FR2689625A1

FR2689625A1 - Method and device for thickness measurement by ultrasound and use of such a device.

Info

Publication number: FR2689625A1
Application number: FR9204272A
Authority: FR
Inventors: Muller Jean-Marie; Renard Christophe; Rowdo Claude
Original assignee: Pont a Mousson SA
Current assignee: Pont a Mousson SA
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1993-10-08
Anticipated expiration: 2012-04-03
Also published as: HU9402687D0; CA2133473A1; BR9306180A; WO1993020405A1; AU3892893A; FR2689625B1

Abstract

Ultrasound is transmitted through an element (4, 41) by local immersion coupling, whereafter a signal (10) containing various data (echoes) on the ultrasonic wave path through the element (4, 41) is acquired, and the time lag (ti) between two echoes and the speed of the ultrasonic wave in the element are deduced therefrom. The thickness of pipes (22) may thereby be measured.

Description

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. The present invention relates to the measurement of thickness by ultrasonic wave analysis. It relates firstly to a method for determining the thickness between two surfaces of an element made of a material with a heterogeneous internal structure.

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. Document US Pat. No. 4,398,421 discloses a method of ultrasonic measurement of the thickness between opposite surfaces of a worked element.

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. In this known method, the speed of the ultrasonic waves in the material of the element being worked is measured, by means of two translators, a translator working in transmission and a translator working in reception. The ultrasound is emitted so as to enter the element at an angle of incidence relative to the external surface of the element. The ultrasonic wave is reflected along the angle of refraction on the bottom surface of the element, the reflected wave returns to the outer surface of the element at a known point. The receiving translator was placed at this point. The distance between the point of entry and the point of exit of the ultrasonic wave is known because determined according to the angle of incidence, the measurement carried out provides the time taken by the ultrasonic wave to go from one translator to another.

Avec ces données, on déduit la vitesse de propagation de l'onde dans le matériau de l'élément. With these data, the speed of propagation of the wave in the material of the element is deduced.

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. Since the speed is known, ultrasonic waves are emitted and received by means of two straight translators. Measuring the time between transmission and reception determines the thickness of the element.

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. This process requires the use of four translators, a special fluid used to couple the ultrasound to the workpiece and numerous operations and adjustments.

Cela rend très difficile l'automatisation. This makes automation very difficult.

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.The main object of the invention is to remedy these drawbacks by a method which makes it possible to measure, without modification or adjustment, with a single translator per measurement point, numerous ranges of thicknesses of planar elements or of variable diameter with a great precision. The method according to the invention allows the automation of the measurements, without slowing down the cycle times during manufacture by a sufficiently short measurement time per point. To this end, the method according to the invention consists of
a) a time measurement between echoes including
- a test noting the presence of echoes
- an acquisition of the representation of echoes
as a signal
- a determination of the signal to noise ratio
- detection of the position and amplitude of the
echoes
- analysis of echoes and elimination of echoes
parasites
- a deduction of the time taken by the ultrasonic wave
to cross the element according to the signal
collected
b) a measurement of the speed of the ultrasonic wave
corresponding to each time measurement
including
- a weighting of the first thickness echo
- a determination of the coefficients of a filter
whose input is white noise and the output
first weighted thickness echo
- a determination of the filter response in
depending on the frequencies requested
a determination of the position of the maximum peak and
filter bandwidth
- a correlation between the characteristics of said
filter and the speed of the ultrasonic wave in
the element
c) an analysis of the signal as a function of time and of the
speed which determines the thickness between two
surfaces delimiting the element of material to
heterogeneous internal structure.

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. The invention relates secondly to a device allowing the implementation of the method, designed on the one hand so as to emit ultrasonic waves penetrating into the material along an axis normal to the surface of the element made of structure material heterogeneous internal and secondly to ensure good coupling of ultrasound. The perpendicularity allows the use of a single translator per point of measurement working in emission and reception for the implementation of the method according to the invention, whatever the shape of said element, planar or cylindrical. The coupling is carried out by local immersion, which allows the automation of the measurements. These results are achieved because the device according to the invention is of the type comprising a fluid supply means coupling the ultrasonic waves to the element made of material with a heterogeneous internal structure. It also comprises a means of angular geometric positioning of the translator allowing said normal translator to be maintained on the external surface of the element with a heterogeneous structure.

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.According to other characteristics
- The angular geometric positioning means of the
measuring device according to the invention is a compass
comprising at least two arms respectively connected
to the element with a heterogeneous internal structure by means
of a skate and, between them, by a means of
displacement relative to the surface of the element to
heterogeneous internal structure at identical speed
for each arm,
- the means of displacement relative to the surface of
the element with an internal structure heterogeneous to a
identical speed for each arm, consists of
minus a toothed sector mounted on each arm.
toothed sectors are of diameter and pitch
identical,
- the means of displacement relative to the surface of
the element with a heterogeneous internal structure,
identical speed for each arm, consists of a
threaded rod with equal pitch and reversed at each of its
ends, each of said ends cooperating
with a compass arm,
- a means of pressure and / or traction is applied
at least one arm between the moving means and
the pad of said arm.

- le moyen de pression est un ressort ou un vérin. - The pressure means is a spring or a jack.

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). To automate the measurement, it is necessary that the liquid coupling the ultrasonic waves is of a very low viscosity, of a low cost and that the quality of the coupling is constant, for this purpose said liquid is water ( local immersion).

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. The device according to the invention comprises a stop mounted on the angular positioning means, said stop being able to avoid contact between the element made of material with a heterogeneous internal structure and the fluid supply means or the transducer.

L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un dispositif tel que défini ci-dessus pour mesurer l'épaisseur de pièces en fonte. The invention also relates to the use of a device as defined above for measuring the thickness of cast iron parts.

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).A nonlimiting example of implementation of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which
- Fig. 1 is a schematic view of a device for
generation of ultrasound with a representation under
simplified oscillogram shape of the ultra signal
sound
- Fig. 2 represents in the form of a flowchart the
steps of the method according to the invention for measuring time
displacement of ultrasonic waves in the element
heterogeneous internal structure
- Fig. 3 is a flow diagram of the process steps
allowing to deduce the speed of ultra waves
sound in the heterogeneously structured element
- Fig. 4 represents an oscillogram
example of an ultrasonic signal obtained on an element to
heterogeneous internal structure
- Fig. 5 represents the filter to which we associate the
first thickness echo
- Fig. 6 is the curve illustrating the answer
spectral filter for the requested frequencies
- Fig. 7 shows the device ensuring the
translator-piece perpendicularity and the coupling of
ultrasound
According to the embodiment of FIG. 1 an ultrasonic transceiver generator i emits an electrical pulse transformed into an ultrasonic wave 2 by the piezoelectric element of a translator 3. This ultrasonic wave, carried by a coupling fluid passes through an element 4, here a part to be measured and is reflected on the surface of the bottom 5 of the element 4 (element-air interface).

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. A part of the reflected ultrasonic wave 2 6 is transmitted to the translator 3 and is transformed back into an electrical signal by the translator 3, a signal which is amplified by the receiver stage of the ultrasonic generator 1. At the part-fluid interface coupling 7, only part 8 of the reflected ultrasonic wave 6 is transmitted and returns to the translator 3. Another part 9 is reflected to pass through the material and again be reflected on the surface of the bottom 5 of the element 4 And so on until total absorption of the waves in the material.

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. The path of the ultrasonic wave 2, 6, 8, 9 is represented in the form of a signal 10 on a screen 16 of oscilloscope type 17 having echoes, an emission echo 11, an interface echo 12 7 resulting from the contact of the ultrasonic wave 2 with the external surface of the part 4, echoes of thicknesses 13-15 originating from the multiple reflections on the external surfaces and from the bottom 5 of the element 4. The element 4 is made of a solid material or a liquid. The method includes measuring the time taken by the ultrasonic wave to move through the material, which is carried out according to different steps shown in FIG. 2, first a test 20 verifying the presence of an interface echo and positioning this echo. If the interface echo is present, the method includes a step 21 of determining the signal to noise ratio. The signal is the representation of the path of the ultrasonic wave in the element. The noise results on the one hand from multiple diffusions of the wave in the material with heterogeneous structure and on the other hand from electrical parasites.

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. In this step we consider the noise level and the amplitude of the signal. This can only be detected if it has an amplitude greater than that of the noise.

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. Then the method comprises a step 22 of detecting all the echoes defined by their amplitudes and their positions. This detection takes place above a limit threshold determined by the amplitude of the noise.

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. Then the echoes are analyzed in a step 23 with elimination of any parasitic echoes. These parasitic echoes can be produced by the presence of heterogeneities or micro-defects in the material of the part.

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. This step 23 is followed by a step 24 for determining the amplitude and the position of the thickness echoes, that is to say all the echoes of step 22 minus the echoes of step 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. The method comprises a step 25 of measuring the time intervals between the echoes which determines the time taken by the ultrasonic wave to pass through the piece of cast iron as a function of the signal collected.

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 :

The method comprises a determination of the speed of the ultrasonic wave in the room by steps which may correspond to the embodiment shown in the
Fig. 3. The speed is determined in seven steps (26-32). The first, step 26 is the determination of N points, corresponding to a digital representation of a KAISER weighting window:

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

with Io (x): modified BESSEL function of order 0 as defined by Gérard PETIAU (Master of
Research at the CNRS) in "The theory of Bessel's functions", CNRS publications service. In the function of Kaiser x is represented in the form

ss : coefficient constant. ss: constant coefficient.

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.n: varies from 0 to (N-1) / 2
The method then comprises the step 27 of weighting the signal of the first thickness echo by the window of
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. The next step 28 consists in determining a digital filter from the data of the signal weighted by the maximum entropy method. The data is considered as leaving the filter, the input being white noise.

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". The filter is defined by coefficients or poles which are determined by the maximum entropy method as defined in the brochure "Digital signal processing: techniques and applications" Course 412 from the training organization called "Learning Tree".

L'étape 29 suivante est la détermination de la réponse du filtre aux fréquences demandées en fonction du traducteur utilisé. The following step 29 is the determination of the response of the filter to the frequencies requested as a function of the translator used.

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. Step-30 consists in determining the position of the maximum peak and the bandwidth of the filter determined from the data of the first weighted thickness echo.

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. Step 30 is followed by step 31 of estimating the speed of the ultrasonic wave in the material from the position of the maximum peak and the bandwidth of the filter by a relationship which has been determined at the continuation of tests on samples, for example in cast iron. These tests consisted on the one hand of metallographic and dimensional analyzes of various samples with different graphite forms therefore at different ultrasonic velocities in the cast iron and on the other hand of a determination of parameters of the ultrasonic signal crossing these samples, by estimating the parameters of the corresponding H filter. The conclusion of these tests led to the establishment of a correlation between graphite forms or ultrasonic velocities in the cast iron and associated H filter parameter. This leads to step 32 of determining the speed of the ultra wave. -sound in the element.

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. The time and the speed taken by the ultrasonic wave to cross the part in a round trip, being determined, the thickness of the part is deduced by the following relation e = vzt e being the thickness of the part, v the speed of the wave in the room and t the round trip time of the room.

La Fig. 4 représente l'image électrique 33 (signal) du trajet de l'onde ultra-sonore dans une pièce à structure interne hétérogène. Fig. 4 represents the electrical image 33 (signal) of the path of the ultrasonic wave in a room with a heterogeneous internal structure.

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). This signal 33 represents the amplitude of the voltages V at the terminals of the piezoelectric element of the translator 3 amplified by the receiver stage of the ultrasonic generator 1 (see 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. The signal 33 has large amplitude variations 34 which correspond to the interface echoes 11 and of thickness 12, 13. These large variations 34 are repeated at substantially constant times t1.

De plus, le signal 33 présente de petites variations d'amplitude 35, il s'agit du bruit. In addition, the signal 33 has small amplitude variations 35, this is noise.

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. From time to time variations in amplitude 36 appear. These are parasitic echoes generated by the heterogeneity of the structure or by micro-defects in the material.

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. These echoes of variation of average amplitude 36, not repeated at constant time interval, are random parasitic echoes which are eliminated during step 23 of the method according to the invention. The noise prevents echoes of variation in amplitude less than its variation in amplitude 35. The ratio of the signal to the noise is defined by the ratio of the extreme amplitude S of the signal to the amplitude of the noise B.

La Fig. 5 représente le filtre numérique H de l'étape 29 du procédé. Fig. 5 represents the digital filter H of step 29 of the method.

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. The data 37, that is to say the signal of the first echo of thickness 12 weighted by the Kaiser window are considered to be the result obtained at the output of the digital filter H whose input is white noise 38. The white noise 38 is a signal of zero mean value, the mean power spectral density of which is a positive constant.

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.So the filter transforms the white noise signal 38 and a signal 37 according to the relation

with p = number of filter poles, an = filter pole. H (Z) is the Z transform of the H filter. The Z transform is the transformation equivalent to the Laplace transformation of continuous time systems, applied to the study of discrete systems and in particular to digital signal processing. signal f (t) sampled at times nTe (n integer, Te sampling period), we can associate a transform in Z

zh corresponds to e npre (p = a + jw complex variable): it is a delay operator - the delay is nTe: a multiplication by Z- "corresponds to a time delay nTe that is to say a shift of n sample (Z-2 is equivalent to the offset of two samples, etc.) A spectral response 39 of the filter H is shown graphically in Fig. 6.

L'ordonnée P représente la puissance ou densité spectrale du filtre. L'abscisse représente les fréquences. The ordinate P represents the power or spectral density of the filter. The abscissa represents the frequencies.

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.In step 31 of the method, the frequency position of the peak 40 of the maximum power amplitude of the filter response is determined. The bandwidth of the filter H defined by an attenuation by 42 of the maximum amplitude of the peak is determined.

Ces valeurs sont caractéristiques de la réponse spectrale du filtre H et par la même représentatives du premier écho d'épaisseur pondéré 37. These values are characteristic of the spectral response of the filter H and by the same representative of the first weighted thickness echo 37.

La Fig. 7 représente un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon 11 invention. Fig. 7 shows a device for implementing the method according to the 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. The device comprises a translator 3, linked to a means 42 for supplying fluid. It includes a compass 43 to maintain the angular positioning a of the translator 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.The compass 43 comprises two arms 44a and 44b connected together by two toothed sectors 45, each toothed sector is fixed free to rotate along the axis of an arm 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. The two toothed sectors 45 are of identical diameter and pitch and mesh with each other. Each arm 44a, 44b comprises at its respective end a shoe 46a, 46b allowing contact with an element 4a. The arm 44b includes perpendicularly to its axis a protuberance 48 at the level of the toothed sector 45 and on the side opposite to the arm 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. The element 4a, the distance of which is measured between the outer surface 7a and the bottom surface 5a, is a cast iron pipe of variable diameter. The above device is designed in such a way that whatever the diameter, the perpendicularity of the emitted surface / wave is ensured. This distance represents the thickness of the part and the measurement is made by means of longitudinal ultrasonic waves passing through the cast iron. Cast iron is not a homogeneous material, so the speed of ultrasonic waves varies.

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. Tests have shown the different speed ranges that can be obtained depending on the graphite structure of cast iron parts, four kinds of which are shown in 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). The velocities measured in a lamellar graphite cast iron 50 are in a range from 4700 to 5000 m / s. The velocities measured in the vermicular graphite cast irons 51 are between 5000 and 5300 m / s. The speeds recorded inside the compact graphite fonts 52 are in the range from 5300 to 5600 m / s and the speed of propagation of the ultrasonic waves in the spheroidal graphite fonts 53 varies from 5600 to 5700 m / s . These graphite structures are obtained by inoculation of the cast iron (see Applicant's patent 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.As can be seen, the speed varies within each family of cast iron with a different graphite structure.

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.It is possible to manufacture cast iron elements each having different graphite structures. This makes it necessary to determine the speed of the ultrasonic waves for each thickness measurement. In addition to determine the thickness of the part with a single translator, the ultrasonic waves must move along a normal path to the outer surface 7a from which the choice of longitudinal ultrasonic waves and the device according to the 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. The operation of the device is as follows: the pipe 4a is approached without coming into contact with the supply means 42 therefore of the translator 3. It separates the pads 46a and 46b which each remain at the same distance from an axis 54 extending the translator 3. In fact, the pads 46a and 46b are linked via the arms 44a and 44b to the toothed sectors 45. The toothed sectors 45 being of the same pitch and of the same diameter cause each arm to rotate at an identical angle α. The rotation of the arm 44b causes the rotation of the projection 48 which abuts on an element 55 linked to the supply means 42 which blocks the rotational movement of the arm 44b, therefore of the arm 44a also, the angles a remaining identical . Thus the compass 43 is at its maximum opening and the pipe 4a is kept centered. The two arms are kept close to each other by a spring 56, fixed on the arm near the pads (46a, 46b). The translator 3 emits an ultrasonic wave. The water supply means 42 pours a column of water 57 to the pipe 4a. The ultrasonic wave travels along the axis 54 normal to the external surface 7a of the element which is a pipe 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. After passing through the water column, the ultrasonic wave passes through the external surface 7a of the pipe 4a, forming an interface echo. It is reflected by the bottom surface 5a by forming a thickness or bottom echo propagating to the translator 3. The measuring device (Fig. 1) acquires the ultrasonic signal via a device rapid scanning, which after processing by the method according to the invention to extract information indicating the time interval between the different thickness echoes, the speed of ultrasonic waves in the cast iron and the thickness of the pipe 4a.

Le dispositif selon l'invention permet de déterminer le type de graphitisation d'une fonte et l'épaisseur d'une pièce en fonte. The device according to the invention makes it possible to determine the type of graphitization of a cast iron and the thickness of a cast iron part.

Claims

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 1.- Method for ultrasonic measurement of the thickness between two surfaces of an element (4, 4a) of material with heterogeneous internal structure, characterized in that it consists of

a)une mesure de temps entre échos comprenant a) a time measurement between echoes including

- un test (20) constatant la présence d'échos - a test (20) noting the presence of echoes

- une acquisition de la représentation des échos - an acquisition of the representation of echoes

sous forme d'un signal as a signal

- une détermination (21) du rapport signal sur bruit a determination (21) of the signal to noise ratio

- une détection (22) de la position et de - a detection (22) of the position and

l'amplitude des échos the amplitude of the echoes

- une étape éventuelle d'analyse des échos suivie - a possible echo analysis step followed

d'une élimination des échos parasites (36) elimination of parasitic echoes (36)

- une déduction (24) du temps mis par l'onde ultra - a deduction (24) of the time taken by the ultra wave

sonore pour traverser l'élément, en fonction du sound to cross the element, depending on the

signal recueilli signal collected

- une étape (25) de mesure des intervalles de temps - a step (25) for measuring the time intervals

entre échos between echoes

b)une mesure de vitesse de l'onde ultra-sonore b) a measurement of the speed of the ultrasonic wave

correspondant à chaque mesure de temps comprenant corresponding to each time measurement including

- une pondération (26) du premier écho d'épaisseur - a weighting (26) of the first thickness echo

- une détermination (28) des coefficients d'un - a determination (28) of the coefficients of a

filtre (H) dont l'entrée est un bruit blanc et la filter (H) whose input is white noise and the

sortie le premier écho d'épaisseur pondéré output the first weighted thickness echo

- une détermination (29) de la réponse du filtre (H) - a determination (29) of the response of the filter (H)

en fonction des fréquences demandées depending on the frequencies requested

- une détermination (30) de la position du pic - a determination (30) of the position of the peak

maximum (40) et de la bande passante (41) du maximum (40) and bandwidth (41) of

filtre filtered

- une corrélation entre les caractéristiques dudit - a correlation between the characteristics of said

filtre (H) et la vitesse de l'onde ultra-sonore filter (H) and the speed of the ultrasonic wave

dans l'élément. in the element.

en matériau à structure interne hétérogène. made of material with a heterogeneous internal structure.

surfaces (5, 5a, 7, 7a) délimitant l'élément (4, 4a) surfaces (5, 5a, 7, 7a) delimiting the element (4, 4a)

vitesse de façon à déterminer la distance entre deux speed so as to determine the distance between two

c)une analyse du signal en fonction du temps et de la c) an analysis of the signal as a function of time and of the

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. 2. A device for measuring by ultrasound of an element (47) made of a material with a heterogeneous internal structure allowing the implementation of the method according to claim 1, said device of the type comprising a means (1) for emitting pulses. electrics connected to at least one translator (3) transforming the electric pulses into ultrasonic waves, said device comprising means (42) for supplying fluid coupling the ultrasonic waves to the element (47) made of material with a heterogeneous internal structure , characterized in that it comprises a means for angular geometric positioning of the translator making it possible to maintain said translator (3) normal to the external surface (48) of the element with a heterogeneous structure.

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. 3.- Measuring device according to claim 2, characterized in that the angular geometric positioning means is a compass (43) comprising at least two arms (44a, 44b) respectively connected to the element (47) with internal structure heterogeneous by means of a pad (46a, 46b) and between them by means of displacement relative to normal of the surface of the element with variable internal structure, at identical speed for each arm.

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. 4.- Device according to claim 3, characterized in that the means of displacement relative to normal of the surface of the element with variable internal structure, at identical speed for each arm, consists of at least one toothed sector ( 45) mounted on each arm, the toothed sectors being of identical diameter and pitch.

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. 5.- Device according to claim 3, characterized in that the means of displacement relative to normal of the surface of the element with variable internal structure, at identical speed for each arm, consists of a threaded rod with equal pitch and inverted at each of its ends, each of said ends cooperating with an arm of the compass.

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. 6.- Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that a pressure and / or traction means is applied to at least one arm between the displacement means and the pad of said arm.

7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le moyen de pression est un ressort (56) ou un vérin. 7.- Device according to claim 6, characterized in that the pressure means is a spring (56) or a jack.

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. 8.- Device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the fluid (57) coupling the ultrasonic waves is water.

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. 9.- Device according to one of claims 2 to 8, characterized in that a stop element (48) is mounted on the means (43) for angular positioning, said stop being able to avoid contact between the element of variable structure material and the fluid supply means or the transducer.

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. 10.- Use of a device according to one of claims 2 to 9 for measuring the thickness of cast iron parts and / or determining the graphite structure of said cast iron.