INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
On a cherché égaLement La possibiLité de réaLiser un dispositif permettant de détecter des défauts obLiques, présentant un angLe queLconque par rapport à L'axe du tube, avec La même finesse que si ces défauts étaient des défauts Longitudinaux ou transversaux détectés par un dispositif traditionneL de contrôle uLtra-sons.
On a recherché égaLement La possibiLité de réaLiser un procédé permettant La mise en oeuvre de teLs dispositifs dans des conditions assurant Le contrôLe de tubes métalLiques en continu, avec une vitesse de défilement relativement éLevée et avec une grande sécurité de détection de tous les défauts dépassant un seuil déterminé Le dispositif et Le procédé qui font L'objet de L'invention permettent d'obtenir L'ensembLe de ces résuLtats Ce dispositif et ce procédé permettent principaLement La détection des défauts obliques c'est-à-dire des défauts qui présentent un écart anguLaire donné qui peut être pLus ou moins important par rapport à L'axe LongitudinaL de tubes métalLiques, tout en pouvant assurer également la détection des défauts Longitudinaux ou transversaux proprement dits.
D'une façon généraLe Le dispositif et Le procédé suivant L'invention permettent La détection de défauts obLiques, teLs que des fissures ou des repLis, formant des discontinuités dans la paroi d'un tube métaLLique de révolution. Ces défauts peuvent déboucher en surface ou non.
Le dispositif suivant L'invention comporte des moyens connus permettant d'assurer un défilement reLatif du tube métaLLique Le Long de son axe, ainsi qu'une rotation relative simultanée de ce tube autour de cet axe par rapport aux moyens de détection.
SeLon L'invention ces moyens de détection comportent au moins un groupe d'au moins deux transducteurs, munis chacun d'un composant piézoéLectrique, -capable de produire un faisceau d'uLtra-sons à une fréquence déterminée, aLlant par exemple de 1 à 25 mégahertz ou plus particulièrement de 5 à 15 mégahertz, quand iL est excité par une impuLsion brève ou, réciproquement, de produire un signal éLectrique quand il est excité par un teL faisceau d'ultra-sons. Toujours selon L'invention Les transducteurs de ce groupe d'au moins deux sont disposés côte à côte suivant L'axe de défilement du tube, au voisinage de la surface extérieure de La paroi de ceLui-ci. De pLus Les transducteurs du groupe suivant L'invention sont disposés de façon sensibLement paralLèle c'est-à-dire avec Les surfaces de Leurs deux composants pièzoélectriques sensibLement paraL-lèLes, lesdits transducteurs étant orientés en direction de La paroi du tube, un seul fonctionnant en émetteur-récepteur et au moins un autre fonctionnant seulement en récepteur.Le transducteur emetteur-récepteur, qui émet un faisceau d'ultra-sons qui correspond à L'orientation moyenne de ce faisceau, est orienté en direction de La paroi du tube afin que Le faisceau émis atteigne le tube en formant un angle bien déterminé, dans Le pLan perpendicuLaire au défaut obLique recherché, par rapport à une direction radiaLe au point de pénétration du faisceau émis dans Le tube Cette orientation est définie pour que Le faisceau réfracté puisse effectuer un parcours à l'intérieur de la paroi du tube métaLLique susceptibLe d'atteindre un défaut oblique de la même manière qu'un faisceau réfracté atteindrait un défaut longitudinaL dans Le cas du contrôle de défauts Longitudinaux.Lorsque ce faisceau d'ultra-sons atteint un défaut obLique formant une discontinuité orientée de façon sensibLement perpendiculaire à L'axe du faisceau, iL- y a réfLexion de ceLui-ci. Le faisceau réfLéchi est ainsi renvoyé, de façon connue sur le composant piezoelectrique du premier transducteur émetteur-récepteur qui transforme le signal-écho ainsi reçu en un signaL électrique dont des moyens éLectroniques de traitement mesurent l'ampLitude Le deuxième transducteur, seulement récepteur, reçoit également une fraction de ce faisceau réfLéchi.Cette déviation au moins partieLLe de ce faisceau réfléchi peut être due à une Légère désorientation du défaut en direction de ce deuxième transducteur ou à L'ouverture anguLaire du faisceau incident provenant du transducteurémetteur, ou encore par exemple à La configuration du défaut. Le fait que Les composants piézoéLectriques des transducteurs du groupe suivant l'invention soient placés côte à côte Limite les pertes d'énergie réfLéchie. Les moyens électroniques de traitement des signaux-échos reçus sont reLiés au premier transducteur émetteur-récepteur et au deuxième transducteur seulement récepteur et permettent de mesurer L'ampLitude du signal-écho reçu par celui-ci et aussi si nécessaire d'effectuer la sommation des amplitudes des signaux-écho reçus par les deux transducteurs.
En pratique, L'axe d'émission moyen du transducteur émetteur-récepteur est orienté en direction de la paroi du tube contrôlé de façon teLle que L'angle d'orientation (a T) que fait cet axe d'émission avec un pLan perpendiculaire à L'axe du tube et l'angLe d'inclinaison (a L) que fait La projection parallèLement à L'axe du tube de L'axe d 'émission passant par le point de pénétration dans le tube du faisceau émis sur le plan perpendiculaire à L'axe du tube passant par ledit point de pénétration du faisceau avec le proLongement du rayon situé dans ce plan et passant par le même point de pénétration du faisceau sont tels que L'axe d'émission moyen du faisceau d'uLtra-sons pénètre dans le tube en faisant un angLe d'incidence (i) dans Le pLan perpendicuLaire au défaut obLique recherché avec la normale au tube au point de pénétration permettant La détection optimale du défaut oblique recherché.
Cette va leur de (i) est avantageusement comprise entre 15 et 20". On se rapproche ainsi Le plus possible des conditions dans Lesquelles sont effectués les contrôLes pour des défauts longitudinaux, Le pLan perpendiculaire au défaut étant alors un pLan perpendiculaire à L'axe du tube. On sait que dans ce cas L'angLe (i) doit être compris entre des valeurs bien déterminées pour-obtenir une réponse optimale au défaut. Cet angle est souvent voisin de 17 dans Le cas des tubes en acier.
Afin de détecter les discontinuités, désorientées par rapport à L'axe moyen du faisceau réfracté qui les atteint, discontinuités qui peuvent renvoyer le faisceau réfléchi d'un côté ou de L'autre du transducteur émetteur-récepteur, on place celui-ci entre deux transducteurs seulement récepteurs reliés tous deux aux moyens électroniques de traitement des signaux-écho déjà reliés au transducteur émetteurrécepteur. IL est ainsi possibLe d'effectuer la mesure des amplitudes des signaux-écho reçus par chacun de ces trois transducteurs et de faire si nécessaire La sommation de ces signaux qui correspondent à la réflexion par un même défaut d'un faisceau d'ultra-sons émis par le premier transducteur de ce groupe de trois transducteurs suivant L'invention.
Afin de mieux détecter les défauts fortement désorientés par rapport à L'axe moyen du faisceau d'uLtra-sons provenant du premier transducteur émetteur-récepteur le groupe de transducteurs suivant L'invention peut comporter, d'un côté au moins de ce premier transducteur émetteurrécepteur, deux transducteurs seulement récepteurs auxquels sont reliés les moyens éLectroniques de traitement des signaux-écho. IL est ainsi possible d'effectuer la mesure des amplitudes de ces signaux-écho reçus par chacun de ces transducteurs et d'en faire la sommation. Le groupe de transducteurs suivant L'invention peut aussi comprendre par exempLe cinq transducteurs, deux transducteurs seulement récepteurs étant disposés de chaque côté de L'unique tansducteur émetteur-récepteur.Les moyens électroniques de traitement pouvant permettre aLors non seulement de mesurer Les amplitudes des signaux-écho reçus par chaque transducteur mais aussi d'effectuer, si besoin est, des sommations partielLes de ces amplitudes, deux à deux par exemple et enfin une sommation des ampLitudes des signaux-écho reçus par les cinq transducteurs du groupe suivant L'invention.
L'axe moyen du faisceau d'uLtra-sons émis par Le premier transducteur d'un groupe de transducteurs suivant L'invention est orienté par rapport à un pLan sensiblement perpendiculaire à L'axe du tube d'un angle (a T) qui est fonction de L'obLiquité des défauts qu'iL s'agit de détecter d'un côté ou de L'autre du plan perpendiculaire à L'axe du tube.Dans la pratique L'utiLisation d'un groupe de transducteurs suivant L'invention dont L'axe moyen du faisceau d'ultra-sons est orienté transversaLement d'un angLe (a T) compris entre 0 et 12 par rapport à un plan perpendiculaire à L'axe du tube permet la détection avec une sensibilité élevée de défauts obliques inclinés de 0 à 45 par rapport à L'axe du tube à contrôLer En même temps l'angle (a L), mesuré dans le pLan, perpendiculaire à L'axe du tube qui passe par Le point de pénétration de L'axe moyen du faisceau d'uLtra-sons dans la paroi de ce tube est Le pLus souvent compris entre 10 et 19 Cet angle est mesuré entre le rayon du tube passant par le point de pénétration de L'axe moyen du faisceau d'uLtra-sons et la projection de cet axe sur le plan perpendiculaire à L'axe du tube passant par Le dit point de pénétration. Le dispositif seLon L'invention permet ainsi en prenant (a T = O") de contrôLer Les défauts longitudinaux. Dans ce cas,?(a L) est égaL à L'angLe 'd'incidence (i). Il permet aussi de contrôler des défauts transversaux en prenant (a L = 0) .Dans ce cas, (a T) est égal à l'angle d'incidence (i). Bien entendu le dispositif a L'avantage dans ces deux derniers cas de pouvoir, contrairement aux dispositifs classiques existants, détecter aussi les défauts désorientés par rapport à la position longitudinaLe et transversale, ce qui est impossibLe pour Les dispositifs classiques.
Avantageusement, on utiLise des transducteurs dont Le composant piézoéLectrique de surface pLane a une section sensibLement carrée d'environ 5 à 20 mm de côté ou encore rectanguLaire avec une Longueur de 10 à 30 mm pour une Largeur de 5 à 20 mm pour la recherche de défauts sur des tubes de par exempLe 50 à 200 mm de diamètre. On oriente, de préférence, Le grand côté des transducteurs rectanguLaires paraLLèLement à L'axe du tube métaLLique.
On assure bien entendu une liaison entre La surface du composant piézoélectrique et La surface extérieure de La paroi du tube métaLLique par une matière apte à être traversée par Le fLux d'uLtra-sons. Le pLus souvent on peut assurer cette Liaison par une couche d'un fLuide teL que de L'eau, ou par immersion de L'ensembLe dans un bac contenant ce fluide.
Suivant un mode particuLier de réaLisation du dispositif suivant L'invention, Le dispositif comporte un ensemble d'un grand nombre de transducteurs disposés côte à côte, paraLLèLement à L'axe de défilement du tube métaLLique, orientés de façon sensibLement paraLLèLe en direction de La paroi de ce tube seLon Les angLes (a T) et (a L) vouLus pour obtenir L'angLe d'incidence (i) souhaité pour L'angLe L'obLiquité des défauts souhaités, Le nombre des transducteurs de cet ensembLe étant supérieur à ceLui des transducteurs du groupe de base suivant L'invention mis en oeuvre dans ce dispositif. Des moyens éLectroniques de traitement permettent La mise en oeuvre de L'ensembLe des transducteurs seLon Les principes de L'invention décrits précédemment.
Dans un mode de réaLisation, ces transducteurs peuvent par exempLe être montés en une Ligne teLLe que A B A B A B A, A et B désignant des transducteurs émetteurs/récepteurs identiques, Les transducteurs A émettant tous simuLtanément, tous Les B ne faisant aLors que recevoir, L'émission passant à L'impuLsion d'excitation suivante à tous Les B, tous Les A devenant aLors récepteurs seuLs. L'éLectronique de traitement permet de distinguer Les informations reçues au niveau de chaque transducteur soit en retour de sa propre émission soit de ceLLes qu'iL reçoit en retour de L'émission du transducteur qui Lui est immédiatement accoLé sur chacun des côtés. On peut traiter les informations reçues et par exempLe si nécessaire en effectuer La sommation.On retrouve bien ainsi Les principes de base du groupe comprenant au moins deux transducteurs seLon L'invention un de ces deux transducteurs étant simpLement récepteur.
Ce mode particuLier de réalisation du dispositif suivant l'invention permet d'accroître de façon importante Le pas de progression du tube métaLLique Le Long de son axe, à chaque tour, et donc sa vitesse de défilement. On peut disposer aussi deux ensembLes de transducteurs, de part et d'autre du tube. Les transducteurs appartenant à un même ensembLe-ont une orientation commune et Les orientations de ces transducteurs peuvent être différentes entre Les deux ensembLes de transducteurs pour permettre La détection de défauts obliques d'orientation différente par rapport à L'axe du tube.
De façon particuLièrement avantageuse, le groupe de transducteurs suivant L'invention, qu'iL soit seuil ou fasse partie d'un ensembLe, est monté sur un support articuLé qui permet d'ajuster simuLtanément L'angLe d'incidence (i) de L'axe moyen d'émission et/ou réception du faisceau d'uLtra-sons de tous les transducteurs du groupe suivant L'invention. De même ces transducteurs sont, de préférence, articulés chacun autour d'axes paraLLèles et reliés à des moyens articulées qui permettent d'ajuster simultanément L'angLe d'orientation (a T) de tous ces transducteurs par rapport à un plan perpendiculaire à L'axe du tube, tout en conservant Le paraLléLisme de leurs axes moyens d'émission et/ou réception. On peut de même, de façon similaire, régler L'angLe d'incLinaison (a L) du groupe ou de L'ensembLe des transducteurs à la va leur désirée De préférence, des moyens de télécommande permettent d'ajuster La position angulaire optimaLe de L'axe moyen d'émission et/ou réception de tous Les transducteurs ou de L'ensembLe qui le comprend. Ces moyens comportent par exemple des moteurs pas à pas qui commandent le régLage de L'angLe d'incidence (i) des transducteurs en modifiant l'angLe d'inclinaison (a L) et l'angle orientation (a T) du support articuLe de ces transducteurs grâce aux moyens articulés qui commandent simultanément leur orientation autour de leurs axes individueLs.
I1 est donc tout à fait possible d'utiliser un bilame tel que décrit, puisqu'il existe des amplificateurs dont la sensibilité est supérieure à 10 V/pC.
L'élément piézoélectrique 34 est préférentiellement constitué par un bilame fixé à ses deux extrémités, c'est à dire possédant deux points d'appui.
Bien entendu, il est également possible d'utiliser un type d'élément piézoélectrique utilisant une autre configuration de déformation de structure, par exemple au moyen d'un barreau encastré à une seule de ses extrémités (figure 3) Cependant, l'inconvénient de ce mode de réalisation est que la force maximale appliquée est inférieure à celle d'un barreau à deux appuis car la résistance à la flexion est alors inférieure à celle due au cisaillement.
Les pôles d'aimants 31 et 32 sont préférentiellements en fer doux.
On peut également envisager de générer le champ magnétique dans le volume de mesure à l'aide d'électro-aimants, ou d'un quelconque dispositif électronique approprié.
Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, le champ magnétique généré sera le plus élevé possible.
La pièce d'interface 39 est de préférence non paramagnétique et peut par exemple être diamagnétique. Cette pièce recouvre de préférence une partie importante de la surface de l'élément piézoélectrique, afin de permettre une mesure très précise de la concentration d'oxygène dans le gaz analysé.
L'écran anti-magnétique a pour fonction d'éviter une perturbation de la mesure de pression de la pièce d'interface 39 sur l'élément piézoélectrique 34. n est avantageusement constitué en Permalloy, mais d'autres matériaux assurant un tel blindage conviennent également.
La figure 4 représente des pôles d'aimants 31 et 32 dissymétriques par rapport à la direction des lignes de champ magnétique générées par les pôles 31 et 32, du fait de la dissymétrie du montage représenté. n est bien entendu possible de réaliser la présente invention à l'aide de deux pôles symétriques, par exemple en forme de cônes, et de deux éléments piézoélectriques situés chacun de part et d'autre des pôles.
Le capteur selon la présente invention est particulièrement destiné à mesurer la teneur en oxygène d'un mélange gazeux circulant dans une conduite.
C'est pourquoi le volume de mesure comporte des moyens de raccordement (non représentés) à une telle conduite.
Comme déjà précisé, la tension aux bornes de l'élément piézoélec- trique est proportionnelle à la concentration d'oxygène dans le gaz analysé. La rapidité de la réponse à un changement de concentration d'O2n'est limitée que par la durée de l'écoulement du gaz dans le volume de mesure et le temps de réponse de l'élément piézoélectrique. Le dispositif selon l'invention présente un temps de réponse de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes pour un temps d'établissement à 90% (pour un débit nominal de 90 mi/mu). H présente également une sensibilité de 0,1% dans toute la plage de variation possible de concentration d'oxygène (0 à 100%).
Le temps de réponse du bilame peut être estimé en connaissant sa fréquence de résonance. Dans le cas du bilame décrit en référence à la figure 3, sa fréquence de résonance est donnée par: fr = 400.h/12 = 400.0,6.10#/900 = 266 Hz.
On arrive ainsi à un temps de réponse de l'ordre de 50 ms.
n est à noter que le passage du gaz dans le volume de mesure entraxe une diminution du débit due à la perte de charge. n y a alors variation de pression locale et de ce fait perturbation de la mesure de concentration d'oxygène.
Pour pallier cet inconvénient, il faut donc travailler à débit constant. Cependant, comme le montage selon l'invention ne présente pas de pièce en mouvement, la perte de charge peut être considérée comme constante dans une certaine plage, et il est aisé de mettre en oeuvre une correction de la valeur de tension mesurée.
Suivant un mode particuLier de réalisation du dispositif suivant l'invention, au moins Le transducteur émetteur-récepteur d'au moins un groupe d'au moins deux transducteurs comporte une optique en contact avec La surface émettrice du composant piézoéiectrique, qui fait diverger Le faisceau d'uLtra-sons. Cette optique, réalisée par exemple en une matière pLastique mouLée comporte une surface rayonnante convexe orientée de façon à faire diverger le faisceau d'uLtra-sons pour élargir sa zone d'impact sur la paroi du tube paraLlèlement aux génératrices.De préférence cette surface rayonnante convexe comporte une gorge qui suit la courbure convexe de L'optique en regard de La paroi du tube ; cette gorge a un profil concave dans un pLan perpendicuLaire à ce lui de La courbure convexe, qui est caLcuLé pour concentrer le faisceau d'ultra-sons de façon à réduire son épaisseur, considérée dans La direction perpendicuLaire au pLan défini par son axe d'émission moyen et la génératrice de La paroi du tube qui passe par le point d'impact de cet axe sur cette paroi. IL est possible ainsi de focaLiser le faisceau divergent d'ultra-sons le Long de cette génératrice.On compose Le groupe de transducteurs suivant l'invention d'un premier transducteur émetteur-récepteur muni d'une teLle optique et d'au moins un transducteur seuLement récepteur qui peut être équipé ou non d'une optique divergente et de préférence également convergente sembLabLe à ceLLe du premier transducteur.On peut avantageusement mettre en oeuvre un groupe de deux ou trois transducteurs équipés d'une teLle optique divergente et de préférence également convergente dont L'axe moyen du faisceau d'uLtra-sons est orienté par exemple d'un angle d'orientation (a T) de 5 à 10" par rapport à un plan perpendiculaire à L'axe du tube, L'angle d'incLinaison (a L) étant réglé à la va Leur voulue Avantageusement, L'ouverture du faisceau d'uLtra-sons est égaLe au doubLe de l'angle (a T) de L'axe moyen, de façon que Le faisceau soit limité sur un de ses bords par un pLan perpendicuLaire à L'axe du tube.
Un teL groupe comprenant un premier transducteur émetteur-récepteur et un transducteur seulement récepteur disposé côte à côte au premier, permet La détection de défauts s'étendant dans un très large intervaLLe, intervalle anguLaire qui s'étend d'un même côté par rapport aux défauts orientés parallèLement à L'axe. Un deuxième groupe de deux transducteurs composé de La même façon dont le faisceau divergent est ouvert du côté opposé par rapport au plan perpendicuiaire à L'axe du tube permet de détecter les défauts orientés du côté opposé.
Chacun de ces groupes de transducteurs suivant L'invention, à optique divergente et de préférence également convergente, peut aussi faire parti-e d'un ensemble, également suivant L'invention, composé de transducteurs semblables afin de permettre la détection de défauts sur une plus grande longueur de tube et accroître la vitesse de contrôle.
Suivant un autre mode particuLier de réalisation du dispositif suivant L'invention, on utilise au moins- un premier transducteur émetteurrécepteur, d'un groupe d'au moins deux transducteurs qui comporte un moyen électronique qui agit sur le faisceau d'uLtra-sons émis par le premier transducteur de façon qu'iL se comporte comme s' iL était incliné d'un angLe (0) par rapport à son orientation initiale.
Pour ceLa on divise la surface émettrice du composant piézoélectrique de ce transducteur en "n" éléments émetteurs-récepteurs qui peuvent être par exemple des bandes dont La largeur individueLLe, mesurée à peu prés paraLLèLement à L'axe du tube est ainsi égale à 1/nième de la largeur de cette surface émettrice. Chacun de ces éléments émetteurrécepteur est reiié séparement à un générateur d'impulsions qui les alimente par L'intermédiaire d'un moyen déphaseur.Celui-ci permet d'appliquer à chaque éLément émetteur-récepteur un même décalage de phase par rapport à L'élément précédent et donc croissant d'une extrémité à L'autre de L'émetteur, par rapport au cycle onduLatoire de L'alimentation du premier élément. On règle ce décalage de phase pour amener en phase L'émission de L'ensembLe des éLéments de la surface émettrice dans une direction inclinée d'un angle (0) déterminé par rapport à L'axe d'émission de la surface émettrice en L'absence de décalage de phase.