DE1473672B2 - Anordnung zur Feststellung sowie Einstufung von Materialfehlern an Festkörpern, insbesondere Eisenbahn schienen, mittels Ultraschall - Google Patents
Anordnung zur Feststellung sowie Einstufung von Materialfehlern an Festkörpern, insbesondere Eisenbahn schienen, mittels UltraschallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Feststellung sowie Einstuf ung von Materialfehlern an oder
in aufeinanderfolgenden kurzen Längenabschnitten eines langgestreckten Festkörpers von im wesentlichen
konstanter Querschnittsform, insbesondere Eisenbahnschienen, mittels Ultraschall mit zumindest
einem einer Einstrahlungs-Längsfläche des Festkörpers zugewendeten Schallimpulsgeber, einem zugeordneten
akustischen Schallechoempfänger, dessen Richtachse mit derjenigen des Schallimpulsgebers zusammenfällt,
wobei der Schallimpulsgeber nebst dem Schallechoempfänger in fester gegenseitiger räumlicher
Anordnung gegenüber der Festkörper-Längsachse verfahrbar ist, einer dem Schallechoempfänger
nachgeordneten Anzeigeeinrichtung, die hinsichtlich ihrer Zeitbasis mit der Verfahrgeschwindigkeit des
Schallimpulsgebers sowie Schallechoempfängers gegenüber der Festkörper-Längsachse synchronisiert ist,
und einem in der Anzeigeeinrichtung enthaltenen Impulslaufzeitdiskriminator, welcher auf Echosignale
abgestimmt ist, die von Fehlstellen zwischen der Einstrahlungs-Längsfläche sowie einer von dieser in einem
gewissen Abstand befindlichen, hierzu etwa parallelen Bodenlängsfläche reflektiert werden.
Es sind bereits Anordnungen der erwähnten Art nach der deutschen Auslegeschrift 1 096 076 bekannt,
bei denen die Anzeigeeinrichtung einen synchron mit der Verfahrgeschwindigkeit vorgeschobenen Papierstreifen
umfaßt, auf dem die von dem Schallechoempfänger abgegebenen Impulse aufgezeichnet werden.
Hierbei ist indessen eine Feststellung und insbesondere Einstufung von Materialfehlern ziemlich schwierig
und erfordert große Erfahrung, vor allem dann, wenn gemäß einer besonderen Ausgestaltung dieser
bekannten Anordnung zwei im festen Längsabstand hintereinander angeordnete Wandlerbaueinheiten
vorwendet werden, von denen jede zwei Paare von Schallimpulsgebern und Schallechoempfängern, deren
Richtachsen in der vorderen Baueinheit in steilem Winkel nach vorn sowie senkrecht nach unten und
in der hinteren Baueinheit in steilem Winkel nach hinten sowie senkrecht nach unten verlaufen, und ferner
ein Paar zusätzlicher Schallimpulsgeber und Schallechoempfänger enthält, deren Richtachsen in der vorderen
Baueinheit in flachem Winkel nach hinten und in der hinteren Baueinheit in flachem Winkel nach
vorn verlaufen. In einem solchen Fall sind mindestens drei Papierstreifenspuren auszuwerten, von denen
jede nach Durchführung einer Untersuchung eine Vielfalt von unterschiedlichen Markierungen aufweist,
die durch die zusammenwirkenden Paare von Schallimpuisgebern in beiden Wandlerbaueinheiten
hervorgerufen werden.
Besonders schwierig ist bei den bekannten Anordnungen die Einstufung von in einem Winkel zur Vertikalen
verlaufenden diskontinuierlichen Brüchen (sogenannten »stotternden« Brüchen) gegenüber nicht
zu beanstandenden Diskontinuitäten (beispielsweise Bolzenlöchern am Ende von Eisenbahnschienen).
Derartige Fehlstellen, Brüche und Diskontinuitäten, welche in jedem Fall entsprechende Echosignale hervorrufen,
können nur mit sehr hohem Arbeitsaufwand von besonders geschultem Personal ausgewertet werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer demgegenüber verbesserten Anordnung, bei welcher
die Feststellung und insbesondere die Einstufung von Materialfehlern an oder in Festkörpern wesentlich
vereinfacht wird. Erreicht wird dies durch einen synchron mit dem Schallimpulsgeber getasteten mehrstufigen
rückstellbaren Längendiskriminatorzähler, weleher beim Erreichen einer bestimmten Zählstufe ein
Löschsignal an einen zugeordneten Echoimpulszähler abgibt, einen an dem Längendiskriminatorzähler vor-'
gesehenen Rückstelleingang, welcher mit den am Eingang des Echoimpulszählers auftretenden Echoimpulsen
als Rückstellsignale beaufschlagt ist, und einen dem Echoimpulszähler nachgeordneten, einen Bestandteil
der Anzeigeeinrichtung bildenden, erst bei Erreichen einer bestimmten Zählstufe des Echoimpulszählers
ansprechenden Alarmgeber.
Treten beim Arbeiten mit einer solchen Anordnung beispielsweise an einer Eisenbahnschiene in horizontalen
Abständen aufeinanderfolgend Fehlstellen auf, so verursacht jede einzelne Fehlstelle eine bestimmte
Anzeige in dem Echoimpulszähler. Jeder zwischen zwei Fehlstellen befindliche einwandfreie Materialbereich
bedingt indessen ein Ansprechen des Längendiskriminatorzählers. Ist der horizontale Abstand
zwischen zwei Fehlstellen genügend groß, so vermag der Längendiskriminatorzähler eine solche Zählstufe
zu erreichen, daß der Inhalt des Echoimpulszählers gelöscht wird. Ist der horizontale Abstand zwischen
zwei Fehlstellen indessen verhältnismäßig gering, so wird die am Ende der ersten Fehlstelle anstehende
Zählstufe des Echoimpulszählers nicht gelöscht, und der Echoimpulszähler nimmt beim Auftreten der
zweiten Fehlstelle weitere Echoimpulse auf, was schließlich zur Abgabe eines Signals an den Alarmgeber
führen kann.
Liegen also verhältnismäßig kurze Fehlstellen mit einem verhältnismäßig großen gegenseitigen horizontalen
Abstand vor, so spricht zwar der Echoimpulszähler bei jeder einzelnen Fehlstelle an, jedoch wird
durch den Längendiskriminatorzähler dafür gesorgt, daß der Echoimpulszähler beim Nichtauftreten einer
weiteren Fehlstelle innerhalb eines gewissen Abstandsintervalls seinen Zählinhalt gewissermaßen
»vergißt«, während andererseits bei verhältnismäßig kurzer Aufeinanderfolge von Fehlstellen ein »Vergessen«
des Inhaltes des Echoimpulszählers nicht auftreten kann.
Bei Anordnungen zur Feststellung sowie Einstufung von Materialfehlern an Festkörpern mittels eines
optischen Fühlers, insbesondere eines Vidikons, ist es nach der USA.-Patentschrift 3 020 033 bereits bekannt.
einen synchron mit einem Kippimpulsgeber für die Strahlablenkung des Vidikons getasteten rücksteilbaren
Längendiskriminatorzähler vorzusehen, welcher beim Erreichen einer bestimmten Zählstufe
entsprechend einem vorgegebenen durchlaufenen Längenintervall an einem zu überprüfenden Festkörper
ein Löschsignal an einen zugeordneten Fehlerzähler abgibt, wobei an dem Längendiskriminatorzähler
ein Rückstelleingang vorgesehen ist, der indessen völlig unabhängig von dem Fehlerzähler stets dann anspricht,
wenn das vorgegebene Längenintervall durchlaufen ist.
Eine solche Anordnung vermag, selbst bei Verwendung je eines Schallimpulsgebers nebst zugeordnetem
akustischen Schallechoempfänger an Stelle des optischen Fühlers bzw. Vidikons, nicht die der Erfindung
zugrunde liegende Problemstellung zu lösen, das Ansprechen des mit dem Längendiskriminatorzähler gekoppelten
Alarmgebers in jedem Fall dann herbeizuführen, wenn die »Materialfehlerdichte«, bezogen auf
eine Längeneinheit, einen vorgegebenen Wert überschreitet. Wenn beispielsweise der Fehlerzähler vermöge
entsprechender Einstellung erst beim Erreichen oder Überschreiten einer Zählstellung η den Alarmgeber
zum Ansprechen bringt, jedoch während eines Zyklus des Längendiskriminatorzählers entsprechend
dem Durchlaufen des vorgegebenen Längenintervalls lediglich m Fehlstellen auftreten, wobei m<n ist, so
■würde bei der bekannten Anordnung der Alarmgeber nicht ansprechen, selbst dann nicht, wenn bei zwei benachbarten
Längenintervallen jeweils m Fehlstellen vorliegen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
hingegen würde in einem solchen Fall allgemein der Alarmgeber betätigt, insbesondere dann, wenn die m
Fehlstellen pro Längenintervall im wesentlichen gleiche Abstände voneinander haben. Lediglich in
dem besonderen Fall, wenn zwischen der letzten Fehlstelle des ersten betrachteten Längenintervalls sowie
der ersten Fehlstelle des darauffolgenden benachbarten Längenintervalls ein verhältnismäßig großer Abstand
vorläge, würde bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine Alarmgebung verhindert. Bei der
erfindungsgemäßen Anordnung ist daher die notwendige Voraussetzung für eine Rückstellung des dem
Fehlerzähler bei der bekannten Anordnung entsprechenden Echoimpulszählers durch den Längendiskriminator,
daß zwischen zwei registrierten Fehlstellen ein gewisser Mindestabstand vorliegt. Bei der erfindungsgemäßen
Anordnung ist daher der Längendiskriminatorzähler nicht mit dem Vorschub gegenüber
dem zu untersuchenden Festkörper gekoppelt. -
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird demgemäß gerade bei schwierig auszuwertenden
Fehlstellen die Einstufung völlig selbsttätig und ohne irgendwelchen Denkaufwand ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist mit besonderem Vorteil anwendbar, wenn in an sich bekannter
Weise zwei oder mehrere Wandlerbaueinheiten in einem festen Längsabstand hintereinander angeordnet
sind, wobei jede Wandlerbaueinheit mehrere Paare von Schallimpulsgebern und Schallechoempfängern
aufweist, deren Richtachsen in verschiedenem Winkel zu dem jeweiligen Einfallslot geneigt sind.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine an sich bekannte Anordnung von zwei in festem Längsabstand hintereinander angeordneten
Wandlerbaueinheiten, von denen jede drei Paare von Schallimpulsgebern und Schallcchoempfängern aufweist,
in Anwendung zur Untersuchung einer Eisenbahnschiene in schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer in Verbindung mit Fig. 1 anwendbaren erfindungsgemäßen
Anordnung in Blockschaltbilddarstellung.
Gemäß F i g. 1 sind in einer vorderen radförmigen Baueinheit 12 Schallechoempfänger 12a, 12b, 12c
angeordnet, welche gleichzeitig auch als Schallimpulsgeber dienen. In einer hinteren radförmigen Wandlerbaueinheit
14 sind in ähnlicher Weise Schallechoempfänger 14a, 146, 14c ähnlich den Elementen 12a,
12b, 12c vorgesehen.
ίο Die Wandlerbaueinheiten 12, 14 befinden sich unter
Zugabe von schalleitender Flüssigkeit in Berührung mit einer als Einstrahlungs-Längsfläche dienenden
Lauffläche einer Eisenbahnschiene 10, die aus einem Schienenkopf 10a, einem Schienenhals 106,
sowie einem Schienenfuß 10c besteht.
Die Richtachsen der Schallechoempfänger 12 b, 14b verlaufen in einer die Schienenlängsachse umfassenden
Einfallsebene (Papierebene) parallel zu dem jeweiligen Lot auf die Schienenlängsachse und sind
mittels einer an sich bekannten (nicht veranschaulichten) Schaltungsanordnung so getastet, daß lediglich
solche Echosignale aufgenommen werden, welche durch Reflexion an der Bodenfläche des Schienenfußes
10c entstehen. Derartige Echosignale sind nachfolgend stets als »Bodenechosignale« im Unterschied
zu Echosignalen aus anderen Querschnittsbereichen der Schiene 10 bezeichnet. Der Schallechoempfänger
12a ist gegenüber der Schienenlauffläche so geneigt, daß der eingestrahlte Schall in der Schiene selbst unter
Berücksichtigung einer Brechung (vom Lot weg) einen Winkel von + 37° mit dem Lot einschließt bzw.
in steilem Winkel nach hinten verläuft. In analoger Weise ist die Richtachse des Schallechoempfängers
14a so geneigt, daß der eingestrahlte Schall mit dem Lot einen Winkel von — 37° bildet. Die Richtachse
des Schallechoempfängers 12c ist so geneigt, daß der eingestrahlte Schall unter Berücksichtigung der Brechung
(vom Lot weg) mit dem Lot einen Winkel von — 70° einschließt. In analoger Weise ist die Richtachse
des Schallechoempfängers 14c so geneigt, daß der eingestrahlte Schall mit dem Lot einen Winkel
von + 70° bildet. Der gegenseitige Abstand der Baueinheiten 12, 15 ist hierbei so gewählt, daß der
Schnittpunkt der beiden 70°-Strahlen an der Verbindungsstelle zwischen dem Schienenkopf 10a sowie
dem Schienenhals 10& liegt. Dadurch kann eine Abtrennung des Schienenkopfes 10a von dem Schienenhals
10b festgestellt werden, wenn der eingestrahlte Schall an der Bruchfläche total reflektiert wird.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist aus der bereits genannten
deutschen Auslegeschrift 1096 076 grundsätzlich bekannt und stellt daher keinen Gegenstand
der Erfindung dar.
Den Wandlerbaueinheiten 12, 14 sind gemäß Fig. 2 elektrische Baueinheiten Y_37, X70, Y+37 zugeordnet,
von denen die Baueinheiten Y_37 und Y+31
identisch aufgebaut sind, während die zusätzliche Baueinheit X70 in jeder diesen beiden Baueinheiten
identisch enthalten ist. Es ist daher der besseren Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 lediglich die Baueinheit
Y+37 r.ebst einer darin enthaltenen Baueinheit
X37 (identisch entsprechend der Baueinheit X70) in
Einzelheiten veranschaulicht. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind ferner die beiden Leitungen,
weiche das in den Baueinheiten 12, 14 erzeugte Bodenechosignal führen, durch eine besondere
Schraffierung herausgehoben.
Die Baueinheit Y~7 umfaßt gemäß Fig. 2 einen
Schallechoverstärker 40/38/42, dessen Ausgangsgröße über einen Schwellwertdiskriminator 44 an einem
Impulsverdoppler 28 liegt. Mittels entsprechender (nicht veranschaulichter) Bauelemente ist der
Schallechoverstärker 40/38/42 so getastet, daß lediglich solche Echosignale von begrenzter Laufzeit aufgenommen
werden, welche von Fehlstellen innerhalb der Eisenbahnschiene herrühren, wobei indessen ein
Bodenechosignal von der unteren Fläche des Schienenfußes 10 c und ein Echosignal von der Einstrahlungs-Längsfläche
auf dem Schienenkopf 10a nicht mehr durchgelassen werden. Um unter Berücksichtigung
der Höhe der Schiene bzw. des verschiedenen Abstandes der einzelnen auftretenden Fehlstellen von
dem betreffenden Schallechoempfänger 12c für eine definierte Fehlstelle stets ein Echosignal von gleicher
Amplitude ohne Rücksicht auf die in dem Material der Eisenbahnschiene 10 auftretenden Dämpfung zu
erzielen, ist dem Schallechoverstärker 40/38/42 ein Dämpfungskompensator 46 in Rückkopplungsschaltung
zugeordnet. Dadurch werden Echoimpulse von Fehlstellen nahe dem Schienenfuß 10c höher verstärkt
als solche, die von einer Fehlstelle beispielsweise in dem Schienenkopf 10a ausgehen.
Der Ausgang des Schwellwertdiskriminators 44 liegt an dem Eingang eines Echoimpulszählers 66 sowie
ferner einem Rückstelleingang eines Längendiskriminatorzählers 60. Der Ausgang des Echoimpulszählers
66 ist mit einem einen Bestandteil eines Alarmgebers bildenden Anzeigezähler 84 verbunden,
der lediglich dann anspricht, wenn der Echoimpulszähler 66 eine bestimmte eingestellte Zählstufe erreicht
hat.
Von einem (nicht veranschaulichten) mit der Winkelgeschwindigkeit der Wandlerbaueinheit 12, 14
synchronisierten Impulsgenerator werden ein Meßimpuls I und ein hierzu phasenverschobener Meßpuls
II von gleicher Form und Frequenz erzeugt. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 die Leitungen,
auf denen der Meßpuls I bzw. II auftritt, mit einer entsprechenden langen bzw. kurzen Strichelung
versehen.
In dem Impulsverdoppler28 ist eine Undstufe 287
vorgesehen, welche durch eventuell auftretende Bodenechosignale des Schallechoempfängers 12£>
und durch den Meßpuls II beaufschlagt ist. Beim Auftreten von Bodenechosignalen läßt die Undstufe 287 den
Meßpuls II zu einem Umschalter 54 durch. Ebenfalls mit dem Umschalter 54 ist die den Meßpuls I führende
Leitung verbunden. Je nach der Stellung des Umschalters 54 kann der Zähleingang des Längendiskriminatorzählers
60 entweder mit dem Meßpuls I oder mit dem Meßpuls II beaufschlagt werden. Die hierbei
erzielbaren unterschiedlichen Wirkungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind nachfolgend noch
ausführlicher erläutert.
Eine bestimmte Zählstufe des Längendiskriminatorzählers 60, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
dessen dritte Zählstufe, ist über einen Hilfsverstärker 62 mit einem Tasteingang des Echoimpulszählers 66
verbunden und vermag an diesen ein Löschsignal abzugeben. Ferner gibt der Anzeigezähler bei jedesmaligem
Ansprechen bzw. Fortschaltung um eine Zählstufe ebenfalls über den Hilfsverstärker 62 ein
Löschsignal an den Echoimpulszähler 66 ab.
Ist der Längendiskriminatorzäliler 60 bei der in
Fig. 2 veranschaulichten Einstellung des Umschalters
54durch den Meßpuls I beaufschlagt und liegt an dem Rückstelleingang dieses Zählers kein Echosignal von
dem Ausgang des Schwellwertdiskriminators 44 vor, so fängt der Längendiskriminatorzähler 60 zu laufen
an und gibt über den Hilfsverstärker 62 bei Erreichen der dritten Zählstufe ein Löschsignal an den Echoimpulszähler
60 ab, was indessen keine Wirkung hat, weil der Echoimpulszähler 66 voraussetzungsgemäß
ohnehin keine Echosignale von dem Schwellwertdiskriminator 44 erhält. Befindet sich indessen der Umschalter
54 in der anderen (in Fig. 2 nicht veranschaulichten) Stellung, so beginnt der Längendiskriminatorzähler
60 nur dann zu laufen, wenn Bodenechosignale von dem Schallechoempfänger 12b aufgenommen werden.
Ist in irgendeiner Stellung des Umschalters 54 der Längendiskriminatorzähler 60 durch den Meßpuls I
oder II beaufschlagt und liegen gleichzeitig an dem Ausgang des Schwellwertdiskriminators 44 Echoimpulse
vor, so wird der Längendiskriminatorzähler 60 gesperrt und kann nicht umlaufen. Hat hierbei der
Echoimpulszähler 66 bereits eine bestimmte Zählstufe erreicht und bleiben danach weitere Echosignale
aus, so kann jedoch der Längendiskriminatorzähler 60 bei Einstellung des Umschalters 54 gemäß Fig. 2
in jedem Fall und bei Einstellung des Umschalters 54 in die andere (nicht gezeigte) Stellung eventuell anlaufen
und nach Erreichen der dritten Zählstufe den Echoimpulszähler 66 löschen. Hat der Echoimpulszähler
66 zu diesem Zeitpunkt noch nicht seine letzte Zählstufe erreicht, so bleibt der Anzeigezähler 84 unbeeinflußt.
Andernfalls wurde der Anzeigezähler 84 bereits vorangehend um eine Zählstufe weitergeschaltet
und hatte den Echoimpulszähler über den Hilfsverstärker 62 wieder zurückgestellt.
Innerhalb des Impulsverdopplers 28 ist eine Nandstuf e 288 an einem Tasteingang mit den Bodenechosignalen
des Schallechoempfängers 12i> und an einem Signaleingang mit solchen Echosignalen beaufschlagt,
die einen Schwellwertdiskriminator 291 von verhältnismäßig hoch eingestelltem Schwellwert durchlaufen
haben. An dem Ausgang der Nandstufe 288, der an einem Eingang einer Undstufe 289 liegt, tritt lediglich
dann ein Signal auf, wenn keine Bodenechosignale von dem Schallechoempfänger 12 b vorliegen. An einem
weiteren Signaleingang der Undstufe 289 liegt der Meßpuls II.
Tritt an dem Ausgang des Schwellwertdiskriminators 44 ein Echosignal von verhältnismäßig sehr hoher
Amplitude auf und bleibt gleichzeitig das Bodenechosignal von'dem Schallechoempfänger 12b aus, so wird
in zeitlicher Verzögerung zu dem Auftreten jedes Echosignals mit einer gewissen Phasenverschiebung
ein weiterer Schaltimpuls des Meßpulses II über die Undstufe 289 an den Echoimpulszähler 66 abgegeben,
so daß der letztere für jedes starke Echosignal zwei Zählstufen weiterläuft. Dadurch wird erreicht,
daß in dem besonders kritischen Fall des Auftretens starker Echosignale bei gleichzeitigem Ausbleiben der
Bodenechosignale der Echoimpulszähler 66 verhältnismäßig schnell umläuft und schon bei einer Fehlstelle
von verhältnismäßig sehr geringer Länge ein Signal an den Anzeigezähler 84 weitergibt.
Um zu erreichen, daß ohne Rücksicht auf Umgebungseinflüsse und/oder besondere Materialeigenschäften
der zu untersuchenden Eisenbahnschienen die Schwellwertdiskriminatoren 44. 291 in richtiger
Weise ansprechen, ist dem Schallechoverstärker 40/ 38/42 ein Verstärkungsnachstellglied 30/48 zugeord-
309 544/142
net, welches indessen lediglich dann wirksam ist, wenn eine Eisenbahnschiene 10 von völlig einwandfreier
Materialbeschaffenheit abgetastet wird. Zu diesem Zweck ist die höchste Zählstufe des Längendiskriminatorzählers
60 mit einem Tasteingang des Verstärkungsnachstellgliedes 30/48 verbunden, so daß dieses
lediglich auf der Grundlage von Eisenbahnschienen einwandfreier Materialbeschaffenheit den Schallechoverstärker
40/38/42 richtig einstellt, während beim Auftreten irgendwelcher Fehlstellen in einer
Eisenbahnschiene eine Verstärkungsnachstellung so lange aufgeschoben wird, bis wieder eine einwandfreie
Eisenbahnschiene abgetastet wird.
Bei der Abtastung von Eisenbahnschienen können in Verbindung mit der Baueinheit Y+37 im wesentlichen
folgende Fälle auftreten
A) Schiene mit einwandfreier Materialbeschaffenheit
Es treten nur Bodenechosignale an dem Schallechoempfänger 12b auf, nicht jedoch Echosignale an
dem Schallechoempfanger 12a. Ohne Rücksicht auf
die jeweilige Stellung des Umschalters 54 läuft der Längendiskriminatorzähler 60 um, beeinflußt indessen
nicht den Echoimpulszähler 66, da sich dieser wegen des Fehlens von Echosignalen ohnehin in der
Zählstufe 0 befindet. Jedoch wird, da der Längendiskriminatorzähler 60 schnell hohe Zählstufen erreicht,
das Verstärkungsnachstellglied 40, 48 getastet, so daß eine Nachjustierung der Verstärkung des Schallechoverstärkers
40/38/42 stattfindet.
B) Vorliegen kleiner Fehlstellen
Wenn in der Eisenbahnschiene 10 kleine Fehlstellen vorliegen, welche sich indessen nicht über die volle
Querschnittsbreite erstrecken, tritt nach wie vor an dem Schallechoempfänger 12έ>
ein Bodenechosignal auf, so daß ohne Rücksicht auf die Einstellung des Umschalters 54 ein Eingangssignal an den Längendiskriminatorzähler
60 gelangt. Beim erstmaligen Auftreten eines Echosignals an dem Schallechoempfänger
12a als Folge des Auftretens einer kleinen Fehlstelle wird der Längendiskriminatorzähler 60 durch das
Ausgangssignal des Schwellw_ertdiskriminators 44 zurückgestellt,
während gleichzeitig der Echoimpulszähler 66 zu laufen beginnt. Da indessen die Fehlstelle
annah'fiiegemäß sehr klein und damit kurz ist, erreicht
der Echoimpulszähler 66 nur eine niedrige Zählstellung, wonach die Echoimpulse aufhören. Da gleichzeitig
jedoch nach wie vor der Längendiskriminatorzähler 60 Eingangsimpulse erhält, wird der Echoimpulszähler
bei Erreichen der dritten Zählstufe des Längendiskriminatorzählers 60 wieder gelöscht. Tritt
danach eine neue Fehlstelle auf, so wiederholen sich die Vorgänge in gleicher Weise, wobei in keinem Fall
der Echoimpulszähler 66 eine so hohe Zählstufe erreichen kann, daß ein Eingangssignal an dem Anzeigezähler
84 abgegeben wird. Demgemäß erfolgt auch im vorliegenden Fall keine Anzeige.
C) Vorliegen größerer Fehlstellen ohne Unterbrechung
des Bodenechosignals
Fehlstellen der erwähnten Art können beispielsweise durch Brüche in einer nahezu vertikalen Ebene
verursacht sein, die in Quer- oder Längsrichtung der Schiene verlaufen. Dadurch wird das Auftreten von
Bodenechosignalen nicht verhindert, und die Betriebsvorgänge in der Baueinheit Y+37 laufen analog
wie vorangehend unter B) beschrieben ab, mit der Ausnahme jedoch, daß infolge der größeren Länge
der Fehlstellen der Echoimpulszähler 66 beim jedesmaligen Ansprechen auf eine so hohe Zählstufe gebracht
wird, daß der Anzeigezähler 84 einmal oder mehrmals anspricht, bevor (nach Beendigung der
Fehlstelle) eine Rückstellung des Echoimpulszählers 66 aus der gerade anstehenden Zählstufe seitens des
Längendiskriminatorzählers 60 erfolgen kann.
D) Vorliegen von Fehlstellen mit im wesentlichen senkrecht zu der Richtachse des Schallechoempfängers
12a verlaufender Reflexionsebene, welche sich im wesentlichen über den gesamten Querschnitt der
Schiene erstrecken.
Beim Vorliegen derartiger Risse oder Brüche treten zuerst sowohl ein Bodenechosignal von dem Schallechoempfänger
12b als auch ein Echosignal von dem Schallechoempfänger 12a auf. Infolgedessen beginnt
der Echoimpulszähler 66 zu zählen, während derLängendiskriminatorzähler
60 ohne Rücksicht auf die jeweilige Einstellung des Umschalters 54 blockiert bleibt. Im Verlauf der weiteren Abtastung der Fehlstelle
bleibt dann, wenn das Einfallslot auf die Reflexionsebene der Fehlstelle trifft, das Bodenechosignal
aus. Gleichzeitig haben die Echosignale, da sich die Fehlstelle im wesentlichen über die volle Querschnittsbreite
der Schiene erstreckt, eine verhältnismäßig sehr hohe Amplitude, welche zum Durchlaufen
des Schwellwertdiskriminators 291 ausreicht. Infolgedessen wird jedesmal nach dem Auftreten eines Echosignals
an dem Echoimpulszähler 66 nach kurzer Verzögerung über die Undstufe 289 ein weiterer Impuls
an den Echoimpulszähler 66 abgegeben, so daß dieser nunmehr für jedes auftretende Echosignal um zwei
Zählstufen weitergeschaltet wird. Daher wird bei derartigen gefährlichen Fehlstellen (Rissen oder Brüchen)
mit einer wesentlichen Vertikalkomponente eine Impulsverdoppelung durch den Impulsverdoppler
28 und damit ein schnelles Weiterschalten des Echoimpulszählers 66 geleistet, so daß nach Auftreten
verhältnismäßig weniger Echosignale bereits der Anzeigezähler 84 anspricht.
Wenn sich der Umschalter 54 in der Stellung nach F i g. 2 befindet, so erfolgt bei Fehlstellen (Rissen oder
Brüchen) der betrachteten Art eine schnelle Weiterschaltung des Echoimpulszählers 66 nur dann, wenn
es sich um eine ununterbrochene Fehlstelle (Riß oder Bruch) handelt. Ist die Fehlstelle (Riß oder Bruch)
indessen mehrfach unterbrochen (»stotternder« Bruch), so kann unter Umständen bei genügend großem
Abstand der einzelnen Riß- oder Bruchabschnitte der Echoimpulszähler 66 seitens des Längendiskriminatorzählers
60 zurückgestellt werden, ohne daß gegebenenfalls der Echoimpulszähler 66 eine zur
Betätigung des Anzeigezählers 84 erforderliche hohe Zählstufe erreicht hat. Im Ergebnis werden daher
auch solche unter Umständen gefährliche Risse oder Brüche nicht angezeigt, wenn sich der Umschalter in
der Stellung nach Fig. 2 befindet.
Wird indessen der Umschalter 54 so eingestellt, daß der Eingang des Längendiskriminatorzählers 60 an
dem Ausgang der Undstufe 287 liegt, so erhält man bei den vorliegend betrachteten Fehlstellen in jedem
Fall eine Anzeige an dem Anzeigezähler 84, weil beim Fehlen eines Bodenechosignals in der nunmehr angenommenen
Stellung des Umschalters 54 der Längendiskriminatorzähler 60 blockiert ist und den Echoimpulszähler
66 nicht rückzustellen bzw. zu löschen
vermag. Selbst wenn demnach Echosignale als Folge der Abtastung mehrerer im Abstand befindlicher Rißoder
Bruchabschnitte zu dem Echoimpulszähler 66 gelangen, wird dessen jeweilige Einstellung auch beim
Auftreten von kurzen dazwischen befindlichen Stellen von einwandfreier Materialbeschaffenheit nicht verändert,
so daß die aus der Gesamtabtastung aller Fehlstellenabschnitte resultierende Zählung in dem
Echoimpulszähler 66 gesammelt und an den Anzeigezähler 84 weitergegeben werden kann.
E) Vorliegen von großen, im wesentlichen in einer horizontalen Ebene verlaufenden Fehlstellen
Beim Vorliegen derartiger Fehlstellen liegt an dem Schallechoempfänger 12b kein Bodenechosignal vor.
Ferner liegt auch an dem Schallechoempfänger 12a ein Echosignal von lediglich sehr geringer Amplitude
vor, da der Hauptanteil des eingestrahlten Schalles an der Bruchfläche zur Schienenoberfläche hin totalreflektiert
wird. Bei der angenommenen Schwäche der Echosignale an dem Schallechoempfänger 12a kann
der Schwellwertdiskriminator 44 nicht durchlaufen werden, so daß der Echoimpulszähler 66 nicht betätigt
werden kann. Damit werden derartige Fehlstellen in der Baueinheit Y+37 nicht angezeigt. Jedoch kann in
diesem Fall eine Anzeige über die Schallechoempfänger 12c, 14c erfolgen.
F) Vorliegen einer Abtrennung des Schienenkopfes vom Schienenhals in einer im wesentlichen horizontalen
Ebene.
Beim Vorliegen derartiger Fehlstellen, welche einen Spezialfall des bereits abgehandelten Falles E)
darstellen, erfolgt eine Totalreflexion des Schalles an der Fehlstellenfläche zwischen dem Schienenkopf 10a
sowie dem Schienenhals lOfc, wobei die zusätzlichen Schallechoempfänger 12c, 14c Echosignale von im
wesentlichen hoher Amplitude aufnehmen. Die Bauelemente zur Auswertung derartiger Echosignale
sind nachfolgend noch näher erläutert.
Der Ausgang des Schallechoverstärkers 40/38/42 ist mit einem von drei Sigaaleingängen eines Schallecho-Summierverstärkers
86/88/50 verbunden, dessen.beide anderen Signaleingänge an den zusätzlichen
Schallechoempfängern 12c, 14c liegen.
Der Ausgang des Schallecho-Summierverstärkers 86/88/50, dessen Ausgangsgröße eine Funktion der
Summe der Ausgangssignale des Schallechoempfängers 12a sowie der zusätzlichen Schallechoempfänger
12c, 14c ist, gelangt zu der zusätzlichen Baueinheit X70, welche gleich der Baueinheit X37 aufgebaut ist.
Ein in der zusätzlichen Baueinheit X70 enthaltener
(nicht veranschaulicht) Längendiskriminatorzähler (analog dem Längendiskriminatorzähler 60) ist indessen
ausschließlich durch den Meßpuls I beaufschlagt, so daß die Wirkungsweise der Baueinheit X10 der
Wirkungsweise der Baueinheit X31 entspricht, wenn
sich der Umschalter 54 in der Stellung gemäß Fig. 2
ίο befindet. Die Wirkungsweise der beiden Baueinheiten
X70 und X37 ist im übrigen analog und daher nicht
näher erläutert.
Die Baueinheit Y_31 ist analog wie die Baueinheit
Y+31 aufgebaut, mit der einzigen Ausnahme, daß der
Ausgang eines in der Baueinheit Y_37 enthaltenen,
dem Schallechoverstärker 40/38/42 entsprechenden Schallechoverstärkers nicht mit dem Schallecho-Summierverstärker
86/88/50 verbunden ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß beim Auftreten einer Fehlstelle
gemäß dem vorangehend abgehandelten Fall F) der von der rückwärtigen Wandlerbaueinheit 14 unter einem
Winkel von — 37° schräg nach unten abgestrahlte Schall durch Totalreflexion weiter nach rückwärts
abgelenkt wird und somit nicht mehr erfaßt werden kann.
" Bei Fehlstellen der betrachteten Art (Abtrennung
des Schienenkopfes vom Schienenhals) erhält man in der Baueinheit X70 bereits dann eine Anzeige, wenn
die betreffende Fehlstelle relativ kurz ist, weil der an der Fehlstellenfläche total reflektierte Schall unmittelbar
auf die Schallechoempfänger 12c, 14c fällt und hierbei der in der Baueinheit X10 enthaltene Impulsverdoppler
(analog dem Impulsverdoppler 28) ansprechen kann. Bei anderen parallel hierzu im Schienenkopf
10a oder unterhalb desselben verlaufenden Fehlstellen (siehe vorangehend abgehandelter Fall E)
erhalten die Schallechoempfänger 12c, 14c Echosignale von mehr oder weniger reduzierter Amplitude,
so daß derartige Fehlstellen in der Baueinheit X10 wegen
fehlender Inbetriebsetzung des Impulsverdopplers geringer bewertet und nur bei größerer Länge angezeigt
werden.
Der dem Schallecho-Summierverstärker 86/88/50 nachgeschalteten Baueinheit X10 sowie den Baueinheiten
Y+37 und Y_37 ist ein gemeinsamer Alarmgeber
82 zugeordnet, welcher stets anspricht, wenn der Anzeigezähler 84 in der Baueinheit Y+37 oder der äquivalente
Anzeigezähler in der Baueinheit Y_37 oder
der Baueinheit X70 entweder allein oder gemeinsam
ansprechen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Anordnung zur Feststellung sowie Einstufung von Materialfehlern an oder in aufeinanderfolgenden
kurzen Längsabschnitten eines langgestreckten Festkörpers von im wesentlichen konstanter
Querschnittsform, insbesondere Eisenbahnschienen, mittels Ultraschall mit zumindest
einem einer Einstrahlungs-Längsfläche des Festkörpers zugewendeten Schallimpulsgeber, einem
zugeordneten akustischen Schallechoempfänger, dessen Richtachse mit derjenigen des Schallimpulsgebers
zusammenfällt, wobei der Schallimpulsgeber nebst dem Schallechoempfänger in fester
gegenseitiger räumlicher Anordnung gegenüber der Festkörper-Längsachse verfahrbar ist,
einer dem Schallechoempfänger nachgeordneten Anzeigeeinrichtung, die hinsichtlich ihrer Zeitbasis
mit der Verfahrgeschwindigkeit des Schallimpulsgebers sowie Schallechoempfängers gegenüber
der Festkörper-Längsachse synchronisiert ist, und einem in der Anzeigeeinrichtung enthaltenen
Impulslaufzeitdiskriminator, welcher auf Echosignale abgestimmt ist, die von Fehlstellen ^5
zwischen der Einstrahlungs-Längsfläche sowie einer von dieser in einem gewissen Abstand befindlichen,
hierzu parallelen Bodenlängsfläche reflektiert werden, gekennzeichne t durch einen
synchron mit dem Schallimpulsgeber getasteten mehrstufigen rückstellbaren Längendiskriminatorzähler
(60), welcher beim Erreichen einer bestimmten Zählstufe ein Löschsignal an einen zugeordneten
Echoimpulszähler (66) abgibt, einen an dem Längendiskriminatorzähler (60) vorgesehenen
Rückstelleingang, welcher mit den am Eingang des Echoimpulszählers (66) auftretenden
Echoimpulsen als Rückstellsignale beaufschlagt ist, und einen dem Echoimpulszähler (66) nachgeordneten,
einen Bestandteil der Anzeigeeinrichtung bildenden, erst bei Erreichen einer bestimmten
Zählstufe des Echoimpulszählers ansprechenden Alarmgeber.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Alarmgeber ein Anzeigezähler
(84) zugeordnet ist, welcher lediglich beim Erreichen einer bestimmten Zählstufe des Eehoimpulszählers
(66) anspricht und hierbei jeweils an den Echoimpulszähler ein Rückstellsignal abgibt.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallimpulsgeber
durch eine der Verfahrgeschwindigkeit gegenüber dem Festkörper proportionale Größe synchronisiert
ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit zwei Paaren einander fest zugeordneter
Schallimpulsgeber und Schallechoempfänger, von denen die Richtachsen des einen Paares in einer
die Festkörper-Längsachse umfassenden Einfallsebene parallel zu dem Lot auf die Festkörper-Längsachse
und diejenigen des anderen Paares in einem spitzen Winkel hierzu verlaufen, und zwei
Impulslaufzeitdiskriminatoren, von denen einer, welcher dem Schallechoempfänger mit parallel zu
dem Lot verlaufender Richtachse zugeordnet ist, auf den Empfang von Bodenechosignalen abgestimmt
ist, die von einer Bodenlängsfläche reflektiert werden, während der andere auf den Empfang
derjenigen Echosignale abgestimmt ist, die von Fehlstellen zwischen der Einstrahlungs- sowie
Bodenlängsfläche ausgehen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Längendiskriminatorzähler
(60) eine synchron mit den Schallimpulsgebern getastete Sperrstufe (Undstufe 287) vorgeordnet
ist, welche lediglich beim jeweiligen Auftreten eines Bodenechosignals ein Fortschaltsignal an den
Längendiskriminatorzähler (60) abgibt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Längendiskriminatorzähler
(60) über einen wahlweise einstellbaren Umschalter (54) unmittelbar oder über die seitens der Bodenechosignale
zu beaufschlagende Sperrstufe (Undstufe 287) mit Fortschaltsignalen zu beaufschlagen
ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
5, gekennzeichnet durch einen dem Echoimpulszähler (66) vorgeschalteten, auf Echoimpulse über
einem gegebenen Schwellwert ansprechenden Impulsvervielfacher (28), der lediglich beim Fehlen
eines Bodenechosignals zusätzlich zu jedem Echoimpuls zumindest einen weiteren Impuls an
den Eingang des Echoimpulszählers (66) abgibt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, gekennzeichnet durch ein dem Schallechoempfänger (12a) bzw. einem nachgeschalteten
Schallechoverstärker (40/38/42) zugeordnetes Verstärkungsnachstellglied (30/48), das seitens
des Längendiskriminatorzählers (60) getastet und lediglich ab Erreichen einer bestimmten Zählstufe
des Längendiskriminatorzählers eingeschaltet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit zwei zusätzlichen Paaren einander räumlich
sowie im Längsabstand hintereinander fest angeordneter Schallimpulsgeber und Schallechoempfänger,
von denen die Richtachsen des hinteren Paares in einer die Festkörper-Längsachse umfassenden
Einfallsebene spitzwinklig, jedoch nahezu rechtwinklig zu dem Lot auf die Festkörper-Längsachse
nach vorn und diejenigen des vorderen Paares spiegelbildlich hierzu nach rückwärts
verlaufen, wobei der Schnittpunkt der eingestrahlten Schallwellen in dem Festkörper liegt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Echosignale beider zusätzlicher Schallechoempfänger (12c, 14c) an
einem Schallecho-Summierverstärker (86/88/50) liegen, dem in analoger Weise wie dem Schallechoempfänger
(12a) bzw. Schallechoverstärker (40/38/42) ein Längendiskriminatorzähler, ein Echoimpulszähler und ein Alarmgeber zugeordnet
sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallecho-Summierverstärker
(86/88/50) zusätzlich mit der Ausgangsgröße des Schallechoempfängers (12a) bzw. Schallechoverstärkers (40/38/42) beaufschlagt ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit zwei im festen Längsabstand hintereinander
angeordneten Wandlerbaueinheiten, von denen jede zwei Paare von Schallimpulsgebern und
Schallechoempfängern, deren Richtachsen in der vorderen Baueinheit in steilem Winkel nach vorn
sowie senkrecht nach unten und in der hinteren Baueinheit in steilem Winkel nach hinten sowie
senkrecht nach unten verlaufen, und ferner ein Paar zusätzlicher Schallimpulsgeber und Schall-
echoempf anger aufweist, deren Richtachsen in der vorderen Baueinheit in flachem Winkel nach hinten
und in der hinteren Baueinheit in flachem Winkel nach vorn verlaufen, dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Paar von Schallechoempfängern (12b, 14b; 12a, 14a) jeder Baueinheit (12,
14) und den beiden zusätzlichen Schallechoempfängern (12c, 14c) zumindest je ein Längendiskriminatorzähler
sowie ein Echoimpulszähler und allen drei Paaren ein gemeinsamer oder zusätzlicher
Alarmgeber (82) zugeordnet ist.
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