DE69201072T2 - Vorrichtung zur Kraftmessung und Apparat zur Erfassung des Stromes einer Gleisüberleitung unter Verwendung dieser Vorrichtung. - Google Patents

Vorrichtung zur Kraftmessung und Apparat zur Erfassung des Stromes einer Gleisüberleitung unter Verwendung dieser Vorrichtung.

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DE69201072T2
DE69201072T2 DE1992601072 DE69201072T DE69201072T2 DE 69201072 T2 DE69201072 T2 DE 69201072T2 DE 1992601072 DE1992601072 DE 1992601072 DE 69201072 T DE69201072 T DE 69201072T DE 69201072 T2 DE69201072 T2 DE 69201072T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft sowie auf eine Einrichtung zum Abnehmen des elektrischen Stromes einer Kettenfahrleitung durch einen diese Vorrichtung verwendenden Triebwagen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen umfaßt mehrere Lichtleitfaser-Kraftmeßwertaufnehmer, bei denen wenigstens ein Belastungsteilstück einer Lichtleitfaser in einer Belastungsübertragungszone angeordnet ist, die so beschaffen ist, daß sie in Abhängigkeit von dem Aufbringen der zu messenden Kraft eine Kraft auf die Lichtleitfasern aufbringt.
  • Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Lichtleitfaser- Kraftmeßwertaufnehmer ist in der Einleitung der franzosischen Patentanmeldung mit dem Titel "Capteur de force et appareillage pour capter le courant d'une ligne caténaire depuis une motrice utilisant ce capteur" beschrieben, die auf den Namen der Anmelderin an demselben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde (EP-A-395 504).
  • Bei dem Beispiel eines Meßwertaufnehmers durch Mikrokrümmungen, der schematisch in Figur 1 dargestellt ist, ist das Belastungsteilstück der Lichtleitfasern 5 zwischen zwei Backen 1, 2 eingesetzt, die auf die Lichtleitfaser 5 eine Auslenkung durch Mikrokrümmungen mit der Amplitude D in Abhängigkeit von dem Aufbringen einer Kraft F ausüben. Ein Photodetektor 6 mit die von einer Quelle 4 abgegebene und entlang der Lichtleitfasern 5 übertragene Lichtintensität. Die Lichtdämpfung in Abhängigkeit von der Verstellung D folgt üblicherweise einer S-förmigen Kurve, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Nur der Mittenbereich 2 der Kurve entspricht einem Gebiet mit linearer Abhängigkeit.
  • Bis heute sind nur wenige optische Anordnungen vorgeschlagen, um solche Meßwertaufnehmer mit einem genau reproduzierbaren Proportionalitätskoeffizienten zu verbinden, hauptsächlich deshalb, da diese Verbindung im allgemeinen unterstellt, daß die verschiedenen Meßwertaufnehmer eine zur aufgebrachten Kraft proportionale Reaktion (Dämpfung) aufweisen. Diese Reproduzierbarkeit ist bis jetzt schwierig zu erzielen, da zum Herstellen dieser Meßwertaufnehmer sehr große Bearbeitungspräzisionen notwendig sind und da diese Meßwertaufnehmer im Verlauf der Zeit eine Abweichung ihrer Reaktion aufweisen, insbesondere aufgrund von Alterung der mechanischen Teile durch Setzungserscheinungen des Mantels der Lichtleitfaser.
  • Das mit Reflexion eines Lichtimpulses arbeitende Verfahren OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) wurde entwickelt, um mehrere an einer einzigen Lichtleitfaser angeordnete Meßwertaufnehmer abzufragen. In der GB-A-2 015 844 ist ein Lichtleitfaserkabel mit einem Mikrokrümmungs-Aufbau beschrieben, das entlang einem Schienenweg angeordnet ist, um die Präsenz eines Zuges mittels des Verfahrens OTDR zu erfassen. Eine zweite Reihe von Patenten (US-A-4 463 254, US-A-4 421 970, US-A-4 459 477, US-A-4 477 725) beschreibt eine Art und Weise der Anbringung einer Reihe von mit Mikrokrümmungen arbeitenden Meßwertaufnehmern an einer Lichtleitfaser, um Belastungen in einer mechanischen Konstruktion zu messen, beispielsweise einem Gebäude.
  • Mit diesem Verfahren kann eine Reihe von Meßwertaufnehmern an einer einzigen Lichtleitfaser abgefragt werden. Tatsächlich gelangt der abgegebene Lichtimpuls nacheinander zu jedem Meßwertaufnehmer. Jedoch werden die Signale jedes Aufnehmers bei diesem Verfahren nicht integriert. Außerdem ergibt sich eine Störung des von jedem Meßwertaufnehmer abgegebenen Signals durch die anderen Meßwertaufnehmer, was das Meßsystem auf geringe Dämpfungswerte beschränkt (siehe A.R. Mickelson, O. Klevhus und M. Eriksrud, 1984: Backscatter readout from serial microbending sensors, Journal of Ligthwave Technology, Band LT-2, Seiten 700 bis 709; und D.C. Marvin und N.A. Ives, 1984: Wide-range fibre-optic strain sensor, Journal of Applied Optics, Band 23, Seiten 4212 bis 4217).
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neue Vorrichtung zum Messen von Kraft vorzuschlagen, die das gleichzeitige Abfragen von mehreren Meßwertaufnehmern einer Lichtleitfaser ermöglicht, um eine Information zu liefern, die die von jedem Meßwertaufnehmer gemessenen Belastungen integriert und die in leichter Weise auswertet werden kann.
  • Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft, mit einem optischen Kreis, der zwischen mehreren Lichtleitfaser-Kraftmeßwertaufnehmern ausgebildet ist, wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Lichtdetektor.
  • Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtdetektor zur Erfassung des Lichts angeordnet ist, das von der Lichtquelle ausgesendet und entlang dem optischen Kreis übertragen wird, daß jeder der Kraftmeßwertaufnehmer auf einen Bruchteil zu messenden Kraft anspricht und eine Belastungsübertragungszone aufweist, die so beschaffen ist, daß sie bei Anliegen des Bruchteils der zu messenden Kraft auf ein Belastungsteilstück einer Lichtleitfaser des Kreises eine Kraft ausübt, und daß der optische Kreis so beschaffen ist, daß das übertragene und erfaßte Licht eine Information liefert, die die Summe der auf die Meßwertaufnehmer bezogenen Bruchteile der zu messenden Kraft darstellt.
  • Bei dieser Anordnung wird die Messung durch Übertragung des Lichts entlang von Lichtleitfasern des Kreises bewirkt, was die bei Reflexionsverfahren (OTDR) aufgetretenen Schwierigkeiten beseitigt. Da die Integration der Meßsignale optisch mittels der Lichtleitfasern des Kreises durchgeführt wird, werden direkt Gesamtinformationen erhalten, was ihre nachfolgende Verarbeitung vereinfacht.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der optische Kreis wenigstens eine Erfassungs-Lichtleitfaser auf, an der mehrere Meßwertaufnehmer hintereinander angebracht sind.
  • Somit weist der optische Kreis einen besonders einfachen Aufbau mit einer verminderten Anzahl von optischen Bauteilen (Lichtleitfasern, Verbindungsvorrichtungen, ...) auf, was die Verluste durch Dämpfung in diesen Bauteilen minimiert und das Ausbilden der Vorrichtung mit geringen Herstellungskosten ermöglicht. Um die Leistungen der Anordnung zu verbessern, kann zu der Erfassungs-Lichtleitfaser eine Referenz-Lichtleitfaser hinzugefügt werden, die im wesentlichen dieselbe Beschaffenheit aufweist, wobei sie außerhalb der Belastungsübertragungszonen der Meßwertaufnehmer verläuft. Dies ermöglicht, andere Quellen einer Dämpfung des optischen Kreises als die Meßwertaufnehmer zu berücksichtigen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der optische Kreis mit einer ersten und mit einer zweiten Erfassungs-Lichtleitfaser versehen, an denen Kraftmeßwertaufnehmer angebracht sind, und einer ersten und einer zweiten Referenz-Lichtleitfaser, die außerhalb der Belastungsübertragungszonen der Meßwertaufnehmer angeordnet sind, wobei die Erfassungs-Lichtleitfasern und die Referenz- Lichtleitfasern im wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleichen Abmessungen aufweisen, und der optische Kreis ist so beschaffen ist, daß:
  • - die erste Erfassungs-Lichtleitfaser und die erste Referenz-Lichtleitfaser Lichtimpulse empfangen, die von einer ersten Lichtquelle mit einer ersten Frequenz ausgesendet werden;
  • - die zweite Erfassungs-Lichtleitfaser und die zweite Referenz-Lichtleitfaser Lichtimpulse empfangen, die von einer zweiten Lichtquelle mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz ausgesendet werden;
  • - ein erster Lichtdetektor die Lichtimpulse empfängt, die von der ersten Erfassungs-Lichtleitfaser und von der zweiten Referenz-Lichtleitfaser übertragen werden; und
  • - ein zweiter Lichtdetektor die Lichtimpulse empfängt, die von der zweiten Erfassungs-Lichtleitfaser und von der ersten Referenz-Lichtleitfaser übertragen werden.
  • Diese Anordnung ermöglicht durch eine Analyse der von den Detektoren gemäß den beiden Aussende-Frequenzen empfangenen Signalen die Summe der jedem Meßwertaufnehmer zugeordneten Bruchteile der Kraft zu berechnen, wobei die Wirkung von Quellen einer unerwünschten Dämpfung, beispielsweise die zum Weiterleiten der Meßsignale dienenden Lichtleitfaser, eliminiert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung des elektrischen Stroms einer Kettenfahrleitung von einem Triebwagen aus, mit einer ausklappbaren, rohrförmigen Struktur, einem Bügel, der im oberen Teil der rohrförmigen Struktur angeordnet ist und wenigstens ein Reibungsband trägt, Mitteln zum Anlegen des Bügels an die Kettenfahrleitung und mindestens einer wie oben angegebenen Meßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser-Kraftmeßwertaufnehmer zwischen einem Reibungsband und dem Bügel angebracht sind, derart, daß sie jeweils auf einen Bruchteil der Kontaktkraft zwischen dem Reibungsband und der Kettenfahrleitung ansprechen, wobei die Meßwertaufnehmer über einen optischen Kreis mit wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Lichtdetektor verbunden sind, wobei jeder Lichtdetektor 274, 276 so angeordnet ist, daß er das Licht erfaßt, das von einer Lichtquelle 272 ausgesendet und entlang dem optischen Kreis übertragen wird, und daß der optische Kreis so beschaffen ist, daß das übertragene und erfaßte Licht eine Information liefert, die die Summe der auf die Meßwertaufnehmer bezogenen Bruchteile der Kontaktkraft darstellt.
  • Diese Anordnung ermöglicht durch Interpretieren der Meßsignale, eine retroaktive Regelung der Kontaktkraft zwischen den Reibungsbändern und der Kettenfahrleitung auf der Basis der genauen und zuverlässigen Kraftmeßsignale auszuführen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der sich auf die beigefügte Zeichnung beziehenden, ausführlichen Beschreibung. In dieser Zeichnung zeigen:
  • - Figur 1, die bereits oben diskutiert wurde, schematisch einen mit Mikrokrümmungen arbeitenden Lichtleitfaser-Kraftmeßwertaufnehmer;
  • - Figur 2, die bereits oben diskutiert wurde, eine die Reaktion des Meßwertaufnehmers von Figur 1 darstellende Kurve;
  • - Figur 3 eine perspektivische Explosionsansicht eines bei der Erfindung verwendeten Meßwertaufnehmers;
  • - Figur 4 eine perspektivische Ansicht des Meßwertaufnehmers von Figur 3 nach dem Zusammenbau;
  • - Figur 5 ein zum Erläutern der Arbeitsweise des Meßwertaufnehmers der Figuren 3 und 4 nützliches Schema;
  • - Figur 6 schematisch eine zweite Ausführungsform eines bei der Erfindung anwendbaren Meßwertaufnehmers;
  • - die Figuren 7 und 8 Schnittansichten einer Lichtleitfaser bei der Ausführungsform von Figur 6;
  • - Figur 9 einen bei der Erfindung verwendbaren optischen Kreis;
  • - Figur 10 ein Detail von Figur 9;
  • - Figur 11 schematisch einen weiteren, bei der Erfindung verwendbaren optischen Kreis;
  • - Figur 12 eine Anordnung der Lichtleitfasern zum Messen der Kontaktkraft zwischen einem Scherenstromabnehmer und einer Kettenfahrleitung;
  • - Figur 13 eine Seitenansicht des oberen Abschnittes eines erfindungsgemäßen Scherenstromabnehmers;
  • - Figur 14 eine Teildraufsicht auf den Scherenstromabnehmer von Figur 13;
  • - Figur 15 eine Ansicht entlang der Ebene X-X von Figur 14;
  • - Figur 16 eine Draufsicht mit Teilauslassungen auf einen Abschnitt des Scherenstromabnehmers von Figur 13;
  • - Figur 17 einen Schnitt entlang der Ebene Y-Y von Figur 16; und
  • - Figur 18 eine Ansicht entsprechend derjenigen von Figur 17 einer weiteren Ausführungsform des Scherenstromabnehmers.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung wird mit "Meßwertaufnehmer" eine Struktur bezeichnet, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist und die das Modifizieren der Eigenschaften des sich in der Lichtleitfaser fortpflanzenden Lichtes in Reaktion auf das Aufbringen einer Kraft und somit das Erzeugen einer Modulation eines diese Kraft angebenden optischen Signals ermöglicht. Mit "Meßvorrichtung" wird ein System bezeichnet, das insbesondere aus einer oder mehreren Erfassungs-Lichtleitfasern und einem oder mehreren Meßwertaufnehmern gemäß der obigen Definition besteht.
  • Ein mit Mikrokrümmungen arbeitender Meßwertaufnehmer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie er in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, umfaßt einen Arm 10, der an einem Träger 12 um eine Schwenkachse x-x' angelenkt ist, die durch eine den Arm 10 mit dem Träger 12 verbindende Zunge 14 abgegrenzt ist. Der untere Abschnitt des Trägers 12 erstreckt sich parallel zu dem Arm 10, und sein zu der Gelenkzunge 14 entgegengesetztes Ende umfaßt eine erste Klemmfläche 16, die einer fest mit dem Arm 10 verbundenen zweiten Klemmfläche 18 gegenüberliegt (Figur 4). Wenn der Meßwertaufnehmer zusammengebaut ist (Figur 4), ist ein Belastungsteilstück 17 einer von einem Lichtleitfaserhaltelement 13 getragenen Erfassungs-Lichtleitfaser 15 in der Belastungsübertragungszone angeordnet, die zwischen den Klemmflächen 16, 18 abgegrenzt ist und sich in einer zu der Schwenkachse X-X' des Armes 10 parallelen Richtung erstreckt. Ein Ende der Erfassungs- Lichtleitfaser 15 umfaßt Mittel zum Verbinden mit einer Lichtquelle (Elektroluminiszensdiode oder Laserdiode), und das andere Ende umfaßt Mittel zum Verbinden mit einem Photodetektor.
  • Die beiden Klemmflächen 16, 18 weisen jeweils eine Modulation in der Form einer Folge von Rippen auf, die in dem dargestellten Beispiel parallel zu der Richtung des Armes 10 sind, also senkrecht zu dem Belastungsteilstück 17 der Erfassung-Lichtleitfaser 15. Die Rippen sind voneinander durch einen konstanten vorbestimmten Abstand in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Lichtausbreitung in der verwendeten Lichtleitfaser getrennt (siehe US-A-4 572 950). Die jeweiligen Rippen der Klemmflächen 16, 18 sind entlang dem Belastungsteilstück 17 der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 gegeneinander versetzt, so daß bei angebrachter Lichtleitfaser die Klemmflächen 16, 18 Mikrokrümmungen des Belastungsteilstückes 17 der Lichtleitfaser 15 in Abhängigkeit von einer in Querrichtung wirkenden Klemmkraft hervorrufen (siehe Figur 1).
  • Die zweite Klemmfläche 18 ist Teil eines Blocks 20, der das zu der Gelenkzunge 14 entgegengesetzte Ende des Armes 10 bildet. Dieser Block 20 ist an dem Körper des Armes 10 unter Zwischensetzen eines Paßstückes 22 angebracht, dessen Dicke e in einer Weise bestimmt wird, die später ausgeführt wird. Der Körper des Raumes 10 endet in einem hervorstehenden Teil 24 in Form einer zu der Zunge 14 parallelen Platte. Der Endblock 20 ist an dieser Platte 24 mittels einer Verlängerung 25 befestigt, die unter Zwischensetzen des Paßstückes 22 auf der Platte 24 ruht. Die Anordnung des Paßstückes 22 und des Blocks 20 an dem Körper des Armes 10 wird von zwei zylindrischen Stiften 26 gewährleistet, die von der Platte 24 getragen werden und in dem Paßstück 22 und der Verlängerung 25 des Blocks 20 vorgesehene komplementäre Löcher 28 bzw. 30 durchqueren. Der Block 20 ist mit dem Körper des Armes 10 durch zwei Schrauben 32 fest verbunden, die oberhalb des Blockes 20 angebracht sind, in der Verlängerung 25 des Blockes 20 und in dem Paßstück 22 vorgesehene Löcher 33 bzw. 34 durchqueren und in von der Platte 24 getragene Gewindelöcher 36 eingreifen. Die obere Fläche der Platte 24, das Paßstück 22 sowie die untere Fläche der Verlängerung 25 des Blockes 22 sind parallel zu der von dem Block 20 getragenen zweiten Klemmfläche 18, so daß durch Verändern der Dicke e des Paßstückes 22 der Abstand zwischen den Klemmflächen 16, 18 verändert wird, die dabei zueinander parallel bleiben.
  • Der Körper des Armes 10, die Zunge 14 und der Träger 12 sind aus einem einzigen Block hergestellt, beispielsweise aus einem Metallmaterial. Die die Schwenkachse x-x' des Armes 10 bildende Zunge 14 weist außerdem die Funktion auf, daß das Belastungsteilstück 17 der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 federnd beaufschlagt wird. Eine von der Steifigkeit der Zunge 14 abhängende Federkraft wirkt auf das Belastungsteilstück 17 der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 als Kompression zwischen den Klemmflächen 16, 18. Diese Vorspannkraft kann außerdem auf einen gewünschten Wert durch Verändern der Dicke e des Paßstückes 22 eingestellt werden, welches die durch die Zunge 14 gebildete Feder spannt, wobei die Vorspannkraft sich linear in Abhängigkeit von dieser Dicke e verändert. Diese unabhängig von der zu messenden Kraft F&sub0; wirkende Vorspannkraft ermöglicht, den Meßwertaufnehmer in seinem linearen Arbeitsbereich arbeiten zu lassen (siehe Figur 2).
  • Die Erfassungs-Lichtleitfaser 17 ist von einem Lichtleitfaserhalteelement 13 getragen, das auf dem unteren Abschnitt des Trägers 12 angeordnet ist. Das Lichtleitfaserhalteelement 13 umfaßt somit eine eine Abstützfläche bildende Mittelzone 38, die sich auf der oberen Fläche des unteren Abschnittes des Trägers 12 anordnet, sowie zwei parallele Flansche 40, 42, deren Abstand der Breite des Trägers 12 entspricht. Die Länge der Flansche 40, 42 des Lichtleitfaserhalteelementes 13 ist größer als die Länge der Abstützzone 38, so daß die Enden der Flansche 40, 42 einen offenen Abschnitt abgrenzen, der bei an dem Träger 12 angebrachtem Lichtleitfaserhalteelement die Klemmfläche 16 des Trägers 12 aufnimmt. Die Enden der Flansche 40, 42 enthalten außerdem zwei nach innen hervorstehende Ränder 44, 46, deren untere Fläche mit einem entsprechenden Absatz 48, 50 zusammenwirkt, wobei diese Absätze 48, 50 an dem Träger 2 beiderseits der Klemmfläche 16 ausgebildet sind. Das Lichtleitfaserhalteelement 13 kann auf diese Weise mit seinen mit den Seiten des Trägers 12 zusammenwirkenden Flanschen 40, 42 entlang dem Träger 12 gleiten, um die Ausrichtung des Belastungsteilstückes 17 der Lichtleitfaser 15 beizubehalten. Die Flansche 40, 42 des Lichtleitfaserhalteelementes 13 weisen jeweils eine Gewindeöffnung 52, 54 auf, die dafür vorgesehen ist, Schrauben 56 aufzunehmen, die das Lichtleitfaserhalteelement 13 mit dem die Klemmfläche 16 aufweisenden Träger 12 verbinden, wenn der Meßwertaufnehmer zusammengebaut ist (Figur 4).
  • Das Lichtleitfaserhalteelement 13 trägt die Erfassungs- Lichtleitfaser 15, von der ein Belastungsteilstück 17 senkrecht zu den Flanschen 40, 42 angeordnet ist, also bei zusammengebautem Meßwertaufnehmer (Figur 4) in einer zu der Schwenkachse x-x' des Armes 10 parallelen Richtung. Zum Anordnen der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 mit ihrem geeignet ausgerichteten Belastungsteilstück 17 kann beispielsweise vorgesehen sein, sie an dem oberen Abschnitt des Lichtleitfaserhalteelementes 13 durch Klebepunkte 58 zu befestigen, die an den die Klemmfläche 16 begrenzenden Rändern 44, 46 angeordnet sind.
  • In Figur 3 ist zu sehen, daß das Lichtleitfaserhalteelement 13 außerdem eine zweite Lichtleitfaser 60 trägt, die Referenz-Lichtleitfaser genannt wird. Die Referenz-Lichtleitfaser 60 weist vorzugsweise eine Beschaffenheit sowie Abmessungen auf, die identisch mit denjenigen der Erfassungs- Lichtleitfaser 15 sind. Die Referenz-Lichtleitfaser 60 ist an dem Lichtleitfaserhalteelement 13 (beispielsweise mittels Kleben) so angeordnet, daß sie bei zusammengebautem Meßwertaufnehmer nicht zwischen die Klemmflächen 16, 18 eintreten kann.
  • Die Erfassungs-Lichtleitfaser 15 und die Referenz-Lichtleitfaser 60 sind im Inneren eines gemeinsamen Mantels zu einem einzigen Kabel 62 vereinigt. Zum Anbringen der Lichtleitfasern 15, 60 an dem Lichtleitfaserhalteelement 13 wird der Mantel des Kabels 62 auf der notwendigen Länge unterbrochen, und das Kabel 62 wird in der Nähe der unterbrochenen Abschnitte seines Mantels in Löcher 64 eingesetzt, die an jedem Flansch 40, 42 des Lichtleitfaserhalteelementes 13 ausgebildet sind. Ein geeigneter Schlitz 66 ermöglicht, die freien Zonen der Lichtleitfasern 15, 60 zum oberen Abschnitt des Lichtleitfaserhalteelementes 13 zu führen. Dann können diese freien Abschnitte der Lichtleitfasern 15, 60 an die obere Fläche des Lichtleitfaserhalteelementes 13 geklebt werden, wobei das Belastungsteilstück 17 der Erfassungs- Lichtleitfaser 15 derart zwischen den Rändern 44, 46 verläuft, daß dieses Teilstück zwischen die Klemmflächen 16, 18 eingebracht wird, und wobei die entsprechende Zone der Referenz-Lichtleitfaser 60 außerhalb des die beiden Ränder 44, 46 trennenden Bereichs geführt wird, so daß diese Zone bei zusammengebautem Meßwertaufnehmer außerhalb der Klemmflächen 16, 18 angeordnet ist.
  • Bei der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die zu messende Kraft F&sub0; auf einen Übertragungsbügel 70 aufgebracht, der an dem Arm 10 um eine Achse y-y' angelenkt ist, die durch eine den Arm 10 in einer zur Schwenkrichtung x-x' des Armes 10 und dem Belastungsteilstück 17 der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 parallelen Richtung durchquerenden Stange 72 bestimmt ist. Die Gelenkstange 72 ist an einer Stelle angeordnet, die näher an der Schwenkachse x-x' des Armes 10 als an dem Belastungsteilstück 17 der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 angeordnet ist. Die Stange 72, die den der Kraft F&sub0; ausgesetzten Übertragungsbügel 70 aufnimmt, ist in der Ebene der Zunge 14 angeordnet, und die Klemmflächen 16, 18 sind im wesentlichen in dieser Ebene angeordnet. Somit ist die gemessene Kraft jederzeit die zu dieser Ebene senkrechte Komponente F&sub0;.
  • Der Übertragungsbügel 70 ist auf der Gelenkstange 72 durch Kugellager 74 auf jeder Seite des Armes 10 angebracht, um eine freie Drehung des Übertragungsbügels 70 um die Stange 72 zu gewährleisten.
  • Zum Anbringen des Meßwertaufnehmers umfaßt der Träger 12 an seinem unteren Abschnitt eine Rippe 76, beispielsweise in Form eines Schwalbenschwanzes, die sich parallel zu der Stange 72 und relativ zu der Schwenkachse x-x' des Armes 10 gegenüber der Stange 72 erstreckt, so daß die zum Ausgleich der zu messenden Kraft F&sub0; auf den Träger wirkende Reaktionskraft mit bezüglich der Schwenkachse x-x' des Armes 10 demselben Hebelarm wie die zu messende Kraft wirkt, was das Auftreten von unerwünschten Momenten vermeidet.
  • Zum Betrieb des oben beschriebenen Meßwertaufnehmers gibt eine durch geeignete Mittel mit einem Ende jeder Lichtleitfaser 15, 16 verbundene Lichtquelle ein Lichtsignal ab, was sich entlang der Lichtleitfasern 15, 60 fortpflanzt. Das Aufbringen der zu messenden Kraft F&sub0; bewirkt eine Verformung des Belastungsteilstückes der Lichtleitfaser 15 durch Mikrokrümmungen, was eine Dämpfung des Lichtsignals in der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 bewirkt. Ein entsprechender Lichtdetektor ist mit dem anderen Ende jeder Lichtleitfaser 15, 60 verbunden. Durch Vergleich der Lichtintensität der sich entlang der beiden Lichtleitfasern 15, 60 fortpflanzenden Signale wird eine die aufgebrachte Kraft F&sub0; darstellende Information erhalten.
  • Durch eine dynamische Analyse der auf den Arm 10 einwirkenden Kräfte kann gezeigt werden, daß die von der Lichtleitfaser 15 auf die fest mit dem Arm verbundene Klemmfläche 18 ausgeübte Reaktionskraft F&sub1; im wesentlichen gleich der gemessenen Kraft F&sub0; multipliziert mit dem Koeffizienten (b-a/2)/(c-a/2) ist, wobei (siehe Figur 5):
  • a die entlang dem Arm 10 gemessene Länge der elastischen Zunge 14 ist;
  • b der Abstand zwischen dem Angriffspunkt der zu messenden Kraft F&sub0; (also der Stange 72) und dem an den Träger 12 angrenzenden Ende der Zunge 14 ist; und
  • c der Abstand zwischen dem Angriffspunkt der Reaktionskraft F&sub1; der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 (also dem Belastungsteilstück 17) und dem an den Träger 12 angrenzenden Ende 14 ist.
  • Die Reaktionskraft F&sub1; ist die von den Klemmflächen 16, 18 auf das Belastungsteilstück 17 der Lichtleitfaser 15 ausgeübte Druckwirkung. Da diese Kraft F&sub1; nicht zu groß werden darf, um ein Beschädigen der Lichtleitfasern 15 zu vermeiden, und damit der Meßwertaufnehmer im linearen Bereich arbeitet, kann bei der Konstruktion des Meßwertaufnehmers das Verhältnis (b-a/2)/(c-a/2) derart gewählt werden, daß der Bereich dieser Kraft F&sub1; in Abhängigkeit von dem Bereich der zu messenden Kraft F&sub0; eingestellt wird. Wenn die zu messenden Kräfte F&sub0; relativ groß sind, wird durch Einstellung des Verhältnisses (b-a/2)/(c-a/2) eine Untersetzung ausgebildet, wie sie in den Figuren 3 bis 5 dargestellt ist, während bei relativ kleinen zu messenden Kräften F&sub0; dagegen eine Übersetzung ausgeführt werden kann, wie später unter Bezugnahme auf Figur 6 beschrieben wird.
  • Die Schwenkachse x-x' des Armes 10 ist im wesentlichen in der Mitte der Länge der elastischen Zunge 14 angeordnet, wie die obige Formel zeigt. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann außerdem die Empfindlichkeit der Messung eingestellt werden, indem das Abstandsverhältnis zwischen einerseits dem Abstand c-a/2 zwischen der Schwenkachse x-x' des Armes 10 und dem Belastungsteilstück 17 der Erfassungs- Lichtleitfaser 15 und andererseits dem Abstand zwischen der Schwenkachse x-x' des Armes 10 und der Stange 72, auf der die zu messende Kraft F&sub0; einwirkt, verändert wird. Zu diesem Zweck kann das Lichtleitfaserhalteelement 13 entlang dem Träger 12 verstellt werden, was das Belastungsteilstück 17 der Lichtleitfaser 15 näher zu der Schwenkachse x-x' bringt oder von dieser entfernt und somit den Parameter c verändert. Diese Einstellung wird festgesetzt, indem die Schrauben 56 angezogen werden, welche das Lichtleitfaserhalteelement 13 in seiner Stellung an dem Träger 12 halten.
  • Damit die Vorrichtung in einem Bereich mit linearer Reaktion (Bereich 2 von Figur 2) arbeitet, kann außerdem eine Dicke e des veränderbaren Paßstückes 22 gewählt werden, da im dargestellten Beispiel die auf die Lichtleitfaser 15 zum Verschieben der Abszisse des Ursprunges der Messungen ausgeübte Vorspannwirkung um so geringer ist, je größer diese Dicke e ist.
  • Das Anbringen des Übertragungsbügels 70 zum Aufbringen der zu messenden Kraft F&sub0; mittels auf der Stange 72 angebrachter Kugellager 74 ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine Drehfreiheit des Übertragungsbügels 70 zu erhalten, wodurch verhindert wird, daß auf den Übertragungsbügel 70 einwirkende Momente bei dem Aufbringen der Kraft F&sub0; auf den Arm 10 übertragen werden. Da die Stange 72 im wesentlichen in derselben Ebene wie die Zunge 14 angebracht ist und da außerdem die Klemmflächen 16, 18 im wesentlichen in dieser Ebene angeordnet sind, ist die gemessene Kraft F&sub0; stets die zu dieser Ebene senkrechte Komponente.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wie dies in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, daß der Träger 12, die Zunge 14 und wenigstens ein Teil des Armes 10 einen einteiligen Körper bilden, der beispielsweise ausgehend von einem maschinell bearbeiteten Block erhalten ist, was eine hohe mechanische Stabilität der Vorrichtung sowie ein Messen im wesentlichen unabhängig von der Betriebstemperatur gewährleistet.
  • Für ein Messen mittels Mikrokrümmungen ist die Erfassungs- Lichtleitfaser 15 vorzugsweise eine Multimoden-Lichtleitfaser mit einem Gradienten des Brechungsindexes, die einen harten Mantel (eine 30 um dicke Schicht aus Aluminium oder eine 10 um dicke Schicht aus einem Hartkunststoff) aufweist, um ein plastisches Fließen zu verhindern, und die folglich eine Meßabweisung von Null aufweist. Es ist selbstverständlich möglich, mehrere Belastungsteilstücke der Erfassung- Lichtleitfaser 15 zu bilden, die sich zwischen den Klemmflächen 16, 18 erstrecken, indem diese Erfassungs-Lichtleitfaser 15 mehrere Male zwischen den Rändern 44, 46 entlanggeführt wird, wobei diese Anordnung dann bevorzugt wird, wenn der Meßwertaufnehmer im linearen Bereich arbeitet, da sie ermöglicht, die auf die Erfassungs-Lichtleitfaser ausgeübten punktuellen Belastungen weiter zu verteilen. Es wird weiterhin gesehen, daß, obwohl dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird, das Belastungsteilstück 17 der Lichtleitfaser 15 nicht notwendigerweise parallel zur Schwenkachse x-x' des Armes 10 ist.
  • Die Verwendung einer Referenz-Lichtleitfaser 60, die parallel zur Erfassungs-Lichtleitfaser 15, jedoch außerhalb der Klemmflächen 16, 18 verläuft, ermöglicht durch einen Vergleich der diesen beiden Lichtleitfasern 15, 60 zugehörigen Lichtsignale, andere Quellen der Dämpfung der Ausbreitung als die Einklemmung der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 zwischen den Klemmflächen 16, 18 auszuschalten. Insbesondere kann auf diese Weise der Effekt der Lichtdämpfung durch beispielsweise Krümmungen der Lichtleitfaser in einer anderen Zone als in der der Meßwertaufnehmerzone unterdrückt werden sowie ebenfalls die Veränderungen des gemessenen Signals in Abhängigkeit von entlang der Lichtleitfaser auftretenden Temperaturen unterdrückt werden. Eine Kieselerde-Lichtleitfaser, die selbst eine ausgezeichnete Feder mit einem hohen Young-Modul und einer geringen Hysterese bildet, weist eine sehr gut reproduzierbare Gegenreaktion F&sub1; von der Lichtleitfaser 15 auf, weshalb der Meßwertaufnehmer sehr zuverlässsige Informationen bereitstellt.
  • Bei dieser Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich im Gegensatz zu einem Verlagerungs-Meßwertaufnehmer nach dem Stand der Technik selbst dann, wenn der Mantel der Erfassungs-Lichtleitfaser 15 im Verlauf der Zeit eine Setzung erfährt, keine Nullpunktsabweichung der Messung. Die zu messende Kraft F&sub0; und die Vorspannkraft werden nämlich auf das Belastungsteilstück 17 in Form einer Kraft übertragen, ohne daß diese in eine Verlagerung umgewandelt wird, was die genauen Abmessungen und die elastischen Eigenschaften der mechanischen Teile ins Spiel bringen wurde.
  • Beispiel 1
  • Zum Erläutern der unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschriebenen Ausführungsform des Meßwertaufnehmers wird nachfolgend ein vollständiges Beispiel der Dimensionierung eines solchen Meßwertaufnehmers gegeben, wobei dieses Beispiel selbstverständlich hinsichtlich des Umfanges der vorliegenden Erfindung in keiner Weise einschränkend ist.
  • 1. Meßdynamik des Meßwertaufnehmers (angestrebt) = 1 daN bis 10 daN.
  • 2. Ausgewählte Lichtleitfaser:
  • Hersteller: Corning - Zeichen 201.
  • Lichtleitfaser mit Gradienten des Brechungsindexes.
  • Kerndurchmesser = 85 Mikrometer.
  • Manteldurchmesser = 125 Mikrometer.
  • Numerische Öffnung = 0,26.
  • Mantel aus Acrylat.
  • Abstand der Modenkopplung: berechnet = 1,557 mm (was gemäß der US-A-4 572 950 die Periodizität der Modulation der Klemmflächen 16, 18 ergibt).
  • Gemessener Abstand der Modenkopplung = 1,58 mm.
  • Empfindlichkeit = 0,023 dB/g.
  • Linearer Bereich (bei 20 Zähnen) = 100 bis 900 g (Bereich 2 von Figur 2).
  • Steifigkeit der Lichtleitfaser (bei 20 Zähnen) = 100 daN/mm.
  • 3. (Angestrebter) Faktor der Untersetzung
  • F&sub0;/F&sub1; = 10/0,9 = 11,1 = (c-a/2)/(b-a/2)
  • 4. Konstruktion des Meßwertaufnehmers:
  • Abmessungen: a = 1 mm, b = 5 mm, c = 50 mm.
  • Lastangriffspunkt = 4,5 mm (von der Mitte der Zunge).
  • Untersetzungsfaktor = 49,5/4,5 = 11.
  • Das Lichtleitfaserhalteelement 13 kann um 5 mm entlang dem Träger 12 verstellt werden. Dies entspricht einer Veränderung des Untersetzungsfaktors um 10 % und somit einer Veränderung der Empfindlichkeit um 10 %.
  • 5. Zunge 14:
  • Abmessungen der Zunge: Dicke = 0,8 mm;
  • Breite = 20 mm.
  • Steifigkeit der Zunge = 6.000 daN/mm.
  • Steifigkeit der Zunge an dem Lastangriffspunkt = 6.000/4,52 = 296 daN/mm.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß die Steifigkeit der Zunge 14 hoch ist, weshalb die Frequenz der mechanischen Resonanz des einteiligen Körpers hoch ist. Jedoch ist an dem Angriffspunkt der auf den Meßwertaufnehmer aufgebrachten Kraft F&sub0; die Steifigkeit gering, weshalb die von der Zunge 14 "absorbierte" Kraft ebenfalls gering ist (weniger als 5 % der Gesamtkraft).
  • 6. Paßstück 22:
  • Einstellen der Dicke des Paßstückes 22 (Nullpunktverlagerung) = 11/0,296 = 37,2 Mikrometer/kg (der Kraft F&sub0;)
  • 7. Resonanzfrequenz
  • Von dem Meßwertaufnehmer üblicherweise getragene Masse = 1 kg.
  • Resonanzfrequenz:
  • Berechnet = 721 Hz (Biegung), 830 Hz (Torsion)
  • Gemessen = 607 Hz, 924 Hz.
  • Selbstverständlich können zahlreiche, im Bereich der Erfindung liegende Veränderungen an der oben beschriebenen Ausführungsform ausgeführt werden.
  • Eine mögliche Variante ist in Figur 6 dargestellt. Bei dieser Variante, die an das Messen einer Kraft F&sub0; in einem relativ niedrigen Bereich angepaßt ist, ruht der Arm 110 auf einem Träger 112 über eine Abstützung nach Art einer Schneidenlagerung entlang einer Kante 114 des Trägers 112. Die zu messende Kraft F&sub0; wirkt auf einen Körper 170, der sich an dem Arm 110 ebenfalls über eine Abstützung nach Art einer Schneidenlagerung entlang einer von dem Körper 170 getragenen Kante 172 abstützt. In einer Mittelzone des Armes 110 erstreckt sich zwischen dem Körper 170 und dem Träger 112 die Erfassungs-Lichtleitfaser 115, deren Belastungsteilstück 117 zwischen zwei ebene Klemmflächen 116, 118 eingesetzt ist. Auf diese Weise wird eine erwünschte Übersetzung der Kraft F&sub0; erzielt, um eine verstärkte Klemmwirkung auf die Lichtleitfaser 115 auszuüben. Eine Klemmfläche 118 ist fest mit dem Arm 110 verbunden, und die zweite Klemmfläche 116 ist fest mit einem Block 119 verbunden, der von dem Arm 110 getrennt und auf der relativ zum Arm 110 zu dem Träger 112 und dem Körper 170 entgegengesetzten Seite angeordnet ist. Der Arm 110 kann um die Kante 114 des Trägers 112 schwenken, und die Empfindlichkeit dieses Meßwertaufnehmers kann dadurch eingestellt werden, daß die Relativstellungen des Körpers 170 und des Trägers 112 verändert werden. Die Kante 114 des Trägers 112, die Kante 172 des Körpers 170 und die Belastungsübertragungszone 116, 188 sind in derselben Ebene P angeordnet. Zum Aufbringen der zum Einstellen des Meßnullpunktes vorgesehenen Vorspannkraft auf die Erfassungs-Lichtleitfaser 115 wird eine Schraube 180 angebracht, welche ein in dem Arm 110 senkrecht zu den Klemmflächen 116, 118 vorgesehenes Loch 182 durchquert und in ein in dem Block 119 vorgesehenes Gewindeloch 184 eingreift. Der Kopf der Schraube 180 greift an einem Ende einer den Schaft der Schraube 180 umgebenden Schraubenfeder 186 an, an deren anderem Ende eine vor dem Loch 182 des Armes 110 auf der Seite des Kopfes der Schraube 180 angebrachte Scheibe 188 angreift. Die Feder 186 ist dafür vorgesehen, zwischen den Klemmflächen 116 und 118 eine Druckspannung aufzubringen, wobei die Amplitude dieser Vorspannung durch Anziehen oder Lösen der Schraube 180 eingestellt werden kann.
  • Bei dem in Figur 6 dargestellten Beispiel ist der optische Erfassungskreis für eine Messung durch Polarimetrie mit einem einzigen Meßwertaufnehmer ausgelegt. Der Lichtquelle 104 ist ein Polarisationsfilter 105 zugeordnet, damit das in die Lichtleitfaser 115 abgegebene Licht eine gegebene Polarisierung p aufweist. Die Lichtleitfaser 115, deren Belastungsteilstück 117 in Figur 7 im Schnitt dargestellt ist, ist eine Monomoden-Lichtleitfaser mit kreisförmigem Kern 150. Wenn zwischen den ebenen Klemmflächen 116, 118 eine Druckwirkung ausgeübt wird, wird das Belastungsteilstück 117 geringfügig in eine ovale Form verformt, wie dies (übertrieben) in Figur 8 dargestellt ist. Der Kern 150 der Lichtleitfaser 115 wird geringfügig abgeflacht, woraus eine Drehung der Polarisation p des sich ausbreitenden Lichts resultiert. Somit ergibt die Messung des Grades der Drehung der Polarisation p eine Information, welche die mittels der Anordnung von Figur 6 gemessene Kraft angibt. Um diese Messung auszuführen, ist das Ende der Lichtleitfaser 115 an den Eingang eines Y-Kopplers 108 angeschlossen, dessen Ausgänge mit einem Polarisationsfilter 107a bzw. 107b sowie mit einem Photodetektor 106a bzw. 106b verbunden sind, was ein Analysieren der Polarisation des empfangenen Lichts ermöglicht. Das Filter 107a isoliert die zu der ursprünglichen, von dem Filter 105 vorgegebenen Polarisation parallele Komponente, und das Filter 107b isoliert die zu dieser sowie zu der Ausbreitungsrichtung senkrechte Komponente. Der Vergleich der Signale der Detektoren 106a, 106b zeigt somit den Grad der Drehung der Polarisation p an, welcher die von dem Meßwertaufnehmer gemessene Kraft F&sub0; angibt.
  • In Figur 9 ist ein optischer Kreis dargestellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ausbilden einer Meßvorrichtung verwendet wird, die mehrere mit Mikrokrümmungen arbeitende Meßwertaufnehmer des in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Typs umfaßt. Es wird darauf hingewiesen, daß ein entsprechender optischer Kreis mit den mit Polarimetrie arbeitenden Meßwertaufnehmern des mit Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 8 beschriebenen Typs oder mit anderen Meßwertaufnehmern mit Lichtleitfasern ausgebildet werden kann.
  • Zwei an einem gemeinsamen Sockel 89 befestigte Meßwertaufnehmer Ca, Cb sind in Reihe an derselben Erfassungs-Lichtleitfaser 15 angebracht. Zwei Belastungsteilstücke 17a, 17b der Lichtleitfaser 15 sind in den Belastungsübertragungszonen 16a, 18a und 16b, 18b der Meßwertaufnehmer Ca, Cb angebracht, welche auf diese Belastungsteilstücke 17a, 17b in Abhängigkeit von dem Aufbringen von entsprechenden Kräften fa, fb auf die Meßwertaufnehmer Ca, Cb mittels der Kraftübertragungsbügel 70a, 70b Kräfte ausüben. Die Kräfte fa, fb sind Bruchteile der zu messenden Gesamtkraft F&sub0;', die auf eine Stange 90 mit langgestreckter Form aufgebracht wird, deren Enden an den beiden Übertragungsbügeln 70a bzw. 70b befestigt sind. Der Angriffspunkt der Kraft F'&sub0; befindet sich an einer unbestimmten Stelle auf der Stange 90, so daß die den Bruchteilen fa, fb entsprechenden Anteile der Kraft F'&sub0; nicht im voraus bekannt sind.
  • Die Erfassungs-Lichtleitfaser 15 ist mit einer Referenz- Lichtleitfaser 60 mit Ausnahme des Bereichs der Belastungsübertragungszonen 16a, 18a und 16b, 18b der Meßwertaufnehmer Ca, Cb zu einem Kabel 62 vereinigt. An einem ihrer Enden sind die Lichtleitfasern 15, 60 mit den beiden Ausgängen eines Y-Kopplers 7 verbunden, dessen Eingang mit der Lichtquelle 4 verbunden ist. Das andere Ende jeder Lichtleitfaser 15, 60 ist mit einem Photodetektor 6a bzw. 6b verbunden, der die Intensität des von der Quelle 4 abgegebenen und entlang dem Kreis zu den Meßwertaufnehmern Ca, Cb übertragenen Licht mißt.
  • Jeder der Meßwertaufnehmer Ca, Cb umfaßt einstellbare Vorspannungsmittel, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschrieben sind, so daß die Meßwertaufnehmer in ihrem linearen Arbeitsbereich betrieben werden können, sowie Mittel zum Einstellen der Empfindlichkeit, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschrieben wurden, so daß die Empfindlichkeit der Meßwertaufnehmer Ca, Cb auf einen im wesentlichen gleichen Wert eingestellt werden kann. Unter diesen Umständen wird durch einen Vergleich der von den Meßwertaufnehmern Ca, Cb gemessenen Intensitäten eine zur Gesamtkraft F'&sub0; = fa + fb proportionale Reaktion erhalten.
  • Bei einer vereinfachten Ausführung ist es möglich, auf die Referenz-Lichtleitfaser 60 zu verzichten. In diesem Fall wird bevorzugt, die Verluste durch Dämpfung außerhalb der Belastungsübertragungszonen 16a, 18a und 16b, 18b der Meßwertaufnehmer Ca, Cb zu bestimmen, um diese bei der Analyse der Gesamtdämpfung zu berücksichtigen.
  • Die in Figur 9 dargestellte Anordnung führt eine optische Integration der Bruchteile fa, fb der Kraft F&sub0;', ohne daß die Bruchteile unabhängig voneinander gemessen werden müssen. Somit erfordert diese Vorrichtung eine verminderte Anzahl von Lichtleitbauteilen (Lichtleitfasern, Verbindern), was ihre Herstellungskosten wesentlich vermindert. Die geringe Anzahl von Verbindern minimiert außerdem die von ihnen bewirkten Stördämpfungen.
  • Beispiel 2
  • Es wurden zwei Meßwertaufnehmer Ca, Cb ausgeführt, wie sie im Beispiel 1 beschrieben wurden, deren Vorspannung so eingestellt wurde, daß sie in ihrem Bereich mit linearem Ansprechen arbeiten. Es wurde die Empfindlichkeit des Meßwertaufnehmers Ca auf einen Wert von 1,35 Dezibel Dämpfung je Kilogramm aufgebrachte Kraft fa eingestellt und die Dämpfung des Meßwertaufnehmers Cb auf einen Wert in der Nähe von 1,45 Dezibel je Kilogramm Kraft fb, wobei diese Differenz dazu dient, darzulegen, daß ihre Anbringung in Reihe zufriedenstellende Ergebnisse liefert, selbst wenn die Empfindlichkeiten nicht exakt gleich sind. Mit diesen beiden Meßwertaufnehmern wurde eine Anordnung entsprechend derjenigen von Figur 9 ausgebildet, wobei eine Stange 90 mit einer Länge von 612 mm verwendet wurde. Die Übertragungsbügel 70a, 70b der Meßwertaufnehmer Ca, Cb wurden mit den beiden Enden der Stange 90 verbunden, und der Angriffspunkt der Kraft F&sub0;' nahm verschiedene Stellungen in einer Zone von 400 mm Länge um die Mitte der Stange 90 ein. Die Kraft F&sub0;' betrug verschiedene Werte zwischen 2 und 10 kg. Die obigen Werte sind typisch für eine Anwendung der Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft F&sub0;' zwischen den Reibungsstreifen eines Scherenstromabnehmers eines Triebwagens und einer Kettenfahrleitung. Es wurden die folgenden Beobachtungen gemacht:
  • (i) Die Empfindlichkeit der beiden in Reihe angeordneten Meßwertaufnehmer ist ein wenig verändert (1,28 dB/kg).
  • (ii) Die Linearität des Ansprechens ist verbessert. Die einzelnen Meßwertaufnehmer Ca, Cb weisen einen Linearitätsunterschied von 1,02 dB zwischen 2 und 10 kg Kraft auf, während ihre Anordnung in Reihe einen Linearitätsunterschied von 0,525 dB auf demselben Bereich aufweist.
  • (iii) Die Gesamtdämpfung hängt nur gering von der Stellung des Angriffspunktes der Kraft F&sub0;' entlang der Stange 90 ab. In der genannten Zone von 400 mm liegt eine gewisse Veränderung vor, sie bleibt jedoch in allen getesteten Lastfällen unterhalb von 8 %. Diese Veränderung kann weiter vermindert werden, indem die einzelnen Empfindlichkeiten der Meßwertaufnehmer Ca, Cb einander angeglichen werden und indem die Einstellung der Vorspannungen verfeinert wird.
  • (iv) Die Anordnung in Reihe erhöht die Hysterese des Systems nicht (-0,15 dB bei F&sub0; = 7 kg).
  • Zum Verbessern der Leistungen der Vorrichtung kann die Erfassungs-Lichtleitfaser 15 eine Konditionierungszone 92 aufweisen, die zwischen den beiden in Reihe angeordneten Meßwertaufnehmern Ca, Cb angeordnet ist, um die sich zwischen den Meßwertaufnehmern fortpflanzenden höheren Moden zu unterdrücken. Das zu dem ersten Meßwertaufnehmer Ca gelangende Licht befindet sich gegenüber den optischen Eigenschaften der Lichtleitfaser 15 in einem Zustand mit spektralem Gleichgewicht. Nach dem Durchgang durch den ersten Meßwertaufnehmer Ca ist das Spektrum des Lichts gestört, da der Meßwertaufnehmer Ca hohe optische Moden erzeugt. Diese hohen Moden werden vorzugsweise von dem Mantel der Lichtleitfaser 15 absorbiert, jedoch können am Eingang des zweiten Meßwertaufnehmers Cb hohe Moden verbleiben, was den Nachteil hervorruft, daß sie die Reaktion des zweiten Meßwertaufnehmers Cb im Vergleich zu derjenigen des ersten Meßwertaufnehmers Ca modifizieren und somit das Ergebnis der Messung verändern.
  • Indem an der Lichtleitfaser 15 zwischen den beiden Meßwertaufnehmern Ca, Cb eine Konditionierungszone 92 ausgebildet wird, werden diese hohen Moden beseitigt, was die Zuverlässigkeit der Messung verbessert, indem am Eingang des zweiten Meßwertaufnehmers Cb ein Lichtspektrum reproduziert wird, welches dem Ausbreitungsgleichgewicht in der Lichtleitfaser 15 entspricht. Die in den Figuren 9 und 10 dargestellte Konditionierungszone 92 kann ein Teilstück der Lichtleitfaser 15 umfassen, das von einem Mantel 93 umgeben ist, der die hohen Moden absorbiert, oder von einem anderen Millieu, dessen Brechungsindex an das Absorbieren dieser hohen Moden angepaßt ist ("mode stripper"). Stromaufseitig dieses Teilstücks kann die Konditionierungszone außerdem einen Modenmischer 94 umfassen.
  • In Figur 11 ist schematisch ein weiterer optischer Kreis gemäß der Erfindung dargestellt, der ermöglicht, die Integration der Bruchteile der gemessenen Kraft auszubilden. Dieser Kreis ist zwischen zwei Quellen 304a, 304b und zwei Lichtdetektoren 306a, 306b angeordnet. Die erste Quelle 304 gibt Lichtimpulse mit einer ersten Wiederholungsfrequenz f&sub1; in eine Lichtleitfaser E&sub1; ab, welche das Licht zur Meßzone 300 leitet, an der die Lichtleitfaser E&sub1; mit dem Eingang eines Y-Kopplers D&sub1; verbunden ist. An die beiden Ausgänge des Y-Kopplers D&sub1; sind eine erste Erfassungs-Lichtleitfaser 315 und eine erste Referenz-Lichtleitfaser 360 angeschlossen. An Belastungsteilstücken der ersten Erfassungs-Lichtleitfaser 315 sind zwei Meßwertaufnehmer C1, C2 angebracht, und die erste Referenz-Lichtleitfaser 360 verläuft außerhalb der Meßwertaufnehmer. Die zweite Quelle 304b gibt Lichtimpulse mit einer zweiten Wiederholungsfrequenz f&sub2; in eine Lichtleitfaser E&sub3; ab, die das Licht zur Meßzone 300 leitet, in der die Lichtleitfaser E&sub3; mit dem Eingang eines Y-Kopplers D&sub3; verbunden ist. An die beiden Ausgänge des Y-Kopplers D&sub3; sind eine zweite Erfassungs-Lichtleitfaser 316 und eine zweite Referenz-Lichtleitfaser 361 angeschlossen. An Belastungsteilstücken der zweiten Erfassungs-Lichtleitfaser 316 sind zwei weitere Meßwertaufnehmer C&sub3;, c&sub4; angebracht, und die zweite Referenz-Lichtleitfaser 361 verläuft außerhalb der Meßwertaufnehmer. Die anderen Enden der ersten Erfassungs-Lichtleitfaser 315 und der zweiten Referenz-Lichtleitfaser 361 sind mit den beiden Eingängen eines Y-Kopplers D&sub2; verbunden. Eine Lichtleitfaser E&sub2; ist mit dem Ausgang des Y-Kopplers D&sub2; verbunden, um das von den Lichtleitfasern 315 und 361 außerhalb der Meßzone 300 übertragene Licht zu dem ersten Photodetektor 306a zu leiten. Die anderen Enden der zweiten Erfassungs-Lichtleitfaser 316 und der ersten Referenz-Lichtleitfaser 360 sind mit den beiden Eingängen eines Y-Kopplers D&sub4; verbunden. Eine Lichtleitfaser E&sub4; ist mit dem Ausgang des Y-Kopplers D&sub4; verbunden, um das von den Lichtleitfasern 316 und 360 außerhalb der Meßzone 300 übertragene Licht zu dem zweiten Photodetektor 306b zu leiten.
  • Durch Wahl von verschiedenen Abgabefrequenzen f&sub1;, f&sub2; für die beiden Quellen 304a, 304b kann bei den von jedem Detektor 306a, 306b empfangenen Signalen zwischen dem entlang den Erfassungs-Lichtleitfasern 315, 316 und dem entlang den Erfassungs-Lichtleitfasern 360, 361 übertragenen Licht unterschieden werden.
  • Somit ermöglicht der Detektor 306a, die Dämpfung A&sub1; entlang dem Weg E&sub1;/D&sub1;/315/D&sub2;/E&sub2; und der Dämpfung A&sub2; entlang dem Weg E&sub3;/D&sub3;/361/D&sub2;/E&sub2; zu bestimmen, und der Detektor 306b ermöglicht, die Dämpfung A&sub3; entlang dem Weg E&sub1;/D&sub1;/360/D&sub4;/E&sub4; und die Dämpfung A&sub4; entlang dem Weg E&sub3;/D&sub3;/316/D&sub4;/E&sub4; zu bestimmen.
  • Es ergibt sich, daß durch ein einfaches Berechnen der Differenz A = (A&sub1; + A&sub4;) - (A&sub2; + A&sub3;) direkt die Gesamtdämpfung durch die vier Meßwertaufnehmer C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4; erhalten wird, wenn die Erfassungs-Lichtleitfasern 315, 316 und die Referenz-Lichtleitfasern 360, 361 dieselbe Beschaffenheit und dieselben Abmessungen aufweisen.
  • Somit ermöglicht die obige Anordnung, die auf die vier Meßwertaufnehmer C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4; verteilte Gesamtkraft zu berechnen und den Effekt von unerwünschten Verlusten in den Übertragungs-Lichtleitfasern E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4; und in den Kopplern D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4; zu beseitigen. Wenn an den Übertragungs- Lichtleitfasern E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4; weitere Verbinder angebracht sind, würden auch sie auf das Ergebnis der Messung eine Auswirkung haben, die intern durch die optische Schaltung kompensiert wird.
  • Es wird festgestellt, daß die in Figur 11 dargestellte Anordnung mit einem einzigen Meßwertaufnehmer an jeder Erfassungs-Lichtleitfaser 315, 316 verwendet werden kann. In diesem Fall führt der optische Kreis einfach die Aufsummierung der auf die beiden Meßwertaufnehmer aufgebrachten Bruchteile der Kraft aus.
  • Es wird nun die Anbringung der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung an einem Scherenstromabnehmer für einen Eisenbahntriebwagen beschrieben.
  • Üblicherweise ruht der Scherenstromabnehmer 200 mittels eines elektrisch isolierten Sockels 202 auf dem Dach 204 des Triebwagens. Eine ausfahrbare rohrförmige Struktur verbindet den Sockel 202 mit einem Bügel 214, der Reibungsbänder 218, 219 trägt, die beim Betrieb an die Kettenfahrleitung 201 angelegt werden, um das Abnehmen des Stromes zu gewährleisten, der für die Antriebselemente des Eisenbahn-Triebwagens bestimmt ist. Die rohrförmige Struktur umfaßt einen unteren Arm 206, der an dem Sockel 202 angelenkt ist, sowie einen an dem Ende des unteren Armes 206 angelenkten oberen Arm 208, dessen oberes Ende den Bügel 214 trägt. Komplementäre Stangen 210, 212 gewährleisten, daß die rohrförmige Struktur des Scherenstromabnehmers 202 in ihrer Position gehalten wird, wobei diese rohrförmige Struktur unter der Wirkung eines Pneumatikkissens 216 ausgefahren werden kann, das von einer nicht dargestellten Pneumatikeinheit betätigt wird, die einen bestimmten Druck in dem Kissen 216 erzeugt, um eine einstellbare Kontaktkraft zwischen den Reibungsbändern 218, 219 und der Kettenfahrleitung 201 auszubilden.
  • Bei der in Figur 12 dargestellten Ausführungsform trägt der Bügel 214 zwei Reibungsbänder 218, 219. Die zwischen der Kettenfahrleitung 201 und dem ersten Reibungsband 218 wirkende Kontaktkraft wird mittels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung gemessen, die eine Erfassungs-Lichtleitfaser 220 sowie eine Referenz-Lichtleitfaser 222 umfaßt, die zu einem Kabel 221 vereinigt sind, sowie zwei Meßwertaufnehmer 224, 226, die in Reihe an der Erfassungs-Lichtleitfaser 220 angeordnet und zwischen das Reibungsband 218 und den dieses Reibungsband 218 tragenden Schenkel 215 des Bügels 214 eingesetzt sind. In gleicher Weise wird die zwischen der Kettenfahrleitung 201 und dem zweiten Reibungsband 219 wirkende Kontaktkraft von einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung gemessen, die eine Erfassungs-Lichtleitfaser 203 und eine Referenz-Lichtleitfaser 205 umfaßt, die zu einem Kabel 223 zusammengefaßt sind, sowie zwei Meßwertaufnehmer 232, 234, die in Reihe an der Erfassungs-Lichtleitfaser 203 angeordnet und zwischen das Reibungsband 219 und dem dieses Reibungsband 219 tragenden Schenkel 217 des Bügels 214 eingesetzt sind. Um eine Überladung von Figur 12 zu vermeiden, wurden keine Bezugszeichen für die verschiedenen Lichtleitfasern vorgesehen, die bei der Messung der Kontaktkraft zwischen der Kettenfahrleitung 201 und dem zweiten Reibungsband 219 des Scherenstromabnehmers 200 verwendet verwendet werden. Es ist jedoch zu sehen, daß dieser optische Kreis identisch mit dem zu dem Reibungsband 218 gehörigen Kreis ist, der nachfolgend ausführlich beschrieben werden wird.
  • Da die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 11 beschrieben wurde, wird außerdem einfach ihre Anbringung für die bevorzugte Verwendung bei dem Scherenstromabnehmer 200 beschrieben, ohne daß es notwendig ist, den Aufbau der Meßwertaufnehmer (Arm, Anlenkung, Träger, Klemmflächen etc. ...) oder die optischen Kreise zwischen den Meßwertaufnehmern erneut auszuführen.
  • In Figur 13 ist der obere Abschnitt eines Scherenstromabnehmers dargestellt, der gemäß der Erfindung Meßwertaufnehmer zum Messen einer Kraft beinhaltet. Ein Bündel 240 von Lichtleitfasern ist von Befestigungen 242 an dem rohrförmigen Aufbau des Scherenstromabnehmers 200 gehalten. In dem oberen Abschnitt des oberen Armes 208 ist eine optische Verbindungseinheit 244 angeordnet, welche das Verbinden der in dem Bündel 240 enthaltenen Lichtleitfasern mit den Erfassungs- Lichtleitfasern 203, 220 und den Referenz-Lichtleitfasern 205, 222 ermöglicht, die zum Messen der Kontaktkraft zwischen der Kettenfahrleitung 201 und dem Bügel 214 verwendet werden. Ein erstes Kabel 221, das die zu dem ersten Reibungsband 218 gehörige Fassungs-Lichtleitfaser 220 und die Referenz-Lichtleitfaser 222 umfaßt, ist an seinen beiden Enden an der optischen Verbindungseinheit 244 angebracht und in die Nähe des Reibungsbandes 218 geführt, um die von diesem getragene Kraft zu messen. Zum Führen des Kabels 221 sind Befestigungen 245, 246 vorgesehen, die von einem Y- förmigen Träger 209 des Bügels bzw. dem Bügel 214 getragen sind (siehe Figur 14).
  • Der Bügel 214, der an seinem Träger 209 durch Aufhängungsgehäuse 248 befestigt ist, umfaßt zwei parallele Schenkel 215, 217, die sich unterhalb der Reibungsbänder 218, 219 in einer Richtung quer zur Kettenfahrleitung 201 erstrecken. In der Draufsicht von Figur 14 ist das auf seinem Bügelschenkel 217 angebrachte Reibungsband 219 dargestellt, jedoch ist das Reibungsband 218 nicht dargestellt, um den Aufbau des entsprechenden Bügelschenkels 215 zu zeigen. Die Bügelschenkel 215, 217 haben die Form von U-Profilen, deren oberer Abschnitt für den Durchgang der Lichtleitfaserkabel 221, 223 dient, die im Inneren dieses Profils durch Befestigungen 250 angebracht sind. An den beiden Enden jedes Schenkels 215, 217 sind die Meßwertaufnehmerblöcke 224, 226 bzw. 232, 234 angebracht. Diese Meßwertaufnehmer sind in von den Enden der Schenkel 215, 217 getragenen Gehäusen 225, 233 angebracht (siehe Figuren 14 und 15). Für die Anbringung der Reibungsstreifen 218, 219 an ihren entsprechenden Schenkeln 215, 217 sind Laschen 252, 254 vorgesehen, die jeweils an einem Ende des Bandes 218, 219 befestigt und entlang einer Achse 262, 264 an dem jeweiligen Arm 224, 232 des Meßwertaufnehmers angelenkt sind. Somit wird die zwischen den Reibungsbändern 218, 219 und der Kettenfahrleitung 201 wirkende Kraft vollständig auf die Arme der Meßwertaufnehmer 224, 226, 232, 234 über die Übertragungsbügel 252, 254 zum Aufbringen der Kraft übertragen. Wie unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschrieben wurde, ist die Gelenkachse 262, 264 des Übertragungsbügels 252, 254 zum Aufbringen der Kraft auf den Arm des entsprechenden Meßwertaufnehmers 224, 232 näher an der Schwenkachse des Armes als an dem zwischen den Klemmflächen des Meßwertaufnehmers enthaltenen entsprechenden Belastungsteilstück der Erfassungs-Lichtleitfaser angeordnet. Außerdem ist der Meßwertaufnehmer 232 in seinem Gehäuse 233 an der Basis seines Trägers an einer Stelle 265 befestigt, die gegenüber der Schwenkachse 264 liegt. Die fest mit dem Arm des Meßwertaufnehmers 232 verbundene Klemmfläche ist mit dem Reibungsband 219 verbunden, und die fest mit dem Träger des Meßwertaufnehmers 232 verbundene Klemmfläche ist mit dem Schenkel 217 des Bügels 214 verbunden.
  • In den Figuren 14 und 15 kann gesehen werden, daß die Reibungsstreifen 219 unabhängige seitliche Verlängerungen 259 aufweisen, die fest mit dem Bügel 214 verbunden sind. Diese seitlichen Verlängerungen 259 verhindern das Vorhandensein eines Absatzes in der Zone 260, in der das Reibungsband 219 unterbrochen ist, welches an dem Bügel 214 einzig mittels der sich an den Meßwertaufnehmern 232 abstützenden Übertragungsbügeln 254 zum Aufbringen der Kraft befestigt sein darf. Diese Unterbrechungszonen 260 erstrecken sich bezüglich der Richtung der Reibungsbänder schief, um zu verhindern, daß die Kettenfahrleitung 201 dort eingeklemmt werden kann (siehe Figur 14).
  • Der optische Kreis zum Messen der Kraft zwischen den Reibungsbändern 218, 219 und der Kettenfahrleitung 201 ist in den Figuren 12, 16 und 17 dargestellt. Die beiden Enden der dem Reibungsband 218 zugeordneten Erfassungs-Lichtleitfaser 220 sind in der optischen Verbindungseinheit 244 mit zwei Übertragungs-Lichtleitfasern 227, 228 verbunden, die Teil des Bündels 240 sind. Die beiden Enden der dem Reibungsband 218 zugeordneten Referenz-Lichtleitfaser 222 sind in der optischen Verbindungseinheit 244 mit zwei weiteren Übertragungs-Lichtleitfasern 229, 230 des Bündels 240 verbunden. An dem triebwagenseitigen Ende des Bündels 240 sind die Lichtleitfasern 227, 229 mit dem Ausgang eines Y-Kopplers 270 verbunden, dessen Eingang mit einer Lichtquelle 227, beispielsweise einer Laserdiode, verbunden ist. Die Enden der Lichtleitfasern 228, 230 des Bündels 240 sind mit Photodetektoren 274 bzw. 276 verbunden, welche die empfangenen Lichtintensitäten messen. Somit folgt das von der Laserdiode 272 abgegebene Licht einem Erfassungsweg, der gebildet ist durch die Lichtleitfaser 227, die Erfassungs-Lichtleitfaser 220, die Lichtleitfaser 228 und der an dem Photodetektor 276 mündet, und einem Referenzweg, der gebildet ist durch die Lichtleitfaser 229, die Referenz-Lichtleitfaser 222, die Lichtleitfaser 220 und der an dem Photodetektor 276 mündet. Eine Signalverarbeitungseinheit 280 interpretiert dann die Lichtdämpfung der von den Photodetektoren 274, 276 empfangenen Signale und leitet daraus die von dem Reibungsband 218 erfahrene und von den Meßwertaufnehmern 224, 226 gemessene Kraft ab. Um diese Interpretation zu vereinfachen, wird vorzugsweise eine identische Beschaffenheit sowie identische Abmessungen für die Lichtleitfasern 227, 228, 229, 230 vorgesehen, die in dem Bündel 240 enthalten sind, welches die elektrische Isolierung gegenüber der in der Kettenfahrleitung 201 vorliegenden Hochspannung gewährleistet, sowie eine identische Beschaffenheit sowie identische Abmessungen für die Erfassungs-Lichtleitfaser 220 und die Referenz-Lichtleitfaser 222.
  • Zum Messen der von dem Reibungsband 219 erfahrenen Belastung ist ein entsprechender optischer Kreis vorgesehen, wobei diese Belastung von einer zweiten Signalverarbeitungseinheit 282 bestimmt wird. Die Messung der Kontaktkraft zwischen den Reibungsbändern 218, 219 und der Kettenfahrleitung 201 kann dann von einer mit den Signalverarbeitungseinheiten 280, 282 verbundenen Steuervorrichtung 284 ausgewertet werden, beispielsweise um den in dem Kissen 216 wirkenden Pneumatikdruck zu steuern, um durch eine rückgekoppelte Regelung den Wert der Kontaktkraft zwischen dem Scherenstromabnehmer 200 und der Kettenfahrleitung 201 zu regeln. Eine solche Regelung ist beispielsweise in der FR-A-2 646 381 (EP-A-395 504) auf den Namen der Anmelderin beschrieben.
  • Es ist zu sehen, daß die Integration der Bruchteile der von dem optischen Kreis gemessenen Kraft die Messung der Gesamtkontaktkraft von der Position der Kettenfahrleitung 201 entlang der Bänder 218, 219 im wesentlichen unabhängig macht, wobei diese Position die Angriffspunkte der Kontaktkraft an den Bändern 218, 219 bestimmt.
  • Die optische Verbindungseinheit 244 umfaßt vorteilhafterweise eine Reihe von acht Verbindern 286, die um den Umfang eines Querschnittes des oberen Armes 208 der rohrförmigen Struktur des Scherenstromabnehmers 200 verteilt sind (siehe Figuren 16 und 17). Jeder Verbinder 286 ist in einer Öffnung 288 angebracht, die von einem Verbindungsblock 290 getragen ist, der um den oberen Arm 208 herum angebracht ist und an dem oberen Arm 208 von einem Gehäuse gehalten wird, das durch zwei Halbschalen 292, 294 gebildet ist, die durch Schrauben 296 zusammengefügt sind. Jede Seite des Verbinders 286 umfaßt einen Ring 298, der das Anbringen des Endes der entsprechenden Lichtleitfaser 220, 228 ermöglicht. Die optische Verbindungseinheit 244, wie sie in den Figuren 11 und 12 dargestellt ist, weist vorteilhafterweise verminderte Abmessungen und ein vermindertes Gewicht auf, was eine Beeinträchtigung der Aerodynamik des Scherenstromabnehmers 200 verhindert.
  • Es ist selbstverständlich zu sehen, daß im Rahmen der Erfindung andere Anordnungen der Lichtleitfaser-Meßwertaufnehmer an einem Scherenstromabnehmer möglich sind.
  • Beispielsweise kann vorteilhafterweise das Lichtleitfaser- Bündel 240 im Inneren der den Rahmen des Scherenstromabnehmers bildenden Rohre geführt sein. Auf Höhe der Gelenke der rohrförmigen Struktur kann dann das Bündel 240 aus den Rohren herausgeführt werden, damit verhindert wird, daß die Bewegungen des Scherenstromabnehmers die Lichtleitfasern beschädigen. Bei dieser Variante kann die optische Verbindungseinheit 244' eine Struktur aufweisen, wie sie in Figur 18 dargestellt ist, in der ein Schnitt durch den oberen Arm 208' auf Höhe der Einheit 244' dargestellt ist. Der Arm 208' weist eine Öffnung 209' auf, die von einer mit Schrauben 296' befestigten Abdeckung 292' abgedeckt ist. Ein fest mit der Abdeckung 292' verbundener Verbindungsblock 290' ist im Inneren des Armes 208' angeordnet, um die in von dem Verbindungsblock 290' getragenen Öffnungen 288' angebrachten Verbinder 286 zu tragen. Oberhalb der Verbindungseinheit 244' verlaufen die Lichtleitfaser-Kabel erneut außerhalb der rohrförmigen Struktur, um den Bügel 214 zu erreichen.
  • Die an dem Scherenstromabnehmer 200, wie er in Figur 12 dargestellt ist, angebrachte Meßvorrichtung ermöglicht, die Kontaktkraft auf jedem Reibungsband 218, 219 getrennt zu bestimmen. Wenn gewünscht wird, nur die Gesamtkraft zwischen der Kettenfahrleitung 201 und dem Bügel 214 zu kennen, kann bei einer vereinfachten Version durch den Bügel 214 eine einzige Erfassungs-Lichtleitfaser geführt werden, auf der vier Meßwertaufnehmer 224, 226, 232, 234 in Reihe angebracht sind, um die optische Aufsummierung der gemessenen Kräfte auszubilden, während die Anzahl der verwendeten optischen Bauteile vermindert wird.
  • Eine weitere Lösung, die auf eine begrenzte Anzahl von Lichtleitfasern zurückgreift, besteht darin, die unter Bezugnahme auf Figur 11 beschriebene optische Anordnung zu verwenden. In diesem Fall entspricht die Meßzone 300 dem Bügel des Scherenstromabnehmers, und die vier Übertragungs- Lichtleitfasern E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4; sind entlang dem rohrförmigen Aufbau 206, 208 angeordnet. Diese Anordnung beseitigt vorteilhafterweise die Stördämpfungen in den Übertragungs- Lichtleitfasern.

Claims (16)

1. Einrichtung zum Messen einer Kraft (F'&sub0;), mit einem optischen Kreis, der zwischen mehreren Lichtleitfaser-Kraftmeßwertaufnehmern (Ca, Cb; C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4;; 224, 226, 232, 234) ausgebildet ist, wenigstens einer Lichtquelle (4; 104; 272; 304a, 304b) und wenigstens einem Lichtdetektor (6a, 6b; 106a, 106b; 274, 276; 306a, 306b), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtdetektor (6a, 6b; 106a, 106b; 274, 276; 306a, 306b) zur Erfassung des Lichts angeordnet ist, das von der Lichtquelle (4; 104; 272; 304a, 304b) ausgesendet und entlang dem optischen Kreis übertragen wird, daß jeder der Kraftmeßwertaufnehmer (Ca, Cb; C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4;; 224, 226, 232, 234) auf einen Bruchteil (fa, fb) der zu messenden Kraft (F'&sub0;) anspricht und eine Belastungsübertragungszone (16, 18; 16a, 18a, 16b, 18b; 116, 118) aufweist, die so beschaffen ist, daß sie bei Anliegen des Bruchteils (fa, fb) der zu messenden Kraft (F'&sub0;) auf ein Belastungsteilstück (17; 17a; 17b; 117) einer Lichtleitfaser (15; 115; 203, 220; 315, 316) des Kreises eine Belastung ausübt, und daß der optische Kreis so beschaffen ist, daß das übertragene und erfaßte Licht eine Information liefert, die die Summe der auf die Meßwertaufnehmer (Ca, Cb; C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4;; 224, 226, 232, 234) bezogenen Bruchteile (fa, fb) der zu messenden Kraft (F'&sub0;) darstellt.
2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Kraft (F'&sub0;) auf ein einzelnes Element (90; 218, 219) an einem unbestimmten Angriffspunkt ausgeübt wird und daß mit diesem einzelnen Element (90; 218, 219) mehrere Meßwertaufnehmer (Ca, Cb, 224, 226, 232, 234) verbunden sind, um jeweils einen Bruchteil (fa, fb) der zu messenden Kraft (F'&sub0;) aufzunehmen.
3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem das einzelne Element (90; 218, 219) auf das die zu messende Kraft (F'&sub0;), ausgeübt wird, von langgestreckter Form ist, die Meßwertaufnehmer (Ca, Cb; 224, 226, 232, 234) mit diesem einzelnen Element (90; 218, 219) in der Nähe von dessen Enden verbunden sind.
4. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer Vorbeanspruchungsmittel (14; 186) aufweisen, die auf ihr entsprechendes Belastungsteilstück (17; 117) unabhängig von dem Aufbringen der zu messenden Kraft (F'&sub0;) eine einstellbare Vorbeanspruchung ausüben.
5. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Meßwertaufnehmer Mittel für die Einstellung der Empfindlichkeit (13) aufweist.
6. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kreis wenigstens eine Erfassungs-Lichtleitfaser (15; 203, 220) aufweist, auf der mehrere Meßwertaufnehmer (Ca, Cb; 224, 226, 232, 234) hintereinander angebracht sind.
7. Einrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kreis außerdem eine Referenz-Lichtleitfaser (60; 205, 222) aufweist, die im wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleichen Abmessungen wie die Erfassungs-Lichtleitfaser (15; 203, 220) besitzt, daß die Referenz-Lichtleitfaser (60; 205, 222) mit derselben Lichtquelle (4; 272) wie die Erfassungs-Lichtleitfaser (15; 203, 220), jedoch mit einem unterschiedlichen Lichtdetektor (6b; 276) verbunden ist und daß die Referenz-Lichtleitfaser (60; 205, 222) außerhalb der Kraftübertragungszonen (17a, 17b) der an der Erfassungs-Lichtleitfaser (15; 203, 220) angebrachten Meßwertaufnehmer (Ca, Cb; 224, 226, 232, 234) angeordnet ist.
8. Einrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungs-Lichtleitfaser (15; 203, 220) und die Referenz- Lichtleitfaser (60; 205, 222) außer in der Umgebung eines jeden Belastungsteilstücks (17a, 17b) der Erfassungs-Lichtleitfaser (15; 203, 220) in einem Kabel (62; 221, 223) vereinigt sind, wobei in dieser Umgebung das Belastungsteilstück (17a, 17b) in einer Kraftübertragungszone (16a, 18a, 16b, 18b) eines Meßwertaufnehmers (Ca, Cb; 224, 226, 232, 234) angeordnet ist, während die entsprechende Zone der Referenz-Lichtleitfaser (60; 205, 222) außerhalb dieser Kraftübertragungszone (16a, 18a, 16b, 18b) verläuft.
9. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungs-Lichtleitfaser (15) eine Konditionierungszone (92) aufweist, die zwischen zwei auf der Erfassungs-Lichtleitfaser (15) hintereinander angeordneten Meßwertaufnehmern (Ca, Cb) angeordnet ist.
10. Einrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungszone (92) ein Teilstück der Erfassungs- Lichtleitfaser (15) umfaßt, das von einem hohe optische Moden absorbierenden Milieu (93) umgeben ist.
11. Einrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungszone (92) außerdem einen Modenmischer (94) aufweist, der stromaufseitig zu dem von einem absorbierenden Milieu (93) umgebenen Teilstück angeordnet ist.
12. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kreis versehen ist mit einer ersten und mit einer zweiten Erfassungs-Lichtleitfaser (315, 316), an denen Kraftmeßwertaufnehmer (C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4;) angebracht sind, und einer ersten und einer zweiten Referenz- Lichtleitfaser (360, 361), die außerhalb der Kraftübertragungszonen der Meßwertaufnehmer (C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4;) angeordnet sind, wobei die Erfassungs-Lichtleitfasern (315, 316) und die Referenz-Lichtleitfasern (360, 361) im wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleichen Abmessungen besitzen, und daß der optische Kreis so beschaffen ist, daß:
- die erste Erfassungs-Lichtleitfaser (315) und die erste Referenz-Lichtleitfaser (360) Lichtimpulse empfangen, die von einer ersten Lichtquelle (304a) mit einer ersten Frequenz (f&sub1;) ausgesendet werden;
- die zweite Erfassungs-Lichtleitfaser (316) und die zweite Referenz-Lichtleitfaser (361) Lichtimpulse empfangen, die von einer zweiten Lichtquelle (304b) mit einer von der ersten Frequenz (f&sub1;) verschiedenen zweiten Frequenz (f&sub2;) ausgesendet werden;
- ein erster Lichtdetektor (306a) die Lichtimpulse empfängt, die von der ersten Erfassungs-Lichtleitfa ser (315) und von der zweiten Referenz-Lichtleitfaser (361) übertragen werden; und
- ein zweiter Lichtdetektor (306b) die Lichtimpulse empfängt, die von der zweiten Erfassungs-Lichtleitfaser (316) und von der ersten Referenz-Lichtleitfaser (360) übertragen werden.
13. Einrichtung (200) zur Erfassung des elektrischen Stroms einer Kettenfahrleitung (201) von einem Triebwagen aus, mit einer ausfahrbaren, rohrförmigen Struktur (206, 208, 210, 212), einem Bügel (214), der im oberen Teil der rohrförmigen Struktur (206, 208, 210, 212) angeordnet ist und wenigstens ein Reibungsband (218, 219) trägt, Mitteln (216) zum Anlegen des Bügels (214) an die Kettenfahrleitung (201), dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 enthält, in der die Lichtleitfaser- Kraftmeßwertaufnehmer (224, 226, 232, 234) zwischen einem Reibungsband (218, 219) und dem Bügel (214) angebracht sind, derart, daß sie jeweils auf einen Bruchteil der Kontaktkraft zwischen dem Reibungsband (218, 219) und der Kettenfahrleitung (201) ansprechen, wobei die Meßwertaufnehmer (224, 226, 232, 234) über einen optischen Kreis mit wenigstens einer Lichtquelle (272) und wenigstens einem Lichtdetektor (274, 276) verbunden sind, wobei jeder Lichtdetektor (274, 276) so angeordnet ist, daß er das Licht erfaßt, das von einer Lichtquelle (272) ausgesendet und entlang dem optischen Kreis übertragen wird, und daß der optische Kreis so beschaffen ist, daß das übertragene und erfaßte Licht eine Information liefert, die die Summe der auf die Meßwertaufnehmer (224, 226, 232, 234) bezogenen Bruchteile der Kontaktkraft darstellt.
14. Einrichtung (200) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer (224, 226, 232, 234) zwischen dem Reibungsband (218, 219) und dem Bügel (214) angebracht sind, derart, daß die gesamte Kontaktkraft zwischen dem Reibungsband (218, 219) und der Kettenfahrleitung (201) über die genannten Meßwertaufnehmer (224, 226, 232, 234) zum Bügel (214) übertragen wird.
15. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kreis Lichtleitfasern umfaßt, die wenigstens teilweise im Inneren der rohrförmigen Struktur verlaufen.
16. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine optische Verbindungseinheit (244; 244') aufweist, die von der rohrförmigen Struktur (208; 208') in der Nähe des Bügels (214) gehalten wird, um die Lichtleitfasern (203, 205, 220, 222), die sich zum Bügel (214) erstrecken, mit entsprechenden Lichtleitfasern (227, 228, 229, 230) zu verbinden, die sich entlang der rohrförmigen Struktur bis zum Triebwagen erstrecken.
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