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Verfahren zum Messen der Spurweite eines Gleises mittels Ultraschall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum kontinuierlichen Messen
der Spurweite eines Gleises von einem Fahrzeug aus sowie zum Untersuchen der Laufeigenschaften
des ungefederten Teils von Schienenfahrzeugen mittels Ultraschall nach dem Impuls-Laufzeitverfahren.
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Zum kontinuierlichen Messen der Spurweite eines Gleises von einem
Fahrzeug aus sind mechanische Taster bekannt, die an den Fahrkanten der Schienen
entlanggleiten oder -rollen und deren Abstand voneinander ein unmittelbares Maß
für die Spurweite ist.
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Diesem Verfahren haften als Nachteile die Trägheit der Taster und
ihr Verschleiß an.
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Diese Nachteile können erfindungsgemäß dadurch vollständig beseitigt
werden, daß zwei um einen verbindlich festgesetzten Winkel gegen die den beiden
Schienenlaufflächen gemeinsame Tangente geneigte, in einem festen Abstand voneinander
an einem ungefederten Teil des Fahrzeugs angebrachte Ultraschallwandler der Fahrkanten
der Schienen an zwei gegenüberliegende Stellen anstrahlen und die Summe der in bekannter
Weise gemessenen Laufzeiten zwischen Ultraschallwandler, Fahrkante und zurück zum
Messen und Registrieren der Spurweite ausgenutzt wird.
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Die Anwendung des Ultraschallimpuls.Laufzeit verfahrens bei der Gleisuntersuchung
ist bereits bekannt. So werden fehlerhafte Werkstofftrennungen innerhalb der Eisenbahnschienen
durch die Reflexion von Ultraschallimpulsen festgestellt und Besonderheiten an der
Schiene oder an deren Befestigungsmitteln, die für die Beurteilung von Schienenfehlern
oder zu deren Lagebestimmung wichtig sind, mit Ultraschallimpulsen, die sich in
Luft ausbreiten, erfaßt. Auch eine Einrichtung, die zum fortlaufenden Registrieren
von solchen mit Ultraschall gefundenen Schienenfehlern dient, ist bereits bekannt.
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Bei der Anwendung des Ultraschall-Impulslaufzeitverfahrens zum Messen
der Spurweite gemäß der Erfindung ist die Summe der beiden Abstände, die von eventuellen
Querbewegungen des Fahrzeugs und damit der beiden Ultraschallwandler relativ zum
Gleis nicht mehr abhängig ist, ein Maß für die Spurweite, wenn diese in folgender
Weise neu definiert wird: Die Spurweite I (vgl. Fig. la) eines Gleises ist das lichte
Maß a zwischen den Schienenköpfen, gemessen als Abstand zwischen denjenigen Punkten
der Fahrkanten, in denen zwei Geraden, die in einer Ebene senkrecht zur Gleisachse
liegen und die um verbindlich festgesetzte und gleiche Winkel a gegen eine beiden
Schienenfahrflächen gemeinsame Tangente geneigt sind, die Schienenfahrkanten berühren,
vermindert um den Wert 2 r (1 - sin pos). Dabei ist r der
Schienenkopf-Ausrundungshalbmesser
an der Fahrkante. Das führt zu der Formel für die Spurweite: I = a-2r(l - sin or)
.
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Die Messung nach dieser Definition ergibt bei neuen und bei--normal
abgenutzten Fahrkanten denselben Zahlenwert wie nach der üblichen Definition der
Spurweite als kleinstem Abstand der Innenfiächen der Schienenköpfe innerhalb des
Bereichs der Schienenoberkante bis 14 mm darunter.
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Bei Messungen an Schienen mit vergrateten oder überwalzten Fahrkanten
ergibt sich nach der neu eingeführten Definition sogar ein Spurweitenwert, der besser
der Führung des Spurkranzes entspricht. Der neue und normal abgenutzte Spurkranz
wird tatsächlich am Punkt des kleinsten Ausrundungshalbmessers der Fahrkante geführt.
Der Winkel u: liegt entsprechend der Form der Spurkranzwurzel richtig zwischen 10
und 70". Aus meßtechnischen Gründen kann bei der Messung nach dem Verfahren gemäß
der Erfindung ein Winkel a = 45" gewählt werden.
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Bei handelsüblichen Gleisen beträgt der Ausrundungshalbmesser an
der Fahrkante neuer Schienen r = 13 mm. Mit o; a 45" ergibt sich die Spurweite nach
der erwähnten Definition zu 1= a-213(1 (1sin 45°) = am7,618 mm.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung
kann die nur auf einer Fahrzeugseite nach dem Impuls-Laufzeitverfahren gemessene
Ultraschall-Laufzeit zum Messen und Registrieren der Querverschiebungen des ungefederten
Fahrzeugteils im Gleis ausgenutzt werden. Mit diesen Meßergebnissen können die Laufeigenschaften
von
Drehgestellen u. dgl. der Schienenfahrzeuge beurteilt werden.
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Als Ultraschallwandler können z. B. in bekannter Weise Bariumtitanatkristalle
verwendet werden. Die Wandler arbeiten in üblicher Weise abwechselnd als Sender
und Empfänger, so daß sie die Echos der von ihnen abgestrahlten Impulse selbst wieder
aufnehmen. Die Anzeigen können auf dem Schirm bild eines Oszillographen beobachtet
werden; die Registrierung ist durch Photographieren eines helligkeitsmodulierten
Kathodenstrahlröhren-Schirmbildes oder auch mit Hilfe von Direktschreibern möglich.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von F i g. 1 bis
4 erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch die Lage eines Ultraschallwandlers relativ
zur Schiene; F i g. la soll die verwendete Definition der Spurweite erläutern; F
i g. 2 enthält eine schematische Darstellung der gegenüberliegenden zwei Ultraschallwandler;
F i g. 3 gibt als Blockschaltbild die prinzipielle Aufbaumöglichkeit einer mit Direktschreiber
versehenen Gesamtapparatur wieder, mit der außer der Spurweite auch Querbewegungen
des Fahrzeuges im Gleis gemessen werden können; F i g. 4a bis 4f enthalten die Darstellung
der in der Apparatur erzeugten und umgewandelten elektrischen Spannungen als Funktion
der Zeit.
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Ein beispielsweise elektrostatischer oder piezoelektrischer Ultraschallwandler
W1 (Fig. I) strahlt von der Fläche F1 aus Ultraschallimpulse gegen die Fahrkante
der Schiene. Die Fläche F1 ist um den Winkel o; = 45" gegen die Horizontale geneigt.
Eine in der Zeichenebene parallel zur Fläche F1 liegende Gerade berührt die Schienenfahrkante
am Umrißpunkt A1, der definitionsgemäß ein Bezugspunkt für die Spurweite ist. Nur
bei diesem Umrißpunkt Al treffen die senkrecht von der Fläche F1 abgestrahlten Ultraschallwellen
auch senkrecht auf die Schiene und werden nur von hier wieder senkrecht auf die
Fläche Fl zurückgeworfen, wo sie im Punkt C1 auftreffen. Der zugehörige Schallweg
s1 entspricht also unmittelbar dem kürzesten Abstand zwischen der Fläche F, und
der Schiene. Außerdem erzeugt ein zwischen den Punkten C1 und A1 hin- und zurückgelaufener
Impuls ein größeres Echo als alle auf irgendeinem anderen Wege gelaufenen Impulse,
weil die Fläche F1 groß gegen die Schallwellenlänge ist; gerade der Schallweg s1
ist also leicht meßbar. Die Verbindungslinie zwischen den beiden Bezugspunkten A1
und As der Spurweite (F i g. 2) schneidet die Fläche F1 im Punkt B1. Der Abstand
AXB, = a1 läßt sich nun durch Messung des Schallweges sl wegen der Beziehung al
= .~1 = sm a 81 Y 2 unmittelbar angeben.
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Bringt man zwei Wandler W1 und W2 entsprechend F i g. 2 in einem
festen Abstand aO voneinander an einem ungefederten Teil des Fahrzeuges an, so daß
also das Wandlerpaar seine Höhenlage relativ zur Schiene nicht ändern kann und damit
auch der Abstand B1B2 = aO konstant bleibt, dann ist das lichte Maß a wegen der
Beziehung a = aO + al + a2 = aO + (sl + s)ll2 2 leicht bestimmbar durch Messen der
Schallwege s
und s2. Da diese Beziehung von eventuellen Querverschiebungen des Wandlerpaares
relativ zum Gleis unabhängig ist, kann beim selbsttätigen Summieren der Schallwege
sl und sO in der Apparatur auch die Registrierung von solchen Querverschiebungen
,mabhängig gemacht werden. Andererseits können durch zusätzliche Registrierung der
einzelnen Schallwege s, und 82 derartige Querverschiebungen des ungefederten Fahrzeugteils
(z. B. der Sinuslauf im Gleis) mitgemessen werden.
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Tatsächlich läßt sich die Messung noch durch eine vorherige Eichung
vereinfachen, indem bei einem Gleis mit neuen oder wenig abgefahrenen Schienenfahrkanten
die Spurweite I mit einem Handspurmaß an einer bestimmten Meßstelle z. B. mit l
= 1446,0 mm gemessen wird. Dann ergibt sich bei einer anschließenden Messung nach
dem Verfahren gemäß der Erfindung an derselben Meßstelle a = + + 2 r (1 - sin α)
und aO = a - e, + s2) d2 , also aO = 1446,0 + 7,6 - (s, + 82) 2; z. B. wird mit
sl = 120,0 mm und s2 = 130,0 mm aO= = 1453,6 - 250,0 1/2 = 1100,0mm, Günstig ist
dieser Weg vor allem dann, wenn aO nicht unmittelbar am Meßfahrzeug gemessen werden
kann.
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Daraus folgt 1 1100+ 2 1/ (8i + 82).
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Beim selbsttätigen Summieren von sl und s2 und entsprechendem Maßstab
kann I sofort abgelesen und bei Stillstand des Meßfahrzeugs mit dem Handspurmaß
nachgeprüft werden.
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An Hand des Blockschaltbildes in F i g. 3 sei ein Ausführungsbeispiel
einer Apparatur zum Beobachten von Spurweite und Querbewegung des Fahrzeuges im
Gleis sowie zum Registrieren dieser Größen mit Direktschreibern näher beschrieben.
Ein Impalsgenerator G1 liefert bei geschlossenem Schalter S1 die Sendeimpulse für
den Ultraschallwandler W1 mit einer festen, von den übrigen Teilen der Apparatur
unab hängigen Impulsfolgefrequenz (Impulse 1"; F i g. 4a).
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Die von dem Ultraschallwandler W1 aufgenommenen Echos von der Schienenfahrkante
(Impulse le; Fig. 4a) gelangen zum Empfangsverstärker V1. Ein zweiter Impulsgenerator
G2 wird bei geschlossenem Schalter S2 von dem Empfangsverstärker V1 über eine Torstufe
T1 so gesteuert, daß gleichzeitig mit dem Emp fang eines Echos bei dem Wandler W1
der Wandler W2 mit einem Sendeimpuls (Impulse SJ; F i g. 4b) versorgt wird. Die
Torstute T1 verhindert dabei, daß der Generator G2 unmittelbar von den Sendeimpulsen
des Wandlers W1 gesteuert wird. Die von dem Wandler W2 aufgenommenen Echos von der
Fahrkante der gegenüberliegenden Schiene (Impulse 2e, Fig. 4b) gelangen zum Empfangsverstärker
V2. Mit der Steuerung des Impulsgenerators G2 durch den Empfangsverstärker V1 wird
also erreicht, daß die Lage der Impulse ls und 2e auf der Abszisse von F i g. 4a
und 4b und somit der jeweilige zeitliche Abstand zwischen diesen Impulsen nur von
der Summe der gemessenen Laufzeiten und damit von der Spurweite abhängt, nicht aber
von der Querlage des Wandlerpaares
im Gleis, die lediglich die
Stellung der Impulse 1 e und 2s auf der Abszisse mitbestimmt.
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Zum Registrieren der Spurweitenmessung wird ein bistabiler Multivibrator
R1, der Rechteckimpulse von konstanter Höhe erzeugt, von dem Impulsgenerator G1
und dem Empfangsverstärker V2 so gesteuert, daß die Breite der entstehenden Rechteckimpulse
(Fig. 4 c) durch den zeitlichen Abstand zwischen je zwei zusammengehörigen Impulsen
1 und 2e, also durch die Laufzeitsumme und damit durch die Spurweite bestimmt wird.
In einem Integrierglied J1 wird der Mittelwert der Rechteckimpulse über einen passend
gewählten Zeitraum gebildet. Dieser Mittelwert gelangt über ein Einstellglied P1
zum Schreiber Sch, dessen Anzeige (Fig. 4d) mit Hilfe des Einstellgliedes P1, wie
unten beschrieben, unmittelbar in mm Spurweite« geeicht werden kann.
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Ein von dem Impulsgenerator G1 und dem Empfangsverstärker V1 gesteuerter
bistabiler Multivibrator R2 liefert Rechteckimpulse, deren Breite (F i g. 4e) nur
von der mit dem Wandler W1 gemessenen Laufzeit, also von etwaigen Querbewegungen
des Fahrzeuges im Gleis abhängig ist. Analog der Spurweitenregistrierung werden
diese Querbewegungen über das Integrierglied J2 und das Einstellglied P2 auf einem
zweiten Kanal des Schreibers Sch registriert (F i g. 4f).
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Eine unmittelbare Beobachtung der Sende- und Empfangsimpulse ist
auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre 0 möglich. Die an den waagerechten
Ablenkplatten liegende Zeitablenkung Z mit einstellbarer Ablenkgeschwindigkeit wird
vom Generator G1 synchronisiert. Die vertikalen Ablenkplatten sind mit dem Ausgang
eines elektronischen Schalters E verbunden, an dessen einen Eingang der Generator
G1 und der Empfangsverstärker V1 angeschlossen sind, so daß in üblicher Weise Sende-
und Echoimpulse des Wandlers W1 auf dem Bildschirm dargestellt werden.
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Der Generator G2 und der Empfangsverstärker K2 sind über ein Phasenumkehrglied
Ph mit dem zweiten Eingang des Schalters E verbunden, so daß auf dem Bildschirm
in der in Fig.3 angedeuteten Weise auch die Sende- und Echoimpulse des Wandlers
W2 dargestellt werden, und zwar mit umgekehrt gerichteter Ablenkung.
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Die Apparatur kann folgendermaßen geeicht werden: Das Einstellglied
für die Ablenkgeschwindigkeit an der Zeitablenkung Z der Kathodenstrahlröhre O ist
mit den Einstellgliedern P1 und Pa der zu registrierenden Schreiberspannungen so
gekuppelt (z. B. mechanisch durch mehrere Potentiometer auf einer Achse mit einem
gemeinsamen Drehknopf), daß eine Änderung der Ablenkgeschwindigkeit eine ihr proportionale
Änderung der Schreiberspannungen nach sich zieht (Maßstabseinstellung). Vor dem
Schirm der Kathodenstrahlröhre befindet sich eine der Einteilung des Schreiberpapiers
entsprechende Skala, auf der unmittelbar die verschiedenen Spurweiten angegeben
sind. Werden nun die Schalter 81 und 82 geöffnet und die Schalter Spund S4 geschlossen,
so ist an Stelle des Wandlers W1 ein Wandler W3 an den Generator G1 und dem Empfangsverstärker
V1 angeschlossen, der einen in bestimmtem Abstand von dem Wandler W3 angebrachten
Reflektor Re anstrahlt und von dort Echos empfängt. Die Rechteckimpulse im Multivibrator
R2 werden jetzt von den Sendeimpulsen und den Echos des Wandlers W3 gesteuert. Hinter
dem Schalter S4 befindet sich eine Torstufe T2, so daß die Rechteckimpulse in dem
Multivibrator R1 vom Sende-
impuls und dem ersten Echo des Wandlers W2 gebildet werden,
also genau doppelt so breit sind wie die Rechteckimpulse im Multivibrator R2 Zum
Eichen werden durch Einstellen der Zeitablenkung 7 und der Einstellglieder P1 und
P2 die beiden ersten Echos des Refiektors Re auf zwei bestimmte Werte der Spurweite
eingestellt werden (z. B. 1425 und 1465 mm).
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Diese Werte sind vom Abstand a0 zwischen den Wandlern W1 und W2 (F
i g. 2) und vom Abstand des Wandlers W3 vom ReflektorRe (Fig. 3) abhängig und können
durch geeignete Wahl dieser Größen entsprechend festgelegt werden. Dem obigen Zahlenbeispiel
entsprechend würden die Schreibstreifen am Schreiber Sch ebenfalls bei 1425 und
1465 mm stehen. Die so geeichte Apparatur wird durch Öffnen der Schalter S3 und
S4 und durch Schließen der Schalter S1 und 82 wieder betriebsbereit.
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Der Wandler W2 und der Reflektor Re befinden sich außerhalb des Fahrzeuges
im Freien, damit die durch die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit
bedingten Schwankungen der Laufzeitenmessungen beim Eichen kompensiert werden können.
Die erneut erforderliche Eichung der Anlage (wenn z. B. im Laufe eines Meßtages
Anzeigeschwankungen durch geringe Temperaturänderungen auftreten) kann auch unter
Ausnutzung eines geeigneten Elementes Th (F i g. 3) außerhalb des Fahrzeuges, das
eine temperaturabhängige elektrische Spannung erzeugt, selbsttätig kompensiert werden.
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Der Papiervorschub des Schreibers erfolgt von einer Fahrzeugachse
aus proportional der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, so daß ein konstanter Abbildungsmaßstab
erzielt wird. Mit einer Ortungstaste Or (F i g. 3) kann die Lage der Hektometersteine
durch kurze Impulse auf dem Schreiber markiert werden.
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Für den Fall einer optischen Registrierung mit Registrierkamera und
helligkeitsmoduliertem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre läßt sich gegebenenfalls
durch mehrfaches elektronisches Summieren der Laufzeiten an den beiden Schienen
die Meßgenauigkeit erhöhen.