DE19641392A1 - Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1. Ein solcher Sensor ist z. B. aus der DE 36 43 970 C2 bekannt. Er dient dazu, die Räder von auf Schienen vorüberlaufenden Eisenbahnfahrzeugen zu detek­ tieren und entsprechende Sensormeldungen z. B. an ein Zähl­ werk für die Frei- und Besetztmeldung eines Gleisabschnittes zu übermitteln. Zum Detektieren vorüberlaufender Eisenbahnrä­ der wertet der Sensor die Bedämpfung seines Oszillator­ schwingkreises durch die Eisenmassen der Fahrzeugräder aus. Dabei verändert sich die am Oszillatorschwingkreis anstehende Sensorspannung oder aber der vom Oszillator aufgenommene Speisestrom gegenüber dem nicht befahrenen Sensor. Eine Be­ wertungseinrichtung erkennt dies und reagiert daraufhin mit entsprechenden Sensormeldungen. Die Sensormeldungen können durch unterschiedliche Stromaufnahmen des Sensors dargestellt sein; die jeweilige Stromaufnahme läßt sich weit ab vom Sen­ sor in einer speisenden Überwachungseinrichtung detektieren.

Unglücklicherweise sprechen die Radsensoren nicht nur auf vorüberlaufende Fahrzeuge an, sondern u. a. auch auf fahr­ zeugseitige Wirbelstrombremsen, wobei es in Abhängigkeit vom Betriebszustand der einzelnen Wirbelstrombremsen gelegentlich zu keinem, zu einem oder zu mehreren eine Beeinflussung an­ zeigenden Sensormeldungen kommen kann. Die Beeinflussung ei­ nes Oszillators durch eine Wirbelstrombremse ist im wesentli­ chen abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Wirbel­ strombremse vorbeibewegt wird und durch die Stärke des die Schwingkreisinduktivität durchsetzenden Störfeldes der Brem­ se. Obgleich die zeitlichen Änderungen des Streufeldes von Wirbelstrombremsen auch bei hohen Geschwindigkeiten weit un­ terhalb der Resonanzfrequenz der Radsensoren liegen, was we­ gen der Selektivität der Schwingkreise an sich unbedenklich ist, entstehen durch die Intensität der magnetischen Streu­ felder linearer Wirbelstrombremsen so hohe Störspannungen, daß die Radsensoren darauf mit entsprechenden Sensormeldungen reagieren können, die das Vorüberlaufen eines Fahrzeugrades vortäuschen.

Um das Entstehen solcher fehlerhafter Sensormeldungen mög­ lichst zu vermeiden, gibt es verschiedene Lösungsansätze. So sieht z. B. die DE 32 00 553 C2 die Anordnung einer auf das Feld von Fahrzeugbremsen ansprechenden Magnetfeldsonde im Be­ reich eines Radsensors vor, die beim Erkennen eines solchen Magnetfeldes für die Dauer ihrer Beeinflussung das Ausgeben von Radsensormeldungen unterbindet.

Aus der DE 37 20 576 A1 ist eine Einrichtung an einem elek­ tronischen Doppelschienenkontakt bekannt, bei der ein nicht­ lineares Schaltelement, das von den Magnetfeldern einer abge­ senkten und erregten Wirbelstrombremse einzustellen ist, die Schwingkreise der Sensoroszillatoren vorübergehend kurz­ schließt und damit ebenfalls die Ausgabe von Radsensormeldun­ gen verhindert.

Beide Einrichtungen zum Erkennen der von fahrzeugseitigen Wirbelstrombremsen ausgehenden Magnetfelder sprechen auf nicht mit eingeschalteten Wirbelstrombremsen ausgestattete Fahrzeuge nicht an. Sie arbeiten damit nach dem Arbeitsstrom­ prinzip und sind nicht funktionsüberwacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so weiterzubilden, daß alle für das Erkennen und Unwirksammachen von Wirbelstrombe­ einflussungen vorgesehenen Elemente bei jeder Radbefahrung in den Bewertungsvorgang für die Sensormeldungen einbezogen sind, so daß zu erwarten steht, daß sie dann, wenn sie wirk­ lich benötigt werden, nämlich beim Vorbeibewegen eingeschal­ teter Wirbelstrombremsen, auch tatsächlich funktionsfähig sind und zuverlässig reagieren.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Durch das vorgesehene Be­ dämpfen der niederfrequenten Störspannungen wird verhindert, daß diese den Oszillator übersteuern können, wobei die Schwingungen des Oszillators aussetzen oder zumindeste deut­ lich vermindert würden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Sensors sind in den Unteransprüchen angegeben. So soll nach der lehre des Anspruches 2 das Filterelement vorzugsweise als Hochpaßfilter ausgebildet sein. Eine spezi­ elle Ausgestaltung eines solchen Hochpaßfilters für einen be­ stimmten Sensor ist im Anspruch 3 angegeben, wobei gemäß An­ spruch 4 der im Anspruch 3 erwähnte Widerstand der Emitterwi­ derstand des Oszillatortransistors sein soll.

Durch die Dimensionierung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß das Sensorsignal nach Maßgabe der gewählten Rückkopplung qua­ si ungedämpft auf den Sensoroszillator zurückgeführt wird, während die sehr viel niederfrequenteren, auf Wirbelstrom­ bremsenbeeinflussung basierenden Störspannungen nahezu voll­ ständig abgeblockt werden und daher den Sensoroszillator auch so gut wie nicht beeinflussen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 das Prinzip eines nach dem Prinzip des induktiven Nährungsinitiators arbeitenden bekannten Radsensors, in

Fig. 2 das Prinzip des erfindungsgemäßen Sensors und in

Fig. 3 die konkrete Ausgestaltung eines Radsensors mit einer nach der Erfindung vorgesehenen Filtereinrichtung.

Zur Erläuterung der Probleme der Störbeeinflussung von Rad­ sensoren durch Wirbelstrombremsen wird bezug genommen auf Fig. 1. Ein Verstärker V mit definiertem Verstärkungsfaktor v erzeugt an einem Schwingkreis LC die Wechselspannung U_sensor, wenn das auf seinen Eingang zurückgekoppelte Signal k·U_sensor (k < 1) mit der Bedingung k·v < 1 ausreichend ver­ stärkt wird, um die Verluste des Schwingkreises auszuglei­ chen. Das auf das Magnetfeld der Sensorinduktivität einwir­ kende Metall des Spurkranzes eines Fahrzeugrades erhöht die Verluste des Schwingkreises vorübergehend und führt zu einem Abreißen der Schwingungen oder bei Sensortypen nach der DE 36 43 970 C2 zu einer Verringerung der Amplitude.

Starke zeitlich veränderliche Magnetfelder wie das Streufeld einer voll erregten und schnell bewegten linearen Wirbel­ strombremse erzeugen in der Sensorinduktivität eine Störspan­ nung U_stör, welche die Größenordnung der Sensorspannung U_sensor erreichen oder überschreiten kann, auch wenn sich die zeitlichen Änderungen bzw. die Frequenzen der Störung weit unter der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bewegen. Auf den Verstärkereingang wird dann zusätzlich zu dem zurückge­ koppelten Signal k·U_sensor die Spannung k·U_stör geleitet. Die­ ser Störanteil kann den Verstärker so übersteuern, daß die Ansteuerung des Schwingkreises mit der Resonanzfrequenz f_sensor nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Die Schwingungen reißen dann ab bzw. ihre Amplitude sinkt, wobei der Sensor eine ähnliche Reaktion zeigt wie auf das Metall eines Rad­ spurkranzes.

Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis zum Eliminieren des störenden Einflusses voll erregter Wirbelstrombremsen auf Radsensoren liegt darin, daß sich die in der Schwingkreisin­ duktivität des Sensors induzierte Störspannung frequenzmäßig außerordentlich stark unterscheidet von der Arbeitsfrequenz des Oszillators und daß es deshalb möglich sein müßte, die beiden am Oszillatorschwingkreis anstehenden Spannungen wie­ der in ihre Komponenten aufzuteilen und die eine Spannung, nämlich die bremsenbedingte Störspannung, durch geeignete Maßnahmen herauszufiltern. Die Erfindung sieht hierzu vor, die Auswirkung des Störers durch ein dem Verstärkereingang vorgeschaltetes Filterelement F mit Hochpaßcharakter zu redu­ zieren. Hierzu wird auf Fig. 2 Bezug genommen.

Wie in Fig. 1 liegt an der Sensorinduktivität des Oszilla­ torschwingkreises LC neben der Sensorspannung U_sensor die durch das Magnetfeld einer vorbeibewegten Wirbelstrombremse induzierte Störspannung U_stör an; beide Spannungen unter­ scheiden sich in ihren Frequenzen f_stör, f_sensor markant von­ einander. In den Rückkopplungszweig des Verstärkers V ist das erfindungsgemäß vorgesehene Filterelement F geschaltet, das Schwingungen im Bereich der Oszillatorfrequenz f_sensor quasi ungedämpft passieren läßt, aber die sehr viel niederfrequente­ ren Schwingungen der eingekoppelten Störspannung U_stör ab­ blockt. Bei hinreichender Dämpfung des rückgekoppelten Stör­ signals k·d·U_stör für eine Dämpfung d 1 wirkt sich die Störspannung nicht mehr auf die Betriebsparameter des Ver­ stärkers aus und beeinträchtigt damit nicht die Schwingkreis­ ansteuerung und weitere Auswertung der Sensorspannung U_sensor. Die Dämpfung der Sensorspannung U_sensor liegt in der Grö­ ßenordnung von 1, d. h. die Sensorspannung wird in dem Filte­ relement F so gut wie nicht vermindert. Das Filterelement F ist vorzugsweise als Hochpaßfilter ausgeführt; es kann aber auch ein Bandfilter vorgesehen sein, dessen Durchlaßfrequenz im Bereich der Sensorfrequenz liegt.

Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Sensor, wie er in etwa aus der DE 36 43 970 C2 bekannt ist; wegen der Einzelheiten wird auf diese Patentschrift verwiesen. Eine Sensorinduktivität L1 bildet mit einem Kondensator C1 einen Schwingkreis, dessen Güte sich bei einer Bedämpfung der Sen­ sorinduktivität durch das Metall eines Spurkranzes verrin­ gert. Die Wechselspannung des Schwingkreises wird über einen Kondensator C2 der Primärwicklung n1 eines Übertragers Tr zu­ geführt. Von der Sekundärwicklung n2 des Übertragers wird ein Teil der Schwingkreisspannung gemäß dem Übersetzungsverhält­ nisses n2 : n1 (n2 < n1) über einen Kondensator C3 auf den Emitter eines Oszillatortransistors T zurückgekoppelt.

Das Filterelement wird aus den Elementen C2, Tr und R gebil­ det. Der Charakter des Filters verursachen zwei Effekte. Zum einen wird mit dem Kondensator C2 und den über den Übertrager Tr zum Schwingkreis transformierten Emitterwiderstand R ein RC-Hochpaß mit der Zeitkonstanten Th = (n1/n2)²·R·C2 gebil­ det. Der aus C2 und dem transformierten Emitterwiderstand R gebildete RC-Hochpaß dämpft den Störanteil der dem Schalt­ transistor T zugeführten Spannung etwa um den Faktor 10. Den zweiten, wesentlich stärker wirksamen Effekt verursacht die Reihenschaltung der frequenzabhängigen Wechselstromwiderstän­ de des Kondensators C2 mit R_C2 = i/ω·C2 und R_LTr = ω·L_Tr der Primärwicklung des Übertragers. Im Bereich der weit über der Frequenz des Störsignales f_stör liegenden Resonanzfrequenz f_sensor des Schwingkreises ist R_C2 sehr viel kleiner als R_LTr. Die Resonanzspannung des Schwingkreises wird nahezu unverän­ dert auf die Primärwicklung des Übertragers Tr geleitet, so daß die zur Aufrechterhaltung der Oszillation notwendigen Be­ dingungen gegeben sind. Für das niederfrequente Störsignal hingegen ändern sich die Widerstandsverhältnisse R_C2 : R_LTr entscheidend. Die Störspannung fällt fast vollständig am Kon­ densator C2 ab, so daß auf den Übertrager Tr ein nur vernach­ lässigbar geringer Störanteil gelangt. Am Emitter des Oszil­ latortransistors tritt somit keine die Oszillation und die weitere Signalverarbeitung beeinträchtigende Störspannung auf. In der praktischen Anwendung der Erfindung hat sich ge­ zeigt, daß die auf den Oszillatortransistor zurückgeführte Störspannung bei Anwendung der Erfindung auf einen Wert von 0,05% der ursprünglichen Amplitude zu begrenzen ist; dabei vermindert sich die Amplitude der Sensorspannung durch den Filtervorgang um lediglich 5% auf 95% der ursprünglichen Amplitude. Dieses Zahlen zeigen, daß der Einfluß erregter Wirbelstrombremsen auf einen nach dem Prinzip des induktiven Näherungsinitiators arbeitenden Rad_sensor nahezu zu null ge­ macht werden kann, ohne daß dies nennenswerte Auswirkungen auf die Radbeeinflussungen selbst hat, d. h. das Ansprechver­ halten des erfindungsgemäßen Sensors ändert sich nur hin­ sichtlich der Störbeeinflussung, nicht aber hinsichtlich der Nutzbeeinflussung.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Filterelement zum Abblocken niederfrequenter Störspannungen läßt sich bei jedem beliebi­ gen Sensor mit Vorteil anwenden unabhängig davon, ob der Os­ zillator bei unbeeinflußtem oder bei beeinflußtem Sensor auf seiner Resonanzfrequenz schwingt oder ob die Schwingungen im unbeeinflußtem oder beeinflußtem Zustand abreißen oder sich in ihrer Amplitude nur ändern. Dies ist eine Frage der schal­ tungstechnischen Ausgestaltung des Sensors und des verwende­ ten Sensorprinzips und nicht eine Frage der Störbeeinflussung durch äußere Magnetfelder.

Claims (5)

1. Sensor zum Erfassen vorbeibewegter, den Schwingkreis eines Oszillators induktiv bedämpfender Eisenmassen mit einer auf die Veränderung der Schwingspannung des Oszillators oder die Veränderung des vom Oszillator aufgenommenen Speisestromes reagierenden Bewertungseinrichtung zum Ausgeben von Sensor­ meldungen, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkopplungskreis des Oszillators (V, LC) ein Filte­ relement (F) zum Bedämpfen von Schwingungen mit Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz (f_sensor) des Oszillators an­ geordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (F) ein Hochpaßfilter ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillatorschwingkreis (L1, C1) über mindestens einen Kondensator (C2) die Primärwicklung (n1) eines Übertragers (Tr) parallelgeschaltet ist, dessen Sekundärwicklung (n2) mit ihrem einen Anschluß über einen weiteren Kondensator (C3) und mit ihrem anderen Anschluß über einen Widerstand (R) mit dem Emitter des Oszillatortransistors (T) verbunden ist, wobei bei gleichem Wickelsinn der Übertragerwicklungen (n1, n2) die einander entsprechenden Wicklungsanschlüsse und bei unter­ schiedlichem Wickelsinn die einander nicht entsprechenden Wicklungsanschlüsse mit jeweils einem der Kondensatoren (C2, C3) verbunden sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) der Emitterwiderstand des Oszillator­ transistors (T) ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (C2) und die mit ihr in Reihe liegende Induktivität des Übertragers (Tr) so gewählt sind, daß der frequenzabhängige Widerstand (R_C2) des Konden­ sators im Bereich der Resonanzfrequenz (f_sensor) des Oszilla­ tors sehr viel größer ist als der frequenzabhängige Wider­ stand (R_LTr) der Übertragerinduktivität.