DE102004041804A1

DE102004041804A1 - Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers, insbesondere von Güterwagen

Info

Publication number: DE102004041804A1
Application number: DE200410041804
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Talke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Raddurchmessers, insbesondere von Güterwagen, wobei eine Radsensoreinheit an der Fahrschiene angeordnet ist, die zwei beabstandete Radsensoren aufweist, welche jeweils ein Sensorsignal (1) erzeugen, deren zeitliche Verläufe (1a, 1b) sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt (3) schneiden. Um mit geringem Aufwand automatisch eine hohe Genauigkeit zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Differenz der Signalwerte am Schnittpunkt (3) und an zumindest einem Scheitelpunkt (2a, 2b) ermittelt wird, dass der doppelte Sensorabstand in einem gedachten Raddurchmesserkreis (6) gleich der Länge der Kreissehne (se) und die Differenz der Signalwerte multipliziert mit einem vorgegebenen konstanten Umrechnungsfaktor (C) gleich der Sehnenhöhe (hs) gesetzt wird, dass der Raddurchmesser (2R) daraus berechnet wird und dass der aktuelle Umrechnungsfaktor (C(i-1)) mit jedem über die Radsensoreinheit rollenden Rad mit bekanntem Raddurchmesser (2R) fortlaufend korrigierbar ist, indem jeweils für das darüberrollende Rad anhand des bekannten Raddurchmessers (2R) umgekehrt ein Korrektur-Umrechnungsfaktor (iC) bestimmt wird, anhand dessen ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor (C(i)) durch Addition eines Korrekturwerts zu dem aktuellen Umrechnungsfaktor (C(i-1)) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers von sich längs einer Fahrschiene bewegenden Rädern, insbesondere von Güterwagen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 37 21 127 C2 ist bereits ein Radsensor bekannt, der für die Ermittlung des Raddurchmessers von Rädern verwendet wird, welche sich längs einer Fahrschiene bewegen. Der Radsensor ist an der Fahrschiene unterhalb des Rads angeordnet und verfügt über zwei in Fahrschienenlängsrichtung beabstandete Einzelradsensoren. Diese reagieren auf die magnetischen Eigenschaften der Eisenräder, wobei sie bei einem darüber rollenden Rad ein Sensorsignal abgeben, welches zunächst stetig ansteigt, um dann wieder abzufallen. Entsprechend dem Abstand der Einzelradsensoren weisen die beiden Sensorsignalkurven einen zeitlichen Versatz auf, wobei der Abstand so gewählt wird, dass sich die beiden Sensorsignalkurven in einem gemeinsamen Punkt schneiden, zweckmäßigerweise im mittleren Anstiegsbereich.

Zur Ermittlung des Raddurchmessers werden die Sensorsignalwerte der Scheitelpunkte der beiden Sensorsignalkurven und der gemeinsame Schnittpunkt verwendet. Der Raddurchmesser ergibt sich, indem die beiden Signalwerte der Scheitelpunkte addiert und durch den Signalwert des Schnittpunkts dividiert werden.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren zur Raddurchmesserbestimmung ist dessen Ungenauigkeit. Eine praktische Nutzung ist mit Messfehlern um 50% ausgeschlossen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung eines Raddurchmessers anzugeben, das mit geringem Aufwand selbsttätig eine hohe Genauigkeit erzielt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst; die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.

Die Lösung sieht bei einer ersten Ausgestaltung vor, dass die Differenz der Signalwerte am Schnittpunkt und an zumindest einem Scheitelpunkt ermittelt wird, dass der doppelte Sensorabstand in einem gedachten Raddurchmesserkreis gleich der Länge der Kreissehne und die Differenz der Signalwerte multipliziert mit einem vorgegebenen konstanten Umrechnungsfaktor gleich der Sehnenhöhe und damit dem maximalen Abstand der Sehne im Raddurchmesserkreis gesetzt wird, wobei der halbe Raddurchmesser, die halbe Kreissehne und die Differenz aus dem halben Raddurchmesser und der Sehnenhöhe im Raddurchmesserkreis die Seitenlängen eines rechtwinkligen Dreiecks bilden, und dass der Raddurchmesser als Hypotenuse des Dreiecks anhand der beiden anderen Seitenlängen berechnet wird, dass der aktuelle Umrechnungsfaktor anhand von über die Radsensoreinheit darüberrollenden ausgewählten Rädern, deren Raddurchmesser eine statistische Verteilung mit einem mittleren Raddurchmesser aufweisen, mit jedem darüberrollenden Rad der Verteilung fortlaufend korrigiert wird, indem jeweils für das darüberrollendes Rad der Verteilung anhand des bekannten mittleren Raddurchmessers umgekehrt ein Korrektur-Umrechnungsfaktor bestimmt wird, anhand dessen ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor durch Addition eines Korrekturwerts zu dem aktuellen Umrechnungsfaktor berechnet wird, wobei der Korrekturwert gebildet wird aus der Differenz aus dem aktuellen Umrechnungsfaktor und dem Korrektur-Umrechnungsfaktor sowie Multiplikation dieser Differenz mit einem Gewichtsfaktor kleiner Eins. Die Scheitelhöhe wird hierbei als einzige fehlerbehaftete Größe angenommen.

Die Genauigkeit lässt sich erhöhen, wenn zur Ermittlung der Differenz der Mittelwert der Signalwerte an den beiden Scheitelpunkten verwendet wird.

Die Lösung sieht bei einer zweiten Ausgestaltung vor, dass die Differenz der Signalwerte am Schnittpunkt und an zumindest einem Scheitelpunkt ermittelt wird, dass der doppelte Sensorabstand in einem gedachten Raddurchmesserkreis gleich der Länge der Kreissehne und die Differenz der Signalwerte multipliziert mit einem vorgegebenen konstanten Umrechnungsfaktor gleich der Sehnenhöhe und damit dem maximalen Abstand der Sehne im Raddurchmesserkreis gesetzt wird, wobei der halbe Raddurchmesser, die halbe Kreissehne und die Differenz aus dem halben Raddurchmesser und der Sehnenhöhe im Raddurchmesserkreis die Seitenlängen eines rechtwinkligen Dreiecks bilden, und dass der Raddurchmesser als Hypotenuse des Dreiecks anhand der beiden anderen Seitenlängen berechnet wird, dass der aktuelle Umrechnungsfaktor mit jedem über die Radsensoreinheit rollenden Rad mit bekanntem Raddurchmesser fortlaufend korrigiert wird, indem jeweils für das darüberrollende Rad anhand des bekannten Raddurchmessers umgekehrt ein Korrektur-Umrechnungsfaktor bestimmt wird, anhand dessen ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor durch Addition eines Korrekturwerts zu dem aktuellen Umrechnungsfaktor berechnet wird, wobei der Korrekturwert gebildet wird aus der Differenz aus dem aktuellen Umrechnungsfaktor und dem Korrektur-Umrechnungsfaktor sowie Multiplikation dieser Differenz mit einem Gewichtsfaktor kleiner Eins.

Im einfachsten Fall wird der Umrechnungsfaktor anhand eines einzigen bekannten Raddurchmessers ermittelt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Das Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers 2R von sich längs einer Fahrschiene bewegenden Rädern von Güterwagen umfasst einen Radsensoreinheit (nicht gezeigt), die an der Fahrschiene unterhalb der abrollenden Räder angeordnet ist. Die Radsensoreinheit weist zwei Radsensoren auf, die sich in Fahrschienenlängsrichtung in einem Sensorabstand befinden. Zweckmäßigerweise ist der seitliche Abstand jedes Radsensors von der Schiene gleich groß. Die Radsensoren reagieren auf die aus Eisen bestehenden Räder, indem sie bei einem darüberrollenden Rad ein Sensorsignal 1 in Form eines Ausgangsstroms 1a, 1b erzeugen. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsströme 1a, 1b ist in der Zeichnung für den Fall dargestellt, dass sich das Rad auf der Fahrschiene mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsströme 1a, 1b fällt jeweils am Anfang stetig ab und steigt am Ende wieder stetig an. Je nach Ausführung ist es selbstverständlich auch möglich, dass die Ausgangsströme 1a, 1b zuerst ansteigen und dann wieder abfallen. Entsprechend weist der Kurvenverlauf der Ausgangsströme 1a, 1b jeweils einen Scheitelpunkt 2a, 2b auf. Der Abstand der Scheitelpunkte 2a, 2b ist gleich dem Abstand der Sensoren. Dieser ist im Ausführungsbeispiel 119 mm. Wie die Zeichnung zeigt, ist der Sensorabstand so gewählt, dass sich die beiden Ausgangsstromkurven 1a, 1b für den in Frage kommenden Raddurchmesserbereich im mittleren Anstiegsbereich in einem gemeinsamen Schnittpunkt 3 schneiden. Legt man durch den Schnittpunkt 3 eine waagerechte Gerade, so erhält man zwei weitere Schnittpunkte 4a, 4b mit den Ausgangsstromkurven 1a, 1b. Der Abstand der Schnittpunkte 4a, 4b zum gemeinsamen Schnittpunkt 3 ist wiederum gleich dem Sensorabstand und damit 119 mm.
Weiter zeigt die Zeichnung zwei gedachte Raddurchmesserkreise 5, 6, wobei in den Raddurchmesserkreis 6 der Radius R des Rads eingezeichnet ist. In dem Raddurchmesserkreis 6 ist der doppelte Sensorabstand, also der doppelte Abstand zwischen den Schnittpunkten 3 und 4a, gleich der Länge der Kreissehne se gesetzt. Die Kreissehne se weist im Raddurchmesserkreis 6 eine Sehnenhöhe hs auf, die dem maximalen Abstand der Sehne se im Raddurchmesserkreis 6 entspricht. Variierende Raddurchmesser 2R bewirken eine entsprechend variierende Sehnenhöhe hs. Bei näherungsweise linearem Zusammenhang ist die Sehnenhöhe hs ein hinreichend genaues Maß von dem der Raddurchmesser 2R abgeleitet werden kann. Dabei ist die Sehnenhöhe hs nicht direkt bekannt; bekannt ist die Differenz der Signalwerte, d.h. hier der Stromwerte Is, Ip am Schnittpunkt 3 und an den Scheitelpunkten 2a, 2b. Die Stromwerte Is, Ip sind in der Zeichnung auf einen Bezugsstrom 0 bezogen eingezeichnet (die unterste Linie in der Zeichnung). Dabei sind bei identischen Sensoren die Stromwerte Is, Ip an den Scheitelpunkten 2a, 2b im Wesentlichen gleich groß. Ansonsten sollte man für die Stromwerte Is, Ip an den Scheitelpunkten 2a, 2b den Mittelwert bilden. Die Differenz der Signalwerte Is, Ip ist nicht direkt die Sehnenhöhe hs, sondern sie ist proportional zur Sehnenhöhe hs und lässt sich mit Hilfe eines konstanten Umrechnungsfaktors C berechnen. Wie die Zeichnung zeigt, bilden der Radius R, die Halbkreissehne se/2 und die Differenz aus dem Radius R und der Sehnenhöhe hs im Raddurchmesserkreis 6 die drei Seitenlängen eines rechtwinkligen Dreiecks, wobei der Raddurchmesser 2R die Hypothenuse des Dreiecks bildet.
Anhand des Dreiecks erhält man folgende Gleichung: R2 = (R – hs)2 + (se/2)2 und daraus unter Berücksichtigung von hs = C·(Is – Ip) 2R = (se2/(4·C·(Is – Ip))) + C·(Is – Ip).
Der konstante Umrechnungsfaktor C kann anhand eines bekannten Raddurchmessers 2R ermittelt werden, wobei Proportionalität vorausgesetzt wird.
In dem Raddurchmesserkreis 6 ist der doppelte Sensorabstand, gleich der Länge der Kreissehne se gesetzt. Dies gilt exakt innerhalb des linearen Is-Bereiches, also unter der Voraussetzung, dass die Anstiege der Ausgangsstromkurven 1a, 1b für die zu ermittelnden Raddurchmesser 2R gut durch eine Gerade angenähert werden können.
Zur Kalibrierung wird im folgenden die Sehnenhöhe hs und damit der Umrechnungsfaktor C als einziger fehlerbehafteter Wert angenommen und deshalb der Umrechnungsfaktor C als einzustellende Variable für die Kalibrierung benutzt.
Weiter werden zur Kalibrierung nur Räder einer Gruppe verwendet, bei denen die Raddurchmesser 2R eine relativ schmale bekannte statistische Verteilung aufweisen. Zweckmäßigerweise gehören diese Räder zu gleichen Drehgestellen und damit zu gleichen Rahmenachsabständen. Insbesondere 1800mm-Drehgestelle weisen eine Normal-Verteilung der Raddurchmesser 2R mit einer relativ kleinen Streuung auf. Als bekannter Raddurchmesser 2R wird jeweils der statistisch gesicherte Mittelwert der Verteilung verwendet, der im folgenden als mittlerer Raddurchmesser 2Rsv bezeichnet wird.
Bei der Kalibrierung wird der jeweils gerade aktuelle Umrechnungsfaktor C(i – 1) anhand von über die Radsensoreinheit rollenden Rädern mit jedem darüberrollenden Rad fortlaufend korrigiert. i ist hierbei eine fortlaufende positive ganze Zahl. Ausgewählt, werden zur Kalibrierung nur Räder, die zur bekannten statistischen Verteilung des mittleren Raddurchmessers 2Rsv gehören.
Dabei wird für ein darüberrollendes Rad der Verteilung jeweils anhand des jetzt bekannten mittleren Raddurchmessers 2Rsv nicht der Raddurchmessers 2R, sondern umgekehrt jeweils der Umrechnungsfaktor C bestimmt, der hier als Korrektur-Umrechnungsfaktor iC bezeichnet wird: iC = (1/2·(Dsv – Wurzel(Dsv2 – se2)))/i(Is – Ip).
Mittels dieses jetzt neu bestimmten aktuellen Korrektur-Umrechnungsfaktors iC wird anhand des gerade aktuellen Umrechnungsfaktors C(i – 1) ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor C(i) berechnet, wobei ein Korrekturwert hinzuaddiert wird, der aus der Differenz aus dem aktuellen Umrechnungsfaktor C(i – 1) und dem Korrektur-Umrechnungsfaktor iC gebildet wird, wobei diese Differenz noch mit einem vorgebenen Gewichtsfaktor K multipliziert wird. Der Gewichtsfaktor K ist kleiner Eins und liegt zweckmäßigerweise zwischen 0,01 bis 0,20.
Für den neuen aktuellen Umrechnungsfaktor C(i) gilt also: C(i) = C(i – 1) – K(C(i – 1) – iC).
Dieser neue aktuelle Umrechnungsfaktor C(i) wird solange beibehalten, bis wieder ein Rad der bekannten statistischen Verteilung erfasst und ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor C(i + 1) durch schrittweise Korrektur des alten aktuellen Umrechnungsfaktors C(i) ermittelt wird.
Für die Inbetriebnahme des Verfahrens kann zunächst ein grob angenäherter Umrechnungsfaktor C(i – 1) vorgegeben werden. Ein schnelles Einstellen der Kalibrierung kann durch Wahl des Gewichtsfaktors K erzielt werden.
Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch möglich, keine statistische Radverteilung zur Kalibrierung zu verwenden, sondern einzelne Räder, deren Raddurchmessers 2R man genau kennt.
Allerdings ist die Verwendung von statistisch verteilten Raddurchmessern 2R eines leicht identifizierbaren 1800mm-Drehgestells viel eleganter und so die bessere Lösung.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers (2R) von sich längs einer Fahrschiene bewegenden Rädern, insbesondere von Güterwagen, wobei eine das Rad erfassende Radsensoreinheit an der Fahrschiene unterhalb des auf der Fahrschiene abrollenden Rads angeordnet ist, wobei die Radsensoreinheit zwei in Fahrschienenlängsrichtung in einem Sensorabstand zueinander angeordnete Radsensoren aufweist, die jeweils ein Sensorsignal (1) erzeugen, deren zeitlicher Verlauf (1a, 1b) bei einem darüberrollenden Rad jeweils am Anfang stetig ansteigt und am Ende wieder stetig abfällt oder umgekehrt zuerst abfällt und dann wieder ansteigt, und wobei der Sensorabstand so gewählt ist, dass die beiden jeweils einen Scheitelpunkt (2a, 2b) aufweisenden zeitversetzten Sensorsignale (1a, 1b) sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt (3) schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Signalwerte am Schnittpunkt (3) und an zumindest einem Scheitelpunkt (2a, 2b) ermittelt wird, dass der doppelte Sensorabstand in einem gedachten Raddurchmesserkreis (6) gleich der Länge der Kreissehne (se) und die Differenz der Signalwerte multipliziert mit einem vorgegebenen konstanten Umrechnungsfaktor (C) gleich der Sehnenhöhe (hs) und damit dem maximalen Abstand der Sehne im Raddurchmesserkreis gesetzt wird, wobei der halbe Raddurchmesser (2R/2), die halbe Kreissehne (se/2) und die Differenz aus dem halben Raddurchmesser (2R/2) und der Sehnenhöhe (hs) im Raddurchmesserkreis (6) die Seitenlängen eines rechtwinkligen Dreiecks bilden, dass der Raddurchmesser (2R) als Hypotenuse des Dreiecks anhand der beiden anderen Seitenlängen berechnet wird, und dass der aktuelle Umrechnungsfaktor (C(i – 1)) anhand von über die Radsensoreinheit darüberrollenden ausgewählten Rädern, deren Raddurchmesser (2R) eine statistische Verteilung mit einem mittleren Raddurchmesser (2Rsv) aufweisen, mit jedem darüberrollenden Rad der Verteilung fortlaufend korrigiert wird, indem jeweils für das darüberrollendes Rad der Verteilung anhand des bekannten mittleren Raddurchmessers (2Rsv) umgekehrt ein Korrektur-Umrechnungsfaktor (iC) bestimmt wird, anhand dessen ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor (C(i)) durch Addition eines Korrekturwerts zu dem aktuellen Umrechnungsfaktor (C(i – 1)) berechnet wird, wobei der Korrekturwert gebildet wird aus der Differenz aus dem aktuellen Umrechnungsfaktor (C(i – 1)) und dem Korrektur-Umrechnungsfaktor (iC) sowie Multiplikation dieser Differenz mit einem Gewichtsfaktor kleiner Eins.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittelung der Differenz der Mittelwert der Signalwerte an den beiden Scheitelpunkten (2a, 2b) verwendet wird.
Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers (2R) von sich längs einer Fahrschiene bewegenden Rädern, insbesondere von Güterwagen, wobei eine das Rad erfassende Radsensoreinheit an der Fahrschiene unterhalb des auf der Fahrschiene abrollenden Rads angeordnet ist, wobei die Radsensoreinheit zwei in Fahrschienenlängsrichtung in einem Sensorabstand zueinander angeordnete Radsensoren aufweist, die jeweils ein Sensorsignal (1) erzeugen, deren zeitlicher Verlauf (1a, 1b) bei einem darüberrollenden Rad jeweils am Anfang stetig ansteigt und am Ende wieder stetig abfällt oder umgekehrt zuerst abfällt und dann wieder ansteigt, und wobei der Sensorabstand so gewählt ist, dass die beiden jeweils einen Scheitelpunkt (2a, 2b) aufweisenden zeitversetzten Sensorsignale (1a, 1b) sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt (3) schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Signalwerte am Schnittpunkt (3) und an zumindest einem Scheitelpunkt (2a, 2b) ermittelt wird, dass der doppelte Sensorabstand in einem gedachten Raddurchmesserkreis (6) gleich der Länge der Kreissehne (se) und die Differenz der Signalwerte multipliziert mit einem vorgegebenen konstanten Umrechnungsfaktor (C) gleich der Sehnenhöhe (hs) und damit dem maximalen Abstand der Sehne im Raddurchmesserkreis gesetzt wird, wobei der halbe Raddurchmesser (2R/2), die halbe Kreissehne (se/2) und die Differenz aus dem halben Raddurchmesser (2R/2) und der Sehnenhöhe (hs) im Raddurchmesserkreis (6) die Seitenlängen eines rechtwinkligen Dreiecks bilden, dass der Raddurchmesser (2R) als Hypotenuse des Dreiecks anhand der beiden anderen Seitenlängen berechnet wird, und dass der aktuelle Umrechnungsfaktor (C(i – 1)) mit jedem über die Radsensoreinheit rollenden Rad mit bekanntem Raddurchmesser (2R) fortlaufend korrigiert wird, indem jeweils für das darüberrollende Rad anhand des bekannten Raddurchmessers (2R) umgekehrt ein Korrektur-Umrechnungsfaktor (iC) bestimmt wird, anhand dessen ein neuer aktueller Umrechnungsfaktor (C(i)) durch Addition eines Korrekturwerts zu dem aktuellen Umrechnungsfaktor (C(i – 1)) berechnet wird, wobei der Korrekturwert gebildet wird aus der Differenz aus dem aktuellen Umrechnungsfaktor (C(i – 1)) und dem Korrektur-Umrechnungsfaktor (iC) sowie Multiplikation dieser Differenz mit einem Gewichtsfaktor kleiner Eins.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Umrechnungsfaktor (C(i)) anhand eines einzigen bekannten Raddurchmessers (2R) ermittelt wird.