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Die
Erfindung betrifft ein Sensorrad zur akustischen Untersuchung eines
Messobjektes mit mindestens einem innerhalb des Sensorrades angeordneten
Ultraschallstrahlung erzeugenden Schallwandler und dessen Verwendung.
Eine entsprechende Vorrichtung zur akustischen Untersuchung von
Eisenbahnschienen geht aus der
US
4,174,636 oder der
EP
1 132 735 A1 hervor.
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Für die Untersuchung
von Materialeigenschaften großflächiger Objekte,
wie beispielsweise Eisenbahnschienen, insbesondere für das Diagnostizieren
von Fehlstellen haben sich Ultraschallmessmethoden als vorteilhaft
und zuverlässig
erwiesen. Dazu wird Ultraschall von einem Schallwandler in das zu
untersuchende Objekt gesendet, dort reflektiert und von demselben
oder einem weiteren Schallwandler zur weiteren Auswertung erfasst.
Zur besseren Ankopplung an das Messobjekt wird wegen der ansonsten
großen
Reflektionsverluste an der Grenzfläche Schallwandler-Luft bzw.
Messobjekt-Luft zwischen Schallwandler und Messobjekt in der Regel
ein Koppelmittel, beispielsweise in Form einer Flüssigkeit
(z. B. Wasser, Öl),
verwendet. Um ständig
einen Flüssigkeitsfilm
zwischen Schallwandler und Messobjekt zu gewährleisten, muss der Wandler
möglichst parallel über das
zu untersuchende Objekt geführt werden,
da sonst der Koppelfilm abreißen
könnte. Bei
großflächigen Messobjekten
ist außerdem
mit einem hohen Verbrauch an Koppelmittel zu rechnen, das darüber hinaus
benetzend auf der untersuchten Oberfläche zurückbleibt. Insbesondere für die Untersuchung
von Eisenbahnschienen erweist sich diese Ultraschallmessmethode
aus genannten Gründen als
nachteilig.
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Mit
der
EP 1 132 735 A1 und
US 4 174 636 sind Vorrichtungen
zur Fehlerdetektion an Eisenbahnschienen angegeben. In beiden Schriften
handelt es sich um eine Ultraschallmessvorrichtung in Form eines
Rades, das für
eine Untersuchung entlang einer Schiene über diese gerollt werden muss. In
einem Innenbereich des jeweiligen Rades sind ortsfest in Richtung
des Messobjektes ausgerichtete Ultraschallwandler angeordnet, die
sich während
der Messung nicht mit dem Rad mitdrehen. Die Kopplung des Ultraschallwandlers
an die zu untersuchende Schiene erfolgt gemäß
EP 1 132 735 A1 über eine zur
Schiene parallel verlaufende Gleitplatte, die während der Messung über die
Innenseite des entsprechenden Radreifens hinweggleitet. Da die Gleitplatte den
Radreifen eben auf die Schiene presst, wird zur Reibungsverminderung
zwischen Gleitplatte und Radreifeninnenseite ein Gleitmittel, insbesondere eine
Flüssigkeit,
verwendet. Die Ultraschallmessvorrichtung gemäß
US 1 174 636 umfasst zur Kopplung des
Ultraschallsignals keine Gleitplatten. Hier sind die in Richtung
Schiene ausgerichteten feststehenden Schallwandler vollständig von
Koppelflüssigkeit umgeben,
die den gesamten versiegelten Hohlraum des Rades ausfüllt. Gemäß beiden
genannten Schriften ist der jeweilige Radinnenraum mit Flüssigkeit
gefüllt.
Aufgrund von Blasenbildung und entstehender Wirbel in der Flüssigkeit
können
beide offenbarten Vorrichtungen nur bei relativ geringen Drehgeschwindigkeit
des Rades betrieben werden, die eine maximale Untersuchungsgeschwindigkeit
von ca. 50 km/h erlauben.
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In
der Offenlegungsschrift WO 94/22008 A1 ist eine radförmige Ultraschall-Messvorrichtung
zur akustischen Untersuchung von Eisenbahnschienen angegeben. Ein
keilförmiger
Körper
ist dabei innerhalb der radförmigen,
mit einer Koppelflüssigkeit
gefüllten
Messvorrichtung an deren Achse drehfest befestigt. Oberhalb der
Achse sind außerhalb
am keilförmigen
Körper
drei Ultraschallwandler angebracht, wobei zwei Ultraschallwandler
derart ausgerichtet sind, dass Ultraschallstrahlen in Richtung der
zu untersuchenden Schiene außerhalb
am Körper
vorbei aussendbar sind. Mittels des dritten Ultraschallwandlers
werden Ultraschallstrahlen durch eine Bohrung im Körper durch
diesen in Richtung der Schiene gesendet. Ein vierter Ultraschallwandler
ist an einer als Verlängerungsstück ausgestal teten
Halterung derart unterhalb der Achse in einem Winkel zur Schiene
angeordnet, dass eine Schrägeinstrahlung
von Ultraschallstrahlung in den Schienenkörper möglich ist. Eine erhöhte Blasenbildung
und Verwirbelungen innerhalb der radförmigen Messvorrichtung bei
hohen Geschwindigkeiten kann mit der Ausgestaltung der von der Koppelflüssigkeit
umgebenen Teile innerhalb der Messvorrichtung nicht vermieden werden.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
195 44 217 A1 ist eine Ultraschall-Prüfvorrichtung zum Prüfen insbesondere
von als Eisenbahnschienen ausgebildeten Prüfkörpern angegeben. Bei der Vorrichtung
sind als elektromagnetische Ultraschallwandler ausgebildete Prüfkopfelemente
auf einer Lauffläche
eines Prüfrades
angeordnet. Bei Abrollen der Lauffläche auf einer Fahrfläche der
Eisenbahnschiene sind die empfangenen Echosignale in Abhängigkeit
der über eine
Positionsdetektionsvorrichtung bestimmbaren Stellung des Prüfrades mit
einer Steuer- und Auswerteschaltung auswertbar.
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In
der Patentschrift
US 3,541,840 ist
ein Ultraschall-Sensorrad
zur Werkstoffprüfung
von Werkstoffen, insbesondere aus dem Bereich der Luftfahrt, angegeben.
Bei der Vorrichtung sind zahlreiche Ultraschallwandler auf einer
Lauffläche
des Sensorrades derart angeordnet, dass sie beim Abrollen auf einem
Messobjekt automatisch abhängig
von der Ausrichtung zum Messobjekt aktiviert und deaktiviert werden.
Das Sensorrad ist weiter aus zwei Radscheiben und drei konzentrisch
mit der Radachse ausgebildeten Ringen ausgestaltet, wobei der äußere der Ringe,
die Lauffläche
und die Ultraschallwandler umfasst.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorrad der eingangs genannten
Art anzugeben, das gegenüber
dem Stand der Technik eine höhere
Untersuchungsgeschwindigkeit ermöglicht
und universeller eingesetzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensorrad handelt
es sich um ein Sensorrad zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes
mit
- – einer
mit zwei Felgenringen versehenen, ultraschalldurchlässigen und
hinreichend massiv ausgebildeten Hohlwalze, die eine auf das Messobjekt
aufsetzbare Lauffläche
aufweist,
- – zwei
Radscheiben,
- – einer
Radachse, die ein innerhalb des Sensorrades konzentrisch mit der
Radachse ausgestaltetes und radial nach außen ausgedehntes zylinderförmiges Behältnis mit
zumindest in einem Teilbereich ultraschalldurchlässiger Zylinderfläche aufweist,
und
- – einem
ultraschalldurchlässigen
flüssigen
Koppelmittel zwischen Walze und Behältnis
wobei,
- – das
Behältnis
mindestens einen Ultraschallstrahlung erzeugenden Schallwandler
umfasst und
- – die
Ultraschallstrahlung durch das Koppelmittel, die Walze und die Lauffläche hindurch
in das Messobjekt aussendbar ist.
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Die
mit dieser Ausgestaltung des Sensorrades verbundenen Vorteile sind
insbesondere darin zu sehen, dass der gesamte das Koppelmittel fassende Bereich
innerhalb des Sensorrades möglichst
strömungsfreundlich
ausgestaltete ist, so dass bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen
sich drehenden und feststehenden Teilen des Sensorrades wenig Schlieren,
Verwirbelungen und Blasenbildung im Koppelmittel auftreten, die
zu Dichteinhomogenitäten im
Koppelmittel führen
können.
Durch die Dichteinhomogenitäten
kann je nach Ausprägung
die Auflösung
verschlechtert und insgesamt das gesamte Messsignal verfälscht werden.
Eine möglichst
stromlinienförmige
Ausgestaltung des das Koppelmittel fassenden Bereichs erlaubt somit
eine schnellere Drehbewegung des Rades und eine damit einhergehende
höhere
Geschwindigkeit bei der Untersuchung des Messobjektes. Damit sind
Untersuchungsgeschwindigkeiten von bis zu ca. 150 km/h möglich. Da das
Sensorrad erfindungsgemäß fast jeder
Oberflächenform
folgen kann, ohne dass die Messung verfälscht oder gar unmöglich wird,
kann es nicht nur zum Untersuchen von linearen Objekten, wie beispielsweise
Eisenbahnschienen, verwendet werden, sondern auch von gekrümmten Objekten.
Das Sensorrad ist demgemäß auch zur
Untersuchung von Walzen oder Rädern,
insbesondere Eisenbahnrädern,
geeignet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Sensorrades gemäß der Erfindung ergeben sich
aus den von Patentanspruch 1 abhängigen
Ansprüchen.
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So
besteht die Walze zumindest teilweise aus einem Polymer-Kunststoff, insbesondere EPDM(Ethylen-Propylen-Dien-Monomer)-Gummi. EPDM ist ein
Polymerisat aus Ethylen, Propylen und einem geringen Dien-Anteil.
Es ist ein elastisches, gute Ultraschallleitfähigkeit aufweisendes Material, das
in hohem Maße
mechanischen und thermischen Beanspruchungen standhalten kann. Das
Sensorrad kann sich somit bei gewährleisteter guter Ultraschallkopplung
Unebenheiten auf der Messobjektoberfläche gut anpassen und ist darüber hinaus
unempfindlich gegenüber
mechanischen und thermischen Beanspruchungen, die bei hohen Untersuchungsgeschwindigkeiten
auftreten können.
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Vorteilhaft
weist das Sensorrad mehrere über
die Zylinderfläche
des Behältnisses
verteilte Schallwandler auf. Dies erlaubt zum einen unterschiedliche
Betriebsmodi des Sensorrades, wie „pitch-catch"-Modus und „pulse-echo"-Modus, zum anderen
kann das Sensorrad mit unterschiedlichen, verschiedenen Anforderungen
genügenden
Ultraschallwandlern versehen werden, die je nach Bedarf in Position
gebracht werden. Hierzu kann die Sensorradachse justierbar bezüglich einer
Radaufhängung ausgeführt werden.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, dass mindestens ein erster Schallwandler
zum Aussenden von Ultraschallstrahlung in das Messobjekt und mindestens ein
zweiter Schallwandler zum Empfangen von reflektierter Ultraschallstrahlung
aus dem Messobjekt ausgelegt sind. Das Sensorrad kann so im so genannten „pitch-catch"-Modus betrieben
werden. Dies hat den Vorteil, dass in diesem Modus das Oberflächenecho
abgeschwächt
wird und somit eine bessere Detektion von oberflächennahen Fehlern erreicht wird.
Bei dieser Ausführung
des Sensorrades können auch
spezielle Schallwandler benutzt werden, die nur zum Senden bzw.
nur zum Empfangen ausgelegt sind.
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Vorteilhaft
kann auch mindestens ein Schallwandler sowohl zum Aussenden von
Ultraschallstrahlung in das Messobjekt als auch zum Empfangen von
reflektierter Ultraschallstrahlung aus dem Messobjekt ausgelegt
sein. Das Sensorrad kann so im so genannten „pulse-echo"-Modus betrieben
werden. Damit kann die Ultraschallstrahlung sowohl senkrecht als
auch in einem von 90° verschiedenen Einfallswinkel
in das Messobjekt eingestrahlt werden, wo sie reflektiert wird und
zurück
zum Schallwandler gelangt. Weiter ist es möglich, das erfindungsgemäße Sensorrad
mit mehreren solchen kombinierten Schallwandlern sowohl im „puls-echo"-Modus als auch im „pitchcatch"-Modus gleichzeitig
zu betreiben.
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Es
ist günstig,
dass mindestens eine Radscheibe mindestens ein Ventil zum Befüllen des
Koppelmittels aufweist. Das Befüllventil
ist damit leicht zugängliche
und gewährleistet
eine möglichst
einfache Befüllung.
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Hierzu
ist es von Vorteil, dass mindestens eine Radscheibe mindestens ein
weiteres Ventil zum Entlüften
des Sensorrades bei Befüllung
mit dem Koppelmittel aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass
das flüssige
Koppelmittel ohne Luftrückstände in den
das Koppelmittel fassenden Bereich des Sensorrades gefüllt werden
kann.
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Als
Vorteil erweist sich, dass mindestens eine Radscheibe Kühllamellen
aufweist. In Betrieb des Sensorrades, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten,
wärmt sich
das Gesamte Sensorrad auf. Mit den Kühllamellen kann die Temperatur
des Koppelmittels (z. B. entgastes Wasser, nicht entgastes Wasser, Öl) möglichst
konstant gehalten werden, um eine Änderung der Schallgeschwindigkeit
im flüssigen
Koppelmittel zu vermeiden.
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Weiter
ist günstig,
dass das Sensorrad mindestens einen Temperatursensor, insbesondere
zur Koppelmitteltemperaturbestimmung, aufweist. Bei Kenntnis der
Koppelmitteltemperatur kann somit unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit
der Schallgeschwindigkeit eine Signalkorrektur vorgenommen werden.
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Vorzugsweise
weist das Sensorrad mindestens einen Drucksensor auf, insbesondere
zur Koppelmitteldruckbestimmung. So ist es beispielsweise möglich, einen
eintretenden Koppelmittelverlust wegen des damit einhergehenden
Druckabfalls zu detektieren.
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Vorteilhaft
weist das Sensorrad mindestens ein Mittel zur Positionsbestimmung
auf. Damit kann das Messobjekt ortsaufgelöst vermessen werden. Dies lässt sich
beispielsweise mit einem im Sensorrad integrierten Drehwinkelmeßsystem,
das die Position der drehenden Hohlwalze gegenüber der feststehenden Sensorradachse
ermittelt, realisieren. Es kann aber auch mindestens einer der Radscheiben mit
Markierungen versehen sein, die beispielsweise über Lichtschranken auswertbar
sind. Ein solches Mittel zur Positionsbestimmung kann auch dazu
dienen, das erfindungsgemäße Sensorrad
mit anderen Untersuchungen (z. B. Gleisbettvermessung) bzw. Meßsystemen
(z. B. Wirbelstrommeßsysteme)
zu synchronisieren.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, dass Steuermittel zur Ansteuerung
des mindestens einen Schallwandlers und/oder Mittel zur Signalverarbeitung
vorgesehen sind. Dazu ist es günstig,
dass das Steuermittel und/oder das Mittel zur Signalverarbeitung über mindestens
einen durch die Achse geführten Leiter
mit dem mindestens einen Schallwandler verbunden sind. Hiermit lässt sich
auf besonders einfache Weise eine Verbindung zwischen einerseits Steuermitteln
zur Ansteuerung des mindestens einen Schallwandlers und/oder Mitteln
zur Signalverarbeitung und andererseits dem mindestens einen Schallwandler
schaffen. So kann beispielsweise auf Schleifkontakte verzich tet
werden, da sich in Messbetrieb die Sensorradachse mit dem mindestens
einen Schallwandler nicht mitdreht.
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Daneben
ist auch eine Integration der Steuermittel und/oder der Mittel zur
Signalverarbeitung günstig.
Dadurch kann auf eine verschleißanfällige Verbindung
zwischen einerseits außerhalb
des Sensorrades angeordneten Steuermitteln und/oder der Mittel zur
Signalverarbeitung und andererseits dem sich mit dem Sensorrad mitdrehenden
mindestens einen Schallwandler verzichtet werden. Darüber hinaus
erreicht man damit kurze Wege zwischen dem mindestens einen Schallwandler
einerseits und den Steuermitteln und/oder den Mittel zur Signalverarbeitung
andererseits. Das verringert insbesondere die Störungsanfälligkeit von Analogsignalen.
Insbesondere durch eine „vor
Ort" Digitalisierung
der Messsignale mittels des Mittels zur Signalverarbeitung, lassen
sich beispielsweise per Funk die digitalisierten Messsignale nahezu
störungsimmun
an entsprechende Auswertemittel übertragen.
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Mit
der Erfindung wird ferner eine Verwendung zumindest eines erfindungsgemäßen Sensorrades
zur Untersuchung von Eisenbahnschienen und/oder Eisenbahnrädern angegeben.
Aufgrund der hohen Untersuchungsgeschwindigkeit von bis zu ca. 150
km/h sind zum einen besonders ausgedehnte Messobjekte, wie Eisenbahnschienen,
und zum anderen schnell rotierende Räder, wie Eisenbahnräder in Fahrtbetrieb,
wegen der damit verbundenen relativen Zeitersparnis zu bekannten
Untersuchungsvorrichtungen besonders geeignet.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur
Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und
gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen
zeigen
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1 ein
erfindungsgemäßes Sensorrad,
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2 ein
auf einem Messobjekt befindliches erfindungsgemäßes Sensorrad in Seitenansicht,
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3 ein
auf einem Messobjekt befindliches erfindungsgemäßes Sensorrad in Seitenansicht
mit integrierter Elektronik,
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4 eine
Messanordnung zur Untersuchung eines Eisenbahnrades mit zwei erfindungsgemäßen Sensorrädern und
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5 schematisch
die Steuerung eines Schallwandlers und Signalauswertung.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 5 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Sensorrad
S im Schnittbild dargestellt. Das Sensorrad S besteht dabei aus
einer mit zwei Felgenringen 22 versehenen, ultraschalldurchlässigen und
hinreichend massiv ausgebildeten Hohlwalze 20. Die Hohlwalze 20 weist
eine Lauffläche 21 auf,
die für
eine Messung auf eine Oberfläche 31 eines
Messobjekts 30 (siehe 2 bis 4)
aufzusetzen ist. Das Material der Hohlwalze 20 sollte dabei
zur besseren Schallkopplung gute Ultraschalleigenschaften vorweisen
und darüber
hinaus in hohem Maße
mechanischen und thermischen Beanspruchungen standhalten. Hierzu ist
vorzugsweise ein elastisches Material zu verwenden. Beispielsweise
kommt hierfür
EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), ein Polymerisat aus Ethylen,
Propylen und einem geringen Dien-Anteil, in Frage. Die beiden Felgenringe 22 dienen
insbesondere zur Stabilisierung der Hohlwalze 20 und zur
Befestigung von zwei Radscheiben 90. Vorzugsweise sind
die Felgenringe 22 aus einem Metall. Die Verbindung zwischen
den Felgenringen 22 und der Hohlwalze 20 wird
dabei vorzugsweise mittels Vulkanisierung hergestellt. Weist die
Kontaktfläche 93 zwischen dem
jeweiligen Felgenring 22 und der Hohlwalze 20 eine
vorteilhafte Kontur auf, wie in 1 angedeutet, kann
die Stabilität
der Verbindung der Felgenringe 22 mit der Hohlwalze 20 weiter
erhöht
werden. Überdies kann
die Hohlwalze 20 auch mit einem Stützgeflecht versehen sein. Kunststoffringe
zur Versteifung der Hohlwalze 20 sind ebenfalls denkbar.
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Die
beiden Radscheiben 90 sind mit Befestigungsmitteln 94,
wie beispielsweise Schrauben, an den Felgenringen 22 befestigt.
Dadurch ergibt sich ein Hohlraum 1 im Sensorrad S, der
mit einem ultraschalldurchlässigen
Koppelmittel zu befühlen
ist. Die Abdichtung zwischen Radscheiben 90 und Felgenringen 22 erfolgt
dabei an geeigneten Stellen vorteilhafterweise mit O-Ringen. Zur
effektiveren Kühlung weisen
die Radscheiben 90 auf der Außenseite des Sensorrades S
Kühllamellen 97 auf.
Mindestens eine der beiden Radscheiben 90 ist mit einem
Befüllungsventil 95 für das Koppelmittel
versehen. Zudem ist eine der beiden Radscheiben mit einem Entlüftungsventil 96 ausgeführt, damit
beim Befüllen
des Hohlraumes 1 mit dem Koppelmittel die verdrängte Luft kontrolliert
und vollständig
entweichen kann. Die beiden Radscheiben 90 sind gegenüber der
sich nicht mitdrehenden Radachse 40 über jeweils ein Kugellager 91 drehend
gelagert. Die Abdichtung erfolgt dabei jeweils mit Hilfe eines Simmerrings 92.
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Die
Radachse 40 weist ein innerhalb des Sensorrades S radial
nach außen
ausgedehntes zylinderförmiges
Behältnis 41 auf,
das Behältnis 41 ist gegenüber dem
mit dem Koppelmittel gefüllten
Hohlraum 1 beispielsweise mit O-Ringen ebenfalls abgedichtet.
Das Behältnis 41 selbst
ist z. B. mit Luft gefüllt.
In dem Behältnis 41 sind
ein oder mehrere Ultraschallwandler 50 angeordnet. Die
Zylinderflächen 42 des
Behältnisses 41 umfassen
dabei in Aussparungen formschlüssig
die Abstrahlflächen 43 der
Schallwandler 50, so dass insgesamt eine glatte Zylinderfläche 42 zusammen
mit den Abstrahlflächen 43 der Schallwandler 50 gegenüber dem
Koppelmittel gewährleistet
ist. Zur Vermeidung bzw. Minimierung von Schlieren und Verwirbelungen
ist damit eine stromlinienförmige
Außenkontur
des Behältnisses 41 gegeben.
Die Zylinderfläche 42 des
Behältnisses 41 kann auch
mit ultraschalldurchlässigen
Fenstern formschlüssig
versehen sein, so dass hinter den Fenstern auch verkippt angeordnete
Ultraschallwandler 50 positioniert werden können (in 1 nicht
dargestellt). Darüber
hinaus weist die Radachse 40 eine Bohrung 44 auf,
durch die Leiter 6, beispielsweise die Steuer- und Signalleitungen
der im Sensorrad S befindlichen Ultraschallwandler 50,
nach außen
geführt
werden können.
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In 2 ist
ein auf einem Messobjekt 30 befindliches erfindungsgemäßes Sensorrad
S in Seitenansicht dargestellt. Im Behältnis 41 sind mehrere Schallwandler 50 gleichmäßig über die
Zylinderfläche 42 des
Behältnisses 41 verteilt.
Von jedem Schallwandler 50 führt ein Leiter 6 zur
Bohrung 44 in der Radachse 40 und von dort aus
nach außen
(in 2 nicht dargestellt).
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Als
Beispiel für
eine Messmethode ist in 2 schematisch die „puls-echo"-Messmethode dargestellt.
Dazu müssen
die verwendeten Schallwandler 50 Ultraschall sowohl aussenden
als auch empfangen können.
Ultraschallstrahlung 10 wird senkrecht bzw. in einem kleinen
Winkel von dem Schallwandler 50 in Richtung Messobjekt 30 ausgesandt
und von diesem reflektiert. Ein Teil der reflektierten Ultraschallstrahlung 11 gelangt
dann zurück
in denselben Schallwandler 50. Im Schallwandler 50 wird
der empfangene Ultraschall 11 in ein elektrisches Signal
umgewandelt und Mitteln 71 zur Signalverarbeitung über den
Leiter 6 übermittelt.
Soll das gesamte Messobjekt 30 untersucht werden, muss das
erfindungsgemäße Sensorrad
S mit seiner Lauffläche 21 auf
der Oberfläche 31 des
Messobjektes 30 entlanglaufen, während der Schallwandler 50 seine relative
Ausrichtung zum Messobjekt 30 nicht ändert. Wird einer der drei übrigen Schallwandler 50 verwendet,
muss dieser zunächst
in Position gebracht werden. Dazu kann insbesondere die Radachse 40 drehbar
und bei richtiger Positionierung des entsprechenden Schallwandlers
feststellbar ausgeführt
werden. Der Vorteil liegt darin, dass dem Sensorrad S je nach Anforderung
unterschiedliche Schallwandler 50 zur Verfügung stehen.
Die Schallwandler 50 können
sich darin unterscheiden, dass sie mit unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen
und/oder verschiedenen Bandbreiten arbeiten, dass sie fokussierte
oder unfokussierte Ultraschallstrahlung 10 aussenden oder dass
sie Ultraschallstrahlung 10 in unterschiedlichen Winkeln
in das Messobjekt 30 einstrahlen. Als Beispiel sind in 1 weiter
ein Drucksensor 60 und ein Temperatursensor 61 angedeutet,
mit denen der Druck bzw. die Temperatur des Koppelmittels bestimmt
werden kann.
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In 3 ist
ein auf einem Messobjekt 30 befindliches erfindungsgemäßes Sensorrad
S in Seitenansicht mit integrierter Elektronik dargestellt. Dabei
handelt es sich insbesondere um die Integration von Steuermitteln 70 zum
Ansteuern der Schallwandler 50 und die Integration von
Signalverarbeitungsmitteln 71 zur Aufbereitung (z. B. Pegelanpassung, Digitalisierung)
der von den Wandlern 50 herrührenden Signale. Dies hat den
Vorteil, dass die Signalwege möglichst
kurz gehalten werden, so dass insbesondere die Analogsignale, die
beispielsweise von den Schallwandlern 50 kommen, mit wenig
Störung behaftet
sind. Vorteilhaft sind die Steuermittel 70 und Signalverarbeitungsmitteln 71 Bestandteile
einer integrierten Schaltung, die in einer kompakten Bauform ausgeführt sein
kann. Weiter ist in 2 ein Mittel zur Positionsbestimmung 74 schematisch
dargestellt, das ebenfalls integrativer Bestandteil des erfindungsgemäßen Sensorrades
S sein kann.
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Als
Beispiel für
eine weitere Messmethode ist in 3 die „pitch-catch"-Messmethode dargestellt.
Hierbei sendet ein Schallwandler 50 Ultraschallstrahlung 10 in
Richtung Messobjekt 30 aus, die dort reflektiert wird.
Ein Teil des reflektierten Ultraschalls 11 gelangt dann
in einen zweiten Schallwandler 50, der als Empfänger dient.
Dort wird der empfangene Ultraschall 11 in ein elektrisches
Signal umgewandelt und den Signalverarbeitungsmitteln 71 über den
Leiter 6 übermittelt.
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Diese
beiden beschriebenen Messmethoden sind nicht auf die hier gezeigten
jeweiligen Ausführungsbeispiele
in 2 und 3 festgelegt. Sie wurden lediglich
aus Gründen
der übersichtlicheren Darstellung
jeweils einer Figur zugeordnet. Beide Messmethoden können sowohl
mit dem Ausführungsbeispiel
aus 2 als auch mit dem aus 3 durchgeführt werden.
Auch eine Kombination beider Methoden ist denkbar.
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4 zeigt
ein Beispiel für
eine Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorrades S. Schematisch
dargestellt sind zwei Sensorräder
S und ein Fehlstellen 80 aufweisendes Eisenbahnrad 33.
Als Fehlstellen wurden hier drei um die Achse 32 des Eisenbahnrades
verteilte Risse 80 angedeutet. Bei Drehung des Eisenbahnrades 33 – angedeutet
durch Pfeile – passieren
alle Risse 80 die in das Eisenbahnrad 33 vom ersten
Sensorrad S eingestrahlte Ultraschallstrahlung 10 und reflektieren
diese in einer charakteristischen Weise in Richtung des zweiten
Sensorrades S. Im zweiten Sensorrad S wird die reflektierte Ultraschallstrahlung 11 von
mindestens einem Schallwandler 50 detektiert und an Signalverarbeitungsmittel 71 weitergegeben.
Die in diesem Beispiel gezeigte Messmethode ist die oben beschriebene „pitch-catch"-Messmethode. Mit
dem Unterschied, dass hier das erste Sensorrad S nur zum Aussenden und
das zweite Sensorrad S nur zum Empfangen von Ultraschallstrahlung 10, 11 vorgesehen
sind. Im Vergleich zur „pitch-catch"-Anordnung aus 3 steht mit
dieser Anordnung ein bedeutend größerer Reflektionswinkelbereich
zur Verfügung.
Die „pitchcatch"-Anordnung gemäß 4 kann
wegen des erweiterten Reflektionswinkelbereichs auch vorteilhaft zur
Untersuchung eines nahezu linear ausgedehnten Messobjektes (30),
wie zum Beispiel Eisenbahnschienen, verwendet werden.
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Zur
Sicherstellung der erforderlichen Andruckkraft vom Sensorrad S auf
das Messobjekt 30, 33 kann in der Aufhängung des
Sensorrades S ein Drucksensor integriert sein, der die Andruckkraft überwacht.
Die Andruckkraft kann aber auch aus der Laufzeit des Ultraschallsignals 10, 11 vom
Schallwandler S zur Messobjekt- bzw. Eisenbahnradoberfläche 31, 34 bestimmt werden.
Hierzu ist jedoch eine temperaturänderungsbedingte Laufzeitkorrektur
zu berücksichtigen.
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Um
das Sensorrad S auch bei extrem niedrigen Temperaturen bis ca. –40°C verwenden
zu können,
kann dem Koppelmittel ein Frostschutzmittel beigemischt werden.
Besonders vorteilhaft erweist sich für diesen Zweck auch ein im
Sensorrad S integrierte Heizung, die das Koppelmittel auf betriebsgünstiger,
konstanter Temperatur hält.
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In 5 ist
als Beispiel ein Schema zur Steuerung eines Schallwandlers S und
zur Signalauswertung dargestellt. Es wird ein im Behältnis 41 angeordneter
Schallwandler 50 gezeigt, der hier als kombinierter Sender
und Empfänger
ausgeführt
ist. Über
einen Leiter 6 ist dieser Schallwandler 50 mit
einem Schalter 72 verbunden, der den Schallwandler 50 in
einen Sender- oder Empfangsmodus schaltet. Der Schalter 72,
der alternativ auch durch eine Sende-/Empfangsweiche ersetzt sein
kann, wird über das
Steuermittel 70 gesteuert. Das Steuermittel 70 umfasst
dabei einen Sendepulser und einen Sendeverstärker. Ist die Anordnung, wie
in 3 als Beispiel dargestellt, in einem Sendemodus
geschaltet, wird über
den Sendepulser, der mit dem Sendeverstärker verbunden ist, der Schallwandler 50 mit
verstärkten
Sendepulsen versorgt. Ist die Anordnung in einem Empfangsmodus geschaltet,
werden die im Schallwandler 50 erzeugten elektrischen Signale
an das Mittel 71 zur Signalverarbeitung übermittelt.
Das Signalverarbeitungsmittel 71 umfasst dabei beispielsweise
einen Empfangsverstärker
mit zeitlich gesteuertem Verstärkungsfaktor
(TGC: „Time-Gain-Correction") und einen analogen
Filter. Hier werden die vom Schallwandler 50 kommenden
Signale verstärkt,
normalisiert und gefiltert. Mit dem Filter wird dabei eine Störreduktion
erreicht. Das so aufgearbeitete Signal gelangt dann zum Digitalisieren
in einen beispielsweise ebenfalls im Signalverarbeitungsmittel enthaltenen
Analog-/Digitalwandler. Die somit erzeugten digitalen Signale können in
einem Auswertemittel 73 mit digitalem Signalprozessor weiter
verarbeitet werden, indem die digitalisierten Empfangsdaten mit
digitalen Filtern weiter reduziert werden. Eine dem digitalen Signalprozessor
zugeordnete Software wertet die Empfangssignale aus, insbesondere
mit dem Ziel, Fehlstellen 80 im Messobjekt 30 zu
registrieren und zu bestimmen. Zur Reduzierung der Datenrate werden
diese gewonnenen Daten wiederum mittels digitaler Kompression reduziert.
Mit Hilfe eines Übertragers
beispielsweise können
dann die Auswerteergebnisse an eine entfernt befindliche Empfangseinheit,
beispielsweise mittels einer elektrischen Verbindung oder auch berührungslos
mittels Infrarot oder Funk, gesendet werden.