DE3307689C2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb eines induktiv arbeitenden Schienenkontakts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines induktiv arbeitenden Schienenkontakts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schienenkontakte werden in Eisenbahnanlagen und dort vor allem in Achszähleinrichtungen zur Feststellung des Durchganges von Fahrzeugachsen an einer bestimmten Stelle eines Gleises eingesetzt. Ein induktiv arbeitender Schienenkontakt besteht dabei (siehe z. B. Aufsatz in Signal und Draht 59 (1967) Heft 11, Seiten 165—174) aus einer Sende- und einer Empfangsspule, die miteinander magnetisch gekoppelt sind. In den Magnetkreis sind Teile der Schiene mit einbezogen. Gemiß Bild 9 des obengenannten Aufsatzes kann der von der Sendespule ausgehende magnetische Fluß so in zwei die Empfangsspule in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchsetzende Teilflüsse aufgespalten werden, daß sich die von den Teilflüssen in der Empfangsspule induzierten Spannungen teilweise oder ganz kompensieren.

Bei dem in dem obengenannten Aufsatz beschriebenen Schienenkontakt sind die Teilflüsse durch die Form der den Magnetfluß bevorzugt führenden Teile so aufgeteilt, daß im unbeeinflußten Zustand des Schienenkontaktes nur eine teilweise Kompensation der von den Teilflüssen in der Ernpfangsspule induzierten Spannungen erfolgt Eine nahezu vollständige Kompensation erfolgt dagegen, wenn ein Fahrzeugrad in den Wirkbereich des Schienenkontakts tritt und mit seiner magnetischen Wirkung die beiden Teilflüsse annähernd gleich werden läßt

Bei dem bekannten Schienenkontakt wird die Sendespule mit einem konstanten Wechselstrom gespeist Als frequenzbestimmendes Glied wirkt dabei der Sendespulenstromkreis selbst, der als Schwingkreisinduktivität die Induktivität der Sendespule oder, im Falle von paarweise im Gleis angeordneten Schienenkontakten, die Induktivitäten der Sendespulen beider Schienenkontakte verwendet Daduich sind der Sendespulenstromkreis und die ihn speisende Schaltung immer genau aufeinander abgeglichen. Der Sendespulenstrom und damit die Ausgangsleistung der Sendespule sind über einen großen Temperaturbereich konstant

Nachteilig an dieser Art der Frequenzbestimmung ist, daß sich die Sendefrequenz mitziehen läßt, d. h. sich an eine stark einwirkende, in ihrer Frequenz nur wenig unterschiedliche Störfrequenz, die den. Schienenkontakt beeinflußt, anpaßt. Solcherart Störfrequenzen können z. B. durch thyristorgesteuerte Schienenfahrzeuge hervorgerufen werden und im Extremfalle bewirken, daß die Empfangsspule eines Schienenkontaktes trotz Anwesenheit eines Fahrzeugrades ein Signal empfängt, das dieselbe Frequenz und Phasenlage aufweist wie der in der Sendespule fließende Strom und zudem eine Amplitude, die der Amplitude der Empfangsspannung bei unbeeinflußtem Schienenkontakt entspricht. Es werden demnach in solchen Fällen Achsen nicht erkannt.

Ein Mitziehen der Sendefrequenz durch eine benachbart liegende Störfrequenz und damit das Nichterkennen von Achsen kann im Prinzip dadurch verhindert werden, daß der Sendekreis durch einen separaten Oszillator mit einer festen und vom Sendespulenstromkreis unabhängigen Frequenz gespeist wird. Bei einer solchen Lösung ergeben sich aber Frequenz- und Phasenunterschiede zwischen Sendespulenstrom und Oszillatorausgangsspannung, da sich die Resonanzfrequenz des Sendespulenstromkreises z. B. durch Temperatureinflüsse ändern kann. Dies hat erhebliche Schwankungen in der Sendeleistung zur Folge, die eine sichere Achszählung unmöglich machen.

Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung soll der Betrieb eines Schienenkontaktes ermöglicht werden, der auch durch extrem starke, in der Nähe der Sendefrequenz liegende Störfrequenzen nicht zu sicherheitsgefährdenden Reaktionen gebracht werden kann i:nd weitgehend temperaturunabhängig arbeitet.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. In ihr wird ein frequenzmodulierter Wechselstrom zur Speisung des Sendespulenstromkreises verwendet und die Nachführung der Frequenz des den Wechselstrom erzeugenden Oszillators gegenüber der Resonanzfrequenz des Sendespulenstromkreises wird mit Hilfe einer phasengerasteten Regelschaltung (Phase Locked Loop, PLL) vorgenommen.

Die Modulation des Sendespulenstromes wird hier auf einfache Weise durch zusätzliche Beeinflussung des im phasengerasteten Regelkreis ohnehin vorhandenen spannungsgesteuerten Oszillators mittels einer Rechteckspannung vorgenommen.

Eine phasengerastete Regelschaltung ist in anderem Zusammenhang z. B. aus dem Buch »Funktechnik ohne Ballast« von Otto Limann, erschienen 1975 im Franzis-Verlag, München, bekannt Sie ist dort auf Seite 149, rechte Spalte und Seite 150 beschrieben. Auf Seite 150 ist auch erwähnt, daß eine phasengerastete Regelschaltung, wenn an ihrem Eingang ein frequenzmoduliertes Signa! angelegt wird, an ihrem Ausgang exakt die Mutenfrequenz dieses Signals ausgibt Der Oszillator in der erfindungsgemäßen Schaltung wird demnach der Mittenfrequenz des Sendespulenstromes nachgeführt Da diese Mittenfrequenz nicht als solche im Sendespulenstromkreis auftritt, kann sie auch nicht von einer Störfrequenz mitgezogen werden. Es gibt auch keine Ströfrequenz, die beide im Sendespulenstromkreis wirklich auftretenden Frequenzen gleichzeitig mitziehen könnte, da niemals beide Frequenzen derselben Störfrequenz in gleicher Weise nah benachbart sein können. Folglich kann keine Störfrequenz das Sendesignal vollständig simulieren. Ein Nichterkennen von Achsen ist demnach unmöglich. Temperatureinflüsse machen sich bei der erfindungsgemäßen Schaltung auch nicht bemerkbar, da die Oszillatorfrequenz der Mittenfrequenz des Sendespulenstromes exakt nachgeführt wird.

Anspruch 2 betrifft den Aufbau des phasengerasteten Regelkreises. Die Verwendung eines Integrators als Tiefpaßfilter und eines phasenrichtigen Gleichrichters als Phasenkomparator macht den Regelkreis für die Verwendung bei Frequenzen unter 50 kHz besonders geeignet.

Der Anspruch 3 beschreibt ein Ausführungsbeispiel für die Empfängerseite des Schienenkontaktes. Durch die phaseni ichtige Gleichrichtung ded Empfangssignals, wobei Referenzsignale von der Sendeseite des Schienenkontaktes benutzt werden, ist eine sichere Auswertung des Empfangssignals auch bei Frequenzmodulation gewährleistet. Insbesondere gestattet die phasenrichtige Gleichrichtung, anstelle einer Kompensation der magnetischen Teilflüsse eine Überkompensation vorzusehen, so daß die Anwesenheit eines Fahrzeugrades nicht nur eine Absenkung sondern eine Polaritätsänderung des Empfangssignals bewirkt.

Die in Anspruch 4 enthaltene Ausgestaltung, schließlich, betrifft eine Begrenzung des Frequenzbereichs des spannungsgesteuerten Oszillators und soil, ζ. B. im Fall eines Defektes, unkontrolliertes Schwingen des Sendespulenstromkreises auf einer von der vorgesehenen Sendefrequenz weit entfernten Frequenz verhindern.

Anhand zweier Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eingehend beschrieben und seine Funktion erklärt werden.

Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip eines Schienenkontakts mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels.

In F i g. 1 ist das Schaltungsprinzip eines mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ausgestatteterr Schienenkontakts wiedergegeben. Ein Sendespulenstromkreis SK, der eine Sendespule enthält und ein Empfangsspulenstromkreis EK, der eine Empfangsspule enthält, sind miteinander magnetisch gekoppelt Der Sendespulenstromkreis wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO gespeist, der Teil eines phasengerasteten Regelkreises PLL ist Dem spannungsgesteuerten Oszillator sind ein Tiefpaß TPund ein Phasenkomparator PK vorgeschaltet, die zusammen mit dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO den phasengerasteten Regelkreis PLL bilden. Das Eingangssignal für den phasengerasteten Regelkreis wird dem Sendespulenstromkreis SK über eine Eingangsleitung E entnommen. Es entspricht in Frequenz und Phasenlage dem in der Sendespule fließenden Strom.

Das am Ausgang des phasengerasteten Regelkreises ausgegebene Signal, mit dem der ? :ndespulenstrom-■creis gespeist wird, wird außerdem als Rfickführungssignal über eine Rückführungsleitung (R) dem Phasenkomparator PK zugeführt Damit wird der spannungsgesteuerte Oszillator derart geregelt daß seine Ausgangsspannung immer exakt dieselbe Phasenlage aufweist, wie der in der Sendespule fließende Strom. Eine Änderung der Resonanzfrequenz des Sendespulenstromkreises z. B. infolge Temperatureinflusses, die zu einer Phasenabweichung des Sendesputenstromes führt, erfolgt in jedem Falle so langsam, daß der phasengerastete Regelkreis den spannungsgesteuerten Oszillator nachführen kann.

Empfangsseitig ist zur Auswertung der im Empfangsspulenkreis induzierten Spannung eine Auswerteschaltung A W vorgesehen, welche phasenempfindlich arbeitet und hierzu z. B. einen phasenrichtigen Gleichrichter enthält. Sie benutzt das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als Referenzsignal un<+ gibt Achszählimpulse auf eine zum Stellwerk führende Lei tungSTW aus.

Cie Schaltungsanordnung nach der Erfindung sieht weiterhin einen Rechteckspannungsgenerator RG vor, der eine Rechteckspannung auf einen zusätzlichen Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ausgibt. Die Frequenz der Rechteckspannung liegt dabei wesentlich niedriger als die des Sendespulenstromes — sie beträgt etwa ¹Ao bis '/50 dieser Frequenz — und dient der Frequenzmodulation des Sendespulenstromes.

Durch die Frequenzmodulation wird ein Nichterkennen von Achsen vermieden, das bei Verwendung eines nicht modulierten Signals infolge Beeinflussung der Sendespule durch der Sendefrequenz eng benachbarte, stark einfallende Störfrequenzen auftreten könnte. Solche Störfrequenzen, z. B. durch thyristorgesteuerte Fahrzeuge verursachte Schienenströme, könnon nämiich, wenn sie in der Frequenz nur wenig von der Frequenz des Sendespulenstromes abweichen, den Sendespulenstromkreis »mitziehen«. Der Sendespulenstrom paßt sich dann der Störti-equenz an. Da der phasengerastete Regelkreis dem Sendespulenstrom folgt, wird auch der spannungsgesteuerte Oszillator und damit auch die Referenzspannung für die Auswertung der ic-i Empfangsspulenkreis induzierten Spannung der Störfrequenz angepaßt. Damit kann aber eine eingestreute Störfrequenz ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Schienenkontaktes simulieren. Unterbricht oder verändert dann ein Fahrzeugrad die magnetische Kopplung zwi-

sehen Sendespule und Empfangsspule, so kann diese Veränderung, die eigentlich einen Achszählimpuls auslösen sollte, durch die auf die Empfangsspule direkt eingekoppelte Störfrequenz, die dann nach Frequenz und Phasenlage dem Sendespulenstrom entspricht, ausgeglichen werden, so daß kein Achszählimpuls ausgegeben wird.

Ein gemäß der Erfindung mit frequenzmoduliertem Sendespulenstrom arbeitender Schienenkontakt kann durch solche Störfrequenzen niemais zu sicherheitsgeiährdenden Reaktionen, wie das Nichterkennen von Fahrzeugachsen gebracht werden. Hier treten nämlich mit der Modulationsfrequenz abwechselnd zwei verschiedene Sendefrequenzen auf, denen eine Störfrequenz niemals zugleich eng benachbart sein kann. Die Anwesenheit eines Fahrzeugrades wirkt sich deshalb zumindest auf eine der Sendefrequenzen aus. Der spannungsgesteuerte Oszillator wird infolge der Trägheit des phasengerasteten Regelkreises nicht den einzelnen im Sendespuienstromkreis wirklich auftretenden Frequenzen, sondern deren Mittenfrequenz nachgeführt. Diese Mittenfrequenz kann aber, da sie nirgends wirklich auftritt, nicht von einer Störfrequenz »mitgezogen« werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung folgt demnach immer der Resonanzfrequenz des Sendespulenstromkreis, der der Mittenfrequenz des frequenzmodulierten Sendespulenstromes entspricht. Sie gleicht damit Temperatureinflüsse aus. Sie ist aber auch aufgrund der verwendeten Frequenzmodulation unempfindlich gegen zur Sendefrequenz eng benachbart liegende Störfrequc zen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, das sich besonders gut für die Anwendung bei Schienenkontakten eignet, die mit Sendefrequenzen im Tonfrequenzbereich oder etwas darüber arbeiten. Der Sendespuienstromkreis SK besteht hier aus einer Sendespule SPund einem Anpas-

kondensator des Sendespulenstromkreises und einen Übertrager zur Einkopplung des Speisestromes in den Sendespuienstromkreis enthält Der Phasenkomparator des phasengesteuerten Regelkreises wird hier durch einen phasenrichtigen Gleichrichter PH und das Tiefpaßfilter durch einen Integrator /gebildet. Zwischen spannungsgesteuerten Oszillator und Anpassungsglied ist ein Sendeverstärker SV geschaltet. Die Empfangsseite des Schienenkontaktes besteht wie in Fig. 1 aus einem Empfangsspulenstromkreis EK und einer nachgeschalteten Auswerteschaltung A Wdie einen als taktgesteuerten Schalter dargestellten phasenrichtigen Gleichrichter enthält

Dem phasenriciuigen Gleichrichter PH werden in F i g, 2 zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Signale zugeführt Das vom Sendespulenstrom beeinflußte Steuersignal wird dabei auf der Primärseite des Übertragers im Anpassungsglied A entnommen. Durch eine mit der Primärwicklung des Übertragers in Reihe geschaltete Kapazität C wird die Phase des Steuersignals so weit verschoben, daß diese dem Sendespulenstrom in der Phase um 90° nacheilt Das Referenzsignal für den phasenrichtigen Gleichrichter wird dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) über seinen Ausgang entnommen. Es ist bei genauem Abgleich zwischen spannungsgesteuertem Oszillator und Sendespuienstromkreis mit diesem in Phase, so daß am phasenrichtigen Gleichrichter eine Phasendifferenz von 90° erscheint Damit steht am Ausgang des phasenrichtigen Gleichrichters eine Spannung an, deren Mittelwert exakt Null ist. Die Integrator-Ausgangsspannung ist dann ebenfalls Null und die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bleibt unverändert. Weicht der Sendespulenstrom in der Frequenz von der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators ab, so ist die Phasendifferenz am phasenrichtigen Gleichrichter von 90° verschieden. Der Mittelwert der Ausgangsspannung des phasenrichtigen Gleichrichters und damit die Ausgangsspannung des Integrators sind dann von Null verschieden und der spannungsgesteuerte Oszillator wird so lange nachgeregelt bis seine Ausgangsspannung mit dem Sendespulenstrom wieder in Phase ist. Der Integrator / kann Änderungen in der Frequenz des Sendespulenstromes nur sehr langsam folgen. Er erfaßt die durch die Modulation hervorgerufenen Frequenzänderungen deshalb überhaupt nicht und folgt der Mittenfrequenz. Frequenzänderungen, die temperaturbedingt sind und sich über längere Zeiträume hinziehen, werden dagegen exakt ausgeregelt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines induktiv arbeitenden Schienenkontaktes mit mindestens einer wechselstromgespeisten Sendespule und mindestens einer Empfangsspule, welche, miteinander magnetisch gekoppelt so im Bereich einer Schiene eines Gleises angeordnet sind, daß ein von der Sendespule ausgehender, die Empfangsspule durchsetzender magnetischer Fluß von einem in den Wirkbereich des Schienenkontaktes tretenden Fahrzeugrad derart beeinflußt wird, daß eine als Anwesenheitskriterium für das Fahrzeugrad auswertbare Änderung einer durch den magnetischen Fluß in der Empfangsspule induzierten Spannung eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Sendespule (SP) ein frequenzmodulierten Wechselstrom abgebender phasengerasteter Regelkreis (PLL) vorgesehen ist, dessen Eingang zur Nachsteuerung ic;i dem Sendespulenstromkreis (SK) verbunden ist, und daß der phasengerastete Regelkreis einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) enthält, von dem ein Steuereingang zur Modulation der Frequenz des Sendespulenspeisestromes mit dem Ausgang eines Rechteckgenerators (RG) verbunden ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umsetzung der Ausgangsspannung des phasengerasteten Regelkreises (PLL) in die Nachsieuerspannung ein phasenrichtiger Gleichrichter (PH) und ein nachgeschalteter Integrator (I) vorgesehen sind, ~na daß der phasenrichtige Gleichrichter zur Übernahme einer als Referenzsignal dienenden, gegenfi' er der Ausgangsspannung des phasengerasteten Regelkreises um 180° phasenverschobenen Spannung mit einem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) verbunden ist

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der in der Empfangsspule induzierten Spannung ein weiterer phasenrichtiger Gleichrichter vorgesehen ist und daß zur Übernahme einer als Referenzsignal für diesen phasenrichtigen Gleichrichter dienenden, dem im Sendespulenstromkreis fließenden Strom proportionalen Spannung der weitere phasenrichtige Gleichrichter mit einem eine solche Spannung liefernden Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) nach oben und unten begrenzt und nur wenig breiter eingestellt ist als der Bereich, in dem sich die Resonanzfrequenz des Sendespulenstromkreises im Betrieb bewegen kann.