DE10104199A1 - Temperatursensor, Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Temperatur einer Fahrleitung - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur einer eine elektrische Hochspannung führenden Fahrleitung (1) für elektrisch betriebene Eisenbahnen, wobei die Fahrleitung (1) eine Abgriffsfläche (2) aufweist, an welcher über einen Stromabnehmer eines Triebfahrzeugs der Eisenbahn der zum Fahrbetrieb erforderliche elektrische Strom abgegriffen wird, und wobei gegen eine zur Abgbriffsfläche (2) entgegengesetzt liegende Anpressfläche (3) der Fahrleitung (1) ein Temperatursensor (4) mit mechanischer Vorspannung gedrückt wird und der Temperatursensor (4) als durch Funk abfragbarer passiver Funksensor ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor und eine Vor­ richtung zum Messen der Temperatur einer Fahrleitung, insbe­ sondere für elektrisch betriebene Eisenbahnen.

Aus dem Aufsatz von L. Reindl, V. Mágori: "Funksensorik mit passiven Oberflächenwellenkomponenten (OFW)" in Fortschritts­ bericht VDI Reihe 8, Nr. 515, Düsseldorf, VDI-Verlag 1995, Seiten 62 bis 79 ist eine berührungslose Messdaten- und Leis­ tungsübertragung mit Hilfe von OFW-Bauelementen, insbesondere auch zur Temperaturmessung, bekannt.

Ferner ist aus dem Aufsatz von Volker Hinrichsen und Gert Scholl: "Online-Temperaturmessung an MO-Überspannungsab­ leitern mit funkabfragbaren Oberflächenwellensensoren" in: Elektrizitätswirtschaft, Jahrgang 97 (1998), Heft 17-18, Sei­ ten 33 bis 38 eine direkte Temperaturmessung an Überspan­ nungsleitern mit Hilfe von Oberflächenwellensensoren bekannt.

Die Fahrleitung für eine elektrisch betriebene Eisenbahn be­ sitzt an ihrer Unterseite eine Abgriffsfläche, an welcher ü­ ber einen Stromabnehmer eines Triebfahrzeugs der Eisenbahn der für den Fahrbetrieb erforderliche elektrische Strom abge­ griffen wird. Für eine hohe Lebensdauer der Fahrleitung ist die Einhaltung einer maximal zulässigen Temperatur wichtig. Bislang wird die Fahrleitungstemperatur durch eine Integrati­ on über die Strombelastung der Fahrleitung unter Berücksich­ tigung der Außentemperatur näherungsweise berechnet. Störun­ gen können dabei nur mit relativ aufwendigen Messungen bei der Installation der Fahrleitung erkannt werden. Für eine di­ rekte Messung der Temperatur ist zu beachten, dass die Fahr­ leitung Hochspannung führt und daher eine Isolation zwischen einem Temperatursensor und einer Auswerteeinrichtung, in wel­ cher die Messwerte verarbeitet werden, notwendig ist. Typi­ sche Isolationsspannungen liegen im Bereich von 30 kV. Durch den zusätzlichen Messaufbau darf der fortlaufende Betrieb der Fahrleitung nicht gestört werden. Weitere Schwierigkeiten bilden Funken, wie sie im Betrieb zwischen Fahrleitung und Stromabnehmer des Triebfahrzeugs häufig auftreten. Außerdem lässt sich eine Wartung der Temperatursensoren während des laufenden Eisenbahnbetriebs kaum durchführen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine wartungsarme und zu­ verlässige direkte Temperaturmessung einer Fahrleitung be­ reitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 15 und 16 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Zur Temperaturmessung der Fahrleitung wird ein fernabfragba­ rer passiver Temperatursensor verwendet. Der Temperatursensor wird zum Betrieb gegen eine zur Abgriffsfläche entgegenge­ setzt liegende Anpressfläche der Fahrleitung mit mechanischer Vorspannung gedrückt. Durch seine Ausbildung als passives E­ lement benötigt der Temperatursensor keine eigene Energie­ quelle, z. B. Batterien. Er ist deshalb wartungsarm und unan­ fällig gegenüber Leckströmen und Korrosionen an elektrischen Kontakten. Er wird vielmehr über das zu seiner Abfrage ausge­ sandte Signal mit der zu seinem Betrieb erforderlichen Ener­ gie, welche sensorintern zwischengespeichert werden kann, versorgt.

Ebenfalls erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Tempera­ turmessung unter Verwendung mindestens eines Temperatursen­ sors, der eine Auswerteeinrichtung umfasst, welche die vom Temperatursensor erzeugten Messsignale abfragt und auswertet.

Der Temperatursensor und die Vorrichtung zur Temperaturmes­ sung unter Verwendung mindestens eines Temperatursensors kön­ nen erfindungsgemäß so betrieben werden, dass das von der Auswerteeinrichtung ausgesandtes Abfragesignal, vorzugsweise ein Funksignal, vom Temperatursensor empfangen wird, und auf derselben Signalstrecke ein temperaturabhängiges Antwortsig­ nal (Messsignal) zur Auswerteeinrichtung zurückübertragen wird. Die zum Auslesen notwendige Energie wird dem Abfrage­ signal entzogen. Zur Identifikation des Temperatursensors, insbesondere beim Betrieb mehrerer Temperatursensoren, wird vorzugsweise mit dem Temperatursignal ein zum jeweiligen Tem­ peratursensor gehöriges Identifikationssignal mitgesandt.

Die Auswerteeinrichtung kann in einer Abfragestation integ­ riert sein, welche die vom Sensor empfangenen Abfragesignale aussendet und die vom Sensor zurückgesendeten Antwortsignale (Messsignale), welche die Temperaturinformation enthalten, empfängt. Hierzu kann die Abfragestation eine Sende- /Empfangsantenne aufweisen. Der Sensor besitzt eine Empfangs- /Sendeantenne. Die Abfragesignale beinhalten auch die erfor­ derliche Energie, welche zum Betrieb des Sensors intern zwi­ schengespeichert wird.

Ein Ausführungsbeispiel für den Temperatursensor kann ein temperaturempfindliches Halbleiterbauelement mit mindestens einem Kondensator zur Energiezwischenspeicherung und eine entsprechende Schaltung hierfür aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Temperatursensor beinhal­ tet ein Oberflächenwellen(OFW)-Bauelement, das die vom Abfra­ gesignal gelieferte Energie als mechanische Welle (akustische Welle) zwischenspeichert und im Antwortsignal (Messsignal) die Temperaturinformation enthält. Durch Decodierung in der Auswerteeinrichtung wird das Antwortsignal im Hinblick auf die direkt gemessene Temperatur der Fahrleitung ausgewertet.

Die Temperaturmessung kann an der hochspannungsführenden Fahrleitung bei laufendem Eisenbahnbetrieb durchgeführt wer­ den. Störungen, beispielsweise Kurzschlüsse, werden sofort erkannt und können, da die entlang der Fahrstrecke zum Ein­ satz kommenden Temperatursensoren ortsbezogen codiert sein können, auch leicht lokalisiert werden. Dies wird erreicht durch die besondere Anordnung des Temperatursensors an der Fahrleitung.

Vorzugsweise wird die hierzu erforderliche Vorspannung, mit welcher der Temperatursensor gegen die Anpressfläche der Fahrleitung gedrückt wird, von einer Klemme erzeugt, die zwei Klemmarme aufweist. Die beiden Klemmarme stützen sich dabei mit mechanischer Spannung an etwa radial zur Fahrleitungsach­ se verlaufende Stützflächen der Fahrleitung ab. Hierbei wird ausgenützt, dass an herkömmlichen Fahrleitungen beidseitig längsverlaufende etwa V-förmige Einkerbungen vorgesehen sind, an denen die Fahrleitungen über den Gleisen an einer Aufhäng­ einrichtung aufgehängt sind. Die Stützflächen an diesen längsverlaufenden Kerben können zur Befestigung des Tempera­ tursensors in vorteilhafter Weise ausgenützt werden. Hierzu kann an dem temperaturempfindlichen Bauelement des Tempera­ tursensors, beispielsweise dem Halbleiterbauelement oder dem OFW-Bauelement eine Adapterfläche vorgesehen sein, welche an die Anpressfläche der Fahrleitung angepasst ist. Es kann auch ein Adapterstück zwischen dem temperatutempfindlichen Bauele­ ment und der Anpressfläche vorgesehen sein. Hierdurch wird ein guter Wärmekontakt zwischen dem Temperatursensor und der Fahrleitung geschaffen.

In vorteilhafter Weise kann die Klemme an einem Gehäuse, in welchem der Temperatursensor untergebracht ist, gebildet sein. Hierzu können die beiden Klemmenarme einstückig an zwei Gehäusehälften gebildet sein. Die beiden Gehäusehälften wer­ den, beispielsweise durch eine oder mehrere Schraubverbindun­ gen, fest miteinander verbunden, wobei die Klemmarme gegen die Stützflächen an der Fahrleitung mit mechanischer Vorspannung gepresst werden. Dabei wird das temperaturempfindliche Bauelement insbesondere mit seiner Adapterfläche fest gegen die Außenfläche (Anpressfläche) der Fahrleitung gedrückt.

In vorteilhafter Weise wird bei der Erfindung die Temperatur nicht, wie herkömmlich, aus Hilfsgrößen, wie z. B. Strombelas­ tung und Außentemperatur errechnet, sondern mit einem funkge­ speisten Temperatursensor wird eine direkte Messung an der Fahrleitung gewonnen. Durch die Funkspeisung kann der Tempe­ ratursensor klein ausgebildet sein und eine geringe Masse aufweisen. Das Gehäuse kann derart ausgebildet sein, dass es praktisch keinen oder nur einen geringen Strömungswiderstand gegenüber Luftströmungen, welche vom Stromabnehmer während des Fahrbetriebs erzeugt werden, aufweist. Man erreicht daher einen vom Fahrbetrieb der Eisenbahn unbeeinflussten Messbe­ trieb. Der Temperatursensor befindet sich hierzu in vorteil­ hafter Weise an der Oberseite der Fahrleitung. Der Stromab­ griff erfolgt an der Unterseite der Fahrleitung. Da das Ab­ fragesignal und das Antwortsignal eine hohe Frequenz, bei­ spielsweise im Bereich von 200 MHz bis 5 GHz aufweisen, be­ einflussen Funken oder Triebfahrzeugströme den Betrieb des Temperatursensors nicht.

Aus der Differenz der gemessenen Fahrleitungstemperatur zur maximal zulässigen Fahrleitungstemperatur lässt sich in ein­ facher Weise die Reserve in der Strombelastbarkeit ermitteln. Zu starke Temperaturänderungen weisen auf eine Störung in der Fahrleitung hin.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Er­ findung schematisch noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen Temperatursensor, welcher an einer Fahrleitung montiert ist;

Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Temperatursensor in schnittbildlicher Darstellung mit einem Schnitt pa­ rallel zur Fahrleitungsachse;

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild für eine Messan­ ordnung; und

Fig. 4 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbei­ spiel für einen Temperatursensor.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Temperatursensor besitzt ein temperaturempfindliches Bauelement 11, welches ein Halb­ leiterbauelement oder vorzugsweise ein Oberflächenwellen (OFW)-Bauelement ist. Das temperaturempfindliche Bauelement 11 ist in einem Gehäuse 13, welches aus zwei Gehäusehälften 14, 15 gebildet wird, angeordnet. Zur direkten Temperaturmes­ sung an einer Hochspannung führenden Fahrleitung 1 einer e­ lektrischen Eisenbahn wird das temperaturempfindliche Bauteil 1 an die Oberseite der Fahrleitung 1 in einer Anpressfläche 3 angedrückt. Die Anpressfläche 3 befindet sich entgegengesetzt zu einer Abgriffsfläche 2 an der Unterseite der Fahrleitung 1, entlang welcher ein nicht näher dargestellter Stromabneh­ mer eines Triebfahrzeugs der Eisenbahn sich entlangbewegt. Zwischen der obenliegenden Fläche, in welcher die Anpressflä­ che 3 vorgesehen ist, und der Abgriffsfläche 2 der Fahrlei­ tung 1 befinden sich beidseits in der Fahrleitung 1 jeweils eine etwa V-förmige Einkerbung. Die Begrenzungsflächen dieser Einkerbungen verlaufen von der Mantelfläche der Fahrleitung 1 etwa in radialer Richtung.

Zur Erzeugung der Anpresskraft, mit welcher das temperatur­ empfindliche Bauelement 11 gegen die Anpressfläche 3 an der Fahrleitung 1 angedrückt wird, ist an jeder der beiden Gehäu­ sehälften 14, 15 jeweils ein Klemmarm 7 und 8 ausgebildet. Die Klemmarme 7, 8 sind beim Zusammenbau der beiden Gehäuse­ hälften 14, 15 aufeinander gerichtet, wie es in Fig. 1 ge­ zeigt ist. Mit Hilfe von Schraubverbindungen 22, welche vor­ zugsweise in den Ecken des Gehäuses 13 angeordnet sind (Fig. 2), werden die Klemmarme 7, 8 gegen Stützflächen 9, 10, wel­ che in den beidseitigen Einkerbungen der Fahrleitung 1 oben liegen, angedrückt. Beim Festziehen der Spannmittel 22 ver­ schieben sich die Klemmarme 7, 8 entlang der radial verlau­ fenden Stützflächen 9, 10 nach unten, so dass auf das form­ schlüssig in das Gehäuse 3 eingesetzte temperaturempfindliche Bauelement 11 eine nach unten, d. h. in Richtung auf die Fahr­ leitungsachse 17 gerichtete Kraft ausgeübt wird. Mit dieser Kraft wird die gegebenenfalls als Adapterfläche 12 ausgebil­ dete Fläche des temperaturempfindlichen Bauelements 11 auf die Anpressfläche 3 der Fahrleitung 1 für einen guten Wärme­ übergang angepresst. Die Adapterfläche 12 kann auch an ein zwischen das temperaturempfindliche Bauelement 11 und die An­ pressfläche 3 gelegtes Adapterstück angeformt sein. Für einen guten Wärmeübergang kann Wärmeleitpaste zwischen den angren­ zenden Flächen, an denen der Wärmeübergang zwischen der Fahr­ leitung 1 und dem temperaturempfindlichen Bauelement 11 stattfindet, vorgesehen sein.

Für die Durchführung der Messung kann eine in Fig. 3 darge­ stellte Messanordnung verwendet werden. Diese besitzt eine Auswerteeinrichtung 5, welche an eine Sende-/Empfangsantenne 18 angeschlossen ist. Die Auswerteeinrichtung 5 und Antenne 18 sind Bestandteil einer Abfragestation, welche in einer be­ stimmten Entfernung, beispielsweise 10 m bis 20 m vom Tempe­ ratursensor 4 entfernt angeordnet ist. Der Temperatursensor 4 ist ebenfalls mit einer Antenne, welche als Empfangs- /Sendeantenne 16 wirkt, ausgestattet. Die Antenne 16 kann e­ ckig, vorzugsweise dreieckig, wie es aus Fig. 2 zu ersehen ist, ausgebildet sein. Die Antenne 16 ist in einer Ebene an­ geordnet, welche parallel zur Fahrleitungsachse 17 verläuft. Die Antenne kann als Draht oder leitfähige Beschichtung auf einer Unterlage ausgebildet sein. Wenn zwei oder mehr Eisen­ bahnfahrstrecken mit zugeordneten Fahrleitungen 1 nebeneinan­ der geführt sind, können die Empfangs-/Sendeantennen 16 der jeweiligen Temperatursensoren 4 von einer gemeinsamen Abfra­ gestation aus mit den Abfragesignalen versorgt werden. Die Abfragesignale enthalten auch die Energie, welche für den Messbetrieb des jeweiligen Temperatursensors 4 erforderlich ist. Das jeweilige die Temperaturinformationen enthaltende Antwortsignal (Messsignal) wird von der Empfangs- /Sendeantenne 16 auf derselben Funkstrecke 23 zurückgesendet und von der Sende-/Empfangsantenne 18 empfangen und nach ent­ sprechender Decodierung in der Auswerteeinrichtung 5 für die Bestimmung der real an der Oberfläche der Fahrleitung gemes­ senen Temperatur ausgewertet. Die Antwortsignale können eine dem jeweiligen Temperatursensor zugeordnete Codierung aufwei­ sen.

In der Fig. 4 ist ein Oberflächenwellenbauelement darge­ stellt, welches als temperaturempfindliches Bauelement beim Temperatursensor 4 zum Einsatz kommen kann. Dieses besteht aus einem OFW-Substrat, beispielsweise aus Lithiumniobat. Auf der Oberfläche des OFW-Substrats 19 befindet sich in bekann­ ter Weise ein Interdigitalwandler 20, welcher mit der Emp­ fangs-/Sendeantenne 16 verbunden ist. In diesem Wandler wer­ den die empfangenen Abfragesignale in akustische Oberflächen­ wellen gewandelt, die an einem Reflektor 21 reflektiert wer­ den und als Antwortsignale, wie schon erläutert, zur Sende- /Empfangsantenne 18 zurückgesendet werden. Beispielsweise durch Auswertung des Phasenunterschieds zwischen den unter­ schiedlichen Impulsen des Antwortsignals kann die gemessene Temperatur bestimmt werden. Durch entsprechende Strukturie­ rung des Reflektors 21 kann eine dem jeweiligen Temperatur­ sensor zugeordnete Codierung des Antwortsignals erreicht wer­ den.

Die Anordnung des Temperatursensors 4 an der Oberseite der Fahrleitung 1 ist derart, dass die größte Ausdehnung (Länge) des Gehäuses 13, welche insbesondere auch durch die Abmessun­ gen der Empfangs-/Sendeantenne 16 vorgegeben ist, parallel zur Fahrleitungsachse 17 sich erstreckt. Der kleinere Quer­ schnitt des Gehäuses 13 verläuft senkrecht zur Fahrleitungs­ achse 17. Diese Anordnung ist in den Fig. 1 und 2 veranschau­ licht. Hierdurch ergibt sich eine Anordnung des Temperatur­ sensors 4 an der Fahrleitung 1 mit einem geringen Strömungswiderstand gegen Strömungen, die durch den Eisenbahnbetrieb, insbesondere durch den an der Abgriffsfläche 2 der Fahrlei­ tung 1 entlanggeführten Stromabnehmer entstehen.

Claims (17)

1. Temperatursensor (4) zum Messen der Temperatur einer Fahr­ leitung (1), insbesondere für elektrisch betriebene Eisenbah­ nen, wobei die Fahrleitung (1) eine Abgriffsfläche (2) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, dass er passiv und fernabfragbar ist und gegen eine zur Abgriffs­ fläche (2) entgegensetzt liegende Anpressfläche (3) der Fahr­ leitung (1) pressbar ist.

2. Temperatursensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Vorspannung durch eine Klemme (6) mit zwei Klemmarmen (7, 8) erzeugbar ist, wobei die Klemmarme (7, 8) an zwei etwa radial von der Fahrleitungsoberfläche aus sich erstreckende Stützflächen (9, 10) mit mechanischer Spannung abgestützt sind.

3. Temperatursensor (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein temperaturempfindliches Bauelement (11) des Temperatur­ sensors (4) über eine an die Oberfläche der Fahrleitung (1) angepasste Adapterfläche (12), welche durch die mechanische Vorspannung an die Anpressfläche (3) der Fahrleitung (1) an­ gepresst ist, mit der Fahrleitung thermisch kontaktiert ist.

4. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (4) in einem Gehäuse (13) angeordnet ist, an welchem die Klemme (6) vorgesehen ist.

5. Temperatursensor (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (13) aus wenigstens zwei Gehäusehälften (14, 15) gebildet ist, an denen die Klemmarme (7, 8) einstückig ausge­ bildet sind und dass beim Miteinanderverbinden der wenigstens zwei Gehäusehälften (14, 15) die mechanische Vorspannung, mit welcher das temperaturempfindliche Bauelement (11) an die Fahrleitung (1) gepresst wird, entsteht.

6. Temperatursensor (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stützflächen (9, 10) an seitlichen längsverlaufen­ den Einkerbungen an der Fahrleitung (1) gebildet sind.

7. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (4) als passiver Funksensor ausgebildet ist, welcher die zu seinem Betrieb erforderliche Energie ei­ nem von einer Sende-/Empfangsantenne (18) ausgesendeten Ab­ fragesignal entnimmt.

8. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturempfindliche Bauelement (11) des Temperatursen­ sors (4) als Halbleiter ausgebildet ist, und ein Kondensator zur Energiezwischenspeicherung für den Sensorbetrieb dient.

9. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturempfindliche Bauelement (11) als Oberflächen­ wellenbauelement (OFW-Bauelement) ausgebildet ist.

10. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfangs-/Sendeantenne (16) des Temperatursensors (4) in einer Fläche angeordnet ist, welche sich parallel zur Fahr­ leitungsachse (17) erstreckt.

11. Temperatursensor (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs-/Sendeantenne (16) eine eckige, insbesondere dreieckige, Form aufweist.

12. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Gehäuses (13) für Luftströmungen in Richtung der Fahrleitung (1) einen nur geringen Strömungswiderstand auf­ weist.

13. Temperatursensor (4) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur eines Reflektors (21) des Oberflächenwel­ lenbauelements das Antwortsignal eine auf den Temperatursen­ sor (4) bezogene Codierung erhält.

14. Temperatursensor (4) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels Funkwellen fernabfragbar ist.

15. Vorrichtung zum Messen der Temperatur einer Fahrleitung (1) unter Verwendung mindestens eines Temperatursensors (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung (5) vorhanden ist, mittels der über Funk die vom Temperatursensor (4) erzeugten Messsignale ab­ fragbar und auswertbar sind.

16. Verfahren zum Messen der Temperatur einer Fahrleitung (1), dadurch gekennzeichnet, dass
ein Funksignal an mindestens einen passiven und fernabfragba­ ren Temperatursensor (4), der an die Fahrleitung (1) gedrückt wird, gesandt wird
vom Temperatursensor (4) mittels der im Funksignal vorhande­ nen Energie mindestens ein Temperaturmesswert ausgelesen und an eine Auswerteeinrichtung (5) zurückgesandt wird, mittels der Auswerteeinrichtung (5) der empfangene Tempera­ turmesswert ausgewertet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem von jedem Temperatursensor (4) mindestens ein Identifikati­ onssignal mit dem Temperaturmesswert ausgesandt wird.