DE1473672C3 - Anordnung zur Feststellung sowie Einstufung von Materialfehlern an Festkörpern, insbesondere Eisenbahnschienen, mittels Ultraschall - Google Patents

Anordnung zur Feststellung sowie Einstufung von Materialfehlern an Festkörpern, insbesondere Eisenbahnschienen, mittels Ultraschall

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Feststellung sowie Einstufung 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 verwendet 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 Schallimpulsgebern in beiden Wandlerbaueinheiten hervorgerufen werden.
Besonders schwierig ist bei den bekannten Anordnungen die Einstufung von in einem Winkel zur Vertikalen verlaufenden diskontinuierlichen Brüchen (sogenannten »stotternfien« 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< η 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 Schallechoempfängern 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 Fig. 1 sind in einer vorderen radförmigen Baueinheit 12 Schallechoempfänger 12a, 12b, 12c angeordnet, weiche gleichzeitig auch als Schallimpulsgeber dienen. In einer hinteren radförmigen Wandlerbaueinheit 14 sind in ähnlicher Weise Schallechoempfänger 14a, 14b, 14c ähnlich den Elementen 12a, 126, 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 12fo, 14 & 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 10b 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 1 096 076 grundsätzlich bekannt und stellt daher keinen Gegenstand der Erfindung dar.
Den Wandlerbaueinheiten 12, 14 sind gemäß Fig. 2 elektrische Baueinheiten Y_37, Xn, Y+37 zugeordnet, von denen die Baueinheiten Y_37 und Y+37 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^ ,7 nebst 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 V,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 10c und ein Echosignal von der Einstrah-Iungs-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 b 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 Echoimpulszählcr 66 ab.
Ist der Längendiskriminatorzähler 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 Nandstufe 288 an einem Tasteingang mit den Bodenechosignalen des Schallechoempfängers 12b 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 12b 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 Schallechoempf anger 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-
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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+31 im wesentlichen folgende Fälle auftreten
A) Schiene mit einwandfreier Materialbeschaffenheit
Es treten nur Bodenechosignale an dem Schallechoempfänger 126 auf, nicht jedoch Echosignale an dem Schallechoempfanger 12α. 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 126 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 Schwellwertdiskriminators 44 zurückgestellt, während gleichzeitig der Echoimpulszähler 66 zu laufen beginnt. Da indessen die Fehlstelle annaKmegemäß 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+31 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 126 als auch ein Echosignal von dem Schallechoempfänger 12a auf. Infolgedessen beginnt der Echoimpulszähler 66 zu zählen, während der Längendiskriminatorzähler 60 ohne Rücksicht auf die jeweilige Einstellung des Umschalters 54 blockiert bleibt. Im Verlauf der weiteren Abtastung der Fehl-. stelle 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 10b, 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 Sigqaleingängen 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 X10, 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 X70 der Wirkungsweise der Baueinheit X37 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_37 ist analog wie die Baueinheit Y+37 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 X70 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 X70 wegen fehlender Inbetriebsetzung des Impulsverdopplers geringer bewertet und nur bei größerer Länge angezeigt werden.
Der dem Schallecho-Summierverstärker 86/88/50 nachgeschalteten Baueinheit X70 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)

Patentansprüche:
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 zwischen der Einstrahlungs-Längsfläche sowie einer von dieser in einem gewissen Abstand befindlichen, hierzu parallelen Bodenlängsfläche reflektiert werden, gekennzeichnet 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 EGhoimpulszählers (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 Fortschaltsignaien 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 Schallimpulsgebcr und Schall-
echoempfänger 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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