DE1780732C2

DE1780732C2 - Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE1780732C2
Application number: DE1780732A
Authority: DE
Inventors: Noritake Tsugumodai Suite Osaka Kurauchi; Masao Kamakura Kanagawa Sugi; Kenichi Sakai Osaka Yoshida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1967-01-12
Filing date: 1968-01-12
Publication date: 1982-05-27
Also published as: FR1550835A; DE1780732A1; DE1780713C3; DE1780714C3; DE1780714B2; US3617890A; DE1780714A1; DE1780713A1; DE1780713B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Zeitschrift »Signal und Draht« 1964, Heft 2, Seiten 17, 18 sowie 1965, Heft 2, Seite 21, ist eine Übertragungseinrichtung bekannt, deren Übertragungsleitung zwei parallel zu den Gleisen einer Eisenbahn verlaufende Leiter aufweist, die sich in einer im wesentlichen parallel zur Erde verlaufenden Ebene in gleichbleibenden Abständen überkreuzen. Die Antenne dieser Übertragungseinrichtung ist am Eisenbahnzug befestigt.

Die Übertragungseinrichtung weist periodisch wiederkehrende Kreuzungspunkte der beiden Leiter auf. Dadurch sollen induzierte und unerwünschte Störungspegel von äußerer Strahlung, welche von anderen Sendeeinrichtungen herrühren, niedrig gehalten werden. Mit dieser Übertragungseinrichtung lassen sich aber hochfrequente Signale nicht übertragen, da die Übertragungscharakteristik der hochfrequenten Wellen durch die Kapazität, welche an den Kreuzungspunkten vorhanden ist beeinflußt wird. Des weiteren unterbrechen die Kreuzungspunkte das Signal an der mit der Übertragungsleitung gekoppelten Antenne. Der vom Fahrzeug zurückgelegte Weg könnte durch Abzählen der Unterbrechungen ermitteh. werden. Diese Methode hat aber den Nachteil, daß durch äußere Störungen erzeugte Unterbrechungen ebenfalls mitgezählt werden und so das Ergebnis unmittelbar verfälschen.

Um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermitteln zu können, müßte die Zahl der Unterbrechungen pro Zeiteinheit gezählt werden. Die Zeiteinheit müßte relativ groß gewählt sein, um die Geschwindigkeit mit hinreichender Genauigkeit ermitteln zu können.

Andere Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen für Fahrzeuge umfassen einen Tachometer, der mechanisch oder elektrisch mit einem Rad des Fahrzeugs gekuppelt ist und die Drehzahl dieses Rads erfaßt Auch derartige Meßeinrichtungen sind fehlerbehaftet da der Schlupf des Rads das Meßergebnis verfälscht

Aus der Zeitschrift »NTZ« 18 (1965), Heft 1, Seiten 27/28 ist es bekannt, die Geschwindigkeit eines Flugzeugs über Grund nach dem Doppler-Radar-Prinzip zu messen. Hierbei wird vom Flugzeug aus ein Radarsignal gesendet, dessen Echo empfangen und hinsichtlich seiner Frequenzverschiebung zum gesendeten Radarsignal ausgewertet wird. Die Frequenzverschiebung ist proportional zur Geschwindigkeit des Flugzeugs. Um hinreichend große Frequenzverschiebungen zu erhalten, muß die Frequenz des Radarsignals relativ groß sein, beispielsweise in der Größenordnung von 3 GHz liegen. Die Übertragung von Signalen mit derartig hohen Frequenzen über Leitungen und die Ankopplung an solche Leitungen bereitet große Schwierigkeiten.

Aus der US-PS 20 83 954 ist es zur Geschwindigkeitsmessung bei Flugzeugen bekannt, längs des Flugwegs Sender aufzustellen, die zwischen ihren zugehörigen Antennen stehende Wellen erzeugen. Durch Abzählen der in vorgegebenen Zeitabschnitten durchflogenen Maxima des stehenden Wellenfelds kann die Geschwindigkeit des Flugzeugs ermittelt werden. Aus diesem Patent ist darüber hinaus bekannt, die in Flugrichtung angeordnete Senderkette mit einer von Sender zu Sender schwächer werdenden, fortschreitenden Störung zu beaufschlagen. Die Abklinggeschwindigkeit der Störung bildet ein Maß für die Geschwindigkeit des sich längs der Senderkette bewegenden Flugzeugs. Bei einer solchen Anlage ist der konstruktive Aufwand hoch, während die Genauigkeit mit der die momentane Geschwindigkeit des Flugzeugs ermittelt werden kann, klein ist.

Aus der FR-PS 11 60 824 ist schließlich eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung für Eisenbahnen bekannt, bei welcher längs der Schienen zwei an einem Ende miteinander verbundene Leitungen verlegt sind. An das verbleibende Ende der ersten Leitung ist ein Hochfrequenzgenerator angeschlossen, während das verbleibende Ende der zweiten Leitung wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen ist. Die Frequenz des Hochfrequenzgenerators ist so gewählt, daß die beiden Leitungen gerade eine viertel Wellenlänge lang sind. Die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung ist über zwei Antennen an die beiden Leitungen angekoppelt und mißt die Phasendifferenz der Wellen auf den beiden Leitungen. Die Geschwindigkeit des Zuges ist proportional der zeitlichen Änderung der Phasendifferenz. Um den Aufwand an Hochfrequenzgeneratoren gering zu halten, müssen bei dieser Geschwindigkeitsmeßeinrich-

tung relativ lange Leitungen verwendet werden, was relativ niedrige Sendefrequenzen bedingt und die Genauigkeit der Geschwindigkeitsermittlung mindert

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Geschwindigkeitsmeßeinrichtung der vorstehend erläuterten Art die Meßgenauigkeit mit relativ geringem konstruktivem Aufwand zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungs^emäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei einer derartigen Einrichtung ist die Meßgcnauigkeit im wesentlichen nur von der Genauigkeit abhängig, mit der die Frequenzabweichung (Differenzfrequenz) bestimmt werden kann. Sie ist unabhängig von äußeren Störeinflüssen, insbesondere Unterbrechungen des übertragenen Signals und ist unabhängig vom Schlupf der Räder. Da die Frequenzabweichung dem Quotienten der Fahrzeuggeschwindigkeit zur Periodenlänge proportional ist, kann durch Verkleinerung der Periodenlänge die Frequenzabweichung und damit die Meßgenauigkeit unabhängig von der Frequenz des Signal-Wechselstroms erhöht werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer im Rahmen der Erfindung benutzbaren Übertragungseinrichtung,

F i g. 2 bis 5 Schaltbilder von Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen, die in Verbindung mit der Signalübertragungseinrichtung nach F i g. 1 benutzbar sind.

Die nachfolgend erläuterte Signalübertragungseinrichtung enthält eine Übertragungsleitung, die sich aus einer größeren Anzahl elektrisch leitender Drähte fn-Drähte) zusammensetzt Die Drähte weisen gleichen Abstand voneinander auf und sind spiralig bzw. wendelförmig mit einer konstanten Steigung auf eine Zylindermantelfläche aufgewickelt Die Drähte sind dabei in der Weise aus einer Signalquelle gespeist, daß die Phasendifferenz der Ströme in benachbarten Drähten 2 π/π beträgt

F i g. 1 zeigt eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispiels der Signalübertragungseinrichtung. Mit 1 sind die Gleise einer Eisenbahn, mit 4 die Übertragungsleitung und mit 3i und 32 die Empfangsantennen bezeichnet.

Die Übertragungsleitung besteht aus vier Drähten (im allgemeinen Fall drei oder mehr Drähte), die räumlich verteilt angeordnet sind. Diese Anordnung ist mit 5, 6 und 5', 6' bezeichnet Dieser Aufbau bewirkt, daß von außen aus allen Richtungen kommende Radiowellen, die vom Kommutator des Motors der Lokomotive von Oberleitungsdrähten, Schaltern u. dgl. erzeugt werden, keine Ströme in der Übertragungsleitung hervorrufen können. Gleichzeitig hebt sich die von der Übertragungsleitung nach außen abgestrahlte Energie auf, wodurch Interferenzen und Überlagerungen anderer Empfangs- und Sendestationen vermieden werden.

Um die Forderung einer gleichmäßigen Kopplung zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne am Eisenbahnzug zu erfüllen, muß das Signal beim Senden oder beim Empfang phasenverschoben werden. Hierzu werden die beiden Drahtpaare 5,6 und 5', 6' mit ein und denselben Signalen gespeist, wobei jedes eine Phasendifferenz von n/2 besitzt. Dies ist gleichbedeutend mit einem vierphasigen Wechselstrom, der nacheinander die vier Drähte beaufschlagt Wenn die Magnetfelder der Drahtpaare h\ und Λ2 sind, dann ist die in der Antenne 3 induzierte Spannung U durch folgende Gleichung bestimmt:

U = A(Zi₁ cos Θ±jh₂ sin Θ)

Der Winkel Θ in der Formel (1) ist der Winkel, um den die Drähtepaare gegen die Flächennormale der von der Antennenschleife umfaßten Fläche bzw. gegen die Antennenrichtung gedreht sind, k ist eine Konstante, die sich aus der Frequenz des Signalstromes bestimmt. Sobald in der Formel (1) h = h₂ gesetzt werden kann, gilt die Beziehung:

\U\ = kh, = kh₂

Die Formel (2) bedeutet, daß eine einzelne Antenne, die mit der zuletzt beschriebenen Übertragungsleitung gekoppelt ist, in der gleichen Weise gleichmäßig gekoppelt werden kann wie eine Antenne, die in herkömmlicher Weise mit zwei paraHelen Drähten gekoppelt ist Allgemein bedeutet dies, daß das Resultat der Formel (2), nämlich die empfangene Signalspannung l υ I = const dann erhalten wird, wenn Signale mit

gleicher Amplitude und einer Phasendifferenz von 2 πΐη zwischen benachbarten Drähten an den Eingang gelegt werden.

Die Antenne 3i und 32 in F i g. 1 sind am Eisenbahnzug mit einem Abstand von ^xh Steigung der Drahtwindungen befestigt Die räumliche Verteilung der Magnetfelder entlang der Übertragungsleitung kehrt sich bei einem Abstand, der der halben Steigung einer Windung entspricht, um. Die Antennen 3i und 3? sind so miteinander verbunden, daß die induzierte Spannung verdoppelt wird. Dadurch wird die doppelte Energie einer einzelnen Antenne empfangen. Weiterhin erscheinen von außen kommende elektrische Wellen und Störungen, die direkt auf die Antennen auftreffen, nicht an den Ausgangsklemmen, weil die Größe und Phase der ankommenden Wellen und die Störungen praktisch gleich Null sind. In diesem Fall muß allerdings gelten, daß die Steigung einer Windung in bezug auf die Wellenlänge klein genug ist.

Die Signalübertragungseinrichtung wird erfindungsgemäß zur Geschwindigkeitsbestimmung und zur Ortsbestimmung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Eisenbahnzugs ausgenutzt. Dies soll im einzelnen dargestellt werden.

Wenn der Zeit-Schwingungs-Term zur Gleichung (1) addiert wird, dann ist das vollständig empfangene Signal Srdurch folgende Beziehung gegeben:

S_r = S₀- e>

2 ■ - ■ .-

wobei Pdie Steigung der Windung bedeutet. Wird die Wegkoordinate ζ = ν · / (ν ist Geschwindigkeit des Zuges) eingesetzt, so ergibt sich:

S, = S₀- tJ*>±J±Y- = S„eJ'(»±^) (4)
Daraus ergibt sich die Frequenzabweichung zu:

Af = ± V/P

Dieser Betrag der Frequenzabweichung Af gilt sowohl für das Senden als auch für das Empfangen eines Signals. Das Vorzeichen von Af ist durch die

Fahrtrichtung des Zuges bestimmt, d. h. je nachdem, ob die Drähte nach links oder nach rechts gewunden sind. Es ist also möglich, die Fahrgeschwindigkeit des Zuges zu messen, indem man die Frequenzabweichung Af zwischen der durch die Übertragungsleitung gesendeten Frequenz und der von der Antenne empfangenen Frequenz feststellt und diese aufgrund der gezeigten Beziehung in eine Geschwindigkeitsangabe übersetzt.

Das Feststellen der Geschwindigkeit des Zuges ist für die automatische Kontrolle sehr wichtig. Zu diesem ι ο Zweck werden die im folgenden beschriebenen Einrichtungen benützt.

Eine erste Ausführungsform ist in F i g. 2 dargestellt. Eine Station 63 gibt an eine Übertragungsleitung 64 ein Übertragungssignal mit einer Frequenz /Ό ab. Dieses Signal wird von einer mil den Magnetfeldern der Übertragungsleitung 64 gekoppelten, am fahrenden Zug befestigten Antenne 65 empfangen.

Die Frequenz des empfangenen Signals beträgt fo±Af, weicht also von der Frequenz /o der Übertragungsleitung /70 um den Betrag Af ab. Dieser Betrag ist proportional der Zuggeschwindigkeit.

Ein Signal, das die gleiche Frequenz f₀ wie die Übertragungsleitung besitzt, wird durch einen örtlichen Überlagerer bzw. Hilfssender 66 erzeugt und einer Mischstufe 67 zusammen mit dem empfangenen Signal zugeführt. Die Frequenzabweichung Af wird mittels Mischstufe 67 gemessen. Wenn dieser Wert auf die Steigung einer Windung der Übertragungsleitung 64 normiert worden ist, läßt sich die Zuggeschwindigkeit V ermitteln.

F i g. 3 zeigt eine andere Einrichtung. Die Station 63 gibt das Übertragungssignal mit der Frequenz /₀ an eine Übertragungsleitung 64i mit Rechtswindungen und an eine Übertragungsleitung 642 mit Linkswindungen ab. Die Signale werden von Antennen 651 und 652 am fahrenden Zug, die mit den Magnetfeldern der Übertragungsleitungen 64, und 64₂ gekoppelt sind, empfangen.

Die empfangenen Signale haben Frequenzabweichungen Af in entgegengesetzten Richtungen, da die Windungsrichtungen der beiden Übertragungsleitungen einander entgegengesetzt sind. Die empfangenen Signale haben demnach eine Frequenz von fo±Afbzvi. folAf.

Die empfangenen Signale werden der Mischstufe 67 zugeführt, mittels der die Frequenzabweichung Af festgestellt wird. Daraus läßt sich die Zuggeschwindigkeit ableiten.

F i g. 4 zeigt eine weitere Einrichtung. Die Station 63 gibt wiederum ein Übertragungssignal mit der Frequenz fo an die Übertragungsleitung 64 ab. Dieses wird von der Antenne 65i, die an einer Phasenschieberschaltung mit voreilender Phase angeschlossen ist und gleichzeitig von der Antenne 652, die an eine Phasenschieberschaltung mit verzögernder Phase angeschlossen ist, empfangen. Die empfangenen Signale mit den Frequenzen fo±Af und fo^Af werden der Mischstufe 67 zugeführt. Dort wird der Wert von Af festgestellt und der Geschwindigkeitswert direkt ermittelt.

Fig.5 zeigt eine weitere Geschwindigkeitsmeßeinrichtung. Ein Übertragungssignal mit der Frequenz k wird von der Station 63 an die Übertragungsleitung 64 abgegeben. Das Signal wird von der am Zug befestigten Antenne 65 empfangen. Das empfangene Signal mit der Frequenz /o±/l/"wird durch einen Reflexverstärker 68 verstärkt und von der Antenne 65 wieder an die Übertragungsleitung 64 und die Station zurückgegeben. Die Frequenz, die von der Station 63 empfangen wird, beträgt f_o±2Af. Diese Frequenz wird zusammen mit der Übertragunsfrequenz f₀ der Mischstufe 67 zugeführt und die Frequenzabweichung Äff estgestellt Daraus läßt sich dann die Geschwindigkeit des Zuges ermitteln.

Bei diesen Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen werden Signale zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne kontinuierlich ausgetauscht bzw. empfangen, so daß eine Unterbrechung aus irgendeinem Grund die Geschwindigkeitsbestimmung nicht stört Weiterhin werden Radiowellen, Störungen von anderen Sende- und Empfangsstationen, durch den Motor der Lokomotive, durch Pantographen und dergleichen ausgeschaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen, insbesondere Eisenbahnen, die sich längs einer mehrere Leiter umfassenden Übertragungsleitung bewegen und zur Ankopplung an das Magnetfeld eines von einer Signalquelle an die Übertragungsleitung abgegebenen Signal-Wechselstroms eine an einen Empfänger angeschlossene, am Fahrzeug in unmittelbarer Nähe der Übertragungsleitung angeordnete Antenne aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die räumliche Anordnung der Leiter (5,6) der Übertragungsleitung relativ zueinander mit gleichbleibender Periodenlänge periodisch ändert und die Signalquelle (63) die Leiter (5,6) phasenverschoben speist und daß ein Mischer (67) aus dem empfangenen Signal ein der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionales Signal als Differenz der Frequenz des empfangenen Signals und der Frequenz der Signalquelle erzeugt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (4) wenigstens drei wendelförmig auf einer Zylindermantelfläche mit konstanter Steigung und gleichem Abstand voneinander angeordnete Leiter aufweist, die die Signalquelle mit Strömen in der Weise speist, daß die Phasendifferenz zwischen benachbarten Leitern gleich 2 \ln ist, wobei η die Zahl der Leiter ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Übertragungsleitungen (64i, 642) mit entgegengesetztem Windungssinn der Leiter vorgesehen sind, an die gesonderte fahrzeugfeste Antennen (65i, 65₂) angekoppelt sind und daß der Mischer (67) zur Erzeugung des der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Signals die Signale der Antennen (65t, 652) einander überlagert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die fahrzeugfeste Antenne (65) ein Reflexverstärker (68) angeschlossen ist, der das empfangene Signal an die Übertragungsleitung (64) zurückführt und daß der Mischer (67) ortsfest an die Übertragungsleitung angeschlossen ist