EP0834103A1 - Oscillateur numerique et circuit d'alimentation d'une sonde a courants de foucault - Google Patents

Oscillateur numerique et circuit d'alimentation d'une sonde a courants de foucault

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EP0834103A1
EP0834103A1 EP96922951A EP96922951A EP0834103A1 EP 0834103 A1 EP0834103 A1 EP 0834103A1 EP 96922951 A EP96922951 A EP 96922951A EP 96922951 A EP96922951 A EP 96922951A EP 0834103 A1 EP0834103 A1 EP 0834103A1
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EP
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oscillator
eddy current
digital
balancing
memory
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Edouard De Ledinghen
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Intercontrole SA
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9046—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents by analysing electrical signals
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/02—Digital function generators
    • G06F1/03—Digital function generators working, at least partly, by table look-up
    • G06F1/0321—Waveform generators, i.e. devices for generating periodical functions of time, e.g. direct digital synthesizers
    • G06F1/0328—Waveform generators, i.e. devices for generating periodical functions of time, e.g. direct digital synthesizers in which the phase increment is adjustable, e.g. by using an adder-accumulator
    • G06F1/0335—Waveform generators, i.e. devices for generating periodical functions of time, e.g. direct digital synthesizers in which the phase increment is adjustable, e.g. by using an adder-accumulator the phase increment itself being a composed function of two or more variables, e.g. frequency and phase

Definitions

  • the present invention relates to a digital oscillator, and to a supply circuit for an eddy current probe.
  • a conventional multifrequency eddy current device has a block diagram such as that shown in FIG. 1. It successively comprises an oscillator-balancer 10, an injector 11, a demodulator 12 delivering a digital output SN.
  • the function of the oscillator is to produce a multi-frequency signal on the basis of a sum of 1 to N pure sine waves.
  • the function of the balancer is to minimize the influence of the carriers to relatively amplify the modulating signal (eddy current signals).
  • the injector 11 has the function of supplying a sensor 13 in which the eddy current modulation takes place.
  • the function of the demodulator 12 is to extract the modulating signal (eddy current modulation) from the carriers used.
  • the sinusoidal carriers have a frequency between 1 kHz and 4 MHz; - a measuring device commonly used between one and four carriers simultaneously;
  • the bandwidth of eddy current signals does not exceed 1 kHz;
  • the eddy current modulation is a complex modulation: amplitude and phase;
  • the demodulator 12 has the function of extracting these two pieces of information for each of the carriers. It extracts in Cartesian form the signal modulated in the sensor, having the following equation: X cos (wt) + Y sin (wt). The demodulator extracted
  • One of the ways to achieve the oscillator function is to oscillate a circuit based on operational amplifier.
  • the frequency generated then depends on the values of the passive components connected around the integrated circuit.
  • the advantage is that the frequency produced is precisely adjustable using a simple potentiometer.
  • the disadvantages are:
  • the characteristics of the signal produced are sensitive to parameters external to the measurement, such as temperature;
  • This oscillator can be a digital oscillator having the structure shown in FIG. 2. It then includes a quartz oscillator 20, a counter 21, a PROM memory 22, a digital-analog converter 23 and a filter 24.
  • the quartz oscillator 20 ensures very high stability of the frequency produced.
  • the counter 21 is a programmable counter whose outputs constitute the address bus of the PROM memory.
  • the PROM memory 22 is a set of non-volatile memories, erasable by ultraviolet radiation and therefore reprogrammable. These memories contain the samples of a certain number of sinusoids digitized at the frequency of quartz.
  • the converter 23 is a fast 12-bit digital-to-analog converter. It is followed by the low-pass filter 24 responsible for eliminating the frequency of the quartz. This oscillator has the advantage of not drifting depending on the temperature or other external events. However, it has the following disadvantages:
  • the choice of frequencies is limited: in fact, at a given instant, all the frequencies that can be generated are stored in the PROM memory. If the user wants a frequency that is not in memory, he must stop the device, remove the PROM memories from the oscillator card, and replace them with another set of circuits;
  • F - P - F , NP is the number of digitized sinusoid periods
  • F q is the frequency of quartz
  • N is the number of points digitized
  • Pet / V are integers.
  • FIG. 3 Another type of digital oscillator is shown in FIG. 3. It comprises a quartz oscillator 30, a counter 31 followed by four memories 32, a summator 33, a digital-analog converter 34 and a filter 35.
  • the counter 31 this time controls four address buses.
  • the memories 32 are of the volatile type. In the same way as the PROM memories, they are loaded by digital sinusoids.
  • an addition is made between the four data buses of the memories.
  • the addition is carried out by a real-time calculation unit.
  • the oscillator output is identical to the previous one.
  • This oscillator has the advantage of being able to generate a sum of signals and to be reprogrammable by simple configuration.
  • a microprocessor on board the device is capable of recalculating the samples to be stored in the memories.
  • it has the disadvantage of being heavy in its structure: complexity in managing the different buses and the different programmable counters.
  • the present invention relates to a digital oscillator comprising an oscillator, a counter, a memory, a digital-analog converter and a low-pass filter, characterized in that the memory is capable of directly memorizing a complex signal, in particular a sum of sinusoids at different frequencies as used in eddy current measuring devices, which eliminates the need for a real time calculation unit.
  • the oscillator can be used in an eddy current device for excitation, balancing or demodulation functions.
  • this oscillator can be used in a supply circuit of an eddy current probe.
  • This circuit then includes two oscillators generating two synchronized signals, one used for injection and the other for balancing.
  • this circuit includes an output which is connected to an absolute measurement access.
  • the two eddy current detection and probe supply functions are separate.
  • This circuit includes two amplifiers, the first ensuring the voltage control and allowing to take an absolute measurement voltage at its output, and the second ensuring the supply of the probe.
  • the input of the second amplifier is connected to a balancing input, and balancing is carried out through a digital oscillator which is particularly suitable for performing this function.
  • FIG. 1 illustrates a multi-frequency eddy current device of the known art
  • FIG. 3 illustrates a second digital oscillator of the known art
  • - Figure 4 illustrates the digital oscillator according to the invention
  • - Figure 5 illustrates a balancing system using the oscillator of the invention.
  • the oscillator of the invention shown in FIG. 4, comprises a quartz oscillator 40, a counter 41, a volatile memory 42, a digital-analog converter 43 and a filter 44.
  • the counter 41 is no longer programmable: it permanently scans all the addresses of the memory 42.
  • the innovation consists in storing directly in the memory 42 a complex signal which is the sum of several electrical signals which can be square signals , triangles or sinusoids: for example a sum of sinusoids, instead of adding thereafter.
  • the possible frequencies are given by the formula:
  • the smallest possible frequency is therefore the division of F q , frequency of the quartz, by the size of the memory used. We can then generate all the multiples of this frequency: the resolution of memory 42 is therefore continuous from F q / memory size to F q 12.
  • the oscillator as described above can be used in a supply circuit of an eddy current probe.
  • the structure is then that shown in FIG. 5.
  • Two oscillators 50 and 51 generate two synchronized signals I and E, these two oscillators using the same crystal 52. These two signals serve one (I) for injection, the other (E) for balancing.
  • the output of the second amplifier 54 is connected to the eddy current probe 55 through a resistor R6.
  • a resistor R2 is disposed between the first input and the output of the first amplifier 53.
  • a resistor R3 is disposed between the first input of the first amplifier R6 and the probe 55.
  • the resistors have the following values:
  • R2 40 k ⁇
  • R4 2 k ⁇

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Abstract

La présente invention concerne un oscillateur numérique comprenant un oscillateur (40), un compteur (41), une mémoire (42), un convertisseur numérique-analogique (43) et un filtre passe-bas (44). La mémoire est apte à mémoriser directement un signal complexe, ce qui permet de ne pas utiliser une unité de calcul temps réel. Application notamment à la mesure par courants de Foucault.

Description

OSCILLATEUR NUMERIQUE ET CIRCUIT D'ALIMENTATION D'UNE SONDE A 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 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) . 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 ; - un appareil de mesure utilise couramment entre une et quatre porteuses simultanément ;
- 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 ety .
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 ayant la structure représentée à la figure 2. Il comprend alors un oscillateur à quartz 20, un compteur 21, une mémoire PROM 22, un convertisseur numérique-analogique 23 et un filtre 24. 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 suivi 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. En effet, les fréquences possibles sont données par la formule :
F - P-F, N P est le nombre de périodes de sinusoïdes numérisées, Fq est la fréquence du quartz,
N est le nombre de points numérisés, Pet/V 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 W. On a par exemple : P=l : une seule période de sinusoïde est décrite, Fq≈10 MHz,
Λ/=4 on a la fréquence 2.5 MHz ; pour Λ/=5 on à 2 MHz, soit 500 kHz d'écart pour un seul pas.' .En revanche, pour Λ/=400 on a 25 kHz et pour Λ/=401 on a 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- 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 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 identique au précédent. 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 .
Exposé de l'invention
La présente invention concerne un- oscillateur numérique comprenant un oscillateur, un compteur, une mémoire, un convertisseur numérique- analogique et un filtre passe-bas, caractérisé en ce que la mémoire est apte à mémoriser directement un signal complexe, en particulier une somme de sinusoïdes à des fréquences différentes telles qu'employées dans les appareils de mesure par courants de Foucault, ce qui permet de ne pas utiliser une unité de calcul temps réel.
L'oscillateur peut être utilisé dans un appareil à courants de Foucault pour les fonctions d'excitation, d'équilibrage ou de démodulation. Dans une application avantageuse cet oscillateur peut être utilisé dans un circuit d'alimentation d'une sonde à courants de Foucault. Ce circuit comprend alors deux oscillateurs générant deux signaux synchronisés, l'un servant pour l'injection et l'autre pour l'équilibrage.
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 l'asservissement de la tension et permettant de prélever à sa sortie une tension de mesure absolue, et le second assurant l'alimentation de la sonde.
Avantageusement l'entrée 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.
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
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 sinusoïdes, au lieu de faire les additions par la suite. Les fréquences possibles sont données par la formule :
k.Fn
F = -
Taille _ mé moire
k= 1 , 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 /taille mémoire à Fq 12 .
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 ; - résolution de fréquences possibles dépendant de la taille de la mémoire, mais fixe ;
- capacité à générer des sommes de sinusoïdes (ou somme 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 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 travers d'une résistance RI, 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 :
RI = R3 = 1 kΩ
R2 = 40 kΩ R4 = 2 kΩ
R5 Ξ 650 Ω R6 ≡ 300 Ω 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 1 'autre. Par ailleurs la nécessité de générer un signal d'équilibrage est bien liée à l'utilisation d'un injecteur du type décrit dans le brevet européen EP-A-0 086 158.

Claims

REVENDICATIONS
1. Oscillateur numérique comprenant un unique oscillateur (40), un compteur (41), une mémoire (42) , un convertisseur numérique-analogique (43) , et un filtre passe-bas (44), caractérisé en ce que la mémoire (42) est apte à mémoriser directement un signal complexe, en particulier une somme de sinusoïdes à des fréquences différentes telles qu'employées dans les appareils de mesure par courants de Foucault, ce qui permet de ne pas utiliser une unité de calcul temps réel.
2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un appareil à courants de Foucault, pour les fonctions d'excitation, d'équilibrage ou de démodulation.
3. Circuit d'alimentation d'une sonde à courants de Foucault, caractérisé en ce qu'il comprend deux oscillateurs (50, 51) tels que celui décrit dans l'une quelconque des revendications précédentes générant deux signaux synchronisés, l'un servant pour l'injection, l'autre pour l'équilibrage.
4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une sortie qui est reliée à un accès de mesure absolue.
5. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux fonctions de détection de courants de Foucault et d'alimentation de la sonde sont séparées.
6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux amplificateurs, le premier assurant l'asservissement de la tension et permettant de prélever à sa sortie une tension de mesure absolue, et le second assurant l'alimentation de la sonde.
7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'entrée du second amplificateur est reliée à une entrée d'équilibrage, et en ce que l'équilibrage est réalisé au travers d'un oscillateur numérique particulièrement apte à assurer cette fonction.
EP96922951A 1995-06-20 1996-06-19 Oscillateur numerique et circuit d'alimentation d'une sonde a courants de foucault Withdrawn EP0834103A1 (fr)

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