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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Schnee und/oder
Eis an Gleisanlagen, insbesondere zur witterungsabhängigen Betätigung von
Weichenheizungen.
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Im
Winter tritt vor allem bei Anlagen der Bahn das Problem auf, dass
Gleisweichen, ohne das Ergreifen geeigneter Maßnahmen, festfrieren oder durch
Schnee, insbesondere Flugschnee, welcher sich zwischen der Schiene
und der beweglichen Weichenzunge ablagert, nicht mehr bestimmungsgemäß betätigt werden
können.
Daher ist es üblich,
die Weichen im Winter zu beheizen. Gegenwärtig werden die Weichen beim
Unter- beziehungsweise Überschreiten
bestimmter witterungsabhängiger
Parameter, beispielsweise beim Unterschreiten einer minimalen Außentemperatur,
permanent beheizt. Dabei erfolgt die Erfassung entsprechender witterungsabhängiger Parameter
mittels zentraler Wetterstationen für größere geographische Areale.
Dies ermöglicht
aber nicht die selektive Überwachung
beziehungsweise Überprüfung einzelner
Weichen auf das Bestehen witterungsbedingter Beeinträchtigungen.
Aus Sicherheitsgründen
werden daher in der Regel alle einer Wetterzentrale zugeordneten
Weichen bereits bei Annäherung
der Außentemperaturen
an den Gefrierpunkt und im Falle des Bestehens einer gewissen Niederschlagswahrscheinlichkeit
beheizt. Diese Sicherheitsvorkehrungen bedingen jedoch, dass die Weichen,
zumindest aber einige der Weichen, innerhalb eines Überwachungsbereichs
häufig
unnötigerweise
beheizt werden. Die Menge der insoweit mehr oder weniger unnötigerweise
verbrauchten Energie ist aufgrund der Vielzahl der Gleisweichen
im Streckennetz der Bahn beträchtlich
und daher durchaus ein volkswirtschaftlicher Faktor.
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Eine
manuelle Kontrolle der einzelnen Weichen ist aber ebenfalls sehr
aufwendig und aufgrund der Komplexität der Gleisanlagen vielerorts
nicht sinnvoll durchführbar.
Daher wäre
es wünschenswert,
die Möglichkeit
zu haben, die Betätigung
der Weichenheizungen automatisiert und selektiv vornehmen zu können.
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Zur
Feststellung von Schnee und/oder Eis kommen grundsätzlich unterschiedliche
Sensoren in Betracht. Allerdings sind für das vorstehend geschilderte
Problem vorzugsweise einfach aufgebaute Sensoren zu verwenden, welche
preiswert und im Hinblick auf den Einsatzzweck sehr robust sind.
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Insoweit
scheint die Feststellung von Schnee und/oder Eis mittels eines kapazitiven
Sensors eine geeignete Möglichkeit
zu sein. Durch die
DE
1 573 287 A1 wird ein Verfahren zum Festlegen der Gefahr der
Bildung von Eis auf einer Fläche
beschrieben, bei welchem unter anderem die Änderung der Kapazität zwischen
zwei Elektroden zur Feststellung von Eisablagerungen herangezogen
wird. Weiterhin wird durch die
DE 2 427, 86 A1 eine Anordnung zur Beheizung
von Weichen beschrieben, bei welcher die Heizung mittels eines kapazitiven
Sensors gesteuert wird. Dazu sind zwei Platten eines Kondensators, welcher
Teil eines Schwingkreises ist, am oder im Gleiskörper angeordnet. Durch die
Veränderung
von Temperatur und/oder Feuchtigkeit der Luft ändert sich die Kapazität des Kondensators
und damit die Frequenz des Schwingkreises. Diese Änderung
wird ausgewertet und zur Ansteuerung der Heizung benutzt. Allerdings
bietet die dargestellte Lösung,
im Hinblick auf das möglicherweise
unnötige
Einschaltender Heizung, keine hinreichende Sicherheit. gegenüber Fehlauslösungen durch
andere, die Kapazität
des Kondensators beeinflussende Umstände, wie beispielsweise die
Ablagerung von Schmutz oder das Hineinfallen eines Astes oder dergleichen
zwischen die Kondensatorplatten. Zudem scheint die Anordnung insbesondere
nicht geeignet, auf eine durch Flugschnee gegebene Gefahr angemessen
zu reagieren. Bei derartigem Flugschnee kann sich um durch einen
vorbeifahrenden Zug aufgewirbelten, insbesondere aber auch von diesem
herab fallenden Schnee handeln, der sich zwar zwischen den Platten eines
in bekannter Weise ausgebildeten kapazitiven Sensors nicht verfängt, aber
unter Umständen
im Bereich einer Weiche durchaus liegen bleibt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Anordnung bereitzustellen, welche
Flugschnee in den Gleisanlagen und/oder deren Vereisung zuverlässig detektiert
und nur bei tatsächlich
bestehender Notwendigkeit die Weichenheizung betätigt und darüber hinaus
einen einfachen und störungssicheren
Aufbau aufweist. Insbesondere soll die Anordnung auch zuverlässig auf
Flugschnee ansprechen. Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit
den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Die
vorgeschlagene Anordnung zur Detektion von Schnee und/oder Eis an
Gleisanlagen, insbesondere zur witterungsabhängigen Betätigung einer Weichenheizung
oder einer Gruppe von Weichenheizungen besteht, wie grundsätzlich bekannt,
aus einem Sensor, einer Auswerteelektronik und einer Spannungsversorgung.
Als Sensor kommt ein kapazitives Element zum Einsatz, welches neben
dem, am oder im Gleiskörper
angeordnet ist. Wie ebenfalls aus dem Stand der Technik grundsätzlich bereits
bekannt, wird dessen sich bei einer Ablagerung von Schnee und/oder
Eis ändernde
Kapazität
ausgewertet und zur Ableitung eines Steuersignals genutzt. Erfindungsgemäß hat jedoch
der kapazitive Sensor eine ganz bestimmte Ausbildung, die einerseits
eine Fehlauslösung
beispielsweise durch herunterfallende, sich am Sensor verfangende Äste oder
dergleichen verhindert, aber Schnee, insbesondere Flugschnee, in
etwa gleicher Weise festhält
wie eine Weiche. Dazu besteht der Sensor aus mehreren elektrisch
parallel geschalteten Plattenkondensatoren, deren Platten senkrecht
stehend, zu einander parallel angeordnet sind und, erfindungsgemäß, an ihrer Oberkante
jeweils einen gegenüber
den seitlichen Rändern
aufragenden Bereich aufweisen.
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Die
Platten sind vorzugsweise äquidistant angeordnet
und weisen zur Erreichung des vorgenannten Ziels einen Abstand zwischen
0,5 cm bis 3,5 cm zueinander auf. In Versuchen hat sich insbesondere
ein Abstand von 1 cm bis 2 cm zwischen den Platten als zielführend erwiesen.
Die Kombination des genannten Abstands und der speziell ausgebildeten
Oberkante verhindert insbesondere sehr zuverlässig, dass Hineinfallen stückigen Guts,
wie Ästen
oder dergleichen. Entsprechende Objekte rollen in vorteilhafter
Weise über
den aufragenden Bereich der Kondensatorplatten des Sensors hin zu
deren Rändern
ab. Andererseits verfängt
sich Flugschnee, der sich in dieser Form beispielsweise leicht zwischen
einer Weichenzunge und dem Gleis ablagert und dort in größeren Mengen
oder im Falle seiner Vereisung die Funktion der Weiche beeinträchtigt,
mit großer
Wahrscheinlichkeit auch in dem Sensor und kann dort zu Auslösung einer
Weichenheizung detektiert werden.
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Bei
einer möglichen
Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist der Sensor so gestaltet, dass die in eine Ebene projizierte
Fläche
der Kondensatorplatten aus einem Quadrat oder Rechteck mit einem
darauf angeordneten Dreieck zusammengesetzt ist. Dabei bildet die
Spitze des Dreiecks eben jenen besagten, gegen die Seitenränder aufragenden
Bereich einer Kondensatorplatte aus.
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Vorzugsweise
sind die Kondensatorplatten des Sensors beidseitig durch flächige, elektrisch
leitende Zuleitungselemente verbunden und zwar so, dass die beiden
Zuleitungselemente, zueinander komplementär, jeweils mit jeder zweiten
Kondenstorplatte verbunden sind.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung sind
die Flächen
der Kondensatorplatten zudem stumpfwinklig abgewinkelt. Dabei verläuft die
Scheitellinie eines eine Kondensatorplatte ausbildenden Winkelelements
jeweils, beginnend in dem an der Oberkante aufragenden Bereich,
senkrecht über
die jeweilige Platte. Bezogen auf eine Draufsicht auf ihre aufragenden
Bereiche sind die Platten insoweit im Wesentlichen fischgrätenartig
angeordnet. Abgesehen von den beiden äußeren Platten des Sensors ragt
jede, mit einem der Zuleitungselemente verbundene Platte in einen
von zwei, mit dem jeweils anderen Zuleitungselement verbundenen
Platten gebildeten Zwischenraum hinein. Vorzugsweise ist der Sensor
gegen den Untergrund beabstandet angeordnet, wobei die Plattenzwischenräume nach
unten offen sind. Dadurch wird vermieden, dass der Sensor beziehungsweise
die Anordnung bereits bei den ersten auftretenden Schneeflocken
auslöst.
Diese fallen vielmehr durch ihn hindurch und Schnee sammelt sich
erst bei einer gewissen, kritischen Höhe in einem Maße in dem
Sensor, welches zu dessen Auslösung führt. Der
Abstand des Sensors gegenüber
dem Untergrund ist selbstverständlich
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Umgebung (Untergrundverhältnisse, Aufbau des Gleisunterbaus
und ähnliches)
in geeigneter Weise festzulegen. Er wird jedoch vorzugsweise so
gewählt,
dass die Unterkante der Kondensatorplatten im Bereich des Schienenfußes angeordnet ist.
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Anders
als aus dem Stand der Technik bekannt, wird die witterungsbedingt
eintretende Kapazitätsänderung
bei der erfindungsgemäßen Anordnung über eine
Messung des durch den Sensor fließenden Stroms erfasst. Die
Ausgabe eines vorzugsweise unmittelbar zur Ansteuerung einer Weichenheizung
verwendeten Steuersignals, welches das Vorhandensein von Schnee
und/oder Eis zwischen den Kondensatorplatten des Sensors signalisiert,
erfolgt schwellwertbezogen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung verfügt
die Anordnung über
einen zweiten in gleicher Weise aufgebauten Sensor, welcher zwar
ebenfalls unter Umgebungsbedingungen, aber an nicht exponierter
Stelle angeordnet ist. Dieser zweite Sensor bildet ein Referenzelement
zur Ermittlung einer durch das Vorhandensein von Schnee und/oder
Eis zwischen den Platten des ersten Sensors bedingten Kapazitätsänderung
aus.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden.
Die 1a und 1b zeigen
dieses Ausführungsbeispiel
in einer stark schematisierten Darstellung. Dabei zeigen
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1a Die
Anordnung, insbesondere deren Sensor in einer räumlichen Darstellung
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1b:
Die Anordnung nach 1a in einer Draufsicht.
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Der
wesentlichste Teil der Anordnung ist das kapazitive Element beziehungsweise
der kapazitive Sensor 1. Weiterhin gehören zur Anordnung eine Spannungsversorgung 2 und
eine Auswerteelektronik 3. Die letztgenannten Einheiten 2, 3 sind
in der Zeichnung lediglich als Blackbox dargestellt. Insoweit sollen
sich die Erläuterungen
vor allem auf die Ausbildung des Sensors 1 konzentrieren.
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Zu
der Auswerteelektronik 3 und der Spannungsversorgung 2 sollen
nur einige kurze Erläuterungen
gegeben werden. Danach beinhaltet die Auswerteelektronik 3 im
Wesentlichen Mittel zur Strommessung und eine Vergleichereinheit
(Komperator), mittels welcher der Strom durch die Anordnung gemessen,
mit einem Sollwert beziehungsweise einem Referenzwert verglichen
und im Falle des Überschreitens
eines vorgegebenen Schwellwertes ein Steuersignal generiert wird.
Das Steuersignal kann zur Ansteuerung einer an zentraler Stelle
angeordneten Warnanzeige dienen, wird jedoch vorzugsweise unmittelbar
zur Schaltung einer Heizung für
eine oder mehrere Weichen genutzt werden. Der Aufbau beziehungsweise
die Auslegung entsprechender elektronischer Schaltungen ist dem
Fachmann geläufig. Durch
die Spannungsversorgungseinheit 2 wird eine Wechselspannung
von einigen Volt und mit einer Frequenz im Bereich einiger Kilohertz
zur Verfügung
gestellt. Die genauen Werte für
Spannung und Frequenz sind dabei unkritisch. Sicherlich wird man
hinsichtlich der Spannung sicherheitstechnische Aspekte zu berücksichtigen
haben. Die Für
die Anordnung benötigte
Spannung wird vorzugsweise aus der zum Betrieb anderer Bahnanlagen
verwendeten Spannung abgeleitet.
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Der
durch den Sensor 1 beziehungsweise die Kondensatoranordnung
fließende
Strom wird dabei unmittelbar durch deren Kapazität bestimmt, welche wiederum
nach der Formel C = ∊·∊0·A/dvon
der durch die Umgebungsbedingungen bestimmten relativen Dielektrizitätskonstanten ∊ bestimmt wird.
Letztere erhöht
sich beispielsweise bei Vorhandensein von Eis zwischen den Platten
von etwa 1 (bei Luft) auf etwa 100. Bei dem kapazitiven Sensor 1 handelt
es sich um mehrere elektrisch parallel geschaltete im Gleisbett
zu positionierende Plattenkondensatoren, deren Platten 4, 4', 4'' eine Struktur mehrerer kammartig
ineinander greifender Rippen ausbilden. Die senkrecht stehenden
Platten 4, 4', 4'' sind in jedem Falle so ausgebildet,
dass sie an ihrer bezogen auf die senkrechte Ausrichtung oberen
Seite in einem Bereich 5 gegenüber den Randbereichen aufragen.
In dem dargestellten Beispiel besitzen sie eine zackenartige Form,
bei der ihre Flächen,
bezogen auf die Projektion in eine Ebene, aus einem Quadrat oder Rechteck
und einem darüber
angeordneten Dreieck zusammengesetzt sind, wobei die Platten 4, 4', 4'' in dem dargestellten Beispiel
außerdem
noch in der Plattenmitte abgewinkelt sind. Hierdurch ergibt sich die
aus der 1b ersichtliche fischgrätenartige Ausbildung
des Sensors 1. Durch diese Ausbildung, insbesondere durch
die aufragenden Spitzen 5 in der Mitte der Kondensatorplatten 4, 4', 4'', wird erreicht, dass beispielsweise
Unrat, herunterfallende Äste oder ähnliches,
nicht zwischen die Kondensatorplatten 4, 4', 4'' fällt und zu einer Fehlauslösung der
Anordnung führt.
Größere Gegenstände rollen
vielmehr über
die aufragenden mittleren Bereiche beziehungsweise die Spitzen an
den Kondensatorplatten 4, 4', 4'' ab.
Zusammengehörige
beziehungsweise parallel geschaltete Platten 4, 4', 4'' sind jeweils durch einen seitlichen
Steg beziehungsweise durch ein flächiges, elektrisch leitendes
Zuleitungselemente 7, 7' miteinander verbunden. Selbstverständlich kann
der Sensor 1 auch mehr Kondensatorplatten 4, 4', 4'' umfassen als der in der Abbildung
gezeigte. Bei der Verbauung des Sensors 1 im Gleisbett
wird der Sensor 1 so angeordnet, dass nicht bereits vereinzelt
fallende Schneeflocken zu einer Auslösung der Anordnung führen. Zudem
ist der Sensor 1 nach unten offen. Durch die Wahl einer
geeigneten Höhe
für den
Sensor 1 über
dem Gleisbett kann sichergestellt werden, dass der Sensor 1 erst
ab einer gewissen kritischen Schnee- beziehungsweise Flugschneehöhe auslöst und die
Weichenheizung aktiviert. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst zudem
vorzugsweise einen gleichartigen Sensor mit gleichen elektrischen Parametern.
Dieser Sensor wird an einer weniger exponierten Stelle, das heißt an einem
Ort gleicher Temperatur, an dem sich jedoch Schnee und Feuchtigkeit
nicht am beziehungsweise im Sensor anlagern können, angeordnet. Dieser in
der Figur nicht gezeigte zweite Sensor dient als Referenzelement.
Es ist nun möglich,
die Änderung
des Stroms durch den exponiert angeordneten Sensor 1 gegenüber dem Strom
durch das Referenzelement zu vergleichen und die Auswertung beziehungsweise
die Ableitung des Schaltsignals für die Weiche auf der Grundlage dieses
Vergleichs durchzuführen.
Dadurch wird eine eventuelle Drift der Messelektronik wirkungsvoll
kompensiert.
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- 1
- Sensor
- 2
- Spannungsversorgung
(-seinheit)
- 3
- Auswerteelektronik
- 4,
4', 4''
- (Kondensator-)
Platten
- 5
- aufragender
Bereich bzw. Spitze
- 6
- Scheitellinie