DE2818241A1

DE2818241A1 - Heissbuchsen-detektor

Info

Publication number: DE2818241A1
Application number: DE19782818241
Authority: DE
Inventors: Paul Werner Caulier
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1978-11-02
Also published as: US4068811A; CA1109543A

Description

4621-21-DSE-2429

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

Heißbuchsen-Detektor

Die Erfindung betrifft die Temperaturbestimmung von Radlagern von Eisenbahnwagen, sie bezieht sich insbesondere auf diejenige Klasse von Einrichtungen, die allgemein als "Heißbuchsen¹¹-Detektoren bekannt sind.

Es ist bekannt, Detektoren Eisenbahnschienerjbenachbart anzuordnen, um überhitzte Radlager festzustellen. Diese Detektoreinrichtungen enthalten im allgemeinen infrarotempfindliche Elemente, die derart fokussiert sind, daß sie die Lagerbuchsen abtasten. Der Detektor enthält geeignete Schaltungen zur Erzeugung eines Signals, das der Lagertemperatur entspricht, und dieses Signal läßt sich auf vielerlei Weise verwenden, z.B. zur Abgabe eines Alarmtons, für den Fall, daß ein Signal angibt, daß die Temperatur eines Lagers einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder es läßt sich eine Sichtanzeige der Temperatur jedes Lagers herstellen, während der Zug die Wegstrecke durchläuft, an der der Detektor angeordnet ist.

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Die geläufigste Form eines Heißbuchsen-Detektors, die zur Zeit verwendet wird, stellt der sogenannte Bolometertyp dar, der noch näher erläutert wird. Der Heißbuchsen-Detektor gemäß dem Bolometertyp verwendet temperaturempfindliche Widerstände (Thermistoren) in einer Brückenanordnung. Obwohl die Eigenschaften des Heißbuchsen-Detektors vom Bolometertyp im wesentlichen zufriedenstellend sind, handelt es sich dabei um ein relativ teures Gerät. Der Thermistor stellt eine sehr hochohmige Widerstandseinrichtung dar und erfordert daher eine Hochspannungsversorgung. Aufgrund der Brückenanordnung müssen die Versorgungsspannungen sehr genau sein und dürfen vom festgelegten Spannungswert nicht driften. Da das Signal/Rauschverhältnis des Bolometers mit abnehmender Temperatur abnimmt (bei einigen Temperaturen innerhalb des normalen Betriebsbereichs der Heißbuchsen-Detektoreinrichtungen ist dieses Verhältnis nicht zufriedenstellend), werden Wärmeeinrichtungen benötigt, um die Umgebungstemperatur der Thermistoren über einem vorgegebenen Minimum zu halten. Zusätzlich zu den Kosten dieser zugeordneten Wärmeeinrichtungen kann die Verwendung von Wärmeeinrichtungen eine aufwendigere Optik erforderlich machen, wie noch erläutert wird. Zusätzlich ist die Frequenzempfindlichkeit eines Systems vom Bolometertyp nicht so groß wie gewünscht.

Es sind auch andere infrarotempfindliche Einrichtungen bekannt. Ein Beispiel derartiger Einrichtungen stellt die pyroelektrische Zelle dar, die eine Ladung in Abhängigkeit von einfallender Strahlung innerhalb eines Infrarotbereiches abgibt. Obwohl die pyroelektrischen Zellen, sofern nicht alle, so doch viele Nachteile der Bolometersysteme vermeiden, bringen sie eigene Probleme mit sich. Derartige Zellen sind allgemein stoßempfindlich und erzeugen in Abhängigkeit hiervon Rauschsignale. Dies kann ein Problem darstellen, wenn die Einrichtung einem Schienengleis benachbart angeordnet ist. Es sind

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jedoch Materialien bekannt, die keine großen Stoß/Rauschprobleme hervorrufen, und bei Verwendung geeigneter stoßabsorbierender Halterungen kann dieses Problem auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Ein ernsteres Problem stellt die Tatsache dar, daß kommerziell erhältliche pyroelektrische Zellen bei Betrachtung über einen größeren Bereich von Signal-Eingangsfrequenzen eine extrem kleine Antwortamplitude (Verstärkung) aufweisen. Ein typischer Infrarotsensor, der eine pyroelektrische Einrichtung verwendet, besitzt eine ebene oder konstante Antwortamplitude oder Verstärkung nur über ungefähr 2?6 des Frequenzbereiches, der für einen guten Betrieb des Heißbuchsen-Detektors (z.B. 0,5 bis 300 Hz) erforderlich ist. Die pyroelektrische Zelle stellt daher ohne geeignete Kompensationsschaltungen einen nichijzufriedenstellenden Ersatz für die vorhandenen Bolometersysteme dar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Gerät zur Bestimmung der Temperatur von Radlagern von Eisenbahnwagen anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur von Radlagern von Eisenbahnwagen, die über eine vorgegebene Stelle laufen, gelöst, wobei diese Vorrichtung optische Einrichtungen zur Fokussierung der von einem Radlager herrührenden Infrarotsignale auf eine geeignete Sensoreinrichtung enthält, die eine pyroelektrische Zelle am Brennpunkt der optischen Einrichtungen aufweist. Die Sensoreinrichtungen zeigen eine Verstärkungsantwort (Antwortamplitude), die im wesentlichen für Infrarotsignale konstant

' Frequenz- ^&

ist, die innerhalb eines ersten Bereichs auftreten, die Sensoreinrichtung zeigt ferner eine Verstärkungsantwort, die exponentiell in einer ersten Richtung für Infrarotsignale variiert,

Frequenz- ^{ö B}

die in einem zweiten Bereich auftreten, der größer ist als der erste Bereich, aber dem ersten Bereich benachbart liegt.

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Der Ausgang des Sensors wird einer Differentiationseinrichtung zugeführt, die im wesentlichen eine ebene oder konstante Antwort innerhalb des ersten Bereichs und eine exponentiell veränderliche Verstärkungsantwort innerhalb des zweiten Bereichs zeigt. Die Antwort innerhalb des zweiten Bereichs variiert mit der gleichen Rate wie diejenige der Sensoreinrichtung, aber in einer hierzu entgegengesetzten Richtung. Das Ausgangssignal der Differentiationseinrichtung wird einer geeigneten Verarbeitungseinrichtung zugeführt, die einen Alarm akustisch anzeigen kann oder die empfangenen Signale aufzeichnet, «te.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform, die in vereinfachter Form einen typischen bekannten Heißbuchsen-Detektor zeigt;

Fig. 2 eine Darstellung der Verstärkung/Frequenzantwort bei einem typischen, kommerziell erhältlichen Infrarotsensor mit einer pyroelektrischen Zelle;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das das Konzept der erfindungsgemäßen Schaltung zeigt;

Fig. 4a bis 4c Diagramme, die dem Verständnis der Erfindung dienen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Äquivalents für die Sensoreinrichtung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

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Fig. 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Differentiationseinrichtung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 7· eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Vor Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird es als vorteilhaft erachtet, zuvor den bekannten typischen Heißbuchsen-Detektor zu beschreiben, um ein besseres Verständnis und eine bessere Würdigung der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.

In Fig. 1 ist ein typischer Bolometer-Heißbuchsendetektor in vereinfachter Form dargestellt. Das Bolometer ist innerhalb einer BrUckenschaltung enthalten, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und ein Paar thermisch empfindlicher Widerstände 12 und 14 enthält. Der Thermistor 14 wird durch geeignete Abschirmeinrichtungen 16 von einfallender Strahlung derart abgeschirmt, wie noch erläutert wird, daß die von der vorbeilaufenden Lagerbuchse ausgehende Strahlung nur den Widerstandswert des Thermistors 12 beeinflußt. Die Brücke enthält ferner zwei Spannungsquellen 18 und 20 und zwei den Strom begrenzende Widerstände 22 und 24. Die Widerstände 22 und 24 sind zwischen der Quelle 18 und dem Thermistor 12 bzw. der Quelle 20 und dem Thermistor 14 angeordnet. Da die Thermistoren hochohmige Widerstandseinrichtungen darstellen (z.B. 2 Megohm bei 25⁰C) müssen die Spannungsversorgungen, welche den Thermistoren Arbeitsstrom zuführen, relativ hohe Werte besitzen, um ein benutzbares Signal zu erhalten. Diese Spannungsquellen liegen daher typischerweise bei je 300 Volt. Die Widerstände 23 und 24 sind vorgesehen, um den üblicherweise als "thermisches Laufen¹¹ bezeichneten Effekt zu verhindern. Die Thermistoren besitzen einen exponentiell abnehmenden Widerstand mit zunehmender

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Temperatur, und es läßt sich leicht erkennen, daß ohne geeig-

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nete Begrenzungswiderstände die I R-Wärme der Thermistoren danach trachtet, einen zusätzlichen Einfluß auszuüben. Da die Thermistoren in einer Brückenanordnung liegen, ist es notwendig, daß die beiden Spannungsquellen 18 und 20 genau gesteuert werden, da jegliche Ungleichheit bei der Versorgung ein falsches oder fremdes Signal am Brückenausgang liefert, der einem Verstärker 34 zugeführt wird, wie noch näher erläutert wird. Es ist möglich, einen Teil der obigen Verhaltensweisen dadurch abzuschwächen, daß die Spannungsquellen 18 und 20 durch Konstantstromquellen ersetzt werden. Wie jedoch bekannt ist, sind Präzisions-Konstantstromquellen mit höheren Spannungen relativ teuer.

Der Betrieb des bekannten, in Figur 1 gezeigten Systems, läuft folgendermaßen ab: Einfallende Strahlung von einer vorbeilaufenden Lagerbuchse wird durch geeignete optische Systeme, die durch Linsen 26, 28 und 30 dargestellt sind, auf den niclrtjgeschirmten Thermistor 12 fokussiert. Als Ergebnis dieser Strahlung wird der Thermistor 12 erwärmt, und es erfolgt eine Widerstandsabnahme und Unabgeglichenheit der Brücke, was ein Signal zur Folge hat, welches dem Verstärker 34 zugeführt wird. Der Verstärker 34 gibt dann ein Signal an eine geeignete Anzeigeeinrichtung 36 ab, die verwendet werden kann, um einen Alarm akustisch anzuzeigen oder den Wert des einfallenden Signals aufzuzeichnen, etc. Eine Referenzblende 32 kann am Brennpunkt der Linse 26 vorgesehen sein, um einen geeigneten Umgebungstemperatür-Vergleichswert zu liefern, gegen den das System betrieben werden kann. Bezüglich einer vollständigeren Erläuterung dieser Blende und deren Betrieb wird auf die US-PS 3 303 340 verwiesen.

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Wie schon erwähnt, stellt das Bolometersystem der Fig. 1 ein relativ teures Gerät dar. Die Notwendigkeit einer hohen Spannung (oder eines konstanten Stroms) und genau regulierter Speisequellen wurde schon erwähnt. Da ein Heißbuchsen-Detektorsystem einer Eisenbahnschiene benachbart angeordnet werden muß, ist es ziemlich starken Temperaturextremen ausgesetzt. Ein typisches System muß derart ausgelegt sein, daß es im Temperaturbereich zwischen - 40°C bis + 60°C richtig arbeitet. Da das Signal/Rauschverhältnis eines typischen Bolometersystems schnell als Funktion abnehmender Temperatur abnimmt und im allgemeinen unter 10⁰C nicht mehr zufriedenstellt, werden bei üblichen Systemen Wärmeeinrichtungen (nicht dargestellt) den Thermistoren 12 und 14 benachbart angeordnet, um diese Einrichtungen mindestens auf einer Minimumtemperatur zu halten. Diese Wärmeeinrichtungen bedeuten natürlich zusätzliche Kosten. Zusätzlich zu den unmittelbaren Kosten werden weitere Kosten durch Benutzung der Wärmeeinrichtungen hervorgerufen, wenn eine Referenzblende im System verwendet wird. Die Referenzblende 32 ist derart ausgebildet, daß sie den optischen Pfad zum Thermistor zu allen Zeiten blockiert, ausgenommen wenn eine Lagerbuchse abgetastet wird, um das Gesamtsystem mit einem Tßmperaturvergleichspunkt zu versehen. Es läßt sich leicht erkennen, daß wenn die Blende 32 in der Nähe der den Thermistoren 12 und 14 zugeordneten Wärmeeinrichtungen angeordnet ist, diese Wärmeeinrichtungen die Blende aufwärmen, wodurch ein falsches Referenzsignal hervorgerufen wird. Aus diesem Grund ist das in Figur 1 dargestellte aufwendigere Linsensystem vorgesehen, um die Blende physikalisch vom Thermistor 12 entfernt anzuordnen, so daß diese nicht von den Wärmeeinrichtungen beeinflußt wird.

Ein letzter Punkt, der zu betrachten ist, betrifft die zuvor erwähnte Tatsache, daß das Bolometersystem bezüglich der

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Frequenzempfindlichkeit extrem begrenzt ist und nicht gut arbeitet, wenn das Strahlungseingangssignal bei einem guten Bolometersystem ungefähr 160 Hz überschreitet. Die Frequenz des Eingangssignals von Zügen, die ungefähr mit etwa 160 bis 170 Km/h (100 m.p.h.) vorbeilaufen, liegt in der Umgebung von 100 Hz, und dies stellt die Grundfrequenz dar und enthält keine Harmonischen. Erfahrungen zeigen, daß mindestens eine dritte Harmonische betrachtet werden sollte, und es ist daher offensichtlich, daß für Züge mit einer Geschwindigkeit von über 110 Km/h (67 m.p.h.) das Gesamtverhalten des Bolometersystems sich ernstlich verschlechtert.

Wie schon erwähnt, sind die Vorteile-der pyroelektrischen Zellen zur Wahrnehmung der Infrarotstrahlung gegenüber dem gerade¹ beschriebenen Bolometersystem relativ gut bekannt. Zu allererst entstehen wesentlich kleinere ursächliche Kosten, die im Bereich von 1/5 bis zur Hälfte der Kosten des Bolometers, d.h. der beiden Thermistoren liegen. Da die pyroelektrische Zelle eine Ladung erzeugende Einrichtung ist, werden keine große Versorgungsquellen benötigt, und die kleine Impedanz dieser Einrichtung erfordert bei Benutzung mit einem zugehörigen Ausgangskreis keine Impedanzanpassungsverfahren mit den zugehörigen Problemen, die bei den Bolometereinrichtungen hoher Impedanz vorherrschend sind. Da das Signal/Rauschverhältnis über den geforderten Temperaturbetriebsbereich im wesentlichen eben ist, ist die Verwendung von Wärmeeinrichtungen nicht erforderlich, wodurch die Kosten erneut verringert werden. Die Abwesenheit von Wärmeeinrichtungen ermöglicht die Verwendung einfacherer Optik, da die Referenzblende in der Nähe oder unmittelbar der Zelle benachbart angeordnet sein kann.

Es verbleibt jedoch das zuvor genannte Problem, das ein pyroelektrisches Sensorsystem eine ebene Verstärkungsantwort nur über einen sehr schmalen Frequenzbereich zeigt. Dies ist in

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Figur 2 dargestellt, die für ein typisches pyroelektrisches Sensorsystem die Verstärkung (in Dezibel) auf der Ordinate als Funktion der Frequenz (in Hz) auf der Abszisse (in einem logarithmischen Maßstab) zeigt. (Es sei darauf hingewiesen, daß die Figur 2 und ebenfalls die Figuren 4a bis 4c idealisierte Kurven darstellen, und daß die Knickpunkte tatsächlich nicht so scharf sind wie dargestellt). Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der ebene Teil der Antwortfunktion, d.h. zwischen f.* und fp» nur für ungefähr 6,3 Hz gegeben, obwohl es wünschenswert ist, wie ausgeführt wurde, daß ein Heißbuchsen-Detektor über einen wesentlich größeren Bereich, z.B. zwischen 0,5 bis 300 Hz betrieben werden kann. Am Punkt fp beginnt ein scharfer Abwärtsverlauf, so daß die Verstärkung für Frequenzen überhalb fp exponentiell mit zunehmender Frequenz abnimmt. Es ist daher offensichtlich, daß ein pyroelektrischer Sensor alleine kein geeignetes Mittel für einen Heißbuchsen-Detektor darstellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Nachteile des pyroelektrischen Sensors vermieden, und die Einrichtungen, mittels derer dies erfolgt, sind im Funktionsblockdiagramm der Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt als Eingangssignal in einen ersten Block 40 ein stufenförmiges Wärmesignal, welches zwischen den Zeitpunkten t^ und t₂ auftritt. Der Block 40 besitzt eine konstante Verstärkung im Frequenzbereich zwischen f₁ und f₂, er besitzt ferner eine integrierende Verstärkungsfunktion im Frequenzbereich zwischen f₂ und f,, die Verstärkung entspricht üaher der Darstellung der Figur 2. Das Ausgangssignal des Blocks 40 stellt, wie angezeigt ist, ein Signal dar, welches von t. nach tp nach oben zunimmt (integriert) und anschließend nach unten abnimmt. Das Signal vom Block 40 wird einem Eingang eines weiteren Funktionsblocks 42 zugeführt, der eine konstante Verstärkung im Frequenzbereich zwischen f. bis f₂ besitzt und eine Differentitations-Betriebsart innerhalb des Frequenzbereichs fp bis f-r aufweist. Das Ausgangssignal vom Block 42

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stellt ein Spannungssignal dar, das im wesentlichen eine Spannungsnachbildung des Wärme-Eingangssignals ist.

Der Gesamtbetrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung ist graphisch in den Figuren 4a bis 4c dargestellt. Wie in Figur 2 stellt jede dieser Figuren die Verstärkung (db) als Funktion der Frequenz (Hz) dar. Figur 4a zeigt die Antwort des pyroelektrischen Sensors (Block 40 der Figur 3) im Frequenzbereich zwischen f. bis f^, des interessanten Bereichs. Figur 4b zeigt ein geeignetes Differenzierglied (Block 42 der Figur 3) in demselben Bereich und gibt eine ebene Antwort im Frequenzbereich zwischen f. bis f~ dar und eine Verstärkung, die im Bereich zwischen fp bis f, mit derselben Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzter Richtung wie der integrierende Teil des Blocks 40 variiert .Durch Kombination der beiden Signale, die in den Diagrammen der Figur 4a und 4b dargestellt sind, läßt sich erkennen (Fig. 4c), daß das Ausgangssignal eine konstante Verstärkung innerhalb des Frequenzbereichs besitzt, der von den Frequenzen f. und £-. begrenzt ist, wobei es sich um den Frequenzbereich handelt, in dem die vorliegende Erfindung betrieben wird, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung ein Spannungssignal abgibt, welches im wesentlichen eine Nachbildung des Wärme-Eingangssignals ist.

Figur 5 zeigt eine äquivalente elektrische Schaltung, die aus den Diagrammen entweder der Figur 2 oder der Figur 4a innerhalb des Frequenzbereichs f^ bis f-, abgeleitet werden kann. Diese äquivalente Schaltung besteht aus einer einfachen Integrationsschaltung, die in bekannter Weise einen Widerstand R und einen Kondensator C enthält. Sofern R und C die Werte dieser äquivalenten Bauelemente darstellen, läßt sich die Übertragungsfunktion F dieser Schaltung durch die Gleichung F = 1/(1 ausdrücken.

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Figur 6 stellt eine mögliche Differentiationsschaltung für den Block 42 dar, die aus dem Kurvenverlauf der Figur 4b abgeleitet werden kann. Diese Schaltung besteht aus einem ersten Widerstand R1, der parallel zu einem Kondensator C1 liegt, wobei diese Parallelschaltung in Serie zwischen dem Eingang und dem Ausgang liegt. Ein zweiter Widerstand R2 ist mit der Verbindungsstelle zwischen R1 und C1 verbunden und liegt an der anderen Leitung. Die Übertragungsfunktion F1 dieser Schaltung läßt sich ausdrücken als:

1+JWR₁C_n

Da Figur 5 die Sensoreinrichtung im Bereich f~ bis f , darstellt und das Ausgangssignal dieser Schaltung das Eingangssignal der Differenzierschaltung der Figur 6 ist, läßt sich aus Figur 3 entnehmen, daß das Ausgangssignal der Figur 6 eine Impuls-Spannungsnachbildung des stufenimpulsförmigen Wärmeeingangssignals der Schaltung der Figur 3 ist.

Die erste Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 3, 5 und 6 dargestellt ist, ist betriebsfähig und liefert tatsächlich die gewünschten Ergebnisse. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Ausführungsform vor allem wegen der Tatsache einige Nachteile aufweist, daß die Differenzierschaltung aus diskreten Bauelementen, vgl. Fig. 6, die Eigenschaft besitzt, die Signale zu dämpfen, so daß eine relativ große Verstärkung, die ein verringertes Signal/Rauschverhältnis zur Folge hat, am Ausgang der Schaltung nach Figur 6 erforderlich ist, um Ausgangssignale mit verarbeitbaren Amplituden zu erzeugen. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird daher unter Verwendung von Operationsverstärkern verwirklicht, wie in Figur 7 dargestellt ist. Wie in Figur 7 erkennbar ist, wird einfallende Strahlung über eine einzige Linse 50 und eine

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Referenzblende 52 einer Sensoreinrichtung zugeführt, die allgemein mit 54 bezeichnet ist. Es sei daran erinnert, vgl. die obigen Erläuterungen, daß die Optik vereinfacht werden kann und ein Ein-Linsensystem benutzt werden kann, da bei der vorliegenden Erfindung keine Wärmeeinrichtung notwendig ist. Die Referenzblende 52 arbeitet in derselben Weise wie in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben wurde. Die Sensoreinrichtung 54, die bei der Ausführung der Erfindung tatsächlich verwendet wurde, bestand in einem käuflich erworbenen Gegenstand, der als P1-50-Detektor/Verstärker der Molectron Corporation aus Sunnyvale, California, bezeichnet ist. Die gezeigte Sensoreinrichtung enthält ein bezüglich Infrarotstrahlung transparentes Fenster 56, das aus Germanium bestehen kann, und sie enthält eine geeignete pyroelektrische Zelle 58, die aus Lithiumtantalat bestehen kann. Parallel zur Zelle 58 liegt ein Widerstand 60 mit hohem Widerstandswert, und ein Ende der Zelle ist an das Tor oder Steuerelektrode einer geeigneten Schalteinrichtung angeschlossen, die in dieser speziellen Einrichtung als Feldeffekttransistor (FET) 62 ausgebildet ist. Der Feldeffekttransistor 62 ist als Source-Folger geschaltet und besitzt eine Verstärkung von 1, sein Drain-Anschluß liegt an einer Quelle mit konstantem Potential, die mit +V (z.B. +9 V) bezeichnet ist, der Source-Anschluß liegt über einem geeigneten Widerstand 63 an Masse, der im Vergleich zum Widerstand 60 einen kleinen Wert besitzt. Die Sensoreinrichtung 54 gibt ein Signal auf der Leitung 64 ab, das dem Ausgang der Integrationsschaltung der Figur 5 im Frequenzbereich fp bis f., äquivalent ist.

Das Ausgangssignal des Sensors wird über die Leitung 64 dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 66 zugeführt, der mit seinen zugeordneten Bauelementen einen Differenzierverstärker des allgemein bekannten Typs darstellt.

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Der Verstärker 66 besitzt einen ersten Rückkopplungspfad von seinem Ausgang zum intervierenden Eingang, der einen Widerstand 68 (als variabler Widerstand dargestellt) umfaßt. Er besitzt einen zweiten Rückkopplungspfad über einen Kondensator 70. Ein zweiter Widerstand 72 liegt in Serie mit einem Kondensator 74 zwischen Masse und der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 68 und dem Kondensator 70. Der Widerstand 68 ist lediglich deshalb variabel ausgebildet, um den Knickpunkt des Differenzierverstärkers 68 der speziellen Sensoreinrichtung anpassen zu können, um geringfügige Schwankungen bei den Sensoren ausgleichen zu können. Der Kondensator 70 arbeitet als Unterdrückungseinrichtung für transiente Signale, um den Verstärker für sehr hohe Frequenzen eine Verstärkung vom Wert 1 zu geben und hat daher beim Normalbetrieb des Verstärkers keinen Einfluß. Der Differenzierverstärker, der aus dem Operationsverstärker 66, den Widerständen 68 und 72 und dem Kondensator 74 besteht, arbeitet im wesentlichen folgendermaßen. Bei einem Gleichstrom-Eingangssignal arbeitet der Kondensator 74 als unterbrochener Kreis, und der Verstärker besitzt

die Verstärkung 1, und der Ausgang auf der Leitung 76 folgt dem Eingangssignal. Wenn die Frequenz des Eingangssignals an der Leitung 64 zunimmt, nimmt die Impedanz des den Widerstand und den Kondensator 74 enthaltenden Pfads ab und die Verstärkung des Verstärkers nimmt zu. Die Ubertragungskennlinie des Differenzierverstärkers 66 und der zugeordneten Komponenten entspricht daher im wesentlichen der Schaltung der Figur 6 und der in Figur 4b dargestellten Schaltung. D.h., es liegt eine im wesentlichen ebene Antwortfunktion bei kleinen Frequenzen vor , und die Verstärkung des Differenzierverstärkers nimmt bei höheren Frequenzen zu. Wie ferner in Figur 4b dargestellt ist, arbeitet der Kondensator 74, wenn die Frequenz

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ein genügend hohes Plat erreicht hat, als Kurzschluß, und die Verstärkung des Verstärkers 66 bleibt fest bei den Werten der Widerstände 68 und 72. Dies ist am zweiten Knickpunkt der

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Frequenz f^ unmittelbar benachbart dargestellt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 66 auf der Leitung 76 ist daher eine Spannungsnachbildung des Wärme-Eingangssignals, das der Sensoreinrichtung 54 zugeführt ist. Dieses Signal kann einer geeigneten Anzeigeeinrichtung 78 zugeführt werden, um irgendeine der bekannte Funktionen, z.B. eine akustische Alarmanzeige j das Antreiben eines Aufzeichnungsgerätes etc.j durchzuführen.

Die Schaltung nach Figur 7 enthält ferner zwei Verstärkerstufen, die in Kaskade zwischen die Ausgänge des Verstärkers 66 (Leitung 76) und die Anzeigeeinrichtung 78 gelegt sind. Die erste Verstärkerstufe enthält einen operationsverstärker 80, dem das Signal der Leitung 76 am nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird. Ein Rückkopplungspfad, der einen Spannungsteiler aus 3 in Serie liegenden Widerständen 82, 84 und 86 aufweist, liegt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 80 und Masse. Ein zusätzlicher Widerstand 88 liegt zwischen der Verbindungsstelle der Widerstände 84 und 86 und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 80. Ein fünfter Widerstand 90 liegt parallel zum Widerstand 82. Dieser Widerstand ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als kleiner Thermistor ausgebildet, dessen Wert mit der Umgebungstemperatur veränderlich ist, und der auf diese Weise eine Temperaturkompensation für das Gesamtsystem darstellt.

Als letzter Bildteil der Figur 7 ist eine zweite Verstärkerstufe dargestellt, die einen Operationsverstärker 92 enthält, der an seinem nichtinvertierenden Eingang das Ausgangssignal des Verstärkers 80 enthält. Ein Rückkopplungspfad vom Ausgang des Verstärkers 92 zum invertierenden Eingang enthält eine Serienschaltung aus zwei Widerständen 94 und 96. Zur Unterdrückung von transienten Signalen ist ein Kondensator parallel zum Widerstand 94 vorgesehen. Ein weiterer Widerstand

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100 kann zwischen der Verbindungsstelle zwischen Widerstand 94 und Kondensator 98 und Masse vorgesehen sein. Sofern erwünscht, kann der Widerstand 100 als variabler Widerstand ausgebildet sein, um die Einstellung der Verstärkung des Verstärkers 92 und einen Abgleich der Gesamtverstärkung dieses Systems zu ermöglichen.

Wie anhand der in Figur 7 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert wurde, wird das Infrarot-Eingangssignal über die Linse 50 der Sensoreinrichtung 54 zugeführt, die das in Figur 4a abgebildete Ausgangssignal einer differenzierenden Verstärkeranordnung abgibt, die von dem Operationsverstärker 66 und den zugehörenden Komponenten dargestellt ist. Die Antwortkurve des differenzierenden Verstärkers ist in Figur 4b dargestellt, und das Ausgangssignal dieses Verstärkers auf der Leitung 76 stellt im wesentlichen eine ebene Antwortfunktion innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs zwischen f.. und f, dar, vgl. Figur 4c. Durch zusätzliche Stufen ist eine geeignete Temperaturkompensation und Verstärkung vorgesehen, und es ist ferner eine geeignete Anzeigeeinrichtung zur Weiterverwendung des Signals vorhanden.

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Claims

Patentansprüche:

1.

Vorrichtung mit einer Schaltung zur Verwendung bei der Temperaturfeststellung von Radlagern von Eisenbahnwagen während des Zugdurchlaufs an einem festen Streckenpunkt, wobei Infrarotsignale von den Radlagern mit einer Frequenz zu der Vorrichtung übertragen werden, die der Geschwindigkeit entspricht, mit welcher die Räder an dem Streckenpunkt vorbeilaufen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (54 bis 100) eine Sensoreinrichtung (54) einschließlich einer pyroelektrischen Zelle (58) zur Abgabe eines Spannungssignals enthält, dessen Amplitude eine Funktion des einfallenden Infrarot-Eingangs signals ist, daß die Sensoreinrichtung (54) eine im wesentlichen ebene Verstärkungsantwort für Eingangssignale aufweist, die mit Frequenzen innerhalb eines ersten Bereichs auftreten, und eine mit der Zunahme der Frequenz des Eingangssignals exponentiell veränderliche Verstärkungsantwort innerhalb eines zweiten Frequenz-

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ORIGINAL INSPECTED

bereichs aufweist, der größer als der erste Frequenzbereich ist, daß Differenziereinrichtungen (66 bis 70) vorgesehen sind und auf das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung (54) ansprechen und ein Ausgangssignal abgeben, dessen Amplitude proportional der Temperatur des Radlagers ist, und daß die Differenziereinrichtung (66 bis 74) eine im wesentlichen ebene Verstärkungsantwort für Signale, deren Frequenz innerhalb des ersten Frequenzbereichs liegt, und innerhalb des zweiten Bereichs eine Verstärkungsantwort aufweist, die exponentiell mit derselben Änderungsgeschwindigkeit aber in der gegenüber der Sensoreinrichtung (54) entgegengesetzten Richtung variiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (54) eine Einrichtung umfaßt, die eine im zweiten Bereich abnehmende Verstärkungsantwort verwirklicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (54) innerhalb des zweiten Frequenzbereichs als Integrator arbeitet und ein elektrisches Äquivalent eines Widerstands-Kondensatornetzwerks ist, das einen Widerstand vom Wert R und einen Kondensator vom Wert C aufweist und eine Übertragungsfunktion F besitzt, die allgemein durch den Ausdruck

festgelegt ist, und daß die differenzierende Einrichtung ein Widerstands-Kondensatornetzwerk mit Widerständen der Werte R^ und Rp und einem Kondensator mit dem Wert C.

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darstellt, welches eine Übertragungsfunktion F. be sitzt, die allgemein durch den Ausdruck

F₁= ^Z

^Rl^+R2 HJUiC₁ . ÜLÜ2

R₁+R₂

definiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die differenzierende Einrichtung (66 bis 74) einen Operationsverstärker (66) mit einem Rückkopplungspfad zwischen dem Ausgang und dem Eingang enthält, und daß der Rückkopplungspfad resistive und kapazitive Komponenten (68, 70) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Frequenzbereich eine gemeinsame Grenze aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß optische Einrichtungen (50, 52) zur Fokussierung von Infrarot-Signalen vorgesehen sind, die von am Streckenpunkt vorbeilaufenden Radlagern herrühren, daß die pyroelektrische Zelle (58) am Brennpunkt der optischen Einrichtungen (50, 52) angeordnet ist, um erste Spannungssignale als Funktion der auf die Zelle (58) einfallende Infrarotstrahlung zu erzeugen, daß die Sensoreinrichtung (54) eine Verstärkungsantwort besitzt, die im wesentlichen für Infrarotsignale konstant ist, die zeitliche Änderungen innerhalb eines ersten Bereichs besitzen, daß die Sensoreinrichtung (54) eine Ver-

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Stärkungsantwort aufweist, die sich für Infrarotsignale exponentiell in einer ersten Richtung ändert, welche mit Änderungsgeschwindigkeiten innerhalb eines zweiten Bereichs auftreten, der größer ist als der erste Bereich und diesem benachbart liegt, daß die differenzierenden Einrichtungen (66 bis 74) auf die ersten . Spannungssignale von der Sensoreinrichtung (54) ansprechen und zweite Spannungssignale abgeben, die für die Infrarotsignale kennzeichnend sind, daß die differenzierende Einrichtung (66 bis 74) eine im wesentlichen ebene Verstärkungsantwort für Eingangssignale aufweist, die mit Änderungsgeschwindigkeiten innerhalb eines ersten Bereichs auftreten, und eine Verstärkungsantwort für Signale mit Änderungsgeschwindigkeiten innerhalb eines zweiten Bereichs aufweist, welche sich exponentiell mit derselben Änderungsrate, aber in entgegengesetzter Richtung wie die Verstärkungsantwort der Sensoreinrichtung (54) verändert, und daß Einrichtungen auf die zweiten Spannungssignale ansprechen und mindestens eine Anzeige liefern, wenn die Infrarotsignale, die auf die pyroelektrische Zelle (58) auftreffen, anzeigen, daß die Radlager sich auf einer Temperatur befinden, die einen vorgegebenen Wert überschreitet.

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