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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen von Infrarotstrahlung
mindestens eines Bereichs eines Schienenwagens.
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Im
rollenden Bahnverkehr können
durch übermäßige Temperaturen
im Lager von Achsen oder bei Scheiben- oder Klotzbremsen die Fahrtauglichkeit
von Wagen oder Lokomotiven beeinträchtigt werden. Insbesondere
kann eine Überhitzung
im Lagerbereich eine Entgleisung verursachen.
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Folglich
werden Heißläuferortungsanlagen (HOA),
im Englischen Hot Box Detector genannt, und Festbremsortungsanlagen
(FBOA), im Englischen Hot Wheel Detector genannt, eingesetzt. Diese
Vorrichtungen weisen einen Infrarotdetektor auf, um eine Temperatur
am Reifen, an der Bremse oder am Lager festzustellen. Dabei wird
nur eine Temperaturmessung durchgeführt, wenn gerade eine Achse
gerade die Vorrichtung passiert. Die Vorrichtung zur Temperaturmessung
ist in der Regel an einer Schwelle befestigt. Über einen Radsensor im Gleisbett
werden die Abtastzeitpunkte zum Messen der Temperaturen getriggert,
so dass nur zu den gewünschten
Zeitpunkten die Temperaturmessung durchgeführt wird.
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Eine
Heißläuferortungsanlage
oder eine Festbremsortungsanlage ist im Güterverkehr außerordentlich
wichtig. Ferner müssen
im Personenverkehr oder im Hochgeschwindigkeitsverkehr bei fehlender
Heißläuferortungsanlage
oder Festbremsortungsanlage die Geschwindigkeit reduziert werden.
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So
werden im europäischen
Eisenbahnsystem vor allem zwei verschiedene Bremssysteme, nämlich Klotzbremsen,
die auf die Laufflächen
der Eisenbahnräder
wirken, und Scheibenbremsen verwendet, die auf eine Seitenfläche der
Räder oder
separate Bremsscheiben wirken. Folglich müssen zwei voneinander beabstandete
Bereiche des Reifens überwacht
werden, nämlich
ein Bereich nahe an der Achse, wo die Scheibenbremsen angeordnet
sind, und ein Bereich nahe einem Radkranz für die Klotzbremsen. Falls eine
Temperaturmessung nicht zu einer Klotzbremse oder einer Scheibenbremse
eingeordnet werden kann, können
beispielsweise auch Fehlalarme aufgrund von bremsbedingt heißen Bremsklötzen erfolgen.
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Auch
im Bereich der Lager müssen
im europäischen
Eisenbahnverkehr zwei voneinander beabstandete Bereiche überwacht
werden.
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Die
Heißläuferortungsanlage
und die Festbremsortungsanlage sind, wie bereits erläutert, im Gleisbett
angeordnet, insbesondere in einer Schwelle. Die Infrarotdetektoren
müssen
dabei genau in der Schwelle kalibriert, justiert und gedämpft befestigt werden.
Eine solche Kalibrierung braucht einen hohen Zeitaufwand, bei der
die Schiene, in der die Heißläuferortungsanlage
bzw. die Festbremsortungsanlage angeordnet ist, nicht von einem
Zug befahren werden kann, da sich Wartungspersonal im Gleis befindet.
Diese langen Kalibrierzeiten führen
zu langen Sperrzeiten in der Strecke und somit einer verringerten
Rentabilität
für einen
Betreiber einer Bahnstrecke.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass
sie die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere zuverlässige und
genaue Messergebnisse liefert bei einem reduzierten konstruktionellen
Aufwand.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen von Infrarotstrahlung von
zwei Bereichen eines Schienenwagens gelöst, wobei die Vorrichtung einen
ersten Infrarotsensor, der eingerichtet ist, den ersten Bereich
zu messen, einen zweiten Infrarotsensor, der eingerichtet ist, den zweiten
Bereich unabhängig
von der Messung des ersten Bereichs zu messen, wobei ein gemeinsames optisches
Element zum Messen des ersten und zweiten Bereichs mit den ersten
Infrarotsensor bzw. den zweiten Infrarotsensor vorgesehen ist.
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Mit
der Vorrichtung gemäß der Erfindung können Infrarotstrahlungen
zweier unterschiedlicher Bereiche eines Schienenwagens von einem
Ort in einem Gleisbett aus vermessen werden. Ein Schienenwagen kann
dabei eine Lokomotive, ein Wagen, ein Triebwagen oder dergleichen
sein. Somit braucht nur noch eine Messvorrichtung verwendet werden.
Dies reduziert die Kosten für
die Betreiber eines Schienennetzes, da weniger Vorrichtungen in
das Gleisbett eingebaut werden müssen.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung kleine Außenmaße aufweist. Durch
ein gemeinsames optisches Element kann zudem die Vorrichtung kostengünstiger
und einfacher hergestellt werden, wobei sie gleichzeitig weniger Platz
beansprucht. Unabhängig
ist eine Messung von einer anderen Messung, wenn Infrarotstrahlung
des ersten Bereichs den Infrarotsensor zum Messen für den zweiten
Bereich nur unwesentlich beeinflussen kann.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Bereich
voneinander beabstandet sind, insbesondere einen Abstand von 10
cm bis 30 cm aufweisen, vorzugsweise von 15 cm bis 20 cm. Folglich
sind voneinander entfernte, das heißt getrennte Bereiche durch
die Vorrichtung erfassbar.
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Eine
Ausführungsform
kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der erste und/oder der zweite
Bereich eine Länge
von 10 mm bis 50 mm aufweist, insbesondere von 20 mm bis 30 mm.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass die Vorrichtung für eine Messung
des ersten und zweiten Bereichs eingerichtet ist, wobei die Bereiche
im Abstand von der Vorrichtung von 50 cm bis 80 cm, insbesondere
55 cm bis 70 cm, angeordnet sind.
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Dabei
kann der erste Infrarotsensor von dem zweiten Infrarotsensor einen
Abstand zwischen 3 mm und 10 mm aufweisen, insbesondere zwischen
4 mm und 8 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 6 mm.
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Ferner
kann in einer Ausführungsform
vorgesehen sein, dass das optische Element für Infrarotwellen für eine Auflösung eingerichtet
ist, um den ersten Bereich von dem zweiten Bereich getrennt abzubilden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
kann das optische Element eine Linse, einen Filter und/oder eine
Blende umfassen. Dabei kann der Filter selektiv durchlässig sein,
so dass er für
Infrarotstrahlen durchlässig
ist. Somit können
die Infrarotsensoren im Wesentlichen nur Photonen der zu messenden
Infrarotstrahlen erreichen.
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Eine
besondere Ausführungsform
der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element
eine Linse und eine Blende umfasst, wobei die Blende zwischen den
Infrarotsensoren und der Linse angeordnet ist, wobei insbesondere
die Blende eine Aperturblende ist. Somit ist es möglich, das
optische Element genau auf den Infrarotsensor anzupassen, so dass
eine maximale Intensität
der Infrarotstrahlen die Infrarotdetektoren erreicht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das optische Element eine optische Achse aufweisen, wobei der
erste Infrarotsensor und/oder der zweite Infrarotsensor in einem Abstand
zur optischen Achse angeordnet ist bzw. sind, wobei insbesondere
der erste Infrarotsensor und/oder der zweite Infrarotsensor im gleichem
Abstand zu der optischen Achse angeordnet ist bzw. sind. Somit lässt sich
eine besonders platzsparende Anordnung zur Messung von zwei getrennten
Bereichen ermöglichen.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Infrarotsensor
jeweils mindestens einen, insbesondere zwei oder mehr als zwei Infrarotdetektoren
umfasst bzw. umfassen.
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Dabei
kann in Richtung einfallender Strahlung vor den Infrarotdetektoren
eine Kaltblende angeordnet sein, und der Infrarotdetektor mit der
Kaltblende und das optischen Element aneinander angepasst sind,
insbesondere das optische Element ein Öffnungsverhältnis aufweist, dass für den Infrarotdetektor
mit der Kaltblende angepasst ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Vorrichtung ein Referenzinfrarotdetektorelement aufweisen,
wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, Messsignale von dem ersten
und dem zweiten Infrarotsensor und von dem Referenzinfrarotdetektorelement
zu verarbeiten.
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Ferner
kann die Vorrichtung einen ersten Spiegel umfassen, wobei zumindest
ein Teil des ersten Bereichs im Wesentlichen senkrecht bezüglich eines
Gleisbetts über
dem Spiegel angeordnet ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die Vorrichtung einen zweiten Spiegel umfassen, wobei zumindest
ein Teil eines zweiten Bereichs im Wesentlichen senkrecht bezüglich eines
Gleisbetts über dem
Spiegel angeordnet ist.
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Dabei
kann der erste und/oder der zweite Spiegel ein Planspiegel sein.
Dadurch dass ein Planspiegel verwendet wird, verändern nur noch optische Elemente
in der Detektorvorrichtung die Abbildungseigenschaften des Abbildes
des zu messenden Bereichs, so dass der Spiegel fast beliebig im
Verhältnis zu
der Detektorvorrichtung angeordnet werden kann. Ist der Spiegel
sehr nahe an der Detektorvorrichtung angeordnet, kann er mit dieser
als eine Einheit formen, und es wird vermieden, dass die Detektorvorrichtung
einen zu großen
Anteil der sich hinter oder um den Spiegel befindlichen Infrarotstrahlung
aufnimmt.
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Es
kann ferner vorgesehen sein dass die Vorrichtung eingerichtet ist,
um im Gleisbett angeordnet zu werden, vorzugsweise in einer Schwelle.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen
von Infrarotstrahlung mindestens eines Bereichs eines Schienenwagens
zur Verfügung
gestellt, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um in einem Gleisbett
mit mindestens einer Schiene angeordnet zu werden, und einen Träger mit
einem optischen Element umfasst, an dem ein Messmodul mit einem Infrarotsensor,
das einen gerichteten Detektionsbereich aufweist, derart befestigt
ist, dass der Träger und
das Messmodul eine einbaubare Einheit bilden, bei der das Messmodul
und das optische Element des Trägers
eine feste Geometrie zueinander aufweisen, deren für den Betrieb
vorgesehen Relation zueinander vor dem Einbau festlegbar ist. Mittels
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann die Detektorvorrichtung, da sie als Einheit mit dem Träger gebildet
ist, einfach ausgetauscht werden, so dass zeitaufwändige Kalibrierarbeiten
im Gleisbett vermieden werden.
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Wenn
alle optischen Elemente geometrisch fest zueinander in einer Einheit
angeordnet sind, können
diese in dieser Einheit kalibriert und ausgerichtet werden, und
erst später
ins Gleisbett eingesetzt werden. Folglich reduzieren sich Sperrzeiten
im Gleisbett, die einem Operator große Kosten verursachen.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass das Messmodul über mindestens ein elastisches
Lager elastisch mit dem Träger
verbunden ist. So können Vibrationen
von einem über
die Schiene fahrenden Schienenwagens absorbiert werden, die die
Elektronik und/oder das Messergebnis beeinflussen können.
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Ferner
kann in einer Ausführungsform
vorgesehen sein, dass das optische Element des Trägers ein
Verschluss zum Unterbrechen von Infrarotstrahlung zwischen dem zu
messenden Objekt und dem Messmodul ist, wobei der Verschluss in
Richtung des Messmoduls ein Referenzheizelement aufweist. Dadurch
kann eine Verschiebung des Referenzheizelements zu dem Messmodul
vermieden werden, so dass außerhalb
des Gleisbetts die Vorrichtung kalibriert und eine Kennlinie erzeugt
werden kann, bevor die Schiene für
den Verkehr gesperrt werden muss.
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Dabei
kann der Träger
eine Abdeckung zum Abdecken eines Bauraumes für die Vorrichtung sein. Somit
wird mit der Abdeckung gleich die ganze Vorrichtung aus dem Gleisbett
entfernt, was wiederum eine Zeitersparnis zu folge hat. So muss
nur die Abdeckung in dem Gleisbett, beispielsweise in einer Schwelle,
ortsfest angeordnet werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Vorrichtung verschließt
der Verschluss eine Öffnung in
der Abdeckung. Somit ist das Messmodul vor Witterungseinflüssen geschützt.
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Eine
besondere Ausführungsform
der Vorrichtung weist einen Spiegel auf, insbesondere einen Planspiegel,
wobei der Spiegel mit dem Messmodul verbunden ist, so dass Spiegel,
Messmodul und das optische Element des Trägers eine feste Geometrie zueinander
aufweisen, deren für
den Betrieb vorgesehen Relation zueinander vor dem Einbau festlegbar
ist.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass ein Winkel zwischen dem gerichteten Detektionsbereich
und dem Träger über eine
Winkeleinstellvorrichtung einstellbar ist, wobei insbesondere ein
kontinuierlicher Winkelbereich zwischen dem gerichteten Detektionsbereich
und dem Träger
einstellbar ist. Dabei kann das Messmodul mit dem Träger drehbar
um eine Drehachse verbunden sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung ist das Messmodul mit dem Träger über ein Innen- und ein Außenkreisbogenelement
verbunden, wobei das Innen- und Außenkreisbogenelement konzentrisch
sind, und ein Außenradius
des Außenkreisbogenelements
dem Innenradius des Innenkreisbogenelements entspricht.
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Dabei
kann ein elastisches Lager zwischen der Winkeleinstellvorrichtung
und dem Messmodul angeordnet sein, vorzugsweise zwischen jeder Winkeleinstellvorrichtung
und dem Messmodul.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Träger
eingerichtet, in vorbestimmten diskreten linear zueinander verschobenen
Positionen relativ zu der Schiene positionierbar zu sein.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, der mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden.
Dabei zeigt:
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1 einen
Querschnitt eines Gleisabschnitts mit einer Heißläuferortungsanlage und einer Festbremsortungsanlage;
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2 eine
schematische Anordnung von Messbereichen;
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3 eine
schematische Vorderansicht eines Infrarotdetektors;
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4 einen
schematischen optischen Aufbau einer Detektorvorrichtung;
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5 eine
erste Spiegelanordnung für
eine Detektorvorrichtung;
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6 eine
zweite Spiegelanordnung für
eine Detektorvorrichtung;
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7 eine
dritte Spiegelanordnung für
eine Detektorvorrichtung;
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8 eine
vierte Spiegelanordnung für
eine Detektorvorrichtung;
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9 eine
fünfte
Spiegelanordnung für
eine Detektorvorrichtung;
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10 eine
schematische Seitenansicht einer Heißläuferortungsanlage;
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11 eine
Ansicht eines Trägers
von unten für
eine Detektorvorrichtung;
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12 eine
Draufsicht eines Befestigungsrahmens für den Träger gemäß 11; und
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13 eine
Seitenansicht einer Festbremsortungsanlage.
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In 1 zeigt
einen Querschnitt eines Gleisbetts in der eine Festbremsortungsanlage 100 und zwei
Heißläuferortungsanlage 200 angeordnet
sind. Die Festbremsortungsanlage 100 ist in einer Schwelle 10 mit
einer Aussparung 12 zwischen zwei Schienen 14a, 14b angeordnet.
Auf der Schiene 14b ist ein Rad 16, das sich um
eine Achse 18 dreht, und an seiner Außenseite ein Lager 20 gezeigt.
Die Festbremsortungsanlage kann sowohl einen ersten Messbereich
an einem Radkranz 22 für
eine Temperaturentwicklung, die durch Klotzbremsen hervorgeruft
wird, als auch einen zweiten Messbereich bei einer Bremsscheibe 24 erfassen.
Die Bremsscheibe 24 kann auch direkt an einer Innenseite
des Rads 16 angeordnet sein, wobei in 1 nur
eine sogenannte Wellenbremsscheibe 24 nur halb bis zur
Radachse 18 dargestellt ist. In 1 ist ferner
eine Heißläuferortungsanlage 200 gezeigt,
die ebenfalls in der Schwelle 10 angeordnet ist. Die Heißläuferortungsanlage 200 misst
eine Lagertemperatur des Lagers 20 der Achse 18.
Dabei kann die Heißläuferortungsanlage 200 zwei
voneinander beabstandete Bereiche des Lagers messen. Zwei unterschiedliche
Bereiche des Lagers müssen
gemessen werden, da verschiedene Wagons oder Lokomotiven aus verschiedenen
Ländern
unterschiedlich von einer Gleismitte, also die Mitte zwischen den
Schienen 14a, 14b, entfernte zu messende Bereiche
aufweisen. Heißläuferortungsanlage 200 und
die Festbremsortungsanlage 100 weisen jeweils eine Detektorvorrichtung 1000 auf,
die weiter unten im Detail erläutert
wird.
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In 2 sind
die unterschiedlichen zu messenden Bereiche eines Lagers 20 erläutert. Ein
erster Bereich 30 kann circa 885 mm von der Gleismitte
entfernt sein. Ein zweiter Bereich 32 kann zwischen 1070
mm und 1120 mm von der Gleisbettmitte angeordnet sein. Dabei weisen
der erste Bereich 30 und der zweite Bereich 32 einen
Abstand von 170 mm auf. Dabei können
der erste und der zweite Bereich ca. 580 mm über der Oberseite der Schiene
angeordnet sein.
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Jede
Detektorvorrichtung 1000 weist einen Infrarotdetektor 1010 auf.
In 3 ist ein solcher Infrarotdetektor 1010 einer
Detektorvorrichtung 1000 in einer Vorderansicht, also in
Messrichtung, dargestellt. Der Infrarotdetektor 1010 weist
vier Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d auf.
Die Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d sind
auf einer Vorderseite 1014 des Infrarotdetektors 1010 in
einer geraden Reihe angeordnet. An einer beliebigen Stelle auf einer
Vorderseite 1014 des Infrarotdetektors 1010 kann
ein Referenzdetektorelement 1016 angeordnet sein. Die Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d bzw.
das Referenzdetektorelement 1016 weisen eine Fläche von
jeweils ca. 440 μm
mal 150 μm
auf. Dabei können
sie einen Pitch von 500 μm
aufweisen. Ein Pitch ist ein resultierender Mittenabstand zwischen
jeweils zwei Detektorelementen 1012a, 1012b bzw. 1012c, 1012d Jeweils zwei
Detektorelemente 1012a, 1012b und 1012c, 1012d bilden
ein Detektorelementpaar bzw. einen Infrarotsensor, das bzw. der
für einen
zu messenden Bereich vorgesehen ist. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Detektorelemente
oder nur ein Detektorelement für
einen zu messenden Bereich vorgesehen sein, wobei diese Detektorelemente auch
gruppiert werden können.
Detektorelemente werden gruppiert, wie im genanten Fall der Detektorelementpaare,
um im Falle eines Ausfalls eines ersten Detektorelements noch ein
zweites Detektorelement für
eine Messung zu verwenden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird
allerdings im Folgenden immer nur von Detektorelementpaar gesprochen.
Beispielsweise können
das Detektorelementpaar 212a, 1012b für den ersten
Bereich 30 und das zweite Detektorelementpaar 1012c, 1012d für den zweiten
Detektionsbereich 32 vorgesehen sein. Der Abstand zwischen
beiden Detektorelementpaaren beträgt ungefähr 5,15 mm. Der zu wählende Abstand zwischen
den Detektorelementpaaren hängt
von dem Auflösungsvermögen und
der Brennweite der optischen Elemente ab, und kann daher in Abhängigkeit
von den optischen Elementen größer oder
auch kleiner sein. Er sollte jedoch so groß gewählt sein, dass zu messende
Temperaturen in einem Bereich, die für das erste Detektorelementpaar
vorgesehen sind, nicht Messungen von dem zweiten Detektorelementpaar
signifikant beeinflussen, also dass die Messungen des ersten Bereichs
unabhängig
von den Messungen des zweiten Bereichs durchgeführt werden können.
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In 4 sind
optische Elemente der Detektorvorrichtung 1000 in einer
schematischen Seitenansicht zu sehen. Die Detektorvorrichtung weist
einen Infrarotdetektor 1010 auf. Der Infrarotdetektor 1010 umfasst
ein Gehäuse 1016,
in dem eine nicht gezeigte Detektorelektronik untergebracht ist.
Vor den Detektorelementen 1012a, 1012b, 1012c, 1012d sowie
dem Referenzelement 1016 ist ein Kälteschild 1020 bzw.
eine Kaltblende 1020 angeordnet, das jeweils bei den Detektorelementen 1012a, 1012b, 1012c, 1012d eine Öffnung 1022a, 1022b, 1022c, 1022d aufweist,
die jeweils eine Blende darstellt. Jedes Detektorelement 1012a, 1012b, 1012c, 1012d zusammen
mit der Kaltblende 1020 funktioniert optimal mit einer
Optik mit einem bestimmten Öffnungsverhältnis. Beispielsweise
funktioniert jedes Detektorelement 1012a, 1012b, 1012c, 1012d mit
der Kaltblende 1020 optimal für eine Optik 1030 mit
einer Blendenzahl bzw. einem Öffnungsverhältnis 1.
Das heißt,
dass mit einer Optik 1030 mit einer Blendenzahl 1 eine
hohe Lichtstärke
bei den Detektorelementen erzielt wird, so dass Signale der Detektorelemente
geringer verstärkt
werden müssen
als bei nicht angepassten Optiken. Das heißt, dass die eine Linse 1032 der
Optik auf die Kaltblende 1020 ausgelegt ist.
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Bei
dem Referenzelement 1016 ist keine Öffnung angeordnet. Vielmehr
ist das Referenzelement 1016 verspiegelt. Das Referenzelement 1016 dient sowohl
als gemeinsame Referenz für
das erste Detektorelementpaar 1012a, 1012b sowie
das zweite Detektorelementpaar 1012c, 1012d.
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Die
sich in Richtung der zu detektierenden Fläche vor dem Infrarotdetektor 1010 befindliche
Optik 1030 bestimmt die optischen Achse der Detektorvorrichtung 1000.
Zu der optischen Achse X sind die Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d bzw. das
erste und das zweite Detektorelementpaar symmetrisch angeordnet.
Folglich ist keines der Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d auf
der optischen Achse X angeordnet. Die Optik 1030 weist die
Linse 1032 auf und kann optional eine Blende 1034 aufweisen.
Dabei ist die Größe und die
Brennweite der Linse im Wellenlängenbereich
von Infrarotstrahlen so groß gewählt, um
eine optimale Auflösung
der zu detektierenden Bereiche mit einem Abstand von ca. 15 bis
20 cm die in einer Entfernung von ca. 40 bis 80 cm von der Detektorvorrichtung 1000
im Bereich des ersten Detektorpaares 1012a, 1012b und
des zweiten Detektorpaars 1012c, 1012d zu erreichen.
Die Linse kann beispielsweise je nach Verwendung in einer Heißläuferortungsanlage 200 oder
Festbremsortungsanlage 100 unterschiedliche Brennweiten
aufweisen. Dabei ist die Brennweite so abgestimmt, dass die beabstandeten
zu vermessenden Bereiche auf den gleichen Abbildungsmaßstab abgebildet
werden. Um wieder eine Blendenzahl 1 zu erreichen, für die die
Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d mit
der Kaltblende 1020 optimiert sind, kann die Optik 1030 eine
Blende 1034 von der detektierenden Fläche aus gesehen hinter der Linse 1032 aufweisen.
Die Blende 1034 ist direkt im Anschluss an die Linse 1032 angeordnet,
so dass Infrarotstrahlen von den zu vermessenden Bereichen, wie
die Bereiche 30, 32, die in der Linse durch die
optische Achse X treten, nicht abgeschirmt werden. Die Blende 1034 verbessert
zudem die Abbildungsqualität,
weil Randbereiche der Linse 1032 abgeschirmt werden, die
unerwünschte
Abbildungsfehler hervorrufen können.
Somit stellt die Detektorvorrichtung 1000 eine sehr gute
Auflösung
bereit. Beispielsweise können
das erste Detektorelementpaar 1012a, 1012b sowie
das zweite Detektorelementpaar 1012c, 1012d jeweils
einen Bereich auf dem zu messenden Objekt von ca. 20 bis 30 mm abdecken,
wobei sich selbstverständlich
die Größe des zu
messenden Bereiches von der Entfernung des Objekts abhängt. Durch
den Abstand der Detektorelementpaare 1012a, 1012b und 1012c 1012d auf
dem Infrarotdetektor 1010 ist auch ein Abstand zwischen
den zu vermessenden Bereichen sichergestellt. Zudem können Messungen
in dem einen zu vermessenden Bereich nicht Messungen in dem anderen
zu vermessenden Bereich beeinflussen, d. h. Infrarotstrahlen von
dem einen zu messenden Bereich werden nicht derart gestreut, dass
alle Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d ein
Infrarotsignal detektieren.
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Ein
Detektoreigenrauschen bzw. ein Dunkelstrom der Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d wird
mittels des Referenzelements 1016 in Form einer Differenzwertbildung
entfernt. Die Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d messen absolute
Temperaturwerte der zu vermessenden Bereiche. Um eine hinreichende
Sensitivität
zu erreichen und um sich gegenüber
einer Umgebungstemperaturenänderung
zu schützen,
die in einem Detektordrift resultiert, wird der Infrarotdetektor 1010 bzw. die
Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d, 1016 konstant
auf –30
Grad Celsius oder in einer anderen Ausführungsform auf eine davon abweichende Temperatur
gehalten. Dies geschieht mit einer vierstufigen thermoelektrischen
Kühlvorrichtung.
Ebenfalls wird die Kaltblende 1020 auf der gleichen Temperatur
gehalten, beispielsweise auf –30
Grad Celsius gekühlt.
Die Kühlvorrichtung
kann beispielsweise ein Peltier-Element sein. Zwischen der Optik 1030 und
dem Infrarotdetektor 1012 mit der Kaltblende 1020 kann
eine Abdeckkappe 1040 mit einem Wellenlängen begrenzendem Fenster 1042 angeordnet sein.
Dabei lässt
das Fenster 1042 im Wesentlichen Wellenlängen im
Infrarotbereich durch, die gemessen werden sollen.
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In 5 ist
beispielsweise die Detektorvorrichtung 1000 beim Einsatz
in einer Heißläuferortungsanlage 200 gezeigt.
Die Detektorvorrichtung 1000 kann über einen Spiegel 202 zum
Umlenken der Infrarotstrahlen zwei zu vermessende Bereiche erfassen,
nämlich
den ersten Bereich 30 und den zweiten Bereich 32.
Der Spiegel 202 dreht sich um seine eigene Achse senkrecht
zur Spiegelfläche,
so dass herabfallender Dreck oder Wasser sofort weggeschleudert
wird. Über
dem Spiegel 202 weist eine Abdeckung 204 der Heißläuferortungsanlage 200 einen
Verschluss 206 auf, der nur während der Messungen geöffnet wird.
Dabei weist der Verschluss 205 an seiner Innenseite eine
Referenzheizvorrichtung auf, um die Detektorvorrichtung 1000 zu
kalibrieren. Der Spiegel ist ein Planspiegel, der die Abbildung
der Infrarotstrahlen des zu messenden Bereiches nicht verändert. Folglich
kann der Spiegel auch sehr nah an der Detektorvorrichtung 1000 angeordnet
werden, und es ist keine sehr genaue Kalibrierung des Spiegels relativ
zu der Detektorvorrichtung notwendig.
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Um
Abschattungen der zu messenden Stelle durch Bauteile eines Eisenbahnwagens
zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Temperaturen des Lagers 20 von
dem Rad 16 senkrecht von unten zu messen. Dies kann beispielsweise
dadurch geschehen, wie in 5 gezeigt
wird, dass die Strahlen für
das erste Detektorelementpaar und das zweite Detektorelementpaar
jeweils von einem eigenen Spiegel 202a, 202b gespiegelt
werden. Dabei kann jeder Spiegel sich um eine Achse senkrecht zur
Spiegelfläche
drehen, um Schmutzpartikel oder Wasser wegzuschleudern.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
die in 7 gezeigt wird, kann ein erster Spiegel 202a eine Aussparung 203 aufweisen,
durch die die von einem zweiten Spiegel 202b reflektierten
Infrarotstrahlung von einem ersten zu vermessenden Bereich 30 hindurch
tritt. Dabei kann der zweite Spiegel 202b wie in den vorhergehenden
Ausführungsformen
ein rotierender Spiegel sein. In einer weiteren Ausführungsform,
die in 8 gezeigt wird, wird Infrarotstrahlung, die von
einem zweiten Bereich 32 abgestrahlt werden, über einen
ersten rotierenden Spiegel 202c auf einen zweiten eine
Aussparung 203 aufweisenden Spiegel 202a auf ein
erstes Detektorelementpaar reflektiert. Infrarotstrahlung von einem
ersten Bereich 30 wird durch einen dritten Spiegel 202b zu
einem zweiten Detektorelementpaar der Detektorvorrichtung 1000 reflektiert.
Dabei treten die Infrarotstrahlung durch eine Aussparung 203 in
dem zweiten Spiegel 202a durch. Der dritte Spiegel 202b kann ebenso
wie der erste Spiegel 202c ein rotierender Spiegel sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Detektorvorrichtung 1000 so angeordnet sein, dass Infrarotstrahlung
von einem ersten zu detektierenden Bereich 30 direkt ohne
Umlenkung über
einen Spiegel von einem ersten Detektorelementpaar erfasst werden,
und Infrarotstrahlung von einem zweiten zu detektierenden Bereich 32 über zwei
Umlenkspiegel 202a, 214d zu einem zweiten Detektorelementpaar der
Detektorvorrichtung 1000 reflektiert werden. Dabei kann
der erste Spiegel 202a ein rotierender Spiegel sein. Die
in den 5 bis 8 gezeigten Spiegel sind alles
Planspiegel, so dass sie die optischen Eigenschaften nicht beeinflussen,
so dass auch in diesen Fällen
der Spiegel nicht sehr genau eingestellt werden muss.
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Somit
wird mit einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung
ermöglicht,
ohne bewegliche Teile optische Teile, von den rotierenden Spiegeln
abgesehen, einen großen
Bereich mit mehreren Teilbereichen zu erfassen, wobei die mehreren
Teilbereiche voneinander beabstandet sind.
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In 10 ist
eine Heißläuferortungsanlage 200 in
einer schematischen Seitenansicht zu sehen. Die Heißläuferortungsanlage 200 weist
eine Detektorvorrichtung 1000 auf. Über einen rotierenden Spiegel
werden Infrarotstrahlen von einem zu vermessenden Bereich in die
Detektorvorrichtung 1000 gespiegelt. Die Heißläuferortungsanlage 200 weist eine
Abdeckung 204 mit einer Öffnung auf, die durch einen
Verschluss 206 verschlossen werden kann, wenn gerade keine
Messung stattfindet. Auf einer Innenseite des Verschlusses 206 ist
eine Referenzheizung angeordnet, die bei geschlossenem Verschluss zur
Kalibrierung der Detektorvorrichtung 1000 dient. Die Referenzheizung
und die Detektorvorrichtung müssen,
falls eines der beiden Bauteile ausgetauscht wird, jeweils neu kalibriert
werden, dass heißt
dass Kennlinien der Detektorelemente 1012a, 1012b, 1012c, 1012d neu
eingestellt werden müssen.
Während
des Betriebs werden dann die Messergebnisse von der Infrarotstrahlung
der zu messenden Bereiche mit der Infrarotstrahlung der Referenzheizung
abgeglichen. Die Abdeckung der Heißläuferortungsanlage 200 wird
auf der Schwelle 10 befestigt. Um einen Blickwinkel bzw.
einen gerichteten Detektionsbereich 208 der Detektorvorrichtung 1000 genau
einzustellen, ist diese um eine Achse 210 drehbar, die
in einem Gestänge 212 gelagert
ist, das mit der Abdeckung 204 verbunden ist. Ferner weist
für die
genaue Winkeleinstellung Abdeckung 204 ein Halteglied 214 auf,
das ein Innenkreisbogensegment 216 umfasst, das einen Teil
eines Kreises um die Achse 210 beschreibt. Ein entsprechendes Außenkreisbogensegment
ist mit der Detektorvorrichtung 1000 verbunden. Der Radius
des Außenkreisbogensegments
entspricht dem Radius des Innenkreisbogensegments. Wenn eine gewünschte Winkeleinstellung
eingestellt ist, beispielsweise ein senkrecht gerichteter Detektionsbereich 208,
werden das Innenkreisbogensegment 216 und das Außenkreisbogensegment 218 derart
miteinander befestigt, das sie nicht mehr relativ zueinander bewegbar
sind. Das Außenkreisbogensegment
ist über
ein erstes Federelement 230, wie eine Elastomerfeder, mit
der Detektorvorrichtung 1000 verbunden. Wiederum ist die
Detektorvorrichtung, die um die Achse 210 drehbar ist, über eine
Feder 232, wie eine Elastomerfeder 232, mit der
Achse 210 verbunden. Durch die Federelemente 230, 232 wird
ermöglicht,
dass die Detektorvorrichtung 1000 nicht stark bei vorbeifahrenden
Zügen erschüttert wird.
Die Abdeckung 204 der Detektorvorrichtung 1000 sowie
das Gestänge 212,
die Kreisbogensegmente 216, 218, sowie das Halteglied 214 für das äußere Kreisbogensegment 216,
der Verschluss 208 bilden eine Einheit, die als Ganzes
aus der Schwelle 10 entnommen werden kann. Die optischen
Elemente der Einheit, nämlich
die Detektorvorrichtung 1000, der Spiegel 202 und
der Verschluss 206 mit dem Referenzheizelement sind fest
zueinander angeordnet und können
als Einheit in dieser festen Anordnung zueinander der Schwelle 10 entnommen
werden. Folglich kann die Heißläuferortungsanlage 200 außerhalb
des Gleisbereiches kalibriert und eingestellt werden und sobald
die Kalibrierung erfolgt ist, mit nur einem geringen Zeitaufwand
eingebaut werden. Eine Kalibrierung und Einstellung bzw. Justage
der Messeinheit ist nämlich
sehr zeitaufwändig.
So ist die Sperrzeit für
das Gleis sehr gering.
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Die
Abdeckung 204 wird in einer Ausführungsform auf einem Rahmen 250 an
der Schwelle befestigt, siehe 11 und 12.
Der Rahmen 250 weist dazu eine Aussparung 251 auf,
in die die Detektorvorrichtung 1000 eingesetzt wird. Um
eine genaue Entfernung senkrecht zu der Schiene 14b an diskreten
Positionen einzustellen, weist die Abdeckung 204, wie in 11 entnommen
werden kann, nahe einem Rand auf einer Innenseite bzw. Unterseite
der Abdeckung jeweils eine Reihe auf eine Referenzlinie V parallel
zur Verschieberichtung zulaufende Sacklöcher 240 auf. Die
Sacklöcher
sind beispielsweise in regelmäßigen Abständen d1
auf der Reihe angeordnet. Die Verschieberichtung ist in dem vorliegenden
Beispiel senkrecht zur Schiene 14b. Um eine eindeutige
relative Position festzulegen, wird die Abdeckung 204 senkrecht
zur Schiene 14b, auf der ein Zug fahren kann, also in Verschieberichtung
geführt.
Die Führung
kann beispielsweise durch eine separate Schiene oder durch einen
Rand der Aussparung 251 in dem Rahmen 250 erfolgen,
auf dem die Abdeckung 204 befestigt wird. In einer weiteren
Ausführungsform
kann sich eine Detektorvorrichtung, die an der Abdeckung befestigt
ist, aus Platzgründen
nur auf einer Linie in Verschieberichtung verschieben lassen, so
dass die Abdeckung dadurch geführt
wird. Die Sacklöcher 240 sind
auf der insbesondere geraden Linie schräg zur Referenzlinie V angeordnet.
Beispielsweise weist die Reihe einen Winkel zwischen 20 und 70 Grad
zu der Referenzlinie auf. Diese Referenzlinie V kann parallel zu
einer Symmetrielinie der Abdeckung sein, oder die Symmetrielinie
bzw. eine Führungslinie
sein. Die Sacklöcher
sind eingerichtet, sodass ein Stift hinein passt. Die Schwelle 10 weist,
wie der 12 entnommen werden kann, den
Rahmen 250 auf, der an Abdeckung 204 angepasst
ist. Die Abdeckung 204 und der Rahmen 250 weisen
die gleiche Referenzlinie V auf, wenn die Abdeckung 204 ordnungsgemäß auf dem Rahmen 250 angeordnet
ist. Der Rahmen 250 weist nahe einem Rand auf seiner Oberseite
eine Reihe auf die Referenzlinie V zulaufende zu den Sacklöchern 240 korrespondierende
Bohrungen 252 auf, die jeweils eine gleiche Entfernung
e1 zu der Referenzlinie V haben wie die Sacklöcher in der Abdeckung 204.
Das heißt
jeweils ein Sackloch 240 in der Abdeckung hat die gleiche
Entfernung zur Referenzlinie V wie eine Bohrung 252 in
dem Rahmen 250. Zudem sind die Reihen von Sacklöchern 240 in
der Abdeckung 204 ungefähr über der
Reihe von Bohrungen 252 angeordnet, wenn die Abdeckung
ordnungsgemäß auf dem
Rahmen 250 angeordnet wird. Der Abstand d1 von zwei benachbarten
Bohrungen 252 in dem Rahmen 250 ist unterschiedlich
zu dem Abstand d2 von zwei benachbarten Sacklöchern 240 in der Abdeckung 204.
Folglich ist ein Winkel zwischen der Reihe von Bohrungen in dem
Rahmen 250 zu der Referenzlinie V unterschiedlich zu dem
Winkel zwischen der Reihe von Sacklöchern 240 und der Referenzlinie,
falls die Bohrungen 252 in dem Rahmen 250 in einem
regelmäßigen Abstand
d2 zueinander angeordnet sind. Vor der Montage der Abdeckung 204 wird
in eine Bohrung der Reihe von zulaufenden Bohrungen 252 ein
Stift eingebracht. Bei einer Parallelverschiebung der Abdeckung 204 passt die
Position des sich in der Bohrung befindlichen Stiftes nur in ein
korrespondierendes Sackloch 240 der Abdeckung 204.
Dadurch kann bei erfolgter Einstellung eine Heißläuferortungsanlage 200 einfach
entnommen werden und ein Ersatzgerät schnell in der Schwelle 10 platziert
werden, die sofort in der richtigen Entfernung zu dem Gleis 14b angeordnet
ist. Dies reduziert ebenfalls die Arbeitszeit im Gleisbereich.
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In 13 ist
eine schematische Seitenansicht einer Festbremsortungsanlage 100 zu
sehen. Die Festbremsortungsanlage weist eine Abdeckung 102 auf,
die über
ein oder mehrere Abstandselemente 50 an einer Schwelle 10 ortsfest
relativ zu dieser befestigt ist. Die Abstandselemente 50 dienen
dazu, die Höhe
der Festbremsortungsanlage 100 dem Verscheiß der Schienen 14a, 14b anzupassen.
Die Abdeckung 104 weist eine Öffnung auf, die durch einen Verschluss 106 verschließbar ist.
Auf einer Innenseite des Verschlusses 106 ist ein Referenzheizelement angeordnet,
um eine Referenzmessung durchzuführen,
wenn gerade keine Messung einer Bremsanlage stattfindet. Dabei ist
zu beachten, dass die Detektorvorrichtung 1000 genau auf
die Referenzheizung abgestimmt und eingerichtet sein muss. Folglich
müssen
vor einem Einsatz der Festbremsortungsanlage eine Kennlinie von
den Infrarotdetektoren erstellt werden, im Verhältnis zu dem Referenzheizelement. Dabei
müssen
die Infrarotdetektoren 1012a, 1012b, 1012c, 1012d ein
fest zu dem Referenzheizelement angeordnet sein, die sich auch später beim
Einsatz der Festbremsortungsanlage sich nicht verändern.
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Ein
Innenkreisbogensegment 118 ist über Federelemente 132, 130 mit
der Abdeckung 104 verbunden. Ferner weist die Festbremsortungsanlage 100 ein
Außenkreisbogensegment 116 auf,
das dazu eingerichtet ist, auf dem Innenkreisbogensegment 118 zu
gleiten. Das heißt,
dass das der Radius des Innenkreisbogensegments 118 an
den Radius des Außenkreisbogensegments 116 angepasst
ist. An dem Außenkreisbogensegment 116 ist
wiederum die Detektorvorrichtung 1000 angeordnet. Durch
Fixierung einer Position des Außenkreisbogensegments relativ
zum Innenkreisbogensegment 118 kann somit ein Winkel α des Detektionsbereichs 108 eingestellt werden.
Die Detektorvorrichtung 1000, die das Innenkreisbogensegment 118,
das Außenkreisbogensegment 116,
die Federelemente 132, 130, der Verschluss 106 und
der Abdeckung 104 bilden eine Einheit, die gemeinsam aus
der Schwelle 10 entnommen werden kann. Folglich kann der
Winkel α des Detektionsbereichs 108 außerhalb
des Gleisbereichs eingestellt werden, so dass zeitaufwändige Einstellarbeiten
im Gleisbereich vermieden werden. Zudem sorgen die Federelemente 130, 132,
die beispielsweise Elastomerfedern sind, eine ausreichende Dämpfung gegenüber Erschütterungen,
die durch einen darüber
fahrenden Zug erzeugt werden. Die Abstandselemente 50 dienen
dazu, die Höhe
der Festbremsortungsanlage 100 der Höhe der Schiene anzupassen,
die sich im Laufe der Zeit abnutzt. Die Referenzheizung und die
Detektorvorrichtung sind somit in einer Einheit miteinander verbunden,
so dass sie gemeinsam ausgebaut und eingebaut werden können, ohne
dass sich die Geometrie der Detektorvorrichtung relativ zu der Referenzheizung
verändert. Folglich
kann die Festbremsortungsanlage außerhalb des Gleisbereiches
kalibriert und eingerichtet werden. Somit sind mit der Festbremsortungsanlage gemäß der Erfindung
nur kurze Arbeiten im Bereich des Gleises notwendig.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.