DE1274392B

DE1274392B - Vorrichtung zum Erkennen von Fahrzeugen, insbesondere Eisenbahnwagen

Info

Publication number: DE1274392B
Application number: DEG44230A
Authority: DE
Inventors: Henry Hurwitz Jun
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-08-07
Filing date: 1965-07-15
Publication date: 1968-08-01
Also published as: DE1274392C2; US3273146A; GB1067320A

Description

Vorrichtung zum Erkennen von Fahrzeugen, insbesondere Eisenbahnwagen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erkennen von Fahrzeugen, insbesondere Eisenbahnwagen, die mit einem ein piezoelektrisches Element enthaltenden selektiven Schwingkreis versehen sind, der die von einer Abfragestation ausgesendeten Hochfrequenzsignale einer bestimmten Frequenz nach einem bestimmten Code an der Erkennungsvorrichtung selektiv reflektiert, wobei die Entschlüsselung des Codes aus dem reflektierten Hochfrequenzsignal synchron mit dem Aussenden dieses Signals erfolgt.
Bevorzugte Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtungen sind Erkennungssysteme zur Identifizierung von Eisenbahnwaggons, insbesondere Güterwagen, sowie zur Identifizierung und Erkennung von Transportkarren in Lagerhäusern.
Zum Erkennen von Fahrzeugen, insbesondere für die Identifizierung von einzelnen Waggons, sind schon verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden.
Einmal wird mit Reflexion von Licht oder Mikrowellen an reflektierenden Markierungen gearbeitet, die an den Fahrzeugen angebracht sind. Dieses Verfahren hat sich aber nicht bewährt, da die Markierungen ihre Reflexionsfähigkeit zu schnell durch Verschmutzung verlieren bzw. da durch die vielen Metallteile der Waggons bedingt zu viele Störechos auftreten.
Andere Systeme zur Erkennung von Gegenständen nutzen eine induktive Kopplung zwischen Wagen-und Abfragegerät aus. Hierbei sind zwei Fälle zu unterscheiden. In dem einen Fall wird nach dem Prinzip der bekannten induktiven Zugsicherung (Indusi) gearbeitet, das auf der Ausnutzung der Rückwirkung verschiedener Resonanzkreise auf die Sendekreise bei der Kopplung des Wagengerätes mit der Abfragestation beruht. Der Nachteil dieser Systemart besteht darin, daß es schwierig ist, selbst unter Verwendung von Hochfrequenz genügend kleine Spulengrößen und die erforderlichen Abstände zu erreichen.
In dem zweiten Fall der Ausnutzung der induktiven Kopplung zwischen Abfrage- und Wagengerät wird vom Abfragegerät in einer Koppelschleife ein Wechselstromfeld erzeugt, das von einem auf Resonanz abgestimmten Ferritempfangsstab im Wagengerät empfangen wird. Die empfangene Leistung wird gleichgerichtet und als Betriebsspannung aktiven Sendern zugeführt, die daraufhin mehrere Frequenzen gleichzeitig ausstrahlen. Diese vom Wagengerät ausgestrahlten Frequenzen werden vom Abfragegerät empfangen und analysiert. Aus dem Wert dieser Frequenzen ergibt sich dann nach einem vorgegebenen Code beispielsweise der dezimale Ziffernwert einer Stelle einer mehrziffrigen Kennungszahl. Um den Ziffernwert der nächsten Stelle der Kennungszahl zu erhalten, wird dann vom Abfragegerät eine andere Frequenz ausgesendet, die vom Wagengerät wiederum empfangen, gleichgerichtet und anderen Sendern des Wagengerätes zugeführt wird, die daraufhin wiederum andere, unterschiedliche Frequenzen aussenden.
Dieses eben geschilderte System weist nun verschiedene Nachteile auf. Erstens muß es als nachteilig betrachtet werden, daß dieWagengeräte aktive Geräte sind, also Geräte, die selbst aktiv bestimmte Frequenzen aussenden. Das bedingt einen sehr hohen Aufwand für die Wagengeräte. Weiterhin treten mindestens drei verschiedene Frequenzen gleichzeitig auf, nämlich die Abfragefrequenz (die den Stellenwert der Information angibt) und mindestens zwei Antwortfrequenzen. Dadurch ist einmal die Gefahr der Kreuzmodulation gegeben. Zum anderen erfordert diese Tatsache auch eine Paralleldecodierung der reflektierten Information, was mit einem sehr erheblichen Aufwand in den Decodierungsschaltkreisen verbunden ist. Außerdem ist es auch schwierig, die Kennungszahl oder gar die Kennungsfrequenzen zu ändern, da hierfür erhebliche Verdrahtungs- und Abstimmarbeiten notwendig sind.
Um diese Nachteile zu überwinden, ist ein System vorgeschlagen worden, bei dem die zu erkennenden Fahrzeuge mit jeweils unterschiedlichen Kombinationen abgestimmter Kreise versehen sind, bei denen die frequenzbestimmenden Glieder piezoelektrische Scheibchen mit bestimmten, unterschiedlichen Durchlaßbereichen sind. Von der Abfragestation, also von der Sendestation, werden Schwingungen mit einer zeitlich kontinuierlich veränderten Frequenz ausgesendet. Die Durchlaßbreiten der durch die piezoelektrischen Scheibchen abgestimmten selektiven Kreise sind dabei so schmal, daß die jeweils anliegende Frequenz des Abfragesignals immer nur einen dieser Kreise erregt, der daraufhin diese Frequenzkomponente zur Abfragestation zurückreflektiert. Da auch die reflektierte Frequenzkomponente einen sehr schmalen Frequenzbereich besitzt, kann bei diesem Vorschlag darauf verzichtet werden, die reflektierte Frequenz zu analysieren. Es genügt vielmehr, den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem eine Echokomponente bei der Abfragestation auftritt, so daß die Erkennung des Fahrzeugs ohne Frequenzanalyse zeitlich synchron mit dem Aussenden des Abfragesignals erfolgen kann.
Dieser Vorschlag umgeht zahlreiche Schwierigkeiten der bisher bekannten Erkennungssysteme, da die einzelnen Waggons nur mit passiven Reflexionsantennen ausgerüstet sind, außerdem zu einem Zeitpunkt nur eine einzige Frequenz auftritt, eine Frequenzanalyse des reflektierten Echos nicht erforderlich ist und nur der Zeitpunkt maßgebend ist, zu dem ein Echo auftritt. Nachteilig bei diesem Vorschlag ist die verhältnismäßig große Anzahl von piezoelektrischen Elementen in den passiven Reflexionsantennen, die für jeden Gegenstand erforderlich sind, um die notwendige Anzahl von Codierungsmöglichkeiten zu erhalten. Bei dem großen Bedarf an solchen Reflexionsantennen in Erkennungssystemen, z. B. für Waggons, ist dieses ein erheblicher Kostenfaktor.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen, also ein passives Erkennungsgerät bzw. eine passive selektive Reflexionsantenne für Waggons zu schaffen, die mit einer wesentlich geringeren Anzahl von selektiven piezoelektrischen Elemente auskommt.
Eine derartige Vorrichtung zum Erkennen von Fahrzeugen ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dem piezoelektrischen Element eine akustische Verzögerungsleitung nachgeschaltet ist und daß zur Codierung längs der Leitung in gewissen Abständen angeordnete Reflexionspunkte dienen.
Es sei bemerkt, daß in den Erkennungssystemen, in denen die erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtungen verwendet werden sollen, die Abfragestation die Hochfrequenzsignale impulsmäßig abgeben. Diese Hochfrequenzimpulse werden vom piezoelektrischen Element in einen mechanischen Stoß oder Impuls umgewandelt, der an die akustische Verzögerungsleitung weitergegeben wird und auf ihr entlangläuft.
An jedem Reflexionspunkt wird dieser Stoß partiell reflektiert, gelangt wieder zum piezoelektrischen Element zurück, wird dort erneut in eine elektrische Schwingung umgewandelt, die zur Abfragestation zurück reflektiert wird. Aus dem Abfrageimpuls erhält man also einen reflektierten Impulszug, bei dem die Anzahl der Impulse durch die Anzahl der Reflexionspunkte gegeben ist, während der zeitliche Abstand der Impulse durch den Abstand der Reflexionspunkte auf der Verzögerungsleitung bestimmt ist. Die Decodierung des reflektierten Impulszuges kann dann wieder synchron mit dem Aussenden des Abfrageimpulses durchgeführt werden.
Es genügt, wenn jedes zu erkennende Fahrzeug, also beispielsweise jeder Waggon, nur einen einzigen abgestimmten Kreis trägt, der nur ein piezoelektrisches Element enthält.
Die Reflexionspunkte der akustischen Verzögerungsleitung können Nuten sein, die in das Material der Verzögerungsleitung eingeschnitten sind. Man kann die Reflexionspunkte aber auch als Klemmen, Kugeln, Knöpfe, Köpfe oder Perlen ausbilden, die am Material der Verzögerungsleitung befestigt sind.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Verzögerungsleitung zu einer Spirale ausgebildet und akustisch isoliert ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung seien die Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein System zur Identifizierung eines Fahrzeugs gemäß der Erfindung; F i g. 2 a veranschaulicht die Art und Weise, in der ein Draht oder Stab mit Nuten versehen sein kann, um eine codierte akustische Verzögerungsleitung zu bilden; Fig. 2 b zeigt eine der Fig. 2 a äquivalente Ausführungsform, in der statt Nuten Klemmen verwendet sind; F i g. 2 c zeigt eine weitere, der F i g. 2 a äquivalente Ausführungsform, in der zum Codieren Köpfe verwendet sind; F i g. 3 ist ein Schnitt durch ein piezoelektrisches Übertragerelement, das mechanisch an eine akustische Verzögerungsleitung angeschlossen ist; F i g. 4 ist ein weiterer Schnitt durch ein Ubertragerelement und zeigt eine andere Art Kupplung mit der akustischen Verzögerungsleitung; F i g. 5 zeigt schematisch die Art und Weise, in der eine akustische Verzögerungsleitung beträchtlicher Länge angeordnet werden kann, um den linearen Abstand zu bewahren; F i g. 6 a und 6b zeigen codierte akustische Verzögerungsleitungen gemäß der Erfindung.
In F i g. 1 ist ein Sender 10 bei Radiofrequenzen über einen Verstärker 11 an eine Antenne 12 gekoppelt, an die ebenfalls ein Empfänger 13 gekoppelt ist.
Es können auch gesonderte Sende- und Empfangsantennen benutzt werden, die mit dem Sender oder Empfänger gekoppelt sind. Ein sich bewegendes Fahrzeug, z. B. ein Eisenbahnwagen, ist mit einer Antenne 14 ausgestattet, die von einem Kondensator 15 abgestimmt wird und mit einem piezoelektrischen Element 16 gekoppelt ist. Die Resonanzfrequenz des kombinierten Kreises stimmt dabei mit der Sendefrequenz überein. Mit dem Element 16 ist eine akustische Verzögerungsleitung 17 mechanisch gekoppelt, die ein mit Nuten 18 versehener Draht oder Stab (F i g. 2 a) sein kann. Die Tiefe der Nuten 18 verringert sich mit wachsendem Abstand vom piezoelektrischen Element 16.
Beispielsweise kann der Sender 10 aus einem Generator bestehen, der Impulse von etwa 1 kW bei einer Frequenz von 450 kHz mit einer Dauer von 10 llsec und einer Wiederholungsfolge von 100 sec-l erzeugt. Die vom Verstärker 11 verstärkten und von der Antenne 12 abgestrahlten Impulse werden, wenn sich das Fahrzeug im Empfangsbereich befindet, von der Antenne 14 aufgenommen. Das piezoelektrische Element 16, das als Übertrager hinsichtlich des mit Nuten versehenen Drahtes oder Stabes 17 wirkt, wird erregt und die Hochfrequenzenergie in akustische Energie umgewandelt. Der Kreis zwischen der Antenne 14 und dem piezoelektrischen Element 16 weist einen hohen Gütefaktor Q (z. B. 20) auf, so daß eine wirksame Kopplung ohne ernste Impulsverlängerung zustande kommt.
Der Draht oder Stab 17 kann beispielsweise eine Länge von 2,5 m und einen Durchmesser von 1 m aufweisen, wobei die Nuten entsprechend einem vorgegebenen Code in bestimmten Abständen über die Länge verteilt sind. Jede Nut reflektiert annähernd 0, 10/o der akustischen Energie zum piezoelektrischen Element. Folglich verursacht ein 450-kHz-Impuls von 10 slsec Dauer eine Reihe akustischer Impulse von annähernd 10 llsec Dauer, die zum Element 16 reflektiert werden. Bei einem minimalen Abstand zwischen den Nuten des Drahtes oder Stabes 17 von etwa 7 cm beträgt der kleinste Abstand der Echoimpulse etwa 30 Fsec, was eine genaue Unterscheidung zuläßt. Mit Hilfe eines Drahtes oder Stabes von 2,5 m Länge kann z. B. eine Binärzahl aus 30 Digits codiert werden, wenn die Nuten alle 7 cm längs des Drahtes 17 angebracht sind.
Da alle Nocken des Drahtes 17 annähernd 0,1 0/o Leistung reflektieren, ist die Dämpfung der Hauptwelle sehr gering, so daß die Amplitude der verschiedenen Impulse annähernd dieselbe ist. Die zum piezoelektrischen Element 16 zurückkehrenden, reflektierten Impulse werden durch den piezoelektrischen Effekt in die hochfrequente Energie zurückgewandelt; diese werden über die Kopplung mit der Antenne 14 in die Schleifenantenne 12 eingespeist und schließlich über den Verstärker 11 vom Empfänger 13 aufgenommen. Die Übertragung der im Empfänger 13 empfangenen Signale erfolgt in ähnlicher Weise wie bereits vorgeschlagen ist.
Beim Apparat dieser Art ist das Verhältnis von Signal zu Rauschen sehr günstig. Wird eine Dämpfung von 29 db zwischen der Antenne 12 und dem piezoelektrischen Element 16, von 10 db vom Element 16 zur akustischen Leitung 17, von 30 db bei der Reflexion, von 10 db bei der Umwandlung des reflektierten akustischen Impulses in die Hochfrequenzleistung und von 20 db zwischen der Antenne 14 und dem Empfänger 13 angenommen, so beträgt die Gesamtdämpfung 90 db, so daß das Eingangssignal zum Empfänger 10-o W betragen kann und gut innerhalb des wahrnehmbaren Signalbereiches liegt.
Die akustische Leitung 17 kann in verschiedener Weise (F i g. 2 a, 2 b und 2 c) konstruiert sein. In F i g. 2 b sind an den Codierungspunkten an Stelle der Nuten Klemmen 19 benutzt. Der zusätzliche Vorteil der Klemmen ist, daß die Codierung an einer speziellen akustischen Leitung allein dadurch verändert werden kann, daß sie gelöst und an den neuen Codierungspunkten festgezogen werden. In F i g. 2 c ist eine andere Art und Weise veranschaulicht, in der eine akustische Leitung codiert werden kann; auf dem Draht oder Stab 17 sind Köpfe oder Kugeln 20 befestigt oder auf andere Weise angebracht, deren Größe mit zunehmendem Abstand vom Element 16 längs des Drahtes 17 geringer wird.
Obgleich das Element 16 in verschiedener Weise ausgeführt sein kann, ist es normalerweise wie in F i g. 3 konstruiert, in der ein piezoelektrischer Kristall 21 zwischen einer Platte 22 und einem Schaft 23 eines kegelförmigen Körpers eingeklemmt oder verbunden ist, der in einer Verbindung 24 mit der Lei- tung 17 endigt. In F i g. 3 ist die akustische Leitung mit Klemmenl9 (Fig.2b) versehen, während das äußere Ende des Drahtes 17 ein Dämpfungsglied 25 trägt, das aus einer Kugel aus Gummi oder einem anderen mechanisch absorbierenden Material besteht; der Zweck des Dämpfungsgliedes besteht darin, am Ende des Drahtes 17 unechte Reflexionen zu verhindern. Die elektrischen Anschlüsse zum piezoelektrischen Übertrager der Fig.3 sind an der Platte 22 und am Schaft 23 ausgebildet.
Unmittelbar an der akustischen Leitung 17 der F i g. 4 können geformte keramische Zylinder mit piezoelektrischen Eigenschaften befestigt sein; im einzelnen umgibt ein Hohlzylinder 26 einen Draht 17 und ist von einem Metallzylinder 27 umgeben. Bei dieser Anordnung befinden sich die elektrischen Anschlüsse am Draht 17 und am Metallzylinder 27. Das Codieren erfolgt mit den Klemmen 19, es sind jedoch andere Codierungsarten der akustischen Leitung in gleicher Weise anwendbar.
Wie bereits erwähnt, hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß die Zahl der nach dem vorgeschlagenen System codierten Fahrzeuge vergrößert werden kann. Theoretisch kann das System gemäß der Erfindung eine unbegrenzte Zahl codierter Kombinationen zur Verfügung stellen. In der Praxis ist diese Zahl infolge der Länge der akustischen Leitung beschränkt. F i g. 5 veranschaulicht eine raumsparende Anordnung der akustischen Leitung 17, die mit dem piezoelektrischen Elementl6 versehen und zu einer Spirale ausgebildet ist. Die Wicklungen der Spirale sind auf akustischen Isolatoren 28 angeordnet, die aus Schaumgummi oder einem Material mit ähnlichen Eigenschaften bestehen.
Die F i g. 6 a und 6b veranschaulichen die Art und Weise, wie die Codekombinationen auf den akustischen Spiralen aufgebracht werden. In den Spiralen von 30 Längeneinheiten kann die Codierung am Endpunkt jeder Einheit durch Nuten, Klemmen oder Köpfe erfolgen; eine Codierung 15, 21 und 29 in F i g. 6 a ist durch die Nuten O, N und M und eine Codierung3, 19 und 28 in F i g. 6 b durch Nuten L, K und J dargestellt. Die mit den Spiralen der F i g. 6a und 6 b verbundenen, piezoelektrischen Elemente 16 können sich hinsichtlich der Frequenz gleichartig oder unterschiedlich verhalten. In einem System zur Identifizierung von Gegenständen kann jede Codekombination für eine andere Ansprechfrequenz der Elemente 16 wiederholt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Erkennen von Fahrzeugen, insbesondere Eisenbahnwagen, die mit einem ein piezoelektrisches Element enthaltenden selektiven Schwingkreis versehen sind, der die von einer Abfragestation ausgesendeten Hochfrequenzsignale einer bestimmten Frequenz nach einem bestimmten Code an der Erkennungsvorrichtung selektiv reflektiert, wobei die Entschlüsselung des Codes aus dem reflektierten Hochfrequenzsignal synchron mit dem Aussenden dieses Signals erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß dem piezoelektrischen Element (16, 21) eine akustische Verzögerungsleitung (17) nachgeschaltet ist und daß zur Codierung längs der Leitung (17) in gewissen Abständen angeordnete Reflexionspunkte (18, 19, 20) dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes zu erkennende Fahrzeug nur ein selektiver Schwingkreis vorgesehen ist, der nur ein einziges piezoelektrisches Element aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente von Nuten (18) gebildet sind, die in das Material der Verzögerungsleitung (17) eingeschnitten sind (Fig. 2 a).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, da- durch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente von verstellbaren Klemmen (19) gebildet werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente von Kugeln, Knöpfen, Köpfen oder Perlen (20) gebildet werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung (17) zu einer Spirale ausgebildet und akustisch isoliert ist.