EP1746009A2 - Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereichs - Google Patents
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- B61L1/187—Use of alternating current
Definitions
- the invention relates to a circuit arrangement for monitoring the occupancy state of a switch or a track area by means of a track circle, wherein during the driving of the track circuit by a rail vehicle, a resulting damping and resonance frequency change is detectable coupled with a synchronous rectifier for correlation in the track circuit coupled out of the track circuit Signals, which is connected via a low-pass filter with a controller for the evaluation of the correlation signal.
- This effective range is a 6 to 12 m long track section, which is formed by means of a capacitive connection between the rails and the inductances of the rails as a resonant circuit.
- the controller detects damping and resonant frequency changes during a rail vehicle encounter, caused by axle shorting and damping by the iron masses of the car body. Since a Achskurz gleich when driving through a road vehicle, such as a railroad crossing, can not be done, resulting in a distinctness of road and rail vehicles.
- the invention has for its object to overcome these disadvantages and to provide a circuit arrangement of the generic type, in the component scattering and component failure can be detected in a simple manner.
- the controller drives a frequency generator whose output signal is coupled via an output stage in the track circuit, that the frequency generator generates a first control signal, via a first cyclically controlled by the controller with Invert istssignale exclusive / OR gate to a first control input of the synchronous rectifier is guided, in that a signal input of the synchronous rectifier is connected to the signal coupled out of the track circuit and that the controller has means for evaluating and comparing the magnitude values of the inverted and non-inverted correlation signals.
- the synchronous rectifier, the low-pass filter and the A / D converter in the controller are operated with cyclically altered signals in such a way that results in a high dynamics and value variety, the actual task, namely the target-actual test can be met without interruptions.
- the Exclusive / OR gate acts as a controlled inverter. When the inversion signal is inactive, the original signals are output from the frequency generator to the synchronous rectifier. When the inversion signal is active, the signals are inverted. As a result of the inverted drive, the synchronous rectifier still outputs the same magnitude value of rectified voltage. Only the sign of the rectified voltage changes with respect to that with non-inverted control. DC errors, non-linearities, and other errors cause the magnitude value to change sign-dependent. This "two-quadrant check" results in a simple error detection.
- a further synchronous rectifier is provided, which is also controlled inverting and non-inverting.
- the controller sequentially outputs all four bit combinations, which can be represented by the two inversion signals for the two synchronous rectifiers.
- the output stage according to claim 5 can be realized with a gain which can be switched down by the controller in one or more stages.
- This drive can also be referred to as amplitude modulation or resampling. If changes to the stresses occur as a result of a change in amplification, extensive freedom from defects can be assumed. For testing purposes, the gain can be switched down at regular intervals for a short time.
- the described sign changes and the amplitude modulation require a certain amount of time to be measurable over all filter effects for the controller.
- at least one of the two test methods namely change of sign and amplitude modulation, can be temporarily suspended according to claim 6. If the sign change is suspended, the last state can remain until further notice. If the amplitude modulation is suspended, the gain should preferably be set to maximum. As soon as the vehicle has left the track section, it is again possible to proceed with the sign-variable two-quadrant test or four-quadrant test and possibly the amplitude modulation.
- a PLL (Phase Locked Loop) element for frequency stabilization can be provided instead of the frequency generator.
- Figure 1 illustrates a track circuit 1, which forms a resonant circuit of inductance forming rail portions 2a and 2b and a capacitor 3.
- a low-frequency signal with a frequency of 20 to 30 Hz is coupled.
- a controller 4 which is connected via a frequency generator 5 and an output stage 6 for amplifying the frequency signal to the track circuit 1.
- the frequency generator 5 which can be set by the controller 4 generates two output signals f osz and f osz + 90 ° , which are identical in magnitude, but offset by 90 °.
- the two output signals f osz and f osz + 90 ° can be fed back to the controller 4 for the purpose of checking.
- the output signals f osz and f osz + 90 ° of the frequency generator 5 are respectively connected via exclusive / OR gates 7 and 7.1 with control inputs of two synchronous rectifiers 8 and 8.1, whose output signals are each passed through low-pass filters 9 and 9.1 to the controller 4.
- the exclusive OR gates 7 and 7.1 are clocked by the controller 4 with inverted and non-inverted signals INV_REAL and INV_IMAG driven, so that the synchronous rectifiers 8 and 8.1 are applied alternately with positive and negative control signals.
- the signal to be coupled into the track circuit 1 is fed to the controller 4 via a peak value rectifier 10 as a setpoint value U oszSoll .
- the decoupled from the track circuit 1 signal forms the signal input of both the synchronous rectifier 8 and the synchronous rectifier 8.1.
- the synchronous rectifiers 8 and 8.1 the two signals representing the input and the output of the track circuit 1 are virtually superimposed, so that correlation signals U Korr and U Korr + 90 ° to be evaluated and compared by the controller 4 are generated via the downstream low-pass filters 9 and 9.1.
- the controller 4 carries out with the Pythagorean theorem an absolute value calculation of the correlation voltages U Korr and U Korr + 90 ° .
- Error states can thus be quickly and reliably detected and corrected.
- a controller By taking advantage of the usual skills A controller, the addition of less affordable components and correspondingly adapted processes can be avoided, much more expensive circuit alternatives.
- the controller 4 generates from the inverted and non-inverted correlation voltages U Korr and U Korr + 90 ° by magnitude value determination an output signal which activates a free or busy message 11 of the considered track section.
- the controller 4 may be connected to a diagnostic module 12, which polls certain parameters and / or a diagnostic device 13, which evaluates controller states.
- the invention is not limited to the embodiment given above. Rather, a number of variants are conceivable, which make use of the features of the invention even with fundamentally different type of execution.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereiches mittels eines Gleiskreises, wobei während der Befahrung des Gleiskreises durch ein Schienenfahrzeug eine resultierende Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung detektierbar ist, mit einem Synchrongleichrichter zur Korrelation in den Gleiskreis eingekoppelter mit aus dem Gleiskreis ausgekoppelten Signalen, der über einen Tiefpassfilter mit einem Kontroller zur Auswertung des Korrelationssignals verbunden ist.
- Bei Weichensteuerungen muss gewährleistet sein, dass ein nachfolgendes Fahrzeug die Weiche nicht umstellen kann, wenn sich noch ein vorausfahrendes Fahrzeug im Bereich der Weiche befindet. Unabhängig von der Zuglänge darf der Gleisabschnitt erst wieder freigemeldet werden, wenn die Metallmasse des letzten Wagens den Wirkbereich verlassen hat. Dieser Wirkbereich ist ein 6 bis 12 m langer Gleisabschnitt, der mittels einer kapazitiven Verbindung zwischen den Schienen und den Induktivitäten der Schienen als Schwingkreis ausgebildet ist.
- Der Controller detektiert Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderungen während der Befahrung durch ein Schienenfahrzeug, die durch Achskurzschluss und Bedämpfung durch die Eisenmassen des Wagenkastens hervorgerufen werden. Da ein Achskurzschluss bei Befahrung durch ein Straßenfahrzeug, beispielsweise an einen Bahnübergang, nicht erfolgen kann, ergibt sich eine Unterscheidbarkeit von Straßen- und Schienenfahrzeugen.
- Aus der
DE 103 20 680 A1 ist eine gattungsbildende Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Detektion der Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung durch Korrelation der in den Gleiskreis ein- und ausgekoppelten Signale erfolgt. Die Differenzierung zwischen Gleiskreisbeeinflussung durch Achskurzschluss oder Eisenmasse erfolgt durch Bewertung der Höhe der Korrelationsspannung. Der Einsatz für hochzuverlässige Anwendungen wird jedoch durch komplexe Fehlermöglichkeiten erschwert. Synchrongleichrichter, Tiefpassfilter sowie die A/D-Wandler im Controller können durch Bauteilstreuung begründete Gleichspannungsfehler Nichtlinearitäten oder Drifteffekte aufweisen. Weiterhin können solche Effekte durch Bauteilausfälle auftreten. Der A/D-Wandler im Controller kann durch Ausfälle zusätzlich noch den Effekt zeigen, dass einzelne Bits oder Bitmuster nicht mehr aktiviert werden können oder ständig aktiviert sind. Um der Bauteilstreuung zu begegnen, sind besonders präzise und damit teuer Bauteile erforderlich. Gegen Defekte kann der in derDE 103 20 680 A1 vorgeschlagene redundante Korrelationsempfänger eingesetzt werden. Die vielen zusätzlichen Bauteile erhöhen jedoch deutlich die Kosten und reduzieren die Verfügbarkeit. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der Bauteilstreuung und Bauteilausfall auf einfache Weise detektierbar sind.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Controller einen Frequenzgenerator ansteuert, dessen Ausgangssignal über eine Endstufe in den Gleiskreis einkoppelbar ist, dass der Frequenzgenerator ein erstes Steuersignal erzeugt, das über ein erstes vom Controller zyklisch mit Invertierungssignalen ansteuerbares Exklusiv/Oder-Gatter auf einen ersten Steuereingang des Synchrongleichrichters geführt ist, dass ein Signaleingang des Synchrongleichrichters mit dem aus dem Gleiskreis ausgekoppelten Signal verbunden ist und dass der Controller Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte der invertierten und nicht invertierten Korrelationssignale aufweist. Der Synchrongleichrichter, der Tiefpassfilter sowie die A/D-Wandler im Controller werden derart mit zyklisch veränderten Signalen betrieben, dass sich eine hohe Dynamik und Wertevielfalt ergibt, wobei die eigentliche Aufgabe, nämlich die Soll-Ist-Prüfung ohne Unterbrechungen erfüllt werden kann. Das Exklusiv/Oder-Gatter wirkt als gesteuerter Inverter. Bei inaktivem Invertierungssignal werden die Originalsignale von dem Frequenzgenerator an den Synchrongleichrichter abgegeben. Bei aktivem Invertierungssignal werden die Signale invertiert. Als Folge der invertierten Ansteuerung gibt der Synchrongleichrichter immer noch denselben Betragswert gleichgerichteter Spannung ab. Nur das Vorzeichen der gleichgerichteten Spannung wechselt gegenüber dem bei nicht invertierter Ansteuerung. Gleichspannungsfehler, Nichtlinearitäten und andere Fehler führen dazu, dass sich der Betragswert vorzeichenabhängig ändert. Mittels dieser "Zweiquadrantenprüfung" ergibt sich eine einfache Fehlererkennung.
- Gemäß Anspruch 2 ist ein weiterer Synchrongleichrichter vorgesehen, der ebenfalls invertierend und nicht invertierend ansteuerbar ist. Somit lässt sich eine "Vierquadrantenprüfung" durchführen. Dazu gibt der Controller nacheinander alle vier Bitkombinationen aus, die sich mit den beiden Invertierungssignalen für die beiden Synchrongleichrichter darstellen lassen. Solange der erwartete Vorzeichenwechsel erfolgt und nicht mehr als die üblicherweise zu erwartenden Änderungen der Betragswerte beobachtet werden, ist von einer weitgehenden Defektfreiheit auszugehen.
- Solange sich die Änderungen der Betragswerte im aufgrund von Gleichspannungsfehler Nichtlinearitäten usw. zu erwartenden Rahmen bewegen, können diese Tolleranzen gemäß Anspruch 3 durch Mittelwertbildung der Betragswerte eliminiert werden.
- Auch eine Ermittlung der Nulllage, d. h. des Ursprungs der Korrelationssignale, ist gemäß Anspruch 4 im laufenden Betrieb möglich.
- Zur Erhöhung der Dynamik und der Wertevielfalt der auszuwertenden und zu vergleichenden Korrelationssignale, d. h. der zu verarbeitenden Spannungswerte, kann die Endstufe gemäß Anspruch 5 mit einer vom Controller in einer oder mehreren Stufen herunterschaltbaren Verstärkung realisiert werden. Diese Ansteuerung kann auch als Amplitudenmodulation oder -Umtastung bezeichnet werden. Erfolgen auf eine veränderte Verstärkung entsprechende Änderungen der Spannungen, kann weitgehende Defektfreiheit angenommen werden. Zu Prüfzwecken kann in regelmäßigen Abständen die Verstärkung für eine kurze Zeit herunter geschaltet werden.
- Die beschriebenen Vorzeichenwechsel und die Amplitudenmodulation benötigen eine gewisse Zeit, um über alle Filterwirkungen hinweg für den Controller messbar zu werden. Um bei einer Befahrung schnell reagieren zu können, kann gemäß Anspruch 6 mindestens eines der beiden Prüfverfahren, nämlich Vorzeichenwechsel und Amplitudenmodulation, zeitweise ausgesetzt werden. Wird der Vorzeichenwechsel ausgesetzt, kann der letzte Zustand bis auf weiteres bestehen bleiben. Wird die Amplitudenmodulation ausgesetzt, ist die Verstärkung vorzugsweise auf Maximum zu stellen. Sobald das Fahrzeug den Gleisabschnitt verlassen hat, kann wieder mit der vorzeichenvariablen Zweiquadrantenprüfung bzw. Vierquadrantenprüfung und ggf. der Amplitudenmodulation fortgefahren werden.
- Weiterhin kann gemäß Anspruch 7 anstelle des Frequenzgenerators ein PLL (Phase Locked Loop)-Element zur Frequenzstabilisierung vorgesehen sein.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer figürlichen Darstellung näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Blockschaltbild eines Weichensperrkreis-Korrelationsdetektors und
- Figur 2
- ein Quadrantendiagramm.
- Figur 1 veranschaulicht einen Gleiskreis 1, der einen Schwingkreis aus Induktivitäten bildenden Schienenbereichen 2a und 2b und einem Kondensator 3 bildet. In diesem Gleiskreis 1 wird ein NF-Signal mit einer Frequenz von 20 bis 30 Hz eingekoppelt. Dazu dient ein Controller 4, der über einen Frequenzgenerator 5 und eine Endstufe 6 zur Verstärkung des Frequenzsignals mit dem Gleiskreis 1 verbunden ist. Der vom Controller 4 einstellbare Frequenzgenerator 5 erzeugt zwei Ausgangssignale fosz und fosz+90°, die betragmäßig identisch, aber um 90° versetzt sind. Die beiden Ausgangssignale fosz und fosz+90° können zwecks Überprüfung auf den Controller 4 zurückgeführt sein. Die Ausgangssignale fosz und fosz+90° des Frequenzgenerators 5 sind jeweils über Exklusiv/Oder-Gatter 7 und 7.1 mit Steuereingängen zweier Synchrongleichrichter 8 und 8.1 verbunden, deren Ausgangssignale jeweils über Tiefpassfilter 9 und 9.1 auf den Controller 4 geführt sind. Die Exklusiv/Oder-Gatter 7 und 7.1 werden vom Controller 4 getaktet mit invertierten und nicht invertierten Signalen INV_REAL und INV_IMAG angesteuert, so dass die Synchrongleichrichter 8 und 8.1 abwechseln mit positiven und negativen Steuersignalen beaufschlagt werden.
- Das in den Gleiskreis 1 einzukoppelnde Signal ist über einen Spitzenwertgleichrichter 10 als Soll-Wert UoszSoll auf den Controller 4 geführt. Das aus dem Gleiskreis 1 ausgekoppelte Signal bildet den Signaleingang sowohl des Synchrongleichrichters 8 als auch des Synchrongleichrichters 8.1. In den Synchrongleichrichtern 8 und 8.1 werden die beiden den Eingang und den Ausgang des Gleiskreises 1 repräsentierenden Signale quasi überlagert, so dass über die nachgeschalteten Tiefpassfilter 9 und 9.1 vom Controller 4 auszuwertende und zu vergleichende Korrelationssignale UKorr und UKorr + 90° erzeugt werden. Dazu führt der Controller 4 mit dem Satz des Pythagoras eine Betragswertberechnung der Korrelationsspannungen UKorr und UKorr + 90° aus. Durch Betragswertvergleich der invertierten und nicht invertierten und damit vorzeichenverschiedenen Korrelationsspannungen UKorr und UKorr + 90° können Fehler verschiedenster Art insbesondere aufgrund von Bauteilstreuung oder Bauteilausfall, sofort erkannt werden. Eine weitere Erhöhung der Wertevielfalt kann erreicht werden, indem die Endstufe 6 vom Controller 4 mit einer Amplitudenmodulation angesteuert wird.
- Auch ohne Befahrung können bei Ansteuerung zweiter Synchrongleichrichter 8 und 8.1 durch Invertierungssignale INV_REAL und INV_INAG in Verbindung mit zwei verschiedenen Amplituden der Endstufe 6 acht verschiedene Betragswerte UKORR_BETRAG bzw. UKORR_BETRAG_MOD der Korrelationsspannungen UKorr bzw. UKorr + 90° erzeugt werden, wie Figur 2 in einer Vierquadrantendiagrammdarstellung durch Pfeile zeigt. Die Nulllage, d. h. der Ursprung der Korrelationsspannungen UKorr und UKorr + 90° wird vom Controller 4 ermittelt, indem UKorr = OV und UKorr + 90° = OV gesetzt werden.
- Fehlerzustände können somit schnell und sicher erkannt und behoben werden. Durch die Ausnutzung der üblichen Fähigkeiten eines Controllers, dem Hinzufügen weniger preisgünstiger Bauteile und entsprechend angepassten Abläufen können wesentlich teuere Schaltungsalternativen vermieden werden.
- Letztlich erzeugt der Controller 4 aus den invertierten und nicht invertierten Korrelationsspannungen UKorr und UKorr + 90° durch Betragswertermittlung ein Ausgangssignal, das eine Frei- oder Besetztmeldung 11 des betrachteten Gleisabschnittes ansteuert. Außerdem kann der Controller 4 mit einem Diagnosemodul 12, welches bestimmte Parameter abfragt und/oder einer Diagnoseeinrichtung 13, welche Controllerzustände auswertet, verbunden sein.
- Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.
Claims (7)
- Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereichs mittels eines Gleiskreises (1), wobei während der Befahrung des Gleiskreises (1) durch ein Schienenfahrzeug eine resultierende Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung detektierbar ist, mit einem Synchrongleichrichter (8) zur Korrelation in den Gleiskreis (1) eingekoppelter mit aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signalen, der über einen Tiefpassfilter (9) mit einem Controller (4) zur Auswertung des Korrelationssignals (UKorr) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Controller (4) einen Frequenzgenerator (5) ansteuert, dessen Ausgangssignal über eine Endstufe (6) in den Gleiskreis (1) eingkoppelbar ist,
dass der Frequenzgenerator (5) ein erstes Steuersignal (fosz) erzeugt, das über ein erstes vom Controller (4) zyklisch mit Invertierungssignalen (INV_REAL) ansteuerbares Exklusiv/Oder-Gatter (7) auf einen Steuereingang des Synchrongleichrichters (8) geführt ist,
dass ein Signaleingang des Synchrongleichrichters (8) mit dem aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signal verbunden ist und
dass der Controller (4) Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte (UKORR_BETRAG) der invertierten und nicht invertierten Korrelationssignale (UKorr) aufweist. - Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Frequenzgenerator ein gegenüber dem ersten Steuersignal (fosz) um 90° versetztes zweites Steuersignal (fosz + 90°) erzeugt, das auf einen Steuereingang eines zweiten Synchrongleichrichters (8.1), der über einen zweiten Tiefpassfilter (9.1) mit dem Controller (4) verbunden ist, geführt ist,
dass dem zweiten Synchrongleichrichter (8.1) ein vom Controller (4) mit Invertierungssignalen (INV_IMAG) ansteuerbares zweites Exklusiv/Oder-Gatter (7.1) vorgeschaltet ist,
dass ein Signaleingang des zweiten Synchrongleichrichters (8.1) mit dem aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signal verbunden ist und
dass der Controller (4) Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte (UKORR_BETRAG) der invertierten und der nicht invertierten Korrelationssignale (UKorr, UKorr + 90°) aufweist. - Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Controller (4) eine erste Einrichtung zur Mittelwertbildung der Betragswerte (UKORR_BETRAG) der Korrelationssignale (UKorr, UKorr +90°) aufweist. - Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Controller (4) eine zweite Einrichtung zur Ermittlung der Nulllage der Korrelationssignale (UKorrr UKorr +90°) aufweist. - Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Endstufe (6) vom Controller (4) mit mindestens zwei verschiedenen Verstärkungsstufen zyklisch abwechselnd ansteuerbar ist. - Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Controller (4) Mittel zur Aussetzung der Invertierung der Korrelationssignale (UKorr) und/oder einen Verstärkerstufenwechsels der Endstufe (6) derart aufweist, dass maximal während der Zeit der Befahrung des Gleiskreises (1) ein vorzeichenkonstantes Korrelationssignal (UKorr) und/oder eine konstante Verstärkungsstufe einstellbar sind. - Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass anstelle des Frequenzgenerators (5) ein PLL (Phase Locked Loop)-Element zur Frequenzstabilisierung vorgesehen ist.
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