AT511200A4

AT511200A4 - Echtzeitmessung von relativen positionsdaten und/oder von geometrischen massen eines bewegten körpers unter verwendung optischer messmittel

Info

Publication number: AT511200A4
Application number: ATA1534/2011A
Authority: AT
Inventors: Robert Dr Koeppe
Original assignee: Isiqiri Interface Tech Gmbh
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-10-15
Also published as: WO2013056289A1; US20140240719A1; CN103890538A; KR20140079489A; EP2769175A1; AT511200B1; JP2014532185A

Abstract

Die Erfindung betrifft die Echtzeitmessung von relativen Positionsdaten und/oder von geometrischen Maßen eines bewegten Körpers (1) durch eine Beleuchtungseinheit (2) und eine Detektoreinheit (4), wobei der bewegte Körper (1) relativ zu diesen beiden geführt beweglich ist. Von der Beleuchtungseinheit (2) aus werden Lichtstrahlen (3) in Richtung auf die Detektoreinheit (4) gesandt; der bewegte Körper (1) ragt zwischen der Beleuchtungseinheit (2) und der Detektoreinheit (4) in das von den Lichtstrahlen (3) durchflutete Volumen, sodass die Schattengrenze des vom bewegten Körper (4) dadurch geworfenen Schattens über die Detektoreinheit (4) verläuft. Die Detektoreinheit (4) umfasst einen flächigen optischen Positionsdetektor (4.1), welcher als flächiger Lichtwellenleiter ausgebildet ist, welcher fotolumineszente Partikel enthält und vonwelchem durch eine Mehrzahl von in Abständen zueinander angeordneten, kleinflächigen fotoelektrischen Sensoren (4.1.1) Signale ausgelesen werden, deren Stärke mit der Intensität des in der Wellenleitermode am Ort des Sensors befindlichen Lichtes (4.1.1) korreliert.

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft die EchtZeitmessung von relativen Positionsdaten und/oder von geometrischen Maßen eines bewegten Körpers unter Verwendung optischer Messmittel, Ein besonders vorteilhafter Anwendungsfall· betrifft die Überwachung von Veränderungen eines Rades eines Eisenbahnfahrzeuges während der Fahrt.

Durch die DE 11 59 173 B wird schon 1962 vorgeschlagen an Schienenfahrzeugen, Relativbewegung zwischen Rahmen und Drehgestell bzw. Radsatz während der Fahrt aufzuzeichnen. Für das Aufzeichnen wird mit den relativ zum Rahmen mitbewegten Teilen jeweils ein Stift mitbewegt, welcher auf einer gegenüber dem Rahmen gleichförmig dahingezogenen Papierfläche schreibt.

Gemäß der US 3864093 A wird der seitliche Versatz eines Rades eines Schienenfahrzeuges gegenüber der Schiene schon während der Fahrt gemessen, indem vom Fahrzeug aus ausschließlich auf den unteren Teil der Schiene geleuchtet wird und das davon reflektierte Licht durch Fotodioden als optische Sensoren, welche ebenfalls am Fahrzeug angebracht sind, erfasst wird. Eine Seitenkante der Schiene schattet einen Teil des reflektierten Lichtes gegenüber einem Teil der Sensoren ab. Aus der Lage der Schattenkante an den Sensoren ist der seitliche Radversatz errechenbar. Als Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser verwendet werden.

Gemäß der US 4040738 A wird die Position eines Schienenfahrzeuges gegenüber einer Schiene gemessen, indem ein Laserlichtstrahl möglichst gut fokussiert in einem ersten Winkel auf eine Fläche der Schiene leuchtet und indem der Lichtfleck durch eine aus einem zum ersten Winkel unterschiedlichen Winkel darauf gerichtete Kamera, die durch eine Linse und ein Fotozellenfeld gebildet ist, abgebildet wird. Da der Lichtfleck auf der durch Verbindungsgeraden des Linsenmittelpunktes mit den einzelnen Punkten des Laserstrahl definierten Ebene liegen muss, ist aus der Lage der Abbil-

Seite 1 ·· · • ♦ ♦· · « t · ♦ • · · Φ J 454 + · M « • ♦ · · · • ·♦· · ♦ · * • · « · ··· düngen des Lichtflecks auf dem Fotozellenfeld die Lage des Lichtflecks relativ zu der Kamera errechenbar.

Gemäß der FR 267 48 09 Al und der JP 10332323 A wird dieses Prinzip etwas erweitert angewandt. Anstatt eines Laserstrahls mit im Idealfall punktförmiger Querschnittsfläche wird entweder ein Laserstrahl mit der Querschnittsflächenform einer geraden Linie oder mit der Querschnittsform mehrerer, entlang einer geraden Linie liegender Punkte verwendet. Das durch eine Kamera aus einer definierten Position aufgenommene Abbild der durch den Laserstrahl verursachten Lichtfläche auf einer Schiene ermöglicht das Errechnen des Abstandes der Schiene zur Kamera und das Errechnen eines Teils der Umrisslinie der Querschnittsfläche der Schiene.

Gemäß der EP 07 07 196 Bl sind die zuvor besprochenen auf Laserlichtquellen und Fotozellen basierenden Erfassungsmittel auf dem Drehgestell eines Schienenfahrzeuges angebracht. Zusätzlich wird die Bewegung des Drehgestells relativ zum Rahmen des Schienenfahrzeuges bevorzugt mit mechanischen Sensoren erfasst.

Gemäß der EP 1 324 005 A2 wird die Geometrie der Lauffläche eines Rades eines Schienenfahrzeuges vermessen indem das Rad langsam über eine Messschiene rollt und dabei durch einen kollimierten Laserstrahl beleuchtet wird. Das Abbild der beleuchteten Fläche wird durch eine Kamera aufgenommen und einschließlich der Daten, an welcher Stelle der Messschiene das Rad jeweils anliegt, durch einen Computer ausgewertet.

Gemäß der US 7715026 B2 wird ein Teil der Randlinie einer Quer-schnittsfläche eines unbewegten Rades eines Schienenfahrzeuges vermessen, indem ein in Betrieb befindliches Laserentfernungsmessgerät darüber geschwenkt wird und fortwährend Daten aufgenommen und ausgewertet werden, welche Position, Richtung und Entfernung des Laserentfernungsmessgerätes und die Entfernung zwischen

Seite 2 • # Φ · • · 1 * • * · • • • · • · ♦ · • · ·♦ • • ·· ** • * • · • • · • J 454 dem Laserentfernungsmessgerät und dem durch dieses angestrahlten Oberflächenpunkt umfassen.

Gemäß der EP 2 343 496 Al wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche an einem Schienenfahrzeug auf dem Niveau der Räder angeordnet ist und - wie weiter oben besprochen - eine Beleuchtungseinrichtung und eine Kamera aufweist, welche aus verschiedenen Winkeln auf eine Schiene ausgerichtet sind, um - gemäß dem weiter oben besprochenen Prinzip - diese zu vermessen. Die Vorrichtung ist durch ein Gehäuse umfasst in welches durch einen Schlauch Druckluft geleitet wird. Im Bereich der erforderlichen Fenster des Gehäuses strömt die Druckluft aus dem Gehäuse heraus und verhindert so, dass Verschmutzung von außen an die Fenster gelangt.

In der WO 2010/006348 Al ist für die Anwendung als Steuerfläche für eine Datenverarbeitungsanlage eine Detektorfläche beschrieben, welche die Tatsache des Auftreffens eines Lichtimpulses auf ihr und die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes auf ihr detek-tiert. Die Detektorfläche ist als flächiger Lichtwellenleiter aufgebaut. An voneinander beabstandeten Stellen sind am flächigen Lichtwellenleiter kleinflächige fotoelektrische Sensoren angebracht, an welchen über die Lichtwellenleitung ankommendes Licht ausgekoppelt wird und ein elektrisches Signal verursacht. Parallel mit dem Lichtwellenleiter erstreckt sich an diesem eine Schicht mit fotolumineszenten Eigenschaften. Licht im passenden Wellenspektrum, welches auf die Schichtanordnung trifft, wird an der fotolumineszenten Schicht in langwelligeres Licht umgewandelt, welches sich im Wellenleiter ausbreitet und dadurch an die fotoelektrischen Sensoren gelangt. Mit zunehmender Entfernung zum Ort des Einkoppelns in den Wellenleiter verringert sich die Intensität des im Wellenleiter geleiteten Lichtes. Dadurch kann aus den an mehreren fotoelektrischen Sensoren gemessenen Signalstärken durch eine Art Triangulation auf den Ort des verursachenden Lichteinfalls zurückgerechnet werden. Die durch dieses Zurückrechnen für die Bestimmung des Auftreffpunktes eines Lichtimpul-

Seite 3 J 454 ·· · ·· »♦ ·· * • ·*·· ·* · * * • · ·· ···· ··· ·· ·»·· ·· ··· ses mögliche Ortsauflösung ist vielfach feiner als das Rastermaß der Abstände zwischen den einzelnen fotoelektrischen Sensoren.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, das laufende Messen von Positions- und Geometriedaten eines in betriebsmäßiger Bewegung befindlichen Gegenstandes zu verbessern. Es sollen mehr Messungen pro Zeiteinheit ermöglicht werden, das bei den Messung anfallende Datenvolumen soll dennoch leicht an die Datenverarbeitungsanlage übertragbar sein und die erforderlichen Vorrichtungen sollen robust und preiswert sein. Die Erfindung soll auch vorteilhaft dazu anwendbar sein, Positions- und Geometriedaten eines in betriebsmäßiger Fahrt befindlichen Rades eines Schienenfahrzeuges laufend aufzunehmen .

Zum Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, eine Lichtquelle vorzusehen, welche sowohl auf den zu vermessenden Gegenstand leuchtet als auch knapp an diesem vorbei. Von der Lichtquelle aus gesehen hinter dem überwachten Bewegungsbereich ist ein flächiger optischer Positionsdetektor angeordnet, über welchen die Schattengrenze des von dem zu vermessenden Gegenstand geworfenen Schattens verläuft. Der flächige optischer Positionsdetektor ist - wie die Detektorfläche gemäß der oben beschriebenen WO 2010/006348 Al - als flächiger Lichtwellenleiter mit integriertem fotolumines-zentem Stoff ausgebildet, wobei am Lichtwellenleiter zueinander beabstandet relativ kleinflächige fotoelektrische Sensoren angebracht sind, an denen Licht aus der Wellenleitermode ausgekoppelt wird und ein elektrisches Signal verursacht. Die elektrischen Signale werden in einer angeschlossenen Datenverarbeitungsanlage ausgewertet. Veränderungen der Schattengrenze auf dem flächigen optischen Positionsdetektor rufen Signaländerungen an mehreren fotoelektrischen Sensoren hervor. Aus der Amplitude dieser Signaländerungen wird durch die Datenverarbeitungsanlage auf die Veränderung der Schattengrenze auf dem flächigen Positionsdetektor rückgeschlossen und davon weiter auf eine Veränderung der Po-

Seite 4 • »· *· ·· Ψ • · • Φ • • · Ψ • · • • · ··· • * • « • · • 4 · • • · • ·Φ • J 454 sition oder des Verlaufes der Kontur des zu vermessenden Gegenstandes .

Wesentliche Vorteile dieser Anordnung sind: - Das auf Lumineszenzwellenleitung basierende Messprinzip lässt extrem rasche Messungen und sehr rasches Auslesen der gewonnen Daten zu. Damit sind auch sehr kurzfristige oder sich periodisch mit hoher Frequenz wiederholende Bewegungen oder Maßänderungen gut erfassbar. - Durch Herausfiltern von Gleichanteilen aus den einzelnen Detektorsignalen kann einfach verhindert werden, dass Verschmutzung der transparenten Abdeckung des flächigen optischen Positionsdetektors oder der transparenten Abdeckung der Lichtquelle das Messergebnis verfälscht. - Der flächige optische Positionsdetektor ist pro Flächeneinheit verglichen mit anderen optischen Positionsdetektoren sehr kostengünstig. Deswegen ermöglicht das erfindungsgemäße Messprinzip großflächige Anwendungen, welche bisher aus wirtschaftlichen Gründen nicht realisiert wurden. - Mit dem vorgeschlagenen flächigen optischen Positionsdetektor sind einige Platzprobleme die mit anderen Positionsdetektoren auftreten gut vermeidbar:

Der vorgeschlagene Positionsdetektor liegt typischerweise als flexible Kunststofffolie vor. Er braucht damit nicht in einer Ebene angeordnet zu sein, sondern er kann auch an eine gekrümmte Fläche angelegt werden.

Der vorgeschlagene Positionsdetektor kann problemlos so großflächig ausgeführt sein, dass auch für die Abbildung (bzw. "Überwachung") einer großen abzubildenden Fläche keine Linsen erforderlich sind, die bei herkömmlichen Detektoren dafür erforderlich sind, das von der großen abzubildenden Fläche kommende Licht auf die viel kleinere Detektorfläche zu fokussieren. Damit kann die erfindungsgemäße Detektoranordnung sehr

Seite 5 • * • 44 44 44 • • 4 4 · • · • • » 4 « 4 • 4 4 444 • 4 • 4 • 4 • 4 • 4 • 44 4 J 454 viel flacher ausgeführt werden als Detektoranordnungen gemäß dem Stand der Technik. - Trotz hoher möglicher Ortsauflösung werden nur von einer relativ geringen Anzahl von fotoelektrischen Sensoren Daten in eine Datenverarbeitungsanlage eingelesen. Gegenüber dem Einlesen von den verbreitet üblicheren optischen Positionsdetektoren bei denen die Anzahl der unterscheidbaren Teilflächen gleich der Anzahl der auszulesenden fotoelektrischen Sensoren ist, . ist damit die Datenübertragung an die Datenverarbeitungsanlage bezüglich des Anlagenaufwandes einfacher und sie ist viel schneller durchführbar. - Die verwendeten Anlagenkomponenten sind relativ kostengünstig und robust.

Weitere Details und vorteilhafte Weiterentwicklungen werden an Hand einer Prinzipskizze näher erläutert:

Fig. 1: zeigt stilisiert in seitlicher Teilschnittansicht die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile in einer beispielhaften erfindungsgemäßen Messanordnung.

Im Beispiel gemäß Fig. 1 ist der zu vermessende bewegte Körper ein Rad 1, welches sich - wie durch Richtungspfeile angedeutet -sowohl um seine Achse drehen kann, als auch in einer dazu normalen Richtung verschoben werden kann. An einem - nicht dargestellten - Körper gegenüber welchem Relativbewegung des Rades 1 feststellbar sein soll, sind eine Beleuchtungseinheit 2 und eine Detektoreinheit 4 befestigt.

Das Rad 1 könnte typischerweise ein Rad eines Schienenfahrzeuges sein. Zweck der Messung wäre es dann, Auslenkungen des Rades gegenüber dem Schienenfahrzeug oder dem Drehgestell in vertikaler Richtung sowie Formveränderungen der Lauffläche des Rades in Echtzeit festzustellen und in einer Datenverarbeitungsanlage zu dokumentieren. Beleuchtungseinheit 2 und Detektoreinheit 4 wären

Seite 6 • * • ft ·· ft* • • ft « ft ft ♦ • • • • • · • • ft ft·· • ft • ft • · • ft • ft » ft*ft * J 454 dann am Rahmen des Schienenfahrzeuges bzw. am Drehgestell, an welchem das Rad gehalten ist, befestigt.

Von der Beleuchtungseinheit 2 aus werden Lichtstrahlen 3 zu der Detektoreinheit 4 gesandt. Die Lichtstrahlen 3 sind möglichst gut zueinander kollimiert (also parallel zueinander ausgerichtet) oder möglichst gut als von einer gemeinsamen realen oder virtuellen punktförmigen Lichtquelle ausgehend ausgerichtet.

Bezüglich der Richtung der Lichtstrahlen 3 ist zwischen der Beleuchtungseinheit 2 und der Detektoreinheit 4 der zu vermessende Gegenstand, im dargestellten Beispiel ein Rad 1, angeordnet. Dieses Rad 1 ragt in das durch die Lichtstrahlen 3 durchflutete Volumen, sodass es einen Schatten wirft, dessen Randlinie über die Detektoreinheit 4 verläuft. Wenn das Rad 1 normal zur Richtung der Lichtstrahlen 3 linear bewegt wird oder wenn seine bei Drehung in das lichtdurchflutete Volumen ragende Randfläche verformt wird, wird die Schattengrenze auf der Detektoreinheit 4 verschoben. Das Verschieben der Schattengrenze ruft in der Detektoreinheit 4 Signale hervor.

Kernstück der Beleuchtungseinheit 2 ist eine Lichtquelle 2.1, welche am besten durch eine lichtemittierende Halbleiterdiode und eine nachgeschaltete Linse realisiert wird. Damit können die Lichtstrahlen 3 bestmöglich zueinander kollimiert werden. Durch zwei weitere Möglichkeiten die eine Lichtquelle auf Halbleiterbasis bietet, kann die Anordnung sehr gut unempfindlich gegen Umgebungslichteinflüsse gemacht werden. Erstens kann man Selektivität des Positionsdetektors 4 auf die Wellenlänge des verwendeten Lichtes einschränken und das Licht mit sehr viel höherer Intensität ausstatten, als Licht dieser Wellenlänge im Umgebungslicht vorkommt. Zweitens kann man die Intensität des Lichtes mit einer Modulationsfrequenz beaufschlagen, es also mit hoher Frequenz periodisch ansteigen und abfallen lassen und von den Ausgangssignalen des Positionsdetektors 4 durch passende Filterung nur solche

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Signale zur weiteren Verarbeitung zulassen, welche auch diese Modulationsfrequenz aufweisen.

Natürlich ist es ratsam, die Lichtquelle 2.1 einschließlich nachgeschalter Linse durch eine für das ausgesandte Licht transparente Scheibe 2.4 nach außen hin abzudecken um sie vor Verschmutzung und mechanischer Beschädigung zu schützen. In der skizzierten bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtquelle und die transparente Scheibe 2.4 durch ein zur Lichtaustrittsseite hin einseitig offenes Gehäuse 2.2 umfasst und in das Gehäuse 2.3 wird durch eine Leitung 2.3 Luft gepumpt, welche durch die Öffnung aus der Lichtaustrittsseite wieder aus dem Gehäuse 2.3 entweicht. Damit wird erreicht, dass die transparente Scheibe 2.4 bei staubigen oder nebeligen Umgebungsbedingungen weniger schnell oder vielleicht gar nicht verschmutzt.

Ebenso um Verschmutzung vorzubeugen weist auch die Detektoreinheit 4 vorzugsweise ein Gehäuse 4.2 auf, welches zu der Seite hin, an welcher Licht eindringen können muss, eine Öffnung aufweist, durch welche Luft ausströmt, wozu die Luft durch eine Leitung 4.3 an anderer Stelle in das Gehäuse 4.2 hineingeführt wird. Ebenso soll auch das empfindliche Kernstückt der Detektoreinheit 4, nämlich der der flächige optische Positionsdetektor 4.1 zur Gehäuseöffnung hin durch eine transparente Scheibe 4.4 vor mechanischer Beschädigung und Verschmutzung geschützt werden. Damit durch Verschmutzung der Scheibe 4.4 verursachte Lichtstreuung das Messergebnis nicht zu sehr beeinflusst, sollte die Scheibe 4.4 möglichst nahe am flächige optische Positionsdetektor 4.1 angeordnet sein, vorzugsweise überhaupt daran anliegen.

Der flächige optische Positionsdetektor 4.1 ist ein flächiger Lichtwellenleiter, welcher fotolumineszente Partikel enthält und welcher an einer Seite eine Mehrzahl von verteilt angeordneten, kleinflächigen fotoelektrischen Sensoren 4.1.1 aufweist, welche im Stande sind, Licht aus der Wellenleitermode auszukoppeln und

Seite 8 J 454 99 9 ·· · *# 99 ♦ · « 9 9 » 9 9 • · 9 · 9 9 9 9 9 § * · 9 * 9 · #9 9 · 99··· 99 99· 99 99 99 9 zu detektieren, sodass in Abhängigkeit von der Intensität des an der jeweiligen Stelle ausgekoppelten Lichtes ein elektrisches Signal generiert wird.

Das an sich bekannte Funktionsprinzip eines derartigen flächige optische Positionsdetektor sei kurz wiederholt: Durch die fotolu-mineszenten Partikel, beispielsweise sind dies Farbstoffmoleküle oder Halbleiternanopartikel, wird von außen auftreffendes Licht in gestreutes Licht mit längerer Wellenlänge umgewandelt. Dieses Licht wird großteils in den Wellenleiter eingekoppelt und breitet sich darin aus. Aus mehreren Gründen nimmt die Lichtintensität im Wellenleiter mit zunehmender Entfernung von dem Punkt an welchem die Lumineszenz stattgefunden hat, ab und damit auch das an den jeweiligen fotoelektrischen Sensoren erzeugte elektrische Signal. Indem an dem Lichtwellenleiter mehrere fotoelektrische Sensoren in einem Abstand zueinander angeordnet sind, kann aus dem Verhältnis der gemessenen Signalstärken an den einzelnen fotoelektrischen Sensoren mit datentechnisch automatisierbaren mathematischen Methoden auf die Auftreffposition des die Lumineszenz auslösenden Lichtstrahls zurückgeschlossen werden, wobei die erreichbare Ortsauflösung vielfach feiner ist als der Abstand zwischen den benachbarten fotoelektrischen Sensoren. Als fotoelektrische Sensoren werden üblicherweise Fotodioden auf Siliziumbasis verwendet, deren aktive Querschnittsfläche beispielsweise 0,36 mm2 beträgt. Je nach erwünschter Ortsauflösung kann zwischen benachbarten fotoelektrischen Sensoren 15 bis 150 mm Abstand sein.

Unter anderem, weil trotz hoher Ortsauflösung der Positionsdetektion bei einem Messvorgang pro überwachter Fläche nur von einer vergleichsweise kleinen Anzahl von fotoelektrischen Sensoren 4.1.1 ein analoger Signalwert ausgelesen werden muss, kann der beschriebene flächige optische Positionsdetektor 4.1 extrem rasch ausgelesen werden und es können extrem viele Positionsmessungen pro Zeiteinheit durchgeführt werden, typischerweise 100000 Messungen pro Sekunde. Damit ist wie mit einer extremen Zeitlupenka-

Seite 9 mera eine äußerst hohe zeitliche Auflösung der Beobachtung möglich.

Die von den fotoelektrischen Sensoren des flächigen optischen Positionsdetektors 4.1 erzeugten Signale werden in eine Datenverarbeitungsanlage (nicht dargestellt) eingelesen und ausgewertet. Unter der als gegeben anzunehmenden Rahmenbedingung, dass durch die oben beschriebene Schattengrenze die Detektionsfläche in zwei von der Beleuchtungseinheit 2 unterschiedlich stark beleuchtete Flächenbereiche aufgeteilt wird, wobei der eine Flächenbereich für sich allein homogen beleuchtet ist und der andere Flächenbereich gar nicht beleuchtet ist, kann durch die Datenverarbeitungsanlage durch eine Art Interpolation aus den Messergebnissen von den einzelnen fotoelektrischen Sensoren rasch der Verlauf der Schattengrenze auf der Detektionsfläche errechnet werden. Damit ist relativ zur Detektoreinheit 4 in der zur Richtung der Lichtstrahlen 3 normalen Ebene auch die Position der einzelnen Punkte des Rades 1, an welchen die Licht-Schattengrenze am Rad liegt definiert.

Durch Beachtung der Dynamik von Signaländerungen an den einzelnen fotoelektrischen Sensoren 4.1.1 können wertvolle Informationen gewonnen werden, bzw. Falschinformationen unterdrückt werden:

Wie schon oben erwähnt, kann die Intensität der von der Beleuchtungseinheit 2 ausgesandten Lichtstrahlen 3 mit einer bestimmten Frequenz schwanken und den photoelektrischen Sensoren 4.1.1 kann ein Frequenzfilter nachgeschaltet sein, dessen Durchlassbereich auf diese Frequenz eingestellt ist. Dadurch können Störeffekte durch Umgebungslicht gut unterdrückt werden.

Beispielsweise kann der minimale Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Messungen 1 ps betragen (entspricht einer Messfrequenz von 1 MHz) und die Frequenz mit der die Lichtstrahlen 3 ein- und ausgeschaltet werden kann 100kHz betragen (Periodendauer

Seite 10 J 454 10 ps, 5 ps an und 5 ps aus). Mit dem erfindungsgemäßen Messprinzip lässt sich das problemlos verwirklichen. Damit können innerhalb einer Periode der Schwankung der Lichtleistung jeweils 5 Messwerte aufgenommen werden, die dann der Lichtstärke am Punkt eines Detektors entsprechen. Durch Subtraktion der Werte, welche gemessen wurden, während die Lichtquelle angeschaltet ist von jenen, die gemessen wurden während die Lichtquelle ausgeschaltet ist, ergibt dann ein sehr zuverlässiges Mass für die aktuelle Lichtstärke, die durch die Lichtquelle verursacht wurde.

Wenn durch die Datenverarbeitungsanlage auch die Drehzahl des Rades 1 gemessen wird, kann überprüft werden, ob sich Verschiebungen eines Teils der beobachteten Schattengrenze oder auch der ganzen beobachteten Schattengrenze im Takt der Drehung des Rades 1 oder eines ganzzahlig vielfachen Taktes davon wiederholen. Das ist dann ein klarer Hinweis auf Stellen am Rad 1, welche von der sonstigen Rotationssymmetrie abweichen.

Am Beispiel "Rad eines Schienenfahrzeuges'' ist das erstmalige Auftauchen eines solchen Messergebnisses sowie das einmalige plötzliche Verschieben der gesamten beobachten Schattengrenze ein Hinweis auf eine schadhafte Stelle an einer Eisenbahnschiene. In Verbindung mit einem Fahrtenschreiber kann mit dem Messverfahren diese schadhafte Stelle rasch gefunden werden.

Eine dauerhafte Verschiebung der Schattengrenze ohne dass sich deren Form verändert hat ist ein Hinweis auf eine dauerhafte relative Verschiebung des vermessenen Körpers. Dies kann am Beispiel des Schienenfahrzeugs durch eine Änderung der Elastizität der Federung geschehen, was auf eine entsprechende Materialermüdung hindeuten kann.

Eine dauerhafte Formänderung der Schattengrenze ist ein Hinweis, dass etwas gleichmäßig abgetragen oder aufgetragen wurde. Am Beispiel des Rades des Schienenfahrzeuges wäre über den Radumfang langsamer gleichmäßiger Abtrag typisch.

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Dauerhaft bleibende Helligkeitsveränderungen, welche den Bewegungen der Schattengrenze nicht folgen, sind ein starker Hinweis auf Verschmutzung einer der schützenden transparenten Scheiben 2.4 oder 4.4.

In einer einfachen, kostengünstigen und für viele Anwendungsfälle ausreichend guten Ausführung kann die gesamte Fläche des flächigen optischen Positionsdetektors 4.1 ein einziger durchgehender Lichtwellenleiter sein, an welchem an einigen Stellen photoelektrische Sensoren 4.1.1 angebracht sind, wobei diese sowohl an den Flächenrändern als auch an davon entfernt liegenden Flächenberei-chen angeordnet sein können.

Speziell bei komplizierten zu vermessenden Geometrien oder beim Erfordernis von besonders präziser und rascher Auswertung der Detektorsignale ist es vorteilhaft, wenn die Fläche des optischen Positionsdetektors 4.1 in mehrere, bezüglich Lichtwellenleitung voneinander isolierte Teilflächen unterteilt ist, wobei jede Teilfläche mit mehreren photoelektrischen Sensoren 4.1.1 bestückt ist. Da damit Lichtsignale, welche auf eine einzelne Teilfläche auftreffen, nicht die Sensorsignale von den anderen Teilflächen beeinflussen können, wird die Auswertung des Gesamtergebnisses vereinfacht und weniger fehleranfällig.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist an jenem Teil, an welchem Beleuchtungseinheit 2 und Detektoreinheit 4 unbeweglich zueinander montiert sind, als eine Art Blende eine Schablone 5 befestigt, welche in das von den Lichtstrahlen 3 durchflutete Volumen ragt und gemeinsam mit dem zu vermessenden Gegenstand 1 einen Schlitz eingrenzt, durch den hindurch Lichtstrahlen 3 zur Detektoreinheit 4 gelangen. Gegenüber einer Bauweise ohne derartige Schablone 5 wird die beleuchtete Fläche des optischen Positionsdetektors 4.1 besser eingegrenzt. Bei Änderungen von Form oder Position des zu vermessenden Gegenstandes 1 ist die relative Änderung des Lichtfleckes auf der Fläche des optischen Positions-

Seite 12 J 454 • · · ·♦ ·· ·· · • * ·* · φ · φ φ φ • 9 Φ ♦ Φ φ Φφ Φ φ · Φ • · ♦ · Φ Φ Φ φΦΦΦ Φ φ φ φ φφ φ* φ φ •· ··· ·| ΦΦ Φ * φ detektors 4.1 höher und damit deutlicher detektierbar. Die Schablone 5 kann beispielsweise durch einen Blechteil gebildet sein dessen dem zu überwachenden Gegenstand 1 zugewandter Rand der dortigen Kontur des Gegenstandes 1 angenähert geformt ist. Bevorzugt ist die Schablone 5 - wie in Fig. 1 angedeutet - relativ zu Beleuchtungseinheit 2 und Detektoreinheit 4 in einstellbarer Position montierbar, sodass der Spalt zu dem zu überwachenden Gegenstand zwar möglichst eng ist aber doch keine Kollision auf-tritt.

Das erfindungsgemäße Messprinzip ist besonders an solchen Vorrichtungen sinnvoll einsetzbar, welche relativ zueinander bewegte Teile umfassen, wobei von einem Teil aus ein relativ dazu periodisch wiederkehrend bewegter anderer Teil bezüglich seiner relativen Position oder seiner Geometrie vermessen werden soll. Besonders wertvoll ist es zur Überwachung jener periodisch wiederkehrend bewegten Teile, welche durch betriebsmäßig auftretende Beanspruchungen so sehr abgenutzt werden, dass sie während der üblichen Lebensdauer der Vorrichtung mehrmals gewartet oder ausgetauscht werden müssen.

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Claims

J 454 ·· · 9 9 9 9 99 9 9 9·#· · · 9 · ι • 9 * * I *»« » «99 * · * * * t « **« 9 V 9«99«9 9 9 Patentansprüche 1. Vorrichtung für die EchtZeitmessung von relativen Positionsdaten und/oder von geometrischen Maßen eines bewegten Körpers (1) unter Verwendung optischer Messmittel, wobei eine Beleuchtungseinheit (2) und eine Detektoreinheit (4), von welcher Ausgangsdaten an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelbar sind, in einem Abstand zueinander unbeweglich zueinander befestigt sind, wobei der bewegte Körper (1) relativ zu Beleuchtungseinheit (2) und Detektoreinheit (4) geführt beweglich ist und von einem Teil der von der Beleuchtungseinheit (2) ausgesandten Lichtstrahlen (3) getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lichtstrahlen (3) von der Beleuchtungseinheit (2) aus in Richtung auf die Detektoreinheit (4) gesandt werden, - der bewegte Körper (1) zwischen der Beleuchtungseinheit f (2) und der Detektoreinheit (4) in das von den Lichtstrahlen (3) durchflutete Volumen ragt, - die Schattengrenze des vom bewegten Körper (4) dadurch geworfenen Schattens über die Detektoreinheit (4) verläuft, - die Detektoreinheit (4) einen flächigen optischen Positionsdetektor (4.1) umfasst, welcher als flächiger Lichtwellenleiter ausgebildet ist, welcher fotolumineszente Partikel enthält und welcher an einer Seite eine Mehrzahl von in Abständen zueinander angeordneten, kleinflächigen fotoelektrischen Sensoren (4.1.1) aufweist, welche im Stande sind, Licht aus der Wellenleitermode im Lichtwellenleiter auszukoppeln und ein elektrisches Signal zu generieren, dessen Stärke mit der Intensität des ausgekoppelten Lichtes korreliert. Seite 14 J 454

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegte Körper (1) relativ zu Beleuchtungseinheit (2) und Detektoreinheit (4) in einen sich periodisch widerholenden Bewegungsverlauf versetzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der bewegte Körper (1) relativ zu Beleuchtungseinheit (2) und Detektoreinheit (4) rotiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der der bewegte Körper (1) ein Rad eines Schienenfahrzeuges ist und dass Beieuchtungseinheit (2) und Detektoreinheit (4) am Rahmen des Schienenfahrzeuges oder an einem Drehgestell des Schienenfahrzeuges befestigt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des flächigen optischen Positionsdetektors (4.1) in der zur Richtung der Lichtstrahlen (3) normal liegenden Ebene gleich groß oder größer sind, als die Querschnittfläche des von den Lichtstrahlen (3) durchfluteten Volumens.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass relativ zu Beieuchtungseinheit (2) und Detektoreinheit (4) unbewegliche Schablone (5) in das von Lichtstrahlen (3) durchflutete Volumen ragt und gemeinsam mit dem zu vermessenden Gegenstand (1) einen Schlitz eingrenzt, durch den hindurch Lichtstrahlen 3 zur Detektoreinheit 4 gelangen.
7. Verfahren für die EchtZeitmessung von relativen Positionsdaten und/oder von geometrischen Maßen eines bewegten Körpers (1) unter Verwendung optischer Messmittel, wobei eine Beleuchtungseinheit (2) und eine Detektoreinheit (4), von welcher Ausgangsdaten an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelt werden, in einem Abstand zueinander unbeweglich zueinander befestigt sind, wobei der bewegte Körper (1) relativ Seite 15 J 454 zu Beleuchtungseinheit (2) und Detektoreinheit (4) geführt bewegt wird und von einem Teil der von der Beleuchtungseinheit {2) ausgesandten Lichtstrahlen (3) getroffen wird, wobei die Detektoreinheit (4) einen flächigen optischen Positionsdetektor (4.1) umfasst, welcher als flächiger Lichtwellenleiter ausgebildet ist, welcher fotolumineszente Partikel enthält und welcher an einer Seite eine Mehrzahl von in Abständen zueinander angeordneten, kleinflächigen fotoelektrischen Sensoren (4.1.1) aufweist, welche Licht aus der Wellenleitermode im Lichtwellenleiter auskoppeln elektrische Signale generieren, deren Stärke mit der Intensität des ausgekoppelten Lichtes korreliert, wobei Lichtstrahlen (3) von der Beleuchtungseinheit (2) aus in Richtung auf die Detektoreinheit (4) gesandt werden, wobei der bewegte Körper (1) zwischen der Beleuchtungseinheit (2) und der Detektoreinheit (4) in das von den Lichtstrahlen (3) durchflutete Volumen ragt und wobei die Schattengrenze des vom bewegten Körper (4) dadurch geworfenen Schattens über die Detektoreinheit (4) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass - der Körper (1) sich periodisch widerholende gleichartige Bewegungen ausführt und die Datenverarbeitungsanlage die Wiederholfrequenz der Bewegungen erfasst, - durch die Datenverarbeitungsanlage überprüft wird, ob Schwankungen von Signalstärken der von den fotoelektrischen Detektoren (4.1.1) gesandten elektrischen Signale sich in gleicher oder ganzzahlig vielfach höherer Wiederholfrequenz wiederholen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Datenverarbeitungsanlage durch Interpolation aus den Messwerten der einzelnen fotoelektrischen Sensoren (4.1.1) der Verlauf der Schattengrenze bezüglich Beleuchtung mit Lichtstrahlen (3) am flächigen optischen Positionsdetek- Seite 16 J 454 ·· · ·· ·# ··· ······ · » · • · · · Ψ I«« · « · · • ι » « · · «« »·« • · ·«»·«·· « ·· ·· »t ·· ·· · tor (4.1) errechnet wird, wobei für die Berechnung von der Randbedingung ausgegangen wird, dass die Schattengrenze die Fläche des flächigen optischen Positionsdetektors (4.1) bezüglich Beleuchtung mit Lichtstrahlen (3) in zwei unterschiedlich stark beleuchtete Flächenbereiche aufteilt, wobei der eine Flächenbereich für sich allein homogen beleuchtet ist und der andere Flächenbereich gar nicht beleuchtet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu angewandt wird an einem Schienenfahrzeug während des Fährbetriebes Position und Geometrie eines auf einer Schiene rollenden Rades (1) zu vermessen. Seite 17