DE3815152A1 - Einrichtung zum ueberwachen und/oder steuern eines schienengebundenen verkehrs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Überwachen und/ oder Steuern eines schienengebundenen Verkehrs, bei der am Tragkörper oder Gleis von den Fahrzeugen betätigte Melde- oder Zugeinwirkungsstellen vorgesehen sind.

Um einen sicheren Betrieb der Schienenbahnen zu gewähr­ leisten, werden die Streckenabschnitte zwischen den Bahnhöfen in Blockabschnitte unterteilt, deren Ein- und Ausfahrsignale so miteinander gekoppelt werden, daß jeweils nur ein Zug in einen Blockabschnitt einfahren kann. Um einen rationellen Betrieb zu gewährleisten, werden die Stellwerke für die Signale ferngesteuert, wobei die Steuerbefehle durch elek­ trische Steuerstromkreise übertragen und bei bestimmten Fern­ steuerungssystemen von den Fahrzeugen selbst ausgelöst werden.

Im modernen Eisenbahnverkehr werden in weitaus überwiegendem Maße elektrische Antriebe verwendet, die auf der Strecke elektrische und magnetische Störfelder erzeugen können, die aufwendige Schutzmaßnahmen für die Steuerstromkreise und ihre Organe notwendig machen. Außerdem sind die elektrischen Schalteinrichtungen der Steuerkreise nicht unempfindlich gegen extrem hohe und tiefe Temperaturen, die im Sommer und Winter an der Strecke auftreten können. Es kommt deshalb gelegentlich zu Signalstörungen, die den Zugverkehr be­ einträchtigen und erschweren.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Überwachungs- und/oder Steuereinrichtung für den schienengebundenen Verkehr zu schaffen, die bei beliebigen Fahrwegen verwendet werden kann und gegen elektrische und magnetische Störfelder sowie extreme Temperaturen unempfind­ lich ist.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die Melde- oder Zugeinwirkungsstellen faseroptische Sensoren auf­ weisen, die durch Druckeinwirkung oder Biegebeanspruchung be­ einflußt werden und an Lichtwellenleiter zur Übertragung optischer Signale angeschlossen sind.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die auf der Strecke von den Fahrzeugen erzeugten Steuerbefehle von elektrischen oder magnetischen Störfeldern unbeeinflußt bleiben und eine sichere Befehlsübertragung auch bei ungünstigen Umwelt­ bedingungen gewährleistet ist.

Um Befehle von den in eine Blockstrecke einfahrenden und ausfahrenden Fahrzeugen zu erzeugen, können zwischen einer Schiene und mindestens einzelnen Schwellen des Gleises faser­ optische Drucksensoren angeordnet sein. Als Drucksensoren können beispielsweise Verschiebungssensoren verwendet werden, bei denen zwei Strichgitter im Überkopplungsbereich zwischen zwei miteinander fluchtenden Lichtleitern durch Druckeinwir­ kung verschoben werden. Als Drucksensor ist auch ein Mikro­ biegungssensor verwendbar, bei dem ein Lichtwellenleiter zwischen geriffelten Druckplatten verformt wird, welche durch die Druckeinwirkung eines über die Schiene rollenden Rades gegen den Lichtwellenleiter gepreßt werden. Zur Auf­ nahme des mechanischen Schaltimpulses kann auch zwischen zwei Schwellen des Gleises ein faseroptischer Biegesensor unter einer Schiene angeordnet sein. Hierfür kann beispiels­ weise ein faseroptischer Membransensor verwendet werden, bei dem die Durchbiegung der Schiene auf eine Membrane übertragen wird, die ein bewegliches Strichgitter gegenüber einem festen Strichgitter verschiebt. Da derartige Membransensoren ein hohes Auflösungsvermögen haben, ist es auch möglich, hier­ durch den Druck quantitativ zu ermitteln, den ein über die Schiene rollendes Rad auf den Biegesensor ausübt.

Um in einer Blockstrecke oder an sonstigen Stellen, bei­ spielsweise an den Brückenlagern der Magnetschienen von Magnetschwebebahnen, Signale an mehreren, aufeinanderfolgen­ den Stellen zu erzeugen und leicht auszuwerten, können die unter der Schiene im Längsabstand voneinander angeordneten Druck- oder Biegesensoren optisch Auskoppler aufweisen, die mit einem als durchgehenden Lichtwellenleiter ausgebildeten, langgestreckten Sensorelement verbunden sind und unter Druck- bzw. Biegebeanspruchung der Sensoren einen Teil des im Sensorelementkern geführten Primärlichtes in den licht­ durchlässigen Sesnsorelementmantel auskoppeln, an welchem Signal-Lichtwellenleiter angeschlossen sind, die zu Signal- Detektoren führen. Die Auskoppler können gewellte Druckplat­ ten oder optische Prismen sein, die aus einem optisch dich­ teren Medium bestehen. Die von einer Lichtquelle zentral mit Primärlicht versorgten Sensoren lassen durch Druckeinwirkung einen Teil der Lichtstrahlen in den Mantel des langgestreck­ ten Sensorelementes übertreten, von wo aus die ausgekoppelten Lichtstrahlen in einen Signal-Lichtwellenleiter gelangen, der vom Mantel des Sensorelementes abzweigt und zu einem Detektor führt.

Für einen Streckenblock kann je ein faseroptischer Druck- oder Biegesensor am Anfang und am Ende einer Blockstrecke angeordnet sein. Die Sensoren wirken dan als Schienen­ kontakte, die von der ersten bzw. letzten Achse des in die Blockstrecke einfahrenden bzw. ausfahrenden Zuges umgeschal­ tet werden. Die faseroptischen Druck- oder Biegesensoren können auch an Achszähleinrichtungen angeschlossen sein, die in vorteilhafter Weise digitale Zähleinrichtungen sein können, welche die von den faseroptischen Sensoren ausge­ sandten oder ausgekoppelten Lichtimpulse unmittelbar auf­ nehmen und verarbeiten. Eine Analog-Digitalumwandlung ist hierbei nicht erforderlich.

Die Lichtwellenleiter, die zur Übertragung optischer Signale und/oder als faseroptische Sensoren dienen, können im Inneren der Fahr- oder Tragschienen angeordnet sein, wenn diese aus Faserverbundwerkstoffen, beispielsweise GFK od. dgl. herge­ stellt sind.

Um das Gewicht des über das Gleis fahrenden Zuges und damit den Typ des Zuges festzustellen, können die Sensoren auch an optische Kraftmeßvorrichtungen angeschlossen sein.

Um die mechanische Beanspruchung der Schwellen zu über­ wachen, ist es zweckmäßig, wenn als Lichtwellenleiter aus­ gebildete faseroptische Sensoren an den Schwellen in deren Längsrichtung angeordnet und mindestens auf einem Teil von deren Länge mit diesen verbunden sind. Verformungen der Schwellen, beispielsweise Durchbiegungen, erzeugen dann Längenänderungen der an den Schwellen befestigten Licht­ wellenleiter, die eine Änderung der Dämpfung des in den Sensor eingestrahlten Lichtes zur Folge haben, die als Maß für die Durchbiegung ausgewertet werden kann. Je nach Art der zu überwachenden Schwellen, die aus Holz, Stahlbeton, Stahl oder Kunststoff bestehen können, ist es möglich, die als Lichtwellenleiter ausgebildeten faseroptischen Sensoren außen an den Schwellen anzukleben oder im Inneren der Schwellen einzubetten. Hierbei können die Lichtwellen­ sensoren auch in die Bewehrungseinlagen der Schwellen integriert werden, was dann besonders zweckmäßig ist, wenn als Bewehrungselemente in geeignete Kunststoffe ein­ gebettete Glasfaserbündel verwendet werden, deren E-Modul dem Elastizitätsmodul des Lichtwellenleiters wenigstens an­ nähernd entspricht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Beispielen näher erläutert sind. Es zeigt

Fig. 1 das Gleis einer Eisenbahnlinie im Bereich einer Blockstrecke in einer Draufsicht,

Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 in einem Quer­ schnitt nach Linie II-II und

Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 1 in einem Teil­ längsschnitt nach Linie III-III in sche­ matischer und verzerrter Darstellung.

In den Zeichnungen ist mit 10 das Gleis einer Eisenbahn des öffentlichen Verkehrs bezeichnet, welches mehrere Block­ strecken 11 durchläuft, von denen in Fig. 1 nur eine angedeu­ tet ist. Das Gleis 10 ist wie üblich aus Schienen 12 und Schwellen 13 aufgebaut, die im Längsabstand voneinander an­ geordnet und in einem nicht näher dargestellten Schotterbett verlegt oder auf einer anderen Unterlage, beispielsweise auf Brückenträgern, befestigt sind. Zum Überwachen und Steuern der über das Gleis 10 in die Blockstrecke 11 einfahrenden und wieder ausfahrenden Züge, von denen in Fig. 2 nur ein Waggon 14 schematisch angedeutet ist, ist am Anfang A und am Ende E der Blockstrecke 11 je eine Meldestelle 15 bzw. 16 vorgesehen, die in ein faseroptisches Steuerungssystem integriert ist, das in seiner Gesamtheit mit 17 bezeichnet ist. Das faseroptische Steuerungssystem besteht aus einem Lichtwellenleiter 18 zur Übertragung optischer Signale, an dessen einem Ende 18 a Primärlicht eingekoppelt wird, das von einem hier nicht näher dargestellten Lichtwellensender stammt und hier nur durch den Pfeil 19 angedeutet ist. Der Lichtwellenleiter 18 ist unter der in Fahrtrichtung 20 linken Schiene 12 oder seitlich neben dieser so angeordnet, daß er von der befahrenen Schiene normalerweise nicht beeinflußt wird. Zu diesem Zwecke kann er beispielsweise in einer Aus­ nehmung 21 des Schienenfußes 12 a geführt sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, es ist aber auch möglich, den Über­ tragungs-Lichtwellenleiter am Schienensteg 12 b zu befestigen.

Im Bereich der Meldestellen 15 und 16 sind zwischen Schiene 12 und Schwelle 13 faseroptische Drucksensoren 22 und 23 an­ geordnet. Diese Drucksensoren können an sich bekannte Ver­ schiebungssensoren sein, bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel sind diese Drucksensoren 22 und 23 jedoch Mikro­ biegungssensoren, von denen einer in Fig. 3 schematisch stark vergrößert dargestellt ist. Der Mikrobiegungssensor besteht aus einem langgestreckten Sensorelement 24, das Teil des durchgehenden Lichtwellenleiters 18 sein kann, der als Multimode-Lichtwellenleiter ausgebildet ist und einen Sensor­ elementkern 24 a aus optisch durchlässigem Material und einen den Kern umgebenden Sensorelementmantel 24 b aufweist, der ebenfalls aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, welches jedoch dichter ist als das Material des Kernes 24 a. Oberhalb und unterhalb des Sensorelementes 24 und diametral einander gegenüberliegend sind zwei gewellte Druckplatten 25 und 26 angeordnet, von denen die Druckplatte 25 zwischen Schwelle 13 und Sensorelement 24 und die Druckplatte 26 zwi­ schen dem Sensorelement 24 und der Schiene 12 liegt. Unmit­ telbar neben der Druckplatte 25 ist an den Sensorelement­ mantel 24 b des Sensorelementes 24 ein Signal-Lichtwellen­ leiter 27 faseroptisch derart angeschlossen, daß der Kern 27 a dieses Lichtwellenleiters mit dem Mantel 24 b des Sensor­ elementes in lichtleitender Verbindung steht.

Wenn ein Rad 28 eines Schienenfahrzeuges 14 über die Schiene 12 rollt und den Drucksensor 22 erreicht, wird das lang­ gestreckte Sensorelement 24 zwischen den beiden gewellten Druckplatten 25 und 26 zusammengedrückt, wodurch sich die Grenzfläche zwischen dem Kern 24 a und dem Mantel 24 b des Sensorelementes 24 verformt. Einzelne Lichtwellen des in das Sensorelement 24 eingespeisten Lichtes, die sich durch Totalreflexion im Sensorelement fortpflanzen, können hier­ durch in den Sensorelementmantel 24 b eintreten, werden an dessen äußerer Grenzfläche reflektiert und gelangen unter einem anderen Winkel durch den Sensorelementkern 24 a hin­ durch in die gegenüberliegende Seite des Sensorelement­ mantels 24 b, von wo aus sie in den Kern des Signal-Licht­ wellenleiters 27 eintreten, in dem sie in Pfeilrichtung als ausgekoppelte Signale I ₁ einem nicht näher dargestell­ ten Detektor zugeführt werden, von wo aus sie zu Schalt­ impulsen weiterverarbeitet werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß in der in Fig. 3 gezeigten Darstellung das Sensorelement und die Signal-Lichtwellen­ leiter sowie auch die Druckplatten 25 und 26 übertrieben groß dargestellt sind, um die Wirkungsweise deutlich zu machen. In Wirklichkeit sind die Größenverhältnisse anders.

In ähnlicher Weise ist auch der Drucksensor 23 am Ende E der Blockstrecke 11 ausgebildet, dessen Signal-Lichtwellen­ leiter mit 29 bezeichnet ist.

Anstelle von Drucksensoren, die zwischen der Schiene 12 und den Schwellen 13 angeordnet sind, können auch Biegesensoren 30 vorgesehen werden, die in Fig. 1 unter der in Fahrtrich­ tung 20 rechten Schiene in strichierten Linien angedeutet sind und sich unter der Schiene zwischen zwei Schwellen befinden. Diese faseroptischen Biegesensoren 30 nehmen die Durchbiegung der Schiene 12 unter den über die Schiene rol­ lenden Rädern auf und erzeugen ein optisches Signal, das durch hier nicht näher dargestellte Übertragungs-Lichtwellen­ leiter einer Auswertevorrichtung zugeführt wird.

Sowohl die Drucksensoren 22 als auch die Biegesensoren 30 können an digitale Achszähleinrichtungen angeschlossen wer­ den, die jedoch hier nicht näher dargestellt sind. Wenn die Schienen 12 nicht aus Stahl, sondern aus Faserverbundwerk­ stoffen bestehen, können sowohl die Übertragungs-Lichtwellen­ leiter 18 als auch die faseroptischen Sensoren 22, 23 und 30 in den Fahrschienen integriert sein. Bei Einschienenbahnen, deren Tragschienen oft an Ort und Stelle hergestellt werden, können die Lichtwellenleiter in die Tragschiene mit ein­ gebettet werden. Ferner ist es möglich, die faseroptischen Drucksensoren an Kraftmeßvorrichtungen anzuschließen, um das Gewicht des über das Gleis rollenden Zuges zu ermitteln und hieraus auf dessen Art zu schließen, was für die Steue­ rung von Wichtigkeit sein kann.

Um die Biegebeanspruchung der Schwellen 13 durch den über das Gleis 10 fahrenden Zug festzustellen, sind faseroptische Überwachungssysteme 31 und 32 vorgesehen. Bei dem Über­ wachungssystem 31 ist ein als Dehnungssensor 33 ausgebilde­ ter Lichtwellenleiter in einer Schleife im Bereich der Zug­ zone durch die Schwelle 13 geführt, die hier als Beton­ schwelle ausgebildet ist. Alle Dehnungssensoren 33, welche die Schwellen 13 überwachen, sind an einen Übertragungs- Lichtwellenleiter 34 angeschlossen, welcher das von einem Sender kommende, eingekoppelte Licht I ₀ zu einem nicht näher dargestellten Empfänger weiterleitet, in dem die Dämpfungsunterschiede registriert werden, die infolge der Durchbiegung der Schwellen unter Last in den Dehnungs­ sensoren 33 hervorgerufen werden.

Bei dem faseroptischen Überwachungssystem 32 wird ein Teil eines jeden Primärlichtstrahles I ₀ durch teildurchlässige Spiegel 35 in jeweils einen Dehnungssensor ausgekoppelt, der im Bereich der Zugzone an der Schwelle 13 befestigt ist und dessen Kernfaser am Ende verspiegelt ist. An diesem End­ spiegel 37 wird der ausgespiegelte Lichtwellenteil reflek­ tiert und gelangt über den Spiegel in den Übertragungs- Lichtwellenleiter zurück, wobei die ausgekoppelten Licht­ strahlen I _A einem Empfänger zugeführt und dann ausgewertet werden. Auch bei diesem faseroptischen Überwachungssystem ist die Änderung der Dämpfung im Dehnungssensor ein Maß für die Biegebeanspruchung der Schwellen 13.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind meh­ rere Änderungen und Ergänzungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die Deh­ nungssensoren auch außen an den Schwellen aufgeklebt sein oder im Inneren der Bewehrungselemente angeordnet werden, wenn die Schwellen beispielsweise vorgespannte Beton­ schwellen sind. Insbesondere dann, wenn die Bewehrungs­ elemente der Schwellen aus Faserverbundwerkstoffen, bei­ spielsweise in Kunststoff eingebetteten Glasfasern, be­ stehen, ist es zweckmäßig, die Dehnungssensoren in die Bewehrungselemente zu integrieren. Ferner ist es möglich, die Druck- oder Biegesensoren anders auszubilden, wenn sich hierfür im Einzelfall Vorteile ergeben.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Überwachen und/oder Steuern eines schie­ nengebundenen Verkehrs, bei der am Tragkörper oder Gleis von den Fahrzeugen betätigte Melde- oder Zugeinwirkungs­ stellen vorgesehen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Melde- oder Zugeinwirkungs­ stellen (15, 16) faseroptische Sensoren (22, 23, 24, 30, 33, 36) aufweisen, die durch Druckeinwirkung oder Biege­ beanspruchung beeinflußt werden und an Lichtwellenleiter (18, 34) zur Übertragung optischer Signale angeschlossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen einer Schiene (12) und mindestens einzelnen Schwellen (13) des Gleises (10) faseroptische Drucksensoren (22, 23) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter einer Schiene (12) zwischen zwei Schwellen (13) des Gleises (10) ein faseroptischer Biegesensor (30) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die unter der Schiene (12) im Längsabstand voneinander angeordne­ ten Druck- oder Biegesensoren (22, 23 bzw. 30) optische Auskoppler (25, 26) aufweisen, die mit einem als durch­ gehenden Lichtwellenleiter ausgebildeten, langgestreck­ ten Sensorelement (24) verbunden sind und unter Druck- bzw. Biegebeanspruchung der Sensoren einen Teil des im Sensorelementkern (24 a) geführten Primärlichtes (I ₀) in den lichtdurchlässigen Sensorelementmantel (24 b) aus­ koppeln, an welchen Signal-Lichtwellenleiter (27) an­ geschlossen sind, die zu Signal-Detektoren führen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß je ein faseroptischer Druck- oder Biegesensor (22, 23 bzw. 30) am Anfang (A) und am Ende (E) einer Blockstrecke (11) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die faseroptischen Druck- oder Biegesensoren (22, 23 bzw. 30) an Achszähleinrichtungen angeschlossen sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (18, 34 bzw. 24), die zur Übertragung optischer Signale und/oder als faseroptische Sensoren dienen, im Inneren von aus Faserverbundwerkstoffen her­ gestellten Fahr- oder Tragschienen (12) angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensoren an Kraftmeßvorrichtungen angeschlossen sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die faseroptischen Sensoren (33) Lichtwellenleiter sind, die an den Schwellen (13) in deren Längsrichtung an­ geordnet und mindestens auf einem Teil von deren Länge mit diesen verbunden sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleitersensoren (33) in Bewehrungseinlagen der Schwellen integriert sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleitersensoren (33) auf ganzer Länge auf die Außenfläche der Schwellen (13) aufgeklebt sind.