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Einrichtung zur Zugsicherung unter Mitwirkung des Zuges Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zugsicherung unter Mitwirkung des Zuges, wobei
an der Strecke angeordnete Spulen eines Spulenpaares auf induktivem Wege durch den
Zug beeinflußt werden. -Im Eisenbahnsicherungswesen verwendet man zur Beeinflussung
von Streckenvorrichtungen durch die Züge vielfach außer mechanisch betätigten Kontakteinrichtungen,
z. B. Durchbiegungskontakten, auch Einrichtungen, die auf magnetischem oder induktivem
Wege beeinflußt werden. Dies ist z. B. der Fall bei Achszählanlagen, in denen die
vorüberrollenden Räder die Streckeneinrichtungen beeinflussen. Die magnetisch gesteuerten
Einrichtungen haben den Vorteil, daß sie auch bei großer Zuggeschwindigkeit zuverlässig
arbeiten; die Kontakteinrichtungen müssen aber unmittelbar an den Schienen angeordnet
sein und sind daher nicht nur allen Erschütterungen und Gefahren des Eisenbahnbetriebes,
sondern auch Witterungseinflüssen ausgesetzt. Dieser Nachteil kann bei induktiv
gesteuerten Einrichtungen vermieden. werden, da es genügt, nur die durch Änderung
der Induktion unmittelbar beeinflußten Teile an den Schienen anzuordnen, während
die Einrichtungen, die durch den bei der Signalübertragung erzeugten oder veränderten
Strom gesteuert werden, gegen Erschütterungen und Witterungseinflüsse geschützt
in Schaltschränken neben der Strecke bzw. in Stellwerksgebäuden untergebracht sein
können. Bisher verwendete Einrichtungen mit induktiver Beeinflussung bestehen beispielsweise
aus 'einem die Schienen U-förmig umfassenden Eisenkörper, der auf der einen Seite
der Schiene eine mit Wechselstrom erregte Sendespule und auf der anderen Seite eine
induktiv gekoppelte Empfangsspule trägt; deren Kopplung durch die zwischen den Spulen
hindurchrollenden Räder verstärkt wird. Derartige Anordnungen sind jedoch ungünstig,
weil die durch die Räder bewirkte Änderung der Signalspannung nur der geringen Änderung
der Kopplung entspricht.
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Ferner ist es bekannt, in Einrichtungen zur Zeichenübermittlung zwischen
Zug und Strecke die Kopplung zwischen den Spulen eines Spulenpaares zu beeinflussen,
das für die Schwingneigung eines selbsterregten Röhrengenerators maßgebend ist.
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Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art wird die Kopplung zwischen
zwei auf einem gemeinsamen Eisenkern angeordneten Spulen durch die Räder eines Zuges
beeinflußt; diese Einrichtung hat ebenfalls den Mangel; daß die Beeinflussung des
Kopplungsgrades durch die Räder gering ist. Der Röhrengenerator schwingt ständig,
und infolge der geringen Beeinflussung wird auch die Rückkopplung nur in entsprechend
geringem Maß vergrößert und also auch die Schwingungen nur in entsprechend geringem
Maße verstärkt. Daher muß ein Überwachungsrelais zwischen zwei Zuständen unterscheiden,
die lediglich durch einen kleinen Intensitätsunterschied voneinander getrennt sind.
Die Folge davon ist, daß Störeinflüsse, die den ohnehin geringen Abstand der beiden
Zustände noch verringern, Fehlauswertungen. hervorrufen können.
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Erfindungsgemäß wird eine wesentliche Verbesserung dadurch erzielt,
daß zur Herbeiführung einer Gegenkopplung ein zweites Spulenpaar vorgesehen ist,
wobei die eine Spule des ersten Spulenpaares zusammen mit der einen Spule des zweiten
Spulenpaares im Schwingkreis und- die andere Spule des Spulenpaares zusammen mit
der anderen Spule des zweiten Spulenpaares im Rückkopplungskreis des selbsterregten
Generators liegen und daß das eine induktiv gekoppelte Spulenpaar dadurch für die
Rückkopplung und das andere induktiv gekoppelte Spulenpaare dadurch für die Gegenkopplung
des Generators maßgebend ist, daß das eine Spulenpaar in der Nähe der Schiene so
angeordnet ist, daß seine Kopplung vom Zuge weniger beeinflußt wird als. die Kopplung
des anderen Spulenpaares und infolgedessen der aus der Rückkopplung und aus der
Gegenkopplung resultierende Gesamtkopplungsfaktor bei der Beeinflussung durch den
Zug sein Vorzeichen ändert.
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Durch die gleichzeitige Anwendung der Rückkopplung und der Gegenkopplung
wird erreicht, daß die Schwingungen des Generators entweder vorhanden sind oder
mit Sicherheit abreißen, d. h., es sind exakt definierte Zustände durch die überwachungseinrichtung
auszuwerten. Die erfindungsgemäße Einrichtung
hat daher den Vorteil,
daß die Auswerteeintichtung entsprechend weniger empfindlich zu sein braucht und
infolgedessen auch billiger sein kann. Außerdehi wird die im Eisenbahnsicherungswesen
im besonderen Maße geforderte Sicherheit in der Arbeitsweise einer Einrichtung erhöht.
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Der äweckmäßigerweise in der Nähe der Beeinflussungsstelle angeordnete
mehrstufige Generator kann sowohl mit Röhren als auch mit Transistoren bestückt
sein. Der gewünschte Arbeitspunkt kann durch Ändern der Rückkopplung oder der Gegenkopplung
leicht eingestellt werden. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, die zur Gegenkopplung
verwendeten Spulen, z. B. neben oder unter der Schiene, so anzuordnen, daß etwaige
Störfelder, z. B. das von Schienenströmen erzeugte Feld, in jeder Gegenkopplungsspule
und der zugehörigen Rückkopplungs- bzw. Schwingkreisspule entgegengesetzte Spannungen
induzieren, so daß die Störeinflüsse kompensiert werden, wenn die beiden jeweils
zusammengehörigen Spulen z. B. in Reihe geschaltet sind. Bei Reihenschaltung ist
außerdem eine größere Sicherheit dafür gegeben, daß die Schwingungen bei jeder Art
von Leitungsstörungen abreißen.
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Auch bei umgekehrter Anordnung, bei der die Gegenkopplungsspulen im
Beeinflussungsbereich, dagegen die Rückkopplungsspulen unterhalb der Schienen angeordnet
sind, können Störfelder auf diese Weise kompensiert werden. Wird der Kopplungsgrad
der Spulen durch den Zug verbessert, so unterscheiden sich beide Anordnungen nur
insofern, als es sich bei Beeinflussung der Rückkopplung durch Anfachen der Schwingungen
des Generators ein Arbeitsstromprinzip, bei Beeinflussung der Gegenkopplung durch
Abreißen der Schwingungen ein Ruhestromprinzip ergeben würde.
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Zur Stabilisierung gegen Temperaturschwankungen, die an der Schiene
bis 100° C betragen können, ist es erfindungsgemäß weiterhin zweckmäßig, die temperaturempfindlichen
Teile, z. B. die Transistoren, in den Erdboden zu versenken. Um im Störungsfall
an die Teile gelangen zu können, kann z. B. die Anordnung so getroffen werden, daß
in der Nähe der Beeinflussungsstelle ein mindestens 0,5 m in die Erde reichendes
Rohr angebracht wird. Die Teile selber sind in einem vergossenen Stab enthalten,
der in dieses Rohr eingeschoben werden kann. Diese Maßnahme empfiehlt sich auch
für andere im Eisenbahnsicherungswesen verwendete Einrichtungen mit temperaturempfindlichen
Teilen, z. B. Relais mit vorgeschalteten Gleichrichtern oder Verstärkern, die an
der Strecke angeordnet werden müssen.
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Ebenso verhält es sich mit einer erfindungsgemäßen Maßnahme zum Schutz
derartiger Einrichtungen gegen Überspannungen, die z. B. bei Gewitter auf Freileitungen
auftreten können. Diese Überspannungen werden dadurch unschädlich gemacht, daß parallel
zu den zu schützenden Einrichtungen eine Glimmlampe über einen die Spannung heraufsetzenden
Transformator angeschlossen ist.
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Da der Generator einen Frequenzwandler darstellt, ist ferner eine
Mehrfachausnutzung der zwischen der Beeinflussungsstelle und der Überwachungsstelle
erforderlichen Leitungen in der Weise möglich, daß zum Zuführen des Speisestromes
für den selbsterregten Generator und zum Überwachen des dem Signal entsprechenden,
vom Generator erzeugten Stromes dieselben Leitungen verwendet werden. Sind mehrere
Beeinflussungsstellen, z. B. zur fahrtrichtungsabhängigen Achszählung zwei unabhängig
voneinander beeinflußte Generatoren vorhanden, so genügt für ihre Speisung und Überwachung
ein einziges Leitungspaar, wenn die Generatoren auf verschiedene Frequenzen abgestimmt
sind.
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Insbesondere bei Einrichtungen mit derartigen selbsterregten Generatoren,
aber auch bei Verwendung der bekannten fremderregten Sendespulen, wird erfindungsgemäß
außerdem vorgeschlagen, Frequenzen von mehr als 500 Hz, vorzugsweise von 5 bis 10
kHz, zu verwenden. Bei diesen Frequenzen ist die Flußverdrängung des die Spulen
koppelnden Flusses durch Wirbelströme, die in den beeinflussenden Teilen induziert
werden, größer als die durch diese Teile mögliche Erhöhung der magnetischen Leitfähigkeit
zwischen den gekoppelten Spulen. Bei der Beeinflussung findet dann im Gegensatz
zu den bisher verwendeten Einrichtungen eine Schwächung der Kopplung statt. Auf
diese Weise wird erreicht, daß nicht nur Eisenteile, z. B. die Räder, sondern auch
andere durch den Koppelfluß bewegte Teile, z. B. Magnetschienenbremsen, selbst wenn
sie nicht auf den Schienen gleiten, immer eine zur Signalübertragung ausreichende
Beeinflussung ausüben. Darüber hinaus ergibt sich aber bei Verwendung höherer Frequenzen
als bisher der Vorteil, daß auch bei den in Frage kommenden höchsten Zuggeschwindigkeiten
die Beeinflussung über mehrere Perioden andauert.
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Zweckmäßigerweise werden außerdem die vom Zuge beeinflußten Spulen
mit Kernen versehen, welche den Koppelfluß bündeln. Dies kann z. B. durch Kerne
erreicht werden, deren Länge mindestens viermal so groß wie der Kerndurchmesser
ist. Als Kernmaterial mit möglichst großer Permeabilität sind vor allem bei Frequenzen
um 10 kHz die bekannten Ferrite besonders gut geeignet. Werden- die erregende und
die erregte Spule unabhängig voneinander, d. h. mit je einer eigenen Befestigungsvorrichtung,
an der Schiene angebracht, so ist eine erhöhte Gewähr dafür gegeben, daß bei Zerstörung
nur der Befestigungseinrichtungen die Kopplung nicht mehr für die Übertragung der
erforderlichen Signalspannung ausreicht.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt
und im folgenden erläutert. Die Zeichnung zeigt im oberen Teil einen einstufigen
selbsterregten Generator mit einem Transistor T in Emitterschaltung. Zwischen Kollektor
K und Emitter E des Transistors liegt über den Widerstand W und den Kondensator
C nur der zwischen den Anschlußpunkten a und b liegende Teil der Spule L 1, die
über ihre Anschlußpunkte a und c mit dem Kondensator C 1 und der Gegenkopplungsspule
G 1 den Schwingkreis bildet. Die Spule L 1 ist auf der einen Seite, die Rückkopplungsspule
L 2, die in Reihe mit der Gegenkopplungsspule G 2 liegt, auf der anderen Seite der
Schiene S angeordnet. Die Rückkopplung und die Gegenkopplung sind so eingestellt,
daß der Generator bei freier Schiene z. B. mit einer Frequenz von 5 kHz selbsterregt
schwingt. Die Spulen L 1 und L 2 haben einen durch die Anordnung am Gleis bedingten
Kopplungsgrad K l. Der Kopplungsgrad KG der Spulen G1, G2 ist so einstellbar,
daß die hierdurch übertragene Gegenspannung bei freier Schiene kleiner ist als die
dem Kopplungsgrad K 1 entsprechende Rückkopplungsspannung, so daß der Generator
schwingt. Bei Beeinflussung durch das
Rad R wird dann die Gegenspannung
größer als die dem sich dann ergebenden Kopplungsgrad K2 der Spulen L 1 und L 2
entsprechende Spannung, mindestens aber so groß, daß die resultierende Spannung
zur Selbsterregung nicht mehr ausreicht. Damit wird erreicht, daß die Schwingungen
beim Vorüberrollen des Rades R auf jeden Fall abreißen. Verläßt das Rad die Einwirkstelle,
so ist die aus Rückkopplung und Gegenkopplung resultierende Spannung wieder so groß,
daß sie zum Ausschwingen des Generators ausreicht. Reißen die Schwingungen bei der
Beeinflussung ab, so entfällt die über die Anschlußpunkte a und e der Spule
L 1 auf die Speiseleitungen F 1 und F 2 des Generators gegebene Signalspannung,
so daß das über den Kondensator C 2 und den Verstärker V an die Leitungen F 1 und
F 2 angeschlossene Relais M stromlos wird und in nicht dargestellten Stromkreisen
die Beeinflussung anzeigt.
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Die dargestellte Schaltung arbeitet nach dem Ruhestromprinzip, da
bei Beeinflussung der vom Generator erzeugte und durch das Relais M überwachte Strom
unterbrochen wird. Ist eine Arbeitsstromschaltung erwünscht, so kann man z. B. bei
Verwendung der gleichen Frequenz die Spulen G 1 und L 1 bzw. G 2 und L 2 miteinander
vertauschen. Die Gegenkopplung und die Rückkopplung werden dann so eingestellt,
daß bei freier Schiene die sich aus den Kopplungsgraden K1 und KG ergebende resultierende
Spannung zur Selbsterregung des Generators nicht ausreicht. Erst wenn durch das
Rad der Kopplungsgrad KG verkleinert wird, schwingt der Generator an und
bleibt bis zum Ende der Beeinflussung erreg.
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Auch durch Verwendung niedrigerer Generatorenfrequenzen von weniger
als 500 Hz, bei denen die Eisenmasse des Rades den Kopplungsgrad der Spulen
L 1 und L 2 vergrößert, kann die in der Zeichnung dargestellte Ruhestromschaltung
in eine Arbeitsstromschaltung bzw. die vorstehend erwähnte Arbeitsstromschaltung
mit Beeinflussung der Gegenkopplung in eine Ruhestromschaltung abgewandelt werden.
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In der Zeichnung ist ferner angenommen, daß die Gegenkopplungsspulen
an der Schiene angeordnet sind, um vor allem durch das Feld von Triebströmen in
den Spulen L1 und L2 induzierte Störspannungen kompensieren zu können. Zu diesem
Zweck werden die Spulen G1 und G2 z. B. unter der Schiene so angeordnet, daß die
in ihnen wirksame Komponente SG des als Kreis dargestellten Störfeldes S die durch
Pfeile angedeuteten Störspannungen SG1 und SG2 induziert. Diese Störspannungen wirken
den von den Störfeldkomponenten S l, S 2 in den Spulen L l, L 2 induzierten
Störspannungen SL 1, SL 2 entgegen. Bei entsprechender Bemessung der Wicklungen
und Anordnung der Gegenkopplungsspulen kann erreicht werden, daß sich die Störspannungen
aufheben. Durch die Anordnung der Spulen G 1 und G 2 unter der Schiene ist außerdem
sichergestellt, daß ihre Kopplung durch die Räder gar nicht oder zumindest nur wenig
beeinflußt wird.
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Alle übrigen Teile der Generatorschaltung sind in einem Abschirmrohr
A angeordnet, das zum Schutz dieser Teile gegen Temperatureinflüsse mindestens 0,5
m in die Erde reicht. In diesem Rohr können auch die Einrichtungen zur Gegenkopplung
untergebracht sein, wenn beispielsweise Spulen L l, L 2 mit parallel zur Schiene
liegender Spulenachse verwendet werden, in denen durch die Felder der Schienen3tröme
keine Störspannungen induziert werden. Auch wenn, wie in der Zeichnung dargestellt,
senkrecht zur Schiene stehende Spulen bei nicht elektrisch betriebenen Eisenbahnen
zur Anwendung kommen, bei denen die von Gleisüberwachungsströmen od. dgl. erzeugten
Felder keine nennenswerten Störspannungen induzieren können, empfiehlt sich diese
Anordnung.
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In der Zeichnung sind ferner zwei unter den Spulen L l, L 2
liegende Abschirmbleche 1, 2 angedeutet. Diese Bleche bestehen aus elektrisch gut
leitendem Material und beschneiden nach unten den Raum, in dem sich das von den
Spulen erzeugte Feld ausbilden kann. Hierdurch wird bei sonst gleicher Anordnung
die Induktivität der Spulen kleiner, dagegen ihr Kopplungsgrad größer, da die Gegeninduktivität
der Spulen, die von dem im wesentlichen oberhalb der Schiene verlaufenden Koppelfluß
abhängig ist, nicht in gleichem Maße kleiner wird. Hieraus ergibt sich ferner, daß
das beeinflussende Rad eine größere relative Änderung des Kopplungsgrades erzeugt
als bei Anordnungen ohne Abschirmblech. Ist keine größere Änderung der Kopplung
zum Ändern des Schwingungszustandes des Generators erforderlich, so kann man nun
die Spulen niedriger als bisher neben der Schiene anordnen. Sie können, wie in der
Zeichnung dargestellt, in Höhe oder sogar unterhalb der Schienenoberkante liegen,
wo sie gegen mechanische Zerstörung besser geschützt sind als über die Schienenoberkante
hinausragende Einrichtungen. Aus dem gleichen Grunde ist es zweckmäßig, bei Anordnungen<
mit oder ohne Abschirmblechen die Spulen so anzuordnen, daß ihre Achsen einen Winkel
zur Horizontalen bilden, d. h. die der Schiene abgekehrten Teile tiefer liegen.
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Die im oberen Teil der Zeichnung dargestellte Glimmlampe GL dient
zum Schutz des Transistors T
gegen überspannungen, die z. B. bei Gewitter
auf den Freileitungen F1 und F2 entstehen können. Der Gleichstromeingang des Transistors
könnte zwar durch eine Siebkette mit entsprechend großen Kondensatoren geschützt
werden. Diese Möglichkeit besteht aber nicht für die Ausgangsseite des Transistors,
da von diesem die Signalspannung auf die Leitungen gegeben wird. Die in der Schaltung
gezeigte transformatorisehe Ankopplung überträgt aber auch Frequenzen, die bei Blitzeinwirkungen
sehr häufig auftreten. Die üblichen überspannungsableiter sprechen erst bei Spannungen
von etwa 350-V an, bei denen die gebräuchlichen Transistoren für Spitzenspannungen
bis etwa 30 V bereits zerstört werden. Auch Stromsicherungen sind nicht zum Schutz
der Transistoren geeignet; da sie einen relativ großen Ansprechstrom benötigen und
außerdem durch die Wärmeträgheit zu langsam wirken. Zwar ist die Zündspannung als
Überspannungsschutz geeigneter Glimm-oder Gasentladungslampen, die z. B. 130 bis
150 V beträgt, auch höher als die zulässige Spitzenspannung der Transistoren; erfindungsgemäß
wird jedoch die Verwendung dieser Glimmlampen dadurch möglich, daß der Transistor
zwischen den Anzapfungen a und b
der Schwingkreisimpulse liegt, während
die Glimmlampe an die Anzapfungen a und d angeschlossen ist, also
durch Spannungsübersetzung an einer wesentlich höheren Spannung liegt. Ist im normalen
Betrieb, d. h. bei Speisung des Transistors mit 6 V, z. B. eine Spannung von 100
V am Schwingkreis vorhanden, so kann die Glimmlampe bei entsprechend angeordneten
Anzapfungen
nicht zünden. Tritt dagegen z. B. durch atmosphärische Beeinflussung der Leitungen
eine Spannung von ?.2 V am Transistor auf, so ist dessen zulässige Spitzenspannung
noch lange nicht erreicht. Am Schwingkreis entsteht aber eine Spannung von 200 V,
die durch die zusätzlich gewählte Spannungsübersetzung die Glimmlampen zum Zünden
bringt, wodurch ein weiterer Spannungsanstieg verhindert wird.
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An sich wäre es zum Schutz des Transistors ausreichend gewesen, die
Glimmlampen parallel zum Schwingkreis anzuschließen; durch die zusätzliche Spannungserhöhung
zwischen Schwingkreis und Glimmlampe wird aber gleichzeitig auch ein Schutz des
Kondensators C 1 gegenüber Spannungen erzielt.
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Die Unteransprüche 4 bis 9 sind echte Unteransprüche, die nur in Verbindung
mit dem Hauptanspruch gelten.