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Zugpositionserfassungssysteme
werden im Bahnwesen für
die Gleisfreimeldung, aber auch für andere Schalt- und Meldeaufgaben
eingesetzt.
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Gleisfreimeldesysteme
lassen sich hinsichtlich ihrer Arbeitsweise in frequenzbasierte
Systeme und induktive Achszählsysteme
einteilen.
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Das
Wirkprinzip der frequenzbasierten Systeme besteht darin, dass ein
Sender ein Sendesignal generiert, das über einen Gleisstromkreis an
einen Empfänger übertragen
wird, der eine Frequenzänderung
bei Befahrung des Gleisstromkreises durch ein Schienenfahrzeug infolge
eines Achsnebenschlusses registriert. Bei frequenzbasierten Gleisfreimeldeeinrichtungen
mit Schienenisolierstößen müssen diese
Stöße regelmäßig nachgearbeitet
werden, da es durch das Ausfahren der Schienenkanten zu einer Verlagerung
des Materials und somit zu einer elektrischen Verbindung beider
Schienen kommen kann.
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Im
Gegensatz zu den frequenzbasierten Systemen wird bei Achszählsystemen
die magnetfeldbeeinflussende Wirkung der Eisenräder der Schienenfahrzeuge ausgenutzt.
Diese nach dem induktiven Wirkprinzip arbeitenden Radsensoren lassen
sich 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 Frei- bzw.
Besetztmeldung eines Gleisabschnittes wird aus der Anzahl der Räder, die
in den Gleisabschnitt zwischen zwei Sensoren einfahren und wieder
ausfahren, ermittelt. Bei Achszählsystemen
müssen
die Radsen soren durch das „Abfahren" der Schiene regelmäßig nach
unten versetzt werden, da andernfalls der Radkranz bei Überfahrt
den Radsensor beschädigen
könnte.
Darüber
hinaus führt
die unterschiedliche Ausführung
der Fahrzeugräder
hinsichtlich des Durchmessers zu unterschiedlichen Anbauhöhen der
Achszählsensoren. Im
Falle eines Mischbetriebes verschiedener Radtypen wird entweder
das kleinere Rad nicht detektiert oder die Überfahrt eines größeren Rades
führt zur Beschädigung des
Radsensors.
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Diese
bekannten Zugpositionserfassungssysteme für die Gleisfreimeldung und
andere Zwecke erfordern je nach Typ bestimmte Gleisbettbedingungen,
insbesondere bezüglich
der Schienenform und des Freiliegens des Gleiskörpers bei induktiven Systemen
und bezüglich
eines eisenfreien Gleisunterbaus bei frequenzbasierten Systemen.
Daraus resultiert eine Einschränkung
in der Auswahl des einsetzbaren Zugpositionserfassungssystems, beispielsweise
für die
Gleisfreimeldung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen
und ein Zugpositionserfassungssystem anzugeben, das universal, insbesondere
unabhängig
von den gegebenen Gleisbett- und Radbedingungen, einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass gleisseitig Magnetfeldsensoren zur Erfassung einer temporär lokalen
Magnetfeldänderung des
natürlichen
Erdmagnetfeldes infolge einer Zugpassage vorgesehen sind.
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Die
Magnetfeldsensoren müssen
nicht mit der Schiene verbunden werden, so dass die Sensorik unabhängig von
der Schienenstruktur und den Gleisbettbedingungen funktionsfähig ist.
Daraus ergibt sich eine erhöhte
Flexibilität
der Planung, z. B. von Gleisfreimeldesysstemen. Außerdem ergibt
sich eine er hebliche Einsparung von Montage- und Materialkosten
sowie Wartungskosten gegenüber
den bekannten frequenzbasierten und induktiven Sensoren.
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Magnetfeldsensoren
werden bereits im Straßenverkehrs-,
Schifffahrts- und Luftfahrtsbereich vielfach eingesetzt. Bekannt
sind beispielsweise Magnetfeldsensoren MASO-2003 der Fa. ASSIT,
die unter anderem zur Erfassung von Straßenfahrzeugen für die Steuerung
von Lichtsignalanlagen verwendet werden.
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Magnetfeldsensoren
messen das natürliche Magnetfeld
der Erde. Die magnetisierbaren Komponenten der Schienenfahrzeuge
bewirken eine lokale Verzerrung des Erdmagnetfeldes, die von den
Magnetfeldsensoren detektiert und als Nutzsignal interpretiert wird.
Dieses Messprinzip zeichnet sich durch eine absolute Unempfindlichkeit
gegenüber
jeglichen Witterungseinflüssen
sowie Temperatur- und Lichtverhältnissen
aus.
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In
Anlehnung an die Tatsache, dass die Feldstärke des natürlichen Magnetfeldes an jedem
Ort weltweit spezifisch konstant ist, kann für jeden Ort eine unveränderliche
Bezugsebene definiert werden. Eine Beeinflussung dieser Bezugsebene
durch Fremdeinstrahlung, d. h. durch Überlagerung von Magnetfeldern
anderer Herkunft, existiert nicht.
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Magnetfeldsensoren
funktionieren auch bei Installation unterhalb des Gleisbettes, wodurch
eine hohe Sicherheit gegen Vandalismus erreicht werden kann. Auch Überflutung
ist unkritisch. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass keine Beeinträchtigung
des Fahrbetriebes bei Installation, Reparatur oder Austausch eines
Magnetfeldsensors entsteht, da diese Arbeiten „unter rollendem Rad" durchgeführt werden können. Die
zu erwartenden Kosten für
Material, Montage und Anpassungsmaßnah men an bestehende, insbesondere
stellwerkseitige, Steuerungs- und Überwachungstechnik
sind erheblich geringer als bei herkömmlichen Zugpositionserfassungssystemen mit
frequenzbasiertem oder induktivem Wirkprinzip. Der Einsatzbereich
der Magnetfeldsensoren im Bahnwesen ist extrem breit gefächert und
reicht von der Zugortung auf freier Strecke bis zur Stellplatzüberwachung
für Betriebshöfe.
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Gemäß Anspruch
2 sind die Magnetfeldsensoren als Komponenten einer Anordnung zur
Zugortung oder Gleisfreimeldung oder Geschwindigkeitsmessung oder
Zuglängenmessung
oder Zugzählung oder
Fahrtrichtungsdetektion oder Zugtypbestimmung oder Zugabstandsmessung
ausgebildet. Dazu werden die Ausgangssignale des Magnetfeldsensors hinsichtlich
Peakanzahl, Peakhöhe,
Abstand der Peaks sowie deren Richtung aufgabenspezifisch ausgewertet.
Beispielsweise können
aufgrund der Stärke
der Magnetfeldänderung
Rückschlüsse auf den
Fahrzeugtyp gezogen werden. Bei Gleisfreimeldesystemen erfolgt der
Einsatz analog zum Aufbau eines Achszählsystems der oben erläuterten
induktiven Bauart. Dabei begrenzen zwei oder mehr Magnetfeldsensoren
einen Gleisfreimeldeabschnitt. Dieses Mehrsensorprinzip kann auch – wie bei
herkömmlichen
Systemen – für die Geschwindigkeitsüberwachung
verwendet werden. Zur Stellplatzüberwachung
in Betriebshöfen
wird jedem Stellplatz ein Magnetfeldsensor zugeordnet. Vorteilhaft
ist vor allem, dass im Fall einer Spannungsunterbrechung der Besetztzustand
nicht erneut ermittelt werden muss, da bei Spannungswiederkehr die
Sensorik sofort wieder den aktuellen Belegungszustand signalisiert.
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Die
Magnetfeldsensoren werden gemäß Anspruch
3 beabstandet zum Gleis angeordnet. Aufgrund des berührungslosen
Wirkprinzips können
die Magnetfeldsensoren beliebig unterhalb, oberhalb oder seitlich
des Gleises angeordnet werden. Je nach Empfindlichkeit des verwendeten
Magnetfeldsensors kann der Abstand vom Gleiskörper im Dezimeter- oder sogar
im Meterbereich liegen. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Abstandsbereich
Wasser, Beton, Metall oder andere Materialien enthält. Der
Magnetfeldsensor muss nur einmal ortsspezifisch geeicht werden,
wobei diese Bezugsebene als langzeitkonstant angesehen werden kann.
Durch den Gleisabstand können
die Magnetfeldsensoren unabhängig
vom Baufortschritt einer Eisenbahnstrecke installiert werden. Eine
Berücksichtigung
von Montagefenstern ist nicht erforderlich. Auch müssen die
Magnetfeldsensoren bei Schienenwechsel, Gleisunterbauarbeiten, Stopfvorgängen und
anderen baulichen Veränderungen
nicht entfernt werden. Vorteilhaft ist weiterhin, dass Übergangswiderstände zwischen
dem Sensor und dem Gleis nicht auftreten.
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Gemäß Anspruch
4 ist vorgesehen, dass Magnetfeldsensoren verwendet werden, die
an ein Bussystem anschließbar
und in einem rohrförmigen Schutzgehäuse anzuordnen
sind. Dadurch ergibt sich neben der Potentialfreiheit der Kontakte
zu einer Auswerteeinrichtung eine Schnittstelle zur Stellwerkssteuerung
mittels Standardbusanbindung. Durch die Busfähigkeit bekannter Magnetfeldsensoren
ist es möglich,
mehrere Magnetfeldsensoren vor allem gegen mechanische Einflüsse geschützt innerhalb
eines Leerrohres zu positionieren. Die Verlegung des Rohres mit
den Magnetfeldsensoren kann je nach Aufgabenstellung parallel oder
quer zur Gleisrichtung erfolgen. Eine Querverlegung mehrerer Magnetfeldsensoren
kann z. B. bei eng benachbarten Gleisen zur Unterscheidbarkeit der
Befahrung eines Gleises oder eines Nachbargleises beitragen.
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Gemäß Anspruch
5 wird bevorzugt ein Magnetfeldsensor mit ausgangsseitigem Optokoppler verwendet,
wodurch sich ein einfacher Anschluss an eine stellwerkseitige Steuer-
und Überwachungseinrichtung
ergibt. Eine separate Auswerteeinrichtung, die dem Magnetfeldsensor
zugeordnet ist, kann z. B. zur Fehlerauswertung eingesetzt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann aber auch entfallen, da die geforderte
Funktionalität
auf den Signalzustand des Optokopplers – 0 oder 1 – in der Stellwerkssoftware projektspezifisch
implementiert werden kann.
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Darüber hinaus
bieten Magnetfeldsensoren neuerer Bauart auch die Möglichkeit
der Fehlerausgabe über
bis zu 15 verschiedene Relais sowie eine Watchdogfunktion. Diese
Selbstdiagnosemöglichkeiten
erleichtern die Entscheidung für
den Einsatz handelsüblicher
Magnetfeldsensoren für
Bahnbetriebsprozesse erheblich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Magnetfeldveränderungen
durch das Eindringen von magnetisierbaren Gegenständen,
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2 einen
Feldstärkeverlauf
in Anlehnung an 1,
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3 und 4 Anordnungsvarianten
von Magnetfeldsensoren zur Überwachung
des schienengebundenen Verkehrs.
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1 veranschaulicht
Magnetfeldverzerrungen 1, wie sie beim Eindringen eines
magnetisierbaren Gegenstandes, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs 2,
in einen ortsspezifischen Magnetfeldbereich 3 des Erdmagnetfeldes
entstehen. Die Magnetfeldverzerrungen 1, die zu einer temporär lokalen
Abschwächung
des Erdmagnetfeldes führen,
sind mit hochempfindlichen Magnetfeldsensoren, beispielsweise der
Fa. ASSIT, messbar.
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2 zeigt
einen typischen Verlauf einer Feldstärkekurve bei Passage des ortsfesten
Magnetfeldsensors durch das Schienenfahrzeug 2. Es ist
ersichtlich, dass sich mit dem Herannahen des Schienenfahrzeuges 2 die
Feldstärke
im Bereich des Magnetfeldsensors verringert und dass nach dem Verlassen
des Messortes wieder die ortsspezifische Feldstärke erreicht wird. Auf diese
Weise ist die Vorbeifahrt des Schienenfahrzeugs 2 detektierbar.
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Die
dazu benötigten
Magnetfeldsensoren 5 werden gemäß 3 und 4 weit
außerhalb
eines Gleiskörpers 6 montiert.
Dabei ist sowohl eine Montage unterhalb des Gleisbettes 7 als
auch seitlich oder oberhalb desselben möglich. Die Auswertung der detektierten
Signale kann mittels eines Auswertegerätes 8, das beispielsweise
auch für
Straßenverkehrsüberwachungen
eingesetzt wird (3), oder direkt in einem Stellwerk 9 (4)
erfolgen.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch das Gleisbett 7 mit zwei parallelen
Gleistrassen 10a und 10b für Straßenbahnen inklusive typischer
Bemaßung.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
drei Magnetfeldsensoren 5.1, 5.2 und 5.3 57
cm unterhalb des Gleiskörpers 6 in
einem rohrförmigen Schutzgehäuse 11 angeordnet.
Die Magnetfeldsensoren 5.1, 5.2 und 5.3 sind über ein
Bussystem 12 direkt mit dem Stellwerk 9 verbunden.
Diese Dreifachmessung ist nicht zwingend erforderlich, erhöht jedoch
die Sicherheit des Messsystems bezüglich der Unterscheidbarkeit
zwischen der Befahrung der Gleistrasse 10a oder der benachbarten
Gleistrasse 10b.
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Möglich ist
auch eine Anordnung des Magnetfeldsensors 5.4 seitlich
oberhalb des Gleiskörpers 6.
In dem Ausführungsbeispiel
beträgt
der seitliche Abstand 95 cm bei einer Höhe von 26 cm.
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Die
großen
realisierbaren Abstände
der Magnetfeldsensoren 5, 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 von
dem Gleiskörper 6 im
Dezimeterbereich und darüber
ermöglichen
eine universelle Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen Zugpositionserfassungssystems. Gleisbauarbeiten
und Montage oder Wartung der Magnetfeldsensoren 5, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 sind
im Gegensatz zu herkömmlichen
Systemen vollkommen unabhängig
voneinander. Die Form des Gleiskörpers 6,
die Art des Gleisbettes 7 sowie die Zugänglichkeit des Gleiskörpers 6 bei
offenem oder eingedecktem Gleis wirken sich nicht auf die Verwendbarkeit
des magnetfeldsensorikbasierten Zugpositionserfassungssystems aus.
Bedarfsgemäß lassen
sich mit wenigen preiswerten Komponenten sehr unterschiedliche Funktionen
auch hoch sicherheitsrelevanter Natur realisieren, beispielsweise
Gleisfreimeldung, Geschwindigkeitsmessung, Bestimmung von Fahrzeugtypen,
Abstandsmessung zwischen zwei Zügen,
Messung von Fahrzeuglängen
und Ortungsfunktionen.