Magnetischer Radsensor

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen magnetischen Radsensor, insbesondere für eine Gleisfreimeldeanlage, zur Erfassung einer Magnetfeldänderung in Folge das Gleis überfahrender Eisenräder (3) eines Schienenfahrzeuges. Ein Radsensor, der bereits als Einzelsensor eine Detektion der Fahrtrichtung gestattet, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugende erste Spule (1, 1_A, 1_B) und eine axial zu dieser angeordnete und im Wesentlichen flächengleiche zweite Spule (2, 2_A, 2_B) vorgesehen sind, wobei die zweite Spule (2, 2_A, 2_B) eine Geometrie, insbesondere Achtform, derart aufweist, dass bei Bestromung mindestens zwei gegensinnige Magnetfelder resultieren und dass der zeitliche Verlauf der bei Magnetfeldänderung in den beiden Spulen (1, 2; 1_A, 2_A; 1_B, 2_B) induzierten Spannungen (U₁, U₂; U_1A, U_2A, U_1B; U_2B) ausgewertet wird.

Beschreibung

[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 unzurechend. 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] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und einen magnetischen Radsensor der gattungsbildenden Art anzugeben, der bereits als Einzelsensor eine Richtungsdetektion gestattet, und dessen Parameter hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems optimiert sind.

[0009] Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Das Wirkungsprinzip des 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 stark vermindert. Auch Temperatureinflüsse bestehen quasi nicht mehr.

[0010] 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.

[0011] Aus dem Aufeinanderfolgen der Ausgangsspannung mit gleicher Phase und inverser Phase relativ zu dem Spannungsverlauf an der ersten Spule kann gemäß Anspruch 2 die Bewegungsrichtung des Rades und aus der Zeitspanne für die Phasenumkehr die Geschwindigkeit ermittelt werden.

[0012] Bei einer Doppelsensoranordnung gemäß Anspruch 3 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.

[0013] Durch gepulste Bestromung gemäß Anspruch 4 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.

[0014] Wenn die Arbeitsfrequenz der Sensorspulen gemäß Anspruch 5 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.

[0015] Da der Radsensor mit Frequenzen größer als 1 Mhz betrieben werden kann, ist eine Ausführung der Spulen gemäß Anspruch 6 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 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 U₁ und U₂ 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 U₁, U₂ und U_2a und U_2b an den einzelnen Teilen der Sensorspulen 1 und 2 eines Einzelsensors gemäß der Figuren 1 und 2 dargestellt. U₁ 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 U₂ 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 U₂ ungleich Null ist messbar. Die Phase dieser Spannung U₂ 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 U₂ der zweiten Spule 2 im Verhältnis zur Phasenlage der Spannung U₁ 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.

Ansprüche

1. Magnetischer Radsensor, insbesondere für eine Gleisfreimeldeanlage, zur Erfassung einer Magnetfeldänderung infolge das Gleis überfahrender Eisenräder (3) eines Schienenfahrzeuges,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugende erste Spule (1, 1_A, 1_B) und eine axial zu dieser angeordnete und im Wesentlichen flächengleiche zweite Spule (2, 2_A, 2_B) vorgesehen sind, wobei die zweite Spule (2, 2_A, 2_B) eine Geometrie, insbesondere Achtform, derart aufweist, dass bei Bestromung mindestens zwei gegensinnige Magnetfelder resultieren und dass der zeitliche Verlauf der bei Magnetfeldänderung in die beiden Spulen (1, 2; 1_A, 2_A; 1_B, 2_B) induzierten Spannungen (U₁, U₂; U_1A, U_2A; U_1B, U_ZW) ausgewertet wird.

2. Radsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die gegenseitige Phasenlage der beiden Spannungen (U₁, U₂; U_1A, U_2A; U_1B, U_2B) ein Maß für die Fahrtrichtung und der zeitliche Abstand der Phasenumkehr ein Maß für die Geschwindigkeit sind.

3. Radsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine Doppelsensoranordnung.

4. Radsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestromung gepulst erfolgt.

5. Radsensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitsfrequenz der Spulen (1, 1_A, 1_B, 2, 2_A, 2_B) derart hoch ist, dass Schwingungspakete im Burstpaket erzeugbar sind.

6. Radsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulen (1, 1_A, 1_B, 2, 2_A, 2_B) als Leiterbahnen auf einer Platine ausgebildet sind.

Zeichnung