DE19501929A1 - Gleisschaltmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruch 1 angegebenen Art.

Die nach dem Stand der Technik bekannten Achszählein­ richtungen nutzen die in einer Empfangsspule induzierte Spannung, die durch ein zeitlich periodisch veränderliches magnetisches Streufeld eines entsprechenden Elektromagneten (Sendespule) hervorgerufen wird, wobei Sende- und Empfangsspule durch den Schienenkörper voneinander räumlich getrennt am Gleis angeordnet sind. Der magnetische Wechselfluß durch die Empfangsspule wird beim Passieren eines Schienenfahrzeuges von den Eisenrädern abgeschwächt und in eine entsprechende Spannungsänderung umgesetzt. Diese Spannungsimpulse werden einer Auswerteelektronik für die Achsenzählung zugeführt.

In Anlehnung an dieses Grundprinzip sind verschiedene Abwandlungen und Weiterentwicklungen vorgeschlagen worden, denen jedoch allen die Erzeugung elektrischer Spannungsimpulse in unmittelbarer Nähe des Schienenkörpers gemeinsam ist. Hieraus resultieren wesentliche Nachteile bezüglich der Funktions- und Störsicherheit dieser Einrichtungen. Es können infolge der starken elektromagnetischen Streufelder in der unmittelbaren Umgebung der Schienenfahrzeuge sowie des Schienenkörpers Fehlimpulse generiert und weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann die Wirbelstrombremstechnik der modernen Schnellzüge sogar zur Zerstörung der Spulenwicklungen der konventionellen Gleisschaltmittel führen. Weitere wesentliche Nachteile der bekannten Vorrichtungen sind der hohe Elektroenergieverbrauch sowie deren Größe und Gewicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung die Nachteile der nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zu überwinden und Gleisschaltmittel zu schaffen, welche einfach und preiswert herstellbar sind sowie störsicher, wartungsarm und energiesparend betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß der Feldlinienverlauf eines Magnetfeldes durch das Einbringen weichmagnetischen Materials (Eisen, Stahl u. a.) verändert werden kann ("Linsenwirkung" ferromagnetischer Materialien auf Magnetfeldlinien). Desweiteren ist der optische Faraday-Effekt bekannt, bei dem optisch inaktive Stoffe unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes die Fähigkeit erhalten, die Polarisationsebene von Licht zu drehen, das sich längs der Richtung des Magnetfeldes ausbreitet. Durch eine technisch günstige Kombination dieser beiden Erkenntnisse mit der Lichtleitfasertechnik wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung angegeben, die ohne elektrische Signalerzeugung oder -verarbeitung an der Schiene auskommt und auf rein optischem Wege die Signale für die Detektion der Räder eines Schienenfahrzeuges generiert und zur Auswerteelektronik beispielsweise im Stellwerk oder einem Gleisanschlußkasten überträgt. Dadurch können die eingangs beschriebenen Nachteile der bekannten technischen Lösungen hinsichtlich der Funktions- und Störsicherheit überwunden werden. Darüberhinaus sind mit der vorgestellten Erfindung weitere wesentliche Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik verbunden, die im folgenden kurz erläutert werden sollen:

• 1. Durch den möglichen Einsatz von Permanentmagneten anstelle von Elektromagneten kann der Energieverbrauch extrem gesenkt werden.
• 2. Die Störanfälligkeit gegenüber von mechanischen und thermischen Belastungen ist infolge des rein optischen Detektionsprinzips gegenüber den bekannten elektromagnetischen Lösungsvarianten stark reduziert.
• 3. Es können diverse Selbstüberwachungsroutinen von der Auswerteelektronik permanent vorgenommen werden, die in den Unteransprüchen der Erfindung und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Die Erfindung befaßt sich mit einem optischen Sensor, der auf der vorteilhaften Ausnutzung des Faraday- Effektes basiert und zum berührungslosen Nachweis paramagnetischer und ferromagnetischer Stoffe verwendet wird. Insbesondere stellen punktuelle Gleisschaltmittel und Achszähleinrichtungen im Bereich des Schienenverkehrsnetzes eine bevorzugte Anwendung der Erfindung dar.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1: die wesentlichen Elemente einer bevorzugten Ausführung der Erfindung als punktuelles Gleisschaltmittel,

Fig. 2: den inneren Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform des punktuellen Gleisschaltmittels,

Fig. 3: eine bevorzugte Ausführungsform des magneto-optischen Sensors,

Fig. 4a bis 4d: verschiedene Ausführungsformen des magneto-optischen Sensors,

Fig. 5a bis 5c: mögliche Ausführungsformen des punktuellen Gleisschaltmittels,

Fig. 6: eine bevorzugte Ausführungsform der Elektronikbaugruppe.

Fig. 7: eine bevorzugte Ausführungsform einer magneto-mechanischen Sabotageschutzvorrichtung

Die Fig. 1 gibt die wesentlichen Baugruppen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wieder. Das an der Schiene 5 mit einer Befestigungsklammer 2 montierte punktuelle Gleisschaltmittel 1 ist über eine optische Lichtleitfaser 3 mit der Elektronikbaugruppe verbunden, die in einem Gleisanschlußkasten 4 untergebracht ist. Wenn das Rad 6 eines Schienenfahrzeuges das Gleisschaltmittel 1 passiert, wird dieses Ereignis mit dem magneto-optischen Sensor im Innern des Gleisschaltmittels 1 registriert und über die Lichtleitfaser 3 zur Elektronikbaugruppe übertragen, wo eine Umsetzung der optischen Signale in elektrische Schaltimpulse erfolgt. Diese elektrischen Schaltimpulse können entweder direkt oder nach Umwandlung in optische Impulse mit Hilfe der Lichtleiternachrichtentechnik zum Stellwerk übertragen werden. Bei der Verwendung eines zweiten magneto­ optischen Sensors bzw. eines zweiten Gleisschaltmittels, das sich in einem definierten Abstand zum ersten befindet, lassen sich in Verbindung mit einem entsprechenden Rechner diverse Signalauswertungs- und -verarbeitungsroutinen durchführen, mit denen beispielsweise die Geschwindigkeit, die Richtung und die Anzahl der Achsen einer Fahrt ermittelt werden können. Darüberhinaus sind verschiedene Selbstüberwachungs- und Speicherfunktionen im System realisierbar.

Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen inneren Aufbau einer möglichen Ausführungsform des punktuellen Gleisschalt­ mittels.

Im Innern des nichtmagnetischen abgedichteten Gehäuses 10 befindet sich ein Permanentmagnet 8, der mit einem Polschuh 9 zur Schiene 5 in direktem Kontakt steht. In dem magnetischen Streufeld (B-Feld), das sich zwischen dem Permanentmagneten 8 und der Schiene 5 ausbildet, ist der magneto-optische Sensor 7 angeordnet. Wenn der Radkranz des (Eisen-)Rades 6 in das Magnetfeld "eintaucht", verändert sich dieses Feld hinsichtlich der Richtung und Stärke der B-Feldlinien. Diese Magnetfeldänderung wird im magneto-optischen Sensor 7 in eine entsprechende Änderung der physikalischen Eigenschaften des durch den Sensor hindurchtretenden Lichtstrahls (Drehung der Polarisation, Intensitätsänderung) umgesetzt, was von der Elektronikbaugruppe im Gleisanschlußkasten 4 erfaßt und in entsprechende elektrische Impulse umgewandelt werden kann. Lichtquelle und Lichtempfänger befinden sich in der Elektronikbaugruppe und sind nur durch die Lichtleitfasern 3 mit dem Sensor 7 verbunden.

Die Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines magneto-optischen Sensors 7 , der auf der Ausnutzung des Faraday-Effektes basiert.

Die von der Lichtquelle emittierte Strahlung gelangt über eine optische Lichtleitfaser 3 zum Sensor 7 , wo sie mit Hilfe der Kollimatoroptik 14 den Polarisator 13 und das Sensorelement 11 als annäherndes Parallelstrahlbündel durchquert und über einen zweiten Polarisator 15 mit der Fokussieroptik 16 in die mit einem optischen Empfänger verbundene zweite Lichtleitfaser 3 eingekoppelt wird. Vorzugsweise werden die Polarisatoren 13 und 15 so gegeneinander verdreht, daß nur ein sehr schwacher Anteil der Strahlung die annähernd gekreuzten Polarisatoren passiert.

Diese am optischen Empfänger nachgewiesene schwache Strahlungsintensität kann zur permanenten Funktionsüberwachung des optischen Sensorsystems genutzt werden. Als Kollimator- und Fokussieroptik (14, 16) werden bevorzugt Gradientenindexlinsen eingesetzt. Als Sensorelement 11 kommen besonders Materialien mit großer Verdet-Konstante, wie beispielsweise TGG in Betracht. Die Strahlumlenkprismen 12 können als diskrete Baugruppe des Sensors entfallen, wenn ein entsprechend bearbeitetes monolithisches Sensorelement 11 verwendet wird. Durch den Einsatz von polarisationserhaltenden Fasern 3 lassen sich auch die Polarisatoren 13 und/oder 15 als diskrete Sensorbaugruppen einsparen.

Es hat sich für die Betriebsstabilität des Sensors als vorteilhaft erwiesen, den Durchmesser der mit der Kollimatoroptik 14 verbundenen Faser 3 kleiner als denjenigen mit der Fokussieroptik 16 gekoppelten Faser 3 zu wählen. Weiterhin läßt sich die mechanische Stabilität des magneto-optischen Sensors durch den Einsatz moderner Vergußtechniken wesentlich erhöhen.

Die Fig. 4a bis 4c zeigen verschiedene mögliche Ausführungsformen des magneto-optischen Sensors.

Die Fig. 4a gibt schematisch den Aufbau eines Sensors mit einseitig verspiegeltem Sensorelement 11 zur Verlängerung des optischen Weges wieder. Da die Größe der Polarisationsdrehung linear von der durchstrahlten Länge abhängt, wird hiermit eine annähernde Verdopplung der Magnetfeld-Empfindlichkeit des Sensors erreicht. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß nur jeweils die in Strahlrichtung weisende B-Feldkomponenete zum Faraday- Effekt beiträgt.

In Fig. 4b wurde der optische Weg durch zweiseitige Verspiegelung des Sensorelementes 11 um ein Vielfaches im Vergleich zur einfachen Durchstrahlung verlängert, so daß eine entsprechende Empfindlichkeitssteigerung des Sensors erzielt werden kann.

Die Fig. 4c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der optische Weg durch innere Totalreflexionen an einem entsprechend bearbeiteten Sensorelement 11 verlängert wird.

Die Fig. 4d zeigt ein dreiseitig verspiegeltes Sensorelement 11 und die Verwendung nur einer optischen Faser zum Ein- und Auskoppeln der Strahlung in das Sensorelement. Die Trennung der beiden Strahlen kann beispielsweise mit Hilfe eines Strahlteilers unmittelbar vor der Einkoppeloptik am anderen Ende der Faser in der Elektronikbaugruppe erfolgen.

In den Fig. 5a bis 5c sind verschiedene Einbauvarianten des Sensors und unterschiedliche Permanentmagnet- Anordnungen dargestellt. In allen drei Beispielen wird das magnetische Streufeld der/des Permanentmagneten 8 infolge des in dieses Feld eintauchenden Rades 6 verändert. Diese Magnetfeldänderung wird vom magneto­ optischen Sensor 7 in eine entsprechende Intensitätsänderung der optischen Strahlung umgesetzt.

Die Fig. 6 zeigt das Signalflußbild einer bevorzugten Ausführungsform des Gleisschaltmittels.

Im Gleisanschlußkasten 4 befindet sich eine Lumineszenz- oder Laserdiode, die mittels einer Treiberelektronik mit Wechselspannungsimpulsen der Frequenz f angesteuert wird und deren Strahlung in die optische Faser 3 eingekoppelt wird. Nachdem die Strahlung den magneto-optischen Sensor 7 passiert hat, gelangt sie über die zweite optische Faser 3 zum Strahlungsdetektor im Gleisanschlußkasten 4. Hier erfolgt die Umsetzung der optischen Strahlung in elektrische Spannungsimpulse, die einem Schmalbandverstärker der Frequenz zugeführt werden. Nach der Verstärkung und Gleichrichtung der Spanungsimpulse wird das entsprechende Ausgangsspannungssignal U_A in zwei Komperatoren mit den Spannungen U_I und U_St verglichen. Im ungestörten Zustand wird für die Ausgangsspannung U_A = U₀ gelten und die Ungleichung U_A < U_St erfüllt sein, so daß das Relais St im geöffneten Zustand (keine Störung) verbleibt. Wird jedoch die optische Verbindung zwischen Strahlungssender und Detektor unterbrochen, so daß U_A < U_St gilt, muß das Relais St schalten (Störung). Wenn der Radkranz eines Rades 6 das Gleisschaltmittel 1 passiert, wird hierdurch eine Magnetfeldänderung ΔB am magneto-optischen Sensor 7 bewirkt, die eine Spannungsänderung ΔU an den Komperatoreingängen der Elektronikbaugruppe zur Folge hat. Da somit U_A < U₁ gilt (U_A = U₀ + ΔU) zieht das Relais I an und erzeugt am Ausgang der Elektronikbaugruppe einen Schaltimpuls, der für kleinere Geschwindigkeiten auch direkt zur Achsenzählung benutzt werden kann.

Für höhere Zuggeschwindigkeiten sollte ein Mikrocontroller zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Komperatoren eingesetzt werden. Dieser kann zum Zählen der Achsen sowie zur Ermittlung der Geschwindigkeit benutzt werden, wenn die entsprechenden Impulse eines zweiten magneto-optischen Sensors, der sich in einem definierten Abstand zum ersten befindet, im Mikrocontroller ausgewertet werden. In diesem Falle kann auch die Richtung einer Fahrt ermittelt werden. Die Ausgangssignale des Mikrocontrollers können entweder über Schaltrelais und/oder über Optokoppler mittels elektrischer und/oder optischer Datenübertragung zum Stellwerk übermittelt werden.

Als Sabotageschutz kann zusätzlich im Gleisschaltmittel eine magneto-mechanische Sperre installiert werden (Fig. 7), die nach dem Entfernen des Gleisschaltmittels von der Schiene 5 den Strahlengang zum Detektor unterbricht, wodurch das Signal "Störung" gesetzt wird. Die Fig. 7 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer magneto­ mechanischen Sperre. Ein zweiter Permanentmagnet 82 ist fest mit einer Lochblende 17 verbunden, die wiederum mittels einer Zugfeder 18 am Gehäuse 10 anmontiert ist. Der Magnet 82 und die Lochblende 17 werden mechanisch geführt (in Fig. 7 nicht eingezeichnet), daß sie nur eine eindimensionale Translationsbewegung von wenigen Millimetern in axialer Richtung der Zugfeder 18 ausführen können. Wenn sich das Gleisschaltmittel vorschriftsmäßig am Gleis 5 befindet (s. Fig. 7), wird der Magnet 82 vom Gleis 5 angezogen, wodurch der Strahlengang zum magneto-optischen Sensor 7 freigegeben wird. Die Ein- und Auskopplung der optischen Strahlung kann dabei wieder durch entsprechende Kollimator- und Einkoppeloptiken (14, 16) realisiert werden. Sobald das Gleisschaltmittel vom Gleis 5 demontiert wird, bewegt die Zugfeder 18 den Magneten 82 mit der Lochblende 17 in die Ausgangsposition, so daß der Strahlengang zum Sensor 7 unterbrochen wird und das Signal "Störung" durch die Elektronikbaugruppe gesetzt wird. Die Zugfeder 18 kann auch durch weitere Permanentmagnete ersetzt werden.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.

Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (15)

1. Gleisschaltmittel, bestehend aus einem am Gleis angeordnetem Sensor und einer zugehörigen Elektronikbaugruppe, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor nach einem magneto-optischen Prinzip arbeitend die Räder eines vorbei fahrenden Schienenfahrzeuges detektiert und über mindestens eine Lichtleitfaser mit mindestens einem Strahlungssender und mindestens einem optischen Empfänger in der Elektronikbaugruppe verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungssender Lumineszenzdioden und/oder Laserdioden sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magneto-optische Sensor nach dem Farraday- Effekt arbeitet und die Änderung des Magnetfeldes eines Permanentmagneten am Ort des Sensors infolge der Beeinflussung des Feldes durch das Rad eines Schienenfahrzeuges als Intensitätsänderung der durch den Sensor hindurchtretenden optischen Strahlung detektiert.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-optische Sensorelement ein Festkörper mit einer großen Verdetschen Konstante ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Lichtleitfasern an das Sensorelement mit Hilfe entsprechender Kollimatoroptiken realisiert wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der/den Kollimatoroptik(en) und dem Sensorelement Polarisatoren befinden.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weg der Strahlung innerhalb des Sensorelementes durch geeignete Verspiegelung und/oder geometrische Formgebung des Sensorelementes verlängert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Lichtleitfaser zum Ein- und Auskoppeln der optischen Strahlung durch das Sensorelement eingesetzt wird, in dem die optische Strahlung durch geeignete Verspiegelung und/oder geometrische Formgebung des Sensorelements innerhalb desselben in sich zurückreflektiert wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement im magnetischen Streufeld eines oder mehrerer Permanentmagnete angeordnet wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle optischen Komponenten des Gleisschaltmittels durch geeignete Stellung der Polarisatoren am Sensorelement permanent optisch durchstrahlt werden und dieser detektierte Strahlungsanteil zur Störungsüberwachung des Gesamtsystems genutzt wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei magneto-optische Sensoren in einem definierten Abstand an einer Schiene montiert sind, deren optische Signale nach entsprechender Umsetzung in elektrische Impulse mittels einer geeigneten Elektronikbaugruppe zur Ermittlung der Geschwindigkeit und der Richtung einer Fahrt herangezogen werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikbaugruppe einen Mikrorechner für die Ermittlung der Geschwindigkeit und der Richtung einer Fahrt enthält.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Gleis montierte Sensor neben dem magneto-optischen Sensor eine mit einer magneto­ mechanischen Sperre, bestehend aus einem Permanentmagneten mit einer daran befindlichen Lochblende und einer Zugfeder, ausgestattet ist, die den Strahlengang durch den magneto-optischen Sensor mit Hilfe der Lochblende nur so lange freigibt, bis der Sensor vom Gleis entfernt wird, in dem die magnetische Haftkraft zwischen dem Permanentmagneten der magneto-mechanischen Sperre und der Schiene von der Zugfeder überwunden wird und der Strahlengang durch die Lochblende blockiert wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Elektronikbaugruppe die Verstärker- und eine Auswerteelektronik angeordnet ist.

15. Verfahren zur Erzeugung von Signalen durch Bewegung eines Schienenfahrzeugrades auf einer Schiene, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Schienenfahrzeugrad sich durch das Magnetfeld mindestens eines Permanentmagneten bewegt und dieses dadurch verändert,
• - diese Magnetfeldänderung eine Änderung des optischen Eigenschaften eines im Lichtleitersystem zwischen mindestens einem optischen Sender und mindestens einem optischen Empfänger angeordneten Sensors bewirkt und
• - die Änderung der optischen Eigenschaften zur weiteren Signalverarbeitung in elektrische Impulse umgewandelt werden.