SICOR

Was ist SICOR?

SICOR ist zunächst ein Kunstwort, das aus den Anfangsbuchstaben der englischen Worte „Speed Induced Current On Rails" zusammengezogen ist. Es bezeichnet ein neues Messverfahren für die Prüfung von verlegten Eisenbahnschienen auf nicht oberflächenoffene (verdeckte) Schädigungen am Schienenkopf, und zwar speziell im Tiefenbereich von etwa 1 bis 10mm unterhalb der Oberfläche. Damit ist genau der Tiefenbereich prüfbar, der als „Problemzone" bekannt ist, weil er zu tief für die üblichen Wirbelstromverfahren ist und nicht tief genug für die üblichen Ultraschallverfahren. Im Folgenden soll das Funktionsprinzip von SICOR näher erläutert werden.

Um zu verstehen, wie SICOR funktioniert und auf welchen physikalischen Prinzipien der Messeffekt beruht muss zuerst die Wechselwirkung zwischen magnetischen Feldern und elektrisch leitfähigen Materialien näher betrachtet werden, und hier speziell das Eindringverhalten in metallische Werkstoffe. Vereinfacht dargestellt kann das SICOR-Prinzip auf drei verschiedene Effekte zurückgeführt werden.

1. Allgemein bekannt ist zum ersten das Phänomen, dass magnetische Felder, die in elektrisch leitfähige Materialien eindringen, dort elektrische Ströme erzeugen können. Man bezeichnet dies als magnetische Induktion. Dafür ist erforderlich, dass sich der magnetische Fluss - genau genommen die magnetische Flussdichte - im Material ändert, plausibel dargestellt durch die Vorstellung, dass sich die „Dichte der magnetischen Feldlinien" im Material ändern möge. Dafür gibt es im vorliegenden Fall zwei Möglichkeiten: entweder es ändert sich die Stärke der magnetischen Felder direkt, oder aber das elektrisch leitfähige Material bewegt sich relativ zum Magnetfeld. Bei SICOR ist das zweite der Fall: Magnetfeld und Material, hier die Schiene, bewegen sich relativ zueinander, und zwar dadurch, dass ein Magnet mit bekannter Geschwindigkeit über die Schiene bewegt wird. Dieses Phänomen wird auch bei Wirbelstrombremsen eingesetzt und hat den Vorteil, dass es berührungslos und verschleissfrei arbeitet. „Berühmte" Anwendungen sind zum Beispiel die Bremseinrichtungen von Free-Fall-Towers in Vergnügungsparks, oder auch die stufenlos einstellbaren magnetischen Bremsen von Fahrrad-Heimtrainern bzw. von medizinischen Fahrrad-Ergometern. Von der Wirkungsweise dieses Prinzip kann man sich ganz einfach selbst überzeugen, indem man mit einem starken Haftmagneten über eine elektrisch leitende, aber nicht magnetische Fläche streicht (z.B. Aluminium, Kupfer, Messing): es ist ein deutlicher Widerstand entgegen der Bewegungsrichtung des Haftmagneten spürbar, und zwar umso stärker, je schneller der Magnet über die metallische Fläche bewegt wird. Im Innern des leitfähigen Materials werden durch die Bewegung des Magneten Ströme angeregt, die ihrerseits ebenfalls wieder ein Magnetfeld erzeugen. Die Bremswirkung kommt dadurch zustande, dass das Magnetfeld der angeregten Ströme dem Feld des bewegten Magneten entgegengesetzt gerichtet ist. Dieses Phänomen funktioniert natürlich auch bei magnetisierbaren Werkstoffen solange sie nur elektrisch leitfähig sind. (Die Anziehungskraft des Magneten auf den magnetisierbaren Werkstoff „verdeckt" allerdings häufig den Effekt der Bremswirkung.) Die Bremswirkung entgegen der Bewegungsrichtung des Magneten ist es nun, die uns hier interessiert und die das erste Grundprinzip des SICOR-Verfahrens darstellt: Bei Bewegung des Magneten über den metallischen Werkstoff erzeugen die dabei entstehenden Ströme im Mateial selbst wieder ein Magnetfeld, dieses Magnetfeld ist entgegen dem Magnetfeld des bewegten Magneten gerichtet und übt dadurch eine Bremskraft auf ihn aus. Durch die Bewegung des Magneten wird ausserdem das Magnetfeld im Metall und demzufoge auch das Feld der induzierten Ströme so verschoben bzw. verzerrt, dass es „hinter dem Magneten hergeschleppt wird" - man spricht hier auch von magnetischen Schleppeffekten.

2. Nun ist zum zweiten bekannt, dass Schlitze in Metallwerkstoffen die Ausbildung von induzierten Strömen behindern. Je enger die Schlitze im leitfähigen Material nebeneinander angeordnet sind, desto weniger Wirbelströme können fliessen. Die Kerne von elektrischen Transformatoren sind deshalb aus dünnen Blechen aufgebaut. Dies verhindert, dass sich der Transformatorkern allzu stark aufheizt und führt dazu, dass der Trafo durch Vermeiden dieser Verluste einen höheren Wirkungsgrad hat. Vollständig verhindern lassen sich die Wirbelströme im Trafokern aber in der Regel nicht. Auch dieser Effekt lässt sich beispielsweise an einer Metallfläche mit vielen Schlitzen demonstrieren: im Bereich der Schlitze ist die Bremswirkung auf den Magneten deutlich geringer als im ungeschlitzten Bereich und das bedeutet, dass sich im geschlitzten Bereich weniger Wirbelströme ausbilden können. Beim SICOR-Verfahren wirken sich Materialtrennungen wie z.B. Risse auch in tieferen Lagen noch auf die Ausbildung von Strömen aus; es sind aber nicht die Ströme selbst im Material, die das SICOR-Verfahren nachweist.

3. Zum Verständnis des SICOR-Verfahrens muss noch ein weiterer Effekt berücksichtigt werden: Bekannt ist das Verhalten magnetisierbarer Werkstoffe, dass sie sich nur bis zu einer gewissen Grenze magnetisieren lassen, und zwar abhängig von der Zusammensetzung des Werkstoffs und von seiner Vorbehandlung. Oberhalb dieser Grenze, der sogenannten Sättigung, lässt sich der Werkstoff nicht mehr stärker magnetisieren und er verhält sich gegenüber zusätzlicher Magnetisierung so, als ob er nicht magnetisch wäre, er verhält sich quasi wie ein unmagnetischer Werkstoff. Wie stark das „Prüfmaterial Schiene" nun örtlich aufmagnetisiert wird hängt also zum einen von der äusseren Magnetisierung ab, zum anderen aber auch von den Materialschädigungen innerhalb des Materials. An dieser Stelle kommt das dritte Grundprinzip des SICOR-Verfahrens zum tragen, nämlich der Effekt, dass die induzierten Ströme in unmagnetische Werkstoffe tiefer eindringen können als in magnetische Werkstoffe. Es wird deshalb ein geeignetes Sensorsystem eingesetzt, das das „Prüfmaterial Schiene" in einer Zone prüft, in der die im Material durch den starken Magneten erzeugten und durch die Bewegung „verschleppten" Ströme fliessen. Dieses Sensorsystem kann nun einerseits durch die Sättigungseffekte der Magnetisierung von aussen sehr viel tiefer in das Stahlmaterial der Schiene „hineinsehen", als dies ohne Magnetisierung möglich wäre. Es „sieht" aber auch andererseits Effekte, die von tiefliegenden Schädigungen (z.B. Rissen) im Innern des Materials erzeugt werden; wie oben schon erklärt wird im Bereich von Materialtrennungen weniger Strom erzeugt, dadurch wird weniger Magnetfeld erzeugt und dadurch tritt weniger Abschirmungseffekt im Prüfmaterial auf. Sättigungseffekte durch das äussere Magnetfeld und die geringeren Abschirmeffekte aufgrund geringerer Induktionsströme im Schädigungsbereich unterstützen sich hier gegenseitig.

4. Einen weiteren Einfluss auf die Ausbildung und die Tiefenreichweite der Induktionsströme beim SICOR-Verfahren hat die Länge L des bewegten Magneten bzw. die Länge des Magnetisierungsjoches. Man kann sich die Magnetisierungsvorrichtung als liegenden Stabmagneten vorstellen, der längs über das Prüfmaterial bewegt wird. Wird nun eine bestimmte Stelle P im Prüfmaterial von diesem Magneten mit konstanter Geschwindigkeit v überfahren, so sieht das Prüfmaterial zuerst den einen Magnetpol und dann den anderen, es wechselt also die magnetische Polarisierung des Prüfmaterials, beispielsweise von „Nord" auf „Süd", und zwar abhängig davon, wie lang der Magnet ist und wie schnell er über das Material bewegt wird. Das bedeutet aber, dass der lokalen Magnetisierung des Prüfmaterials eine „Äquivalente Magnetisierungsfrequenz f" zugeordnet werden kann: lange Magneten und kleine Geschwindigkeiten ergeben niedrige Frequenzen, kurze Magneten und hohe Geschwindigkeiten ergeben hohe Frequenzen.

Abbildung 1. Bewegung eines Magneten mit Länge L und Geschwindigkeit v über eine Schiene

Die „Äquivalente Magnetisierungsfrequenz f" lässt sich aus Abbildung 1 einfach ableiten. Im Punkt P nimmt der Wert der Magnetischen Feldstärke B(t) zum Zeitpunkt t = 1 ein Maximum ein, zum Zeitpunkt t = 3 ein Minimum; die Zeit dazwischen ist Dt. Unter der Annahme, dass die Magnetisierung in diesem Bereich einen sinusähnlichen Verlauf hat kann die Zeit Dt als halbe Periodendauer T/2 dieser Sinusschwingung angesehen werden, die ganze Periodendauer T beträgt dann 2 Dt. Die Zeit Dt ergibt sich aus der Geschwindigkeit v und der Länge L des Magneten. Da die Frequenz f gleich 1/T ist ergeben sich folgende Beziehungen:

Werden (2) und (3) in (1), so ergibt sich (4) für die "Äquivalente Magnetisierungsfrequenz" f:

Da die Eindringtiefe dE von Magnetfeldern in leitfähige Materialien von der Frequenz f der magnetischen Erregung abhängt dringt das Feld langer Magneten bei gleicher Geschwindigkeit tiefer ein als das Feld kurzer Magneten. Die Eindringtiefe der durch den Magneten erzeugten Induktionsströme kann daher durch die Länge L des (Elektro-) Magneten und durch die Bewegungsgeschwindigkeit v gezielt gesteuert werden. Für Stahlwerkstoffe ergeben sich folgende Richtwerte für die Eindringtiefe dE am Beispiel von zwei verschieden langen Magneten für verschiedene Prüfgeschwindigkeiten und der sich daraus ergebenden „Äquivalenten Magnetisierungsfrequenz" f (Abbildung 2):

Abbildung 2: Tabelle für typische Eindringtiefen d_E beim SICOR-Verfahren

Aufgrund des zeitlichen Verlaufs der Magnetisierung B(t) der Schiene im Punkt P kann die Magnetisierung für einen ruhenden Beobachter als örtliche magnetische Impulsanregung angesehen werden.

Die oben beschriebene Kette von Zusammenhängen ruft insgesamt Messeffekte hervor, die nachweislich dazu führen, dass mit geeigneten Prüfsystemen sehr tief liegende Schädigungen in Schienen bis zu einer Tiefe von etwa 10 mm unterhalb der Materialoberfläche nachgewiesen werden können. Die Nachweisempfindlichkeit ist dabei abhängig von der Grösse der „Material-Tennflächen" und deren Tiefenlage. Erste Versuche zum SICOR-Verfahren sind sehr erfolgreich verlaufen, weitere Untersuchungen dazu sind derzeit in Arbeit.

Oberflächenoffene Schädigungen können natürlich nach wie vor mit den bekannten Wirbelstromverfahren nachgewiesen werden. Eine einfache Möglichkeit dazu ist die Zweifrequenztechnik, die das SICOR-Sensorsystem auch für die Oberflächenprüfung nutzt, aber überlagert durch die Magnetisierung eine verbesserte Korrelation zur Schädigungstiefe ermöglichen kann.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass das SICOR-Verfahren aufgrund seiner hervorragenden Ergebnisse von Rohmann weltweit zum Patent angemeldet ist - und dass es natürlich auch zur Erhöhung der Sicherheit von Eisenbahnrädern angewendet werden kann, zum Beispiel an den Laufflächen im Zuge von Wartungs- und Überholungsarbeiten.

 Download Flyer