DE10249896A1 - Method and device for measuring the contact force of a pantograph - Google Patents

Method and device for measuring the contact force of a pantograph Download PDF

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer (3) und einer Stromleitung (2), wird mindestens ein am Stromabnehmer (2) angeordneter Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) unter dem Einfluss der Kontaktkraft mechanisch gedehnt. Ein in den Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) eingespeistes Lichtsignal (LS) wird aufgrund der mechanischen Dehnung in seinem Wellenlängengehalt verändert. Aus der kontaktkraftbedingten Wellenlängenänderung wird mittels Auswertung ein Maß für die Kontaktkraft bestimmt.In the method for measuring the contact force between a pantograph (3) and a power line (2), at least one fiber Bragg grating sensor (41) arranged on the pantograph (2) is mechanically stretched under the influence of the contact force. A light signal (LS) fed into the fiber Bragg grating sensor (41) is changed in its wavelength content due to the mechanical expansion. A measure of the contact force is determined from the change in wavelength caused by the contact force by means of evaluation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer und einer StromleitungThe invention relates to a method and a device for measuring the contact force between one Pantograph and a power line

Ein Schienentriebfahrzeug wird über eine Stromleitung in Form einer Oberleitung mit elektrischer Energie versorgt. Die Zuführung der Energie erfolgt mittels eines Stromabnehmers (= Pantograph). Hierbei ist ein ausreichender Kontakts zwischen der Stromleitung und dem Stromabnehmer von entscheidender Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Schienentriebfahrzeugs. Die tatsächlich vorhandene Kontaktkraft bestimmt aber auch den Verschleiß und möglicherweise auch die Beschädigung der Stromleitung und des Stromabnehmers. Die Kontaktkraft ist die Kraft, mit der eine Schleifleiste des Stromabnehmers gegen die Oberleitung (= Fahrdraht) gedrückt wird. Eine zu hohe Kontaktkraft sorgt für erhöhten Verschleiß am Fahrdraht und Schleifleiste, eine zu niedrige führt zu einem mangelnden elektrischen Kontakt. Letzteres ist die Ursache für eine Lichtbogenbildung und damit wiederum für erhöhten Verschleiß. Eine korrekt eingestellte Kontaktkraft ist folglich auch von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung.A railcar is powered by a power line supplied with electrical energy in the form of an overhead line. The feed the energy comes from a pantograph. Here there is sufficient contact between the power line and the pantograph is vital for functionality of the railcars. The actual contact force but also determines the wear and possibly also the damage to the Power line and pantograph. The contact force is the force with the one collector bar of the pantograph against the overhead line (= Contact wire) pressed becomes. Too high a contact force increases wear on the contact wire and contact strip, a too low leads to a lack of electrical Contact. The latter is the cause of arcing and with that again for increased Wear. A correctly set contact force is therefore also significant economic importance.

In dem Fachartikel „Aktiv geregelter, akustisch optimierter Einholmstromabnehmer" von W.Baldauf et al., eb – Elektrische Bahnen 100 (2002) 5, Seiten 182 bis 188, wird eine aktive Regelung zur Einstellung der Kontaktkraft beschrieben. Für eine derartige Regelung ist auch eine korrekte Erfassung des aktuellen Werts der Kontaktkraft erforderlich.In the article "Active controlled, acoustically optimized single-arm pantograph" by W. Baldauf et al., Eb - electric railways 100 (2002) 5, pages 182 to 188, an active regulation for setting the contact force is described. Correct recording of the current value of the contact force is also required for such a regulation.

Die Kontaktkraft wird bisher mittels Kraftmessdosen ermittelt. Diese sitzen an den Befestigungspunkten zwischen der Schleifleiste und der Stromabnehmerwippe. üblicherweise ist an jedem Ende der Schleifleiste ein Kraftsensor vorhanden, so dass für eine Wippe mit typischerweise zwei Schleifleisten insgesamt vier Kraftsensoren eingesetzt werden. Die Summe aus den allen vier gemessenen Kräften ergibt die Kontaktkraft.The contact force is so far Load cells determined. These sit at the attachment points between the contact strip and the pantograph head. usually there is a force sensor at each end of the contact strip, so that for one Rocker with typically two contact strips, a total of four force sensors be used. The sum of all four measured forces results the contact force.

Derzeit sind als Kraftsensoren fast ausschließlich elektrische Dehnungsmessstreifen (= DMS) im Einsatz. Die zu messende Kraft wird in einen Verformungskörper eingeleitet, welcher den DMS dehnt. Ungünstig ist allerdings, dass diese Art von Kraftsensor eine elektrische Energieversorgung benötigt. Der gesamte Stromabnehmer inklusive Schleifleiste befindet sich auf Hochspannung, typischerweise zwischen 1,5 kV und 25 kV, bei der Deutschen Bahn insbesondere 15 kV. Das Dehnungsmessstreifen-System ist auf Hochspannungspotential angeordnet und wird beispielsweise mittels Batterie gespeist. Beim Einsatz zweier Motorradbatterien kann man eine Operationsdauer des Systems von etwa 24 Stunden erreichen. Es gibt auch Versuche, die Energieversorgung direkt aus der Oberleitung zu gewinnen. Diese Lösungen sind jedoch sehr aufwändig und störanfällig.Currently, almost as force sensors exclusively electrical strain gauges in use. The one to be measured Force is in a deformation body initiated, which stretches the DMS. However, it is unfavorable that this type of force sensor requires an electrical power supply. The entire pantograph including the contact strip is located on High voltage, typically between 1.5 kV and 25 kV, at the Deutsche Bahn in particular 15 kV. The strain gauge system is arranged at high voltage potential and is, for example powered by battery. When using two motorcycle batteries one can achieve a system operating time of about 24 hours. There are also attempts to supply power directly from the overhead line to win. These solutions are, however, very complex and prone to failure.

Mit der DE 197 25 906 C1 wird eine faseroptische Einrichtung zur Ermittlung der Kontaktkraft offenbart. Diese arbeitet mit einem sogenannten Faserfühlhebel-Sensor. Die zu messende Kraft wird auf ein Federelement eingeleitet, welches sich verbiegt. Die Biegung wird als Wegänderung gemessen. Um eine ausreichende Auflösung zu erzielen, sind entsprechend große Wegänderungen nötig, dies bedingt bei einem typischen zwischen Schleifleiste und Oberleitung vorhandenen Anpressdruck von zwischen 70 N und 100 N verhältnismäßig große, d.h. voluminöse, Federelemente. Das erforderliche Bauvolumen steht aber im Widerspruch zu den aerodynamischen Anforderungen an einen Stromabnehmer, speziell bei einem Hochgeschwindigkeitszug. Die einschlägige Norm fordert nämlich, dass durch den Einbau von Sensorik der Luftwiderstand um nicht mehr als 5% ansteigen darf.With the DE 197 25 906 C1 discloses a fiber optic device for determining the contact force. This works with a so-called fiber feeler sensor. The force to be measured is applied to a spring element that bends. The bend is measured as a change in path. In order to achieve a sufficient resolution, correspondingly large changes in travel are necessary, due to the relatively large, ie voluminous, spring elements with a typical contact pressure of between 70 N and 100 N between the contact strip and overhead line. However, the required construction volume contradicts the aerodynamic requirements for a pantograph, especially for a high-speed train. The relevant standard requires that the installation of sensors must not increase the air resistance by more than 5%.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die verglichen mit dem Stand der Technik eine verbesserte Erfassung der Kontaktkraft ermöglichen.The object of the invention is now based on specifying a method and a facility that compared with the prior art an improved detection of the contact force enable.

Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.To solve the problem related to the procedure is a method according to the features of the independent claim 1 specified.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer und einer Stromleitung, bei demIn the method according to the invention is a method for measuring the contact force between a pantograph and a power line where

  • a) mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor am Stromabnehmer angebracht wird,a) at least one fiber Bragg grating sensor on Pantograph is attached
  • b) der Faser-Bragg-Gitter-Sensor unter dem Einfluss der Kontaktkraft mechanisch gedehnt wird,b) the fiber Bragg grating sensor under the influence of the contact force is mechanically stretched
  • c) ein in den Faser-Bragg-Gitter-Sensor eingespeistes Lichtsignal aufgrund der mechanischen Dehnung in seinem Wellenlängengehalt verändert wird, undc) a light signal fed into the fiber Bragg grating sensor due to the mechanical stretch in its wavelength content changed will, and
  • d) die kontaktkraftbedingte Wellenlängenänderung ausgewertet wird.d) the change in wavelength caused by contact force is evaluated.

Zur Lösung der die Einrichtung betreffenden Aufgabe wird eine Einrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 angegeben.To solve the task related to the facility becomes a device according to the features of the independent claim 9 specified.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung handelt es sich um eine Einrichtung zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer und einer Stromleitung umfassend mindestensIn the device according to the invention is a device for measuring the contact force comprising at least between a pantograph and a power line

  • a) einen als Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgebildeten Kraftsensor, der am Stromabnehmer so angeordnet ist, dass der Faser-Bragg-Gitter-Sensor unter dem Einfluss der Kontaktkraft mechanisch gedehnt wird,a) designed as a fiber Bragg grating sensor Force sensor, which is arranged on the pantograph so that the fiber Bragg grid sensor underneath the influence of the contact force is mechanically stretched,
  • b) Einspeisemittel zur Einspeisung eines Lichtsignals mit einem vorbestimmten Wellenlängengehalt in den Faser-Bragg-Gitter-Sensor, wobei die mechanische Dehnung eine Änderung des Wellenlängengehalts bewirkt, und b) feed means for feeding a light signal with a predetermined wavelength content into the fiber Bragg grating sensor, the mechanical elongation being a change in the wavelength content causes, and
  • c) Auswertemittel zur Auswertung der kontaktkraftbedingten Wellenlängenänderung.c) evaluation means for evaluating the contact force-related change in wavelength.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass ein faseroptischer Sensor in Form eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors eine deutlich verbesserte Erfassung der Kontaktkraft ermöglicht. Als optischer Sensor benötigt ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor keine elektrische Energieversorgung auf Hochspannungspotential. Vielmehr können die Energieversorgung und die Signalauslesung im Innern des Schienentriebfahrzeugs und damit auf Erdpotential erfolgen. Da ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor vom Wirkprinzip als optische Dehnungsmessstreifen verstanden werden kann, sind grundsätzlich die gleichen Konstruktionen wie beim Einsatz eines konventionellen elektrischen Dehnungsmessstreifens möglich, allerdings mit dem Vorteil einer intrinsischen Potentialtrennung aufgrund des optischen Wirkprinzips. Der Stromabnehmer, an dem der Faser-Bragg-Gitter-Sensor angeordnet ist, kann also ohne weiteres während des Messvorgangs unter elektrischer (Hoch)Spannung stehen. Andererseits hat ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor aber eine ähnliche hohe Empfindlichkeit wie ein elektrischer Dehnungsmessstreifen und benötigt deshalb im Gegensatz zu dem optischen Faserfühlhebel-Sensor kein großvolumiges Federelement.The invention is based on the Realization that a fiber optic sensor in the form of a fiber Bragg grating sensor enables a significantly improved recording of the contact force. Needed as an optical sensor a fiber Bragg grating sensor no electrical power supply at high voltage potential. Rather you can the energy supply and the signal reading inside the railcar and thus take place at earth potential. Because a fiber Bragg grating sensor can be understood from the principle of operation as optical strain gauges can, are fundamentally the same constructions as when using a conventional one electrical strain gauge possible, but with the advantage an intrinsic isolation based on the optical principle. The pantograph on which the fiber Bragg grating sensor is arranged can therefore be without further during of the measuring process are under electrical (high) voltage. on the other hand has a fiber Bragg grating sensor but a similar high sensitivity like an electrical strain gauge and therefore needed in contrast to the optical fiber feeler sensor, not a large one Spring element.

Mittels des Verfahrens und der Einrichtung gemäß der Erfindung lässt sich ein preiswertes On-line-Monitoring-System aufbauen, welches auf jedes Schienentriebfahrzeug montiert werden kann. Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit durch Aufladung einer Batterie treten bei diesem System dann nicht auf. Somit können die EU-Richtlinien zur Interoperabilität von Bahnsystemen leicht erfüllt werden.By means of the method and the device according to the invention let yourself build an inexpensive on-line monitoring system that works on every Rail locomotive can be mounted. limitations in terms of availability This system does not charge a battery. So you can the EU directives on interoperability of rail systems are easily met.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Einrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 abhängigen Ansprüchen.Advantageous embodiments of the Method and device according to the invention result from the claims dependent on claim 1 or claim 9.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen die:Preferred, but in no way limiting, exemplary embodiments The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. For clarification the drawing is not to scale, and certain features are shown schematically. Show in detail the:

1 eine Einrichtung zur Messung der Kontaktkraft eines Stromabnehmers, 1 a device for measuring the contact force of a pantograph,

2 einen Stromabnehmer mit zusätzlichem Dehnungselement für einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor, 2 a pantograph with an additional expansion element for a fiber Bragg grating sensor,

3 eine Schleifleiste eines Stromabnehmers mit direkter Anbringung der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren und 4 einen Stromabnehmer mit Federelement für einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor. 3 a contact strip of a pantograph with direct attachment of the fiber Bragg grating sensors and 4 a pantograph with spring element for a fiber Bragg grating sensor.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are in the 1 to 4 provided with the same reference numerals.

In 1 ist eine Einrichtung zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer 3 eines Schienentriebfahrzeugs 5 und einer Stromleitung 2 dargestellt. Im Betrieb bewegt sich das Schienentriebfahrzeug 5 in x-Richtung fort. Die hierfür erforderliche Energie wird dem Schienenfahrzeug über die Stromleitung 2 zugeführt.In 1 is a device for measuring the contact force between a pantograph 3 of a rail locomotive 5 and a power line 2 shown. The rail locomotive moves during operation 5 in the x direction. The energy required for this is supplied to the rail vehicle via the power line 2 fed.

Der konstruktive Aufbau des an sich bekannten Stromabnehmers 3 umfasst im Wesentlichen eine Schleifleiste 310, ein Haltegestell 36 für die Schleifleiste 310, eine Wippe 33 sowie elektrische Isolatoren 34, die die zuvor genannten Komponenten des Stromabnehmers 3 gegenüber dem Schienentriebfahrzeug 5 elektrisch isolieren. Die Schleifleiste 310 enthält einen Grundkörper 32 und ein Schleifelement 31.The construction of the pantograph known per se 3 essentially comprises a contact strip 310 , a holding frame 36 for the contact strip 310 , a seesaw 33 as well as electrical insulators 34 that the aforementioned components of the pantograph 3 compared to the railcar 5 isolate electrically. The contact strip 310 contains a basic body 32 and a grinding element 31 ,

Zur Erfassung der Kontaktkraft zwischen dem Stromabnehmer 3 und der Stromleitung 2 sind optisch abfragbare Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 41 vorgesehen. Sie sind an einem zusätzlichen zwischen der Schleifleiste 310 und dem Haltegestell 36 plat zierten Dehnungselement 42 so angebracht, dass auch sie die zur Kontaktkraft proportionale Dehnung des Dehnungselements 42 erfahren. Die mechanische Dehnung bewirkt eine Verschiebung der Bragg-Wellenlänge des zugehörigen Faser-Bragg-Gitter-Sensors 41. Dies bedeutet, dass ein Lichtsignal LS, das einen vorbestimmten Wellenlängengehalt aufweist und dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 über einen Lichtwellenleiter 47 zugeführt wird, bei Vorliegen einer entsprechenden Änderung der Kontaktkraft in seinem Wellenlängengehalt verändert wird. Das im Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 in seinem Wellenlängengehalt veränderte Lichtsignal wird mit LS' bezeichnet. Die Wellenlängenänderung ist ein Maß für die Messinformation, also die Kontaktkraft. Das im Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 beeinflusste Lichtsignal LS' läuft im Lichtwellenleiter 47 zurück zu einer Sende/Empfangseinheit 46 und wird dort mittels einer Auswerteeinheit 45 detektiert. In der Auswerteeinheit 45 kommt ein in der Faser-Bragg-Sensorik üblicher Detektor zum Einsatz, vorzugsweise ein Polychromator mit CCD- oder Photodioden-Zeile. Aus dem detektierten Signal wird in der Auswerteeinheit 45 ein Messwert für die gesuchte Kontaktkraft bestimmt .To measure the contact force between the pantograph 3 and the power line 2 are optically interrogable fiber Bragg grating sensors 41 intended. You are on an additional one between the contact strip 310 and the support frame 36 placed expansion element 42 attached in such a way that the expansion of the expansion element is proportional to the contact force 42 Experienced. The mechanical expansion causes a shift in the Bragg wavelength of the associated fiber Bragg grating sensor 41 , This means that a light signal LS that has a predetermined wavelength content and the fiber Bragg grating sensor 41 via an optical fiber 47 is supplied, in the presence of a corresponding change in the contact force in its wavelength content is changed. The one in the fiber Bragg grating sensor 41 the light signal which is changed in its wavelength content is referred to as LS '. The change in wavelength is a measure of the measurement information, i.e. the contact force. The one in the fiber Bragg grating sensor 41 influenced light signal LS 'runs in the optical fiber 47 back to a transmitting / receiving unit 46 and is there by means of an evaluation unit 45 detected. In the evaluation unit 45 a detector customary in fiber Bragg sensors is used, preferably a polychromator with a CCD or photodiode array. The detected signal becomes in the evaluation unit 45 a measured value for the sought contact force is determined.

Die Sende/Empfangseinheit 46 enthält ferner eine Lichtquelle 44, die das zur Abfrage benötigte Lichtsignal 42 mit dem vorbestimmten Wellenlängengehalt erzeugt. Ein Koppler 43 trennt ein- und ausgehende Lichtsignale LS bzw. LS' voneinander. Alle Komponenten der Sende/Empfangseinheit 46 befinden sich auf dem Potential des Schienentriebfahrzeugs 5, also auf Erdpotential. Demgegenüber sind die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 41 auf Hochspannungspotential, nämlich im Wesentlichen dem Potential der Stromleitung 2, angeordnet. Die erforderliche Potentialüberbrückung ist jedoch mittels der optischen Übertragungsstrecke über den Lichtwellenleiter 47 problemlos zu bewerkstelligen.The transmitting / receiving unit 46 also contains a light source 44 , which is the light signal required for the query 42 generated with the predetermined wavelength content. A coupler 43 separates incoming and outgoing light signals LS or LS 'from each other. All components of the transmitter / receiver unit 46 are at the potential of the rail vehicle 5 , so to earth potential. In contrast are the fiber Bragg grating sensors 41 to high voltage potential, namely essentially the potential of the power line 2 , arranged. However, the potential bridging required is by means of the optical transmission path via the optical waveguide 47 easy to do.

Im Beispiel von 1 ist ein reflektiver Aufbau gezeigt. Ein anderer optischer Aufbau, beispielsweise ein transmissiver, ist grundsätzlich ebenfalls möglich.In the example of 1 a reflective structure is shown. Another optical structure, for example a transmissive one, is in principle also possible.

Ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 ist sehr kompakt. Er hat typischerweise einen Durchmesser von ca. 200 um und eine Länge von ca. 10 mm. Er kann damit an fast jedem Ort angebracht werden.A fiber Bragg grating sensor 41 is very compact. It typically has a diameter of approximately 200 μm and a length of approximately 10 mm. It can be attached to almost any place.

Beim Ausführungsbeispiel von 1 ist ein zusätzliches Dehnungselement 42 (oder auch Deformationselement) zwischen der Schleifleiste 310 und der Wippe 33 angeordnet. Dieses Dehnungselement 42 ist so elastisch, dass eine Kontaktkraft von etwa 100 N eine Dehnung von vorzugsweise einigen 100 μstrain erzeugen kann. Damit lässt sich diese Dehnung durch einen beispielsweise einfach aufgeklebten Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 in Dehnungsmessstreifen-Form leicht messen.In the embodiment of 1 is an additional stretch element 42 (or deformation element) between the contact strip 310 and the seesaw 33 arranged. This stretch element 42 is so elastic that a contact force of approximately 100 N can produce an elongation of preferably a few 100 μstrain. This expansion can be achieved with a fiber Bragg grating sensor that is simply glued on, for example 41 Measure easily in the form of a strain gauge.

Ein solcher Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 hat eine Vorzugsrichtung, d.h. er ist hauptsächlich auf eine Dehnung in eine bestimmte Wirkungsrichtung empfindlich. Je nach Orientierung kann man folglich eine andere Richtungskomponente der Kontaktkraft erfassen. Durch Anbringen je eines Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 mit Wirkungsrichtung in y-Richtung (d.h. hier quer (horizontal) zur Fahrtrichtung), in z-Richtung (d.h. hier quer (vertikal) zur Fahrtrichtung) und in x-Richtung (d.h. in Fahrtrichtung) lassen sich verschiedene Kräfte ermitteln. Erfasst werden können dann neben der Kontaktkraft beispielsweise auch Quer- und Reibungskräfte. Außerdem ist eine beliebige Kraftrichtung detektierbar.Such a fiber Bragg grating sensor 41 has a preferred direction, ie it is mainly sensitive to an elongation in a certain direction of action. Depending on the orientation, another directional component of the contact force can therefore be detected. By attaching a fiber Bragg grating sensor 41 Different forces can be determined with the direction of action in the y direction (ie here transverse (horizontal) to the direction of travel), in the z direction (ie here transverse (vertical) to the direction of travel) and in the x direction (ie in the direction of travel). In addition to the contact force, lateral and frictional forces can also be recorded. Any direction of force can also be detected.

In 2 ist der Anbringungsort eines Verformungskörpers 42, der mit einem nicht näher dargestellten Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 in Form eines „optischen Dehnungsmessstreifens" bestückt ist, dargestellt.In 2 is the location of a deformation body 42 with a fiber Bragg grating sensor, not shown 41 is shown in the form of an “optical strain gauge ” .

Im Ausführungsbeispiel von 3 ist kein Dehnungselement 42 vorgesehen. Die Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 sind vielmehr unmittelbar an der Schleifleiste 310 angeordnet, deren Verformung/Dehnung als Maß für die Kontaktkraft erfasst wird. Im Beispiel sind die Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 am hier als Aluminiumprofil ausgebildeten Grundkörper 32 der Schleifleiste 310 angeordnet. Auf diesem Aluminiumprofil befindet sich das eigentliche Schleifelement 31, das hier eine Carbonleiste ist. In 2 ist der Querschnitt einer solchen Schleifleiste 310 gezeigt. Die eingezeichneten Stege des Aluminiumprofil sind geeignet, Dehnungen/Kräfte in y- und gekoppelt in y- und in x-Richtung zu messen. Hierzu sind die schematisch angedeuteten vier Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 41 vorgesehen. Typische Werte für die Abmessungen in y-Richtung liegen bei etwa 22 mm für die Carbonleiste 31 und bei etwa 17 mm für das Aluminiumprofil 32.In the embodiment of 3 is not an expansion element 42 intended. The fiber Bragg grating sensor 41 are rather directly on the contact strip 310 arranged, the deformation / elongation is recorded as a measure of the contact force. In the example, the fiber Bragg grating sensors 41 are on the base body which is designed here as an aluminum profile 32 the contact strip 310 arranged. The actual grinding element is located on this aluminum profile 31 which is a carbon bar here. In 2 is the cross section of such a contact strip 310 shown. The bars of the aluminum profile shown are suitable for measuring strains / forces in the y and coupled in the y and x directions. Here are the four fiber Bragg grating sensors indicated schematically 41 intended. Typical values for the dimensions in the y direction are about 22 mm for the carbon strip 31 and at around 17 mm for the aluminum profile 32 ,

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromabnehmers 3 dargestellt, der eine gefederte Halterung der Schleifleiste 310 aufweist. Insbesondere ist ein Federelement 35 in Form einer Blattfeder vorgesehen. Der in 4 nicht näher gezeigte Faser-Bragg-Gitter-Sensor 41 kann direkt auf diese Blattfeder 35 geklebt werden. Damit entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Dehnungselement 42. Trotzdem kann für die Messung der Kontaktkraft auf eine relativ große Dehnung/ Auslenkung des Federelements 35 zurückgegriffen werden. Besonders eignet sich dieser Aufbau zur Erfassung einer Kontaktkraft in vertikaler Richtung.In 4 is an embodiment of a pantograph 3 shown, the sprung bracket of the contact strip 310 having. In particular, is a spring element 35 provided in the form of a leaf spring. The in 4 Fiber Bragg grating sensor not shown 41 can directly on this leaf spring 35 be glued. This eliminates the need for an additional expansion element 42 , Nevertheless, a relatively large extension / deflection of the spring element can be used to measure the contact force 35 be used. This structure is particularly suitable for detecting a contact force in the vertical direction.

Optional kann außer den zur Kraftmessung bestimmten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 41 in örtlicher Nachbarschaft ein insbesondere optischer Temperatursensor angeordnet sein. Anhand der so am Ort der Kraftmessung ebenfalls erfassten Temperatur kann eine Temperaturkompensation bei der Auswertung vorgenommen werden, so dass sich die gesuchte Kontaktkraft genauer ermitteln lässt. Vorzugsweise sind auch die eingesetzten Temperatursensoren als Faser-Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildet.Optionally, besides the fiber Bragg grating sensors intended for force measurement 41 an in particular optical temperature sensor may be arranged in the local vicinity. On the basis of the temperature also recorded at the location of the force measurement, temperature compensation can be carried out during the evaluation, so that the contact force sought can be determined more precisely. The temperature sensors used are preferably also designed as fiber Bragg grating sensors.

Claims (17)

Verfahren zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer (3) und einer Stromleitung (2), bei dem a) mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) am Stromabnehmer (3) angebracht wird b) der Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) unter dem Einfluss der Kontaktkraft mechanisch gedehnt wird, c) ein in den Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) eingespeistes Lichtsignal (LS) aufgrund der mechanischen Dehnung in seinem Wellenlängengehalt verändert wird, und d) die kontaktkraftbedingte Wellenlängenänderung ausgewertet wird.Method of measuring the contact force between a pantograph ( 3 ) and a power line ( 2 ), in which a) at least one fiber Bragg grating sensor ( 41 ) on the pantograph ( 3 ) is attached b) the fiber Bragg grating sensor ( 41 ) is mechanically stretched under the influence of the contact force, c) into the fiber Bragg grating sensor ( 41 ) the light signal (LS) fed in is changed in its wavelength content due to the mechanical expansion, and d) the wavelength change caused by contact force is evaluated. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich die Temperatur, insbesondere in der Umgebung des Messorts der Kontaktkraft, erfasst wird.The method of claim 1, wherein additionally the Temperature, in particular in the vicinity of the measuring point of the contact force, is recorded. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Temperatur optisch, insbesondere mittels eines weiteren Faser-Bragg-Gitter-Sensors erfasst wird.The method of claim 2, wherein the temperature optically, in particular by means of a further fiber Bragg grating sensor is recorded. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die kontaktkraftbedingte Wellenlängenänderung unter Berücksichtigung der erfassten Temperatur ausgewertet wird.The method of claim 2 or 3, wherein the contact force Wavelength change considering the detected temperature is evaluated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels des Faser-Bragg-Gitter-Sensors (41) eine mechanische Dehnung eines eigentlichen Konstruktionselements (32) des Stromabnehmers (3) erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, in which the fiber Bragg grating sensor ( 41 ) mechanical expansion of an actual construction element ( 32 ) of the pantograph ( 3 ) is recorded. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels des Faser-Bragg-Gitter-Sensors (41) eine mechanische Dehnung eines am Stromabnehmer (3) angeordneten zusätzlichen Dehnungselements (42) erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, in which, by means of the fiber Bragg grating sensor (41), mechanical stretching of a on the current collector ( 3 ) arranged additional expansion element ( 42 ) is recorded. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (41) zur Kontaktkraftmessung am angebracht werden.Method according to one of the preceding claims, in which a plurality of fiber Bragg grating sensors ( 41 ) for contact force measurement on to be brought. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktkraft in mindestens zwei voneinander verschiedene Wirkungsrichtungen erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, which the contact force in at least two different from each other Directions of action is recorded. Einrichtung zur Messung der Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer (3) und einer Stromleitung (2) umfassend mindestens a) einen als Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) ausgebildeten Kraftsensor, der am Stromabnehmer (3) so angeordnet ist, dass der Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) unter dem Einfluss der Kontaktkraft mechanisch gedehnt wird, b) Einspeisemittel (44, 43, 47) zur Einspeisung eines Lichtsignals (LS) mit einem vorbestimmten Wellenlängengehalt in den Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41), wobei die mechanische Dehnung eine Änderung des Wellenlängengehalts bewirkt, und c) Auswertemittel (45) zur Auswertung der kontaktkraftbedingten Wellenlängenänderung.Device for measuring the contact force between a pantograph ( 3 ) and a power line ( 2 ) comprising at least a) a fiber Bragg grating sensor ( 41 ) trained force sensor on the pantograph ( 3 ) is arranged so that the fiber Bragg grating sensor ( 41 ) is mechanically stretched under the influence of the contact force, b) feed means ( 44 . 43 . 47 ) for feeding a light signal (LS) with a predetermined wavelength content into the fiber Bragg grating sensor ( 41 ), the mechanical expansion causing a change in the wavelength content, and c) evaluation means ( 45 ) to evaluate the change in wavelength caused by contact force. Einrichtung nach Anspruch 9, bei der ein zusätzlicher Temperatursensor, insbesondere in der Umgebung des Messorts der Kontaktkraft, vorgesehen ist.Device according to claim 9, in which an additional Temperature sensor, especially in the vicinity of the measuring location Contact force is provided. Einrichtung nach Anspruch 10, bei der der Temperatursensor als optischer Sensor, insbesondere als weiterer Faser-Bragg-Gitter-Sensor, ausgebildet ist.The device of claim 10, wherein the temperature sensor as an optical sensor, in particular as a further fiber Bragg grating sensor, is trained. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der der als Kraftsensor ausgebildete Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) unmittelbar an einem eigentlichen Konstruktionselement (32) des Stromabnehmers (3) angeordnet ist.Device according to one of Claims 9 to 11, in which the fiber Bragg grating sensor designed as a force sensor ( 41 ) directly on an actual construction element ( 32 ) of the pantograph ( 3 ) is arranged. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der ein zusätzliches Dehnungselement (42) vorgesehen ist.Device according to one of claims 9 to 12, in which an additional expansion element ( 42 ) is provided. Einrichtung nach Anspruch 13, bei der der als Kraftsensor ausgebildete Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) an dem zusätzlichen Dehnungselement (42) angeordnet ist.Device according to Claim 13, in which the fiber Bragg grating sensor designed as a force sensor ( 41 ) on the additional expansion element ( 42 ) is arranged. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der mehrere Kraftsensoren, insbesondere jeweils in Form eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors (41), vorgesehen sind.Device according to one of Claims 9 to 14, in which a plurality of force sensors, in particular in the form of a fiber Bragg grating sensor ( 41 ) are provided. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei der mindestens zwei als Kraftsensor ausgebildete Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (41) mit voneinander verschiedener Wirkungsrichtung vorgesehen sind.Device according to one of Claims 9 to 15, in which at least two fiber Bragg grating sensors designed as force sensors ( 41 ) are provided with different directions of action. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei der die Einspeisemittel mindestens eine zur Erzeugung des Lichtsignals (LS) bestimmte Lichtquelle (44) und einen zur optischen Übertragung des Lichtsignals (LS) von der Lichtquelle (44) zum Faser-Bragg-Gitter-Sensor (41) bestimmten Lichtwellenleiter (47) umfassen.Device according to one of claims 9 to 16, in which the feed means at least one light source () for generating the light signal (LS) 44 ) and one for the optical transmission of the light signal (LS) from the light source ( 44 ) to the fiber Bragg grating sensor ( 41 ) certain optical fibers ( 47 ) include.
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