-
Die Erfindung betrifft einen Radsensor sowie eine
Radsensoranordnung gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche
1, 3, 8 und 10. Radsensoren werden im Bahnwesen für die
Gleisfreimeldung, aber auch für andere Schalt- und
Meldeaufgaben eingesetzt. Dabei wird überwiegend die
magnetfeldbeeinflussende Wirkung der Eisenräder der Schienenfahrzeuge
ausgenutzt. Mittels am Gleiskörper angebrachter induktiver
Sensoren, die ein spezifisches Magnetfeld erzeugen, lässt sich die
Rückwirkung der Eisenräder erfassen, wobei mit jeder
Raderfassung bzw. Achsenerfassung ein Radimpuls registriert wird.
Die Anzahl der Radimpulse gibt im Zusammenwirken mit einem
weiteren Radsensor Auskunft über den Belegungszustand des
dazwischenliegenden Gleisabschnittes. Diese Gleisfreimeldung
stellt ein wesentliches Entscheidungskriterium für die
Steuerung von Weichen und Signalen dar. Anhand des
Belegungszustandes von Gleisabschnitten wird die Entscheidung getroffen,
ob ein Schienenfahrzeug in diesem Gleisabschnitt einfahren
darf oder nicht. Folglich müssen die Meldesignale der
Achszähler extrem hohen Zuverlässigkeitsanforderungen genügen. Es
ist sicherzustellen, dass nur die die Sensoren überfahrenden
Eisenräder der Schienenfahrzeuge von den Sensoren erfasst
werden und Störmagnetfelder anderer Herkunft ignoriert
werden. Das betrifft beispielsweise Magnetfelder, die bei
elektrischer Traktion durch Schienenströme und durch
Fahrzeugkomponenten wie Transformatoren, Drosseln und elektronische
Schienenbremsen entstehen. Letztere stellen ein besonderes
Problem dar, da die erzeugten Magnetfelder sehr stark sind.
Das betrifft insbesondere die für den ICE (Intercity Express)
entwickelte Wirbelstrombremse, welche in erregtem Zustand ein
Störmagnetfeld erzeugt, das das Arbeitsmagnetfeld des
induktiven Sensors sehr stark überlagert.
-
Ein Lösungsansatz, der darauf beruht, die Arbeitsfrequenzen
der Sensoren in vermeintlich störfeldfrequenzfreie
Größenordnungen zu legen, kann keinen dauerhaften Erfolg garantieren,
da durch die Entwicklung neuer Fahrzeugkomponenten ständig
neue Störfelder mit teilweise sehr hohen Frequenzen
hinzukommen. Durch Frequenzwahl lässt sich außerdem nicht vermeiden,
dass Störfelder Frequenzanteile im Bereich der
Arbeitsfrequenz des induktiven Sensors enthalten. Üblicher Weise liegen
die Arbeitsfrequenzen im Bereich von 30 kHz bis 1 MHz,
während Störfelder durchaus auch Frequenzen bis zu 2 MHz
erreichen können.
-
Ein anderer Lösungsansatz basiert auf
Kompensationsbestrebungen der Art, dass das Störmagnetfeld durch Aufbau eines
gegensinnigen Feldes quasi neutralisiert wird. Gemäß der
DE-A1-197 09 844 ist dazu eine Spulenanordnung mit einem
magnetischen Kern vorgesehen. Zwei konzentrisch zueinander
angeordnete Spulen sind derart geschaltet, dass bei gemeinsamer
Beströmung gegensinnige Magnetfelder entstehen. Ein
magnetisches Störfeld induziert hingegen in beiden Spulen
Störspannungen, die sich wegen der gegensinnigen Beschaltung der
beiden Spulen kompensieren. - Die Spulenanordnung ist Teil eines
induktiven Sensors zum Erzeugen eines Arbeitsmagnetfeldes
erhalten bleibt. Die Eisenmasse eines überfahrenden Rades
verändert die Eigenschaften des Arbeitsmagnetfeldes, was
sensorisch erfasst wird. Problematisch bei diesem Lösungsansatz
ist jedoch, dass ein sehr starkes Störmagnetfeld,
beispielsweise das einer erregten Wirbelstrombremse, den Spulenkern so
magnetisieren kann, dass ein unerwünschtes Ansprechen des
Sensors verursacht wird.
-
Eine ähnliche, aber kernlose Spulenanordnung ist aus der
DE-A1-199 15 597 bekannt. Die Empfindlichkeit dieses
gattungsbildenden Achszählers ist jedoch gering, da das zur
Detektion des Rades erzeugte Magnetfeld den Bereich des
Spurkranzes des Rades nicht optimal durchsetzt. Außerdem kann
Nässe am Sensorgehäuse bei den üblicherweise hohen
Arbeitsfrequenzen kernloser Spulenanordnungen zu einer weiteren
Herabsetzung der Sensorempfindlichkeit führen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu
beseitigen und einen Radsensor mit induktivem Sensor
anzugeben, dessen Parameter hinsichtlich der Empfindlichkeit
und damit hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems
optimiert sind.
-
Die Aufgabe wird alternativ durch die kennzeichnenden
Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Gemäß Anspruch 1 wird eine
Optimierung erreicht, indem die innere Spule eine dem
Flächenverhältnis entsprechende höhere Windungszahl als die
äußere Spule aufweist. Auf diese Weise wird bei homogenen
Störfeldern nicht nur eine Teilkompensation derselben, sondern
eine vollständige Kompensation erreicht. Die spezielle
Spulendimensionierung hat außerdem zur Folge, dass die beim
Befahren in beiden Spulen entgegengesetzt auftretenden
Induktionen nicht gleich groß sind und folglich eine ausreichend
hohe Gesamtinduktion zur Detektion eines Rades verbleibt. Da
Störeffekte quasi vollständig eliminiert sind und das
Arbeitsmagnetfeld eine sehr hohe Feldstärke aufweist und den
Spurkranz des zu detektierenden Rades optimal durchsetzt,
ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik eine wesentliche
Verbesserung der Empfindlichkeit der Sensorik und somit eine
Erhöhung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Ist das
Störmagnetfeld inhomogen, können Differenzen zwischen den
Störspannungen der Teilspulen. Infolge der unterschiedlichen
Spulenabmessungen auftreten. In diesem Fall ist eine
teilkompensierende Wirkung vorhanden, wobei die effektiv verbleibende
Gesamtstörspannung äußerst gering und letztlich zu
vernachlässigen ist.
-
Die zweite Spule ist gemäß Anspruch 2 vorzugsweise zentrisch
innerhalb der ersten Spule angeordnet. Der
Kompensationseffekt ist jedoch auch dann vorhanden, wenn die innere Spule
exzentrisch angeordnet ist. Auch die Spulenformen können sehr
unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die innere Spule
kreisförmige Windungen aufweisen und exzentrisch innerhalb
einer oval ausgebildeten äußeren Spule angeordnet sein.
-
Anspruch 3 charakterisiert eine weitere Lösung der
Aufgabenstellung, wobei gegenüber der Lösung gemäß Anspruch 1
zusätzlich eine Vereinfachung erzielt wird. Spulen
unterschiedlicher Geometrie und unterschiedlicher Windungszahlen sind bei
dieser Alternativlösung nicht erforderlich. Statt dessen ist
eine in der Vertikalprojektion sich überlappende Anordnung
gleichartiger Spulen vorgesehen, wobei die Windungsebenen
quasi übereinander angeordnet sind. Da die Spulen nicht
ineinander oder sich durchdringend angeordnet sind, durchsetzt
das von einer Spule erzeugte Magnetfeld die andere Spule zu
gleichen Teilen mit entgegengerichteten inneren und äußeren
magnetischen Flüssen, das heißt, die Spulen sind magnetisch
voneinander entkoppelt.
-
Die Spulen sind nach Anspruch 4 vorzugsweise als sehr flache,
spiralförmig gewickelte Scheibenspulen ausgebildet. Auf diese
Weise lassen sich die Spulen problemlos in das Gehäuse eines
Radsensors einbauen.
-
Gemäß Anspruch 5 können die Windungsebenen der Spulen bei
beiden Alternativlösungen parallel zur Gleisebene verlaufen.
-
Bei einer in Anspruch 6 gekennzeichneten speziellen
Spulenanordnung für die Alternativlösung gemäß Anspruch 3 sind beide
Spulen mit dem gleichen Neigungswinkel zu einer
Horizontalfläche in Gleisrichtung angekippt. Magnetische Störfelder
durchsetzen dann beide Spulen in gleicher Intensität und
Richtung und heben sich damit auf, auch wenn das Feld nicht
parallel zu den Spulenlängsachsen verläuft.
-
Einfache Spulen- bzw. Wicklungsgeometrien, die auf einer
runden Grundfläche beruhen, sind gemäß Anspruch 7 bevorzugt.
Denkbar sind jedoch für beide Alternativen auch eckige,
insbesondere quadratische oder rechteckige Grundflächen.
-
Bei einer in Anspruch 8 beschriebenen vorteilhaften
Weiterbildung sind zwei Radsensoren hintereinander angeordnet. Auf
diese Weise lässt sich anhand des zeitlichen Abstandes der
Radimpulsregistrierung die Fahrtrichtung eines die beiden
Radsensoren überfahrenden Schienenfahrzeuges ermitteln.
-
Um den Abstand der beiden Radsensoren möglichst gering zu
halten, insbesondere bei gemeinsamer Umhäusung, und dennoch
zeitlich ausreichend zueinander versetzte Radimpulse zu
erhalten, sind gemäß Anspruch 9 dachförmig geneigte
Windungsebenen der Spulenpaare vorgesehen.
-
Anspruch 10 charakterisiert eine Doppelradsensoranordnung,
bei der sich auch die benachbarten Spulen der beiden
Radsensoren überlappen. Auch in diesem Bereich wirkt die
magnetische Entkopplung gemäß Anspruch 3. Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, dass die geometrische Überlappung der
Radsensoren eine längere Überlappungsphase der von einem Rad
auf beide Sensoren ausgeübten Beeinflussung aufweist.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher
Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung des
Kompensationsprinzips, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
ist,
-
Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer
Spulenanordnung,
-
Fig. 3a eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer
Spulenanordnung gemäß Fig. 2 mit
Arbeitsfeldbeaufschlagung,
-
Fig. 3b die Seitenansicht gemäß Fig. 3a mit
Störfeldbeaufschlagung,
-
Fig. 4 eine Abwandlung der ersten Ausführungsform in
Seitenansicht und in Draufsicht,
-
Fig. 5 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer
Spulenanordnung,
-
Fig. 6 eine Seitenansicht und eine Draufsicht der zweiten
Ausführungsform gemäß Fig. 5,
-
Fig. 7a eine Seitenansicht gemäß Fig. 6 mit
Arbeitsfeldbeaufschlagung,
-
Fig. 7b eine Seitenansicht gemäß Fig. 6 mit
Störfeldbeaufschlagung,
-
Fig. 8 eine Doppelradsensoranordnung,
-
Fig. 9 eine Spulenanordnung und
-
Fig. 10 eine weitere Doppelradsenoranordnung.
-
Fig. 1 veranschaulicht schematisch die Funktionsweise eines
induktiven Sensors mit Störfeldkompensation nach dem Stand
der Technik. Der Sensor besteht im Wesentlichen aus einem
Oszillator 1 und einem Schwingkreis 2 mit einem Kondensator C
und zwei Spulen L1 und L2. Mit dieser Anordnung ist es
möglich, die Störspannungen UStörL1 und UStörL2 eines auf beide
Spulen L1 und L2 gleichartig einwirkenden Störmagnetfeldes φs
(Fig. 2 und Fig. 5) zu kompensieren. Dazu sind die beiden
Spulen L1 und L2 im LC-Schwingkreis 2 derart verschaltet,
dass die Störspannungen UStörL1 und UStörL2 bei gleichem
Absolutwert entgegengerichtet sind und sich somit gegenseitig
aufheben. Andererseits wird eine durch den Oszillator 1 an den LC-
Schwingkreis 2 angelegte Arbeitsspannung UoszL1 bzw. UoszL2 zur
Erzeugung eines Arbeitsmagnetfeldes durch diese Anordnung
kaum beeinflusst.
-
Fig. 2 zeigt einen Gleiskörper 3 in perspektivischer Ansicht
mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer
Spulenanordnung zur Störmagnetfeldkompensation. Es ist
ersichtlich, dass ein Störmagnetfeld φS von einem Schienenstrom IS
erzeugt wird. Um dieses Störmagnetfeld φS quasi zu
neutralisieren, sind hier die beiden Spulen L1 und L2 in Reihe
geschaltete als innere Spule Li und äußere Spule La
ausgebildet, wobei die Windungsorientierungen der beiden Spulen Li
und La einander entgegengerichtet sind, wie die Fig. 3a
und 4 durch Pfeile symbolisiert zeigen. Außerdem ist die
Windungszahl nLi der inneren Spule Li größer als die
Windungszahl nLa der äußeren Spule La.
-
Aus
wobei
µ die Permeabilität,
φ der magnetische Fluss,
B die magnetische Induktion und
A die Fläche der Spule La bzw. Li
bedeuten. Die innere Spule Li hat also eine dem
Flächenverhältnis entsprechende höhere Windungszahl nLi als die äußere
Spule La. Dieser Umstand hat zur Folge, dass die durch den
Schwingkreisstrom des Oszillators 1 in beiden Spulen Li und
La entgegengesetzt auftretenden Induktionen BLi und BLa nicht
gleich groß sind und im Bereich der inneren Spule Li gemäß
Fig. 3a eine ausreichend hohe Gesamtinduktion BLi-BLa zur
Detektion eines den induktiven Sensor überfahrenden Rades eines
Schienenfahrzeuges verbleibt. Dagegen kompensieren sich der
innere und der äußere Anteil eines Störmagnetfeldes mit der
Gesamtinduktion BStör gegenseitig, wie Fig. 3b in
symbolhafter Darstellung zeigt.
-
Der Kompensationseffekt ist auch dann vorhanden, wenn, wie in
Fig. 4, die innere Spule Li nicht zentrisch in der äußeren
Spule La angeordnet ist. In weiterer Abwandlung können die
Spulen Li und La nahezu beliebige Formen, wie kreisförmig,
quadratisch, rechteckig oder oval haben. Bei exakter
Befolgung der oben angegebenen Dimensionierungsregel, nämlich der
umgekehrter Proportionalität der Windungszahlen zu den
Spulenflächen, kann eine nahezu vollständige Kompensation
störender homogener Magnetfelder erreicht werden. Bei
inhomogenen Störfeldern können Differenzen zwischen den
Störspannungen der Spulen Li und La infolge der unterschiedlichen
Spulenabmessungen auftreten. Die effektiv verbleibende
Gesamtstörspannung ist jedoch immer kleiner als die einer einzelnen
Spule, so dass zumindest teilkompensierende Wirkung
garantiert ist.
-
Die Fig. 5 bis 10 beziehen sich auf eine weitere
erfindungsgemäße Ausführungsform einer störfeldkompensierenden
Spulenanordnung. Gegenüber der in den Fig. 2 bis 4
dargestellten Variante unterscheidet sich diese Ausführungsform
insbesondere dadurch, dass die verwendeten Spulen L1 und L2
im Gegensatz zu den Spulen Li und La gleichartige Geometrie
aufweisen. Damit ergibt sich eine Verringerung des Aufwandes
bzw. der Kosten.
-
Fig. 5 zeigt in analoger Darstellungsweise zu Fig. 2, dass
zwei gegeneinander versetzte und sich teilweise überlappende
Spulen L1 und L2 gleicher Geometrie und Windungszahlen
vorgesehen sind. Da beide Spulen L1 und L2 baugleich sind,
induziert das Störmagnetfeld φs in beide Spulen L1 und L2 die
gleiche Störspannung UStörL1 und UStörL2 (Fig. 1). Zur
Kompensation sind die Spulen L1 und L2, wie zur Fig. 1 ausgeführt,
gegeneinander verschaltet. Bei der sich überlappenden, nicht
aber durchdringenden Anordnung der beiden Spulen L1 und L2
sind diese magnetisch voneinander entkoppelt, das heißt, das
von einer Spule L1 bzw. L2 erzeugte Magnetfeld durchsetzt die
andere Spule L2 bzw. L1 zu gleichen Teilen mit den
entgegengerichteten inneren und äußeren magnetischen Flüssen φi und
φa, wie Fig. 6 zeigt. Dieser Effekt wird durch die teilweise
Überlappung der Spulen L1 und L2 erreicht, wobei der Abstand
X zwischen den Längsachsen der beiden Spulen L1 und L2 immer
kleiner als deren Durchmesser ist. Für das zur Detektion von
Rädern erforderliche Arbeitsmagnetfeld BL1 bzw. BL2 ergeben
sich die in Fig. 7a dargestellten Verhältnisse, während ein
Störmagnetfeld BStör gemäß Fig. 7b kompensiert wird. Jede
Spule L1 und L2 erzeugt ein Magnetfeld wie eine einzelne
Spule, da durch die magnetische Entkopplung keine gegenseitige
Beeinflussung auftritt. Daher hat es auch keinen Einfluss,
dass die Magnetfelder BL1 und BL2 beider Spulen L1 und L2 im
Oszillatorbetrieb entgegengerichtet sind. Beide Spulen L1 und
L2 tragen zu gleichen Teilen zur Detektion eines Rades bei,
weil ihre Magnetfelder BL1 und BL2 vom Spurkranz 4 (Fig. 8)
eines Rades in gleicher Weise beeinflusst werden. Gegenüber
einer Anordnung mit nur einer Sensorspule, das heißt ohne
Einbeziehung dieser Einzelspule in eine Spulenmehrheit zur
Störfeldkompensation, verlängert sich der Einwirkbereich des
Rades etwa um den seitlichen Versatz X der beiden Spulen L1
und L2.
-
Fig. 8 zeigt die Spulen L1_1, L2_1 und L2_2 zweier
Radsensoren relativ zu dem Gleiskörper 3. Dabei sind die Spulen L1_1,
L2_1 sowie L2_2 und L1_2 derart, zum Beispiel innerhalb eines
Sensorgehäuses, angebracht, dass ihre Mittelpunkte eine
konstante Höhe zur horizontalen Grundfläche des Gleiskörpers 3
aufweisen, wobei die Windungsebenen zur Gleisebene geneigt
sind. Magnetische Störfelder durchsetzen dann die beiden
Spulen L1_1 und L2_1 bzw. L2_2 und L1_2 jeweils in gleicher
Intensität und Richtung und heben sich damit auf, auch wenn das
Störfeld nicht parallel zu den Spulenlängsachsen verläuft.
Der in Fig. 8 dargestellte Doppelsensor wird von dem
Spurkranz 4 des Rades in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge
überfahren, so dass aus der Signalreihenfolge auf die
Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges geschlossen werden kann.
-
In Fig. 9 ist eine bevorzugte Spulenform für Radsensoren
dargestellt. Die Spulen L1 und L2 sind scheibenförmig
ausgebildet und in Spiralen gewickelt. Die Höhe der Scheibenspulen
entspricht dem Durchmesser des Wicklungsdrahtes und ist
folglich derart gering, dass die beiden sich überlappenden Spulen
L1 und L2 ohne Neigung in das Gehäuse eines Radsensors
eingebaut werden können.
-
Fig. 10 veranschaulicht einen Doppelsensor mit
Scheibenspulen L1_Sys1 und L2_Sys1 sowie L1_Sys1 und L2_Sys2, wobei sich
auch die benachbarten Spulen L2_Sys1 und L1_Sys2 der beiden
Sensorsysteme Sys1 und Sys2 überlappen.
-
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend
angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von
Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders
gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch
machen.