DE102009057877B4

DE102009057877B4 - Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs

Info

Publication number: DE102009057877B4
Application number: DE102009057877.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hulin Bernhard
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: Deutsche Bahn AG
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: DE102009057877A1

Abstract

Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs, wobei durch Anbringen von Kraftsensoren an der Fahrleitung die auf die Fahrleitung wirkenden Kräfte gemessen und von einer Datenverarbeitungsanlage ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einem bildgebenden Kraftsensor, bestehend aus einer n × m-Matrix von optischen Kraftmesseinheiten, gleichzeitig von jeder Kraftmesseinheit Kräfte oder Drücke in folgende Richtungen auf die Fahrleitung gemessen werden: a. vertikal b. lateral relativ zur Gleisachse c. in Richtung der Gleisachse, wobei von der Datenverarbeitungsanlage für jeden Messpunkt nicht nur die wirkende Gesamtkraft berechnet wird, sondern die auf die Fahrleitung wirkenden Teilkräfte einzeln aufgeschlüsselt und dargestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Kontaktkräften zwischen Fahrleitungen, worunter insbesondere auch Kettenwerke fallen, und einem oder mehrerer Stromabnehmer von Fahrzeugen eines elektrisch betriebenen Verkehrs, wobei Daten in Form eines n × m Bildes an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelt werden und von dieser ausgewertet werden sowie eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens. Die Erfindung wird insbesondere bei elektrisch betriebenen Schienenbahnen angewendet, bei denen Fahrzeuge verkehren, die über Stromabnehmer mit mindestens einer Schleifleiste die benötigte elektrische Energie aus einer Oberleitung abgreifen.
Alternativ kann die Erfindung auch eingesetzt werden zur Messung der auf die Fahrleitung wirkenden Kräfte von Umwelteinflüssen, wie z. B. Wind, oder von mit der Fahrleitung dauerhaft oder temporär in Kontakt stehenden Objekte, wie z. B. abgelagerter Schnee oder Hagelschlag oder sich niedersetzende Vögel, Fledermäuse oder andere Tiere.
Damit die elektrische Energie kontinuierlich von der Oberleitung auf das Fahrzeug übertragen werden kann, wird der Stromabnehmer bei der Deutschen Bahn AG mit einer Kraft von 70 bis 120 Newton an den Fahrdraht gepresst, bei hohen Geschwindigkeiten auch mit einer höheren Kraft. Hinzu kommt, dass das gesamte Kettenwerk der Oberleitung durch die Kontaktkraft, die durch einen vorbeibewegten Stromabnehmer auf den Fahrdraht ausgeübt wird, zu Schwingungen angeregt wird, die das Zusammenspiel von Schleifleiste des Stromabnehmers und Fahrdraht beeinflussen. Eine zu geringe Kontaktkraft kann dazu führen, dass der direkte Kontakt zwischen Stromabnehmer und Oberleitung kurzzeitig verlorengeht. Dadurch wird der Stromfluss unterbrochen, oder es kommt zur Bildung von Lichtbögen.
Eine zu hohe Kontaktkraft wiederum führt zu erhöhtem Verschleiß des Fahrdrahts und/oder der Schleifleiste. Im Extremfall kann die Kontaktkraft derart hoch sein, dass es zu einer mittelbaren oder unmittelbaren Beschädigung der Oberleitung oder des Stromabnehmers kommt. Eine mittelbare Beschädigung liegt bspw. vor, wenn durch die Anpresskraft der Fahrdraht nach oben ausgelenkt wird aufgrund der Elastizität der Oberleitung. Da es im Netz der Deutschen Bahn AG mehrere Oberleitungstypen mit unterschiedlichen Elastizitätskoeffizienten gibt, kann eine bestimmte Anpresskraft des Stromabnehmers an den Fahrdraht bei einer Oberleitungsbauart unproblematisch sein, während er bei einer anderen zu einer Beschädigung führt.
Weiters kann es vorkommen, dass die Kontraktkraft absolut zwar nicht zu hoch ist, aber senkrecht zum Fahrdraht ungleichmäßig in die Oberleitung eingebracht wird, so dass es zu Verwindungen des Fahrdrahts kommt. Diese führen zu einer erhöhten Materialermüdung und zu Defekten im Kettenwerk, wie z. B. Fahrdrahtreißen, Hängerreißen oder Reißen der Befestigung des Fahrdrahts am Seitenhalter.
Um solche oder andere Defekte an der Schleifleiste des Stromabnehmers, am Fahrdraht oder am Kettenwerk zu erkennen, ist es bekannt, den Anhub des Fahrdrahtes aufgrund eines vorbeibewegten Stromabnehmers zu ermitteln. Weiterhin ist es wichtig, dass bei der Messung eine galvanische Trennung zwischen Erd- und Hochspannungspotential sichergestellt wird, da das Hochspannungspotential bei der Deutschen Bahn AG 15 000 V beträgt.
So ist aus der DE 10 2005 057 404 A1 eine Vorrichtung zur Messung von Auslenkungen mindestens einer Fahrleitung oder eines Kettenwerkes und/oder zur Messung von Kräften zwischen Fahrleitungen und Stromabnehmern von elektrisch betriebenem Verkehr, der die elektrische Energie über Stromabnehmer aus Fahrleitungen erhält, bekannt. Dabei ist auf Hochspannungspotential an der Fahrleitung und/oder an Halterungen der Fahrleitung und/oder am Stromabnehmer mindestens ein Sensor zur Messung des Ortes und/oder der Bewegung und/oder der Beschleunigung und/oder des Ruckes der Fahrleitung und/oder des Kettenwerkes und/oder des Stromabnehmers und/oder zur Messung der Kontaktkraft zwischen Fahrleitung und Stromabnehmer kraftschlüssig angebracht.
Mindestens eine fiberoptische Leitung, insbesondere eine Glasfaserleitung, überträgt die Ausgangssignale des Sensors zu einer Auswerteeinheit auf Erdpotential und ein optischer Empfänger wandelt das optische Ausgangssignal auf Erdpotential in ein elektrisches Signal.
Der Anhub des Fahrdrahtes ergibt sich aus der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrleitung multipliziert mit dem Elastizitätsmodul der Oberleitung. Demzufolge wirken sich Fehler in der Elastizität der Oberleitung und Fehler in der Kontaktkraft auf den Anhub des Fahrdrahts aus und können über eine Messung des Anhubs erkannt werden. Fehler am Stromabnehmer ändern hierbei die Kontaktkraft, Fehler am Fahrdraht oder am Kettenwerk ändern die Elastizität des Stützpunkts.
Im Stand der Technik wird auch häufig der Anhub des Fahrdrahtes mit einem Seilzugdrehgeber gemessen. Der Seilzugdrehgeber wird am Mast, auf Erdpotential angebracht. Um die galvanische Trennung vom Hochspannungspotential zu erreichen, besteht ein Teil des Seils, bei der Deutschen Bahn AG insbesondere mit einer Länge von 1,9 m, aus Isoliermaterial (Kevlar, Nylon, Dynema), der Rest ist wegen der höheren Abriebfestigkeit als Stahlseil ausgeführt. Als Seilzugdrehgeber werden verwendet:

– Potentiometer oder
– Inkrementalgeber oder
– Absolutgeber.

Diese Messvorrichtung wird insbesondere bei der Deutschen Bahn AG verwendet. Die von der Vorrichtung gelieferten Signale bilden die Summe der auf den Fahrdraht wirkenden vertikalen Kräfte ab.
Weiterhin ist als Stand der Technik bekannt, dass der Anhub des Fahrdrahtes gemäß über einen Stabisolator in eine Drehbewegung umgesetzt wird, die von einem rotatorischen Potentiometer erfasst wird, insbesondere mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 zu 4. Das Potentiometer ist mit einer Halterung auf Erdpotential am Mast angebracht. Diese Messvorrichtung wird insbesondere bei der Französischen Staatsbahn SNCF verwendet.
Die vertikalen Kräfte setzen sich zusammen aus dem Anhub des Fahrdrahts durch einen Stromabnehmer, durch Schwingungen des Fahrdrahts vor oder nach dem Durchgang eines Stromabnehmers, durch Lufteinflüsse hervorgerufen durch natürlichen Wind oder durch technisch durch die Geschwindigkeit des Zuges hervorgerufene Winddruckwellen, durch dynamisches Verhalten des Kettenwerks und durch Umwelteinflüsse.
Die im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen messen den Anhub des Fahrdrahtes durch einen Stromabnehmer und durch das Nachschwingen des Fahrdrahtes nach einem Stromabnehmerdurchgang. D. h. es wird nur die zur Erdoberfläche senkrecht gerichtete Postitionsänderung gemesssen. Laterale oder sagittale Auslenkungen relativ zur Gleismitte fließen fälschlicherweise auch in den Anhub ein, was die Messunsicherheit unnötig erhöht und somit zu einer Anzahl falsch positiver oder falsch negativer Aussagen führt.
Aus der DE 10 2004 020 324 A1 sind ein optisches Verfahren und eine optische Einrichtung zur Überwachung eines elektrischen Leiters bekannt. Hierbei werden die Temperatur oder die Dehnung des Fahrdrahts gemessen, indem mindestens ein optischer Sensor an oder in einer Komponente des Leiters angeordnet wird. Ein Lichtsignal wird in den optischen Sensor eingespeist und durch Temperatureinwirkung oder mechanische Dehnung verändert. Durch Messen der Dehnung an verschiedenen Stellen eines Leiterabschnitts durch mehrere Sensoren kann die Krümmung des Leiters durch eine äußere Krafteinwirkung ermittelt werden, woraus sich Rückschlüsse bezüglich Richtung und Stärke der wirkenden Kraft ziehen lassen.
Die Nachteile des Verfahrens und der Vorrichtung liegen darin, dass mehrere Sensoren an unterschiedlichen Stellen eines Leiterabschnitts angebracht werden müssen und somit die wirkenden Kräfte nicht punktgenau erfasst werden, und weiterhin nicht sicher unterschieden werden kann, durch welche äußeren Einwirkungen die Gesamtkraft zustande kommt. So können auf einfache Weise keine Aussagen darüber getroffen werden, ob bestimmte Kräfte aufgrund einer Rotation des Drahtes, bspw. um dessen Längsachse, auftreten oder durch das Zusammenwirken einzelner Verschiebungen.
Außerdem muss für jede Sensoreinheit eine eigene Lichtquelle verwendet werden, da ansonsten aus den zum Detektor zurückkehrenden Lichtanteilen nicht zweifelsfrei unterschieden werden kann, durch welche Sensoreinheit die gemessene Veränderung einer Lichteigenschaft hervorgerufen wurde.
Gemeinsame Nachteile der im Stand der Technik aufgeführten Verfahren und Vorrichtungen liegen darin, dass anhand der Messwerte keine Unterscheidung zwischen den Richtungen der auftretenden Kräfte getroffen werden kann, die allein durch vertikale Auslenkung, durch laterale Auslenkung im Verhältnis zur Gleisachse oder durch sagittale Verschiebungen des Fahrdrahts in Richtung der Gleisachse hervorgerufen werden. Überdies kann nicht unterschieden werden, ob die Kräfte in einer Auslenkung des Fahrdrahts resultieren oder in einer Rotation des Fahrdrahts um seine Längsachse, um seine Querachse oder um seine Gierachse. Durch diese Nichtunterscheidbarkeit der Ursachen für den Messwert ist ein Rückschluss von einem Messwert auf die auf die Fahrleitung wirkenden Kräfte nur bedingt möglich. Beispielsweise kann eine geringe vertikale Auslenkung in Kombination mit einer geringen horizontalen Auslenkung zu dem gleichen Messwert führen wie es eine Fahrdrahtruhelage täte (s. auch 1a) und 1d)).
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Kräften in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs bereitzustellen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik behoben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 bestimmt die auf den Fahrdraht wirkenden Kräfte in drei zueinander linear unabhängigen, vorzugsweise senkrechten Richtungen. Dadurch ist es möglich, eine Unterscheidung zu treffen zwischen Auslenkungen des Fahrdrahtes in vertikaler, lateraler oder sagittaler Richtung. Um die Auslenkungen zu bestimmen genügt der Einsatz einer Kraftmesseinheit also eines n × m Kraftmesssensors mit m = n = 1. Dadurch ist ein differenzierter Rückschluss auf die Kräfte möglich, die auf die Fahrleitung wirken.
Um darüber hinaus auch Rotationen des Fahrdrahts aus den Kraftmesswerten errechnen zu können, ist der Einsatz mehrerer Kraftmesseinheiten innerhalb des n × m Kraftmesssensors notwendig, mindestens n = m = 2. Die zu errechnenden Rotationen des Fahrdrahts sind dabei Rotationen um seine Längsachse, seine Querachse und seine Gierachse. Alle Rotationen werden relativ zur Fahrdrahtruhelage errechnet.
Die Berechnung einer Wankung, d. h. einer Rotation um die Längsachse, erfolgt über Auswertung der Differenz aus den Differenzen zwischen den laterale Kräfte ausweisenden Messwerten der Kraftmesseinheiten und den Differenzen zwischen den vertikale Kräfte ausweisenden Messwerten der Kraftmesseinheiten (s. 5). Die Berechnung der anderen Rotationen erfolgt analog. Die Berechnung der Rotationen erfolgt typischerweise in der Datenverarbeitungsanlage, nach einer Digitalisierung der empfangenen Messwerte und dem Zusammenfügen zu einem n × m Bild. Jeder gemessenen Kraft einer Kraftmesseinheit wird somit ein Pixel im n × m Bild zugeordnet.
Da nicht nur eine resultierende Gesamtkraft gemessen und dargestellt wird, sondern die unterschiedlichen Auslenkungen in den drei Raumrichtungen gesondert gemessen und dargestellt werden, ist ein Rückschluss auf die Kräfte möglich, die auf die Fahrleitung wirken. Somit wird der Belastungszustand der Fahrleitung detailliert ermittelt.
Das Erfassen der Kräfte kann dabei auch zeitlich aufgelöst erfolgen. Die Signale der einzelnen Kraftmesseinheiten werden hierfür bei festen Zeitpunkten digitalisiert, gespeichert und anschließend ausgewertet. Somit wird beim Durchlauf eines Stromabnehmers ermittelt, wie sich die auftretenden Kräfte entwickeln und wieder abklingen.
Da der Fahrdraht selbst in Ruhelage natürlichen Einflüssen, wie bspw. Wind unterliegt, ist für die Kraftmessung eine Kalibrierung des Kraftmesssensors notwendig.
Anspruch 2 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens aus Anspruch 1 zur Messung der drei unterschiedlichen Kraftanteile. Unter Verwendung von drei unterschiedlichen optischen Eigenschaften, mit denen die Kräfte in den unterschiedlichen Richtungen gemessen werden, wird erreicht, dass im Prinzip eine einzige Lichtquelle ausreicht, um die Kräfte in allen drei Richtungen zu ermitteln. Zur Messung der sagittalen und lateralen Auslenkungen sind erfindungsgemäß die Kraftmesseinheiten jeweils so eingerichtet, dass

• durch vertikale Kräfte/Drücke eine optische Eigenschaft verändert wird
• durch Kräfte/Drücke, die relativ zur Gleisachse in lateraler Richtung wirken, eine weitere optische Eigenschaft verändert wird und
• durch Kräfte/Drücke, die in Richtung der Gleisachse wirken eine dritte optische Eigenschaft verändert werden.

Von der Datenverarbeitungsanlage werden aus diesen Messwerten die wirkenden Kräfte berechnet, sodass neben den Aussagen über die aufgeschlüsselten Einzelkomponenten auch die Gesamtkraft bestimmt wird.
Als veränderbare optische Eigenschaften des eingespeisten Lichts kommen z. B. Polarisation, Wellenlänge, Phasenverschiebung, Intensität oder die Laufzeit eines Lichtpulses infrage.
Anspruch 3 beschreibt ein Verfahren zur vorteilhaften graphischen Darstellung der Ergebnisse des Verfahrens aus Anspruch 2 durch die Datenverarbeitungsanlage, beispielsweise an einem Rechner-Monitor. Da für das menschliche Auge Farbeigenschaften in drei grundlegenden Arten erkannt werden können, nämlich Farbton, Farbsättigung und Helligkeit, werden von einem sich in einem Computer befindenden speziellen Framegrabber die optischen Bilder, bestehend z. B. aus den drei optischen Eigenschaften Polarisation, Wellenlänge und Phasenverschiebung, umgewandelt in ein für das menschliche Auge erkennbares farbliches Bild. Hierbei wird eine optische Eigenschaft des gemessenen Lichts, z. B. die Wellenlänge, auf den Farbton, eine andere optische Eigenschaft, z. B. die Polarisation, auf die Helligkeit und die dritte optische Eigenschaft, z. B. die Phasenverschiebung, auf die Farbsättigung gemappt. Das so generierte optische Bild kann nun angesehen werden und mit Bildverarbeitungsprogrammen weiter bearbeitet werden. Insbesondere können mithilfe von auf das Bild angewendeten Kantenfiltern, bspw. Sobel-Operator, Krümmungen des Fahrdrahts ermittelt werden. Ist die Krümmung zu groß, kann von einem Knick gesprochen werden. Zu große Krümmungen oder gar ein Knick können zu Materialermüdungen und letzten Endes zu einem Reißen des Fahrdrahts führen. Deshalb ist es wichtig, frühzeitig solche kritischen Zustände zu erfassen.
Das von dem Kraftsensor in die Datenverarbeitungsanlage zurückgesendete Lichtsignal kann auch in verschiedene Bilder aufgeteilt werden. Das heißt, es kann zuerst ein digitales Bild erzeugt werden, das eine optische Eigenschaft – und somit die Kraft in einer Richtung – darstellt, danach eines, das die zweite optische Eigenschaft – und somit die Kraft in der zweiten Richtung – darstellt, und schließlich eines, das die dritte optische Eigenschaft – und somit die Kraft in der dritten Richtung – darstellt. Gemäß Anspruch 4 werden die Ergebnisse der Auswertung so dargestellt, dass jeder gemessenen optischen Eigenschaft genau ein entsprechender Anteil einer für das menschliche Auge erkennbaren Primärfarbe eines dreidimensionalen Farbraums zugeordnet wird. Die drei Primärfarben stehen dabei jeweils zu einem Anteil von 0% bis 100% zur Verfügung. Dementsprechend können die gemessenen Kräfte in jeder Richtung jeweils einer Primärfarbe zugeordnet werden. Es ist dabei möglich, den jeweiligen Anteil jeder Kraft an der Gesamtkraft oder den jeweiligen Anteil jeder Kraft innerhalb ihres zulässigen Messbereichs dem entsprechenden Anteil einer Primärfarbe zuzuordnen. Durch die Überlagerung der jeweiligen Primärfarbanteile wird jedem Pixel eine Farbe zugeordnet, deren Komponenten im Farbraum mit den gemessenen Kraftanteilen eineindeutig korrespondieren. Für die Darstellung an einem Computermonitor ist es beispielsweise vorteilhaft, einen RGB-Farbraum zu wählen. Es ist weiterhin möglich, die Ergebnisse der Auswertung so darzustellen, dass gemäß Anspruch 5 jeder gemessenen optischen Eigenschaft genau ein separates Graustufenbild zugeordnet wird.
Anspruch 6 beschreibt eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung. Dabei wird jeder Kraftmesseinheit eine spezielle, charakteristische Lichtwellenlänge zugeordnet. Die Kräfte, bzw. Drücke in drei zueinander senkrechten Richtungen werden gemessen, indem in den Kraftmesseinheiten, wie in Anspruch 2 beschrieben, drei optische Eigenschaften des einfallenden Lichts in Abhängigkeit von den äußeren Kräften, bzw. Drücken verändert werden. Dabei darf es sich jedoch nur um optische Eigenschaften handeln, die nicht die Wellenlänge des einfallenden Lichts verändern. Somit bleibt die charakteristische Wellenlängencodierung einer jeden Kraftmesseinheit erhalten.
Für den gesamten n × m Kraftsensor muss demnach nur genau eine Glasfaserleitung verwendet werden, in der das Licht zum Kraftsensor hin und vom Kraftsensor zurück geleitet wird. Dabei wird beispielsweise zum Kraftsensor ein kräftiger monochromatischer, polarisierter Lichtimpuls gesendet. Dieser Lichtimpuls wird mithilfe eines optischen Elements gleichmäßig auf die einzelnen Kraftmesseinheiten aufgeteilt, wobei der monochromatische und polarisierte Charakter des eingespeisten Lichts nicht verloren geht. In jeder Kraftmesseinheit wird die Wellenlänge des eingespeisten Lichts nun individuell verändert, sodass ein eineindeutiger Bezug entsteht zwischen der jeweiligen Lichtwellenlänge und der ihr zugeordneten Kraftmesseinheit. Dadurch wird jeder Kraftmesseinheit eine spezielle Wellenlängencodierung zugeordnet.
Dieses für jede Kraftmesseinheit charakteristische Licht wird wiederum in der jeweiligen Kraftmesseinheit auf die einzelnen durchstimmbaren Filter bzw. Membranen gleichmäßig aufgeteilt. Jedes durchstimmbare Filter und jede Membran ändern nun abhängig von der auf sie einwirkenden Kraft eine optische Eigenschaft des einfallenden Lichts, die ungleich der Wellenlänge ist. Das aus den Kraftmesseinheiten zurückkommende Licht wird nun durch ein optisches Element gesammelt und in das Glasfaserkabel eingespeist. Nun muss eine Trennung des Lichts anhand der Wellenlänge mithilfe eines optischen Elements erfolgen. Dies kann beispielsweise mithilfe eines Prismas erfolgen. Die Auswertung des Lichts einer bestimmten Wellenlänge erfolgt dann anhand der Analyse der aufgrund der äußeren Krafteinwirkungen von den durchstimmbaren Filtern bzw. Membranen veränderten optischen Eigenschaften. Zur Zuordnung eines Bildes zur entsprechenden Kraftmesseinheit muss in der Datenverarbeitungsanlage definiert sein, zu welcher Kraftmesseinheit welche Wellenlänge gehört.
Hierdurch ist es möglich, dass ein einziger Glasfaserstrang ausreicht, um an jede der n × m Kraftmesseinheiten sowohl das einfallende Licht zu senden, als auch das auszuwertende Licht zur Auswerteeinheit zu übermitteln.
Die gemessenen Kräfte und Rotationen werden gemäß Anspruch 7 jeweils für sich oder in kombinierter Weise mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen. Werden gewisse Schwellwerte unter- oder überschritten, wird ein Alarm ausgelöst, da der vorgegebene Toleranzbereich überschritten wurde. Der Alarm wird dabei abhängig von der Kritikalität der Toleranzbereichsüberschreitung direkt an den vorbei gefahrenen Zug und/oder an die Werkstätten abgesetzt. Wichtig ist auch hier eine Unterscheidung der Kräfte und der Schwellwerte, da bspw. eine Kraft mit einem bestimmten Betrag bei sagittaler Einbringung erlaubt ist, weil bspw. nur der Reibwert zwischen Fahrdraht und Stromabnehmer erhöht ist, während in vertikaler Richtung eine Kraft mit demselben Betrag verboten ist, weil dadurch bspw. Hängerrisse begünstigt werden.
Da auch zu große Krümmungen oder gar ein Knick zu Materialermüdungen und letzten Endes zu einem Reißen des Fahrdrahts führen können, ist auch in diesem Fall ein Alarm abzusetzen.
Das Absetzen eines Alarms kann mehrere Folgen haben. Bspw. ist vorstellbar, den Zug bei zu hoher Anpresskraft sofort zu stoppen oder ihn mit reduzierter Geschwindigkeit weiterfahren zu lassen. Dies ist insbesondere sinnvoll, da die Stärke der Anpresskraft des Stromabnehmers eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist.
Natürlich ist für die Absetzung eines Alarms auch die Zugidentifikation zu ermitteln und mit abzusetzen, damit zum einen die Werkstätten wissen, welcher Zug auffällig war und zum anderen der entsprechende Zug direkt per Funk erreicht werden kann. Die Ermittlung der Zugidentifikation erfolgt vorzugsweise automatisch, bspw. mit einer im oder am Gleis verlegten Balise, oder optisch, mit mindestens einer Kamera, wobei die Zugnummer aus den aufgenommenen Bilder ausgelesen wird.
Gemäß Anspruch 8 werden mehrere Sensoren über eine Mastfeldlänge angebracht, um dadurch auch Verwindungen des Fahrdrahtes zu messen. Beispielsweise ist die Befestigung von je einem Sensor an den beiden Seitenhaltern eines Mastfelds und zusätzlich die Einbringung eines Sensors in der Mitte des Mastfelds zwischen Fahrdraht und Hänger sinnvoll. Derartige Verwindungen können erfindungsgemäß errechnet werden, indem die Differenz aus einer Rotation des Fahrdrahts um seine Längsachse an einem Sensorpunkt und aus einer anderen Rotation des Fahrdrahts um seine Längsachse an einem anderen Sensorpunkt gebildet wird.
Gemäß Anspruch 9 wird die Änderung der Verwindung des Fahrdrahts über die Zeitdauer eines Stromabnehmerdurchgangs gemessen. Regulär sollte ein Stromabnehmer den Fahrdraht vertikal auslenken bzw. anheben. Drückt der Stromabnehmer an einer Seite stärker als auf der anderen, führt dies zu einer Torsion im Fahrdraht. Ist der Fahrdraht zu fest montiert, kann er eine Torsion nicht über mehrere Stützpunkte weitergeben. Dies führt zu einer Materialermüdung und schließlich zu einem Reißen des Fahrdrahts.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 10 besteht aus einem oder mehreren bildgebenden Kraftsensoren, jeweils bestehend aus einer n×m-Matrix von einzelnen optischen Kraftmesseinheiten. Jeder dieser Sensoren nimmt zu einem Zeitpunkt ein n × m-Bild auf, wobei jeder der n×m Pixel die auf den Fahrdraht wirkenden Kräfte in drei zueinander linear unabhängigen, vorzugsweise senkrechten Richtungen misst.
Zum Messen der Kräfte wird ein optisches Signal in die Kraftmesseinheit eingebracht, dessen Eigenschaften von der Kraftmesseinheit in Abhängigkeit von den einwirkenden Kräften charakteristisch verändert wird. Das durch das Einwirken der Kräfte in seinen optischen Eigenschaften veränderte Signal tritt anschließend aus der Kraftmesseinheit aus und wird zusammen mit den Signalen der anderen Kraftmesseinheiten zu einer Datenverarbeitungsanlage zur Auswertung gesendet.
Der Kraftsensor bestimmt die auf den Fahrdraht wirkenden Kräfte vorzugsweise in drei zueinander senkrechten Richtungen. Dadurch ist es möglich, eine Unterscheidung zu treffen zwischen Auslenkungen des Fahrdrahtes in vertikaler, lateraler oder sagittaler Richtung. Um die Auslenkungen zu bestimmen, genügt der Einsatz einer Kraftmesseinheit also eines n × m Kraftmesssensors mit m = n = 1. Dadurch ist ein differenzierter Rückschluss auf die Kräfte möglich, die auf die Fahrleitung wirken.
Um darüber hinaus auch Rotationen des Fahrdrahts aus den Kraftmesswerten errechnen zu können, ist der Einsatz mehrerer Kraftmesseinheiten innerhalb des n × m Kraftmesssensors notwendig, mindestens n = m = 2. Die zu errechnenden Rotationen des Fahrdrahts sind dabei Rotationen um seine Längsachse, seine Querachse und seine Gierachse. Die Datenverarbeitungsanlage errechnet alle Rotationen relativ zur Fahrdrahtruhelage.
Die Berechnung einer Wankung, d. h. einer Rotation um die Längsachse erfolgt über Auswertung der Differenz aus den Differenzen zwischen den laterale Kräfte ausweisenden Messwerten der Kraftmesseinheiten und den Differenzen zwischen den vertikale Kräfte ausweisenden Messwerten der Kraftmesseinheiten. Die Berechnung der anderen Rotationen erfolgt analog. Die Berechnung der Rotationen erfolgt typischerweise in der Datenverarbeitungsanlage, nach einer Digitalisierung der empfangenen Messwerte und dem Zusammenfügen zu einem n × m Bild. Die Datenverarbeitungsanlage ordnet jeder gemessenen Kraft einer Kraftmesseinheit somit ein Pixel im n × m Bild zu.
Da nicht nur eine resultierende Gesamtkraft gemessen und dargestellt wird, sondern die unterschiedlichen Auslenkungen in den drei Raumrichtungen gesondert gemessen und dargestellt werden, ist ein Rückschluss auf die Kräfte möglich, die auf die Fahrleitung wirken. Somit wird der Belastungszustand der Fahrleitung detailliert ermittelt. Das Erfassen der Kräfte kann dabei auch zeitlich aufgelöst erfolgen. Die Signale der einzelnen Kraftmesseinheiten werden hierfür bei festen Zeitpunkten digitalisiert, gespeichert und anschließend ausgewertet. Somit ermittelt die Vorrichtung beim Durchlauf eines Stromabnehmers, wie sich die auftretenden Kräfte entwickeln und wieder abklingen. Dies ist wichtig für die Optimierung von Stromabnehmern und die Konzeption von Zügen, die mit mehr als einem Stromabnehmer ausgestattet sind. Bspw. kann der Effekt auftreten, dass die vertikal auf den Fahrdraht wirkende Kraft beim Durchgang eines nachlaufenden Stromabnehmers deutlich höher ist als beim ersten Stromabnehmer, obwohl bei Stromabnehmer identisch konzipiert sind. Zu diesem Effekt kann es durch eine Addition der durch den ersten Stromabnehmer eingebrachten Schwingungen und die Anpresskraft des zweiten Stromabnehmers kommen.
Mindestens eine fiberoptische Leitung, insbesondere eine Glasfaserleitung, überträgt die Ausgangssignale des Sensors zu einer Auswerteeinheit auf Erdpotential, und ein optischer Empfänger wandelt das optische Ausgangssignal auf Erdpotential in ein elektrisches Signal um.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Zuleitungen nur aus Glasfaserkabeln bestehen, so dass eine galvanische Trennung sichergestellt ist. D. h. insbesondere, dass eine Gefahr eines elektrischen Überschlages bei direkter Verlegung der Lichtwellenleiter zwischen dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential ausgeschlossen werden kann, so dass eine Gefährdung des Bedienpersonals ausgeschlossen werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die fiberoptische Signalübertragung im Gegensatz zur elektrischen Übertragung kein Einfluss auf die Messsignale durch elektromagnetische Störungen besteht. Derartige Störungen treten insbesondere im Bereich der Oberleitung auf. Des Weiteren besteht der Vorteil darin, dass die Auswerteeinheit bei vergleichbarem Aufwand wesentlich weiter vom Sensor entfernt sein kann, als bei einer elektrischen Lösung.
Anspruch 11 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung aus Anspruch 10 zur Messung der drei unterschiedlichen Kraftanteile. Unter Verwendung von drei unterschiedlichen optischen Eigenschaften, mit denen die Kräfte in den unterschiedlichen Richtungen gemessen werden, wird erreicht, dass im Prinzip eine einzige Lichtquelle ausreicht, um die Kräfte in allen drei Richtungen zu ermitteln. Zur Messung der sagittalen und lateralen Auslenkungen sind erfindungsgemäß die Kraftmesseinheiten jeweils so eingerichtet, dass

• durch vertikale Kräfte/Drücke eine optische Eigenschaft verändert wird,
• durch Kräfte/Drücke, die relativ zur Gleisachse in lateraler Richtung wirken, eine weitere optische Eigenschaft verändert wird, und
• durch Kräfte/Drücke, die in Richtung der Gleisachse wirken eine dritte optische Eigenschaft verändert werden.

Dies kann beispielsweise durch mindestens eine reflektierende Membran geschehen, deren Reflexionsverhalten sich durch Einwirken äußerer Kräfte charakteristisch ändert. Alternativ zu der Membran können die Kraftmesseinheiten auch durchstimmbare Filter (tuneable filters) verwenden. Dabei wird nicht die optische Reflektivität, sondern die Transmissivität ausgenutzt. Wirkt eine äußere Kraft, ändert sich die optische Durchleitfähigkeit/Transmissivität der durchstimmbaren Filter.
Beispielsweise wird horizontal polarisiertes, monochromatisches Licht mit einer definierten Wellenlänge und einer bekannten Phasenverschiebung in eine Kraftmesseinheit eingebracht. Wenn vertikale Kräfte die Wellenlänge ändern, laterale Kräfte die Polarisationsrichtung ändern und sagittale Kräfte die Phase verschieben, dann können aus dem aus der Kraftmesseinheit ausgehenden optischen Signal alle drei Auslenkungen ermittelt werden. Beispielsweise hat das aus der Kraftmesseinheit ausgehende Licht eine um 30° nach rechts gedrehte Polarisation, eine um 30 nm vergrößerte Wellenlänge und eine Phasenverschiebung von π/8.
Die Datenverarbeitungsanlage berechnet aus diesen Messwerten die wirkenden Kräfte, sodass neben den Aussagen über die aufgeschlüsselten Einzelkomponenten auch die Gesamtkraft bestimmt wird.
Sowohl das eingespeiste optische Signal, als auch das von den Kraftmesseinheiten zurückgesendete können für das menschliche Auge sichtbare oder unsichtbare Lichtsignale sein. Auch bei Verwendung von Terahertzwellen wird die Erfindung nicht verlassen. Die Signale können sowohl gepulst als auch kontinuierlich gesendet und empfangen werden.
Gemäß Anspruch 12 ist ein erfindungsgemäßer Kraftsensor vorteilhaft zwischen Fahrdraht und einem anderen Element der Oberleitung eingebaut. Das andere Element der Oberleitung kann beispielsweise ein Hänger sein.
Anspruch 13 beschreibt, wie die Datenverarbeitungsanlage vorteilhaft die Ergebnisse der Auswertung der Messungen graphisch darstellt, beispielsweise an einem Rechner-Monitor. Da für das menschliche Auge Farbeigenschaften in drei grundlegenden Arten erkannt werden können, nämlich Farbton, Farbsättigung und Helligkeit, werden von einem sich in einem Computer befindenden speziellen Framegrabber die optischen Bilder, bestehend z. B. aus den drei optischen Eigenschaften Polarisation, Wellenlänge und Phasenverschiebung, umgewandelt in ein für das menschliche Auge erkennbares farbliches Bild. Hierbei wird eine optische Eigenschaft des gemessenen Lichts, z. B. die Wellenlänge, auf den Farbton, eine andere optische Eigenschaft, z. B. die Polarisation, auf die Helligkeit und die dritte optische Eigenschaft, z. B. die Phasenverschiebung, auf die Farbsättigung gemappt. Das so generierte optische Bild kann nun angesehen werden und mit Bildverarbeitungsprogrammen weiter bearbeitet werden. Insbesondere können mithilfe von auf das Bild angewendeten Kantenfiltern, bspw. Sobel-Operator, Krümmungen des Fahrdrahts ermittelt werden. Ist die Krümmung zu groß, kann von einem Knick gesprochen werden.
Gemäß Anspruch 14 vergleicht die Datenverarbeitungsanlage die gemessenen Kräfte und Rotationen jeweils für sich oder in kombinierter Weise mit einem oder mehreren Schwellwerten. Werden gewisse Schwellwerte unter- oder überschritten, löst die Datenverarbeitungsanlage einen Alarm aus. Der Alarm wird dabei abhängig von der Kritikalität der Toleranzbereichsüberschreitung direkt an den vorbei gefahrenen Zug und/oder an die Werkstätten abgesetzt. Wichtig ist auch hier eine Unterscheidung der Kräfte und der Schwellwerte, da bspw. eine Kraft mit einem bestimmten Betrag bei sagittaler Einbringung erlaubt ist, weil bspw. nur der Reibwert zwischen Fahrdraht und Stromabnehmer erhöht ist, während in vertikaler Richtung eine Kraft mit demselben Betrag verboten ist, weil dadurch bspw. Hängerrisse begünstigt werden.
Da auch zu große Krümmungen oder gar ein Knick zu Materialermüdungen und letzten Endes zu einem Reißen des Fahrdrahts führen können, ist auch in diesem Fall ein Alarm abzusetzen.
Das Absetzen eines Alarms kann mehrere Folgen haben. Bspw. ist vorstellbar, den Zug bei zu hoher Anpresskraft sofort zu stoppen oder ihn mit reduzierter Geschwindigkeit weiterfahren zu lassen. Dies ist insbesondere sinnvoll, da die Stärke der Anpresskraft des Stromabnehmers eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist.
Natürlich ist für die Absetzung eines Alarms auch die Zugidentifikation zu ermitteln und mit abzusetzen, damit zum einen die Werkstätten wissen, welcher Zug auffällig war und zum anderen der entsprechende Zug direkt per Funk erreicht werden kann. Die Ermittlung der Zugidentifikation erfolgt vorzugsweise automatisch, bspw. mit einer im oder am Gleis verlegten Balise, oder optisch, mit mindestens einer Kamera, wobei die Zugnummer aus den aufgenommenen Bilder ausgelesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an den 1 bis 4 und an einem erläuternden Beispiel dargestellt.
1 zeigt eine Fahrleitung (1) in einem Koordinatensystem, dessen z-Achse in Richtung der Gleismitte ausgerichtet ist. Die y-Achse steht senkrecht l zur Gleisebene, die x-Achse ist senkrecht zu den beiden anderen Achsen, also von links nach rechts. Die Fahrdrahtruhelage ist durch die Koordinaten (x₀, y₀) gekennzeichnet und in 1a dargestellt. Eine vertikale Auslenkung, d. h. eine Auslenkung in y-Richtung, ist in 1b dargestellt; die y-Koordinate hat sich von y₀ nach y₁ verschoben. 1c zeigt eine Rotation um die z-Achse mit einer geringen vertikalen Auslenkung. Die x-Komponente bleibt dabei unverändert bei x₀. 1d zeigt sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Auslenkung des Fahrdrahtes.
2 zeigt die graphische Darstellung einer 5×5-Matrix mit 25 einzelnen Kraftmesseinheiten an einem Computer-Bildschirm. Jeder Pixel stellt beispielsweise anhand des Farbtons, der Farbsättigung und der Helligkeit das Ergebnis einer Messung der auf den Fahrdraht wirkenden Kräfte in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen dar.
3 zeigt, wie ein Sensor (4) an einem Seitenhalter (6) eines Oberleitungsmasts beispielhaft mithilfe einer Klemme (5) am Fahrdraht (1) befestigt ist. 3a zeigt den Blick in Fahrtrichtung, 3b von der Seite.
4 zeigt die Anordnung von 3 Kraftsensoren (4) über eine Mastfeldlänge, um Verwindungen des Fahrdrahts zu messen. Je ein Sensor ist an den beiden Seitenhaltern (6) eines Masts angebracht und zusätzlich ein Sensor (4) in der Mitte des Mastfelds zwischen Fahrdraht (1) und Hänger (7).
5 zeigt anhand eines 1 × 3-Sensors die Auswertung der vertikalen und lateralen Kräfte bei einer Rotation um die Längsachse des Fahrdrahts (1) (Wankung). In der Darstellung der Kraftmessergebnisse zeigen die Pixel (8 bis 10) mithilfe unterschiedlicher Grauwerte folgende Werte an: Pixel 8 zeigt eine vertikale Kraft von 150 N an, Pixel 9 eine vertikale Kraft von 100 N und Pixel 10 eine vertikale Kraft von 50 N. Gleichzeitig wirkt in allen drei Kraftmesseinheiten in horizontaler Richtung eine Kraft nach rechts von 30 N. Die Darstellung der horizontalen Kraftmessergebnisse ist in den Pixeln 11 gezeigt. Relativ zur mittleren Kraftmesseinheit ist der durchschnittliche Kraftunterschied in vertikaler Richtung somit 50 N. Dies ist im Kraftdreieck durch den Kraftvektor 12 dargestellt. Die horizontale Kraft wird durch den Kraftvektor 13 dargestellt. Der Winkel zwischen der resultierenden Kraft und der horizontalen Achse ist der Wankwinkel (14) des Fahrdrahts.
6 zeigt in Seitenansicht den Aufbau einer beispielhaften Kraftmesseinheit, bestehend aus einer Linse (16), einer Membran (17) und zwei durchstimmbaren Filtern (18). Das Licht wird über eine Linse (16) mit Hilfe von Glasfasern (15) ein- und ausgekoppelt.
Als erläuterndes Beispiel seien drei Kraftsensoren (4) über eine Mastfeldlänge an der Fahrleitung (1) angebracht, um Verwindungen des Fahrdrahts (1) zu messen. Je ein Sensor (4) ist an den beiden Seitenhaltern (6) eines Masts angebracht und zusätzlich ein Sensor (4) in der Mitte des Mastfelds zwischen Fahrdraht (1) und Hänger (7). Jeder Kraftsensor (4) besteht dabei aus einer 5×5-Matrix mit insgesamt 25 einzelnen Kraftmesseinheiten. Zum Messen der Kräfte wird bei jedem Kraftsensor (4) über eine Glasfaser (15) ein optisches Signal in die Kraftmesseinheiten eingebracht. Es handelt sich dabei um monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm, einem horizontalen Polarisationszustand und einer Phase von 0. Innerhalb einer jeden Kraftmesseinheit befinden sich jeweils 1 Membran (17), die das eingespeiste Lichtsignal modifiziert reflektiert, und 2 durchstimmbare Filter (18), die das Licht modifiziert durchleiten. Die Membran (17) misst dabei die Kraft, die in Richtung des Kabel- ein- und -ausgangs der Kraftmesseinheit wirkt. Dies ist vorteilhaft, damit keine Umlenkung des Lichts außer an der Membran (17) notwendig ist. Die anderen beiden Kraftrichtungen werden durch durchstimmbare Filter (18) ausgewertet. Im Ausführungsbeispiel werden je durchstimmbares Filter (18) und je Membran (17) ein Zuleitungs- und ein Ableitungsstrang an Glasfaserkabeln (15) implementiert. Es sind somit für eine Kraftmesseinheit 6 Kabelstränge aus Glasfaser vorgesehen.
Das Licht hat durch die unterschiedlichen Ebenen der Anbringung von durchstimmbaren Filtern (18) bzw. Membranen (17) eine unterschiedliche Strecke zurückzulegen, wodurch Laufzeitunterschiede in der Datenverarbeitungseinheit entstehen. Diese Laufzeitunterschiede sind jedoch in der Regel vernachlässigbar, da es sich bei den Unterschieden im Laufweg um μm handelt. Durch Einwirken äußerer Kräfte auf eine Kraftmesseinheit ändert sich das Reflexionsverhalten der Membran sowie die Transmissivität der durchstimmbaren Filter (18). Das geänderte Reflexionsverhalten der Membran (17) bewirkt bei Krafteinwirkung in x-Richtung eine Änderung der Polarisation. Die geänderte Transmissivität der durchstimmbaren Filter (18) bewirkt bei Krafteinwirkung in y-Richtung eine Änderung der Wellenlänge und bei Krafteinwirkung in z-Richtung eine Änderung der Phase des eingebrachten Lichts.
Das dadurch veränderte Licht tritt aus der Kraftmesseinheit wieder aus und wird zusammen mit den Signalen der anderen Kraftmesseinheiten über jeweils eine eigene Glasfaser zu einer Auswerteeinheit auf Erdpotential gesendet, wo ein optischer Empfänger auf Erdpotential die optischen Ausgangssignale in elektrische Signale umwandelt und zu einer Datenverarbeitungsanlage zur Auswertung sendet.
Die Datenverarbeitungsanlage berechnet nun jeweils aus der im Vergleich zum eingespeisten Lichtsignal gemessenen Polarisationsänderung die in x-Richtung wirkende Kraft, aus der gemessenen Wellenlängenänderung die in y-Richtung wirkende Kraft, und aus der gemessenen Phasenänderung die in z-Richtung wirkende Kraft für jedes Kraftmesselement jedes Kraftsensors und speichert die Werte ab. Um den zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung zu untersuchen, wird für einen Zug, der mit seinem Stromabnehmer mit einer Geschwindigkeit von 180 km/h das Mastfeld passiert, mit einer Frequenz von 10 kHz gemessen. Dabei wird u. a. ermittelt, wie groß die Torsion im Fahrdraht an jedem Messpunkt ist und wie sie sich zeitlich beim Stromabnehmerdurchgang verändert. Durch Bildung der Differenz zwischen den Torsionswerten benachbarter Sensoren wird von der Datenverarbeitungsanlage die Gesamtverwindung des Fahrdrahts bestimmt.
Um die Messergebnisse graphisch darzustellen, wird jeder Wellenlängenänderung eine bestimmte Farbtonänderung, jeder Polarisationsänderung eine bestimmte Farbsättigung und jeder Phasenänderung ein bestimmter Helligkeitswert zugeordnet. Die Messwerte werden dann in Form von 5 × 5-Matrixdarstellungen mit den entsprechenden Farbeigenschaften an einem Computer-Bildschirm dargestellt.
In der oben genannten Ausführung der Erfindung werden je durchstimmbares Filter (18) und je Membran (17) ein Zuleitungs- und ein Ableitungsstrang aus Glasfaser für jede Kraftmesseinheit benötigt. Es sind also zu jeder Kraftmesseinheit 6 Glasfaserstränge (15) mitzuführen. Eine Variation dieser Ausführung ist die Zusammenfassung von Zu- und Ableitungsstrang. Dann wird ein Lichtimpuls oder eine kontinuierliche Beleuchtung je Kraftrichtung im selben Strang zu einer Kraftmesseinheit gesendet. Genauso wird das modifizierte Signal zur Datenverarbeitungseinheit im gleichen Strang zurückgesendet. Der Vorteil dieser Variation ist, dass pro Kraftmesseinheit nunmehr 3 Glasfaserstränge ausreichen. In der Datenverarbeitungseinheit ist dafür allerdings ein Framegrabber erforderlich, der sowohl Licht generieren, als auch geeignet messen und digitalisieren kann. Hierzu wird üblicherweise ein halbdurchlässiger, in einem Winkel von 45° zum ein- und ausfallenden Licht geneigter Spiegel benutzt, der in einer Richtung durchlässig und in der anderen Richtung undurchlässig für Licht ist.
Denkbar ist alternativ zur Messung von Kräften in Fahrleitungen der Einsatz der Erfindung auf der Schiene zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene. Hier kommt es beim Befahren ebenfalls zu den oben beschriebenen Auslenkungen. Einflussgrößen sind hier Bremsen, Beschleunigen, Sinuslauf, ungleiche Beladung u. Ä.
Bezugszeichenliste

1: Fahrdraht
2: Seilzug für den Kraftsensor
3: Seilwinde
4: Kraftsensor
5: Klemme
6: Seitenhalter
7: Hänger
8: Pixeldarstellung einer vertikalen Kraft von 150 N
9: Pixeldarstellung einer vertikalen Kraft von 100 N
10: Pixeldarstellung einer vertikalen Kraft von 50 N
11: Pixeldarstellung einer horizontalen Kraft nach rechts von 30 N
12: Kraftvektor des mittleren Kraftunterschieds vertikal, relativ zum mittleren Pixel = 50 N
13: Kraftvektor nach rechts = 30 N
14: Wankwinkel
15: Glasfasern
16: Linse
17: Membran
18: Durchstimmbares Filter

Claims

Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs, wobei durch Anbringen von Kraftsensoren an der Fahrleitung die auf die Fahrleitung wirkenden Kräfte gemessen und von einer Datenverarbeitungsanlage ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einem bildgebenden Kraftsensor, bestehend aus einer n × m-Matrix von optischen Kraftmesseinheiten, gleichzeitig von jeder Kraftmesseinheit Kräfte oder Drücke in folgende Richtungen auf die Fahrleitung gemessen werden: a. vertikal b. lateral relativ zur Gleisachse c. in Richtung der Gleisachse, wobei von der Datenverarbeitungsanlage für jeden Messpunkt nicht nur die wirkende Gesamtkraft berechnet wird, sondern die auf die Fahrleitung wirkenden Teilkräfte einzeln aufgeschlüsselt und dargestellt werden.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß Anspruch 1, wobei in den optischen Kraftmesseinheiten eines n × m-Kraftsensors zum Messen der Kräfte in den unterschiedlichen Richtungen für jede Richtung eine eigene optische Eigenschaft eines eingespeisten optischen Signals verwendet wird.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß Anspruch 2, wobei die Ergebnisse der Auswertung so als graphisch darstellbare, optische Bilder dargestellt werden, dass jeder gemessenen optischen Eigenschaft genau eine der für das menschliche Auge erkennbaren drei Farbeigenschaften, d. h., Farbton, Farbsättigung oder Helligkeit zugeordnet wird.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß Anspruch 2, wobei die Ergebnisse der Auswertung so dargestellt werden, dass jeder gemessenen optischen Eigenschaft genau ein entsprechender Anteil einer für das menschliche Auge erkennbaren Primärfarbe eines dreidimensionalen Farbraums zugeordnet wird, so dass durch die Überlagerung der jeweiligen Primärfarbanteile jedem Pixel eine Farbe zugeordnet wird, deren Komponenten im Farbraum mit den gemessenen Kraftanteilen eineindeutig korrespondiert.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß Anspruch 2, wobei die Ergebnisse der Auswertung so dargestellt werden, dass jeder gemessenen optischen Eigenschaft genau ein separates Graustufenbild zugeordnet wird.
Verfahren zur Messung von Kräften in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß mindestens einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei jeder Kraftmesseinheit eine spezielle Lichtwellenlänge zugeordnet ist und die Kräfte und/oder Drücke in drei linear unabhängige Richtungen über drei von der Wellenlänge verschiedene optische Eigenschaften des einfallenden Lichts ermittelt werden.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß mindestens einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei von einer Datenverarbeitungsanlage die gemessenen Kräfte und Rotationen mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden und, falls die Schwellwerte überschritten oder unterschritten werden, ein Alarm ausgelöst wird.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, wobei Verwindungen des Fahrdrahtes gemessen werden, indem mehrere dieser Sensoren über eine Mastfeldlänge angebracht und deren Signale ausgewertet werden, wobei jeweils die Differenz aus einer Wankung an einem Sensorpunkt und aus einer anderen Wankung an einem anderen Sensorpunkt gebildet wird.
Verfahren zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Änderung der Verwindung des Fahrdrahts über die Zeitdauer eines Stromabnehmerdurchgangs erfasst und von einer Datenverarbeitungsanlage ausgewertet wird.
Vorrichtung zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs, wobei durch Anbringen von Kraftsensoren an der Fahrleitung die auf die Fahrleitung wirkenden Kräfte gemessen und von einer Datenverarbeitungsanlage ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein bildgebender Kraftsensor aus einer n × m-Matrix von optischen Kraftmesseinheiten besteht, wobei gleichzeitig jede Kraftmesseinheit Kräfte oder Drücke in folgende Richtungen auf die Fahrleitung misst: a. vertikal b. lateral relativ zur Gleisachse c. in Richtung der Gleisachse, wobei die Datenverarbeitungsanlage für jeden Messpunkt nicht nur die wirkende Gesamtkraft berechnet, sondern die auf die Fahrleitung wirkenden Teilkräfte einzeln aufschlüsselt und darstellt.
Vorrichtung zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß Anspruch 10, wobei in den optischen Kraftmesseinheiten eines n × m-Kraftsensors • eine reflektierende Membran oder ein durchstimmbares Filter in Abhängigkeit von vertikalen Kräften/Drücken eine optische Eigenschaft eines eingespeisten optischen Signals ändert • eine weitere reflektierende Membran oder ein weiteres durchstimmbares Filter in Abhängigkeit von relativ zur Gleisachse lateralen Kräften/Drücken eine weitere optische Eigenschaft eines eingespeisten optischen Signals ändert und • eine dritte reflektierende Membran oder ein drittes durchstimmbares Filter in Abhängigkeit von relativ zu mit der Gleisachse einwirkenden Kräften/Drücken eine dritte optische Eigenschaft eines eingespeisten optischen Signals ändert.
Vorrichtung zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß Anspruch 10 und 11, wobei der n × m Kraftsensor zwischen Fahrdraht und einem anderen Element der Oberleitung eingebaut ist.
Vorrichtung zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Datenverarbeitungsanlage die Ergebnisse der Auswertung so als graphisch darstellbare, optische Bilder darstellt, dass jeder gemessenen optischen Eigenschaft genau eine der für das menschliche Auge erkennbaren drei Farbeigenschaften, d. h., Farbton, Farbsättigung oder Helligkeit zugeordnet ist.
Vorrichtung zur bildgebenden, optischen Messung von Kräften, Auslenkungen, Rotationen und Verwindungen in Fahrleitungen elektrisch betriebenen Verkehrs gemäß mindestens einem der zuvor genannten Ansprüche 10 bis 13, wobei eine Datenverarbeitungsanlage die gemessenen Kräfte und Rotationen mit vorgegebenen Schwellwerten vergleicht und, falls die Schwellwerte überschritten werden, einen Alarm ausgelöst.