DE3218453C2 - Elektromagnetischer Ultraschallwandler zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitfähigen Werkstoffen - Google Patents

Abstract

Zur zerstörungsfreien Prüfung der Lauffläche von Eisenbahnrädern ohne Ausbau der Radsätze dienen Ultraschall-Oberflächenwellen, die sich von in den Schienenköpfen integrierten Prüfköpfen ausgehend, beim Überrollen durch das Rad entlang dessen Lauffläche ausbreiten und nach Durchlaufen des Radumfangs bzw. Reflexion auf dem Ausbreitungsweg, z.B. an einem Riß, von den Prüfköpfen empfangen und anschließend ausgewertet werden. Die Prüfköpfe bestehen aus elektromagnetischen Ultraschallwandlern mit in Aussparungen der Schienenköpfe untergebrachten Vormagnetisierungs- und Hochfrequenzwicklungen zur koppelmittelfreien Anregung der Oberflächenwellen im überrollenden Rad und zum Empfang der umgelaufenen bzw. reflektierten Wellen. Zur Erzeugung der HF-Leistungsimpulse dienen mehrere jeweils in Gegentakt-B-Betrieb arbeitende Leistungstransistoren. Im Empfangsweg liegt ein logarithmischer Breitbandverstärker, bei dem mehrere Logarithmierstufen über Begrenzer, Verstärker und Dämpfungsglieder gestuft angesteuert werden und ausgangsseitig über einen Summierer zusammengeschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Ultraschallwandler zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitfähigen Werkstoffen, mit einem einen Mittelpol und einen diesen umgebenden äußeren Pol aufweisenden Magnetkern, mit einer in dem Raum zwischen dem Mittelpol und dem äußeren Pol angeordneten Magnetisierungsspule zur Erzeugung eines rechtwinklig aus der Polflächc austretenden, zur Vormagnetisierung bestimmten Magnetfeldes und mit einer an der Polfläche des Mittelpols angeordneten vom Magnetfeld der Magnetisierungsspule durchsetzten Hochfrequenzspulenanordnung zur Erzeugung einer Ultraschallwellen auslösenden Wirbclstromverieilung in der auf die Polfläche aufgesetzten Werkstoffoberfläche.

Bei einem derartigen aus der DE-OS 28 45 579 bekannten Ultraschallwandler ist der Mittelpol von einem rohrförmigen äußeren Pol umgeben, dessen Polfläche in einer gekrümmten Fläche angeordnet ist, wobei der größere Teil ihrer Fläche in diametral gegenüberliegenden Bereichen längs einer Magnetachse konzentriert ist, die senkrecht zu einer Krümmungslinie der Polfläche verläuft, so daß dann, wenn die Polfläche in der Nähe w> der Oberfläche des zu messenden Körpers angeordnet ist, der magnetische Fluß längs der Magnetachse konzentriert ist.

Basierend auf dem durch die Wechselwirkung zwischen der Vormagnetisierung und den Wirbelströmen b¹; hervorgerufenen elektromagnetisch-akustischen Effekt gestattet der bekannte Ultr^schallwandler eine Meßtechnik, die keinen direkten Kontakt mit dem zu vermessenden Körper erfordert. Aufgrund seiner besonderen Formgebung soll der bekannte Ultrasehallwandlcr es gestatten, zylindrische Körper mit einem relativ großen Bereich von Durchmessern zu testen. Infolge der Geometrie der Anordnung und der Krümmungsradien der äußeren Pole ergibt sich dabei ein maximal erfaßbarer Durchmesser, der bei /u vermessenden Körpern nicht überschritten werden darf.

In der Zeitschrift Ultrasonics, November 1974, Seiten 239, 241, ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und automatischen Erkennung von Schaden der Lauffläche von Eisenbahnrädern ohne Ausbau der Radsätze beschrieben, bei dem Ultraschallprüfköpfc eingesetzt werden, die über eine Wasscrvorlaufstrccke die Ultraschallwelle in die Lauffläche des Eisenbahnrades cinkoppcln. Zur Durchführung des Verfahrens muß die Schiene aufgetrennt und ein spezieller Schienenabschniit eingesetzt werden. Dabei ist eine Anordnung des Prüfkopfcs in der Weise erforderlich, daß dieser beim Überrollen durch die Eisenbahnräder mechanisch nicht belastet wird. Aus diesem Grunde muß neben dem Ultraschallprüfkopf eine Hilfsschiene angeordnet werden, die das zu testende Eisenbahnrad unterstützt und verhindert, daß dieses den Ultraschallprüfkopf zerdrückt.

Aus der Zeitschrift FhG-Berichte, 3-78, Seiten 66 bis 73, sind elektromagnetische Ultraschallwandler zur zerstörungsfreien Materialprüfung bekannt, bei denen das zur Vormagnetisierung erzeugte Magnetfeld parallel zur Wandleroberflächc und zur Oberfläche des zu testenden Prüfkörpers verläuft, um Rayleigh'schc Oberflächcnwcllen anzuregen. Aus dieser Druckschrift läßt sich auch der Hinweis entnehmen, elektromagnetische Ultraschallwandlcr mit Wicklungen auszustatten, die in einzelne, separat betriebene Schleifen aufgeteilt sind. Ein von 1 verschiedenes Vor-Rück-Verhältnis kann gemäß dieser Druckschrift erzielt werden, wenn die Sende- und die Empfangswicklungen ineinander verschachtelt und um ein Viertel der Spurwcllcnlängc gegeneinander verschoben werden. Dabei müssen um 90° phasenverschobene Sendesignale zur Ansteuerung verwendet werden. Beim Empfang einer Ultraschallwelle erhält man zwei um 90" phasenverschobene Signale, deren Phasendifferenz durch einen Phasenschieber kompensiert werden kann, bevor die Ausgangsspannungen addiert werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der zur zerstörungsfreien Prüfung der Lauffläche von Eisenbahnrädern mittels Ultraschall-Oberflächenwellen cinsetzbar ist, ohne daß die üblichen Eisenbahnschienen aufgetrennt werden müssen und spezielle Schienenabschnilte mit Hilfsschienen zur Aufnahme der vom Radsatz übertragenen Kräfte eingesetzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Magnetisierungsspule in einer im Schienenkopf einer üblichen Eisenbahnschiene ausgebildeten zur Schienenkopfoberfläche hin offenen, rechteckigen Ausnehmung angeordnet ist und daß in der Mitte der Bodenfläche der Ausnehmung wenigstens zwei als Mittelpol der Magnetisierungsspule dienende rechteckige Stege auswechselbar befestigt sind, deren Höhe kleiner als die Tiefe der Ausnehmung ist.

Dadurch, daß die Magnetisierungsspule in einer Ausnehmung im Schienenkopf angeordnet ist, bleibt die mechanische Funktion der Eisenbahnschiene erhalten, so daß auf Hilfsschienen und spezielle Schienenabschnitte

verzichtet werden kann. Die rechteckförmige Ausnehmung ist in ihrer Hauptachse vorzugsweise in Längsrichtung der Schiene ausgerichtet. Auf diese Weise kann eine Magnetisierungsspule ausreichender Belastbarkeit bei guter Wärmeabführung verwendet werden, so daß ein Hindurchströmen von Kühlwasser oder öl, wie bei dem eingangs erwähnten elektromagnetischen Ultraschallwandler, nicht mehr erforderlich ist. Vorteilhaft ist es auch, daß die rechteckförmige Ausnehmung im Schienkopf sich im Gegensatz zu dem speziellen Schienenabschnitt bei dem bekannten, mit einer Wasservorlaufstrecke arbeitenden Ultraschallprüfkopf sehr einfach verwirklichen läßt. Die Magnetisierungsspuie kann auf einfache Weise in die Ausnehmung eingesetzt oder zur Reparatur aus dieser ausgebaut werden, da die rechteckigen als Mittelpol der Magnetisierungsspule dienenden Stege auswechselbar befestigt sind. Während der Reparaturzeit kann die Schiene in üblicher Weise weiterverwendet werden, da die gesamte Last des Radsatzes von dem zur Schieneninnenkante weisenden Teil des Schienenkopfes übernommen wird. Die Übernahme des vom Radsatz übertragenen Gewichtes erfolgt je nach der seitlichen Anordnung der Ausnehmung entweder allein über die innen liegende Schiencnkopfoberfläche oder über die beidseitig der Ausnehmung liegenden Bereiche der Schienenkopfoberfläche.

Beim Überrollen eines Eisenbahnrades werden die äußeren Pole in axialer Richtung des Rades durch die Lauffläche überbrückt. Der erfindungsgemäße 'Jltraschallwandler läßt sich einfach nachträglich in eine Eisenbahnschiene einbauen und gestattet eine präzise und gute Lokalisierung des Einschallortcs. Dabei kann auf eine Wasservorlaufstrecke und einen Wasserfilm zwischen der Lauffläche und einem Wasserbalg verzichtet werden.

Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die rechteckige Ausnehmung im Schienenkopf außermittig angeordnet und reicht bis zur außen liegenden Kante des Schienenkopfes. Die seitliche öffnung der so hergestellten Ausnehmung ist bei diesem Ausführiingsbeispicl durch ein balkonartig angebrachtes Verschlußteil verschlossen, das einen Teil des äußeren Poles bildet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbcispielc des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine schcmaiische Darstellung zt:r Erläuterung des Funktionsprinzips eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers zur Erzeugung von Oberflächenwellen,

F i g. 2 eine Eisenbahnschiene mit dem erfindungsgemäßen Uhraschallwandler im Schnitt und in einer Draufsicht und

Fig. 3 eine Eisenbahnschiene mit einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen llltrascliallwandlers in einem Schnitt und in einer Draufsicht.

Der in den Fi g. 2 und 3 dargestellte elektromagnetische Uhraschallwandler erzeugt in der Lauffläche von Eisenbahnrädern Ultraschall-Oberflachenwcllen (Rayleigh-Wellen und streifend cingcschnllie SH-Wellen) gemäß dem in Fig. I schematisch dargestellten Funktionsprinzip. Dabei wird eine senkrecht zur Oberfläche des zu prüfenden metallischen Werkstoffes, d. h. der Lauffläche des Eisenbahnrades, gerichtete magnetische Induktion /?,, mit Hilfe eines eine Magnetisierungsspuie aufweisenden Elektromagneten zur Vormagnetisierung erzeugt. Eine parallel zur Werkstoffoberflächc angeordnete mäanderförmige Drahtwicklung einer Hochfrequenzspulenanordnung wird von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen und erzeugt in der Werkstoffoberl lache eine entsprechende Wirbelstromverteilung. Zusammen mit dem angelegten senkrechten Magnetfeld werden Schcrbeweg'ingen erzeugt, die im Rhythmus der halben .Spurwellenlänge As alternieren. Solch ein Ultraschall wandler ist ein Winkelprüfkopf, der zur Anregung von Rayleigh-Wellen unterhalb der Grenzfrequenz für streifenden Einfall betrieben wird. Der Wert der entsprechenden Frequenz ergibt sich bei gegebener Spurwellenlänge aus der Geschwindigkeitsgleichung für die Rayleigh-Wellen.

Fig. 2 zeigt das Schienenprofil im Schnitt und in Draufsicht. Es sind die Aussparungen für eine Magnetisierungsspuie 1 und eine Hochfrequenzwicklung 2 des UUraschallwandlers sowie ein als Magnetkern vorgesehener Steg 3 in der Schienenkopfmitie zu erkennen. An der Schienenaußenkanie sind Bohrungen 4 für die Leitungszuführungen zur Magnetisierungsspuie 1 und zur Hochfrequenzwicklung 2 der Hochfrequenzspulenanordnung angebracht.

In Fig. 2 erkennt man außerdem die Lauffläche des Eisenbahnrades mit der innen liegenden Wulst. Die Ultraschallwellen werden mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung als Impulse im Bereich der untersten Stelle des Radumtangs angeregt und breiten sich dann entlang der Lauffläche ohne wesentlichen dämpfungsbedingten Verlust aus. In der Regel werden mehrere Umläufe erzielt, je nach Frequenz und Wellenlänge zwischen 5 und 10 Umläufe. Bei einem mittleren Radumfang von ca. 3 m benötigt der Ultraschall-Impuls für einen Umlauf ca.

1 ms. Trifft der Ultraschall-Impuls auf einen in der Regel quer zur Umfangsrichtung des Rades verlaufenden Riß, wird ein Teil des Ultraschall-Impulses reflektiert und gelangt zu einem Empfänger zurück, der in der Rege! an derselben Stelle wie der Ultraschallsender positioniert ist. Aus der Laufzeit dieses Echos kann der Fehlerort bestimmt werden. Das Verfahren ist besonders empfindlich für rißartige Fehler.

Zur Integration des elektromagnetischen Ultraschallwandlers in den Schienenkopf einer Eisenbahnschiene wird dieser so bearbeitet, daß Teile davon als Magnetkern des zur Erzeugung der senkrechten Induktion notwendigen Elektromagneten benutzt werden bzw. Raum für einen Magnetkern in Gestalt der Stege 3, die Magnetisierungsspuie I und die Hochfrequenzwicklung 2 vorhanden ist. Die im Wickelraum untergebrachte Magnetisierungsspuie 1 erzeugt in dem als Magnetjoch dienenden Steg 3 ein senkrecht nach oben austretendes Magnetfeld, das über das zu prüfende Rad zu den Schienenkanten hin kurzgeschlossen wird. Die Hochfrequenzwicklung 2 der Hochfrequenzspulenanordnung des Ultraschallwandlers, die sich auf atm Steg 3 befindet, wird ebenfalls von dem Magnetfeld senkrecht durchsetzt, das dann senkrechi in die Radlauffläche eintritt.

Der Uhraschallwandler kann auch außerhalb der Schicnenkopfmitte teilweise in einem an der Schienenaußenkantc angeschweißten Balkon untergebracht werden, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. F i g. 3 zeigt im Schnitt A-B und in Draufsicht das Schienenprofil der

W) modifizierten Ausführung, die statisch günstiger ist. Bei dieser ist der Uhraschallwandler außerhalb der Schienonkopfmittc untergebracht. Die Magnetisierungsspuie 5 und die auswechselbaren Polschuhe oder Stege 6 sind in einer Ausnehmung untergebracht, die sich bis zum in

b^r, Fig. 3 linken Rand des Schienenkopfes erstreckt Die Hochfrequenzspulenanordnung 7 besteht aus verschachtelten Sende- und Empfangswicklungen zur Erzeugung einer einseitigen Charakteristik.

Auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Hochfrequcnzspulenanordming des Ultraschallwandlcrs aus gcirenntcn Sende- und Empfangswicklungen. Beide Teile — sowohl Sender ;ils auch Empfänger — arbeiten vom Prin/ip her bidirektional, ι d. h. der Sender strahlt nach rechts und nach links Ultraschallwellen mit gleicher Intensität ab bzw. der Empfänger registriert Signale von rechts b/w. links gleich empfindlich. Beide — Sender und Empfänger — können durch verschiedene Maßnahmen so ausgelegt werden, daß sie unidirektional arbeiten. Dazu benutzt man zwei Sende- und zwei Empfangsspulen, die ineinander verschachtelt sind, und einen Abstand von einem Viertel der Wellenlänge der anzuregenden Ultraschallwelle haben. Ii

Im Sendefall werden die beiden Sendespulen mit zwei um 90° phasenverschobenen Burstsignalen angesteuert. Dies führt in einer Richtung dann zu einer destruktiven Interferenz (Phasenunterschied 90" + 90°) der von beiden Sendespulen abgestrahlten Signale; in der anderen Richtung überlagern sich beide Signale phasenrichtig.

Im Empfangsfall haben die von beiden Empfangsspulen abgegebenen Spannungen entsprechend der Richtung aus der die Welle ankommt einen Laufzeitunterschied, der bei einem monochromatischen Signal einem Phasenunterschied von +90° bzw. —90" entspricht. Diese Laufzeitunterschiede werden durch Verzögerungsglieder entsprechend kompensiert. Durch Invertierung eines Empfangssignals ist in einer Richtung das Summensignal identisch 0. In der anderen Richtung ist das Summensignal zwar um eine Halbwolle langer; in der Amplitude jedoch doppelt so groß wie das Einzclsignal.

Strahlt der Sendewandler z. B. in Richtung des Uhrzeigersinnes ab, wird das Echo eines Fehlers aus der y, entgegengesetzten Richtung und das umlaufende Signal aus der Uhrzeigersinn-Richtung am Empfänger ankommen. Der Empfänger registriert beide Signale entsprechend ihren unterschiedlichen Laufzeiten und Amplituden. Damit kann mit einem Prüfschuß und demselben Ultraschallwandler redundant in Impuls-Echo-Tcchnik und Durchschallung geprüft werden. Des weiteren kann elektronisch die Abstrahlrichtung umgeschaltet werden; dadurch können auch solche Fehler im Impuls-Echo-Verfahren detektiert werden, die je nach Anschallrichtung unterschiedlich reflektieren bzw. deren Echos auf dem Weg zum Empfänger aufgrund eines zu langen Laufwegs (je nach Anschallrichtung) abgeschwächt am Empfänger ankommen.

Behält man die zweiseitige Abstrahlrichtung des Senders bei und macht den Empfänger umschaltbar unidirektional. so wird derselbe Effekt erzielt. Man detektiert die Echos und das Umlaufsignal mit einem PrüfschuB aus einer Richtung; ändert man auch hier elektronisch die Empfangsrichtung, so werden die Echos aus der an- deren Richtung und ebenso das Umlaufsignal detektierL

Die damit erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe elektromagnetischer Ultraschall wandler eine LaufflächenprOfung von Eisenbahnrädern sowohl im Impuls-Echo-Verfahren als auch in Durchschallungstechnik in einem Prüftakt ohne zusätzlichen Prüfkopf durchgeführt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Ultraschall wandler zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitfähigen ■> Werkstoffen, mit einem einen Mitlclpol und einen diesen umgebenden äußeren Pol aufweisenden Magnetkern, mit einer in dem Raum /wischendem Mittelpol und dem äußeren Pol angeordneten Magnetisierungsspule /.ur Erzeugung eines rechtwinklig aus to der Polfläche austretenden, zur Vormagnetisierung bestimmten Magnetfeldes und mit einer an der Polfläche des Mitlelpols angeordneten vom Magnetfeld der Magnetisierungsspule durchsetzten Hochfrequenzspulenanordnung zur Erzeugung einer Ultraschallwellen auslösenden Wirbclstromvertcilung in der auf die Polfläche aufgesetzten Werkstoifobcrfläche. dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisicrungsspule (1, 5) in einer im Schienenkopf einer üblichen Eisenbahnschiene ausgebildeten, zur Schienenkopfoberfläche hin offenen, rechteckigen Ausnehmung angeordnet ist und daß in der Mitte der Bodenfläche der Ausnehmung wenigstens zwei als Mittelpol der Magnetisierungsspule (!, 5) dienende rechteckige Stege (3, 6) auswechselbar befestigt sind, deren Höhe kleiner als die Tiefe der Ausnehmung ist.

2. Elektromagnetischer Ultrasehallwandlcr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die rechteckige Ausnehmung mit der Magnctisicrungsspule (S) im Schienenkopf außermittig bis zu der außen liegenden Schienenaußenkante erstreckt und dort durch ein balkonartig aufgebrachtes Verschlußteil begrenzt ist.

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