DE102007016099A1

DE102007016099A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen eines auf elektromagnetischer Strahlung beruhenden Sensors

Info

Publication number: DE102007016099A1
Application number: DE102007016099A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Bierkandt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen eines auf elektromagnetischer Strahlung beruhenden Sensors, insbesondere eines Radarsensors oder eines optischen Sensors eines Schienenfahrzeugs. Ein besonders effektives und energiersparendes Reinigungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Druckluftstöße (5) auf eine Sensorfläche (1a, 1b) oder in einen Strahlengang (8) des Sensors gerichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen eines auf elektromagnetischer Strahlung beruhenden Sensors, insbesondere eines Radarsensors oder eines optischen Sensors eines Schienenfahrzeugs.
Durch widrige Umweltbedingungen, z. B. Schnee oder Staub, können Sensoren derart verschmutzen, dass Störungen des Sensors auftreten. So kann sich z. B. Schneematsch derart an ein Gehäuse oder eine Sensorfläche des Sensors anlagern, dass der Strahlengang beeinträchtigt ist.
Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Radarsensor oder optischen Sensor zur Messung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs relativ zu dem Boden handeln.
Bei Radarsensoren tritt das Problem auf, dass die nach unten geneigten Sensorflächen Umweltbelastungen, insbesondere Witterungseinflüssen, ausgesetzt sind, welche durch Dämpfung der Radarstrahlen zum Ausfall des Radarsensors führen können. Besonders prekär tritt dieser Effekt bei verschneiten oder vereisten Sensorflächen auf. Bei Ausfall des Radarsensors muss auf ein zweites, üblicherweise odometrisches Messverfahren zurückgegriffen werden, welches einen größeren Messfehler als der Radarsensor aufweist. Insbesondere bei modernen Zugsicherungssystemen auf der Basis von ETCS (European Train Control System) kann es dabei zu unzulässig großen Messfehlern kommen. Die vereinbarte und nachgewiesene Sicherheit des ETCS kann folglich nicht garantiert werden. Eine automatische Reaktivierung des ausgefallenen Radarsensors ist nicht möglich, solange die Verschmutzung, insbesondere Vereisung, der Sensorfläche andauert. Die Reinigung der Sensorflächen erfolgt üblicherweise manuell, was im laufenden Eisenbahnbetrieb nicht durchführbar ist, so dass bei widrigen Witterungsverhältnissen lange Ausfallzeiten des Radarsensors und damit des Zugsicherungssystems ETCS in Kauf genommen werden müssen.
Bekannt sind Versuche, das Vereisungsproblem durch kontinuierliche Druckluftbeaufschlagung oder Beheizung der Sensorflächen zu lösen. Diese Lösungsansätze sind jedoch wegen des erheblichen Energiebedarfs und des großen infrastrukturellen Aufwandes unpraktikabel.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch welche der Einfluss von Umweltbedingungen, insbesondere Witterungsbedingungen, auf die Funktionsfähigkeit des Sensors reduziert ist.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Druckluftstöße auf die Sensorfläche oder in den Strahlengang des Sensors gerichtet werden. Ein einzelner Druckluftstoß oder wenige gepulste Druckluftstöße genügen, um eine vollständige Vereisung oder Verwehung der Sensorfläche rechtzeitig zu verhindern, so dass der vom Ausfall bedrohte Sensor weiterhin funktionsfähig ist. Die störende Schicht auf der Sensorfläche kann auf diese Weise mit relativ geringem Energieaufwand beseitigt werden. Durch die Druckluftsäuberung, die vorzugsweise nur im Falle einer Verschmutzung ausgelöst wird, können die vereinbarten und nachgewiesenen Sicherheitsziele, insbesondere bei ETCS, auch bei widrigen Umweltbedingungen zuverlässiger erreicht werden. Ausfallzeiten der Sensoren werden reduziert, so dass deren Verfügbarkeit erhöht wird. Letztlich ergibt sich eine verbesserte Akzeptanz des ETCS.
Gemäß Anspruch 2 werden die Druckluftstöße periodisch getaktet. Die Pausenzeit kann dabei im Minutenbereich liegen, während die Dauer der Druckluftstöße in der Größenordnung mehrerer Millisekunden liegt.
Vorzugswiese werden die Druckluftstöße gemäß Anspruch 3 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der Sensorfläche abgegeben. Die Aktivierung kann beispielsweise bei Temperaturen unter 3°C erfolgen. Die Reinigung des Sensors ist dabei im Gegensatz zur manuellen Reinigung auch während der Fahrt des Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, möglich.
Zusätzlich oder alternativ zu der temperaturabhängigen Aktivierung der Druckluftstöße kann gemäß Anspruch 4 auch eine Abhängigkeit von mindestens einem Parameter mindestens eines Messsignals des Sensors vorgesehen sein. Dieser Parameter kann beispielsweise die Intensität des Messsignals sein, so dass bereits bei beginnender Dämpfung des Signals, insbesondere Radarsignals, eine Reinigungsaktion ausgelöst wird. Auf diese Weise ergibt sich eine energetisch sehr günstige Lösung, da der Druckluftstoß ausschließlich bei tatsächlichem Bedarf aktiviert wird.
Gemäß Anspruch 5 werden die Druckluftstöße pneumatisch oder elektrisch erzeugt. Die pneumatische Variante kann dabei nach Art einer Luftpumpe aufgebaut sein. Eine elektrische Druckluftstoßerzeugung kann ein elektrisch angesteuertes Gebläse umfassen.
Kommt es zu einer Blockierung des Strahlenganges eines optischen Sensors, z. B. durch Schneematsch oder Eisklumpen, dann können durch gezielte Druckluftstöße die Verunreinigungen beseitigt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass das Sensorgehäuse nicht derart kalt ist, dass der Schneematsch oder der Eisklumpen sofort am Gehäuse festfriert und dadurch der für das Reinigen benötigte Druck nicht mehr ausreicht. Wird das Sensorgehäuse gemäß Anspruch 6 zusätzlich geheizt und somit die Anhaftung des Schneematsches oder des Eisklumpens an der Gehäuseoberfläche minimiert, dann ist die wirksame Druckluftreinigung oft erst möglich.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 7 gekennzeichnet. Dabei sind erste Mittel zur Erzeugung von Druckluftstößen und zweite Mittel zur Richtung der Druckluftstöße auf die Sensorfläche oder in den Strahlengang des Sensors vorgesehen. Die Vorrichtung ist – wie das Verfahren – zur Reinigung verschiedenster Sensortypen hinsichtlich verschiedenster Verschmutzungsarten geeignet. Obwohl sich die Beschreibung überwiegend auf witterungsbedingte Verschmutzung von Radarsensoren bei Schienenfahrzeugen bezieht, ist damit keine Beschränkung auf diese spezielle Anwendung verbunden.
Gemäß Anspruch 8 ist zur Erzeugung der Druckluftstöße eine Luftpumpeinrichtung vorgesehen, welche über eine Druckluftleitung mit einem Druckluftkessel verbunden ist. Der Druckluftkessel ist bei Schienenfahrzeugen üblicherweise vorhanden, so dass von diesem lediglich die Druckluftleitung mit der Luftpumpeinrichtung zwecks Pulsgebung der Druckluft abgezweigt ist.
Zur Richtungsgebung der Druckluftstöße ist gemäß Anspruch 9 sowie 10 mindestens eine Druckluftdüse vorgesehen, welche entweder der Sensorfläche zugewandt ist oder in ein den Strahlengang tubusförmig umschließendes Gehäuse einmündet.
Gemäß Anspruch 11 ist zusätzlich zu der Druckluftbeaufschlagung eine das Gehäuse zumindest teilweise erwärmbare Heizvorrichtung vorgesehen. Dieses kombinierte Reinigungsverfahren lässt sich besonders effizient realisieren, wenn der Strahlengang durch einen einseitig geöffneten Tubus geschützt ist, die Druckluft demzufolge nur über die eine Öffnung entweichen kann und somit die Verunreinigungen aus dem Sensorgehäuse transportiert werden. Zudem ist in einem nur einseitig geöffneten Tubus eine Heizung besonders effizient, da der Wärmeverlust im Gegensatz zu einer vor dem Fahrtwind ungeschützten Fläche gering ist. Die Effizienz der Druckluftreinigung wird durch die Kombination mit der Heizung entscheidend erhöht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform und
2 eine zweite Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung für Radarsensoren eines Schienenfahrzeugs.
1 zeigt zwei benachbarte Sensorflächen 1a und 1b einer Radareinrichtung 2, wobei von den Sensorflächen 1a und 1b nicht dargestellte Strahlungskeulen ausgehen. Die Sensorflächen 1a und 1b sind aufgrund ihrer Schräglage gegenüber einer horizontalen Ebene, d. h. gegenüber dem Boden, starken Witterungseinflüssen ausgesetzt. Es hat sich gezeigt, dass anhaftende wässrige Partikel, beispielsweise wässriger Schnee, Tau und Eis, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 0°C und –2°C, einen stärkeren Dämpfungseffekt bezüglich der Strahlungsintensität haben als relativ trockener, verharschter Schnee bei niedrigeren Temperaturen. Um dem dämpfungsbedingten Ausfall einer oder beider Sensorflächen 1a und 1b entgegen zu wirken, ist eine Drucklufteinrichtung 3 mit mindestens einer Druckluftdüse 4 zur Erzeugung von Druckluftstößen 5 vorgesehen, welche auf beide Sensorflächen 1a und 1b gerichtet sind. Die Zufuhr der Druckluft erfolgt über eine nicht dargestellte Druckluftleitung, ausgehend von einem auf dem Schienenfahrzeug vorhandenen Druckluftkessel. Die Pulsgebung der Druckluft erfolgt vorzugsweise temperaturgesteuert und/oder dämpfungsgesteuert.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform werden die Druckluftstöße 5 nicht direkt auf eine Sensorfläche 6, sondern in den Innenraum eines die Sensorfläche 6 tubusartig umgebenden Gehäuses 7 gerichtet. Dadurch wird der Strahlengang 8 von störenden Partikeln, insbesondere Schneematsch 9 freigehalten, wie aus den Ablaufschemata a) bis d) ersichtlich.
Der betrachtete optische Sensor kann jedoch ausfallen, falls ein Klumpen Schneematsch 9 nahe des Vereisens vom Drehgestell auf den Schienenkopf fällt und den darüber fahrenden optischen Sensor verstopft. Ein Druckluftstoß 5 ist prinzipiell gut geeignet, die plötzliche Verstopfung durch Schneematsch aufzulösen, da der Druckaufbau in dem plötzlich geschlossenen Volumen genutzt wird. Da bei einer Temperatur um 0°C jedoch der Schneematschklumpen zum Festfrieren an der Sensorinnenwand neigt, wird der Druck in der Regel nicht mehr ausreichen, um den Klumpen auszustoßen. Deshalb ist eine Kombination aus Heizung und Druckluft besser für die zuverlässige Reinigung des Sensors geeignet. Ein alleiniges Heizen des Sensors könnte diesen Verschluss durch einen großen Schneematschklumpen nicht zeitnah auflösen. Die Heizleistung für das schnelle Auftauen der plötzlich auftretenden großen Menge Schneematsch 9 ist mit keiner vertretbaren Heizleistung realisierbar. Die Heizung ist eher dafür geeignet, ein kontinuierliches Zueisen zu verhindern.
Durch die geringere Wahrscheinlichkeit der Anhaftung störender Partikel ergibt sich eine höhere Verfügbarkeit des Sensors, insbesondere bei winterlichen Verhältnissen.

Claims

Verfahren zum Reinigen eines auf elektromagnetischer Strahlung beruhenden Sensors, insbesondere eines Radarsensors oder eines optischen Sensors eines Schienenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass Druckluftstöße (5) auf eine Sensorfläche (1a, 1b) oder in einen Strahlengang (8) des Sensors gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftstöße (5) periodisch getaktet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftstöße (5) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der Sensorfläche (1a. 1b; 6) erfolgen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftstöße (5) in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter mindestens eines Messsignals des Sensors erfolgen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftstöße (5) pneumatisch oder elektrisch erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (7) des Sensors zumindest teilweise beheizt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel zur Erzeugung von Druckluftstößen (5) und zweite Mittel zur Richtung der Druckluftstöße (5) auf eine Sensorfläche (1a, 1b) oder in einen Strahlengang (8) des Sensors vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Luftpumpeinrichtung umfassen, welche über eine Druckluftleitung mit einem Druckluftkessel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel mindestens eine der Sensorfläche (1a, 1b) zugewandte Druckluftdüse (4) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel mindestens eine in ein den Strahlengang (8) tubusförmig umschließendes Gehäuse (7) einmündende Druckluftdüse (4) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Gehäuse (7) zumindest teilweise erwärmbare Heizvorrichtung vorgesehen ist.