DE19826421C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Nachweis eines Defekts (48) einer Führungsschiene (1) beschrieben, bei dem eine in die Führungsschiene (1) eingekoppelte Ultraschallwelle (40) nach wenigstens zwei Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) detektiert wird. Das Verfahren ist sowohl in einem Reflexions- als auch in einem Transmissionsmodus durchführbar. Beispielsweise ist damit eine Eisenbahnschiene während des Zugbetriebs auf der Eisenbahnstrecke auf Defekte und Schienendurchbrüche überwachbar. Es werden auch bevorzugte Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens angegeben. Jeweils mehrere Vorrichtungen sind zu einem Überwachungssystem kombinierbar, mit Hilfe dessen sich auch über weite Distanzen von mehreren 100 km Eisenbahnstrecken überwachen lassen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachweis ei­ nes Defekts einer Führungsschiene, insbesondere einer Eisen­ bahnschiene, wobei eine Ultraschallwelle an einer Einkoppel­ stelle mit einer Komponente in einer zur Führungsschiene pa­ rallelen Ausbreitungsrichtung in die Führungsschiene einge­ koppelt und nach wenigstens zwei Reflexionen an einander ge­ genüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche an einer Empfangsstelle detektiert wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung ersten Typs zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene, insbeson­ dere einer Eisenbahnschiene, mit

• a) wenigstens einem stationär an der Führungsschiene ankop­ pelbaren Sende-Ultraschallwandler, mit dem eine Ultra­ schallwelle in die Führungsschiene einkoppelbar ist, und mit
• b) wenigstens einem davon beabstandeten, stationär an der Führungsschiene ankoppelbaren Empfangs-Ultraschallwandler zur Detektion der eingekoppelten Ultraschallwelle.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zweiten Typs zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene, insbeson­ dere einer Eisenbahnschiene.

Aus der US-PS 5,275,051 ist ein Verfahren zur Prüfung von Schienenschwellen aus Holz oder Beton bekannt, bei dem Ultra­ schall mit einer Frequenz im Bereich von 25 kHz bis 100 kHz in die zu prüfende Schienenschwelle eingekoppelt wird.

In der US-PS 4,289,030 ist eine Vorrichtung zur Ultraschall­ prüfung von Rohren offenbart, mit der eine Scherwelle (Trans­ versalwelle) bei einer Frequenz von 130 kHz in das Rohr ein­ gekoppelt wird.

Zur Prüfung von plattenförmigem Material ist es beispiels­ weise aus der deutschen Auslegeschrift DE 18 01 182 oder aus der deutschen Patentschrift DE 881 266 bekannt, eine einge­ koppelte Ultraschallwelle nach einer Vielzahl von Reflexionen an den Innenflächen des Prüflings zu detektieren.

Aus dem Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall von Josef Krautkrämer und Herbert Krautkrämer, Springer Verlag 1986, 5. Auflage, Seite 398ff, ist es bekannt, Eisenbahnschienen mit einer Ultraschallwelle auf Defekte, insbesondere auf Risse oder Durchbrüche, zu untersuchen. Auf Seite 406 des genannten Buchs ist dargestellt, daß hierzu an einer Einkoppelstelle die Ultraschallwelle bezüglich der Längsachse der Schiene ge­ neigt in die Schiene eingekoppelt wird und nach einer Refle­ xion an der Rückseite der Schiene an einer Empfangsstelle empfangen wird. Hierzu ist an der Einkoppelstelle ein Sende- Ultraschallwandler und an der davon beabstandeten Empfangs­ stelle ein Empfangs-Ultraschallwandler vorgesehen. Sowohl der Sende- als auch der Empfangs-Ultraschallwandler sind in einem mobilen Schienenprüfzug untergebracht und werden zur Prüfung ausgedehnter Schienenabschnitte entlang der Schiene bewegt. Die beiden genannten Ultraschallwandler werden dabei in ge­ ringem Abstand oberhalb des Kopfs der Schiene bewegt, d. h. die beiden Ultraschallwandler sind an der gleichen Außenseite der Schiene angeordnet. Infolge der genannten Reflexion an der Rückseite ergibt sich somit insgesamt eine V-förmige Aus­ breitung der eingekoppelten Ultraschallwelle.

Ein solches nach dem Prinzip der V-Durchschallung arbeitendes Schienenprüffahrzeug ist außerdem aus der US-PS 4,429,576 be­ kannt. Mit diesem Schienenprüffahrzeug wird Ultraschall bei einer Frequenz von 800 kHz in die zu prüfende Eisenbahn­ schiene eingekoppelt.

Bei Vorhandensein eines Defekts in der Schiene ist diese V- förmige Ausbreitung der eingekoppelten Ultraschallwelle un­ terbrochen oder gestört, so daß im Empfangs-Ultraschallwand­ ler kein oder ein verändertes, insbesondere geringeres, Si­ gnal empfangen wird als ohne vorliegenden Defekt. Bei Abfah­ ren eines Schienenabschnitts mit dem genannten Schienenprüf­ zug ist somit dieser Schienenabschnitt auf Defekte prüfbar.

Ein Schienenprüfzug kann eine zu prüfende Eisenbahnschiene nur mit einer geringen Geschwindigkeit, insbesondere von we­ niger als 30 bis 50 km/h, abfahren. Dadurch ist die jährliche Laufleistung eines Schienenprüfzugs beschränkt, und die Prü­ fung der Schienen kann insbesondere bei Hochgeschwindigkeits­ strecken nur nachts erfolgen, da sonst die Verkehrsleistung der Hochgeschwindigkeitsstrecke in ungewünschter Weise beein­ trächtigt würde.

Ein weiteres Problem der Schienenprüfzüge ergibt sich daraus, daß die zu prüfenden Strecken infolge des geschilderten Auf­ wands nur einige wenige Male pro Jahr untersucht werden kön­ nen. Dies kann auf stark befahrenen Hochgeschwindigkeits­ strecken unter Umständen zu wenig sein, insbesondere falls innerhalb kürzerer Zeitabstände mit dem Auftreten eines De­ fekts zu rechnen ist. Ein solcher Defekt kann beispielsweise eine vollständige Durchtrennung der Eisenbahnschiene infolge eines Frostbruchs im Winter oder infolge eines Sabotageakts sein. Insbesondere auf Hochgeschwindigkeitsstrecken, auf de­ nen sich infolge der realisierten Spitzengeschwindigkeiten von über 200 km/h Vollbremsungswege von bis zu mehreren Kilo­ metern ergeben, können Schienendurchtrennungen infolge von Sabotageaktionen innerhalb der optischen Sicht des Lokführers nicht erkannt werden.

Es besteht also Bedarf für eine Methode, mit der ein Erkennen eines Defekts in einer Führungsschiene auch noch bis kurz vor dem Zeitpunkt möglich ist, zu dem der Defekt von einem an oder auf der Führungsschiene bewegten Wagen, z. B. einem Ei­ senbahnzug, passiert wird. Anders formuliert heißt das, daß auch solche Defekte erkennbar sein sollen, welche erst kurz vor dem Passieren der defekten Stelle auftreten. Die Detek­ tion eines Defekts soll beispielsweise noch bis wenige Minu­ ten vor dem Passieren eines Zugs möglich sein, so daß der Zug vor dem Defekt noch abgebremst werden kann.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 16 650 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung von Schienenunterbrechungen durch ständige Schienenüberwachung beschrieben, bei dem Schall durch eine am Anfang einer definierten Meßstrecke montierte Ultraschallquelle in die Schiene eingespeist und über ein am Ende der Meßstrecke an der Schiene montiertes Körperschallmi­ krophon ausgekoppelt wird. Mit dem Körperschallmikrophon sind auch Schallimpulse empfangbar, die beispielsweise durch einen auf der überwachten Meßstrecke fahrenden Eisenbahnzug oder durch einen dort tätigen Schienenarbeiter erzeugt wurden.

Das in der DE 41 16 650 A1 beschriebene Verfahren hat den Nachteil, daß mit großer Genauigkeit nur ein kleiner Strec­ kenabschnitt oder aber ein großer Streckenabschnitt nur mit geringer Genauigkeit überwacht werden kann.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen ein im Ver­ gleich zu dem bekannten Verfahren größerer Streckenabschnitt mit großer Genauigkeit überprüfbar ist.

Die auf ein Verfahren bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfin­ dung dadurch gelöst, daß die Frequenz der eingekoppelten Ul­ traschallwelle kleiner als 100 kHz ist.

Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, die zu über­ wachende Führungsschiene als Wellenleiter zu benutzen, in dem sich die zum Nachweis des Defekts eingekoppelte Ultraschall­ welle in Ausbreitungsrichtung ausbreitet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein größerer Schienenab­ schnitt in der Umgebung der Einkoppelstelle überprüft werden kann als bei den bekannt gewordenen Verfahren, und daß somit gegenüber den bekannten Verfahren ein zeitnäheres Erkennen eines Defekts möglich ist.

Die Ultraschallwelle wird insbesondere unter einem Winkel be­ züglich einer Längsachse der Führungsschiene in die Führungs­ schiene eingekoppelt.

Beispielsweise wird die eingekoppelte Ultraschallwelle nach einer Vielzahl von Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche detektiert. Unter einer Vielzahl werden z. B. wenigstens zehn, bevorzugt 100 und ganz bevorzugt wenigstens 500 Reflexionen verstanden. Die Schall­ ausbreitung findet in diesem Fall durch zick-zack-artiges Hin- und Her-Reflektieren zwischen den einander gegenüberlie­ genden Innenseiten in Ausbreitungsrichtung statt.

Infolge des großen in der Umgebung der Einkoppelstelle über­ prüfbaren Schienenabschnitts kann das Einkoppeln der Ultra­ schallwelle beispielsweise aus einem fahrenden Zug heraus er­ folgen, so daß der Zug ständig den vor sich liegenden Strec­ kenabschnitt auf einen Defekt hin untersucht. Anders formu­ liert heißt das: Der Zug fährt auf akustische Sicht.

Infolge des großen in der Umgebung der Einkoppelstelle über­ prüfbaren Streckenabschnitts kann das Verfahren aber auch mit Hilfe eines stationär an der Führungsschiene angebrachten Sende-Ultraschallwandlers durchgeführt werden. Ausgedehntere Streckenabschnitte der Führungsschiene sind durch ein System entlang der Führungsschiene angebrachter Sende-Ultraschall­ wandler überwachbar. Dabei kann der Abstand zwischen den ein­ zelnen Sende-Ultraschallwandlern groß gewählt werden, da sich die eingekoppelte Ultraschallwelle in dem verfahrensgemäß be­ nutzten Frequenzbereich über eine große Entfernung ausbrei­ tet. Dadurch ist es überhaupt erst möglich, das Verfahren mit stationären Ultraschallwandlern, beispielsweise zur Überwa­ chung von Eisenbahnstrecken, wirtschaftlich rentabel durchzu­ führen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Empfangsstelle von der Einkoppelstelle entfernt, und zur Überwachung des Schienenabschnitts zwischen der Empfangs­ stelle und der Einkoppelstelle wird ein die Führungsschiene in Ausbreitungsrichtung durchschallender Anteil der eingekop­ pelten Ultraschallwelle an der Empfangsstelle detektiert. Das Verfahren arbeitet in dieser Ausgestaltung in einem Transmis­ sionsmodus.

Unter dem Schienenabschnitt wird hierbei und im folgenden ein Teil der Führungsschiene in einer Betrachtung entlang der Längsachse der Führungsschiene verstanden, wobei dieser Teil auch die gesamte Führungsschiene umfassen kann. Eine Füh­ rungsschiene kann in diesem Zusammenhang auch einzelne, aku­ stisch aneinander gekoppelte Schienenteilstücke umfassen.

Die Empfangsstelle ist bevorzugt mehr als 500 m und ganz be­ sonders bevorzugt mehr als 1000 m von der Einkoppelstelle entfernt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird an der Empfangsstelle zur Überwachung eines an den Schienenab­ schnitt anschließenden Schienenabschnitts eine weitere Ultra­ schallwelle in die Führungsschiene eingekoppelt oder aus die­ ser empfangen.

Nach einer anderen, als Reflexionsmodus bezeichneten Ausge­ staltung des Verfahrens ist die Empfangsstelle mit der Ein­ koppelstelle identisch und ein am Defekt reflektierter Anteil und/oder ein an einem baulich bedingten Reflektor, insbeson­ dere an einer Stirnseite der Führungsschiene, reflektierter Anteil der eingekoppelten Ultraschallwelle wird an der Ein­ koppelstelle detektiert.

Der an einem baulich bedingten Reflektor reflektierte Anteil kann insbesondere zur Überprüfung der fehlerfreien Funktion einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung dienen.

Die in die Führungsschiene eingekoppelte Ultraschallwelle kann sowohl eine quasi kontinuierliche Ultraschallwelle oder ein Ultraschallimpuls sein. Bei der Verwendung eines Ultra­ schallimpulses hat man zusätzlich die Möglichkeit, den re­ flektierten Anteil des eingekoppelten Ultraschallimpulses laufzeitmäßig zu überwachen. Beispielsweise kann aus dem Auf­ treten eines reflektierten Anteils zu einem Laufzeitpunkt, an dem bisher kein oder nur ein geringes Ultraschallsignal emp­ fangen wurde, auf das Auftreten bzw. Wachsen eines Defekts geschlossen werden. Aus dem Ausbleiben oder aus der Abnahme des von einem baulich bedingten Reflektor reflektierten An­ teils kann ebenfalls auf einen Defekt zwischen der Einkoppel­ stelle und dem baulich bedingten Reflektor geschlossen wer­ den.

Bevorzugt wird die Ultraschallwelle in die Führungsschiene eingekoppelt, während an oder auf der Führungsschiene ein Wa­ gen, beispielsweise ein Zug, bewegt wird. Beispielsweise wird in eine Eisenbahnschiene während des normalen Zugverkehrs durch den Steg oder den Fuß der Eisenbahnschiene die Ultra­ schallwelle eingekoppelt, ohne daß der laufende Zugbetrieb dadurch gestört würde.

Bevorzugt wird bei einem Abweichen eines durch die detek­ tierte Ultraschallwelle bewirkten Detektorsignals von einem bekannten, ohne vorliegenden Defekt erfaßten Detektorsignal auf das Vorliegen eines Defekts geschlossen.

Beispielsweise wird ein von der detektierten Ultraschallwelle bewirktes Detektorsignal zeitlich gesteuert verstärkt.

Die auf eine Vorrichtung bezogene Aufgabe wird bezogen auf den ersten Vorrichtungstyp gemäß der Erfindung dadurch ge­ löst, daß der Sende-Ultraschallwandler und der Empfangs-Ul­ traschallwandler bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar sind.

Mit einer solchen, aus zwei beabstandeten und stationär an der Führungsschiene anbringbaren Ultraschallwandlern beste­ henden Vorrichtung ist ein Schienenabschnitt zwischen dem Sende-Ultraschallwandler und dem Empfangs-Ultraschallwandler ständig, d. h. zeitkontinuierlich, auf Defekte hin überwach­ bar, so daß nach Erkennen eines Defekts ohne große Zeitver­ zögerung ein Abbremsen eines auf der Führungsschiene bewegten Wagens, insbesondere eines Zugs, eingeleitet werden kann.

Der Abstand zwischen dem Sende-Ultraschallwandler und dem Empfangs-Ultraschallwandler ist bevorzugt derart gewählt, daß die Ultraschallwelle im wesentlichen nach einer Mehrzahl von Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche durch den Empfangs-Ultraschallwandler de­ tektierbar ist.

Unter einer Mehrzahl werden bevorzugt fünf, besonders bevor­ zugt 100 und besonders bevorzugt 500 Reflexionen verstanden.

Der Abstand zwischen dem Sende-Ultraschallwandler und dem Empfangs-Ultraschallwandler beträgt insbesondere mehr als 500 m oder mehr als 1000 m.

Die Vorrichtung ersten Typs ist bevorzugt zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung im Transmissionsmodus ge­ eignet.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Vorrich­ tung sind wenigstens zwei zur Überwachung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Führungsschiene in Reihe an­ bringbare Vorrichtungen zu einem Überwachungssystem für die Führungsschiene zusammengefügt.

Dadurch läßt sich eine ausgedehnte Führungsschiene, bei­ spielsweise von vielen Kilometern Länge, besonders gut auf einen Defekt hin überwachen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Überwachungssystems ist der Sende-Ultraschallwandler einer der Vorrichtungen in unmittelbarer Nähe zu dem Empfangs-Ultraschallwandler der be­ nachbarten Vorrichtung anbringbar. Das bedeutet z. B., daß entlang der Führungsschiene in festen oder variablen Abstän­ den ein Sende- sowie ein Empfangs-Ultraschallwandler ange­ bracht sind, wobei der Empfangs-Ultraschallwandler eine Ul­ traschallwelle aus dem vorangegangenen Streckenabschnitt emp­ fängt, und der Sende-Ultraschallwandler eine Ultraschallwelle in den daran anschließenden Schienenabschnitt einkoppelt.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Überwa­ chungssystems ist der Sende-Ultraschallwandler einer der Vor­ richtung in unmittelbarer Nähe zu dem Sende-Ultraschallwand­ ler der benachbarten Vorrichtung anbringbar.

In gleicher Weise kann dies für die Empfangs-Ultraschallwand­ ler benachbarter Vorrichtungen gelten. Dann werden beispiels­ weise an mehreren Stellen entlang der Führungsschiene jeweils zwei Ultraschallwellen in einander entgegengesetzte Ausbrei­ tungsrichtungen entlang der Führungsschiene eingekoppelt und an davon beabstandeten Empfangsstellen jeweils zwei Ultra­ schallwellen empfangen. An den Empfangsstellen sind jeweils zwei Empfangs-Ultraschallwandler angeordnet. Ein derartiges Überwachungssystem hat den Vorteil, daß zu einer Empfangs­ stelle ausschließlich Empfangsleitungen und zu einer Sende­ stelle ausschließlich für eine gegebenenfalls hohe Leistung der Sende-Ultraschallwandler ausgelegte Sendeleitungen gelegt werden müssen.

Unter "in unmittelbarer Nähe" ist beispielsweise zu verste­ hen, daß der Abstand zwischen zwei benachbart anbringbaren Ultraschallwandlern erheblich kleiner als die Länge eines zwischen zwei Ultraschallwandlern überwachten Schienenab­ schnitts ist. Beispielsweise beträgt dieser Abstand weniger als ein Prozent oder weniger als ein Promille der Länge des überwachten Schienenabschnitts.

Nach einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des Über­ wachungssystems ist der Sende-Ultraschallwandler einer der Vorrichtungen als der Empfangs-Ultraschallwandler der benach­ barten Vorrichtung betreibbar. Ein solcher Sende- und Emp­ fangs-Ultraschallwandler ist demzufolge zwei benachbarten Vorrichtungen gleichzeitig zugeordnet. Bei einem derartigen Überwachungssystem kann mit einer besonders kleinen Anzahl von Ultraschallwandlern eine vorgegebene, in der Länge ausge­ dehnte Führungsschiene überwacht werden.

Die auf eine Vorrichtung bezogene Aufgabe wird mit dem zwei­ ten Vorrichtungstyp gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein stationär an der Führungsschiene ankoppelbarer Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler vorhanden ist, mit dem eine Ultraschallwelle in die Führungsschiene einkoppelbar und nach einer Mehrzahl von Reflexionen an einander gegenüberlie­ genden Innenseiten der Schienenoberfläche sowie nach einer Reflexion an dem Defekt und/oder an einem baulich bedingten Reflektor detektierbar ist, wobei der Sende- und Empfangs-Ul­ traschallwandler bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar ist.

Die Vorrichtung zweiten Typs ist bevorzugt zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, insbesondere des Verfah­ rens im Reflexionsmodus, geeignet.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens zwei solche zur Überwachung verschiedener Schienenabschnitte ent­ lang der Führungsschiene in Reihe anbringbare Vorrichtungen zu einem Überwachungssystem für eine Führungsschiene, insbe­ sondere eine Eisenbahnschiene, zusammengefaßt.

Beispielsweise weist eines der Überwachungssysteme eine mit dem zur Detektion der eingestrahlten Ultraschallwelle vorge­ sehenen Ultraschallwandler in Verbindung stehende Auswerte­ einheit zur Interpretation des Ausgangssignals dieses Ultra­ schallwandlers auf.

Die Auswerteeinheit in einem der genannten Überwachungssy­ steme steht beispielsweise mit einem Kommunikationsnetz und/oder mit einer Leitzentrale in Verbindung. In der Leit­ zentrale werden beispielsweise auftretende Defekte in der Führungsschiene erkannt und eine daraus resultierende Maß­ nahme, beispielsweise eine Abbremsung eines Zugs, eingelei­ tet.

Sechs Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung nach der Erfin­ dung werden anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Die Figuren erläutern gleichfalls die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung in der ersten Ausführungsform, wobei die Führungsschiene in einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist,

Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel in Auszügen, wobei die Führungsschiene im Schnitt dargestellt ist,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung in der zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 ein im Transmissionsmodus betriebenes Überwachungs­ system nach der Erfindung,

Fig. 5 ein weiteres im Transmissionsmodus betriebenes Überwachungssystem nach der Erfindung,

Fig. 6 ein im Reflexionsmodus betriebenes Überwachungssy­ stem nach der Erfindung und

Fig. 7 ein weiteres im Transmissionsmodus betriebenes Überwachungssystem nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Führungs­ schiene, bestehend aus einem Fuß 1A, einem Steg 1B und einem Kopf 1C. Die Führungsschiene 1 ist entlang ihrer Längs­ achse 1D in Schienenabschnitte 2A, 2B eingeteilt. Zur Überwa­ chung des Schienenabschnitts 2A ist ein erster Sende-Ultra­ schallwandler 3 und ein erster Empfangs-Ultraschallwandler 7 vorhanden. Der Überwachung des daran anschließenden Schienen­ abschnitts 2B dient ein zweiter Sende-Ultraschallwandler 5 und ein zweiter Empfangs-Ultraschallwandler 8. Der erste Sende-Ultraschallwandler 3 koppelt an einer Einkoppelstelle 9 eine Ultraschallwelle in die Führungsschiene 1 ein, aus der sie an einer Empfangsstelle 10 von dem ersten Empfangs-Ultra­ schallwandler 7 empfangen wird. Die Einkoppelstelle 9 ist von der Empfangsstelle 10 in einem Abstand d angeordnet, der in etwa 3 bis 5 km beträgt.

Die Führungsschiene 1 ist eine Eisenbahnschiene, welche aus einzelnen Stücken unterbrechungslos, d. h. spaltfrei, zu einer Gesamtlänge von etwa 10 bis 20 km zusammengeschweißt ist. Eine solche Eisenbahnschiene kann als in zwei bis sechs Schienenabschnitte 2A, 2B, ... eingeteilt verstanden werden, wovon in Fig. 1 nur zwei Schienenabschnitte 2A, 2B darge­ stellt sind.

Die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 sind über Verbindungslei­ tungen 11, 12 mit einem Leistungstreiber 15 verbunden, mit dem die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 derart ansteuerbar sind, daß jeweils eine Ultraschallwelle mit einer elektri­ schen Leistungsansteuerung von bis zu einigen Kilowatt in den betreffenden Schienenabschnitt 2A bzw. 2B eingekoppelt wird.

Die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 werden niederfrequent ange­ steuert, um die Dämpfung der Ultraschallwelle innerhalb der Führungsschiene 1 klein zu halten. Beispielsweise werden die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 mit einer Frequenz von 50 kHz betrieben.

Die Empfangs-Ultraschallwandler 7, 8 stehen über Verbindungs­ leitungen 17, 18 mit einer Auswerteeinheit 20 in Verbindung. In der Auswerteeinheit 20 werden die von den Empfangs-Ultra­ schallwandlern 7, 8 erzeugten elektrischen Signale mit fester Verstärkung oder mit einer zeitgesteuerten Verstärkung verar­ beitet. Es wird auch eine analoge oder digitale Filterung der Empfängersignale vorgenommen, so daß eine Bewertung möglich ist, ob sich in dem überwachten Schienenabschnitt ein Defekt befindet.

Die derart konditionierten elektronischen Signale werden über eine Leitung 22 in ein Kommunikationsnetz 24 eingespeist, das in einer Leitzentrale 25 mündet.

Fig. 2 zeigt den Schienenabschnitt 2A, wobei hierbei die Führungsschiene 1 im Querschnitt dargestellt ist. Der erste Sende-Ultraschallwandler 3 ist über einen ersten Vorlaufkör­ per 33 und der erste Empfangs-Ultraschallwandler 7 über einen zweiten Vorlaufkörper 37 akustisch an die Schienenoberflä­ che 30 angekoppelt. Der erste Vorlaufkörper 33 hat eine Keil­ form, so daß die eingekoppelte Ultraschallwelle 40 bezüglich der Längsachse 1B der Führungsschiene 1 geneigt und mit einer Richtungskomponente in eine Ausbreitungsrichtung 42 in die Führungsschiene 1 eingekoppelt wird. Nach mehreren Reflexio­ nen an einander gegenüberliegenden Innenseiten 41, 43 der Schienenoberfläche 39 wird ein die Führungsschiene 1 durch­ schallender Anteil 45 der Ultraschallwelle von dem ersten Empfangs-Ultraschallwandler 7 detektiert.

An der Einkoppelstelle 9 ist durch drei Pfeile angedeutet, daß die eingestrahlte Ultraschallwelle 40 aus einem divergie­ renden Bündel mehrerer Ultraschallwellen (Strahlen) besteht, so daß in jedem Fall ein Ultraschallstrahl von dem ersten Empfangs-Ultraschallwandler 7 detektiert wird. Insbesondere bei den genannten kleinen Ultraschallfrequenzen ist der Nah­ feldbereich klein und die Divergenz der von einem Sende-Ul­ traschallwandler abgestrahlten Ultraschallwelle groß (Nah­ feldbereich z. B. 4 bis 6 mm).

Die Verluste bei der Reflexion an den einander gegenüberlie­ genden Innenseiten 41, 43, z. B. durch Transmission, d. h. Aus­ kopplung aus der Führungsschiene 1 heraus, sind insbesondere dann sehr gering, falls die Führungsschiene 1 aus Stahl be­ steht und sich in einer Luftatmosphäre befindet (stark unter­ schiedliche Schallwellenwiderstände in Stahl und Luft).

Die Ultraschallwelle 40 kann insbesondere mit einem Bre­ chungswinkel β von nahezu 90° eingekoppelt werden. Beispiels­ weise wird sie ohne keilförmigen Vorlaufkörper durch eine Stirnseite der Führungsschiene eingekoppelt (nicht explizit gezeichnet).

Die Fig. 2 wie auch die folgende Fig. 3 zeigen einen Schnitt durch den Steg 1B der Führungsschiene 1 von oben be­ trachtet. Die Innenseiten 41, 43, zwischen denen die Refle­ xionen der eingekoppelten Ultraschallwelle 40 stattfinden, sind also insbesondere eine vordere Innenseite 41 und eine rückwärtige Innenseite 43.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung in der zweiten Ausführungsform. Sie weist einen Sende- und Empfangs- Ultraschallwandler 46 auf, mit dem sowohl eine Ultraschall­ welle 40 in die Führungsschiene 1 eingekoppelt wird als auch reflektierte Anteile 49, 51 der Ultraschallwelle 40 empfangen werden. Der Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 ist über einen gekeilten Vorlaufkörper 47 an die Führungs­ schiene 1 akustisch angekoppelt. Das vom Sende- und Empfangs- Ultraschallwandler 46 abgestrahlte divergente Ultraschallbün­ del ist an der Einkoppelstelle 9 durch drei Pfeile angedeu­ tet. Falls in der Führungsschiene 1 ein Defekt 48 vorliegt, werden vom Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 sowohl ein am Defekt 48 reflektierter Anteil 49 und ein an der Stirnseite 53 reflektierter Anteil 51 der Ultraschallwelle detektiert.

Im gezeichneten Beispiel wird von dem Sende- und Empfangs-Ul­ traschallwandler ein Ultraschallimpuls ausgesendet, so daß beide genannte reflektierte Anteile 49, 51 zum Nachweis des Defekts 48 herangezogen werden können.

Der am Defekt 48 reflektierte Anteil 49 war ohne vorliegenden Defekt 48 nicht detektierbar und läßt somit unmittelbar auf einen vorliegenden Defekt schließen. In einer mit dem Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 in Verbindung stehenden Auswerteeinheit werden sowohl der Sende- als auch der Emp­ fangszeitpunkt der eingekoppelten bzw. empfangenen Ultra­ schallwelle 40 bzw. 49 aufgezeichnet. Aus der Differenz die­ ser beiden Zeitpunkte läßt sich auf die Entfernung des De­ fekts 48 von dem Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 schließen. Je größer der am Defekt 48 reflektierte Anteil 49 ist, um so größer ist der vorliegende Defekt 48.

Die genannte Auswerteeinheit zeichnet gleichfalls den Sende- und Empfangszeitpunkt des an der Stirnseite 53 reflektierten Anteils 51 auf. Da die Entfernung des Sende- und Empfangs-Ul­ traschallwandlers 46 von der Stirnseite 53 bekannt ist, läßt sich bei Kenntnis dieser Zeitpunkte die aktuelle und genaue Schallgeschwindigkeit ermitteln, welche beispielsweise von der Umgebungstemperatur abhängt. Die Signalintensität des an der Stirnseite 53 reflektierten Anteils 51 wird ebenfalls zur Defektüberwachung herangezogen. Falls die Signalhöhe aus dem an der Stirnseite 53 reflektierten Anteil 51 gegen Null ten­ diert, kann daraus geschlossen werden, daß der Defekt 48 als vollständige Unterbrechung der Führungsschiene 1 vorliegt.

In den Fig. 4 bis 7 sind vier Beispiele eines Überwa­ chungssystems, jeweils bestehend aus mehreren Vorrichtungen nach der Erfindung, dargestellt. In diesen stark schemati­ sierten Figuren ist die eingekoppelte Ultraschallwelle 40 der Übersichtlichkeit halber ohne detaillierte Darstellung der Zick-Zack-Reflexionen als einfacher Pfeil in Ausbreitungs­ richtung 42 dargestellt. Nicht explizit gezeichnet sind elek­ trische Verbindungsleitungen zu bzw. von den einzelnen Ultra­ schallwandlern.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Überwachungssystem sind je­ weils ein Sende-Ultraschallwandler 60 und ein Empfangs-Ultra­ schallwandler 62 im wesentlichen unmittelbar benachbart an insgesamt fünf Stellen entlang der Führungsschiene ange­ bracht. Diese jeweils paarweise Anordnung eines Sende-Ultra­ schallwandlers 60 mit einem Empfangs-Ultraschallwandler 62 entspricht vom Prinzip her dem in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel. Der Schienenabschnitt zwischen je einem Sende-Ultraschallwandler 60 und je einem Empfangs-Ultra­ schallwandler 62 wird im Transmissionsmodus durch die diesen Streckenabschnitt durchschallende Ultraschallwelle 40 auf De­ fekte hin überwacht.

Bezeichnet man mit S einen Ultraschallsender und mit E einen Empfänger, so ergibt sich bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel die Folge ...-E/S-E/S-E/S-..., wobei ein "-" einen Schienenabschnitt symbolisiert.

Bei dem in Fig. 5 gezeichneten Überwachungssystem sind die jeweils unmittelbar benachbarten gesondert zum Senden und zum Empfangen vorhandenen Ultraschallwandler 60, 62 der Fig. 4 zu einem gemeinsamen Sende- und Empfangs-Ultraschallwand­ ler 64 (ES) zusammengefaßt. Es ergibt sich die Folge ...ES- ES-ES-.... Dieses Überwachungssystem arbeitet gleichfalls im Transmissionsmodus.

Dagegen arbeitet das in Fig. 6 dargestellte Überwachungssy­ stem im Reflexionsmodus. Mehrere, im gezeichneten Beispiel insgesamt fünf, Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 66 koppeln je eine Ultraschallwelle 40 in die Führungsschiene ein und empfangen aus dem Schienenabschnitt, in den diese Ul­ traschallwelle 40 eingekoppelt wurde, einen gegebenenfalls an einem Defekt reflektierten Anteil 49 und/oder einen an einer Stirnseite oder an einem sonstigen baulichen Reflektor der Führungsschiene reflektierten Anteil 51 der Ultraschallwelle. Es ergibt sich die Wandlerfolge ...ES-ES-ES....

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele sind auch kombinierbar. Das bedeutet, daß ein zwischen zwei Sende- und Empfangs-Ultraschallwandlern gebildeter Schienen­ abschnitt sowohl im Transmissionsmodus als auch im Refle­ xionsmodus überwacht wird.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Überwachungssystems sind im Gegensatz zu dem in Fig. 4 dar­ gestellten Beispiel nicht ein Empfangs- und ein Sende-Ultra­ schallwandler von benachbarten Schienenabschnitten in unmit­ telbarer Nähe angeordnet. Vielmehr sind bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel jeweils die Sende-Ultraschallwandler 60A, 60B von benachbarten Schienenabschnitten und die Empfangs-Ultra­ schallwandler 62A, 62B von anderen benachbarten Schienenab­ schnitten im wesentlichen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Im gezeichneten Beispiel bedeutet dies, daß sich die in unterschiedliche Schienenabschnitte eingekoppelten Ultra­ schallwellen 40 in benachbarten Schienenabschnitten in entge­ gengesetzter Richtung ausbreiten. Die Wandlerfolge lautet ...-S/S-E/E-S/S-E/E-S/S-....

Claims (21)

1. Verfahren zum Nachweis eines Defektes (48) einer Führungs­ schiene (1), insbesondere einer Eisenbahnschiene, wobei eine Ultraschallwelle (40) an einer Einkoppelstelle (9) mit einer Komponente in einer zur Führungsschiene (1) parallelen Aus­ breitungsrichtung in die Führungsschiene (1) eingekoppelt und nach wenigstens zwei Reflexionen an einander gegenüberliegen­ den Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) an einer Empfangsstelle (10) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fre­ quenz der eingekoppelten Ultraschallwelle (40) kleiner als 100 kHz ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einge­ koppelte Ultraschallwelle (40) nach einer Vielzahl von Refle­ xionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) detektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emp­ fangsstelle (10) von der Einkoppelstelle (9) entfernt ist und daß zur Überwachung des Schienenabschnitts (2A) zwischen der Empfangsstelle (10) und der Einkoppelstelle (9) ein die Füh­ rungsschiene (1) in Ausbreitungsrichtung durchschallender An­ teil (45) der eingekoppelten Ultraschallwelle (40) an der Empfangsstelle (10) detektiert wird (Fig. 2).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emp­ fangsstelle (10) mehr als 500 m von der Einkoppelstelle (9) entfernt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Emp­ fangsstelle (10) zur Überwachung eines an den Schienenab­ schnitt (2A) anschließenden Schienenabschnitts (2B) eine wei­ tere Ultraschallwelle in die Führungsschiene (1) eingekoppelt oder aus dieser empfangen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emp­ fangsstelle (10) mit der Einkoppelstelle (9) identisch ist und ein an dem Defekt (48) reflektierter Anteil (49) und/­ oder ein an einem baulich bedingten Reflektor, insbesondere an einer Stirnseite (53) der Führungsschiene (1), reflektier­ ter Anteil (51) der eingekoppelten Ultraschallwelle (40) an der Einkoppelstelle (9) detektiert wird (Fig. 3).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultra­ schallwelle (40) in die Führungsschiene (1) eingekoppelt wird, während an oder auf der Führungsschiene (1) ein Wagen bewegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abweichen eines durch die detektierte Ultraschallwelle be­ wirkten Detektorsignals von einem bekannten, ohne vorliegen­ den Defekt (48) erfaßten Detektorsignal auf das Vorliegen ei­ nes Defektes (48) geschlossen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der detektierten Ultraschallwelle bewirktes Detektorsignal zeit­ gesteuert verstärkt wird.

10. Vorrichtung zum Nachweis eines Defektes (48) einer Füh­ rungsschiene (1), insbesondere einer Eisenbahnschiene, bevor­ zugt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7 bis 9, mit

• a) wenigstens einem stationär an der Führungsschiene (1) an­ koppelbaren Sende-Ultraschallwandler (3, 5), mit dem eine Ultraschallwelle (40) in die Führungsschiene (1) einkoppel­ bar ist, und mit
• b) wenigstens einem davon beabstandeten, stationär an der Führungsschiene (1) ankoppelbaren Empfangs-Ultraschallwand­ ler (7, 8) zur Detektion der eingekoppelten Ultraschall­ welle (40),

dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- Ultraschallwandler (3, 5) und der Empfangs-Ultraschallwandler (7, 8) bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) zwischen dem Sende-Ultraschallwandler (3, 5) und dem Emp­ fangs-Ultraschallwandler (7, 8) derart gewählt ist, daß die Ultraschallwelle im wesentlichen nach einer Mehrzahl von Re­ flexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) durch den Empfangs-Ultraschall­ wandler (7, 8) detektierbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) zwischen dem Sende-Ultraschallwandler (3, 5) und dem Emp­ fangs-Ultraschallwandler (7, 8) mehr als 500 m beträgt.

13. Überwachungssystem für eine Führungsschiene (1), insbe­ sondere eine Eisenbahnschiene, mit wenigstens zwei zur Über­ wachung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Füh­ rungsschiene (1) in Reihe anbringbaren Vorrichtungen (60, 62; 64) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.

14. Überwachungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- Ultraschallwandler (5; 60) einer der Vorrichtungen in unmit­ telbarer Nähe zu dem Empfangs-Ultraschallwandler (7; 62) der benachbarten Vorrichtung anbringbar ist.

15. Überwachungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- Ultraschallwandler (60A) einer der Vorrichtungen in unmittel­ barer Nähe zu dem Sende-Ultraschallwandler (60B) der benach­ barten Vorrichtung anbringbar ist.

16. Überwachungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- Ultraschallwandler (64) einer der Vorrichtungen als der Emp­ fangs-Ultraschallwandler (64) der benachbarten Vorrichtung betreibbar ist.

17. Vorrichtung zum Nachweis eines Defektes (48) einer Füh­ rungsschiene (1), insbesondere einer Eisenbahnschiene, bevor­ zugt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6 bis 9, gekennzeichnet durch wenigstens einen stationär an der Führungsschiene (1) ankoppelbaren Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler (46; 66), mit dem eine Ultra­ schallwelle (40) in die Führungsschiene (1) einkoppelbar und nach einer Mehrzahl von Reflexionen an einander gegenüberlie­ genden Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) sowie nach einer Reflexion an dem Defekt (48) und/oder an einem baulich bedingten Reflektor detektierbar ist, wobei der Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler (46; 66) bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar ist.

18. Überwachungssystem für eine Führungsschiene (1), insbe­ sondere eine Eisenbahnschiene, mit wenigstens zwei zur Über­ wachung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Füh­ rungsschiene in Reihe anbringbaren Vorrichtungen (66) nach Anspruch 17.

19. Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16 oder 18, gekennzeichnet durch eine mit dem zur De­ tektion der eingestrahlten Ultraschallwelle (40) vorgesehenen Ultraschallwandler (7, 8; 62; 64; 66) in Verbindung stehende Auswerteeinheit (20) zur Interpretation des Ausgangssignals dieses Ultraschallwandlers (7, 8; 62; 64; 66).

20. Überwachungssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswer­ teeinheit (20) mit einem Kommunikationsnetz (24) in Verbin­ dung steht.

21. Überwachungssystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswer­ teeinheit (20) mit einer Leitzentrale (25) in Verbindung steht.