DE102007016841A1 - Stromfluss in elektrischen Leitern zur Positionsbestimmung - Google Patents

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/003Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Messverfahren, um die Position von elektrischen Leitern im Raum zu beschreiben. Bei diesem Verfahren wird der bestimmungsgemäße Gebrauch der Leiter genutzt, um Positionsdaten zu gewinnen: mit dem Transport von Ladung im Leiter werden Felder erzeugt, die einen Richtungssinn haben und mit wachsendem Abstand abnehmen. Diese Felder können messtechnisch quantitativ erfasst werden und so zur Bestimmung der Position genutzt werden.

Description

  • Mit dieser Erfindung wird ein Messverfahren beschrieben, mit dem überraschend vorteilhaft die Lage von Oberleitungen beschrieben werden kann. Dazu wird erfindungsgemäß der in der Oberleitung von Bahnen fließende Strom respektive die daraus resultierenden Felder genutzt.
  • Der Stand der Technik zeigt unterschiedliche Lösungen, die räumliche Lage von Leitern zu bestimmen. Besonders häufig werden optische Taster verwendet, die die Reflexion der Leiter ausnutzen. So zeigt die Gebrauchsmusteranmeldung mit dem Aktenzeichen 295 12 619.1 den Einsatz von optischen Schaltern, die, am Stromabnehmer einer Bahn montiert, von der Oberleitung betätigt werden. Vergleichbares wird auch in der Gebrauchsmusteranmeldung mit dem Aktenzeichen 295 02 101.0 beschrieben. Dort sind auch Lösungen gezeigt, die keine Hilfsenergie benötigen, sondern natürlich vorhandene elektromagnetische Felder nutzen: der Betrieb der Sensoren erfolgt dort ohne Zufuhr von zusätzlicher Energie, z. B. für die Erzeugung von Strahlung, Schall etc. Weiter zeigen diese Lösungen, wie Schalter in einer Leiste zusammengefasst werden und zusammen mit Weginformationen die Positionsdaten gewonnen werden. Weitere Lösungen nutzen rotierende Laserstrahlen oder Kamerasysteme.
  • Den vorgestellten Systemen steht eine schwierige Umgebung gegenüber. Die Systeme müssen oft batteriebetrieben sein, Regen, Nebel, Staub etc. wirken auf die Messdaten, die Messeigenschaften und auf die Messgeräte insgesamt. Alterung und Wartungshäufigkeit können so unvorteilhaft beeinflusst sein.
  • Es ist also günstig, Verfahren zu kreieren, die mit minimalen Aufwand eine optimale Wirkung entfalten: insbesondere wenig Energie benötigen und in rauher Umgebung langlebig und sicher funktionieren. Hier bietet sich die Analyse des Feldes, generiert durch den Leiterstrom selbst, als sehr vorteilhaft an. Solche Systeme benötigen keine Hilfsenergie für den Betrieb von optischen Sendern etc., weil sie „vorhandene Sender" sinnvoll ausnutzen. Die Empfänger für diese Felder können energiearm berieben sein, können witterungsunempfindlich gekapselt sein und stehen darüberhinaus in kleinen Abmessungen und Gehäuseformen für verschiedene Feldstärken optimiert bereit.
  • Das Prinzip des verblüffend einfachen und zugleich robusten Messverfahrens wird nun näher erläutert: Der Strom im Leiter erzeugt ein Feld, wie es in „Gerthsen Physik", 20. Auflage, S. 362 in 7.11 gezeigt wird. Dieses durch den Fahrstrom erzeugte Magnetfeld hat einen Richtungssinn, der von der Stromrichtung bestimmt wird und eine Größe, die proportional mit 1/r abnimmt. Mit H = I/2πr wird dieses Feld qualitativ beschrieben. Das vom Strom erzeugte Feld kann auch als B-Feld betrachtet werden. Der Unterschied zum H-Feld ist der Faktor u0.
  • Mit welchem „Vorzeichen" dieses Feld betrachtet wird, ob es B- oder H-Feld genannt wird, spielt für die weitere Betrachtung keine Rolle. Darum wird im folgenden allgemein der Begriff Feld verwendet.
  • Grundsätzlich ließe sich die Aufgabe, die Position bzw. die Lage des Fahrdrahtes bezüglich der Schleifleiste zu ermitteln, mit nur einem Feld-Sensor erledigen. An einem Ende angebracht, ändert sich der mit dem Sensor ermittelte Messwert mit dem Abstand zu dem Fahrdraht mit s = f(Sensor-Signal). Da aber der im Netz fließende Strom nicht konstant ist, ist diese einfache Lösung nicht nutzbar.
  • Daher wird, insbesondere an der gegenüberliegenden Seite der Schleifleiste, ein weiterer Sensor angebracht. Nun kann über die ggf. vorher kalibrierten und/oder mathematisch behandelten Sensorsignale die Lage berechnet werden. Weiter kann der tatsächlich geflossene Strom ermittelt werden: dadurch können Unterbrechungen und deren Dauer erkannt werden. Hieraus können auch Informationen abgeleitet werden: ist eine Reparatur notwendig?.
  • Allein der Einsatz von zwei Sensoren liefert Informationen, die mit „295 12 619.1" nicht zu erzielen wären. Obwohl dort eine viel größere Anzahl an Sensoren eingesetzt wird.
  • Der Einsatz weiterer Sensoren kann weitere Vorteile bringen, insbesondere, um den Messbereich +/– L in Teilbereiche aufzugliedern, um weitgehend lineare Messwerte zu gestalten oder andere Felder zu erkennen, um deren Störungen dann mathematisch zu begegnen. Die Sensoren sind dann optimal in einer Leiste integriert, die vorteilhaft elektrisch isoliert an den Befestigungsschrauben einer Schleifleiste montiert ist.
  • Die Betrachtung wurde bislang beschränkt durchgeführt. Sie bezog sich nur auf den Strom der Oberleitung respektive auf die daraus resultierenden Felder. Tatsächlich fließt aber auch ein Strom durch die Schleifleisten und den Pantographen. Während der Strom durch den Pantographen als Störung wirken kann, ist der Strom durch die Schleifleisten sehr informativ: vom Einspeisungspunkt durch die Oberleitung aus gesehen fließt der Strom nach links oder rechts. Die daraus resultierenden Felder haben also einen entgegengesetzten Richtungssinn. Auf dieser Basis kann eine alternative Lösung zur Lageermittlung formuliert werden: an der Stelle, an der sich die Richtung des Feldes ändert, befindet sich auch der Fahrdraht. Das Lagemessgerät besteht so aus einer Reihe feldbetriebener Schalter, integriert in einer Messleiste. Eine andere Anwendung dieses Effekts ist ein Extrempunktschalter. Dazu werden zwei Feldtaster an einer Position Lmax angebracht. Sobald die Oberleitung den ersten Sensor überfahren hat, zeigen beide einen unterschiedlichen Richtungssinn; ein Betrieb außerhalb des zugelassenen Bereiches der Schleifleiste kann so direkt an eine zentrale Stelle gemeldet werden. Auch kann so der Stromfluss relativ betrachtet werden: gibt es eine Störung auf einem Zweig der Versorgung (Korrosion, Stromkabel defekt etc.). Schließlich kann der gesamte Strombedarf erkannt, aufgezeichnet etc. werden.
  • Letzteres wäre auch für stationäre Messungen interessant. Durch Montage solcher Messgeräte entlang der Strecke könnten Störungen, Stromspitzen und der reguläre Betrieb insgesamt überwacht werden.
  • Betrachtet wurde bislang die Montage des Feldmesssystems am Stromabnehmer, insbesondere in Nähe der Schleifleiste respektive an der Wippe. Es kann aber noch andere Montageorte geben: einfach auf dem Dach einer Bahn. Dieser Montageort gestattet gleichzeitig die Messung der Fahrdrahthöhe. Die Messleiste kann dazu in der Höhe variabel montiert sein, um eine optimale Messfunktion zu gewährleisten.
  • Der Form halber wird ergänzt, dass sich die Stromrichtung umkehren kann, wenn die Bahn bremst. Hier wird dann dem Netz entnommene Leistung zurückgespeist. Weiter ist die Bahn so zu betreiben, dass immer ein hinreichender Stromfluss gewährleistet ist.
  • Das Prinzip der Sensoren (Hall, Feldplatte, MRS), deren Richtungseigenschaften und deren Empfindlichkeit ist bauartbedingt und wird in den Datenblättern der Hersteller beschrieben. Die damit verbundene Positionierung der Sensoren am Messort oder im Messfühler oder der Messleiste ist darauf auszurichten, wird allgemein aber als Stand der Technik betrachtet. Im Folgenden werden diese Sensoren allgemein mit Feldsensoren bezeichnet. Gleichzeitig impliziert dieser Begriff auch, dass geeignete Elektronik zur Aufbereitung, Berechnung, Kommunikation etc. präsent ist, insbesondere, um auf einem Zielsystem einzelne Messdaten oder bereits aufbereitete Daten weiter aufzubereiten, zu versenden oder zu speichern, zu visualisieren etc. oder zusammen mit anderen Daten, z. B. GPS-Informationen zusammenzuführen. Feldsensor impliziert weiterhin, dass, wie oben ausgeführt, ein Feld erfasst werden soll, das im wesentlichen durch den Betriebsstrom generiert wird. Weiter wird als Stand der Technik betrachtet, dass selbstverständlich die Richtung der Sensoren dem der Feldrichtung angemessen angepaßt ist.
  • Eine nähere Betrachtung des Stromabnahmesystems mit Oberleitung, Schleifleisten etc. und deren Felder durch Skizzen erfolgt hier nicht. In vielen Städten sind solche zu sehen; und dem Fachmann sind die Felder und deren Richtungssinn sofort erkennbar. Es wurde erwähnt, dass der Strom durch den Fahrdraht und die Schleifleisten fließt. Der Fahrdraht und die Schleifleisten sind um 90° versetzt, entsprechend auch die daraus resultierenden Felder. Tatsächlich können infolge des Zick-Zacks auch andere Winkel realisiert sein. Dieser Winkel könnte zusätzlich ermittelt werden, indem eine zweite Messleiste etc. genutzt wird oder weitere Sensoren unter einem anderen Winkel montiert sind. Bei der Montage solcher Systeme sind dann die Felder der Schleifleisten zu beachten: die Leiste wäre optimal in der Mitte der Wippe zu montieren, um die Felder der Schleifleisten zu eliminieren. Dies ist aber nur ein theoretischer Ansatz: der Winkel ist mit Weg- und Lagedaten bestimmt.
  • Stromabnehmer bezeichnet im Folgenden jedes Element des Stromabnehmers: es kann sich wahlweise um die Scheifleiste, mechanische Halter, die Wippe oder deren Querstrebe, irgendwelche Verbindungselemente oder Streben etc. handeln. Ziel ist, einen Montageort in Nähe der Oberleitung in Kurzform zu beschreiben. Es handelt sich also um ein Montageort am Pantographen, nicht um einen auf dem Dach.
  • Position bezeichnet allgemein die Lage und/oder die Höhe der Oberleitung. Es wird zwischen den Feldern der Oberleitung und den Schleifleisten unterschieden. Dazu wird im Folgenden der Ursprung explizit genannt und so das Feld explizit beschrieben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Gerthsen Physik", 20. Auflage, S. 362 [0005]

Claims (9)

  1. Messverfahren zur Bestimmung der Position der Oberleitung, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Oberleitung fließende Strom respektive die daraus resultierenden Felder vermessen oder analysiert werden.
  2. Messverfahren zur Bestimmung der Oberleitungslage, dadurch gekennzeichnet, dass der in der/den Schleifleiste(n) fließende Strom respektive die daraus resultierenden Felder – insbesondere an mehreren Stellen – vermessen werden.
  3. Messgerät zur Bestimmung der Oberleitungslage, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei beabstandete Feldsensoren das Feld der Oberleitung aufnehmen.
  4. Messgerät zur Bestimmung der Oberleitungslage, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Schleifleiste mehrere Feldsensoren oder Feldtaster angebracht sind, mit denen insbesondere der Richtungssinn und damit die Stromeinleitungsposition/-lage erkannt wird.
  5. Messgerät zur Bestimmung der Position der Oberleitung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei beabstandete Feldsensoren auf dem Dach der Bahn montiert sind.
  6. Messgerät zur Bestimmung der Position der Oberleitung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei beabstandete Feldsensoren auf dem Dach der Bahn so montiert sind, dass diese vertikal verschiebbar sind.
  7. Prüfgerät zur Ermittlung eines Lagewertes, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Feldsensoren oder Feldtaster nebeneinander angeordnet sind und gegenläufige Feldrichtungen erkennen/melden.
  8. Prüfgerät zur Ermittlung von Anormalitäten im Stromlauf, dadurch gekennzeichnet, das Feld am Ende einer Schleifleiste oder eines Folgestromweges mit Feldsensoren zu überwachen, zu vermessen etc.
  9. Überwachungssystem für Oberleitungs-Netze, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Netzabschnitt mindestens ein Feldsensor stationär montiert ist.
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