Bahnschienen müssen regelmäßig inspiziert werden, um Defekte zu finden und zu beheben. Es gibt verschiedene Methoden für die Schienenüberprüfung. Die Kombination aus Ultraschall-Diagnose und visueller Inspektion ist besonders effektiv. In einem modernen Prüfsystem übernehmen Basler Scout GigE-Flächenkameras erfolgreich den visuellen Teil der Schieneninspektion und die Darstellung von Defekten.

Die regelmäßige Inspektion von Schienen ist entscheidend für die Sicherheit im Schienenverkehr. Unter einer Vielzahl von Inspektionsverfahren, die den Eisenbahngesellschaften heutzutage zur Auswahl stehen, ist die Ultraschallprüfung besonders attraktiv. Sie ist zerstörungsfrei, berührungslos, kostengünstig, relativ einfach auszuführen und dabei sehr genau. Bei der Ultraschallprüfung sendet eine Ultraschall-Sonde stoßweise Schallwellen jenseits des wahrnehmbaren Bereichs mit Frequenzen zwischen 1 und 10 MHz aus. Diese Wellen pflanzen sich bis tief ins Material der Schiene fort. Innerhalb der Schiene reflektiert jede Unstetigkeit die Schallwellen zurück zur Sonde. Der von der Sonde wieder aufgenommene reflektierte Schall ist das Echo. Seine Ankunftszeit ist ein Maß für den Abstand zwischen der Sonde und der Unstetigkeit. Normalerweise wird ein Echo durch die Außenflächen der Schiene verursacht. Tritt das Echo jedoch später als von der vorderen und früher als von der hinteren Außenfläche auf, ist dies ein Hinweis auf eine Schwachstelle in den Schienen.

Einfache Automatisierung der Methode

Die Ultraschall-Methode ist leicht zu automatisieren. Normalerweise wird eine Kombination von Sonden eingesetzt, die Wellen aus unterschiedlichen Winkeln abgeben. Die Abfolge von Aussenden und Empfangen der Ultraschallwelle wird abschnittsweise entlang der Schiene zyklisch wiederholt. Die Messeinrichtung ist auf einem speziellen Ultraschall-Diagnose-Schienenwagen montiert, der mit hoher Geschwindigkeit über die Schienen fährt und dabei die Messzyklen der Ultraschallprüfung mit einer Wiederholrate von einigen wenigen kHz ausführt.
Das automatisierte System gewinnt in großem Maße an Aussagekraft, wenn es mit einer weiteren Testmethode kombiniert wird: mit der visuellen Überprüfung über eine digitale Kamera. Wertet man jedes stark registrierte Echo mit Hilfe eines Bildes der Schiene aus, das mit den Ultraschall-Signalen synchronisiert ist, erleichtert dies die Interpretation der Ergebnisse aus der Ultraschallprüfung.

Mechanische Herausforderungen des Schienenwagens

Einen leistungsfähigen Diagnose-Schienenwagen herzustellen, ist eine anspruchsvolle technische Herausforderung. Bei der visuellen Inspektion erreicht dieser Schienenwagen eine Geschwindigkeit von etwa 60 km/h. Um ein korrektes Bild mit einer Auflösung von 1 mm zu erzeugen, muss das Sichtfeld typischerweise auf 0,5 m eingestellt werden. Wegen der starken Vibrationen während der Fahrt werden Flächenkameras eingesetzt. Zur Beherrschung der linearen Bewegungsunschärfe wird eine sehr kurze Belichtungszeit benötigt. Der Nennwert von 60 km/h entspricht ungefähr 17 mm pro Millisekunde. Für die Zielauflösung von 1 mm muss also die Belichtungszeit auf ungefähr 50 µs begrenzt werden. Gleichzeitig darf die Bildaufnahme nicht von den äußeren Lichtbedingungen abhängig sein. Diagnose-Schienenwagen werden tagsüber oder nachts und bei allen denkbaren Witterungsbedingungen eingesetzt. Unter diesen Bedingungen ist die einzig praktikable Möglichkeit zum Beleuchten einer Szene mit der nötigen hohen Lichtintensität eine Entladungslampe, wie z.B. eine Xenon-Blitzlampe. Diese muss genau mit der Bewegung des Wagens und dem Trigger für die Bildaufnahme synchronisiert werden. Herkömmliche Arten von Xenon-Blitzlampen liefern eine Entladungsrate von maximal 10 Hz bei einer mittleren Lebensdauer von einer Million Entladungen. Für die Anwendung im Diagnose-Schienenwagen ist jedoch eine Frequenz von 30 Hz nötig und schon nach 100 km sind 200.000 Entladungen erreicht. Dieses Problem galt es zu lösen.

Ultraschall, Software und GigE-Kameras

Drei polnische Firmen, Ultramet, Cilantro und Avicon, kooperierten mit dem polnischen Eisenbahnzentrum für Materialprüfung, um gemeinsam die technischen Herausforderungen zu meistern und eine erfolgreiche Implementierung eines Ultraschall-Diagnose-Schienenwagens zu erreichen. Ultramet ist eine Firma mit langjähriger Erfahrung in der Herstellung spezieller Ultraschallgeräte. Die Firma Cilantro, ein Software-Unternehmen, das sich hauptsächlich auf spezielle Software für automatisierte industrielle Messinstrumente spezialisiert, hat das gesamte IT-System für dieses Projekt entworfen. Avicon, Baslers polnischer Kamera-Distributor war für die Auswahl und Auslieferung der passenden Videolösungen, darunter Kameras, Beleuchtung, eine Datenaustauschmethode und Kernsoftware, verantwortlich. Alle drei Firmen zusammen waren ferner für erste Tests des Systems im Feld verantwortlich.
Die modernisierte vierte Version dieses Wagens ist inzwischen seit 2011 in Betrieb. Der Schienenwagen arbeitet mit vier Basler Scout GigE-Kameras, die auf die Ober- und Seitenoberflächen jeder Schiene gerichtet sind. Die Szene wird von zwei Xenonlichtern mit sehr hoher Qualität und Lebensdauer beleuchtet. Die spezialisierte digitale Ultraschall-Ausrüstung wird über ein Computersystem gesteuert, das auch die regulären Trigger-Impulse für die Kameras und die Xenon-Blitzlampen liefert. Jedes aufgenommene Bild wird von den Kameras über die GigE-Schnittstellen auf das eigenentwickelte Linux-basierte Video-Aufnahmesystem übertragen. Die Bildaufnahmerate beträgt 30 Bilder pro Sekunde. Die meisten der aufgenommenen Bilder werden komprimiert. Bilder der Schienenteile, die Auffälligkeiten in den Ultraschall-Daten aufweisen, werden jedoch vom System in unkomprimiertem Format gespeichert.
Die Scout GigE-Kameras sind für eine solche Anwendung gut geeignet. Sie bieten zahlreiche Trigger- und Belichtungsoptionen und können exakt mit den Xenon-Blitzlampen synchronisiert werden. Die Integration in die verwendete Softwareumgebung verlief dank GigE-Schnittstelle und dem Basler Pylon Treiberpaket für Linux absolut reibungslos.