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OSCILLATEUR NUMERIQUE ET CIRCUIT D'ALIMENTATION D'UNE
SONDEA COURANTS DE FOUCAULT
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un
oscillateur numérique, et un circuit d'alimentation
d'une sonde à courants de Foucault.
Etat de la technique antérieure
Un appareil à courants de Foucault
multifréquence classique, tel que décrit dans l'ouvrage
intitulé ~ Non Destructive Testing Handbook ~, (Mac
Master R.C. (ed), American Society For Non Destructive
Testing , 1986, Vol. 4), et plus précisément dans les
sections 20 : ~ Concepts Of Multifrequency Eddy Current
Testing ~ (R. Saglio, Intercontrole Inc., Rungis,
France et M. Pigeon, Commissariat à l'Energie Atomique,
France) et 11 : ~ Electronic Analysis Circuits For Eddy
Current Test ~ (E.J. Strauts, Magnaflux Corporation,
Chicago ILL, USA), a un synoptique tel que celui
représenté à la figure 1. Il comprend successivement un
oscillateur-équilibreur 10, un injecteur 11, un
démodulateur 12 délivrant une sortie numérique SN.
L'oscillateur a pour fonction de produire
un signal multifréquence sur la base d'une somme de 1 à
N sinusoïdes pures. L'équilibreur a pour fonction de
minimiser l'influence des porteuses pour amplifier
relativement le signal modulant (signal courants de
Foucault).
~f CA 022l~484 l997-09-0~
.
., ., . ~
?,~ 3 ~ J "- ~ r
L'injecteur 11 a pour fonction d'alimenter
un capteur 13 dans lequel s'effectue la modulation par
courants de Foucault.
Le démodulateur 12 a pour fonction
d'extraire le signal modulant (modulation par courants
de Foucault) des porteuses utilisées.
Dans un tel appareil, les données
techniques sont généralement les suivantes :
- les porteuses sinusoïdales ont une
fréquence comprise entre 1 kHz et 4 Mhz ;
j CA 022l~484 l997-09-0~
.
. ~ ~
- un appareil de mesure utillse couramment
entre une et quatre porteuses simultanément i
- la bande passante des signaux courants de
Foucault ne dépasse pas 1 kHz ;
- la modulation par courants de Foucault
est une modulation complexe : amplitude et phase ;
- le démodulateur 12 a pour fonction
d'extraire ces deux informations pour chacune des
porteuses. Il extrait sous forme cartésienne le
signal modulé dans le capteur, ayant l'équation
suivante : X cos(wt) + Y sin(wt). Le démodulateur extrait
X et Y.
L'une des manières de réaliser la fonction
oscillateur consiste à faire osciller un montage à base
d'amplificateur opérationnel. La fréquence générée
dépend alors des valeurs des composants passifs
connectés autour du circuit intégré. L'avantage est que
la fréquence produite est réglable avec précision à
l'aide d'un simple potentiomètre. Les inconvénients
sont les suivants :
- le réglage de la fréquence est manuel ;
- les caractéristiques du signal produit
(fréquence, amplitude, qualité..) sont sensibles à des
paramètres extérieurs à la mesure comme la
température ;
- il faut une carte oscillateur pour chaque
porteuse à générer.
Cet oscillateur peut être un oscillateur
numérique, tel que décrit dans l'ouvrage intitulé
~ Circuits intégrés et techniques numériques ~ de R.
Delsol (Editions SUP'AERO, pages 282-286, voir en
particulier la figure XIII-8), ayant la structure
' CA 022ls484 l997-09-0s
~r~ n.~lFiEE
représentée à la figure 2. Il comprend alors un
oscillateur à quartz 20, un compteur 21, une mémoire
~ROM 22, un convertisseur numérique-analogique 23 et un
filtre 24.
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WO 97/01136 PCT/FR~6~ S ~S
L'oscillateur à quartz 20 assure une très
grande stabilité de la fréquence produite.
Le compteur 21 est un compteur programmable
dont les sorties constituent le bus d'adresses de la
mémoire PROM.
La mémoire PROM 22 est un ensemble de
mémoires non volatiles, effaçables par rayonnement
ultraviolet et donc reprogrammables. Ces mémoires
contiennent les échantillons d'un certain nombre de
sinusoïdes numérisées à la fréquence du quartz.
Le convertisseur 23 est un convertisseur
numérique-analogique 12 bits rapide. Il est suïvi du
filtre passe-bas 24 chargé d'éliminer la fréquence du
quartz.
Cet oscillateur présente l'avantage de ne
pas dériver en fonction de la température ou des autres
événements extérieurs. Il présente toutefois les
inconvénients suivants :
- le choix de fréquences est limité : en
effet, à un instant donné, toutes les fréquences
pouvant être générées sont stockées dans la mémoire
PROM. Si l'utilisateur veut une fréquence qui n'est pas
en mémoire, il doit arrêter l'appareil, retirer les
mémoires PROM de la carte oscillateur, et les remplacer
par un autre jeu de circuits ;
- il faut un ensemble tel que celui
illustré sur la figure 2 par fréquence à générer. Il
faut quatre ensembles pour un appareil à courants de
Foucault multifréquence standard ;
- il n'est pas possible de générer
n'importe quelle fréquence. ~n effet, les fréquences
possibles sont données par la formule :
F P Fq
N
P est le nombre de périodes de sinusoïdes numérisées,
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Wo 97/0l136 PCT/FR~
Fq est la fréquence du quartz,
N est le nombre de points numérisés,
P etN sont des entiers.
On voit donc que l'on peut générer plus de
basses fréquences que de hautes. Le principe est de
diviser Fq par un entier. La résolution est d'autant
plus fine que l'on se trouve dans les hautes valeurs de
N. On a par exemple:
10 P=l: une seule période de sinusoïde est décrite,
Fq=l O MHz,
N=4 on a la fréquence 2.5 MHz;- pour N=5 on a 2
MHz, soit 500 kHz d'écart pour un seul pas. En
revanche, pour N=400 on a 25 kHz et: pour N=401 on a
15 24938 Hz, soit un écart de seulement 62 Hz pour un seul
pas. Et il est impossible de générer des fréquences
entre 2 et 2.5 MHz. C'est une limitation qui peut
s'avérer gênante dans les conditions d'utilisation d'un
appareil à courants de Foucault.
Un autre type d'oscillateur numérique est
représenté sur la figure 3. Il comprend un oscillateur
à quartz 30, un compteur 31 suivi de quatre mémoires
32, un sommateur 33, un convertisseur numérique-
25 analogique 34 et un filtre 35.
Le compteur 31 commande cette fois-ci
quatre bus d'adresses.
Les mémoires 32 sont de type volatile. De
la même manière que les mémoires PROM, elles sont
30 chargées par des sinusoïdes numérisées.
A chaque coup d'horloge du quartz 30 une
addition est effectuée entre les quatre bus de données
des mémoires. L'addition est effectuée par une unité de
calcul temps réel. La sortie de l'oscillateur est
3~ identique au précédent.
CA 0221~484 1997-09-0~
FEUILLF ji'n.r'i~~lr-.r
Cet oscillateur a l'avantage de pouvoir
générer une somme de signaux et d'être reprogrammable
par simple paramétrage. Un microprocesseur embarqué
dans l'appareil est capable de recalculer les
échantillons à stocker dans les mémoires. En revanche,
il a l'inconvénient d'être lourd dans sa structure :
complexité à gérer les différents bus et les différents
compteurs programmables.
Un autre document de l'art antérieur, US-A-
10 4 283 768, décrit un générateur de signaux numériques
permettant de générer des formes d'ondes complexes de
fréquences multiples et de phases sélectionnées dans le
domaine temporel.
Exposé de l'invention
La présente invention concerne un circuitd'alimentation d'une sonde à courants de Foucault,
caractérisé en ce qu'il comprend deux oscillateurs
numériques générant deux signaux synchronisés, l'un
servant pour l'injection, l'autre pour l'équilibrage,
les deux oscillateurs numériques utilisant le même
oscillateur à quartz ; chaque oscillateur numérique
comprenant un compteur relié à l'oscillateur à quartz,
une mémoire qui mémorise un signal complexe, un
convertisseur numérique-analogique et un filtre passe-
bas.
Avantageusement ce circuit comprend une
sortie qui est reliée à un accès de mesure absolue. Les
deux fonctions de détection de courants de Foucault et
d'alimentation de la sonde sont séparées. Ce circuit
comprend deux amplificateurs, le premier assurant
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WO97/01136 PCT~R~ G~1~
l'asservissement de la tension et permettant de
prélever à sa sortie une tension de mesure absolue, et
le second assurant llalimentation de la sonde.
Avantageusement llentrée du second
amplificateur est reliée à une entrée d'équilibrage, et
l'équilibrage est réalisé au travers d'un oscillateur
numérique particulièrement apte à assurer cette
fonction.
lo Brève description des dessins
- La figure 1 illustre un appareil à
courants de Foucault multifréquence de l'art connu ;
- la figure 2 illustre un premier
oscillateur numérique de l'art connu ;
- la figure 3 illustre un second
oscillateur numérique de l'art connu ;
- la figure 4 illustre l'oscillateur
numérique selon l'invention ;
- la figure 5 illustre un système
d'équilibrage utilisant l'oscillateur de l'invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation
2s L'oscillateur de l'invention, représenté
sur la figure 4, comprend un oscillateur à quartz 40,
un compteur 41, une mémoire volatile 42, un
convertisseur numérique-analogique 43 et un filtre 44.
Le compteur 41 n'est plus programmable : il
balaye en permanence la totalité des adresses de la
mémoire 42. L'innovation consiste à stocker directement
dans la mémoire 42 un signal complexe qui est la somme
de plusieurs signaux électriques qui peuvent être des
signaux carrés, triangles ou sinusoïdaux : par exemple
une somme de sinuso~des, au lieu de faire les additions
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WO97/01136 PCT~R~G/~C916
par la suite. Les fréquences possibles sont données par
la formule :
k. Fq
Taille mé moire
k= l, 2, 3......
La plus petite fréquence possible est donc
la division de Fq, fréquence du quartz, par la taille
de la mémoire utilisée. On peut ensuite générer tous
les multiples de cette fréquence : la résolution de la
mémoire 42 est donc continue de Fq Itaille mémoi~ àFq /2 .
Par ailleurs, toutes les fréquences étant
décrites par le même nombre d'emplacements mémoire, il
est facile de faire la somme de plusieurs sinusoïdes
avant d'écrire dans la mémoire.
Cette solution réunit donc tous les
avantages :
- grande simplicité de construction i
- résolution de fréquences possibles
dépendant de la taille de la mémoire, mais fixe ;
- capacité à générer des sommes de
sinusoïdes (ou ~omme de signaux).
L'oscillateur tel que décrit ci-dessus peut
être utilisé dans un circuit d'alimentation d'une sonde
à courants de Foucault. La structure est alors celle
représentée sur la figure 5.
Deux oscillateurs 50 et 51 génèrent deux
- 30 signaux synchronisés I et E, ces deux oscillateurs
utilisant le même quartz 52. Ces deux signaux servent
l'un (I) pour l'injection, l'autre (E) pour
l'équilibrage. La tension d'injection I sur une
première entrée d'un premier amplificateur 53 au
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WO 97/01136 PCT/FR~)6i'~,J9~6
travers d'une résistance R1, la seconde entrée de cet
amplificateur étant à la masse, la sortie étant reliée
à l'entrée d'un autre amplificateur 54 au travers une
résistance R4, la tension d'équilibrage E est également
reliée à cette entrée à travers une résistance R5. La
sortie du second amplificateur 54 est reliée à la sonde
à courants de Foucault 55 à travers une résistance R6.
Une résistance R2 est disposée entre la première entrée
et la sortie du premier amplificateur 53. Une
résistance R3 est disposée entre la première entrée du
premier amplificateur R6 et la sonde 55.
Dans un exemple de réalisation les
résistances ont les valeurs suivantes : .
15R1 = R3 = 1 kQ
R2 = 40 kQ
R4 = 2 kQ
R5 - 650 Q
R6 _ 300 Q
Cette structure permet une amélioration
substantielle du procédé d'équilibrage décrit dans un
brevet européen EP-A-0 086 158. Ce brevet décrit, en
effet, un circuit d'alimentation d'une sonde à courants
de Foucault à deux enroulements, à deux voies
d'alimentation en parallèle reliées à une sonde par un
câble, chaque voie comprenant un enroulement de
référence, et un circuit d'amplification à résistance
de contre-réaction, dans lequel l'équilibrage est
réalisé par un amplificateur disposé dans chaque voie.
En effet, le réglage de phase s'effectue
dans l'invention de manière extrêmement précise en
chargeant dans la mémoire de chaque oscillateur un
signal déphasé par rapport à l 'autre. Par ailleurs la
nécessité de générer un signal d'équilibrage est bien
=
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WO 97/01136 PCT/FR9G~ J9 ~S
liée à l'utilisation d'un injecteur du type décrit dans
le brevet européen EP-A-0 086 158.
