DE19549404A1 - Schienenkontaktvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schienenkontaktvor­ richtung für Eisenbahnanlagen mit einer an einer Schiene angeordneten Glasfaser.

Eine derartige Schienenkontaktvorrichtung ist aus der DE-OS 35 37 588 bekannt und dient insbesondere für Achszähleinrichtungen, um Schienenabschnitte zu überwachen. Bei der bekannten Schienenkontaktvorrichtung ist eine sogenannte Sensorglasfaser mit einer vorgegebenen Länge an einer Schiene befestigt und ein Laserstrahl wird über einen Strahlteiler einerseits auf diese Sensorglasfaser und andererseits auf eine entfernt von der Schiene angeordnete Referenzglasfaser gegeben. Wenn die an der Schiene angeordnete Glasfaser beim Passieren eines Fahrzeugrades ihre Länge kurzfristig verändert, so wird der dadurch erzeugte Laufzeitunterschied interferometrisch detektiert und ein Signal wird ausgegeben.

Die oben beschriebene Schienenkontaktvorrichtung weist zwar bereits den Vorteil auf, daß diese von magnetischen und elektrischen Störfeldern relativ unabhängig ist. Jedoch weist diese bekannte Vorrichtung relativ teure Bauteile wie zum Beispiel einen Laser und einen Interferenzdetektor auf. Darüber hinaus muß die Referenzglasfaser so abseits der Schiene angebracht sein, daß diese durch passierende Fahrzeugräder nicht beeinflußt wird. Schließlich ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine komplizierte Temperaturkom­ pensation unter Zuhilfenahme von Piezoelementen erforderlich, um Temperaturschwankungen so zu kompensieren, daß keine Fehlmessungen auftreten.

Das Prinzip der Interferometrie wird auch bei der Anordnung gemäß der GB 2 208 711 A genutzt, in der ein Glasfasersensor schraubenförmig angeordnet sein kann. Für die Erfassung einer Belastung wird mit Hilfe von Interferometrie die Veränderung der Übertragungseigenschaften bei der Übertragung von pulsierenden Lichtsignalen erfaßt.

Eine ähnliche Anordnung ist in der DE 32 05 798 C2 gezeigt, bei der eine Lichtleitfaser schraubenförmig auf einen kreiszylinderförmigen Körper aufgewickelt und derart verdrillt ist, daß dadurch eine Polarisationsänderung des durch die Faser geleiteten Lichts bewirkt wird. Die durch die Verdrillung bewirkte Polarisationsänderung führt zu einer optischen Phasenmodulation, die ein Maß für eine zu messende Belastung ist.

In der JP 61-292529 ist eine schraubenförmige Anordnung einer Glasfaser beschrieben, bei der die Glasfaser derart an ein belastetes Bauteil angebracht ist, daß eine Belastung des Bauteils zu einer Längenänderung der Glasfaser und einer daraus resultierenden Veränderung der Lichtübertragung führt.

Für die Erfassung von Belastungen eines Bauteils ist es aus der DE 43 32 807 A1 bekannt, zwei Glasfasern mit ihren Faserenden derart zu koppeln, daß eine mechanische Veränderung von Bauteilen, die mit einer der beiden Glasfasern verbunden sind, zu einer Änderung der Relativlage der Faserenden, insbesondere zu einem Achsversatz führt. Dieser Achsversatz sorgt für eine Dämpfung des von den miteinander gekoppelten Glasfasern übertragenen Lichtsignals, die für die Ermittlung der mechanischen Belastung erfaßt wird. Bei der gezeigten Anordnung ist ein plattenförmiger Träger derart an der Oberfläche eines belasteten Bauteils festgelegt, daß die Biegung eines Teils des Trägers eine Veränderung der relativen Lage der Faserenden zweier Glasfasern herbeiführt. Die gezeigte Anordnung eignet sich nicht für den Einbau in eine Schiene zur Erfassung der Druckbelastung der Schiene.

Dies gilt in gleicher Weise für einen aus der EP 0 608 645 A1 bekannten Belastungssensor, der dem Einbau in Brücken dient. Hierbei verläuft die Glasfaser zwischen harten Elementen und ist in ein weiches Elastomermaterial eingebettet.

Schließlich offenbart der Artikel "Fühlen mit Licht" in Funkschau 12/1984, Seite 45 bis 47 eine Methode, mit der unter Verwendung einer Glasfaser eine Druckerfassung erfolgt. Hierbei ist die Glasfaser zwischen zwei engverzahnten Platten angeordnet. Wenn die Platten zusammengedrückt werden, wird die Faser gebogen. In Abhängigkeit von dem Ausmaß der Verbiegung tritt hierbei Licht vom Faserkern in den Mantel über. Als Maß für den auf die Platten ausgeübten Druck wird die Verminderung der Lichtintensität im Kern am Ende der Glasfaser ausgewertet. Die Elemente der gezeigten Anordnung sind zum einen vergleichsweise kompliziert gestaltet. Zum anderen ist auch diese Anordnung für den Einbau in eine Schiene zur Erfassung der Schienenbelastung nicht geeignet.

Es ist deshalb das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem (die Aufgabe), eine zuverlässig arbeitende Schienenkontaktvorrichtung zu schaffen, die kostengünstig herzustellen, einfach zu montieren und gegenüber Temperaturschwankungen weitgehend unabhängig ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist ein Sensor in eine Bohrung der Schiene eingepaßt. Ferner verläuft die Glasfaser derart durch den Sensor, daß eine Druckbelastung der Schiene eine reversible Biegung, oder einen reversiblen Achsversatz und/oder Winkelversatz der in dem Sensor angeordneten Glasfaser bewirkt. Hierbei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Dämpfung von Glasfasern sich relativ stark ändert, wenn die Glasfaser um einen Radius gebogen wird, der einen bestimmten Mindestbiegeradius unterschreitet, oder wenn die Glasfaserverbindung einen Achsversatz oder Winkelversatz erfährt. Diese aus der Nachrichtenübertragungstechnik bekannten Effekte werden bei der erfindungsgemäßen Schienenkontaktvorrichtung ausgenutzt. Bei einer Druckbelastung des Sensors entsteht eine Dämpfungsänderung in der Faser. Diese Dämpfungsänderung kann dann mit einem entsprechenden Dämpfungsmeßgerät erfaßt und ausgewertet werden.

Die Schienenkontaktvorrichtung ist leicht zu montieren und erfordert mit Ausnahme des Dämpfungsmeßgerätes mit Sende- und Empfangsbauteil keine weiteren elektronischen Bauteile wie beispielsweise Strahlteiler oder Interferenzmeßgeräte.

Ein vorteilhafter Belastungssensor für die oben beschriebene Schienenkontaktvorrichtung wird dadurch gebildet, daß durch den Sensor derart eine Glasfaser verläuft, daß diese bei einer mechanischen Belastung des Sensors eine reversible Biegung oder einen reversiblen Achs- und/oder einen reversiblen Winkelversatz erfährt. Insbesondere kann für die erfindungsgemäße Schienenkontaktvorrichtung ein Belastungssensor gemäß der Stammanmeldung DE 195 18 123 verwendet werden. Im übrigen wird hiermit die Offenbarung der DE 195 18 123 durch den Verweis zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die weiteren Ansprüche gekennzeichnet.

Es ist vorteilhaft, den Sensor der erfindungsgemäßen Schienenkontaktvorrichtung in eine Querbohrung im Schienensteg einzupassen. Zur Montage kann die Schiene im Bereich der Querbohrung beispielsweise erwärmt werden, und der Sensor wird mit einem Klebstoff, der unter Wärme aushärtet, in die Querbohrung gesteckt. Nach dem Abkühlen der Schiene ist der Sensor kraftschlüssig in der Querbohrung gehalten, so daß eine auf den darüberliegenden Schienenkopf ausgeübte Kraft auf den Sensor übertragen wird.

Ferner kann die Glasfaser in dem Sensor zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichem elastischen Verformungsverhalten durchlaufen. Hierdurch werden diese beiden Bereiche bei Druckbelastung des Sensors unterschiedlich stark deformiert, so daß die diese Bereiche durchlaufende Glasfaser gebogen, gekrümmt oder versetzt wird, so daß sich eine Änderung ihrer Dämpfung ergibt.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die durch den Sensor verlaufende Glasfaser an zumindest einer Stelle innerhalb des Sensors derart unterbrochen sein, daß sich zwei Glasfaserenden lichtkoppelnd aneinander gegenüberliegen. Eine derartige Ausführungsform weist eine besonders hohe Empfindlichkeit auf, da die mit ihren Stirnseiten gegenüber­ liegenden Glasfaserenden bereits bei einem geringen Versatz eine starke Änderung der Dämpfung der Faser bewirken.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann eine Grenzlinie zwischen den beiden Bereichen mit unterschiedli­ chem elastischem Formungsverhalten zwischen den beiden Glasfaserenden verlaufen. Durch eine solche Ausführungsform wird die Empfindlichkeit des Sensors noch gesteigert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Glasfaser durch einen Bereich mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul verlaufen, wobei in Belastungsrichtung des Sensors gesehen zu beiden Seiten der Glasfaser Bereiche mit einem höheren Elastizitätsmodul angeordnet sein können. Der Bereich mit niedrigem Elastizitätsmodul kann beispielsweise ein Thermoplast oder ein Elastomer sein. Der Bereich mit einem höheren Elastizitätsmodul kann beispielsweise Metall oder Hartplastik sein. Durch eine derartige Anordnung verschiedener Bereiche mit unterschiedlichem elastischen Verhalten wird in der Glasfaser bei Druckbelastung eine Biegung oder ein Achsversatz erzeugt, so daß ein optisches Signal, welches die Glasfaser durchläuft, gedämpft wird.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Detektoreinrichtung gekoppelt, die eine Dämpfungsänderung der Glasfaser detektiert. Hierzu wird vorteilhafterweise die Dämpfung eines durch die Glasfaser verlaufenden Lichtimpulses detektiert. Das Meßgerät wird außerhalb möglicher magnetischer oder elektrischer Störfelder aufgestellt, so daß eine Einwirkung auf dieses ausgeschlossen ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor aus einem Innenrohr und einem dazu koaxialen Außenrohr bestehen, das in Längsrichtung des Rohres geteilt ist, so daß zwei sich nicht berührende Halbschalen gebildet sind, wobei die Glasfaser zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr schraubenlinienförmig in einer elastischen Masse gelagert ist. Eine derartige sehr kompakte Ausführungsform eines Sensors ermöglicht eine Krümmung der Faser über viele Schraubenlinien, so daß ein starkes Dämpfungssignal bei Druckbelastung erhalten wird. Hierbei kann vorteilhafterweise ein Faserende durch das Innenrohr geführt sein. Ein derartiger Belastungssensor ist in der DE 195 18 123 offenbart, deren Offenbarung wie erwähnt als Gegenstand der vorliegenden Anmeldung zu betrachten ist. Durch die zuletzt beschriebene Ausführungsform erfolgt in vorteilhafter Weise die Verwendung des Belastungssensors gemäß der DE 195 18 123 für die Schienenkontaktvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen rein beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die in einer Schiene angeordnete Schienenkontaktvorrichtung;

Fig. 2, 3 und 4 schematische Querschnittsansichten eines Belastungssensors;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen weiteren Belastungssensor; und

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 5.

Die in Fig. 1 dargestellte Schienenkontaktvorrichtung weist einen Belastungssensor 10 auf, der in eine Querbohrung 12 im Schienensteg 14 einer Schiene 16 eingepaßt ist. Wie zu erkennen ist, befindet sich der Schienensteg 14 zwischen dem unteren Schienenfuß 17 und dem Schienenkopf 18. Innerhalb des Sensors 10 verläuft eine Glasfaser 20 derart, daß durch eine Druckbelastung der Schiene 16, das heißt durch eine auf den Schienenkopf 18 wirkende Kraft F in der Größenordnung < 2 kN eine reversible Biegung oder ein reversibler Achsversatz und/oder ein reversibler Winkelversatz der in dem Sensor 10 angeordneten Glasfaser 20 bewirkt wird. Hierdurch erfährt die Dämpfung der Glasfaser 20 eine starke Änderung, so daß ein Lichtsignal, das in das ankommende Ende 22 der Glasfaser eingekoppelt wird, am abgehenden Ende 24 der Glasfaser gedämpft ist.

Die Querbohrung 12 im Schienensteg 14 ist derart gewählt, daß der Sensor 10 gerade in diese eingepaßt werden kann. Zur Montage wird die Schiene 16 im Bereich der Querbohrung 12 beispielsweise erwärmt, und der Sensor 10 wird mit unter Wärme aushärtendem Klebstoff in die Querbohrung 12 gesteckt. Nach dem Abkühlen der Schiene ist der Sensor 10 kraftschlüssig in der Querbohrung 12 gehalten, so daß eine auf den Schienenkopf 18 ausgeübte Kraft F auf den Sensor 10 übertragen wird.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen schematisch verschiedene Ausführungs­ formen eines Sensors 10, der jeweils zwei Bereiche mit unterschiedlichem Verformungsverhalten aufweist. Der in Fig. 2 dargestellte Sensor besteht aus einem sich stark elastisch verformenden Körper 26 (Elastomer), in den jeweils sich elastisch nur wenig verformende Stifte 28, 28′ und 28′′ aus Metall eingebracht sind. Die Glasfaser 20 verläuft von ihrem ankommenden Ende 22 zu ihrem abgehenden Ende 24 durch den Körper 26, wobei in Belastungsrichtung F des Sensors 10 gesehen, die Stifte 28, 28′ und 28′′ zu beiden Seiten der Glasfaser angeordnet sind. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, besitzen die sich grundsätzlich vertikal zur Glasfaser 20 erstreckenden unteren Stifte 28′ und 28′′ einen gegenseitigen Abstand, der größer ist als die Querabmessung des Stiftes 28. Dieser, sich ebenfalls vertikal zur Glasfaser 20 erstreckende Stift 28 verläuft oberhalb der Glasfaser, jedoch zwischen den beiden Stiften 28′ und 28′′.

Da die sich so gut wie überhaupt nicht verformenden Metallstifte 28, 28′ und 28′′ bei einer Belastung des Sensors 10 in Richtung des Pfeiles F nicht deformiert werden, sondern lediglich der sich relativ stark deformierende Körper 26 eine Formänderung erfährt, wird die Glasfaser 20 zwischen den Stiften 28, 28′ und 28′′ durchgebogen, so daß diese eine Dämpfungsänderung erfährt.

Der in Fig. 3 schematisch dargestellte Sensor 10 entspricht im wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten Sensor, wobei jedoch der Stift 28′ weggelassen ist. Außerdem ist die Glasfaser 20 zwischen dem ankommenden Ende 22 und dem abgehenden Ende 24 innerhalb des Körpers 26 an einer Trennstelle T unterbrochen, so daß sich zwei Glasfaserenden lichtkoppelnd einander gegenüberliegen. Hierbei können die aneinander gegenüberliegenden Stirnseiten der Glasfaserenden 22 und 24 auch poliert sein.

Die Trennstelle T befindet sich in einer vertikal zur Glasfaser 20 verlaufenden Ebene, wobei die Stifte 28 und 28′′ mit ihren Seiten im wesentlichen an diese Ebene angrenzen. Jedoch sind beide Stifte 28 und 28′′ zu verschiedenen Seiten dieser Ebene angeordnet.

Bei einer Belastung des in Fig. 3 dargestellten Sensors in Richtung des Pfeiles F wird der sich elastisch stark deformierende Körper 26 zusammengedrückt, so daß sich die gegenüberstehenden Glasfaserenden an der Trennstelle T verschieben. Diese Verschiebung wird durch die Stifte 28 und 28′′ verstärkt, die sich nicht deformieren.

Die in Fig. 4 dargestellte schematische Ausführungsform eines Sensors 10 weist zwei sich elastisch deformierende Körper 26′ und 26′′ auf, wobei diese beiden Körper jedoch ein unterschiedliches Verformungsverhalten besitzen. Hierbei ist die Faser an der Trennstelle T wiederum unterbrochen, so daß sich die beiden Glasfaserenden lichtkoppelnd einander gegenüberliegen. Die Grenzlinie der beiden elastischen Körper 26′ und 26′′ verläuft dabei vertikal zu der Glasfaser 20 und durch die Trennstelle T hindurch.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensors gemäß der Erfindung im Längsschnitt. Der in Fig. 5 dargestellte Sensor 10 besteht aus einem steifen Innenrohr 30 aus Metall und einem dazu koaxialen Außenrohr, das in Längsrichtung des Rohres geteilt ist, so daß zwei Halbschalen 32 und 34 gebildet sind. Die Glasfaser 20 ist zwischen dem Innenrohr 30 und den beiden Halbschalen 32, 34 des Außenrohres schrauben­ linienförmig in einer elastischen Masse 36 gelagert.

Wie in Fig. 6 gut zu erkennen ist, berühren sich die beiden Halbschalen 32 und 34 nicht, so daß zwischen diesen ein Abstand gebildet ist. Wird auf den in den Fig. 5 und 6 gezeigten Sensor eine Kraft F ausgeübt, so deformiert sich die elastische Masse 36, die beispielsweise ein Elastomer oder ein Thermoplast sein kann, und die beiden Halbschalen 32 und 34 bewegen sich aufeinander zu. Im Laufe dieser Bewegung wird jedoch der Krümmungsradius der Glasfaser 20 geändert. Hierdurch ergibt sich eine Änderung der Dämpfung der Faser, wobei der Dämpfungseffekt dadurch verstärkt wird, daß mehrere Windungen vorhanden sind. Das abgehende Faserende 24 ist in dem in den Fig. 5 und 6 gezeigten Sensor durch das Innenrohr 30 zurückgeführt, so daß sich lediglich auf einer Seite des Sensors 10 Glasfaseranschlüsse befinden.

Der Außendurchmesser des in den Fig. 5 und 6 dargestellten Sensors 10 beträgt ca. 20 mm. Der Abstand zwischen den beiden Halbschalen 32 und 34 beträgt ca. 2 mm, wobei das Innenrohr 30 einen Durchmesser von ca. 10 mm aufweist.

Es sei festgestellt, daß unter Lichtstrahlung selbstverständlich auch nicht sichtbare Strahlung verstanden wird. Darüber hinaus läßt sich der beschriebene Sensor bei allen Anwendungen einsetzen, bei denen Belastungen von Bauteilen gemessen werden müssen, insbesondere wenn elektrisch oder magnetisch störende Felder vorhanden sind. Darüber hinaus wird unter Eisenbahnanlagen jede Art einer Anlage für Schienenfahrzeuge verstanden.

Claims (8)

1. Schienenkontaktvorrichtung für Eisenbahnanlagen, mit einer Glasfaser (20) zur Detektion einer Schienenbelastung;
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Sensor (10) in eine Bohrung (12) der Schiene (16) eingepaßt ist;
daß die Glasfaser (20) derart durch den Sensor (10) verläuft, daß eine Druckbelastung der Schiene (16) eine reversible Biegung oder einen reversiblen Achs- und/oder Winkelversatz der in dem Sensor (10) angeordneten Glasfaser (20) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung eine Querbohrung (12) im Schienensteg (14) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser in dem Sensor (10) zumindest zwei Bereiche (26; 28, 28′, 28′′ und 26′; 26′′) mit unterschiedlichem elastischen Verformungsverhalten durchläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Sensor (10) verlaufende Glasfaser (20) an zumindest einer Stelle (T) innerhalb des Sensors (10) derart unterbrochen ist, daß sich zwei Glasfaserenden lichtkoppelnd einander gegenüberliegen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser (20) durch einen Bereich (26) mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul verläuft, beispielsweise einen Thermoplasten oder ein Elastomer, und daß, in Belastungsrichtung (F) des Sensors (10) gesehen, zu beiden Seiten der Glasfaser (20) Bereiche (28, 28′, 28′′) mit einem höheren Elastizitätsmodul, beispielsweise Metall, angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Detektoreinrichtung gekoppelt ist, die eine Dämpfungsänderung, insbesondere eines durch die Glasfaser (20) verlaufenden Lichtimpulses, detektiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) aus einem Innenrohr (30) und einem dazu koaxialen Außenrohr besteht, das in Längsrichtung des Rohres geteilt ist, so daß zwei sich nicht berührende Halbschalen (32, 34) gebildet sind, und die Glasfaser (20) zwischen dem Innenrohr (30) und dem Außenrohr (32, 34) schraubenlinienförmig in einer elastischen Masse (36) gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faserende durch das Innenrohr (30) geführt ist.