Brevet FR2771502A1 — publié le 19990528

PROCEDE DE MESURE PAR ULTRASONS DE LA POSITION RELATIVE DE DEUX PIECES IMMERGEES RAPPROCHEES DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le contrôle ou la mesure de la position relative de deux pièces rapprochées et immergées. Elle concerne également les techniques de mesure par ultrasons. L'invention trouve son application dans le contrôle de structures immergées, notamment le contrôle du positionnement de deux plaques, fixées l'une à l'autre et dont le jeu ou décalage relatif peut évoluer au cours du temps. Art antérieur et problème posé Il est connu d'utiliser des systèmes de mesure, tels que des transducteurs, ou des capteurs, à ultrasons pour évaluer la position d'une pièce par rapport à une autre, ces deux pièces étant immergées. Ce type de technique est illustré par les deux documents suivants. Le document de brevet français FR-A-2 583 179 décrit un dispositif de positionnement précis de deux axes géométriques relatifs à deux pièces à positionner l'une par rapport à l'autre, ces deux pièces étant immergées. On utilise au moins deux transducteurs, ou capteurs, placés à la périphérie des deux pièces à positionner l'une par rapport à l'autre. Il s'agit, en général, de pièces cylindriques, telles que des canalisations à joindre. On s'attache donc, dans cette technique, à rechercher la coaxialité de deux pièces tubulaires à assembler. Ce document ne fait pas état d'une quelconque mesure d'intervalle entre ces deux pièces, ou d'espace résiduel, entre celles-ci. De plus, par le document de brevet européen EP-A-0 358 496, il est connu de mesurer la position de deux surfaces latérales d'une roue. Dans ce dispositif, on utilise deux capteurs à ultrasons placés sur un balancier, à proximité de la roue à mesurer et en regard de celle-ci. Ce dispositif n'est pas adapté pour évaluer la position relative d'une pièce par rapport à une autre, c'est-à-dire d'un éventuel interstice existant entre ces deux pièces. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients, afin de permettre le contrôle de différentes plaques ou éléments d'une structure immergée. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est donc un procédé de mesure de la position relative de deux pièces immergées et rapprochées, définissant, par l'extrémité d'une surface accessible de chacune d'entre elles, un espace, le procédé consistant à - effectuer un balayage continu d'une pièce à l'autre, en allant d'une surface accessible à l'autre de chaque pièce avec un faisceau ultrasonore placé sensiblement parallèlement audit espace - détecter le signal retour du faisceau ultrasonore - déterminer pour chaque baisse du signal de retour, à un seuil déterminé du signal retour, la fin de la surface accessible balayée de la première pièce ; et - déterminer pour chaque hausse du signal retour, à un seuil de hausse déterminé du signal retour, le début de la surface accessible de la deuxième pièce. Lorsqu'on cherche à mesurer également un décalage entre deux pièces, on procède en mode écho avec le signal retour, l'axe du faisceau ultrasonore étant perpendiculaire à la surface accessible d'une des deux pièces décalées. Dans l'application du procédé de mesure à l'orientation d'une pièce par rapport à l'autre, le faisceau ultrasonore est perpendiculaire à la surface de la première pièce. On procède alors en mode écho par un balayage de la surface accessible de la deuxième pièce en mesurant l'évolution de la distance de cette surface accessible de la deuxième pièce par rapport au plan de la surface accessible de la deuxième des deux pièces. Dans ce cas, on peut déduire l'orientation de la deuxième pièce avec le rapport de la différence de distance mesurée aux deux extrémités de la distance parcourue sur cette même distance parcourue. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de quelques figures représentant respectivement figure 1, le procédé de mesure dans son premier mode de réalisation, accompagné d'une courbe explicative figure 2, le procédé selon l'invention, dans son application à la mesure d'un premier type d'espace évolutif entre deux pièces figure 3, le procédé selon l'invention, dans son application supplémentaire à un décalage évolutif faible entre deux pièces figure 4, le procédé selon 11 invention dans son application à la détection d'un espace parallèle entre deux pièces figure 5, le procédé selon l'invention, dans son application à la détection d'un même espace et d'un décalage entre deux pièces figure 6, le procédé selon l'invention, dans son application à la détection d'un premier défaut d'orientation faible d'une pièce par rapport à l'autre ; et figure 7, le procédé selon l'invention dans son application à la détection d'un deuxième défaut d'orientation faible d'une pièce par rapport à 1 'autre. Description détaillée de l'invention Dans la partie inférieure de la figure 1, on peut distinguer deux pièces 10 et 11, positionnées de façon rapprochées l'une par rapport à l'autre. La disposition fixe de ces deux pièces immergées 10 et 11 l'une par rapport à l'autre est dû au fait qu'elles sont, en général, fixées l'une à l'autre, appartenant toutes deux à une même structure. Néanmoins, un intervalle 14 subsiste entre ces deux pièces 10 et 11. Compte tenu du fait que ces deux pièces 10 et 11 sont ici de forme parallélépipédique et que leurs surfaces en regard, à savoir une surface 10S de la première pièce 10 et une surface correspondante de la deuxième pièce 11 (non référencée) sont parallèles l'une par rapport à l'autre. L'espace 14 est de largeur constante. Dans le cadre de la vérification de la position relative de ces deux pièces 10 et il, qui sont immergées, on utilise un appareil de mesure ultrasonore 13 qui émet, via un traducteur, un faisceau d'ondes ultrasonores 12, en direction des deux pièces 10 et 11. Un tel appareil est à la fois émetteur du faisceau d'ondes ultrasonores 12 et récepteur du signal écho, qui est retourné par les pièces 10 et 11. Cette figure 1 schématise un premier type de mesure possible, au moyen du procédé de mesure selon l'invention. Il consiste à mesurer la présence et la largeur de l'espace 14 séparant les deux pièces immergées 10 et 11. Le principe de ce premier type de mesure est le suivant. Le traducteur ultrasonore de l'appareil de mesure 13 est placé de façon à avoir son axe longitudinal, à savoir l'axe du faisceau ultrasonore 12, perpendiculaire aux faces accessibles 10A et llA, des deux pièces 10 et 11. En fait, l'important est que l'axe du faisceau ultrasonore 12 soit sensiblement parallèle à l'espace 14, de façon à le pénétrer au maximum. On lui fait effectuer un balayage, symbolisé par les deux flèches 15, perpendiculairement à l'espace 14 séparant ces deux pièces 10 et 11. Lorsque le faisceau ultrasonore 12 se trouve en regard de l'une des deux surfaces accessibles 10A et llA, et suffisamment éloigné de l'espace 14, le signal écho du faisceau ultrasonore 12 a une valeur constante Sc. A cet effet, la partie supérieure de la figure 1 montre une courbe C, représentant le signal écho et tracée en correspondance avec l'opération de mesure représentée dans la partie inférieure de cette même figure 1. On constate donc que cette courbe C est constante à la valeur Sc, représentant le signal écho du faisceau ultrasonore 12. Par contre, quand le faisceau ultrasonore 12 se trouve en partie, ou entièrement, dans l'espace 14, comme le schématise la tâche grise 16, on observe une baisse très sensible de l'amplitude du signal écho schématisée par la baisse subite de la courbe C au-delà d'un seuil de baisse Sa. En effet, si l'espace 14 est large et continu sur toute la largeur des pièces 10 et 11 dans la direction du faisceau, on peut même imaginer que le signal écho du faisceau ultrasonore 12 soit nul et que la courbe C atteigne la valeur 0 en abscisse. Par contre, lorsque le diamètre du faisceau ultrasonore 12 est plus important que la largeur de l'espace 14, comme le représente la tâche grise 16 sur la figure 1, on constate que, même si l'espace 14 est débouchant des deux côtés, une partie des ondes ultrasonores du faisceau 12 revient en signal écho. La courbe C représente ce cas de figure. En d'autres termes, le signal écho baisse jusqu'au seuil de baisse Sa, qui n'atteint pas la valeur 0. On détermine donc par étalonnage un seuil Sg du signal écho, inférieur à la valeur constante Sc, en dessous duquel on décide que le signal écho est partiellement ou pas du tout réfléchi par la pièce. On en déduit que la surface balayée par le faisceau ultrasonore 12 est alors terminée. Ainsi, même si l'espace 14 est de taille relativement restreinte et que le faisceau ultrasonore 12 a un diamètre relativement important, on choisira un seuil de baisse déterminé Sg pour que la différence entre la valeur constante Sc et ce seuil de baisse S3 du signal écho du faisceau ultrasonore 12 soit significative de l'existence d'un intervalle d'un espace, ou d'une fente. Ainsi, on peut choisir, par exemple, un seuil de baisse déterminé Sg pour que la chute du signal écho soit comprise entre -6 et -12 décibels (db) du signal constant Sc du signal écho. De même, on détermine un seuil de hausse SH déterminant le début d'une autre surface. Ce dernier peut être le même que le seuil de baisse Sa, comme c'est le cas illustré à la figure 1. Le seuil Sg est déterminé à l'aide d'un bloc d'étalonnage constitué, par exemple, de plusieurs fentes de largeurs différentes, couvrant la gamme de jeu à mesurer, ou d'un bloc d'étalonnage plan dans lequel est taillé un triangle dont l'ouverture couvre la gamme des jeux à mesurer. Dans ce dernier cas, la variation des jeux est continue et doit être repérée, par exemple à l'aide d'une échelle gravée. La figure 2 représente un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention à utiliser avec un premier cas de figure, concernant la disposition de deux pièces. Ces dernières, référencées respectivement 20 et 21, sont placées l'une à côté de l'autre, décalées angulairement d'un angle O autour d'un axe parallèle au faisceau 22, un espace 24 subsistant entre elles, notamment du côté gauche de la figure, puisque les deux pièces sont en contact du côté droit. En d'autres termes, l'espace 24 est une fente progressive dont la largeur va en augmentant lorsque l'on s'écarte sur la gauche. Dans le but de mesurer cet espace 24, le traducteur 23, émetteur du faisceau ultrasonore 22, est placé en regard de ces deux pièces 20 et 21, le faisceau ultrasonore 22 étant perpendiculaire aux deux surfaces accessibles 20A et 21A des deux pièces 20 et 21. La courbe 29 montre la forme que peut avoir le balayage du faisceau ultrasonore 22 sur ces deux pièces 20 et 21. On constate que ce balayage peut donc prendre la forme d'un balayage incrémenté par créneau, passant en alternance d'une surface accessible 20A ou 21A d'une pièce respectivement 20 ou 21, à l'autre surface accessible 21A ou 20A. Ainsi, toute la longueur des pièces 20 et 21 est balayée, de manière à couvrir toute la longueur de l'espace 24. On signale qu'un matériel du type TOMOSCAN peut permettre d'effectuer un tel balayage. Un tel matériel s'utilise avec un robot à trois axes de déplacement. Le traducteur ultrasonore est focalisé, génère des ondes longitudinales, à 0" à une fréquence de 12 Mhz et est d'un diamètre environ égal à 6,2 mm ; le diamètre de la tache focale de celui-ci étant de 0,5 à 0,6 mm. Il est ainsi possible, au moyen du seuil de baisse S3 et du seuil de hausse SH déterminés comme on l'a décrit précédemment, de constater la limite des surfaces accessibles 20A et 21A, et donc de mesurer les différentes largeurs de l'espace 24. La figure 3 montre un deuxième cas permettant d'utiliser le procédé selon l'invention d'une manière différente supplémentaire. Dans ce cas ci, les deux pièces 30 et 31 sont en contact l'une avec l'autre, leurs surfaces accessibles respectives 30A et 31A étant décalées angulairement d'un angle a autour d'un axe perpendiculaire au faisceau 32 émis par le traducteur 33. Dans ce cas, on cherche donc à déterminer ce décalage angulaire a. Dans ce type de mesure, on utilise le retour du faisceau ultrasonore 32 en mode dit "écho". En effet, le décalage des deux pièces 30 et 31 étant dans un plan parallèle au faisceau ultrasonore 32, le temps de parcours ultrasonore peut être utilisé pour les mesures dans ce plan. Le balayage alors utilisé est schématisé par la courbe 39 qui décrit une série de segments de droites parallèles étant à cheval chacun sur chacune des surfaces accessibles 30A et 31A des deux pièces 30 et 31. On balaye ainsi toute la longueur de ces deux pièces 30 et 31, et ainsi toute la longueur du décalage, plus ou moins important selon que l'on se trouve d'un côté ou de l'autre de chacune des pièces. La figure 4 schématise un cas particulier de positionnement des deux pièces immergées 40 et 41. Ces dernières étant parallélépipédiques, la disposition représentée ici fait que la fente, ou l'espace 44 est de largeur constante. En d'autres termes, les surfaces en regard 40S et 41S des pièces 40 et 41 sont parallèles l'une par rapport à l'autre. Le traducteur 43 est placé en regard de l'espace 44 et le faisceau ultrasonore 42 est envoyé perpendiculairement aux deux surfaces accessibles 40A et 41A. Le balayage utilisé peut être celui décrit par la courbe 29 de la figure 2. Néanmoins, dès l'instant que l'on a pris connaissance du parallélisme des deux surfaces 40S et 41S délimitant l'espace 44, un seul balayage schématisé par la figure 1 permet de déterminer la largeur de cet espace 44. La figure 5 présente un cas proche de celui représenté à la figure 4, un décalage D existant en plus de l'espace 54 entre les deux pièces 50 et 51. Les deux surfaces en regard 50S et 51S sont toujours parallèles entre elles. Dans ce cas, plusieurs possibilités de mise en oeuvre du procédé sont possibles, à savoir les balayages, à la fois sur l'espace 54, en utilisant les valeurs de seuil de baisse Sa des variations d'amplitude du signal retour du faisceau ultrasonore et sur le décalage D, en utilisant temps de parcours du mode écho. La figure 6 montre un cas de figure, où l'espace 64 se trouve du côté accessible, c'est-à-dire des surfaces accessibles 60A et 61A des deux pièces 60 et 61 en regard desquelles le traducteur 63 de l'appareil de mesure peut être placé. On peut meme envisager que l'espace 64 soit complètement fermé sur un côté et que les deux pièces 60 et 61 soient en contact sur ou avec l'arête de l'une d'entre elles. En l'occurrence, l'arête 67 de la première pièce 60. Le traducteur 62 est placé perpendiculairement à l'une des faces accessibles, en l'occurrence la surface accessible 61A de la deuxième pièce 61 pour que le faisceau 62 pénètre dans l'espace 64, lors d'un balayage du traducteur 63, le long des deux surfaces accessibles 60A et 61A des pièces 60 et 61. Le premier mode d'utilisation du procédé est utilisé pour mesurer la largeur de l'espace 64 et le deuxième mode, à savoir du type signal écho, est utilisé pour mesurer la distance séparant le traducteur 63 de la surface accessible 60A de la pièce 60 qui se trouve décalée d'un angle y par rapport à la surface accessible 61A de la deuxième pièce 61. Dans ce cas, le balayage se fait sur une partie de la surface accessible 61A de la deuxième pièce 61 et sur toute la longueur de la surface accessible 60A de la première pièce 60. Si d est la distance de décalage entre le plan de la surface accessible 61A de la deuxième pièce 61 et la surface accessible 60A de la première pièce 60 et x la distance du décalage d par rapport au début de la surface accessible 60A de la première pièce 60, il est facile de calculer l'angle 5 ! avec la formule d/x = tangente y. De même, en référence à la figure 7, un meme décalage de la première pièce 70 par rapport à la deuxième pièce 71 peut être mesuré à l'aide du traducteur 73, émettant un faisceau ultrasonore 72 placé perpendiculairement à une surface accessible, en l'occurrence la surface accessible 71A de la deuxième pièce 71. Ainsi, l'angle 6 que fait la surface accessible 70A de la première pièce 70 par rapport à la surface accessible 71A de la deuxième pièce 71 peut être mesuré selon le même principe que celui décrit en rapport à la figure 6. Dans ce cas, on comprend qu'il est possible de mesurer l'existence d'une fissure, c'est-à-dire d'un espace 74 existant entre les deux pièces 70, 71, bien que cette fissure ou cet espace 74 ne soit pas accessible par l'instrument de mesure, comme le traducteur 73. De manière générale, le procédé selon l'invention permet d'évaluer le jeu interne existant entre deux plaques immergées, qui ne sont accessibles que par un côté, ou une face de ces deux plaques. Concernant le traducteur, on constate qu'un faisceau de diamètre X, à un point focal déterminé, est capable de mesurer un jeu égal à X/5. Le procédé permet d'utiliser plusieurs types de balayage, un balayage unidirectionnel (voir figure 1), ou un balayage bidirectionnel incrémenté (voir les figures 2 et 3). Le traducteur utilisé permet d'atteindre une résolution de l'ordre de 0,1 mm pour un diamètre de faisceau ultrasonore cinq fois plus grand. Ainsi, il est possible de mesurer un jeu perpendiculaire à un autre jeu (figure 5) avec une précision équivalente en utilisant les deux modes de mesure du faisceau ultrasonore. il est également possible de mesurer le défaut de perpendicularité des deux plaques l'une par rapport à l'autre (voir figures 6 et 7). il est également possible de déduire de cette dernière mesure un jeu non accessible existant entre les deux plaques (figure 7). Il est également possible d'utiliser de nombreuses méthodes de visualisation des jeux mesurés, notamment des visualisations en trois dimensions, lorsque le balayage est bidirectionnel. Enfin, il est également possible d'effectuer des enregistrements d'examens automatiques, analogiques, ou numériques, sur supports magnétiques et des images de tous types sous forme de fichiers graphiques. Ces possibilités sont offertes par un dispositif de mesure ultrasonore du type TOMOSCAN qui permet le balayage automatique des pièces examinées, ou un autre appareil équivalent. On note qu'il est possible d'utiliser un procédé d'étalonnage simple pouvant être mis en oeuvre à tout moment d'une quelconque inspection dans un milieu aquatique pour contrôler des pièces immergées. Un bloc d'étalonnage peut très bien être installé sur le porteur du traducteur de mesure ou posé sur le fond de la piscine, ou du volume d'eau. Il a également été vérifié que le signal du traducteur utilisé est peu affecté par la longueur de câbles de liaison de l'appareil ultrasonore jusqu'à 25 m. On signale également qu'il est possible de monter en parallèle, sur l'axe de balayage, plusieurs traducteurs identiques, ou de résolutions différentes, pour affiner, ou confirmer les résultats des mesures. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la position relative de deux pièces immergées rapprochées, définissant, par l'extrémité d'une surface accessible de chacune d'entre elles, un espace, le procédé consistant à - effectuer un balayage continu d'une pièce à l'autre, en allant d'une surface accessible à l'autre de chaque pièce avec un faisceau ultrasonore placé sensiblement parallèlement audit espace - détecter le signal retour du faisceau ultrasonore - déterminer pour chaque baisse du signal de retour, à un seuil (Sa) déterminé du signal retour, la fin de la surface accessible balayée (10A) de la première pièce ; et - déterminer pour chaque hausse du signal retour, à un seuil de hausse (SH) déterminé du signal retour, le début de la surface accessible (1 lA, 21A, 41A, 61A) de la deuxième pièce (11, 21, 41, 51, 61). 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, dans l'application à la mesure supplémentaire d'un décalage (D) entre les deux surfaces accessibles, caractérisé en ce qu'on procède également en mode écho avec le signal retour du faisceau ultrasonore (32, 62, 72) qui est placé perpendiculaire à au moins une des deux surfaces décalées accessibles. 3. Procédé de mesure selon la revendication 2, dans l'application à l'orientation d'une pièce par rapport à l'autre, caractérisé en ce que le faisceau ultrasonore (32, 62, 72) est perpendiculaire à la surface accessible (31A, 61A et 71A) d'une des deux pièces (31, 61, 71), et en ce qu'on procède en mode écho par un balayage de la surface accessible (30A, 60A, 70A) de l'autre des deux pièces (30, 60, 70) et en mesurant l'évolution de la distance du décalage (d) de cette surface par rapport au plan de la surface accessible (31A, 61A, 71A) perpendiculaire au faisceau (32, 62, 72). 4. Procédé de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à déduire l'orientation de deux pièces l'une par rapport à l'autre avec le rapport de la différence de la distance (d) du décalage mesurée aux deux extrémités d'une des deux surfaces accessibles (30A, 60A, 70A) parcourue, sur la distance (x) de ce balayage ainsi parcourue.