DE19647737A1 - Achsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Achsdetektor. Einrichtungen die­ ser Art werden allgemein zu den Gleisschaltmitteln gezählt und werden dazu verwendet, das Vorhandensein einer oder meh­ rerer Achsen von Schienenfahrzeugen an einem diskreten Ort nachzuweisen. Sie erfüllen innerhalb des schienengebundenen Verkehrs vielfältige Aufgaben. So dienen sie beispielsweise als Sensoren für Einrichtungen zur Sicherung von Wegüber­ gängen, für Einrichtungen der Gleisfreimeldetechnik etc. Gleisschaltmittel arbeiten nach den unterschiedlichsten phy­ sikalischen Prinzipien. Ihre Auslösung kann auf mechanischem, akustischem oder auf vollelektronischem Wege erfolgen. Sie sind in der Regel extremen mechanischen und thermischen Be­ lastungen, sowie elektrischen Störgrößen ausgesetzt, unter­ liegen starker Verschmutzung und sollen bei Fahrzeuggeschwin­ digkeiten zwischen null und ca. 400 km/h noch ein auswertba­ res Verhältnis von Nutz- zu Störsignal liefern.

Herkömmliche Gleisschaltmittel stellen deshalb in der Regel Kompromißlösungen dar. So wird beispielsweise ein mechani­ scher Schienenkontakt kaum von elektromagnetischen Störgrößen beeinflußt, ist aber sehr witterungsabhängig und für hohe Zuggeschwindigkeiten nicht brauchbar. Elektronische Gleis­ schaltmittel detektieren zwar hohe Zuggeschwindigkeiten, sind aber durch thermische und elektromagnetische Störgrößen rela­ tiv stark beeinflußbar. Darüber hinaus detektieren herkömmli­ che Gleisschaltmittel in der Regel ein Rad einer Achse. Sie werten das Vorhandensein des Rades an sich, d. h. seine Last oder seine Materialeigenschaft aus. Oft wird auch nicht die gesamte Radscheibe, sondern nur der Spurkranz hierfür verwen­ det. Dies hat den Nachteil, daß die zulässigen Maßtoleranzen des Spurkranzes das Auswertefeld Nutz- zu Störpegel zusätz­ lich einengen.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Achs­ detektor vorzuschlagen, der weitgehend unempfindlich gegen­ über den genannten Störeinflüssen ist und insbesondere die Nachteile einer Einzelrad-Detektierung vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch einen Achsdetektor nach Anspruch 1 gelöst. Bei einem solchen Achsdetektor ist zwischen den Schienen eines als Detektorabschnitt wirkenden und elektrisch vom übrigen Geleise getrennten Gleisabschnitts ein elek­ trischer Leiter in Form wenigstens einer gegenüber den Schienen isolierten Leiterschleife, einer Detektorschleife verlegt. Diese bildet zusammen mit den Schienen eine Induk­ tivität, die durch eine sich im Detektorabschnitt befindliche Achse veränderbar ist. Eine solche Induktivitätsänderung ist auf technisch einfache und sichere Art und Weise meßtechnisch erfaß- und für signaltechnische Zwecke etc. auswertbar. An dem erfindungsgemäßen Achsdetektor sind somit keine Teile vorhan­ den, die durch Eis, Schnee oder Schmutz beeinflußt werden könnten. Darüber hinaus läßt sich eine Leiter- bzw. Detektor­ schleife so verlegen, daß sie nicht über den Schienenkopf hinausragt, so daß eine mechanische Beeinflussung durch den Zugverkehr praktisch ausgeschlossen ist.

Die Erfassung der Induktivitätsveränderung erfolgt zweck­ mäßiger Weise dadurch, daß die Detektorschleife und die dem Detektorabschnitt zugeordneten Schienenstücke Teile eines Parallelschwingkreises sind, der im folgenden als Detektor­ schwingkreis bezeichnet wird. Dazu ist das eine Ende der Detektorschleife mit einem ersten Schleifenanschlußpunkt an der einen Schiene und deren anderes Ende unter Zwischen­ schaltung eines Kondensators mit einem zweiten Schleifen­ anschlußpunkt an der anderen Schiene verbunden. Diese Schlei­ fenanschlußpunkte sind vorzugsweise in der Mitte des Detek­ torabschnittes und sich diametral gegenüberliegend ange­ ordnet. Durch die in Anspruch 3 angegebene Ausgestaltung weist die Detektorschleife die Form zweier gegensinnig geleg­ ter Windungen bzw. einer 8-förmig gelegten Windung auf. Durch diese Anordnung der Detektorschleife wird ein Einfluß von in den Fahrschienen möglicherweise auftretenden unsymmetrischen Teilen des Fahrstroms auf den Achsdetektor weitgehend unter­ drückt.

Durch die Verlegung der Detektorschleife gem. den Ansprüchen 4 und 5 wird eine positive Gegeninduktion erzielt. Zweck die­ ser Maßnahme ist es, die durch die Achse beeinflußte Induk­ tivität des Achsdetektors zu erhöhen. Je größer diese be­ einflußte Induktivität ist, desto steiler verläuft die Kenn­ linie der vom Achsort abhängigen Schwingkreisspannung, was eine erhöhte Detektionsschärfe zur Folge hat.

Um die innerhalb des Detektorabschnitts angeordneten Schie­ nenabschnitte in den Detektorschwingkreis einzubinden und zu dessen lokaler und elektrischer Begrenzung ist es denkbar, an dessen Abschnittsgrenzen jeweils einen die Schienen über­ brückenden Kurzschlußverbinder vorzusehen. Erfindungsgemäß wird jedoch eine Abgrenzung des Detektorabschnittes nach Anspruch 6 vorgeschlagen. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber Kurzschlußverbindern ist der, daß die verwendeten Saugkreise für von der Resonanzfrequenz des Detektorschwingkreises ab­ weichende Frequenzen hochohmig sind. Außerdem ist die über die Abschnittsgrenzen in benachbarte Gleisabschnitte abge­ strahlte elektrische Energie relativ gering. Ein Achsdetektor der vorgeschlagenen Art eignet sich daher für den Einbau in Gleisstromkreise, ohne daß dies nachteilige Auswirkungen auf den betreffenden Gleisstromkreis hätte, da die Betriebs­ frequenz des Achsdetektors wesentlich größer als die von Gleisstromkreisen gewählt werden kann. Die den Achsdektektor begrenzenden Saugkreise sind für die Gleisstromkreisfrequen­ zen so hochohmig, daß ihr Einfluß auf einen Gleisstromkreis vernachlässigt werden kann.

Die Kondensatoren der Saugkreise sowie jener des Detektor­ schwingkreises sind außerhalb und insbesondere auf derselben Seite des Gleises angeordnet. Die zu einem außerhalb des Gleises angeordneten Kondensator führenden Leiterabschnitte sowohl der Saugkreise als auch des Detektorschwingkreises sind direkt nebeneinander angeordnet. Dadurch wird eine gute elektromagnetische Kopplung erreicht. Die zu ein und dem­ selben Kondensator führenden Leiterabschnitte sind im Be­ triebszustand gegensinnig stromdurchflossen und haben deshalb einen geringen Anteil an der Gesamtinduktivität der Anord­ nung.

Ein erfindungsgemäßer Detektorabschnitt ist vorzugsweise kürzer als der Mittenabstand der Drehgestellachsen eines Schienenfahrzeugs. Auf diese Weise ist es möglich, eine einzelne Achse eines Drehgestells zu detektieren.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Achsdetek­ tors,

Fig. 2a das Ersatzschaltbild des Achsdetektors gemäß Fig. 1,

Fig. 2b ein Schaltbild gemäß Fig. 2a in abstrahierter Form, und

Fig. 3 Kennlinien der vom Achsort abhängigen Schwingkreis­ spannung bei unterschiedlichen Achswiderständen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein wesentlicher Bestandteil eines erfindungsgemäßen Achsdetektors eine Leiterschleife, nämlich eine Detektorschleife 1. Die Detektorschleife er­ streckt sich in Längsrichtung über einen Gleisabschnitt, der im folgenden als Detektorabschnitt 6 bezeichnet wird. Der Detektorabschnitt ist in zwei Hälften unterteilt, die sich jeweils über eine Strecke L erstrecken. In der Mitte 9 des Detektorabschnittes sind an diametral gegenüberliegenden Stellen der Schienen S1 und S2 zwei Schleifenanschlußpunkte E und F angeordnet. Die Detektorschleife umfaßt zwei U-förmige, jeweils zur Mitte 9 des Detektorabschnitts 6 hin offene Halb­ schleifen 7, 8. Die U-Schenkel 13, 14, 15, 16 der Halbschlei­ fen 7, 8 verlaufen parallel zu den Schienen S1 und S2 und sind in engem räumlichen Kontakt zu diesen angeordnet. Vorzugs­ weise sind sie in den Schienenfußkehlen verlegt und er­ strecken sich jeweils nahezu über die gesamte Strecke L der Detektorabschnitthälften. Durch die räumlich enge Verlegung der U-Schenkel mit den Schienen S1 und S2 sind auf diese Weise insgesamt 4 Längs-Kopplungsbereiche 17, 18 gebildet, wobei sich die Längs-Kopplungsbereiche 17 von der Mitte 9 nach der einen und die Längs-Kopplungsbereiche 18 von der Mitte 9 zur anderen Seite erstrecken.

Der der Schiene S1 zugeordnete U-Schenkel 13 ist über einen Mittelabschnitt 19 mit dem der Schiene S2 zugeordneten U-Schenkel 16 der zweiten Halbschleife 8 verbunden. Das der Mitte 9 zugewandte Ende des U-Schenkels 14 der Halbschleife 7 ist über einen Verbindungsabschnitt 20 mit einem in der Mitte 9 an der Schiene S1 angeordneten Schleifenanschlußpunkt E verbunden. Der U-Schenkel 15 der Halbschleife 8 ist mit einem Verbindungsabschnitt 23 und über einen Anschlußpunkt G mit der einen Seite eines Kondensators 2 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 2 ist an einem Anschlußpunkt H mit einem Anschlußleiter 5 verbunden, der zum Schleifenanschluß­ punkt F führt. Der Kondensator 2 ist außerhalb des Gleises und zwar auf der Seite der Schiene S2 angeordnet. Der sich zwischen den Schienen befindliche Bereich des Verbindungs­ abschnittes 23, der Verbindungsabschnitt 20 und der Mittel­ abschnitt 19 sind mit engem räumlichen Kontakt zueinander angeordnet. Die in den genannten Leitern fließenden Ströme beeinflussen sich daher über eine elektromagnetische Kopplung gegenseitig. Im Mittenbereich des Detektorabschnittes ist da­ durch ein weiterer Kopplungsbereich, nämlich der Quer-Kopplungsbereich 24 gebildet. Parallel am Kondensator 2, und zwar an den Anschlußpunkten G und H, ist eine Wechselstrom­ spannungsquelle 4 angeschlossen, wobei zwischen dem Anschluß­ punkt G und der Wechselstromspannungsquelle ein Vorwiderstand 3 zwischengeschaltet ist.

Zentraler Bestandteil des Achsdetektors ist also ein Paral­ lelschwingkreis, nämlich der Detektorschwingkreis 25. Dieser ist allerdings nur dann funktionsfähig, wenn die Detektor­ schleife 1 durch wenigstens eine elektrische Verbindung der beiden Schienen S1 und S2 geschlossen ist. Eine solche elek­ trische Überbrückung der Schienen kann prinzipiell durch ei­ nen Kurzschlußverbinder erfolgen. Erfindungsgemäß sind jedoch zwei den Detektorabschnitt 6 flankierende Saugkreise 26 und 27 mit folgender Ausgestaltung vorhanden: Die Abschnittsgren­ zen des Detektorabschnitts werden durch zwei nahe den Halb­ schleifen 7 und 8 und an diametral gegenüberliegenden Stellen der Schienen angeordnete Anschlußpunkte A/B einerseits und C/D andererseits gebildet. Vom Anschlußpunkt A bzw. C zweigt ein erster Anschlußleiter 28 bzw. 29 ab, der zu einem außer­ halb des Gleises und auf der selben Seite wie der Kondensator 2 angeordneten Saugkreiskondensator 30 bzw. 31 führt. Die jeweils andere Seite der Saugkreiskondensatoren ist jeweils über einen zweiten Anschlußleiter 33 bzw. 34 mit dem an der Schiene S2 angeordneten Anschlußpunkt B bzw. D verbunden Zwischen den Anschlußpunkt B bzw. D und dem Kondensator 30 bzw. 27 ist jeweils eine Spule 32 zwischengeschaltet. Die einem Saugkreis 26 bzw. 27 zugeordneten Anschlußleiter 28, 33 bzw. 29, 34 sind in engen räumlichen Kontakt zueinander ver­ legt. Analoges trifft für den außerhalb des Gleises angeord­ neten Bereich des Verbindungsabschnittes 23 und den Anschluß­ leiter 5 des Detektorschwingkreises 25 zu. Es entstehen somit drei weitere Kopplungsbereiche, nämlich die Anschluß-Kop­ plungsbereiche 35, 36, und 37.

Die zwischen den Schienen angeordneten Bereiche der ersten Anschlußleiter 28 bzw. 29 der Saugkreise 26, 27 stehen je­ weils in engem räumlichen Kontakt mit dem die U-Schenkel 13 und 14 bzw. 15 und 16 verbindenden Verbindungsabschnitt 38 bzw. 39. Im Bereich der Abschnittsgrenzen des Detektorab­ schnittes 6 sind somit zwei weitere Quer-Kopplungsbereiche 40, 41 gebildet.

In den Anschluß-Kopplungsbereichen 35, 36, 37 sind die ent­ sprechenden Leiter bzw. Leiterabschnitte gegensinnig strom­ durchflossen. Der Anteil der Induktivität dieser Anschluß­ leitung an der gesamten Schwingkreisinduktivität wird dadurch besonders gering gehalten. Die Schwingkreiseigenschaften des Achsdetektors sind somit weitgehend unabhängig vom Abstand zwischen den jeweiligen Kondensatoren und der nächstliegenden Fahrschiene.

Ein erfindungsgemäßer Achsdetektor arbeitet wie folgt: Im Betriebszustand sollen die einzelnen Leiterabschnitte des Achsdetektors entsprechend den Stromrichtungspfeilen 43 resonanzstromdurchflossen sein. Aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung der einzelnen Abschnitte der Detektorschleife 1 sowie der zu- und abführenden Leiter ergibt es sich, daß in den Längs-Kopplungsabschnitten 17, 18 der Strom in den U-Schenkeln 13, 14, 15, 16 und den jeweils benachbarten Schienenstücken A-E, B-F, E-C und F-D jeweils dieselbe Richtung hat. Dadurch ergibt sich eine elektromagnetische Kopplung mit positiver Gegeninduktion. Analoge Verhältnisse liegen in den Quer-Kopplungsbereichen 24, 40 und 41 vor. Insgesamt wird auf diese Weise die durch eine den Achsdetektor passierende Fahrzeugachse beeinflußbare Schwing­ kreisinduktivität erhöht. Die Folge ist, daß die Kennlinie der vom Achsort abhängigen Schwingkreisspannung einen steilen Verlauf zwischen den Linien A/B und E/F bzw. zwischen den Linien E/F und C/D hat.

Eine Achse, die sich außerhalb des Detektorabschnittes 6 an der Stelle 44 befindet, beeinflußt den Achsdetektor nur wenig. Diese geringe Beeinflussung ist bedingt durch die Saug- bzw. Trennwirkung der Saugkreise 26 und 27.

Wenn sich eine Achse innerhalb des Detektorabschnittes 6, etwa an der Stelle 45 befindet, wird ein Teil der Induk­ tivität der Längs-Kopplungsbereiche 17 und der durch den Kopplungsbereich 40 gebildeten Induktivität sowie der Saug­ kreis 26 kurzgeschlossen. Der zuvor sich in Resonanz befin­ dende Parallelschwingkreis bzw. Detektorschwingkreis 26 wird dadurch verstimmt und die Schwingkreisspannung sinkt ab.

Wenn sich eine Achse in der Mitte 9 des Detektorabschnittes 6 an der Stelle 46 befindet, erreicht die Schwingkreisspannung ihr Minimum. Ab hier steigt die Spannung mit sich weiter in Richtung auf die Linie C/D zubewegender Achse spiegelsymme­ trisch zum in Fig. 3 links von 44 angeordneten Kurvenast an. Der erfindungsgemäße Achsdetektor ist also spiegelsymmetrisch aufgebaut, wodurch er in beiden Fahrtrichtungen gleiche De­ tektoreigenschaften aufweist.

In Fig. 2a und Fig. 2b sind Ersatzschaltbilder eines erfin­ dungsgemäßen Achsdetektors dargestellt. Darin sind die Schie­ neninduktivitäten einschließlich der zu ihnen gehörenden Gegeninduktivitäten mit x und die Zuleitungsinduktivitäten der Leiterschleife mit y bezeichnet. Der Serienwiderstand der Saugkreise 26 und 27 ist durch die niederohmigen Widerstände ρ versinnbildlicht. Der Widerstand einer Fahrzeugachse ist mit RA bezeichnet. Dieser Widerstand ist zwischen den An­ schlußpunkten E und F wirksam, d. h. es ist in den Ersatz­ schaltbildern eine Situation dargestellt, bei der sich eine Fahrzeugachse an der Stelle 46, also genau in der Mitte 9 des Detektorabschnittes 6 befindet. Es sind dann sämtliche Schie­ neninduktivitäten x kurzgeschlossen, so daß nur noch die In­ duktivitäten y der Detektorschleife 1 wirksam sind.

Der Mitte 9 des Detektorabschnitts 6 entspricht der Ursprung des Achsenkreuzes gem. Fig. 3. Dieser Abbildung ist entnehm­ bar, daß sich der Kennlinienverlauf der vom Achsort abhängi­ gen Schwingkreisspannung bei unterschiedlichen Achswiderstän­ den (0, 0,5 bzw. 1,0 Ohm) nur unwesentlich verändert. Der Grund für den nahezu gleichbleibenden Kennlinienverlauf ist, daß das Verhältnis des Achswiderstands zur Schleifeninduktion (Ra/y) auch bei größeren Achswiderständen noch genügend klein ist. Eine Auswirkung unterschiedlich großer Bettungs­ widerstände des Gleises ist wegen der geringen Längsaus­ dehnung des Achsdetektors nicht feststellbar.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Achsdetektors darin liegt, daß sich im Gleis fließende Fahr-Rückströme wegen der gewählten geometrischen Anordnung der Detektorschleife praktisch nicht nachteilig auf seine Funktionsfähigkeit auswirken können.

Claims (10)

1. Achsdetektor mit einem lokal und elektrisch begrenzten, als Detektorabschnitt (6) wirkenden Gleisabschnitt, in dem mindestens eine zusammen mit den Schienen (S1, S2) eine Induktivität bildende Leiterschleife, nämlich eine Detektor­ schleife (1) angeordnet ist, wobei die Induktivität durch eine den Detektorabschnitt passierende Fahrzeugachse teil­ weise kurzschließbar ist.

2. Achsdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Detektor­ schleife (1) und die dem Detektorabschnitt (6) zugeordneten Schienenstücke (A-E, B-F, E-C, F-D) Teile eines Parallel­ schwingkreises, nämlich eines Detektorschwingkreises (25) sind, wobei das eine Ende der Detektorschleife über einen Schleifenanschlußpunkt (E) mit der einen Schiene (S1) und deren anderes Ende unter Zwischenschaltung eines Kondensators (2) über einen Schleifenanschlußpunkt (F) mit der anderen Schiene (S2) elektrisch verbunden ist.

3. Achsdetektor nach Anspruch 2, bei dem die Detektor­ schleife (1) eine erste und eine zweite U-förmige, jeweils zur Mitte (9) des Detektorabschnitts (6) offene Halbschleife (7, 8) aufweist, deren eine Enden über einen Mittelabschnitt (19) verbunden sind, wobei

• - das Ende des anderen U-Schenkels (14) der ersten Halb­ schleife (7) über einen Verbindungsabschnitt (20) mit dem Schleifenanschlußpunkt (E) der gegenüberliegenden Schiene (S1) und
• - das Ende des anderen U-Schenkels (15) der zweiten Halb­ schleife (8) über einen Verbindungsabschnitt (23) mit der einen Seite eines Kondensators (2) verbunden ist, dessen andere Seite über einen Anschlußleiter (5) mit dem Schlei­ fenanschlußpunkt (F) an der dem U-Schenkel (15) gegen­ überliegenden Schiene (S2) verbunden ist.

4. Achsdetektor nach Anspruch 3, wobei die U-Schenkel (13, 14, 15, 16) der Halbschleifen (7, 8) eng neben den ihnen benachbarten Schienen (S1, S2) angeordnet, insbesondere in den Schienenfußkehlen verlegt und im nicht durch eine Achse beeinflußten Zustand gleichsinnig stromdurchflossen sind.

5. Achsdetektor nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Mittel­ abschnitt (19) und die Verbindungsabschnitte (20, 23) räumlich eng nebeneinander verlegt und im unbeeinflußten Zustand gleichsinnig stromdurchflossen sind.

6. Achsdetektor nach einem der Ansprüche 2-5, bei dem der Detektorabschnitt (6) beidseitig durch je zwei vorzugsweise an diametral gegenüberliegenden Stellen der Schienen (S1, S2) angeordnete Anschlußpunkte (A/B, C/D) begrenzt ist, an die über Anschlußleiter (28, 29, 33, 34) jeweils ein auf die Resonanzfrequenz abgestimmter Saugkreis (26, 27) angeschlos­ sen ist.

7. Achsdetektor nach Anspruch 6, wobei jeweils ein An­ schlußleiter (28, 29) und der die U-Schenkel (13, 14, 15, 16) einer Halbschleife (7, 8) verbindende Verbindungsabschnitt (38, 39) räumlich eng nebeneinander verlegt und im unbeein­ flußten Zustand gleichsinnig stromdurchflossen sind.

8. Achsdetektor nach Anspruch 7, wobei der Kondensator (2) des Detektorschwingkreises (25) und die Kondensatoren (30, 31) der Saugkreise (26, 27) außerhalb und auf derselben Seite des Gleises angeordnet sind.

9. Achsdetektor nach Anspruch 8, wobei die sich außerhalb des Gleises befindlichen und jeweils zu einem Kondensator (2, 30, 31) führenden Leiterabschnitte räumlich eng nebeneinander verlegt sind.

10. Achsdetektor nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der Detektorabschnitt (6) kürzer ist, als der Mittenabstand der Drehgestellachsen eines Schienenfahrzeugs.