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Einrichtung zur Zeichenübermittlung vom Zuge an die Strecke
Im Eisenbahnsicherungswesen verwendet man zur Beeinflussung von Streckenvorrichtungen durch die
Züge vielfach ausser mechanisch betätigten Kontakteinrichtungen, z. B. Durchbiegungsschienenkontakten, auch Einrichtungen, die auf magnetischem oder induktivem Wege beeinflusst werden. Dies ist z. B. der
Fall bei Achszählanlagen, in denen die vorüberrollenden Räder die Streckeneinrichtungen beeinflussen.
Die magnetisch gesteuerten Einrichtungen haben den Vorteil, dass sie auch bei grosser Zuggeschwindig- keit zuverlässig arbeiten ; die Kontakteinrichtungen müssen unmittelbar an den Schienen angeordnet sein und sind daher nicht nur allen Erschütterungen und Gefahren des Eisenbahnbetriebes, sondern auch Wit- terungseinflüssen ausgesetzt. Dieser Nachteil kann bei induktiv gesteuerten Einrichtungen vermieden wer- den, da es genügt, nur die durch Änderung der Induktion unmittelbar beeinflussten Teile an den Schie- nen anzuordnen, während die Einrichtungen, die durch den bei der Signalübertragung erzeugten oder ver- änderten Strom gesteuert werden, gegen Erschütterungen und Witterungseinflüsse geschützt in Schalt- schränken neben der Strecke bzw. in Stellwerksgebäuden untergebracht sein können. Bisher verwendete
Einrichtungen mit induktiver Beeinflussung bestehen z.
B. aus einem die Schienen U-förmig umfassenden
Eisenkörper, der auf der einen Seite der Schiene eine mit Wechselstrom erregte Sendespule und auf der andern Seite eine induktiv gekoppelte Empfangsspule trägt, deren Kopplung durch die zwischen den Spulen hindurchrollenden Räder verstärkt wird. Derartige Anordnungen sind jedoch ungünstig, weil die durch die Räder bewirkte Änderung der Signalspannung nur der geringen Änderung der Kopplung entspricht.
Wie ferner den deutschen Patentschriften Nr. 409492 und Nr. 587369 entnommen werden kann, ist in Einrichtungen zur Zeichenübermittlung zwischen Zug und Strecke auch bereits die Kopplung zwischen den Spulen eines Spulenpaares beeinflusst worden, das für die Schwingneigung eines selbsterregten Röhrengenerators massgebend ist.
Gemäss der deutschen Patentschrift Nr. 409492 wird die induktive Beeinflussung der beiden Spulen durch gegenseitige Annäherung bzw. durch gegenseitige Entfernung erzielt, indem die eine Spule im Fahrzeug und die andere Spule an einer Stelle angeordnet ist, die das Fahrzeug passieren muss. In diesem Fall kann der Kopplungsgrad so stark beeinflusst werden, dass Schwingungen zunächst nicht vorhanden sind und erst durch die Annäherung der Gitterspule an die Spule des Schwingungskreises in diesem erzeugt werden. Bei dieser bekannten Anordnung wird der betreffende Zustand des Generators zur Steuerung eines auf dem Fahrzeug angeordneten Signalrelais ausgenutzt. Demgegenüber befasst sich die Erfindung mit der Beeinflussung der Kopplung zwischen zwei feststehenden Spulen.
Die deutsche Patentschrift Nr. 587369 befasst sich mit der Beeinflussung der Kopplung zwischen zwei auf einem gemeinsamen Eisenkern angeordneten Spulen durch die Räder eines Zuges ; diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Mangel, dass die Beeinflussung des Kopplungsgrades durch die Räder gering ist.
Der Röhrengenerator schwingt ständig und infolge der geringen Beeinflussung wird auch die. Rückkopplung nur in entsprechend geringem Mass vergrössert und also auch die Schwingungen in entsprechend geringem Mass mehr verstärkt. Daher muss ein Überwachungsrelais zwischen zwei Zuständen unterscheiden, die lediglich durch einen kleinen Intensitätsunterschied voneinander getrennt sind. Die Folge davon ist, dass Störeinflüsse, die den ohnehin geringen Abstand der beiden Zustände noch verringern, Fehlauswertungen hervorrufen können.
Ähnliche ungünstige Verhältnisse können auch bei Anordnungen nach der brit. Patentschrift Nr. 417, 460 auftreten. Dort beeinflusst der sich bewegende Zug die Kapazität eines ortsfesten Kondensators, der für die über einen Kopplungskondensator vom Anodenkreis eines selbsterregten Röhrengenerators in den Gitter-
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kreis rückgekoppelte Spannung massgebend ist. Durch die Beeinflussung des Kondensators wird auch dort nur eine verhältnismässig geringe Änderung des Anodenstromes des Generators verursacht, und es sind daher zusätzliche Mittel, z. B. eine Gasentladungslampe und eine von dieser gesteuerte Elektronenröhre, erforderlich, um ein Überwachungsrelais zu steuern.
Erfindungsgemäss wird eine wesentliche Verbesserung dadurch erzielt, dass zur Herbeiführung einer Gegenkopplung ein zweites Spulenpaar vorgesehen ist, wobei die eine Spule des ersten Spulenpaares zusammen mit der einen Spule des zweiten Spulenpaares im Schwingkreis und die andere Spule des ersten Spulenpaares zusammen mit der ändern Spule des zweiten Spulenpaares im Rückkopplungskreis des selbsterregten Generators liegen und dass das eine induktiv gekoppelte Spulenpaar dadurch für die Rückkopplung und das andere induktiv gekoppelte Spulenpaar dadurch für die Gegenkopplung des Generators massgebend ist, dass das eine Spulenpaar in der Nähe der Schiene so angeordnet ist,
dass seine Kopplung vom Zuge weniger beeinflusst wird als die Kopplung des andern Spulenpaares und infolgedessen der aus der Rückkopplung und aus der Gegenkopplung resultierende Gesamtkopplungsfaktor bei der Beeinflussung durch den Zug sein Vorzeichen ändert.
Durch die gleichzeitige Anwendung der Rückkopplung und der Gegenkopplung wird erreicht, dass die Schwingungen des Generators entweder vorhanden sind oder mit Sicherheit abreissen, d. h. es sind exakt definierte Zustände durch die Überwachungseinrichtung auszuwerten. Die erfindungsgemässe Einrichtung hat daher den Vorteil, dass die Auswerteeinrichtung entsprechend weniger empfindlich zu sein braucht und infolgedessen auch billiger sein kann. Ausserdem wird die im Eisenbahnsicherungswesen im besonderen Masse geforderte Sicherheit in der Arbeitsweise einer Einrichtung erhöht.
Der zweckmässigerweise in derNähe der Beeinflussungsstelle angeordnete mehrstufige Generator kann sowohl mit Röhren als auch mit Transistoren bestückt sein. Der gewünschte Arbeitspunkt kann durch Ändern der Rückkopplung oder der Gegenkopplung leicht eingestellt werden. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, die zur Gegenkopplung verwendeten Spulen, z. B. neben oder unter der Schiene, so anzuordnen, dass etwaige Störfelder, z. B. das von Schienenströmen erzeugte Feld, in jeder Gegenkopplungsspule und der zugehörigen Rückkopplungs- bzw. Schwingkreisspule entgegengesetzte Spannungen induzieren, so dass die Störeinflüsse kompensiert werden, wenn die beiden jeweils zusammengehörigen Spulen z. B. in Reihe geschaltet sind.
Bei Reihenschaltung ist ausserdem eine grössere Sicherheit dafür gegeben, dass die Schwin- gungen bei jeder Art von Leitungsstörungen abreissen.
Auch bei umgekehrter Anordnung, bei der die Gegenkopplungsspulen im Beeinflussungsbereich, dagegen die Rückkopplungsspulen unterhalb der Schienen angeordnet sind, können Störfelder auf diese Weise kompensiert werden. Wird der Kopplungsgrad der Spulen durch den Zug verbessert, so unterscheiden sich beide Anordnungen nur insofern, als sich bei Beeinflussung der Rückkopplung durch Anfachen der Schwingungen des Generators ein Arbeitsstromprinzip, bei Beeinflussung der Gegenkopplung durch Abrei- ssen der Schwingungen ein Ruhestromprinzip ergeben würde.
Zur Stabilisierung gegen Temperaturschwankungen, die an der Schiene bis 100 betragen können, ist es erfindungsgemäss weiterhin zweckmässig, die temperaturempfindlichen Teile, z. B. die Transistoren, in den Erdboden zu versenken. Um im Störungsfallan die Teile gelangenzukönnen, kannz. B. die Anordnung so getroffen werden, dass in der Nähe der Beeinflussungsstelle ein mindestens 0,5 m in die Erde reichendes Rohr angebracht wird. Die Teile selber sind in einem vergossenen Stab enthalten, der in dieses Rohr eingeschoben werden kann. Diese Massnahme empfiehlt sich auch für andere im Eisenbahnsicherungswesen verwendete Einrichtungen mit temperaturempfindlichen Teilen, z. B. Relais mit vorgeschalteten Gleichrichtern oder Verstärkern, die ander Strecke angeordnet werden müssen.
Ebenso verhält es sich mit einer erfindungsgemässen Massnahme zum Schutz derartiger Einrichtungen gegen Überspannungen, die z. B. bei Gewitter auf Freileitungen auftreten können. Diese Überspannungen werden dadurch unschädlich gemacht, dass parallel zu den zu schützenden Einrichtungen eine Glimmlampe über einen die Spannung heraufsetzender Transformator angeschlossen ist.
Da der Generator einen Frequenzwandler darstellt, ist ferner eine Mehrfachausnutzung der zwischen der Beeinflussungsstelle und der Überwachungsstelle erforderlichen Leitungen in der Weise möglich, dass zum Zuführen des Speisestromes für den selbsterregten Generator und zum Überwachen des dem Signal entsprechenden, vom Generator erzeugten Stromes dieselben Leitungen verwendet werden. Sind
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ander beeinflusste Generatoren, vorhanden, so genügt für ihre Speisung und Überwachung ein einziges Leitungspaar, wenn die Generatoren auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind.
Insbesondere bei Einrichtungen mit derartigen selbsterregten Generatoren, aber auch bei Verwendung der bekannten fremderregten Sendespulen wird erfindungsgemäss ausserdem vorgeschlagen, Frequenzen von mehr als 500 Hz, vorzugsweise von 5 bis 10 kHz, zu verwenden. Bei diesen Frequenzen ist die Fluss-
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verdrängung des die Spulen koppelnden Flusses durch Wirbelströme, die in den beeinflussenden Teilen induziert werden, grösser als die durch diese Teile mögliche Erhöhung der magnetischen Leitfähigkeit zwischen den gekoppelten Spulen. Bei der Beeinflussung findet dann im Gegensatz zu den bisher verwendeten Einrichtungen eine Schwächung der Kopplung statt. Auf diese Weise wird erreicht, dass nicht nur Eisenteile, z. B. die Räder, sondern auch andere durch den Koppelfluss bewegte Teile, z. B.
Magnetschienenbremsen, selbst wenn sie nicht auf den Schienen gleiten, immer eine zur Signalübertragung ausreichende Beeinflussung ausüben. Darüber hinaus ergibt sich aber bei Verwendung höherer Frequenzen als bisher der Vorteil, dass auch bei den in Frage kommenden höchsten Zugsgeschwindigkeiten die Beeinflussung über mehrere Perioden andauert.
Zweckmässigerweise werden ausserdem die vom Zuge beeinflussten Spulen mit Kernen versehen, welche den Koppelfluss bündeln. Dies kann z. B. durch Kerne erreicht werden, deren Länge mindestens viermal so gross wie der Kerndurchmesser ist. Als Kernmaterial mit möglichst grosser Permeabilität sind vor allem bei Frequenzen um 10 kHz die bekannten Ferrite besonders gut geeignet. Werden die erregende und die erregte Spule unabhängig voneinander, d. h. mit je einer eigenen Befestigungsvorrichtung, an der Schiene angebracht, so ist eine erhöhte Gewähr dafür gegeben, dass bei Zerstörung nur der Befestigungseinrichtungen die Kopplung nicht mehr für die Übertragung der erforderlichen Signalspannung ausreicht.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt und im folgenden erläutert.
Die Zeichnung zeigt im oberen Teil einen einstufigen selbsterregten Generator mit einem Transi-
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über ihre Anschlusspunkte a und c mit dem Kondensator Cl und der Gegenkopplungsspule Gl den Schwingkreis bildet. Die Spule LI ist auf der einen Seite, die Rückkopplungsspule L2, die in Reihe mit der Gegenkopplungsspule G2 liegt, auf der andern Seite der Schiene angeordnet. Die Rückkopplung und die Gegenkopplung sind so eingestellt, dass der Generator bei freier Schiene z. B. mit einer Frequenz von 5 kHz selbsterregt schwingt. Die Spulen LI und L2 haben einen durch die Anordnung am Gleis bedingten Kopplungsgrad Kl. Der Kopplungsgrad KG der Spulen Gl, G2 ist so einstellbar, dass die hiedurch übertragene Gegenspannung bei freier Schiene kleiner ist als die dem Kopplungsgrad Kl entsprechende Rückkopplungspannung, so dass der Generator schwingt.
Bei Beeinflussung durch das Rad R wird dann die Gegenspannung grösser als die dem sich dann ergebenden Kopplungsgrad K2 der Spulen 11 und L2 entsprechende Spannung, mindestens aber so gross, dass die resultierende Spannung zur Selbsterregung nicht mehr ausreicht. Damit wird erreicht, dass die Schwingungen beim Vorüberrollen des Rades R auf jeden Fall abreissen. Verlässt das Rad die Einwirkstelle, so ist die aus Rückkopplung und Gegenkopplung resultierende Spannung wieder so gross, dass sie zum Anschwingen des Generators ausreicht.
Reissen die Schwingungen bei der Beeinflussung ab, so entfällt die über die Anschlusspunkte a und e der Spule Ll auf die Speiseleitungen Fl und F2 des Generators gegebene Signalspannung, so dass das über den Kondensator G2 und den Verstärker V an die Leitungen Fl und F2 angeschlossene Relais M stromlos wird und in nicht dargestellten Stromkreisen die Beeinflussung anzeigt.
Die dargestellte Schaltung arbeitet nach dem Ruhestromprinzip, da bei Beeinflussung der vom Generator erzeugte und durch das Relais M überwachte Strom unterbrochen wird. Ist eine Arbeitsstromschaltung erwünscht, so kann man z. B. bei Verwendung der gleichen Frequenz die Spulen Gl und Ll bzw. G2 und L2 miteinander vertauschen. Die Gegenkopplung und die Rückkopplung werden dann so eingestellt, dass bei freier Schiene die sich aus den Kopplungsgraden Kl und KG ergebende resultierende Spannung zur Selbsterregung des Generators nicht ausreicht. Erst wenn durch das Rad der Kopplungsgrad KG verkleinert wird, schwingt der Generator an und bleibt bis zum Ende der Beeinflussung erregt.
Durch Verwendung niedrigerer Generatorfrequenzen von weniger als 500 Hz, bei denen die Eisenmasse des Rades den Kopplungsgrad der Spulen Ll und L2 vergrössert, kann die in der Zeichnung dargestellte Ruhestromschaltung in eine Arbeitsstromschaltung bzw. die vorstehend erwähnte Arbeitsstromschaltung mit Beeinflussung der Gegenkopplung in eine Ruhestromschaltung abgewandelt werden.
In der Zeichnung ist ferner angenommen, dass die Gegenkopplungsspulen an der Schiene angeordnet sind, um vor allem durch das Feld von Triebströmen in den Spulen 11 und L2 induzierte Störspannungen kompensieren zu können. Zu diesem Zweck werden die Spulen Gl und G2 z. B. unter der Schiene so angeordnet, dass die in ihnen wirksame Komponente SG des als Kreis dargestellten Störfeldes S die durch Pfeile angedeuteten Störspannungen SG1 und, SG2 induziert. Diese Störspannungen wirken den von den Störfeldkomponenten Sl, S2 in den Spulen Ll, L2 induzierten Stör- spannungen SL1, SL2 entgegen. Bei entsprechender Bemessung der Wicklungen und Anordnung der Gegenkopplungsspulen kann erreicht werden, dass sich die Störspannungen aufheben.
Durch die Anord-
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nung der Spulen Gl und G2 unter der Schiene ist ausserdem sichergestellt, dass ihre Kopplung durch die
Räder gar nicht oder zumindest nur wenig beeinflusst wird.
Alle übrigen Teile der Generatorschaltung sind in einem Abschirmrohr A angeordnet, das zum Schutz dieser Teile gegen Temperatureinflüsse mindestens 0,5 m in die Erde reicht. In diesem Rohr können auch die Einrichtungen zur Gegenkopplung untergebracht sein, wenn beispielsweise Spulen Ll, L2 mit parallel zur Schiene liegender Spulenachse verwendet werden, in denen durch die Felder der Schienenströme kei- ne Störspannungen induziert werden. Auch wenn, wie in der Zeichnung dargestellt, senkrecht zur Schiene stehende Spulen bei nicht elektrisch betriebenen Eisenbahnen zur Anwendung kommen, bei denen die von Gleisüberwachungsströmen od. dgl. erzeugten Felder keine nennenswerte Störspannungen induzieren können, empfiehlt sich diese Anordnung.
In der Zeichnung sind ferner zwei unter den Spulen LI, L2 liegende Abschirmbleche l, 2 angedeutet. Diese Bleche bestehen aus elektrisch gut leitendem Material und beschneiden nach unten den Raum, in dem sich das von den Spulen erzeugte Feld ausbilden kann. Hiedurch wird bei sonst gleicher Anordnung die Induktivität der Spulen kleiner, dagegen ihr Kopplungsgrad grösser, da die Gegeninduktivität der Spulen, die von dem im wesentlichen oberhalb der Schiene verlaufenden Koppelfluss abhängig ist, nicht im gleichen Masse kleiner wird. Hieraus. ergibt sich ferner, dass das beeinflussende Rad eine grössere relative Änderung des Kopplungsgrades erzeugt als bei Anordnungen ohne Abschirmblech.
Ist keine grössere Änderung der Kopplung zum Ändern des Schwingungszustandes des Generators erforderlich, so kann man nun die Spulen niedriger als bisher neben der Schiene anordnen. Sie können, wie in der Zeichnung dargestellt, in Höhe oder sogar unterhalb der Schienenoberkante liegen, wo sie gegen mechanische Zerstörung besser geschützt sind als über die Schienenoberkante hinausragende Einrichtungen. Aus dem gleichen Grunde ist es zweckmässig, bei Anordnungen mit oder ohne Abschirmblechen die Spulen so anzuordnen, dass ihre Achsen einen Winkel zur Horizontalen bilden, d. h. die der Schiene abgekehrten Teile tiefer liegen.
Die im oberen Teil der Zeichnung dargestellte Glimmlampe GL dient zum Schutz des Transistors T gegen Überspannungen, die z. B. bei Gewitter auf den Freileitungen Fl und F2 entstehen können. Der Gleichstromeingang des Transistors könnte zwar durch eine Siebkette mit entsprechend grossen Kondensatoren geschützt werden. Diese Möglichkeit besteht aber nicht für die Ausgangsseite des Transistors, da von diesem die Signalspannung auf die Leitungen gegeben wird. Die in der Schaltung gezeigte transformatorische Ankopplung überträgt aber auch Frequenzen, die bei Blitzeinwirkungen sehr häufig auftreten.
Die üblichen Überspannungsableiter sprechen erst bei Spannungen von etwa 350 V an, bei denen die gebräuchlichen Transistoren für Spitzenspannungen bis etwa 30 V bereits zerstört werden. Auch Stromsicherungen sind nicht zum Schutz der Transistoren geeignet, da sie einen relativ grossen Ansprechstrom benötigen und ausserdem durch die Wärmeträgheit zu langsam wirken. Zwar ist die Zündspannung als Über-
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kreisspule liegt, während die Glimmlampe an die Anzapfungen a und d angeschlossen ist, also durch Spannungsübersetzung an einer wesentlich höheren Spannung liegt. Ist im normalen Betrieb, d. h. bei Speisung des Transistors mit 6 V, z. B. eine Spannung von 100 V am Schwingkreis vorhanden, so kann die Glimmlampe bei entsprechend angeordneten Anzapfungen nicht zünden. Tritt dagegen, z.
B. durch atmosphärische Beeinflussung der Leitungen, eine Spannung von 12 V am Transistor auf, so ist dessen zulässige Spitzenspannung noch lange nicht erreicht. Am Schwingkreis entsteht aber eine Spannung von 200 V, die durch die zusätzlich gewählte Spannungsübersetzung die Glimmlampen zum Zünden bringt, wodurch ein weiterer Spannungsanstieg verhindert wird.
An sich'wäre es zum Schutz des Transistors ausreichend, die Glimmlampen parallel zum Schwingkreis anzuschliessen ; durch die zusätzliche Spannungserhöhung zwischen Schwingkreis und Glimmlampe wird aber gleichzeitig auch ein Schutz des Kondensators Cl gegenüber Spannungen erzielt.
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