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Gleismeßgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein auf einem Schienenfahrzeug montiertes
G1eismeßgerät zum Messen der Form und relativen Lage zweier Schienen von einem auf
der Gleisstrecke bewegten Fahrzeug. Einige Meßgeräte messen die Bewegung des Wagens
bei der Fahrt auf den Schienen oder die Bewegung ihrer Laufwerke und setzen sie
in Beziehung zu Form und Verlauf der Strecke. Andere messen den Abstand von Punkten
des Wagens von der Schiene. Da der Wagenkasten wegen seiner Abstützung durch Federn
insbesondere in den Kurven seitliche und vertikale Bewegungen einbezug auf die Schiene
im Zentimeter- bis Dezimeterbereich ausführt, sind die Abstandsmesser gewöhnlich
an den Laufwerken montiert, deren Bewegung dem Verlauf der Schienen ziemlich genau
folgt.
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Die Messung der Spurweite erfordert nur zwei Abstandsmesser, einen
für die linke und einen für die rechte Schiene. Zum Messen der geraden Richtung
oder des Krümmungsgrades der
Schiene in horizontaler Richtung sind
drei Entfernungsmesser oder -fühler zum Messen der drei Horizontalabstände in Abständen
entLang eines am Laufwerk befestigten Trägers montiert. Zur Bestimmung der Krümmung
in vertikaler Richtung werden drei solche Entfernungsmesser verwendet, die in Vertikalabständen
voneinander angeordnet sind. Die bei Verwendung dieser bisherigen Meß- bzw. Prüfgeräte
erzielbare Genauigkeit ist nur mäßig. Um das Auftreten unkontrollierbar großer Abstandsänderungen
in Kurven zu verhindern, werden zwischen den Entfernungsmessern recht kurze Längsabstände
von beispielsweise weniger als 3m (10 ft.) gewählt.
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Alle Gleise haben gewisse bauliche Eigentümlichkeiten, die die Konstruktion
der Entfernungsmesser schwierig gestalten, wofür die in Gleiskurven und bei Schienenkreuzungen
und Weichen verwendeten Führungsschienen ein Beispiel sind. Diese Führungsschienen
begrenzen den für herkömmliche Horizontalabstandsmesser verfügbaren Platz auf weniger
als 50 mm. Es kommt hinzu, daß bei schneller Fahrt vom Gleisbett Steine mitgerissen
werden, die die Meßeinrichtungen beschädigen können.
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Es sind bereits verschiedene Verfahrensweisen zum Feststellen des
Abstands von einer Schiene verwendet worden. Gewöhnlich wird ein Lichtprojektionssystem
verwendet, bei dem ein Licht-Strahl gegen eine Lichtempfangseinheit oder ein Abdeckelement
gerichtet wird, wobei entweder der Träger für die Lichtquelle, die Lichtempfangseinheit
oder das Abdeckelement an einem Rahmen montiert ist, der Rollen trägt, die mit den
Schienen in Berührung gehalten werden massen Mit einem solchen Entfernungsmeßsystem
durchgeführte Messungen sind jedoch häufig ungenau oder schwierig durchzuführen,
denn die Rollen neigen zum Holpern (Abheben von der Schiene) und sind hoher Abnutzung
ausgesetzt. Es ist auch ein berührungsfreies Meßgerät entwickelt worden, das die
elektrische Kapazität zwischen
den Schienen und an dem Laufwerk
montierten Metallplatten mißt. Dies ist jedoch ein sehr lärmempfindliches In-strument,
das sich für elektrische Eisenbahnen nicht eignet, und wenn die Entfernungsänderungen
nicht sehr gering sind, weicht die Kurve der Beziehung zwischen Kapazität und Abstand
von der Geraden in hohem Maß ab.
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Die Erfindung schafft nun eine auf einem Schienenfahrzeug montierte
optische Entfernungs- oder Abstandsmeßeinheit zum Messen des Abstandes zwischen
der jeweiligen Meßeinheit und der oberen bzw. seitlichen Fläche jeder Schiene.Jede
Abstandsmeßeinheit enthält ein optisches System, das das Abbild einer Lichtquelle,
vorzugsweise einer Laserstrahlquelle, auf die horizontale bzw. vertikale Fläche
der Gleisschiene projiziert und eine Anzeige der Auftreffpunkte des von der Schiene
reflektierten Abbildes auf einer Projektionsebene oder, vorzugsweise über ein Servo-Ausgleichssystem,
des Grades der Bewegung des optischen Systems, der erforderlich ist, um das reflektierte
Abbild auf der Projektionsebene annähernd auf einem Bezugspunkt zu halten, liefert.
Während gemäß der Erfindung im weitesten Sinn die Vorrichtungen zum Aussenden und
Aufnehmen des Lichtes derart in der Projektionsebene angeordnet sein können, daß
die das Licht empfangende Vorrichtung sowohl diffuse als auch spiegelnde Reflexionen
des Abbildes erhält, wird die Verläßlichkeit und Genauigkeit des Meßsystems dadurch
weitgehend gefördert, daß die das Licht empfangende Vorrichtung derart angeordnet
ist, daß sie die spiegelnde Reflexion von der Gleisfläche nicht aufnehmen kann.
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Ein von einer Gleisschiene reflektierter Lichtstrahl dürfte zur Messung
des Abstandes zwischen einem Bezugspunkt an einem Schienefahrzeug und dem Gleis
bisher aus mehreren Gründen nicht verwendet worden sein. Vor allem würden wegen
der nicht selten angefressenen oberen und seitlichen Flächen der
Gleisschienen
die erhaltenen unregelmäßigen gespiegelten Reflexionen nur unverläßliche .Hinweise
auf Abweichungen von Schienewofil oder -ausrichtung liefern. In zweiter Linie dürfte
der Fachmann auf dem Gebiet der Messung von Gleisform und -lage bisher nicht auf
den Gedanken gekommen sein, daß brauchbare Angaben aus der schwachen diffusen Reflexion
durch die Gleisflächen abgeleitet werden könnten.
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Das System zur Messung von Abständen von der Schienenläche gemäß der
Erfindung arbeitet also berührungsfrei, ist fähig, die Änderungen verhältnismäßig
großer Abstände mit hoher Genauigkeit zu messen, läßt sich in einem sicheren Abstand
vom Gleiskörper montieren und leicht gegen herangeschleuderte Gegenstände abschirmen.
Außerdem sind die Ausgangssignale des Systems in hohem MaCe lärmunempfindlich und
sind linear und lassen sich direkt mittels eines Digitalkomputers verarbeiten. Es
läßt sich mit hinreichend geringem Gewichtlausführen, so däß es sich durch Servomotoren
leicht und genau in jeder beliebigen Richtung bewegen läßtund und kann erhebliche
Veränderungen des Abstandes der Schiene von einem Punkt des Wagenkastens oder eines
an dem Laufwerk befestigten langen Trägers nach Bedarf verarbeiten.
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Die Erfindung schafft also eine Vorrichtung zum Feststellen des Profils,
defl Abstandesluna/ocier der Ausrichtung von Gleisnd/oder schienen, bestehend aus
einer oder mehreren Anordnungen von Abstandsmeßeinheiten, von denen vorzugsweise
mindestens eine ein Lichtabbild auf die obere Fläche einer Gleisschiene und mindestens
eine weitere ein ähnliches Lichtabbild auf die seitliche Fläche der Gleisschiene
richtet. Jede dieser Abstandsmeßeinheiten enthält eine optische Fühleinrichtung,
die derart angeordnet ist, daß sie ausschließlich das Abbild erhält, das von der
betreffenden Schienentäche entlang einer gegebenen Achse reflektiert wird, die vorzugsweise
unter
einem wesentlichen Winkel gegen diejenige Achse geneigt ist,
entlang welcher das Lichtabbild auf die Schienenfläche gerichtet ist. Die Achsen
liegen vorzugsweise in einer Ebene, die sich längs der Schiene erstreckt und sowohl
mit der horizontalen als auch der vertikalen Ebene einen erheblichen Winkel einschließt.
Dabei sind ein oder mehrere Paare von Abstandsmeßeinheiten entsprechend der beschriebenen,
die Lichtabbilder auf die obere und seitliche Fläche der Gleisschiene richten, vorzugsweise
in einem gemeinsamen abgeschlossenen Gehäuse mit Fenstern zum Durchlassen des auf
die obere und seitliche Schienenfläche gerichteten bzw. von diesen reflektierten
Lichtabbilder eingeschlossen. Vorteilhafterweise ist eine Abdeckung vorgesehen,
die die Abstandsmeßeinheiten vor nennenswertem Streulicht sowie vor Schmutz o.dgl.
schützt.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausfhhrungsform der Er -findung
beispielweise dargestellt.
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Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Eisenbahnschiene und zeigt
ein Paar Abstandsmeßeinheiten gemäß der Erfindung, die an einem gemeinsamen Rahmen
getragen sind und je ein fokussiertes Lichtabbild auf die obere und die seitliche
Fläche der Schiene richten; Fig. 2 ist eine Darstellung der Schiene und der Abstandsmeßeinheiten
gemäß Fig. 1 in der durch Pfeile 2-2 in Fig.
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1 gekennzeichneten Blickrichtung; Fig. 3 zeigt eine abgewandelte
Ausführungsform der Abstandsmeßeinheiten gemäß Fig. 1 und 2, die hier jedoch in
eine vertikale Stellung gerückt sind, mit einem zusätzlichen Spiegel, der eines
der Lichtabbilder auf die Seitenfläche der Schiene richtet.
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Fig. 4 ist eine Darstellung entsprechend Fig. 1 zur Veranschaulichung
einer Abschirmung, die ein die Abstandsmeßeinheiten gemäß Fig. 1 umgebendes Gehäuse
trägt; Fig. 5 ist eine Draufsicht auf ein Schienafahrzeug bei der Fahrt in einem
Kurvenabschnitt der Strecke mit mehreren daran angeordneten Meßstationen für Streckenprofil
und -ausrichtung, deren jede mit einer Anordnung von Abstandsmeßeinheiten, wie der
gemäß Fig. 4, bei jeder Schiene der Gleisstrecke ausgerüstet ist, die die Information
zur Bestimmung des Profils und der Ausrichtung oder Krümmung der Gleisstrecke liefern;
Fig. 6 ist eine Stirnansicht des Schienenfahrzeugs gemäß Fig.5 in größerem Maßstab
und zeigt eine der Gleisprofil- und -ausrichtungsmeßstationen gemäß Fig.5 in Ansicht;
Fig. 7 ist ein vertikaler Teilschnitt durch einen Endabschnitt der Gleisprofil-
und -ausrichtungsmeßstation gemäß Fig. 6; Fig. 8 ist ein Querschnitt entlang der
Schnittlinie 8-8 in Fig. 7; Fig. 9 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie
9-9 in Fig. 7; Fig.1O ist ein Schaltschema einer Servomotorantriebsschaltung, die
im Verein mit jedem der Servomotoren gemäß Fig. 7 verwendbar ist; Fig.11 ist ein
eingehendes Blockschema der in Fig. 10 in vereinfachter Blockschemaform dargestellten
Signalverarbeitungsschaltungen;
Fig.12 ist ein vereinfachtes Blockschema
einer zusätzlich zu der Schaltung gemäß Fig. 11 angeordneten Löschschaltung für
Streulichtsignale; und Fig.13 ist ein bevorzugtes Schaltungsbeispiel für die in
Fig.
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11 in Blockschemaform veranschaulichte Schaltung.
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Fig. 1 zeigt zwei Abstandsmeßeinheiten, die auf einer gemeinsamen
Basis 1 montiert sind. Die eine Abstandsmeßeinheit, die im folgenden als Profilabstandsmeßeinheit
2 bezeichnet wird, mißt den Vertikalabstand P eines Punktes an der Basis 1 von der
oberen Fläche 8a einer Schiene 8; die andere Abstandsmeßeinheit, die im folgenden
als Ausrichtungsabstandsmeßeinheit 2' bezeichnet wird, mil3t den Horizontalabstand
A eines Punktes an der Basis 1 von der vertikalen Innenfläche 8b der Schiene.
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Die Abstandsmeßeinheiten 2 und 2', die im wesentlichen von gleicher
Ausbildung sind, haben optische Ebenen 4 und 4', in denen die Achsen ihrer optischen
Systeme liegen. Die optischen Ebenen 4 und 4t sind im vorteilhaftesten Fall sowohl
zu einer verrikalen als auch zu einer horizontalen Bezugsebene unter einem Winkel
geneigt. Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung die Profilabstandsmeßeinheit
2, in der zu ihrer Triangulationsebene 4 unter rechtem Winkel stehenden Richtung
6 (Fig. 1) gesehen.
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Die Profilabstandsmeßeinheit 2 (wie auch die andere Abstandsmeßeinheit
2') enthält einen Projektor oder Scheinwerfer 7 mit einer optischen Achse L1 und
einem Suchinstrument 9 mit einer optischen Achse L2. Diese beiden optischen Achsen
liegen in der Triangulationsebene 4, die zur oberen Schienenfläche 8a schräg steht,
und schneiden sich in der Nähe der oberen Fläche 8a der Schiene 8, so daß die Aufnahme
eines Lichtabbildes
durch spiegelnde Reflexion durch die Abstandsmeßeinheit
2 und 2' ausgeschlossen ist. Diese Achsen schließen E 0 einen großen Winkel, etwa
von mindestens ca. 10 , jedoch vorzugsweise von mindestens 45 bis 900 ein. An der
Basis 1 sind auf der optischen Achse L1 des Projektors 12 7 eine kleine Lichtquelle
sowie ein optisch sammelndes Objektiv, für das die dargestellte Linse ein Beispiel
ist, angeordnet. Der Projektor 7 ist derart ausgebildet, daß er ein Abbild 14 der
Lichtquelle 12 auf die obere Fläche 8a der Schiene 8 projiziert. (Ein ähnlicher
Projektor für die Ausrichtungsabstandsmeßeinheit 3 richtet ein ähnliches Abbild
auf die innere Fläche 8b der Schiene 8.) Das Suchinstrument 9, das ebenfalls an
der Basis 1 montiert ist, weist ebenfalls eine durch die Linse 15 beispielsweise
angedeutete Sammeloptik zum Richten des Lichtabbildes 14 auf eine Sucheinrichtung,
vorzugsweise eine lagebestimmende Photozellenanordnung 16 zum Feststellen der Änderungen
G des Auftreffpunktes der Projektion des Abbildes 14 auf die Photozellen entsprechend
den Änderungen B des Abstandes P' von der Schiene, auf. Dieser Abstand beträgt P/cos
D. In dem Maß, in dem der Abstand P' bzw. P sich ändert, ändert sich der Strahls
lengang des reflektierten Abbildes, so daß der Auftreffpunkt des Strahles auf der
Photozellenanordnung 16 eine Verschiebung entlang einer Linie L3 erfährt, die in
der optischen Ebene, quer zur optischen Achse L2, liegt.
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Die obere Fläche 8a der Schiene 8 ist gewöhnlich ziemlich blan 4 und
es kann vorteilhaft erscheinen, die Abstandsmeßeinheiten derart auszurichten, daß
ihre Triangulationsebenen zu den betreffenden Schienentächen 8a und 8b unter rechtem
Winkel stehen (Fig. 3), und die Abstandsausrichtungsmeßeinheit 2a kann einen Spiegel
17 zum Spiegeln der Triangulationsebene 5 aufweisen, der an der Basis 1 befestigt
ist. Allerdings
wäre dann der Spiegel an einer gefährdeten Stelle
angeordnet, an der er gegen Schmutz, Staub, Regen, Schleudersplitt o.dgl.
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ungeschützt wäre und wegen seines geringen Abstandes von der Schiene
8 und einer Führungsschiene 8' nur äußerst geringe Änderungen seiner Stellung in
bezug auf die Schiene 8 zulassen würde. Da außerdem das Lichtabbild gegen die obere
und die seitliche Fläche der Schiene 8 in Ebenen unter rechtem Winkel zu diesen
Schienenflächen gerichtet ist, können Spiegelreflexionen in den Aufnahmeteil der
Abstandsmeßeinheiten gelangen, wenn nicht besonders dafür gesorgt wird, daß die
Lichtaufnahmeeinrichtung abweichend von dem Winkel geneigt angeordnet wird, in dem
die betreffenden Schienenflächen einfallende Strahlungen spiegelnd reflektieren.
Wie bereits angedeutet, sollte spiegelnde Reflexion vermieden werden, da die Gefahr
besteht, daß infolge Rost, Anfressungen und Abnutzung sowie jeder beträchtlicheren
Änderung des Abstandes von der Schiene die spiegelnde Reflexion die Optik 15 des
Suchgerätes verfehlt. Die Abstandsmeßeinheiten sind also vorzugsweise so ausgebildet,
daß sie auf die verhältnismäßig schwache, aber verläßliche diffuse Reflexion von
der Schiene ansprechen, indem zwischen der optischen Achse L2 des Suchinstrumentes
und der Spiegelbildrichtung der optischen Achse 0 L1 des Projektors ein Winkel von
mindestens 5 his 10 vorgesehen ist, und dies wird vorzugsweise dadurch erreicht
oder gefördert, daß die optischen Ebenen der Profil- und Ausrichtungsmeßeinheiten
unter einem schrägen Winkel von (vorzugsweise mindestens 25 )gegenüber den Normalebenen
der oberen und seitlichen Flächen 8a, 8b der Schiene geneigt angeordnet sind.
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Mittel zur Erzielung eines verläßlichen Signalempfangs bei Vorhandensein
von Stör- und Grundstrahlungen sind in der Technik bekannt. Eine bekannte Maßnahme
besteht in der Modulation des ausgesendeten Signals und der Verwendung von Filtern
am
Ausgang der Photozellen 16a, die mehr oder weniger nur Signale mit dieser Modulation
durchlassen. Die Lichtquelle für jede der Abstandsmeßeinheiten ist vorzugsweise
eine Laserstrahlquelle mit einer Moduliereinrichtung 12a zur Erzeugung von Laserstrahlimpulsen,
und es ist eine Strahllage-Anzeigeeinrichtung vorgesehen, die nur auf die gewünschten
von den Photozellen 16a erzeugten Impulse anspricht und die Lage des Strahles angibt,
indem sie auf die jeweilige Photozelle anspricht, auf die der Strahl auftrifft.
Wie bereits angedeutet, kann auch ein verfeinertes Anzeigesystem verwendet werden,
und ein solches System wird im folgenden beschrieben. Durch die modulierte Lichtquelle
wird beim Betrieb bei Tage die Wirkung von Hintergrundlicht ausgeschaltet. Eine
Diodenlaserlichtquelle ist besonders vorteilhaft, weil sie sehr klein ist und fähig
ist, sehr kurze Lichtimpulse auszusenden, die leicht durch synchronisierte Gatterschaltungen
entdeckt werden können. Außerdem senden Diodenlaser vorzugsweise Licht eines schmalen
Frequenzbandes aus, und vor den Photozellen 16a wird vorteilhafterweise ein entsprechendes
optisches Schmalbandfilter 1 6c verwendet.
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Für die genaue Messung des Abstandes von der Schiene müssen die einzelnen
Photozellen 16a eng nebeneinander angeordnet sein, und folglich muß der projizierte
Lichtfleck klein, und seine Größe von dem gemessenen Abstand völlig unabhängig sein.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß jeder Projektor
das Abbild der Lichtquelle nicht auf den durchschnittlichen Abstand von der Schiene,
sondern auf die eine Grenze oder in die Nähe der einen Grenze des Bereiches der
von dem Suchinstrument zu erfassenden Änderungen fokussiert, und daß die Suchoptik
derart eingestellt ist, daß ein scharfes Abbild an einer Photozelle an oder nahe
bei der anderen Grenze dieses Bereiches der Abstandsänderungen erzielt wird.
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Bezüglich der ganzen bisherigen Beschreibung der neuen Abstandsmeßeinheiten
ist darauf hinzuweisen, daß die Lage und Richtung der optischen Achsen und Ebenen
der Abstandsmeßeinheiten lediglich für den Raum zwischen der Schiene und den Abstandsmeßeinheiten
von Bedeutung sind. Im Inneren des Instruments können natürlich Spiegel oder Prismen
verwendet werden, um diese örtlichen Lagen und Richtungen nach Bedarf und Belieben
zu ändern oder zu brechen, um Vorteile hinsichtlich des Verpackens, kurze Zuleitungen,
eine gute Abschirmung usw. zu erzielen.
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Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung der einfachsten Grundform
der Erfindung. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind die Abstandsmeßeinheiten 2, 2a Teil
einer Gesamtanordnung 24 von Entfernungsmessern, die in einem vollständig abgedichteten
Gehäuse 18 untergebracht sind, das mit Trockengas gefüllt ist und zur Verhinderung
des Niederschlagens von Kondensat vorzugsweise beheizte optische Fenster 19, 19a
aufweist. Außerdem ist eine Abschirmung 20 mit nur kleinen Löchern 21, 21t für die
Aufnahme der auf die Schiene gerichteten und von ihr reflektierten Lichtstrahlen
vorgesehen, die von den Fenstern 19, 19a Regen oder Sprühnässe weitgehend fernhält.
Diese Abschirmung reicht vorzugsweise genügend weit, um von den Schienenflächen
reflektiertes Sonnenlicht am Auffallen auf die Fenster 19, 19a zu hindern.
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Die genaue Bestimmung des Krümmungsgrades der Schiene durch drei Abstandsmessungen
erfordert die Anordnung der drei Abstandsmeßeinheiten in recht großen Abständen
in der Längsrichtung. Wenn, wie dies zur Zeit üblich ist, die Meßeinheiten auf Trägern
oder Leisten montiert sind, die an einem Laufwerk des Fahrzeugs befestigt sind,
sind diese Abstände -und folglich die erzielbare Genauigkeit - nur beschränkt.
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Gemäß der Erfindung sind hingegen die Meßeinheiten an dem Wagenkasten
montiert und über einen größeren Teil der Fahrzeuglänge
verteilt
angeordnet. Bei starker Krümmung und Überhöhung im Gleisbogen erfahren der Horizontal-
und Vertikalabstand von den Schienen zur Einbaustelle jeder Meßeinheit am Fahrzeug
so erhebliche Änderungen, daß das Abbild 14 der Lichtquelle 12 die Schiene verfehlen
würde. Um nun jede der Meßeinheiten möglichst nahe an der Schiene zu halten, sind
die Meßeinheiten vorzugsweise mittels eines Servomechanismus derart bewegbar montiert,
daß die Lichtstrahlen an der Photozellenanordnung in annähernd der gleichen Lage
gehalten werden.
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In einem solchen Fall ergeben sich die Abstände von der betreffenden
Schiene als Summen aus der Lage der Meßeinheit und dem von den Photozellen durch
Feststellung des Strahlenganges ermittelten Abstand.
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Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Gleise 8, 8 und auf ein Schienenfahrzeug
22, an dem drei Meßstationen 23, 23' und 23" montiert sind. Jede dieser Stationen
ist mit zwei Meßanordnungen 24 ausgestattet, nämlich je einer für die rechte und
die linke Schiene. Jede solche Anordnung enthält eine Profilabstandsmeßeinheit 2
und eine Ausrichtungsabstandsmeßeinheit 2'. Fig. 6 ist eine Stirnansicht des Fahrzeugs
22 und läßt eine Meßstation 23 mit zwei Abstandsmeßanordnungen 24 erkennen.
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Fig. 7, 8 und 9 zeigen schematisch ein Beispiel des Servomechanismus
zum Bewegen einer Meßanordnung. Ein unten offenes U-Profil 25 erstreckt sich im
wesentlichen über die ganze Breite des Fahrzeugs. Ein Servomotor 26 ist in Abhängigkeit
von dem Abstand von der Innenfläche der Schiene betrieben, der von der zugeordneten
Ausrichtungsabstandsmeßeinheit 2' gemessen wurde, und ist mit einem Wellenstellungskodierer
27 sowie mit einem Ritzel 28 ausgestattet, das eine Zahnstange 29 antreibt, an der
die Meßanordnung 24 befestigt ist. Die Seitenfläche und die untere Fläche der Zahnstange
sind durch eine(beiderseits)geflanschte Rolle geführt. Die Meßanordnung ist auch
an Schienen 31 geführt, die an dem U-Profil 25 befestigt sind.
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Ein weiterer Servomechanismus mit Motor 32, Wellenstellungskodierer
33
und Ritzel 34 wirken auf eine Zahnstange 35 ein, die an der Unterseite des Wagenkastens
montiert ist. Dieser Servomechanismus wird durch die zugeordnete Profilabstandsmeßeinheit
2 betrieben. (Ein Beispiel einer Schaltung zum Steuern jedes Servomotors 26 wird
später anhand der Fig. 11 beschrieben.) Das nach unten offene U-Profil 25 weist
an dem dem Ende gemäß Fig. 7 gegenüberliegenden Ende einen zweiten Satz, bestehend
aus den gleichen Teilen in spiegelbildlicher AnordnungXoberhalb 8 der benachbarten
Schiene auf. Wie in Fig. 6 gezeigt, sind also eine Zahnstange 35', entsprechend
der oben beschriebenen Zahnstange 35,sowie ein Servomechanismus ähnlich dem oben
beschriebenen vorhanden, die die Höhenlage des rechten Endes des U-Profils 25 und
den Abstand der Meßanordnung 24 von der Seitenfläche der Schiene 8 in gleicher Weise,
wie oben beschrieben, verändern. (Wegen der Länge des U-Profils 25 hat die Änderung
der Höhenlage des einen Endes des U-Profils 25 nur wenig Einfluß auf das gegenüberliegende
Ende desselben.) Die anderen Meßstationen 23' und 23" stimmen mit der soeben beschriebenen
Meßstation 23 überein.
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Wenn bei einem servomotorbetriebenen System eine Abstandsmeßeinheit
2 oder 2t sich nicht in einem vorherbestimmten Abstand von der Schiene befindet
(d.h. wenn das betreffende Lichtabbild nicht in der Mitte der Photozellenanordnung
16 auftrifft) wird das verarbeitete Ausgangssignal der lichtempfangenden Photozelle
dazu verwendet, den zugeordneten Servomotor in Tätigkeit zu setzen, so daß er die
betreffende Abstandsmeßeinheit im Sinne der gewünschten Korrektur des Abstands von
der Schiene bewegt. Es gibt mannigfaltige Möglichkeiten, ein solches Servosystem
auszubilden. Die Darstellung in Fig. 10 veranschaulicht ein Beispiel eines Servosystems,
bei dem ein Gleichstrommotor 40 mit Dauermagnetfeld mittels einer aus
sieben
Elementen bestehenden Photozellenanordnung gesteuert ist, von der die mittlere Photozelle
mit 16-0, die drei Photozellen zur einen Seite mit 16-1, 16-2 und 16-3, und die
drei Photozellen zur anderen Seite mit 16-1', 16-2' und 16-3' bezeichnet sind.
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Dabei wird zugrundegelegt, daß durch entsprechendes Fokussieren der
Durchmesser des auf die Photozellenanordnung 16 auftreffenden Lichtfleckes annähernd
gleich dem Mittelpunktsabstand zweier benachbarter Photozellen gemacht werden kann,
so daß der Lichtfleck nur eine Photozelle oder höchstens zwei benachbarte Photozellel
direkt beleuchtet. Die Ausgänge der einzelnen Photozellen 16-0, 16-1, 16-2, 16-3,
16-1', 16-2' und 16-3' sind einzeln mit Signalverarbeitungsschaltungen 46-0, 46-1,
46-2, 46-3, 46-1', 46-2' und 46-3' verbunden. Wenn ein Lichtabbild auf eine bestimmte
Photozelle auftrifft, liefert die dieser Photozelle zugeordnete Signalverarbeitungsschaltung
eine bestimmte Spannung V, und wenn ein solches Abbild auf eine bestimmte Photozelle
nicht auftrifft, so hat das Ausgangssignal der zugeordneten Signalverarbeitungsschaltung
einen abweichenden Wert, der hier zu Zwecken der Erläuterung als null angenommen
wird. Wie ferner in Fig. 10 veranschaulicht, sind die einzelnen Ausgänge der besprochenen
Signalverarbeitungs schaltungen mit Ausnahme der mittleren Verarbeitungsschaltung
46-o über zugeordnete Gleichrichter 50-1, 50-2, 50-3, 50-1', 50-2' und 50-3' entweder
direkt oder indirekt mit den Eingängen eines Funktionsverstärkers 54 verbunden.
Die den am weitesten außen liegenden Signalverarbeitungsschaltungen 46-3 und 46-3'
zugeordneten Gleichrichter 50-3 und 50-3' sind in der dargestellten Anordnung direkt
mit dem Plus- bzw. Minus-Eingang 54a, 54a' eines Funktionsverstärkers 54 verbunden.
Die Ausgänge der Signalverarbeitungsschaltungen 46-1 und 46-2 sind über Widerstände
52-1 bzw. 52-2 mit dem positiven Eingang 54a des Funktionsverstärkers 54 verbunden,
und die Ausgänge der Signalverarbeitungsschaltungen 46-11 und 46-2' sind über Widerstände
50-1'
bzw. 50-2' mit der negativen Eingangsklemme 54a' des Funktionsverstärkers 54 verbunden.
Die Widerstände 53 und 53t liegen zwischen der positiven bzw. negativen Klemme 54a,
54a' des Funktionsverstärkers 54 und einem Bezugspunkt für alle auftretenden Spannungen,
der als Erdung 55 dargestellt ist. Die Widerstände 53 und 53' haben einen gegebenen
Bezugswert, die Widerstände 52-2 und 52-2' haben vorzugsweise einen halb so großen
Widerstandswert, und die Widerstände 52-1 und 52-1' haben vorzugsweise einen doppelt
so großen Widerstandswert. Die verschiedenen genannten Gleichrichter verhindern
eine Beeinflussung des Funktionsverstärkers durch sämtliche Photozellen mit Ausnahme
derjenigen beleuchteten Photozelle, die vom Mittelpunkt der Anordnung am weitesten
entfernt ist.
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Wenn der Funktionsverstärker 54 eine Spannung eines gegebenen Wertes
V erhält, wird der Ausgang des Funktionsverstärkers so gepolt, daß der Motor 40
im einen Drehsinn angetrieben wird.
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Erhält der Funktionsverstärker 54 eine Eingangsspannung der gegebenen
Polarität an seiner negativen Eingangsklemme 54a', so wird der Ausgang des Funktionsverstärkers
54 umgepolt, und der Motor 40 im entgegengesetzten Drehsinn angetrieben.
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Liefert die mittlere Photozelle als einzige ein Ausgangssignal, so
erhält, wie ersichtlich, der Funktionsverstärker 54 keine Signale, die Ausganssspannung
des Funktionsverstärkers 54 wird null, und der Motor 40 wird stromlos. Die Signalverarbeitungsschaltungen
sind einander durchwegs gleich, und die folgende Beschreibung der Signalverarbeitungsschaltung
46-3 reicht zum Verständnis sämtlicher anderen erwähnten Signalverarbeitungsschaltungen
aus.
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Wie in Fig. 11 gezeigt, ist also mit dem Ausgang der Photozelle 16-3
ein Hochpaß 59-3 verbunden, der die Wirkungen niedrigerer Frequenzen, die mit dem
Laserimpuls nichts zu tun haben, bereits vor Verstärkung des Signals in einem Verstärker
60-3
zum größten Teil un-terdrückt. Dann werden durch Hochfrequenzgeräusche
und unerwünschtes Streulicht verursachte Signale vermindert oder unterdrückt, indem
der Ausgang des Verstärkers 60-3 mit einer Schwellenschaltung 62-3 verbunden wird,
die nur denjenigen Teil der Eingangssignale durchläßt, der einen gegebenen Schwellenpegel
überschreitet. Das Ausgangssignal der Schwellenschaltung 62-3 wird dann dem einen
Eingang 64-3a eines UND-Gatters 64-3 zugeführt, dessen anderem Eingang 64-3a' das
Ausgangssignal der Modulatoreinrichtung 12a, die die zugeordnete Laserlichtquelle
moduliert, oder ein Signal, das mit dem pulsierenden Ausgangssignal dieser Modulatoreinrichtung
12a zusammenfällt, zugeführt wird. Das Gatter 64-3 liefert also während der Zeitspanne,
in der die Laserquelle erregt ist, oder während eines Bruchteils dieser Zeitspanne,
ein Ausgangssignal, wenn die zugeordnete Photozelle 16-3 eine Spannung erzeugt,
die andeutet, daß auf dieser Photozelle ein Lichtfleck von nennenswerter Amplitude
aufgetroffen ist. Das Ausgangssignal des Gatters 64-3 wird einer Impulsformungsschaltung
66-3 zugeführt, so daß aus dem etwas veränderlichen Ausgangssignal des Gatters 64-3
ein Impuls von vorherbestimmter Amplitude und Breite erzeugt wird. Die Impulsformungsschaltung
66-3 kann beispielsweise ein monostabiler Multivibrator sein.
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Im allgemeinen werden daher nur eine- oder höchstens zwei der Impulsformungsschaltungen
66-1, 66-2, 66-3, 66-1', 66-2t, und/oder 66-3' der verschiedenen genannten Signalverarbeitungsschaltungen
ein Ausgangssignal liefern, das den der in Fig. 10 gezeigten Servomotorsteuerschaltung
zugeordneten Gleichrichtern zugeführt wird. Die Ausgangssignale sämtlicher Impulsformungsschaltungen
werden vorzugsweise einer Kodierschaltung 68a zugeführt, die einen Teil eines Computers
68 bilden kann und ein binärkodiertes Ausgangssignal liefert, das anzeigt, welche
der Photozellen ein Lichtabbild empfängt bzw. empfangen.
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Die Servosteuersysteme werden also als Folge eines Fehlersignals in
Tätigkeit gesetzt, und der fokussierte Lichtfleck in dem
hier beschriebenen
Gleisform- und Abstandsmeßsystem befindet sich gewöhnlich nicht im Mittelpunkt der
Photozellenanordnung.
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Die Ausgangssignale der Servomotor-Kodierer haben also eine Fehlerkomponente,
und wenn dieser Fehler vermindert oder ausgeschaltet werden soll, werden die Ausgangssignale
der Impulsformungsschaltungen in Binärsignale umgewandelt und mit Binärsignalen
kombiniert, die von den Ausgangssignalen der servomotorbetriebenen Kodierer abgeleitet
werden, und zur Schaffung der gewünschten Information im Computer gespeichert und/oder
analysiert.
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Je nach Stärke der Lichtreflexionen von den Schienen, der Qualität
der Optiken und den Anforderungen an die Genauigkeit kann es erforderlich sein,
die Wirkungen von laserimpulsbedingtem Streulicht auf diejenigen Photozellen zu
unterdrücken, die nicht direkt von dem fokussierten Lichtfleck beleuchtet werden.
Hierfür werden vorzugsweise Einrichtungen vorgesehen, die Streulichtsignal-Löschsignale
(Signale zum Ausschalten von Streulichtsignalen) erzeugen. Fig. 12 veranschaulicht
ein grundlegendes Logikschema einer Schaltung zum Aufheben der Wirkungen von Streulichtsignalen.
Diese Schaltung, die zwischen die Ausgänge der einzelnen Photozellen und die bereits
beschriebenen Signalverarbeitungsschaltungen eingeschaltet sind, können Schaltungskomponenten
enthalten, die die Summe der Ausgangssignale sämtlicher Photozellen bilden und dann
von jedem Photozellenausgangssignal einen Bruchteil dieser Summe, beispielsweise
25 % derselben,subtrahieren und der zugeordnten Signalverarbeitungsschaltung das
resultierende Signal zuführen. Zu diesen Komponenten kann eine Summierschaltung
70 gehören, der verschiedene Eingangsleitungen 72-0, 72-1, usw., die an die einzelnen
Photozellenausgänge angeschlossen sind, sowie Ausgangsleitungen 73-0, 73-1, usw.
zugeordnet sind, über die Signale S den Signalsubtrahierteilen 71-0, 71-1 usw.
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zugeliefert werden, an deren Ausgang ein resultierendes Signal erscheint,
das der Differenz zwischen dem Hauptausgangssignal
sO, s1, usw.
der zugeordneten Photozelle und dem von der Summierschaltung gelieferten Ausgangsstromsignal
S entspricht.
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Die auftretenden Streulichtsignale werden also wesentlich vermindert,
geschwächt oder gelöscht, und das von der Hauptreflexion des fokussierten Lichtabbildes
von der Schiene abgeleitete Signal ist dann das einzige Signal, das ein Ausgangssignal
an der zugeordneten Signalverarbeitungsschaltung hervorruft.
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Ein Schaltungsbeispiel für die vereinfacht dargestellte Schaltung
gemäß Fig. 12 ist in Fig. 13 veranschaulicht. Wie dargestellt, werden die von der
Summierschaltung und den verschiedenen Subtrahierschaltungen 71-0, 71-1, usw. auszuführenden
Funktionen durch verschiedene Widerstandsnetze ausgeführt, die mit einem Verstärker
70' hoher Verstärkung mit offenem Regelkreis (open-loop high gain amplifier) mit
einer Gegenkopplungsschleife einschließlich eines Rückkopplungswiderstandes Rd verbunden
sind. Dem Eingang des Verstärkers 70' mit offenem Regelkreis werden die Ausgangssignale
von einem Hochpaß 76 zugeführt, der niederfrequente Signale ausfiltert. Zwischen
die Ausgänge der einzelnen Photozellen und eine gemeinsame Zuleitung 78 zum Eingang
des Hochpasses 76 ist je ein Widerstand Ra geschaltet. Zwischen den Ausgang jeder
Photozelle und die zugeordnete Signalverarbeitungsschaltung ist ein Widerstand Rc
geschaltet, und zwischen eine gemeinsame Ausgangsleitung 79 des Verstärkers 70'
mit offenem Regelkreis und dem Eingang jeder der Signalverarbeitungsschaltungen
ist ein Widerstand Rb geschaltet. Beispiele der Werte dieser einzelnen Widerstände
sind; Ra = 10 000 Rb = 4 000 Rc = 1 000 Rd = 10 000 Der Hochpaß 76 kann einen Kondensator
von 5 000 pF haben.
Durch die vorliegende Erfindung wurde eine
äußerst verläßliche Vorrichtung zum Vermessen des Gleisprofils, der Ausrichtung
bzw. der Krümmung durch versc-hiedene Anordnungen von Abstands- oder Entfernungsmeßeinheiten
geschaffen, die in der beschriebenen einzigartigen Weise eine Einrichtung zum Projizieren
von Licht und zum Auswerten des reflektierten Lichtes bilden. Natürlich sind mannigfaltige
Abwandlungen der beschriebenen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ohne Abweichen vom allgemeineren Erfindungsgedanken möglich.
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katentansprüche