WO1999066320A2 - Verfahren und vorrichtung zum nachweis eines defekts einer führungsschiene - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum nachweis eines defekts einer führungsschiene Download PDF

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Dieter Lingenberg
Kerstin Gemmer-Berkbilek
Jörg Quittkat
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/042—Track changes detection
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    • G01N2291/2623—Rails; Railroads

Definitions

  • the invention is in the field of non-destructive material testing.
  • the invention relates to a method for detecting a defect in a guide rail, in particular a railroad track, an ultrasonic wave being coupled into the guide rail at a coupling point with a component in a direction of propagation parallel to the guide rail and after at least two reflections on mutually opposite inner sides the rail surface is detected at a receiving point.
  • the invention further relates to a device of the first type for detecting a defect in a guide rail, in particular a railroad track, with a) at least one transmit ultrasound transducer which can be coupled to the guide rail and with which an ultrasonic wave can be coupled into the guide rail, and at least b) one spaced apart, stationary on the
  • Receiving ultrasound transducers that can be coupled to the guide rail for detection of the injected ultrasound wave.
  • the invention also relates to a device of the second type for detecting a defect in a guide rail, in particular a railroad track.
  • Both the transmit and receive ultrasonic transducers are housed in a mobile rail test train and are moved along the rail to test extended rail sections.
  • the two ultrasonic transducers mentioned are moved a short distance above the head of the rail, ie the two ultrasonic transducers are arranged on the same outside of the rail.
  • a V-shaped propagation of the injected ultrasound wave results overall.
  • this V-shaped propagation of the injected ultrasound wave is interrupted or disturbed, so that no or a changed, in particular less, signal is received in the received ultrasound transducer than without an existing defect.
  • a rail test train can only run at a low speed, in particular less than 30 to 50 km / h, of a railroad to be tested. As a result, the annual mileage of a rail test train is limited, and the rails can only be tested at night, especially on high-speed lines, since otherwise the traffic performance of the high-speed line would be undesirably impaired.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and devices with which a larger section of the route can be checked with great accuracy compared to the known method.
  • the object relating to a method is achieved according to the invention in that the frequency of the injected ultrasound wave is less than 100 kHz.
  • ultrasound is understood to be sound with a frequency above approximately 16 or 20 kHz.
  • the invention is based on the consideration of using the guide rail to be monitored as a waveguide in which the ultrasound wave coupled in to detect the defect spreads in the direction of propagation. In this way, it is advantageously achieved that a large rail section in the vicinity of the coupling point can be checked, and that a defect can be identified promptly.
  • the use of ultrasound has the advantage that disturbing sound signals from the environment play only a minor role in the detection.
  • the invention is also based on the idea of coupling ultrasound with less than 100 kHz into the guide rail. Measurements have shown that a particularly long range is then achieved due to a low damping of the ultrasound, ie the injected ultrasound wave is also after one Propagation over a very long distance can still be detected with sufficient accuracy.
  • the ultrasound wave is coupled into the guide rail in particular at an angle with respect to a longitudinal axis of the guide rail.
  • the injected ultrasound wave is detected after a large number of reflections on mutually opposite inner sides of the rail surface.
  • Variety are e.g. understood at least ten, preferably 100 and very preferably at least 500 reflections. In this case, sound propagation takes place through zigzag-like back and forth reflection between the mutually opposing inner sides in the direction of propagation.
  • the ultrasound wave can be coupled in, for example, from a moving train, so that the train continuously examines the section of line lying ahead for a defect. In other words, this means that the train drives from an acoustic point of view.
  • the method can also be carried out with the aid of a transmission ultrasound transducer which is stationary on the guide rail.
  • Extended system sections of the guide rail can be monitored by a system of transmit ultrasound transducers attached along the guide rail.
  • the distance between the individual transmit ultrasound transducers can be chosen to be large, since the injected ultrasound wave propagates over a large distance in the frequency range used according to the method. This makes it possible in the first place to carry out the process economically profitably with stationary ultrasonic transducers, for example for monitoring railway lines.
  • the receiving point is removed from the coupling-in point, and to monitor the rail section between the receiving point and the coupling-in point, a portion of the coupled-in ultrasound wave that is transmitted through the propagation direction is detected at the receiving point.
  • the method works in a transmission mode.
  • the rail section is understood here and in the following to mean a part of the guide rail when viewed along the longitudinal axis of the guide rail, this part also being able to encompass the entire guide rail.
  • a guide rail can also comprise individual, acoustically coupled rail sections.
  • the receiving point is preferably more than 500 m and very particularly preferably more than 1000 m from the coupling point.
  • a further ultrasonic wave is coupled into the guide rail or received from it at the receiving point for monitoring a rail section adjoining the rail section.
  • the receiving point is essentially identical to the coupling point and becomes a part of the coupled ultrasound wave that is reflected on the defect and / or a part of the coupled ultrasound wave that is reflected on a structural reflector, in particular on an end face of the guide rail detected at the coupling point.
  • the part reflected on a structurally determined reflector can be used in particular to check the correct functioning serve a device suitable for carrying out the method.
  • the ultrasound wave coupled into the guide rail can be either a quasi-continuous ultrasound wave or an ultrasound pulse.
  • an ultrasound pulse it is also possible to monitor the reflected portion of the injected ultrasound pulse in terms of time. For example, the occurrence or growth of a defect can be inferred from the occurrence of a reflected portion at a run time at which no or only a small ultrasound signal has previously been received.
  • a failure between the coupling point and the structural reflector can likewise be inferred from the absence or from the decrease in the proportion reflected by a structural reflector.
  • the ultrasonic wave is preferably coupled into the guide rail while a carriage, for example a train, is moved on or on the guide rail.
  • the ultrasonic wave is coupled into a railroad track during normal train traffic through the web or the foot of the railroad track without the running train operation being disturbed thereby.
  • a detector signal caused by the detected ultrasound wave is amplified in a time-controlled manner.
  • the object relating to a device is achieved in relation to the first type of device according to the invention in that the transmit ultrasound transducer and the receive ultrasound transducer ultrasonic transducers can be operated at a frequency of less than 100 kHz.
  • a particularly long rail section between the coupling point and the receiving point is constant, i.e. Continuous in time, can be monitored for defects, so that, after a defect has been detected, braking of a carriage, in particular a train, moving on the guide rail can be initiated without a great delay.
  • the distance between the transmission ultrasound transducer and the reception ultrasound transducer is preferably selected such that the ultrasound wave can be detected by the reception ultrasound transducer essentially after a plurality of reflections on mutually opposite inner sides of the rail surface.
  • a plurality is preferably understood to mean five, particularly preferably 100 and particularly preferably 500 reflections.
  • the distance between the transmitting ultrasound transducer and the receiving ultrasound transducer is in particular more than 500 m or more than 1000 m.
  • the device of the first type is preferably suitable for carrying out the method according to the invention in transmission mode.
  • the considerations and advantages mentioned with regard to the method apply analogously to the device of the first type and also to the device of the second type described below.
  • At least two for monitoring different rail sections along the guide rail are in Row of attachable devices combined to form a monitoring system for the guide rail.
  • an extensive guide rail for example many kilometers in length, can be monitored particularly well for a defect.
  • the transmitting ultrasound transducer of one of the devices can be attached essentially in the immediate vicinity of the receiving ultrasound transducer of the neighboring device.
  • a transmitter and a receiver ultrasound transducer are attached along the guide rail at fixed or variable intervals, the receiver ultrasound transducer receiving an ultrasound wave from the previous section of the route, and the transmitter ultrasound transducer receiving an ultrasound wave in the subsequent ones Coupled rail section.
  • the transmit ultrasound transducer of one of the devices can be attached essentially in the immediate vicinity of the transmit ultrasound transducer of the adjacent device.
  • Such a monitoring system has the advantage that only reception lines must be laid to a receiving point and transmission lines designed only for a possibly high output of the transmitting ultrasound transducers must be laid to a transmitting or coupling point. “Essentially in the immediate vicinity” means, for example, that the distance between two ultrasound transducers that can be attached next to one another is considerably smaller than the length of a rail section monitored between two ultrasound transducers. For example, this distance is less than one percent or less than one per thousand of the length of the monitored rail section.
  • the transmit ultrasound transducer is one of the
  • Devices operable as the receiving ultrasound transducer of the neighboring device Such a transmit and receive ultrasonic transducer is therefore assigned to two adjacent devices at the same time.
  • a predetermined, lengthwise guide rail can be monitored with a particularly small number of ultrasonic transducers.
  • the object placed on a device is achieved in relation to the second type of device according to the invention in that there is at least one transmit and receive ultrasound transducer which can be coupled stationary to the guide rail and by means of which an ultrasound wave can be coupled into the guide rail and essentially after a plurality of Reflections on opposite inner sides of the
  • Rail surface and after a reflection on the defect and / or on a structural reflector can be detected.
  • the transmit and receive ultrasonic transducer can preferably be operated at a frequency of less than 100 kHz, in particular at a frequency from the interval of 40 to 90 kHz.
  • the device of the second type is preferably suitable for carrying out the method according to the invention, in particular the method in reflection mode.
  • at least two such devices which can be attached in series for monitoring different rail sections along the guide rail are combined to form a monitoring system for a guide rail, in particular a railroad rail.
  • one of the monitoring systems has an evaluation unit, which is connected to the ultrasound transducer provided for the detection of the irradiated ultrasound wave, for interpreting the output signal of this ultrasound transducer.
  • the evaluation unit in one of the monitoring systems mentioned is connected, for example, to a communication network and / or to a control center.
  • a control center for example, defects occurring in the guide rail are recognized and a resultant measure, for example braking a train, is initiated.
  • FIGS. 1 to 7. Six exemplary embodiments of a device according to the invention are explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 7. The figures also explain the implementation of the method according to the invention. It shows:
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention of the first type, the guide rail being shown in a perspective view
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a device according to the invention of the second type, IG 4 ' a monitoring system operated in transmission mode according to the invention,
  • FIG 7 shows another monitoring system operated in transmission mode according to the invention.
  • FIG. 1 shows a guide rail designated overall by 1, consisting of a foot 1A, a web 1B and a head IC.
  • the guide rail 1 is divided into rail sections 2A, 2B along its longitudinal axis 1D.
  • a first transmit ultrasound transducer 3 and a first receive ultrasound transducer 7 are provided for monitoring the rail section 2A.
  • a second transmit ultrasound transducer 5 and a second receive ultrasound transducer 8 are used to monitor the adjoining rail section 2B.
  • the first transmit ultrasound transducer 3 couples an ultrasound wave into the guide rail 1 at a coupling point 9, from which it passes at a receiving point 10 is received by the first receiving ultrasonic transducer 7.
  • the coupling point 9 is arranged at a distance d from the receiving point 10, which is approximately 3 to 5 km.
  • the guide rail 1 is a railroad track which is welded together from individual pieces without interruption, ie without a gap, to a total length of approximately 10 to 20 km.
  • a railroad track can be understood as being divided into two to six rail sections 2A, 2B, ..., of which only two rail sections 2A, 2B are shown in FIG.
  • the transmit ultrasound transducers 3, 5 are connected via connecting lines 11, 12 to a power driver 15, with which the transmit ultrasound transducers 3, 5 can be controlled in such a way that each ultrasound wave with an electrical power control of up to a few kilowatts in the respective Rail section 2A or 2B is coupled.
  • the transmission ultrasound transducers 3, 5 - like the ultrasound transducers of the exemplary embodiments shown below - are controlled at low frequency in order to keep the damping of the ultrasound wave within the guide rail 1 small.
  • the transmit ultrasound transducers 3, 5 are operated at a frequency of less than 80 or 90 kHz, e.g. operated at a frequency of 50 kHz.
  • the receiving ultrasound transducers 7, 8 are connected to an evaluation unit 20 via connecting lines 17, 18.
  • the electrical signals generated by the receiving ultrasonic transducers 7, 8 are processed with fixed amplification or with a time-controlled amplification. Analog or digital filtering of the receiver signals is also carried out, so that an evaluation is possible as to whether there is a defect in the monitored rail section.
  • the electronic signals conditioned in this way are fed via a line 22 into a communication network 24 which opens into a control center 25.
  • Figure 2 shows the rail section 2A, the here
  • Guide rail 1 is shown in cross section.
  • the first transmit ultrasound transducer 3 is acoustically coupled to the rail surface 30 via a first lead body 33 and the first receive ultrasound transducer 7 via a second lead body 37.
  • the first lead body 33 has a wedge shape, so that the injected ultrasonic wave 40 is inclined with respect to the longitudinal axis 1B of the guide rail 1 and is coupled with a directional component in a propagation direction 42 into the guide rail 1. After a number of reflections on mutually opposite inner sides 41, 43 of the rail surface 39, a portion 45 of the ultrasound wave that passes through the guide rail 1 is detected by the first received ultrasound transducer 7.
  • the irradiated ultrasound wave 40 consists of a diverging bundle of several ultrasound waves (beams), so that in any case an ultrasound beam is detected by the first reception ultrasound transducer 7.
  • the near-field area is small and the divergence of the ultrasonic wave emitted by a transmitting ultrasound transducer is large (near-field area, e.g. 4 to 6 mm).
  • the losses in the reflection on the opposite inner sides 41, 43, e.g. through transmission, i.e. Coupling out of the guide rail 1 is very low, in particular, if the guide rail 1 is made of steel and is in an air atmosphere (very different sound wave resistances in steel and air).
  • the ultrasonic wave 40 can in particular be coupled in with a refraction angle ⁇ of almost 90 °.
  • ⁇ refraction angle
  • it is coupled through a face of the guide rail without a wedge-shaped lead body (not explicitly drawn).
  • FIG. 2 and also the following FIG. 3 show a section through the web 1B of the guide rail 1 viewed from above.
  • Figure 3 shows a device according to the invention in the second embodiment. It has a transmission and reception ultrasound transducer 46, with which an ultrasound wave 40 is coupled into the guide rail 1 and reflected components 49, 51 of the ultrasound wave 40 are received.
  • the transmit and receive ultrasonic transducer 46 is acoustically coupled to the guide rail 1 via a keyed lead body 47.
  • the divergent ultrasonic beam emitted by the transmitting and receiving ultrasonic transducer 46 is indicated by three arrows at the coupling point 9. If a defect 48 is present in the guide rail 1, the transmitting and receiving ultrasound transducer 46 detects both a portion 49 of the ultrasound wave reflected on the defect 48 and a portion 51 of the ultrasound wave reflected on the end face 53.
  • an ultrasonic pulse is emitted by the transmit and receive ultrasound transducer, so that both of the reflected components 49, 51 mentioned can be used to detect the defect 48.
  • the portion 49 reflected at the defect 48 could not be detected without the defect 48 present and thus can be concluded directly from a present defect.
  • an evaluation unit connected to the transmitting and receiving ultrasound transducer 46 both the transmission and the reception time of the injected or received ultrasound waves 40 and 49 are recorded. The difference between these two points in time can be used to determine the distance of the defect 48 from the transmit and receive ultrasound transducer 46 conclude. The larger the portion 49 reflected at the defect 48, the larger the present defect 48.
  • the aforementioned evaluation unit also records the time of transmission and reception of the portion 51 reflected on the end face 53. Since the distance of the transmitting and receiving ultrasound transducer 46 from the end face 53 is known, the current and precise speed of sound, which depends, for example, on the ambient temperature, can be determined when these times are known.
  • the signal intensity of the portion 51 reflected on the face 53 is also used for defect monitoring. If the signal level from the portion 51 reflected on the end face 53 tends towards zero, it can be concluded from this that the defect 48 is present as a complete interruption of the guide rail 1.
  • the injected ultrasonic wave 40 is shown as a simple arrow in the direction of propagation 42 for the sake of clarity, without a detailed representation of the zigzag reflections. Electrical connection lines to and from the individual ultrasonic transducers are not explicitly drawn.
  • a transmission ultrasound transducer 60 and a reception ultrasound transducer 62 are each attached essentially immediately adjacent to a total of five locations along the guide rail.
  • This paired arrangement of a transmit ultrasonic transducer 60 with a receive ultrasonic transducer 62 corresponds in principle to the exemplary embodiment shown in FIG. 1.
  • the rail section between a transmitting ultrasound transducer 60 and a receiving ultra- Sound transducer 62 is monitored for defects in transmission mode by the ultrasound wave 40 passing through this section of the route.
  • the monitoring system shown in Figure 6 operates in reflection mode.
  • a total of five, transmit and receive ultrasound transducers 66 couple an ultrasound wave 40 into the guide rail and receive from the rail section into which this ultrasound wave 40 has been coupled a portion 49 and / or one that may be reflected from a defect on an end face or on another structural reflector
  • FIGS. 5 and 6 can also be combined. This means that a rail section formed between two transmit and receive ultrasonic transducers is monitored both in the transmission mode and in the reflection mode.
  • a monitoring system shown in FIG. 7 in contrast to the example shown in FIG. 4, not one receive and one transmit ultrasound transducer from adjacent rail sections are arranged in the immediate vicinity. Rather, in this exemplary embodiment, the transmit ultrasound transducers 60A, 60B from adjacent rail sections and the receive ultrasound transducers 62A, 62B from other adjacent rail sections are arranged essentially in close proximity to one another. In the example shown, this means that the ultrasonic waves 40 coupled into different rail sections propagate in adjacent rail sections in the opposite direction.
  • the converter sequence is ...- S / SE / ES / SE / ES / S-

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Abstract

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

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüf ng.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachweis ei- nes Defekts einer Führungsschiene, insbesondere einer Eisenbahnschiene, wobei eine Ultraschallwelle an einer Einkoppelstelle mit einer Komponente in einer zur Führungsschiene parallelen Propagationsrichtung in die Führungsschiene eingekoppelt und nach wenigstens zwei Reflexionen an einander ge- genüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche an einer Empfangsstelle detektiert wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung ersten Typs zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene, insbeson- dere einer Eisenbahnschiene, mit a) wenigstens einem stationär an der Führungsschiene ankoppelbaren Sende-Ultraschallwandler, mit dem eine Ultraschallwelle in die Führungsschiene einkoppelbar ist, und mit b) wenigstens einem davon beabstandeten, stationär an der
Führungsschiene ankoppelbaren Empfangs-Ultraschallwandler zur Detektion der eingekoppelten Ultraschallwelle.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zweiten Typs zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene, insbesondere einer Eisenbahnschiene.
Aus dem Buch „Werkstoffprüfung mit Ultraschall* von Josef Krautkrämer und Herbert Krautkrämer, Springer Verlag 1986, 5. Auflage, Seite 398ff, ist es bekannt, Eisenbahnschienen mit einer Ultraschallwelle auf Defekte, insbesondere auf Risse oder Durchbrüche, zu untersuchen. Auf Seite 406 des genannten Buchs ist dargestellt, daß hierzu an einer Einkoppelstelle die Ultraschallwelle bezüglich der Längsachse der Schiene geneigt in die Schiene eingekoppelt wird und nach einer Reflexion an der Rückseite der Schiene an einer Empfangsstelle empfangen wird. Hierzu ist an der Einkoppelstelle eine Sende- Ultraschallwandler und an der davon beabstandeten Empfangsstelle ein E pfangs-Ultraschallwandler vorgesehen. Sowohl der Sende- als auch der Empfangs-Ultraschallwandler sind in einem mobilen Schienenprüfzug untergebracht und werden zur Prüfung ausgedehnter Schienenabschnitte entlang der Schiene bewegt. Die beiden genannten Ultraschallwandler werden dabei in geringem Abstand oberhalb des Kopfs der Schiene bewegt, d.h. die beiden Ultraschallwandler sind an der gleichen Außenseite der Schiene angeordnet. Infolge der genannten Reflexion an der Rückseite ergibt sich somit insgesamt eine V-förmige Pro- pagation der eingekoppelten Ultraschallwelle.
Bei Vorhandensein eines Defekts in der Schiene ist diese V- förmige Ausbreitung der eingekoppelten Ultraschallwelle un- terbrochen oder gestört, so daß im Empfangs-Ultraschallwandler kein oder ein verändertes, insbesondere geringeres, Signal empfangen wird als ohne vorliegenden Defekt. Bei Abfahren eines Schienenabschnitts mit dem genannten Schienenprüf- zug ist somit dieser Schienenabschnitt auf Defekte prüfbar.
Ein Schienenprüfzug kann eine zu prüfende Eisenbahnschiene nur mit einer geringen Geschwindigkeit, insbesondere von weniger als 30 bis 50 km/h, abfahren. Dadurch ist die jährliche Laufleistung eines Schienenprüfzugs beschränkt, und die Prü- fung der Schienen kann insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsstrecken nur nachts erfolgen, da sonst die Verkehrsleistung der Hochgeschwindigkeitsstrecke in ungewünschter Weise beeinträchtigt würde.
Ein weiteres Problem der Schienenprüfzüge ergibt sich daraus, daß die zu prüfenden Strecken infolge des geschilderten Aufwands nur einige wenige Male pro Jahr untersucht werden kön- nen. Dies kann auf stark befahrenen Hochgeschwindigkeitsstrecken unter Umständen zu wenig sein, insbesondere falls innerhalb kürzerer Zeitabstände mit dem Auftreten eines Defekts zu rechnen ist. Ein solcher Defekt kann beispielsweise eine vollständige Durchtrennung der Eisenbahnschiene infolge eines Frostbruchs im Winter oder infolge eines Sabotageakts sein. Insbesondere auf Hochgeschwindigkeitsstrecken, auf denen sich infolge der realisierten Spitzengeschwindigkeiten von über 200 km/h Vollbre sungswege von bis zu mehreren Kilo- metern ergeben, können Schienendurchtrennungen infolge von
Sabotageaktionen innerhalb der optischen Sicht des Lokführers nicht erkannt werden.
Es besteht also ein Bedarf für eine Methode, mit der ein Er- kennen eines Defekts in einer Führungsschiene auch noch bis kurz vor dem Zeitpunkt möglich ist, zu dem der Defekt von einem an oder auf der Führungsschiene bewegten Wagen, z.B. einem Eisenbahnzug, passiert wird. Anders formuliert heißt das, daß auch solche Defekte erkennbar sein sollen, welche erst kurz vor dem Passieren der defekten Stelle auftreten. Die De- tektion eines Defekts soll beispielsweise noch bis wenige Minuten vor dem Passieren eines Zugs möglich sein, so daß der Zug vor dem Defekt noch abgebremst werden kann.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 16 650 AI ist ein Verfahren zur Erkennung von Schienenunterbrechungen durch ständige Schienenüberwachung beschrieben, bei dem Schall durch eine am Anfang einer definierten Meßstrecke montierte Ultraschallquelle in die Schiene eingespeist und über ein am Ende der Meßstrecke an der Schiene montiertes Körperschallmikrophon ausgekoppelt wird. Mit dem Körperschallmikrophon sind auch Schallimpulse empfangbar, die beispielsweise durch einen auf der überwachten Meßstrecke fahrenden Eisenbahnzug oder durch einen dort tätigen Schienenarbeiter erzeugt wurden.
Das in der DE 41 16 650 AI beschriebene Verfahren hat den Nachteil, daß mit großer Genauigkeit nur ein kleiner Strek- kenabschnitt oder aber ein großer Streckenabschnitt nur mit geringer Genauigkeit überwacht werden kann.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Ver- fahren und Vorrichtungen anzugeben, mit denen ein im Vergleich zu dem bekannten Verfahren größerer Streckenabschnitt mit großer Genauigkeit überprüfbar ist.
Die auf ein Verfahren bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfin- düng dadurch gelöst, daß die Frequenz der eingekoppelten Ultraschallwelle kleiner als 100 kHz ist.
Unter Ultraschall wird im Zusammenhang mit der Erfindung Schall mit einer Frequenz oberhalb von etwa 16 oder 20 kHz verstanden. Es wird also eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz aus dem Bereich von etwa 16 oder 20 kHz bis 100 kHz, bevorzugt aus dem Bereich von 40 bis 90 kHz, in die Führungsschiene eingekoppelt.
Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, die zu überwachende Führungsschiene als Wellenleiter zu benutzen, in dem sich die zum Nachweis des Defekts eingekoppelte Ultraschallwelle in Propagationsrichtung ausbreitet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein großer Schienenab- schnitt in der Umgebung der Einkoppelstelle überprüft werden kann, und daß somit ein zeitnahes Erkennen eines Defekts möglich ist.
Die Verwendung von Ultraschall hat den Vorteil, daß störende Schallsignale aus der Umwelt bei der Detektion nur eine geringe Rolle spielen. Die Erfindung geht weiterhin von der Überlegung aus, Ultraschall mit weniger als 100 kHz in die Führungsschiene einzukoppeln. Messungen haben nämlich gezeigt, daß dann infolge einer geringen Dämpfung der Ultra- schallweile eine besonders große Reichweite erzielt wird, d.h. die eingekoppelte Ultraschallwelle ist auch nach einer Propagation über eine sehr große Entfernung noch mit hinreichender Genauigkeit detektierbar .
Die Ultraschallwelle wird insbesondere unter einem Winkel be- züglich einer Längsachse der Führungsschiene in die Führungsschiene eingekoppelt.
Beispielsweise wird die eingekoppelte Ultraschallwelle nach einer Vielzahl von Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche detektiert. Unter einer
Vielzahl werden z.B. wenigstens zehn, bevorzugt 100 und ganz bevorzugt wenigstens 500 Reflexionen verstanden. Die Schallausbreitung findet in diesem Fall durch zick-zack-artiges Hin- und Her-Reflektieren zwischen den einander gegenüberlie- genden Innenseiten in Propagationsrichtung statt.
Infolge des großen in der Umgebung der Einkoppelstelle überprüfbaren Schienenabschnitts kann das Einkoppeln der Ultraschallwelle beispielsweise aus einem fahrenden Zug heraus er- folgen, so daß der Zug ständig den vor sich liegenden Strek- kenabschnitt auf einen Defekt hin untersucht. Anders formuliert heißt das: Der Zug fährt auf akustische Sicht.
Infolge des großen in der Umgebung der Einkoppelstelle über- prüfbaren Streckenabschnitts kann das Verfahren aber auch mit Hilfe eines stationär an der Führungsschiene angebrachten Sende-Ultraschallwandlers durchgeführt werden. Ausgedehntere Streckenabschnitte der Führungsschiene sind durch ein System entlang der Führungsschiene angebrachter Sende-Ultraschall- wandler überwachbar. Dabei kann der Abstand zwischen den einzelnen Sende-Ultraschallwandlern groß gewählt werden, da die eingekoppelte Ultraschallwelle in dem verfahrensgemäß benutzten Frequenzbereich über eine große Entfernung propagiert. Dadurch ist es überhaupt erst möglich, das Verfahren mit sta- tionären Ultraschallwandlern, beispielsweise zur Überwachung von Eisenbahnstrecken, wirtschaftlich rentabel durchzuführen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Empfangsstelle von der Einkoppelstelle entfernt, und zur Überwachung des Schienenabschnitts zwischen der Empfangsstelle und der Einkoppelstelle wird ein die Führungsschiene in Propagationsrichtung durchschallender Anteil der eingekoppelten Ultraschallwelle an der Empfangsstelle detektiert. Das Verfahren arbeitet in dieser Ausgestaltung in einem Transmissionsmodus .
Unter dem Schienenabschnitt wird hierbei und im folgenden ein Teil der Führungsschiene in einer Betrachtung entlang der Längsachse der Führungsschiene verstanden, wobei dieser Teil auch die gesamte Führungsschiene umfassen kann. Eine Führungsschiene kann in diesem Zusammenhang auch einzelne, aku- stisch aneinander gekoppelte Schienenteilstücke umfassen.
Die Empfangsstelle ist bevorzugt mehr als 500 m und ganz besonders bevorzugt mehr als 1000 m von der Einkoppelstelle entfernt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird an der Empfangsstelle zur Überwachung eines an den Schienenabschnitt anschließenden Schienenabschnitts eine weitere Ultraschallwelle in die Führungsschiene eingekoppelt oder aus die- ser empfangen.
Nach einer anderen, als Reflexionsmodus bezeichneten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Empfangsstelle im wesentlichen mit der Einkoppelstelle identisch und ein am Defekt re- flektierter Anteil und/oder ein an einem baulich bedingten Reflektor, insbesondere an einer Stirnseite der Führungsschiene, reflektierter Anteil der eingekoppelten Ultraschallwelle wird an der Einkoppelstelle detektiert.
Der an einem baulich bedingten Reflektor reflektierte Anteil kann insbesondere zur Überprüfung der fehlerfreien Funktion einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung dienen.
Die in die Führungsschiene eingekoppelte Ultraschallwelle kann sowohl eine quasi kontinuierliche Ultraschallwelle oder ein Ultraschallimpuls sein. Bei der Verwendung eines Ultraschallimpulses hat man zusätzlich die Möglichkeit, den reflektierten Anteil des eingekoppelten Ultraschallimpulses laufzeitmäßig zu überwachen. Beispielsweise kann aus dem Auf- treten eines reflektierten Anteils zu einem LaufZeitpunkt, an dem bisher kein oder nur ein geringes Ultraschallsignal empfangen wurde, auf das Auftreten bzw. Wachsen eines Defekts geschlossen werden. Aus dem Ausbleiben oder aus der Abnahme des von einem baulich bedingten Reflektor reflektierten An- teils kann ebenfalls auf einen Defekt zwischen der Einkoppelstelle und dem baulich bedingten Reflektor geschlossen werden.
Bevorzugt wird die Ultraschallwelle in die Führungsschiene eingekoppelt, während an oder auf der Führungsschiene ein Wagen, beispielsweise ein Zug, bewegt wird. Beispielsweise wird in eine Eisenbahnschiene während des normalen Zugverkehrs durch den Steg oder den Fuß der Eisenbahnschiene die Ultraschallwelle eingekoppelt, ohne daß der laufende Zugbetrieb dadurch gestört würde.
Bevorzugt wird bei einem Abweichen eines durch die detek- tierte Ultraschallwelle bewirkten Detektorsignals von einem bekannten, ohne vorliegenden Defekt erfaßten Detektorsignal auf das Vorliegen eines Defekts geschlossen.
Beispielsweise wird ein von der detektierten Ultraschallwelle bewirktes Detektorsignal zeitlich gesteuert verstärkt.
Die auf eine Vorrichtung bezogene Aufgabe wird bezogen auf den ersten Vorrichtungstyp gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Sende-Ultraschallwandler und der Empfangs-Ul- traschallwandler bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar sind.
Mit derart betreibbaren, beabstandeten und stationär an der Führungsschiene anbringbaren Ultraschallwandlern ist ein besonders langer Schienenabschnitt zwischen der Einkoppelstelle und der Empfangsstelle ständig, d.h. zeitkontinuierlich, auf Defekte hin überwachbar, so daß nach Erkennen eines Defekts ohne große Zeitverzögerung ein Abbremsen eines auf der Füh- rungsschiene bewegten Wagens, insbesondere eines Zugs, eingeleitet werden kann.
Der Abstand zwischen dem Sende-Ultraschallwandler und dem Empfangs-Ultraschallwandler ist bevorzugt derart gewählt, daß die Ultraschallwelle im wesentlichen nach einer Mehrzahl von Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche durch den Empfangs-Ultraschallwandler de- tektierbar ist.
Unter einer Mehrzahl werden bevorzugt fünf, besonders bevorzugt 100 und besonders bevorzugt 500 Reflexionen verstanden.
Der Abstand zwischen dem Sende-Ultraschallwandler und dem Empfangs-Ultraschallwandler beträgt insbesondere mehr als 500 m oder mehr als 1000 m.
Die Vorrichtung ersten Typs ist bevorzugt zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung im Transmissionsmodus geeignet. Die bezüglich des Verfahrens genannten Überlegungen und Vorteile gelten für die Vorrichtung des ersten Typs als auch für die weiter unten beschriebene Vorrichtung zweiten Typs analog.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Vorrich- tung ersten Typs sind wenigstens zwei zur Überwachung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Führungsschiene in Reihe anbringbare Vorrichtungen zu einem Überwachungssystem für die Führungsschiene zusammengefügt.
Dadurch läßt sich eine ausgedehnte Führungsschiene, bei- spielsweise von vielen Kilometern Länge, besonders gut auf einen Defekt hin überwachen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Überwachungssystems ist der Sende-Ultraschallwandler einer der Vorrichtungen im wesentlichen in unmittelbarer Nähe zu dem Empfangs-Ultraschallwandler der benachbarten Vorrichtung anbringbar. Das bedeutet z.B., daß entlang der Führungsschiene in festen oder variablen Abständen ein Sende- sowie ein Empfangs-Ultraschallwandler angebracht sind, wobei der Empfangs-Ultra- schallwandler eine Ultraschallwelle aus dem vorangegangenen Streckenabschnitt empfängt, und der Sende-Ultraschallwandler eine Ultraschallwelle in den daran anschließenden Schienenabschnitt einkoppelt.
Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Überwachungssystems ist der Sende-Ultraschallwandler einer der Vorrichtung im wesentlichen in unmittelbarer Nähe zu dem Sende- Ultraschallwandler der benachbarten Vorrichtung anbringbar.
In gleicher Weise kann dies für die Empfangs-Ultraschallwandler benachbarter Vorrichtungen gelten. Dann werden beispielsweise an mehreren Stellen entlang der Führungsschiene jeweils zwei Ultraschallwellen in einander entgegengesetzte Propaga- tionsrichtungen entlang der Führungsschiene eingekoppelt und an davon beabstandeten Empfangsstellen jeweils zwei Ultraschallwellen empfangen. An den Empfangsstellen sind jeweils zwei Empfangs-Ultraschallwandler angeordnet. Ein derartiges Überwachungssystem hat den Vorteil, daß zu einer Empfangsstelle ausschließlich Empfangsleitungen und zu einer Sende- oder Einkoppelstelle ausschließlich für eine gegebenenfalls hohe Leistung der Sende-Ultraschallwandler ausgelegte Sendeleitungen gelegt werden müssen. Unter „im wesentlichen in unmittelbarer Nähe* ist beispielsweise zu verstehen, daß der Abstand zwischen zwei benachbart anbringbaren Ultraschallwandlern erheblich kleiner als die Länge eines zwischen zwei Ultraschallwandlern überwachten Schienenabschnitts ist. Beispielsweise beträgt dieser Abstand weniger als ein Prozent oder weniger als ein Promille der Länge des überwachten Schienenabschnitts.
Nach einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des Über- wachungssystems ist der Sende-Ultraschallwandler einer der
Vorrichtungen als der Empfangs-Ultraschallwandler der benachbarten Vorrichtung betreibbar. Ein solcher Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler ist demzufolge zwei benachbarten Vorrichtungen gleichzeitig zugeordnet. Bei einem derartigen Überwachungssystem kann mit einer besonders kleinen Anzahl von Ultraschallwandlern eine vorgegebene, in der Länge ausgedehnte Führungsschiene überwacht werden.
Die auf eine Vorrichtung abgestellte Aufgabe wird bezogen auf den zweiten Vorrichtungstyp gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein stationär an der Führungsschiene ankoppelbarer Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler vorhanden ist, mit dem eine Ultraschallwelle in die Führungsschiene einkoppelbar und im wesentlichen nach einer Mehrzahl von Re- flexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten der
Schienenoberfläche sowie nach einer Reflexion an dem Defekt und/oder an einem baulich bedingten Reflektor detektierbar ist.
Der Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler ist vorzugsweise bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar, insbesondere bei einer Frequenz aus dem Intervall von 40 bis 90 kHz.
Die Vorrichtung zweiten Typs ist bevorzugt zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, insbesondere des Verfahrens im Reflexionsmodus, geeignet. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens zwei solche zur Überwachung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Führungsschiene in Reihe anbringbare Vorrichtungen zu einem Überwachungssystem für eine Führungsschiene, insbe- sondere eine Eisenbahnschiene, zusammengefaßt.
Beispielsweise weist eines der Überwachungssysteme eine mit dem zur Detektion der eingestrahlten Ultraschallwelle vorgesehenen Ultraschallwandler in Verbindung stehende Auswerte- einheit zur Interpretation des Ausgangssignals dieses Ultraschallwandlers auf.
Die Auswerteeinheit in einem der genannten Überwachungssysteme steht beispielsweise mit einem Kommunikationsnetz und/oder mit einer Leitzentrale in Verbindung. In der Leitzentrale werden beispielsweise auftretende Defekte in der Führungsschiene erkannt und eine daraus resultierende Maßnahme, beispielsweise eine Abbremsung eines Zugs, eingeleitet.
Sechs Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung nach der Erfindung werden anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert. Die Figuren erläutern gleichfalls die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Es zeigt:
FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung ersten Typs, wobei die Führungsschiene in einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist,
FIG 2 das erste Ausführungsbeispiel in Auszügen, wobei die Führungsschiene im Schnitt dargestellt ist,
FIG 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zweiten Typs, IG 4 ' ein im Transmissionsmodus betriebenes Uberwachungs- system nach der Erfindung,
FIG 5 ein weiteres im Transmissionsmodus betriebenes Überwachungssystem nach der Erfindung,
FIG 6 ein im Reflexionsmodus betriebenes Überwachungssystem nach der Erfindung und
FIG 7 ein weiteres im Transmissionsmodus betriebenes Überwachungssystem nach der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Führungsschiene, bestehend aus einem Fuß 1A, einem Steg 1B und einem Kopf IC. Die Führungsschiene 1 ist entlang ihrer Längsachse 1D in Schienenabschnitte 2A, 2B eingeteilt. Zur Überwachung des Schienenabschnitts 2A ist ein erster Sende-Ultraschallwandler 3 und ein erster Empfangs-Ultraschallwandler 7 vorhanden. Der Überwachung des daran anschließenden Schienen- abschnitts 2B dient ein zweiter Sende-Ultraschallwandler 5 und ein zweiter Empfangs-Ultraschallwandler 8. Der erste Sende-Ultraschallwandler 3 koppelt an einer Einkoppelstelle 9 eine Ultraschallwelle in die Führungsschiene 1 ein, aus der sie an einer Empfangsstelle 10 von dem ersten Empfangs-Ultra- schallwandler 7 empfangen wird. Die Einkoppelstelle 9 ist von der Empfangsstelle 10 in einem Abstand d angeordnet, der in etwa 3 bis 5 km beträgt.
Die Führungsschiene 1 ist eine Eisenbahnschiene, welche aus einzelnen Stücken unterbrechungslos, d.h. spaltfrei, zu einer Gesamtlänge von etwa 10 bis 20 km zusammengeschweißt ist. Eine solche Eisenbahnschiene kann als in zwei bis sechs Schienenabschnitte 2A, 2B, ... eingeteilt verstanden werden, wovon in Figur 1 nur zwei Schienenabschnitte 2A, 2B darge- stellt sind. Die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 sind über Verbindungsleitungen 11, 12 mit einem Leistungstreiber 15 verbunden, mit dem die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 derart ansteuerbar sind, daß jeweils eine Ultraschallwelle mit einer elektri- sehen Leistungsansteuerung von bis zu einigen Kilowatt in den betreffenden Schienenabschnitt 2A bzw. 2B eingekoppelt wird.
Die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 werden - wie auch die Ultraschallwandler der nachfolgend dargestellten Ausführungs- beispiele - niederfrequent angesteuert, um die Dämpfung der Ultraschallwelle innerhalb der Führungsschiene 1 klein zu halten. Beispielsweise werden die Sende-Ultraschallwandler 3, 5 mit einer Frequenz von weniger als 80 oder 90 kHz, z.B. mit einer Frequenz von 50 kHz, betrieben.
Die Empfangs-Ultraschallwandler 7, 8 stehen über Verbindungsleitungen 17, 18 mit einer Auswerteeinheit 20 in Verbindung. In der Auswerteeinheit 20 werden die von den Empfangs-Ultra- schallwandlern 7, 8 erzeugten elektrischen Signale mit fester Verstärkung oder mit einer zeitgesteuerten Verstärkung verarbeitet. Es wird auch eine analoge oder digitale Filterung der Empfängersignale vorgenommen, so daß eine Bewertung möglich ist, ob sich in dem überwachten Schienenabschnitt ein Defekt befindet.
Die derart konditionierten elektronischen Signale werden über eine Leitung 22 in ein Kommunikationsnetz 24 eingespeist, das in einer Leitzentrale 25 mündet.
Figur 2 zeigt den Schienenabschnitt 2A, wobei hierbei die
Führungsschiene 1 im Querschnitt dargestellt ist. Der erste Sende-Ultraschallwandler 3 ist über einen ersten Vorlaufkörper 33 und der erste Empfangs-Ultraschallwandler 7 über einen zweiten Vorlaufkörper 37 akustisch an die Schienenoberflä- ehe 30 angekoppelt. Der erste Vorlaufkörper 33 hat eine Keil- form, so daß die eingekoppelte Ultraschallwelle 40 bezüglich der Längsachse 1B der Führungsschiene 1 geneigt und mit einer Richtungskomponente in eine Propagationsrichtung 42 in die Führungsschiene 1 eingekoppelt wird. Nach mehreren Reflexio- nen an einander gegenüberliegenden Innenseiten 41, 43 der Schienenoberfläche 39 wird ein die Führungsschiene 1 durchschallender Anteil 45 der Ultraschallwelle von dem ersten Empfangs-Ultraschallwandler 7 detektiert.
An der Einkoppelstelle 9 ist durch drei Pfeile angedeutet, daß die eingestrahlte Ultraschallwelle 40 aus einem divergierenden Bündel mehrerer Ultraschallwellen (Strahlen) besteht, so daß in jedem Fall ein Ultraschallstrahl von dem ersten Empfangs-Ultraschallwandler 7 detektiert wird. Insbesondere bei den genannten kleinen Ultraschallfrequenzen ist der Nahfeldbereich klein und die Divergenz der von einem Sende-Ultraschallwandler abgestrahlten Ultraschallwelle groß (Nahfeldbereich z.B. 4 bis 6 mm).
Die Verluste bei der Reflexion an den einander gegenüberliegenden Innenseiten 41, 43, z.B. durch Transmission, d.h. Auskopplung aus der Führungsschiene 1 heraus, sind insbesondere dann sehr gering, falls die Führungsschiene 1 aus Stahl besteht und sich in einer Luftatmosphäre befindet (stark unter- schiedliche Schallwellenwiderstände in Stahl und Luft) .
Die Ultraschallwelle 40 kann insbesondere mit einem Brechungswinkel ß von nahezu 90° eingekoppelt werden. Beispielsweise wird sie ohne keilförmigen Vorlaufkörper durch eine Stirnseite der Führungsschiene eingekoppelt (nicht explizit gezeichnet) .
Die Figur 2 wie auch die folgende Figur 3 zeigen einen Schnitt durch den Steg 1B der Führungsschiene 1 von oben be- trachtet. Die Innenseiten 41, 43, zwischen denen die Refle- xionen der eingekoppelten Ultraschallwelle 40 stattfinden, sind also insbesondere eine vordere Innenseite 41 und eine rückwärtige Innenseite 43.
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung in der zweiten Ausführungsform. Sie weist einen Sende- und Empfangs- Ultraschallwandler 46 auf, mit dem sowohl eine Ultraschallwelle 40 in die Führungsschiene 1 eingekoppelt wird als auch reflektierte Anteile 49, 51 der Ultraschallwelle 40 empfangen werden. Der Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 ist über einen gekeilten Vorlaufkörper 47 an die Führungsschiene 1 akustisch angekoppelt. Das vom Sende- und Empfangs- Ultraschallwandler 46 abgestrahlte divergente Ultraschallbündel ist an der Einkoppelstelle 9 durch drei Pfeile angedeu- tet. Falls in der Führungsschiene 1 ein Defekt 48 vorliegt, werden vom Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 sowohl ein am Defekt 48 reflektierter Anteil 49 und ein an der Stirnseite 53 reflektierter Anteil 51 der Ultraschallwelle detektiert.
Im gezeichneten Beispiel wird von dem Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler ein Ultraschallimpuls ausgesendet, so daß beide genannte reflektierte Anteile 49, 51 zum Nachweis des Defekts 48 herangezogen werden können.
Der am Defekt 48 reflektierte Anteil 49 war ohne vorliegenden Defekt 48 nicht detektierbar und läßt somit unmittelbar auf einen vorliegenden Defekt schließen. In einer mit dem Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 in Verbindung stehenden Auswerteeinheit werden sowohl der Sende- als auch der Empfangszeitpunkt der eingekoppelten bzw. empfangenen Ultraschallwelle 40 bzw. 49 aufgezeichnet. Aus der Differenz dieser beiden Zeitpunkte läßt sich auf die Entfernung des Defekts 48 von dem Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 46 schließen. Je größer der am Defekt 48 reflektierte Anteil 49 ist, um so größer ist der vorliegende Defekt 48.
Die genannte Auswerteeinheit zeichnet gleichfalls den Sende- und EmpfangsZeitpunkt des an der Stirnseite 53 reflektierten Anteils 51 auf. Da die Entfernung des Sende- und Empfangs-Ul- traschallwandlers 46 von der Stirnseite 53 bekannt ist, läßt sich bei Kenntnis dieser Zeitpunkte die aktuelle und genaue Schallgeschwindigkeit ermitteln, welche beispielsweise von der Umgebungstemperatur abhängt. Die Signalintensität des an der Stirnseite 53 reflektierten Anteils 51 wird ebenfalls zur Defektüberwachung herangezogen. Falls die Signalhöhe aus dem an der Stirnseite 53 reflektierten Anteil 51 gegen Null tendiert, kann daraus geschlossen werden, daß der Defekt 48 als vollständige Unterbrechung der Führungsschiene 1 vorliegt.
In den Figuren 4 bis 7 sind vier Beispiele eines Überwachungssystems, jeweils bestehend aus mehreren Vorrichtungen nach der Erfindung, dargestellt. In diesen stark schemati- sierten Figuren ist die eingekoppelte Ultraschallwelle 40 der Übersichtlichkeit halber ohne detaillierte Darstellung der Zick-Zack-Reflexionen als einfacher Pfeil in Propagationsrichtung 42 dargestellt. Nicht explizit gezeichnet sind elektrische Verbindungsleitungen zu bzw. von den einzelnen Ultra- schallwandlern.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Überwachungssystem sind jeweils ein Sende-Ultraschallwandler 60 und ein Empfangs-Ultraschallwandler 62 im wesentlichen unmittelbar benachbart an insgesamt fünf Stellen entlang der Führungsschiene angebracht. Diese jeweils paarweise Anordnung eines Sende-Ultra- schallwandlers 60 mit einem Empfangs-Ultraschallwandler 62 entspricht vom Prinzip her dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Der Schienenabschnitt zwischen je einem Sende-Ultraschallwandler 60 und je einem Empfangs-Ultra- schallwandler 62 wird im Transmissionsmodus durch die diesen Streckenabschnitt durchschallende Ultraschallwelle 40 auf Defekte hin überwacht.
Bezeichnet man mit S einen Ultraschallsender und mit E einen Empfänger, so ergibt sich bei dem in Figur 4 dargestellten Beispiel die Folge ...-E/S-E/S-E/S- ... , wobei ein „-* einen Schienenabschnitt symbolisiert.
Bei dem in Figur 5 gezeichneten Überwachungssystem sind die jeweils unmittelbar benachbarten gesondert zum Senden und zum Empfangen vorhandenen Ultraschallwandler 60, 62 der Figur 4 zu einem gemeinsamen Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 64 (ES) zusammengefaßt. Es ergibt sich die Folge ...ES- ES-ES-.... Dieses Überwachungssystem arbeitet gleichfalls im Transmissionsmodus .
Dagegen arbeitet das in Figur 6 dargestellte Überwachungssystem im Reflexionsmodus. Mehrere, im gezeichneten Beispiel insgesamt fünf, Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 66 koppeln je eine Ultraschallwelle 40 in die Führungsschiene ein und empfangen aus dem Schienenabschnitt, in den diese Ultraschallwelle 40 eingekoppelt wurde, einen gegebenenfalls an einem Defekt reflektierten Anteil 49 und/oder einen an einer Stirnseite oder an einem sonstigen baulichen Reflektor der
Führungsschiene reflektierten Anteil 51 der Ultraschallwelle. Es ergibt sich die Wandlerfolge ...ES-ES-ES ....
Die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele sind auch kombinierbar. Das bedeutet, daß ein zwischen zwei Sende- und Empfangs-Ultraschallwandlern gebildeter Schienenabschnitt sowohl im Transmissionsmodus als auch im Reflexionsmodus überwacht wird. Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Überwachungssystems sind im Gegensatz zu dem in Figur 4 dargestellten Beispiel nicht ein Empfangs- und ein Sende-Ultraschallwandler von benachbarten Schienenabschnitten in unmit- telbarer Nähe angeordnet. Vielmehr sind bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils die Sende-Ultraschallwandler 60A, 60B von benachbarten Schienenabschnitten und die Empfangs-Ultraschallwandler 62A, 62B von anderen benachbarten Schienenabschnitten im wesentlichen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Im gezeichneten Beispiel bedeutet dies, daß die in unterschiedliche Schienenabschnitte eingekoppelten Ultraschallwellen 40 in benachbarten Schienenabschnitten in entgegengesetzter Richtung propagieren. Die Wandlerfolge lautet ...-S/S-E/E-S/S-E/E-S/S-

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Nachweis eines Defektes (48) einer Führungsschiene (1), insbesondere einer Eisenbahnschiene, wobei eine Ultraschallwelle (40) an einer Einkoppelstelle (9) mit einer Komponente in einer zur Führungsschiene (1) parallelen Propagationsrichtung in die Führungsschiene (1) eingekoppelt und nach wenigstens zwei Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) an einer Empfangsstelle (10) detektiert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Frequenz der eingekoppelten Ultraschallwelle (40) kleiner als 100 kHz ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Empfangsstelle (10) von der Einkoppelstelle (9) entfernt ist und daß zur Überwachung des Schienenabschnitts (2A) zwischen der Empfangsstelle (10) und der Einkoppelstelle (9) ein die Füh- rungsschiene (1) in Propagationsrichtung durchschallender Anteil (45) der eingekoppelten Ultraschallwelle (40) an der Empfangsstelle (10) detektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an der Empfangsstelle (10) zur Überwachung eines an den Schienenabschnitt (2A) anschließenden Schienenabschnitts (2B) eine weitere Ultraschallwelle in die Führungsschiene (1) eingekoppelt oder aus dieser empfangen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Empfangsstelle (10) im wesentlichen mit der Einkoppelstelle (9) identisch ist und ein an dem Defekt (48) reflektierter Anteil (49) und/ oder ein an einem baulich bedingten Reflektor, insbesondere an einer Stirnseite (53) der Führungsschiene (1), reflektierter Anteil (51) der eingekoppelten Ultraschallwelle (40) an der Einkoppelstelle (9) detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei einem Abweichen eines durch die detektierte Ultraschallwelle bewirkten Detektorsignals von einem bekannten, ohne vorliegenden Defekt (48) erfaßten Detektorsignal auf das Vorliegen eines Defektes (48) geschlossen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein von der detektierten Ultraschallwelle bewirktes Detektorsignal zeitgesteuert verstärkt wird.
7. Vorrichtung zum Nachweis eines Defektes (48) einer Führungsschiene (1), insbesondere einer Eisenbahnschiene, bevorzugt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7 bis 9, mit a) wenigstens einem stationär an der Führungsschiene (1) ankoppelbaren Sende-Ultraschallwandler (3, 5) , mit dem eine Ultraschallwelle (40) in die Führungsschiene (1) einkoppel- bar ist, und mit b) wenigstens einem davon beabstandeten, stationär an der Führungsschiene (1) ankoppelbaren Empfangs-Ultraschallwandler (7, 8) zur Detektion der eingekoppelten Ultraschallwelle (40), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Sende- Ultraschallwandler (3, 5) und der Empfangs-Ultraschallwandler (7, 8) bei einer Frequenz von weniger als 100 kHz betreibbar sind.
8. Überwachungssystem für eine Führungsschiene (1), insbesondere eine Eisenbahnschiene, mit wenigstens zwei zur Überwa- chung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Führungsschiene (1) in Reihe anbringbaren Vorrichtungen (60, 62; 64) nach Anspruch 7.
9. Überwachungssystem nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Sende- Ultraschallwandler (5; 60) einer der Vorrichtungen im wesentlichen in unmittelbarer Nähe zu dem Empfangs-Ultraschallwand- 1er (7; 62) der benachbarten Vorrichtung anbringbar ist.
10. Überwachungssystem nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Sende- Ultraschallwandler (60A) einer der Vorrichtungen im wesentli- chen in unmittelbarer Nähe zu dem Sende-Ultraschallwandler (60B) der benachbarten Vorrichtung anbringbar ist.
11. Überwachungssyste nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Sende- Ultraschallwandler (64) einer der Vorrichtungen als der Empfangs-Ultraschallwandler (64) der benachbarten Vorrichtung betreibbar ist.
12. Vorrichtung zum Nachweis eines Defektes (48) einer Füh- rungsschiene (1) , insbesondere einer Eisenbahnschiene, bevorzugt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h wenigstens einen stationär an der Führungsschiene (1) ankop- pelbaren Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler (46; 66), mit dem eine Ultraschallwelle (40) in die Führungsschiene (1) einkoppelbar und im wesentlichen nach einer Mehrzahl von Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten (41, 43) der Schienenoberfläche (39) sowie nach einer Reflexion an dem Defekt (48) und/oder an einem baulich bedingten Reflektor de- tektierbar ist.
13. Überwachungssystem für eine Führungsschiene (1), insbesondere eine Eisenbahnschiene, mit wenigstens zwei zur Über- wachung verschiedener Schienenabschnitte entlang der Führungsschiene in Reihe anbringbaren Vorrichtungen (66) nach Anspruch 12.
14. Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 13, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine mit dem zur De- tektion der eingestrahlten Ultraschallwelle (40) vorgesehenen Ultraschallwandler (7, 8; 62; 64; 66) in Verbindung stehende Auswerteeinheit (20) zur Interpretation des Ausgangssignals dieses Ultraschallwandlers (7, 8; 62; 64; 66) .
15. ÜberwachungsSystem nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswerteeinheit (20) mit einem Kommunikationsnetz (24) in Verbindung steht.
16. Überwachungssystem nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswerteeinheit (20) mit einer Leitzentrale (25) in Verbindung steht.
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