DE19959233A1 - Induktiver Sensor zum Erfassen von Metallteilen - Google Patents

Induktiver Sensor zum Erfassen von Metallteilen

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Abstract

Ein induktiver Sensor zum Erfassen von Metallteilen hat die folgenden Bestandteile: DOLLAR A eine induktive Spule (Sensorspule), einen Stromkreis, in den die Sensorspule (5) eingeschlossen ist (Sensor-Stromkreis), eine Auswertschaltung zum Erfassen der induktiven Bedämpfung des Stromkreises anhand einer elektrischen Meßgröße des Sensor-Stromkreises (Strom oder Spannung). Ferner ist dem Sensor eine induktive Prüfspule zugeordnet, welche in einen Prüf-Stromkreis, vorzugsweise Prüf-Schwingkreis, eingeschlossen ist, welcher zum Zwecke der Prüfung des Sensors für eine bestimmte Zeitdauer aktivierbar ist. DOLLAR A Die Prüfspule besteht aus einer oder wenigen Windungen. DOLLAR A Der Prüf-Schalter des Prüf-Stromkreises ist durch einen Spannungs- oder Stromimpuls der Auswertschaltung schließbar und/oder öffenbar. DOLLAR A Die Erfindung kann auch auf Mehrfach-Sensoren angewandt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor zum Erfassen von Metallteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dieser Sensor ist durch die DE 43 25 406.3 A1 (TiG 9201) bekannt.
Auf diese Beschreibung wird hinsichtlich Aufbau und Funktion eines Ausführungsbeispiels eines derartigen Sensors ausdrücklich Bezug genommen.
Derartige Sensoren werden zur Erfassung der Bewegung und Anwesenheit metallischer Gegenstände verwandt. Dabei sind Anwendungen denkbar, die nur sporadisch erfolgen, gleichwohl aber ein Höchstmaß an Sicherheit erfordern. Derartige Anwendungen kommen insbesondere im Eisenbahnverkehr vor, im folgenden wird auf die Verwendung derartiger Sensoren im Eisenbahnverkehr Bezug genommen. Damit ist allerdings keine Einschränkung auf diesen Anwendungsbereich verbunden.
Die Funktionsfähigkeit des bekannten wie auch anderer derartiger Sensoren, welche das elektromagnetische Feld zur Erfassung des Gegenstandes nutzen, kann nur dadurch festgestellt werden, daß man einen Versuch macht. Es ist also nach längerer Ruhezeit eines Gleises, das durch einen derartigen Sensor gesichert ist, erforderlich, daß ein Fahrzeug das Gleis langsam befährt und dabei die Funktion des Sensors überprüft wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Sensor so auszurüsten, daß seine Funktionsfähigkeit jederzeit und ohne einen Versuchsbetrieb und ohne Untersuchung der Einzelteile des Sensors auf mechanische oder elektrische Fehler überprüft werden kann.
Die Lösung ergibt sich aus Anspruch 1.
Dabei ist die induktive Spule (Sensorspule) in einen Stromkreis eingeschlossen, dessen Strom oder Spannungsabfall an einem Meßwiderstand sich bei Annäherung eines metallischen Gegenstandes ändert infolge der Änderung des elektromagnetischen Feldes der Sensorspule.
Bei dem Sensor-Stromkreis handelt es sich vorzugsweise um einen Schwingkreis, in den die Sensorspule 5 mit einem Kondensator eingeschlossen ist (Sensor- Schwingkreis) (Anspruch 2).
Die Auswertschaltung ist mit Meßeinrichtungen für die Spannung oder den Strom des Sensor-Stromkreises, insbesondere Sensor-Schwingkreises ausgestattet. Der Sensor-Stromkreis wird dauernd, d. h. kontinuierlich oder in regelmäßigem Takt mit Spannung versorgt.
Das Signal, das der Auswertschaltung aufgegeben wird, wenn ein metallischer Gegenstand von bestimmter Größe in einen bestimmten Abstand zu dem Sensor gelangt, ist von charakteristischem Verlauf.
Durch die Ausgestaltung des Sensors nach dieser Erfindung kann die Annäherung eines Gegenstandes simuliert werden, indem die Sensorspule 5 durch die Prüfspule in ähnlicher Weise bedämpft wird. Die Auswertschaltung zum Erfassen der induktiven Bedämpfung des Schwingkreises erhält dadurch bei voller mechanischer und elektrischer Funktionsfähigkeit des Sensors und der Auswertschaltung ein elektrisches Signal, das der elektrischen Meßgröße des Sensor-Stromkreises (Strom oder Spannung), insbesondere Sensor- Schwingkreises entspricht.
Der Prüfstromkreis der Prüfspule kann eine eigene Stromversorgung, z. B. Batterie, haben oder durch die Auswertschaltung mit Strom versorgbar sein. Der Prüfstromkreis kann von Hand oder automatisch in regelmäßigen Zeitabständen geschlossen werden.
Der Prüfstromkreis ist vorzugsweise ebenfalls Schwingkreis (Prüf- Schwingkreis).
Eine sehr wirksame und feinfühlig einstellbare sowie stets reproduzierbare Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes der Sensorspule 5 läßt sich erreichen, indem man die Prüfspule konzentrisch um den Kern der Sensorspule 5 anordnet. Dabei ist die Prüfspule von der Sensorspule galvanisch getrennt und unabhängig von dieser in den Prüfstromkreis einschaltbar (Anspruch 3). Das hat den Vorteil, daß die Prüfspule von der Sensorspule nicht mechanisch getrennt werden kann, so daß dadurch keine Störungen entstehen können.
Dabei hat sich als ausreichend herausgestellt, daß die Prüfspule aus einer oder wenigen Windungen besteht (Anspruch 4).
Um die Verdrahtung des Prüfstromkreises bzw. des Prüf-Schwingkreises zu minimieren und dadurch eine Fernbedienung zu ermöglichen ist der Prüf-Schalter, durch den der Prüfstromkreis mit seiner Spannungsquelle verbunden wird, durch einen Spannungs- oder Stromimpuls der Auswertschaltung schließbar und/oder öffenbar (Anspruch 5).
Das Öffnen des Prüf-Schalters kann ohne weitere Verdrahtung auch durch ein Zeitglied, z. B. Kondensatorschaltung geschehen, die durch den Schließimpuls in Gang gesetzt wird.
In der Ausführung der Erfindung nach Anspruch 7 und insbesondere Anspruch 8 wird durch die Auswertung der Meßgröße des Sensorstromkreises ein eindeutiges Signal erzeugt, das eine eindeutige Weiterverwertung ohne die Gefahr von Mißverständnissen gestattet. In der Eisenbahntechnik wird dieses Signal als Meldung interpretiert und signalisiert, daß ein Gleis belegt ist (Belegt-Meldung, Anwesenheitssignal). Dasselbe Signal wird auch simuliert, wenn der Prüfstromkreis mit der Prüfspule aktiviert wird. Auch hier ist es wichtig und bedeutsam, daß das durch Auswertung entstandene Signal eindeutig genug ist, um als Belegt-Meldung zu dienen und signalisiert zu werden.
Anspruch 8 hat darüber hinaus den Vorteil, daß ein Rechteck-Signal erzeugt wird, das auch zu Schaltzwecken z. B. für Signalanlagen, Weichen u. a. geeignet ist.
Anspruch 9 erlaubt darüber hinaus auch die Erkennung eines Kabelbruchs bzw. eines Kurzschlusses zwischen Sensor und Auswertschaltung, wenn die Meßgröße des Sensors einen der Auswertschaltung vorgegebenen Grenzwert für die höchstzulässige (Kurzschluß) und/oder kleinstzulässige (Kabelbruch) Meßgröße des Sensor-Schwingkreises erreicht.
Sensoren nach dieser Erfindung werden - wie auch in der o. g. DE 43 25 406.3 A1 (TiG 9201) beschrieben - auch als Mehrfach-Sensoren, insbesondere Doppelsensoren verwandt. Die Meßwerte der Sensoren werden in der Auswertschaltung auch auf ihre zeitliche Reihenfolge untersucht. Daraus kann ein Richtungssignal und/oder ein Geschwindigkeitssignal abgeleitet werden. In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 kann überdies auch festgestellt werden, ob die Meßgrößen noch identisch sind und noch die richtige zeitliche Relativlage haben, die durch ihre geometrische Anordnung bedingt ist. Das bei Nicht-Identität der Meßgrößen der Sensor-Schwingkreise erzeugbare Warnsignal kann auch hier als Belegt-Meldung ausgegeben und verwertet werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele und Funktion der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Näherungsschalter mit induktivem Sensor und separater Prüfspule
Fig. 2 die Schaltung des Näherungsschalters nach Fig. 1
Fig. 3 einen Näherungsschalter mit induktivem Sensor und eingebauter Prüfspule
Fig. 4 die Schaltung des Näherungsschalters nach Fig. 3
Fig. 5 Diagramm der Auswertung der Meßsignale in der Auswertschaltung
Fig. 6 das Ausgangssignal der Auswertschaltung
Fig. 7 das Eingangssignal der Prüfschaltung
Fig. 8A und 8B Schiene mit Näherungsschalter
Fig. 9 Doppelsensor
Fig. 10 die Schaltung des Doppelsensors nach Fig. 9.
Der Sensor wird anhand eines Näherungsschalters 1 beschrieben, der zur Sicherung und Steuerung des Eisenbahnverkehrs an einer Schiene 2 befestigt ist. Die folgende Beschreibung gilt für die Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 in gleicher Weise, es sei denn, es wird auf die Unterschiede ausdrücklich hingewiesen. Der Näherungsschalter dient zum Erfassen des Spurkranzes 3 eines Rades 4 eines Eisenbahnfahrzeugs.
Der Näherungsschalter ist an der Schiene 2 befestigt, so daß er eine fest definierte Position gegenüber der Schiene und dem darauf laufenden Rad hat.
Der Näherungsschalter weist eine induktive Sensorspule 5 auf. Diese besteht aus einem Ferritkern 6 mit einer kreisringförmigen Kammer, in der die Wicklung 7 der Spule eingebettet ist. Die Achse der Sensorspule ist einem auf der Schiene laufenden Rad zugewandt, so daß das elektromagnetische Feld der Sensorspule von dem Rad beeinflußt wird.
Die Sensorspule 5 ist mit einer Auswertschaltung 11 verbunden. Diese enthält u. a. einen Stromkreis, der als Schwingkreis 12 ausgeführt ist, also neben der Sensorspule als Induktivität eine Spannungsquelle und einen Kondensator (Kapazität) enthält, der auf die Induktivität der Sensorspule bzw. des gesamten Schwingkreises abgestimmt ist. Der Strom oder die Spannung des Schwingkreises wird abgegriffen und in der Auswertschaltung 11 - wie später beschrieben - zu einem Ausgangssignal des Näherungsschalters umgesetzt, das einer Signal- oder Weichensteuerung zugeführt wird. Einzelheiten des Schwingkreises 12 sind hier nicht beschrieben oder gezeigt; insofern wird auf die o. g. DE 43 25 406.3 A1 (TiG 9201) verwiesen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines solchen Schwingkreises zeigt.
In Fig. 1 und 2 ist eine Prüfspule 8 in dem Gehäuse des Näherungsschalters nahe der Sensorspule 5 und in einer definierten Position zu dieser so angebracht, daß sie das elektromagnetische Feld der Sensorspule beeinflussen kann.
In Fig. 3 und 4 ist die Prüfspule 8 in Form von einer Windung in die Sensorspule 5 d. h. in die kreisringförmige Kammer des Ferritkerns 9 und in die Wicklung 7, eingebettet; sie ist jedoch von der Wicklung 7 galvanisch getrennt und mit separaten Anschlüssen aus dem Ferritkern herausgeführt.
Die Prüfspule 8 bzw. Prüfwicklung 10 ist mit einem Prüfstromkreis 13, auch in diesem Falle ein Schwingkreis mit Kapazität und einer Konstantstromquelle, insbesondere Batterie eingeschlossen. Der Prüfstromkreis kann durch einen Prüfschalter 14 geschlossen werden. Der Schalter 14 wird durch den Signalstromkreis 15 angesteuert, z. B. dadurch, daß der Signalstromkreis kurzzeitig mit einer Überspannung beaufschlagt wird, auf die der Prüfschalter 14 anspricht und den Prüfstromkreis 13 für eine kurze Zeit schließt. Der Prüfschalter 14 öffnet wieder, wenn die Spannung wieder unter den Ansprechwert abgesenkt wird. Es kann auch ein Zeitglied vorgesehen sein, das durch die Überspannung aktiviert wird und nach einer voreingestellten Zeit von z. B. einer Sekunde den Prüfschalter wieder öffnet.
Beim Schließen des Prüfstromkreises erzeugt die Prüfspule ein elektromagnetisches Feld, welches das Feld der Sensorspule 5 stört. Die Art und der Grad der Störung wird durch die Dimensionierung aller relevanten Parameter so eingestellt, daß sie der Bedämpfung nahekommt, die das elektromagnetische Feld der Sensorspule durch ein vorbeifahrendes Eisenbahnrad dann erhält, wenn alle elektrischen und mechanischen Daten der Sensorspule 5 ihren Sollzustand haben.
Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen Diagramme für den Normalbetrieb eines Näherungsschalters bei Überfahren eines Rades und beim Prüfbetrieb.
Die Kurve 16 zeigt das Ausgangssignal der Sensorspule zunächst ohne Rad und sodann in dem bedämpften Zustand, der durch das vorbeifahrende Rad bzw. dessen Spurkranz hervorgerufen wird. Das Ausgangssignal hat bei Einstellung aller Sollparameter einen typischen Verlauf hinsichtlich seiner Höhe - z. B. 5 mA - und hinsichtlich des Einbruchs - auf z. B. weniger als 1,5 mA.
In der Auswertschaltung ist ein Ansprechwert gespeichert, der mit 18 bezeichnet ist und in dem Beispiel 1,5 mA beträgt.
Wenn und solange das Ausgangssignal unter diesen Ansprechwert fällt, erzeugt die Auswertschaltung, wie Fig. 6 zeigt, ein Signal in Form eines Rechteckimpulses 21, der erst wieder abfällt, wenn das Ausgangssignal den Ansprechwert wieder überschreitet.
Die Prüfspule und der Prüfstromkreis werden nun so ausgelegt und beaufschlagt, daß bei Aktivierung des Stromkreises ein ähnlicher Einbruch des Ausgangssignals erfolgt.
Dazu wird der Auswertstromkreis kurzzeitig mit einer Überspannung beaufschlagt und dadurch der Prüfstromkreis für eine bestimmte Zeit geschlossen, wie in dem Diagramm 7 als Rechteckimpuls 22 dargestellt. Dadurch wird das Feld der Sensorspule 5 bedämpft und es erfolgt ein Einbruch des Ausgangssignals der Sensorspule. Die Auswertschaltung zeigt damit in dem Signalstromkreis 15 dieselben Signale, als ob ein Rad den Sensor 5 überfährt.
Dadurch kann von der Zentralsteuerung aus, die sich z. B. in dem Stellwerk befindet, durch Fernbedienung festgestellt werden, ob alle mechanischen und elektrischen Parameter des Näherungsschalters dem Sollzustand entsprechen. Dadurch, daß zuvor bei erwiesenem Sollzustand des Sensors und des Prüfsensors die Größe und Form des Einbruchs des Ausgangssignals festgestellt und als Sollverlauf gespeichert wird, kann durch einen Prüflauf die Abweichung das Einbruchs von dem gespeicherten Sollverlauf und dadurch festgestellt werden, ob hinsichtlich der mechanischen Zuordnung der Sensoren relativ zur Schiene wie auch relativ zu einander oder in der Elektrik des Näherungsschalters Abweichungen gegenüber dem Sollzustand eingetreten sind.
Der Verlauf 17 in Fig. 5 zeigt als Beispiel das Ausgangssignal der Auswertschaltung in einem Prüflauf, wenn sich der Näherungsschalter von der Schiene gelöst hat. Dieser Zustand ist in Fig. 8 angedeutet. Durch das Lösen des Näherungsschalters von der Schiene hat sich der Abstand der Sensorspule 5 von dem Schienenkopf vergrößert. Dadurch ändert sich auch die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes der Sensorspule 5 durch die Schiene 2 in dem Sinne, daß die Bedämpfung sich verringert. Folglich ist das Ausgangssignal höher. Wenn nunmehr ein Rad passiert oder aber eine Prüfung durch Aktivierung der Prüfspule erfolgt, bricht zwar das Ausgangssignal ein. Es erreicht jedoch nicht den Ansprechwert 18. Folglich gibt die Auswertschaltung kein Signal ab. Das Ausbleiben dieses Signals trotz des Prüflaufs wird als Warnsignal registriert und z. B. als Belegt-Meldung für das Gleis ausgegeben.
In Fig. 9 und 10 ist schematisch ein Näherungsschalter mit Doppelsensor und die dazugehörige Schaltung gezeigt. Der Näherungsschalter besteht aus zwei Sensorspulen 5, die mit Abstand längs der Schiene angeordnet sind. Beiden Sensorspulen ist in gleichem Abstand eine oder je eine Prüfspule zugeordnet. Auch wenn es sich um zwei Prüfspulen 8 handelt, können diese gleichzeitig aktiviert werden. Wenn beide Sensorspulen 5 ihren mechanischen und elektrischen Sollzustand aufweisen, muß die ihnen zugeordnete Auswertschaltung auch identische Signale erzeugen. Treten Abweichungen auf, so wird auch dies als Warnsignal registriert und z. B. als Belegt-Meldung für das Gleis ausgegeben.
Durch Eingabe und Speicherung eines Maximalwertes 19 (Kurzschlußwert) und/oder eines Minimalwertes 20 (Kabelbruchwert) in der Auswertschaltung kann ferner überwacht werden, ob das Ausgangssignal der Sensorspule 5 den zulässigen Bereich verläßt. Dies kann bei elektrischem Kurzschluß einerseits oder einem Kabelbruch andererseits bzw. jeweils ähnlichen Situation geschehen.
Bezugszeichen
1
Näherungsschalter
1
2
Schiene
2
3
Spurkranz
3
4
Rad
4
5
Sensorspule, Sensor
5
6
Ferritkern
6
7
Wicklung
7
8
Prüfspule
8
9
Ferritkern
10
Wicklung
10
, Prüfwicklung
10
11
Auswertschaltung
11
12
Schwingkreis
12
13
Prüfstromkreis
13
14
Prüfschalter
14
15
Signalstromkreis
15
16
Kurve
16
17
Verlauf
17
18
Ansprechwert
18
19
Maximalwert, Kurzschlußwert
20
Minimalwert, Kabelbruchwert
21
Rechteckimpuls, Ausgangssignal, Warnsignal
22
Rechteckimpuls, Prüfsignal

Claims (10)

1. Induktiver Sensor zum Erfassen von Metallteilen mit folgenden Bestandteilen:
Eine induktive Spule (Sensorspule);
ein Stromkreis, in den die Sensorspule (5) eingeschlossen ist (Sensor- Stromkreis);
eine Auswertschaltung zum Erfassen der induktiven Bedämpfung des Stromkreises anhand einer elektrischen Meßgröße des Sensor-Stromkreises (Strom oder Spannung);
Kennzeichen:
Dem Sensor ist eine induktive Prüfspule zugeordnet;
die Prüfspule ist in einen Prüf-Stromkreis, vorzugsweise Prüf-Schwingkreis eingeschlossen, welcher zum Zwecke der Prüfung des Sensors für eine vorbestimmte Zeitdauer aktivierbar ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, Kennzeichen:
der Sensor-Stromkreis ist ein Schwingkreis mit Kondensator (Sensor- Schwingkreis).
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2
Kennzeichen:
die Prüfspule ist konzentrisch um den Kern der Sensorspule (5) angeordnet und von der Sensorspule (5) galvanisch getrennt.
4. Sensor nach Anspruch 3
Kennzeichen:
die Prüfspule besteht aus einer oder wenigen Windungen.
5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche
Kennzeichen:
Der Prüf-Schalter des Prüf-Stromkreises ist durch einen Spannungs- oder Stromimpuls der Auswertschaltung schließbar und/oder öffenbar.
6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-4,
Kennzeichen:
Der Prüf-Schalter des Prüf-Stromkreises ist durch einen Spannungs- oder Stromimpuls der Auswertschaltung schließbar und durch ein Zeitglied, z. B. Kondensatorschaltung, öffenbar.
7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
Kennzeichen:
die Auswertschaltung ist mit einem Schwellwertspeicher ausgestattet, in welchem ein Ansprechschwellwert (18) speicherbar ist;
der Ansprechschwellwert (18) ist mit der Meßgröße des Sensor-Stromkreises in der Weise vergleichbar, daß ein Ausgangssignal (21) erzeugbar ist, wenn die Meßgröße des Sensor-Stromkreises den Ansprechschwellwert erreicht.
8. Sensor nach Anspruch 7
Kennzeichen:
durch die Auswertschaltung ist das Ausgangssignal einschaltbar, wenn und solange die Meßgröße des Sensor-Stromkreises unterhalb des Ansprechschwellwerts liegt.
9. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche
Kennzeichen:
in der Auswertschaltung sind Grenzwerte für die höchst- und /oder kleinstzulässige Meßgröße des Sensor-Stromkreises speicherbar und mit der Meßgröße des Sensor-Stromkreises in der Weise vergleichbar, daß ein Ausgangssignal erzeugbar ist, wenn die Meßgröße des Sensor-Stromkreises den Ansprechschwellwert erreicht.
10. Mehrfach-Sensoren, jeweils nach einem der vorangegangenen Ansprüche
Kennzeichen:
die Auswertschaltungen der Sensoren sind mit einer Vergleicheinrichtung verbunden, in der die Identität der Meßgrößen der Sensor-Stromkreise verglichen wird und durch die bei Nichtidentität ein Ausgangssignal erzeugbar ist.
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