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Vorrichtung zur elektrischen Zeichengebung von oder nach Fahrzeugen
mittels Ultraschallwellen Die Erfindung hat eine Einrichtung zur Signalübertragung
durch Strahlwirkung von ortsfesten Gegenständen auf bewegte Gegenstände, Fahrzeuge,
insbesondere fahrende Züge oder umgekehrt zum Gegenstand. Für die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe einer Signalübertragung auf bewegte Züge, einer Zug- bzw.
Fahrzeugbeeinflussung durch irgendwelche Signale, um beispielsweise auf dem Zug
eine Signal- oder eine sonstige Wirkung auszulösen, wenn der Zug eine bestimmte
Stelle auf der Fahrstrecke überfährt, um insbesondere das Überfahren des Haltesignals
zu verhindern oder um durch eine Signalgebung vom Bahnkörper aus eine selbsttätige
Bremsung oder bei elektrischen Bahnen eine selbsttätige Abschaltung des Fahrstromes
und gegebenenfalls eine Verhinderung der Bremslösung zu bewirken, liegen bereits
zahlreiche Vorschläge vor.
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So ist es beispielsweise bekannt, das überfahren von Haltesignalen
dadurch zu verhindern, daß man das Signal auf den Zug selbsttätig mittels Hebels
oder mittels Kontakte oder mittels einer magnetischen bzw. induktiven Beeinflussung
überträgt.
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Die meisten derartigen Vorrichtungen, die mechanisch verdrängte Teile
oder elektrische
Kontakte oder die magnetische Induktion benutzen.
sind aber besonders bei größeren Zu-,-Cresch@indigl:ei ten bzw. Fahrz_euggeschwindiglzeiten
nicht hinreichend zuverlässig.
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Es sind weiterhin Vorrichtungen zum Auslösen und Verriegeln eines
Warnsignals auf einen Zug mittels elektrischer Wellen bekanntgeworden. So gibt es
z. B. Einrichtungen, die derart ausgebildet sind, daß auf der Lokomotive des fahrenden
Zuges ein Sender für elektrische Schwingungen und an bestimmten Stellen des Bahnkörpers
Empfangskreise angeordnet sind. welche bei Annäherung des Senders eine Rückwirkung
auf denselben ausüben, Wodurch Signale ausgelöst Werden. Die Signalauslösung erfolgt
dabei z. B. durch Relais. welche im normalen Zustand angezogen. bei Vorbeifahrt
an einem abgestimmten Empfangskreis infolge der Energieentziehung abfallen.
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Schließlich sind Vorrichtungen zur Signalübertragung auf die Lokomotive
mittels eines auf diesem Fahrzeug angeordneten Senders und Empfängers für elektrische
Wellen dergestalt bekanntgeworden, daß die Annäherung eines Eisenbahnzuges mittels
Reflexfon elektrischer Wellen auf eineLokomotive angezeigt wird, indem die von einem
Sender auf der Lokomotive ausgehenden Wellen an dem fernen Eisenbahnzug auf einen
neben dem Sender ebenfalls auf der Lokomotive angeordneten Empfänger zurückgeworfen
werden.
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Außer den verschiedenen Signalübertragungs- und Zugbeeinflussungseinrichtungen.
die elektrisch oder mechanisch betrieben ,v erden, sind zahlreiche Vorschlüge bekanntgeworden,
dieZugbeeinflussung durchoptische Signale vorzunehmen. Bei diesen optischen Signaleinrichtungen
«-erden durch die Einwirkung eines Lichtstrahles auf ein lichtempfindliches Organ,
z. B. Selenzelle oder Photozelle, irgendwelche Anzeigevorrichtungen durch Lichtsignale
auf bewegte Gegenstände betätigt. Bei anderen optischen Eisenbalinsignaleinrichtungen
wird eine von einer auf dem Fahrzeug befindlichen Lichtquelle ausgebende Lichtstrahlung
durch einen auf j der Strecke angeordneten Spiegel zurück- I geworfen und von einem
auf dem Fahrzeug vorgesehenen Empfänger aufgefangen. Teilweise wurden Einrichtungen
getroffen, die durch Anordnung von Filtern. Polarisatoren od. dgl. die Lichtstrahlen
verändern.
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Diese Benutzung von Lichtstrahlen zur Übertragung von Signalen auf
den fahrenden Zug ist gegenüber den sonstigen mit elektrischen oder mechanischen
Mitteln arbeitenden Verfahren insofern vorteilhaft, als die Erzeugung der Lichtstrahlen
sehr einfach und billig ist und infolgedessen der Geber mit Leichtigkeit in betriebsfähigem
Zustand gehalten «erden kann. und weil als Empfänger Selenzellen benutzt werden
können, die heute zu einer außerordentlich hohen Empfindlichkeit ausgebildet sind
und weil vor allem in der -Möglichkeit der Rückstrahlung oder der -Möglichkeit einer
Strahlabienkung ganz wesentliche Hilfsmittel für eine vereinfachte bauliche Ausbildung
und Anpassungsmöglichkeit der Anlage an alle irgend«-ie gegebene» Bedingungen gegeben
sind.
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Diese mit optischen Strahlen arbeitenden Sicherungs- und Befehlsübertragungsanlagen
haben andererseits auch wieder erhebliche Nachteile. Bei diesen Anlagen machen sich
vor allem Witterungseinflüsse, wie Regen. Schnee und -Nebel, sowie Staub und Verschmutzung
recht störend bemerkbar. indem beispielsweise spiegelnde Flächen oder die benutzten
optischen Systeme oder das lichtempfindliche Organ selbst mehr oder weniger durch
die genannten Einflüsse unwirl<sarn gemacht werden kann. Teilweise kann sogar
der Fall eintreten, daß die verwendete Stralilung <furch irgendwelche Einflüsse
vor ihrem Auftreffen auf den Strahlungsempfänger erheblich geschwächt werden kann.
z. B. bei starkem -Nebel oder bei Schneeansatz auf deji Armaturen vor dem Strahlungsempfänger.
Aulerdem ist mit störenden Beleuchtungsänderungen, zu denen vor allem die fortwährenden
Änderungen der Tageslichtbeleuchtung gehören, zu rechnen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine
Vorrichtung für die eingangs und im Zusammenhang mit dem aufgezählten Stand der
Technik genannten Zwecke zu schaffen, die alle wesentlichen Vorteile einer optischen
Signalübertragungsvorrichtung enthält, und welche jedoch die hierbei auftretenden
Schwierigkeiten mühelos überwindet.
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Ersetzt man bei den bekannten optischen Torrichtungen zur elektrischen
Zeichengebung von oder nach Fahrzeugen den Lichtstrahl durch einen Schallwellenstralil.
insbesondere durch einen gebündelten und gerichteten Schallwellenstrahl, wobei natürlich
der Strahlenauffänger, an dessen Ausgangskreis die üblichen Relais oder Steuermittel
angeschlossen sind, eine für die gerichteten Schallstrahlen besonders empfindliche
Vorrichtung sein muß. so gewinnt man wesentliche technische Vorteile, die darin
bestehen, daß die Anordnung unempfindlicher ist gegen die Einwirkungen von Staub,
Nebel, Regen. Schnee und Verschmutzungen, wodurch wesentliche Erleichterungen für
die des Signalbehälters gewonnen werden.
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Es ist bereits eine elektrische Zugsicherungseinrichtung bekanntgeworden.
bei der durch das Gewicht des vorüherf:ihrenden
Fahrzeuges ein schaltbarer
Schallsender, der neben der Fahrstrecke aufgestellt ist, und mehrere auf dem Fahrzeug
angeordnete Empfänger mittels Relais die Auslösung von Warnsignalen bewirken. Der
Schallsender ist hierbei auf die auf beiden Seiten des Fahrzeuges angeordneten Empfänger
abgestimmt und auf das vorüberfahrende Fahrzeug zu gerichtet. Der Schall wird durch
das vorüberfahrende Fahrzeug abgeschattet, so daß der dem Schallsender zugekehrte
Fahrzeugempfänger anspricht. Außerdem ist der Schallsender mit einem Trichter versehen,
der den Schallstrahl im wesentlichen nur nach dem vorbeifahrenden Fahrzeug hin leitet.
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Es sind auch Einrichtungen zur übertragung von Signalen auf Fahrzeugen
unter ''Verwendung von Schallwellen bekanntgeworden, bei denen die Frequenz der
Schallwellen oberhalb der oberen Hörgrenze liegt. Diese Schallwellen werden bei
dieser Einrichtung mittels einer Preßluftsirene erzeugt, die in zwangsläufiger Abhängigkeit
von den Schalteinrichtungen der Lokomotive steht.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrischen Zeichengebung
von oder nach Fahrzeugen durch Strahlenwirkung mittels Ultraschallwellen, sie besteht
darin, daß für die Zeichenübertragung sowohl im Geber als auch im Empfänger je ein
piezoelektrisches Kristallsystem benutzt wird, dessen Symmetrieebene die Mikrophonebene
kreuzt. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch geschehen, daß sowohl im Geber
als auch im Empfänger ein zu einer Doppelschale - zusammengesetztes System von piezoelektrischen
Platten oder Doppelplatten vorgesehen wird. Auf diese Weise erreicht man eine wesentliche
Erhöhung der Empfindlichkeit im Empfänger und damit eine wesentliche Reichweitenvergrößerung
für die mittels Ultraschall, insbesondere in Luft, betriebene Vorrichtung zur elektrischen
Zeichengebung von oder nach Fahrzeugen durch Strahlenwirkung.
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Die Erfindung sei nachstehend an Hand einiger in den Zeichnungen schematisch
dargestellter Beispiele für Ausführungsformen beschrieben.
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Bei der in Fig. i dargestellten Anordnung befifidet sich auf dem Fahrzeug,
beispielsweise auf einem Gleisfahrzeug F, ein von einem Hochfrequenzgenerator H
betriebener piezoelektrischer -Ultraschallgeber S, der im Brennpunkt eines parabolischen
Trichters T, angeordnet ist. Längs des Bahnkörpers oder in der Nähe der Gleisanlage
befindet sich ein piezoelektrisches Empfängersystem E. Auch hier befindet sich wieder
vorteilhaft der piezoelektrische Kristall im Brennpunkt eines Reflektors T2. Die
Elektroden des piezoelektrischen Empfangssystems sind mit den Eingangsklemmen eines
gewöhnlichen Verstärkers V verbunden, der ausgangsseitig ein Relais r speist.
Das Relais r wird nun betätigt, sobald der Sender S den Empfänger E mit Ultraschallwellen
beaufschlagt. In diesem Fall schließt oder öffnet in an sich bekannter Weise der
Anker a des Relais r einen aus der Batterie b gespeisten Stromkreis, der
nun in ebenfalls bekannter Weise zur Bedienung von Signalen, Signalverschlüssen
oder sonstigen Sicherungseinrichtungen Si benutzt werden kann.
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Die vom piezoelektrischen Kristall ausgehende Schallwelle kann nun
entweder den Empfänger E unmittelbar beaufschlagen oder im Bedarfsfall vorher über
Umlenkschallspiegel geeigneter Ausführungen zum Empfänger geführt werden.
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Da die Beaufschlagung des Empfangsmikrophons E bei schnell fahrenden
Fahrzeugen und kleinen Abständen des Senders zum Empfänger nur ein Bruchteil einer
Sekunde ausmacht, so wird auch die Zeitdauer, während der das Relais r den Ortsstromkreis
schließt, entsprechend kurz sein, so daß die, gegebenenfalls durch einen Magnet,
z. B. im Stellwerk zu bewegenden Teile infolge ihrer verhältnismäßig großen Masse
nicht sicher folgen können. Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch in bereits
bekanntgewordener Weise beispielsweise durch Anwendung eines Zwischenrelais mit
elektrischer Ankerfesthaltevörrichtung mühelos beheben.
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Bei einer solchen, beispielsweise in Fig. i dargestellten Vorrichtung
hat man nicht die Schwierigkeiten, die bei optischen Signalübertragungsanlagenzwischen
der empfangenden und der davon örtlich getrennten steuernden Stelle darin bestehen,
daß die Einwirkung des Signallichtes von derEinwirkungfremden Lichtes nicht zu unterscheiden
ist, da sich die mit Ultraschallwellen betriebene Vorrichtung auf ganz bestimmte,
außerhalb der normalen akustischen Störungen liegenden Frequenzen äußerst genau
abstimmen läßt und diese nur auf solche außerhalb jedes Störbereiches, insbesondere
der Fahrzeugeigengeräusche fallenden akustischen Frequenzen anspricht.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die die Eigenschaft der
Rückstrahlungsfähigkeit der Ultraschallwellen ausnutzt, zeigt die Fig.2. Hierbei
sind sowohl der piezoelektrische Geber S als auch der piezoelektrische Empfänger
E, d. h. also das piezoelektrische Mikrophon, beide entweder fahrzeugfest oder ortsfest
angeordnet, und die Betätigung des Relais r wird nur dann bewirkt, wenn der Strahlengang
s1, s. durch den Reflektor R entweder aufgeblendet oder abgeblendet ist. Der Reflektor
R kann natür-
-ich auch hier, wie es bei mit elektromagnetischen
Wellen betriebenen Signaleinrichtungen bekannt ist. am Bahnkörper schwenkbar um
den Punkt .-1 eingerichtet sein, um so die Möglichkeit zu haben, die Signalanzeige
jederzeit unwirksam zu machen, d.li. aul-',er betrieb zu setzen.
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Die in Fig. a gezeigte Vorrichtung ist für die Benutzung von Ultraschallstrahlen
insofern besonders geeignet, als sich mit ihr eine wesentliche Vereinfachung des
technischen Aufwands erzielen lält, denn der Ultraschallgeber S und der Ultraschallempfänger
E lassen sich hierbei in vorteilhafter Weise zu einer akustischen Rückkopplungsschaltung
miteinander verbinden. Dadurch gewinnt man den Vorteil. daß man ohne einen besonderen
Hochfrequenzgenerator, lediglich rnit einem gewöhnlichen Verstärker l" auskommt.
Die akustische Rückkopplung wird dann mit Hilfe des Schallspiegels R entweder ein-
oder ausgeschaltet. Eines der Rückkopplungsglieder kann dabei gleichzeitig als Strahlsender
vorteilhaft benutzt werden.
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Die Wirkungsweise einer solchen Rückkopplungseinrichtung ist dann
derart, daß durch einen äußeren Anstoß, beispielsweise mit der Einschaltung des
Anodenstromes ini Verstärker b-, das piezoelektrische System S erregt wird und entsprechend
seiner piezoelektrischen Deformation einen Stoß über die zwischen den Systemen S
und E liegende äußere Luftsäule (s-, s..,) auf das System E ausübt. Das System Eist
nun so eingerichtet, daß es bei diesem Stoß eine positive Spannung an das Gitter
der Verstärkerröhre des Verstärkers I' abgibt, so dali der Strom der Anode zunimmt
und durch das System S auf das System E eine weitere Druckansteigung erfolgt. Durch
diese Stoßerregung wird die Eigenschwingung des Systems E angeregt, diese schaukelt
sich auf und bleibt als ungedämpfte Schwingung bestellen. Dieser Aufschaukehingsprozeß
geht außerordentlich schnell vor sich. 'Iaii kann natürlich hierbei so verfahren,
daß man den Rü ckkopplungsprozeß dauernd aufrechterhält und diesen nur im Fall einer
Signalgebung durch einen entsprechend gestellten Spiegel unterbricht. -Mit einer
solchen Rückkopplungsanordnung wird gleichzeitig eine wesentliche Erhöhung der Peilschärfe
erzielt, insbesondere dann, wenn man die beiden piezoelektrischen Systeme einander
derart räumlich zuordnet, daß die Richtungen der größten Empfindlichkeiten zusammenfallen.
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Als piezoelektrische Systeme lassen sich Ouarze oder Turmaline. besser
noch aber Seignettesalzkristalle verwenden. Letztere sind wesentlich billiger als
die übrigen und haben auch eilte erheblich größere Enipfndlichlceit. Da aber normalerweise
piezoelektrische Seignettesalzkristallsvsteme nicht die genügende mechanische Festigkeit
besitzen. ist es vorteilhaft, als Ultraschallgeber und -empfänger zu einer Doppelschale
zusammengeset7te Seignettesalzkris-callplatten oder Seignettesalzdoppelplatten zu
benutzen. wie in der r i"'. 3 gezeigt. -Natürlich kann man auch all Stelle
von Seignettesalzkristallplatten Quarz.- oder Turmalineplatten. die z. P. in bestimmter
Weise aus einem Rohkristall h 1 -esägt oder aus-eschnittert sind. zu eraus-.
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einer solchen piezoelehtrischen Doppelschale zusammensetzen. Wesentlich
ist hierbei, dal3 die Zusammensetzung derart erfolgt. daß die Symmetrieebene S--"
die -Mikrophonebene lli kreuzt.
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In der Fig.3 ist ein Schnitt durch eilte piezoelektrische oktaederförmigeDoppelschale
dargestellt. F1. F.- F.3 und F4 sind die Schnittflächen der vier Seitenflächen eines
Achtflächners. Diese Plattenteile sind an den Stellen K1 bis h4 zusammengekittet.
All der unteren Ecke des Polyeders ist durch eine Bohrung der Haltestift st eingeführt.
Dieser Haltestift ist mit der metallischen Innenbelegung i verbunden, die äußere
metallische Belegung ist an eine auf eine Isolierbuchse 3 aufgesetzte 'Metallbuchse
.M angeschlossen. Bei Schalldruck von oben sind alle Einzelflächen radial unter
Druckspannung. am Außenumfang unter Zugspannung. Es entstehen dann außen und innen
entgegengesetzte Ladungen.
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Dieses aus acht Einzelplatten zu eitler Doppelschale zusammengesetzte
13iezoelektrische System ist außerordentlich standfest und hat eine Eigenschwingung
weit oberhalb des Hörbarkeitsbereichs. Von der Doppelschale wird ein Hohlraum eingeschlossen.
-Mit einer solchen 'Vorrichtung ist es ohne weiteres möglich, den damit erzeugten
bzw. empfangenen Ultraschall auch für größere Entferilungen in Luft zwischen Geber
und Empfänger bei der Signalgebung auszunutzen. Will man noch größere Festigkeitseigenschaften
ausnutzen, so erweist es sich als zweckmäßig, die Doppelschale beispielsweise als
piezoelektrische Hohldoppelpyramide aus künstlich gewachsenen Rochellesalzkristallplatten
aufzubauen. Läßt man zu diesem Zweck einen solchen Kristall bei seiner Herstellung
nur in der c-Richtung wachsen, so erzielt man auf diese besonders einfache Weise
die größte erreichbare Festigkeit.
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Die Erfindung soll natürlich nicht nur auf die Benutzung der in der
Fig. 3 dargestellten Ausführungsform für die piezoelektrische Doppelschale beschränkt
sein. Es lassen sich vielmehr auch alle anderen Polrederformen benutzen. .Mus piezE@el:i;trischen
i---iiiztl- oder
Doppelplatten kann . schließlich auch eine kalottenförmige
oder eine polyeder- und prismenförmige oder kalotten- und prismenförmige Doppelschale
hergestellt sein.
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Die piezoelektrischen Kristallsysteme können, wie in den Fig. i und
2 gezeigt ist, durch Federn am Trichtergehäuse gehalten sein.