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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Feststellung von Unregelmäßigkeiten in oder an Fahrstromleitungen für schienengebundene Fahrzeuge.
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Aus der
DE 103 45 508 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Monitoring von Bahnfahrdrahtleitungen bekannt, die an Haltemasten mit Spanneinrichtungen und Spanngewichten befestigt sind und einzelne Fahrdrahtabschnitte bilden. Durch Messung des Spanngewichts am Haltemast des Fahrdrahts seiner Position und der Abweichung des Spanngewichts von einer Nullposition bei einer bekannten Temperatur wird, abhängig von dem Längenausdehnungskoeffizienten des Fahrdrahtmaterials eine Zustandsgröße des Fahrdrahtes bestimmt.
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DE 10 2008 032 994 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Versorgung einer Überwachungsstation, die an einem Mast eines Oberleitungskettenwerks einer Eisenbahn befestigt ist und die mindestens einen Sensor und eine Funksendestation aufweist. Dabei ist ein Ringkernwandler um ein Tragseil herum angeordnet, in dem ein Strom induziert wird, der eine Spannung zur Versorgung der Überwachungsstation bereitstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Feststellung von Unregelmäßigkeiten in oder an Fahrstromleitungen schienengebundener Fahrzeuge zu schaffen, die kompakt aufgebaut ist, eine Vielzahl von Zustandsgrößen der Fahrstromleitung erfassen kann und deren Energieversorgung aus dem in der Fahrstromleitung unter Umständen mit kurzzeitig fließenden Strom gewonnen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß sind mindestens ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Zustandsgröße der Fahrstromleitung, eine mit dem mindestens einen Sensor verbundene Auswerteeinheit und eine Energieversorgung, die den mindestens einen Sensor und die Auswerteeinheit mit Spannung versorgt und die eine Spule zur Erfassung eines Magnetfeldes, das von einem durch die Fahrstromleitung fließenden Strom erzeugt wird, und eine Umsetzungsschaltung zur Umsetzung des durch das Magnetfeld in der Spule induzierten Stroms in speicherbare Energie aufweist, in einem Gehäuse angeordnet, das geeignet und angepasst ist, Bestandteil einer mechanischen Befestigung der Fahrstromleitung zu sein, derart, dass die im Gehäuse angeordnete Spule vom Magnetfeld des Stroms durch die Fahrstromleitung durchgriffen wird. Durch diese Ausführung ist es möglich, eine kompakte Sensoranordnung zu schaffen, die in unmittelbarer Nähe der oder an der Fahrstromleitung befestigt ist. Die Sensoranordnung kann zwischen den Masten für das Oberleitungskettenwerk des schienengebundenen Fahrzeugs an der Abspannvorrichtung befestigt werden und das Gehäuse der Sensoranordnung kann sogar selbst als Haltevorrichtung für die Fahrstromleitung ausgebildet sein. Dadurch, dass die Spule der Energieversorgung in unmittelbarer Nähe der Fahrstromleitung angeordnet ist, ist die Kopplung mit dem Magnetfeld besonders gut, so dass der jeweils nur kurzzeitig beim Durchfahren eines Fahrzeugs erzeugte Strom, der sehr hoch ist und in der Größenordnung zwischen 400 und 600 A liegen kann, für die Energieversorgung ausreicht, wobei auch die in der Energieversorgung vorgesehene Umsetzungsschaltung zur Umsetzung des durch das Magnetfeld in der Spule induzierten Stroms in speicherbare Energie zu einem zufriedenstellenden Energiemanagement beiträgt.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Umsetzungsschaltung eine Impedanzanpassung umfasst, wodurch die Energie aus dem nur kurze Zeit wirkenden Magnetfeld gut umgesetzt werden kann und der hohe Strom im Fahrdraht von mehreren 100 A durch Impedanztransformation in den Bereich von Milliampere gebracht werden kann. Insbesondere wird die Geometrie, die Wicklungszahl und die Induktivität der Spule so gewählt, dass sich günstige Werte ergeben.
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Als Sensor können ein Neigungssensor, Temperatursensor, Stromsensor, Feuchtesensor, Bewegungssensor, Kraftsensor, Metalldetektoren oder dergleichen infrage kommen, wobei, je nach Überwachungsziel, ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sein können. Auf diese Weise kann beispielsweise der Diebstahl einer Fahrstromleitung, abhängig vom Signal eines Neigungssensors oder eines Metalldetektors, der Zustand der Fahrstromleitung, abhängig von der Temperatur und vom Profil des Magnetfeldes erfasst werden. Weiterhin kann festgestellt werden, ob Strom abgezapft wird, da der Stromfluss im Fall der Zugdurchfahrt kurzzeitig oder zumindest wechselhaft sein muss. Wenn über eine längere Zeit Strom fließt, liegt ein Fehler vor. Mittels eines Feuchtesensors kann beispielsweise eine Taupunktmessung durchgeführt werden, wobei bei gleichzeitiger Information über die Temperatur eine Vereisungsinformation gegeben werden kann.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit mit einer Sende-Empfangseinheit verbunden, die ebenfalls in dem Gehäuse der Sensoranordnung aufgenommen ist, wobei jeder Sensoranordnung ein Identifikationskennzeichen zugeordnet ist. Über die Sende-Empfangseinheit können Daten an eine Zentrale gesendet werden, wobei die Identifikationsnummer die Position der Sensoranordnung angibt, so dass erfasste Unregelmäßigkeiten sofort lokalisiert werden können. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Sende-Empfangseinheit mit einem Wake-up-Empfänger ausgerüstet ist, da dann der Energieverbrauch für die Sende-Empfangsbereitschaft und die Datenübertragung minimiert werden kann.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann somit ein Sensorsystem entlang einer Fahrstrecke in vorzugsweise regelmäßigen Abständen, besonders bevorzugt eine Sensoranordnung zwischen jedem Fahrleitungsmast vorgesehen werden. Dabei kann über die Sende-Empfangseinheiten die Datenübertragung vorzugsweise in 2,4 GHz-Band gemäß eines Daten-Hopping-Verfahrens vorgenommen werden, d. h. die einzelnen Sensoranordnungen vernetzen sich selbständig zu einer Linienstruktur, bei der Sensordaten von Sensoranordnung zu Sensoranordnung bis zu einer Zentrale übertragen werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Ansicht auf ein schienengebundenes Fahrzeug mit Fahrstromleitung und erfindungsgemäßen Sensoranordnungen,
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2 eine schematische Darstellung des auf die Sensoranordnung wirkenden Magnetfelds der Fahrstromleitung,
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3 eine schematische Ansicht der Sensoranordnung als Haltevorrichtung der Fahrstromleitung,
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4 eine Darstellung der verschiedenen Bestandteile der Sensoranordnung,
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5 eine Darstellung der funktionalen Blöcke des in der Sensoranordnung verwendeten Energieversorgungsmoduls und
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6 eine etwas genauere Schaltung des Energieversorgungsmoduls.
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In 1 ist schematisch ein Sensorsystem für schienengebundene Fahrzeuge dargestellt, wobei ein Oberleitungskettenwerk einer Eisenbahn 5 mit einer Abspannvorrichtung 4 gezeigt ist. Eine Fahrstromleitung 2, die auch als Fahrdraht bezeichnet ist, ist an Abhängeelementen 8 oder Hängern von einem Tragseil der Abspannvorrichtung 4 abgehängt und zwar derart, dass der Fahrdraht annähert horizontal verläuft, wobei für eine Dämpfung der beim schnellen Durchgang von Stromabnehmern entstehenden Fahrdrahthebung eine Aufhängung des Tragseils flexibel ausgeführt ist. Der Fahrdraht wird zusätzlich straff gespannt und zwar durch Spannwerke an Masten. In der 1 ist die Bahn 5 mit ihren Stromabnehmern 6 schematisch gezeigt und es findet ein Stromfluss (siehe Pfeil 7) über die Fahrstromleitung 2 bzw. den Fahrdraht und dem Stromabnehmer 6 zur geerdeten Schiene 3 statt. Je nach Position der Bahn fließt der Strom abschnittsweise, d. h. über Abschnitte durch die Fahrstromleitung, wobei die anderen Abschnitte der Fahrstromleitung 2 stromlos sind bzw. gegebenenfalls durch andere Bahnen ein Stromfluss hervorgerufen werden kann. Üblicherweise wird ein Bahnstrom verwendet, der beispielsweise 16 2/3 Hz aufweist und ein starkes wechselndes Magnetfeld für einen kurzen Zeitraum erzeugt.
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Erfindungsgemäß sind im Bereich der Fahrstromleitung 2 vorzugsweise an den Hängern 8 in regelmäßigen Abständen, vorzugsweise zwischen zwei Masten Sensoranordnungen 1 angeordnet, die Sensorknoten bilden und Zustandsgrößen der Fahrstromleitung 2 erfassen. Schematisch sind in der 1 zwei Sensoranordnungen 1 dargestellt.
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2 und 3 zeigen schematisch die Ausrichtung der Sensoranordnung 1 in Bezug auf die Fahrstromleitung 2. Gemäß 3 umfasst die Sensoranordnung 1 nicht genauer dargestellte Sensoren und mindestens eine Spule 9, die Bestandteil einer Energieversorgung entsprechend dem Prinzip ”Energy Harvesting” ist, d. h. die Spule 9 ist im Bereich des Magnetfelds 10 angeordnet, das von dem durch die Fahrstromleitung 2 kurzfristig fließenden Strom erzeugt wird. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung 1 ein Elektronikmodul 11, das weiter unten in Zusammenhang mit 4 näher erläutert wird und das beispielsweise die Schaltung zur Gewinnung der Energie, einen Mikrorechner und eine Kommunikationseinheit aufweist. Elektromodul 11 und die Spule 9 und Sensoren sind in einem Gehäuse 12 der Sensoranordnung 1 aufgenommen, das unter anderem beispielsweise von einer Ummantelung einer Moldingmasse gebildet ist, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 12 gleichzeitig als Befestigungsvorrichtung für die Fahrstromleitung 2 dient, die mit dem Hänger 8 verbunden ist. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise eine Hängerklemme umfassen, die über eine Kausche von dem Hänger abgehängt ist und die ein Teil der Fahrstromleitung formschlüssig umgreift.
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In 4 ist der Aufbau der Sensoranordnung in Form von Funktionsblöcken dargestellt, wobei die wesentlichen Bestandteile Sensoren 13, die die Fahrstromleitung 2 beeinflussende Zustandsgrößen erfassen, ein Signalverarbeitungsmodul 14 zum Verarbeiten der Sensorsignale, ein Datenverarbeitungsmodul 15, das die erfassten und aufbereiteten Sensorsignale auswertet und ein Kommunikationsmodul 16, das das Ergebnis der Datenverarbeitung zur Information und Steuerung an eine entsprechende Zentrale sendet, sind. Zusätzlich ist ein Energieversorgungmodul 17 zur Energiekonditionierung vorgesehen, das die verschiedenen Bestandteile 13 bis 16 gegebenenfalls mit unterschiedlichen Spannungen versorgt. Die genannten Module 13 bis 17 sind zu dem Elektronikmodul 11 nach 3 zusammengefasst.
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Als Sensoren können eine Vielzahl von Sensoren infrage kommen, als nicht begrenzende Auswahl sind in dem Sensorblock 13 Temperatur-, Neigungs- bzw. Beschleunigungs-, Strom-, Metall und Feuchtesensoren erwähnt, mit denen die verschiedensten Parameter bzw. Zustandsgrößen der Fahrstromleitung erfasst werden können, um entsprechende Informationen über ihren Zustand zur Verfügung zu stellen. Nur beispielhaft werden als Informationen die Abnutzung der Fahrstromleitung 2, Beschädigungen oder Diebstahl der Fahrstromleitung, Informationen über Unregelmäßigkeiten des Stromflusses, Frequenz und Anzahl von durchfahrenden Bahnen, Beeinflussungen des Wetters und dergleichen, angegeben.
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Die Sensorsignale werden in dem Signalverarbeitungsmodul gefiltert und digitalisiert und an das Datenverarbeitungsmodul 15 geleitet, das die Auswertung der gefilterten und digitalisierten Sensorsignale zur Aufbereitung der oben angegebenen Information vornimmt. Beispielshaft sind hier die Diebstahlerkennung, die Zustandsüberwachung und die Wetterbeeinflussung angeführt. Das Signalverarbeitungsmodul 14 und das Datenverarbeitungsmodul 15 bilden die Auswerteeinheit der Sensoranordnung.
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Das Kommunikationsmodul 16 umfasst eine Sende-Empfangseinheit, die neben einem Sender und Empfänger zur Datenübertragung einen Wake-up-Empfänger aufweist, der dann angestoßen wird und die Sende-Empfangseinheit aktiviert, wenn das Datenverarbeitungsmodul 15 entsprechende Informationen liefert. Wenn beispielsweise ein in der Datenverarbeitung 15 gespeicherter Schwellenwert für den von den Sensoren 13 gelieferten Messwert der Zustandsgröße überschritten wird, liegt ein Alarmzustand vor und die Sende-Empfangseinheit wird zur Aussendung eines Funksignals als Information über den jeweiligen Zustand aktiviert. Dabei wird zur Energieminimierung der Datenaustausch über ein Multi-Hop-Verfahren vorgenommen, d. h. die Sende-Empfangseinheit sendet an die nächstliegende Sensoranordnung 1, die wiederum die Information weiterleitet an die nächstliegenden weiteren Sensoranordnungen, bis eine Zentrale erreicht ist. Die einzelnen Sensoranordnungen 1 vernetzen sich somit selbständig zu einer Linienstruktur. Dabei werden zuerst die jeweiligen Wake-up Empfänger durch eine Funksequenz angesprochen, die an die übrigen Einheiten des Kommunikationsmoduls für die weitere Übertragung aufwecken. Die Wake-up Empfänger verbrauchen nur wenig Energie, während die eigentliche Übertragung energieintensiv ist.
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Es wird auch eine Identifikationsinformation des jeweils absendenden Kommunikationsmoduls 16 mitgesendet, d. h. jedem Sensorknoten bzw. jeder Sensoranordnung 1 ist eine Identifikationsinformation zugeordnet, die unter anderem die Position des jeweiligen Sensorknotens bzw. Sensoranordnung 1 beinhaltet. Auf diese Weise ist es möglich, sofort die Sensoranordnung 1 zu lokalisieren, an der Unregelmäßigkeiten der Fahrstromleitung 2 erfasst wurden. Außerdem kann ein Protokoll über von der Sensoranordnung detektierten Grenzwertüberschreitungen mit gesandt werden.
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Ein wesentlicher Bestandteil der Sensoranordnung ist das Energieversorgungsmodul 17, das näher in 5 dargestellt ist. Das Energieversorgungsmodul 17 umfasst die Spule 9 zur Erfassung des Magnetfeldes 10 und ist hier mit dem Funktionsblock 18, Energiegewinnung durch magnetische Induktion, bezeichnet. Weiterhin umfasst die Energieversorgungseinheit 17 eine elektronische Schaltungseinheit, die eine Impedanzanpassung 19 und eine Speicherung und Konditionierung 20 aufweist. Die Energieversorgungseinheit 17 versorgt die Sensoreinheit 13, die Signalverarbeitungseinheit 14, das Datenverarbeitungsmodul 15 sowie das Kommunikationsmodul 16, die hier als Lastsystem 21 bezeichnet werden. Abhängig von diesem Lastsystem 21 wird eine Anpassung der Spannungskonditionierung vorgenommen (Block 22).
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In 6 ist eine Schaltungsanordnung zur Energiegewinnung etwas genauer dargestellt. Die induktive Einkopplung durch das Magnetfeld um den Fahrdraht herum wird über die Spule 9 vorgenommen, die über eine Gleichrichterbrücke 23 und eine Sicherung 24 als Überspannungsschutz gegen Blitzeinschlag und Kurzschluss des Fahrdrahtes mit einem Regelkreis 25 verbunden ist. Für die Energiespeicherung ist ein Akku 26 und ggf. zusätzlich ein Kondensator 27 unter anderem für die Lastspitzenpufferung vorgesehen. Der Regelkreis 25 dient zur Ladeüberwachung des Akkus 26 und des Pufferkondensators 27, d. h. er misst den Energieeintrag und ermittelt den Füllstand der Energiespeicherelemente 26, 27 und umfasst unter anderem einen Lade-IC und Temperatur- und Stromflusselemente. Die Informationen über die Ladeüberwachung werden einem Mikrorechner geliefert.
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Weiterhin ist ein Spannungsregler 28 vorgesehen, der die Spannungsaufbereitung abhängig vom Ladezustand der Speicherelemente 26, 27 und dem Strombedarf der mit 29 bezeichneten Lasten der Sensoranordnung steuert bzw. regelt. Diese Aufbereitung, z. B. die Anpassung der Betriebsspannung wird abhängig von den vom Mikrorechner gelieferten Parametern vorgenommen. Gegebenenfalls und falls der Ladezustand der Speicherelemente 26, 27 es verlangt, werden Komponenten abgeschaltet.
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Die Sensoranordnung mit dem oben beschriebenen Aufbau hat relativ kleine Abmessungen, d. h. das Gehäuse 12 der Sensoranordnung, das gleichzeitig als Befestigung für die Fahrstromleitung 2 dient, kann beispielsweise Abmessungen von 5 bis 10 cm in zwei Dimensionen und z. B. 1 cm in der dritten Dimension aufweisen. Durch die Energiegewinnung durch magnetische Induktion wird ausreichend Energie zur Verfügung gestellt, wobei die verwendeten Komponenten klein sind und wenig Strom verbrauchen. Die Energieversorgung ist von der Auswerteeinheit zumindest teilweise abschaltbar und es kann auch noch ein zusätzlicher Akkumulator vorgesehen sein, der gewährleistet, dass bei Ausfall der Fahrleitungsspannung die Ausfallsposition an die Zentrale gesendet wird. Die Sensoranordnungen können an den Bahnstrecken eingesetzt werden, auch an solchen durch relativ unbewohnte Gegenden, in denen erfahrungsgemäß die Gefahr eines Diebstahls der Fahrstromleitungen groß ist. Auch im innerstädtischen Verkehr sind die Sensoranordnungen für eine schnelle örtliche Detektion von Fahrleitungsstörungen anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10345508 A1 [0002]
- DE 102008032994 A1 [0003]
