DE2644928C3 - Elektromagnetischer Fahrzeugdetektor - Google Patents
Elektromagnetischer FahrzeugdetektorInfo
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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
ir> am Ausgang der Summierschaltung 23 besitzt eine
zwischen den Verstärkungsfaktoren der Verstärker 10 und 11 in bezug auf die Referenzphase schwankt.
am größten ist und der Verstärkungsfaktor AD des
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
schwankt
>~> 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-
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)
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.
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