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Die Erfindung bezieht sich auf Sensoren und Eisenbahngleisanlagen mit Sensoren.
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Sensoren zum Detektieren von Rädern von Schienenfahrzeugen sind in der Eisenbahntechnik allgemein bekannt, beispielsweise um ein Einfahren eines Schienenfahrzeugs in einen vorgegebenen Abschnitt einer Eisenbahnstrecke oder ein Herausfahren aus diesem Abschnitt feststellen und den jeweiligen Abschnitt als frei oder besetzt melden zu können.
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In der europäischen Patentschrift
EP 1 479 587 B1 wird eine Schaltungsanordnung zum Abgleich von induktiven Sensoren vorgestellt. In dieser Schaltungsanordnung wird ein Schwingkreis durch Zuschaltung von R-C-Kombinationen auf eine bestimmte Frequenz mit einer bestimmten Amplitude eingestellt. Der Schwingkreis ist als Parallelschwingkreis ausgelegt.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 15 597 A1 wird ein Spulensystem vorgestellt, das aus mindestens zwei Teilspulen besteht, die aufgrund ihrer gegensinnigen Teilwicklungen von außen kommende Gleichtaktstörungen unterdrücken sollen.
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In der deutschen Patentschrift
DE 10 221 577 B3 wird ein weiteres Spulensystem vorgestellt, das aus mindestens zwei Teilspulen besteht. Die Spulen werden mit Strompulsen angesteuert und sind nicht als Schwingkreis ausgelegt und damit frequenzunabhängig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor anzugeben, der eine Annäherung insbesondere von magnetisierbaren Objekten, beispielsweise eisenhaltigen Objekten wie Rädern von Schienenfahrzeugen, zuverlässig erkennen kann und dennoch einfach aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist der Sensor erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
- - einen Serienresonanzkreis, der eine Spule, eine Kapazität und einen Serienwiderstand aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind,
- - eine Gleichquelle, die sowohl strom- als auch spannungsbegrenzt ist und als Ausgangsstrom einen vorgegebenen Maximalstrom ausgibt, sofern die zum Treiben dieses Maximalstromes nötige Ausgangsspannung eine vorgegebene Maximalspannung nicht überschreitet, und andernfalls die Maximalspannung ausgibt,
- - einen Umwandler, der eingangsseitig von der Gleichquelle gespeist wird und ausgangsseitig an den Serienresonanzkreis eine Wechselspannung anlegt, deren Frequenz derart eingestellt ist, dass die Gleichquelle - im detektionsfreien Sensorbetrieb - den Maximalstrom bei Maximalspannung in den Umwandler einspeist, und
- - eine Überwachungseinrichtung, die ein Detektionssignal erzeugt, wenn die Ausgangsspannung der Gleichquelle über ein vorgegebenes Maß die Maximalspannung unterschreitet, und/oder ein Warnsignal erzeugt, wenn der Ausgangsstrom der Gleichquelle über ein vorgegebenes Maß den Maximalstrom unterschreitet.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass das Detektionssignal auf der Basis von Messwerten gebildet wird, die auf der Gleichspannungsseite des Umwandlers bzw. der Ausgangsseite der Gleichquelle erfasst werden. Die Messwerterfassung ist somit von der Wechselspannungsseite und dem Serienresonanzkreis entkoppelt, sodass die Messung keinen oder zumindest keinen signifikanten Einfluss auf den Serienresonanzkreis oder dessen Resonanzfrequenz hat. Die Erzeugung des Detektionssignals und/oder des Warnsignals erfolgt stets bei derselben Frequenz und allein in Abhängigkeit von Gleichstrom- bzw. Gleichspannungswerten.
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Ist die optimale Frequenz der Wechselspannung für den jeweiligen Einsatzbereich des Sensors bekannt, so kann der Umwandler mit dieser vorbekannten konstanten Frequenz die Wechselspannung bilden.
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In der Regel wird jedoch die optimale Frequenz nicht immer genau bekannt sein, zumindest kann sie sich mit der Zeit ändern. Aus diesem Grunde wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Sensor einen Frequenzgenerator aufweist, der den Umwandler ansteuert und damit die Frequenz der Wechselspannung vorgibt. Die Arbeitsfrequenz des Frequenzgenerators entspricht vorzugsweise der Frequenz der Wechselspannung, die der Umwandler erzeugen soll. Der Frequenzgenerator erzeugt zur Ansteuerung des Umwandlers vorzugsweise ein Sinussignal oder ein Rechtecksignal, dessen Frequenz der Frequenz der für den Serienresonanzkreis zu erzeugenden Wechselspannung entspricht.
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Die Überwachungseinrichtung steht vorzugsweise mit dem Frequenzgenerator in Verbindung und stellt dessen Arbeitsfrequenz und damit die Frequenz der Wechselspannung ein. Bei der letztgenannten Ausgestaltung kann die Überwachungseinrichtung in vorteilhafter Weise die optimale Arbeitsfrequenz selbst ermitteln oder zumindest nachregeln, wenn dies sinnvoll scheint.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Überwachungseinrichtung dazu ausgestaltet ist, regelmäßig oder unregelmäßig, selbstständig oder auf einen äußeren Steuerbefehl hin eine Arbeitsfrequenzprüfung durchzuführen.
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Bezüglich der Arbeitsfrequenzprüfung ist es von Vorteil, wenn die Überwachungseinrichtung die Arbeitsfrequenzprüfung im detektionsfreien Sensorbetrieb durchführt.
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Bezüglich der Durchführung der Arbeitsfrequenzprüfung ist es vorteilhaft, wenn die Überwachungseinrichtung die Arbeitsfrequenz des Frequenzgenerators und damit die Frequenz der für den Serienresonanzkreis zu erzeugenden Wechselspannung unverändert lässt, wenn die Gleichquelle den Maximalstrom bei Maximalspannung in den Umwandler einspeist.
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Stellt die Überwachungseinrichtung fest, dass die Gleichquelle nicht den Maximalstrom oder nicht die Maximalspannung in den Umwandler einspeist, so ist es vorteilhaft, wenn sie im Rahmen der Arbeitsfrequenzprüfung die Arbeitsfrequenz des Frequenzgenerators und damit die Frequenz der für den Serienresonanzkreis zu erzeugenden Wechselspannung verändert, und zwar solange, bis sie feststellt, dass die Gleichquelle den Maximalstrom bei Maximalspannung in den Umwandler einspeist.
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Bezüglich der Richtung der Frequenzänderung der Arbeitsfrequenz des Frequenzgenerators wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Frequenz erhöht wird, wenn die Ausgangsspannung der Gleichquelle kleiner als die Maximalspannung ist, und reduziert wird, wenn der Ausgangsstrom der Gleichquelle kleiner als der Maximalstrom ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrichtung im Rahmen der Arbeitsfrequenzprüfung - bezogen auf die jeweils zuvor eingestellte Arbeitsfrequenz - eine Frequenzerhöhung und eine Frequenzreduktion veranlasst und die Auswirkungen der Frequenzerhöhung und der Frequenzreduktion auf die Ausgangsspannung der Gleichquelle und den Ausgangsstrom der Gleichquelle beobachtet.
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Die Überwachungseinrichtung lässt die Arbeitsfrequenz vorzugsweise unverändert, wenn - bezogen auf die jeweils aktuelle Arbeitsfrequenz - bei Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom der Gleichquelle sinkt und bei Frequenzreduktion die Ausgangsspannung der Gleichquelle sinkt.
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Ist das zuletzt beschriebene Verhalten, dass also im Falle einer Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom und im Falle einer Frequenzreduktion die Ausgangsspannung sinkt, nicht feststellbar, so ist es vorteilhaft, wenn die Überwachungseinrichtung im Rahmen der Arbeitsfrequenzprüfung die Arbeitsfrequenz verändert, und zwar solange, bis sie feststellt, dass - bezogen auf die jeweils veränderte Arbeitsfrequenz - bei weiterer Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom der Gleichquelle sinkt und bei weiterer Frequenzreduktion die Ausgangsspannung der Gleichquelle sinkt. Sobald sie dies feststellt, verwendet sie vorzugsweise die veränderte Arbeitsfrequenz als neue Arbeitsfrequenz für den weiteren Sensorbetrieb bis zur jeweils nächsten Arbeitsfrequenzprüfung weiter.
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Der Sensor ist vorzugsweise ein Spurkranzdetektor, der zur Raddetektion auf einer Eisenbahnschiene fahrender und den Sensor passierender Schienenfahrzeugräder ausgelegt ist und als Detektionssignal ein Raddetektionssignal erzeugt.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Eisenbahngleisanlage, die mit einem Sensor, wie er oben beschrieben ist, ausgestattet ist; der Sensor ist im Bereich einer Eisenbahnschiene angeordnet oder an dieser angebracht und dient zur Raddetektion auf der Eisenbahnschiene fahrender und den Sensor passierender Schienenfahrzeugräder.
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Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Eisenbahngleisanlage und deren vorteilhafter Ausgestaltungen sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor und dessen vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.
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Die Überwachungseinrichtung des Sensors erzeugt vorzugsweise ein Raddetektionssignal, wenn die Ausgangsspannung der Gleichquelle die Maximalspannung über ein vorgegebenes Maß unterschreitet.
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Die Überwachungseinrichtung des Sensors erzeugt vorzugsweise ein Warnsignal, wenn der Ausgangsstrom der Gleichquelle den Maximalstrom über ein vorgegebenes Maß unterschreitet.
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Die Anordnung der Bestandteile des Sensors erfolgt vorzugsweise derart, dass sich der Serienresonanzkreis und der Umwandler dicht an einer Eisenbahnschiene befinden. Die Gleichquelle und die Überwachungseinrichtung sind vorzugsweise von der Eisenbahnschiene entfernt angeordnet. Der Abstand zwischen der Gleichquelle und der Eisenbahnschiene und der Abstand zwischen der Überwachungseinrichtung und der Eisenbahnschiene sind vorzugsweise mindestens 10-mal größer als der Abstand zwischen dem Serienresonanzkreis und der Eisenbahnschiene und der Abstand zwischen dem Umwandler und der Eisenbahnschiene.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Einstellen eines Sensors, wie er oben beschrieben ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für die Gleichquelle ein Maximalstrom und eine Maximalspannung vorgegeben werden und die Frequenz der an den Serienresonanzkreis anliegenden Wechselspannung derart eingestellt wird, dass die Gleichquelle den Maximalstrom bei Maximalspannung in den Serienkreis einspeist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
- 1 Bestandteile eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Sensor,
- 2 einen Abschnitt einer Eisenbahngleisanlage, die mit dem Sensor gemäß 1 ausgestattet ist, und
- 3 ein Auffinden und Einstellen der optimalen Arbeitsfrequenz des Sensors gemäß den 1 und 2 anhand eines Frequenzdiagramms.
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In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt Bestandteile eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Sensor 1, der auch als induktiv arbeitender Näherungssensor bezeichnet werden kann. Bei dem Sensor 1 handelt es sich um einen Spurkranzdetektor, der zur Raddetektion auf einer Eisenbahnschiene 110 (vgl. 2) fahrender und den Sensor 1 passierender Schienenfahrzeugräder 120 (vgl. 2) ausgelegt ist und als Detektionssignal ein Raddetektionssignal RDS erzeugen kann.
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Der Sensor 1 umfasst eine Gleichquelle 10, die sowohl stromals auch spannungsbegrenzt ist. Die Gleichquelle 10 weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Stromquelle 11 auf, die einen vorgegebenen konstanten Maximalstrom Imax in einen nachgeordneten Spannungsbegrenzer 12 der Gleichquelle 10 einspeist.
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Der Spannungsbegrenzer 12 gibt den Maximalstrom Imax der Stromquelle 11 als Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 aus, sofern die an dem Spannungsbegrenzer 12 eingangsseitig anliegende Spannung Us, also die von der Stromquelle 11 an den Spannungsbegrenzer 12 angelegte Spannung, kleiner als oder maximal so groß wie eine vorgegebene Maximalspannung Umax ist.
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Erreicht die an dem Spannungsbegrenzer 12 eingangsseitig anliegende Spannung Us die Maximalspannung Umax, so gibt der Spannungsbegrenzer 12 als Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 lediglich diese Maximalspannung Umax aus, sodass in einem solchen Falle der Ausgangsstrom I des Spannungsbegrenzers 12 den Maximalstrom Imax der Stromquelle 11 unterschreiten kann.
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Die Gleichquelle 10 gibt also zusammengefasst als Ausgangsstrom I den vorgegebenen Maximalstrom Imax aus, sofern die zum Treiben dieses Maximalstromes nötige Ausgangsspannung U die vorgegebene Maximalspannung Umax nicht überschreitet, und andernfalls gibt sie als Ausgangsspannung U die Maximalspannung Umax aus.
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Der von der Gleichquelle 10 bzw. deren Spannungsbegrenzer 12 ausgangsseitig ausgegebene Ausgangsstrom I bzw. die ausgegebene Ausgangsspannung U wird in einen nachgeordneten Umwandler 20 eingespeist. Dem Umwandler 20 wiederum nachgeordnet ist ein Serienresonanzkreis 30, der von dem Umwandler 20 gespeist wird. Der Umwandler 20, der eingangsseitig von der Gleichquelle 10 gleichstrommäßig gespeist wird, legt ausgangsseitig an den Serienresonanzkreis 30 eine Wechselspannung Uw an.
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Der Serienresonanzkreis 30 weist eine Spule 31, eine Kapazität 32 und einen Serienwiderstand 33 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Die Arbeitsfrequenz des Umwandlers 20 und damit die Frequenz f der vom Umwandler 20 an den Serienresonanzkreis 30 angelegten Wechselspannung Uw wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 von einem Frequenzgenerator 40 mittels eines Frequenzgeneratorsignals Sf über eine Taktleitung 41 eingestellt. Das Frequenzgeneratorsignal Sf steuert direkt oder indirekt interne Schaltelemente 21 des Umwandlers 20 an, die in der 1 nur schematisch skizziert sind. Der Umwandler 20 kann als Schaltelemente 21 beispielsweise Halbleiterschalter wie Transistoren oder dergleichen enthalten, die beispielsweise in einer Halbbrückenschaltung oder einer Vollbrückenschaltung verschaltet sein können. Der Umwandler 20 kann mit anderen Worten als ein ansteuerbarer Wechselrichter beliebiger Bauart ausgeführt sein.
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Der Frequenzgenerator 40, der ausgangsseitig als Frequenzgeneratorsignal Sf beispielsweise ein Sinus- oder Rechtecksignal zur Ansteuerung des Umwandlers 20 ausgeben kann, wird von einer Überwachungseinrichtung 50 des Sensors 1 über eine Ansteuerleitung 51 angesteuert. Die Überwachungseinrichtung 50 gibt dem Frequenzgenerator 40 die Höhe der Frequenz des Frequenzgeneratorsignals Sf vor und bestimmt somit auch die Höhe der Frequenz f der vom Umwandler 20 an den Serienresonanzkreis 30 angelegten Wechselspannung Uw.
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Die Frequenz f der von dem Umwandler 20 an den Serienresonanzkreis 30 angelegten Wechselspannung Uw wird von der Überwachungseinrichtung 50 vorzugsweise derart eingestellt, dass die Gleichquelle 10 - im detektionsfreien Sensorbetrieb - den Maximalstrom Imax bei Maximalspannung Umax in den Umwandler 20 einspeist; dies wird weiter unten noch näher im Detail erläutert.
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Die Überwachungseinrichtung 50 steht über eine Messleitung 52 und einen Strom- und Spannungssensor 60 mit dem Ausgang der Gleichquelle 10 in Verbindung und misst mit diesen die Ausgangsspannung U und den Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10.
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Für den Betrieb des Sensors 1 wird nun die Erkenntnis genutzt, dass der Serienresonanzkreis 30 und insbesondere dessen Resonanzfrequenz von äußeren Einwirkungen beeinflussbar sind. Wird beispielsweise Eisenmaterial, wie zum Beispiel Eisenmaterial eines Schienenfahrzeugrads 120, in die Nähe der Spule 31 gebracht, so ändert sich die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises 30 und die in den Serienresonanzkreis 30 einspeisbare elektrische Leistung fällt ab, was sich - wegen der Strombegrenzung durch die Stromquelle 11 - in einem Abfall der von der Gleichquelle 10 an den Umwandler 20 angelegten Ausgangsspannung U niederschlägt.
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Die Überwachungseinrichtung 50 erzeugt demgemäß das Raddetektionssignal RDS, wenn die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 über ein vorgegebenes Maß die vorgegebene Maximalspannung Umax unterschreitet.
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Die 2 zeigt einen Abschnitt einer Eisenbahngleisanlage 100, die mit dem Sensor 1 gemäß 1 ausgestattet ist. Die 2 zeigt die Anbausituation an der Eisenbahnschiene 110 als Querschnitt durch die Eisenbahnschiene 110. Über der Eisenbahnschiene 110 befindet sich ein Schienenfahrzeugrad 120 mit seinem Spurkranz 121.
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Da der Sensor 1 im Bereich der Eisenbahnschiene 110 angeordnet oder an dieser angebracht ist, ist er zur Raddetektion des Schienenfahrzeugrads 120 geeignet. Die Spule 31 ist im Sensorgehäuse 1a des Sensors 1 zu diesem Zwecke vorzugsweise derart angeordnet, dass das Magnetfeld der Spule 31 überwiegend vertikal verläuft, damit die darüber liegende Metallmasse des Schienenfahrzeugrads 120 gut detektierbar ist.
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Die Überwachungseinrichtung 50 des Sensors 1 erzeugt das Raddetektionssignal RDS, wenn die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 die Maximalspannung Umax über ein vorgegebenes Maß unterschreitet.
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Da der Sensor 1 im Bereich der Eisenbahnschiene 110 montiert ist, wird die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises 30 auch von dem Eisenmaterial der Schiene beeinflusst. Wird nun im Falle einer Störung der Sensor 1 von der Eisenbahnschiene 110 entfernt, weil er beispielsweise von dieser abfällt oder abgerissen wird oder schlicht gestohlen wird, entfällt der Einfluss des Eisens der Eisenbahnschiene 110, wodurch ebenfalls die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises 30 verändert wird; dies führt zu einem Abfall des Ausgangsstroms I der Gleichquelle.
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Demgemäß ist es vorteilhaft, wenn die Überwachungseinrichtung 50 ein Warnsignal WS erzeugt, wenn der Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 über ein vorgegebenes Maß den Maximalstrom Imax unterschreitet. Dieses Warnsignal zeigt an, dass die Position des Sensors 1 verändert wurde oder ein anderer Defekt aufgetreten ist und eine Überprüfung bzw. Reparatur erfolgen sollte.
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Der Sensor 1 gemäß Figur 1 und 2 wird vorzugsweise wie folgt betrieben:
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Inbetriebnahme:
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- Nach der Installation des Sensors 1, beispielsweise an der Eisenbahnschiene 110 gemäß 2, wird - im detektionsfreien Betrieb ohne den Einfluss zu detektierender Eisenbahnräder - von der Überwachungseinrichtung 50 zunächst die optimale Arbeitsfrequenz des Frequenzgeneratorsignals Sf des Frequenzgenerators 40 und damit die optimale Wechselspannung Uw für den Serienresonanzkreis 30 gesucht.
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Im Rahmen dieser Suche der optimalen Arbeitsfrequenz verändert die Überwachungseinrichtung 50 die Arbeitsfrequenz solange, bis sie feststellt, dass bei - bezogen auf die jeweils angelegte Arbeitsfrequenz - bei weiterer Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 sinkt und bei Frequenzreduktion die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 sinkt.
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Die 3 zeigt beispielhaft die Suche näher im Detail. Man erkennt eine erste Arbeitsfrequenz f1, die von der Überwachungseinrichtung 50 während der Inbetriebnahme zunächst eingestellt wird. Es lässt sich erkennen, dass die Ausgangsspannung U kleiner als die Maximalspannung Umax ist. Demgemäß wird die Überwachungseinrichtung 50 die Arbeitsfrequenz verändern, nämlich wie in der 3 gezeigt, erhöhen, und zwar solange, bis sie die optimale Arbeitsfrequenz fopt findet, bei der - also bezogen auf diese optimale Arbeitsfrequenz fopt - bei weiterer Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 sinkt und bei Frequenzreduktion die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 sinkt.
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Da die in dieser Weise bestimmte optimale Arbeitsfrequenz fopt der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises 30 entspricht, ist der Betrag der Impedanz des Serienresonanzkreises 30 minimal und die Gleichquelle 10 wird den Maximalstrom Imax bei Maximalspannung Umax in den Umwandler 20 einspeisen.
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Arbeitsfrequenzprüfung:
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Die Überwachungseinrichtung 50 wird vorzugsweise regelmäßig oder unregelmäßig, selbstständig oder auf einen äußeren Steuerbefehl SB hin eine Arbeitsfrequenzprüfung durchführen. Die Arbeitsfrequenzprüfung wird vorzugsweise im detektionsfreien Sensorbetrieb durchgeführt, um einen Fehler oder eine Verzögerung der Arbeitsfrequenzprüfung aufgrund des Einflusses störenden Eisenmaterials passierender Schienenfahrzeugräder 120 zu vermeiden.
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Im Rahmen der Arbeitsfrequenzprüfung wird die Überwachungseinrichtung 50 die aktuelle Arbeitsfrequenz des Frequenzgenerators 40 unverändert lassen, wenn die Gleichquelle 10 den Maximalstrom Imax bei Maximalspannung Umax in den Umwandler 20 einspeist, also der optimale Arbeitspunkt bereits erreicht ist.
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Werden die Maximalspannung Umax oder der Maximalstrom Imax nicht erreicht, so verändert die Überwachungseinrichtung 50 die Arbeitsfrequenz solange, bis sie feststellt, dass die Gleichquelle 10 den Maximalstrom Imax bei Maximalspannung Umax in den Umwandler 20 einspeist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungseinrichtung 50 im Rahmen der Arbeitsfrequenzprüfung - bezogen auf die jeweils zuvor eingestellte (also die aktuelle) Arbeitsfrequenz - eine Frequenzerhöhung und eine Frequenzreduktion veranlassen und die Auswirkungen der Frequenzerhöhung und der Frequenzreduktion auf die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 und den Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 beobachten.
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Bei der letztgenannten Variante wird die Überwachungseinrichtung 50 die aktuell eingestellte Arbeitsfrequenz unverändert lassen, wenn - bezogen auf diese jeweils aktuelle Arbeitsfrequenz - bei Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 sinkt und bei Frequenzreduktion die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 sinkt.
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Andernfalls wird die Überwachungseinrichtung 50 im Rahmen der Arbeitsfrequenzprüfung die Arbeitsfrequenz verändern, und zwar solange, bis sie feststellt, dass - bezogen auf die jeweils zuletzt eingestellte Arbeitsfrequenz - bei weiterer Frequenzerhöhung der Ausgangsstrom I der Gleichquelle 10 sinkt und bei weiterer Frequenzreduktion die Ausgangsspannung U der Gleichquelle 10 sinkt; sobald sie dies feststellt, wird sie die zuletzt eingestellte Arbeitsfrequenz als neue optimale Arbeitsfrequenz fopt für den weiteren Sensorbetrieb bis zur jeweils nächsten Arbeitsfrequenzprüfung weiterverwenden.
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Der Sensor 1 kann als mehrkanaliges System aufgebaut sein, z. B. als Doppelsystem mit zwei Sensoren, die hintereinander in Schienenlängsrichtung montiert sind und aufgrund ihrer Signalüberlappung zur Richtungserkennung eines Zuges genutzt werden. Hierbei weisen die einzelnen Sensoren 1 vorzugsweise Serienresonanzkreise 30 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen auf, um Störungen durch Schwebungseffekte auf den Signalspannungen zu vermeiden.
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Bei den im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen kann der Frequenzgenerator 40 hinsichtlich seiner Arbeitsfrequenz von der Überwachungseinrichtung 50 verstellt werden, um die optimale Arbeitsfrequenz fopt aufzufinden und einzustellen. Ist für einen vorgegebenen Einsatz die optimale Arbeitsfrequenz fopt bereits bekannt, weil sie beispielsweise gemessen oder simuliert wurde, so kann der Umwandler 20 auch stets mit derselben konstanten Arbeitsfrequenz betrieben werden und es kann auf die Ansteuerung durch die Überwachungseinrichtung 50 und die Ansteuerleitung 51 zwischen der Überwachungseinrichtung 50 und dem Frequenzgenerator 40 verzichtet werden. In einem solchen Falle kann anstelle des Frequenzgenerators 40 auch ein einfacher Oszillatorschwingkreis eingesetzt werden, der die Arbeitsfrequenz fest vorgibt.
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Die oben beispielhaft erläuterten Ausführungsbeispiele für den Sensor 1 können - müssen aber nicht - ein oder mehr der nachfolgend stichpunktartig aufgeführten Merkmale, Vorteile oder Eigenschaften aufweisen:
- - Der Serienresonanzkreis 30 wird vorzugsweise nicht als selbstschwingender Oszillator betrieben, sondern wird vorzugsweise mit seiner Resonanzfrequenz über einen Umwandler 20 angesteuert.
- - Der Umwandler 20 ist vorzugsweise so gestaltet, dass seine eigene Leistungsaufnahme gegenüber der des Serienresonanzkreises 30 zu vernachlässigen ist, sodass die Messgrößen M für U und I im Wesentlichen die Leistungsaufnahme des Serienresonanzkreises 30 wiedergeben.
- - Der Frequenzgenerator 40 kann ein einfacher Rechteckgenerator sein.
- - Der Umwandler 20 kann eine einfache Brückenschaltung aus Transistoren o. ä. umfassen, die digital ein/aus-geschaltet werden.
- - An der Strom-/Spannungszuführung zum Umwandler 20 befindet sich vorzugsweise eine Kapazität zur Glättung des eingespeisten Stromes I bzw. der Spannung U.
- - Die im Betrieb anfallenden Pegel der Messgrößen M für die Ausgangsspannung U und den Ausgangsstrom I, die am Eingang des Umwandlers 20 anliegen, werden vorzugsweise über eine Messleitung 52 zur Überwachungseinrichtung 50, die z. B. einen Mikroprozessor umfassen kann, geführt. Dieser bewertet die Spannungs- und Strompegel und gibt das Detektionssignal oder das Warnsignal zur weiteren Verarbeitung aus.
- - Im Fall eines Frequenzabgleiches auf die optimale Resonanzfrequenz wird über ein Steuersignal die Frequenz des Frequenzgenerators 40 vorzugsweise so verstimmt, dass sich - wie beschrieben - die Werte Imax und Umax am Eingang des Umwandlers 20 einstellen.
- - Der Sensor 1 kann vorteilhaft so aufgebaut sein, dass nur wenige Komponenten wie Umwandler 20 und Serienresonanzkreis 30 direkt an der Schiene montiert sind, weil an der Schiene die mechanische Belastung für die Komponenten am größten ist. Die anderen Komponenten, also die Überwachungseinrichtung 50, der Frequenzgenerator 40 und die Gleichquelle 10, befinden sich vorzugsweise in größerer Entfernung, z. B. neben dem Gleis.
- - Der Serienresonanzkreis 30 kann eine hohe Schwingungsamplitude aufweisen, also eine hohe Energie aufnehmen. Das wiederum führt zu einer entsprechend hohen Störfestigkeit des Sensors 1, da die Auswirkung einer eingekoppelten Störenergie von der Schwingkreisamplitude, also der sich im Serienresonanzkreis 30 befindlichen Energie, abhängt. Eine selbstkompensierende Anordnung mit gegensinnig gewickelten Teilspulen in Reihe kann entfallen.
- - Der Serienresonanzkreis 30 wird vorzugsweise nicht als rückgekoppelter, selbstschwingender Oszillator betrieben, sondern mit Hilfe des Frequenzgenerators 40 auf seiner Resonanzfrequenz über den Umwandler 20 angesteuert.
- - Eine genaue Einstellung der optimalen Resonanzfrequenz ist möglich, ohne dass die Schwingungsamplitude direkt gemessen werden muss. Der Serienresonanzkreis 30 selbst musss also keine Signalauskopplung für eine Pegelmessung aufweisen.
- - Bei einer Radüberfahrt eines Metallrades verringert sich die Schwingkreisamplitude durch den Wirbelstromverlust im Metall und dessen Feldverzerrung des magnetischen Wechselfeldes. Um eine einfache Auswertung zu erhalten, kann lediglich die Leistungsaufnahme des Serienresonanzkreises 30 betrachtet werden: Der Serienresonanzkreis 30 wird vorzugsweise mit einer festgelegten, nach oben begrenzten Leistungsmenge versorgt bzw. angesteuert.
- - Der Serienresonanzkreis 30 hat auf seiner Resonanzfrequenz die niedrigste Impedanz. Bei der Resonanzfrequenz wird also die maximal mögliche Leistung vom Serienresonanzkreis 30 aufgenommen. Steigt die eingespeiste Frequenz f über die Resonanzfrequenz hinaus an, dann sinkt der Einspeisestrom I ab, während die anliegende Spannung U konstant bleibt. Sinkt die eingespeiste Frequenz f unter die Resonanzfrequenz ab, dann bleibt der einspeisende Strom I konstant, während die anliegende Spannung U abnimmt. Ein Frequenzabgleich kann nun dermaßen durchgeführt werden, dass bei einem Frequenzdurchlauf die an der Einspeisestelle des Umwandlers 20 anliegende Spannung U und der hineinfließende Strom I gemessen werden: Bei einem Frequenzdurchlauf von tiefen zu hohen Frequenzen hin wird erst der maximal mögliche Strom (Imax der Stromquelle 11) bei kleiner anliegender Spannung in den Serienresonanzkreis 30 fließen. Bei steigender Frequenz f nimmt die anliegende Spannung U zu und erreicht bei konstantem Stromfluss Imax im Resonanzfall den Maximalwert Umax. Bei weiter steigender Frequenz f nimmt der Strom I ab und die anliegende Spannung U bleibt (wegen der Spannungsbegrenzung des Spannungsbegrenzers 21) konstant bei der Maximalspannung Umax. Die Resonanzfrequenz ist also jene Frequenz f, bei der der Strom I und die Spannung U maximal sind. Damit ist die Resonanzfrequenz für den Serienresonanzkreis 30 in der konkreten Anbausituation gefunden. Diese Frequenz f kann gespeichert und im laufenden Betrieb als Arbeitsfrequenz verwendet werden. Da es sich um einen Gleichstrom und eine Gleichspannung handelt, sind diese Werte einfach zu messen, ohne in den eigentlichen Serienresonanzkreis 30 eingreifen zu müssen. Dieser kann so sehr kompakt aufgebaut werden, was eine eventuelle Störauskopplung minimiert. Auch eine Signalverfälschung durch die Leistungsentnahme eines Messsignals, welches direkt die Amplitudenspannung misst, kann vermieden werden.
- - Im Arbeitspunkt der Resonanzfrequenz sinkt bei Radüberfahrt die anliegende Spannung U am Umwandler 20 durch den dämpfenden Einfluss der Eisenmasse gegenüber dem Ruhewert ab. Diese Spannungsverminderung kann zur Detektion genutzt und in einer nachfolgenden Einheit ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden. Eine Überprüfung der Resonanzfrequenz im Ruhezustand, die sich eventuell durch mechanische oder thermische Einflüsse verändert hat, findet vorzugsweise dadurch statt, dass die momentane Arbeitsfrequenz um ein definiertes Maß Frequenzänderung Δf kurzzeitig verändert wird. Eine Frequenzänderung Δf unterhalb der Arbeitsfrequenz bewirkt eine Verminderung des Speisespannungspegels um einen bestimmten Wert. Eine Frequenzänderung Δf oberhalb der Arbeitsfrequenz bewirkt eine Verminderung des Strompegels um einen bestimmten Wert. Sind die Abweichungswerte zu beiden Seiten wie erwartet, dann ist die eingestellte Arbeitsfrequenz auch die Resonanzfrequenz.
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Abschließend sei erwähnt, dass die Merkmale aller oben beschriebenen Ausführungsbeispiele untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden können, um weitere andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zu bilden.
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Auch können alle Merkmale von Unteransprüchen jeweils für sich mit jedem der nebengeordneten Ansprüche kombiniert werden, und zwar jeweils für sich allein oder in beliebiger Kombination mit einem oder anderen Unteransprüchen, um weitere andere Ausführungsbeispiele zu erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1479587 B1 [0003]
- DE 19915597 A1 [0004]
- DE 10221577 B3 [0005]
