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Anordnung zur berührungslosen Messung der Schwingungen eines Körpers
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Schwingungen
eines Körpers, insbesondere des Fahrdrahtes von elektrischen Bahnen.
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Bei der Messung der Fahrdrahtschwingungen werden bei den angestrebten
höheren Fahrgeschwindigkeiten Bedingungen berücksichtigt werden müssen, die zu einer
Optimierung der Oberleitungssysteme und der Stromabnehmer führen.
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Es wird daher angestrebt, die Optimierung durch Rechner-Simulation
zu errechnen. Die theoretischen Ergebnisse müssen jedoch bei verschiedenen Betriebsbedingungen
in der Praxis überprüft werden, um mögliche fehlerhafte Ansätze zu entdecken und
die Ubereinstimmung mit der Theorie festzustellen.
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Es ist bereits bekannt, eine Bildabtastung hinter einem Deleobjektiv
mit einer Photoelementzeile in hochintegrierter Ausführung durchzuführen. Bei diesen
Bauelementen ist jedoch die Verstärkung des Signals durch Operationsverstärker unumgänglich.
Außerdem würden schon geringfügige
Erschütterungen der Anordnung
einen relativ großen Fehler in der Messung hervorrufen (Applikationsbericht "Optoelektronische
Bauelemente", F. Eckold, R. Gebhardt, AEG-TELE-FUNKEN, B2/V.7.22/O1 70, Seite 9).
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Die Aufgabe besteht daher darin, eine Anordnung zur beruhrungslosen
Messung der Schwingungen eines Körpers, insbesondere des Fahrdrahtes von elektrischen
Bahnen, zu schaffen, welche zuverlässig auch schnelle Schwingungen bei verschiedenen
wechselnden Betriebsbedingungen mißt.
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Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch zwei einander gegenüber
stehende optisch verbundene Gehäuse gelöst, von denen das eine eine Lichtquelle,
einen Spiegel, ein Linsensystem und eine Spaltblende, das andere eine Phototransistorzeile
enthält, die so angeordnet sind, daß der Lichtstrom durch eine lichtundurchlässige
Kante des zu messenden Körpers moduliert wird.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen
im folgenden näher erläutert.
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Als Ausführungsbeispiel wird die Messung der Schwingungen des Fahrdrahtes
einer elektrischen Bahn in Fig. 1 dargestellt. Die Anordnung wird stationär an einer
geeigneten Stelle des Bahnkörpers errichtet. Sie besteht aus zwei Teilen, von denen
sich der eine Teil auf der einen Seite und der andere Teil auf der anderen Seite
des Bahnkörpers befindet. Der eine Teil besteht aus einem Gehäuse 1, das eine Lichtquelle
2, einen Spiegel 3, und ein Linsensystem 4 und eine parallel zum Fahrdraht orientierte
Spaltblende 5 enthält. Der andere Teil besteht aus einem Gehäuse 6, welches eine
Phototransistorzeile 7 enthäLt. Diese ist über nicht dargestellte Leitungen mit
einer Auswerteeinrichtung verbunden.
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Das Licht der Lichtquelle 2 wird durch den Spiegel 3 und das Linsensystem
4 gebündelt und durch die Spaltblende 5
von zweckentsprechender
Bemessung auf die Phototransistorzeile 7 gerichtet. Die beiden Teile sind in der
Höhle so angeordnet, daß der zu beobachtende Körper, in diesem Falle ein Fahrdraht
8 einer elektrischen Bahn, sich in dem Lichtkegel befindet. Die Messung wird bei
Nacht durchgeführt, um eindeutige Beleuchtungsverhältnisse zu erzielen. Die Spaltbreite
ist abhängig vom Fahrdrahtdurchmesser. Beide bestimmen die Kernschattenbreite, die
wiederum die Breite der Lichteintrittsflächen der Phototransistoren festlegt. Es
muß sichergestellt sein, daß immer mindestens ein Phototransistor Schwarz-Signal
abgibt. Als Lichtquelle kann eine Proåektionsglühlampe verwendet werden. Bei den
zu messenden Vertikalschwingungen des Fahrdrahtes wird' der Schatten nicht immer
auf dieselbe Stelle der Phototransistorzeile fallen, sondern sich in einem Winkel
bewegen, der durch die vertikale Freiheit des Fahrdrahtes festgelegt ist. Die Ausdehnung
der Phototransistorzeile ist so zu wahlen, daß dieser Winkel erfaßt wird.
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In Fig. 2 ist die Schaltung der Auswerteeinrichtung dargestellt. Maximal
zwei Phototransistoren der 128 vorgesehenen werden vom Kernschatten des Fahrdrahtes
getroffen und liefern ein Signal If an den entsprechenden Multiplexereingang.
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Acht Multiplexer 16- p1 werden für die 128 Eingänge benötigt. Die
Eingangssignale werden in zeitlicher Reihenfolge nach Maßgabe der Stellung des Zählers
11 und des BCD-Dekoders 12 am Ausgang 128 1 erscheinen. Der Abfrage zyklus wird
von einem frei laufenden HF-Generator 13 gesteuert. Erscheint am Multiplexerausgang
ein Schwarz-Signal 1', so wird über eine Impulsstufe 14 der Stand des Zählers 11
in einen 7 bit-Speicher 15 übernommen.
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Gleichzeitig wird ein Zähler 16 nullgesetzt. Dieser Zahler 16 blendet
nach einem Schwarz-Signal über eine UND-Verknüpfung 17 eine gewünschte Anzahl von
- z. B. 120 -Abfrageschritten aus. Schwarz-Signale, die nach dem Erfassen
der
FZhrdrahtschattenkante auftreten könnten, werden eleminiert. Damit wird eine große
Störsicherheit der gesamten Anordnung erreicht. Die Schrittbreite, in der der Zählerstand
16 in den Speicher 15 übernommen werden kann, ist frei wählbar durch die dem Zähler
16 nachgeschUtete UND-Verknüpfung 17. Die Zykluszeit für den Abfragevorgang der
128 Phototransistoren hängt von der Steuerfrequenz ab. Die Frequenz kann bis 10
NHz bei Standard-TTL betragen.
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In diesem Zusammenhang soll noch eine Möglichkeit erörtert werden,
statt des kontinuierlichen Glühlampenlichtes gepulstes Infrarotlicht von einer Gallium-Arsenid-Leuchtdiode
für die künstliche Beleuchtung einzusetzen.
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Das Lichtfokussierungssystem bleibt dabei unverändert.
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Die Leuchtdiode wird an die Stelle des Lampenglühfadens gesetzt.
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Die Lichtpulse werden am Anfang eines jeden Multiplexerabfragetaktes
ausgelöst und müssen so lange andauern, bis die Empfänger-Phototransistoren das
Licht erkannt haben, d. h., die Lichtimpulslänge muß größer als die Einschaltzeit
der Phototransistoren sein. Daraus resultiert, daß ein Abfragezyklus mindestens
gleich der Summe der 128 Puls zeiten dauert.
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Bei Gluhlampenstrahlung bestimmt eine Phototransistoreinschaltzeit
allein die maximal mögliche vertikale Meßgeschwindigkeit des Fahrdrahtes. Der Abfragezyklus
ist davon unabhängig und frei unterhalb 10 ?iEz wäi?lbar.
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Die Abfrageeinrichtung der Phototransistoren - von oben nach unten
oder von unten nach oben - bestimmt die obere oder untere Kante des Fahrdrahtkernschattens
zum Meßort. Die Erfassung der oberen Kante des Fahrdrahtes ist zweckmäßig, da beim
Durchlauf des Stromabnehmers der Meßvorgang nicht verfälscht wird. Allerdings ist
dann ein Meßpunkt direkt unter einem Hängerseil nicht
möglich. Hier
müßte die untere Kante erfaßt werden.
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Der Speicherinhalt wird zu einer Anzeige 18 und von Leitungsverstärkern
19 mit z. B. 24 V-Signal-Pegel zur zentralen Datenerfassung 20 übertragen.
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Die Vorteile einer solchen Anordnung bestehen darin, daß bei Nacht
eindeutige gleichbleibende Lichtverhältnisse am Meßort bestehen, daß handelsübliche
Phototransistoren mit großer Lichtempfindlichkeit verwendet werden können, die direkt
Standard-TTL-Kreise ansteuern, daß die Länge der Phototransistorzeile noch digitale
Auflösungen von 1%odes Fahrdrahthubs bei Verwendung von Miniaturtransistoren erreichen
läßt, daß das Meßergebnis von Erschütterungen, z. B. von vorbeifahrenden Zügen,
die vertikale, horizontale oder Winkelbewegungen der beiden Teile auslösen können,
nur unwesentlich beeinflußt wird und daß der Abbildungsmaßstab durch Abstandsänderungen
leicht justierbar ist.
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Im Vorstehenden ist die Messung der Schwingungen eines Fahrdrahtes
beschrieben worden. Die Anordnung kann jedoch auch für andere Zwecke verwendet werden.
So kann z. B. damit Filmmaterial von bewegten Objekten automatisch abgetastet werden,
indem auf die Phototransistorzeile das Bild der Körperkante eines Films maßstabgerecht
projiziert wird, wobei eine Synchronisation der Bildfrequenz mit der Abfragefrequenz
der Transistorzeile erfolgt.
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5 Seiten Beschreibung 3 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 2
Fig.