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Die
Erfindung betrifft einen Induktiven Sensor zum Erfassen von Metallteilen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der
Aufbau eines solchen Sensors ergibt sich z.B. aus der DE-OS 43 25
406.3 A1 (TiG 9201). Auf diese Beschreibung wird hinsichtlich Aufbau
und Funktion eines Ausführungsbeispiels
eines derartigen Sensors ausdrücklich
Bezug genommen.
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Derartige
Sensoren werden zur Erfassung der Bewegung und Anwesenheit metallischer
Gegenstände
verwandt. Dabei sind Anwendungen denkbar, die nur sporadisch erfolgen,
gleichwohl aber ein Höchstmaß an Sicherheit
erfordern. Derartige Anwendungen kommen insbesondere im Eisenbahnverkehr
vor. Im folgenden wird auf die Verwendung derartiger Sensoren im
Eisenbahnverkehr Bezug genommen. Damit ist allerdings keine Einschränkung auf
diesen Anwendungsbereich verbunden.
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Um
zu vermeiden, daß die
Funktionsfähigkeit
derartiger Sensoren, welche das elektromagnetische Feld zur Erfassung
des Gegenstandes nutzen, nur dadurch festgestellt werden kann, daß man einen Versuch
macht, bei welchem ein Fahrzeug das Gleis langsam befährt und
dabei die Funktion des Sensors überprüft wird,
ist die Schaltungsanordnung des bekannten Sensors so ausgelegt,
daß die
Prüfspule
die gleiche Wirkung auf das Magnetfeld der Sensorspulen hat wie
der Durchgang von z.B. Eisenbahnrädern. Durch diese Bedämpfung wird
ein digitaler Zählimpuls
ausgelöst
und die Oscillatoren des Sensorspulen-Schaltkreises werden durch
diese künstliche
Bedämpfung
in den gleichen Zustand versetzt wie durch eine äußere Bedämpfung mit einem überfahrenden Eisenbahnrad.
Der so erzeugte digitale Zählimpuls wird
an die angeschlossene Steuerschaltung der Weichensteuerung weitergegeben.
Dort erfolgt dann der Vergleich des eingehenden Signals mit gespeicherten
Standardwerten. Je nach Auslegung der Steuerung bestätigt die
Auswertung des empfangenen Prüfsignals
des Achszählschalters
seine Funktionstüchtigkeit
oder es erscheint eine Fehlermeldung. (Spalte 3, Zeilen 49–62).
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Dazu
ist es erforderlich, daß die
Prüfspule
im wesentlichen gleich dimensioniert ist wie die Sensorspule. Dadurch,
daß Betriebsverhalten
des Sensors simuliert und dasselbe Ausgangssignal wie im Betrieb
erzeugt wird, ergibt sich der Nachteil, daß nur der Ausfall des Sensors
entdeckt, jedoch Verschlechterungen des Sensors vor Eintritt der
Katastrophenmeldung nicht sichtbar werden und daher keine vorsorglichen
Maßnahmen
möglich
sind.
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Es
muß zur
Erfassung aller Notfälle
ferner eine separate Schaltungsanordnung zur Überwachung der Spannungsversorgung
der Sensor- und Prüfspulen
vorgesehen sein.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten Sensor so weiterzubilden,
daß nicht
nur seine Tauglichkeit zur Abgabe von Anwesenheitssignalen sondern
der Zustand seiner Funktionsfähigkeit auch
vor seinem Ausfall jederzeit und ohne einen Versuchsbetrieb und
ohne Untersuchung der Einzelteile des Sensors auf mechanische oder
elektrische Fehler überprüft werden
kann.
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Die
Lösung
ergibt sich aus Anspruch 1.
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Durch
die DE-PS 44 27 283 C1 ist ein induktiver Näherungsschalter bekannt, bei
welchem die Prüfspule
die gleiche Windungszahl aufweist wie die erste Spule, so daß die Wirkung
der ersten Spule aufgehoben werden kann. Dabei sind die Windungen
in Reihe geschaltet. Der Nachteil dieser Prüfbeschaltung ist zum einen,
daß Fehler
die Induktivität
der Prüfspule
auch die Induktivität
der ersten Spule verändert,
so daß unbeabsichtigte Änderungen
nicht aufgedeckt werden können.
Schwerwiegender ist neben dem Bau- und Platzaufwand, daß die Stromkreise
der ersten und der zweiten Spule vernetzt sind und Fehler daher
nicht zugeordnet werden können.
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Durch
die DE-Offenlegungsschrift
DE
35 05 765 A1 ist ebenfalls ein induktiver Näherungsschalter mit
Prüfeinrichtung
bekannt. Dabei liegt die zweite Spule jedoch induktiv in dem Feld
der ersten Spule und die Annäherung
eines Metallteils wird durch Bedämpfung
der Feldes der zweiten Spule festgestellt. Dabei erfolgt die Abstandsmessung
als Ausgangssignal in Abhängigkeit
von der Bedämpfung der
ersten Spule; die Annäherung
des metallischen Gegenstandes wird jedoch durch die Bedämpfung des
Feldes der zweiten „Prüf"-Spule abgetastet.
Es muß daher eine Überprüfung der
Lage der zweiten Spule relativ zu der ersten Spule erfolgen, um
die Funktionstüchtigkeit
der Gesamtanordnung zu gewährleisten,
ein Problem, das nach der Erfindung nicht auftaucht.
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Durch
die Ausgestaltung des Sensors nach dieser Erfindung kann nicht nur
die Annäherung
eines Gegenstandes simuliert werden, indem die Sensorspule 5 durch
die Prüfspule
in ähnlicher
Weise bedämpft
wird, vielmehr erlaubt die Erfindung darüber hinaus auch die Erkennung
eines Kabelbruchs bzw. eines Kurzschlusses zwischen Sensor und Auswertschaltung,
wenn die Meßgröße des Sensors
einen der Auswertschaltung vorgegebenen Grenzwert für die höchstzulässige (Kurzschluß) und/oder
kleinste zulässige
(Kabelbruch) Meßgröße des Sensor-Schwingkreises
erreicht.
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Dabei
hat sich als ausreichend und vorteilhaft herausgestellt, daß die Prüfspule aus
einer oder wenigen Windungen besteht (Anspruch 2).
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Bei
dem bekannten Sensor wird durch die Auswertung der Meßgröße des Sensor-Stromkreises ein
eindeutiges Signal erzeugt, das eine eindeutige Weiterverwertung
ohne die Gefahr von Mißverständnissen
gestattet. In der Eisenbahntechnik wird dieses Signal als Meldung
interpretiert und signalisiert, daß ein Gleis belegt ist (Belegt-Meldung,
Anwesenheitssignal). Dasselbe Signal wird in der Ausgestaltung der
Erfindung nach Anspruch 3 auch simuliert, wenn der Prüfstromkreis
mit der Prüfspule
aktiviert wird. Dabei ist es wichtig und bedeutsam, daß das durch Auswertung
des Prüfsignals
entstandene Signal eindeutig genug ist, um als Belegt-Meldung zu
dienen und signalisiert zu werden. Es wird durch die Einschaltung
des Ausgangssignals also ein Rechteck-Signal erzeugt, das auch zu
Schaltzwecken – zB. für Signalanlagen,
Weichen u.a. geeignet ist.
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Um
die Verdrahtung des Prüfstromkreises bzw.
des Prüf-Schwingkreises
zu minimieren und dadurch eine Fernbedienung zu ermöglichen
ist der Prüf-Schalter,
durch den der Prüfstromkreis
mit seiner Spannungsquelle verbunden wird, durch einen Spannungs-
oder Stromimpuls der Auswertschaltung schließbar und/oder öffenbar.
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Das Öffnen des
Prüf-Schalters
kann ohne weitere Verdrahtung auch durch ein Zeitglied, z.B. Kondensatorschaltung
geschehen, die durch den Schließimpuls
in Gang gesetzt wird.
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Sensoren
nach dieser Erfindung werden – wie
auch in der o.g.
DE
43 25 406.3 A1 (TiG 9201) beschrieben – auch als Mehrfach-Sensoren,
insbesondere Doppelsensoren verwandt. Die Meßwerte der Sensoren werden
in der Auswertschaltung auch auf ihre zeitliche Reihenfolge untersucht.
Daraus kann ein Richtungssignal und/oder ein Geschwindigkeitssignal
abgeleitet werden. In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch
6 kann überdies
auch festgestellt werden, ob die Meßgrößen noch identisch sind und
noch die richtige zeitliche Relativlage haben, die durch ihre geometrische
Anordnung bedingt ist. Das bei Nicht-Identität der Meßgrößen der Sensor-Schwingkreise
erzeugbare Warnsignal kann auch hier als Belegt-Meldung ausgegeben
und verwertet werden.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele und
Funktion der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
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Es
zeigen:
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1:
einen Näherungsschalter
mit induktivem Sensor und eingebauter Prüfspule
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2:
die Schaltung des Näherungsschalters
nach 1
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3:
Diagramm der Auswertung der Meßsignale
in der Auswertschaltung
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4:
das Ausgangssignal der Auswertschaltung
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5:
das Eingangssignal der Prüfschaltung
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6A und 6B:
Schiene mit Näherungsschalter
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7:
Doppelsensor
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8:
die Schaltung des Doppelsensors nach 7
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Der
Sensor wird anhand eines Näherungsschalters 1 beschrieben,
der zur Sicherung und Steuerung des Eisenbahnverkehrs an einer Schiene 2 befestigt
ist. Der Näherungsschalter
ist in den 1 und 2 dargestellt.
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Der
Näherungsschalter
dient zum Erfassen des Spurkranzes 3 eines Rades 4 eines
Eisenbahnfahrzeugs.
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Der
Näherungsschalter
ist an der Schiene 2 befestigt, so daß er eine fest definierte Position
gegenüber
der Schiene und dem darauf laufenden Rad hat.
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Der
Näherungsschalter
weist eine induktive Sensorspule 5 auf. Diese besteht aus
einem Ferritkern 6 mit einer kreisringförmigen Kammer, in der die Wicklung 7 der
Spule eingebettet ist. Die Achse der Sensorspule ist einem auf der
Schiene laufenden Rad zugewandt, so daß das elektromagnetische Feld der
Sensorspule von dem Rad beeinflußt wird.
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Die
Sensorspule 5 ist mit einer Auswertschaltung 11 verbunden.
Diese enthält
u.a. einen Stromkreis, der als Schwingkreis 12 ausgeführt ist, also
neben der Sensorspule als Induktivität eine Spannungsquelle und
einen Kondensator (Kapazität) enthält, der
auf die Induktivität
der Sensorspule bzw. des gesamten Schwingkreises abgestimmt ist.
In diesem Sensor-Stromkreis wird die Änderung des Stroms oder des
Spannungsabfalls an einem Meßwiderstand,
welche infolge der Änderung
des elektromagnetischen Feldes der Sensorspule bei Annäherung eines
metallischen Gegenstandes eintritt, gemessen und ausgewertet. Hierzu
wird der Strom oder die Spannung des Schwingkreises abgegriffen
und in der Auswertschaltung 11 – wie später beschrieben – zu einem
Ausgangssignal des Näherungsschalters umgesetzt,
das einer Signal- oder Weichensteuerung zugeführt wird. Der Sensor-Stromkreis
wird dauernd, d.h. kontinuierlich oder in regelmäßigem Takt mit Spannung versorgt.
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Einzelheiten
des Schwingkreises
12 sind hier nicht beschrieben oder
gezeigt; insofern wird auf die o.g.
DE 43 25 406.3 A1 (TiG 9201) verwiesen, die ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines solchen Schwingkreises zeigt.
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Das
Signal, das der Auswertschaltung aufgegeben wird, wenn ein metallischer
Gegenstand von bestimmter Größe in einen
bestimmten Abstand zu dem Sensor gelangt, ist von charakteristischem Verlauf.
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Die
Auswertschaltung zum Erfassen der induktiven Bedämpfung des Schwingkreises erhält dadurch
bei voller mechanischer und elektrischer Funktionsfähigkeit
des Sensors und der Auswertschaltung ein elektrisches Signal, das
der elektrischen Meßgröße des Sensor-Stromkreises
(Strom oder Spannung), insbesondere Sensor-Schwingkreises entspricht.
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In 1 und 2 ist
eine Prüfspule 8 in Form
von einer Windung in die Sensorspule 5, d.h. in die kreisringförmige Kammer
des Ferritkerns 9 und in die Wicklung 7, eingebettet;
sie ist jedoch von der Wicklung 7 galvanisch getrennt und
mit separaten Anschlüssen
aus dem Ferritkern herausgeführt.
Hierdurch läßt sich
eine sehr wirksame und feinfühlig
einstellbare sowie stets reproduzierbare Beeinflussung des elektromagnetischen
Feldes der Sensorspule 5 erreichen. Dabei ist die Prüfspule von
der Sensorspule galvanisch getrennt und unabhängig von dieser in den Prüfstromkreis
einschaltbar. Das hat auch den Vorteil, daß die Prüfspule von der Sensorspule
nicht mechanisch getrennt werden kann, so daß dadurch keine Störungen entstehen
können.
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Die
Prüfspule 8 bzw.
Prüfwicklung 10 ist
mit einem Prüfstromkreis 13,
auch in diesem Falle ein Schwingkreis mit Kapazität und einer
Konstantstromquelle, insbesondere Batterie eingeschlossen. Der Prüfstromkreis
kann durch einen Prüfschalter 14 geschlossen
werden. Der Schalter 14 wird durch den Signalstromkreis 15 angesteuert,
z.B. dadurch, daß der
Signalstromkreis kurzzeitig mit einer Überspannung beaufschlagt wird,
auf die der Prüfschalter 14 anspricht
und den Prüfstromkreis 13 für eine kurze Zeit
schließt.
Der Prüfschalter 14 öffnet wieder,
wenn die Spannung wieder unter den Ansprechwert abgesenkt wird.
Es kann auch ein Zeitglied vorgesehen sein, das durch die Überspannung
aktiviert wird und nach einer voreingestellten Zeit von z.B. einer
Sekunde den Prüfschalter
wieder öffnet.
Der Prüfstromkreis der
Prüfspule
kann eine eigene Stromversorgung, z.B. Batterie, haben oder durch
die Auswertschaltung mit Strom versorgbar sein. Der Prüfstromkreis
kann auch von Hand oder automatisch in regelmäßigen Zeitabständen geschlossen
werden. Der Prüfstromkreis
ist vorzugsweise ebenfalls ein Schwingkreis (Prüf-Schwingkreis).
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Beim
Schließen
des Prüfstromkreises
erzeugt die Prüfspule
ein elektromagnetisches Feld, welches das Feld der Sensorspule 5 stört. Die
Art und der Grad der Störung
wird durch die Dimensionierung aller relevanten Parameter so eingestellt, daß sie der
Bedämpfung
nahekommt, die das elektromagnetische Feld der Sensorspule durch
ein vorbeifahrendes Eisenbahnrad dann erhält, wenn alle elektrischen
und mechanischen Daten der Sensorspule 5 ihren Sollzustand
haben. Die Auswertschaltung des Sensors ist mit eine Schwellwertspeicher ausgestattet,
in welchem ein Ansprechschwellwert (18) speicherbar ist;
der Ansprechschwellwert (18) ist mit der Meßgröße des Sensor-Stromkreises
in der Weise vergleichbar ist, daß ein eindeutiges Ausgangssignal
(21) erzeugbar ist, wenn die Meßgröße des Sensor-Stromkreises
den Ansprechschwellwert erreicht. Die 3, 4 und 5 zeigen
Diagramme für
den Normalbetrieb eines Näherungsschalters
bei Überfahren
eines Rades und beim Prüfbetrieb.
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Die
Kurve 16 zeigt das Ausgangssignal der Sensorspule zunächst ohne
Rad und sodann in dem bedämpften
Zustand, der durch das vorbeifahrende Rad bzw. dessen Spurkranz
hervorgerufen wird. Das Ausgangssignal hat bei Einstellung aller
Sollparameter einen typischen Verlauf hinsichtlich seiner Höhe – z.B. 5
mA – und
hinsichtlich des Einbruchs – auf
z.B. weniger als 1,5 mA.
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In
der Auswertschaltung ist ein Ansprechwert gespeichert, der mit 18 bezeichnet
ist und in dem Beispiel 1,5 mA beträgt.
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Wenn
und solange das Ausgangssignal unter diesen Ansprechwert fällt, erzeugt
die Auswertschaltung, wie 4 zeigt,
ein Signal in Form eines Rechteckimpulses 21, der erst
wieder abfällt,
wenn das Ausgangssignal den Ansprechwert wieder überschreitet.
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Die
Prüfspule
und der Prüfstromkreis
werden nun so ausgelegt und beaufschlagt, daß bei Aktivierung des Stromkreises
ein ähnlicher
Einbruch des Ausgangssignals erfolgt.
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Dazu
wird der Auswertstromkreis kurzzeitig mit einer Überspannung beaufschlagt und
dadurch der Prüstromkreis
für eine
bestimmte Zeit geschlossen, wie in dem Diagramm 5 als Rechteckimpuls 22 dargestellt.
Dadurch wird das Feld der Sensorspule 5 bedämpft und
es erfolgt ein Einbruch des Ausgangssignals der Sensorspule. Die
Auswertschaltung zeigt damit in dem Signalstromkreis 15 dieselben
Signale, als ob ein Rad den Sensor 5 überfährt.
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Dadurch
kann von der Zentralsteuerung aus, die sich z.B. in dem Stellwerk
befindet, durch Fernbedienung festgestellt werden, ob alle mechanischen und
elektrischen Parameter des Näherungsschalters dem
Sollzustand entsprechen. Dadurch, daß zuvor bei erwiesenem Sollzustand
des Sensors und des Prüfsensors
die Größe und Form
des Einbruchs des Ausgangssignals festgestellt und als Sollverlauf
gespeichert wird, kann durch einen Prüflauf die Abweichung des Einbruchs
von dem gespeicherten Sollverlauf und dadurch festgestellt werden,
ob hinsichtlich der mechanischen Zuordnung der Sensoren relativ
zur Schiene wie auch relativ zu einander oder in der Elektrik des
Näherungsschalters
Abweichungen gegenüber
dem Sollzustand eingetreten sind.
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Der
Verlauf 17 in 3 zeigt als Beispiel das Ausgangssignal
der Auswertschaltung in einem Prüflauf,
wenn sich der Näherungsschalter
von der Schiene gelöst
hat. Dieser Zustand ist in 6 angedeutet.
Durch das Lösen
des Näherungsschalters von
der Schiene hat sich der Abstand der Sensorspule 5 von
dem Schienenkopf vergrößert. Dadurch ändert sich
auch die Beinflussung des elektromagnetischen Feldes der Sensorspule 5 durch
die Schiene 2 in dem Sinne, daß die Bedämpfung sich verringert. Folglich
ist das Ausgangssignal höher.
Wenn nunmehr ein Rad passiert oder aber eine Prüfung durch Aktivierung der
Prüfspule
erfolgt, bricht zwar das Ausgangssignal ein. Es erreicht jedoch
nicht den Ansprechwert 18. Folglich gibt die Auswertschaltung kein
Signal ab. Das Ausbleiben dieses Signals trotz des Prüflaufs wird
als Warnsignal registriert und z.B. als Belegt-Meldung für das Gleis
ausgegeben.
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Neben
diesem auch bei dem bekannten Sensor vorhandenem Vorteil bietet
die Erfindung die Möglichkeit,
durch Eingabe und Speicherung eines Maximalwertes 19 (Kurzschlußwert) und/oder
eines Minimalwertes 20 (Kabelbruchwert) in der Auswertschaltung
zu überwachen,
ob das Ausgangssignal der Sensorspule 5 den zulässigen Bereich
verläßt. Dies
kann bei elektrischem Kurzschluß einerseits oder
einem Kabelbruch andererseits bzw. jeweils ähnlichen Situation geschehen.
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In 7 und 8 ist
schematisch ein Näherungsschalter
mit Doppelsensor und die dazugehörige
Schaltung gezeigt. Der Näherungsschalter
besteht aus zwei Sensorspulen 5, die mit Abstand längs der
Schiene angeordnet sind. Beiden Sensorspulen ist in gleichem Abstand
eine oder je eine Prüfspule zugeordnet.
Auch wenn es sich um zwei Prüfspulen 8 handelt,
können
diese gleichzeitig aktiviert werden. Wenn beide Sensorspulen 5 ihren
mechanischen und elektrischen Sollzustand aufweisen, muß die ihnen
zugeordnete Auswertschaltung auch identische Signale erzeugen. Treten
Abweichungen auf, so wird auch dies als Warnsignal registriert und
z.B. als Belegt-Meldung für
das Gleis ausgegeben
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- 1
- Näherungsschalter
- 2
- Schiene
- 3
- Spurkranz
- 4
- Rad
- 5
- Sensorspule,
Sensor
- 6
- Ferritkern
- 7
- Wicklung
- 8
- Prüfspule
- 9
- Ferritkern
- 10
- Wicklung,
Prüfwicklung
- 11
- Auswertschaltung
- 12
- Schwingkreis
- 13
- Prüfstromkreis
- 14
- Prüfschalter
- 15
- Signalstromkreis
- 16
- Kurve
- 17
- Verlauf
- 18
- Ansprechwert
- 19
- Maximalwert,
Kurzschlusswert
- 20
- Minimalwert,
Kabelbruchwert
- 21
- Rechteckimpuls,
Ausgangssignal, Warnsignal
- 22
- Rechteckimpuls,
Prüfsignal
- 23
- Signalstärkeachse
- 24
- Zeitachse