DE19544217C2 - Ultraschallprüfvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüfvorrichtung zum Prüfen eines insbesondere als Eisenbahnschiene ausgebildeten Prüfkörpers mit wenigstens einem eine dem Prüfkörper zugewandte Sende/Empfangsseite aufweisenden, als elektromagnetischer Ultraschallwandler ausge­ bildeten Prüfkopf, mit dem Ultraschall in den Prüf­ körper einkoppelbar ist.

Eine derartige Ultraschallprüfvorrichtung ist aus der Druckschrift "Ultrasonic Inspection of Railroad Rails by Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATS)" von L. J. Graham und J. F. Martin, erschienen im Mai 1986 als Abschlußbericht für das U.S. Department of Transportation, Federal Railroad Administration, Office of Research and Development mit der Nummer FRA/ORD-86/09, bekannt. Bei dieser Ultraschallprüfvorrichtung sind als Prüfköpfe elektromagnetische Ultra­ schallwandler vorgesehen, mit denen durch Verschieben des Prüfkopfes in Längsrichtung von Eisenbahnschienen in Abhängigkeit des Verschiebeweges Störstellen wie Laschenkammerbrüche oder Querfehler im Schienenkopf detektierbar sind.

Bei dieser Ultraschallprüfvorrichtung ist durch die elektromagnetisch induzierte Einkopplung von Ultra­ schall in den als Eisenbahnschiene ausgebildeten Prüf­ körper eine Verwendung von einem Koppelmedium wie Wasser vermieden, allerdings weisen die elektromag­ netisch betriebenen Prüfköpfe aufgrund ihrer Bauart räumlich inhomogene Magnetfelder auf, die bei Ver­ schieben der Prüfköpfe ein bewegungsinduziertes akustisches Barkhausen-Rauschen hervorrufen, das mit zu detektierenden Echosignalen überlagert und insbesondere bei wenig intensiven Echosignalen das Erkennen von Störstellen erschwert. Außerdem ist zum Einkoppeln einer ausreichend hohen Ultraschallintensität ein sehr geringer Abstand der Prüfköpfe von der Oberfläche des Schienenkopfes notwendig. Dadurch sind jedoch die Prüfköpfe aufgrund geringster Schienenunebenheiten insbesondere bei Stoßstellen von nicht miteinander verschweißten Eisenbahnschienen einem hohen Zer­ störungsrisiko ausgesetzt.

Weiterhin ist eine Prüfung mit einer derartigen Ultra­ schallprüfvorrichtung bei nichtverschweißten Eisenbahn­ schienen, die häufig an den Stoßstellen einen großen Höhenversatz aufweisen, sowie bei hohen Translations­ geschwindigkeiten von beispielsweise 80 Kilometer pro Stunde nur eingeschränkt unter hohem Aufwand möglich, da zum Schutz des Prüfkopfes vor Zerstörung eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen sein muß, die sich in Bewegungsrichtung vor dem Prüfkopf befindende Stoß­ stellen mit einem Höhenversatz detektiert und den Prüfkopf in einem Abstand von der Stoßstelle aus­ reichend hoch anhebt, bevor die Stoßstelle passiert wird. Neben dem hohen apparativen Aufwand ist ins­ besondere nachteilig, daß dadurch die Gefahr besteht, daß die Endbereiche der Eisenbahnschienen im Bereich der Stoßstellen nicht geprüft werden, weshalb die Stoß­ stellen mit einer sehr aufwendigen Handprüfung nach­ zuuntersuchen sind.

Eine weitere Ultraschallprüfvorrichtung für Eisen­ bahnschienen ist aus der US 5,339,692 bekannt. Diese akusto-mechanische Ultraschallprüfvorrichtung verfügt über ein auf einer feststehenden Achse gelagertes hohles Prüfrad, dessen Innenraum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die Lauffläche des Prüfrades ist aus einem elastischen Material hergestellt. Im Inneren des Prüf­ rades sind an der feststehenden Achse akusto-mecha­ nische Ultraschallwandler angebracht, die mit ihrer Sende-/Empfangsseite zur Oberseite der zu untersuchen­ den Schiene weisen. Um die Einkoppelung des von dem Ultraschallwandler erzeugten Ultraschalls in die zu untersuchende Schiene zu gewährleisten, ist in Be­ wegungsrichtung vor dem Prüfrad jeweils eine Zuleitung vorgesehen, mit der eine Koppelflüssigkeit auf die Oberseite der zu untersuchenden Schiene aufbringbar ist.

Aus der WO 94/22008 ist schließlich eine weitere akusto-mechanische Ultraschallprüfvorrichtung zur Untersuchung von Eisenbahnschienen bekannt. Die Ultra­ schallprüfvorrichtung verfügt über ein aus einem elastischen Material hergestelltes und auf der Lauf­ fläche einer Schiene abrollendes, hohles Prüfrad, in dessen mit einer Flüssigkeit gefülltem Innenraum ein Haltejoch zur Aufnahme der Ultraschallwandler ausge­ bildet ist. Die Ultraschallwandler sind im Inneren des Prüfrades derart angeordnet, daß Ultraschall in ver­ schiedene Richtungen in den Schienenkopf und Schienen­ steg einkoppelbar ist, so daß sich verschiedene Arten von Fehlern in der Eisenbahnschiene mit der Ultra­ schallprüfvorrichtung erfassen lassen.

Eine weitere Ultraschallprüfvorrichtung ist beispiels­ weise aus dem Artikel "Schienenprüfung mit Ultraschall und der Ultraschall-Schienenprüfwagen der Deutschen Bundesbahn" von E. Martin und K. Werner aus der Zeit­ schrift "EISENBAHNTECHNISCHE RUNDSCHAU", Heft 12, 5. Jahrgang, erschienen im Dezember 1956, bekannt. Bei dieser Ultraschallprüfvorrichtung ist ein akusto­ mechanisch betriebener Prüfkopf vorgesehen, der in Längsrichtung einer zu prüfenden Eisenbahnschiene ver­ schiebbar ist, wobei zur Einkopplung der Ultraschall­ wellen zwischen dem Prüfkopf und der Eisenbahnschiene aus einem Tank Kopplungsflüssigkeit in den Kontaktbe­ reich zwischen dem Prüfkopf und der Eisenbahnschiene zuführbar ist.

In einer Ausgestaltung dieser Ultraschallprüfvorrich­ tung ist der Prüfkopf an einem von Hand über die Eisen­ bahnschienen bewegbaren Einschienenwagen angebracht, wobei Fehlerstellen durch Direktbeobachtung eines Bildschirmes erkennbar sind. Für höhere Translationsge­ schwindigkeiten ist die Ultraschallprüfvorrichtung auf einem Ultraschall-Schienenprüfwagen angebracht, der sich mit einer typischen Translationsgeschwindigkeit von etwa 30 Kilometer pro Stunde in Längsrichtung der Eisenbahnschiene bewegt, wobei eine automatisierte Aufzeichnung der empfangenen Echosignale in Abhängig­ keit des Verschiebeweges vorgenommen wird.

Mit derartigen akusto-mechanischen Ultraschallprüfvor­ richtung sind zwar in zuverlässiger Weise Gleisanlagen frei von bewegungsinduziertem Barkhausen-Rauschen auf Fehlerstellen überprüfbar, allerdings ist der Einsatz derartiger akusto-mechanischer Ultraschallprüfvorrich­ tungen im Winterbetrieb bei sehr tiefen Temperaturen durch die übliche Verwendung von Wasser als Kopplungs­ flüssigkeit sehr eingeschränkt, da die Gefahr der Eisbildung besteht, die bei einem kostengünstigen Zusatz von Salz neben einer unerwünschten Verschmutzung des Erdreiches auch zu betriebstechnischen Problemen infolge von Korrosion führt. Zum Vermeiden der Kor­ rosionsprobleme läßt sich zwar Spiritus als Kop­ plungsmittel verwenden, aber dadurch entstehen sehr hohe Kosten.

Weiter ist aus der EP 00 71 921 A1 ein medizinische Ultraschallgerät bekannt, mit dessen Hilfe sich ein Körper eines Patienten untersuchen läßt. Das Ultra­ schallgerät umfaßt ein in einem Gehäuse rotierendes Halterad, in dessen Felge Ultraschallwandler angeordnet sind. Während der Rotation des Halterads überstreicht der von den Ultraschallwandlern erzeugte Ultraschall akustische Spiegel, die den Ultraschall durch Aus­ trittsöffnungen in radiale und axiale Richtung nach außen treten lassen.

Schließlich ist aus der US 4,722,226 eine Über­ wachungsvorrichtung für Kraftwerksgeneratoren bekannt, die eine am Läufer eines Kraftwerksgenerators ange­ brachte Mikrofonanordnung umfaßt, die dazu dient, die von lockeren Generatorteilen verursachten Geräusche zu erfassen, um derartige Fehler möglichst frühzeitig beheben zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultra­ schallprüfvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei tiefen Temperaturen und hohen Translationsgeschwindigkeiten ein zuverlässiges, weit­ gehend rauschfreies Prüfen insbesondere auch von einen Höhenversatz aufweisenden Prüfkörpern rationell durch­ führbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich einer auf einer Oberfläche des Prüfkörpers abrollenden Abrollfläche eines Prüfrades eine Vielzahl von Prüfköpfen angeordnet ist, deren dem Prüfkörper zugewandte Sende-/Empfangsseiten beim Abrollen des Prüfrades auf dem Prüfkörper im Kontaktbereich von Ab­ rollfläche und Oberfläche des Prüfkörpers zu liegen kommen.

Dadurch, daß die Prüfköpfe an einem auf der Oberfläche des Prüfkörpers abrollenden Prüfrad angebracht sind, können nunmehr auch Prüfkörper mit einem Höhenversatz in dem an den Höhenversatz angrenzenden Bereichen mit einem geringen apparativen Aufwand untersucht werden, da durch Abrollen des Prüfrades der Prüfkopf zum einen bis dicht an die Stoßstelle herangeführt, zum anderen durch Überrollen der Stoßstelle durch das Prüfrad vor Beschädigungen geschützt ist. Durch das Abrollen des Prüfkopfes auf der Oberfläche des Prüfkörpers ist be­ dingt durch die sich zwangsläufig ergebende ausreichend große Nähe des Prüfkörpers zu der Oberfläche gewähr­ leistet, daß ein zur Detektion von Echosignalen aus­ reichend intensives Ultraschallsignal einkoppelbar ist. Weiterhin ist das verhältnismäßig hohe akustische Barkhausen-Rauschen vermieden, daß zwangsweise bei längsverschiebbaren Ultraschallprüfvorrichtungen in­ folge der Ummagnetisierung durch räumlich inhomogene Magnetfelder auftritt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind an dem Prüfrad mehrere die Prüfköpfe bildende Prüfkopfelemente angebracht, die in in das Prüfrad eingebrachte Aus­ nehmungen eingefügt sind. Dadurch sind die Sende-/Emp­ fangsseiten der Prüfkopfelemente auf der Abrollfläche des Prüfrades angeordnet und vor mechanischen Beschädi­ gungen weitgehend geschützt. Die Stellung des Prüfrades und damit die Position der Prüfkopfelemente ist mit einer optischen Positionsdetektionsvorrichtung be­ stimmbar, deren Ausgangssignale in einer Steuer- und Auswerteschaltung zusammen mit den von den Prüfkopf­ elementen empfangenen Meßsignalen abspeicherbar sind, so daß ausgehend von einer Referenzposition nach Durch­ führen der Prüfung fehlerhafte Stellen in der Eisenbahn­ schiene lokalisierbar sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines auf der Lauf­ fläche mit Prüfkopfelementen versehenen Prüf­ rades beim Abrollen auf einer Eisenbahnschiene;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Radscheibe des Prüfrades im Bereich der Eisenbahnschiene;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Halterung der Prüf­ kopfelemente im Prüfrad;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Prüfkopfelements;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Prüfkopf­ elements;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer an die Prüfkopfelemen­ te angeschlossenen Steuer- und Auswerteschal­ tung; und

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Radscheibe und Rad­ achse des Prüfrades.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Prüfrad 1, das mit seiner als Abrollfläche dienenden Lauffläche 2 auf einer Fahrfläche 3 einer zu unter­ suchenden Eisenbahnschiene 4 abrollbar ist. Das Prüfrad 1 ist über eine mit einem Hohlraum 5 versehene Prüfrad­ achse 6 an einem in Fig. 1 nicht dargestellten Prüfwagen drehbar angebracht, wobei zweckmäßigerweise der Prüf­ wagen mit zwei gleichzeitig auf den beiden Eisenbahn­ schienen 4 eines Gleisstranges abrollenden Prüfrädern 1 ausgestattet ist.

Im Bereich der Lauffläche 2 des Prüfrades 1 ist eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten, aneinandergrenzenden Prüfkopfelementen 7 angebracht. Ein einzelnes Prüfkopf­ element 7 beansprucht etwa eine Fläche 5 × 20 Millimeter auf der Lauffläche 2, so daß etwa 500 Stück der Prüf­ kopfelemente 7 für das Prüfrad 1 notwendig sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 1 lediglich einzelne der Prüfkopfelemente 7 mit einem Bezugszeichen versehen.

Durch das Anordnen der Prüfkopfelemente 7 in Bereich der Lauf­ fläche 2 des Prüfrades 1 ist gewährleistet, daß ins­ besondere bei nicht miteinander verschweißten, sondern Stoß auf Stoß aneinandergrenzenden Eisenbahnschienen 4 eine Prüfung auch bei einem Höhenversatz an den Stoß­ stellen durchführbar ist. Da ein Abheben der Prüfkopf­ elemente 7 beim Abrollen des Prüfrades 1 über die Stoß­ stelle nicht erforderlich ist, läßt sich mit Hilfe des Prüfrades 1 auch bei hohen Translationsgeschwindigkeiten eine Prüfung bis dicht an die Stoßstelle ausführen.

Beim Abrollen der Lauffläche 2 des Prüfrades 1 auf der Fahrfläche 3 der Eisenbahnschiene 4 liegen nacheinander die Prüfkopfelemente 7 auf der Fahrfläche 3 der Eisen­ bahnschiene 4 auf. Mit den Prüfkopfelementen 7 ist bei einem maximalen Abstand von höchstens etwa einem Milli­ meter zweckmäßigerweise jedoch höchstens 0,5 Millimeter von der Fahrfläche 3 über eine Sende-/Empfangsseite Ultraschall in die Eisenbahnschiene 4 einkoppelbar. Das beispielsweise von einer Auflagefläche 8 eines Schienen­ fußes 9 herrührende Rückwandecho läßt sich dabei zur Überprüfung der Ankopplung verwenden, während die von den Störstellen im Schienensteg 10 oder Schienenkopf 11 erzeugten Echosignale der Fehlerdetektion dienen.

Die Prüfkopfelemente 7 lassen sich auch zu Prüfköpfen zusammenfassen und in der sogenannten "Phased-Array- Technik" betreiben, bei der durch zeitlich definierte Ansteuerung der Prüfkopfelemente 7 Schrägeinstrahlungen und Senkrechteinstrahlungen ohne Veränderung der Lage der Prüfkopfelemente 7 beispielsweise zum Detektieren von häufig von Laschenlöchern 12 ausgehenden horizontal und schräg verlaufenden Fehlern erzeugbar sind.

Durch das weitgehend gleitfreie Abrollen der Lauffläche 2 auf der Fahrfläche 3 ist die Relativgeschwindigkeit zwischen den Prüfkopfelementen 7 und der Eisenbahn­ schiene 4 im Kontaktbereich von Lauffläche 2 und Fahr­ fläche 3 im wesentlichen Null, so daß das bewegungs­ induzierte, akustische Barkhausen-Rauschen in Folge von räumlich inhomogenen Magnetfeldern weitestgehend ver­ mieden und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu Prüfvorrichtungen, bei denen die Prüfköpfe parallel zur Fahrfläche 3 der Eisenbahnschiene 4 geführt werden, deutlich erhöht ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf der der Prüfradachse 6 zugewandten Innenseite 13 des Prüfrades 1 ein in radialer Richtung außen angeordneter Positionsspiegel 14 angebracht. Vorteilhafterweise entspricht die radiale Anordnung des Positionsspiegels 14 der radialen Anordnung eines Prüfkopfelements 7, wobei beispielsweise die Breite des Positionsspiegels 14 dem durch die seitlichen Begrenzungen des zugeordneten Prüfkopfelements 7 eingeschlossenen, von dem Mittelpunkt des Prüfrades 1 ausgehenden Winkelsegment entspricht.

Auf der Unterseite des Prüfwagens sind mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Haltevorrichtung ein als dicht­ quelle dienender Laser 15 und ein Photodetektor 5 angebracht. Der Laser 15 und der Photodetektor 16 sind so angeordnet, daß ein aus dem Laser 15 emittierter Laserstrahl 17 bei einer Reflexion an dem sich im oberen Radscheitel vorbeidrehenden Positionsspiegel 14 den Photodetektor 16 beaufschlagt.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel sind neben dem Positionsspiegel 14 ein Kranz von weiteren den einzelnen Prüfkopfelementen 7 zugeordneten Prüfkopf­ elementspiegeln auf der Innenseite 13 des Prüfrades 1 angebracht. Damit ist eine genaue Bestimmung der tat­ sächlichen Position des Prüfrades 1 möglich.

Weiterhin ist es möglich, einen dem Positionsspiegel 14 entsprechenden Spiegel am Gestell des Prüfwagens anzu­ bringen und ein dem Laser 15 und dem Photodetektor 16 entsprechendes Sende- und Empfangselement auf der Innen­ seite 13 des Prüfrades 1 anzubringen.

Ferner sind bei nicht dargestellten Ausführungsbei­ spielen an Stelle des Positionsspiegels 14 mechanische oder elektrisch wirkende Positionsgeber einer Positions­ detektionsvorrichtung angeordnet, mit der die Stellung des Prüfrades 1 detektierbar ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Radscheibe des Prüfrades 1 entlang der Fahrfläche 3 der Eisenbahn­ schiene 4. Das Prüfrad 1 rollt in eine Fahrtrichtung 18. Während das Prüfrad 1 in Richtung der Fahrtrichtung 18 rollt, werden jeweils die der Fahrfläche 3 am nächsten kommenden Prüfkopfelemente 7 zu einem Prüfkopf 19 zu­ sammengeschaltet. Dabei wird jeweils nacheinander das bezüglich der Fahrtrichtung 18 vorne liegende und sich der Fahrfläche 3 annähernde Prüfkopfelement 7 zum Prüf­ kopf 19 dazugeschaltet und gleichzeitig das bezuglich der Fahrtrichtung 18 am weitesten hinten liegende sich von der Fahrfläche 3 entfernende Prüfkopfelement 7 des Prüfkopfes 19 deaktiviert.

Durch die bereits oben erwähnte "Phased-Array-Technik" ist es möglich, daß durch den von den Prüfkopfelementen 7 gebildeten Prüfkopf 19 Ultraschall sowohl rechtwinklig zur Fahrfläche 3 in Richtung eines Pfeiles 20 als auch unter einem Winkel zur Fahrfläche 3, beispielsweise in Richtung von Pfeilen 21 und 22, in die Eisenbahnschiene 4 einkoppeln läßt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Prüfrad 1 sowie die Eisenbahnschiene 4 um einen Kontaktbereich 23 zwischen der Lauffläche 2 und der Fahrfläche 3. Das Prüfkopfelement 7 ist in eine in Richtung der Fahrfläche 3 offene, die Lauffläche 2 des Prüfrades 1 durchbrechen­ de Aufnahmekammer 24 eingefügt. Die der Fahrfläche 3 der Eisenbahnschiene 4 zugewandte Meßseite 25 des Prüfkopf­ elements 7 weist als Sende-/Empfangsseite im Kontaktbe­ reich 23 einen Abstand von höchstens einem Millimeter, zweckmäßigerweise jedoch höchstens 0,5 Millimeter, von der Fahrfläche 3 auf. Durch den kleinen Abstand ist gewährleistet, daß bei einer Ausführung des Prüfkopf­ elements 7 als elektrodynamischer Ultraschallwandler eine betriebssichere Ankopplung des Prüfkopfelements 7 an die Eisenbahnschiene 4 durchführbar ist. An der in die Aufnahmekammer 24 weisenden Befestigungsseite 26 des Prüfkopfelement 7 ist ein Prüfkopfelementmagnet 27 angebracht, der mit Randbereichen auf einer Kammer­ schulter 28 aufliegt, die am Übergang eines das Prüf­ kopfelement 7 aufnehmenden Prüfkopfelementbereichs 29 und eines den Prüfkopfelementmagnet 27 aufnehmenden Magnetbereichs 30 der Aufnahmekammer 24 ausgebildet ist.

In dem Magnetbereich 30 der Aufnahmekammer 24 ist dem Prüfkopfelementmagnet 27 gegenüberliegend an einer innenseitigen Wand 31 der Aufnahmekammer 24 ein Prüfrad­ magnet 32 angebracht. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Prüfradmagnet 32 ein Per­ manentmagnet, während der Prüfkopfelementmagnet 27 als ein mit unterschiedlichen Stromstärken ansteuerbarer Elektromagnet ausgeführt ist. In einem nicht darge­ stellten abgeänderten Ausführungsbeispiel ist ein steuerbarer Elektromagnet als Prüfradmagnet 32 und ein Permanentmagnet als Prüfkopfelementmagnet 27 vorgesehen.

Die Meßseite 25 des Prüfkopfelements 7 ist durch das Aufliegen des Prüfkopfelementmagneten 27 auf der Kammer­ schulter 28 sowie durch die bei Betrieb des Prüfkopf­ elements 7 wirkenden magnetischen Kräfte im wesentlichen rechtwinklig auf die Flächennormale der Fahrfläche 3 ausrichtbar, so daß eine gute Ankopplung des Prüfkopf­ elements 7 auch bei geringfügigen Lageveränderungen gewährleistet ist. Zweckmäßigerweise ist der Prüfkopf­ elementbereich 29 von dem Magnetbereich 30 aus in Rich­ tung der Lauffläche 2 konisch zulaufend ausgestaltet, um eine zuverlässige Führung des Prüfkopfelements 7 zu gewährleisten. Die magnetischen Kräfte zwischen dem Prüfkopfelementmagnet 27 und dem Prüfradmagneten 32 sind, wie weiter unten näher erläutert, in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit des Prüfrades 1 derart einstell­ bar, daß sie geringfügig kleiner als die bezüglich des Prüfrades 1 radial nach außen wirkende Fliehkraft so wie die dazu gleichgerichteten magnetischen Kräfte zwischen dem Prüfkopfelement 7 und der Eisenbahnschiene 4 im Kon­ taktbereich 23 sind. Dadurch ist beim Eintreten des Prüfkopfelements 7 in den Kontaktbereich 23 das Prüf­ kopfelement 7 in Richtung der Fahrfläche 3 zur Ankopp­ lung verschiebbar. Ansonsten liegt der Prüfkopfelement­ magnet 27 am Prüfradmagneten 32 an und das Prüfkopf­ element 7 ist in das Innere der Aufnahmekammer 24 zu­ rückgezogen vor Beschädigungen geschützt.

Bei einem nicht dargestellten abgewandelten Ausführungs­ beispiel ist das Prüfkopfelement 7 in der Aufnahmekammer 24 elastisch gelagert. Dies kann durch eine die Auf­ nahmekammer 24 ausfüllende elastische Lagerungsmasse oder durch geeignete Federn bewerkstelligt sein. Dabei ist das Prüfkopfelement 7 soweit beweglich, daß die rechtwinklige Ausrichtung der Meßseite 25 in bezug auf die Flächennormale der Fahrfläche 3 sichergestellt ist und daß die durch die magnetischen Kräfte und Flieh­ kräfte verursachten Bewegungen des Prüfkopfelements 7 in Richtung der Flächennormale ausführbar sind.

Die zum Prüfkopfelement 7 und zum Prüfkopfelementmagnet 27 führenden Leitungen sind in einem Leitungskanal 33 verlegt.

Fig. 4 zeigt im Schnitt den Aufbau des Prüfkopfelements 7. Das Prüfkopfelement 7 weist einen Vergußblock 34 auf, der aus einem verhältnismäßig harten, abriebfesten sowie für elektromagnetische Wellen durchlässigen Material gefertigt ist. An der Befestigungsseite 26 des Verguß­ blocks 34 ist der Prüfkopfelementmagnet 27 angebracht.

Der Meßseite 25 benachbart sind stabförmige Permanent­ magneten 35 und 36 mit in der Richtung der Meßseite 25 alternierenden Polaritäten N für magnetisch Nord und S für magnetisch Süd mit ihren Flachseiten aneinander­ grenzend angeordnet, wobei zwischen der Meßseite 25 und der Anordnung der Permanentmagneten 35 und 36 eine Hochfrequenzspule 37 mit entsprechend der Polarität der Permanentmagnete 35 und 36 alternierendem Wicklungssinn vorgesehen ist. Das gemäß Fig. 4 aufgebautes Prüfkopf­ element 7 eignet sich zum Erzeugen von horizontal pola­ risierten Transversalwellen (SH-Wellen).

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Prüf­ kopfelements 7 zum Erzeugen von horizontal polarisierten Transversalwellen. Dieses Prüfkopfelement 7 weist einen von einer Hochfrequenzspule 38 umwickelten magnetisier­ baren Ringbandkern 39 auf. Der Ringbandkern 39 ist halbkreisförmig ausgestaltet und mit seinen Enden in Richtung der Meßseite 25 weisend in dem Vergußblock 34 angeordnet. Zwischen den Enden des Ringbandkerns 39 sind stabförmige Permanentmagneten 40 angeordnet, die sich mit ihrer Längsrichtung zwischen den Enden des Ringband­ kernes 39 erstrecken. Das in Fig. 5 dargestellte Prüf­ kopfelement 7 ist mit einem verhältnismäßig geringen Fertigungsaufwand herstellbar.

Fig. 6 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungs­ beispiel einer Steuer- und Auswerteschaltung 41. Bei dieser Steuer- und Auswerteschaltung 41 ist der Photo­ detektor 16 über eine Photodetektionsleitung 42 an einem Positionsrechner 43 angeschlossen. Der Positionsrechner 43 bestimmt die zwischen zwei Meßpulsen des Photodetek­ tors 16 liegende Zeit und berechnet daraus die Umfangs­ geschwindigkeit des Prüfrades 1. Anhand der gemessenen Zeitspanne zwischen zwei Meßpulsen des Photodetektors 16 erzeugt der Positionsrechner 43 für die nachfolgende Um­ drehung des Prüfrades 1 ein Magnetsteuersignal. Dieses Magnetsteuersignal ist in eine Magnetsteuereinheit 44 einspeisbar, welche die den Prüfkopfelementen 7 zugeord­ neten Prüfkopfelementmagnete 27 steuert. Mit der Magnet­ steuereinheit 44 sind bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Prüfkopfelementmagnete 27 derart ansteuerbar, daß die zwischen den Prüfkopfelement­ magneten 27 und den Prüfradmagneten 32 wirkenden An­ ziehungskräfte kleiner als die in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit des Prüfrades 1 wirkende Fliehkraft sowie die magnetischen Anziehungskräfte zwischen den Prüfkopfelementen 7 und der Fahrfläche 3 sind.

In eine Triggerleitung 45 ist vom Positionsrechner 43 ein Triggersignal einspeisbar. Die Triggerleitung 45 ist an einen Pulsgenerator 46 angeschlossen. Dem Pulsgenera­ tor 46 ist ein von einem Hochfrequenzgenerator 47 er­ zeugtes Hochfrequenzsignal zum Erzeugen von Ultraschall­ wellen in der Eisenbahnschiene 4 zuführbar. Mit dem Pulsgenerator 46 sind mit der von dem Hochfrequenzgene­ rator 47 eingespeisten Hochfrequenz als Trägerfrequenz in Abhängigkeit von den vom Positionsrechner 43 erzeug­ ten Triggersignalen Sendepulse erzeugbar. Die Folgefre­ quenz der Sendepulse ist durch die Frequenz des vom Positionsrechner 43 gelieferten Triggersignales so eingestellt, daß etwa alle drei Millimeter Abrollweg des Prüfrades 1 ein Sendepuls erzeugt ist. Typischerweise liegt die Folgefrequenz der von dem Pulsgenerator 46 ausgesandten Sendepulse bei einer Umfangsgeschwindigkeit der Lauffläche 2 von 80 Kilometern pro Stunde bei etwa sieben Kilohertz. Die Dauer der Sendepulse beträgt wenigstens etwa zehn Schwingungsperioden der Träger­ frequenz.

Die an einem Hochfrequenzausgang des Pulsgenerators 46 anliegenden Sendepulse sind Sendeverzögerungsgliedern 48 einspeisbar, mit denen der Sendepuls je nach der ge­ wünschten Einstrahlungsrichtung des Ultraschallsignals in der Eisenbahnschiene 4 um eine bestimmte Zeitdauer verzögerbar ist. Die Ausgangssignale der Sendeverzöge­ rungsglieder 48 sind nachgeschalteten Leistungsver­ stärkern 49 zuführbar, deren Ausgänge an einen Sende­ multiplexer 50 angeschlossen sind. Die Anzahl der Sende­ verzögerungsglieder 48 und Leistungsverstärkern 49 richtet sich nach der Zahl der den Prüfkopf 19 bildenden Prüfkopfelemente 7.

Mit dem Sendemultiplexer 50 lassen sich die von den Leistungsverstärkern 49 erzeugten Sendepulse den Prüf­ kopfelementen 7, die den Prüfkopf 19 bilden, zuführen. Die Auswahl der Prüfkopfelemente 7 erfolgt durch den Positionsrechner 43, der aus der errechneten Umfangs­ geschwindigkeit des Prüfrades 1 und aus der bekannten Position der Prüfkopfelemente 7 auf dem Prüfrad 1 den aktuellen Abstand der Prüfkopfelemente 7 von der Fahr­ fläche 3 berechnet. Der Positionsrechner 43 wählt die der Fahrfläche 3 am nächsten liegenden Prüfkopfelemente 7 aus und erzeugt ein entsprechendes Auswahlsignal, das über eine Auswahlleitung 51 sowohl dem Sendemultiplexer 50 als auch einem Empfangsmultiplexer 52 und einem Sensormultiplexer 53 zuführbar ist.

Die den Prüfkopf 19 bildenden Prüfkopfelemente 7 sind bei Unterschreiten eines voreinstellbaren Mindestab­ standes zu der Fahrfläche 3 durch zugeordnete Ab­ standssensoren 54 freigeschaltet sowie mit den zeitlich versetzt einlaufenden Sendepulsen beaufschlagt und erzeugen in Abhängigkeit der Phasenverschiebung der Sendepulse einen Ultraschallpuls mit einer schrägwink­ ligen oder rechtwinkligen Ausbreitungsrichtung in der Eisenbahnschiene 4. Die von Rißstellen in der Eisenbahn­ schiene 4 zurückgeworfenen oder an der Oberfläche der Eisenbahnschiene 4 reflektierten Ultraschallpulse sind mit den Prüfkopfelementen 7 detektierbar. Die Empfangs­ signale werden durch geeignete Verstärker verstärkt und als Empfangspulse dem Empfangsmultiplexer 52 zugeleitet.

Zum Kalibrieren der den rückgeworfenen Ultraschallpulsen zugeordneten Empfangspulsen sind die jeweils den Prüf­ kopfelementen 7 zugeordneten Abstandssensoren 54 vor­ gesehen, die beispielsweise nach dem Prinzip von Wirbel­ stromspulen den Abstand der Prüfkopfelemente 7 von der Fahrfläche 3 bestimmen. Es ist vorgesehen, daß zum Vermeiden von Fehlmessungen lediglich Empfangssignale berücksichtigt werden, die bei einem Abstand der Prüf­ kopfelemente 7 von beispielsweise weniger als 0,5 Milli­ meter von der Fahrfläche 3 auftreten.

Über den Empfangsmultiplexer 52 sind die Empfangssignale der Prüfkopfelemente 7 Empfangsverzögerungsgliedern 55 einspeisbar, denen weiterhin über den Sensormultiplexer 53 die Ausgangssignale der zugehörigen Abstandssensoren 54 zuführbar sind. Mit den Empfangsverzögerungsgliedern 55 ist neben einer Korrektur der Empfangssignale be­ züglich der Abstände der Prüfkopfelemente 7 von der Fahrfläche 3 eine Umkehr der durch die Sendeverzöge­ rungsglieder 48 erzeugten Phasenverschiebung durchführ­ bar.

Die bezüglich der Phasenverschiebung und dem Abstand der zugeordneten Prüfkopfelemente 7 von der Fahrfläche 3 korrigierten Empfangssignale aus den Empfangsver­ zögerungsgliedern 55 sind einem Summierverstärker 56 einspeisbar, der die Empfangssignale zu einem Summen­ signal addiert und falls nötig verstärkt. Das Summen­ signal ist einem Datenspeicher 57 zuführbar, in dem das Summensignal zusammen mit einem zugeordneten, von dem Positionsrechner 43 über eine Positionsleitung 58 dem Datenspeicher 57 zugeführten Positionssignal abspeicher­ bar ist.

Die in dem Datenspeicher 57 abgespeicherten Werte sind mittels einer an dem Datenspeicher 57 angeschlossenen Datenausgabeeinheit 59 zum Lokalisieren von Störstellen in bezug auf eine zu Beginn des Meßzyklus festgelegte Referenzposition lokalisierbar.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch das Prüfrad 1, der eine mögliche Anordnung der Steuer- und Auswerte­ schaltung 41 aus Fig. 6 in dem Prüfrad 1 verdeutlicht. Das Prüfrad 1 ist aus einer Innen- und Außenscheibe, die miteinander verschraubt sind, zusammengesetzt und innen hohl ausgeführt. Die Innenscheibe weist in ihrer Mitte eine kreisförmige Öffnung auf, an die die Prüfradachse 6 angesetzt ist. Im Hohlraum 5 der Prüfachse 6 sind der Hochfrequenzgenerator 47, der Pulsgenerator 46, die Sendeverzögerungsglieder 48 und Leistungsverstärker 49 sowie der Sendemultiplexer 50, der Empfangsmultiplexer 52, eine Reihe von geeigneten Empfangsverstärkern 60, die Empfangsverzögerungsglieder 55, der Summenverstärker 56 und der Datenspeicher 57 angeordnet. Der Sendemulti­ plexer 50 und der Empfangsmultiplexer 52 sind jeweils über Sendeleitungen 61 und Empfangsleitungen 62 an die an der Lauffläche 2 angeordneten Prüfkopfelemente 7 angeschlossen. Außerdem befindet sich im Hohlraum 5 der Positionsrechner 43, der beispielsweise an einen auf der Innenseite 13 des Prüfrades 1 angeordneten Photodetektor angeschlossen ist. Die Stromversorgung der Steuer- und Auswerteschaltung 41 ist entweder über eine geeignete Transformatoranordnung und eine Vorrichtung zum Gleich­ richten und Regeln der eingespeisten Wechselspannung oder über Schleifkontakte bewerkstelligt. Ferner lassen sich die im Datenspeicher 57 abgelegten Daten beispiels­ weise über eine optische Schnittstelle an die Datenaus­ gabeeinheit 59 übertragen. Eine optische erieile Schnittstelle umfaßt beispielsweise eine auf der Sym­ metrieachse der Prüfradachse 6 angeordnete Leuchtdiode, deren entlang der Symmetrieachse der Prüfradachse 6 verlaufender Lichtstrahl über eine geeignete Spiegel­ anordnung auf einen am Prüfwagen befestigten stationären Empfänger gelenkt ist.

Claims (19)

1. Ultraschallprüfvorrichtung zum Prüfen eines ins­ besondere als Eisenbahnschiene ausgebildeten Prüf­ körpers (4) mit wenigstens einem eine dem Prüf­ körper (4) zugewandte Sende/Empfangsseite auf­ weisenden, als elektromagnetischer Ultraschall­ wandler ausgebildeten Prüfkopf (19), mit dem Ultra­ schall in den Prüfkörper (4) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich einer auf einer Oberfläche (3) des Prüfkörpers (4) abrollen­ den Abrollfläche (2) eines Prüfrades (1) eine Vielzahl von Prüfköpfen (19) angeordnet ist, deren dem Prüfkörper (4) zugewandte Sende-/Empfangsseiten (25) beim Abrollen des Prüfrades (1) auf dem Prüf­ körper (4) im Kontaktbereich (23) von Abrollfläche (2) und Oberfläche (3) des Prüfkörpers (4) zu liegen kommen.

2. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfköpfe (19) von Prüf­ kopfelementen (7) gebildet sind, deren Sende-/Emp­ fangsseiten im gleichen Winkelabstand in unmittel­ barer Nähe zueinander entlang der Abrollfläche (2) angeordnet sind.

3. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Anzahl benach­ barter Prüfkopfelemente (7) zu den Prüfköpfen (19) zusammenschaltbar sind.

4. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfkopfelement (7) in einer in das Prüfrad (1) eingebrachten Ausneh­ mung (24) vorgesehen ist.

5. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfkopfelement (7) in der Ausnehmung (24) rechtwinklig zu der Flächennormalen der Oberfläche (3) des Prüfkörpers (4) ausrichtbar gelagert ist.

6. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfkopf­ element (7) in einem Vergußblock (34) vorgesehen ist.

7. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfkopf­ element (7) bei Positionen außerhalb des Kontakt­ bereiches (23) mit einer Rückzugvorrichtung (27, 32) in die Ausnehmung (24) rückziehbar ist.

8. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückzugsvorrichtung eine in der Ausnehmung (24) vorgesehene Anordnung mit einem Permanentmagneten (32) und einem ansteuerbaren Elektromagneten (27) aufweist.

9. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (27) in Ab­ hängigkeit der Drehgeschwindigkeit des Prüfrades (1) so ansteuerbar ist, daß die Rückzugskraft auf den Permanentmagneten (32) im Kontaktbereich (23) kleiner als die gegengerichtete Fliehkraft und die gegengerichtete Anziehungskraft zwischen dem Prüf­ kopfelement (7) und dem Prüfkörper (4) ist.

10. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Abstandsmeßvorrichtung (54) der Abstand des Prüf­ kopfelements (7) von der Oberfläche (3) des Prüf­ körpers (4) meßbar ist.

11. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das sich jeweils im Kontaktbereich (23) befindende Prüfkopfelement (7) in einem mit der Abstandsmeßvorrichtung (54) meß­ baren Abstand von der Oberfläche (3) des Prüf­ körpers (4) betreibbar ist, der kleiner als ein vorbestimmter Höchstabstand ist.

12. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem von der Ab­ standsmeßvorrichtung (54) detektierten Abstand das von dem Prüfkopfelement (7) empfangene Signal kali­ brierbar ist.

13. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Prüf­ kopf (19) bildenden Prüfkopfelemente (7) zum Aus­ senden von Ultraschall in verschiedene Abstrah­ lungsrichtungen (20, 21, 22) zeitlich versetzt ansteuerbar sind.

14. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Positionsdetektionsvorrichtung (14, 15, 16, 43) die Stellung des Prüfrades (1) bestimmbar ist.

15. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß mit einer Recheneinheit (43) die Stellungen des Prüfrades (1) in bezug auf eine Referenzposition in Ortspositionen auf dem Prüfkörper (4) umrechenbar sind.

16. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsdetek­ tionsvorrichtung wenigstens einen an dem Prüfrad (1) angebrachten Reflektor (14) aufweist, mit dem von einer Lichtquelle (15) abgestrahltes Licht (17) auf einen Photodetektor (16) lenkbar ist.

17. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Auswerteschaltung (41) ausgehend von einer Re­ ferenzposition die von wenigstens einem Prüfkopfelement (7) an verschiedenen Stellungen des Prüfrades (1) empfangenen Ultraschallsignale unter Zuordnung der zugehörigen Stellungen des Prüfrades (1) ab­ speicherbar sind.

18. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall an einer Stellung des Prüfrades (1) in wenigstens zwei Winkelbereiche abstrahlbar ist.

19. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die rückgeworfenen, empfangenen Ultraschallsignale aus wenigstens zwei Winkelbereichen unabhängig voneinander unter Zuord­ nung zu der Stellung des Prüfrades (1) abspeicher­ bar sind.