Elektromagnetischer Dedektor Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagne tischen Detektor zur Feststellung ferromagnetischer und/ oder elektrisch leitender Körper, insbesondere in der Eisenbahnsicherungstechnik.
Zum Nachweis ferromagnetischer Körper sind ver schiedene Einrichtungen bekannt. Insbesondere sind für die Eisenbahnsicherungstechnik sogenannte Gleisgeräte im Zusammenhang mit Achszählgeräten im Gebrauch. Solche Gleisgeräte geben bei der Passage eines Eisen bahnrades an einer bestimmten Stelle des Gleises ein elektrisches Signal ab. Vermittelst Zählgeräten können aufgrund dieser Signale beispielsweise die in einen be stimmten Gleisabschnitt einlaufenden und die aus ihm auslaufenden Räder gezählt werden.
Aus dem Vergleich der Zählergebnisse lassen sich dann in bekannter Weise Kriterien für die Gleis-Frei-Meldung bzw. für die Gleis- Belegt-Meldung bilden.
Solche Gleisgeräte arbeiten beispielsweise mit Per manentmagneten, wobei deren Feld auf eine Induk tionsspule wirkt. Beim Durchlauf eines Rades zwischen Permanentmagnet und Induktionsspule tritt eine ab schirmende Wirkung des Rades auf, und die dadurch bewirkte Feldänderung in der Induktionsspule erzeugt in dieser eine Induktionsspannung. - Es sind auch Gleisgeräte vorgeschlagen worden mit beidseits der Schiene angeordneten Induktionsspulen, wobei dann ein zwischen den Spulen durchlaufendes Rad die Kopplung zwischen beiden Spulen ändert.
Solche Einrichtungen geben zufolge der dabei auf tretenden grossen magnetischen Streuung nur sehr schwache Signale ab. Dies ist ein grosser Nachteil, denn schwache Signale können leicht von Störsignalen überdeckt oder durch solche Störsignale vorgetäuscht werden. Bei der Anwendung beispielsweise im Eisen bahn-Sicherungswesen und verwandten Gebieten könn ten aber die genannten Störungen Anlass zu falscher Gleisfreimeldung und dadurch zu Zugskollisionen ge ben.
Gleisgeräte, bei denen beidseitig einer Schiene Teile der Einrichtung montiert sein müssen, sind in der Praxis auch nur mit Schwierigkeit einzubauen und dauernd mit genügender Genauigkeit in korrekter Justierung zu halten wegen den grossen mechanischen Beanspruchun gen durch die starken Erschütterungen bei jeder Zugs durchfahrt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Detektor zu schaffen, welcher auf nur einer Seite einer Schiene angeordnet ist und welcher bei der Anwesenheit und/oder dem Durchlauf eines Ra des ein kräftiges Signal abgibt, ein Signal, das sich von den üblichen Störsignalen unterscheidet.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein in seiner Stärke grundsätzlich frei wählbares magnetisches Wechselfeld einer stromdurchflossenen Erregerspule auf eine im Magnetfeld der Erregerspule angeordnete Son denspule wirken zu lassen. Dabei ist die Anordnung der Spulen so getroffen, dass bei Abwesenheit eines nachzuweisenden Körpers die räumliche Lage und Orientierung der Sondenspule dafür sorgt, dass die Son denspule von der Erregerspule, bzw. ihrem Magnetfeld entkoppelt ist, dass aber ein in das Magnetfeld der Erregerspule eindringender oder eingedrungener, nach zuweisender Körper das Magnetfeld der Erregerspule ablenkt, bzw. deformiert, wodurch dann die Sonden spule in diesem veränderten Magnetfeld nicht mehr von der Erregerspule entkoppelt ist.
Im abgelenkten, deformierten Magnetfeld durch setzt ein Teil des Wechselflusses die Sondenspule und erzeugt in deren Windungen eine Induktionsspannung mit der Frequenz des Erregerstromes in der Erreger spule.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der Kraftlinienver- lauf eines magnetischen Wechselfeldes bekanntlich nicht nur durch ferromagnetische Körper verändert werden kann, sondern generell auch von elektrisch leitenden Körpern zufolge der Wirbelstrombildung in diesen lei tenden Körpern. Ein elektromagnetischer Detektor auf der Basis eines magnetischen Wechselfeldes reagiert daher auch auf nicht ferromagnetische, jedoch elek trisch leitende Körper.
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Detektor zur Feststellung ferromagnetischer und/oder elektrisch leitender Körper insbesondere im Eisenbahn Sicherungswesen und zeichnet sich dadurch aus, dass sich im Magnetfeld einer von einem Wechselstrom durchflossenen Erregerspule mindestens eine durch ihre räumliche Lage und ihre Orientierung zum genannten Magnetfeld mindestens annähernd gegenüber der Erre gerspule magnetisch entkoppelte Sondenspule befindet,
in welcher Sondenspule die vom genannten Magnet feld der Erregerspule induzierte Wechselspannung mit der Frequenz des Erregerstromes zufolge Ablenkung und/oder Deformation des Magnetfeldes der Erreger spule durch einen festzustellenden Körper grösser ist als bei Abwesenheit des genannten festzustellenden Kör pers.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Aus führungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Aus führung und Anwendung beschränkt.
In den beiliegenden Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine idealisierte Anordnung von Erregerspule und Sondenspule.
Fig. 2 eine vorteilhafte Anordnung der Erregerspule, der Sondenspule und eines Kastens für deren Unter bringung und eine vorteilhafte Anordnung des elektro magnetischen Detektors in einem Gleisabschnitt.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Erregerspule, gebildet durch eine kreisrunde Schleife eines elektrischen Lei ters. Wird diese Erregerspule 1 von einem Wechsel strom I mit der Frequenz f durchflossen, so wird ein zur Achse 2 der Erregerspule 1 rotationssymmetrisches magnetisches Wechselfeld erzeugt. Das magnetische Wechselfeld ist ausserdem symmetrisch zur Windungs ebene 3 der Erregerspule 1. - Eine weitere Spule, sie sei Sondenspule 10 genannt, ist im Magnetfeld der Er regerspule 1 angeordnet.
Dabei ist ihre Lage und ihre räumliche Orientierung so gewählt, dass sie von der Erregerspule 1 magnetisch entkoppelt ist, d. h. dass die beispielsweise gezeichneten magnetischen Kraftlinien 4, 5 und 4', 5' die Sondenspule 10 nicht durchsetzen. Die magnetische Entkopplung ist beispielsweise dann erfüllt, wenn die Achse 12 der Sonenspule 10 parallel zur Windungsebene 3 der Erregerspule 1 verläuft und wenn ausserdem die Achse 2 der Erregerspule 1 in der Windungsebene 13 der Sondenspule verläuft. Be sonders vorteilhaft ist es, wenn sich zusätzlich die Ach sen 2 und 12 der beiden Spulen schneiden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
In einer solchen Anordnung magnetisch entkoppel- ter Spulen wird in der Sondenspule 10 keine Spannung induziert, wie stark auch das magnetische Feld der Erregerspule sein mag.
Anstelle von Spulen mit nur einer Windung können bekanntlich auch Spulen mit vielen Windungen, wel che symmetrisch zur Windungsebene 3 bzw. 13 liegen, benutzt werden. Die Ebene 3 bzw. 13 stellt dann wie bekannt die sog. mittlere Windungsebene dar und alle bisherigen Überlegungen gelten sinngemäss wie wenn eine Spule mit nur einer Windung in dieser mittleren Windungsebene vorhanden wäre, wobei aber in dieser einen Windung ein entsprechend stärkerer Strom flies- sen würde.
Es ist zu beachten, dass Entkopplung der Sonden spule 10 von der Erregerspule 1 erreicht werden kann, sowohl wenn die Sondenspule 10 innerhalb der Erre gerspule 1 liegt (Achsen 2 und 12 schneiden sich), als auch, wenn die Sondenspule nur teilweise in die Erregerspule eintaucht oder auch ganz ausserhalb der Erregerspule 1 liegt.
Massgeblich für die gegenseitige Entkopplung ist immer die Lage und Orientierung der Sondenspule 10 im Magnetfeld der Erregerspule 1.
Es können aber auch nichtkreisförmige Spulen ver wendet werden, wichtig ist nur, dass ein definiertes Magnetfeld der Erregerspule 1 entsteht, innerhalb des sen die Sondenspule 10 magnetisch entkoppelt angeord net werden kann.
Wird nun der räumliche Verlauf der Kraftlinien des Erregermagnetfeldes beispielsweise durch die An wesenheit eines ferromagnetischen Körpers abgelenkt, mit andern Worten wird das Magnetfeld der Erreger spule 1 deformiert, so befindet sich die - im ungestör ten Magnetfeld entkoppelt angeordnete Sondenspule 10 - relativ zum abgelenkten, deformi: rten Erregermagnet feld nicht mehr in entkoppelter Lage. Dies mit Aus nahme des speziellen Falles einer, bezogen auf die Sondenspule, genau symmetrischen Deformation, wel cher Fall aber praktisch bedeutungslos ist, da er durch zweckmässige Orientierung der Erregerspule zum Raum, der durch magnetischen Detektor überwacht wird, vermieden werden kann.
Zufolge der Ablenkung des Erregermagnetfeldes und des dadurch entstehenden Verlustes der Entkopp lung wird in der Sondenspule 10 eine Spannung U mit der Frequenz f des Wechselstromes I (in der Erreger spule 1 fliessend) induziert. Es ist leicht ersichtlich, dass es sich - aus Symmetriegründen - bei der be schriebenen Anordnung bzw. Arbeitsweise um eine so genannte Nullmethode handelt. Schon geringfügige Ab lenkungen des Erregerfeldes verursachen ein kräftiges Signal in der Sondenspule 10.
In der praktischen Anwendung ist es besonders vorteilhaft, dass die ganze Einrichtung des elektroma gnetischen Detektors zur Gänze auf nur einer Seite einer Schiene, zweckmässigerweise innerhalb des Glei ses angeordnet werden kann. Auch ist es besonders vorteilhaft, dass Erregerspule 1 und Sondenspule 10 dicht gedrängt in einer robusten baulichen Einheit zu- sammengefasst werden können, so dass einerseits bei Ablenkung des Magnetfeldes ein sehr kräftiges Signal entsteht und anderseits der Einbau im Gleis sehr leicht möglich ist. Zufolge der Bauweise in einer kompakten Einheit ist auch die exakte räumliche Lage der Erreger spule 1 und der Sondenspule 10 - besonders auch re lativ zueinander - auf lange Zeit gewährleistet.
Ein besonderer weiterer Vorteil_ dieses elektroma gnetischen Detektors liegt auch darin, dass sich das Nutzsignal U dadurch, dass seine Frequenz f im voraus bekannt ist und zweckmässig gewählt werden kann, von den im Bahnbetrieb üblichen Störungen unterschei det und als beispielsweise tonfrequentes Signal von bei spielsweise 3000 Hz leicht zu einer zentralgelegen?n Auswertestelle übertragen werden kann.
Es ist nun noch darauf hinzuweisen, dass im prak tischen Einbau der Einrichtung dieses elektromagne tischen Detektors beispielsweise in ein Gleisstück die ser vorteilhafterweise zwischen zwei die Schienen tra gende Schwellen eingebaut wird, wenn es sich um metal- Jene Schwellen handelt. Dies deshalb, weil dann die Beeinflussung des räumlichen Verlaufes des Erreger magnetfeldes durch die vorhandenen - ruhenden Metallmassen relativ klein bleibt.
Es ist ausserdem darauf hinzuweisen, dass bei spielsweise eine um geringe Beträge verschiebbare und/ oder schwenkbare Sondenspule auch bei - etwa wegen vorhandener ruhender Metallnassen in der Umgebung - in gewissem Masse deformiertem Erregermagnetfeld (ohne Anwesenheit eines festzustellenden Körpers) es erlaubt, mindestens eine sehr weitgehende Entkopplung der Sondenspule 10 gegenüber der Erregerspule 1 und deren Magnetfeld einzustellen. Eine analoge Wirkung hat natürlich auch eine Verschiebung bzw. Schwen kung der Erregerspule 1.
In der praktischen Anwen dung des elektromagnetischen Detektors ist die Span nung U an der Sondenspule 10 ohne einen festzustel lenden Körper nicht exakt Null, es lässt sich aber stets ein so kleiner Wert einstellen, dass das Nutzsignal, also bei Anwesenheit eines festzustellenden Körpers, erheb lich stärker ist, beispielsweise 10 bis 100 mal stärker.
Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Anordnung der Erre gerspule 1, der Sondenspule 10 und eines Kastens 25 für deren Unterbringung und eine vorteilhafte Anord nung des elektromagnetischen Detektors in einem Gleis stück, im Grundriss. Die Zeichenebene ist dabei paral lel zur Auflagefläche des Gleises gedacht.
In einem Gleisstück mit den beiden Schwellen 20 und 21 und den auf ihnen ruhenden Schienenstücken 23 und 24 ist, etwa symmetrisch zur Mittelachse 22 des Feldes zwischen den beiden Schwellen 20 und 21, ein Kasten 25 vorzugsweise aus magnetisch indifferen tem Material, - beispielsweise glasfaserverstärktem Kunstharz oder ähnlichem Material-montiert, der den magnetischen Detektor mit der Erregerspule 1 und der verschiebbar und schwenkbar angeordneten Sonden spule 10 enthält. Der gleiche Kasten kann auch zur Aufnahme weiterer Hilfsgeräte dienen, welche dem elektromagnetischen Detektor zugeordnet sein können, wie etwa ein Oszillator für die Erzeugung des Erreger stromes I, ein Verstärker und Leitungsanschlussgerät für die Wegführung des Signals U usw.
Die Achse 2 der Erregerspule liegt vorteilhafter weise in einer Parallelebene, in welcher die Laufflächen der beiden Schienenstücke 23 und 24 liegen. Ihre Höhe über der Oberkante der Schwellen 20 und 21 richtet sich nach den gegebenen Verhältnissen, d. h. insbeson dere nach dem aus bahnbetrieblichen Gründen zum Einbau zur Verfügung stehenden Raum, bzw. Profil. Es ist zweckmässig, innerhalb dieser Grenzen die Ach se 2 der Erregerspule so hoch zu legen, wie dies aus den genannten Gründen zulässig ist, denn dann ergibt sich eine stärkere Beeinflussung des Erregerfeldes durch ein durchrollendes Eisenbahnrad 30, als wenn die Ach se 2 sehr tiefliegend gewählt wird.
Es hat sich gezeigt, dass ein besonders starkes Nutz signal U an der Sondenspule 10 zu erzielen ist, wenn die Achse 2 der Erregerspule 1 dabei einen spitzen Winkel zur Schienenlängsrichtung einnimmt. Die Son denspule 10 liegt dann vorteilhafterweise nahe bei der Erregerspule 1, etwa so wie in Fig. 2 dargestellt. Selbst verständlich wird der elektromagnetische Detektor seit lich so nahe an die Schiene 23 herangebracht, wie dies aus bahnbetrieblichen Gründen zulässig ist.
Durch die Anwesenheit der ruhenden Metallmas sen, beispielsweise Schwellen 20 und 21 und Schiene 23, oder auch Metallteile des Kastens 25 wird erwar- tungsgemäss das Erregermagnetfeld gegenüber seinem Verlauf in einem metallfreien Raum bereits etwas de formiert. Dies ist in Fig. 2 durch die beispielsweise ein gezeichneten Kraftlinien 6 und- 7 dargestellt. Diese Kraftlinien 6 und 7 verlaufen nicht mehr symmetrisch, wie etwa die Kraftlinien 5 und 5' in Fig. 1.
Immerhin zeigt es sich in der Praxis, dass das deformierte Erre gerfeld eine neue Achse 2' aufweist, welche angibt, wie die Sondenspule 10 etwa für die Erzielung mini maler Spannung U zu orientieren ist. Schwenkt man nämlich die Sondenspule 10 etwa um den Winkel a (a = Winkel zwischen den Achsen 2 und 2'), so ist auch im deformierten Erregerfeld ein eindeutiges Mini mum für die Spannung U zu erzielen. Die Achse 12 der Sondenspule 10 steht dann wenigstens angenähert senkrecht auf der Achse 2'.
Es ergibt sich daraus, dass es aus praktischen Gründen vorteilhaft ist, mindestens die eine der bei den Spulen 1 und 10 schwenkbar und eventuell ver schiebbar zu montieren.
Befindet sich nun zusätzlich ein zu erkennender ferromagnetischer und/oder elektrisch leitender Körper, z. B. ein Eisenbahnrad 30 - ruhend oder bewegt auf der Schiene 23 in der Nähe der Erregerspule 1, so wird das Erregerfeld zusätzlich noch stärker abge lenkt bzw. deformiert, wie dies in Fig. 2 etwa durch die für diesen Fall gestrichelt gezeichneten Kraftlinien 6' und 7' dargestellt ist. Durch diese vom zu erkennen den Körper, dem Eisenbahnrad 30, verursachte zu sätzliche Deformation verlagert sich die Achse des Er regerfeldes nochmals in eine neue Lage, sie ist mit 2" bezeichnet, beispielsweise um einen zusätzlichen Win kelbetrag ss gegenüber der vorher eingenommenen Lage 2' (a).
Da nun aber die Sondenspule 10 auf minimale Spannung U für die Achse 2' (a) justiert ist, die zusätz liche Deformation des Erregermagnetfeldes aber die neue Achse 2" (ss) aufweist, wird wieder eine starke Spannung U mit der Frequenz f in der Sondenspule 10 induziert, solange der festzustellende Körper, das Ei senbahnrad 30, in der Nähe ist.
Die Spannung U in der Sondenspule 10 ist propor tional der Ampere-Windungszahl der wechselstrom- durchflossenen Erregerspule 1. Durch einen kräftigen Strom I hat man es bei fest angenommener Windungs- zahl in der Hand, die Höhe des Nutzpegels von U ge nügend hoch zu legen, derart, dass Störspannungen keinen schädlichen Einfluss mehr haben.
Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn der Erregerspule 1 mit der Induktivität L ein Kon densator mit der Kapazität C zugeschaltet wird, der art, dass sich für die Frequenz f Resonanz ergibt. Zum Beispiel kann auch die Erregerspule 1 als Schwing kreisinduktivität in einer Oszillatorschaltung liegen, wel che Schwingungen mit der Resonanzfrequenz f erzeugt.
Stimmt man zusätzlich auch die Sondenspule 10 mit einer Kapazität auf die gleiche Frequenz wie f ab, so ergibt sich durch Resonanzwirkung ein nochmals höherer Nutzpegel. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass mit wenigen Watt einem Oszillator mit der Erre gerspule 1 zugeführter Gleichstromleistung sehr leicht ein Nutzpegel des Sondensignals in der Grösse meh rerer Milliwatt zu - erzielen ist.
Wählt man beispiels weise die Frequenz f etwa 1 bis 3 Khz, so lässt sich ein solches tonfrequentes Signal sehr einfach fernmel detechnisch verarbeiten, zum Beispiel simultan über die Gleichstromspeiseleitung für den Oszillator zu einer zentralen Auswertestelle leiten.
Die Anwendung des Resonanzprinzips bei der Er regerspule 1 und/oder der Sondenspule 10 gibt ohne praktisch ins Gewicht fallende Mehrkosten eine erheb liche Steigerung der Ansprechempfindlichkeit des elek tromagnetischen Detektors.
Stellt man, abweichend von der Darstellung in Fig.2, die Erregerspule 1 so auf, dass deren Achse 2 mindestens annähernd parallel zur Längsrichtung der Schiene 23 verläuft, so kann man auch beidseits der Erregerspule 1 Sondenspulen 10 anordnen. - Beim Durchlauf eines Eisenbahnrades 30 geben dann die beiden Sondenspulen nacheinander ein Signal ab, bzw. das an ihnen auftretende Signal erreicht nacheinander den Maximalwert. Durch Ausnützung dieser zeitlichen Verzögerung lässt sich die Bewegungsrichtung und auch die Geschwindigkeit des festzustellenden Körpers er fassen.