(19) |
|
|
(11) |
EP 1 362 759 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
|
29.09.2010 Patentblatt 2010/39 |
(22) |
Anmeldetag: 25.04.2003 |
|
(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
|
|
(54) |
Magnetischer Radsensor
Magnetic wheel sensor
Détecteur magnétique de roue
|
(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
|
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR |
(30) |
Priorität: |
08.05.2002 DE 10221577
|
(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
|
19.11.2003 Patentblatt 2003/47 |
(73) |
Patentinhaber: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT |
|
80333 München (DE) |
|
(72) |
Erfinder: |
|
- Hollnagel, Gerd
38533 Vordorf (DE)
|
(56) |
Entgegenhaltungen: :
DE-A- 3 632 316 DE-A- 19 915 597 US-A- 6 064 315
|
DE-A- 19 854 232 US-A- 3 697 745
|
|
|
|
|
- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 173 (P-1033), 5. April 1990 (1990-04-05) &
JP 02 025906 A (NEC CORP), 29. Januar 1990 (1990-01-29)
|
|
|
|
Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen magnetischen Radsensor nach dem Oberbegriff des Anspruches
1. Radsensoren werden im Bahnwesen für die Gleisfreimeldung, aber auch für andere
Schalt- und Meldeaufgaben eingesetzt. Dabei wird überwiegend die magnetfeldbeeinflussende
Wirkung der Eisenräder der Schienenfahrzeuge ausgenutzt. Mittels am Gleiskörper angebrachter
induktiver Sensoren, die ein spezifisches Magnetfeld erzeugen, lässt sich die Rückwirkung
der Eisenräder erfassen, wobei mit jeder Raderfassung bzw. Achsenerfassung ein Radimpuls
registriert wird. Die Anzahl der Radimpulse gibt im Zusammenwirken mit einem weiteren
Radsensor Auskunft über den Belegungszustand des dazwischenliegenden Gleisabschnittes.
Aus dem zeitlichen Versatz von zwei räumlich versetzt angeordneten Sensoren kann die
übergeordnete Steuerung Informationen über die Richtung und Geschwindigkeit ermitteln,
so dass Schlussfolgerungen über die Anzahl der Räder die in eine bestimmte Richtung
die Sensoren passiert haben, möglich sind. Bei Ausfall eines der beiden Sensoren kann
keine Information über Richtung und Geschwindigkeit mehr gewonnen werden.
[0002] Die Gleisfreimeldung stellt ein wesentliches Entscheidungskriterium für die Steuerung
von Weichen und Signalen dar. Anhand des Belegungszustandes von Gleisabschnitten wird
die Entscheidung getroffen, ob ein Schienenfahrzeug in diesen Gleisabschnitt einfahren
darf oder nicht. Folglich müssen die Meldesignale der Achszähler extrem hohen Zuverlässigkeitsanforderungen
genügen. Es ist sicherzustellen, dass nur die die Sensoren überfahrenden Eisenräder
der Schienenfahrzeuge von den Sensoren erfasst werden und Störmagnetfelder anderer
Herkunft ignoriert werden. Das betrifft beispielsweise Magnetfelder, die bei elektrischer
Traktion durch Schienenströme und durch Fahrzeugkomponenten wie Transformatoren, Drosseln
und elektronische Schienenbremsen entstehen. Letztere stellen ein besonderes Problem
dar, da die erzeugten Magnetfelder sehr stark sind. Das gilt insbesondere für die
Wirbelstrombremse, die für den ICE (Intercity-Express) entwickelt wurde, da diese
Wirbelstrombremse im erregten Zustand ein Störmagnetfeld erzeugt, das das Arbeitsmagnetfeld
des induktiven Sensors sehr stark überlagert.
[0003] Radsensoren, die mit magnetischen Wechselfeldern arbeiten, gibt es in zwei Ausführungen.
Bei der einen Art wird auf einer Seite der Schiene ein Magnetfeld erzeugt und auf
der anderen Seite empfangen. Ein Rad auf der Schiene verändert die Kopplung zwischen
der Sender- und der Empfängerspule und kann somit erkannt werden. Durch die beidseitige
Anordnung ist der Aufwand mit zwei Gehäusen hoch und für das die Schiene umfassende
Magnetfeld wird eine hohe Leistung im Bereich von 1 bis 2 Watt benötigt.
[0004] Sensoren, die nur auf einer Seite der Schiene montiert werden, arbeiten nach dem
Prinzip des magnetischen Näherungsschalters, bei dem das Magnetfeld durch Wirbelströme
in der Eisenmasse eines Rades gedämpft wird. Diese Sensoren reagieren auf den Radkranz
und kommen mit kleinerer Betriebsleistung im Bereich von ca. 10 bis 50 mW aus. Aufgrund
der geringeren Leistung im Magnetfeld werden diese Sensoren allerdings leicht durch
äußere Magnetfelder gestört, wie beispielsweise die oben erwähnten Felder von Schienenströmen
oder Wirbelstrombremsen.
[0005] Bei beiden Ausführungen bestehen aufgrund des Wirkungsprinzips Schwierigkeiten, den
Temperatureinfluss auszuschließen, der im Wesentlichen über die Temperaturabhängigkeit
des Wicklungswiderstandes der Feldspule wirkt.
[0006] Aufgrund der Komplexität der Innenschaltung der Sensoren ist deren Zuverlässigkeit
nur unzureichend. Für das Intervall einer Funktionskontrolle der Sensoren ergeben
sich daraus relativ geringe Zeiträume.
[0007] Wenn bei einem Doppelsensorsystem der Einfluss durch ein Rad nicht mehr ausreicht,
um beide Sensoren quasi überlappend zu beeinflussen, z. B. bei Rädern mit sehr kleinem
Durchmesser, kann keine Information über die Bewegungsrichtung erzeugt werden.
[0008] Um den Einfluss externer Störmagnetfelder zu reduzieren, wurden gemäß der
DE 199 15 597 A und der
DE 36 32 316 A Spulenanordnungen zur Erzeugung gegensinniger Magnetfelder vorgeschlagen.
[0009] Das Wirkungsprinzip eines gattungsgemäßen Radsensors beruht auf die Veränderung der
transformatorischen Kopplung zwischen den beiden Spulen durch den Einfluss der Eisenmasse
des Rades. In Abhängigkeit von der Reihenfolge, in der die gegensinnigen Magnetfelder
von dem Rad passiert werden, resultieren Magnetfeldänderungen, die in den beiden Spulen
als Spannungsänderungen auswertbar sind. Auf diese Weise erzeugen bereits die Einzelsensoren
Informationen über Richtung und Geschwindigkeit. Die Spulen sind vorzugsweise auf
einer Seite der Schiene angeordnet. Störende Einflüsse durch Schienenstrom und Wirbelstrombremse
werden vermindert. Auch Temperatureinflüsse bestehen quasi nicht mehr. Die Spannungen
über den Spulenteilen der zweiten Spule, die gegensinnigen Magnetfeldern zugeordnet
sind, haben ohne Einfluss eines Rades die gleiche Amplitude, aber eine inverse Phasenlage.
Die Summenspannung über die gesamte zweite Spule ist im Ruhezustand somit Null. Bei
Einfluss eines Rades auf den Sensor wird das Gleichgewicht zwischen den Teilspannungen
gestört und eine Ausgangsspannung über die gesamte zweite Spule ist messbar. Die Phase
dieser Spannung ist davon abhängig, welcher Teil der zweiten Spule gerade von dem
Rad passiert wird. Aus dem Aufeinanderfolgen der Ausgangsspannung mit gleicher Phase
und inverser Phase relativ zu dem Spannungsverlauf an der ersten Spule kann die Bewegungsrichtung
des Rades und aus der Zeitspanne für die Phasenumkehr die Geschwindigkeit ermittelt
werden. Bei einer Doppelsensoranordnung stehen diese Informationen somit redundant
zur Verfügung. Die zwei sicherheitstechnisch unabhängigen Systeme eines Doppelsensors
können sich in der Funktion kontinuierlich gegenseitig überprüfen und den Ausfall
des jeweils anderen Sensors zur Meldung bringen. Die Erfassungsbereiche beider Sensoren
können sich mechanisch überlappen, so dass immer dann, wenn ein Rad erkannt wird,
eine zeitliche Überlappung der Beeinflussung besteht und die Bewegungsrichtung in
jedem Fall detektierbar ist.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Radsensor der gattungsbildenden
Art anzugeben, dessen Parameter hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems
optimiert sind, wobei insbesondere der Störabstand zu externen Feldern verbessert
ist.
[0011] Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
[0012] Durch gepulste Bestromung wird das Magnetfeld in den Spulen gepulst aufgebaut, wobei
nur eine kleine effektive Einschaltdauer erforderlich ist. Dadurch ist die Augenblickleistung
im Feld entsprechend größer. Letztlich wird damit der Störabstand zu externen Feldern
verbessert. Da die Kopplung zwischen den Spulen temperaturunabhängig ist, wird der
Temperatureinfluss auf dem Wicklungswiderstand praktisch bedeutungslos. Bei Doppelsensoren
ist durch den gepulsten Betrieb jedes Sensors in den Pulspausen eine Überwachung des
jeweils anderen Sensors durch eine magnetische Verkopplung bei sicherer galvanischer
und funktioneller Trennung der Sensoren möglich.
[0013] Wenn die Arbeitsfrequenz der Sensorspulen gemäß Anspruch 2 ausreichend hoch gewählt
wird, beispielsweise 1 Mhz, kann der Sensor mit Schwingungspaketen im Burst betrieben
werden. Wenn beispielsweise zehn Schwingungsperioden von 1mhz mit einer Wiederholfrequenz
von 10Khz genutzt werden, ergibt sich eine effektiver Einschaltdauer von 10%. Dadurch
kann die aufgenommene Leistung auf ein Zehntel der Zeit konzentriert werden, wodurch
bei gleicher Leistungsaufnahme eine zehnmal höhere Augenblicksleistung im Magnetfeld
des Sensors erreichbar ist. Um den gleichen Faktor verbessert sich der Störabstand
zu dem Einfluss externer Störfelder. Durch die zeitliche Verschachtelung im Burst
können die beiden Sensorsysteme eines Doppelsensors problemlos in einem Gehäuse untergebracht
werden, ohne dass durch magnetische Verkopplungen zwischen den Systemen Funktionsstörungen
oder -Beeinträchtigungen zu befürchten sind.
[0014] Da der Radsensor mit Frequenzen größer als 1 Mhz betrieben werden kann, ist eine
Ausführung der Spulen gemäß Anspruch 3 in Form von Leiterbahnen auf einer Platine
möglich. Dass bei dieser Technik die Güte der Spulen deutlich kleiner ist als bei
den bisher eingesetzten gewickelten Spulen, stört das
[0015] Funktionsprinzip nicht, da die durch das Rad modulierte Kopplung zwischen den Spulen
ausgewertet wird. Auch der Temperatureinfluss auf die Spulengüte spielt keine Rolle
mehr. Durch die Leiterbahnenausführung der Spulen sind die Herstellungskosten des
erfindungsgemäßen magnetischen Radsensors deutlich geringer als bei herkömmlichen
Sensoren. Darüber hinaus ergibt sich eine deutlich verbesserte Wiederholgenauigkeit
der Parameter.
[0016] Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellung näher erläutert. Es
zeigen:
- Figur 1
- eine Spulenanordnung für einen Einzelsensor,
- Figur 2
- ein elektromagnetisches Prinzipschaltbild zu der Anordnung gemäß Figur 1,
- Figur 3
- eine Spulenanordnung für einen Doppelsensor,
- Figur 4
- zeitliche Spannungsverläufe bei einem Einzelsensor und
- Figur 5
- zeitliche Spannungsverläufe bei einem Doppelsensor im Burstbetrieb.
[0017] Figur 1 zeigt eine mögliche prinzipielle Anordnung zweier Spulen 1 und 2, die bei
Bestromung Magnetfelder erzeugen. Durch die Nähe eines Eisenrades verändert sich das
Magnetfeld, wodurch in die Spulenanordnung Spannungen induziert werden, durch die
letztlich die Überfahrt des Rades detektierbar ist. Eine erste Spule 1 ist hier beispielhaft
als rechteckiger Rahmen ausgeführt. Axial zu dieser ersten Spule 1 ist eine achtförmig
in zwei Hälften geteilte zweite Spule 2 angeordnet, wobei die beiden Hälften in Fahrtrichtung
gesehen hintereinander liegen und die gleiche Fläche bedecken wie die erste Spule
1. Aufgrund der Achtform sind die beiden Hälften der zweiten Spule 2 gegenphasig verschaltet.
Dadurch entstehen bei Bestromung in den beiden Hälften der zweiten Spule 2 gegensinnige
Magnetfelder.
[0018] Aus Figur 2 ist ersichtlich, wie die transformatorische Kopplung zwischen der ersten
und der zweiten Spule 1 und 2 durch den Einfluss eines Rades 3 verändert wird. Die
durch das Rad in die Spulen 1 und 2 induzierten Spannungen U
1 und U
2 werden ausgewertet - wie anhand der Figur 4 näher erläutert.
[0019] In Figur 3 sind zwei Spulensysteme A und B nach Figur 1 zu einem Doppelsensor kombiniert.
Durch die Überlappung der beiden Spulensysteme A und B wird die Primärspannung des
Systems A bzw. B jeweils auch in das andere System B bzw. A eingekoppelt. Die induzierte
Spannung kann ausgewertet werden, um eine Funktionsüberwachung des jeweils anderen
Systems A bzw. B durchzuführen. Die beiden Spulensysteme A und B sind nur induktiv
verkoppelt und es ist ein unabhängiger Aufbau der beiden System A und B möglich, so
dass eine kontinuierliche Funktionsüberwachung für sicherheitstechnische Nutzung realisiert
werden kann. Da die Bereiche, in denen die beiden Spulensysteme A und B ein Rad detektieren,
sich mechanisch überlappen, ist gewährleistet, dass die Signale beider Spulensysteme
A und B auch eine zeitliche Überlappung aufweisen. Auf diese Weise ist die Erkennung
der Bewegungsrichtung immer gegeben, wenn beide Spulensysteme A und B auf das Rad
ansprechen.
[0020] In Figur 4 sind die Spannungen U
1, U
2 und U
2a und U
2b an den einzelnen Teilen der Sensorspulen 1 und 2 eines Einzelsensors gemäß der Figuren
1 und 2 dargestellt. U
1 ist die Spannung an der ersten Spule 1 in Form einer kontinuierlichen Sinusschwingung.
U
2a und U
2b charakterisieren die Spannungen an den beiden Hälften der zweiten Spule 2. Ohne Einfluss
eines Rades 3 haben sie gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phasenlage, wodurch
die Summenspannung U
2 im Ruhezustand Null ist. Nähert sich ein Rad 3 dem Sensor, wird das Gleichgewicht
zwischen den Teilspannungen U
2a und U
2b an den beiden Hälften der zweiten Spule 2 gestört und eine Ausgangsspannung U
2 ungleich Null ist messbar. Die Phase dieser Spannung U
2 ist davon abhängig, über welche Hälfte der zweiten Spule 2 sich das Rad 3 gerade
befindet. Aus dem Aufeinanderfolgen gleicher oder inverser Phase der Ausgangsspannung
U
2 der zweiten Spule 2 im Verhältnis zur Phasenlage der Spannung U
1 an der ersten Spule 1 kann die Bewegungsrichtung des Rades 3 ermittelt werden und
aus der Zeitspanne für die Phasenumkehr die Geschwindigkeit.
[0021] Figur 5 veranschaulicht die zeitliche Verschachtelung einer gepulsten Bestromung
eines Doppelsensors gemäß Figur 3. Die beiden Spulensysteme A und B des Doppelsensors
werden abwechseln kurzzeitig bestromt. Durch diesem Burstbetrieb wird eine magnetische
Verkopplung der beiden Systeme A und B verhindert. Dargestellt sind die Spannungen
U
1A und U
1B an den ersten Spulen 1
A und 1
B der Einzelsensoren A und B. Die Auswertung der Ausgangsspannungen U
2A und U
2B der zweiten Spulen A2 und B2 für die Raderkennung erfolgt nur, wenn die zugehörige
erste Spule 1
A bzw. 1
B aktiv ist.
[0022] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders
gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.
1. Magnetischer Radsensor, insbesondere für eine Gleisfreimeldeanlage, zur Erfassung
einer Magnetfeldänderung infolge das Gleis überfahrender Eisenräder (3) eines Schienenfahrzeuges,
mit einer bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugenden ersten Spule (1, 1A, 1B) und einer axial zu dieser angeordneten zweiten Spule (2, 2A, 2B), wobei die zweite Spule (2, 2A, 2B) aus mindestens zwei Teilspulen mit entgegengesetztem Wicklungssinn besteht und wobei
die von der ersten Spule (1, 1A, 1B) aufgespannte Fläche und die von der Summe der von den Teilspulen der zweiten Spule
(2, 2A, 2B) aufgespannten Flächen im Wesentlichen gleich groß sind, wobei der zeitliche Verlauf
der bei Magnetfeldänderung in die beiden Spulen (1, 2; 1A, 2A; 1B, 2B) induzierten Spannungen (U1, U2; U1A, U2A; U1B, U2B) ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestromung gepulst erfolgt.
2. Radsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitsfrequenz der Spulen (1, 1A, 1B, 2, 2A, 2B) derart hoch ist, dass Schwingungspakete im Burstpaket erzeugbar sind.
3. Radsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulen (1, 1A, 1B, 2, 2A, 2B) als Leiterbahnen auf einer Platine ausgebildet sind.
1. Magnetic wheel sensor, in particular for a track-free signaling installation, for
detection of a magnetic-field change resulting from the iron wheels (3) of a rail
vehicle moving over the track, having a first coil (1, 1A, 1B), which produces a magnetic field when current is passed through it, and having a
second coil (2, 2A, 2B) which is arranged axially with respect to the former, wherein the second coil (2,
2A, 2B) comprises at least two coil elements with an opposite winding sense, and wherein
the area covered by the first coil (1, 1A, 1B) and the area covered by the sum of the coil elements of the second coil (2, 2A, 2B) are essentially of the same size, wherein the time profile of the voltages (U1, U2; U1A, U2A; U1B, U2B) which are induced in the two coils (1, 2; 1A, 2A; 1B, 2B) when the magnetic field changes is evaluated,
characterized in that
the current flow is pulsed.
2. Wheel sensor according to Claim 1,
characterized in that
the operating frequency of the coils (1, 1A, 1B, 2, 2A, 2B) is sufficiently high that oscillation packets can be produced in the burst packet.
3. Wheel sensor according to one of the preceding claims,
characterized in that
the coils (1, 1A, 1B, 2, 2A, 2B) are in the form of conductor tracks on a board.
1. Détecteur magnétique de roue, notamment pour une installation de contrôle de libération
de la voie, pour détecter une modification du champ magnétique en raison de roue (3)
en fer d'un véhicule ferroviaire passant sur la voie, comprenant une première bobine
( 1, 1A, 1B ) produisant un champ magnétique, lorsqu'elle est alimentée en courant, et une deuxième
bobine ( 2, 2A, 2B ) disposée axialement par rapport à la première bobine, la deuxième bobine ( 2, 2A, 2B ) étant constituée d'au moins deux sous-bobines ayant des sens d'enroulement opposés,
et dans lequel la surface sous-tendue par la première bobine ( 1, 1A, 1B ) et la surface sous-tendue par la somme des sous-bobines de la deuxième bobine (
2, 2A, 2B) sont sensiblement égales, la variation dans le temps des tensions ( U1, U2 ; U1A, U1B ; U2A, U2B ) induites dans les deux bobines ( 1, 1A, 1B ; 2, 2A, 2B ) lorsque le champ magnétique varie étant exploitée,
caractérisé
en ce que l'on effectue l'alimentation en courant d'une façon pulsée.
2. Détecteur de roue suivant la revendication 1,
caractérisé
en ce que la fréquence de travail des bobines ( 1, 1A, 1B ; 2, 2A, 2B ) est si haute que des paquets d'oscillation peuvent être obtenus dans le paquet
de salve.
3. Détecteur suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce que les bobines ( 1, 1A, 1B ; 2, 2A, 2B ) sont constituées sous la forme de pistes conductrices sur une platine.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information
des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei
Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente