[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erfassen der räumlichen Orientierung
von unzulässig erwärmten Stellen von Radlagern und/oder Radlaufflächen von Schienenfahrzeugen,
wobei in einen Strahlengang von der Meßstelle zu einem Wärmestrahlungsfühler eine
in ihrer Neigung periodisch veränderliche Ablenkeinrichtung, insbesondere ein Spiegel
oder ein rotierendes spiegelndes Polygon, angeordnet ist.
[0002] Es sind bereits eine Reihe von Einrichtungen zur Erfassung bzw. Ortung des Heißlaufes
von Radlagern bekannt, welche im Gleisbereich angeordnet wurden. Eine derartige Einrichtung
kann beispielsweise der DE-OS 29 07 945 entnommen werden. Als Wärmestrahlungsfühler
werden in derartigen Einrichtungen gekühlte Detektoren eingesetzt.
[0003] Neben den als Detektor üblicherweise verwendeten thermischen Detektoren (z.B.Bolometern)
gibt es eine Gruppe von rasch ansprechenden Wärmestrahlungsfühlern, wie beispielsweise
HgCd : HgTe, InSb, PbSe oder Kombinationen derartiger Halbleiter. Derartige Halbleiter-Detektoren
sprechen durch thermische Anregung freier Ladungsträger auf Änderungen an und vermögen
Strahlung hoher Impulsfolge aufzulösen, sind jedoch für die kontinuierliche Erfassung
eines bestimmten Temperaturniveaus ohne zusätzliche Einrichtungen, wie beispielsweise
Modulatoren oder Ablenkeinrichtungen, welche den einfallenden Strahl zyklisch unterbrechen,
oder auf andere Temperaturniveaus lenken, nicht geeignet.
[0004] Derartige Einrichtungen werden üblicherweise im Gleisbereich angeordnet und der Meßstrahl
gelangt entweder vertikal oder unter einer von der Vertikalen abweichenden Richtung
durch ein Fenster der Einrichtung und entsprechende Umlenkeinrichtungen auf den im
allgemeinen gekühlten Detektor.
[0005] Zur besseren Kalibrierung derartiger Einrichtungen wurde bereits vorgeschlagen, das
jeweilige Signal der unbekannten Quelle mit einer Referenzquelle zu vergleichen. So
ist beispielsweise der DE-OS 23 43 904 eine Ausbildung einer eingangs genannten Einrichtung
zu entnehmen, bei welcher in einem schwenkbaren Deckel eine Referenzquelle untergebracht
war, welche nach dem Durchlauf sämtlicher Räder in den Strahlengang eingeschwenkt
werden konnte und auf diese Weise ein zusätzliches Referenzsignal dem Detektor zur
Verfügung stellte. Der Normstrahler befand sich bei dieser bekannten Einrichtung in
der Wartestellung der Anlage im Strahlengang, wohingegen während der Meßzeit die Signale
des Normstrahlers nicht berücksichtigt werden konnten, da der Deckel, welcher den
Normstrahler trug, für die Messung zur Seite geschwenkt werden mußte.
[0006] Aus der US-PS 2 978 859 ist es bereits bekannt geworden, eine Normstrahlung intermittierend
mit der Strahlung einer unbekannten Quelle einem Detektor zur Verfügung zu stellen.
Bei dieser bekannten Einrichtung ist ein rotierender scheibenförmiger Modulator vorgesehen,
dessen Rotationsachse zur Strahlenachse eines unbekannten Strahlers und zur Strahlenachse
eines Normstrahlers geneigt angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung kann bei
Verwendung einer Schlitzscheibe immer dann, wenn der Schlitz den Strahlengang zur
Meßstelle freigibt, die Temperatur der Meßstelle erfaßt werden und immer dann, wenn
ein Flügel der Modulatorscheibe diesen Strahlengang abdeckt, durch Reflexion eine
Normstrahlungsquelle auf den Detektor geleitet werden.
[0007] Die bekannten Einrichtungen haben in jedem Fall aber immer nur einen bestimmten Meßpunkt
erfaßt und es konnte ein Temperaturprofil über eine Vorzugsrichtung der Meßstrecke
in keiner Weise gemessen werden.
[0008] Die Erfindung zielt nun darauf ab, neben der Information über die unzulässige Erwärmung
von Meßstellen von Radlagern und/oder Radlaufflächen auch eine Aussage über die örtliche
Lage des Temperaturmaximums zu treffen und eine besonders einfache Einrichtung zu
schaffen, mit welcher die Verarbeitung geräteinterner Temperaturreferenzsignale ermöglicht
wird. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung ausgehend von einer eingangs
genannten Einrichtung im wesentlichen darin, daß ein Autokollimationsspiegelelement
vorgesehen ist, dessen Spiegelfläche dem vom Wärmestrahlungsfühler kommenden Strahlengang
zugewendet ist und in wenigstens einer periodisch wiederkehrenden Stellung der periodisch
veränderlichen Ablenkeinrichtung die vom Wärmestrahlungsfühler ankommende Strahlen
im wesentlichen in sich zurückwirft. Dadurch, daß ein Autokollimationsspiegelement
periodisch wiederkehrend im vom Wärmestrahlungsfühler kommenden Strahlengang vorgesehen
ist und eine Selbstabbildung des Wärmestrahlungsfühlers ergibt, wird ein deutlich
vom Meßwert verschiedenes Referenzsignal periodisch auf den Wärmestrahlungsfühler
reflektiert, welches die Temperatur des gekühlten Detektors darstellt, wodurch einerseits
eine selbstätige Kalbrierung als auch eine Herabsetzung des Untergrundrauschens und
somit eine präzisiere Signalauswertung ermöglicht werden. Durch die in ihrer Neigung
periodisch veränderliche Ablenkeinrichtung, insbesondere Spiegel, kann der Sehkegel
über die Meßstelle bewegt werden und auf diese Weise die Meßstelle längs einer Vorzugsrichtung
abtasten und eine Mehrzahl von konsekutiven Meßwerten bei Echtzeitmessungen berücksichtigen.
Es läßt sich auf diese Weise unmittelbar ein mit Hilfe des periodisch gemessenen Refernzsignals
korrigiertes Temperaturprofil erstellen und es kann mit einer derartigen Einrichtung
auch der durch den Sinuslauf der Räder im Fall der Anmessung von Radlagern mögliche
Fehler eliminiert werden.
[0009] In besonders einfacher Weise kann hiebei die periodisch veränderliche Ablenkeinrichtung
als Schwingspiegel ausgebildet sein und um eine zur Spiegelebene parallele und/oder
in der Spiegelebene liegende Achse schwenkbar sein. Ein derartiger Schwingspiegel
kann zur Erzielung einer an die Fahrzeuggeschwindigkeit angepaßten Abtastgeschwindigkeit
mit Frequenzen von einigen kHz erregt werden, um auf diese Weise eine Abtastfrequenz
zu ergeben, welche in der relativ kurzen, für die Messung eines Lagers zur Verfügung
stehenden Zeit, tatsächlich ein Lager an mehreren Stellen erfassen kann. An die nachgeschaltete
Auswerteelektronik bzw. Verstärkerschaltung ist hiebei lediglich die Anforderung
zu stellen, daß die elektronische Bandbreite so gestaltet wird, daß selbst bei nur
einem Schwingungszug die Anstiegszeit des Verstärkers zur Auswertung der vollen Amplitude
ausreicht. Es sind somit relativ breitbandige Verstärker zu verwenden.
[0010] Anstelle eines schwingenden Abtastspiegels, welcher den Sehkegel zeilenförmig über
das abzutastende Objekt bewegt, kann alternativ die Ausbildung so getroffen sein,
daß der Spiegel der periodisch veränderlichen Ablenkeinrichtung von geneigten Flächen
einer rotierenden Scheibe gebildet ist, deren Neigung in Umfangsrichtung der Scheibe
zur Rotationsebene periodisch verschieden ist und daß das Autokollimationsspiegelelement
am Umfang der Scheibe angeordnet ist.Mit einer derartigen Einrichtung lassen sich
auf besonders einfache Weise inkrementelle Veränderungen der Neigung der Spiegelebene
mit hoher Frequenz realisieren, wobei eine kontinuierliche Veränderung dann möglich
wäre, wenn die Neigung der spiegelnden Umfangsfläche zur Rotationsebene kontinuierlich
geändert wird. Wesentlich einfacher ist jedoch die Änderung der Neigung in Inkrementen
durch Nebeneinanderreihen von verschieden geneigten Flächen, wodurch ein bestimmter
Abtastraster vorgegeben werden kann und die Meßgenauigkeit erhöht werden kann.
[0011] In einfacher Weise wird erfindungsgemäß die Anordnung bei einem derartigen Schwingspiegel
oder einem derartigen rotierenden Spiegel mit in Umfangsrichtung sich ändernder Neigung
so getroffen, daß an den Umkehrpunkten der Bewegung der vom Spiegel reflektierten
Strahlen dem Wärmestrahlungsfühler zugewandte feststehende Autokollimationsspiegelflächen
angeordnet sind. Derartige an den Umkehrpunkten der Bewegung des Abtaststrahles angeordnete
Autokollimationsspiegelflächen reflektieren hiebei in konstruktiv besonders einfacher
Weise die Temperatur des gekühlten Detektors auf den Detektor zurück, so daß auf diese
Weise ein deutlich vom Meßwert verschiedenes Referenzsignal erzielt werden kann, welches
auch zur Herabsetzung des Untergrundrauschens in besonders vorteilhafter Weise herangezogen
werden kann. Die Ausbildung kann hiebei so getroffen sein, daß die feststehenden Autokollimationsspiegelflächen
in einem Abstand von der Abbildungsoptik angeordnet sind, welcher der Brechkraft
der Abbildungsoptik entspricht, wodurch sichergestellt wird, daß ein präziser Referenzwert
für die Temperatur, auf welcher sich der Detektor selbst befindet, generiert wird.
[0012] In besonders einfacher Weise kann eine derartige Autokollimation zum Zwecke der
Kalibrierung der Vorrichtung so ausgebildet sein, daß die feststehende(n) Autokollimationsspiegelfläche(n)
sich an den Rändern einer in der Bildebene angeordneten Feldlinse befinden und mit
einem entsprechenden Radius zur Autokollimation gewölbt ausgebildet sind. Um den nötigen
Platz für die Unterbringung rotierender oder schwingender Spiegel innerhalb der Optik
sicherzustellen, können afokale Systeme zwischengeschaltet werden, welche im Bereich
der Spiegelflächen einen parallelen Strahlengang mit reduziertem Bündelquerschnitt
ergeben.
[0013] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In dieser zeigen Fig.1 eine erste schematisch dargestellte Anordnung
des Strahlenganges mit einem Schwingspiegel und Autokollimation durch verspiegelte
Flächen einer Feldlinse, Fig.2 eine abgewandelte Ausbildung mit planaren Autokollimationsspiegeln,
Fig.3 einen rotierenden Spiegel als Ersatz für den Schwingspiegel nach den Fig.2 und
3 im Axialschnitt, Fig.4 eine Ansicht auf einen rotierenden Spiegel nach Fig.3 in
Achsrichtung und die Fig.5, 6 und 7 Schnitte nach den Linien V-V, VI-VI und VII-VII
der Fig.4.
[0014] Bei der Ausbildung nach Fig.1 tritt der Meßstrahl 1 über ein fokussierendes optisches
Element 2 auf einen Umlenkspiegel 3 und gelangt in der Folge unter Zwischenschaltung
einer Bildfeldlinse 4 auf einen Schwingspiegel 5, welcher das an der Bildfeldlinie
4 abgetastete Bild über eine Infrarotoptik 6 einem Detektor bzw. Wärmestrahlungsfühler
7 zuleitet. Der Schwingspiegel 5 schwingt hiebei in Richtung des Doppelpfeiles 8
und kann zur Ausübung dieser Schwingung piezoelektrisch über Schwingquarze oder elektromagnetisch
erregt sein.
[0015] Die Feldlinse 4 weist einen Krümmungsradius an ihrer dem Spiegel zugewandten Seite
auf, welcher der Brechkraft der Sammellinse(n) der Infrarotoptik 6 entspricht. Durch
die Schwenkbewegung des Spiegels 5 wird nun einesteils ein entsprechend dem Doppelpfeil
9 überstrichener Sehbereich erfaßt und andererseits gelangt die durch die Sammellinse
der Infrarotoptik 6 entworfenen Abbildung des Detektors 7 bei entsprechend weiter
Auslenkung auf im Randbereich der Sammellinse vorgesehene verspiegelte Bereiche 10.
In diesen Randbereichen wird das Bild des Detektors 7 reflektiert und in diesen Randbereichen
wird somit ein Referenzsignal für die Temperatur des Detektorelementes 7, welches
in einfacher Weise thermoelektrisch gekühlt sein kann, zur Verfügung gestellt. Die
Autokollimation wird hiebei durch die reflektierend bedampften Bereiche der Feldlinse
4, welche mit 10 bezeichnet sind, erzielt. Da kleine Abbildungen auf Linsenflächen
wegen möglicher Inhomogenitäten bekanntermaßen kritisch sind, kann die Linse auch
etwas außerhalb des Fotos angeordnet sein. Im vorliegenden Fall kann jedoch durch
den abgelenkten Strahl auch bei Inhomogenitäten lediglich eine geringe zusätzliche
Modulation auftreten, die für die Referenzbildung unwesentlich ist.
[0016] Bei der Ausführung nach Fig.2 ist zwischen der eingangsseitigen Optik 2 und der
Infrarotoptik 6 vor dem Detektor 7 ein afokales System, bestehend aus einer Zerstreuungslinse
11 und einer Sammellinse 12 vorgesehen, deren Brechkräfte einander aufheben, so daß
eine Verlagerung des Brennpunktes vom Objektiv erfolgt. Diese Verlagerung ermöglicht
es, die optische Anordnung in die Länge zu ziehen und schafft den erforderlichen Raum
für die Anbringung eines Schwingspiegels 5. Der Umlenkspiegel ist hiebei wiederum
mit 3 bezeichnet. Da im Bereich zwischen der Zerstreuungslinse 11 und der Sammellinse
12 der Strahlengang parallel mit reduziertem Bündelquerschnitt verläuft, kann ein
Autokollimationsspiegel mit planer Oberfläche außerhalb der Zerstreuungslinse 11 angeordnet
werden. Dieser Autokollimationsspiegel mit planer Oberfläche ist mit 13 bezeichnet.
Durch Schwingbewegung des Spiegels 5 im Sinne des Doppelpfeiles 8 wird wiederum die
Sehfeldverbreiterung im Sinne des Doppelpfeiles 9 verwirklicht.
[0017] Anstelle des Schwingspiegels 5 in der Ausbildung nach den Fig.1 und 2 kann auch eine
rotierende Scheibe, entsprechend Fig.3, eingesetzt werden, welchen an ihrem Außenumfang
geneigte Spiegelflächen 14 trägt. Die rotierende Scheibe ist mit 15 bezeichnet und
kann im Sinne des Pfeiles 16 um die mit 17 bezeichnete Rotationsachse in Rotation
versetzt werden. Bei der Darstellung nach Fig.3 ist eine Lichtschranke 23 vorgesehen,
welche Synchronisierungssignale an die nachfolgende Auswerteelektronik zur Verfügung
stellen kann.
[0018] Die in Fig.3 mit 19 angedeutete Spiegelfläche verläuft dabei in der Rotationsebene
22 der Scheibe 15, wie dies in Fig.5 im Detail dargestellt ist und dient als Autokollimationsspiegelfläche
der Scheibe 15, welche periodisch bei Rotation der Scheibe 15 in den vom Wärmestrahlungsfühler
7 kommenden Strahlengang eintritt und eine periodische Selbstabbildung des Detektors
7 zur Erzeugung eines periodischen Referenzsignales ergibt.
[0019] Die Ausbildung des Außenumfanges der rotierenden Scheibe ist in den Fig.4 bis 7 detailliert
dargestellt. Um eine zyklische Veränderung der Neigung des Spiegels und damit eine
einem Schwingspiegel vergleichbare Situation zu schaffen, sind in Umfangsrichtung
18 entsprechend der Fig.4 aufeinanderfolgende Spiegelflächen 20 und 21 mit unterschiedlicher
Neigung zur Rotationsebene der Scheibe angeordnet. Die Änderung der Neigung erfolgt
hiebei inkrementell, jedoch ist es ohne weiteres möglich eine kontinuierliche Änderung
der Neigung zu realisieren, welche über den Umfang gesehen allerdings mindestens eine
Unstetigkeitsstelle aufweisen müßte.
Die unterschiedlichen Neigungen der einzelnen Spiegelflächen 20 und 21 sind in den
Fig.6 und 7 ersichtlich und durch die Winkel β und γ zur Rotationsebene 22 veranschaulicht.
[0020] Für eine genauere Untersuchung können naturgemäß mehrere Spiegelflächen mit unterschiedlicher
Neigung zur Rotationsebene 15 periodisch wiederkehrend am Umfang der Scheibe 15 angeordnet
sein, wobei sich eine Annäherung an eine kontinuierliche Änderung der Neigung im
gewünschten Ausmaß durch Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Spiegelflächen
unterschiedlicher Neigung erzielen läßt.
1. Einrichtung zum Erfassen der räumlichen Orientierung von unzulässig erwärmten Stellen
von Radlagern und/oder Radlaufflächen von Schienenfahrzeugen, wobei in einen Strahlengang
von der Meßstelle zu einem Wärmestrahlungsfühler (7) eine in ihrer Neigung periodisch
veränderliche Ablenkeinrichtung, insbesondere ein Spiegel (5) oder ein rotierendes
spiegelndes Polygon, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Autokollimationsspiegelelement
(10,13,19) vorgesehen ist, dessen Spiegelfläche dem vom Wärmestrahlungsfühler (7)
kommenden Strahlengang zugewendet ist und in wenigstens einer periodisch wiederkehrenden
Stellung der periodisch veränderlichen Ablenkeinrichtung die vom Wärmestrahlungsfühler
(7) ankommenden Strahlen im wesentlichen in sich zurückwirft.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch veränderliche
Ablenkeinrichtung als Schwingspiegel (5) ausgebildet ist und um eine zur Spiegelebene
parallele und/oder in der Spiegelebene liegende Achse schwenkbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel der periodisch
veränderlichen Ablenkeinrichtung von geneigten Flächen (14,20,21) einer rotierenden
Scheibe (15) gebildet ist, deren Neigung in Umfangsrichtung der Scheibe (15) zur Rotationsebene
periodisch verschieden ist, und daß das Autokollimationsspiegelelement (19) am Umfang
der Scheibe angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Umkehrpunkten
der Bewegung der vom Spiegel (5) reflektierten Strahlen dem Wärmestrahlungsfühler
(7) zugewandte feststehende Autokollimationsspiegelflächen (10,13) angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Autokollimationsspiegelflächen
(10,13,19) in einem Abstand von der Abbildungsoptik (6) angeordnet sind, welcher der
Brechkraft der Abbildungsoptik entspricht.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Autokollimationsspiegelflächen
(10) an den Rändern einer Bildfeldlinse (4) angeordnet sind und mit einem der Brechkraft
entsprechenden Radius zur Autokollimation gewölbt ausgebildet sind.