Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Eine solche Einrichtung
ist u. a. aus der DE 26 30 387 C3 bekannt.
Dort geht es um eine Überwachungseinrichtung für die Endlagen
schwenkbarer Schienen von Eisenbahnweichen. Diese Schienen
sind auf einem Gleiskörper schwenkbar gelagert. In den Gleiskörper
eingelassen sind induktiv wirkende Schienenschalter,
die in den beiden Endlagen der beweglichen Schienen von diesen
berührungslos betätigt werden und dabei Endlagemeldungen
abgeben. Diese bekannte Überwachungseinrichtung ist aufgrund
ihrer konstruktiven Ausgestaltung ausschließlich dazu geeignet,
ganz bestimmte Endlagen einer Schiene zu detektieren,
nämlich diejenigen, die sich aus dem Stellhub der Weiche und
der konstruktiven Anordnung eines zum Auslösen einer Meldung
verwendeten Gegenstückes an der beweglichen Schiene, der sogenannten
Weichenzunge, gegenüber der durchgehenden Schiene
ergibt. Zum Erkennen anderer Endlagen der beweglichen Schiene
weiter zur Zungenspitze oder zur Zungenwurzel müssen die
ortsfesten Sensoren wegen des dort veränderten Stellhubes in
anderem gegenseitigen Abstand zueinander und zur durchgehenden
Schiene angeordnet sein. Dies erfordert eine aufwendige
Lageberechnung für die Sensoren und eine aufwendige Montage
vor Ort. Die Endlageerfassung einer beweglichen Schiene ist
beliebig ungenau; die Endlagemeldung wird auch gegeben, wenn
die zu detektierende Endlage um einige Millimeter abweicht
von der vorgegebenen Soll-Endlage.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches anzugeben, die ohne aufwendige
Positionierung von ortsfesten Sensoren an beliebiger Stelle
entlang des Verstellweges eines metallischen Körpers auskommt
und mit der eine beliebig feinfühlige Lageerfassung dieses
Körpers möglich ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung soll
darüber hinaus in der Lage sein, zwischen Beeinflussungen
durch den zu detektierenden metallischen Körper und etwaigen
Fremdkörpern zu unterscheiden.
Die Erfindung löst diese Aufgaben durch die Merkmale des Patentanspruches
1. Durch die Verwendung einer Vielzahl von in
einem Raster angeordneten Sensoren ist es möglich, den metallischen
Körper innerhalb seines Verstellweges hinlänglich genau
zu orten und aus den Ortungsmeldungen der Sensoren auf
seine jeweilige Lage zu schließen.
In besonders vorteilhafter Weise geschieht dabei die Kalibrierung
der Einrichtung vor Ort durch einen Lernvorgang der
Bewertungseinrichtung.
Die Selektivität der Lagekennzeichnung ist abhängig von der
Anzahl der durch einen metallischen Körper gemeinsam beeinflussten
Sensoren und dem Grad ihrer Beeinflussung. Vorteilhaft
sind die Sensoren baulich in einem Sensorarray vereinigt,
das ober- oder unterhalb oder seitlich des metallischen
Körpers in seinem Verstellweg angeordnet ist. Zum Schutz vor
mechanischer Beschädigung ist das Array durch eine für Hochfrequenzfelder
durchlässige Schutzschicht abzudecken.
Wenn diese Sensoren dazu eingerichtet sind, Ausgangssignale
zu erzeugen, die in ihrer Amplitude oder Frequenz abhängig
sind vom Abstand des zu detektierenden metallischen Körpers
vom jeweiligen Sensor, dann ist neben dem Erkennen des unbeeinflussten
und des beeinflussten Zustandes auch das Erkennen
eines teilbeeinflussten Zustandes möglich. Diese Zustandsmeldungen
zusammen mit den übrigen Sensormeldungen ermöglichen
eine eindeutige Aussage über die Lage des zu detektierenden
metallischen Körpers in der Überwachungszone.
Zur feinfühligen Lageerfassung sind die Sensoren längs des
Verstellweges in mehreren Reihen quer zum Verstellweg des metallischen
Körpers anzuordnen, wobei die Sensoren benachbarter
Reihen vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet sind.
Dies macht eine feinfühlige Lageerfassung möglich. Dabei kann
die Anordnung so getroffen sein, dass gleichartig ausgebildete
Sensoren über die Überwachungszone gleichmäßig verteilt
angeordnet sind oder dass Sensoren mit unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit
oder unterschiedlicher Schaltfläche so
über den Überwachungsbereich verteilt sind, dass mit ihnen
eine Grobortung und eine Feinortung möglich ist.
Insbesondere induktive Sensoren können nicht nur durch die zu
detektierenden metallischen Körper, sondern auch durch magnetische
Fremdfelder beeinflusst werden, die zu falschen Lagemeldungen
führen können. Um solche falschen Lagemeldungen
auszuschließen, sieht die Erfindung spezielle Ausgestaltungen
der Sensorwicklungen vor. Die Unterscheidung zwischen Beeinflussung
durch einen metallischen Körper und Beeinflussung
durch ein Störfeld wird dadurch ermöglicht, dass die Sensoren
in den erfindungsgemäß vorgesehenen Teilwicklungen unterschiedlich
gerichtete Magnetfelder erzeugen, die vom zu erfassenden
metallischen Körper jeweils gleichsinnig beeinflusst
werden. Störmagnetfelder hingegen wirken auf die beiden
Teilwicklungen im Sinne einer Erhöhung des Feldes in der
einen und einer Verminderung des Feldes in der anderen Teilwicklung.
Damit hebt sich die Beeinflussung der beiden Teilwicklungen
durch ein Fremdfeld bei geeigneter Dimensionierung
der Spulen und geeigneter Anordnung der Spulen gegenseitig
auf und der Sensor bleibt unbeeinflusst.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist in besonders vorteilhafter
Weise in der Lage, durch Langzeitbeobachtung der sich im
Betrieb ergebenden Sensormeldungen Veränderungen im Schaltverhalten
zu erkennen. Solche Veränderungen können ihre Ursache
in den einzelnen Sensoren haben, können aber auch darauf
beruhen, dass sich z. B. die Dicke der Schutzschicht über den
Sensoren verändert und damit die Sensoren positionsbezogen
früher oder später schalten als bei ihrer Installation.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung
schematisch angedeuteten Ausführungsformen am Ausführungsbeispiel
einer Weichenzunge näher erläutert.
- Figur 1
- zeigt die Draufsicht auf eine Weiche im Bereich
der Zungenspitze zusammen mit einem
Sensorarray zum Bestimmen der aktuellen
Weichenlage, in
- Figur 2
- die Pegelwerte der obersten Sensorreihe aus
Figur 1, in
- Figur 3
- das Anpassen einer Soll-Kurve an die gemessenen
Pegelwerte, in
- Figur 4
- das Erkennen eines über dem Sensorarray befindlichen
metallischen Fremdkörpers, in
- Figur 5
- das Erkennen der Schieflage einer Weichenzunge,
in
- Figur 6
- ein Sensorarray mit unterschiedlich ausgebildeten
Einzelsensoren und in den
- Figuren 7 und 8
- spezielle Ausgestaltungen von Sensorwicklungen
zur Unterdrückung der Einflüsse von
Fremdmagnetfeldern.
Figur 1 zeigt in ausschnittsweiser schematischer Darstellung
die Draufsicht auf eine Weiche im Bereich einer Zungenspitze.
Mit 1 ist die feststehende Fahrschiene, mit 2 die demgegenüber
bewegliche Weichenzunge bezeichnet. Unterhalb der beiden
Fahrschienen befindet sich ein Sensorarray 3 mit einer Vielzahl
von über den Verstellweg der Weichenzunge verteilt angeordneten
Einzelsensoren 4. Die Einzelsensoren sind mindestens
in den Bereichen, in denen es darum geht, die Lage der Weichenzunge
2 zu erfassen, in dichtem Abstand nebeneinander angeordnet.
Sie sind vorzugsweise als an sich bekannte induktive
Sensoren ausgebildet, die dazu eingerichtet sind, ihr Ausgangssignal
in Abhängigkeit von der Bedämpfung durch einen
über ihnen befindlichen metallischen Körper markant zu verändern
und damit die Form und die Lage dieses Körpers kenntlich
zu machen. Das Sensorarray befindet sich an, auf, unter oder
in einer Führungs- oder Gleitebene für die Weichenzunge. Es
ist zum metallischen Körper durch mindestens eine für die
Hochfrequenzfelder der Sensoren durchlässige Schutzschicht
abgedeckt. Diese Schutzschicht schützt die Sensorköpfe vor
Witterungseinflüssen und mechanischen Beschädigungen durch
Fremdkörper und Eispartikel.
Jeder Sensor hat ein definiertes Ansprechverhalten und reagiert
individuell auf die Verstimmung des Resonanzkreises
seines Oszillators als Folge der Bedämpfung durch die Eisenmasse
der in das Sensorfeld eintauchenden Weichenzunge. In
Figur 1 ist der Grad der Bedämpfung der Sensoren durch unterschiedliche
graphische Hinterlegung der Sensorsymbole verdeutlicht.
Leere Kreise stehen für nicht beeinflusste Sensoren,
schraffierte Kreise für geringfügig bedämpfte Sensoren
und schwarze Kreise für voll bedämpfte Sensoren.
In Figur 2 sind beispielhaft die Pegelwerte der obersten Sensorreihe
aus Figur 1 wiedergegeben. Es ist erkennbar, dass
sich die Pegelausgangswerte der Sensoren in Abhängigkeit von
ihrer Bedämpfung durch den zu detektierenden metallischen
Körper markant verändern. Diese Veränderung lässt sich durch
Strom- oder Spannungsmessungen an den Sensoren unschwer erkennen
und für eine nachfolgende Bewertung digitalisieren.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Bewertungseinrichtung
bestimmt aus dem jeweils vorliegenden Beeinflussungsmuster
aller Sensoren des Sensorarrays die Form und die Lage des
jeweils detektierten metallischen Körpers, hier der Weichenzunge.
Das kann gemäß Figur 3 in vorteilhafter Weise dadurch
geschehen, dass geprüft wird, ob die Pegelwerte der Sensoren
in den einzelnen Sensorreihen quer zur Fahrschiene 1 an Soll-Kurven
5 anzupassen sind oder umgekehrt, ob sich eine hinterlegte
Soll-Kurve an den Verlauf der Sensorpegel anpassen
lässt. Ist das mindestens annähernd der Fall, so lässt sich
aus dieser Soll-Kurve die äußere Kontur und die Lage des zu
detektierenden metallischen Körpers, hier der Weichenzunge,
recht genau bestimmen. In besonders vorteilhafter Weise werden
die Soll-Kurven zum Bestimmen der Lage eines metallischen
Körpers dadurch gebildet, dass dieser in einer Initialisierungsphase
über das Sensorarray bewegt wird und dass dabei
die Beeinflussungen der einzelnen Sensoren ermittelt und von
einer Bewertungseinrichtung festgehalten wird. Für spätere
Lagebestimmungen des so vermessenen metallischen Körpers
greift die Bewertungseinrichtung auf die hinterlegten Beeinflussungswerte
zurück.
Sensorbeeinflussungen, die nicht dem für den zu erfassenden
metallischen Körper hinterlegten Beeinflussungsmuster entsprechen,
kennzeichnen Störfälle. Solche Störfälle sind in
den Figuren 4 und 5 angenommnen. In Figur 4 befindet sich ein
Fremdkörper 6, z. B. eine Getränkedose, im Erfassungsbereich
der Sensoren 4 des Sensorarrays 3. Das detektierte Beeinflussungsmuster
entspricht nicht den für eine Weichenzunge hinterlegten
Beeinflussungsmustern; die Bewertungseinrichtung
kann daher nicht auf eine aktuelle Lage einer Weichenzunge im
Bereich des Sensorarrays schließen.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist angenommen, dass eine
Weichenzunge 7, z. B. durch Bruch, die dargestellte Schieflage
einnimmt. Zwar werden durch die Weichenzunge eine Vielzahl
von Sensoren des Sensorarrays beeinflusst; das Beeinflussungsmuster
entspricht aber nicht den in der Initialisierungsphase
aufgenommenen Vergleichsmustern, so dass die Bewertungseinrichtung
auch hier nicht auf eine ordnungsgerechte
Lage der zu detektierenden Weichenzunge erkennen kann. Die
Bewertungseinrichtung kann aber aus der Vielzahl der beeinflussten
Sensoren auf das Vorliegen einer ernstzunehmenden
Störung schließen, wobei für sie allerdings nicht erkennbar
ist, ob diese Störung durch eine größeren metallischen Fremdkörper
oder durch eine gebrochene Weichenzunge gegeben ist,
es sei denn, entsprechende Störmuster wären hinterlegt.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen sind die
Sensoren für die Lagebestimmung eines metallischen Körpers in
seinem Verstellweg etwa gleichmäßig und dicht über die Fläche
des Sensorarrays verteilt angeordnet. Die Sensoren bilden dabei
mehrere Reihen quer zum Verstellweg des metallischen Körpers.
Um ein möglichst dichtes Netz von Erfassungsstellen zu
erreichen, sind die Sensoren benachbarter Reihen versetzt zueinander
angeordnet. Die Sensoren sind vorzugsweise gleichartig
ausgebildet, d. h. sie haben in etwa übereinstimmende
Empfindlichkeit und in etwa gleichgroße Schaltflächen (Ansprechbereiche),
in denen sie auf sie beeinflussende metallische
Körper reagieren.
In Figur 6 ist ein Sensorarray 8 dargestellt, bei dem Sensoren
verwendet sind mit unterschiedlichen Ansprechempfindlichkeiten
und/oder Schaltflächen für die induktive Erfassung metallischer
Körper. Es gibt beispielsweise zwei Reihen von
Sensoren 9, deren Ansprechempfindlichkeit und Schaltfläche
dem der Sensoren in den Figuren 1 bis 5 entspricht und eine
Reihe von Sensoren 10 mit sehr viel größerer Schaltfläche
bzw. größerem Ansprechempfindlichkeit. Über diese Sensoren 10
ist eine Groberfassung der Position des jeweils zu detektierenden
metallischen Körpers mit möglicherweise nur einem einzigen
Sensor möglich, während die zusätzlichen Beeinflussungen
der Sensoren 9 eine darüber hinaus gehende Feinortung des
metallischen Körpers ermöglichen.
Insbesondere auf induktiven Wege wirkende Sensoren werden
nicht nur durch metallische Körper beeinflusst, sondern in
unerwünschter Weise auch durch Magnetfelder, die die Schwingkreisspulen
der Sensoroszillatoren durchsetzen. Solche Fremdmagnetfelder
können ihre Ursache z. B. in den in den Fahrschienen
fließenden Triebrückströmen haben. Die Beeinflussung
durch solche Triebrückströme kann erheblich sein. Die Figuren
7 und 8 zeigen schematisch zwei Ausgestaltungen der Sensorspulen,
durch die der unerwünschte Einfluss von Fremdmagnetfeldern
auf die Sensoren weitestgehend zu beheben ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 besitzt das Sensorarray
11 lediglich zwei Reihen von Sensoren. Deren Schwingkreisinduktivität
wird gebildet aus zwei Teilinduktivitäten
mit den Wicklungen 12 und 13. Diese Wicklungen besitzen unterschiedlichen
Wickelsinn bzw. werden bei gleichem Wickelsinn
in unterschiedlicher Richtung bestromt zur Erzeugung eines
resultierenden Hochfrequenzfeldes oberhalb der beiden
Sensorköpfe. Ein in den Ansprechbereich dieses Feldes gelangender
metallischer Körper bedämpft die Felder beider
Teilspulen und führt damit zum Ansprechen des betreffenden
Sensors. Ein die beiden Teilspulen durchsetzendes Fremdfeld
bewirkt in beiden Teilspulen eine entgegengesetzte Induktion.
Aus diesem Grunde hat das Fremdmagnetfeld keinen Einfluss auf
das Ansprechverhalten des Sensors.
Figur 8 zeigt eine Ausgestaltung für ein fremdfeldimmunes
Sensorarrays 14 mit ebenfalls zwei Reihen von Einzelsensoren.
Jeder Sensor besitzt nur eine einzige Schwingkreisspule. Diese
Schwingkreisspule ist so beschaffen, dass ihr Wicklungssinn
im Inneren verschieden ist von dem im äußeren Teil. Auch
hier erzeugt der Resonanzstrom des Oszillators in den beiden
Wicklungsbereichen wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 7
einander entgegengerichtete Magnetfelder. Von außen auf die
Wicklung 15 einwirkende Fremdmagnetfelder addieren sich zu
dem von dem einen Wicklungsbereich vom Resonanzstrom des Oszillatorschwingkreises
erzeugten Magnetfeld und sie subtrahieren
sich von dem vom anderen Wicklungsbereich erzeugten
Magnetfeld. Ihre Wirkung bleibt daher bei geeigneter Dimensionierung
der beiden Wicklungsbereiche ohne Einfluss auf das
Ansprechverhalten der Sensoren.
Die Ausgestaltung von Wicklungen mit gegenläufigem Wicklungssinn
im innern und im äußeren Teil der Wicklung kann vorteilhaft
dadurch erreicht werden, dass zwei Teilwicklungen konzentrisch
angeordnet und dann so miteinander verschaltet werden,
dass der Resonanzstrom des gemeinsamen Oszillators in
den beiden Teilwicklungen entgegengerichtete Magnetfelder erzeugt.
Prinzipiell können die Sensorarrays beliebig viele Sensoren
aufweisen. Je größer die Anzahl der Sensoren ist, um so mehr
Sensoreinzelmeldungen gibt des, die in die Lageerfassung eines
metallischen Körpers eingebunden werden können. Die Dichte
der Sensoren ist so zu wählen, dass eine zu delektierende
Lage durch jeweils mindestens zwei Sensoren angezeigt wird.
Je mehr Sensoren gemeinsam eine zu detektierende Lage eines
metallischen Körpers erkennen, um so größer ist die Zuverlässigkeit,
mit der die Lagebestimmung geschieht.
Die Sensoren für die Lagebestimmung eines metallischen Körpers
müssen nicht unbedingt über den gesamten Verstellweg eines
solchen Körpers verteilt angeordnet sein; mitunter wird
es genügen, diese Lageerfassung nur im Bereich der zu detektierenden
Endlagen des metallischen Körpers vorzunehmen.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es nicht nur möglich,
die Lage eines metallischen Körpers in einem Verstellweg
zu erkennen, sondern darüber hinaus auch seine Form. Damit
ist es möglich, zwischen zu detektierendem Körper und beliebigen
anderen metallischen Körpern zu differenzieren. Es
ist auch möglich, für unterschiedlich gestaltete metallische
Körper die zugehörigen Sensorausgangssignale zu hinterlegen
und so eine Unterscheidung zwischen diesen ermöglichen.
Prinzipiell können anstelle von induktiven Sensoren auch oder
zusätzlich nach anderen Prinzipien arbeitende berührungslos
schaltende Sensoren zur Form- und Lagekennzeichnung beliebiger
metallischer Körper verwendet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Einrichtung sieht vor, dass die Bewertungseinrichtung oder
eine gesonderte Bewertungseinrichtung die Sensormeldungen
einer Langzeitbeobachtung unterzieht. Damit ist es möglich,
Veränderungen im Schaltverhalten des metallischen Körpers zu
erkennen. Solche Veränderungen können z. B. durch Verschleiß
des metallischen Körpers, also Änderungen seiner Gestalt, bedingt
sein, aber auch durch Veränderungen seiner Verstelleinrichtung
oder dem Abstand zwischen ihm und den Sensoren. Auch
das Schaltverhalten der Sensoren kann sich mit der Zeit verändern.
Durch Beobachten des Schaltverhaltens können sich anbahnende
Veränderungen im Bereich des metallischen Körpers
und des Sensorarrays bereits während ihrer Entstehung frühestmöglich
erkannt werden. Solche Veränderungen können zu
einer vorbeugenden Wartung und Instandsetzung herangezogen
werden.
Solange diese Veränderungen nur eine geringfügige Veränderung
des Schaltverhaltens des metallischen Körpers bewirken, ist
es auch möglich, die für die Lagebestimmung jeweils in der
Initialisierungsphase positionsbezogen festgehaltenen Sensorschaltsignale
durch aktuelle Schaltsignale zu ersetzen und so
einen selbsttätigen Abgleich des Schaltverhaltens der Einrichtung
zur Behebung alterungsbedingter Veränderungen herbeizuführen.