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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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?.
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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.
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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.
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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.
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Letzteres
wäre auch für stationäre Messungen interessant.
Durch Montage solcher Messgeräte entlang der Strecke könnten
Störungen, Stromspitzen und der reguläre Betrieb
insgesamt überwacht werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Gerthsen
Physik", 20. Auflage, S. 362 [0005]