DE102007023476A1

DE102007023476A1 - Radsensor

Info

Publication number: DE102007023476A1
Application number: DE200710023476
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Freise
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: EP2146887A1; WO2008138860A1; DE102007023476B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radsensor, insbesondere für eine Gleisfreimeldeeinrichtung, mit zwei induktiv arbeitenden Sensorkanälen (A, B), die durch eine Eisenbahnschiene (1) getrennte Sender und Empfänger aufweisen. Um Störspannungen effektiv und einfach zu kompensieren, ist vorgesehen, dass empfangsseitig den Sensorkanälen (A, B) zugeordnete induktive Bauelemente vorgesehen sind, deren Empfangsstörspannungen durch äußere magnetische Felder, welche beide Bauelemente beeinflussen, vom Betrag her gleich hoch sind und in einer Reihenschaltung durch Subtraktion unterdrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radsensor, insbesondere für eine Gleisfreimeldeeinrichtung, mit zwei induktiv arbeitenden Sensorkanälen, die durch eine Eisenbahnschiene getrennte Sender und Empfänger aufweisen.
Radsensoren werden im Bahnwesen für die Gleisfreimeldung, aber auch für andere Schalt- und Meldeaufgaben eingesetzt. Dabei wird überwiegend die Magnetfeld beeinflussende Wirkung der Eisenräder der Schienenfahrzeuge ausgenutzt. Für die Fahrtrichtungserkennung des Zuges werden zweikanalige Sensoren benötigt. Beim Überfahren eines Fahrzeugrades erzeugen die beiden Sensorkanäle nacheinander zeitlich versetzte Signale, die zur Fahrtrichtungserkennung benutzt werden.
Die nach dem induktiven Wirkprinzip arbeitenden Radsensoren lassen sich neben der ein- oder zweikanaligen Bauweise auch in Näherungsschalter, die die Rückwirkung der Eisenräder auf einen ein Magnetfeld erzeugenden Sensor erfassen, und die Eisenbahnschienen umgreifende Systeme mit getrenntem Sender und Empfänger einteilen. Die Erfindung bezieht sich auf einen zweikanaligen Radsensor mit getrenntem Sender und Empfänger.
Allen induktiv arbeitenden Sensoren ist dabei gemeinsam, dass sie störempfindlich sind gegenüber induktiv eingekoppelten Störspannungen im Bereich der Arbeitfrequenz.
Eine Ursache dafür sind Schienenströme, die durch den Rückleiterstrom einer Lokomotive entstehen, wobei ein Oberwellenanteil im Empfänger ein Störsignal in Form von Schwebungen induzieren kann. Diese Schwebung, die der Empfangsspannung überlagert ist, lässt sich nur schwer von der zu detektierenden Radbeeinflussung trennen, weil hier Tiefpassfilter prinzipbedingt versagen.
Eine weitere Ursache von Störspannungen können auch benachbart angeordnete weitere Sensoren oder Sensorkanäle sein, die mit gleicher Arbeitsfrequenz betrieben werden und durch gegenseitige Beeinflussung ihrer Sender zu Schwebungen führen.
Neben einem Dauerstörpegel auf Arbeitsfrequenz können aber auch hohe Kommutierungsstromflanken von bis zu 1 kA/μs auftreten, die impulsartig stören. Störsignale dieser Art werden vor allem von vorbeifahrenden Zügen durch deren Leitungen und Transformatoren induziert.
Um die Störfestigkeit der Sensoren gegenüber diesen Störgrößen zu erhöhen, sind verschiedene sensorbauartspezifische Lösungsansätze bekannt.
Für die Sensorbauart mit nur einer auf die Eisenmasse des Rades reagierenden Schwingkreisspule pro Kanal, das heißt für Näherungsschalter, kann eine weitgehende Kompensation der induzierten Störspannungen durch die Aufteilung der Schwingkreisspule in mindestens zwei Teilspulen mit gegensinniger Wicklung erreicht werden, wie in der DE 19 915 597 A1 und der DE 10 137 519 A1 beschrieben.
Bei gattungsgemäßen Radsensoren mit getrennten Sender und Empfängerschwingkreisen wird gemäß der DE 10 122 980 A1 vorgeschlagen, die Resonanzfrequenz des Empfängerschwingkreises gegenüber der Senderfrequenz zu verändern, um insbesondere den Störeinfluss einer Wirbelstrombremse zu unterdrücken.
Aus der DE 4 240 478 A1 ist ein zweikanaliger Radsensor bekannt, bei dem die beiden Sender mit gleicher Frequenz, aber mit 90° Phasenversatz betrieben werden, um die gegenseitige Beeinflussung der Sender zu reduzieren.
Gemäß der EP 1 541 440 B1 wird eine Phasenmodulation eines elektromagnetischen Schwingkreises für Radsensoren vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Radsensor anzugeben, der bei einfachem Aufbau eine erhöhte Störsicherheit gegenüber Störspannungen verschiedener Ursachen aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass empfangsseitig den Sensorkanälen zugeordnete induktive Bauelemente vorgesehen sind, deren Empfangsstörspannungen durch äußere magnetische Felder, welche beide Bauelemente beeinflussen, vom Betrag her gleich hoch sind und in einer Reihenschaltung durch Subtraktion unterdrückt werden.
Die beiden in die Sensorkanäle integrierten induktiven Bauelemente sind dabei vorzugsweise derart in Reihe miteinander verbunden und bei gleicher Feldausrichtung gegensinnig geschaltet, dass ihre Summenausgangsspannung frei ist von Störsignalen, die als Gleichtaktsignale beide induktiven Bauelemente gleichermaßen beeinflussen und folglich durch die Gegensinnigkeit einer Polung oder einer Wicklungsorientierung kompensiert werden. Es ist aber auch möglich, die Kompensation der Störsignale bei um 180° verschiedener Feldausrichtung und gleichsinniger Schaltung der induktiven Bauelemente zu erreichen.
Damit bei einer Radüberfahrt in jedem Kanal gleiche Radkurvenverläufe resultieren, wird die praktische Ausführung auf gleichem Aufbau und gleicher Beabstandung und Winkelanordnung der induktiven Bauelemente gegenüber der Eisenbahnschiene beruhen.
Zu den kompensierbaren Störeinflüssen gehören Schienenströme, da deren Einkopplung in beide Sensorkanäle ähnlich hoch ist, sowie Störgrößen anderer Quellen, beispielsweise infolge parallel zum Radsensor verlaufender Stromkabel oder benachbarter Sensoren.
Die induktiven Bauelemente sind gemäß Anspruch 2 beide den zwei Sensorkanälen zugehörige Empfängerspulen eines einzigen Schwingkreis-Empfängers oder gemäß Anspruch 3 die Empfängerspulen zweier in Reihe miteinander verbundener separater Schwingkreis-Empfänger. Durch die Reihenschaltung bilden die beiden Empfängerspulen oder die beiden Schwingkreis-Empfänger einen kompakten Schaltungsteil, an dessen Ausgang ein Summenempfangssignal entsteht, das in einer nachfolgenden Schaltung demoduliert und ausgewertet wird.
Senderseitig ist gemäß Anspruch 4 jeder Sensorkanal mit einem eigenen Schwingkreis-Sender ausgestattet, wobei die beiden Schwingkreis-Sender unterschiedliche Arbeitsfrequenzen aufweisen. Diese Arbeitsfrequenzen unterscheiden sich in einer Größenordnung, bei der die durch die Einkopplung des jeweils anderen Schwingkreis-Senders entstehenden Schwebungen empfangsseitig durch einen Tiefpassfilter unterdrückbar sind. Beispielsweise können die Arbeitsfrequenzen 40 kHz und 45 kHz betragen.
Ein Radsensor zur Detektion einer Radbeeinflussung, bei der die durch die Schwingkreis-Sender unterschiedlicher Arbeits frequenzen induzierten Schwebungen weitgehend eliminiert sind, ist gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitig eines die induktiven Bauelemente aufweisenden Schaltungsteiles entstehendes Summenempfangssignal parallel über Synchrongleichrichter, die von den Schwingkreis-Sendern beaufschlagt sind, Tiefpassfilter und Signalverstärker einer Verarbeitungseinheit zur Pegelauswertung zugeführt ist. Das Summenempfangssignal wird zwei im Wesentlichen identischen Signalverarbeitungskanälen zugeführt und parallel weiterverarbeitet. Die Demodulation des Summenempfangssignals erfolgt durch Synchrongleichrichtung, das heißt, die Phasenlage des Schwingkreis-Senders beaufschlagt den Synchrongleichrichter zur phasensynchronen Gleichrichtung des empfangenen Wechselsignals. Dadurch wird das Summenempfangssignal wieder in seine senderspezifischen Frequenzanteile zerlegt und gleichgerichtet. Der nachfolgende Tiefpass dient der Unterdrückung der senderseitig entstandenen Schwebungen. Nach dem Tiefpassfilter folgt ein Signalverstärker zur Pegelanpassung, dessen Ausgangssignal von einer Verarbeitungseinheit, insbesondere einem Mikroprozessor, ausgewertet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Ausführungsbeispiele näher dargestellt. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer ersten Variante eines Radsensors und
2 eine zweite Variante in gleichartiger Darstellungsweise wie 1.
Beide Figuren zeigen links und rechts einer Eisenbahnschiene 1 eine Senderanordnung 2 und eine Empfängeranordnung 3. Die Senderanordnung 2 weist zwei separate Schwingkreis-Sender 4 und 5 auf, die Sensorkanälen A und B zugeordnet sind. Die beiden Schwingkreis-Sender 4 und 5 sind auf unterschiedliche Arbeitsfrequenzen, zum Beispiel 40 kHz und 45 kHz, abgestimmt. Bei einer Radüberfahrt verändert sich die induktive Kopplung 6 beziehungsweise 7 zwischen der Senderanordnung 2 und der Empfängeranordnung 3, wodurch am Ausgang der Empfängeranordnung 3 ein Summenempfangssignal 8 in Form einer sogenannten Abrollkurve oder Glockenkurve entsteht. Diese Abrollkurve wird zur Raderkennung benutzt. Durch das Überfahren beider Sensorkanäle A und B entstehen zwei zeitlich versetzte Signale, die zur Richtungserkennung genutzt werden. Das Summenempfangssignal 8 wird in zwei Signalverarbeitungskanäle eingespeist, deren wesentliche Bestandteile Synchrongleichrichter 9a und 9b, Tiefpassfilter 10a und 10b und Signalverstärker 11a und 11b sind. Der Synchrongleichrichter 9a wird von dem Schwingkreis-Sender 4 des ersten Sensorkanals A angesteuert und der Synchrongleichrichter 9b wird von dem Schwingkreis-Sender 5 des zweiten Sensorkanals B angesteuert. Zu dieser Ansteuerung dient die Phasenlage 12 beziehungsweise 13, wodurch die Synchrongleichrichter 9a und 9b eine phasensynchrone Gleichrichtung des als Wechselsignal gebildeten Summenempfangssignals 8 ausführen können. Auf diese Weise wird das Summenempfangssignal 8 wieder in seine senderspezifischen Frequenzanteile zerlegt und gleichgerichtet. Im nachfolgenden Tiefpassfilter 10a beziehungsweise 10b werden die durch die Einkopplung des jeweils anderen Schwingkreis-Senders 4 beziehungsweise 5 entstandenen Schwebungen unterdrückt. Diese Tiefpassfilterung ist wegen der unterschiedlichen Senderfrequenzen der Schwingkreis-Sender 4 und 5 möglich. Der Tiefpass 10a beziehungsweise 10b ist über den Signalverstärker 11a beziehungsweise 11b, der der Pegelanpassung dient, mit Eingängen U_a beziehungsweise U_b eines Mikroprozessors 14 verbunden. Der Mikroprozessor 14 bewertet die Analogsignale U_a und U_b hinsichtlich ihres Pegels mit den Möglichkeiten der digitalen Signalverarbeitung.
Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 unterscheiden sich durch den Aufbau der Empfängeranordnung 3 hinsichtlich einer störspannungskompensierenden Funktionsweise.
Die Empfängeranordnung 3 gemäß 1 ist als Schwingkreis-Empfänger 15 mit Kondensator 16, Widerstand 17 und zwei Empfängerspulen 18 und 19 ausgebildet. Die beiden Empfängerspulen 18 und 19 sind jeweils einem der beiden Sensorkanäle A und B zugeordnet und gegensinnig gewickelt, so dass Störsignale, die als Gleichtaktsignale beide Empfängerspulen 18 und 19 gleichermaßen beeinflussen, kompensiert werden. Die Empfängerspulen 18 und 19 sind dazu möglichst identisch aufgebaut und relativ zur Eisenbahnschiene 1 gleichartig angeordnet.
Gemäß 2 ist die Empfängeranordnung 3 dagegen mit zwei den beiden Sensorkanälen A und B zugehörigen Schwingkreis-Empfängern 20 und 21 ausgestattet. Hier sind die beiden Schwingkreis-Empfänger 20 und 21 derartig gegensinnig in Reihe geschaltet, dass das Summenempfangssignal 8 frei ist von Störsignalen. Die Schwingkreis-Empfänger 20 und 21 sind gleich aufgebaut und haben die gleichen elektrischen Eigenschaften. Sie sind außerdem breitbandig genug ausgelegt, so dass die beiden Schwingkreis-Sender 4 und 5 trotz unterschiedlicher Senderfrequenzen annähernd gleich hohe Spannungen in die Schwingkreis-Empfänger 20 und 21 induzieren. Die Breitbandigkeit ist in 2 durch eine Widerstandsdämpfung in den Schwingkreis-Empfängern 20 und 21 angedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19915597 A1 [0009]
- DE 10137519 A1 [0009]
- DE 10122980 A1 [0010]
- DE 4240478 A1 [0011]
- EP 1541440 B1 [0012]

Claims

Radsensor, insbesondere für eine Gleisfreimeldeeinrichtung, mit zwei induktiv arbeitenden Sensorkanälen (A, B), die durch eine Eisenbahnschiene (1) getrennte Sender und Empfänger aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass empfangsseitig den Sensorkanälen (A, B) zugeordnete induktive Bauelemente vorgesehen sind, deren Empfangsstörspannungen durch äußere magnetische Felder, welche beide Bauelemente beeinflussen, vom Betrag her gleich hoch sind und in einer Reihenschaltung durch Subtraktion unterdrückt werden.
Radsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden induktiven Bauelemente als Empfängerspulen (18, 19) eines gemeinsamen Schwingkreis-Empfängers (15) ausgebildet sind.
Radsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden induktiven Bauelemente als Empfängerspulen separater Schwingkreis-Empfänger (20, 21) ausgebildet sind.
Radsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Sensorkanälen (A, B) Schwingkreis-Sender (4,5) zugeordnet sind, die unterschiedliche Arbeitsfrequenzen aufweisen.
Radsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitig einer die induktiven Bauelemente aufweisenden Empfängeranordnung (3) entstehendes Summenempfangssignal (8) parallel über Synchrongleichrichter (9a, 9b), die von den Schwingkreis-Sendern (4,5) beaufschlagt sind, Tiefpassfilter (10a, 10b) und Signalverstärker (11a, 11b) einer Verarbeitungseinheit zur Pegelauswertung zugeführt ist.