Sensoreinrichtung, Schienenfahrzeug und Sensoranordnung Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Magnetfeldänderung, die durch ein sich der Sensorein richtung annäherndes Objekt verursacht wird.

Derartige Sensoreinrichtungen werden beispielsweise in eisen- bahntechnischen Anlagen eingesetzt, um sich annähernde oder vorbeifahrende Schienenfahrzeuge zu erkennen. Beispielsweise sind aus der WO 2017/220306 Al und der WO 2019/096541 Al ähn liche Sensoreinrichtungen bekannt. Allerdings sind die be kannten Sensoreinrichtungen eher für die Detektion von Objek- ten im Nahbereich ausgebildet, so dass sie für die Detektion von Objekten in größerem Abstand weniger geeignet sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sen soreinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die auch für die Detektion von Objekten in größerem Abstand geeignet ist und dabei eine hohe Zuverlässigkeit und Stö rungsunanfälligkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die eingangs genannte Sensoreinrichtung dadurch gelöst, dass die Sensoreinrichtung wenigstens einen Sendeschwingkreis und wenigstens ein Paar aus zwei Empfangsschwingkreisen umfasst, wobei die Empfangs schwingkreise jeweils eine Empfangsspule aufweisen, wobei die Empfangsspule des einen EmpfangsSchwingkreises vor und die Empfangsspule des anderen Empfangsschwingkreises hinter einer Sendespule des Sendeschwingkreises bezogen auf dessen Längs richtung angeordnet sind und jede Empfangsspule des jeweili gen Paares mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand zur Sendespule angeordnet ist, und wobei die Empfangsschwingkrei- se des wenigstens einen Paares elektrisch parallelgeschaltet sind. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass sie eine Kompensation für störende Wechselfelder im Fernbereich bie tet. Gleichzeitig führt sie auch zur Reduktion störender mag netischer Wechselfelder im Nahbereich.

Mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung können beispiels weise Metallflächen und flächige Materialien mit hoher magne tischer Permeabilität zuverlässig erkannt werden. Zusätzlich bietet die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung durch ihren re dundanten Aufbau und die damit verbundene Parallelschaltung eine reduzierte Ausfallwahrscheinlichkeit. Wenn nämlich einer der Empfangsschwingkreise ausfällt, kann der wenigstens eine andere Empfangsschwingkreis dies kompensieren. Durch den gleichen Abstand der paarweise angeordneten Empfangsspulen können die Wechselfelder im Fernbereich besonders gut kompen siert werden. Störende Wechselfelder im Nahbereich hingegen wirken sich lediglich auf eine der beiden Empfangsspulen des wenigstens einen Paares aus und werden somit kompensiert.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann beispielsweise im Eisenbahnbereich bei der Abstandserkennung eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung kann durch vorteilhafte Ausge staltungen weiterentwickelt werden, die im Folgenden be schrieben sind.

So können die Empfangsschwingkreise, insbesondere eines Paa res, baugleich ausgebildet sein. Baugleich bedeutet hier zum Einen, dass sie aus den gleichen Komponenten, wie beispiels weise Empfangsspule, Kondensator und Widerstand, bestehen und zum Anderen, dass diese Einzelteile auch gleich ausgebildet sind, d. h. beispielsweise die gleichen Stärken wie Impedanz, Kapazität und Widerstand haben. Dies hat den Vorteil, dass nur eine Art von Empfangsschwingkreis vorgehalten werden muss und diese auch kostengünstig in größeren Mengen bestellt wer den kann. Weiterhin reagieren die Empfangsschwingkreis gleich, so dass eine gute Kompensation von weit entfernten Störfeldern stattfinden kann. Alternativ können auch nur ein- zelne Teile wie beispielsweise die Empfangsspulen baugleich ausgebildet sein.

Um die Kompensationsfähigkeit für Störfelder weiter zu ver bessern, können die Empfangsspulen eines Paares im Wesentli chen spiegelsymmetrisch zur Sendespule angeordnet sein.

Zusätzlich sind insbesondere bei mehreren Paaren von Emp fangsspulen diese punktsymmetrisch angeordnet. Dadurch sind die Empfangsspulen gleichmäßig im magnetischen Wechselfeld des Sendeschwingkreise 2 angeordnet.

Um die Ausfallwahrscheinlichkeit der erfindungsgemäßen Sen soreinrichtung zu verbessern, kann die Sendeeinrichtung meh rere Paare aus EmpfangsSchwingkreisen aufweisen. Dabei können alle EmpfangsSchwingkreise zueinander elektrisch parallelge schaltet sein. Alternativ kann ein erster Teil der Empfangs schwingkreise zueinander elektrisch parallel zueinander pa rallelgeschaltet sein und wenigstens ein zweiter Teil der Empfangsschwingkreise zueinander ebenfalls elektrisch paral lelgeschaltet sein. Durch die Ausführung mit zwei Teilen, die auch als Kanäle bezeichnet werden können, kann beispielsweise eine Richtungserkennung durch sich überlappende Signale rea lisiert werden.

Bei der zuvor beschriebenen Variante mit mehreren Teilen von Empfangsschwingkreisen, die man auch als unterschiedliche Ka näle bezeichnen könnte, kann zusätzlich jeder Teil der Emp fangsschwingkreise einen separaten Sendeschwingkreis aufwei sen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Schienenfahrzeug, wie beispielsweise eine Lokomotive, einen Fernverkehrszug, einen Nahverkehrszug, eine U-Bahn oder eine Straßenbahn. Die Senso ranordnung umfasst wenigstens ein Objekt und wenigstens eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Magnetfeldänderung, die durch das sich der Sensoreinrichtung annähernde Objekt verur sacht wird. Erfindungsgemäß ist die Sensoreinrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann an dem Schienen fahrzeug beispielsweise dazu genutzt werden, eine Annäherung und damit einen Abstand zu einem Bahnsteig oder einer anderen Haltemarke zu detektieren. Dazu kann entweder die Sensorein richtung oder das Objekt ortsfest angebracht werden und das jeweils andere an dem Schienenfahrzeug.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann das Objekt aus einem plattenartigen flä chigen Material mit hoher magnetischer Permeabilität ausge bildet sein. Dieses Material kann beispielsweise eine Metall platte sein. Dies hat den Vorteil, dass ein derartiges Mate rial besonders gut und zuverlässig von der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung detektiert werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

FIG. 1 eine schematische Darstellung einer ersten bei spielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Sensoreinrichtung in einer Ansicht von vorne;

FIG. 2 die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aus FIG. 1 in einer Draufsicht;

FIG. 3 ein schematisches Schaltbild der beispielhaften

Sensoreinrichtung aus den Figuren 1 und 2;

FIG. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren bei spielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Sensoreinrichtung;

FIG. 5-8 jeweils weitere beispielhaften Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Sensoreinrichtungen; FIG. 9 eine schematische Darstellung einer beispielhaften

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schienen fahrzeugs.

Zunächst wird die beispielhafte Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Sensoreinrichtung in den FIG. 1-3 beschrieben.

Die beispielhafte Ausführungsform in den FIG. 1-3 einer er findungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 umfasst einen Sende schwingkreis 2 und zwei paarweise angeordnete Empfangs schwingkreise 3.

Wie im Schaltbild in FIG. 3 ersichtlich, besteht der Sende schwingkreis 2 aus einer Sendespule 4 und einem Sendekonden sator 5. Im Betrieb wird der Sendeschwingkreis 2 von einer Spannungsquelle 6 mit einer Wechselspannung Us versorgt, die den Sendeschwingkreis 2 anregt.

Die Empfangsschwingkreise 3 weisen jeweils eine Empfangsspule 7, einen Empfangskondensator 8 und einen Dämpfungswiderstand 9 auf. Die beiden Empfangsschwingkreise 3 sind zueinander pa rallelgeschaltet. In den FIG. 1 und 2 sind für eine verein fachte Darstellung lediglich die Sendespule 4 des Sende schwingkreises 2 und die Empfangsspulen 7 der Empfangs schwingkreise 3 dargestellt. Trotzdem entspricht der Aufbau selbstverständlich dem im Schaltbild in FIG. 3 dargestellten.

Im Betrieb generiert die Sendespule 4 des Sendeschwingkreises 2 ein überwiegend horizontal ausgerichtetes magnetisches Wechselfeld 10, dessen prinzipieller Feldlinienverlauf in den FIG. 1 und 2 angedeutet ist. In FIG. 1 ist die prinzipielle Spulenanordnung im horizontalen Querschnitt darstellt. Die Sendespule 4 ist mittig zwischen den Empfangsspulen 7 ange ordnet. In einer Längsrichtung L der Sendespule 4 ist die ei ne Empfangsspule 7 vor der Sendespule 4 und die andere Emp fangsspule 7 hinter der Sendespule 4 angeordnet. Zur einfa cheren Unterscheidung der Empfangsspulen 7 ist die vor der Sendespule 4 angeordnete Empfangsspule 7 zusätzlich mit dem Bezugszeichen 7a bezeichnet und die dahinter liegende Emp fangsspule 7 mit dem Bezugszeichen 7b. Die beiden gedämpften Empfangsschwingkreise 3 sind wie in FIG. 3 parallelgeschal tet, so dass sich aufgrund der gegensinnigen magnetischen Durchflutung jeweils die Empfangsspannung Uel, Ue2 ergibt.

Aus der Parallelschaltung der Empfangsschwingkreise 3 ergibt sich eine gesamte Empfangsspannung Ue für die Sensoreinrich tung 1.

Da die Empfangsspulen 3 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Sendespule 4 und damit mit gleichem Abstand A angeordnet sind, werden diese von genügend weit entfernten magnetischen Störfeldern von Störquellen in gleicher Weise beeinflusst. Durch die gleiche Beeinflussung werden diese im Endeffekt in vorteilhafter Weise unterdrückt. Die Empfangsspulen 3 sind in der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 immer paarweise an geordnet. Jedes Paar ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet.

Bei der beispielhaften Ausführungsform in den FIG. 1-3 ergibt sich im Betrieb beispielsweise eine Empfangsspannung von etwa 100 Millivolt in den beiden EmpfangsSchwingkreisen 3.

In FIG. 1 ist weiterhin ein sich der Sensoreinrichtung 1 an näherndes Objekt 11 in Form einer Metallplatte dargestellt, die sich hier über der gesamten Sensoreinrichtung 1 befindet. Das Objekt 11 kann alternativ auch aus einem beliebigen flä chigen Material mit hoher magnetischer Permeabilität beste hen, das die Sensoreinrichtung 1 beeinflusst. Durch die Aus wirkung dieses Objekts 11 werden die magnetischen Feldlinien der Sensoreinrichtung 1 beeinflusst, d. h. gekrümmt oder ge dämpft, so dass sich die Empfangsspannung Ue verändert. Mit tels dieser Veränderung der EmpfangsSpannung Ue kann das Ob jekt 11 detektiert werden.

In FIG. 2 ist die Sensoreinrichtung 1 von oben dargestellt. Wie auch in FIG. 1 sind lediglich die Sendespule 4 und die Empfangsspulen 7 dargestellt. In den FIG. 1 und 2 sind die Sendespule 2 und die Empfangsspulen 7 beispielhaft zylind risch, also in der Draufsicht rund, dargestellt. Es sind selbstverständlich auch andere Formen möglich. In FIG. 2 be zieht sich die Darstellung der magnetischen Feldlinien des Wechselfeldes 10 auf den horizontalen Feldlinienanteil. Die beiden Empfangsspulen 7 haben bei der beispielhaften Ausfüh rungsform in FIG. 1 vorteilhafterweise den gleichen Aufbau, die gleiche Impedanz und haben idealerweise eine ähnlich hohe Ausgangsspannung, da die Empfindlichkeit der Sensoreinrich tung 1 abhängig ist von der eingestellten Empfangsspannung Ue. Die Gesamtimpedanz des Empfangssystems aus den Empfangs schwingkreisen 3 halbiert sich dadurch. Wird nur eine der Empfangsspulen 7 und damit der Empfangsschwingkreise 3 im Nahfeld durch eine Störgröße beeinflusst, so ist die Auswir kung dieser Störgröße bei der erfindungsgemäßen Sensorein richtung 1 halbiert, weil die jeweils andere Empfangsspule 7 des Paares 12 der Empfangsschwingkreise 7 durch den räumli chen Abstand nicht betroffen ist.

Die beiden Empfangsspulen 7 des Paares 12 sind mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand A zu der Sendespule 4 angeord net. Quer zur Längsrichtung L weist die Sendespule 4 bei der Ausführungsform in den FIG. 1-3 eine Breite B auf. Die in der Mitte positionierte und als Teil des Sendeschwingkreises 2 verkabelte Sendespule 4 induziert im Betrieb in die parallel geschalteten, gedämpften Empfangsschwingkreise 3 die Emp fangsspannungen Uel und Ue2. Die EmpfangsSpannungen Uel und Ue2 sind in etwa gleich hoch und ergeben durch die Parallel schaltung eine ähnlich hohe AusgangsSpannung Ue. Dadurch wird eine gleichmäßige Störfestigkeit und -empfindlichkeit der er findungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 im Nahfeld sicherge stellt.

Im Folgenden wird die in FIG. 4 dargestellte weitere bei spielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorein richtung 1 beschrieben. Der Einfachheit halber wird lediglich auf die Unterschiede zur Ausführungsform in den Fig. 1-3 ein gegangen. Bei der Ausführungsform in FIG. 4 ist die Anzahl der Emp fangsspulen 7 verdoppelt worden. Die Sensoreinrichtung 1 in FIG. 4 umfasst daher zwei Paar Empfangsspulen 7. Jede Emp- fangsspule 7 liefert auch hier ungefähr eine gleich hohe Aus gangsspannung. Die Empfangsspulen 7 sind hier nur der Über sichtlichkeit halber nah beieinander positioniert und können durchaus einen größeren Abstand zueinander haben. Ähnlich wie bei der Ausführungsform in den FIG. 1-3 kompensieren die vor- deren Empfangsspulen 7a und die hinteren Empfangsspulen 7b mögliche magnetische Wechselfelder im Fernfeld, d. h. in grö ßerer Entfernung. Eine im Nahfeld, d. h. in der Nähe, auftre tende Störgröße wird nur eine oder ein Teil der Empfangsspu len 7 durchsetzen, so dass die Störwirkung auf das eigentli- che Empfangssignal im Vergleich zur Ausführungsform in den

FIG. 1-3 abnimmt. Somit nimmt die Störanfälligkeit bei dieser Ausführungsform sogar noch ab.

Durch die Erhöhung der Anzahl der Empfangsspulen 7 bei der Ausführungsform in FIG. 4 ergibt sich zusätzlich eine Redu zierung der Ausfallwahrscheinlichkeit gegenüber der Ausfüh rungsform in den FIG. 1-3. Beispielsweise eine Unterbrechung der Zuleitung zu einem Empfangsschwingkreis 7 oder eine ande re Störung eines Empfangsschwingkreises 7 führt in Summe nicht sofort zum Ausfall der Sensoreinrichtung 1. Auch eine Änderung einer EmpfangsSpuleninduktivität und damit der Fre quenz eines der Empfangsschwingkreise 3 führt zu einer gegen über der Ausführungsform in den Fig. 1-3 reduzierten Fre quenzänderung des GesamtempfangsSchwingkreises und damit zu einer höheren Verfügbarkeit der erfindungsgemäßen Sensorein richtung 1.

Die Breite B der Sendespule 4 ist bei der Ausführungsform in Fig. 4 größer als eine Breite B* über alle Empfangsspulen 7. Dadurch trifft das magnetische Wechselfeld 10 die Empfangs spulen 7 nicht überall gleich. Um dies gleichmäßig zu vertei len, sind die Empfangsspulen im Wesentlichen punktsymmetrisch zur Sendespule 4 angeordnet. Im Folgenden werden die weiteren beispielhaften Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung 1 in den FIG. 5-8 beschrieben. Der Einfachheit halber wird jeweils nur auf die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen ein gegangen.

Bei der Ausführungsform in FIG. 5 ist die Anzahl der Emp fangsspulen 7 gegenüber der Ausführungsform in FIG. 4 erneut verdoppelt worden. Da jede Empfangsspule 7 eine ungefähr gleich hohe Ausgangsspannung liefert, sind die Abstände A der außen liegenden Empfangsspulen 7 aufgrund des sich abschwä chenden Magnetfeldes 10 etwas reduziert bzw. angepasst wor den. Der Abstand A eines Paares 12 ist also im Wesentlichen proportional zur Stärke des Magnetfeldes 10. Auch hier gilt wie bei der Ausführungsform in FIG. 4, dass der Einfluss ei ner Störgröße im Nahbereich, die nur eine Empfangsspule 7 durchsetzt, durch die größere Anzahl von Empfangsschwingkrei sen 3 weiter reduziert wird auf das eigentliche Nutzempfangs- signal in der Spannung Ue.

In FIG. 5 ist über der Sensoreinrichtung 1 das zu detektie- rende Objekt 11 in Form einer flächigen Metallplatte darge stellt. Das Objekt 11 ist generell für die Sensoreinrichtung 1 so dimensioniert, dass alle Empfangsspulen 7 im Wesentli chen gleichmäßig überdeckt werden können. Eine relative Bewe gungsrichtung 13 des Objekts 11 ist durch einen Pfeil darge stellt. Selbstverständlich kann sich entweder die Sensorein richtung 1 oder das Objekt 11 bewegen. Die Dimension des Ob- jekts 11 ist so ausgelegt, dass alle Empfangsspulen 7 genü gend von dem Objekt 11 überdeckt werden, um durch die Feld verzerrung eine ähnlich hohe Empfangsspannung Ue zu erzeugen.

Bei der weiteren beispielhaften Ausführungsform in FIG. 6 ist eine Sendespule 4 verwendet, deren Breite B größer ist als in den anderen Ausführungsformen. Die Sendespule 4 ragt über die Paare 12 von Empfangsspulen 7 hinaus, die Breite B ist also größer als die Breite B*. Das Magnetfeld 10 ist hier im mitt- leren Bereich so gleichmäßig, dass die jeweils drei Empfangs spulenpaare 12 auf jeder Seite den gleichen Abstand A zur Sendespule 4 aufweisen. Je nach Breite B der Sendespule 4 können weitere Empfangsspulenpaare 12 hinzugefügt werden.

Bei der weiteren beispielhaften Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 in FIG. 7 ist der Aufbau ähnlich wie bei der Ausführungsform in FIG. 6. Allerdings ist die Sensoreinrichtung 1 hier als ein zweikanaliges System aufgebaut mit einem ersten Teil 14 aus drei Paaren 12 von Empfangsschwingkreisen 3 und einem zweiten Teil 15 von wiede rum drei Paaren 12 von Empfangsschwingkreisen 3. Jeder Teil 14, 15 von Empfangsschwingkreisen 3 weist eine separate Sen despule 4 auf.

Auch in FIG. 8 ist als weitere Ausführungsform eine zweikana- lige Sensoreinrichtung 1 mit einem ersten Teil 14 und einem zweiten Teil 15 dargestellt. Allerdings ist hier nur eine ge meinsame Sendespule 4 vorhanden.

FIG. 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug 16, an dem das Objekt 11 in Form einer metallischen Platte ange bracht ist. An einer festen streckenseitigen Einrichtung 17, wie beispielsweise dem Gleisbett oder einem Gebäude, ist die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 1, z. B. nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, angebracht. Das Schie nenfahrzeug 16 fährt bei seiner Fahrt beispielsweise über die Sensoreinrichtung 1 hinweg. Bei einer Anfahrt des Schienen fahrzeugs 16 an die Sensoreinrichtung 1 wird das sich annä hernde Objekt 11 und damit das Schienenfahrzeug 16 von der Sensoreinrichtung 1 erkannt. Die Sensoreinrichtung 1 und das Objekt 11 bilden zusammen eine Sensoranordnung 18 aus. Die Sensoreinrichtung 1 und das Objekt 11 werden so angeordnet, dass sie eine Relativbewegung zueinander ausführen. Dabei er kennt die Sensoreinrichtung 1 das Objekt 11, sobald ein Ab stand zwischen ihnen unter einem Grenzwert ist. So kann bei spielsweise die Überfahrt oder Annäherung des Schienenfahr zeugs 16 zur Sensoreinrichtung 1 erfasst werden. Dadurch kann z. B. erkannt werden, wenn das Schienenfahrzeug 16 in einen Gleisabschnitt einfährt.