DE19641392B4

DE19641392B4 - Sensor

Info

Publication number: DE19641392B4
Application number: DE1996141392
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: DE19641392A1; ATA159897A; AT409480B; CH693062A5; PL322264A1; PL184965B1

Abstract

Sensor zum Erfassen vorbeibewegter, einen Oszillatorschwingkreis (L1, C1) induktiv bedämpfender Eisenmassen mit einer auf die Veränderung der Schwingspannung des Oszillators (V/LC) oder die Veränderung des vom Oszillator (V/LC) aufgenommenen Speisestromes reagierenden Bewertungseinrichtung zum Ausgeben von Sensormeldungen, wobei in einem Rückkopplungskreis des Oszillators (V/LC) ein Filterelement (F) zum Bedämpfen von Schwingungen mit Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz (f_sensor) des Oszillators (V/LC) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Oszillatorschwingkreis (L1, C1) über mindestens einen Kondensator (C2) eine 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 eines Schalttransistors (T) verbunden ist, wobei bei gleichem Wickelsinn der Übertragerwicklungen (n1, n2) die einander entsprechenden Wicklungsanschlüsse und bei unterschiedlichem Wickelsinn die einander nicht entsprechenden Wicklungsanschlüsse mit jeweils einem der Kondensatoren (C2, C3) verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbegriff 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 detektieren und entsprechende Sensormeldungen z. B. an ein Zählwerk für die Frei- und Besetztmeldung eines Gleisabschnittes zu übermitteln. Zum Detektieren vorüberlaufender Eisenbahnräder wertet der Sensor die Bedämpfung seines Oszillatorschwingkreises 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 Bewertungseinrichtung 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 Sensor in einer speisenden Überwachungseinrichtung detektieren. Durch Bedämpfen der niederfrequenten Strörspannungen wird verhindert, dass diese den Oszillator übersteuern können, wobei die Schwingungen des Oszillators aussetzen oder zumindest deutlich vermindert würden.
Unglücklicherweise sprechen die Radsensoren nicht nur auf vorüberlaufende Fahrzeuge an, sondern u. a. auch auf fahrzeugseitige Wirbelstrombremsen, wobei es in Abhängigkeit vom Betriebszustand der einzelnen Wirbelstrombremsen gelegentlich zu keinem, zu einem oder zu mehreren eine Beeinflussung anzeigenden Sensormeldungen kommen kann. Die Beeinflussung eines Oszillators durch eine Wirbelstrombremse ist im Wesentli chen abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Wirbelstrombremse vorbeibewegt wird und durch die Stärke des die Schwingkreisinduktivität durchsetzenden Störfeldes der Bremse. Obgleich die zeitlichen Änderungen des Streufeldes von Wirbelstrombremsen auch bei hohen Geschwindigkeiten weit unterhalb der Resonanzfrequenz der Radsensoren liegen, was wegen der Selektivität der Schwingkreise an sich unbedenklich ist, entstehen durch die Intensität der magnetischen Streufelder 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 möglichst 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 Bereich 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 elektronischen Doppelschienenkontakt bekannt, bei der ein nichtlineares Schaltelement, das von den Magnetfeldern einer abgesenkten und erregten Wirbelstrombremse einzustellen ist, die Schwingkreise der Sensoroszillatoren vorübergehend kurzschließt und damit ebenfalls die Ausgabe von Radsensormeldungen 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 Arbeitsstromprinzip 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 Wirbelstrombeeinflussungen vorgesehenen Elemente bei jeder Radbefahrung in den Bewertungsvorgang für die Sensormeldungen einbezogen sind, so dass zu erwarten steht, dass sie dann, wenn sie wirklich benötigt werden, nämlich beim Vorbeibewegen eingeschalteter Wirbelstrombremsen, auch tatsächlich funktionsfähig sind und zuverlässig reagieren, ohne dass die Amplitude des Nutzsignals erheblich herabgesetzt wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1, wonach eine spezielle Ausgestaltung eines Filterelementes vorgesehen ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sind in dem Unteranspruch und einer figürlichen Darstellung eines Ausführungsbeispiels angegeben. So soll nach der Lehre des Anspruches 2 der Widerstand in der Schaltung gemäß Hauptanspruch der Emitterwiderstand des Schalttransistors sein soll.
Durch eine spezielle, in der Figurenbeschreibung unten näher erläuterte Dimensionierung der Bauelemente der Schaltung wird erreicht, dass das Sensorsignal nach Maßgabe der gewählten Rückkopplung quasi ungedämpft auf den Sensoroszillator zurückgeführt wird, während die sehr viel niederfrequenteren, auf Wirbelstrombremsenbeeinflussung basierenden Störspannungen nahezu vollständig abgeblockt werden und daher den Sensoroszillator auch so gut wie nicht beeinflussen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Schaltungen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 das Prinzip eines nach dem Prinzip des induktiven Nährungsinitiators arbeitenden bekannten Radsensors, in
2 das Prinzip des aus der DE 36 43 970 bekannten Sensors und in
3 eine konkrete Schaltung eines Radsensors nach der Erfindung.
Zur Erläuterung der Probleme der Störbeeinflussung von Radsensoren durch Wirbelstrombremsen wird bezug genommen auf 1. Ein Verstärker V mit definiertem Verstärkungsfaktor v erzeugt an einem Schwingkreis LC eine Wechselspannung U_sensor, wenn das auf seinen Eingang zurückgekoppelte Signal k·U_sensor (k < 1) mit der Bedingung k·v > 1 ausreichend verstärkt wird, um die Verluste des Schwingkreises LC auszugleichen. Das auf das Magnetfeld der Sensorinduktivität einwirkende Metall des Spurkranzes eines Fahrzeugrades erhöht die Verluste des Schwingkreises LC vorübergehend und führt zu einem Abreißen der Schwingungen oder zu einer Verringerung der Amplitude.
Starke zeitlich veränderliche Magnetfelder wie das Streufeld einer voll erregten und schnell bewegten linearen Wirbelstrombremse erzeugen in der Sensorinduktivität eine Störspannung 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 LC bewegen. Auf den Verstärkereingang wird dann zusätzlich zu dem zurückge koppelten Signal k·U_sensor die Spannung k·U_stör geleitet. Dieser Störanteil kann den Verstärker V so übersteuern, dass die Ansteuerung des Schwingkreises LC 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 Radspurkranzes.
Da sich die in der Schwingkreisinduktivität des Sensors induzierte Störspannung frequenzmäßig außerordentlich stark unterscheidet von der Arbeitsfrequenz des Oszillators V/LC, können die beiden am Oszillatorschwingkreis LC anstehenden Spannungen wieder in ihre Komponenten aufgeteilt werden, wobei die eine Spannung, nämlich die bremsenbedingte Störspannung, durch geeignete Maßnahmen herausgefiltert wird. Die DE 36 43 970 C2 sieht deshalb vor, die Auswirkung des Störers durch ein dem Verstärkereingang vorgeschaltetes Filterelement F mit Hochpasscharakter zu reduzieren. Hierzu wird auf 2 Bezug genommen.
Wie in 1 liegt an der Sensorinduktivität des Oszillatorschwingkreises LC neben der Sensorspannung U_sensor die durch das Magnetfeld einer vorbeibewegten Wirbelstrombremse induzierte Störspannung U_stör an; beide Spannungen unterscheiden sich in ihren Frequenzen f_stör, f_sensor markant voneinander. In den Rückkopplungszweig des Verstärkers V ist das Filterelement F geschaltet, das Schwingungen im Bereich der Oszillatorfrequenz f_sensor quasi ungedämpft passieren läßt, aber die sehr viel niederfreqenteren Schwingungen der eingekoppelten Störspannung U_stör abblockt. Bei hinreichender Dämpfung des rückgekoppelten Störsignals k·d·U_stör für eine Dämpfung d << 1 wirkt sich die Störspannung U_stör nicht mehr auf die Betriebsparameter des Verstärkers V aus und beeinträchtigt damit nicht die Schwingkreisansteuerung und weitere Auswertung der Sensorspannung U_sensor. Die Dämpfung der Sensorspannung U_sensor liegt in der Größenordnung von 1, d. h. die Sensorspannung U_sensor wird in dem Filterelement 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 f_sensor liegt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung für einen 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 Sensorinduktivität durch das Metall eines Spurkranzes verringert. Die Wechselspannung des Schwingkreises wird über einen Kondensator C2 einer Primärwicklung n1 eines Übertragers Tr zugeführt. Von der Sekundärwicklung n2 des Übertragers Tr wird ein Teil der Schwingkreisspannung gemäß dem Übersetzungsverhältnisses n2 : n1 (n2 < n1) über einen Kondensator C3 auf einen Emitter eines Schalttransistors T zurückgekoppelt.
Das Filterelement F gemäß 2 wird erfindungsgemäß aus den Elementen C2, Tr und R gebildet. Der Charakter des Filters verursacht zwei Effekte. Zum einen wird mit dem Kondensator C2 und den über den Übertrager Tr zum Schwingkreis tranformierten Emitterwiderstand R ein RC-Hochpass mit der Zeitkonstanten Th = (n1/n2)²·R·C2 gebildet. Der aus C2 und dem transformierten Emitterwiderstand R gebildete RC-Hochpass dämpft den Störanteil der dem Schalttransistor T zugeführten Spannung etwa um den Faktor 10. Den zweiten, wesentlich stär ker wirksamen Effekt verursacht die Reihenschaltung der frequenzabhängigen Wechselstromwiderstände des Kondensators C2 mit R_C2 = 1/ω·C2 und R_LTr = ω·L_Tr der Primärwicklung n1 des Übertragers Tr. 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 unverändert auf die Primärwicklung n1 des Übertragers Tr geleitet, so dass die zur Aufrechterhaltung der Oszillation notwendigen Bedingungen gegeben sind. Für das niederfrequente Störsignal hingegen ändern sich die Widerstandsverhältnisse R_C2 : R_LTr entscheidend. Die Störspannung U_stör fällt fast vollständig am Kondensator C2 ab, so dass auf den Übertrager Tr ein nur vernächlässigbar geringer Störanteil gelangt. Am Emitter des Schalttransistors T tritt somit keine die Oszillation und die weitere Signalverarbeitung beeinträchtigende Störspannung auf. In der praktischen Anwendung der Erfindung hat sich gezeigt, dass die auf den Schalttransistor T 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. Diese Zahlen zeigen, dass der Einfluss erregter Wirbelstrombremsen auf einen nach dem Prinzip des induktiven Näherungsinitiators arbeitenden Radsensor nahezu zu null gemacht werden kann, ohne dass dies nennenswerte Auswirkungen auf die Radbeeinflussungen selbst hat, d. h. das Ansprechverhalten des erfindungsgemäßen Sensors ändert sich nur hinsichtlich der Störbeeinflussung, nicht aber hinsichtlich der Nutzbeeinflussung.
Das erfindungsgemäß geschaltete Filterelement zum Abblocken niederfrequenter Störspannungen U_stör läßt sich bei jedem beliebigen Sensor mit Vorteil anwenden, unabhängig davon, ob der Oszillator bei unbeeinflußtem oder bei beeinflußtem Sensor auf seiner Resonanzfrequenz schwingt oder ob die Schwingungen im unbeeinflußten oder beeinflußten Zustand abreißen oder sich in ihrer Amplitude nur ändern. Dies ist eine Frage der schaltungstechnischen Ausgestaltung des Sensors und des verwendeten Sensorprinzips und nicht eine Frage der Störbeeinflussung durch äußere Magnetfelder.

Claims

Sensor zum Erfassen vorbeibewegter, einen Oszillatorschwingkreis (L1, C1) induktiv bedämpfender Eisenmassen mit einer auf die Veränderung der Schwingspannung des Oszillators (V/LC) oder die Veränderung des vom Oszillator (V/LC) aufgenommenen Speisestromes reagierenden Bewertungseinrichtung zum Ausgeben von Sensormeldungen, wobei in einem Rückkopplungskreis des Oszillators (V/LC) ein Filterelement (F) zum Bedämpfen von Schwingungen mit Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz (f_sensor) des Oszillators (V/LC) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Oszillatorschwingkreis (L1, C1) über mindestens einen Kondensator (C2) eine 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 eines Schalttransistors (T) verbunden ist, wobei bei gleichem Wickelsinn der Übertragerwicklungen (n1, n2) die einander entsprechenden Wicklungsanschlüsse und bei unterschiedlichem Wickelsinn die einander nicht entsprechenden Wicklungsanschlüsse mit jeweils einem der Kondensatoren (C2, C3) verbunden sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R) der Emitterwiderstand des Schalttransistors (T) ist.