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L'invention se rapporte à un procédé et à un dispo- sitif pour la mesure par les ultra-sons de l'épaisseur de pièces d'ouvrage.
Pour la mesure de l'épaisseur de pièces d'ouvrage, en particulier lorsqu'un de leurs c8tés est inaccessible, on utilise de préférence,le procédé à impulsions ultra- soniques.
'Les dispositifs connus opèrent en émettant périodi- quement, à l'aide d'un transformateur électro-acoustique
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(par exemple d'un transformateur piézoélectrique), des impulsions ultra-soniques courtes dans la partie à mesu- rer. Les ondes ultra-soniques se propagent dans le maté- riau avec une vitesse déterminée, et elles sont réflé- chies plusieurs fois par les défauts intérieurs dans le. matériau de la pièce d'ouvrage, de même que par sa paroi avant et arrière. On peut donc parler de l'impulsion émise et de la première impulsion réfléchie et des sui- vantes.Les impulsions réfléchies sont captées par le même transformateur électro-acoustique ou par un autre, qui les convertit en oscillations électriques.
L'épaisseur de la pièce d'ouvrage mesurée est proportionnelle à l'intervalle de temps entre l'impulsion émise et la première impulsion réfléchie ou respectivement à l'écart dans le temps de deux impulsions réfléchies voisines. La constante de proportionalité correspond à la moitié de la vitesse du son dans le matériel mesuré.
Au moyen de l'écho ultrasonique on peut mesurer pratiquement l'épaisseur de pièces d'ouvrage depuis quelques millimètres jusqu'aux épaisseurs plus élevées; pour ces cas courants, on veille à ce que l'écart de témps de deux impulsions voisines soit de l'ordre de grandeur de 10 à 6 secondes, La mesure de ces courts intervalles de temps se fait de manière diverse dans les dispositifs mentionnés.
Le plus souvent on utilise des dispositifs dans lesquels les intervalles de temps sont mesurés sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques, etc. si bien que l'on lit directement la durée de l'intervalle entre deux impulsions ou bien on établit le nombre des impulsions réfléchies
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dans un laps de temps connu. Ces dispositifs requièrent nécessairement pour la détermination du temps ce que l'on appelle une base de temps, laquelle est étalonnée avec des marques de temps de longueur connue; Un autre procédé, simplifié, repose sur le fait qu'à la sortie du récepteur est annexé un circuit oscillant syntonisé dont la fréquence de résonance peut être réglée pour qu'elle corresponde à la fréquence de l'écho multiple.
Les procédés mentionnés de mesure de l'épaisseur par les ultra-sons offrent certains inconvénients. Sans compter la nécessité d'un'dispositif assez coûteux, c'est-à-dire d'un tube à rayons cathodiques, conjointe- ment avec des sources d'alimentation d'un dispositif de base de temps ou encore d'un marqueur de temps pour 1' étalonnage de la base de temps, la lecture de l'inter- valle'entre deux impulsions voisines ou respectivement le nombre des impulsions dans un laps de temps donné, est une opération assez compliquée, qui demande un certain temps. De ce fait'l'exactitude du résultat n'est pas assurée, vu que la base de temps n'est pas complètement linéaire.
Dans l'emploi de la méthode de résonance, le circuit oscillant doit être syntonisé à nouveau pour 1 @ chaque épaisseur à mesurer,ce qui également est compli- qué et demande beaucoup de temps.
Un autre inconvénient de cette méthode est que les échos multiples dans les pièces d'ouvrage à coeffi- cient d'absorption élevé peuvent être notablement amor- tis, ce qui rend peu sûre la mesure;
Un procédé connu de mesure de l'épaisseur d'une pièce d'ouvrage par les ultra-sons'repose sur le fait que l'intervalle de temps entre deux impulsions voi- sines est utilisé non pas directement pour la mesure,
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mais pour émettre un signal (par exemple l'allumage 'd'une lampe à incandescence lorsqu'on franchit une épaisseur de paroi prédéterminée). Dans le cas où l'épaisseur d'une pièce d'ouvrage doit être établie,le dispositif doit être accordé jusqu'à ce que l'émission du signal se produise, en l'occurence l'épaisseur de la pièce d'ouvrage pouvant être lue sur une échelle éta- lonnée.
Ce procédé simple, lequel n'exige ni un tube à rayons cathodiques, ni un dispositif de base de temps avec marqueur de temps, est particulièrement avantageux pour le contrôle continu d'une épaisseur de paroi minimum spécifiée. L'épaisseur de paroi inconnue doit toutefois ici aussi être déterminée par le réglage.
Contrairement au procédé mentionné en dernier lieu, la présente invention apporte un perfectionnement essen- tiel qui est qu'en maintenant la conception simplifiée du procédé employé, l'invention permet une lecture directe.
L'essence de l'invention repose sur. le fait qu'à partir de deux impulsions à la sortie du récepteur, c'est-à-dire l'impulsion d'émission et la première im- pulsion réfléchie, on forme une impulsion rectangulaire unique dont la durée correspond. à l'écart de temps entre les deux impulsions. La surface de cette impulsion rec- tangulaire est donc directement proportionnelle à l'é- paisseur de la paroi mesurée. La valeur moyenne de ces impulsions rectangulaires est transmise à un appareil de mesure à cadre mobile, lequel est étalonné en unités de temps ou encore en unités de longueur ; peut ainsi lire l'épaisseur de la pièce d'ouvrage mesurée.
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Une autre caractéristique essentielle de l'invention est que l'on supprime la seconde impulsion réfléchie et chaque autre impulsion réfléchie suivante dans le disposi- tif indicateur, ce qui fait que l'on exclut ainsi l'influ- ence de l'absorption inégale de diverses matières et éven- tuellement d'autres défauts.
On représente dans les dessins en annexe un exemple de réalisation de l'objet de l'invention.
Dans la figure 1 on montre un diagramme d'ensemble du dispositif selon l'invention. Celui-ci se compose d'élé- ments connus :émetteur 1, transformateur électro-aceous- tique 2, amplificateur contrôlé ("gated amplifier") 4, multivibrateur bistable 5, organe d'intégration 7 et appa- reil de mesure à cadre mobile 8. Au besoin on peut encore adjoindre un autre organe d'intégration 6.
Le dispositif opère comme suit :
A partir de l'émetteur 1 on émet des impulsions élecrriques de haute fréquence, de fréquence séquentielle appropriée dans le transformateur électro-acoustique 2 (par exemple un transformateur au quartz ou au titanate de baryum). Ce transformateur 2 émet dans la pièce d'ou- vrage 3 à examiner des ondes ultra-sonores modulées par impulsions, qui sont réfléchies par la paroi opposée et sont à nouveau captées par le même transformateur 2 (ou un par un autre), étant ainsi reconverties par ce dernier en impulsions électriques.
Ces dernières sont amplifiées par un amplificateur contrôlé (gated amplifier) 4, dont la sensibilité avant l'arrivée de l'impulsion d'émission (V - figure 2a) est notablement réduite par exemple par une tension auxiliaire négative d'une des grilles d'un tube électronique quelconque. Une partie de l'impulsion
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d'émission est conduite de l'émetteur 1 à 1' entrée du multivibrateur bistable 5, lequel est basculé ainsi d'une position de repos en l'autre position ; il commence ainsi à se former à son entrée une impulsion rectangulaire dont l'allure est représentée dans la figure 2b.
Cette impulsion parcourt comme impulsion de con- trôle l'organe d'intégration 6, obtenant ainsi un ac- croissement exponentiel du front, voir figure 2c, et retourne alors dans l'amplificateur, dont la sensibili- té augmente en rapport avec l'allure de son front. Par l'accroissement exponentiel du front de l'impulsion, on empêche l'obstruction de l'amplificateur 4. La tension de crête de l'impulsion d'émission a comme ordre de grandeur 102V, contrairement à la tension de crête de l'impulsion réfléchie qui a comme ordre de grandeur 10-3 à 10-2V. Pour autant que l'on choisisse les constantes de temps des étages indiyiduels de l'amplificateur 4 de façon à ce qu'il n'y ait pas de danger d'obstruction de celui-ci, on peut omettre l'organe d'intégration 6.
La première impulsion réfléchie (I-figure 2a) est renforcée par l'amplificateur à la valeur nécessaire pour l'excitation du multivibfateur bistable 5. Par le bascu- lement de retour du multivibrateur 5 en sa position ini- tiale on obtient l'impulsion rectangulaire qui a ainsi son commencement au moment du débit de l'impulsion d'é- mission et sa fin au moment du début de la première im- pulsion réfléchie. De ce fait on réduit en même temps la sensibilité de l'amplificateur 4 d'après l'allure du sig- nal 0' (figure 2c) ou directement suivant l'allure du signal 0 (figure 2b).
L'amplificateur 4 ne présence par conséquent sa pleine sensibilité que jusqu'à l'arrivée de
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la première impulsion réfléchie I; de ce fait le second signal réfléchi (Il - figure 2a) et les suivants n'ont plus'aucun effet sur le basculement du multivibrateur bistable 5.
Les impulsions rectangulaires issues du multivibra- teur 5 sont intégrées par l'élément 7, obtenant ainsi leur valeur moyenne qui est indiquée par l'instrument à cadre mobile 8. L'indication de l'instrument à cadre mo- bile 8 correspond à l'intervalle de temps entre l'impulsion d'émission et la première impulsion réfléchie ; ellepeut, pour un matériau déterminé, être étalonnée directement en unités de longueur pour la mesure de l'épaisseur.
Dans la figure 2 on représente l'allure des impul- sions à diverses parties du dispositif de même que leur corrélation dans le temps. La figure 2a montre les impul- sions au transformateur électro-acoustique 2 (figure 1).
Les impulsions V et I, inscrites en trait plein, apparais- sent avec un renforcement approprié à la sortie de l'ampli- ficateur 4, tandis que les impulsions en traits disconti- nus II, III, etc. par suite du contrôle de la sensibilité de l'amplificateur 4, sont supprimées.
La figure 2b montre les impulsions rectangulaires 0 à la sortie du multivibrateur bistable 5. Leur valeur moy- enne S à la sortie du circuit d'intégration 7 est représen- tée en traits discontinus. Les impulsions 0' qui empêchent éventuellement l'obstruction de l'amplificateur 4 sont re- présentées dans la figure 2c. Pour lé ,réglage de la sensi- bilité on utilise suivant les besoins les impulsions de contrôle 0 ou 0'.
Le dispositif selon l'invention convient pour la
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mesure d'épaisseurs d'un matériau dans l'intervalle de quelques millimètres à plusieurs décimètres, en particu- lier dans les cas où seule une paroi de la pièce d'ou- vrage est accessible.
Une application importante de l'invention est par exemple la mesure de l'épaisseur de paroi de conduites tubulaires pour substances liquides ou gazeuses pendant . leur service, de paroi de chaudières, etc.
On peut, dans l'examen d'un matériau sans lui occa- sionner de dommages, utiliser l'appareil selon l'invention pour la détermination simple de la profondeur de défauts dans le matériau.
L'invention peut s'étendre aussi de manière adé= quate à des travaux de recherche. On peut par exemple avec elle mesurer facilement la vitesse sonique dans un matériau donné, etc.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de mesure par les ultra-sons de l'épais- seur de pièces d'ouvrage avec emploi du procédé à réfle- xion d'impulsions, caractérisé en ce qu'à partir de l'im- pulsion d'émission (V - figure 2a) et de la première im- pulsion réfléchie (I - figure 2a) on constitue une impul- sion rectangulaire (0 - figure 2b) dont la longueur est. identique à l'écart de temps entre ces deux impulsions (V et I) et dont la valeur moyenne (S - figure 2b) est dans un rapport déterminé avec l'épaisseur de paroi de a pièce essayée.
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The invention relates to a method and to a device for measuring the thickness of work pieces by ultrasound.
For measuring the thickness of workpieces, in particular when one of their sides is inaccessible, the ultrasonic pulse method is preferably used.
'The known devices operate by periodically transmitting, using an electro-acoustic transformer
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(eg from a piezoelectric transformer), short ultrasonic pulses in the part to be measured. Ultrasonic waves propagate through the material with a determined speed, and they are reflected several times by the internal defects in the. material of the workpiece, as well as by its front and rear walls. We can therefore speak of the emitted impulse and the first reflected impulse and the following ones. The reflected impulses are picked up by the same electro-acoustic transformer or by another, which converts them into electric oscillations.
The thickness of the workpiece measured is proportional to the time interval between the emitted pulse and the first reflected pulse or respectively to the time difference of two neighboring reflected pulses. The constant of proportionality is half the speed of sound in the material being measured.
By means of the ultrasonic echo one can practically measure the thickness of work pieces from a few millimeters to higher thicknesses; for these common cases, care is taken to ensure that the difference in time between two neighboring pulses is of the order of magnitude of 10 to 6 seconds. These short time intervals are measured in various ways in the devices mentioned.
Most often devices are used in which the time intervals are measured on the screen of a cathode ray tube, etc. so that the duration of the interval between two pulses is read directly or the number of reflected pulses is established
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within a known period of time. These devices necessarily require for the determination of time what is called a time base, which is calibrated with time marks of known length; Another, simplified method is based on the fact that at the output of the receiver is attached a tuned oscillating circuit, the resonant frequency of which can be adjusted so that it corresponds to the frequency of the multiple echo.
The methods mentioned for measuring thickness by ultrasound have certain drawbacks. Not to mention the need for a fairly expensive device, that is to say a cathode ray tube, together with power sources for a time base device or even a marker. time for the calibration of the time base, reading the interval between two neighboring pulses or respectively the number of pulses in a given period of time, is a rather complicated operation, which requires a certain time. As a result, the accuracy of the result is not guaranteed, since the time base is not completely linear.
In using the resonance method, the oscillating circuit must be re-tuned for 1 @ each thickness to be measured, which also is complicated and time consuming.
Another drawback of this method is that multiple echoes in work pieces with high absorption coefficients can be significantly damped, which makes the measurement unreliable;
A known method of measuring the thickness of a workpiece by ultrasound relies on the fact that the time interval between two neighboring pulses is not used directly for the measurement,
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but to emit a signal (for example switching on an incandescent lamp when passing a predetermined wall thickness). In the event that the thickness of a workpiece has to be established, the device must be tuned until the signal is transmitted, in this case the thickness of the workpiece may be read on a calibrated scale.
This simple method, which requires neither a cathode ray tube nor a time base device with time marker, is particularly advantageous for the continuous monitoring of a specified minimum wall thickness. However, here too the unknown wall thickness must be determined by the setting.
Unlike the last-mentioned method, the present invention provides an essential improvement which is that by maintaining the simplified conception of the method employed, the invention allows direct reading.
The essence of the invention is based on. the fact that from two pulses at the output of the receiver, that is to say the transmission pulse and the first reflected pulse, a single rectangular pulse is formed whose duration corresponds. the time difference between the two pulses. The area of this rectangular pulse is therefore directly proportional to the thickness of the measured wall. The average value of these rectangular pulses is transmitted to a measuring device with a movable frame, which is calibrated in units of time or else in units of length; can thus read the thickness of the measured workpiece.
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Another essential feature of the invention is that the second reflected pulse and each subsequent reflected pulse in the indicating device are suppressed, thereby excluding the influence of uneven absorption. of various materials and possibly other defects.
An embodiment of the object of the invention is shown in the accompanying drawings.
In Figure 1 there is shown an overall diagram of the device according to the invention. This is made up of known elements: emitter 1, electro-acoustic transformer 2, controlled amplifier ("gated amplifier") 4, bistable multivibrator 5, integrator 7 and frame measuring device mobile 8. If necessary, another integration unit can be added 6.
The device operates as follows:
From the transmitter 1 high frequency electrical pulses of appropriate sequential frequency are emitted into the electro-acoustic transformer 2 (for example a quartz or barium titanate transformer). This transformer 2 emits in the workpiece 3 to be examined ultrasonic waves modulated by pulses, which are reflected by the opposite wall and are again picked up by the same transformer 2 (or one by another), being thus reconverted by the latter into electrical pulses.
The latter are amplified by a controlled amplifier (gated amplifier) 4, the sensitivity of which before the arrival of the transmission pulse (V - FIG. 2a) is notably reduced, for example by a negative auxiliary voltage of one of the gates d 'any electron tube. Part of the pulse
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transmission is conducted from the transmitter 1 to the input of the bistable multivibrator 5, which is thus switched from one rest position to the other position; a rectangular pulse begins to form at its input, the shape of which is shown in FIG. 2b.
This pulse travels as a control pulse through the integrating member 6, thus obtaining an exponential increase in the front, see FIG. 2c, and then returns to the amplifier, the sensitivity of which increases in relation to the look of his forehead. By the exponential increase of the front of the pulse, one prevents the obstruction of the amplifier 4. The peak voltage of the emission pulse has the order of magnitude 102V, unlike the peak voltage of the. reflected pulse which has the order of magnitude 10-3 to 10-2V. As long as one chooses the time constants of the individual stages of the amplifier 4 so that there is no danger of it obstructing, one can omit the integration member 6.
The first reflected pulse (I-figure 2a) is reinforced by the amplifier to the value necessary for the excitation of the bistable multivibfator 5. By tilting the multivibrator 5 back to its initial position, the pulse is obtained. rectangular which thus has its beginning at the moment of the flow of the emission pulse and its end at the moment of the start of the first reflected pulse. As a result, the sensitivity of amplifier 4 is reduced at the same time according to the shape of signal 0 '(FIG. 2c) or directly according to the shape of signal 0 (FIG. 2b).
Amplifier 4 therefore only has its full sensitivity until the arrival of
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the first reflected pulse I; therefore the second reflected signal (II - figure 2a) and the following ones no longer have any effect on the tilting of the bistable multivibrator 5.
The rectangular pulses coming from the multivibrator 5 are integrated by the element 7, thus obtaining their average value which is indicated by the movable frame instrument 8. The indication of the movable frame instrument 8 corresponds to l time interval between the transmit pulse and the first reflected pulse; it can, for a given material, be directly calibrated in units of length for the measurement of thickness.
FIG. 2 shows the shape of the pulses at various parts of the device as well as their correlation over time. Figure 2a shows the pulses to the electro-acoustic transformer 2 (figure 1).
The pulses V and I, written in solid lines, appear with an appropriate reinforcement at the output of amplifier 4, while the pulses in broken lines II, III, etc. as a result of the control of the sensitivity of the amplifier 4, are deleted.
FIG. 2b shows the rectangular pulses 0 at the output of the bistable multivibrator 5. Their average value S at the output of the integration circuit 7 is represented in broken lines. The pulses 0 'which possibly prevent the obstruction of amplifier 4 are shown in FIG. 2c. To adjust the sensitivity, control pulses 0 or 0 'are used as required.
The device according to the invention is suitable for
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measuring thicknesses of a material in the range of a few millimeters to several decimeters, in particular in cases where only one wall of the workpiece is accessible.
An important application of the invention is, for example, the measurement of the wall thickness of tubular conduits for pendant liquid or gaseous substances. their service, boiler walls, etc.
In examining a material without causing damage to it, the apparatus according to the invention can be used for the simple determination of the depth of defects in the material.
The invention can also be extended adequately to research work. One can for example with it easily measure the sonic speed in a given material, etc.
CLAIMS.
1. Ultrasonic measurement method of the thickness of work pieces using the pulse reflection method, characterized in that from the emission pulse ( V - figure 2a) and from the first reflected pulse (I - figure 2a) a rectangular pulse (0 - figure 2b) is formed, the length of which is. identical to the time difference between these two pulses (V and I) and the average value of which (S - FIG. 2b) is in a determined ratio with the wall thickness of the part tested.