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Einrichtung für berührungslose Weg- und Geschwindig
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keitsmessungen be spurgebundenen Fahrzeugen Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung gemaß den Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei schienengebundenen Bannen mit sogenannter Linienzugbeeinflussung
der Fahrzeuge ist es bekannt, durch Abzählen von Kreuzungsstellen der - unter anderem
zur Unterdrückung von Frcmdbeeinflussungen gekreuzten - Linienleiter den genauen
augenblicklichen Standort der Fahrzeuge festzustellen und ggf. in Verbindung mit
eirem Zeit geber Geschvwindigkeitsmessungon durchzuführen. Eine derartige berührungslose
Weg- und Geschwindigkeitsmessung gestattet unter Umständen einen Verzicht auf üblich
beispielweise von den Rädern der Fahrzeuge angetriebene Weg-und
Geschwindigkeitsgeber,
welche bekanntlich beim Schleudern oder Blockieren der Räder etwa infolge glatter
Fahrbahn zu Fehlmessungen führen. Aus diesem Grunde sind solche Geber erfahrungsgemäß
auch für geplante llahverkehrF-bahnen ungeeignet, bei denen extrem geringe Folgezeitn
beispielsweise von wenigen Sekunden angestrebt werden. Da in diesem Falle die Folgesicherung
der Fahrzeuge praktisch nur im Rahmen einer selbsttätigen Brems- und Fahrsteuertlng
der Fahrzeuge ohne Zentralisierung einer Fahrbefehlkilduna geschehen kann, scheidet
zwangsläufig auch eine Verwerdung der vorgenannten Linienzugbeeinflussungen und
damit die betreffende berührungslose Weg- und GeschwindigkeitsmesEuny aus. Überdies
kommt im Falle von Sekunden-Folgezeiten der Fahrzeuge eine Weg- und Geschwindigkeitsmessung
auf der Basis einer berührungslosen Zählung von Linienleiterkreuzungsstellen oder
anderen am Fahrweg bzw. an einer Schienenanordnung ohnehin vorhandenen Festpunkten
in Form von Schionenstoßlücken und dergleichen (DT-PS 2 215 255) schon aus meßtechnischen
Gründen nicht in Betracht. Denn erfahrungsgemäß sind Wegmarkierungen in regelmäßigen
extrem engen Abständen erforderlich, etwa von lcm bis 10cm je nach auftretenden
Geschwindigkeitsänderungen und benötigter Wegauflösung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art aufzuzeigen, welche insbesondere für Bahnen mit selbsttätiger, abstandsgesicherter
Brems-und Fahrsteuerung der Fahrzeuge unter dem Gesichtspunkt der Realisierung von
Folgezeiten von wenigen Sekunden geeignet ist. Hierbei soll aber auch eine Anwendung
im Rahmen der Steuerung von Kränen, Schlitten bei Werkzeugmaschinen und dergleichen
in Betracht gezogen werden können, das heißt der Begriff "Fahrzeug" ist im weitesten
Sinne zu verstehen.
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Bei den Fahrzeugen soll es sich somit um jede Art von Objekten handeln
können, deren Bahn oder Weg durch Form-und/oder Kraftschluß des Objektes gegenüber
einer Spurführung bestimmt und zwangsläufig vorgegeben ist.
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Diese Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.
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In Anwendung der Erfindung bei einer für die Abstands-bzw. Folgesicherung
von aufeinanderfolgenden spurgebundenen Fahrzeugen bestimmten Anordnung gemäß der
DT-OS 24 05 556 kann als magnetische Leiteranordnung der dort ohnehin zur Verbesserung
der Verkopplung von fahrzeugseitigen Spulen mit einer fahrwegseitigen bedämpften
elektrischen Leitung vorhandene magnetische Rückschluß vorgesehen werden, welcher
aus Gründen der Materialersparnis aus mit regelmäßigem Abstand aneinandergereihten
Stäben gebildet wird und somit zugleich im Sinne der Erfindung verwendbar ist. In
diesem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung kann also auch wie bei den vorbeschriebenen
bekannten Weg- und Geschwindigkeits-Meßeinrichtungen auf jeglichen zusätzlichen
Aufwand am Fahrweg der Fahrzeuge verzichtet werden Für Geschwindigkeitsmessungen
braucht unter Umständen fahrzeugseitig nur eine wechselstromdurchflossene Spule
der magnetischen Leiteranordnung zugeordnet zu werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird dann vorzugsweise eine
Ableitung der Geschwindigkeit von der Folgefrequenz der - aus den Permeabilitätsänderungen
der Leiteranordnung resultierenden - Induktivitätsänderungen der Spule vorgesehen.
Allerdings können hierbei Änderungen des Abstandes der Spule zur Leiteranordnung,
also sogenannte Abstandsschwankungen der Spule beispielsweise aufgrund von Hubbewegungen
der Fahrzeuge zu unerwünschten Induktivitätsschwankungen
bei der
Spule mit der zwangsläufigen Folge von Störungen im gewünschten Gleichtakt der aus
den Permeabilitätsänderungen resultierenden Iduktivitatanderungen führen. Um solche
unerwünschten Induktivitätsschwankungen auszuschließen, braucht aber nur eine weitere
Spule bzw. je Fahrzeug wenigstens ein Paar wechselstromdurchflossener Spulen vorgesehen
und diese je Paar in F&nrzeuglängsrichtung mit einem gemäß der Bedingung r =
(2n+1)D/2 bemessenen Abstand r zueinander angeordnet zu werden, wobei D der Mitten-Abstand
zwischen zwei (fahrwegseitigen magnetischen) Leitern und n ganzzahlig positiv ist.
Dann lassen sich durch Differenzbildung der Signale je Spulenpaar die aus Abstands
schwankungen der Spulen resultierenden Stranteile der Signale eliminieren (Subtraktion),
wobei ihre Nutzanteile addiert werden. Die Hüllkurve des aus der Differenzbildung
resultierenden Signals für die Ableitung der Geschwindigkeit ist periodisch in D/2,
d.ho beim Zurücklegen dieser Strecke D/2 entsteht ein voller Schwingungszug Sofern
mit derart großen Abständen bzw. Abstandsschwankungen der jeweiligen Spule zur Leiteranordnung
zu rechnen ist, daß bei der Spule praktisch keine Induktivitätsänderungen mehr hervorgerufen
werden, also diesbezüglich die (fahrwegseitige) Leiteranordnung magnetisch unwirksam
wird" kann gemäß einer des weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die
wechselstromdurchflossene Spule auch als Sender mit einer in Fahrzeugquerrichtung
gegenüberliegenden (passiven) Spule als Empfänger über die Leiteranordnung im Sinne
einer sich ändernden Signalübertragung magnetisch gekoppelt sein. In diesem Falle
wird
nämlich eine Kileitung der Geschwindigkeit von der Folgefrequenz
cc - aus den Permebilitätsänderungen der Leiteranerdnung resultierenden - Übertragungsfaktoränderungen
der Signalübertragung glich. Im Unterschied zu der erstgenannten Ausgestaltung der
Erfindung wird also die Gesch'indigkeit nicht von einem (im Rhythmus von Induktivitätsänderungen
amplitudenmodulierten Signal einer wechselstromdurchflossenen Spule abgeleitet,
sondern von einem mittels einer wechselstromdurchflossenen Spule in einer zweiten
zugeordneten Spule induzierten Signal. Hierbei können zwar auch Abstandsschwankungen
der Spulen zur Leiteranordnung unter Umständen zu Störungen führen, nämlich zu Störungen
im gewünschten Gleichtakt der Übertragungsfaktoränderungen. Solche Störungen lassen
sich aber auch ähnlich wie bei der erstgenannten Ausgestaltung der Erfindung ausschließen
indem je Fahrzeug wenigstens ein Paar Sender-Spulen mit einem gegenüberliegenden
Paar Empfänger-Spulen vorgesehen wird und die Spulen je Paar in Fahrzeuglängsrichtung
wiederum mit einem gemäß der Bedingung r = (2n+1)D/2 bemessenen Abstand zueinander
angeordnet werden. Es wird hier entsprechend eine Differenzbildung der Signale der
Empfänger-Spulen je Empfänger-Spulenpaar vorgesehen mit der Folge daß die Hüllkurve
des resultierenden Signals für die Ableitung der Geschwindigkeit periodisch in D/2
ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichneter
Weiterbildungen wird anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt
in Fig. 1 in der Draufsicht nur symbolisch zwei längs eines gemeinsamen Fahrwegs
aufeinanderfolgende Fahrzeuge, Fig. 2 eine Seitenansicht einer längs des F'ahrwegs
gemäß Fig. 1 sich erstreckenden Anordnung magnetischer Leiter und zugeorc1-nete
fahrzeugseitige magnetische Geber, Fig. 3 und 4 jeweils ein Blockschaltbild einer
Schaltungsanordnung für Geschwindigkeitsmessungen bei den Fahrzeugen gemäß Fig.
1, wobei in einem kleineren Maßstab auch die Leiteranordnung gemäß Fig. 2 angedeutet
ist.
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Bei einem Nahverkehrssystem sollen Fahrzeuge 1 und 2 (Fig1) unabhängig
von bestimmten Bezugspunkten der Strecke ihre Fahrgeschwindigkeit und ihren Abstand
zum jeweils unmittelbar vorausbefindlichen Fahrzeug (1) abhängig von dessen Geschwindigkeit
selbst regeln, um Folgezeiten von wenigen Sekunden zu ermöglichen. Hierzu sind die
Fahrzeuge 1 und 2 mit nicht dargestellten Sendern und Empfäng-ern ausgerüstet, wobei
über eine längs des Fahrwegs 3 sich erstreckende elektrische Leitung 4 jeweils der
Sender des vorausbefindlichen Fahrzeugs (1) dem Empfänger des nachfolgenden Fahrzeugs
(2) zugeordnet ist. Da eine derartige Anordnung beispielsweise in der DT-PS 21 39
617 beschrieben ist, wird auf die Erläuterung von konstruktiven und funktionellen
Einzelheiten verzichtet. Die Kopplung der Sender und Empfänger mit der Leitung 4
wird vorzugsweise jeweils mittels eIner Spule gemäß der DT-OS 23 07 455 hergestellt,
wobei ein den Spulen
zugeordneter stationärer magnetischer Rückschluß
aus Kostengründen gemäß der DT-OS 24 05 556 aus mit gleichem Abstand jeweils aneinandergereihten
Stäben 5/gleicher Abmessung gebildet wird. Diese Stäbe 5 aus magnetisch gutleitendem
Material.
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z.B. Ferrit-Rundstäbe mit 6mm Durchmesser bei einem Mittezn-Abstand
D = 25mm, stellen eine Anordnung von in regelmäßige, zur Fahrzeuglänge engen Abständen
längs des Fahrwegs 3 angeordneten und quer zur Fahrweglängsrichtung sich erstrekkenden
magnetischen Leitern dar, also eine magnetische Leiteranordnung mit periodisch sich
ändernder Permeabilität längs des Fahrwegs 3 (Fig. 1). Für die nachfolgend erläuterten
Geschwindigkeitsmessungen bei den Fahrzeugen 1 und 2 werden diese vorgegebenen Permeabilitätsänderungen
ausgenutzt.
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Gemäß Fig. 2 sind je Fahrzeug 1, 2 zwei Spulen 6 und 6' (gleicher
Abmessungen) mit jeweils gleichem Abstand d gegenüber den Stäben 5 des Fahrwegs
3 vorgesehen. Hierbei ist der Mitten-Abstand r zwischen den Spulen 6 und 5' gemäß
der eingangs genannten Bedingung r = (2n+1)D/2 mit n = 1 bemessen, d.h. r = 1,5D.
Nach Fig. 3 handelt es sich um wechselstromdurchflossene Spulen 6 und 6',von denen
jede aus einem Wechselstromgenerator über einen Widerstand R fS jwL gespeist wird,
um an den Spulen einen Spannungsabfall messen zu können. Bei einer Bewegung der
Spulen 6 und 6' längs des Fahrwegs 3 kommt es aufgrund der Permeabilitätsänderungen
der magnetischen Leiteranordnung (Stäbe 5) zu periodischen Induktivitätsänderungen
bei den Spulen mit der Folge, daß das von ihnen jeweils einem Differenzverstärker
7 zugeführte Signal (Wechselspannung) im Rhythmus der Induktivitätsänderungen amplitudenmoduliert
wird. Jedes
Signal ist hierbei in D periodisch, d.h. beim Zurücklegen
der Strecke D zwischen zwei Stäben 5 (Fig. 2) entsteht am Ausgang der jeweiligen
Spule 6 bzw. 6' ein voller Schwingungszug. Da ferner bei dem gewählten Abstand r=I
~ zwischen den Spulen 6 und 6' ihre Signale um l80° zueinanden phasenverschoben
sind, ist das am Ausgang des Differenzerstärkers 7 erhaltene Differenzsignal frei
von Störanteiln welche aus Abstandsschwankungen der Spulen gegenüber den Stäben
5 resultieren. Das in D/2 periodische Differenz-gnal braucht nunmehr gemäß Fig.
3 nur noch einem Demodulator 8 zugeführt zu werden, um die Modulationsfrequenz von
der Trägerfrequenz, also von der Frequenz des den Spulen 6 und 6' eingespeisten
Stromes zu trennen und um anschließend über einen Frequenz-Spannungswandler 9 eine
der Bewegung geschwindigkeit der Spulen bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit proportionale
Spannung zu erhalten. Diese Spannung kann einem üblichen Geschwindigkeitsanzeigegerät
oder auch einem Istwertgeber für eine Geschwindigkeitsregelung des betreffenden
Fahrzeugs zugeführt werden. Sofern mit Hubbewegungen der Fahrzeuge 1, 2 und folglich
mit aus entsprechenden ithstandsschwankungen der Spulen 6, 6' resultierenden (stUrenen)
Induktivitätsschwankungen nicht zu rechnen ist, braucht natürlich je Fahrzeug nur
eine einzige Spule 6 vorgesehen zu werden. Es entfällt dann der Differenzverstärker
7 und das Signal der einen Spule 6 wird dem Demodulator 8 direkt zugeführt.
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Schließlich sei noch hervorgehoben, daß beispielsweise anstelle von
wechselstromdurchflossenen Spulen auch Dauermagnete in Verbindung mit Hallgeneratoren
oder Feldplatten vorgesehen sein können.
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Es hat sich erwiesen, daß die vorbeschriebene auf perimodischen Induktivitätsänderungen
basierende Meßeinrichtung bei Abständen d der Spulen 6 und 6' gegenüber der magnetischen
Leiteranordnung (Stäbe 5) etwa gleich D/2 ausreichend genaue Meßwerte liefert. Für
größere Abstände d ist gemäß Fig. 4 je Fahrzeug ein Paar wechselstromdurchflossener
Spulen 10 und 10' vorgesehen. Jede Spule 10 und 10' ist als Sender einer in Fahrzeugquerrichtung
gegenüberliegenden Spule 11 bzw. 11' als Empfänger zugeordnet, wobei je Paar die
Sender-Spule 10 bzw. 10' über die fahrwegseitigen Stäbe 5 mit der Empfänger-Spule
11 Mitten-bzw. 11' magnetisch gekoppelt ist. Der/Abstand r in Fahrzeuglangsrichtung
zwischen den Sender-Spulen 10 und 10' bzw. Empfänger-Spulen 11 und 11' ist wieder
gemäß der vorgenannten Bedingung r = (2n+1)D/2 bemessen, also im Beispielsfall jeweils
1,5D. Ferner weisen die Spulen 10, 10', 11 und 11' eine solche Länge auf, daß bei
ihrer Bewegung in Fahrweglängsrichtung das jeweilige Paar aus Sender- und Empfänger-Spule
10 und 11 bzw.
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10' und 11' abwechselnd von einer Stellung gleichzeitig über zwei
aufeinanderfolgenden Stäben 5 in eine Stellung zwischen zwei Stäben und umgekehrt
gelangt. Folglich ändert sich bei der durch die magnetische Kopplung bewirkten Signalübertragung
zwischen den Spulen 10 und 11 bzw.
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10' und 11' der Übertragungsfaktor periodisch zwischen Maximal- und
Minimalwerten. Bei der Meßeinrichtung gemäß Fig. 4 werden also die dem Differenzverstärker
7 zugeführten Signale (Wechselspannungen) der beiden Empfänger-Spulen 11 und 11'
im Rhythmus der bertragungsfaktoränderungen amplitudenmoduliert. Da ferner die beiden
Signale um 1800 zueinander phasenverschoben sind, werden wie
bei
der Meßeinrichtung gemäß Fig. 3 die aus Abstand schwankungen resultierenden Störanteile
eliminiert.
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Das Differenzsignal wird wiederum einem Dernodulator £ mit nachgeschaltetem
Frequenz-Spannungswandler 9 zugeführt, an dessen Ausgang eine der FahrzeuggeschwindicJ-keit
proportionale Spannung erhalten wird. Sofern mit Abstandsschwankungen der Spulen
10, 11 bzw. 10', e gegenüber den Stäben 5 nicht gerechnet zu werden braucht, kann
natürlich auf das eine Paar Sender- und Empfänger-Spulen 10', 11' verzichtet werden.
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Für Meßanordnungen der vorbeschriebenen Art gilt schließlich noch
der Vorteil, daß mehrere Spulen oder Spulepaare mit solchen Abständen zueinander
angeordnet werden könen, um in D/2" periodische Signale (mit m gleich ganzzahlig
positiv) zu erhalten und damit eine Verfeinerung der Wegauflösung sowie die Möglichkeit
der Fahrtrichtungserkennung (für m = 2). Unter diesem Aspekt wird der vorgenannte
Ausdruck (2n+1)D/2 dann entsprechend (2K+1)D/2m lauten, wobei K und m ganzzahlig
positiv sind: Bei einer Ergänzung der Anordnung nach Fig. 3 und 4 durch weitere
Spulenpaare gibt dieser letztgenannte Ausdruck den Mitten-Abstand zwischen den Spulenpaaren
mit m gleich ihrer Anzahl an. Dagegen ist im angedeuteten Fall "keine Hubbewegungen
bzw. Abstandsschwankungen" bei Ergänzung der betreffenden einzelnen wechselstromdurchflossenen
Spule oder des einzelnen Sender- Empfänger-Spulenpaares für m die Anzahl der Spulen
bzw. Empfänger-Spulen minus 1 zu setzen, wobei der letztgenannte Ausdruck den Mitten-Abstand
zwischen diesen Spulen angibt.
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- Patentansprüche -
L e e r se i t e