EP0424570B1 - Vorrichtung zum berührungslosen Detektieren überhitzter Teile an vorüberfahrenden Schienenfahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung zum berührungslosen Detektieren überhitzter Teile an vorüberfahrenden Schienenfahrzeugen Download PDF

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EP0424570B1
EP0424570B1 EP89119943A EP89119943A EP0424570B1 EP 0424570 B1 EP0424570 B1 EP 0424570B1 EP 89119943 A EP89119943 A EP 89119943A EP 89119943 A EP89119943 A EP 89119943A EP 0424570 B1 EP0424570 B1 EP 0424570B1
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Signaltechnik Gesellschaft fur Entwicklung Hers
CSEE Transport
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SIGNALTECHNIK GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/04—Detectors for indicating the overheating of axle bearings and the like, e.g. associated with the brake system for applying the brakes in case of a fault
    • B61K9/06—Detectors for indicating the overheating of axle bearings and the like, e.g. associated with the brake system for applying the brakes in case of a fault by detecting or indicating heat radiation from overheated axles

Definitions

  • the invention relates to a device for the contactless detection of overheated parts, e.g. Axle bearings, brakes, wheel tires on passing rail vehicles.
  • overheated parts e.g. Axle bearings, brakes, wheel tires on passing rail vehicles.
  • Monitoring devices for those parts of moving rail vehicles which are heated by the moving load are known. These devices monitor the temperature of certain vehicle components by measuring the temperature dependent infrared radiation emitted by these components. Methods and devices for carrying out such measurements are e.g. described in DE-PS 23 43904, EP 0 041 178 A1 and also in US-PS 4,820,057 and the other literature cited therein.
  • the infrared detector is therefore part of the scanner attached to or on the rail.
  • the invention has for its object to provide a measuring device of the type mentioned, which overcomes the disadvantages listed above, i.e. a device in which the detector and the subsequent electronics are removed from the area of the rail and are thus arranged to be shock and vibration-proof and are shielded from interference fields.
  • the problem is solved in that the scanner with the infrared optics on the one hand and the infrared detector with its subsequent electronics on the other hand are arranged spatially separate from one another and at least one in the wavelength range of between these components for the transmission of the collected IR radiation from the infrared optics to the infrared detector approx. 2 to 12 micrometers of infrared light-conducting fiber is provided.
  • a device constructed according to the invention has the following advantages: The scanner volume and weight are significantly reduced.
  • the sensitive and expensive optoelectronics is spatially clearly separated from the area of influence of sharp environmental conditions (shock, vibration, risk of destruction due to hanging parts of passing rail vehicles, etc.).
  • the device is independent of the distance between the scanner and the rail electronics Significant reduction in the effort for amplification, conversion and measurement electronics as well as the necessary protective measures (shielding, filtering, electrical isolation, etc.).
  • FIG 1 denotes the rail on or in the immediate vicinity of which a scanner housing 2 is attached.
  • the latter contains a single-lens or multi-lens infrared optic 3 suitable for the selected radiation band, which is directed directly via a deflecting mirror 4 to the heat target to be detected.
  • This heat target can e.g. be: the axle bearing 5a of the wheel 5 of a rail vehicle, which is not otherwise shown, furthermore the tire 5b of the wheel 5 (in the case of shoe braking) or the brake discs 5c (in the case of disc braking).
  • the electrical output signals of the infrared detector are fed to a preamplifier 14 and processed further in a known manner by evaluation electronics 15.
  • Your exit surfaces 16a; 17a; 18a are combined in the rail electronics along a radius. With the interposition of one or more focusing optics 16 '; 17 ′; 18 ', these exit surfaces face a scanning deflecting element, which e.g. a wobble mirror 19 (Fig.2a) or a rotating reflective polygon 20 (Fig.2b).
  • a scanning deflecting element e.g. a wobble mirror 19 (Fig.2a) or a rotating reflective polygon 20 (Fig.2b).
  • the scanning deflection element now successively reflects those from the exit surfaces 16a; 17a; 18a emerging IR radiation of the fibers 16-18 via a further single or multi-lens Focusing optics 21 on the infrared detector 22.
  • the infrared detector 22 is followed by a preamplifier 24, the output signal of which is passed to an association electronics 25. Information about the respective position of the scanning deflection element 19 or 20 is also supplied to this assignment electronics.
  • Fig. 4 shows that at the outputs 16 ⁇ , 17 ⁇ , 18 ⁇ of the assignment electronics 25, which are clearly assigned to the fibers 16, 17, 18, the temperature-analogue output signals are now present in the correct time and place, which are separated in a known manner can be further processed.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
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  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Detektieren überhitzter Teile, wie z.B. Achslager, Bremsen, Radreifen an vorüberfahrenden Schienenfahrzeugen.
  • Überwachungseinrichtungen für diejenigen Teile fahrender Schienenfahrzeuge, die durch die fahrende Beanspruchung erwärmt werden, sind bekannt. Diese Vorrichtungen überwachen die Temperatur bestimmter Fahrzeugkomponenten dadurch, daß sie die von diesen Komponenten emittierte temperaturabhängige Infrarotstrahlung messen. Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Messungen sind z.B. beschrieben in DE-PS 23 43904, EP 0 041 178 A1 und auch in US-PS 4 820 057 sowie der weiteren dort zitierten Literatur.
  • Allen diesen Verfahren bzw. Vorrichtungen ist gemeinsam, daß an der Schiene befestigt oder im unmittelbaren Schienenbereich ein Abtaster fest installiert ist, dessen geometrische Meßachse derart orientiert ist, daß mit der Infrarotoptik im Zusammenhang mit geeigneten Gleisschaltmitteln die zu überprüfenden Teile an den vorbeifahrenden Schienenfahrzeugen sicher und eindeutig "gesehen" werden können.
  • Alle diese bisher bekannten Abtaster zeichnen sich dadurch aus, daß sie neben den unabdingbar notwendigen Komponenten, wie z.B. Abtastergehäuse, geeignete Befestigungselemente, Schließdeckelmechanik, Heizung und Fokussierungsoptik einen wie auch immer gearteten Infrarotdetektor und nachfolgend eine Verstärker- und ggf. eine Wandlungs- und Übertragungselektronik (= Folgeelektronik) beinhalten, um die IR-Strahlung in elektrische Signale umzuwandeln und dann über eine Drahtverbindung an eine entfernter stehende Auswerteelektronik zur Weiterverarbeitung zu leiten. Der Infrarotdetektor ist somit Bestandteil des an bzw. bei der Schiene befestigten Abtasters.
  • Diese bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben jedoch erhebliche grundsätzliche Nachteile, die sich aus der Art ihrer Anwendung an der Schiene bzw. unmittelbar in deren Nähe ergeben. Vor allem sind derartige Infrarotdetektoren und deren Folgeelektronik außerordentlich empfindlich gegenüber den bei ihrer Anwendung auftretenden "Umweltbelastungen", wie z.B. Schock, Vibration, Temperaturänderungen, elektrischen und magnetischen Störfeldern, Abhängigkeit von Kabellängen etc.
  • Darüberhinaus sind bisher gewisse Meßaufgaben aufgrund des notwendigen Bauvolumens derartiger Abtaster nur schwer oder gar nicht realisierbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der genannten Art anzugeben, welche die oben aufgeführten Nachteile überwindet, d.h. eine Vorrichtung, bei welcher der Detektor und die Folgeelektronik aus dem Bereich der Schiene entfernt und somit schock- und vibrationssicher angeordnet und gegen Störfelder abgeschirmt sind.
  • Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gelöst, welche die in Ansprüch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Wie aus dem Anspruch ersichtlich gelingt die Aufgabenlösung dadurch, daß der Abtaster mit der Infrarotoptik einerseits und der Infrarotdetektor mit seiner Folgeelektronik andererseits räumlich getrennt voneinander angeordnet sind und zur Weiterleitung der aufgefangenen IR-Strahlung von der Infrarotoptik zum Infrarotdetektor zwischen diesen Bauelementen mindestens eine im Wellenlängenbereich von ca. 2 bis 12 Mikrometer Infrarotlicht leitende Faser vorgesehen ist.
  • Mit der erfundenen Vorrichtung lassen sich alle heute bekannten systembedingten Nachteile eines schienen- oder schienennah montierten Infrarotabtasters mit eingebautem Detektor und Folgeelektronik vermeiden.
  • Insbesondere hat eine gemäß der Erfindung aufgebaute Vorrichtung folgende Vorteile:
    Das Abtastervolumen und sein Gewicht sind bedeutend verringert.
  • Die empfindliche und teure Optoelektronik ist vom Einflußbereich scharfer Umweltbedingungen (Schock, Vibration, Zerstörungsgefahr durch herabhängende Teile vorbeifahrender Schienenfahrzeuge usw.) räumlich deutlich abgesetzt.
  • Das Fehlen jedweder Aktivelektronik im Abtaster und die Übertragung der Infrarotstrahlung durch eine im verwendeten Wellenlängenbereich transmissive nichtelektrische Faser führt zu einer absoluten Sicherheit vor Störeinflüssen, wie z.B. Mikrophonie, elektrischen oder magnetischen Störfeldern etc.
  • In vernünftigen Grenzen ist die Vorrichtung unabhängig von der Entfernung zwischen Abtaster und der Schienenelektronik
    Bedeutende Reduzierung des Aufwandes für Verstärkungs-, Wandelungs- und Meßelektronik sowie der notwendigen Schutzmaßnahmen (Abschirmung, Filterung, Potentialtrennung etc.).
  • Potentialtrennung für die analoge Meßkette zwischen dem Abtaster und der Schienenelektronik.
  • Und schließlich besteht die Möglichkeit, wie noch beschrieben werden wird, auf der Seite der Schienenelektronik (Empfängerseite in bekannter Weise durch geeignete Wackelspiegel oder Polygone die Signale verschiedener erfindungsgemäßer Abtaster mit einem einzigen Detektor und nachgeschalteter Folgeelektronik abzuscannen.
  • In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1a
    schematisch die erfundene Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 1b
    schematisch das Rad eines Schienenfahrzeuges mit Backenbremsen,
    Fig. 1c
    schematisch die Radachse eines Schienenfahrzeuges mit den Scheiben einer Scheibenbremse,
    Fig. 2a
    schematisch die erfundene Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform,
    Fig. 2b
    ein reflexives Rotationspolygon, das als Scannerelement verwendbar ist,
    Fig. 3
    den Zusammenhang zwischen den Signalen und der Scannerstellung, und
    Fig. 4
    ein Diagramm der auf drei verschiedenen Kanälen ausgegebenen Signale.
  • In Fig.1 ist mit 1 die Schiene bezeichnet, an der bzw. in deren unmittelbaren Nähe ein Abtastergehäuse 2 befestigt ist. Letzteres enthält eine für das ausgewählte Strahlungsband geeignete ein- oder mehrlinsige Infrarotoptik 3, die direkt über einen Umlenkspiegel 4 auf das zu detektierende Wärmeziel gerichtet ist. Dieses Wärmeziel kann z.B. sein: das Achslager 5a des Rades 5 eines sonst nicht weiter dargestellten Schienenfahrzeuges, ferner der Reifen 5b des Rades 5 (bei Backenbremsung)oder die Bremsscheiben 5c (bei Scheibenbremsung).
  • Die Infrarotoptik 3 fokussiert die empfangenen IR-Strahlen auf die Eintrittsfläche 6 einer IR-transmissiven Faser 7. Diese ist vorzugsweise eine Faser mit möglichst geringer Streckendämpfung, selektiv im ersten oder zweiten atmosphärischen IR-Fenster, oder über den Gesamtbereich von ca. 2-12 Mikrometer. Konkret kann beispielsweise eine Faser der Typen 70/140 PJ, 150/200 PJ, 350/400 o.ä. der Firma LE VERRE FLUORE, Frankreich, zum Einsatz kommen.
  • Die Faser 7 überträgt die temperaturanaloge Infrarotstrahlung entlang der Übertragungsstrecke 8 zu einer Schienenelektronik 9.
  • In dieser Schienenelektronik 9 tritt die IR-Strahlung aus der Austrittsfläche 10 der Faser 7 aus und wird von einer Fokussierungsoptik 11 auf einen Infrarotdetektor 12 projiziert. Zwischen der Austrittsfläche 10 und der Eintrittsfläche des Detektors 12 ist noch ein geeigneter Chopper 13 angeordnet, wie er z.B. aus der DE-PS 23 43 904 bekannt ist.
  • Die elektrischen Ausgangssignale des Infrarotdetektors werden einem Vorverstärker 14 zugeführt und in bekannter Weise von einer Auswerteelektronik 15 weiterverarbeitet.
  • In den Fig.2a, 2b ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform besteht die Faser 7 der Fig.1a aus drei einzelnen Fasern 16; 17; 18. Diese drei Fasern sind jedoch nur beispielsweise gezeigt. An sich ist die Maximalzahl der Fasern nur durch geometrisch-optische Randbedingungen begrenzt.
  • Die Fasern 16; 17; 18 sind zu einem parallel verlaufenden Bündel zusammengefaßt. Jedoch sind die Eintrittsflächen schienenseitig (= abtasterseitig) auf verschiedene Wärmeziele gerichtet.
  • Ihre Austrittsflächen 16a; 17a; 18a sind in der Schienenelektronik entlang eines Radius zusammengefaßt. Unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Fokussierungsoptiken 16′; 17′; 18′ stehen diese Austrittsflächen gegenüber einem scannenden Umlenkelement, das z.B. ein Wackelspiegel 19 (Fig.2a) oder ein rotierendes reflexives Polygon 20 (Fig.2b) sein kann.
  • Das scannende Umlenkelement reflektiert nun nacheinander die aus den Austrittsflächen 16a; 17a; 18a austretende IR-Strahlung der Fasern 16-18 über eine weitere ein- oder mehrlinsige Fokussierungsoptik 21 auf den Infrarotdetektor 22.
  • Zwischen den Austrittsflächen der Fasern können noch IR-reflektierende Spiegel 23 angeordnet sein. Über sie wird in z.B. aus der DE-PS 23 43 904 bekannten Weise die Detektortemperatur als Referenztemperatur eingespiegelt.
  • Dem Infrarotdetektor 22 ist ein Vorverstärker 24 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal auf eine Zuordnungselektronik 25 geleitet wird. Dieser Zuordnungselektronik wird außerdem eine Information über die jeweilige Stellung des scannenden Umlenkelementes 19 bzw. 20 zugeführt.
  • Über die Scannerstellung a; b; c; (Fig.2a), die z.B. mittels eines Zeit- oder Winkelcodierers gewonnen werden kann, ordnet die Zuordnungselektronik die zeitlich aufeinaderfolgenden Ausgangssignale der unterschiedlichen Fasern 16-18 eindeutig der jeweiligen Faser zu.
    Dies ist schematisch in Fig.3 dargestellt.
  • Fig.4 zeigt, daß an den Ausgängen 16˝, 17˝, 18˝ der Zuordnungselektronik 25, die eindeutig den Fasern 16, 17, 18 zugeordnet sind, nun in zeitlich und räumlich richtiger Zuordnung die temperaturanalogen Ausgangssignale anstehen, die in bekannter Weise getrennt einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden können.
  • Es ist jedoch nicht unbedingt nötig, die Kanäle physikalisch zu vereinzeln. Es ist ebenso eine durch eine geeignete Folgeelektronik zeitbezogene Dekodierung der jeweiligen Kanalinhalte denkbar.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum berührungslosen Detektieren überhitzter Achslager (5a) und/oder Bremsen (5c) und/oder Radreifen (5b) an vorüberfahrenden Schienenfahrzeugen, mit einem an der Schiene (1) bzw. im unmittelbaren Schienenbereich fest installierten Abtaster (2) mit einer Infrarotoptik (3) sowie einem nachgeschalteten Infrarotdetektor (12;22) und einer hieran angeschlossenen Folgeelektronik (14;15;24), welche die vom Detektor (12;22) ausgegebenen,
    der IR-Strahlung analogen elektrischen Signale an eine Auswerteschaltung (15) weiterleitet,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster (2) mit der Infrarotoptik (3) einerseits und der Infrarotdetektor (12;22) mit seiner Folgeelektronik (14;15;24) andererseits räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, und daß zur Weiterleitung der aufgefangenen IR-Strahlung von der Infrarotoptik (3) zum Infrarotdetektor (12;22) zwischen diesen Bauelementen mindestens eine Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von ca. 2 bis 12 Mikrometer leitende Faser (7;16; 17;18) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere IR-Lichtleitfasern (16;17;18) parallel zueinander verwendet werden, deren Lichteintrittsflächen schienenseitig auf verschiedene Wärmeziele (Lager, Radreifen, Bremse) gerichtet sind,
    daß zwischen den Lichtaustrittsflächen (16a;17a;18a) der Fasern (16;17;18) und dem Detektor (22) ein Scannerelement (19;20) angeordnet ist, das die aus den Lichtaustrittsflächen der einzelnen Fasern austretenden IR-Strahlen in stetiger Wiederholung zeitlich nacheinander dem Detektor zuführt und daß zwecks Zuordnung der einzelnen Signale zu den jeweiligen Fasern eine Zuordnungselektronik (25) vorgesehen ist, der einerseits die der IR-Strahlung in den einzelnen Fasern analogen elektrischen Signale und andererseits eine Information über die jeweilige Stellung des Scannerelementes (19;20) zugeführt werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Scannerelement ein Wackelspiegel (19) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Scannerelement ein umlaufendes reflektives Polygon (20) ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß in Lichtrichtung vor dem Detektor (22) IR-reflektierende Spiegelflächen (23) angeordnet sind, über welche die Detektortemperatur als Referenztemperatur auf den Detektor (22) rückgespiegelt wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-reflektierenden Spiegelflächen (23) zwischen den Austrittsflächen (16a;17a;18a) der einzelnen Fasern (16;17;18) angeordnet sind (Fig.2a).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungselektronik (25) einen Codierer enthält, durch den mit Hilfe eines nachgeschalteten Mikroprozessors die Signale der verschiedenen Kanäle (Fasern 16;17;18) auf einer einzigen elektrischen Leitung kanalweise exakt identifiziert weiterverarbeitbar sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derart ausgebildete Zuordnungselektronik, daß die einzelnen Kanäle physikalisch getrennt auf separaten Leitungen (16˝;17˝;18˝) zur weiteren Verarbeitung ausgegeben werden (Fig.4).
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