WO2012167898A2 - Sensor arrangement for detecting irregularities in or on traction current lines for rail-bound vehicles - Google Patents

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WO2012167898A2
WO2012167898A2 PCT/EP2012/002357 EP2012002357W WO2012167898A2 WO 2012167898 A2 WO2012167898 A2 WO 2012167898A2 EP 2012002357 W EP2012002357 W EP 2012002357W WO 2012167898 A2 WO2012167898 A2 WO 2012167898A2
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. .
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    • B60M1/00—Power supply lines for contact with collector on vehicle
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    • B60M1/28—Manufacturing or repairing trolley lines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M1/00—Power supply lines for contact with collector on vehicle
    • B60M1/12—Trolley lines; Accessories therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
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    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/50—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades
    • B61L27/53—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades for trackside elements or systems, e.g. trackside supervision of trackside control system conditions

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for detecting irregularities in or on traction current lines for rail-bound vehicles.
  • a toroidal transformer is arranged around a carrying cable, in which a current is induced, which provides a voltage for supplying the monitoring station.
  • the invention has for its object to provide a sensor array for detecting irregularities in or on traction power lines rail vehicles, which is compact, can capture a variety of state variables of the traction current line and their energy gained from the current in the traction current possibly with momentarily flowing current can be.
  • At least one sensor for detecting at least one state variable of the traction current line an evaluation unit connected to the at least one sensor and a power supply, which supplies the at least one sensor and the evaluation unit with voltage and the one coil for detecting a magnetic field from one through the Stromstrom flowing line is generated, and has a conversion circuit for converting the current induced by the magnetic field in the coil current into storable energy, arranged in a housing which is suitable and adapted to be part of a mechanical fastening of the traction current line, such that the im Housing arranged coil from
  • Magnetic field of the current through the traction current line is penetrated.
  • the sensor assembly may be mounted between the masts for the overhead line of the rail-bound vehicle to the guying device and the housing of the sensor assembly may even be formed itself as a holding device for the traction current line. Because of the spool) le of the energy supply in the immediate vicinity of
  • Traction current line is arranged, the coupling with the magnetic field is particularly good, so that the respectively only briefly generated when driving through a vehicle, which is very high and may be of the order 15 between 400 and 600 A, sufficient for the energy supply, including the conversion circuit provided in the power supply for converting the current induced by the magnetic field in the coil into storable energy contributes to a satisfactory energy management.
  • the conversion circuit comprises an impedance matching, whereby the energy from the magnetic field acting only a short time
  • the high current in the contact wire of several 100 A can be brought by impedance transformation in the range of milliamps.
  • the geometry, the number of turns and the inductance of the coil is chosen so that
  • an inclination sensor As sensor, an inclination sensor, temperature sensor, current sensor, humidity sensor, motion sensor, force sensor, metal detectors or the like may come in, wherein, depending on the monitoring target, one or more sensors may be provided.
  • the theft of a traction current line depending on the signal of a tilt sensor or a metal detector, the state of the traction current line, depending on the temperature and the profile of the magnetic field can be detected.
  • a humidity sensor for example, a dew point measurement can be carried out, wherein icing information can be given with simultaneous information about the temperature.
  • the evaluation unit is connected to a transceiver unit, which is also accommodated in the housing of the sensor arrangement, wherein each sensor arrangement is associated with an identification mark.
  • Data can be sent to a control center via the transceiver unit, the identification number indicating the position of the sensor arrangement, so that detected irregularities can be localized immediately. It is particularly advantageous if the transceiver unit is equipped with a wake-up receiver, since then the energy consumption for the transmit-receive readiness and the data transmission can be minimized.
  • a sensor system can thus be provided along a route in preferably regular intervals, particularly preferably a sensor arrangement between each catenary mast.
  • the data transmission can preferably be carried out in the 2.4 GHz band in accordance with a data hopping method via the transceiver units, ie the individual sensor transducers Orders automatically network to a line structure in which sensor data from sensor array to sensor array can be transmitted to a central office.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a rail-bound vehicle with traction current line and sensor arrangements according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of the on the
  • FIG. 3 is a schematic view of the sensor arrangement as a holding device of the traction power line
  • FIG. 4 shows a representation of the various components of the sensor arrangement
  • FIG. 5 shows a representation of the functional blocks of the energy supply module used in the sensor arrangement
  • FIG. 5 shows a representation of the functional blocks of the energy supply module used in the sensor arrangement
  • Fig. 6 is a somewhat more detailed circuit of the power supply module.
  • a sensor system for rail vehicles is shown schematically, wherein a catenary of a railway 5 is shown with a guying 4.
  • a driving power line 2 which is also referred to as a contact wire, is on Suspension elements 8 or hangers suspended from a supporting cable of the guying device 4 in such a way that the contact wire is approximately horizontal, wherein for a damping of the rapid passage of pantographs arising contact wire elevation a
  • Suspension of the suspension cable is flexible.
  • the contact wire is additionally stretched taut by tensioning masts.
  • Fig. 1 the web 5 is shown schematically with their current collectors 6 and there is a current flow (see arrow 7) on the
  • the current flows in sections, i. via sections through the traction current line, wherein the other sections of the traction current line 2 are de-energized or, if appropriate, a current flow can be caused by other trajectories.
  • a trajectory current having, for example, 16 2/3 Hz and generating a strong alternating magnetic field for a short period of time is used.
  • sensor arrays 1, which form sensor nodes are preferably arranged on the hangers 8 at regular intervals, preferably between two masts, in the region of the traction current line 2
  • Capture state variables of the traction current line 2 Schematically, two sensor arrangements 1 are shown in FIG. FIGS. FIGS. 2 and 3 schematically show the alignment of the
  • the sensor arrangement 1 comprises sensors not shown in greater detail and at least one coil 9 which is part of a power supply according to the principle of "energy harvesting", ie the coil 9 is within the range of 10 magnetic field orders, which is generated by the short-term current flowing through the traction current line 2. Furthermore, the sensor arrangement 1 comprises an electronic module 11, which is explained in more detail below in connection with FIG. 4 and which, for example, the circuit for
  • Electric module 11 and the coil 9 and sensors are accommodated in a housing 12 of the sensor arrangement 1, which is formed, for example, by a jacket of a molding compound, wherein in a preferred embodiment, the housing 12 simultaneously serves as a fastening device for the traction current line 2, the connected to the trailer 8.
  • the housing 12 may, for example, comprise a hanger clamp, which is suspended from the hanger via a thimble and which engages around a part of the traction current line in a form-fitting manner.
  • FIG. 4 shows the structure of the sensor arrangement in the form of function blocks, wherein the essential components detect sensors 13, the driving current line 2 influencing state variables, a signal processing module 14 for processing the sensor senorsignals, a data processing module 15, the detected and processed sensor signals evaluates and a communication module 16, which sends the result of data processing for information and control to a corresponding center, are.
  • a power supply module 17 is provided for Energykondi- tion that supplies the various components 13 to 16 optionally with different voltages.
  • the mentioned modules 13 to 17 are summarized to the electronic module 11 of Figure 3.
  • a large number of sensors can be used as sensors; a non-limiting selection in the sensor block 13 mentions temperature, inclination or acceleration, current, metal and humidity sensors with which the most varied parameters or accessories can be used.
  • the traction current line can be detected in order to provide appropriate information about their condition.
  • the wear of the traction power line 2 damage or theft of the traction current line, information about irregularities of the current flow, frequency and number of traversing tracks, influences of the weather and the like are given as information.
  • the sensor signals are filtered in the signal processing module and digitized and passed to the data processing module 15, which carries out the evaluation of the filtered and digitized sensor signals for processing the information given above.
  • the data processing module 15 carries out the evaluation of the filtered and digitized sensor signals for processing the information given above.
  • the theft detection, condition monitoring and weather control are listed here.
  • the signal processing module 14 and the data processing module 15 form the evaluation unit of the sensor arrangement.
  • the communication module 16 comprises a transceiver unit which, in addition to a transmitter and receiver for data transmission, has a wake-up receiver which is then triggered and transmits the transmission signals.
  • Receive unit activated when the data processing module 15 provides corresponding information. If, for example, a threshold stored in the data processing 15 for the measured value of the state variable supplied by the sensors 13 is exceeded, an alarm state exists and the transmission Em catching unit is activated to transmit a radio signal as information about the respective state.
  • the data exchange via a multi-Ho method is performed to minimize energy, ie the transmitting-receiving unit sends to the nearest sensor assembly 1, which in turn passes the information to the nearest other sensor arrangements until a central unit is reached.
  • the individual sensor arrangements 1 thus network independently to form a line structure.
  • the respective wake-up receivers are addressed by a radio sequence, which wake up to the other units of the communication module for further transmission.
  • the wake-up receivers consume very little energy, while the actual transmission is energy-intensive.
  • Each sensor node or each sensor arrangement 1 is associated with identification information which includes, inter alia, the position of the respective sensor node or sensor arrangement 1. In this way it is possible to immediately locate the sensor arrangement 1 at which irregularities of the traction current line 2 were detected. In addition, a protocol can be sent via detected by the sensor arrangement limit overruns.
  • the energy supply module 17 comprises the coil 9 for detecting the magnetic field 10 and is here designated by the function block 18, energy production by magnetic induction. Further- In addition, the energy supply unit 17 comprises an electronic circuit unit which has an impedance adaptation 19 and a storage and conditioning 20.
  • the power supply unit 17 supplies the sensor unit 13, the signal processing unit 14, the data processing module 15 and the communication module 16, which are referred to here as a load system 21. Depending on this load system 21, an adaptation of the voltage conditioning is performed (block 22).
  • a circuit arrangement for energy production is shown in more detail.
  • the inductive coupling through the magnetic field around the contact wire around is made via the coil 9, which is connected via a rectifier bridge 23 and a fuse 24 as overvoltage protection against lightning and short circuit of the contact wire with a control circuit 25.
  • a battery 26 and possibly also a capacitor 27 is provided inter alia for the Lastspitzenpuff réelle.
  • the control circuit 25 is used to charge monitoring of the battery 26 and the buffer capacitor 27, i. It measures the energy input and determines the fill level of the energy storage elements 26, 27 and includes, inter alia, a charging IC and temperature and current flow elements.
  • the charge monitoring information is supplied to a microcomputer.
  • a voltage regulator 28 is provided which controls or regulates the voltage conditioning depending on the state of charge of the storage elements 26, 27 and the power requirement of the loads of the sensor arrangement designated 29. This preparation, e.g. the adjustment of the operating voltage will depend on the
  • Microcomputer supplied parameters. overall if necessary and if the state of charge of the memory elements 26, 27 requires it, components are switched off.
  • the sensor assembly of the above-described construction has relatively small dimensions, i. the housing 12 of the sensor assembly, which at the same time serves as attachment for the traction current line 2, may for example have dimensions of 5 to 10 cm in two dimensions and e.g. 1 cm in the third dimension.
  • the power supply can be switched off at least partially by the evaluation unit, and an additional accumulator can also be provided, which ensures that the failure position is sent to the control center in the event of failure of the catenary voltage.
  • the sensor assemblies can be used on the railway lines, even those through relatively uninhabited areas where experience has shown that the risk of theft of the traction current lines is large. Even in urban traffic, the sensor arrangements for rapid local detection of catenary disturbances are applicable.

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Abstract

A sensor arrangement for detecting irregularities in or on traction current lines for rail-bound vehicles is proposed, which sensor arrangement comprises at least one sensor for sensing at least one state variable of the traction current line, an evaluation unit for evaluating sensor signals which are supplied by the at least one sensor, and a power supply which supplies the at least one sensor and the evaluation unit with voltage and which has a coil for sensing a magnetic field which is generated by a current flowing through the traction current line, and a conversion circuit for converting the current induced by the magnetic field in the coil into storable energy. The at least one sensor, the evaluation unit and the power supply are arranged in a housing which is suitable and is adapted to be a component of a mechanical attachment means of the traction current line such that the magnetic field passes through the coil arranged in the housing.

Description

Sensoranordnung zur Feststellung von  Sensor arrangement for detecting
Unregelmäßigkeiten in oder an Fahrstromleitungen für schienengebundene Fahrzeuge Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Feststellung von Unregelmäßigkeiten in oder an Fahrstromleitungen für schienengebundene Fahrzeuge.  The invention relates to a sensor arrangement for detecting irregularities in or on traction current lines for rail-bound vehicles.
Aus der DE 103 45 508 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Monitoring von Bahnfahrdrahtleitungen bekannt, die an Haltemasten mit Spanneinrichtungen und Spanngewichten befestigt sind und einzelne Fahrdrahtabschnitte bilden. Durch Messung des Spanngewichts am Haltemast des Fahrdrahts seiner Position und der Abweichung des Spanngewichts von einer Null- position bei einer bekannten Temperatur wird, abhängig von dem Längenausdehnungskoeffizienten des Fahrdrahtmaterials eine Zustandsgroße des Fahrdrahtes bestimmt . DE 10 2008 032 994 AI beschreibt eine Vorrichtung zur Versorgung einer Überwachungsstation, die an einem Mast eines Oberleitungskettenwerks einer Eisenbahn befestigt ist und die mindestens einen Sensor und ei- ne Funksendestation aufweist. Dabei ist ein Ringkernwandler um ein Tragseil herum angeordnet, in dem ein Strom induziert wird, der eine Spannung zur Versorgung der Überwachungsstation bereitstellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Feststellung von Unregelmäßigkeiten in oder an Fahrstromleitungen schienengebundener Fahrzeuge zu schaffen, die kompakt aufgebaut ist, eine Vielzahl von Zustandsgrößen der Fahrstromleitung erfassen kann und deren Energieversorgung aus dem in der Fahrstromleitung unter Umständen mit kurzzeitig fließenden Strom gewonnen werden kann. From DE 103 45 508 Al a method and apparatus for monitoring Bahnfahrdrahtleitungen is known, which are attached to masts with clamping devices and clamping weights and form individual contact wire sections. By measuring the tension weight on the mast of the contact wire of its position and the deviation of the tension weight from a zero position at a known temperature, depending on the coefficient of linear expansion of the contact wire material, a state size of the contact wire is determined. DE 10 2008 032 994 A1 describes a device for supplying a monitoring station, which is fastened to a mast of a catenary of a railway and which has at least one sensor and a radio transmitter station. In this case, a toroidal transformer is arranged around a carrying cable, in which a current is induced, which provides a voltage for supplying the monitoring station. The invention has for its object to provide a sensor array for detecting irregularities in or on traction power lines rail vehicles, which is compact, can capture a variety of state variables of the traction current line and their energy gained from the current in the traction current possibly with momentarily flowing current can be.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. This object is achieved by the features of the main claim.
Erfindungsgemäß sind mindestens ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Zustandsgröße der Fahrstromleitung, eine mit dem mindestens einen Sensor verbundene Auswerteeinheit und eine Energieversorgung, die den mindestens einen Sensor und die Auswerteeinheit mit Spannung versorgt und die eine Spule zur Erfassung eines Magnetfeldes, das von einem durch die Fahrstromleitung fließenden Strom erzeugt wird, und eine Umsetzungsschaltung zur Umsetzung des durch das Magnetfeld in der Spule induzierten Stroms in speicherbare Energie aufweist, in einem Gehäuse angeordnet, das geeignet und angepasst ist, Bestandteil einer mechanischen Befestigung der Fahrstromleitung zu sein, derart, dass die im Gehäuse angeordnete Spule vomAccording to the invention, at least one sensor for detecting at least one state variable of the traction current line, an evaluation unit connected to the at least one sensor and a power supply, which supplies the at least one sensor and the evaluation unit with voltage and the one coil for detecting a magnetic field from one through the Stromstrom flowing line is generated, and has a conversion circuit for converting the current induced by the magnetic field in the coil current into storable energy, arranged in a housing which is suitable and adapted to be part of a mechanical fastening of the traction current line, such that the im Housing arranged coil from
Magnetfeld des Stroms durch die Fahrstromleitung durchgriffen wird. Durch diese Ausführung ist es möglich, eine kompakte Sensoranordnung zu schaffen, die in unmittelbarer Nähe der oder an der Fahrstromleitung befestigt ist. Die Sensoranordnung kann zwischen 5 den Masten für das Oberleitungskettenwerk des schienengebundenen Fahrzeugs an der Abspannvorrichtung befestigt werden und das Gehäuse der Sensoranordnung kann sogar selbst als Haltevorrichtung für die Fahrstromleitung ausgebildet sein. Dadurch, dass die Spult) le der Energieversorgung in unmittelbarer Nähe der Magnetic field of the current through the traction current line is penetrated. By this embodiment, it is possible to provide a compact sensor arrangement which is mounted in the immediate vicinity of or on the traction current line. The sensor assembly may be mounted between the masts for the overhead line of the rail-bound vehicle to the guying device and the housing of the sensor assembly may even be formed itself as a holding device for the traction current line. Because of the spool) le of the energy supply in the immediate vicinity of
Fahrstromleitung angeordnet ist, ist die Kopplung mit dem Magnetfeld besonders gut, so dass der jeweils nur kurzzeitig beim Durchfahren eines Fahrzeugs erzeugte Strom, der sehr hoch ist und in der Größenordnung 15 zwischen 400 und 600 A liegen kann, für die Energieversorgung ausreicht, wobei auch die in der Energieversorgung vorgesehene Umsetzungsschaltung zur Umsetzung des durch das Magnetfeld in der Spule induzierten Stroms in speicherbare Energie zu einem zufrie- 20 denstellenden Energiemanagement beiträgt.  Traction current line is arranged, the coupling with the magnetic field is particularly good, so that the respectively only briefly generated when driving through a vehicle, which is very high and may be of the order 15 between 400 and 600 A, sufficient for the energy supply, including the conversion circuit provided in the power supply for converting the current induced by the magnetic field in the coil into storable energy contributes to a satisfactory energy management.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Umsetzungsschaltung eine Impedanzanpassung umfasst, wodurch die Energie aus dem nur kurze Zeit wirkenden MagnetfeldIt is particularly advantageous that the conversion circuit comprises an impedance matching, whereby the energy from the magnetic field acting only a short time
25 gut umgesetzt werden kann und der hohe Strom im Fahrdraht von mehreren 100 A durch Impedanztransformation in den Bereich von Milliampere gebracht werden kann. Insbesondere wird die Geometrie, die Wicklungszahl und die Induktivität der Spule so gewählt, dass sich25 can be implemented well and the high current in the contact wire of several 100 A can be brought by impedance transformation in the range of milliamps. In particular, the geometry, the number of turns and the inductance of the coil is chosen so that
30 günstige Werte ergeben. 30 favorable values.
Als Sensor können ein Neigungssensor, Temperatursensor, Stromsensor, Feuchtesensor, Bewegungssensor, Kraftsensor, Metalldetektoren oder dergleichen infra- 35 ge kommen, wobei, je nach Überwachungsziel, ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sein können. Auf diese Weise kann beispielsweise der Diebstahl einer Fahrstromleitung, abhängig vom Signal eines Neigungssensors oder eines Metalldetektors, der Zustand der Fahrstromleitung, abhängig von der Temperatur und vom Profil des Magnetfeldes erfasst werden. Weiterhin kann festgestellt werden, ob Strom abgezapft wird, da der Stromfluss im Fall der Zugdurchfahrt kurzzeitig oder zumindest wechselhaft sein muss. Wenn über eine längere Zeit Strom fließt, liegt ein Fehler vor. Mittels eines Feuchtesensors kann beispielsweise eine Taupunktmessung durchgeführt werden, wobei bei gleichzeitiger Information über die Temperatur eine Vereisungsinformation gegeben werden kann. As sensor, an inclination sensor, temperature sensor, current sensor, humidity sensor, motion sensor, force sensor, metal detectors or the like may come in, wherein, depending on the monitoring target, one or more sensors may be provided. To this For example, the theft of a traction current line, depending on the signal of a tilt sensor or a metal detector, the state of the traction current line, depending on the temperature and the profile of the magnetic field can be detected. Furthermore, it can be determined whether current is tapped, since the current flow in the case of Zugdurchfahrt must be short-term or at least changeable. If current flows for a long time, there is an error. By means of a humidity sensor, for example, a dew point measurement can be carried out, wherein icing information can be given with simultaneous information about the temperature.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit mit einer Sende- Empfangseinheit verbunden, die ebenfalls in dem Gehäuse der Sensoranordnung aufgenommen ist, wobei jeder Sensoranordnung ein Identifikationskennzeichen zugeordnet ist. Über die Sende-Empfangseinheit können Daten an eine Zentrale gesendet werden, wobei die Identifikationsnummer die Position der Sensoranordnung angibt, so dass erfasste Unregelmäßigkeiten sofort lokalisiert werden können. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Sende-Empfangseinheit mit einem Wake- up-Empfänger ausgerüstet ist, da dann der Energieverbrauch für die Sende-Empfangsbereitschaft und die Datenübertragung minimiert werden kann. Preferably, the evaluation unit is connected to a transceiver unit, which is also accommodated in the housing of the sensor arrangement, wherein each sensor arrangement is associated with an identification mark. Data can be sent to a control center via the transceiver unit, the identification number indicating the position of the sensor arrangement, so that detected irregularities can be localized immediately. It is particularly advantageous if the transceiver unit is equipped with a wake-up receiver, since then the energy consumption for the transmit-receive readiness and the data transmission can be minimized.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann somit ein Sensorsystem entlang einer Fahrstrecke in vorzugsweise regelmäßigen Abständen, besonders bevorzugt eine Sensoranordnung zwischen jedem Fahrleitungsmast vorgesehen werden. Dabei kann über die Sende-Empfangseinheiten die Datenübertragung vorzugsweise in 2,4 GHz-Band gemäß eines Daten-Hopping-Verfah- rens vorgenommen werden, d.h. die einzelnen Sensoran- Ordnungen vernetzen sich selbständig zu einer Linienstruktur, bei der Sensordaten von Sensoranordnung zu Sensoranordnung bis zu einer Zentrale übertragen werden können. With the aid of the sensor arrangement according to the invention, a sensor system can thus be provided along a route in preferably regular intervals, particularly preferably a sensor arrangement between each catenary mast. In this case, the data transmission can preferably be carried out in the 2.4 GHz band in accordance with a data hopping method via the transceiver units, ie the individual sensor transducers Orders automatically network to a line structure in which sensor data from sensor array to sensor array can be transmitted to a central office.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Ansicht auf ein schienengebundenes Fahrzeug mit Fahrstromleitung und erfindungsgemäßen Sensoranordnungen, An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description. 1 shows a schematic view of a rail-bound vehicle with traction current line and sensor arrangements according to the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des auf die Fig. 2 is a schematic representation of the on the
Sensoranordnung wirkenden Magnetfelds der Sensor arrangement acting magnetic field of
FahrStromleitung, Driving power line,
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Sensoranordnung als Haltevorrichtung der Fahrstromlei - tung , 3 is a schematic view of the sensor arrangement as a holding device of the traction power line,
Fig. 4 eine Darstellung der verschiedenen Bestandteile der Sensoranordnung, Fig. 5 eine Darstellung der funktionalen Blöcke des in der Sensoranordnung verwendeten Energieversorgungsmoduls und 4 shows a representation of the various components of the sensor arrangement, FIG. 5 shows a representation of the functional blocks of the energy supply module used in the sensor arrangement, and FIG
Fig. 6 eine etwas genauere Schaltung des Energie- Versorgungsmoduls. Fig. 6 is a somewhat more detailed circuit of the power supply module.
In Fig. 1 ist schematisch ein Sensorsystem für schienengebundene Fahrzeuge dargestellt, wobei ein Oberleitungskettenwerk einer Eisenbahn 5 mit einer Abspannvorrichtung 4 gezeigt ist. Eine FahrStromleitung 2, die auch als Fahrdraht bezeichnet ist, ist an Abhängeelementen 8 oder Hängern von einem Tragseil der Abspannvorrichtung 4 abgehängt und zwar derart, dass der Fahrdraht annähert horizontal verläuft, wobei für eine Dämpfung der beim schnellen Durchgang von Stromabnehmern entstehenden Fahrdrahthebung eineIn Fig. 1, a sensor system for rail vehicles is shown schematically, wherein a catenary of a railway 5 is shown with a guying 4. A driving power line 2, which is also referred to as a contact wire, is on Suspension elements 8 or hangers suspended from a supporting cable of the guying device 4 in such a way that the contact wire is approximately horizontal, wherein for a damping of the rapid passage of pantographs arising contact wire elevation a
Aufhängung des Tragseils flexibel ausgeführt ist. Der Fahrdraht wird zusätzlich straff gespannt und zwar durch Spannwerke an Masten. In der Fig. 1 ist die Bahn 5 mit ihren Stromabnehmern 6 schematisch gezeigt und es findet ein Stromfluss (siehe Pfeil 7) über dieSuspension of the suspension cable is flexible. The contact wire is additionally stretched taut by tensioning masts. In Fig. 1, the web 5 is shown schematically with their current collectors 6 and there is a current flow (see arrow 7) on the
FahrStromleitung 2 bzw. den Fahrdraht und dem Stromabnehmer 6 zur geerdeten Schiene 3 statt. Je nach Position der Bahn fließt der Strom abschnittsweise, d.h. über Abschnitte durch die Fahrstromleitung, wo- bei die anderen Abschnitte der Fahrstromleitung 2 stromlos sind bzw. gegebenenfalls durch andere Bahnen ein Stromfluss hervorgerufen werden kann. Üblicherweise wird ein Bahnstrom verwendet, der beispielsweise 16 2/3 Hz aufweist und ein starkes wechselndes Magnetfeld für einen kurzen Zeitraum erzeugt. Driving power line 2 and the contact wire and the current collector 6 to grounded rail 3 instead. Depending on the position of the web, the current flows in sections, i. via sections through the traction current line, wherein the other sections of the traction current line 2 are de-energized or, if appropriate, a current flow can be caused by other trajectories. Usually, a trajectory current having, for example, 16 2/3 Hz and generating a strong alternating magnetic field for a short period of time is used.
Erfindungsgemäß sind im Bereich der Fahrstromleitung 2 vorzugsweise an den Hängern 8 in regelmäßigen Abständen, vorzugsweise zwischen zwei Masten Sensoran- Ordnungen 1 angeordnet, die Sensorknoten bilden undAccording to the invention, sensor arrays 1, which form sensor nodes, are preferably arranged on the hangers 8 at regular intervals, preferably between two masts, in the region of the traction current line 2
Zustandsgrößen der Fahrstromleitung 2 erfassen. Schematisch sind in der Fig. 1 zwei Sensoranordnungen 1 dargestellt . Fign. 2 und 3 zeigen schematisch die Ausrichtung derCapture state variables of the traction current line 2. Schematically, two sensor arrangements 1 are shown in FIG. FIGS. FIGS. 2 and 3 schematically show the alignment of the
Sensoranordnung 1 in Bezug auf die FahrStromleitung 2. Gemäß Fig. 3 umfasst die Sensoranordnung 1 nicht genauer dargestellte Sensoren und mindestens eine Spule 9, die Bestandteil einer Energieversorgung ent- sprechend dem Prinzip "Energy Harvesting" ist, d.h. die Spule 9 ist im Bereich des Magnetfelds 10 ange- ordnet, das von dem durch die Fahrstromleitung 2 kurzfristig fließenden Strom erzeugt wird. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung 1 ein Elektronikmodul 11, das weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 4 näher er- läutert wird und das beispielsweise die Schaltung zurSensor arrangement 1 with respect to the driving power line 2. According to FIG. 3, the sensor arrangement 1 comprises sensors not shown in greater detail and at least one coil 9 which is part of a power supply according to the principle of "energy harvesting", ie the coil 9 is within the range of 10 magnetic field orders, which is generated by the short-term current flowing through the traction current line 2. Furthermore, the sensor arrangement 1 comprises an electronic module 11, which is explained in more detail below in connection with FIG. 4 and which, for example, the circuit for
Gewinnung der Energie, einen Mikrorechner und eine Kommunikationseinheit aufweist. Elektromodul 11 und die Spule 9 und Sensoren sind in einem Gehäuse 12 der Sensoranordnung 1 aufgenommen, das unter anderem bei- spielsweise von einer Ummantelung einer Moldingmasse gebildet ist, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 12 gleichzeitig als Befestigungsvorrichtung für die Fahrstromleitung 2 dient, die mit dem Hänger 8 verbunden ist. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise eine Hängerklemme umfassen, die über eine Kausche von dem Hänger abgehängt ist und die ein Teil der Fahrstromleitung formschlüssig umgreift . In Fig. 4 ist der Aufbau der Sensoranordnung in Form von Funktionsblöcken dargestellt, wobei die wesentlichen Bestandteile Sensoren 13, die die Fahrstromleitung 2 beeinflussende Zustandsgrößen erfassen, ein Signalverarbeitungsmodul 14 zum Verarbeiten der Sen- sorsignale, ein Datenverarbeitungsmodul 15, das die erfassten und aufbereiteten Sensorsignale auswertet und ein Kommunikationsmodul 16, das das Ergebnis der Datenverarbeitung zur Information und Steuerung an eine entsprechende Zentrale sendet, sind. Zusätzlich ist ein Energieversorgungmodul 17 zur Energiekondi- tionierung vorgesehen, das die verschiedenen Bestandteile 13 bis 16 gegebenenfalls mit unterschiedlichen Spannungen versorgt. Die genannten Module 13 bis 17 sind zu dem Elektronikmodul 11 nach Fig.3 zusammenge- fasst. Als Sensoren können eine Vielzahl von Sensoren infra- ge kommen, als nicht begrenzende Auswahl sind in dem Sensorblock 13 Temperatur-, Neigungs- bzw. Beschleu- nigungs-, Strom-, Metall und Feuchtesensoren erwähnt, mit denen die verschiedensten Parameter bzw. Zu- standsgrößen der Fahrstromleitung erfasst werden können, um entsprechende Informationen über ihren Zustand zur Verfügung zu stellen. Nur beispielhaft werden als Informationen die Abnutzung der Fahrstromlei - tung 2, Beschädigungen oder Diebstahl der Fahrstromleitung, Informationen über Unregelmäßigkeiten des Stromflusses, Frequenz und Anzahl von durchfahrenden Bahnen, Beeinflussungen des Wetters und dergleichen, angegeben . Obtaining the energy, a microcomputer and a communication unit has. Electric module 11 and the coil 9 and sensors are accommodated in a housing 12 of the sensor arrangement 1, which is formed, for example, by a jacket of a molding compound, wherein in a preferred embodiment, the housing 12 simultaneously serves as a fastening device for the traction current line 2, the connected to the trailer 8. The housing 12 may, for example, comprise a hanger clamp, which is suspended from the hanger via a thimble and which engages around a part of the traction current line in a form-fitting manner. 4 shows the structure of the sensor arrangement in the form of function blocks, wherein the essential components detect sensors 13, the driving current line 2 influencing state variables, a signal processing module 14 for processing the sensor senorsignals, a data processing module 15, the detected and processed sensor signals evaluates and a communication module 16, which sends the result of data processing for information and control to a corresponding center, are. In addition, a power supply module 17 is provided for Energiekondi- tion that supplies the various components 13 to 16 optionally with different voltages. The mentioned modules 13 to 17 are summarized to the electronic module 11 of Figure 3. A large number of sensors can be used as sensors; a non-limiting selection in the sensor block 13 mentions temperature, inclination or acceleration, current, metal and humidity sensors with which the most varied parameters or accessories can be used. stand sizes of the traction current line can be detected in order to provide appropriate information about their condition. By way of example only, the wear of the traction power line 2, damage or theft of the traction current line, information about irregularities of the current flow, frequency and number of traversing tracks, influences of the weather and the like are given as information.
Die Sensorsignale werden in dem Signalverarbeitungs- modul gefiltert und digitalisiert und an das Datenverarbeitungsmodul 15 geleitet, das die Auswertung der gefilterten und digitalisierten Sensorsignale zur Aufbereitung der oben angegebenen Information vornimmt. Beispielshaft sind hier die Diebstahlerkennung, die Zustandsüberwachung und die Wetterbeeinflussung angeführt. Das Signalverarbeitungsmodul 14 und das Datenverarbeitungsmodul 15 bilden die Auswer- teeinheit der Sensoranordnung. The sensor signals are filtered in the signal processing module and digitized and passed to the data processing module 15, which carries out the evaluation of the filtered and digitized sensor signals for processing the information given above. By way of example, the theft detection, condition monitoring and weather control are listed here. The signal processing module 14 and the data processing module 15 form the evaluation unit of the sensor arrangement.
Das Kommunikationsmodul 16 umfasst eine Sende - Empfangseinheit, die neben einem Sender und Empfänger zur Datenübertragung einen Wake-up-Empfänger auf- weist, der dann angestoßen wird und die Sende -The communication module 16 comprises a transceiver unit which, in addition to a transmitter and receiver for data transmission, has a wake-up receiver which is then triggered and transmits the transmission signals.
Empfangseinheit aktiviert, wenn das Datenverarbeitungsmodul 15 entsprechende Informationen liefert. Wenn beispielsweise ein in der Datenverarbeitung 15 gespeicherter Schwellenwert für den von den Sensoren 13 gelieferten Messwert der Zustandsgröße überschritten wird, liegt ein Alarmzustand vor und die Sende- Em fangseinheit wird zur Aussendung eines Funksignals als Information über den jeweiligen Zustand aktiviert . Dabei wird zur Energieminimierung der Datenaustausch über ein Multi -Ho -Verfahren vorgenommen, d.h. die Sende-Empfangseinheit sendet an die nächstliegende Sensoranordnung 1, die wiederum die Information weiterleitet an die nächstliegenden weiteren Sensoranordnungen, bis eine Zentrale erreicht ist. Die einzelnen Sensoranordnungen 1 vernetzen sich so- mit selbständig zu einer Linienstruktur. Dabei werden zuerst die jeweiligen Wake-up Empfänger durch eine Funksequenz angesprochen, die an die übrigen Einheiten des Kommunikationsmoduls für die weitere Übertragung aufwecken. Die Wake-up Empfänger verbrauchen nur wenig Energie, während die eigentliche Übertragung energieintensiv ist. Receive unit activated when the data processing module 15 provides corresponding information. If, for example, a threshold stored in the data processing 15 for the measured value of the state variable supplied by the sensors 13 is exceeded, an alarm state exists and the transmission Em catching unit is activated to transmit a radio signal as information about the respective state. In this case, the data exchange via a multi-Ho method is performed to minimize energy, ie the transmitting-receiving unit sends to the nearest sensor assembly 1, which in turn passes the information to the nearest other sensor arrangements until a central unit is reached. The individual sensor arrangements 1 thus network independently to form a line structure. In this case, first the respective wake-up receivers are addressed by a radio sequence, which wake up to the other units of the communication module for further transmission. The wake-up receivers consume very little energy, while the actual transmission is energy-intensive.
Es wird auch eine Identifikationsinformation des jeweils absendenden Kommunikationsmoduls 16 There is also an identification information of the respective sending communication module 16
mitgesendet, d.h. jedem Sensorknoten bzw. jeder Sensoranordnung 1 ist eine Identifikationsinformation zugeordnet, die unter anderem die Position des jeweiligen Sensorknotens bzw. Sensoranordnung 1 beinhaltet. Auf diese Weise ist es möglich, sofort die Sen- soranordnung 1 zu lokalisieren, an der Unregelmäßigkeiten der Fahrstromleitung 2 erfasst wurden. Außerdem kann ein Protokoll über von der Sensoranordnung detektierten Grenzwertüberschreitungen mit gesandt werden. sent, i. Each sensor node or each sensor arrangement 1 is associated with identification information which includes, inter alia, the position of the respective sensor node or sensor arrangement 1. In this way it is possible to immediately locate the sensor arrangement 1 at which irregularities of the traction current line 2 were detected. In addition, a protocol can be sent via detected by the sensor arrangement limit overruns.
Ein wesentlicher Bestandteil der Sensoranordnung ist das Energieversorgungsmodul 17, das näher in Fig. 5 dargestellt ist. Das Energieversorgungsmodul 17 um- fasst die Spule 9 zur Erfassung des Magnetfeldes 10 und ist hier mit dem Funktionsblock 18, Energiegewinnung durch magnetische Induktion, bezeichnet. Weiter- hin umfasst die Energieversorgungseinheit 17 eine elektronische Schaltungseinheit, die eine Impedanz - anpassung 19 und eine Speicherung und Konditionierung 20 aufweist. Die Energieversorgungseinheit 17 ver- sorgt die Sensoreinheit 13, die Signalverarbeitungs- einheit 14, das Datenverarbeitungsmodul 15 sowie das Kommunikationsmodul 16, die hier als Lastsystem 21 bezeichnet werden. Abhängig von diesem Lastsystem 21 wird eine Anpassung der Spannungskonditionierung vor- genommen (Block 22) . An essential component of the sensor arrangement is the power supply module 17, which is shown in more detail in FIG. 5. The energy supply module 17 comprises the coil 9 for detecting the magnetic field 10 and is here designated by the function block 18, energy production by magnetic induction. Further- In addition, the energy supply unit 17 comprises an electronic circuit unit which has an impedance adaptation 19 and a storage and conditioning 20. The power supply unit 17 supplies the sensor unit 13, the signal processing unit 14, the data processing module 15 and the communication module 16, which are referred to here as a load system 21. Depending on this load system 21, an adaptation of the voltage conditioning is performed (block 22).
In Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung zur Energiegewinnung etwas genauer dargestellt. Die induktive Einkopplung durch das Magnetfeld um den Fahrdraht herum wird über die Spule 9 vorgenommen, die über eine Gleichrichterbrücke 23 und eine Sicherung 24 als Überspannungsschutz gegen Blitzeinschlag und Kurz- schluss des Fahrdrahtes mit einem Regelkreis 25 verbunden ist. Für die Energiespeicherung ist ein Akku 26 und ggf. zusätzlich ein Kondensator 27 unter anderem für die Lastspitzenpufferung vorgesehen. Der Regelkreis 25 dient zur Ladeüberwachung des Akkus 26 und des Pufferkondensators 27, d.h. er misst den Energieeintrag und ermittelt den Füllstand der Ener- giespeicherelemente 26, 27 und umfasst unter anderem einen Lade-IC und Temperatur- und Stromflusselemente. Die Informationen über die Ladeüberwachung werden einem Mikrorechner geliefert. Weiterhin ist ein Spannungsregler 28 vorgesehen, der die Spannungsaufbereitung abhängig vom Ladezustand der Speicherelemente 26, 27 und dem Strombedarf der mit 29 bezeichneten Lasten der Sensoranordnung steuert bzw. regelt. Diese Aufbereitung, z.B. die Anpas- sung der Betriebsspannung wird abhängig von den vomIn Fig. 6, a circuit arrangement for energy production is shown in more detail. The inductive coupling through the magnetic field around the contact wire around is made via the coil 9, which is connected via a rectifier bridge 23 and a fuse 24 as overvoltage protection against lightning and short circuit of the contact wire with a control circuit 25. For the energy storage, a battery 26 and possibly also a capacitor 27 is provided inter alia for the Lastspitzenpufferung. The control circuit 25 is used to charge monitoring of the battery 26 and the buffer capacitor 27, i. It measures the energy input and determines the fill level of the energy storage elements 26, 27 and includes, inter alia, a charging IC and temperature and current flow elements. The charge monitoring information is supplied to a microcomputer. Furthermore, a voltage regulator 28 is provided which controls or regulates the voltage conditioning depending on the state of charge of the storage elements 26, 27 and the power requirement of the loads of the sensor arrangement designated 29. This preparation, e.g. the adjustment of the operating voltage will depend on the
Mikrorechner gelieferten Parametern vorgenommen. Ge- gebenenfalls und falls der Ladezustand der Speicherelemente 26, 27 es verlangt, werden Komponenten abgeschaltet . Microcomputer supplied parameters. overall if necessary and if the state of charge of the memory elements 26, 27 requires it, components are switched off.
Die Sensoranordnung mit dem oben beschriebenen Aufbau hat relativ kleine Abmessungen, d.h. das Gehäuse 12 der Sensoranordnung, das gleichzeitig als Befestigung für die Fahrstromleitung 2 dient, kann beispielsweise Abmessungen von 5 bis 10 cm in zwei Dimensionen und z.B. 1 cm in der dritten Dimension aufweisen. Durch die Energiegewinnung durch magnetische Induktion wird ausreichend Energie zur Verfügung gestellt, wobei die verwendeten Komponenten klein sind und wenig Strom verbrauchen. Die Energieversorgung ist von der Auswerteeinheit zumindest teilweise abschaltbar und es kann auch noch ein zusätzlicher Akkumulator vorgesehen sein, der gewährleistet, dass bei Ausfall der FahrleitungsSpannung die Ausfallsposition an die Zentrale gesendet wird. Die Sensoranordnungen können an den Bahnstrecken eingesetzt werden, auch an solchen durch relativ unbewohnte Gegenden, in denen erfahrungsgemäß die Gefahr eines Diebstahls der Fahrstromleitungen groß ist. Auch im innerstädtischen Verkehr sind die Sensoranordnungen für eine schnelle örtliche Detektion von Fahrleitungsstörungen anwendbar . The sensor assembly of the above-described construction has relatively small dimensions, i. the housing 12 of the sensor assembly, which at the same time serves as attachment for the traction current line 2, may for example have dimensions of 5 to 10 cm in two dimensions and e.g. 1 cm in the third dimension. By generating energy through magnetic induction, sufficient energy is provided, with the components used being small and consuming little power. The power supply can be switched off at least partially by the evaluation unit, and an additional accumulator can also be provided, which ensures that the failure position is sent to the control center in the event of failure of the catenary voltage. The sensor assemblies can be used on the railway lines, even those through relatively uninhabited areas where experience has shown that the risk of theft of the traction current lines is large. Even in urban traffic, the sensor arrangements for rapid local detection of catenary disturbances are applicable.

Claims

Patentansprüche claims
Sensoranordnung zur Feststellung von Unregelmäßigkeiten in oder an Fahrstromleitungen für schienengebundene Fahrzeuge, die aufweist: mindestens einen Sensor (13) zur Erfassung mindestens einer Zustandsgroße der Fahrstromleitung (2) , eine Auswerteeinheit (14, 15) zur Auswertung von Sensorsignalen, die von dem mindestens einen Sensor (13) geliefert werden, eine Energieversorgung (17) , die den mindestens einen Sensor (13) und die Auswerteeinheit (14, 15) mit Spannung versorgt und die eine Spule (9) zur Erfassung eines Magnetfeldes (10) , das von einem durch die Fahrstromleitung (2) fließenden Strom erzeugt wird und eine Umsetzungsschaltung zur Umsetzung des durch das Magnetfeld in der Spule (9) induzierten Strom in speicherbare Energie aufweist, wobei der mindestens eine Sensor (9) , die Aus- werteeinheit (14, 15) und die Energieversorgung (17) in einem Gehäuse (12) angeordnet sind, das geeignet und angepasst ist, Bestandteil einer mechanischen Befestigung der Fahrstromleitung (2) zu sein, derart, dass die im Gehäuse (12) angeordnete Spule (9) vom Magnetfeld durchgriffen wird. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) als Haltevorrichtung für die Fahrstromleitung (2) ausgebildet ist. Sensor arrangement for detecting irregularities in or on traction current lines for rail vehicles, comprising: at least one sensor (13) for detecting at least one state variable of the traction current line (2), an evaluation unit (14, 15) for evaluating sensor signals from the at least one Sensor (13) are supplied, a power supply (17) which supplies the at least one sensor (13) and the evaluation unit (14, 15) with voltage and a coil (9) for detecting a magnetic field (10) from a is generated by the traction current line (2) flowing current and has a conversion circuit for converting the current induced by the magnetic field in the coil (9) into storable energy, wherein the at least one sensor (9), the evaluation unit (14, 15) and the power supply (17) are arranged in a housing (12) which is suitable and adapted as part of a mechanical fastening of the traction current line (2). to be, such that the coil (9) arranged in the housing (12) is penetrated by the magnetic field. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the housing (12) is designed as a holding device for the traction current line (2).
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungs- schaltung ausgebildet ist, eine Impedanzanpassung zwischen Spule (9) und den durch den mindestens einen Sensor und die Auswerteeinheit vorgegebenen Lasten vorzunehmen. Sensor arrangement according to claim 1 or claim 2, characterized in that the conversion circuit is adapted to make an impedance adjustment between coil (9) and the predetermined by the at least one sensor and the evaluation unit loads.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bisSensor arrangement according to one of claims 1 to
3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15) mit einer Sende-Empfangseinheit (16) verbunden ist, die ebenfalls im Gehäuse (12) aufgenommen ist. 3, characterized in that the evaluation unit (15) is connected to a transceiver unit (16) which is also accommodated in the housing (12).
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bisSensor arrangement according to one of claims 1 to
4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (9) als Neigungssensor, Temperatursensor, Stromsensor, Feuchtesensor, Bewegungs- sensor, Kraftsensor, Metalldedektor und dergleichen ausgebildet ist. 4, characterized in that the at least one sensor (9) as a tilt sensor, temperature sensor, current sensor, humidity sensor, motion sensor, force sensor, metal detector and the like is formed.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bisSensor arrangement according to one of claims 1 to
5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (13) mit der Auswerteeinheit (14, 15) verbunden sind. 5, characterized in that a plurality of sensors (13) with the evaluation unit (14, 15) are connected.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bisSensor arrangement according to one of claims 1 to
6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (14, 15) ein zugeordnetes Identifikationskennzeichen speichert, das die Position der Sensoranordnung umfasst. 6, characterized in that the evaluation unit (14, 15) stores an associated identification mark, which comprises the position of the sensor arrangement.
Sensorsystem mit einer Mehrzahl von Sensoranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die in Abständen, vorzugsweise zwischen einzelnen Fahrleitungsmasten einer Schienenstrecke angeordnet sind, wobei über die Sende-Empfangseinheiten (16) der Sensoranordnungen Daten in einem Sensor system comprising a plurality of sensor arrangements according to one of claims 1 to 7, which in Intervals, preferably between individual catenary masts of a rail track are arranged, via the transceiver units (16) of the sensor arrays data in one
Hopping-Verfahren von den jeweiligen Sensoranordnungen zu einer Zentrale übertragbar sind. Hopping method of the respective sensor arrangements are transferable to a central office.
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