DE2644928C3 - Elektromagnetischer Fahrzeugdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Fahrzeugdetektor mit mindestens einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, bei dem die Empfangsspulen gegenseitig stark und mit der Sendespule schwach gekoppelt sind, wobei die Empfangsspulen zu beiden Seiten der Achse der Sendespule liegen.

Ein vergleichbares Gerät ist aus der DE-PS 9 65 792 bekannt Bei dem bekannten Gerät handelt es sich jedoch um ein elektromagnetisches Metallsuchgerät, beispielsweise zum Aufsuchen von Nägeln in Autoreifen. Dieses bekannte Gerät ist nicht zur Detektion von Fahrzeugen geeignet und wäre dort vor allem im Ruhrzustand schwer zu justieren.

Aus der AT-PS 1 03 826 ist ein Metallsuchgerät bekannt, bei dem die Empfangsspule in einem gewissen Abstand von der Sendespule angeordnet ist Die Spulenachsen verlaufen jedoch im Gegensatz zum Fahrzeugdetektor der eingangs genannten Art parallel. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch die Abschirmungswirkung des nachzuweisenden Objektes, das sich zwischen Empfangsspule und Sendespule befinden muß, die Zahl der die Empfangsspule durchsetzenden Feldlinien verringert Der Hauptnachteil dieses bekannten Gerätes liegt — wie bereits erwähnt — darin, daß sich das nachzuweisende Objekt zwischen Empfangs- und Sendespule befinden muß.

Aus der Zeitschrift »Straßenverkehrstechnik« Heft 3/4, 1968, Seiten 39 bis 44 ist die Verwendung von Fahrzeugdetektoren an Autobahnen bekannt Aus dieser Druckschrift ist ferner bekannt, daß Phasendifferenzen ausgewertet werden können und daß in einer Fahrbahn zwei Schleifen anzuordnen sind, mit deren Hilfe Fahrtrichtung, Geschwindigkeit und die Verweilzeit des Fahrzeuges ermittelt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Detektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der längs der Richtung eines Verkehrsweges in dessen Mitte angeordnet werden kann, um sowohl die passierenden Fahrzeuge als auch deren Bewegungsrichtung zu registrieren, ohne daß das Fahrzeug zwischen Sendespule und Empfangsspule durchfährt. Der Detektor gemäß der Erfindung'soll eine einfache und präzise Justierung ermöglichen und wenig empfindlich für Einflüsse des darunterliegenden Bodens sein.

'">ie erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Die getroffene geometrische Anordnung und die starke oder enge Kopplung der F.mpfangsspulen

ermöglicht eine Auswertung der Phasenbeziehung, die sich zwischen der von den Empfangsspulen gelieferten resultierenden Spannung und der von der Sendespule gelieferten Spannung, die als Bezugsspannung verwendet wird, einstellt.

Nach einem weiteren, die Erfindung ausgestaltenden Merkmal umfaßt der Fahrzeugdetektor eine Phasensteuerschaltung, die eine automatische Kompensation parasitärer, insbesondere duch die Umgebung erzeugter Phasenverschiebungen ermöglicht

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind im übrigen mit den Unteransprüchen gekennzeichnet

In der Zeichnung ist ein Signalgeber nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte Wiedergabe des Signalgebers,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der zugehörigen Schaltungen und

Fi g. 3 ein detailierteres Schaltbild dieser zugeordneten Schaltungen.

Gemäß der vereinfachten Darstellung in F i g. 1 umfaßt der Signalgeber eine Sendespule 1 beispielsweise in Form einer Spule, die einen Ferritkern oder Ferritstab enthält und deren Achse 8 horizontal liegt Die Sendespule 1 ist mit einer Schaltung 4 für die Signalerzeugung und die Signalgewinnung verbunden. Diese Schaltung speist die Sendespule 1 derart, daß diese in bekannter Weise ein Magnetfeld //erzeugt Der Geber umfaßt außerdem zwei Empfangsspulen 2,3, die sich in einer gewissen Entfernung in der Größenordnung von einigen Dezimetern von der Sendespule 1 befinden, mit der sie schwach gekoppelt sind. Die Empfangsspulen 2,3 sind vorzugsweise Rahmenspulen, deren Achse 9 rechtwinklig zur Achse 8 der Sendespule verläuft und die Empfangsspulen liegen zu beiden Seiten dieser Achse 8. Da sie nahe beieinander angeordnet sind, sind die Empfangsspulen stark oder fest miteinander gekoppelt, was die Entstehung einer Phasenbeziehung zwischen den Empfangsspannungen und der Sendespannung begünstigt und welche Phasenbeziehung in den nachfolgenden Schaltungen ausgewertet wird. Die Schaltung 4 ist mit den beiden Rahmenspulen verbunden. Sie ist außerdem mit einer abgesetzten Weiterverarbeitungsschaltung über eine Leitung 5 verbunden.

Die Sendespule 1 und die Empfangsspulen 2, 3 sind auf einer Trägerplatte 6 aus Metall angeordnet die sowohl eine elektrostatische als auch eine magnetische Abschirmung bildet und außerdem ist eine zusätzliche elektrostatische Abschirmung 7 um die Empfangsspulen 2 und 3 herum vorgesehen. Das Vorhandensein der metallischen Trägerplatte macht den Geber wesentlich weniger empfindlich für Einflüsse des darunterliegenden Bodens und die elektrostatische Abschirmung verringert die Empfindlichkeit des Gebers für elektrostatische Vorgänge in der Umgebund und beseitigt sogar die Störung durch das Passieren einer Person durch den örtlichen Ansprechbereich des Gebers. Die Achse der Empfangsspulen ist horizontal gerichtet und verläuft senkrecht zur Längsachse des Gebers; diese Anordnung führt zu einem Detektionsbereich, der eine erhebliche Fläche zu beiden Seiten der Achse des Gebers umfaßt. Der Geber wird folglich längs der Richtung des Verkehrweges und in dessen Mitte angeordnet. Außerdem ergibt sich durch diese Anordnung, daß die ausgewertete Phasenänderung in Abhängigkeit davon.

ob sich das Fahrzeug links oder rechts von der Achse des Gebers bewegt verschieden ist und auch von der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges abhängt das heißt wenn das Fahrzeug sich von der Sendespule in Richtung auf die Empfangsspulen bewegt ist das Vorzeichen der Phasenverschiebung umgekehrt zu demjenigen, das sich ergibt wenn das Fahrzeug in der Gegenrichtung fährt

Wenn eine Metallmasse sich in dem Empfindlichkeitsbereich des Gebers befindet oder wenn in diesen ein

in Fahrzeug eintritt entstehen Wirbelströme, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich demjenigen der Sendespule im betrachteten Punkt überlagert Hieraus ergibt sich eine Amplituden- und Phasenänderung der in den Empfangsspulen induzierten Spannungen.

Es wird die Phasenänderung ausgewertet was gegenüber der Auswertung der Amplitudenänderung des resultierenden Signales den Vorteii einer wesentlich verringerten Empfindlichkeit gegenüber Störungen, die auf elektromagnetische Wellenstrahlungen zurückzuführen, hat

F i g. 2 zeigt im vereinfachten Blockschaltbild den Aufbau der Steuer- und Signalgewinnungsschaltung 4. Die Sendespule 1 ist als Selbstinduktivität wiedergege-

2', ben, die Empfangsspulen 2 und 3 als Luft-Rahmenspulen oder Rahmenantennen. Jede der Empfangsspulen ist mit einem Verstärker 10 bzw. 11 verbunden; die Ausgänge der Verstärker sind im Punkt 23 zusammengeführt und mit dem Eingang einer Wandlerschaltung 12 verbunden,

;o die die sinusförmige Empfangsspannung in eine Rechteckspannung umwandelt. Die Sendespule 1 ist ebenfalls mit einer Wandlerschaltung !3 verbunden, die die sinusförmige Eingangsspannung in eine Rechteckspannung überführt welche — wie schon erläutert —

η die Bezugsspannung bildet. Diese Umwandlung der sinusförmigen Signale in Rechtecksignale trägt dazu bei, die Gesamtschaltung praktisch völlig unempfindlich gegenüber zusätzlichen Störungen, die sich dem sinusförmigen Signal überlagern, zu machen.

■i" Die zwei Wandlerschaltungen 12 und 13 speisen einen Phasenvergleicher 14, der zwei Ausgänge 15 und 16 besitzt, die mit den Verstärkern 10 und 11 verbunden sind, sowie zwei weitere Ausgänge 17 und 18, die die Informationen bezüglich des durch den Geber festge-

• stellten Objektes liefern, und zwar in Abhängigkeit von seiner Lage in bezug auf die Geberachse an logische Torschaltungen 19 oder 20. Eine Leitung 22 speist die Sendespule mit der Frequenz 50 KHz, und zwar über einen Verstärker 21. flC-Glieder 24 und 25 vermeiden

•υ abrupte Signalsprünge.

Der Geber arbeitet nun wie folgt: Über die Leitung 22 und den Verstärker 21 mit einer sinusförmigen Spannung gespeist, wird die Sendespule von einem Strom durchflossen, der um die Sendespule herum ein

>'. Magnetfeld aufbaut. Dieses induziert Ströme in den Empfangsspulen 2,3, die zu beiden Seiten der Achse der Sendespule liegen und mit dieser gekoppelt sind. Solange sich im Feld keine störende Metallmasse befindet, soll von den Empfangsspulen 2 und 3 ein resultierendes Signal abgegeben werden, das sich mit dem von der Wandlerschaltung 13 abgegebenen Bezugssignal in Phase befindet. Daher muß im Ruhezustand am Ausgang der Empfangsspulen eine von Null verschiedene resultierende Spannung vorhanden sein. Dies wird dadurch erreicht, daß eine gewisse Winkelablage zwischen der Achse 8 der Sendespule 1 und der Symmetrieebene der Empfanesspulen 2 und 3 erzeugt wird. Mit anderen Worten weicht der Winkel

zwischen den Achsen 8 und 9, der normalerweise 90 Grad betragen müßte, von diesem Wert hinreichend ab, daß die resultierende der in den Empfangsspulen induzierten Ströme nicht mehr Null ist sondern einen gewissen Wert hat, der eine exakte Verarbeitung durch die schon erwähnte Steuerschaltung erlaubt. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft in bezug auf den einleitend genannten, bekannten Geber, bei dem vor seiner Verwendung genaue, jedoch wenig sichere Justierungen erforderlich waren.

Die Steuerung geschieht selbsttätig und erlaubt außerdem die Kompensation von für den Geber ungünstigen Umgebungseinflüssen und von langsamen Änderungen der Eigenschaften infolge der Alterung der Bauelemente der Schaltung. Zur Vornahme dieser Steuerung werden die von den Empfangsspulen 2 und 3 stammenden Signale getrennt in den Verstärkern 10 und 11 verstärkt, die jeweils eigene Verstärkungssteuereingänge aufweisen; dann werden die Ausgangssignale der Verstärker 10 und 11 bei 23 zusammengeführt. Im Schaltungspunkt 23 erhält man auf diese Weise ein sich aus der Addition der verstärkten Signale ergebendes, vektorielles Signal, dessen Phase folglich in Abhängigkeit von dem Unterschied der Verstärkungsfaktoren der Verstärker in bezug auf die Phase des Bezugssignales schwankt Ein Phasenvergleicher 14 erhält einerseits das resultierende Signal und andererseits das Bezugssignal, nach dem es diese Signale in Rechtecksignale mittels der Wandlerschaltungen 12 und 13 überführt wurden; der Phasenvergleicher bestimmt den Phasenunterschied zwischen diesen zwei Signalen und liefert je nach Richtung der Phasenverschiebung über den Ausgang 15 oder den Ausgang 16 an den betreffenden Verstärker 10 oder 11 eine Steuerspannung, die dessen Verstärkung derart ändert, daß das resultierende Signal sich in Phase mit dem Bezugssignal befindet

Hierbei ist festzustellen, daß der Vergleich der Signalphasen digital erfolgt Die Steuerung in den gleichphasigen Zustand geschieht verhältnismäßig langsam, und zwar zufolge dessen, daß die automatische Verstärkungsregelung der Verstärker 10 und 11 eine große Zeitkonstante besitzt Die Schaltung kann daher nicht augenblicklich auf das Auftreten rascher Phasenänderungen ansprechen, wie sie durch das Eintreten einer Metallmasse oder eines Fahrzeuges in das Magnetfeld der Sendespule hervorgerufen werden. In einem solchen Fall tritt an dem Ausgang 17 oder an dem Ausgang 18 des Phasenvergleichers 14 eine Spannung auf, die das Vorhandensein eines stillstehenden Fahrzeuges in der unmittelbaren Nähe des Wandlers anzeigt, wenn sie über längere Zeit bestehen bleibt oder die das Vorhandensein eines fahrenden Fahrzeuges anzeigt wenn sie impulsförmigen Charakter hat

Der Ausgang, an dem die Spannung auftritt bezeichnet die Lage des Fahrzeuges in bezug auf die Achse des Melders oder die Richtung, in der das Fahrzeug sich bewegt Diese Spannung ist ein Logiksignal oder Logikpegel, der über die Torschaltungen 19 oder 20 einer nicht beschriebenen Auswertungsschaltung zugeführt wird.

F i g. 3 gibt ein genaueres Schaltbild der Schaltung der F i g. 2 wieder. Die Sendespule 1 mit der Induktivität L1 wird über den Verstärker 21 aus der Speiseleitung 22 gespeist Die von der Sendespule 1 abgestrahlte Energie ist in Obereinstimmung mit dem den Schwingkreis Li CX durchfließenden Strom sinusförmig. Zwischen der Induktivität L1 und dem Kondensator Ci wird eine in bezug auf die von dem Leiter 22 gelieferte Bezugsspannung um 90 Grad phasenverschobene Spannung abgezweigt.

Die beiden Empfangsspulen 2 und 3, die zu Schwingkreisen L 2 C2 und L3 C3 ergänzt sind, ') nehmen eine bestimmte Energie auf, die an den Klemmen der Schwingkreise annähernd gegenphasige Spannungen erzeugen. Die zwei Verstärker 10, 11 sind aus Operationsverstärkern mit jeweils getrenntem Verstärkungssteuereingang aufgebaut und erhalten

ι« über die Kondensatoren CA bzw. C5 die von den Empfangsspulen 2 bzw. 3 kommenden Spannungen. Die Signale am Ausgang dieser Verstärker werden beide der Basis eines Transistors Q5 zugeführt der eine Summierschaltung 23 bildet Das resultierende Signal

i^r> am Ausgang der Summierschaltung 23 besitzt eine

Phase, die in Abhängigkeit von dem Unterschied

zwischen den Verstärkungsfaktoren der Verstärker 10 und 11 in bezug auf die Referenzphase schwankt.

Wenn der Verstärkungsfaktor AG des Verstärkers 10

am größten ist und der Verstärkungsfaktor AD des

Verstärkers 11 am kleinsten ist hat die resultierende Spannung eine Phase nahe derjenigen der von der Empfangsspule 3 empfangenen Spannung. Wenn der Verstärkungsfaktor AG seinen kleinsten

2> Wert hat und der Verstärkungsfaktor AD seinen größten Wert hat besitzt die resultierende Spannung eine Phase etwa gleich derjenigen der von der Empfangsspule 2 empfangenen Spannung. Für jeden Zwischenwert der Verstärkung besitzt die resultierende

3Ii Spannung eine Phase, die zwischen den beiden vorhergenannten Weiten liegt so daß die Phase im

Ergebnis um einen Betrag von nahezu 180 Grad

schwankt

Somit kann ein Gleichgewichtszustand für und mit

>~> praktisch beliebig vielen Weiten der Verstärkungsfaktoren AG und AD erzielt werden, also auch dann, wenn die Umgebung den ursprünglichen Gleichgewichtszustand stört oder wenn die Alterung der Bauelemente der Schaltung zu Arbeitspunktverschiebungen oder sonsti-

U) gen Drifterscheinungen führen.

Das Rasten der Phasenschleife über den Phasenvergleicher 14 wird im übrigen durch Integration von Impulsen erzielt die sich aus einem Vergleich ergeben, sowie durch das Anlegen der Verstärkungssteuerspan-

*'■· nungen an die zwei Verstärker über ÄC-Glieder 26, 27. Ein derartiger Geber, dessen äußere Abmessungen verhältnismäßig gering sind, nämlich bei etwa einem Meter liegen, wird parallel zum Straßenverlauf in diese versenkt eingebaut

"'" Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt hat der Geber eine Reihe hervorstechender Eigenschaften bzw. Vorteile.

Die Auswertung der Phase des resultierenden Signales führt dazu, daß der Geber wesentlich weniger

⁵' empfindlich für Störungen als bisherige Geber ist und daß andererseits zufolge der gewellten Unsymmetrie in der gegenseitigen Stellung der Sendespule und der Empfangsspulen zueinander eine Möglichkeit geschaffen ist, mittels einer Regelschaltung Fehler automatisch

^hn zu kompensieren, die durch die Umgebung hervorgerufen werden würden, so daß schwierige Voreinstellarbeiten oder Justierungen vermieden sind. Außerdem verger diese Anordnung auch die toten Bereiche, in denen ein Fahrzeug nicht festgestellt werden kann.

··> Außerdem ermöglicht der Umstand, daß ein stillstehendes Fahrzeug ein resultierendes Ausgangssignal der Summierschaltung 23 mit einer beträchtlichen Phasenänderung hervorruft, die die Steuerung bzw. Regelung

in die Sättigung treibt und zu einer ständig vorhandenen Spannung an den Ausgängen 17 und 18 des Phasenvergleichers 14 führt, um den Wandler herum zwei Empfindlichkeitsbereiche festzulegen, wobei in einem kleineren Bereich stillstehende Fahrzeuge festgestellt werden und in einem ausgedehnteren Bereich die in Bewegung befindlichen Fahrzeuge detcktiert werden.

Die Anordnung der Empfangsspulen zu beiden Seiten der Achse der Sendespule und die enge Kopplung zwischen den Empfangsspulen führt dazu, daß das Phasendiagramm frequenzabhängig ist.

Dies eröffnet die Möglichkeit, das ortungsgemäße Arbeiten des Wandlers durch einen Ferntest zu prüfen, der in einer abrupten Frequenzänderung besteht. Da die Empfangsspulen 2 und 3 Teile eines Resonanzschwingkreises bilden, führt eine Änderung der Nennfrequenz des Bezugssignales, die im beschriebenen Beispiel

normalerweise 50 KHz ist, zu einer unterschiedlichen Änderung der Phasen der von den Spulen 2 und 3 gelieferten Signale und läßt demzufolge das resultierende Signal bei 23 sich ändern. Diese Änderung bewirkt das Auftreten einer Ausgangsinformation an den Ausgängen 17 oder 18 des Phasenvergleichers 14, die von den logischen Torschaltungen 19 oder 20 weitergeleitet wird. Das Vorhandensein dieser Informationen beweist das ordnungsgemäße Arbeiten des Wandlers. Dieser Funktionstest wird im allgemeinen dann durchgehen, wenn sich in der Nähe des Gebers keinerlei Fahrzeug befindet.

Abschließend ist noch anzumerken, daß der beschriebene Geber sowohl stehende als auch fahrende Fahrzeuge meldet und daß er statt in den Straßenuntergrund eingebettet auch am Straßenrand bei gleicher Funktion angebracht werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Fahrzeugdetektor mit mindestens einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, bei dem die Empfangsspulen gegenseitig stark und mit der Sendespule schwach gekoppelt sind, wobei die Empfangsspulen zu beiden Seiten der Achse der Sendespule liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (8) der Sendespule (1) mit der gemeinsamen Achse (9) der iü Empfangsspulen (2, 3) einen von einem rechten Winkel abweichenden Winkel bildet, so daß bei Abwesenheit einer Metallmasse am Ausgang der Empfangespulen ein von Null verschiedenes Signal erzeugt wird, und daß die Sende- und Empfangsspulen (1, 2, 3) auf einer metallischen Trägerplatte (6) angeordnet sind.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatische Abschirmung (7) die Empfangsspulen (2,3) umgibt.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Empfangsspule (2, 3) mit einem Verstärker (10,11) mit eigener Verstärkungssteuerung verbunden ist, deren Ausgänge zusammengeführt (bei 23) und mit einem Phasenverglei- r> eher (14) verbunden sind, der außerdem mit der Sendespule (1) verbunden ist und dessen mindestens zwei Ausgänge mit den jeweiligen Verstärkungssteuereingängen der Verstärker (10, 11) verbunden sind. ίο

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärkungssteuerkreis ein KC-Glied (26,27) enthält.

5. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale für den Phasen- i~> vergleich (14) zunächst Wandlerschaltungen (12,13) durchlaufen, die sie in Rechtecksignale überführen.

6. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Verstärker (10, 11) in einer im wesentlichen ein Halbleiterbau- -to element (Q 5) enthaltenden Schaltung (23) vektoriell addiert werden.

7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für ein resultierendes Signal (bei 23), das eine wesentliche Phasenänderung 1 -, anzeigt, je nach Vorzeichen dieser Phasenänderung an dem einen oder dem anderen von zwei weiteren Ausgängen (17,18) des Phasenvergleichers (14) eine Information erscheint, und diese Ausgänge über je ein RC-G\ied (24, 25) mit einer logischen Schaltung ,0 (19,20) verbunden sind.

8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das das Auftreten einer Gleichspannung an dem einen oder dem anderen Ausgang (l7, 18) des Phasenvergleichers (14) das Vorhandensein einer ,-, ortsfesten Metallmasse oder eines stillstehenden Fahrzeuges in einem örtlich kleinen Empfindlichkeitsbereich des Detektors an/.eigt und diese Spannung eine Zeit anliegen bleibt, die für die Steuerung der Verstärker (10, 11) aus dem >■■.> Sättigungsbereich heraus ausreichend ist.

9. Detektor nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten einer Impulsspannung an dem einen oder dem anderen Ausgang (17, 18) des Phasenvergleichers (14) das Vorhandensein eines fahrenden Fahrzeuges in einem örtlich größeren Krnpfindlichkeitsbereich des Detektors .in/eigt.

10. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzänderung des Speisesignals der Sendespule (1) in der Summierechaltung (23) aus den Signalen der Empfangsspulen (2,3) ein resultierendes Signal mit großer Phasenänderung erzeugt, und die Resonanzschaltungen der Empfangsspulen auf die Nennfrequenz des Speisesignals abgestimmt sind und diese Frequenzänderung als Test für die Funktion des Gebers in Abwesenheit eines Fahrzeuges auswertbar ist

11. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (1) eine Magnetspule mit einem Ferritkern ist und die Empfangsspulen (2,3) Luft-Rahmenspulen sind.