EP2468602A1

EP2468602A1 - Radsensor

Info

Publication number: EP2468602A1
Application number: EP10196265A
Authority: EP
Inventors: Rolf Schmid
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-27
Also published as: WO2012084552A1

Abstract

Eine einen sehr energiearmen Betrieb erfordernde Sensoranordnung (20) an einer Eisenbahnschiene (1) wird gebildet durch zwei Kondensatoren (C1, C2). Der eine Kondensator (C1) wird gebildet durch eine an der Schiene (1) angeordnete Platte (12) und durch die Schiene (1, 13) selber. Das Dielektrikum dieses Kondensators (C1) erfährt beim Überfahren des Spurkranzes eines Rades (2) eine Änderung, die eine Kapazitätsänderung und somit eine Änderung der Spannung (U1) am Kondensator (C1) bewirkt. Diese Spannungsänderung wird zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen. Schaltungsmässig wird zur Auswertung ein zweiter Kondensator (C2) benutzt, der während der Überfahrt zum ersten Kondensator (C1) in Serie zum zweiten Kondensator (C2) geschaltet ist. Vorgängig werden beide Kondensatoren (C1, C2) durch eine mit einem Schalter (14) abtrennbare Spannungsquelle (15) geladen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Radsensoranordnung an einer Eisenbahnschiene gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Patentanspruchs 2.
In der Eisenbahnsicherungstechnik sind Radsensoreinrichtungen zur Detektion von Rädern weitverbreitet im Einsatz. Diese Sensoreinrichtungen basieren meist auf einem induktiven Funktionsprinzip. In der Frühzeit der Eisenbahnsicherungstechnik wurden auch Achszähler eingesetzt, die auf einem mechanischen Funktionsprinzip beruhen.
Ein sich im Bereich der Beeinflussungsseite der induktiven Sensoreinrichtung annäherndes Objekt verursacht eine Magnetfeldänderung, die mit einem Spulensystem erfasst wird. Eine auf diesem Prinzip beruhende Radsensoreinrichtungen ist aus der Schrift EP 0 340 660 A2 [1] bekannt.
In der Schrift WO 2010/086200 A1 [2] ist ein Radsensor offenbart, der unterhalb seiner Gehäuseoberfläche eine wechselstromgespeisten Sensorspule aufweist, die hinsichtlich einer induktive Wechselwirkung von vorbeirollenden Rädern von Schienenfahrzeugen empfindlich ist. Zur Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen weist dieser Radsensor zwischen der Sensorspule und der Gehäuseoberfläche eine kapazitive Abschirmung auf.
Durch ein über- beziehungsweise vorbeifahrendes Rad entsteht im Empfangssystem eines induktiven Sensors aufgrund einer induktiven Beeinflussung durch den Spurkranz eines Rades eine Empfangsspannung in Form einer als Glockenkurve ausgebildeten Abrollkurve. In Abhängigkeit von der jeweiligen Polung und Spulenanordnung gilt ein Rad dabei in der Regel bei Über- beziehungsweise Unterschreitung einer festen Schaltschwelle als erkannt. Während die eigentliche induktive Sensoreinrichtung im Falle eines Radsensors notwendigerweise unmittelbar am Gleis angeordnet ist, kann eine Auswerteschaltung des Radsensors auch separat von der induktiven Sensoreinrichtung angeordnet sein, beispielsweise in einem üblicherweise einige Meter entfernten Gleisanschlussgehäuse. Unabhängig hiervon ist der Wirkbereich von im Zusammenhang mit Rad- beziehungsweise Achszählsensoren verwendeten induktiven Sensoreinrichtungen auf den Ablaufbereich überfahrender Räder begrenzt. Die induktiven Radsensoren haben den Nachteil, dass für deren Betrieb an der Schiene - relativ gesehen - ein hoher Energiebedarf erforderlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Radsensoranordnung an einer Schiene anzugeben, die mit möglichst wenig Energie auskommt und deren Verkabelungsaufwand minimalisiert wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 resp. Patentanspruch 2 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Anstelle des Begriffs «Radsensoranordnung an einer Eisenbahnschiene» wird im folgenden auch kurz von «Radsensor» gesprochen.
So können sich die folgenden Vorteile zusätzlich ergeben:
i) Durch diese kapazitive Funktionsweise ist eine energieoptimierte um nicht zu sagen eine beinahe energielose Raddetektion möglich geworden, die als Ersatz für einen Schienenkontakt oder einen induktiven Radsensor eingesetzt werden kann. Die Energieoptimierung wird benötigt um Verkabelungsaufwände zu verkleinern oder ganz zu eliminieren. So ist dadurch eine Funkanbindung eines solchen Radsensors möglich.
ii) Eine kapazitive Funktionsweise mit einer DC-Spannung ist immun gegen induktive Störungen wie auch gegen hochfrequente elektromagnetische Felder.
iii) Das Prinzip dieser Achs- bzw. Raderkennung benötigt nur einige µW. Dies ermöglicht eine autonome Erkennung der Achse ohne Kabelanschluss, die bekannten induktiven Sensoren benötigen 20mA und 12V d.h. sie erfordern eine Leistungsaufnahme in der Grössenordnung von 250mW.
iv) Die kapazitive Funktionsweise hat den weiteren Vorteil, dass damit auch nichtferromagnetische Eisenbahnräder ebenfalls erfasst werden können. Induktive Radsensoren setzen eine ferromagnetische Zusammensetzung der zu erfassenden Eisenbahnräder voraus.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 Funktionale Darstellung einer Sensoranordnung an einer Schiene zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades;
Figur 2 Schaltbilddarstellung einer Sensoranordnung an einer Schiene zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades;
Figur 3 Spannungsverlauf während dem Vorbeirollen eines Rades an der Sensoranordnung;
Figur 4 Schnittdarstellung des konstruktiven Aufbaus an der Schiene;
Figur 5 Schnittdarstellung des konstruktiven Aufbaus an der Schiene mit vorbeirollendem Rad.
FIG 1 zeigt eine funktionale Darstellung einer Sensoranordnung 20 an einer Schiene 1 zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades mit zwei Kondensatoren C1 und C2. Die Platten 10 und das Dielektrikum 11 zum Kondensator C2 sind funktional und nicht konstruktiv zu verstehen. Der Kondensator C1 wird gebildet durch die Schiene 1, ein durch Spurkranzfläche 6 und Spurkranzkuppe 5 bestimmtes Dielektrikum und eine Platte an der Schiene, dies ist im einzelnen den Erläuterungen unten zu den FIG 2, 4 und 5 zu entnehmen. Spurkranzfläche 6 und Spurkranzkuppe 5 bilden den sogenannten Spurkranz (ohne Bezugszeichen in den FIG).
In FIG 2 ist eine Schaltbilddarstellung einer Sensoranordnung an einer Schiene zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades gezeigt:

Die Kondensatorplatte 12 ist konstruktiv vorhanden, während die Kondensatorplatte 13 (strichliert) nur für das Schaltbild gezeigt ist. Die Kondensatorplatte 13 wird als Fläche 13 durch die Schiene 1 selber gebildet. Der Spurkranz eines vorbeirollenden Rades 2 beeinflusst das zwischen den Platten 12 und 13 befindliche Dielektrikum und damit die Kapazität des Kondensators C2.

Das Prinzip der Detektion ist wie folgt: Eine Spannungsquelle 15 lädt über einen Schalter 14 die beiden Kondensatoren mit einer Spannung im Bereich 10V .. 200V auf. Anschliessend wird die Spannungsquelle über den Schalter 14 von den Kondensatoren getrennt. Die Ladung Q verteilt sich wie folgt:

Q_total = U1 · C1 + U2 · C2.
U1, U2 steht je für die Spannung über den Kondensatoren C1 bzw. C2, In diesem Zustand sind die Spannungen U1 und U2 gleich der Spannung der Spannungsquelle 15.

Bei der Befahrung durch ein Rad mit Spurkranz erfährt der Kondensator C1 eine Erhöhung seiner Kapazität über eine Permittivität ε (auch Dielektrizitätskonstante ε genannt), da der Wert von ε für Stahl oder ein Leichtmetall grösser ist als für Luft. Da die Ladung Q_total jedoch gleich bleibt, nimmt die Kondensatorspannung
U1 = U1 (t)
ab. Aufgrund des Kirchhoff'schen Gesetzes
U1 (t) + U2 (t) = 0
muss nun die Spannung U2 zunehmen, anders ausgedrückt: Die Spannungsänderung am ersten Kondensator C1 ist invers zur Spannungsänderung am zweiten Kondensator C2. Der Verlauf der Spannung U2 am Kondensator C2 wird hochohmig abgegriffen. Ein Anstieg der Spannung U2 wird als Anwesenheitskriteriums herangezogen und entsprechend ausgewertet. Der Verlauf der Spannung
U2 = U2(t)
beim Überfahren eines kapazitiven Radsensors ist der FIG 3 zu entnehmen. Hier ist rein beispielhaft eine Zeit Δt angenommen. Diese Zeit Δt ist selbstverständlich abhängig von der Geschwindigkeit v eines darüberfahrenden Zuges. Rein beispielhaft wird folgende Grössenordnung Δt zu angegeben: Geschwindigkeit v eines Zuges
v = 150 km/h = 41,7 m/s;
Länge s der Platte 12 längs einer Schiene 1
s = 1m;
Dauer Δt = s/v = 1m / 41,7m/s = 24ms.
Da das Überfahren eines solchen kapazitiven Radsensors 20 von einer Auswerteschaltung erkannt wird, können die beiden Kondensatoren C1, C2 in diesem Takt periodisch aufgeladen werden.
Alternativ zu einer DC-Spannungsquelle können die beiden Kondensatoren C1, C2 auch mit einer AC-Spannung beaufschlagt werden. Die Frequenz f dieser AC-Spannung liegt dabei vorteilhafterweise im Bereich
f = 1kHz .. 100kHz.
Es muss jedoch festgestellt werden, dass mit einer AC-Spannung der ein höherer Energiebedarf für den Betrieb eines solchen kapazitiven Radsensors 20 erforderlich ist.
Der Kondensator C1 besteht aus zwei metallischen Platten 13 und 12 sowie Luft bzw. Spurkranz 4, 6 eines vorbeirollenden Rades als Dielektrikum 11. Die obere Platte 13 von C1 wird durch die Schiene 1 gebildet.
Eine bevorzugte Ausführungsform des konstruktiven Aufbaus des kapazitiven Radsensors ist den FIG 4 und FIG 5 zu entnehmen. Die Kondensatorplatte 12 des zweiten Kondensators C2 ist als "weitere Platte" 12 des Kondensators C1 mit seinen beiden Kondensatorplatten 10 ausgebildet. Alle diese drei Platten 10 und 12 sind je durch ein Dielektrikum 11 getrennt. Diese Platte 12 ist aus Gründen der Sicherheit wie auch aus Gründen der sicheren Funktion mit einer Isolationsschicht versehen. Diese Kondensatoranordnung C1, C2 weist typischerweise eine Länge von 0.1m bis etwa 5m auf. Die 5m entsprechen ungefähr der Abroll-Länge eines Eisenbahnrades 2, die sich berechnet aus Durchmesser des Rades 2 multipliziert mit der Konstanten Π ≈ 3.14.
Der in der FIG 5 gezeigte Spurkranz mit Spurkranzkuppe 5 und Spurkranzflanke 6 ist rein beispielhaft dargestellt. So braucht die Spurkranzflanke 6 nicht plan zu sein, sondern kann auch gewölbt ausgebildet sein.
Konstruktiv können eine solche Platte 12 wie auch die Platten 10 des Kondensators C2 mit Profilschienen ausgebildet sein, die an der Unterkante der Eisenbahnschiene 1 befestigt sind. Diese Profilschienen sind - wie oben angegeben - mit einer Isolationsschicht versehen (nicht dargestellt in den FIG).
Werden solche Radsensoren 20 mit einer Länge in der Grössenordnung der Abroll-Länge eines Eisenbahnrades angelegt, erlaubt ein solcher kapazitiver Radsensor 20 auch das Aufdecken eines Flachläufers, da beim Abrollen um die Flachstelle die Kapazität des Kondensators C1 dadurch ändert und sich in einem anderem Spannungsverlauf U2(t) über die Zeitspanne Δt manifestiert. Flachläufer sind Räder mit einer Flachstelle an der Lauffläche 5 aufgrund einer blockierenden Bremsung.

Liste der Bezugszeichen, Glossar

1: Schiene; Eisenbahnschiene
2: Rad
3: Schienenkopf
4: Spurkranzkuppe
5: Lauffläche eines Rades
6: Spurkranzflanke
10: Metallplatte, Kondensatorplatte
11: Dielektrikum
12: Kondensatorplatte an der Schiene
13: Fläche der Schiene, funktionale Kondensatorplatte in der Schiene
14: Schalter
15: Gleichspannungsquelle der Spannung U; DC-Spannungsquelle
20: Sensoranordnung an einer Eisenbahnschiene; Radsensor, kapazitiver Randsensor
C1: Kondensator gebildet aus Schiene und einer Metallplatte, wobei Luft bzw. der Spurkranz eines vorbeirollendes Rades als Dielektrikum wirkt
C2: Kondensator gebildet aus Metallplatten und Dielektrikum
f: Frequenz
P1,: P2 Potentialpunkte
Q: Ladung in [As] oder in [C]
U1,: U2 Spannung über dem Kondensator C1 bzw. C2 in [V]

Liste der zitierten Dokumente

[1]: EP 0 340 660 A2 «Einrichtung an Gleiswegen zur Erzeugung von Anwesenheitskriterien von schienengebundenen Rädern» ING. JOSEF FRAUSCHER Hydraulik AT - 4780 Schärding
[2]: WO 2010/086200 A1 «Radsensor» Siemens Aktiengesellschaft DE - 80333 München

Claims

Sensoranordnung (20) an einer Eisenbahnschiene (1) zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades (2)
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoranordnung (20) gebildet wird aus :
einem ersten Kondensator (C1), der von einer DC-Quelle mit einer Spannung (U2) beaufschlagt worden ist;

der erste Kondensator (C1) durch eine zum Spurkranz (4, 6) des Rades (2) angeordnete Metallplatte (12) und durch eine Fläche (13) der Schiene (1) gebildet wird und dass die Metallplatte (12) so angeordnet ist, dass der Spurkranz (4, 6) eines vorbeirollenden Rades (1) zwischen Fläche (13) der Schiene (1) und der Metallplatte (12) zu liegen kommt, wobei der vorbeirollende Spurkranz 4, 6) eine Kapazitätsänderung des ersten Kondensators (C1) und damit eine Spannungsänderung (U1 (t)) über dem ersten Kondensator (C1) bewirkt, die für die Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen wird.
Sensoranordnung (20) an einer Eisenbahnschiene (1) zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades (2)
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoranordnung (20) gebildet wird aus :
einem ersten Kondensator (C1) der von einer AC-Quelle mit einer Spannung (U2) beaufschlagt ist;

der erste Kondensator (C1) durch eine zum Spurkranz (4, 6) des Rades (2) angeordnete Metallplatte (12) und durch eine Fläche (13) der Schiene (1) gebildet wird und dass die Metallplatte (12) so angeordnet ist, dass der Spurkranz (4, 6) eines vorbeirollenden Rades (1) zwischen Fläche (13) der Schiene (1) und der Metallplatte (12) zu liegen kommt, wobei der vorbeirollende Spurkranz 4, 6) eine Kapazitätsänderung des ersten Kondensators (C1) und damit eine Spannungsänderung (U1 (t)) über dem ersten Kondensator (C1) bewirkt, die für die Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen wird.
Sensoranordnung (20) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Frequenz der AC-Spannungsquelle im Bereich von 1kHz bis 100kHz liegt.
Sensoranordnung (20) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Kondensator (C2) zum ersten Kondensator (C1) während dem Laden mit einem Schalter (14) durch die Spannungsquelle (15) parallel geschaltet ist und während der dem Vorbeirollen eines Rades von der Spannungsquelle (15) durch den Schalter (14) getrennt ist und dass die beiden Kondensatoren (C1, C2) dadurch in Serie geschaltet sind.
Sensoranordnung (20) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
aufgrund der Serieschaltung der beiden Kondensatoren (C1, C2) eine Spannungsänderung am ersten Kondensator (C1) eine inverse Spannungsänderung (U2(t)) am zweiten Kondensator (2) bewirkt, die für die Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen wird.
Sensoranordnung (20) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schalter (14) für das Aufladen des ersten und zweiten Kondensators (C1, C2) periodisch betätigt wird.
Sensoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die zum Spurkranz (4, 6) des Rades (2) angeordnete Metallplatte (12) und die Platten (10) des ersten Kondensators (C1) als Profilschienen ausgebildet sind.
Sensoranordnung (20) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Profilschienen (10, 12) eine Länge längs der Eisenbahnschiene im Bereich 0.1m bis 5m aufweisen.
Sensoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die zum Spurkranz (4, 6) des Rades (2) angeordnete Metallplatte (12) mit einer Isolation versehen ist.