SCHMID, Rolf (Weidstrasse 3, Stäfa, CH-8712, CH)
| Ansprüche 1. 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 (Cl), der von einer DC-Quelle mit einer Spannung (U2) beaufschlagt worden ist; der erste Kondensator (Cl) 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 (Cl) und damit eine Spannungsänderung (Ul (t) ) über dem ersten Kondensator (Cl) bewirkt, die für die Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen wird. 2. 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 (Cl) der von einer AC-Quelle mit einer Spannung (U2) beaufschlagt ist; der erste Kondensator (Cl) 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 (Cl) und damit eine Spannungsänderung (Ul (t) ) über dem ersten Kondensator (Cl) bewirkt, die für die Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen wird. 3. Sensoranordnung (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der AC-Spannungsquelle im Bereich von 1kHz bis 100kHz liegt. 4. Sensoranordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kondensator (C2) zum ersten Kondensator (Cl) 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 (Cl, C2) dadurch in Serie geschaltet sind. 5. Sensoranordnung (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Serieschaltung der beiden Kondensatoren (Cl, C2) eine Spannungsänderung am ersten Kondensator (Cl) eine inverse Spannungsänderung (U2 (t) ) am zweiten Kondensator (2) bewirkt, die für die Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums herangezogen wird. 6. Sensoranordnung (20) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (14) für das Aufladen des ersten und zweiten Kondensators (Cl, C2) periodisch betätigt wird. 7. 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 (Cl) als Profilschienen ausgebildet sind. 8. Sensoranordnung (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilschienen (10, 12) eine Länge längs der Eisenbahnschiene im Bereich 0.1m bis 5m aufweisen. 9. Sensoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zum Spurkranz (4, 6) des Rades (2) angeordnete Metallplatte (12) mit einer Isolation versehen ist |
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Radsensoranordnung an einer Eisenbahnschiene gemäss dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Patentanspruchs 2.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] In der Schrift WO 2010/086200 AI [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 Un- empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen weist dieser Radsensor zwischen der Sensorspule und der Gehäuseoberfläche eine kapazitive Abschirmung auf.
[0005] 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 Auswerte ¬ schaltung 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 induk- tiven 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.
[0006] Die Schrift US 3,086,109 [3] offenbart einen Rad ¬ sensor, bei dem ein auf einer Schiene vorbeirollendes Rad berührungslos detektiert wird. Dazu wird auf der Seite der Radkante an den Innenseite einer Schiene eine Metallplatte elektrisch isoliert von der Schiene angebracht. Diese Platte wird über ein Koaxkabel mit einer Spannung einer bestimmten Frequenz beaufschlagt. Wenn nun der Radkranz eines vorbeirollenden Rades sich über der Platte befindet, erfolgt eine Kapazitätserhöhung, so dass die Schwingung vorübergehend beendigt wird. Dies wird in einer Schaltung detektiert und zu einer Generierung eines Anwesenheitssignals herangezogen. Die Ausgestaltung dieses Radsensors ist relativ aufwendig.
[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Radsensoranordnung an einer Schiene anzugeben, die mit möglichst wenig Energie auskommt und deren Ver ¬ kabelungsaufwand minimalisiert wird. [0008] Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 resp. Patentanspruch 2 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
[0009] Anstelle des Begriffs «Radsensoranordnung an einer Eisenbahnschiene» wird im folgenden auch kurz von «Radsensor» gesprochen .
[0010] So können sich die folgenden Vorteile zusätzlich ergeben : [0011] 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.
[0012] ii) Eine kapazitive Funktionsweise mit einer DC- Spannung ist immun gegen induktive Störungen wie auch gegen hochfrequente elektromagnetische Felder.
[0013] iii) Das Prinzip dieser Achs- bzw. Raderkennung benötigt nur einige μΐ/ί. 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.
[0014] iv) Die kapazitive Funktionsweise hat den weiteren Vorteil, dass damit auch nichtferromagnetische Eisen ¬ bahnräder ebenfalls erfasst werden können. Induktive Radsensoren setzen eine ferromagnetische Zusammensetzung der zu erfassenden Eisenbahnräder voraus.
[0015] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
[0016] Figur 1 Funktionale Darstellung einer Sensoranordnung an einer Schiene zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades;
[0017] Figur 2 Schaltbilddarstellung einer Sensoranordnung an einer Schiene zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades;
[0018] Figur 3 Spannungsverlauf während dem Vorbeirollen eines Rades an der Sensoranordnung;
[0019] Figur 4 Schnittdarstellung des konstruktiven
Aufbaus an der Schiene;
[0020] Figur 5 Schnittdarstellung des konstruktiven
Aufbaus an der Schiene mit vorbeirollendem Rad. [0021] FIG 1 zeigt eine funktionale Darstellung einer
Sensoranordnung 20 an einer Schiene 1 zur Erzeugung eines Anwesenheitskriteriums eines vorbeirollenden Rades mit zwei Kondensatoren Cl und C2. Die Platten 10 und das Dielektrikum 11 zum Kondensator C2 sind funktional und nicht konstruktiv zu verstehen. Der Kondensator Cl 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) .
[0022] 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.
[ 0023 ] 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:
Qtotai = Ul · Cl + U2 · C2.
Ul, U2 steht je für die Spannung über den Kondensatoren Cl bzw. C2, In diesem Zustand sind die Spannungen Ul und U2 gleich der Spannung der Spannungsquelle 15.
[ 0024 ] Bei der Befahrung durch ein Rad mit Spurkranz erfährt der Kondensator Cl 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 Qtotai jedoch gleich bleibt, nimmt die Kondensatorspannung
Ul = Ul (t)
ab. Aufgrund des Kirchhoff ' sehen Gesetzes
Ul (t) + U2 (t) = 0
muss nun die Spannung U2 zunehmen, anders ausgedrückt: Die Spannungsänderung am ersten Kondensator Cl 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 At ange ¬ nommen. Diese Zeit At ist selbstverständlich abhängig von der Geschwindigkeit v eines darüberfahrenden Zuges. Rein bei ¬ spielhaft wird folgende Grössenordnung At zu angegeben:
Geschwindigkeit v eines Zuges
v = 150 km/h = 41,7 m/s; Länge s der Platte 12 längs einer Schiene 1
s = Im;
Dauer At = s/v = Im / 41,7m/s = 24ms.
[ 0025 ] Da das Überfahren eines solchen kapazitiven Rad- sensors 20 von einer Auswerteschaltung erkannt wird, können die beiden Kondensatoren Cl, C2 in diesem Takt periodisch aufgeladen werden.
[ 0026 ] Alternativ zu einer DC-Spannungsquelle können die beiden Kondensatoren Cl, 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 kapazi- tiven Radsensors 20 erforderlich ist.
[ 0027 ] Der Kondensator Cl 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 Cl wird durch die Schiene 1 gebildet. [ 0028 ] Eine bevorzugte Aus führungs form 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 Cl 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 Cl, 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.
[ 0029 ] Der in der FIG 5 gezeigte Spurkranz mit Spurkranzkuppe 5 und Spurkranzflanke 6 ist rein beispielhaft darge- stellt. So braucht die Spurkranzflanke 6 nicht plan zu sein, sondern kann auch gewölbt ausgebildet sein.
[0030] 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) .
[0031] Werden solche Radsensoren 20 mit einer Länge in der Grössenordnung der Abroll-Länge eines Eisenbahnrades ange ¬ legt, erlaubt ein solcher kapazitiver Radsensor 20 auch das Aufdecken eines Flachläufers, da beim Abrollen um die
Flachstelle die Kapazität des Kondensators Cl dadurch ändert und sich in einem anderem Spannungsverlauf U2 (t) über die Zeitspanne At 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
Cl 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
PI, P2 Potentialpunkte
Q Ladung in [As] oder in [C]
Ul, U2 Spannung über dem Kondensator Cl 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 AI
«Radsensor»
Siemens Aktiengesellschaft
DE - 80333 München
[3] US 3,086,109
Train wheel proximity detector
Charles G. Kaenms, 65 Market St., San Francisco 5, Calif .
Filed Jan 18, 1960, Ser. No . 3,177