Brevet FR2861457A1 — publié le 20050429

La présente invention concerne un système de contrôle non destructif de l'état des grandes structures industrielles telles que les navires, les pipe-lines, les cuves de stockage. Le contrôle non destructif est traditionnellement effectué par un opérateur, qui applique manuellement sur ou à proximité de la surface de la structure à contrôler une sonde de mesure. Cette sonde émet des impulsions acoustiques ultrasonores ou électromagnétiques, qui se propagent dans la matière de la structure et y sont partiellement réfléchies par les fractures, les soudures, les chancres de corrosion, les parois, les inhomogénéités. La sonde reçoit ces signaux réfléchis et les convertit en signaux électriques qui sont affichés par un dispositif électronique. L'opérateur exploite ces affichages pour mesurer par exemple l'épaisseur de la matière au point où il a posé sa sonde. Or, les moyens actuels sont inadaptés à l'exploration systématique des surfaces de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de mètres carrés des grandes structures industrielles comme par exemple les coques des navires. En effet, l'opérateur fait aujourd'hui des mesures ponctuelles, au voisinage du point où il pose sa sonde, dont la surface est de quelques millimètres à quelques centimètres carrés. Pour réaliser le contrôle exhaustif de très grandes structures à un pas d'échantillonnage régulier de quelques centimètres par quelques centimètres, il lui faudrait déplacer la sonde plusieurs millions de fois, ce qui est impossible. Les contrôles actuels sont donc très lacunaires: de grandes surfaces restent inexplorées et l'on prend un risque statistique en faisant l'hypothèse qu'entre deux points de mesure espacés, la structure ne présente aucun défaut. Par ailleurs le travail de l'opérateur est pénible parce qu'il doit souvent travailler en altitude sur un échafaudage, ou suspendu par des cordes en l'air, ou en plongée sous la coque d'un navire, et les appareils de mesure actuels ne lui facilitent pas ce travail: il lui faut maintenir en position la sonde tout en réglant et en surveillant l'afficheur de l'appareil. Cet effort doit être répété pour un grand nombre de points à mesurer. Les contrôles avec les moyens actuels sont donc longs et difficiles. En outre, selon la technique actuelle les points de mesure sont mal repérés dans l'espace: les opérateurs marquent par exemple à la craie les points où ils appliquent la sonde et prennent une photographie des ces repères. Or, ces photographies ne suffisent pas pour tracer une carte de la structure: elles visualisent la position approximative des endroits où ont été réalisés les mesures mais ne permettent pas de quantifier leurs positions exactes dans l'espace. Pour automatiser les contrôles, des appareils robotiques ont été imaginés, comportant un bras manipulateur déplaçant automatiquement la sonde de mesure. Mais ces systèmes se caractérisent par le fait qu'ils se guident sur des rails ou sur des points d'appuis. Lorsque le bras manipulateur a fini de déplacer la sonde sur tout l'espace qu'il peut mécaniquement atteindre, il est nécessaire de déplacer son rail de guidage ou son point d'appui pour pouvoir couvrir une autre zone. Ces dispositifs ne sont donc pas autonomes et le déplacement répété du point ou du rail d'appui représente une contrainte handicapante lorsque la surface à contrôler est très importante. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de contrôle non destructif des grandes structures industrielles comme par exemple les navires, permettant d'en relever les mesures à un pas d'échantillonnage régulier centimétrique sur toutes ses surfaces même lorsque ces dernières sont très vastes: plusieurs dizaines à plusieurs milliers de mètres carrés. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle non destructif de structures composé d'une antenne comportant un ou plusieurs capteurs de contrôle non destructif, par exemple des sondes ultrasonores ou à courants de Foucault et d'un robot mobile pouvant déplacer cette antenne sur les parois desdites structures. L'antenne et le robot comportent des moyens d'adhérer à la structure, des moyens de glisser ou de rouler sur celle ci, des moyens d'être positionnés dans l'espace, des moyens électroniques de calcul et d'interface avec les capteurs de l'antenne capables de prendre des mesures sur la structure, des moyens de communication permettant de transmettre ces mesures et de recevoir des commandes d'un calculateur distant. De préférence, l'antenne est composée d'un support en matériau léger et flexible pouvant épouser les formes de la structure, par exemple un tapis de mousse plastique ou un ensemble de lames souples, support sur lequel sont fixés les capteurs. De préférence, cette antenne comprend des aimants ou roues aimantées qui la retiennent plaquée à la structure si celle-ci peut être attirée par un aimant comme l'acier des coques de navires, ou par une jupe périphérique et un dispositif de succion aspirant l'air entre l'antenne et la structure dans les autres cas. Dans le cas particulier de l'emploi de palpeurs de contrôle non destructif par ultrasons, par exemple des palpeurs d'épaisseur selon l'état de l'art, une disposition préférée des aimants consistera à fabriquer les boîtiers desdits palpeurs en matériau aimanté. Cette disposition présente l'avantage que ces palpeurs se plaquent spontanément par leur aimantation en appui sur la structure, la force magnétique remplaçant l'effort d'application de l'opérateur. De préférence, l'antenne est munie de patins lui permettant de glisser sur la surface de la structure. Dans le cas particulier de l'emploi de palpeurs de contrôle non destructif par ultrasons, par exemple des palpeurs d'épaisseur selon l'état de l'art, ces patins seront préférentiellement fixés sous le boîtier aimanté des palpeurs de manière à ce que lesdits boîtiers, tout en étant retenus à la structure par leur aimantation, puissent glisser sur leurs patins sur la surface de la structure à contrôler. Dans ce cas particulier de l'emploi de palpeurs de contrôle non destructif par ultrasons, lesdits patins comporteront un trou situé devant la face parlante du palpeur, dans lequel sera réalisée une injection d'eau, permettant aux ondes ultrasonores de se propager entre la face parlante du palpeur et la structure. Les patins seront alors avantageusement constitués d'une matière suffisamment souple, par exemple un feutre, pour être partiellement écrasés par la force magnétique plaquant le boîtier sur la structure à contrôler, et jouer ainsi un rôle de joint retenant l'eau injectée entre le palpeur et la surface de la structure à contrôler. De préférence, l'antenne est déplacée sur la surface de la structure au moyen d'un robot roulant ou marchant et capable d'adhérer à cette dernière au moyen d'aimants, de roues aimantées ou de ventouses pneumatiques. Dans une version simplifiée de l'invention, l'antenne pourra être déplacée sur la structure par la main de l'opérateur. L'antenne comprend préférentiellement un alignement 5 d'une dizaine à une centaine de capteurs espacés entre eux de 1 à 10 centimètres. Ces capteurs sont préférentiellement des palpeurs de contrôle non destructif par ultrasons selon l'état de l'art permettant la mesure de l'épaisseur de la matière ou le contrôle de soudures au voisinage du palpeur, ou des sondes à courants de Foucault. Dans le cas d'emploi de l'invention sur les coques de navires, ces palpeurs mesureront par exemple l'épaisseur des tôles constituant la coque du navire. L'antenne et le robot emportent l'électronique d'interface des capteurs et un calculateur de gestion du dispositif. Ce calculateur réalise les mesures et les transmet à un calculateur distant via des moyens de communication préférentiellement de type modem radio. Il reçoit de ce calculateur distant des ordres de contrôle et assure le positionnement et le pilotage de l'ensemble robot et antenne sur la surface de la structure. La méthode de mesure employant le dispositif selon l'invention consiste à déplacer l'antenne sur toute la surface de la structure à contrôler au moyen du robot, dans la direction orthogonale à sa plus grande longueur, comme un balai. Pendant ce déplacement, en chaque position de l'antenne, les capteurs prennent chacun une mesure au point qu'ils survolent. L'espacement intercapteurs, la vitesse d'avance du robot et la cadence de prise de mesures sont fixés pour que la structure ainsi survolée par l'antenne soit contrôlée à un pas d'échantillonnage précis le long de sa trajectoire. Ce dispositif présente l'avantage de décharger l'opérateur du travail de déplacement de l'appareil de mesure sur la structure, en montant sur un échafaudage ou en l'escaladant avec des cordes, ou en plongée sous marine. Un autre avantage vient de l'exhaustivité du contrôle obtenu par la finesse du pas d'échantillonnage spatial des mesures, préférentiellement de l'ordre du centimètre, et par la possibilité d'exploration systématique de la structure par la trajectoire du robot. De préférence, la position du robot dans l'espace à 3 dimensions est mesurée au moyen d'un appareil connu selon l'état de l'art et commercialisé par exemple chez le constructeur TRIMBLE dont l'adresse est 645 South Mary Avenue; Sunnyvale; CA,USA; 94088 - 3642 sous la désignation française de Station totale robotisée à cible active. Ce type de dispositif, traditionnellement utilisé en topographie, comporte un station de référence fixe posée par exemple sur le sol à une distance de l'ordre de 10 à 100 mètres de la structure à contrôler, et un émetteur optique appelé cible active' que l'on fixe sur le robot. Ladite station de référence se pointe automatiquement en permanence sur l'émetteur fixé sur le robot et en délivre la position géographique tridimensionnelle avec une précision centimétrique à une cadence de l'ordre de la seconde. La position du robot relevée par ces moyens de positionnement pendant ses déplacements sur la structure contrôlée est transmise par la station de référence vers le calculateur distant pour y être enregistrée en même temps que les mesures transmises par le robot, via des moyens de transmission préférentiellement de type modem radio. Le calculateur distant connaît ainsi la position tridimensionnelle du robot et peut donc élaborer et transmettre vers le robot des commandes de déplacement pour guider ce dernier le long d'une trajectoire sur la structure. Dans une variante simplifiée de l'invention, l'antenne aimantée peut être glissée sur ses patins à la surface de la structure à contrôler directement par la main de l'opérateur; dans ce cas, les mesures d'épaisseur seront de préférence affichées directement sur l'antenne au moyen d'un indicateur visuel du type à diodes électroluminescentes ou écran à cristaux liquides. Dans une variante de l'invention destinée à réaliser le contrôle de structures immergées sous l'eau, le robot et l'antenne ont les mêmes caractéristiques, et sont rendus étanches. Le système de positionnement décrit plus haut est dans ce cas remplacé par un système de positionnement acoustique à base longue, courte ou ultracourte et les moyen de communication radio sont remplacés par des moyens de communication filaires ou acoustiques connu selon l'état de l'art. L'injection d'eau décrite n'est pas nécessaire pour cette variante. Le calculateur distant dispose par ces moyens en temps réel de toutes les mesures et des positions où ces dernières ont été relevées sur la structure. Il calcule et représente avantageusement ces données à l'opérateur sous formes de vues ergonomiques. Les types de représentations préférées sont de type A-scan ou réel ou C-scan. Un autre type de représentation préférée dessine la forme mesurée de la structure en 3 dimensions sur l'écran du calculateur, et plaque sur cette forme les mesures qui y sont relevées. Ces représentations peuvent contenir des tracés de lignes de contours isovaleurs, peuvent faire apparaître par un codage en pseudo couleurs les points de mesure anormaux, ou peuvent visualiser des différences constatées avec des relevés de mesure antérieurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée, ci-dessous. Cette description sera faite en regard des dessins 5 annexés illustrant à titre d'exemple non limitatif un dispositif selon l'invention. Ils décrivent un dispositif de contrôle non destructif plus spécifiquement conçu pour mesurer l'épaisseur de la coque d'un navire en acier en tous ses points. - la figure 1 montre une vue d'ensemble du dispositif comprenant une antenne de mesure (1) remorquée par un robot (2) roulant sur la coque du navire (3) et y adhérant au moyen de roues aimantées (4). Ce robot (2) porte un émetteur optique (5) dont la position est mesurée en permanence par une station de positionnement (6) fixée à terre. Le robot (2) transmet les mesures qu'il élabore au moyen des capteurs de l'antenne (1), de circuits d'interface et d'un calculateur embarqué vers un calculateur distant (7) par un modem radio (8). La station fixe de positionnement (6) émet vers le calculateur distant (7) la position mesurée du robot par un modem radio (9). Le calculateur distant (7) émet vers le robot (2) des commandes par le modem radio (8) qui lui permettent de suivre une trajectoire connue sur la coque du navire. - la figure 2 représente une réalisation préférée de l'antenne (1), comprenant un ensemble de lames ressort allongées et souples (10) fixées à une de leurs extrémités au robot et à l'autre extrémité aux palpeurs ultrasonores d'épaisseur (11). L'élasticité des lames souples (10) leur permet de maintenir les palpeurs (11) tout en caressant les contours de la coque pendant le déplacement de l'antenne à sa surface, à la manière de doigts. Une variante de réalisation consiste à remplacer ces doigts souples par une pièce en plastique ou en tissu déformable pouvant glisser sur la coque du navire en en épousant les formes. L'aimantation des boîtiers des palpeurs assure leur adhérence et leur maintien en position à la surface de la structure à contrôler. Des patins (15) fixés sous ces palpeurs (11) leur permettent de glisser sur cette surface. Les palpeurs (11) sont reliés par des câbles électriques (12) aux circuits d'interface (33) du robot (2). - la figure 3 représente une coupe d'une réalisation préférée d'un palpeur ultrasonore d'épaisseur (11). De tels palpeurs sont traditionnellement fabriqués par de nombreux industriels dont par exemple la société IMASONIC S.A. ; 15, rue Alain Savary - 25000 Besançon - FRANCE. Dans une réalisation préférée de l'invention, leur type ne sera pas de type à réseau phasé et leur diamètre est choisi de l'ordre du centimètre. Des variantes pourront comporter des palpeurs ultrasonore de géométries rectangulaire ou circulaires et de dimensions comprises entre 0.5 centimètres et 10 centimètres selon la précision de mesure cherchée et le choix ou non d'utiliser des palpeurs à réseaux phasés. Le nombre des palpeurs est préférentiellement compris entre 8 et 64, ce qui donne à l'antenne une largeur préférentielle comprise entre 20 centimètres et 2 mètres. Un tuyau d'injection d'eau (20) amène un flux d'eau entre la face parlante du palpeur (21) et la surface de la structure à contrôler (3), permettant aux ondes ultrasonores de se propager dans l'espace (23) séparant la face parlante du palpeur (21) et la structure (3). Selon une caractéristique de l'invention, ce flux d'eau est maintenu sous l'antenne au moyen d'un patin de glissement en matière souple (15) assurant à la fois le rôle de joint d'étanchéité maintenant l'eau dans l'espace (23). Un trou (24) est ménagée dans ce patin devant la face parlante (21) du palpeur pour laisser passer les ondes ultrasonores et le flux d'eau entre la face parlante du palpeur (21) et la surface de la structure à contrôler (3). Selon une des caractéristiques de l'invention, le boîtier (25) du palpeur est construit en matériau aimanté, la force magnétique d'aimantation le retenant à la structure. Un trou taraudé (26) permet de fixer le palpeur à la lame souple (10) qui le maintient. Des variantes pourront comporter d'autres moyens de fixation. Les impulsions ultrasonores émises par les palpeurs (11) ont préférentiellement une fréquence centrale F de l'ordre de 5 MHz et une bande passante B de l'ordre de 3 MHz. Pour améliorer la précision de mesure, surtout dans le cas de structures métalliques, il sera dans une variante de l'invention possible d'augmenter cette fréquence centrale F jusqu'à 15 MHz. De même, pour effectuer des mesures dans les matériaux plus absorbants que l'acier comme les plastiques, les composites, le béton, il sera préférable dans une autre variante de l'invention de réduire la fréquence centrale F à des valeurs plus petites, typiquement entre 100 kHz et 1 MHz pour augmenter l'énergie émise et mieux pénétrer ces matériaux absorbants. La largeur de bande relative B/F préférée de l'invention est comprise entre 40% et 60%. la figure 4 montre le robot (2) composé d'un moteur de propulsion (30) de préférence électrique, relié à ses roues aimantées (4) par des moyens de transmission mécanique (32). Ces roues (4) comportent de préférence une partie centrale aimantée (31), créant la force magnétique de plaquage de la roue sur la coque (3), partie centrale sur laquelle est fixé un pneu (34) en matériau polymère souple empêchant le glissement de la roue sur la coque (3). Ce robot comporte préférentiellement des moyens (41) d'orienter ses roues et des étages de transmission différentiels (35) de manière à pouvoir modifier sa trajectoire à la manière d'une voiture automobile. - La figure 5 représente un schéma fonctionnel de l'électronique. Le robot emporte des circuits électroniques d'interface (33) reliés aux capteurs de l'antenne par des câbles (12). Ces circuits d'interface (33), sont composés d'un générateur (34) d'impulsions électriques courtes d'amplitude préférentiellement supérieure à 200 Volts et de durée préférentiellement inférieure à 100 nanosecondes, d'un multiplexeur / démultiplexeur (35) commandé par un circuit d'adressage (36), lui- même commandé par le calculateur du robot (14), envoyant lesdites impulsions courtes séquentiellement vers tous les palpeurs (11) de l'antenne (1) à une vitesse de séquençage de l'ordre de 100 palpeurs par seconde. A un instant donné, un des palpeurs de l'antenne est sélectionné par le circuit d'adressage (36) et reçoit l'impulsion provenant du générateur (34) qui lui est acheminée par le multiplexeur / démultiplexeur (35) qu'il émet dans la structure. Les signaux acoustiques provenant en écho de la structure sont convertis en signaux électriques (40) par ce même palpeur pendant les quelques dizaines à quelques centaines de microsecondes suivant l'instant d'émission, et acheminés en retour par le multiplexeur / démultiplexeur (35) vers un amplificateur (37). Puis le circuit d'adressage (36) fait commuter le multiplexeur / démultiplexeur (35) vers le prochain palpeur de l'antenne. Les signaux (40) sont transformés en signaux numériques par un convertisseur analogique / digital (38) dont ils sortent sous forme d'une suite d'échantillons numériques codés de préférence sur plus de 10 bits et à une fréquence d'échantillonnage de préférence supérieure à 10 méga Hertz. Ces échantillons numériques sortant du convertisseur (38) sont préférentiellement traités numériquement par un circuit numérique dédié de type ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ou PLA (programmable Logic Array) ou DSP (Digital Signal Processor) (39) qui en extrait la valeur de l'épaisseur de la structure au point où était positionné le capteur à l'instant de l'émission. Une variante de l'invention consiste à stocker temporairement les échantillons numériques sortant du convertisseur (38) dans une mémoire (45) puis les faire traiter par le calculateur embarqué du robot (14). La valeur de l'épaisseur une fois calculée par le circuit dédié (39) ou le calculateur (14) est transmise par le calculateur (14) au moyen d'un modem radio (8) vers le calculateur distant (7). Le calculateur du robot (14) reçoit du calculateur distant (7) au moyen dudit modem radio (8) des ordres de pilotage qu'il exécute par exemple en agissant sur ses moyens de propulsion (30) et d'orientation (41). Le robot (2) peut être alimenté en énergie par un câble électrique (42), et en eau pressurisée par un tuyau (43) pour l'alimentation en eau des tuyaux d'injection d'eau (20) des palpeurs. 14 REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle non destructif de structures en particulier de coques de navires utilisant plusieurs capteurs de contrôle non destructif et un robot mobile portant ces capteurs, caractérisé en ce que ces capteurs et ce robot disposent de moyens d'adhérer aux parois desdites structures, de moyens de glisser ou de rouler sur elles sans être guidés mécaniquement par un dispositif fixé à ces parois, de moyens d'être positionnés précisément dans l'espace pendant ces déplacements, de moyens de prendre des mesures sur la structure, et des moyens de communication permettant de transmettre lesdites mesures. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits capteurs sont montés sur un support souple capable de se déformer pendant son déplacement pour d'épouser les formes et rester au contact de la structure. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la force d'adhérence des capteurs et du robot à la structure soit obtenue par aimantation de pièces constitutives desdits capteurs et dudit robot. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la force d'adhérence des capteurs et du robot à la structure soit obtenue par utilisation de ventouses pneumatiques. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens précis 25 de positionnement dans l'espace utilisent au moins un émetteur optique fixé sur le robot. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens précis de positionnement dans l'espace lorsque le robot est employé sous l'eau soient un système de positionnement acoustique. 7. Dispositif selon quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits capteurs 10 sont montés sur des patins glissant sur la structure. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'une cavité soit ménagée dans lesdits patins dans laquelle on injecte de l'eau entre le capteur et la structure. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élaboration des mesures de contrôle non destructif à partir des signaux provenant des capteurs est réalisée en temps réel à bord du robot par un circuit de calcul dédié. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un calculateur distant enregistre et/ou affiche les mesures relevées sur la structure pendant le parcours du robot et simultanément les positions dans l'espace où ces mesures ont été relevées.