WO1996035947A1 - Verfahren zur bestimmung der neutralen temperatur von lückenfreien gleisen - Google Patents

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WO1996035947A1
WO1996035947A1 PCT/HU1996/000027 HU9600027W WO9635947A1 WO 1996035947 A1 WO1996035947 A1 WO 1996035947A1 HU 9600027 W HU9600027 W HU 9600027W WO 9635947 A1 WO9635947 A1 WO 9635947A1
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WO
WIPO (PCT)
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magnetic
measured
barkhausen noise
excitation
longitudinal
Prior art date
Application number
PCT/HU1996/000027
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
György POSGAY
Péter Molnár
Ferenc Varga
Tibor ZSÁKAI
Alfonz Szamos
János BÉLI
József VÉGI
Original Assignee
Magyar Államvasutak Részvénytársaság
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/725—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables by using magneto-acoustical effects or the Barkhausen effect

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the longitudinal loading of beams, in particular railway tracks, which are exposed to a longitudinal loading, in particular for determining the neutral temperature of railway tracks, the carrier being excited in the longitudinal direction in an audio frequency range and the size of the surface of the excited area emerging magnetic Barkhausen noise is measured.
  • the invention further relates to an apparatus for performing the method.
  • the force of the rail track of a gap-free track is not a simple technical solution.
  • the use of the methods associated with material destruction is not practical from a technical or economic point of view, since, for example, in the case of a railroad track, such a test requires a track lock.
  • the sleepers prevent small rails from moving the rail tracks.
  • a change in temperature causes thermal stress due to the limited dilatation in the rail tracks.
  • the temperature at which the thermal stress is zero in the tested cross-section of the rail track is referred to as the neutral temperature. It is important that the neutral temperature is close to the average of the highest and lowest rail temperatures. In the event that the deviation from this mean value is large, a break can occur at low temperatures, but warping can occur at high temperatures. In the given cross section of the rail track are also neutral
  • Temperature tensions resulting from manufacturing for example, uneven cooling rate
  • from laying for example, arcuate Relocate
  • the determination of the neutral temperature is possible by determining the stresses occurring in the given cross section.
  • the non-destructive methods are based on the measurement of any physical feature related to the stress state of the tested material part. It is characteristic of all such processes that this connection exists together with the respective resulting state of tension and depends on the material structure (chemical composition, tissue structure, etc.).
  • the material structure and the residual stress depend on the manufacturing technology, the residual stress distribution during use - especially in the first time - in a manner dependent on the position of the rails in the carriageway, the stress on the beams and in one way change the dependent dimension significantly.
  • the remagnetization of ferromagnetic materials produces an electromagnetic and acoustic high-frequency response signal, which is referred to as magnetic Barkhausen noise. Its size depends on the material structure and the state of tension of the material.
  • the voltage test carried out by measuring the magnetic Barkhausen noise is based on the relationship between the size of the magnetic Barkhausen noise and the stress state of the tested material part.
  • US 4,634,976 and international patent application PCT / US89 / 01539 describe the use of the Barkhausen noise for measuring the voltage state.
  • a common feature of these solutions is that the correlation between the size of the noise and the part of the material being tested by means of a so-called calibrating measurement to be carried out on a specimen which consists of the material to be tested or has the same material structure as this is to be determined.
  • the material is periodically with a temporally sinusoidal or triangular field with a Frequency of 10 ... 100 Hz remagnetized, an electromagnetic high-frequency response signal emerging from the material.
  • the response signal is generally detected by means of a measuring coil in a characteristic frequency range from a few 100 Hz to a few 1000 kHz.
  • Various devices for measuring the magnetic Barkhausen noise are commercially available (for example the device STRESSCAN from AST, which is based in the USA, or the device STRESS TEST from the Hungarian company METALELEKTRO).
  • the aim of the invention is to facilitate the practical application of the known measuring principle, to elaborate a method by means of which the longitudinal load on even installed beams or the neutral temperature of railroad tracks can be determined.
  • the method according to the invention is on the one hand such a method which can be used to determine the load on beams loaded in the longitudinal direction, on the basis of which it can be used in particular to determine the neutral temperature of railroad tracks.
  • the carrier is excited in the longitudinal direction in the audio frequency range and the size of the magnetic Barkhausen noise emerging from the surface of the excited region is measured.
  • a calibration curve of the magnetic Barkhausen noise is recorded as a function of the longitudinal voltage. With a corresponding method, this calibration curve can be recorded both on a built-in beam which is loaded to an unknown extent in the longitudinal direction and on a rail.
  • the value of the Barkhausen noise is then measured at at least three points of the cross section of the built-in support to be measured and the longitudinal load for the given cross section is determined on the basis of the calibration curve by means of weighted averaging, if necessary. If only three points are measured, these are to be selected so that they fall on the place of the maximum tensile and compressive stress characteristic of the measured beam and on their transition part. Taking into account the modulus of elasticity, the coefficient of thermal expansion and the temperature of the support or the railroad track, the neutral temperature can be calculated from the longitudinal load if necessary.
  • the calibration curve can be recorded in different ways. For this purpose, at least two different longitudinal loads have to be exerted on the carrier, but knowledge of the difference between these two loads is also sufficient. This can be achieved, for example, by using an additional longitudinal load of a known size. The size of the additional load is equal to the force exerted, which can be determined with the aid of a strain gauge glued to the carrier and an evaluation unit assigned to it. Knowledge of the size of the cross section and the elastic modulus of the carrier is of course necessary for the evaluation. To record the calibration curve, the size and the change in the Barkhausen noise are determined at several points of the same cross-section of the built-in beam with at least two different loads.
  • the two different loads change the resulting longitudinal local stress in the individual points of the carrier, which represents the algebraic sum of the stress resulting from the stress and the residual stress resulting from the production.
  • the probability is low that the resultant longitudinal voltage has the same value at two points.
  • different values of the Barkhausen noise and different values of the change of the Barkhausen noise are likely to be obtained for the respective points.
  • the function of the size of the Barkhausen noise as a function of the size of the change is established from the values obtained, this function being a two-valued function.
  • the two-valued function shows the greatest change where the voltage is zero.
  • the value of the Barkhausen noise which is approximately assigned to the zero-stress state can be measured at this point.
  • This value determines a point on the Barkhausen noise voltage curve and, knowing this, the Barkhausen noise voltage curve is established by integrating the inverse function of the two-valued function. The voltage state of the individual points of the measured cross-section can be determined on the basis of this curve.
  • the excitation is preferably conducted into the carrier in a direction perpendicular to the measured cross section through two spaced apart regions and the magnetic Barkhausen noise emerging from the surface is measured on the cross section tested and falling between these two regions .
  • the excitation is secured by means of an excitation flow of a magnetic yoke that is adapted to the surface, and to increase the measuring accuracy, the size of the over the Regulated to the ends of the yoke emerging excitation flow adapted to the surface to be measured. The size of the excitation can thereby be stabilized.
  • the magnetic Barkhausen noise emerging from the tested surface is measured with a sensor that contains a ferromagnetic material that is adapted to the given cross-section.
  • the imperfection of the adaptation reduces the size of the Barkhausen noise detected.
  • the distance between the ferromagnetic material and the tested surface, the so-called air gap is measured and the size of the magnetic Barkhausen noise detected is corrected with the measured value of the air gap.
  • the measurement of the air gap can take place, for example, on the basis of the magnetic excitation of the ferromagnetic material of the sensor and the magnetic coupling to the measured carrier, of the scattering excitation flux emerging from the ferromagnetic material during excitation and increasing with poor adaptation.
  • a device for determining the longitudinal load of beams subjected to a longitudinal load, in particular railroad tracks, in particular for determining the neutral temperature of the railroad track contains an audio frequency excitation unit, a magnetic sensor which can be brought into magnetic connection with the carrier to be measured, a frequency-selective measuring unit connected to the magnetic sensor and sensitive to frequencies which are greater than the frequency of the excitation unit, and a measurement result from the computing unit determining measured values.
  • the magnetic sensor is assigned an air gap knife which measures the distance between the sensor and the surface of the carrier to be measured and which is used to correct the measured size of the Barkhausen noise as a function of the air gap input of the rake - is connected.
  • the excitation unit preferably contains an excitation coil connected to the audio frequency generator and arranged on a magnetic yoke, and a coil system which contains on the magnetic yoke next to the excitation coil and on the surfaces of the magnetic yoke which can be connected to the surface of the carrier to be measured.
  • This coil system is used to detect that which arises in the excitation coil and out of the yoke in the direction of the measuring carrier emerging excitation flow suitable and allows, inserted into a corresponding control loop, the stabilization of the excitation of the carrier.
  • a preferred embodiment of the magnetic sensor is provided with a sensor coil system which is arranged on an at least three-leg ferromagnetic yoke and contains two coils which are arranged in a measuring head.
  • the local magnetic Barkhausen noise induces different voltages in the two coils with a high probability and thus the difference between them is somewhat smaller, but the magnitude of the noise is also well represented.
  • electromagnetic interference signals caused by currents flowing through can arise in the carrier, in particular in railroad tracks. However, these will most likely induce voltages of similar size, signal shape and phase in the two coils. By counter-switching the two coils, these voltages are subtracted and their size is significantly reduced. The outer current signals can be significantly suppressed by such a coil arrangement.
  • the device can be assigned a template which has a shape adapted to the individual measured carriers. Positioning elements are arranged on this template, which determine the arrangement of the individual measuring points lying along the cross section. A structure adapted to the positioning element can be formed on the measuring head. In a simple embodiment of this, the circumference of the measuring head is asymmetrical and on the template, openings are formed on this circumference.
  • the measuring template that can be placed on the carrier to be measured is thus also assigned to the measuring head, and positioning elements that enable the measuring head to be adapted to the carrier to be measured in a predetermined position are arranged on the measuring template, these positioning elements expediently also having openings of the form mentioned.
  • the air gap meter preferably contains an excitation unit connected to the excitation coil arranged on the magnetic sensor and detectors detecting the leakage flux generated by the excitation coil.
  • the detectors can be coils or Hall probes, for example.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device according to the invention
  • 2 shows the design of the measuring head of the device according to the invention in section
  • FIG. 3 shows a variant of the magnetic sensor of the measuring head according to FIG. 2 combined with an air gap meter, schematically,
  • Figures 4a-4c the basis of the feasible with the air gap meter
  • FIG. 5 shows the longitudinal stress distribution of an angle steel on the basis of measurements carried out in measurement points recorded along the circumference of two different cross-sections
  • FIG. 6 shows the change in the algebraic mean values formed for the individual cross-sections of the calibration
  • the longitudinal Barkhausen noise measured in the measuring points according to FIG. 5 calculated longitudinal voltages along the
  • FIG. 7 shows the algebraic mean value, determined according to FIG. 6, of the longitudinal direction, which is determined on the basis of the measurement of the Barkhausen noise, and which belongs to the stress-free state
  • Figure 8 shows the change in the magnetic Barkhausen noise as a function of the Barkhausen noise as a result of a voltage increase of 30 MPa on the angle steel test specimen in the longitudinal direction
  • Figure 9 shows the relationship between that from the Histogram of FIG. 8 determined magnetic Barkhausen noise and the mechanical voltage
  • FIG. 10 shows the rearrangement of the residual production voltages at the head of the
  • 11a and 11b schematically show the top view of a braking section of a railroad line and the longitudinal distribution of the neutral temperature of the rails and their
  • the device consists of a measuring device 300 and one or more measuring heads 400 connected to it by means of lines, a temperature sensor 500 and, depending on the use, a displacement sensor 501 and a strain gauge 502.
  • a measuring template (not shown in the figure) can be assigned to the measuring head his.
  • the temperature sensor 500 contains such an electrical element, for example a thermistor, which in the operating temperature range of the device under test delivers an electrical signal proportional to the temperature of the device with the least possible inertia.
  • an electrical element for example a thermistor
  • the displacement signal transmitter 501 ensures the measurement of the longitudinal position, the distance of the measuring points on the tested surface, for example with the aid of a pulse generator driven by a friction drive.
  • the strain gauge 502 supplies a signal which is proportional to the change in voltage resulting from the force exerted on the tested carrier or the rail track, and can be designed, for example, as a strain gauge that can be attached to the carrier to be measured.
  • the measuring device 300 contains an excitation unit 301, a frequency-selective one
  • Amplifier 302 an air gap measurement unit 303, a temperature measurement unit 307, a displacement measurement unit 308, and a strain measurement unit 309.
  • the output of amplifier 302 is via a signal processing unit 304, the outputs of units 301, 303, 307, 308 and 309, on the other hand, directly at a coupling Unit 305 and connected via this to a computer 306, the coupling unit 305 containing analog-digital converters and digital-analog converters and, if necessary, enabling data transmission in two directions.
  • the amplifier 302 and the signal processing unit 304 form a frequency-selective measuring unit.
  • the excitation unit 301 contains an audio frequency generator 310 or a drive stage which is connected to an excitation controller 312 connected to a flow measurement unit 311.
  • the measuring head 400 contains an excitation device 401, a flow sensor 402, an air gap sensor 403 and a magnetic sensor 404, and a trigger switch 405.
  • the detailed structure of a preferred embodiment of the measuring head 400 is shown in FIG. 2.
  • the excitation device 401 of the measuring head 400 contains an excitation coil 1 arranged on a U-shaped magnetic yoke 6, furthermore, on the one hand, sensor coils 2, 3 arranged directly next to the excitation coil 1, and sensor coils 4, 5 arranged on the ends of the legs of the magnetic yoke 6
  • the end of the legs of the magnetic yoke 6 can be adapted to the carrier to be measured; its material is iron with the greatest possible permeability and high saturation value, for example transformer material.
  • the flux emerging from the excitation coil 1 is detected by the sensor coils 2 and 3.
  • a signal is produced which is proportional to the flux emerging at the end of the legs of the magnetic yoke 6, in this area the flux practically penetrates into the material of the carrier 1 to be tested, thus the signal generated in the sensor coils 4 and 5 is proportional to the size of the magnetic field acting on the material to be tested.
  • flow signal - is fed into the flow measuring unit 301, which, by means of the excitation controller 312, adjusts the output signal of the drive stage 310 so that the size of the sensor coils 4, 5 detected excitation of the excitation coil 1 comes to the desired value.
  • the correlation of the flux signal with the magnitude of the magnetic field acting on the tested material part is increased if the coil performing the flux measurement or the electrical element is sensitive to the flux which is in the direction of the magnetic Barkhausen-Rau - see measuring probe exiting part of material detected.
  • the difference, referred to hereinafter as the air gap signal, between the sum of the signals generated in the sensor coils 2 and 3 and the sum of the signals generated in the sensor coils 4 and 5 is proportional to the flow that closes in the air between the feet of the magnetic yoke 6.
  • the flux closing in the air between the feet of the magnetic yoke 6 increases as the average of the distances between the feet of the magnetic yoke and the material under test increases, i.e. the air gap becomes larger, so the air gap signal is proportional to the air gap.
  • the air gap signal is passed to the air gap measuring unit 303, where, after appropriate amplification and frequency filtering if necessary, some feature of its size, for example its square or absolute mean worth is formed.
  • the feature thus obtained is conveyed to the computer 306 by means of the coupling unit 305 after an A / D conversion.
  • a Hall probe or another electrical element for measuring the magnetic field force arranged in a recess formed in the material of the magnetic yoke 6 can also be used.
  • the electromagnetic waves resulting from the remagnetization of the excitation are detected by a probe 8 which forms a magnetic sensor 404.
  • This can be a Hall probe or a coil in which the use of a flux-conducting iron core is expedient.
  • FIG. 3 A preferred embodiment of magnetic sensor 404 is shown in FIG. 3. This contains coils 9, 10, which are arranged on an E-shaped iron core.
  • the material of the iron core is a soft magnetic high-frequency material with low own magnetic Barkhausen noise, for example an iron powder core or nano crystal material.
  • this arrangement is in particular for canceling periodic electromagnetic signals, thus for reducing the interference effects which arise from the excitation from the external field or from the flowing in the object under test Alternating current result, suitable.
  • a further interference reduction is achieved by a shielding pot 7 surrounding the probes 8, the material of which is expediently to be selected taking into account the interfering frequencies.
  • the use of soft magnetic material in the case of interference, high frequency, on the other hand, the use of an electrically highly conductive material is appropriate.
  • the measuring head 400 is surrounded by a housing 12, the material of which ensures further shielding.
  • a push button 13 which triggers the measurement is arranged on the housing 12.
  • the resulting electrical signals in the probe 8 are in the to the - 11 -
  • Frequency spectrum of the magnetic Barkhausen noise adapted frequency-selective amplifier 302 passed.
  • the appropriate amplification and bandpass filter can be used to achieve the required amplification in the frequency range free from the effect of the interference signals.
  • knowledge of the effect of the currents flowing in the object under test or of the external electromagnetic fields is necessary, which can be determined in such a way that the measuring head is brought into the measuring position and the excitation frequency spectrum without excitation Probe resulting signal is measured. Knowing this, low-pass filters and high-pass filters and band filters are used for the purpose of securing a corresponding signal / interference signal ratio.
  • the device measures the magnetic Barkhausen noise in a frequency range of 32-250 kHz because of the effect of the currents flowing in the rails used in the Hungarian state railway or the radio transmitter.
  • the signal reaches the signal processing unit 304. In this, some feature of the signal is formed: its peak value, its quadratic or absolute mean value.
  • the feature thus obtained is passed to the coupling unit 305, which also performs A / D conversion. It is known that in a given material in a given voltage state under the same external conditions the magnitude of the magnetic Barkhausen noise with a constant direction of the magnetic field depends on the size of the magnetic field (flux). In order to ensure that the level of the magnetic reversal in the tested piece depends on the distance between the measuring head and the tested piece, i.e. becomes independent of the air gap, the excitation is regulated back to the flow signal.
  • the excitation controller 312 which has any characteristic, for example the peak value, the quadratic or absolute mean value of the flow signal received by the flow measuring unit with the signal of the one set by the computer 306 and by a D / A converter Coupling unit 305 compares supplied excitation level.
  • stabilization of the flow signal can achieve that, regardless of the adaptation distance, which in practice results from the coloring, the poor adaptation between the measuring head and the tested piece, i.e. Regardless of the air gap, the level of remagnetization in the tested piece has the set value.
  • the size of the magnetic Barkhausen-Rau- Schens depends, of course, on the distance between the measuring head and the piece being tested, ie on the air gap. This effect can also be taken into account in the measurement if the change in the magnitude of the magnetic Barkhausen noise detected with the probe 8 is measured as a function of the air gap, which is referred to as air gap calibration.
  • air gap calibration the characteristics of the air gap signal and of the signal generated at probe 8 are measured at the desired excitation level at air gap values with a preset size.
  • the size of the measured magnetic Barkhausen noise is always converted to any air gap value during the measurement with knowledge of the air gap signal, which is hereinafter referred to as air gap correction (FIG. 4).
  • the air gap signal is used so that the person carrying out the measurement is reported back when the distance between the measuring head and the surface being tested would cause a measurement error that can no longer be corrected.
  • the distance of the probe 8 from the tested surface does not match the average of the measured distances of the Leg of the magnetic yoke from the tested surface. It follows from this that the air gap correction taking place with the air gap signal measured at the leg of the magnetic yoke 6 is not sufficiently precise.
  • the relationship between the signal of the probe 8 and the air gap can be improved if the air gap is measured with an air gap meter arranged in the probe 8 and thus the air gap correction is carried out. This can be done, for example, on the iron core 11 of the probe 8 with a coil arrangement similar to the coil arrangement 1-5 of the measuring head.
  • An excitation coil 12 is located on the iron core 11 and the excitation carried out therein is induced in the sensor coils 14, 15 which are arranged on the outer legs of the iron core 11 and are connected to one another in series, and in the one on the middle leg of the iron Core 12, a sensor coil 13 arranged directly next to the excitation coil 12 has a voltage.
  • the sum of the voltages induced in the sensor coils 14, 15 is subtracted from the voltage induced in the sensor coil 13, thereby obtaining a voltage proportional to the air gap between the iron core 11 and the measured surface.
  • the direction of the excitation is the direction of the straight line connecting the legs of the magnetic yoke 6.
  • the direction of excitation is the direction of the measurement of the magnetic Barkhausen noise.
  • the excitation level in the tested piece is to be rated optimally when the application of the greatest signal change occurs due to the effect of a unit of tensile-compressive stress change falling in the direction of excitation.
  • the size of this level of excitation depends on the tested material, its chemical composition, strength, etc. Its typical value is in the range of 0.1-1 kA / m. It can be determined as a function of the shape, the homogeneity of the tested piece, the distribution of the residual stress by measurements carried out at one or more points, the dependence (function) of the magnetic Barkhausen noise on the one while increasing the magnetization level Magnetisie ⁇ level is recorded.
  • the excitation level belonging to the inflection point of this function or the mean value of the inflection points of the functions recorded at several points represents the optimal excitation level belonging to the given material.
  • the angle steel test specimen exhibits significant residual stress due to the uneven cooling and rolling. This is shown by the stress values (FIG. 5) obtained from the measurement results of the magnetic Barkhausen noise measurements carried out along a number of cross sections in a state free of external force (FIG. 5), the value range of which is typically + 130 MPa. The determined values of a second measurement cross section are indicated with dashed lines. If the arithmetic mean of the measurement results is formed for each cross-section, experience has shown that its change in the longitudinal direction is considerably smaller (by an order of magnitude, ie, approximately ⁇ 10 MPa) than the change in the size of the longitudinal-oriented measured along the circumference of the individual cross-sections Stresses ( ⁇ 130 MPa) (Fig. 6, diagram a) or the change in the stress seen along the length of a point in the profile.
  • This mean value fluctuates along the length by 0 MPa, which is due to the fact that the longitudinal stresses measured along the circumference are proportional to the longitudinal stresses measured inside. If an external force was applied to this test specimen, the arithmetic mean value of the measurement results calculated for each cross-section is shifted in accordance with the stress originating from the external force. Therefore, the change in tension resulting from the external force could be determined from the measurements carried out on the circumference, from the arithmetic mean of the measurement results determined for each cross-section (FIG. 6, diagrams b, c).
  • the weight factors belonging to the individual measuring points of the circumference can be determined experimentally in such a way that they are used to calculate weighted circumferential average values. which on the one hand are proportional to the tension caused by the external force and on the other hand their fluctuation in the longitudinal direction is minimal.
  • the accuracy of the determination of the tension resulting from the external force which can be determined on the basis of the mean value of the measurement results determined in cross section, can be further increased if the mean values of more cross sections are taken into account.
  • a problem with the use of the measurements is that the dependence of the magnetic Barkhausen noise on the voltage depends on the microstructure. With the old bridges there is no possibility of taking material samples from the bars of the individual lattice-like supports and thus performing a calibration in the laboratory, which is why a calibration method that can be carried out on the spot was developed. This is made possible by the fact that the distribution of the longitudinal residual stress along the contour of each cross section usually has a significant change. A correspondingly large number of measurement results can be obtained by a large number of measurements along the contour of a single cross section, and these measurement results most likely reflect tension states which differ from one another.
  • a known voltage change for example measured with a strain gauge, is brought about on the rod, for example by test loading, and measured again at the previous measuring points.
  • the accuracy of the measurement is improved by using a measuring head positioning template.
  • the change in the magnetic Barkhausen noise is then determined for the individual measuring points and the maximum of the change is sought as a function of the values of the magnetic Barkhausen noise.
  • the calibration curve of the magnetic Barkhausen-noise-mechanical stress is recorded, the fact that the voltage in the maximum of the change in the magnetic Barkhausen noise was zero.
  • FIG. 8 shows the differences in the Barkhausen noise recorded on the above angle steel with a known voltage difference as a function of the size of the noise.
  • the calibration curve obtained by integrating the differences and reflecting the dependence of the Barkhausen noise on the longitudinal voltage is shown in FIG. 9.
  • the sleepers prevent the rail tracks from moving via the small iron tools.
  • the known change in temperature causes thermal stresses owing to the limited dilatation in the rail strands.
  • the calibration curves can thus be recorded by measurements at two or more temperatures.
  • the thermal stress creates the main stress I in the rail track, the direction of which coincides with the longitudinal axis of the rail.
  • stresses generally smaller than the main stress I occur. It is therefore expedient to carry out the measurements of the magnetic Barkhausen noise in the longitudinal direction on the circumference of the rail.
  • the outline of the rail to be measured is made accessible and, depending on the number of measuring points, the bedding under the rail is removed to the extent of the measuring head. Then the measuring head positioning template, which adapts to the given rail, is placed on it and the position of the template on the rail is marked in a remaining manner during the measurement carried out at two or more temperatures.
  • the temperature sensor is placed on the shadow side of the track in the vicinity of the measurement outline.
  • the magnetic Barkhausen noise generated in the rail track is at least two points in the rail head, at least one point in the middle part of the web of the rail track, in the middle of the Track sleeper, measured at the transition from rail head and web and at the transition from rail sleeper and web, - the measurements are also changed to a known extent
  • Stress states are carried out (for example at a second temperature that deviates from the first, whereby the change in the resultant of the longitudinal stresses, i.e. the load, can be determined from the temperature difference in knowledge of the expansion coefficient, the modulus of elasticity and the cross section),
  • the change in the magnetic Barkhausen noise is determined for the respective measuring points and the maximum of the change is sought as a function of the values of the Barkhausen noise
  • Barkhausen noise taking advantage of the fact that the Magnetic Barkhausen noise belonging to the maximum of the above-mentioned change belongs to the state with zero voltage
  • the voltages associated with the individual points are determined from the values of the magnetic Barkhausen noise measured for the respective points on the basis of the calibration curve in one of the two voltage states,
  • the resulting tension of the tested cross-section of the rail track is determined from the weighted mean value of the stresses (the weight factors are to be determined by previous tests on rails of the same type and shape),
  • the neutral temperature of the rail track is determined on the basis of the resulting tension, the first temperature, the dilation factor and the modulus of elasticity.
  • the state of tension can also be changed by an additional force exerted on the rail track by pulling or pushing, a change in the state of tension can be brought about.
  • the change in the stress state can be determined by measuring the force of the force-exerting element, knowing the cross-section, or by means of strain gauges arranged at the measuring points, knowing the modulus of elasticity of the tested specimen.
  • the value of the longitudinal voltage determined from the magnetic Barkhausen noise can be corrected with the magnitude of the transverse voltage, the transverse voltage being an excitation transverse to the longitudinal direction and determined from the magnetic Barkhausen noise generated thereby can be.
  • the individual weighting factors can be determined by empirical values.
  • the rail track with a given geometry can be brought to different stress states, for example on a tensile testing machine, and the weight factors can be determined in a few steps.
  • the measurement can also be carried out in such a way that a measuring head system which contains a plurality of measuring heads located in the positions corresponding to the measuring points is used, as a result of which the measuring time can be significantly reduced.
  • the measuring head system can be mounted on a carriage that can be moved on the rail, on a vehicle.
  • the location of the measuring cross sections can be identified, for example, with the aid of the path signal transmitter 501.
  • the measurement can also be carried out in sections or quasi-continuously in such a way that, while the carriage is in continuous movement, the measuring head system remains in relation to the rail for the duration of the measurement and in relation to the carriage on a guide attached to the carriage slides behind, after which a new measurement can be carried out again after a feed with a different measuring cross section.
  • the optimal number of measuring points and the weighting factors belonging to the individual measuring points were determined for the 54 kg / m type rails used at the Hungarian State Railways and manufactured by the Hungarian company from Di ⁇ sgyör.
  • the change in the residual voltages in a new rail pair that occurs as a result of the traffic was determined (FIG. 10).
  • An example of determining the neutral temperature is the testing of a continuous track of a railway station. 11b shows the distribution, seen in the longitudinal direction, of the neutral temperature of a gap-free track determined using this method, which is arranged in a concrete trough next to the platform shown in FIG. 11a in plan view.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der längsgerichteten Belastung von einer längsgerichteten Belastung ausgesetzten Trägern, insbesondere Eisenbahnschienen, insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur von Eisenbahnschienen, wobei der Träger in einem Tonfrequenzbereich in Längsrichtung erregt wird und die Größe des an der Oberfläche des erregten Bereichs austretenden magnetischen Barkhausen-Rauschens gemessen wird, wobei gemäß der Erfindung anhand von in verschiedenen Zuständen längsgerichteter Spannung durchgeführten Messungen des magnetischen Barkhausen-Rauschens die Kalibrationskurve des magnetischen Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von der längsgerichteten Spannung aufgenommen wird, dann an der Fläche des eingebauten Trägers, an mindestens drei Punkten der Wert des Barkhausen-Rauschens gemessen wird, und anhand der Kalibrationskurve durch erforderlichenfalls mit Gewichtung durchgeführte Mittelwertbildung die auf den gegebenen Querschnitt fallende längsgerichtete Belastung bestimmt wird, des weiteren erforderlichenfalls daraus unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls, des Dilatationsfaktors und der Temperatur der Eisenbahnschiene die neutrale Temperatur errechnet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der längsgerichteten Belastung von einer längsgerichteten Belastung ausgesetzten Trägern, insbesondere Eisenbahnschienen, insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur von Eisenbahnschienen, wobei die Vorrichtung eine Tonfrequenzerregereinheit, einen mit dem zu messenden Träger in magnetischer Verbindung bringbaren magnetischem Fühler, eine an dem magnetischen Fühler angeschlossene und auf gegenüber der Frequenz der Erregereinheit größere Frequenzen empfindliche frequenzselektive Meßeinheit sowie eine aus den gemessenen Werten Meßergebnisse errechnende Recheneinheit enthält, wobei gemäß der Erfindung dem magnetischen Fühler ein die Größe des Abstandes zwischen dem Fühler (404) und der Oberfläche des zu messenden Trägers erfassender Luftspaltmesser (403) zugeordnet ist, welcher an dem die gemessene Größe des Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von dem Luftspalt korrigierenden Eingang der Recheneinheit (406) angeschlossen ist.

Description

VERFAHRENZURBESTIMMUNG DERNEUTRALENTEMPERATURVON
LÜCKENFREIEN GLEISEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der längsgerichteten Be¬ lastung von einer längsgerichteten Belastung ausgesetzten Trägern, insbesondere Eisenbahnschienen, insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur von Eisenbahnschienen, wobei der Träger in einem Tonfrequenzbereich in Längsrich- tung erregt wird und die Größe des an der Oberfläche des erregten Bereichs aus¬ tretenden magnetischen Barkhausen-Rauschens gemessen wird. Die Erfindung be¬ trifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In den zum Aufbau von Konstruktionen verwendeten Elementen sind auf die Fertigung zurückzuführende kleinere oder größere Restspannungen aufzufinden. Zu diesen Spannungen addieren sich noch die sich aus dem Eigengewicht und der Montage ergebenden Spannungen. In Hinsicht auf die Belastbarkeit und Ermüdung der Konstruktionselemente ist die Resultierende aller dieser Spannungen maßge¬ bend. Um jedoch das Kraftgleichgewicht der Konstruktion zu erkennen, ist die in den einzelnen Konstruktionselementen aufkommende Kraft zu bestimmen. Die Bestimmung der in dem Stab eines gitterartigen Trägers oder in dem
Schienenstrang eines lückenfreien Gleises entstehenden Kraft stellt keine einfache technische Lösung dar. Die Anwendung der mit Materialzerstörung einhergehenden Methoden ist aus technischen oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht zweck¬ mäßig, da zum Beispiel im Falle eine Eisenbahnschiene eine derartige Prüfung eine Gleissperre beansprucht. In dem lückenfreien Gleis verhindern die Schwellen über Kleineisenzeuge die Bewegung der Schienenstränge. Nach der Befestigung der Schienenstränge ruft eine Temperaturänderung wegen der begrenzten Dilatation in den Schienensträngen eine thermische Spannung hervor. Diejenige Temperatur, bei welcher in dem geprüften Querschnitt des Schienenstrangs die thermische Spannung Null ist, wird als neutrale Temperatur bezeichnet. Es ist wichtig, daß die neutrale Temperatur in der Nähe des Mittelwertes der vorkommenden höchsten und niedrigsten Schienentemperaturen liegt. In dem Fall, wenn die Abweichung von diesem Mittelwert groß ist, kann bei niedrigen Temperaturen ein Bruch, bei hohen Temperaturen dagegen eine Gleisverwerfung auftreten. In dem gegebenen Querschnitt des Schienenstrangs sind auch bei neutraler
Temperatur Spannungen, die sich aus der Fertigung (zum Beispiel ungleichmäßige Abkühlungsgeschwindigkeit) und aus dem Verlegen (zum Beispiel bogenförmiges Verlegen) ergeben. Für diese ist charakteristisch, daß ihre Resultierende bezüglich des gesamten Querschnittes Null ist.
In dem gegebenen Querschnitt des Schienenstrangs ist die Bestimmung der neutralen Temperatur durch die Bestimmung der in dem gegebenen Querschnitt auftretenden Spannungen möglich.
Die zerströrungsfreien Verfahren beruhen auf der Messung irgendeines mit dem Spannungszustand des geprüften Materialteils zusammenhängenden physika¬ lischen Merkmals. Für alle derartigen Verfahren ist charakteristisch, daß dieser Zu¬ sammenhang gemeinsam mit dem jeweiligen resultierenden Spannungszustand besteht und von der Materialstruktur (chemische Zusammensetzung, Gewebe¬ struktur, usw.) abhängt.
Die Materialstruktur und die Restspannung hängen von der Fertigungstech¬ nologie ab, die Restspannungsverteilung kann sich während der Benutzung - ins¬ besondere in der ersten Zeit - in einer von der in der Fahrbahn eingenommenen Stelle der Schienen, der Beanspruchung der Träger abhängigen Weise und in einem davon abhängigen Maß bedeutend verändern.
Eines der derartigen bekannten zerstörungsfreien Verfahren ist das auf der Spannungsabhängigkeit der Größe (des Wertes) des magnetischen Barkhausen- Rauschens beruhende Verfahren [Pashley, R.L.,: Barkhausen effect - an indication of stress, Materials Evaluation, Vol. 28, No. 7, pp. 157 bis 161, 1970].
Bei der Ummagnetisierung von ferromagnetischen Materialien entsteht ein elektromagnetisches und akustisches Hochfrequenzantwortsignal, das als magneti¬ sches Barkhausen-Rauschen bezeichnet wird. Seine Größe hängt von der Material¬ struktur und dem Spannungszustand des Materials ab. Die durch Messen des mag- netischen Barkhausen-Rauschens durchgeführte Spannungsprüfung beruht auf dem Zusammenhang zwischen der Größe des magnetischen Barkhausen-Rau¬ schens und dem Spannungszustand des geprüften Materialteils. Die US 4 634 976 und die internationale Patentanmeldung PCT/US89/01539 beschreiben die Verwen¬ dung des Barkhausen-Rauschens zur Messung des Spannungszustandes. Ein ge- meinsames Merkmal dieser Lösungen besteht darin, daß der Zusammenhang zwi¬ schen der Größe des Rauschens und dem geprüften Materialteil durch eine an einem Probekörper, der aus dem zu prüfenden Material besteht, oder die gleiche Materialstruktur wie dieser aufweist, durchzuführende sogenannte kalibrierende Messung zu bestimmen ist. Bei der Messung des Barkhausen-Rauschens wird das Material periodisch im allgemeinen mit einem zeitlich sinusoidalen oder dreieckförmigen Feld mit einer Frequenz von 10 ... 100 Hz ummagnetisiert, wobei aus dem Material ein elektro¬ magnetisches Hochfrequenzantwortsignal austritt. Die Erfassung des Antwortsig¬ nals erfolgt im allgemeinen mittels einer Meßspule in einem charakteristischen Frequenzbereich von einigen 100 Hz bis einigen 1000 kHz. Zur Messung des magnetischen Barkhausen-Rauschens sind im Handel ver¬ schiedene Geräte erhältlich (z.B. das Gerät STRESSCAN der Firma AST, die ihren Sitz in den USA hat, oder das Gerät STRESSTEST der ungarischen Firma METALELEKTRO).
Das Ziel der Erfindung besteht in der Erleichterung der praktischen Anwen- düng des bekannten Meßprinzips, der Ausarbeitung einer Methode, mittels welcher die in Längsrichtung erfolgende Belastung von sogar eingebauten Trägern oder auch die neutrale Temperatur von Eisenbahnschienen bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist also einerseits eine solche Methode, welche zur Bestimmung der Belastung von in Längsrichtung belasteten Trägern, anhand dessen insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur von Eisenbahnschienen verwendet werden kann. Während des Verfahrens wird der Träger im Tonfrequenzbereich in Längsrichtung erregt und die Größe des aus der Oberfläche des erregten Bereichs austretenden magnetischen Barkhausen-Rau¬ schens gemessen. Anhand von bei verschiedenen längsgerichteten Spannungen durchgeführten Messungen des magnetischen Barkhausen-Rauschens wird eine Kalibrationskurve des magnetischen Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von der längsgerichteten Spannung aufgenommen. Diese Kalibrationskurve kann mit einer entsprechenden Methode sowohl an einem eingebauten und bis zu einem un¬ bekannten Maß in Längsrichtung belasteten Träger als auch an einer Schiene auf- genommen werden. Danach wird an mindestens drei Punkten des zu messenden Querschnitts des eingebauten Trägers der Wert des Barkhausen-Rauschens ge¬ messen und anhand der Kalibrationskurve wird mittels erforderlichenfalls gewoge¬ ner Mittelwertbildung die längsgerichtete Belastung für den gegebenen Querschnitt bestimmt. Wenn nur an drei Punkten gemessen wird, so sind diese so auszuwäh- len, daß sie auf die Stelle der für den gemessenen Träger charakteristischen maximalen Zugspannung und Druckspannung sowie auf deren Übergangsteil fal¬ len. Unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls, des Wärmeausdehnungskoeffi¬ zienten und der Temperatur des Trägers oder der Eisenbahnschiene kann aus der längsgerichteten Belastung erforderlichenfalls die neutrale Temperatur errechnet werden.
Die Kalibrationskurve kann auf verschiedene Weise aufgenommen werden. Dazu sind mindestens zwei verschiedene längsgerichtete Belastungen auf den Trä¬ ger auszuüben, die Kenntnis der Differenz zwischen diesen beiden Belastungen ist jedoch auch ausreichend. Das kann z.B. durch Verwendung einer zusätzlichen längsgerichteten Belastung mit bekannter Größe realisiert werden. Die Größe der zusätzlichen Belastung ist der ausgeübten Kraft gleich, welche mit Hilfe eines auf den Träger aufgeklebten Dehnungsmeßstreifens und einer diesem zugeordneten Auswertereinheit bestimmt werden kann. Zur Auswertung ist natürlich die Kenntnis der Größe des Querschnittes und des Elastizitätsmoduls des Trägers erforderlich. Zur Aufnahme der Kalibrationskurve werden an mehreren Punkten des glei- chen Querschnittes des eingebauten Trägers bei mindestens zwei verschiedenen Belastungen die Größe und die Änderung des Barkhausen-Rauschens bestimmt. Die zwei verschiedenen Belastungen ändern in den einzelnen Punkten des Trägers die resultierene längsgerichtete lokale Spannung, welche die algebraische Summe der sich aus der Belastung ergebenden Spannung und der sich aus der Fertigung ergebenden Restspannung darstellt. Die Wahrscheinlichkeit ist gering, daß die re¬ sultierende längsgerichtete Spannung an zwei Punkten den gleichen Wert hat. So werden für zwei Spannungszustände vielartige Ergebnisse erhalten, für die jewei¬ ligen Punkte werden wahrscheinlich jeweils verschiedene Werte des Barkhausen- Rauschens und jeweils verschiedene Werte der Änderung des Barkhausen-Rau- schens erhalten. Aus den erhaltenen Werten wird die Funktion der Größe des Bark¬ hausen-Rauschens in Abhängigkeit von der Größe der Änderung aufgestellt, wobei diese Funktion eine zweiwertige Funktion ist. Die zweiwertige Funktion zeigt die größte Änderung dort, wo die Spannung Zero ist. So kann an dieser Stelle der¬ jenige Wert des Barkhausen-Rauschens gemessen werden, der annähernd dem Zerospannungszustand zugeordnet ist. Dieser Wert bestimmt einen Punkt der Barkhausen-Rauschen-Spannungs-Kurve und in Kenntnis dessen wird durch Integ¬ rieren der inversen Funktion der zweiwertigen Funktion die Barkhausen-Rauschen- Spannungs-Kurve aufgestellt. Anhand dieser Kurve kann der Spannungszustand der einzelnen Punkte des gemessenen Querschnitts bestimmt werden. Zum Hervorrufen des Barkhausen-Rauschens wird die Erregung vorzugswei¬ se in zum gemessenen Querschnitt senkrechter Richtung durch zwei voneinander beabstandete Gebiete hindurch in den Träger geleitet und das aus der Fläche heraustretende magnetische Barkhausen-Rauschen wird an dem geprüften und zwischen diese beiden Gebiete fallenden Querschnitt gemessen. Die Erregung wird mittels eines Erregungsflusses eines an die Oberfläche angepaßten magnetischen Jochs gesichert und zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird die Größe des über die an die zu messende Fläche angepaßten Enden des Jochs austretenden Erre¬ gungsflusses geregelt. Dadurch ist die Größe der Erregung stabilisierbar.
Das aus der geprüften Oberfläche austretende magnetische Barkhausen- Rauschen wird mit einem Fühler gemessen, der ein an den gegebenen Querschnitt angepaßtes ferromagnetisches Material enthält. Die Unvollkommenheit der Anpas¬ sung (infolge von Oberflächenunebenheit, Zunder, Rost, Verunreinigung oder Farb¬ schicht) verringert die Größe des erfaßten Barkhausen-Rauschens. Zum Zwecke der Beseitigung der sich daraus ergebenden Ungenauigkeit wird der Abstand zwischen dem ferromagnetischen Material und der geprüften Oberfläche, der sogenannte Luftspalt, gemessen und die Größe des erfaßten magnetischen Bark¬ hausen-Rauschens wird mit dem gemessenen Wert des Luftspalts korrigiert. Die Messung des Luftspalts kann zum Beispiel anhand der magnetischen Erregung des ferromagnetischen Materials des Fühlers und der magnetischen Kopplung an den gemessenen Träger, des bei der Erregung aus dem ferromagnetischen Material austretenden und bei schlechterer Anpassung sich vergrößernden Streuerre¬ gungsflusses erfolgen.
Zur Lösung der Aufgabe wurde weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der längsgerichteten Belastung von einer längsgerichteten Belastung ausgesetzten Trägern, insbesondere Eisenbahnschienen, insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur der Eisenbahnschiene geschaffen. Diese Vorrichtung enthält eine Tonfrequenzerregereinheit, einen mit dem zu messenden Träger in mag¬ netische Verbindung bringbaren magnetischen Fühler, eine an dem magnetischen Fühler angeschlossene und gegenüber Frequenzen, die größer als die Frequenz der Erregereinheit sind, empfindliche frequenzselektive Meßeinheit, sowie eine die Meßergebnisse aus den gemessenen Werten ermittelnde Recheneinheit. Im Sinne der Erfindung ist dem magnetischen Fühler ein die Größe des Abstandes zwischen dem Fühler und der Oberfläche des zu messenden Trägers erfassender Luftspalt¬ messer zugeordnet, welcher an dem die gemessene Größe des Barkhausen-Rau¬ schens in Abhängigkeit von dem Luftspalt korrigierenden Eingang der Rechenein- heit angeschlossen ist.
Die Erregereinheit enthält vorzugsweise eine an dem Tonfrequenzgenerator angeschlossene und auf einem Magnetjoch angeordnete Erregerspule sowie ein Spulensystem, das auf dem Magnetjoch neben der Erregerspule und an den mit der Oberfläche des zu messenden Trägers in Verbindung bringbaren Oberflächen des Magnetjochs angeordnete Spulen enthält. Dieses Spulensystem ist zum Erfas¬ sen des in der Erregerspule entstehenden und aus dem Joch in Richtung des zu messenden Trägers austretenden Erregerflusses geeignet und ermöglicht, in einen entsprechenden Regelungskreis eingefügt die Stabilisierung der Erregung des Trägers.
Eine bevorzugte Ausführungsform des magnetischen Fühlers ist mit einem Fühlerspulensystem versehen, das auf einem mindestens dreischenkligen ferro¬ magnetischen Joch angeordnet ist und zwei Spulen enthält, welche in einem Me߬ kopf angeordnet sind. Das lokale magnetische Barkhausen-Rauschen induziert in den beiden Spulen mit hoher Wahrscheinlichkeit unterschiedliche Spannungen und somit wird der Unterschied dieser zwar etwas geringer aber auch so wird die Größe des Rauschens gut wiedergegeben. In dem Träger, insbesondere in Eisenbahn¬ schienen, können jedoch zum Beispiel durch durchfließende Ströme verursachte elektromagnetische Störsignale entstehen. Diese induzieren jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit in den beiden Spulen Spannungen mit ähnlicher Größe, Signal¬ form und Phase. Durch Gegenschalten der beiden Spulen subtrahieren sich diese Spannungen, ihre Größe verringert sich bedeutend. Durch eine derartige Spulenan¬ ordnung können die äußeren Strögsignale bedeutend unterdrückt werden.
Der Vorrichtung kann eine Schablone, die eine den einzelnen gemessenen Trägern angepaßte Form aufweist, zugeordnet werden. Auf dieser Schablone sind Positionierelemente angeordnet, die die entlang des Querschnitts liegende Anord- nung der einzelnen Meßpunkte bestimmen. Auf dem Meßkopf kann ein dem Posi¬ tionierelement angepaßtes Gebilde ausgebildet sein. Bei einer einfachen Ausfüh¬ rungsform dessen ist der Umfang des Meßkopfes asymmetrisch und auf der Schablone sind an diesem Umfang angepaßten Öffnungen ausgebildet. Die auf den zu messenden Träger aufsetzbare Meßschablone ist somit auch dem Meßkopf zugeordnet und auf der Meßschablone sind Positionierelemente, die die Anpas¬ sung des Meßkopfes an den zu messenden Träger in vorbestimmter Lage ermög¬ lichen, angeordnet, wobei diese Positionierelemente zweckmäßigerweise Öffnun¬ gen mit der erwähnten Form sind.
Der Luftspaltmesser enthält vorzugsweise eine an der auf dem magneti- sehen Fühler angeordneten Erregerspule angeschlossene Erregereinheit und den durch die Erregerspule erzeugten Streufluß erfassende Detektoren. Die Detektoren können zum Beispiel Spulen oder Hall-Sonden sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung beispielsweise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 ein Blockschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 2 die Ausbildung des Meßkopfes der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung im Schnitt, Figur 3 eine mit einem Luftspaltmesser kombinierte Variante des magneti¬ schen Fühlers des Meßkopfes gemäß Fig. 2 im Schnitt, schema- tisch,
Figuren 4a-4c die Grundlage der mit dem Luftspaltmesser durchführbaren
Kalibration bildende Diagramme, Figur 5 die längsgerichtete Spannungsverteilung eines Winkelstahls an¬ hand von in entlang des Umfanges von zwei verschiedenen Quer- schnitten aufgenommenen Meßpunkten durchgeführter Messun¬ gen, Figur 6 die Änderung der für die einzelnen Querschnitte gebildeten algeb¬ raischen Mittelwerte der durch Kalibration aus dem in den Me߬ punkten gemäß Fig. 5 gemessenen längsgerichteten Barkhausen- Rauschen errechneten längsgerichteten Spannungen entlang der
Länge des Probekörpers in von äußerer Kraft freien, in Druck- und Zugrichtung belasteten Zuständen, Figur 7 ein den nach Fig. 6 bestimmten algebraischen Mittelwert der an¬ hand der Messung des Barkhausen-Rauschens bestimmten längsgerichteten zu dem Belastungsreinezustand gehörenden
Spannungen mit dem gewogenen Mittelwert vergleichendes Dia¬ gramm, Figur 8 die Änderung des magnetischen Barkhausen-Rauschens in Ab¬ hängigkeit von dem Barkhausen-Rauschen auf Wirkung einer Spannungserhöhung von 30 MPa an dem Winkelstahlprobekörper in Längsrichtung gemessen, Figur 9 der Zusammenhang zwischen dem aus dem Histogramm von Fig. 8 bestimmten magnetischen Barkhausen-Rauschen und der me¬ chanischen Spannung, Figur 10 die Umordnung der Fertigungsrestspannungen an dem Kopf der
Schienen der lückenlosen Gleise und an den Unter- und Obersei¬ ten seiner Sohlenränder, Figur 11a und 11b schematisch die Draufsicht eines Bremsabschnittes einer Eisenbahnlinie und die längsgerichtete Verteilung der neutralen Temperatur der Schienen sowie deren
Änderung infolge der Bettungsreinigung sowie der Zu- sammenhang zwischen der Verteilung und der Stelle der Verwerfung. Fig. 1 zeigt das Blockschema des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung. Das Gerät besteht aus einem Meßgerät 300 und einem oder mehreren daran mittels Leitungen angeschlossen Meßköpfen 400, einem Temperaturfühler 500 und in Abhängigkeit von der Verwendung einem Wegsignalgebers 501 und einem Deh¬ nungsmesser 502. Dem Meßkopf kann eine in der Figur nicht dargestellte Me߬ schablone zugeordnet sein.
Der Temperaturfühler 500 enthält ein solches elektrisches Element, zum Bei- spiel einen Thermistor, welcher im Betriebstemperaturbereich der geprüften Vor¬ richtung mit möglichst geringer Trägheit ein zu der Temperatur der Vorrichtung pro¬ portionales elektrisches Signal liefert.
Der Wegsignalgeber 501 sichert an der geprüften Fläche die Messung der längsgerichteten Lage, des Abstandes der Meßstellen zum Beispiel mit Hilfe eines von einem Reibantrieb angetriebenen Impulsgebers.
Der Dehnungsmesser 502 liefert ein Signal, das zu der auf Wirkung einer auf den geprüften Träger oder den Schienenstrang aufgezwungenen Kraft entstehen¬ den Spannungsänderung proportional ist, und kann zum Beispiel als ein auf den zu messenden Träger befestigbarer Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sein. Das Meßgerät 300 enthält eine Erregereinheit 301 , einen frequenzselektiven
Verstärker 302, eine Luftspaltmessungseinheit 303, eine Temperaturmeßeinheit 307, eine Wegmeßeinheit 308, sowie eine Dehnungsmeßeinheit 309. Der Ausgang des Verstärkers 302 ist über eine Signalverarbeitungseinheit 304, die Ausgänge der Einheiten 301 , 303, 307, 308 und 309 dagegen unmittelbar an einer Kopplungsein- heit 305 und über diese an einen Rechner 306 angeschlossen, wobei die Kopp¬ lungseinheit 305 Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler enthält und er¬ forderlichenfalls Datenübertragung in zwei Richtungen ermöglicht. In Kombination mit der mit anderen Einheiten gemeinsam verwendeten Kopplungseinheit 305 und dem Rechner 306 bilden der Verstärker 302 und die Signalverarbeitungseinheit 304 eine frequenzselektive Meßeinheit.
Die Erregereinheit 301 enthält einen Tonfrequenzgenerator 310 oder eine Antriebsstufe, die an einem mit einer Flußmeßeinheit 311 in Verbindung stehenden Erregungsregler 312 angeschlossen ist.
Der Meßkopf 400 enthält eine Erregereinrichtung 401 , einen Flußfühler 402, einen Luftspaltfühler 403 und einen Magnetfühler 404, sowie einen Auslöseschalter 405. Der ausführliche Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform des Meßkopfes 400 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Erregervorrichtung 401 des Meßkopfes 400 enthält eine auf einem U-förmigen Magnetjoch 6 angeordnete Erregerspule 1 , desweiteren einerseits unmittelbar neben der Erregerspule 1 angeordnete Fühlerspulen 2, 3, so- wie an den Enden der Schenkel des Magnetjochs 6 angeordneten Fühlerspulen 4, 5. Das Ende der Schenkel des Magnetjochs 6 kann an den zu messenden Träger angepaßt werden, sein Material ist Eisen mit möglichst großer Permeabilität und hohem Sättigungswert, zum Beispiel Transformatormaterial. Der aus der Erreger¬ spule 1 austretende Fluß wird von den Fühlerspulen 2 und 3 detektiert. In den an den Enden des Magnetjochs 6 angeordneten Fühlerspulen 4 und 5 entsteht ein zu dem an dem Ende der Schenkel des Magnetjochs 6 austretenden Fluß propor¬ tionales Signal, in diesem Bereich dringt der Fluß praktisch in das Material des zu prüfenden Trägers 1 ein, somit ist das in den Fühlerspulen 4 und 5 erzeugte Signal zu der Größe des auf das zu prüfende Material einwirkenden Ummagnetisierungs- feldes proportional.
Die Summe der in den Fühlerspulen 4, 5 entstehenden Signale - im weite¬ ren: Flußsignal - wird in die Flußmeßeinheit 301 geleitet, welche unter Vermittlung des Erregungsreglers 312 das Ausgangssignal der Antriebsstufe 310 so einstellt, daß die Größe der von den Fühlerspulen 4, 5 erfaßten Erregung der Erregerspule 1 auf den gewünschten Wert kommt.
Die Korrelation des Flußsignals mit der Größe des auf den geprüften Mate¬ rialteil einwirkenden Ummagnetisierungsfeldes wird erhöht, wenn die die Flußmes¬ sung durchführende Spule oder das elektrische Element auf denjenigen Fluß emp¬ findlich ist, welcher in Richtung des von der das magnetische Barkhausen-Rau- sehen messenden Sonde erfaßten Materialteils austritt.
Die im weiteren als Luftspaltsignal bezeichnete Differenz der Summe der in den Fühlerspulen 2 und 3 erzeugten Signale und der Summe der in den Fühler- spuien 4 und 5 erzeugten Signale ist zu dem zwischen den Füßen des Magnetjochs 6 sich in der Luft schließenden Fluß proportional. Der sich zwischen den Füßen des Magnetjochs 6 in der Luft schließende Fluß wird größer, wenn der Mittelwert der Abstände zwischen den Füßen des Magnetjochs und dem zu prüfenden Material größer wird, d.h. der Luftspalt größer wird, somit ist das Luftspaltsignal zu dem Luft- spalt proportional.
Das Luftspaltsignal wird an die luftspaltmessende Einheit 303 geleitet, wo nach entsprechender Verstärkung und erforderlichenfalls Frequenzfilterung irgend¬ ein Merkmal seiner Größe zum Beispiel sein quadratischer oder absoluter Mittel- wert gebildet wird. Das so erhaltene Merkmal wird unter Vermittlung der Kopplungs¬ einheit 305 nach einer A/D-Wandlung dem Rechner 306 zugeführt.
Anstelle der Fühlerspulen 2-5 kann auch eine in einer Aussparung, die in dem Material des Magnetjochs 6 ausgebildet ist, angeordnete Hall-Sonde oder ein anderes elektrisches Element zur Messung der magnetischen Feldkraft verwendet werden.
Die auf Wirkung der Ummagnetisierung der Erregung entstehenden elektro¬ magnetischen Wellen werden von einer einen magnetischen Fühler 404 bildenden Sonde 8 detektiert. Das kann eine Hall-Sonde oder eine Spule sein, bei welcher die Anwendung eines flußleitenden Eisenkerns zweckmäßig ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des magnetischen Fühlers 404 ist in Fig. 3 dargestellt. Diese enthält Spulen 9, 10, die auf einem E-förmigen Eisenkern an¬ geordnet sind. Das Material des Eisenkerns ist ein weichmagnetisches Hoch¬ frequenzmaterial mit geringem eigenem magnetischem Barkhausen-Rauschen, zum Beispiel ein Eisenpulverkern- oder Nanokristallmaterial.
Durch entgegengesetzte, bzw. gegensinnige Schaltung der Spulen 9, 10 ist diese Anordnung insbesondere zur Auslöschung von periodischen elektromagne¬ tischen Signalen, somit zur Verringerung der Störwirkungen, die sich aus der Er¬ regung aus dem äußeren Feld oder aus dem in dem geprüften Gegenstand fließenden Wechselstrom ergeben, geeignet.
Die Wahrscheinlichkeit der Symmetrie und Gleichzeitigkeit der sich über die Spulen 9 und 10 schließenden und sich aus dem lokalen magnetischen Barkhau¬ sen-Rauschen ergebenden Induktionen ist äußerst gering, deshalb verursacht die Differenzschaltung der Spulen 9 und 10 in der Messung der Induktionsänderungen mit störendem Charakter somit des magnetischen Barkhausen-Rauschens keine wesentlichen Signalverluste.
Eine weitere Störverminderung wird durch einen die Sonden 8 umgebenden Abschirmtopf 7 erreicht, dessen Material zweckmäßigerweise unter Berücksichti¬ gung der störenden Frequenzen auszuwählen ist. Im Falle von Störungen niedriger Frequenz ist die Anwendung von weichmagnetischem Material, im Falle von Stö¬ rungen, hoher Frequenz, dagegen die Anwendung eines elektrisch gut leitenden Materials zweckmäßig.
Der Meßkopf 400 ist von einem Gehäuse 12 umgeben, dessen Material eine weitere Abschirmung sichert. An dem Gehäuse 12 ist ein die Messung auslösender Druckknopf 13 angeordnet.
Die in der Sonde 8 entstehenden elektrischen Signale werden in den an das - 11 -
Frequenzspektrum des magnetischen Barkhausen-Rauschens angepaßten frequenzselektiven Verstärker 302 geleitet. In diesem kann durch die zweckmäßige Auswahl der Verstärker und Bandfilter, die erforderliche Verstärkung in dem von der Wirkung der Störsignale freien Frequenzbereich erreicht werden. Zur Auswahl der entsprechenden Bandbreite ist die Kenntnis der Wirkung der in dem geprüften Gegenstand fließenden Ströme bzw. der äußeren elektromag¬ netischen Felder erforderlich, welche auf die Weise bestimmt werden kann, daß der Meßkopf in Meßposition gebracht wird und ohne Erregung das Frequenzspektrum des in der Sonde entstehenden Signals gemessen wird. In Kenntnis dessen werden zum Zwecke der Sicherung eines entsprechenden Signal/Störsignal- Verhältnisses Tiefpaßfilter und Hochpaßfilter sowie Bandfilter verwendet. Das Gerät mißt wegen der Wirkung der in den bei der Ungarischen Staatseisenbahn verwendeten Schie¬ nen fließenden Ströme bzw. der Radiosender das magnetische Barkhausen-Rau¬ schen in einem Frequenzbereich von 32-250 kHz. Nach dem Verstärker 302 gelangt das Signal in die Signalverarbeitungsein¬ heit 304. In dieser wird irgendein Merkmal des Signals: sein Spitzenwert, sein quadratischer oder absoluter Mittelwert gebildet.
Das so erhaltene Merkmal wird an die Kopplungseinheit 305, die auch eine A/D-Umwandlung durchführt, geleitet. Es ist bekannt, daß in einem gegebenen Material in gegebenem Spannungs¬ zustand unter gleichen äußeren Bedingungen die Größe des magnetischen Bark¬ hausen-Rauschen bei konstanter Richtung des Ummagnetisierungsfeldes von der Größe des Ummagnetisierungsfeldes (Fluß) abhängt. Um zu erreichen, daß in dem geprüften Stück das Niveau der Ummagnetisierung von dem Abstand zwischen dem Meßkopf und dem geprüften Stück, d.h. von dem Luftspalt unabhängig wird, wird die Erregung auf das Flußsignal zurückgeregelt. Dafür sorgt der Erregungs¬ regler 312, welcher irgendein Merkmal, zum Beispiel den Spitzenwert, den quadra¬ tischen oder absoluten Mittelwert des von der Flußmeßeinheit erhaltenen Flu߬ signals mit dem Signal des von dem Rechner 306 eingestellten und von einem D/A-Wandler der Kopplungseinheit 305 gelieferten Erregungspegels vergleicht. Im Falle einer entsprechend großen Erregungsleistung kann durch Stabilisierung des Flußsignals erreicht werden, daß unabhängig von dem Anpassungsabstand, der sich in der Praxis aus der Färbung, der schlechten Anpassung zwischen Meßkopf und geprüftem Stück ergibt, d.h. unabhängig von dem Luftspalt das Ummagnetisie- rungsniveau in dem geprüften Stück den eingestellten Wert aufweist.
Die mit der Sonde 8 erfaßte Größe des magnetischen Barkhausen-Rau- schens hängt natürlich von dem Abstand zwischen dem Meßkopf und dem geprüf¬ ten Stück, d.h. von dem Luftspalt ab. Diese Wirkung kann bei der Messung eben¬ falls berücksichtigt werden, wenn die Änderung der mit der Sonde 8 erfaßten Größe des magnetischen Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von dem Luftspalt ge- messen wird, was als Luftspaltkalibration bezeichnet wird. Bei der Luftspaltkalibra- tion werden bei gewünschtem Erregungsniveau bei Luftspaltwerten mit voreinge¬ stellter Größe die Merkmale des Luftspaltsignals und des an der Sonde 8 ent¬ stehenden Signals gemessen. Anhand der daraus aufstellbaren Funktionsverbin¬ dung wird bei der Messung in Kenntnis des Luftspaltsignals die Größe des ge- messenen magnetischen Barkhausen-Rauschens immer auf irgendeinen Luftspalt- wert umgerechnet, was im weiteren als Luftspaltkorrektion bezeichnet wird (Fig. 4). Das Luftspaltsignal wird dazu verwendet, daß der die Messung durchführen¬ den Person rückgemeldet wird, wenn der Abstand zwischen dem Meßkopf und der geprüften Oberfläche einen nicht mehr korrigierbaren Meßfehler verursachen wür- de.
In dem Falle, wenn die geprüfte Oberfläche zwischen den Schenkeln des Magnetjochs 6 des Meßkopfes nicht eben ist, oder zum Beispiel die Dicke der Farb¬ schicht unterschiedlich ist, stimmt der Abstand der Sonde 8 von der geprüften Oberfläche nicht mit dem Mittelwert der gemessenen Abstände der Schenkel des Magnetjochs von der geprüften Oberfläche überein. Daraus folgt, daß die mit dem an dem Schenkel des Magnetjochs 6 gemessenen Luftspaltsignal erfolgende Luft¬ spaltkorrektion nicht ausreichend genau ist. Der Zusammenhang zwischen dem Signal der Sonde 8 und dem Luftspalt kann verbessert werden, wenn der Luftspalt mit einem in der Sonde 8 angeordneten Luftspaltmesser gemessen wird und damit die Luftspaltkorrektion durchgeführt wird. Das kann zum Beispiel an dem Eisenkern 11 der Sonde 8 mit einer der Spulenanordnung 1-5 des Meßkopfes ähnlichen Spu¬ lenanordnung durchgeführt werden. Auf dem Eisenkern 11 befindet sich eine Erre¬ gerspule 12 und die darin vorgenommene Erregung induziert in den auf den äuße¬ ren Schenkeln des Eisenkerns 11 angeordneten und miteinander in Reihe ge- schalteten Fühlerspulen 14, 15 sowie in der auf dem mittleren Schenkel des Eisen¬ kerns 12 unmittelbar neben der Erregerspule 12 angeordneten Fühlerspule 13 eine Spannung. Von der in der Fühlerspule 13 induzierten Spannung wird die Summe der in den Fühlerspulen 14, 15 induzierten Spannungen subtrahiert, dadurch wird eine zu dem Luftspalt zwischen dem Eisenkern 11 und der gemessenen Oberfläche proportionale Spannung erhalten.
Die Auswahl der Richtung der Erregung ist in Hinsicht auf die Meßgenauig- keit von Bedeutung.
Als Richtung der Erregung wird die Richtung der die Schenkel des Magnet¬ jochs 6 verbindenden Geraden bezeichnet.
Als Richtung der Erregung wird die Richtung der Messung des magnetischen Barkhausen-Rauschens bezeichnet.
Es ist bekannt, daß die Richtung und Größe der Hauptspannungen in der Ebene aus den in zwei zueinander senkrechten Richtungen gemessenen magneti¬ schen Barkhausen-Rauschen Merkmalen ermittelt werden kann.
Es ist zweckmäßig, die Messung in Richtung der anzunehmenden Haupt- Spannungen durchzuführen. Die Richtung der in den Stäben der gitterartigen Trä¬ ger und in den Schienensträngen von der Herstellung stammenden Restspannun¬ gen und der Hauptspannungen der sich aus der betriebsartigen Belastung erge¬ benden Spannungen stimmt charakteristisch mit der Längsrichtung des Stabes oder des Schienenstranges überein. Daraus ergibt sich, daß es zweckmäßig ist, die eine Richtung der Messung des magnetischen Barkhausen-Rauschens mit der Länge des Stabes oder der Schiene übereinstimmend und die andere Richtung zur Länge des Stabes oder der Schiene senkrecht zu wählen.
Bei der Wahl der Größe, des Niveaus, der Erregung ist ein Optimum anzu¬ streben. In dem geprüften Stück ist in Hinsicht auf die Spannungsprüfung als opti- mal dasjenige Erregungsniveau zu bewerten, bei dessen Anwendung die größte Signaländerung auf Wirkung einer in Erregungsrichtung fallenden Einheit einer Zug-Druckspannungsänderung eintritt. Die Größe dieses Erregungsniveaus hängt von dem geprüften Material, dessen chemischer Zusammensetzung, Festigkeit usw. ab. Sein typischer Wert liegt im Bereich von 0,1-1 kA/m. Seine Ermittlung kann in Abhängigkeit von der Form, der Homogenität des geprüften Stücks, der Vertei¬ lung der Restspannung durch an einem oder mehreren Punkten durchgeführte Messungen erfolgen, wobei unter Erhöhung des Magnetisierungniveaus die Abhän¬ gigkeit (Funktion) des magnetischen Barkhausen-Rauschens von dem Magnetisie¬ rungsniveau aufgenommen wird. Das zu dem Inflexionspunkt dieser Funktion oder dem Mittelwert der Inflexionspunkte der an mehreren Punkten aufgenommenen Funktionen gehörende Erregungsniveau stellt das zu dem gegebenen Material ge¬ hörende optimale Erregungsniveau dar.
Die aus der Herstellung stammenden Spannungen, Restspannungen können die Meßergebnisse beeinflussen, deshalb ist es zweckmäßig, ihre Wirkung zu ver- ringern, zu eliminieren. Ein Problem der Ermittlung der in den Stäben gitterartiger Anordnungen oder in den Schienen entstehenden Kräfte ist die Eliminierung der auf die Messung ausgeübten Wirkung derartiger Herstellungsspannungen. Die Gesetz¬ mäßigkeit ist allgemein bekannt, daß in einem Querschnitt, die sich aus den Her¬ stellungsspannungen ergebenden Kräfte und Momente im Gleichgewicht sind, ihre Resultierende ist Zero (Null). Die bei den Trägern oder Schienen an der Oberfläche und in der Nähe der
Oberfläche auftretenden Spannungen wiederspiegeln in den meisten Fällen die in dem vorgegebenen Querschnitt vorhandene Spannungsverteile gut.
Das erwähnte Gleichgewicht würde eine Möglichkeit zur Bestimmung der auf den Träger ausgeübten äußeren Kraft geben, wenn auf der Fläche des Quer- Schnitts die Messungen mit entsprechender Dichte durchgeführt werden würden. Diesbezügliche Experimente wurden auf warmgewalzten Winkelstahlprobekörpern mit Abmessungen von 40 x 40 x 3 mm aus Material des Typs C15 durchgeführt.
Der Winkelstahlprobekörper weist durch die ungleichmäßige Abkühlung und das Walzen verursacht eine bedeutende Restspannung auf. Das zeigen die aus den Meßergebnissen der entlang einiger Querschnitte in von äußerer Kraft freiem Zustand durchgeführten Messungen des magnetischen Barkhausen-Rauschens nach der oben erwähnten Kalibration erhaltenen Spannungswerte (Fig. 5), deren Wertbereich charakteristisch bei + 130 MPa liegt. Die ermittelten Werte eines zwei¬ ten Meßquerschnittes sind mit gestrichelten Linien angedeutet. Wenn je Querschnitt der arithmetische Mittelwert der Meßergebnisse ge¬ bildet wird, so ist dessen Änderung in Längsrichtung erfahrungsgemäß wesentlich kleiner (um eine Größenordnung, d.h. cca. ± 10 MPa) als die Änderung der Größe der entlang des Umfanges der einzelnen Querschnitte gemessenen längsgerichte¬ ten Spannungen (± 130 MPa) (Fig. 6, Diagramm a) oder die entlang der Länge ge- sehene Änderung der in einem Punkt des Profils gemessenen Spannung.
Dieser Mittelwert schwankt entlang der Länge um 0 MPa, was darauf zu¬ rückzuführen ist, daß die entlang des Umfangs gemessenen längsgerichteten Spannungen den im Innern gemessenen längsgerichteten Spannungen propor¬ tional sind. Wenn auf diesen Probekörper mit einer äußeren Kraft eingewirkt wurde, ver¬ schobt sich der je Querschnitt errechnete arithmetische Mittelwert der Meßergeb¬ nisse entsprechend der von der äußeren Kraft stammenden Spannung. Deshalb war die sich aus der äußeren Kraft ergebende Spannungsänderung aus den am Umfang durchgeführten Messungen, aus dem je Querschnitt ermittelten arithmeti- sehen Mittelwert der Meßergebnisse bestimmbar (Fig. 6, Diagramme b, c).
In dem Fall, wenn die Oberflächenspannungsverteilung zur volumenmäßigen Spannungsverteilung nicht proportional ist, oder wenn die Oberflächenspannungs¬ verteilung entlang des Umfanges mit nicht ausreichender Dichte gemessen wird, können auf experimentellem Weg die zu den einzelnen Meßpunkten des Umfangs gehörenden Gewichtsfaktoren auf die Weise bestimmt werden, daß mit diesen ge- wogene Umfangsdurehschnittswerte errechnet werden, die einerseits proportional zu der durch die äußere Kraft hervorgerufenen Spannung sind und deren Schwan¬ kung in Längsrichtung andererseits minimal ist.
Bei dem erwähnten Winkelstahlprobekörper verringerte sich die in Längs¬ richtung gesehene Änderung der querschnittsweise bestimmten Mittelwerte weiter, wenn anstelle des querschnittsweise ermittelten arithmetischen Mittelwertes der Meßergebnisse die in der nachstehenden Tabelle angegebenen und zu den in Fig. 5 nummerierten Meßpunkten gehörenden Gewichtsfaktoren verwendet wurden (Fig. 7, Diagramme 201 und 202).
Tabelle
Meßpunkt¬ Gewichts¬ Meßpunkt¬ Gewichts¬ nummer faktor nummer faktor
51 64 0,8 65 76 0,8 52 63 0,9 66 75 0,85
53 62 1 ,15 67 74 0,9
54 61 1,2 68 73 0,95
55 60 1,2 69 72 1
56 59 1 70 71 1 ,05 57 58 0,9
Die Genauigkeit der Ermittlung der Spannung, die sich aus der äußeren Kraft ergibt, welche anhand des querschnittsweise bestimmten Mittelwertes der Meßer¬ gebnisse bestimmt werden kann, kann weiter erhöht werden, wenn die Mittelwerte von mehr Querschnitten berücksichtigt werden.
Ein Problem der Anwendung der Messungen liegt darin, daß die Abhängig¬ keit des magnetischen Barkhausen-Rauschens von der Spannung von der Mikro- struktur abhängt. Bei den alten Brücken besteht keine Möglichkeit, aus den Stäben der einzelnen gitterartigen Träger Materialproben zu entnehmen und somit eine Ka- librierung im Labor vorzunehmen, deshalb wurde eine an Ort und Stelle durch¬ führbare Kalibriermethode entwickelt. Das wird dadurch ermöglicht, daß die Verteilung der längsgerichteten Rest¬ spannung entlang der Kontur jedes Querschnittes üblicherweise eine bedeutende Änderung aufweist. Durch eine große Anzahl von Messungen entlang der Kontur eines einzigen Querschnittes kann eine entsprechend große Anzahl von Meßer- gebnissen erhalten werden und diese Meßergebnisse wiederspiegeln höchstwahr¬ scheinlich voneinander abweichende Zuspannungszustände.
An dem Stab wird zum Beispiel durch Probebelastung eine bekannte - zum Beispiel mit einem Dehnungsmeßstreifen gemessene - Spannungsänderung her¬ vorgerufen und an den vorhergehenden Meßpunkten erneut gemessen. Im Falle von Stäben mit bedeutender Restspannung wird die Genauigkeit der Messung durch die Anwendung einer Meßkopfpositionierschablone verbessert. Danach wird jeweils für die einzelnen Meßpunkte die Änderung des magnetischen Barkhausen- Rauschens bestimmt und das Maximum der Änderung in Abhängigkeit von den Werten des magnetischen Barkhausen-Rauschens gesucht. Anhand der Änderung des Rauschens und der bekannten Spannungsände¬ rung wird die Kalibrationskurve magnetisches Barkhausen-Rauschen-mechanische Spannung aufgenommen, wobei der Umstand genutzt wurde, daß in dem Maxi¬ mum der Änderung des magnetischen Barkhausen-Rauschens die Spannung Null ist. In dem seltenen Fall, wenn die Restspannungsverteilung des Trägers im
Verhältnis zum Bereich der zu prüfenden Spannungsänderung wesentlich kleiner ist, ist es ausreichend, in einem Punkt des Trägers, jedoch in mehreren Span- nungszuständen zu messen.
Fig. 8 zeigt die an dem obigen Winkelstahl bei bekannter Spannungsdiffe- renz aufgenommenen Differenzen des Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von der Größe des Rauschens. Die durch Integrieren der Differenzen gewonnene und die Abhängigkeit des Barkhausen-Rauschens von der längsgerichteten Spannung wiedergebende Kalibrationskurve ist in Fig. 9 dargestellt.
In einem lückenfreien Gleis verhindern die Schwellen über die Kleineisen- zeuge die Bewegung der Schienenstränge. Nach der Befestigung der Schienen¬ stränge verursacht die bekannte Änderung der Temperatur wegen der begrenzten Dilatation in den Schienensträngen thermische Spannungen. So können durch Messungen bei zwei oder mehreren Temperaturen die Kalibrationskurven aufge¬ nommen werden. Als Resultierende der aus der Fertigungstechnologie des Schienenstranges stammenden Restspannung und der wegen der begrenzten Dilatation entstehen- den thermischen Spannung entsteht in dem Schienenstrang die Hauptspannung I, deren Richtung mit der Längsachse der Schiene übereinstimmt. An dem Umfang treten in zur Längsachse der Schiene senkrechter Richtung im allgemeinen wesent¬ lich kleinere Spannungen als die Hauptspannung I auf. Deshalb ist es zweckmäßig, an dem Umfang der Schiene die Messungen des magnetischen Barkhausen-Rau¬ schens in Längsrichtung durchzuführen.
Für die Prüfung der Eisenbahnschiene wird der zu messende Umriß der Schiene zugänglich gemacht und in Abhängigkeit von der Anzahl der Meßpunkte wird die Bettung unter der Schiene in dem Maß des Meßkopfes entfernt. Dann wird die sich der gegebenen Schiene anpassende Meßkopfpositionierschablone aufge¬ legt und bei der bei zwei oder mehreren Temperaturen durchgeführten Messung wird auf verbleibende Weise die Lage der Schablone auf der Schiene markiert. Auf die Schattenseite des Gleissteges wird in die Nähe der Messungsumrißlinie der Temperaturfühler aufgelegt. Bei der zur Bestimmung der neutralen Temperatur der Eisenbahnschiene dienenden Variante des erfindungsgemäßen Meßverfahrens wird folgenderweise vorgegangen:
- bei einer ersten Temperatur wird entlang eines senkrechten Querschnittes des Schienenstrangs unter längsgerichteter magnetischer Erregung das in dem Schienenstrang entstehende magnetische Barkhausen-Rauschen an mindestens zwei Stellen in dem Schienenkopf, an mindestens einer Stelle im Mittelteil des Ste¬ ges des Schienenstrangs, in der Mitte der Gleisschwelle, an dem Übergang von Schienenkopf und Steg und an dem Übergang von Schienenschwelle und Steg ge¬ messen, - die Messungen werden auch in anderen im bekannten Maß geänderten
Spannungszuständen durchgeführt (zum Beispiel bei einer von der ersten abwei¬ chenden zweiten Temperatur, wobei aus der Temperaturdifferenz in Kenntnis des Ausdehnungskoeffizienten, des Elastizitätsmoduls und des Querschnitts die Ände¬ rung der Resultierenden der längsgerichteten Spannungen, d.h. der Belastung be- stimmt werden kann),
- für die jeweiligen Meßpunkte wird die Änderung des magnetischen Bark¬ hausen-Rauschens ermittelt und das Maximum der Änderung in Abhängigkeit von den Werten des Barkhausen-Rauschens gesucht,
- anhand der Änderung des Rauschens und der bekannten Spannungsdiffe- renz wird die Kalibrationskurve zwischen der Spannung und dem magnetischen
Barkhausen-Rauschens aufgenommen, wobei die Tatsache genutzt wird, daß das zum Maximum der oben erwähnten Änderung gehörende magnetische Barkhau¬ sen-Rauschen zu dem Zustand mit Nullspannung gehört,
- aus den für die jeweiligen Punkte gemessenen Werten des magnetischen Barkhausen-Rauschens werden anhand der Kalibrationskurve in einem der beiden Spannungszustände die zu den einzelnen Punkten gehörenden Spannungen be¬ stimmt,
- aus dem gewogenen Mittelwert der Spannungen wird die resultierende Spannung des geprüften Querschnittes des Schienenstrangs bestimmt (die Ge¬ wichtsfaktoren sind durch vorherige Prüfungen an Schienen gleichen Typs und glei- eher Form zu ermitteln),
- anhand der resultierenden Spannung, der ersten Temperatur, des Dilata¬ tionsfaktors und des Elastizitätsmoduls wird die neutrale Temperatur des Schienen¬ strangs bestimmt.
Der Spannungszustand kann auch durch eine auf den Schienenstrang aus- geübte zusätzliche Kraft durch Ziehen oder Drücken verändert werden, es kann eine Spannungszustandsänderung hervorrufen werden. Die Spannungszustands- änderung kann durch Messen der Kraft des kraftausübenden Elementes in Kennt¬ nis des Querschnitts, oder mittels Dehnungsmeßeinrichtungen, die an den Me߬ punkten angeordnet sind, in Kenntnis des Elastizitätsmoduls des geprüften Probe- körpers bestimmt werden.
In den einzelnen Punkten kann der Wert der aus dem magnetischen Bark¬ hausen-Rauschen bestimmten längsgerichteten Spannung mit der Größe der quer¬ gerichteten Spannung korrigiert werden, wobei die quergerichtete Spannung eine zur Längsrichtung quergerichtete Erregung ist und aus dem dadurch erzeugten magnetischen Barkhausen-Rauschen bestimmt werden kann.
Zur gewogenen Addition der auf die Meßpunkte bezogenen und aus den Meßergebnissen ermittelten Spannungen können die einzelnen Gewichtsfaktoren durch Erfahrungswerte bestimmt werden. Für die Bestimmung kann der Schienen¬ strang mit vorgegebener Geometrie zum Beispiel auf einer Zugprüfmaschine auf verschiedene Spannungszustände gebracht werden und die Gewichtsfaktoren sind in einigen Schritten bestimmbar.
Mit Erhöhung der Anzahl der Meßpunkte wird die Bestimmung immer ge¬ nauer, es lohnt sich jedoch nicht, an mehr als etwa dreißig Meßpunkten zu messen. Erfahrungswerte zeigen, daß vierzehn Meßpunkte (drei am Schienenkopf, zwei an dem Übergang von Schienenkopf und Steg, zwei am Steg, zwei am Übergang von Steg und Sohle, einer in der Mitte der Sohle, jeweils zwei an den beiden Rändern der Sohle) eine ausreichende Genauigkeit ergeben.
Die Messung kann auch so durchgeführt werden, daß ein Meßkopfsystem, das mehrere in den Meßpunkten entsprechenden Lagen befindliche Meßköpfe enthält, verwendet wird, dadurch kann die Meßzeit bedeutend verringert werden. Das Meßkopfsystem kann auf einen auf der Schiene bewegbaren Wagen, auf ein Fahrzeug montiert werden. Dabei kann die Stelle der Meßquerschnitte zum Beispiel mit Hilfe des Wegsignalgebers 501 gekennzeichnet werden. Die Messung kann ab¬ schnittsweise oder quasikontinuierlich auch auf die Weise durchgeführt werden, daß, während der Wagen in kontinuierlicher Bewegung ist, das Meßkopfsystem für die Dauer der Messung im Verhältnis zur Schiene stehenbleibt und im Verhältnis zum Wagen auf einer an dem Wagen befestigten Führung nach hinten gleitet, wo¬ nach nach einem Vorschub bei einem anderen Meßquerschnitt erneut eine neue Messung durchgeführt werden kann.
Auf obere Weise wurden für die bei der Ungarischen Staatseisenbahn ver- wendeten und von der ungarischen Firma aus Diόsgyör hergestellten Schienen des Typs 54 kg/m die optimale Zahl der Meßpunkte und die zu den einzelnen Me߬ punkten gehörenden Gewichtsfaktoren bestimmt. Unter Anwendung dieser wurde zum Beispiel die auf Wirkung des Verkehrs eintretende Änderung der Restspan¬ nungen in einem neuen Schienenpaar bestimmt (Fig. 10). Ein Beispiel für die Bestimmung der neutralen Temperatur ist die Prüfung eines durchgehenden Gleises einer Eisenbahnstation. Fig. 11b zeigt die in Längs¬ richtung gesehene Verteilung der mit dieser Methode bestimmten neutralen Tem¬ peratur eines lückenfreien Gleises, das in einer Betonwanne neben dem in Fig. 11a in Draufsicht gezeigten Perron angeordnet ist. In dem dargestellten Abschnitt ist ein äußerst geringes Minimum der neutralen Temperatur zu beobachten, was auf die durch regelmäßiges Bremsen entstehende Aufschüttung zurückzuführen ist. Nach der Prüfung wurde bei der wenig später durchgeführten Instandhaltung die Bettung gereinigt, was auf die Verteilung der neutralen Temperatur keine wesentliche Ein¬ wirkung hatte. Wegen der durch die Bettungsreinigung hervorgerufenen Auflocke- rung verringerte sich jedoch der seitliche Widerstand der Bettung, wodurch in der Nähe des Minimums der neutralen Temperatur das Gleis den durch die große Wär¬ me auftretende längsgerichteten Druckkräften in Seitenrichtung entweichen konnte.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der längsgerichteten Belastung von einer längsgerichteten Belastung ausgesetzten Trägern, insbesondere Eisenbahnschie¬ nen, insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur von Eisenbahnschie- nen, wobei der Träger in einem Tonfrequenzbereich in Längsrichtung erregt wird und die Größe des an der Oberfläche des erregten Bereichs austretenden mag¬ netischen Barkhausen-Rauschens gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß anhand von in verschiedenen Zuständen längsgerichteter Spannung durchge¬ führten Messungen des magnetischen Barkhausen-Rauschens die Kalibrationskur- ve des magnetischen Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von der längsgerich¬ teten Spannung aufgenommen wird, dann an der Fläche des eingebauten Trägers, an mindestens drei Punkten der Wert des Barkhausen-Rauschens gemessen wird, und anhand der Kalibrationskurve durch erforderlichenfalls mit Gewichtung durch¬ geführte Mittelwertbildung die auf den gegebenen Querschnitt fallende längsgerich- tete Belastung bestimmt wird, desweiteren erforderlichenfalls daraus unter Berück¬ sichtigung des Elastizitätsmoduls, des Dilatationsfaktors und der Temperatur der Eisenbahnschiene die neutrale Temperatur errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Auf¬ nahme der Kalibrationskurve in mehreren Punkten des gleichen Querschnitts des eingebauten Trägers mindestens bei zwei verschiedenen Belastungen die Größe und die Änderung des Barkhausen-Rauschens bestimmt werden, dann zur Ände¬ rung der zu den mindestens zwei verschiedenen Belastungen gehörenden lokalen Spannungen die zweiwertige Funktion der Größe des Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von der Änderung aufgestellt wird, desweiteren an der der größten Änderung zugeordneten Stelle der zweiwertigen Funktion die Größe des zum Ze¬ rospannungszustand gehörenden Barkhausen-Rauschens ausgewählt wird und durch Integrieren der inversen Funktion der zweiwertigen Funktion die Barkhausen- Rauschen-Spannungs-Kurve aufgestellt wird, wonach der Spannungszustand des gegebenen Punktes des Querschnitts anhand dieser Kurve bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung in zum Querschnitt senkrechter Richtung durch voneinander beab- standete zwei Gebiete hindurch in den Träger geleitet wird und das aus der Ober¬ fläche austretende magnetische Barkhausen-Rauschen zwischen diesen beiden Gebieten an dem geprüften Querschnitt gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Er- - 21 -
regung durch einen Fluß, der von einem an die Oberfläche angepaßten magneti¬ schen Joch erzeugt wird, durchgeführt wird und die Größe des aus den an der zu messenden Oberfläche angepaßten Enden des Jochs austretenden Flusses gere¬ gelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der geprüften Oberfläche austretende magnetische Barkhausen-Rauschen mittels eines ein an den gegebenen Querschnitt angepaßtes ferromagnetisches Material beinhaltenden Fühlers gemessen wird, daß der Luftspalt zwischen dem ferromag¬ netischen Material und der geprüften Oberfläche gemessen wird und mit dem ge- messenen Wert des Luftspalts die Größe des erfaßten magnetischen Barkhausen- Rauschens korrigiert wird.
6. Vorrichtung zur Bestimmung der längsgerichteten Belastung von einer längsgerichteten Belastung ausgesetzten Trägern, insbesondere Eisenbahnschie¬ nen, insbesondere zur Bestimmung der neutralen Temperatur von Eisenbahnschie- nen, wobei die Vorrichtung eine Tonfrequenzerregereinheit, einen mit dem zu mes¬ senden Träger in magnetischer Verbindung bringbaren magnetischem Fühler, eine an dem magnetischen Fühler angeschlossene und auf gegenüber der Frequenz der Erregereinheit größere Frequenzen empfindliche frequenzselektive Meßeinheit sowie eine aus den gemessenen Werten Meßergebnisse errechnende Rechen- einheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dem magnetischen Fühler ein die Größe des Abstandes zwischen dem Fühler (404) und der Oberfläche des zu messenden Trägers erfassender Luftspaltmesser (403) zugeordnet ist, welcher an dem die gemessene Größe des Barkhausen-Rauschens in Abhängigkeit von dem Luftspalt korrigierenden Eingang der Recheneinheit (406) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Schablone mit einer sich dem zu messenden Träger anpassenden Form vorgese¬ hen ist, auf welcher Positionierelemente, die die Anordnung der einzelnen Me߬ punkte auf dem Querschnitt bestimmen, angebracht sind, während auf dem Me߬ kopf (400) ein dem Positionierelement angepaßtes Gebilde ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinheit (301) eine an dem Tonfrequenzgenerator (310) angeschlossene und auf einem Magnetjoch (6) angeordnete Erregerspule (1) und ein auf dem Mag¬ netjoch (6) neben der Erregerspule (1) und an den mit der Oberfläche des zu mes¬ senden Trägers in Verbindung bringbaren Flächen des Magnetjochs (6) angeord- nete Fühlerspulen (2, 3, bzw. 4, 5) aufweisendes Fühlerspulensystem enthält, daß weiterhin der magnetische Fühler (8) ein auf einem mindestens dreischenkligen fer- romagnetischen Eisenkern (11) angeordnetes und zwei Spulen (9, 10) aufweisen¬ des Spulensystem enthält, wobei diese in einem Meßkopf (400) angeordnet sind, daß dem Meßkopf (400) eine an den zu messenden Träger anpaßbare Meßschab¬ lone zugeordnet ist und auf der Meßschablone das Anpassen des Meßkopfes (400) an den zu messenden Träger in vorbestimmter Lage ermöglichende Positionierele¬ mente angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspaltmesser eine auf dem dreischenkligen Eisenkern (11) des magnetischen Fühlers (8) angeordnete Erregereinheit und einen den von der Erregereinheit er- zeugten Streufluß erfassenden Detektor aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinheit von einer auf dem dreischenkligen Eisenkern (11) des magnetischen Fühlers angeordneten Erregerspule (12), der den von der Erregereinheit erzeugten Streufluß erfassende Detektor dagegen von auf dem dreischenkligen Eisenkern (11) des magnetischen Fühlers angeordneten Fühlerspulen (13, 14, 15) gebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Positionierelemente auf der Schablone ausgebildete Öffnungen sind, deren Form der einfassenden Form des Meßkopfes entspricht.
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