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Einrichtung zum Erzeugen, Verstärken und Ubertragen von Meß-
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brückensignalen, insbesondere von Achslastmeßbrückensignalen in Eisenbahnanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen, Verstärken und Ubertragen
von Meßbrückensignalen, insbesondere von Achslastmeßbrückensignalen in Eisenbahnanlagen.
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Seit einigen Jahren werden Achsgewichte von Eisenbahnwagen besonders
in Ablaufanlagen von Rangierbahnhöfen mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifenbrücken gemessen
(DT-PS 11 33 141), beispielsweise um die Bremskraft mechanischer Gleisbremsen achslastabhängig
steuern zu können. Dabei wird die Meßbrücke über größere Entfernungen vom Stellwerk
aus mit Wechselspannung gespeist. Das durch die Beeinflussung der Dehnungsmeßstreifen
amplitudenmodulierte Brückenausgangssignal gelangt zurück zum Stellwerk. Wegen der
geringen Spannungsamplitude des Brückenausgangssignals ist die Gefahr der Signalverfälschung
durch Störbeeinflussungen sehr groß. Hierdurch werden als Übertragungsleitungen
Spezialkabel erforderlich.
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Die Verarbeitung der amplitudenmodulierten Brückenausgangssignale
erfolgt im Stellwerk über einen Meßverstärker mit nachfolgender Auswerteschaltung.
Diese bildet mit Hilfe einer Dioden-Kondensatorkombination aus dem Amplitudenunterschied
zwischen den Extremwertender Brückenverstimmung einen Spannungsimpuls, der in
erster
Näherung der Achslast des über die Meßstelle rollenden Rades proportional ist.
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Wegen der Toleranzen der Dehnungsmeßstreifenwiderstände und Zuleitungen
ist ein Nullabgleich der unbeeinflußten Meßbrücke erforderlich. Bei der bekannten
Meßeinrichtung werden der Brükkennullabgleich und eine Eichung mit Hilfe eines im
wesentlichen aus Einstellwiderständen bestehenden Abgleichfeldes am Ort der Meßsignalauswertung
(im Stellwerk) vor der Inbetriebnahme ausgeführt und fixiert. Dabei wird einem Zweig
der Brücke nach ihrem Abgleich ein entsprechender Widerstand zugeschaltet, der sie
so weit verstimmt, daß ein Verlauf der Signalamplitude durch Null vermieden wird.
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Dieser Brückenabgleich ist wegen der Eigenschaften der langen Verbindungsleitungen
zwischen Meßbrücke und dem Ort der Auswertung über längere Zeitabschnitte jedoch
nicht ausreichend stabil. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brücke am
Meßort ständig automatisch abzugleichen, wobei dieRegelzeitkonstante so groß zu
wählen ist, daß ein merkbarer Einfluß auf die durch Achslasten bewirkten Brückenverstimmungen
bei den vorkommenden Fahrgeschwindigkeiten noch nicht feststellbar ist. Die Ubertragung
der Meßbrückensignale soll dabei so erfolgen, daß keine aufwendige Störschutzmaßnahmen
erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zum selbsttätigen
Abgleich einer gleichstromgespeisten Brückenschaltung ein integrierender Verstärker
vorgesehen ist, dessen Eingang mittelbar über eine als Spannungsbegrenzer dienende
Teilerschaltung mit antiparallelgeschalteten Bauelementen mit kleiner Durchlaßspannung,
an den Ausgang eines gegengekoppelten Differenzverstärkers angeschlossen ist, wobei
der Ausgang des integrierenden Verstärkers mit einem Ausgang der Brückenschaltung
verbunden ist, an dem ebenfalls mit einem Eingang der gegengekoppelte Differenzverstärker
liegt, dessen zweiter Eingang an den anderen Ausgang der Brückenschaltung angeschlossen
ist und dessen Ausgang einen Spannungsfrequenzumsetzer speist zur Erzeugung von
in einer Zentrale auswertbaren frequenz-
analogen Signalen. Mit
Hilfe dieser Einrichtung wird in vorteilhafter Weise eine optimale Stabilität der
Meßwertermittlung erzielt. Ferner ist die Grundlage für eine Eichmöglichkeit gegeben.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind im Rahmen des Ausführungsbeispiels
angegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 Streckeneinrichtungen zur Verstärkung, Abgleichregelung
und Spannungsfrequenzumsetzung in einer Anlage für Achslastmessungen an fahrenden
Eisenbahnwagen und Fig. 2 eine Schaltung zur Begrenzung der Signaländerungsgeschwindigkeit.
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Fig. 1 zeigt eine aus vier Dehnungsmeßstreifenwiderständen gebildete
Brückenschaltung 1, die über eine Konstantstromschaltung 2 aus den Spannungsquellen
+U und -U gespeist ist. An die mittleren Verbindungsleitungen 11 und 12 die praktisch
die Ausgänge der Brückenschaltung 1 bilden, ist ein Differenzverstärker 3 mit seinen
Eingängen 31, 32 angeschlossen. Ein Einstellwiderstand 4 dient dazu, die Brückenschaltung
1 näherungsweise symmetrisch zum Massepotential betreiben zu können, um die Gleichtaktkomponente
an den Eingängen 31, 32 der Differenzverstärkerstufe 3 klein zu halten. Dem Differenzverstärker
3 sind zwei Umkehrverstärker 5 und 6 nachgeordnet. Am Ausgang des Umkehrverstärkers
6 ist gemäß der Erfindung als Spannungsteiler eine Widerstands-Diodenschaltung 7
angeschlossen, die an den Eingang eines integrierenden Verstärkers 8 eine begrenzte
positive oder negative Spannung anlegt, wenn ein von Null merklich abweichendes
Meßbrückenausgangssignal vorliegt. Anstelle der Dioden können auch andere Bauelemente
mit kleiner Durchlaßspannung verwendet werden, z.B. Transistoren. Der Ausgang des
integrierenden Verstärkers 8 ist über einen Widerstand 9 mit der Verbindungsleitung
11 der Meßbrückenschaltung 1 verbunden. Zwischen die Widerstands-Diodenschaltung
7 und den Eingang des integrierenden Verstärkers 8 sind ein Relaiskontakt 20 und
ein Widerstand 21 geschaltet.
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Vom Ausgang des Umkehrverstärkers 6 führt eine Leitung 22 über einen
Widerstand 23 an den Eingang eines Summierverstärkers 24.
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Zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Summierverstärkers
24 und der Versorgungsspannung +U ist gemäß der Erfindung in mehreren Zweigen ein
Widerstandsnetzwerk WK angeordnet, dessen Widerstände bis auf zwei von Kontakten
al, b1 und cl bzw. a2, b2, c2 paarweise einschaltbar sind, wobei die Meßsignalpotentialverschiebung
in vorteilhafter Weise vom Verstärkungsfaktor des Summierverstärkers 24 unabhängig
von den Schaltstellungen der Kontakte die gleiche Größe hat. Diese Tatsache ist
wesentlich für den ordnungsgerechten Betrieb einer noch zu erläuternden, nachgeschalteten
Baugruppe.
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Beim Ausführungsbeispiel wurden Relaiskontakte als Schaltelemente
gewählt; in vorteilhafter Weise können jedoch anstelle dieser Kontakte elektronische
Schaltmittel, vorzugsweise Optokoppler, angewendet werden. Diese Schaltmittel machen
es möglich, die Steuerkreise mit den Leuchtdioden von den Schaltkreisen mit den
Fototransistoren in gleicher Weise wie bei der Relaisanordnung galvanisch vollständig
voneinander zu trennen.
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Das Einschalten der einzelnen Gegenkopplungskreise des Widerstandsnetzwerkes
WK erfolgt im Ausführungsbeispiel über einen Analog-Digitalumsetzer 25, der stromabhängig
eine Kombination der angeschlossenen Relais A, B, C einzuschalten in der Lage ist.
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Damit ist es möglich, die Einrichtung den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten
anzupassen, also zu eichen, und zwar vom Stellwerk aus.
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Am Ausgang des Summierverstärkers 24 ist ein Spannungsfrequenzumsetzer
26 angeschlossen. Dieser setzt eine zugeführte Eingangsspannung in eine Wechselspannung
entsprechender Frequenz um. Mit einem Optokoppler 30 wird schließlich eine galvanische
Trennung zwischen den Einrichtungen am Gleis (Fig. 1) und den in größerer Entfernung
befindlichen Auswerteschaltungen im Stellwerk (nicht dargestellt) erreicht. Die
an der strichpunktierten Linie aufhörenden Leitungen L1 und L2 leiten die frequenzmodulierten
Signale in das Stellwerk zur weiteren Auswertung.
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Das Wechselspannungssignal am Ausgang des Spannungsfrequenzumsetzers
26 kann noch mit Hilfe eines aus Frequenzteilern und Zählern oder Kippstufen gebildeten
Schaltwerkes 27 zum periodischen Schalten eines Relais 28 benutzt werden, dessen
Schliesserkontakt 20 den Eingangskreis des integrierenden Verstärkers 8 mit wählbarem
Tastverhältnis periodisch schaltet, um damit einen Regelvorgang für den selbsttätigen
Brückenabgleich ohne Vergrösserung des Widerstands 21 sehr weitgehend verlangsamen
zu können.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Begrenzung der Signaländerungsgeschwindigkeit,
die bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung zwischen den Ausgang des Umkehrverstärkers
6 und den Eingang des Summierverstärkers 24 eingefügt werden kann. Die Signaländerungsgeschwindigkeit
kann hierdurch auf Größenordnungen begrenzt werden, die dem schnellsten Ablauf des
Nutzsignals entsprechen. Damit wird die Auswirkung von Störeinflüssen auf den Meßvorgang,
beispielsweise durch Flachstellen an den Fahrzeugrädern, gemildert. Nähere Einzelheiten
werden weiter unten erläutert.
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Die Brückenschaltung 1 in Fig. 1 wird durch Einstellen des Widerstandes
4 so abgeglichen, daß die Potentiale auf den Verbindungsleitungen 11 und 12 möglichst
nahe am Massepotential liegen. Eine verbleibende Abweichung, bei welcher die Leitung
12 z.B. geringfügig positiv und die Leitung 11 geringfügig negativ ist gegenüber
Masse, wird von den angeschlossenen Verstärkerstufen 3, 5, 6 verstärkt. Das ergibt
im betrachteten Fall an dem Differenzverstärker 3 ein negatives, am Umkehrverstärker
5 ein positives und am Umkehrverstärker 6 wieder ein negatives Ausgangssignal.
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Der Teil der Ausgangsspannung, der an den Dioden der Teilerschaltung
7 abfällt, steuert bei geschlossenem Kontakt 20 einen durch den Widerstand 21 bestimmten,
konstanten Ladestrom, der einen linearen, positiven Spannungsanstieg am Ausgang
des integrierenden Verstärkers 8 zur Folge hat. Der dabei über Widerstand 9 langsam
ansteigende Strom bewirkt einen Potentialanstieg auf der Verbindungsleitung 11 und
zwar so lange, bis die Ausgangsspannung am Umkehrverstärker 6 annähernd zu Null
geworden ist. Dieser Abgleichvorgang läßt sich durch entsprechende Wahl
der
Bauteile, insbesondere durch Einsatz eines FET-Operationsverstärkers für den integrierenden
Verstärker 8 und durch intermittierende Tastung seiner Eingangsspannung nahezu beliebig
verlangsamen und durch Abschalten des Relais 28 mit Hilfe des Kontaktes 29 einer
Gleisfreimeldeeinrichtung (nicht dargestellt) auch vorübergehend, z.B. für die Dauer
von Gleisabschnittsbesetzungen, vollständig abschalten. Dieser selbsttätige Abgleich
ist in der Lage, alle langsamen Veränderungen (z.B. Temperatureinflüsse), die auf
das Brückengleichgewicht und die Stabilität des Arbeitspunktes der Verstärkung einwirken,
zu eliminieren.
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Hierdurch entfällt in vorteilhafter Weise ein besonderer Material-und
Zeitaufwand für den Brückenabgleich und dessen laufende Überwachung.
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Zur Eichung der Achslastmeßeinrichtung ist noch eine Einstellung des
Verstärkungsgrades des Verstärkers 24 erforderlich. Um diese Einstellung in bevorzugter
Weise vom Ort der Auswertung aus, also in dem Stellwerk, zu ermöglichen und zu fixieren,
ist an der Meßstelle der Analog-Digitalumsetzer 25 vorgesehen, der mit einem in
der Auswertestelle (Stellwerk) einstellbaren Strom I über die Leitung L3 gesteuert
werden kann. Im Ausführungsbeispiel hat der Umsetzer 25 drei Ausgänge. Damit lassen
sich am Verstärker 24 mittelbar insgesamt acht verschiedene Verstärkungsfaktoren
einstellen.
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Die Schaltung nach Fig. 2 kann mit dem Eingang EG und dem Ausgang
AG in die Leitung 22 der Schaltung nach Fig. 1 zwischengeschaltet werden. Die erste
Stufe ist ein nicht gegengekoppelter Operationsverstärker 33, der bei schnellen
Potentialänderungen am Eingang in die entgegengesetzte Richtung übersteuert wird.
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Ein folgender integrierender Verstärker 34 läßt nur einen der Größe
seines Eingangswiderstandes und seines Gegenkopplungskondensators 340 entsprechenden
Anstieg oder Abfall der Ausgangsspannung zu. Eine an den Ausgang 32 angeschlossene
Umkehrstufe 35 liefert eine auf den Eingang des ersten Operationsverstärkers 33
zurückgeführte Gegenkopplungsspannung. Hat die Gegenkopplungsspannung den Wert der
Spannung am Eingang 31 erreicht, so hört, da das Potential vom Ausgang des Operationsverstärkers
33
auf Null geht, der Anstieg oder Abfall der Ausgangsspannung am Ausgang 32 auf. Bei
Potentialänderungen am Eingang 31, die langsamer sind als die maximale Änderungsgeschwindigkeit
der Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers 34, sind der Verlauf der Eingangs-
und Ausgangsspannung identisch.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann dahingehend variiert werden,
daß zur Eichung der Einrichtung die wahlweise einschaltbaren Gegenkopplungswiderstände
des Summierverstärkers 24 z.B.
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beim Umkehrverstärker 6 vorgesehen werden. Dann entfallen auch die
übrigen wahlweise einschaltbaren Widerstände des Widerstandsnetzwerkes WK beim Summierverstärker
24. Die Spannung +U wird dann zur Arbeitspunkteinstellung über einen verbleibenden
Testwiderstand zugeführt, derart, daß sich am Ausgang des Summierverstärkers 24
eine Spannung ergibt, die bei allen vorkommenden Belastungen der Brückenschaltung
nicht durch Null geht, so daß der Spannungsfrequenzumsetzer 26 ordnungsgerecht arbeiten
kann.
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L e e r s e i t e