Einrichtung und Verfahren zum Detektieren eines sich entlang einer Fahrschiene bewegenden Rades

Gleisfreimeldeeirichtungen mit unterschiedlichen Verfahren zum Detektieren eines sich entlang einer Fahrschiene bewegen den Rades sind im Eisenbahnverkehr seit vielen Jahren be kannt. Beispielsweise werden hierfür sogenannte Achszähler oder Gleichstromkreise eingesetzt, die ein auf der Fahrschie ne vorbeibewegendes Rad detektieren und an eine Kontrollein richtung melden. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren auch Gleisfreimeldeeinrichtungen bekannt, die einen vorbei fahrenden Zug mittels Fiber Sensing (auch Fiber Optic Sensing genannt) ermitteln. Hierbei wird eine Veränderung eines Lichtsignals in einem Lichtwellenleiter durch den vorbeifah renden Zug erkannt und an die Kontrolleinrichtung übermit telt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Einrichtung und Verfahren zum Detektieren eines sich entlang einer Fahrschiene bewegenden Rades bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrich tung zum Detektieren eines sich entlang einer Fahrschiene be wegenden Rades, mit wenigstens einem Permanentmagneten, der so im Bereich der Fahrschiene anbringbar ist, dass sich der Permanentmagnet durch die Vorbeibewegung des Rades mechanisch verändert und mit wenigstens einer Sensoreinrichtung, die zum Ermitteln der mechanischen Veränderung des Permanentmagneten ausgebildet ist.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum De tektieren eines sich entlang einer Fahrschiene bewegenden Ra des, bei dem eine durch die Vorbeibewegung des Rades hervor gerufene mechanische Veränderung wenigstens eines im Bereich der Fahrschiene angebrachten Permanentmagneten ermittelt wird . Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass mit der me chanischen Veränderung des Permanentmagneten ein physikali scher Effekt ausgenutzt wird, der relativ störungsunempfind lich ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Perma nentmagnet oder Dauermagnet so im Bereich der Fahrschiene an gebracht, dass der Permanentmagnet durch die Vorbeibewegung des Rades des Schienenfahrzeugs mechanisch verändert wird.

Das Rad des Schienenfahrzeugs besteht aus einem magnetisier baren Metall, beispielsweise Stahl, und tritt beim Vorbeifah ren in das Magnetfeld des Permanentmagneten ein. Dadurch ent steht eine Wechselwirkung, weil das magnetische Feld des Per manentmagneten Kräfte auf das im Magnetfeld befindliche Rad ausübt. Diese Kräfte bewirken eine mechanische Verformung des Permanentmagneten. Diese Verformung wird erfindungsgemäß durch die Sensoreinrichtung erfasst. Dabei ist die Sensorein richtung so mit dem Permanentmagneten verbunden bzw. in des sen Nähe angeordnet, dass die mechanische Veränderung des Permanentmagneten ermittelt werden kann. Die zu erfassende Verformung des Permanentmagneten liegt dabei beispielsweise im Bereich von etwa 10 bis 100 pm. Die Sensoreinrichtung kann hierbei die mechanische Veränderung des Permanentmagneten auf unterschiedliche Weise ermitteln, wie beispielsweise optisch, mechanisch oder elektrisch. Die Sensoreinrichtung kann bei spielsweise einen optischen Sensor, wie z.B. ein Faser-Bragg- Gitter, oder einen elektrisch-mechanischen Sensor, wie einem Dehnungsmessstreifens, aufweisen, wie im Folgenden noch ge nauer beschrieben ist.

Als optischer Sensor könnte beispielsweise ein Faser-Bragg- Gitter dienen, welches die mechanische Verformung des Perma nentmagneten durch das vorbeifahrende Rad registriert. Ein Dehnungsmessstreifen, der beispielsweise auf den Permanent magneten aufgeklebt ist, kann ebenfalls die mechanische Ver formung des Permanentmagneten registrieren und in ein elekt risches Signal umwandeln. Die erfindungsgemäße Lösung kann durch vorteilhafte Ausge staltung weiterentwickelt werden, die im Folgenden beschrie ben sind.

So kann die Sensoreinrichtung wenigstens einen Bragg-Spiegel oder wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter umfassen. Dies hat den Vorteil, dass ein Bragg-Spiegel oder Faser-Bragg-Gitter keine Stromversorgung benötigt und somit keine elektrische Energie zur Sensoreinrichtung geliefert werden muss. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile, weil beispielsweise keine Kupferlei tungen streckenseitig installiert werden müssen, die kosten intensiv sind. Die Sensoreinrichtung mit dem Bragg-Spiegel wird so mit dem Permanentmagneten verbunden, dass auch der Bragg-Spiegel mechanisch verändert wird. Durch diese mechani sche Veränderung des Bragg-Spiegels ändert sich die Reflexi onsfrequenz, bei der Licht reflektiert wird. Diese Änderung kann wiederum spektrometrisch ausgewertet werden.

Weiterhin kann die Sensoreinrichtung wenigstens ein zur Lei tung von Licht geeignetes Faserelement umfassen, das mit dem Bragg-Spiegel oder Faser-Bragg-Gitter verbunden ist. Solche Faserelemente, die beispielsweise auch als Lichtwellenleiter bezeichnet werden, sind kostengünstig verfügbar, leicht zu installieren und übermitteln Signale zuverlässig auch über weite Distanzen an eine Kontrolleinrichtung.

Als Bragg Spiegel wird hier ein effizienter Reflektor ver standen, der in Lichtleitern eingesetzt wird (Distributed Bragg Reflector) . Der in einem Faserelement bzw. Lichtwellen leiter integrierte Bragg-Spiegel wird als Faser-Bragg-Gitter bezeichnet. Es wird im Folgenden kein Unterschied zwischen Bragg Spiegel und Faser-Bragg-Gitter gemacht.

Um eine möglichst gute Übertragung der mechanischen Verände rung des Permanentmagneten auf die Sensoreinrichtung zu er reichen, kann die Sensoreinrichtung mit dem Permanentmagneten stoffschlüssig verbunden sein. Insbesondere kann die Sen soreinrichtung und hier insbesondere das Faser-Bragg-Gitter oder der Bragg-Spiegel auf den Permanentmagneten geklebt wer den. Insbesondere von Vorteil ist hier ein dauerelastischer Klebstoff, der die mechanische Verformung des Permanentmagne ten durch das sich vorbeibewegende Rad nicht behindert. Fa- ser-Bragg-Gitter und Permanentmagnet können alternativ auch in Kunstharz gegossen sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Permanentmagnet eine durch das vorbeifahrende Rad bedingte Dilatation aufwei sen, die größer als eine Messunsicherheit der Sensoreinrich tung ist. Dies hat den Vorteil, dass das vorbeifahrende Rad eine ausreichende Dilatation, also eine ausreichende Ausdeh nung, durch die Magnetkraft aufweist, die von der Sensorein richtung sicher erkannt werden kann. Die Dilatation kann eine Stauchung oder eine Dehnung bedeuten.

Um den Einfluss des vorbeifahrenden Rades möglichst gut er fassen zu können, kann die Sensoreinrichtung relativ zum Per manentmagneten anhand der magnetischen Polarisationsachse des Permanentmagneten ausgerichtet sein. Beispielsweise bei dem Bragg-Spiegel ist eine Ausrichtung von ±45° von der Längs richtung des Bragg-Spiegels zu der Polarisationsachse des Permanentmagneten von Vorteil. Um beispielsweise eine Stau chung des Permanentmagneten zuverlässig zu registrieren, muss ein Bragg-Spiegel oder auch ein Dehnungsmessstreifen richtig ausgerichtet angebracht sein.

Um die Verformung des Permanentmagneten durch einen Bragg- Spiegel oder einen Faser-Bragg-Gitter einfach zu ermitteln, kann die Sensoreinrichtung wenigstens eine Breitbandlicht quelle aufweisen. Mittels der Breitbandlichtquelle wird Licht in das Faserelement eingespeist, das mit dem Bragg-Spiegel am Permanentmagneten verbunden ist. Die Sensoreinrichtung kann ferner wenigstens einen Tiefpassfilter aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass durch den Tiefpassfilter Signale aus elekt romagnetischen Störungen herausgefiltert werden können, die einen potentiellen Einfluss auf das Signal haben können, das vom Bragg-Spiegel bzw. Faser-Bragg-Gitter kommt. Die Sensoreinrichtung kann zur Ausgabe oder Veränderung we nigstens eines Radsignals ausgebildet sein. Dies hat den Vor teil, dass ein von der Sensoreinrichtung ausgegebenes Radsig nal in beliebiger Weise weiterverarbeitet werden kann und in gleicher Weise wie beispielsweise das Signal eines Achszäh lers oder Gleichstromkreises verarbeitet werden kann.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine eisenbahntechnische An lage mit wenigstens einer Fahrschiene und wenigstens einem Schienenfahrzeug, dessen Räder sich während der Fahrt entlang der Fahrschiene bewegen, wobei die eisenbahntechnische Anlage wenigstens eine Einrichtung zum Detektieren eines sich ent lang einer Fahrschiene bewegenden Rades nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen umfasst.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der eisenbahntechnischen Anlage kann die Einrichtung anhand der magnetischen Polarisa tionsachse des Permanentmagneten zur Fahrschiene ausgerichtet sein. Dies hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit von der Aus richtung des Permanentmagneten zur Fahrschiene der Einfluss des vorbeifahrenden Rades des Schienenfahrzeugs maximiert werden kann und dadurch die Vorbeifahrt des Rades möglichst gut und sicher erkannt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die mechanische Veränderung des Permanentmag neten mittels eines Bragg-Spiegels oder Faser-Bragg-Gitters ermittelt werden. Dies hat die oben bereits beschriebenen Vorteile, dass beispielsweise keine elektrische Energie stre ckenseitig benötigt wird und auch keine Kupferkabel verlegt werden müssen.

Um die Auswirkung des vorbeifahrenden Rades auf den Perma nentmagneten möglichst gut erfassen zu können, kann die me chanische Veränderung des Permanentmagneten auf eine verbun dene Sensoreinrichtung übertragen werden. Um die Vorteile von Fiber Optic Sensing ausnutzen zu können, kann die mechanische Veränderung des Permanentmagneten durch eine Veränderung eines Lichtsignals in einem Faserelement re gistriert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch die ermittelte Veränderung des Perma nentmagneten bedingt wenigstens ein Radsignal ausgegeben oder verändert werden. Dies hat den Vorteil, dass das erkannte Rad in üblicher Weise in einer eisenbahntechnischen Anlage wei terverarbeitet werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaf- ten Aus führungs form einer erfindungsgemäßen ei senbahntechnischen Anlage mit einer erfindungsge mäßen Einrichtung;

Fig . 2 eine schematische Darstellung der beispielhaften

Aus führungs form der erfindungsgemäßen Einrichtung aus Fig. 1;

Fig . 3 eine schematische Darstellung einer weiteren bei spielhaften Aus führungs form einer erfindungsgemä ßen Einrichtung;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der beispielhaf ten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Ein richtung aus Fig. 2;

Fig . 5 eine schematische Darstellung der beispielhaften

Aus führungs form der erfindungsgemäßen Einrichtung aus Fig. 2; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer beispielhaf ten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ein richtung an einer Fahrschiene; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer beispielhaf ten Anordnung einer erfindungsgemäßen Einrichtung an einer Fahrschiene.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen eisenbahntechnischen Anlage 1 mit einem aus Fahrschienen 2 gebildeten Streckennetz und mit Schienenfahr zeugen 3, die sich in dem Streckennetz bewegen. Dabei bewegen sich Räder 4 der Schienenfahrzeuge 3 in bekannter Weise ent lang der Fahrschienen 2. Die eisenbahntechnische Anlage 1 um fasst weiterhin wenigstens eine Gleisfreimeldeeinrichtung, die eine Einrichtung 5 zum Detektieren eines sich entlang ei ner Fahrschiene 2 bewegenden Rades 4 aufweist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung 5 in der in Fig. 1 darge stellten beispielhaften Ausführungsform umfasst einen Perma nentmagneten 6 und eine Sensoreinrichtung 7. Die Sensorein richtung 7 umfasst wenigstens ein optisches Faserelement 8 mit einem integrierten Bragg-Spiegel 9 an einem Ende des Fa serelements 8. Die Sensoreinrichtung 7 umfasst weiterhin we nigstens eine Breitbandlichtquelle 10, beispielsweise in Form eines Lasers, eine spektrometrische Auswerteeinrichtung 11 und ein Tiefpassfilter 12.

Wie z. B. in Fig. 2 erkennbar, ist der Bragg-Spiegel 9, der im Faserelement 8 integriert ist und somit als Faser-Bragg- Gitter bezeichnet werden kann, stoffschlüssig mit dem Perma nentmagneten 6 verbunden. Bei der beispielhaften Ausführungs form in den Figuren 1 und 2 ist das Faser-Bragg-Gitter mit tels eines dauerelastischen Klebstoffes auf den Permanentmag neten 6 aufgeklebt. Alternativ könnten das Faser-Bragg-Gitter und der Permanentmagnet 6 auch in Kunstharz gegossen sein. Im Betrieb wird durch die Breitbandlichtquelle 10 breitbandi ges Licht in das Faserelement 8 über einen halbdurchlässigen Spiegel 13 in das Faserelement 8 eingeleitet. Das Licht wird durch das Faserelement 8 bis zum Bragg-Spiegel 9 geleitet und reflektiert. Das zurückgeworfene Licht wird von der spektro- metrischen Auswerteeinrichtung 11 analysiert und in ein Mess signal 14 umgewandelt, das vom Tiefpassfilter 12 gefiltert wird .

Wenn sich im Betrieb das Rad 4 des Schienenfahrzeugs 3 in ei ner Fahrtrichtung 15 entlang der Fahrschiene 2 oberhalb vom Permanentmagneten 6 vorbeibewegt, bewegt sich das Rad 4 durch ein Magnetfeld 16 des Permanentmagneten 6. Das Rad 4 des Schienenfahrzeugs 3 ist aus magnetisierbarem Metall, insbe sondere aus Stahl, hergestellt und stellt daher einen magne tisierbaren Körper dar, der Einfluss auf ein Magnetfeld hat. Somit wird das Rad 4 vom Permanentmagneten 6 angezogen bzw. abgestoßen. Da der Permanentmagnet 6 allerdings fest zur Fahrschiene 2 angeordnet ist und somit keine größere Relativ bewegung zwischen Rad 4 und Permanentmagnet 6 stattfinden kann, wird der Permanentmagnet 6 lediglich mechanisch ver formt. Diese mechanische Verformung drückt sich beispielswei se durch eine Dehnung oder Stauchung des Permanentmagneten 6 aus. Der Permanentmagnet 6 könnte auch durch den Einfluss des Rades 4 gebogen werden.

Die mechanische Veränderung des Permanentmagneten 6 ist daher ein Indiz für das sich vorbeibewegende Rad 4 des Schienen fahrzeugs 3. Dieses Phänomen macht sich die Erfindung zunut ze, indem die Veränderung erfasst wird. Der stoffschlüssig auf dem Permanentmagneten 6 angeordnete Bragg-Spiegel 9 wird durch die mechanische Verformung des Permanentmagneten 6 ebenfalls mechanisch verformt. Diese Verformung des Bragg- Spiegels 9 bedingt durch den gekoppelten Permanentmagneten 6 bedingt eine Veränderung des breitbandigen Lichts, das in dem Faserelement 8 zurückgeworfen wird. Daher ist die Vorbeibewe gung des Rades 4 anhand einer Veränderung des Lichts in dem Faserelement 8 registrierbar. Das Messsignal 14, das hinter dem Tiefpassfilter 12 ausgege ben wird, wird an eine weitere Auswerteeinrichtung 17 gege ben. Diese Auswerteeinrichtung 17 ermittelt, ob das Messsig nal 14 für ein vorbeifahrendes Rad repräsentativ ist und gibt gegebenenfalls ein Radsignal 18 an eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung der eisenbahntechnischen Anlage 1 aus.

Der Permanentmagnet 6 ist bei der erfindungsgemäßen Einrich tung 5 so gewählt, dass eine sogenannte Dilatation, also eine Ausdehnung des Permanentmagneten 6 durch die magnetischen Kräfte, so groß ist, dass sie von der Sensoreinrichtung 7 si cher erkannt werden kann. Dadurch werden Fehlmessungen ver mieden und ein vorbeifahrendes Rad 4 kann eindeutig erkannt werden .

Fig. 5 zeigt den Permanentmagneten 6 aus Fig. 2 vergrößert. Dabei ist zu erkennen, dass die magnetische Polarisationsach se 19, S/N, N/S des Permanentmagneten 6 in einer Längsrich tung des Faserelements 8 bzw. des Faser-Bragg-Gitters ausge richtet ist. So ist sichergestellt, dass die mechanische Ver änderung des Permanentmagneten 6 bedingt durch das hier vor beifahrende Rad 4 von dem Bragg-Spiegel 9 erfasst werden kön nen. Dabei scheint eine Anordnung der Längsrichtung des Fa serelements 8 in einem Winkel von ±45° zur magnetischen Pola risationsachse 19 des Permanentmagneten 6 praktikabel zu sein .

Figuren 6 und 7 zeigen unterschiedliche Anordnungen des Per manentmagneten 6 relativ zur Fahrschiene 2. Bei der Ausrich tung in Fig. 6 wird der Permanentmagnet 6 durch das Rad 4 in maximaler Weise gestaucht. Bei der Anordnung in Fig. 7 dage gen wird durch das Rad 4 so gut wie keine Kompression des Permanentmagneten 6 erreicht. Die Anordnung in Fig. 7 ist demnach besonders nachteilig, weil hierdurch das Rad 4 beson ders schlecht detektiert werden kann. Dagegen ist die Anord nung in Fig. 6 vorteilhaft, weil eine maximale mechanische Veränderung des Permanentmagneten 6 durch das Rad 4 stattfin det und so eine besonders gute Detektierung gegeben ist.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungs gemäßen Einrichtung 5. Der Einfachheit halber wird lediglich auf die Unterschiede zu der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 eingegangen. Die Ausführungsform in Fig. 3 weist zwei Per manentmagneten 6 auf. Auf jedem Permanentmagneten 6 ist ein Bragg-Spiegel 9 angeordnet, der jeweils in das gleiche Fa serelement 8 integriert ist. Durch die Anordnung von zwei Permanentmagneten 6 und der Erfassung deren mechanischer Ver änderung durch die Bragg-Spiegel 9 ist eine Detektion der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs 3 möglich. Durch das vor beifahrende Rad 4 in der Fahrtrichtung 15 wird zunächst der auf der linken Seite angeordnete Permanentmagnet 6 und an schließend der auf der rechten Seite angeordnete Permanent magnet 6 mechanisch verändert. Diese zeitlich hintereinander liegende Veränderung der beiden Permanentmagneten 6 ist in dem Messignal 15 ablesbar, so dass eine Fahrtrichtungsermitt lung möglich ist. Bei bekannten Achszähleinrichtungen wird die Fahrtrichtungsermittlung in vergleichbarer Weise durch zwei hintereinander angeordnete Sensoren durchgeführt.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung in Fig. 2. Da bei ist erkennbar, dass der Permanentmagnet 6 zwar im Bereich der Fahrschiene 2 angeordnet ist, damit das Rad 4 bei Über fahrt ins Magnetfeld gerät. Jedoch ist der Permanentmagnet 6 von der Fahrschiene 2 mechanisch entkoppelt oder getrennt an geordnet. Es wird deutlich, dass erfindungsgemäß keine durch das Gewicht des Schienenfahrzeugs 6 bedingte mechanische Ver formung der Fahrschiene 2 gemessen wird, sondern ausschließ lich die durch das ins Magnetfeld eingetretene Rad 4 bedingte mechanische Verformung des Permanentmagneten 6.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Faserelementen 8 mit Bragg-Spiegel 9 und Permanentmagneten 6 ist keine elekt rische Energie im Bereich der Fahrschiene 2 nötig. Dies ist vorteilhaft, weil somit keine Kupferkabel zur Weiterleitung von elektrischer Energie oder von elektrischen Signalen nötig sind. Weiterhin kommen die bekannten Vorteile von Faserele menten 8 zum Tragen, die beispielsweise elektromagnetisch un empfindlich sind.