DE19510869C2 - Gleisschaltmittel - Google Patents

Description

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

Die nach dem Stand der Technik bekannten Achszähleinrichtungen 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. Zur Überwindung dieser Nachteile wurde in der gattungsbildenden DE 35 37 588 C2 ("Schienenkontakteinrichtung in Eisenbahnanlagen") ein Gleisschaltmittel vorgeschlagen, das nach dem Prinzip eines Mach-Zehnder-Glasfaser-Interferometers arbeitet, wobei eine mit der Schiene fest verbundene Sensor- Glasfaser dieses Interferometers infolge der Schienendurchbiegung beim Passieren eines Fahrzeugrades mechanisch gestreckt wird, so daß der Nachweis dieses Streckvorganges durch den interferometrischen Vergleich mit einer Referenz-Glasfaser in der Auswerteeinrichtung für die Generation von Achszählsignalen genutzt werden kann. Nachteilig ist bei dieser bekannten Einrichtung, daß eine komplizierte Temperaturkompensation zur Vermeidung- von Fehlmessungen erforderlich ist und eine permanenete Störungsüberwachung des optischen Gesamtsystems fehlt.

In der älteren Anmeldung DE 195 01 929 A1 wurde ein Gleisschaltmittel vorgeschlagen, das einen am Gleis befindlichen optischen Sensor besitzt, der die Schienenfahrzeugräder über deren Einfluß auf das stationäre Magnetfeld eines Permanenetmagneten mit Hilfe des optischen Faraday-Effektes nachweist und ausschließlich optische Signale zur Auswerteelektronik im Stellwerk oder in einem Gleisanschlußkasten überträgt. Hierdurch können die Eingangs beschriebenen Nachteile der bekannten technischen Lösungen hinsichtlich der Funktions- und Störsicherheit überwunden werden, jedoch erweisen sich die hohen Herstellungskosten auf Grund der Verwendung hochwertiger optischer Kristalle als nachteilig für einen breiten Einsatz derartiger optischer Sensoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart zu verbessern, daß bei einfachem Aufbau keine Kompensationsschaltung nötig ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß sich Reed-Kontakte zum Nachweis der Magnetfeldänderung, die durch die Bewegung eines Schienenfahrzeugrades entlang des Gleisschaltmittels hervorgerufen wird, vorteilhaft einsetzen lassen, wenn das Schalten des Reed-Kontaktes eine Intensitätsänderung innerhalb einer optischen Signalübertragungsstrecke zwischen dem Gleisschaltmittel und der Sende-/Empfangseinrichtung im Gleisanschlußkasten oder im Stellwerk bewirkt (im folgenden als "optischer Reed-Kontakt" bezeichnet).

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung der Eingangs genannten Gattung angegeben, bei der besondere Maßnahmen zur Vermeidung fehlerhaften Schaltens infolge von Temperaturschwankungen oder auf Grund starker mechanischer Schwingungen bei solider Ausführung der optischen Reed-Kontakte nicht erforderlich sind. Dadurch können die eingangs beschriebenen Nachteile der bekannten technischen Lösungen überwunden werden.

Die Erfindung befaßt sich mit einem optischen Sensor, der auf der vorteilhaften Verwendung modifizierter Reed-Kontakte 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. 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 optischen Reed-Kontaktes,

Fig. 4a, 4b und 4c: verschiedene Ausführungsformen des optischen Reed-Kontaktes,

Fig. 5a, 5b und 5c: mögliche Anordnungen des optischen Reed-Kontaktes im Magnetfeld und im Gleisschaltmittel,

Fig. 6: eine bevorzugte Ausführungsform der Elektronikbaugruppe.

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 optische Lichtleitfasern 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 optischen Reed-Kontakt im Innern des Gleisschaltmittels 1 registriert und über die Lichtleitfaser 3 zur Elektronikbaugruppe übertragen, wo eine Umsetzung der optischen Signale in elektrische Schaltimpulse erfolgt, die zum Stellwerk übertragen werden können. Bei der Verwendung eines zweiten optischen Reed-Kontaktes b. z. w. 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 Gleisschaltmittels.

Im Innern des nichtmagnetischen abgedichteten Gehäuses 10 befindet sich ein Permanentmagnet 8, in dessen magnetischem Streufeld der optische Reed-Kontakt 7 angeordnet ist. Der Polschuh 9 (z. B. Eisenwinkel) dient zum einen der Erzeugung eines stark inhomogenen Streufeldes am optischen Reed-Kontakt und zum anderen der magnetischen Abschirmung gegenüber dem Schienenkörper. Wenn der Radkranz des Schienenfahrzeugrades 6 in das Magnetfeld "eintaucht", verändert sich dieses Feld hinsichtlich der Richtung und Stärke der Magnetfeldlinien. Ist diese Magnetfeldänderung größer als die Schaltschwelle des optischen Reed-Kontaktes, wird dieser Schließen (oder Öffnen) und eine Intensitätsänderung in der optischen Signalübertragungsstrecke hervorrufen, was von der Elektronikbaugruppe 4 im Gleisanschlußkasten ausgewertet werden kann. In der Elektronikbaugruppe 4 befinden sich die Lichtquelle und der Lichtempfänger.

Die Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines optischen Reed-Kontaktes 7.

Die von der Lichtquelle emittierte Strahlung gelangt über eine optische Lichtleitfaser 3 zum optischen Reed- Kontakt 7, wo sie mit Hilfe der Optik 12 direkt zwischen die Reed-Kontakte 11 fokussiert wird. Die hindurchtretende Strahlung wird mittels der Optik 13 in die mit einem optischen Empfänger verbundene zweite Lichtleitfaser 3 eingekoppelt. Vorzugsweise erfolgt die optische Abbildung derart, daß auch bei geschlossenen Reed-Kontakten ein schwacher Anteil der Strahlung am optischen Empfänger nachgewiesen werden kann, so daß eine permanente Funktionsüberwachung des optischen Sensorsystems ermöglicht wird.

Für die Optiken (12, 13) werden bevorzugt Gradientenindex- oder Mikrolinsen eingesetzt. Es hat sich für die Betriebsstabilität des Sensors als vorteilhaft erwiesen, den Durchmesser der mit der Optik 12 verbundenen Faser 3 kleiner als denjenigen mit der Optik 13 gekoppelten Faser 3 zu wählen. Weiterhin läßt sich die mechanische Stabilität des optischen Sensors durch den Einsatz moderner Vergußtechniken wesentlich erhöhen.

Die Fig. 4a bis 4c zeigen verschiedene mögliche Ausführungsformen des optischen Reed-Kontaktes.

In Fig. 4a ist schematisch ein optischer Reed-Kontakt dargestellt, bei dem die Kontakte 11 mit optischen Blenden (14, 15) versehen wurden, wobei eine der beiden ein Loch besitzt (14), das mit dem Schließen der Kontakte 11 durch die Blende 15 zumindest teilweise abgedeckt wird. Durch eine derartige Anordnung läßt sich eine wesentlich verlustarmere optische Ein- und Auskopplung realisieren, so daß auf die Verwendung der Optiken 12 und 13 u. U. verzichtet werden kann. Die Fig. 4a zeigt eine Ausführungsform, bei der nur auf die Optik 12 verzichtet wurde. Es sind verschiedene weitere Blendenformen und -ausbildungen anwendbar, von denen eine besonders bevorzugte in der Fig. 4a vorgestellt wird. Es handelt sich um zwei für die verwendete optische Strahlung transparente Blenden, die strahlungsundurchlässige Linien enthalten (16, 17), deren Breite und Abstand etwa dem Abstand der Kontakte 11 entspricht. Dadurch kommt es zu einer wesentlichen Vergrößerung der optischen Schaltfläche, wodurch die Empfindlichkeit des optischen Reed-Kontaktes gegen mechanische Dejustierung erheblich vermindert werden kann.

Die Fig. 4b zeigt eine Ausführungsform eines optischen Reed-Kontaktes, der die Reflektion der optischen Strahlung an einer Fläche eines Kontaktes 11 ausnutzt. In der Fig. 4c ist eine besonders einfache Reflektionsanordnung eines optischen Reed-Kontaktes angegeben. Durch das Schließen des Reed-Kontaktes verändert sich der Abstand zwischen dem Strahlaustrittsende der Faser 3 und der reflektierenden Kontaktfläche 11, wodurch der in die Faser 3 zurückreflektierte Strahlungsanteil vermindert wird. Bei dieser Ausführungsform ist ein optischer Strahlteiler oder ein Y-Faserkoppler zwischen Strahlungssender und -empfänger erforderlich, um den reflektierten Strahlungsanteil von der ausgesendeten Strahlung trennen zu können.

In den Fig. 5a bis 5c sind verschiedene Einbauvarianten des optischen Reed-Kontaktes 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. Da es sich bei diesen Änderungen hauptsächlich um sehr kleine Richtungsänderungen des Magnetfeldes handelt, werden die Reed-Kontakte vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie annähernd senkrecht zur Kontaktrichtung von den Magnetfeldlinien durchsetzt werden und demzufolge geöffnet sind. Eine nur relativ schwache Feldrichtungsänderung führt dann zum Schließen der Kontakte, wenn die zusätzliche Feldkomponente in Kontaktrichtung die Schaltschwelle überschreitet. Diese Bedingung läßt sich sehr einfach erfüllen, indem die Magnetfeldstärke senkrecht zur Kontaktrichtung verglichen mit der Schaltschwelle genügend groß gewählt wird.

Es sind auch Anordnungen möglich, bei denen im Ruhezustand die Reed-Kontakte geschlossen sind und die vom Schienenfahrzeugrad hervorgerufene Magnetfeldänderung ein Öffnen der Kontakte bewirkt.

Die Fig. 5a zeigt eine Anordnung, in der ein zusätzlicher kleinerer Magnet 18 derart neben dem optischen Reed-Kontakt 7 angebracht wird, daß durch Verschieben oder Verdrehen dieses Magneten 18 eine Möglichkeit zur Empfindlichkeitsänderung b. z. w. zur nachträglichen Justierung der Anordnung an der Schiene 5 ermöglicht wird.

In der Fig. 5b wird eine mögliche Ausführungsform bei Verwendung eines Hufeisenmagneten gezeigt.

Die Fig. 5c gibt eine Anordnung analog zu der in Fig. 5a wieder, wobei zusätzliche Reed-Kontakte 19 zur Empfindlichkeitssteigerung bezüglich der Magnetfeldänderungen am optischen Reed-Kontakt 7 beim Passieren eines Schienenfahrzeugrades 6 eingesetzt werden. Der Vorteil dieser Anordnung ergibt sich daraus, daß "normale" Reed-Kontakte 19 mit extrem geringen Kontaktabständen, die für die Verwendung in optischen Reed-Kontakten ungeeignet erscheinen, aber eine sehr hohe Empfindlichkeit und eine geringe Schalthysterese besitzen, als eine Art "Sensibilisator" oder "Verstärker" für den unempfindlicheren optischen Reed-Kontakt 7 wirken, indem sie durch ihr Schließen das Magnetfeld um den optischen Reed-Kontakt stark verändern und diesen dadurch Schließen oder Öffnen lassen.

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 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 Fequenz f 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 optischen Reed-Kontakt 7 bewirkt, wodurch dieser schaltet (Schließen) und eine Intesitätsänderung (Abnahme) am Detektor auslöst. Auf Grund der entsprechenden Spannungsänderung ΔU an den Komperatoreingängen der Elektronikbaugruppe wird U_St < U_A < U_I (U_A = U₀-ΔU), das Relais I zieht 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 optischen Reed-Kontaktes, der sich in einem definierten Abstand zum ersten befindet, ausgewertet werden. Hiermit läßt sich auch die Richtung einer Fahrt ermitteln. 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 im Gleisschaltmittel ein zusätzlicher optischer Reed-Kontakt installiert werden, der nach dem Entfernen des Gleisschaltmittels von der Schiene 5 den Strahlengang zum Detektor unterbricht, wodurch das Signal "Störung" gesetzt wird.

Claims (8)

1. Gleisschaltmittel, bestehend aus einem am Gleis angebrachten, auf die durch Vorbeifahrt von Rädern (6) eines Schienenfahrzeugs hervorgerufene Änderung einer physikalischen Größe ansprechenden optischen Sensor und einer in einem Gleisanschlußkasten oder im Stellwerk befindlichen zugehörigen Elektronikbaugruppe (4), wobei der Sensor über mindestens eine Lichtleitfaser (3) mit mindestens einem Strahlungssender und mindestens einem optischen Empfänger in der Elektronikbaugruppe (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe ein Magnetfeld ist, und daß der Sensor ein als optischer Reed-Kontakt (7) bezeichneter Reed-Kontakt mit optischer Abtastung des Schaltzustandes ist, der im Magnetfeld eines oder mehrerer Permanentmagnete (8) so angeordnet ist, daß die Räder (6) eines vorbeifahrenden Schienenfahrzeuges durch ihre Wechselwirkung mit diesem Magnetfeld eine Änderung des Schaltzustandes des optischen Reed-Kontaktes (7) bewirken und dadurch detektierbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (11) des optischen Reed-Kontaktes (7) durch zusätzliche Blenden (12, 13) derart modifiziert werden, daß die optischen Verluste am optischen Reed-Kontakt (7) minimiert sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtastung des Reed-Kontaktes (7) durch Reflexion realisiert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Permanentmagnet (18) mit mechanischen Stellelementen zum Abgleich des optischen Reed-Kontaktes (7) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zusätzliche Reed-Kontakte (19) in der Nähe des optischen Reed-Kontaktes (7) so angeordnet sind, daß deren Schaltzustandsänderung beim Passieren eines Schienenfahrzeugrades (6) ein Schalten des optischen Reed-Kontaktes bewirken.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei optische Reed-Rontakte (7) in einem definierten Abstand an einer Schiene (5) montiert sind, deren optische Signale nach entsprechender Umsetzung in elektrische Impulse mittels einer geeigneten Elektronikbaugruppe (4) zur Ermittlung der Geschwindigkeit und der Richtung einer Fahrt herangezogen werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikbaugruppe (4) einen Mikrorechner für die Ermittlung der Geschwindigkeit und der Richtung einer Fahrt enthält.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem an der Schiene montierten optischen Reed-Kontakt (7) zur Detektion der Schienenfahrzeugräder (6) mindestens ein zusätzlicher optischer Reed-Kontakt zur Detektion des Montagezustandes vorgesehen ist, wobei der zusätzliche optische Reed-Kontakt im Falle einer Demontage seinen Schaltzustand ändert und hieraus ein entsprechendes Störsignal ableitbar ist.