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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum berührungslosen
Messen von Bewegungen einer Eisenbahnschiene.
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An
Eisenbahn-Behelfsbrücken
entstehen am Übergang
zwischen Schotterbett und starrer Behelfsbrückenunterkonstruktion starke
Belastungen der Eisenbahnschienen und der Schienenbefestigungen. Diese
sind umso größer, je
schneller diese Stellen überfahren
werden und je größer die
Schienenbewegungen bei der Überfahrt
sind. Hierbei kommt den vertikalen Bewegungen besondere Bedeutung
zu. An solchen Eisenbahn-Behelfsbrücken sind daher Langsamfahrstellen
eingerichtet, die allerdings einen erheblichen Zeitverlust bedeuten.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereit zu stellen, um hier Abhilfe zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum berührungslosen
Messen von Bewegungen einer Eisenbahnschiene relativ zu einem ortsfesten
Bezugssystem, wobei entweder ein Lichtstrahl des ortsfesten Bezugssystems
von einem an der Eisenbahnschiene vorgesehenen horizontal und/oder
vertikal auflösenden
Detektor erfasst wird oder ein von der Eisenbahnschiene kommender Lichtstrahl
von einem horizontal und/oder vertikal auflösenden Detektor des ortsfesten
Bezugssystems erfasst wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Messverfahren werden
die während
einer Zugüberfahrt
auftretenden Schienenbewegungen berührungslos und mit hoher Frequenz
gemessen, so dass eine permanente Überwachung der Schienenbewegungen
gesichert ist. Die zulässige Überfahrgeschwindigkeit
kann jeweils entsprechend den gemessenen Schienenauslenkungen und
den daraus berechneten Bewegungsparametern, wie z.B. Maximalauslenkung,
Schwingungsverhalten, etc., angepasst werden, wodurch höhere Überfahrgeschwindigkeiten
möglich
sind. Je aufgehobener Langsamfahrstelle ist somit eine erhebliche
Zeitersparnis erzielbar. Von besonderem Interesse sind die vertikalen
Schienenbewegungen, aber auch Longitudinal- und Transversalbewegungen
lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren ebenfalls
hochfrequent und mit hoher Genauigkeit erfassen.
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Die
Messgenauigkeit beträgt
vorteilhaft mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 0,1 mm oder noch
weniger. Die Messung erfolgt typischerweise mit Abtastfrequenzen
von 25 bis 50 Hz, wobei auch Abtastfrequenzen von bis zu 1 kHz oder
noch höhere Abtastfrequenzen
möglich
sind. Durch hochfrequentes Abtasten kann z.B. mittels Fourieranalyse
oder Wavelettransformation das Schwingverhalten der Schiene berechnet
werden, und durch Einbinden in ein übergeordnetes Höhenbezugssystem
kann die absolute Bewegung der Schiene gemessen und dieser absolute
Höhenbezug
(z.B. mit einem automatischen Digitalnivellier) automatisch überwacht
werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Messverfahren können noch
andere Aufgaben abgedeckt werden:
- – Achszähler: Durch
die gemessenen Achsuberfahrten kann die Anzahl der Achsen des überfahrenden
Zuges ermittelt werden.
- – Geschwindigkeitsmessung:
Durch die gemessenen Achsüberfahrten
kann bei bekanntem Achsabstand die Geschwindigkeit des überfahrenden
Zuges berechnet werden.
- – Durch
zeitliche Zuordnung der gemessenen Achsüberfahrten können die
aktuellen Fahrdaten des überfahrenden
Zuges ermittelt und mit dem Zugplan abgeglichen werden.
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Vorzugsweise
wird der Lichtstrahl des ortsfesten Bezugssystems an der Eisenbahnschiene oder
einem daran befestigtem Reflektor reflektiert und dann vom Detektor
des ortsfesten Bezugssystems erfasst, wobei der Lichtstrahl am Reflektor
abhängig
von dessen Horizontal- oder Vertikalposition unterschiedlich, insbesondere
mit unterschiedlichem Horizontal- oder Vertikalversatz, reflektiert
wird. Bei dieser Verfahrensvariante sind an der Schiene keine aktiven
(d.h. stromverbrauchenden) Komponenten, sondern lediglich ein Reflektor
erforderlich.
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In
einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante wird der Lichtstrahl
von einer an der Eisenbahnschiene befestigten Lichtquelle erzeugt
und vom Detektor des ortsfesten Bezugssystems erfasst.
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Besonders
bevorzugt werden die Bewegungen der Eisenbahnschienen an mehreren
Messpunkten entlang der Eisenbahnschienen gemessen, um dann durch
zentrale Auswertung der Messergebnisse eine Überhöhung oder Torsion der Eisenbahnschienen
ermitteln zu können.
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Die
oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Vorrichtung zum
berührungslosen
Messen von Bewegungen einer Eisenbahnschiene relativ zu einem ortsfesten
Bezugssystem mit einer Lichtquelle, die entweder im ortsfesten Bezugssystem
zur Erzeugung eines auf die Eisenbahnschiene gerichteten Lichtstrahls
oder an der Eisenbahnschiene zur Erzeugung eines auf das ortsfeste
Bezugssystem gerichteten Lichtstrahls angeordnet ist, und mit einem
horizontal und/oder vertikal auflösenden Detektor zum Empfang
des Lichtstrahls. Mit dieser erfindungsgemäßen Messvorrichtung ergeben
sich ebenfalls die oben zum erfindungsgemäßen Messverfahren genannten
Vorteile.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Lichtquelle im ortsfesten Bezugssystem und der Detektor
an der Eisenbahnschiene angeordnet oder umgekehrt. Im ersteren Fall
bleibt der Lichtstrahl bei einer Schienenbewegung absolut ortsfest,
und der Detektor bewegt sich relativ zum Lichtstrahl. Aus Sicht
des Detektors scheint sich der auftreffende Lichtpunkt zu bewegen,
und diese Bewegung, die eindeutig der Bewegung der Schiene entspricht,
wird detektiert. Die Stromversorgung der an der Eisenbahnschiene
befestigten Komponente erfolgt vorteilhaft über Solarzellen, so dass keine
Kabelverbindung zur Schiene erforderlich ist. Die Solarzellen können auch
mit einer ortsfest angebrachten Lichtquelle versorgt werden. Bei
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der ortsfeste Detektor zwischen den beiden
Eisenbahnschienen angeordnet ist und an beiden Eisenbahnschienen
einander gegenüberliegende
Lichtquellen befestigt sind, deren Lichtstrahlen vom Detektor erfasst
werden. Selbstverständlich
kann auch die Lichtquelle ortsfest zwischen den beiden Eisenbahnschienen
angeordnet und an beiden Eisenbahnschienen einander gegenüberliegende
Detektoren befestigt sein, die die Lichtstrahlen der Lichtquellen
erfassen.
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Bei
anderen bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle und der Detektor
ortsfest angeordnet sind und ein Reflektor an der Eisenbahnschiene
befestigt ist oder umgekehrt. Im ersteren Fall bleiben der Lichtstrahl
und der Detektor bei einer Schienenbewegung absolut ortsfest, und
an der Schiene sind keine aktiven Komponenten, sondern lediglich
ein Reflektor erforderlich. Der Reflektor ist derart ausgebildet,
dass ein auftreffender Lichtstrahl am Reflektor abhängig vom
horizontalen oder vertikalen Auftreffpunkt unterschiedlich, insbesondere
mit unterschiedlichem Horizontal- bzw. Vertikalversatz, reflektiert
wird.
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Bei
besonders bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist der Reflektor ein Parallelreflektor mit zwei,
zueinander im Winkel von 90° stehenden,
horizontal oder vertikal beabstandeten Planspiegeln oder mit zwei
horizontal oder vertikal beabstandeten Pentaprismen. Eine Vertikalauslenkung des
an der Schiene befestigten Reflektors bewirkt eine z.B. doppelte
Vertikalauslenkung des reflektierten Laserstrahls. Bei einer anderen
Ausführungsform ist
die Reflektorfläche
des Reflektors gewölbt,
so dass ein auftreffender Lichtstrahl am Reflektor abhängig vom
horizontalen oder vertikalen Auftreffpunkt mit unterschiedlichem
Horizontal- bzw. Vertikalversatz reflektiert wird. Der gewölbte Reflektor kann
durch eine an der Schiene angebrachte Reflektorkugel (z.B. Stahlkugel)
gebildet sein. Idealerweise ist die Lichtquelle dann ein Ringblitz,
der auf der Reflektorkugel als sehr kleiner Ring, quasi als Leuchtpunkt,
abgebildet wird. Dieser Leuchtpunkt bewegt sich mit der Schiene
auf und ab und wird vom Detektor erfasst.
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Insbesondere
wenn als Lichtquelle ein Laser verwendet wird, ist der Detektor
vorzugsweise eine Digitalkamera mit davor montierter Mattscheibe.
Der auf der Mattscheibe als Leuchtpunkt auftreffende Lichtstrahl
bewegt sich mit der Schiene auf und ab und wird von der Digitalkamera
detektiert.
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Um
auch Transversalbewegungen der Eisenbahnschiene, d.h. Bewegungen
quer zur Eisenbahnschiene zu messen, sind dem Detektor bevorzugt
zwei längs
beabstandete Lichtquellen zugeordnet. Aus dem jeweils erfassten
Abstand der beiden Lichtquellen in der Bildebene und dem bekannten festen
Abstand der beiden Lichtquellen kann der Abstand zwischen Detektor
und Lichtquelle bzw. Eisenbahnschiene ermittelt werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Überwachungsvorrichtung
mit einer wie oben ausgebildeten Messvorrichtung und mit einer Auswerte-/Überwachungseinrichtung,
welche die Eisenbahnschiene auf der Basis der gemessenen Bewegungen überwacht und
vorzugsweise bezüglich
der zulässigen
maximalen Überfahrgeschwindigkeit
steuert. Dadurch ist eine permanente Überwachung der Schienenbewegungen
am Übergang
gesichert, und die zulässige Überfahrgeschwindigkeit
kann jeweils anhand der gemessenen Schienenauslenkungen und den
daraus berechneten Bewegungsparametern (z.B. Maximalauslenkung,
Schwingungsverhalten, etc.) gesteuert werden.
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Die
Erfindung betrifft schließlich
auch die Anordnung einer wie oben ausgebildeten Messvorrichtung
am Übergang
von im Schotterbett verlegten Eisenbahnschienen zu einer Behelfsbrücke. Vorzugsweise
sind vor und/oder hinter der Behelfsbrücke entlang einer bzw. beider
Eisenbahnschienen mehrere voneinander beabstandete Messvorrichtungen
vorgesehen und jeder der beiden Eisenbahnschienen eine oder mehrere
Messvorrichtungen zugeordnet.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale
je für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
sind nicht als abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum
berührungslosen
Messen von Bewegungen eines im Schotterbett verlegten Eisenbahngleisstücks bestehend
aus den beiden Schienen am Übergang zu
einer starren Behelfsbrücke;
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2 die
Draufsicht auf das in 1 gezeigte Eisenbahngleisstück;
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3 die
ortsfeste Befestigung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mittels
eines Rammpfahls;
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4 eine
Modifikation der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur zusätzlichen Messung
von Transversalbewegungen der Eisenbahnschiene in einer Draufsicht;
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5 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
in einer Detailansicht analog zu 1
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6 eine
noch weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung
in einer Detailansicht analog zu 1;
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7 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der in 6 gezeigten erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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8 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der in 6 gezeigten erfindungsgemäßen Messvorrichtung; und
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9 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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Die
in 1 gezeigte Messvorrichtung 1 dient zur
berührungslosen
Messung von vertikalen und horizontalen (longitudinalen) Bewegungen 2 einer
im Schotterbett 3 verlegten Eisenbahnschiene 4 am Übergang
zu einer Behelfsbrücke 5.
Zu beiden Seiten der je nach Einsatzort zwischen 5 und 20 m langen
Behelfsbrücke 5 sind
innerhalb von jeweils ca. 20 m mehrere solche Messvorrichtungen 1 angeordnet.
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Jede
Messvorrichtung 1 umfasst eine an der Eisenbahnschiene 4 vorgesehene
Lichtquelle 6 und einen horizontal und vertikal auflösenden Detektor 7, auf
den der Lichtstrahl 8 der Lichtquelle 6 gerichtet ist.
Die Lichtquelle 6 kann z.B. eine mittels Sperrfilter eindeutig
vom Detektor 7 detektierbare Infrarot-LED sein, die an
eine Solarzelle angeschlossen ist. Der Detektor 7 ist ortsfest
an einem Rammpfahl 9, d.h. in einem ortsfesten Bezugssystem 10,
angebracht und kann z.B. eine Digitalkamera sein. Wie in 2 gezeigt,
ist der Detektor 7 zwischen den Eisenbahnschienen 4 und
zwischen zwei benachbarten Schwellen 11 angeordnet. In
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind an beiden
Eisenbahnschienen 4 einander gegenüberliegende Lichtquellen 6 befestigt,
deren Lichtstrahlen 8 von dem hier als synchronisierte
Doppelkamera ausgebildeten Detektor 7 erfasst werden. Wie
in 3 gezeigt, erstreckt sich der Rammpfahl 9 durch
das Schotterbett 3 und eine Tragschicht 12 bis
in einen festen Untergrund 13, wobei der Rammpfahl 9 im
Schotterbett 3 innerhalb eines Rohrs 14 verläuft und
daher das Schotterbett 3 nicht berührt.
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Bei
einer Zugüberfahrt
werden mit der Eisenbahnschiene 4 die daran befestigte
Lichtquelle 6 und folglich der Lichtstrahl 8 vertikal
und ggf. auch horizontal ausgelenkt. Diese Auslenkung des Lichtstrahls 8 wird
vom Detektor 7 erfasst und an eine lokale oder zentrale
Auswerte-/Überwachungseinrichtung
(z.B. Mikroprozessor) 15 übermittelt, die zunächst die
Bewegung ermittelt und eventuell daraus, z.B. mittels Fourieranalyse,
das Schwingverhalten der Eisenbahnschiene 4 berechnet.
Im Fall einer zentralen Auswerte-/Überwachungseinrichtung 15 können die
gegenseitigen Höhenlagen
und Auslenkungen aller Messvorrichtungen 1 miteinander
synchron verglichen und ausgewertet und daraus z.B. die gegenseitige
Höhenlage
der Schienen („Überhöhung") und die Torsion
des Gleiskörpers
abgeleitet werden.
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Anhand
der gemessenen Schienenauslenkungen und der daraus berechneten Bewegungsparameter
(Maximalauslenkung, Schwingungsverhalten, etc.) bestimmt die Auswerte-/Überwachungseinrichtung 15 die
jeweils maximal zulässige Überfahrgeschwindigkeit.
Je kleiner die gemessenen Maximalauslenkungen und Torsionen der
Eisenbahnschiene 4 sind, desto höher ist die zulässige Überfahrgeschwindigkeit.
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Um
auch Transversalbewegungen der Eisenbahnschiene 4, d.h.
Bewegungen quer zur Eisenbahnschiene 4 zu messen, werden
von dem in 4 gezeigten Detektor 7 zwei
an der Eisenbahnschiene 4 längs beabstandete Lichtquellen 6 erfasst.
Der Öffnungswinkel α, der durch
die Lichtstrahlen 8 der beiden Lichtquellen 6 definiert
ist, ändert
sich bei einer in 4 gestrichelt angedeuteten Transversalbewegung 16 der
Eisenbahnschiene 4, was am Detektor 7 zu einer
Abstandsänderung
der erfassten Lichtstrahlen 8 führt. Diese Abstandsänderung
ist somit ein Maß für den Abstand
zwischen Detektor 7 und Eisenbahnschiene 4. Alternativ
kann dieser Abstand auch mittels eines separaten Abstandsmessers,
z.B. eines Triangulationslasers, gemessen werden. Insgesamt ergibt
sich also eine 3D-Messung der Schienenbewegungen.
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Wie
in 5 gezeigt, können
selbstverständlich
Detektor und Lichtquelle auch vertauscht angeordnet sein, d.h.,
die Lichtquelle 6 ist neben der Eisenbahnschiene 4 ortfest
am Rammpfahl 9 und der Detektor 7 an der Eisenbahnschiene 4 befestigt.
Der Detektor 7 bewegt sich mit der Eisenbahnschiene 4, so
dass sich aus Sicht des Detektors 7 der Lichtstrahl 8 der
Lichtquelle 6 horizontal und vertikal bewegt. Diese Bewegung,
die genau der Bewegung der Eisenbahnschiene 4 entspricht,
wird vom Detektor 7 erfasst. Hierbei ist es sinnvoll, die
Lichtquelle als Laser auszubilden, dessen Laserstrahl auf eine vor
dem Detektor angebrachte Mattscheibe trifft. Dadurch werden Scheinbewegungen,
die durch ein Verkippen der Schiene entstehen, minimiert.
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Die
in 6 gezeigte Messvorrichtung 1 umfasst
einen ortsfest angeordneten Laser (Lichtquelle) 6, einen
an der Eisenbahnschiene 4 vorgesehenen Reflektor 17 und
einen ortsfest angeordneten vertikal auflösenden Detektor 7.
Der Laser 6 und der Detektor 7 sind – in festem
Abstand zueinander – am
ortsfesten Rammpfahl 9 angebracht, d.h. im ortsfesten Bezugssystem 10 angeordnet.
Der auf den Reflektor 17 gerichtete horizontale Laserstrahl 8 des
Lasers 6 wird am Reflektor 17 zum Detektor 7 reflektiert.
Der Reflektor 17 ist dabei derart ausgebildet, dass der Lichtstrahl 8 abhängig von
seinem vertikalen Auftreffpunkt auf den Reflektor 17 mit
unterschiedlichem Vertikalversatz reflektiert wird. Bei einer Zugüberfahrt wird
mit der Eisenbahnschiene 4 der daran befestigte Reflektor 17 vertikal
ausgelenkt, wodurch auch der reflektierte horizontale Laserstrahl 8' entsprechend vertikal
ausgelenkt wird. Diese Vertikalauslenkung des reflektierten Laserstrahls 8' wird vom vertikal
auflösenden
Detektor 7 erfasst und an die Auswerte-/Überwachungseinrichtung
(z.B. Mikroprozessor) 15 übermittelt, die z.B. mittels
Fourieranalyse das Schwingverhalten der Eisenbahnschiene 4 berechnet.
Anhand der gemessenen vertikalen Schienenauslenkungen und der daraus
berechneten Bewegungsparameter (Maximalauslenkung, Schwingungsverhalten,
etc.) bestimmt die Auswerte-/Überwachungseinrichtung 15 die
jeweils maximal zulässige Überfahrgeschwindigkeit.
Je kleiner die gemessenen Maximalauslenkungen der Eisenbahnschiene 4 sind,
desto höher
ist die zulässige Überfahrgeschwindigkeit.
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Bei
der in 7 gezeigten Messvorrichtung 1 ist der
an der Eisenbahnschiene 4 befestigte Reflektor 17 ein
Parallelreflektor mit zwei, zueinander im Winkel von 90° stehenden
Spiegeln 18. Der Laserstrahl 8 des ortsfesten
Lasers wird am Reflektor 17 zum ortsfesten Detektor 7 reflektiert.
Eine gestrichelt angedeutete Vertikalauslenkung der Eisenbahnschiene 4 und
damit des Parallelreflektors 17 um einen Betrag s führt zu einem
Vertikalversatz des reflektierten Laserstrahls 8' um 2s. Der
vertikal auflösende
Detektor 7 ist durch eine Digitalkamera 19 mit Auswertelogik
und davor montierter Mattscheibe 20 gebildet. Der auf der
Mattscheibe 20 vom reflektierten Laserstrahl 8' projizierte
Lichtfleck wird von der Digitalkamera 19 erfasst und seine
Lage auf der Mattscheibe 20 von der Auswertelogik hochgenau (typische
Messgenauigkeit: 1 μm–0,1 mm)
bestimmt.
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Bei
der in 8 gezeigten Messvorrichtung 1 ist der
an der Eisenbahnschiene befestigte Reflektor 17' ein Parallelreflektor
mit zwei vertikal beabstandeten Pentaprismen 18', die den einfallenden
Laserstrahl 8 (in gewissen Grenzen) unabhängig vom
Einfallwinkel im Winkel von 90° reflektieren.
Auch hier führt
eine gestrichelt angedeutete Vertikalauslenkung des Parallelreflektors 17' um einen Betrag
s zu einem Vertikalversatz des reflektierten Laserstrahls 8' um 2s.
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Für eine Messung
von Horizontalbewegungen werden Detektor 7 und Reflektor 17, 17', 17'' um 90° gedreht angeordnet, so dass
die beiden Spiegel 18 bzw. Pentaprismen 18' horizontal
beabstandet sind. Eine Horizontalauslenkung des reflektierten Laserstrahls
wird vom nun horizontal auflösenden
Detektor 7 erfasst.
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Bei
der in 9 gezeigten Messvorrichtung 1 ist der
an der Eisenbahnschiene 4 befestigte Reflektor 17'' ein nach außen gewölbter Reflektor, z.B. eine
Stahlkugel. Der Reflektor 17'' wird Idealerweise mit
einem Ringblitz 8 beleuchtet, der sich auf der Kugeloberfläche als
sehr kleiner Ring (quasi als Punkt) abbildet. Dieser Leuchtpunkt
bewegt sich mit der Eisenbahnschiene 4 auf und ab, wie
gestrichelt angedeutet ist, und wird als reflektierter Lichtstrahl 8' vom vertikal
auflösenden
Detektor erfasst. Der Punkt bewegt sich zwar auch auf der Kugeloberfläche, jedoch nur
minimal und nach bekannten Gesetzmäßigkeiten, so dass diese Bewegung
bei Bedarf berücksichtigt
werden kann.