Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Sensor ist z. B. aus der DE 3 643 970 C2 bekannt. Er dient dazu, die Räder von auf Schienen vorüberlaufenden Eisenbahnfahrzeugen zu detektieren und entsprechende Sensormeldungen z.B. an ein Zählwerk für die Frei- und Besetztmeldung eines Gleisabschnittes zu übermitteln. Zum Detektieren vorüberlaufender Eisenbahnräder wertet der Sensor die Bedämpfung seines Oszillatorschwingkreises durch die Eisenmassen der Fahrzeugräder aus. Dabei verändert sich die am Oszillatorschwingkreis anstehende Sensorspannung oder aber der vom Oszillator aufgenommene Speisestrom gegenüber dem nicht befahrenen Sensor. Eine Bewertungseinrichtung erkennt dies und reagiert daraufhin mit entsprechenden Sensormeldungen.
Die Sensormeldungen können durch unterschiedliche Stromaufnahmen des Sensors dargestellt sein; die jeweilige Stromaufnahme lässt sich weit ab vom Sensor in einer speisenden Überwachungseinrichtung detektieren.
Unglücklicherweise sprechen die Radsensoren nicht nur auf vorüberlaufende Fahrzeuge an, sondern u.a. auch auf fahrzeugseitige Wirbelstrombremsen, wobei es in Abhängigkeit vom Betriebszustand der einzelnen Wirbelstrombremsen gelegentlich zu keinem, zu einem oder zu mehreren eine Beeinflussung anzeigenden Sensormeldungen kommen kann. Die Beeinflussung eines Oszillators durch eine Wirbelstrombremse ist im Wesentlichen abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Wirbelstrombremse vorbeibewegt wird und durch die Stärke des die Schwingkreisinduktivität durchsetzenden Störfeldes der Bremse.
Obgleich die zeitlichen Änderungen des Streufeldes von Wirbelstrombremsen auch bei hohen Geschwindigkeiten weit unterhalb der Resonanzfrequenz der Radsensoren liegen, was wegen der Selektivität der Schwingkreise an sich unbedenklich ist, entstehen durch die Intensität der magnetischen Streufelder linearer Wirbelstrombremsen so hohe Störspannungen, dass die Radsensoren darauf mit entsprechenden Sensormeldungen reagieren können, die das Vorüberlaufen eines Fahrzeugrades vortäuschen.
Um das Entstehen solcher fehlerhafter Sensormeldungen möglichst zu vermeiden, gibt es verschiedene Lösungsansätze. So sieht z.B. die DE 3 200 553 C2 die Anordnung einer auf das Feld von Fahrzeugbremsen ansprechenden Magnetfeldsonde im Bereich eines Radsensors vor, die beim Erkennen eines solchen Magnetfeldes für die Dauer ihrer Beeinflussung das Ausgeben von Radsensormeldungen unterbindet.
Aus der DE 3 720 576 A1 ist eine Einrichtung an einem elektronischen Doppelschienenkontakt bekannt, bei der ein nichtlineares Schaltelement, das von den Magnetfeldern einer abgesenkten und erregten Wirbelstrombremse einzustellen ist, die Schwingkreise der Sensoroszillatoren vorübergehend kurzschliesst und damit ebenfalls die Ausgabe von Radsensormeldungen verhindert.
Beide Einrichtungen zum Erkennen der von fahrzeugseitigen Wirbelstrombremsen ausgehenden Magnetfelder sprechen auf nicht mit eingeschalteten Wirbelstrombremsen ausgestattete Fahrzeuge nicht an. Sie arbeiten damit nach dem Arbeitsstromprinzip und sind nicht funktionsüberwacht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so weiterzubilden, dass alle für das Erkennen und Unwirksammachen von Wirbelstrombeeinflussungen vorgesehenen Elemente bei jeder Radbefahrung in den Bewertungsvorgang für die Sensormeldungen einbezogen sind, sodass zu erwarten steht, dass sie dann, wenn sie wirklich benötigt werden, nämlich beim Vorbeibewegen eingeschalteter Wirbelstrombremsen, auch tatsächlich funktionsfähig sind und zuverlässig reagieren.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Durch das vorgesehene Bedampfen der niederfrequenten Störspannungen wird verhindert, dass diese den Oszillator übersteuern können, wobei die Schwingungen des Oszillators aussetzen oder zumindest deutlich vermindert würden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemässen Sensors sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. So soll nach der Lehre des Anspruches 2 das Filterelement vorzugsweise als Hochpassfilter ausgebildet sein. Eine spezielle Ausgestaltung eines solchen Hochpassfilters für einen bestimmten Sensor ist im Anspruch 3 angegeben, wobei gemäss Anspruch 4 der im Anspruch 3 erwähnte Widerstand der Emitterwiderstand des Oszillatortransistors sein soll.
Durch die Dimensionierung gemäss Anspruch 5 wird erreicht, dass das Sensorsignal nach Massgabe der gewählten Rückkopplung qua si ungedämpft auf den Sensoroszillator zurückgeführt wird, während die sehr viel niederfrequenteren, auf Wirbelstrombremsenbeeinflussung basierenden Störspannungen nahezu vollständig abgeblockt werden und daher den Sensoroszillator auch so gut wie nicht beeinflussen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 das Prinzip eines nach dem Prinzip des induktiven Nahrungsinitiators arbeitenden bekannten Radsensors, in
Fig. 2 das Prinzip des erfindungsgemässen Sensors und in
Fig. 3 die konkrete Ausgestaltung eines Radsensors mit einer nach der Erfindung vorgesehenen Filtereinrichtung.
Zur Erläuterung der Probleme der Störbeeinflussung von Radsensoren durch Wirbelstrombremsen wird Bezug genommen auf Fig. 1. Ein Verstärker V mit definiertem Verstärkungsfaktor v erzeugt an einem Schwingkreis LC die Wechselspannung Usensor, wenn das auf seinen Eingang zurückgekoppelte Signal k . Usensor (k < 1) mit der Bedingung k . v > 1 ausreichend verstärkt wird, um die Verluste des Schwingkreises auszugleichen. Das auf das Magnetfeld der Sensorinduktivität einwirkende Metall des Spurkranzes eines Fahrzeugrades erhöht die Verluste des Schwingkreises vorübergehend und führt zu einem Abreissen der Schwingungen oder bei Sensortypen nach der DB 3 643 970 C2 zu einer Verringerung der Amplitude.
Starke zeitlich veränderliche Magnetfelder wie das Streufeld einer voll erregten und schnell bewegten linearen Wirbelstrombremse erzeugen in der Sensorinduktivität eine Störspannung Ustör, welche die Grössenordnung der Sensorspannung Usensor erreichen oder überschreiten kann, auch wenn sich die zeitlichen Änderungen bzw. die Frequenzen der Störung weit unter der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bewegen. Auf den Verstärkereingang wird dann zusätzlich zu dem zurückgekoppelten Signal k.Usensor die Spannung k.Ustör geleitet. Dieser Störanteil kann den Verstärker so übersteuern, dass die Ansteuerung des Schwingkreises mit der Resonanzfrequenz fsensor nicht mehr aufrecht erhalten werden kann. Die Schwingungen reissen dann ab bzw. ihre Amplitude sinkt, wobei der Sensor eine ähnliche Reaktion zeigt wie auf das Metall eines Radspurkranzes.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis zum Eliminieren des störenden Einflusses voll erregter Wirbelstrombremsen auf Radsensoren liegt darin, dass sich die in der Schwingkreisinduktivität des Sensors induzierte Störspannung frequenzmässig ausserordentlich stark unterscheidet von der Arbeitsfrequenz des Oszillators und dass es deshalb möglich sein müsste, die beiden am Oszillatorschwingkreis anstehenden Spannungen wieder in ihre Komponenten aufzuteilen und die eine Spannung, nämlich die bremsenbedingte Störspannung, durch geeignete Massnahmen herauszufiltern. Die Erfindung sieht hierzu vor, die Auswirkung des Störers durch ein dem Verstärkereingang vorgeschaltetes Filterelement F mit Hochpasscharakter zu reduzieren. Hierzu wird auf Fig. 2 Bezug genommen.
Wie in Fig. 1 liegt an der Sensorinduktivität des Oszillatorschwingkreises LC neben der Sensorspannung Usensor die durch das Magnetfeld einer vorbeibewegten Wirbelstrombremse induzierte Störspannung Ustör an; beide Spannungen unterscheiden sich in ihren Frequenzen fstör, fsensor markant voneinander. In den Rückkopplungszweig des Verstärkers V ist das erfindungsgemäss vorgesehene Filterelement F geschaltet, das Schwingungen im Bereich der Oszillatorfrequenz fsensor quasi ungedämpft passieren lässt, aber die sehr viel niederfrequenteren Schwingungen der eingekoppelten Störspannung Ustör abblockt. Bei hinreichender Dämpfung des rückgekoppelten Störsignals k . d .
Ustör für eine Dämpfung d << 1 wirkt sich die Störspannung nicht mehr auf die Betriebsparameter des Verstärkers aus und beeinträchtigt damit nicht die Schwingkreisansteuerung und weitere Auswertung der Sensorspannung Usensor. Die Dämpfung der Sensorspannung Usensor liegt in der Grössenordnung von 1, d.h. die Sensorspannung wird in dem Filterelement F so gut wie nicht vermindert. Das Filterelement F ist vorzugsweise als Hochpassfilter ausgeführt; es kann aber auch ein Bandfilter vorgesehen sein, dessen Durchlassfrequenz im Bereich der Sensorfrequenz liegt.
Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Sensor, wie er in etwa aus der DE 3 643 970 C2 bekannt ist; wegen der Einzelheiten wird auf diese Patentschrift verwiesen. Eine Sensorinduktivität L1 bildet mit einem Kondensator C1 einen Schwingkreis, dessen Güte sich bei einer Bedampfung der Sensorinduktivität durch das Metall eines Spurkranzes verringert. Die Wechselspannung des Schwingkreises wird über einen Kondensator C2 der Primärwicklung n1 eines Übertragers Tr zugeführt. Von der Sekundärwicklung n2 des Übertragers wird ein Teil der Schwingkreisspannung gemäss dem Übersetzungsverhältnisses n2 : n1 (n2 < n1) über einen Kondensator C3 auf den Emitter eines Oszillatortransistors T zurückgekoppelt.
Das Filterelement wird aus den Elementen C2, Tr und R gebildet. Der Charakter des Filters verursacht zwei Effekte. Zum einen wird mit dem Kondensator C2 und den über den Übertrager Tr zum Schwingkreis tranformierten Emitterwiderstand R ein RC-Hochpass mit der Zeitkonstanten Th = (n1/n2)<2> . R . C2 gebildet. Der aus C2 und dem transformierten Emitterwiderstand R gebildete RC-Hochpass dämpft den Störanteil der dem Schalttransistor T zugeführten Spannung etwa um den Faktor 10. Den zweiten, wesentlich stärker wirksamen Effekt verursacht die Reihenschaltung der frequenzabhängigen Wechselstromwiderstände des Kondensators C2 mit Rc2 = 1/ omega . C2 und RLT = omega . LTr der Primärwicklung des Übertragers. Im Bereich der weit über der Frequenz des Störsignales fstör liegenden Resonanzfrequenz fsensor des Schwingkreises ist Rc2 sehr viel kleiner als RLTr.
Die Resonanzspannung des Schwingkreises wird nahezu unverändert auf die Primärwicklung des Übertragers Tr geleitet, sodass die zur Aufrechterhaltung der Oszillation notwendigen Bedingungen gegeben sind. Für das niederfrequente Störsignal hingegen ändern sich die Widerstandsverhältnisse Rc2 : RLTr entscheidend. Die Störspannung fällt fast vollständig am Kondensator C2 ab, sodass auf den Übertrager Tr ein nur vernächlässigbar geringer Störanteil gelangt. Am Emitter des Oszillatortransistors tritt somit keine die Oszillation und die weitere Signalverarbeitung beeinträchtigende Störspannung auf.
In der praktischen Anwendung der Erfindung hat sich gezeigt, dass die auf den Oszillatortransistor zurückgeführte Störspannung bei Anwendung der Erfindung auf einen Wert von 0,05% der ursprünglichen Amplitude zu begrenzen ist; dabei vermindert sich die Amplitude der Sensorspannung durch den Filtervorgang um lediglich 5% auf 95% der ursprünglichen Amplitude. Diese Zahlen zeigen, dass der Einfluss erregter Wirbelstrombremsen auf einen nach dem Prinzip des induktiven Näherungsinitiators arbeitenden Radsensor nahezu zu null gemacht werden kann, ohne dass dies nennenswerte Auswirkungen auf die Radbeeinflussungen selbst hat, d.h. das Ansprechverhalten des erfindungsgemässen Sensors ändert sich nur hinsichtlich der Störbeeinflussung, nicht aber hinsichtlich der Nutzbeeinflussung.
Das erfindungsgemäss vorgesehene Filterelement zum Abblocken niederfrequenter Störspannungen lässt sich bei jedem beliebigen Sensor mit Vorteil anwenden, unabhängig davon, ob der Oszillator bei unbeeinflusstem oder bei beeinflusstem Sensor auf seiner Resonanzfrequenz schwingt oder ob die Schwingungen im unbeeinflussten oder beeinflussten Zustand abreissen oder sich in ihrer Amplitude nur ändern. Dies ist eine Frage der schaltungstechnischen Ausgestaltung des Sensors und des verwendeten Sensorprinzips und nicht eine Frage der Störbeeinflussung durch äussere Magnetfelder.
The invention relates to a sensor according to the preamble of claim 1. Such a sensor is, for. B. is known from DE 3 643 970 C2. It is used to detect the wheels of railway vehicles passing on rails and to send corresponding sensor messages e.g. to be transmitted to a counter for the free and busy notification of a track section. To detect railroad wheels passing by, the sensor evaluates the damping of its oscillator circuit by the iron masses of the vehicle wheels. The sensor voltage applied to the oscillator circuit or the supply current absorbed by the oscillator changes compared to the sensor that is not being used. An evaluation device recognizes this and then responds with corresponding sensor messages.
The sensor messages can be represented by different current consumption of the sensor; the respective current consumption can be detected far from the sensor in a feeding monitoring device.
Unfortunately, the wheel sensors not only respond to passing vehicles, but also also on vehicle-side eddy current brakes, depending on the operating state of the individual eddy current brakes occasionally no, one or more sensor messages indicating an influence can occur. The influencing of an oscillator by an eddy current brake is essentially dependent on the speed at which the eddy current brake is moved past and on the strength of the interference field of the brake which penetrates the resonant circuit inductance.
Although the temporal changes in the stray field of eddy current brakes are well below the resonance frequency of the wheel sensors even at high speeds, which is inherently harmless due to the selectivity of the resonant circuits, the intensity of the magnetic stray fields of linear eddy current brakes creates such high interference voltages that the wheel sensors respond accordingly Can react sensor messages that simulate the passing of a vehicle wheel.
There are various approaches to avoid the occurrence of such faulty sensor messages. For example, DE 3 200 553 C2 proposes the arrangement of a magnetic field probe in the area of a wheel sensor which responds to the field of vehicle brakes and which, when such a magnetic field is detected, prevents the output of wheel sensor messages for the duration of their influence.
DE 3 720 576 A1 discloses a device on an electronic double-rail contact in which a non-linear switching element, which is to be set by the magnetic fields of a lowered and excited eddy current brake, temporarily short-circuits the resonant circuits of the sensor oscillators and thus also prevents the output of wheel sensor messages.
Both devices for recognizing the magnetic fields emanating from vehicle-side eddy current brakes do not respond to vehicles not equipped with eddy current brakes activated. They work according to the open-circuit principle and are not function-monitored.
The object of the present invention is to develop a sensor according to the preamble of claim 1 such that all elements provided for the detection and ineffectiveness of eddy current influences are included in the evaluation process for the sensor messages each time the bicycle is driven, so that it can be expected that when they are really needed, namely when the eddy current brakes are switched on, are actually functional and react reliably.
The invention solves this problem by the characterizing features of patent claim 1. The intended vapor deposition of the low-frequency interference voltages prevents them from overdriving the oscillator, the oscillations of the oscillator being suspended or at least being significantly reduced.
Advantageous refinements and developments of the sensor according to the invention are specified in the dependent claims. According to the teaching of claim 2, the filter element should preferably be designed as a high-pass filter. A special embodiment of such a high-pass filter for a specific sensor is specified in claim 3, wherein according to claim 4 the resistance mentioned in claim 3 should be the emitter resistance of the oscillator transistor.
The dimensioning according to claim 5 ensures that the sensor signal is fed back to the sensor oscillator in an undamped manner according to the selected feedback, while the much lower-frequency interference voltages based on eddy current brake influence are blocked almost completely and therefore have virtually no effect on the sensor oscillator ,
The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. The drawing shows in
Fig. 1 shows the principle of a known wheel sensor working on the principle of the inductive food initiator, in
Fig. 2 shows the principle of the sensor according to the invention and in
Fig. 3 shows the specific configuration of a wheel sensor with a filter device provided according to the invention.
To explain the problems of interference of wheel sensors by eddy current brakes, reference is made to FIG. 1. An amplifier V with a defined gain factor v generates the alternating voltage Usensor on a resonant circuit LC when the signal k. Usensor (k <1) with the condition k. v> 1 is amplified sufficiently to compensate for the losses of the resonant circuit. The metal of the flange of a vehicle wheel, which acts on the magnetic field of the sensor inductance, temporarily increases the losses of the resonant circuit and leads to the vibrations tearing off or, in the case of sensor types according to DB 3 643 970 C2, to a reduction in the amplitude.
Strong, time-varying magnetic fields such as the stray field of a fully excited and rapidly moving linear eddy current brake generate an interference voltage Ustör in the sensor inductance, which can reach or exceed the magnitude of the sensor voltage Usensor, even if the changes in time or the frequencies of the interference are far below the resonance frequency of the resonant circuit. The voltage k.Ustör is then passed to the amplifier input in addition to the feedback signal k.Usensor. This interference component can overdrive the amplifier in such a way that the control of the resonant circuit with the resonance frequency fsensor can no longer be maintained. The vibrations then abort or their amplitude drops, the sensor showing a reaction similar to that of the metal of a wheel flange.
The knowledge underlying the invention for eliminating the disruptive influence of fully excited eddy current brakes on wheel sensors is that the interference voltage induced in the resonant circuit inductance of the sensor differs extraordinarily strongly in frequency from the operating frequency of the oscillator and that it should therefore be possible to do the two on To divide the oscillator oscillating voltages back into their components and to filter out the one voltage, namely the brake-related interference voltage, by means of suitable measures. To this end, the invention provides for the effect of the interferer to be reduced by means of a filter element F with a high-pass character connected upstream of the amplifier input. For this purpose, reference is made to FIG. 2.
As in FIG. 1, in addition to the sensor voltage Usensor, the interference inductance U disturbance induced by the magnetic field of a past eddy current brake is present at the sensor inductance of the oscillator circuit LC; Both voltages differ significantly in their frequencies f disturb, f sensor. In the feedback branch of the amplifier V, the filter element F provided according to the invention is connected, which allows vibrations in the area of the oscillator frequency fsensor to pass virtually undamped, but blocks the much lower-frequency vibrations of the injected interference voltage U disturb. With sufficient damping of the feedback interference signal k. d.
Ustör for a damping d << 1, the interference voltage no longer affects the operating parameters of the amplifier and thus does not affect the oscillation circuit control and further evaluation of the sensor voltage Usensor. The damping of the sensor voltage Usensor is of the order of 1, i.e. the sensor voltage is hardly reduced in the filter element F. The filter element F is preferably designed as a high-pass filter; however, a bandpass filter can also be provided, the pass frequency of which is in the range of the sensor frequency.
Fig. 3 shows the application of the invention to a sensor, as is known approximately from DE 3 643 970 C2; reference is made to this patent for the details. A sensor inductance L1 forms a resonant circuit with a capacitor C1, the quality of which decreases when the sensor inductance is vaporized by the metal of a flange. The AC voltage of the resonant circuit is supplied to the primary winding n1 of a transformer Tr via a capacitor C2. Part of the resonant circuit voltage is fed back from the secondary winding n2 of the transformer according to the transmission ratio n2: n1 (n2 <n1) via a capacitor C3 to the emitter of an oscillator transistor T.
The filter element is formed from the elements C2, Tr and R. The character of the filter causes two effects. On the one hand, an RC high-pass filter with the time constant Th = (n1 / n2) <2> is used with the capacitor C2 and the emitter resistor R transformed into the resonant circuit via the transformer Tr. R. C2 formed. The RC high pass formed from C2 and the transformed emitter resistor R dampens the interference component of the voltage supplied to the switching transistor T by a factor of 10. The second, much more effective effect is caused by the series connection of the frequency-dependent AC resistances of the capacitor C2 with Rc2 = 1 / omega. C2 and RLT = omega. LTr of the primary winding of the transformer. In the region of the resonance frequency fensor of the resonant circuit, which is far above the frequency of the interference signal f disturb, Rc2 is very much smaller than RLTr.
The resonance voltage of the resonant circuit is passed almost unchanged to the primary winding of the transformer Tr, so that the conditions necessary for maintaining the oscillation are given. For the low-frequency interference signal, however, the resistance ratios Rc2: RLTr change significantly. The interference voltage drops almost completely at the capacitor C2, so that only a negligible amount of interference reaches the transformer Tr. At the emitter of the oscillator transistor there is therefore no interference voltage which affects the oscillation and the further signal processing.
In practical application of the invention, it has been shown that the interference voltage attributed to the oscillator transistor is to be limited to a value of 0.05% of the original amplitude when using the invention; the filter voltage reduces the amplitude of the sensor voltage by only 5% to 95% of the original amplitude. These figures show that the influence of excited eddy current brakes on a wheel sensor working according to the principle of the inductive proximity initiator can be made almost zero, without this having any significant effects on the wheel influences themselves, i.e. the response behavior of the sensor according to the invention changes only with regard to the interference, but not with regard to the useful influence.
The filter element according to the invention for blocking low-frequency interference voltages can be used with any sensor with advantage, regardless of whether the oscillator oscillates at its resonance frequency when the sensor is unaffected or when it is influenced, or whether the vibrations break off in the unaffected or influenced state or only in amplitude to change. This is a question of the circuit design of the sensor and the sensor principle used and not a question of interference from external magnetic fields.