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Anordnung zur Übertragung von elektrischen Signalen zwischen einem
Schienenfahrzeug und der Strecke Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung
von elektrischen Signalen zwischen einem Schienenfahrzeug und der Strecke, bei der
Sender und Empfänger durch die Fahrschienen miteinander in Verbindung stehen, insbesondere
für Fahrzeuge, bei denen die Laufräder elektrisch leitend mit dem Fahrzeugaufbau
verbunden sind.
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Es sind Vorrichtungen und Verfahren für die Übertragung von Signalen
von der Strecke auf in Bewegung befindliche Schienenfahrzeuge bekannt, bei denen
die Schienen als Leiter für eine direkte Stromübertragung benutzt werden. Bei einem
bekannten Verfahren dieser Art werden die Schienen in einzelne nicht miteinander
in Verbindung stehende Abschnitte unterteilt, wobei an einen Abschnitt an zwei entfernt
liegenden Stellen der Schienen ein Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle angeschlossen
wird. Auf dem Fahrzeug ist ein Relais an zwei Laufräder angeschlossen, die gegenüber
dem Fahrzeugrahmen elektrisch isoliert sind, so daß der zwischen den Laufrädern
durch den Stromkreis auf der Strecke hervorgerufene Spannungsabfall für die Betätigung
des Relais abgegriffen werden kann.
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Bei einer anderen Vorrichtung zum Zeichengeben an in Bewegung befindliche
Schienenfahrzeuge ist auf dem Fahrzeug ein Zeichengeber an die Laufräder des Fahrzeuges
angeschlossen und so abgestimmt, daß er durch den in der Schiene mit Hilfe eines
äußeren Stromkreises erzeugten Spannungsabfall in Wirksamkeit tritt. Hierbei ist
das eine Ende des äußeren Stromkreises an der Zeichengebungsstelle an die Schiene
und das andere Ende an einem entfernt gelegenen Punkt an die Schiene oder an die
Erde angeschlossen, wobei die Schiene selbst geerdet ist. An der Zeichengebungsstelle
entstehen in der Schiene nach beiden Seiten in entgegengesetzter Richtung verlaufende
Ströme; der Spannungsabfall ist im Bereich der Anschlußstelle des Stromkreises an
der Schiene größer als an anderen Stellen. Dieser Spannungsabfall wird beim Überfahren
der Schiene zur Betätigung des Zeichengebers auf dem Schienenfahrzeug ausgenutzt.
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Beide Verfahren zur Übertragung von Signalen von der Strecke auf ein
Schienenfahrzeug arbeiten mit Gleichstrom und sind nur für Fahrzeuge anwendbar,
bei denen die Laufräder gegenüber dem Fahrzeugaufbau elektrisch isoliert sind. Eine
nichtleitende Verbindung der Laufräder mit dem Fahrzeug ist bei den heutigen Schienenfahrzeugen
nicht mehr vorhanden und bei elektrisch betriebenen Triebfahrzeugen auch gar nicht
möglich. Für Fahrzeuge, bei denen die Laufräder mit dem Fahrzeugaufbau in leitender
Verbindung stehen, sind aber die vorgenannten Verfahren zur Signalübertragung wegen
des außerordentlich geringen Widerstandes der Fahrzeugmasse unbrauchbar. Der Ohmsche
Widerstand zwischen zwei hintereinanderliegenden Laufrädern eines zweiachsigen Fahrzeuges
beträgt etwa 60 mQ. Würde man hierzu noch einen Stromkreis mit einem Zeichengeber
parallel schalten, so müßte der Widerstand dieses Stromkreises wenigstens eine Zehnerpotenz
niedriger sein, um einen nutzbaren Nebenschlußzweig zu erhalten. Bei einem derart
geringen Eigenwiderstand müßte aber der Strom in diesem Stromkreis einige Kiloampere
betragen. Hieraus geht eindeutig hervor, daß die vorstehend erläuterten Verfahren
für die heutigen Verhältnisse bei Schienenfahrzeugen ungeeignet sind.
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Bei Eisenbahnen ist es weiterhin bekannt, für die Übertragung von
elektrischen Signalen einen auf der Strecke befindlichen Stromkreis mit einem auf
dem Fahrzeug befindlichen Stromkreis induktiv zu koppeln. Hierzu sind einerseits
an geeigneter Stelle neben der Schiene und andererseits am Schienenfahrzeug Spulen
angeordnet, die beim Überfahren der Zeichengebungsstelle derart zur Deckung kommen,
daß die beiden Stromkreise induktiv miteinander verbunden sind. Die Einhaltung eines
verhältnismäßig geringen Abstandes zwischen den beiden Spulen ist hier jedoch eine
wichtige Voraussetzung
für eine einwandfreie Funktionsfähigkeit.
Außerdem ist es bekannt, im Bereich der Schienen zusätzliche Leiterschleifen zu
verlegen, die dazu dienen, die vom beweglichen Sender ausgestrahlte Energie zu empfangen.
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Die induktive Kopplung mit Hilfe von zwei Spulen ist insofern unvorteilhaft,
als für die Übertragung der Signale nur eine außerordentlich geringe Zeitspanne
zur Verfügung steht. Außerdem ist die Anbringung dieser Spulen bei im Erdboden verlegten
Gleiskörpern für Straßenbahnen verhältnismäßig schwierig. Das gleiche gilt für die
Verwendung von Leiterschleifen, deren nachträglicher Einbau bei Gleisanlagen für
Straßenbahnen mit einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
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Eine Anordnung zur Übertragung von elektrischen Signalen zwischen
einem Schienenfahrzeug und der Strecke, bei der Sender und Empfänger durch die Fahrschienen
miteinander in Verbindung stehen, insbesondere für Fahrzeuge, bei denen die Laufräder
elektrisch leitend mit dem Fahrzeugaufbau verbunden sind, derart auszubilden, daß
eine direkte Kopplung zwischen einem Sender und einem Empfänger über die Fahrschienen
möglich ist, ohne daß an den Schienen irgendwelche Veränderungen, wie z. B. die
Schaffung von isolierten Abschnitten od. dgl., vorzunehmen sind, ist das Ziel der
vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung ist eine solche Anordnung
zur Übertragung von elektrischen Signalen in der Weise ausgebildet, daß ein auf
dem Fahrzeug gebildeter Nutzstromkreis im Nebenschluß zur Masse des Fahrzeuges an
hintereinanderliegende Laufräder angeschlossen und über diese galvanisch mit einem
auf der Strecke befindlichen, an einen bestimmten Schienenabschnitt angeschlossenen
zweiten Nutzstromkreis verbunden ist, wobei einer der beiden Nutzstromkreise einen
Sender für Wechselspannungssignale mit Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz und der
andere Nutzstromkreis einen hierauf abgestimmten Empfänger enthält.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß mit steigender Frequenz
der komplexe Widerstand der Fahrschiene und der Masse des Fahrzeuges ansteigt, so
daß bei Verwendung einer geeigneten Frequenz in einem Schienenstück eine verwertbare
Potentialdifferenz entsteht. Diese Potentialdifferenz wird von einem an das Schienenstück
galvanisch angeschlossenen Sender, der sich entweder auf dem Schienenfahrzeug oder
auf der Strecke befinden kann, erzeugt und in einen zu diesem Schienenstück parallelgeschalteten
Empfänger entsprechend den wirksamen Widerstandsverhältnissen der Stromverzweigung
übertragen.
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Nach der weiteren Erfindung ist bei Aufstellung des Senders auf dem
Schienenfahrzeug eine Sendefrequenz von 30 kHz und bei Aufstellung des Senders auf
der Strecke eine Sendefrequenz von etwa 50 kHz vorgesehen. Die Verwendung unterschiedlicher
Frequenzen soll einerseits die Trennung der verschiedenen Signale erleichtern, wenn
ein beweglicher und ein ortsfester Sender gleichzeitig, d. h. im selben Schienenbereich,
benutzt werden, und dient andererseits noch folgendem Zweck: Wenn man eine Wechselspannung
an ein Schienenstück anlegt, so fällt die Spannung außerhalb der Anschlußpunkte
um so schneller ab, je größer die Frequenz ist. Bei einem auf der Strecke befindlichen
Sender ist man bestrebt, die am Sender zur Verfügung stehende Spannung möglichst
auf den durch die Anschlußpunkte gegebenen Bereich zu begrenzen, während dagegen
außerhalb dieses Bereiches die Spannung möglichst schnell abfallen kann. Die Verwendung
einer geringeren Frequenz bei einem beweglichen Sender trägt umgekehrt dazu bei,
den Wirkungsbereich zu vergrößern, was zur Folge hat, daß die Anschlüsse für den
Empfänger auf der Strecke weiter voneinander entfernt werden können. Eine größere
Entfernung der Anschlußpunkte bringt aber eine Vergrößerung der Ansprechzeit des
Empfängers mit sich.
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In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sind die Stromkreise
auf dem Schienenfahrzeug mit ihren beiden Enden an zwei auf verschiedenen Schienen
laufenden Rädern und die Stromkreise auf der Strecke mit ihren beiden Enden an dieselbe
Schiene angeschlossen, wobei in der Nähe einer der beiden Anschlußstellen eine leitende
Verbindung mit der anderen Schiene vorgesehen ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil,
daß bei Fahrzeugen, die in verschiedenen Richtungen auf derselben Schiene verkehren,
die gleichen Übertragungsverhältnisse vorliegen.
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Um eine gute Verbindung der auf dem Schienenfahrzeug gebildeten Stromkreise
mit den Laufrädern sicherzustellen, werden die Enden der Stromkreise zweckmäßigerweise
an die üblichen Frostkontakte oder an besondere Schleifkontakte, die mit den Rädern
in Verbindung stehen, oder direkt an die Achslager angeschlossen.
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In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes wird der auf der
Strecke angeordnete Empfänger mit seinem Empfängereingang direkt an die Schiene
angeschlossen und mit seinem Empfängernullpunkt über eine parallel zur Schiene verlaufende
Verbindungsleitung an zwei auf verschiedenen Seiten des ersten Anschlußpunktes liegenden,
vorzugsweise gleich weit entfernten Stellen an die Schiene angeschlossen. Durch
die Verwendung einer Verbindungsleitung läßt sich der Wirkbereich auf mehrere hundert
Meter ausdehnen. Es wird hierdurch der Vorteil erzielt, daß keine punktweise Beeinflussung
zwischen Sender und Empfänger stattfindet, sondern daß die Signale während der Dauer
der Durchfahrt durch den Wirkbereich übertragen werden können. Der Anschluß des
Empfängernullpunktes auf zwei verschiedenen Seiten des Anschlußpunktes des Empfängereingangs
bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die gleiche Empfangsanlage für beide Fahrtrichtungen
ausgenutzt werden kann.
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Es können gemäß der Erfindung auch mehrere Empfänger nebeneinander
oder mit teilweise sich überdeckenden Wirkbereichen an die Schiene angeschlossen
werden. Diese Empfänger können entweder auf das gleiche Signal zu verschiedenen
Zeiten oder auf unterschiedliche Signale ansprechen.
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Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist zur Übertragung
mehrerer Steuerbefehle eine Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz des Senders
vorgesehen. In diesem Fall benutzt man für jeden Steuerbefehl eine besondere Steuerfrequenz
(Tonfrequenz), die der Trägerfrequenz aufmoduliert wird. Auf der Empfängerseite
ist ein Demodulator vorhanden, mit dem die einzelnen Steuerfrequenzen wieder ausgesondert
werden. Die Modulationsfrequenzen liegen vorzugsweise zwischen 1 und 3 kHz, in einigen
Fällen auch zwischen 700 und 1000 Hz; es können aber auch höhere Modulationsfrequenzen,
beispielsweise
bis 8 kHz, verwendet werden. Um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden, werden
gemäß der Erfindung Modulationsfrequenzen verwendet, die zu den Trägerfrequenzen
nicht im Verhältnis niedriger ganzer Zahlen stehen.
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Für den Fall, daß auf dem Schienenfahrzeug Sender und Empfänger gleichzeitig
betrieben werden sollen, ist nach einem weiteren Erfindungsmerkmal einem der beiden
Empfänger ein Hochpaßfilter und dem anderen Empfänger ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet.
Hat das Fahrzeug mehr als zwei Achsen, werden Sender und Empfänger nach der weiteren
Erfindung an verschiedene Räder des Schienenfahrzeuges angeschlossen. Hierdurch
wird die Trennung der Signale mit den beiden unterschiedlichen Trägerfrequenzen
erleichtert.
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Der Hauptvorteil der neuen Übertragungsanordnung liegt darin, daß
sie für alle Arten von Schienen, wie z. B. isolierte und nicht isolierte, genagelte
und durch Spurstangen verbundene Fahrschienen, verwendbar ist, ohne daß an der Schienenanlage
irgendwelche Veränderungen vorzunehmen sind. Für den Anschluß der Sende- bzw. Empfangseinrichtung
sind lediglich an den einzelnen Anschlußpunkten gut leitende Verbindungen mit dem
Schienenkörper herzustellen. Gegenüber bekannten Übertragungseinrichtungen, bei
denen die Schiene ebenfalls als Bindeglied zwischen Sender und Empfänger benutzt
wird, erfordert die nachträgliche Ausrüstung einer Bahnanlage mit einer Anordnung
gemäß der Erfindung nur einen Bruchteil des Aufwandes an Material und Arbeitszeit.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an zeichnerisch
dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Prinzipschaltung
einer Übertragungsanordnung nach der Erfindung, bei der der Sender auf dem Fahrzeug
angeordnet ist, F i g. 2 ein Diagramm des vom Sender in der Schiene hervorgerufenen
Spannungsverlaufs, F i g. 3 die Anordnung nach F i g. 1, bei der sich jedoch das
Fahrzeug im Wirkbereich befindet, F i g. 4 ein Diagramm des Spannungsverlaufs in
der Schiene und die tatsächlich am Empfängereingang anstehende Signalspannung, F
i g. 5 eine abgewandelte Ausführung, bei der zwei Empfänger in einem Wirkbereich
angeschlossen sind, F i g. 6 den Anschluß von zwei Empfängern in verschachtelter
Form, F i g. 7 eine Prinzipschaltung einer Übertragungsanordnung, bei der der Sender
ortsfest ist, F i g. 8 ein Diagramm des theoretischen und tatsächlichen Verlaufs
der Spannung in der Schiene und F i g. 9 ein Prinzipschaltbild für eine gleichzeitige
Übertragung von Signalen vom Fahrzeug auf eine ortsfeste Anlage und umgekehrt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 befindet sich der Sender
1 auf einem Schienenfahrzeug 2, das auf den Schienen 3 steht. An den Ausgang des
Senders 1 ist ein Übertrager 4 angeschlossen, dessen Ausgangsklemmen über Leitungen
5, 6 mit den Rädern 7, 8 verbunden sind. In den Ausgangskreis ist ein Kondensator
9 eingeschaltet, der verhindern soll, daß Fremdgleichströme, insbesondere aus der
Fahrstromleitung, in den Sendekreis eintreten können.
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Der ortsfeste Empfänger 10 wird mit seinem Empfängereingang 11 an
der Stelle 12 direkt mit der Fahrschiene 3 verbunden, während der Empfängernullpunkt
13 an eine Verbindungsleitung 14
angeschlossen ist. Ein veränderbarer Widerstand
10a dient zur Anpassung des Empfängers an unterschiedlich große Wirkbereiche. Die
Enden 15, 16 der Verbindungsleitung werden an den Stellen 17, 18 mit der Fahrschiene
3 verbunden.
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In dem Diagramm der F i g. 2 ist der theoretisch (19) und der tatsächlich
(20) vom Sender in der Fahrschiene hervorgerufene Spannungsverlauf wiedergegeben.
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In F i g. 3 befindet sich das Schienenfahrzeug 2 innerhalb des Wirkbereichs,
und zwar zwischen den Anschlußpunkten 12 und 18. Der sich in diesem Fall einstellende
Spannungsverlauf ergibt sich aus F i g. 4. In F i g. 5 ist der Anschluß von zwei
Empfängern 21, 22 innerhalb desselben Wirkbereichs dargestellt. In F i g. 6 sind
dagegen zwei Empfänger 23, 24 mit ihren Wirkbereichen ineinander verschachtelt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 7 und 8 befindet sich auf dem
Fahrzeug 2 der Empfänger 25, während der Sender 26 an den Stellen 27, 28 an der
Schiene 3 angeschlossen ist. Der Spannungsverlauf ergibt sich aus F i g. B.
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Die F i g. 9 zeigt als Prinzipschaltbild eine Gesamtanordnung einer
Übertragungseinrichtung. Auf dem Schienenfahrzeug 2 sind ein Trägerfrequenzgenerator
29 und ein Empfänger 30 gemeinsam an die beiden Räder 7, 8 des Fahrzeuges 2 angeschlossen.
Der Sender ist für die Übertragung von vier verschiedenen Steuerbefehlen eingerichtet.
-Zu diesem Zweck sind Tongeneratoren 31 über einen Modulator 32 an den Trägerfrequenzgenerator
29 angeschlossen. Mit 33 ist ein Konstanthalter bezeichnet, der an das Bordnetz
angeschlossen ist und den Sender und den Empfänger mit einer stabilisierten Betriebsspannung
versorgt.
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Vom Empfänger 34, der an die Schienen 3 angeschlossen ist, gelangen
die empfangenen Signale auf einen Verstärker und Demodulator 35, an den vier Tonkreise
36 mit Steuerrelais 37 angeschlossen sind.
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Für die Übertragung der Signale von außen auf das fahrende Fahrzeug
2 ist an die Schienen 3 ein Trägerfrequenzgenerator 38 angeschlossen. Die bei 39
aufgegebenen Steuerbefehle gelangen über die Tongeneratoren 40 auf den Modulator
41 und von diesem auf den Trägerfrequenzgenerator 38. Auf dem Schienenfahrzeug ist
an den Empfänger 30 ein Auswerter 42 angeschlossen, der auf die Bremse 43 des Fahrzeuges
einwirkt, wenn beispielsweise von außen eine Zwangsbremsung herbeigeführt werden
soll. Mit 44 ist ein Anzeigegerät bezeichnet.
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Wenn auf einem Fahrzeug ein Sender und ein Empfänger gleichzeitig
betrieben werden, ist die Energie, die der Empfänger vom Fahrzeugsender direkt empfängt,
ein Vielfaches der Energie, mittels deren der Empfänger von dem ortsfesten Sender
gesteuert wird. Um trotzdem eine einwandfreie Arbeitsweise sicherzustellen, wird
man an sich bekannte Filter vorsehen. Da für den Sender auf dem Fahrzeug die kleinere
Frequenz gewählt wird, wäre dem Fahrzeugempfänger ein entsprechendes Hochpaßfilter
und dem ortsfesten Empfänger ein Tiefpaßfilter vorzuschalten.
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Die nachfolgenden Zahlenwerte wurden an einer praktisch ausgeführten
Übertragungsanordnung gemessen,
bei der sich der Sender auf dem
Schienenfahrzeug befindet:
Trägerfrequenz des Senders 30 kHz |
Senderleistung ............ 150 mW |
Verwertbare Potentialdiffe- |
renz zwischen den Anschluß- |
punkten des Empfängers ... 5 bis 150 mV |
(je nach Ausdehnung |
des Wirkbereichs) |
Am Empfängereingang zur |
Verfügung stehende Leistung 1,5 . 10-7 W |