fig. 1 un générateur émetteur-récepteur i ultra-sonore émet une impulsion électrique transformée en onde ultra-sonore 2 par l'élément piézo électrique d'un traducteur 3. Cette onde ultra-sonore, véhiculée par un fluide couplant traverse un élément 4, ici une pièce à mesurer et est réfléchie sur la surface du fond 5 de l'élément 4 (interface élément-air). Une partie de ltonde ultra-sonore 2 réfléchie 6 est transmise vers le traducteur 3 et est retransformée en signal électrique par le traducteur 3, signal qui est amplifié par l'étage récepteur du générateur ultra-sonore 1. A l'interface pièce-fluide couplant 7, une partie 8 seulement de l'onde ultra-sonore réfléchie 6 est transmise et revient au traducteur 3. Une autre partie 9 est réfléchie pour retraverser le matériau et à nouveau se réfléchir sur la surface du fond 5 de l'élément 4. Et ainsi de suite jusqu'à absorption totale des ondes dans le matériau. Le trajet de l'onde ultra-sonore 2, 6, 8, 9 est représenté sous la forme d'un signal 10 sur un écran 16 type oscilloscope 17 présentant des échos, un écho d'émission 11, un écho 12 d'interface 7 issu du contact de l'onde ultrasonore 2 avec la surface extérieure de la pièce 4, des échos d'épaisseurs 13-15 issus des réflections multiples sur les surfaces extérieures et du fond 5 de l'élément 4. L'élément 4 est constitué d'un matériau solide ou d'un liquide. Le procédé comprend la mesure du temps mis par l'onde ultrasonore pour se déplacer dans la matière, qui s'effectue suivant différentes étapes représentées à la Fig. 2, d'abord un test 20 vérifiant la présence d'un écho d'interface et positionnant cet écho. En cas de présence de l'écho d'interface le procédé comporte une étape 21 de détermination du rapport signal sur bruit.Le signal est la représentation du trajet de l'onde ultra-sonore dans l'élément. Le bruit résulte d'une part de diffusions multiples de l'onde dans le matériau à structure hétérogène et d'autre part de parasites électriques. Dans cette étape on considère le niveau de bruit et l'amplitude du signal. Celui-ci ne peut être détecté que s'il présente une amplitude supérieure à celle du bruit. Ensuite le procédé comprend une étape 22 de détection de tous les échos définis par leurs amplitudes et leurs positions. Cette détection s'effectue au-dessus d'un seuil limite déterminé par l'amplitude du bruit. Puis les échos sont analysés dans une étape 23 avec une élimination des échos parasites éventuels. Ces échos parasites peuvent être produits par la présence d'hétérogénéités ou de micro-défauts dans le matériau de la pièce. Cette étape 23 est suivie par une étape 24 de détermination de l'amplitude et de la position des échos d'épaisseur, c'est-à-dire tous les échos de l'étape 22 moins les échos de l'étape 23. Le procédé comprend une étape 25 de mesure des intervalles de temps entre les échos ce qui détermine le temps mis par l'onde ultra-sonore pour traverser la pièce en fonte en fonction du signal recueilli. Le procédé comprend une détermination de la vitesse de l'onde ultra-sonore dans la pièce par des étapes qui peuvent correspondre à l'exemple de réalisation représenté à la Fig. 3. La détermination de la vitesse s'effectue en sept étapes (26-32). La première, l'étape 26 est la détermination de N points, correspondant à une représentation numérique d'une fenêtre de pondération de KAISER : avec Io(x) : fonction de BESSEL modifiée d'ordre 0 telle qu'elle est définie par Gérard PETIAU (Maître de Recherches au CNRS) dans "La théorie des fonctions de Bessel" service des publications du CNRS. Dans la fonction de Kaiser x est représenté sous la forme ss : coefficient constant. n : varie de 0 à (N-1)/2 Le procédé comprend ensuite l'étape 27 de pondération du signal du premier écho d'épaisseur par la fenêtre de Kaiser. L'étape 28 suivante consiste à déterminer un filtre numérique à partir des données du signal pondéré par la méthode de l'entropie maximale. Les données sont considérées comme sortant du filtre, l'entrée étant un bruit blanc. Le filtre est défini par des coefficients ou pôles qui sont déterminés par la méthode de l'entropie maximale telle que définie dans la brochure "Traitement numérique du signal : techniques et applications" Cours 412 de l'organisme de formation dit "Learning Tree". L'étape 29 suivante est la détermination de la réponse du filtre aux fréquences demandées en fonction du traducteur utilisé. L'étape-30 consiste à déterminer la position du pic maximum et la bande passante du filtre déterminé à partir des données du premier écho d'épaisseur pondéré. L'étape 30 est suivie de l'étape 31 d'estimation de la vitesse de l'onde ultra-sonore dans le matériau à partir de la position du pic maximum et de la bande passante du filtre par une relation qui a été déterminée à la suite d'essais sur des échantillons, par exemple en fonte. Ces essais ont été constitués d'une part d'analyses métallographique et dimensionnelle de divers échantillons à formes de graphites différentes donc à vitesses des ultra-sons dans la fonte différentes et d'autre part d'une détermination de paramètres du signal ultra-sonore traversant ces échantillons, par l'estimation des paramètres du filtre H correspondant. La conclusion de ces essais a abouti à l'établissement d'une corrélation entre formes de graphites ou vitesses des ultrasons dans la fonte et paramètre du filtre H associé.Ce qui entraîne l'étape 32 de détermination de la vitesse de l'onde ultra-sonore dans l'élément. Le temps et la vitesse mis par l'onde ultra-sonore pour traverser la pièce en un aller-retour, étant déterminés, on déduit l'épaisseur de la pièce par la relation suivante e=vzt e étant l'épaisseur de la pièce, v la vitesse de l'onde dans la pièce et t le temps de traversée aller-retour de la pièce. La Fig. 4 représente l'image électrique 33 (signal) du trajet de l'onde ultra-sonore dans une pièce à structure interne hétérogène. Ce signal 33 représente l'amplitude des tensions V aux bornes de l'élément piézo-électrique du traducteur 3 amplifiées par l'étage récepteur du générateur ultra-sonore 1 (voir Fig. 1). Le signal 33 présente de grandes variations d'amplitude 34 qui correspondent aux échos d'interface 11 et d'épaisseur 12, 13. Ces grandes variations 34 se répètent à des temps t1 sensiblement constants. De plus, le signal 33 présente de petites variations d'amplitude 35, il s'agit du bruit. De temps en temps des variations d'amplitude 36 apparaissent. Il s'agit d'échos parasites générés par l'hétérogénéité de la structure ou par des microdéfauts dans le matériau. Ces échos de variation d'amplitude moyenne 36, non répétés à intervalle de temps constant, sont des échos parasites aléatoires qui sont éliminés lors de l'étape 23 du procédé selon l'invention. Le bruit empêche de détecter des échos de variation d'amplitude inférieure à sa variation d'amplitude 35. Le rapport du signal sur le bruit est défini par le rapport de l'amplitude extrême S du signal sur l'amplitude du bruit B. La Fig. 5 représente le filtre numérique H de l'étape 29 du procédé. Les données 37, c'est-à-dire le signal du premier écho d'épaisseur 12 pondéré par la fenêtre de Kaiser sont considérées comme étant le résultat obtenu à la sortie du filtre numérique H dont l'entrée est un bruit blanc 38. Le bruit blanc 38 est un signal d'une valeur moyenne nulle dont la densité spectrale de puissance moyenne est une constante positive. Donc le filtre transforme le signal bruit blanc 38 et un signal 37 suivant la relation avec p = nombre de pôles du filtre, an = pôle du filtre. H(Z) est la transformée en Z du filtre H. La transformée en Z est la transformation équivalente à la transformation de Laplace des systèmes à temps continus, appliqués à l'étude des systèmes discrets et notamment au traitement numérique du signal.A tout signal f(t) échantillonné aux instants nTe (n entier, Te période d'échantillonnage), on peut associer une transformée en Z z-h correspond à e npre (p = a + j w variable complexe) : c'est un opérateur retard - le retard est nTe : une multiplication par Z-" correspond à un retard temporel nTe c'est-à-dire à un décalage de n échantillon (Z-2 est équivalent au décalage de deux échantillons etc). Une réponse spectrale 39 du filtre H est représentée graphiquement à la Fig. 6. L'ordonnée P représente la puissance ou densité spectrale du filtre. L'abscisse représente les fréquences. Dans l'étape 31 du procédé on détermine la position en fréquence du pic 40 de l'amplitude de puissance maximum de la réponse du filtre. On détermine la bande passante du filtre H défini par une atténuation par 42 de l'amplitude maximum du pic. Ces valeurs sont caractéristiques de la réponse spectrale du filtre H et par la même représentatives du premier écho d'épaisseur pondéré 37. La Fig. 7 représente un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon 11 invention. Le dispositif comprend un traducteur 3, lié à un moyen 42 d'alimentation en fluide. Il comprend un compas 43 pour maintenir le positionnement angulaire a du traducteur 3. Le compas 43 comporte deux bras 44a et 44b reliés entre eux par deux secteurs dentés 45, chaque secteur denté est fixé libre en rotation suivant l'axe d'un bras 44a, 44b. Les deux secteurs dentés 45 sont de diamètre et de pas identiques et engrènent l'un avec l'autre. Chaque bras 44a, 44b comprend à son extrémité respective un patin 46a, 46b permettant le contact avec un élément 4a. Le bras 44b comprend perpendiculairement à son axe une excroissance 48 au niveau du secteur denté 45 et du côté opposé au bras 44b. L'élément 4a dont on mesure la distance entre la surface extérieure 7a à la surface de fond 5a est un tuyau en fonte de diamètre variable. Le dispositif ci-dessus est conçu de telle manière que quel que soit le diamètre, la perpendicularité surface/onde émise soit assurée. Cette distance représente l'épaisseur de la pièce et la mesure se fait au moyen d'ondes ultra-sonores longitudinales traversant la fonte. La fonte n'est pas un matériau homogène, donc la vitesse des ondes ultra-sonores varie. Des essais ont montré les différentes gammes de vitesses que l'on peut obtenir suivant la structure du graphite des pièces en fonte dont quatre sortes sont représentées sur la Fig. 7. Les vitesses mesurées dans une fonte à graphite lamellaire 50 sont comprises dans une gamme de 4700 à 5000 m/s. Les vitesses mesurées dans les fontes à graphite vermiculaire 51 sont comprises entre 5000 et 5300 m/s. Les vitesses relevées à l'intérieur des fontes à graphite compacte 52 sont comprises dans la gamme de 5300 à 5600 m/s et la vitesse de propagation des ondes ultra-sonores dans les fontes à graphite sphéroïdal 53 varie de 5600 à 5700 m/s. Ces structures de graphite sont obtenues par une inoculation de la fonte (voir le brevet de la Demanderesse nO FR-2 546 783). Comme on le constate, la vitesse varie à l'intérieur de chaque famille de fonte à structure de graphite différente. Il est possible de fabriquer des éléments en fonte présentant chacun différentes structures de graphite. Cela rend nécessaire la détermination de la vitesse des ondes ultrasonores pour chaque mesure d'épaisseur. De plus pour déterminer l'épaisseur de la pièce avec un seul traducteur, les ondes ultra-sonores doivent se déplacer suivant un trajet normal à la surface extérieure 7a d'oû le choix des ondes ultra-sonores longitudinales et le dispositif selon l'invention. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : le tuyau 4a est approché sans venir au contact du moyen d'alimentation 42 donc du traducteur 3. Il écarte les patins 46a et 46b qui restent chacun à la même distance d'un axe 54 prolongeant le traducteur 3. En effet les patins 46a et 46b sont liés par l'intermédiaire des bras 44a et 44b aux secteurs dentés 45. Les secteurs dentés 45 étant de même pas et de même diamètre entraînent une rotation de chaque bras suivant un angle a identique. La rotation du bras 44b entraîne la rotation de l'excroissance 48 qui vient en butée sur un élément 55 lié au moyen d'alimentation 42 ce qui bloque le mouvement de rotation du bras 44b, donc du bras 44a également, les angles a restant identiques. Ainsi le compas 43 est à son ouverture maximum et le tuyau 4a est maintenu centré.Les deux bras sont maintenus proches l'un de l'autre par un ressort 56, fixé sur le bras à proximité des patins (46a, 46b). Le traducteur 3 émet une onde ultrasonore. Le moyen 42 d'alimentation en eau 57 déverse une colonne d'eau 57 jusqu'au tuyau 4a. L'onde ultra-sonore se déplace suivant l'axe 54 normal à la surface externe 7a de l'élément qui est un tuyau 4a. Après avoir traversé la colonne d'eau l'onde ultrasonore traverse le surface extérieure 7a du tuyau 4a en formant un écho d'interface. Elle est réfléchie par la surface de fond 5a en formant un écho d'épaisseur ou de fond se propageant jusqu'au traducteur 3. Le dispositif de mesure (Fig. 1) acquiert le signal ultra-sonore par l'intermédiaire d'un dispositif de numérisation rapide, ce qui permet après traitement par le procédé selon l'invention d'en tirer les informations indiquant l'intervalle de temps entre les différents échos d'épaisseur, la vitesse des ondes ultrasonores dans la fonte et l'épaisseur du tuyau 4a. Le dispositif selon l'invention permet de déterminer le type de graphitisation d'une fonte et l'épaisseur d'une pièce en fonte. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure par ultra-sons de l'épaisseur entre deux surfaces d'un élément (4, 4a) en matériau à structure interne hétérogène, caractérisé en ce qu'il consiste en a)une mesure de temps entre échos comprenant - un test (20) constatant la présence d'échos - une acquisition de la représentation des échos sous forme d'un signal - une détermination (21) du rapport signal sur bruit - une détection (22) de la position et de l'amplitude des échos - une étape éventuelle d'analyse des échos suivie d'une élimination des échos parasites (36) - une déduction (24) du temps mis par l'onde ultra sonore pour traverser l'élément, en fonction du signal recueilli - une étape (25) de mesure des intervalles de temps entre échos b)une mesure de vitesse de l'onde ultra-sonore correspondant à chaque mesure de temps comprenant - une pondération (26) du premier écho d'épaisseur - une détermination (28) des coefficients d'un filtre (H) dont l'entrée est un bruit blanc et la sortie le premier écho d'épaisseur pondéré - une détermination (29) de la réponse du filtre (H) en fonction des fréquences demandées - une détermination (30) de la position du pic maximum (40) et de la bande passante (41) du filtre - une corrélation entre les caractéristiques dudit filtre (H) et la vitesse de l'onde ultra-sonore dans l'élément. c)une analyse du signal en fonction du temps et de la vitesse de façon à déterminer la distance entre deux surfaces (5, 5a, 7, 7a) délimitant l'élément (4, 4a) en matériau à structure interne hétérogène. 2.- Dispositif de mesure par ultra-sons d'élément (47) en matériau à structure interne hétérogène permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, ledit dispositif du type comportant un moyen (1) d'émission d'impulsions électriques relié à au moins un traducteur (3) transformant les impulsions électriques en ondes ultrasonores, ledit dispositif comportant un moyen (42) d'alimentation en fluide couplant les ondes ultra-sonores à l'élément (47) en matériau à structure interne hétérogène, caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen de positionnement géométrique angulaire du traducteur permettant de maintenir ledit traducteur (3) normal à la surface externe (48) de l'élément à structure hétérogène. 3.- Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen de positionnement géométrique angulaire est un compas (43) comportant au moins deux bras (44a, 44b) respectivement reliés à l'élément (47) à structure interne hétérogène au moyen d'un patin (46a, 46b) et entre eux par un moyen de déplacement par rapport à la normale de la surface de l'élément à structure interne variable, à vitesse identique pour chaque bras. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement par rapport à la normale de la surface de l'élément à structure interne variable, à vitesse identique pour chaque bras, consiste en au moins un secteur denté (45) monté sur chaque bras, les secteurs dentés étant de diamètre et de pas identiques. 5.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement par rapport à la normale de la surface de l'élément à structure interne variable, à vitesse identique pour chaque bras, consiste en une tige filetée à pas égal et inversé à chacune de ses extrémités, chacune desdites extrémités coopérant avec un bras du compas. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait qu'un moyen de pression et/ou de traction est appliqué à au moins un bras entre le moyen de déplacement et le patin dudit bras. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le moyen de pression est un ressort (56) ou un vérin. 8.- Dispositif selon une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que le fluide (57) couplant les ondes ultra-sonores est de l'eau. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait qu'un élément d'arrêt (48) est monté sur le moyen (43) de positionnement angulaire, ladite butée étant apte à éviter le contact entre l'élément en matériau à structure variable et le moyen d'alimentation en fluide ou le transducteur. 10.- Utilisation d'un dispositif conforme à l'une des revendications 2 à 9 pour la mesure d'épaisseur de pièces en fonte et/ou la détermination de la structure du graphite de ladite fonte.