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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Radsensor mit zumindest einer
unterhalb einer Gehäuseoberfläche des Radsensors
angeordneten wechselstromgespeisten, auf eine induktive Wechselwirkung mit
vorbeirollenden Rädern von Schienenfahrzeugen empfindlichen
Sensorspule.
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Ein
solcher Radsensor in Form eines nach dem Prinzip des induktiven
Näherungsschalters arbeitenden Radsensors ist beispielsweise
aus der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung
EP 1 288 098 A1 bekannt.
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Generell
ist der Einsatz von Radsensoren der eingangs genannten Art im Bereich
der Eisenbahnüberwachungsanlagen weit verbreitet. Dies
betrifft einerseits beispielsweise nach dem Prinzip des induktiven
Näherungsschalters arbeitende Radsensoren. Darüber
hinaus sind beispielsweise auch induktiv wirkende Radsensoren mit
einer Sendespule und einer Sensorspule in Form einer Empfangsspule bekannt.
Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform
führt die Eisenmasse eines vorbei rollenden Rades beziehungsweise
einer vorbei rollenden Achse zu einer Änderung des elektromagnetischen Feldes
der Sensorspule, so dass eine Befahrung durch ein Rad anhand einer
hierdurch verursachten Änderung der Eigenschaften, wie
beispielsweise der Güte oder der Induktivität,
der Sensorspule nachweisbar ist. Anwendungsgebiete induktiv wirkender Radsensoren
sind beispielsweise Gleisfreimeldeanlagen oder sonstige Schalt-
und Meldeaufgaben, wie z. B. die Ein- und Ausschaltung von Bahnübergangssicherungsanlagen.
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In
der Praxis zeigt sich, dass im Gleisbereich neben der Beeinflussung
durch zu detektierende Räder beziehungsweise durch die
Spurkränze dieser Räder auch Störeinflüsse
auf die Sensorspule einwirken. Dabei können entsprechende
Störungen unter Umständen eine einem vorbei rollenden
Spurkranz ähnelnde Beeinflussung des Radsensors bewirken. Üblicherweise
wird nun beispielsweise durch die Wahl einer geeigneten Geometrie
der zumindest einen Sensorspule, die Wahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz
sowie die Einstellung einer geeigneten Ansprechempfindlichkeit erreicht,
dass Störeinflüsse kein unerwünschtes
Ansprechen des Radsensors hervorrufen. Hierdurch werden der Ansprechempfindlichkeit
des Radsensors jedoch Grenzen gesetzt, wodurch sich hinsichtlich
der Einsatzfähigkeit beziehungsweise des Anwendungsbereichs
entsprechender Radsensoren Einschränkungen ergeben beziehungsweise
ergeben können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Radsensor
der eingangs genannten Art anzugeben, der gegenüber Störeinflüssen
besonders unempfindlich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Radsensor mit zumindest einer unterhalb einer Gehäuseoberfläche
des Radsensors angeordneten wechselstromgespeisten, auf eine induktive
Wechselwirkung mit vorbeirollenden Rädern von Schienenfahrzeugen
empfindlichen Sensorspule, wobei zwischen der Sensorspule und der
Gehäuseoberfläche eine kapazitive Abschirmung
vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Störungen
von Radsensoren insbesondere auch durch Feuchtigkeit auf der Gehäuseoberfläche des
Radsensors bewirkt werden. Ursache hierfür ist, dass Radsensoren
aufgrund ihres Einsatzortes Witterungseinflüssen ausgesetzt
sind. Dabei kann die Feuch tigkeit auf der Gehäuseoberfläche
des Radsensors, etwa in Form einer entsprechenden Feuchtigkeitsschicht
beziehungsweise feuchten Schicht, beispielsweise durch Regenwasser,
Schnee, Eis, feuchte Schmutzablagerungen oder eine Mischung derselben
verursacht beziehungsweise gebildet werden.
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Um
eine ausreichende induktive Wechselwirkung mit dem Rad zu gewährleisten,
ist die Sensorspule eines induktiv, das heißt beispielsweise
nach dem Prinzip des induktiven Näherungsschalters, arbeitenden
Radsensors üblicherweise dicht unterhalb der Gehäuseoberfläche
des Radsensors angeordnet. So kann bei einer Anordnung, bei der
das Rad von unten erfasst wird, der Abstand zwischen dem oberen
Ende der Sensorspule und der Gehäuseoberfläche
beispielsweise lediglich wenige Millimeter betragen. Um eine möglichst
starke induktive Beeinflussung der Sensorspule durch ein vorbei
rollendes Rad zu bewirken, ist der Radsensor bei einer solchen Anordnung
in der Regel derart am der Schiene befestigt, dass die Achse der
Sensorspule im Wesentlichen senkrecht zur Gleisebene ausgerichtet
ist. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit
einer anderen Ausrichtung des Radsensors zur Schiene. So besteht
beispielsweise insbesondere bei Radsensoren mit Sende- und Empfangsspulen
die Möglichkeit einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung
der Spulenachse der Sensorspule quer oder längs zur Schiene.
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Im
Unterschied zu einem vorbei fahrenden Rad, das entsprechend den
vorstehenden Ausführungen eine Änderung des Magnetfelds
der Sensorspule, d. h. eine induktive Beeinflussung, zur Folge hat,
wirkt Feuchtigkeit auf der Gehäuseoberfläche des
Radsensors im Wesentlichen kapazitiv auf die Sensorspule des Radsensors
ein. Es hat sich gezeigt, dass in ungünstigen Fällen
durch den Einfluss von Feuchtigkeit die Ansprechschwelle des Radsensors
erreicht werden kann, wodurch eine unzeitige Detektion eines Rades
und in Folge dessen eine unerwünschte Reaktion der auswertenden
Einrichtung ausgelöst wird. Im Ergebnis kann dies beispielsweise dazu
führen, dass ein Gleisabschnitt fälschlicherweise
als besetzt gemeldet wird.
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Der
erfindungsgemäße Radsensor weist den Vorteil auf,
dass zwischen der Sensorspule und der Gehäuseoberfläche
eine kapazitive Abschirmung vorgesehen ist. Hierdurch werden kapazitive
Störeinflüsse, die entsprechend den vorstehenden
Ausführungen beispielsweise durch Feuchtigkeit auf der
Gehäuseoberfläche verursacht sein können,
vollständig oder zumindest weitgehend abgeschirmt. Vorzugsweise
ist die kapazitive Abschirmung dabei derart auszuführen,
dass das Auftreten elektrischer Wirbelströme in der kapazitiven
Abschirmung zumindest weitgehend verhindert wird. Dies ist wünschenswert, da
entsprechende Wirbelströme zu einer unerwünschten
induktiven Kopplung der kapazitiven Abschirmung mit der Sensorspule
und damit üblicherweise zu einer Abschwächung
des Magnetfeldes der Sensorspule führen würden.
Konkret sind bei der Ausführung der kapazitiven Abschirmung
somit vorzugsweise insbesondere Flächen und Leiterschleifen in
Form geschlossener Windungen zu vermeiden. Um eine wirksame, das
heißt insbesondere stabile und leistungsfähige,
Abschirmung gegenüber äußeren kapazitiven
Störeinflüssen zu erzielen, ist die kapazitive
Abschirmung vorzugsweise weiterhin elektrisch an die Funktionserde
des Radsensors beziehungsweise einer Sensorelektronik des Radsensors angebunden.
Alternativ hierzu kann die kapazitive Abschirmung auch mit einen
der Funktionserde gleichwertigen Punkt des Radsensors elektrisch
verbunden werden.
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Durch
die Eliminierung kapazitiver Störeinflüsse wird
der Störabstand des Radsensors vorteilhafterweise insbesondere
bezüglich auf der Gehäuseoberfläche auftretender
Feuchtigkeit verbessert. Ein entsprechend vergrößerter
Störabstand resul tiert vorteilhafterweise in einer höheren
Verfügbarkeit des Radsensors beziehungsweise ermöglicht
es, durch Vergrößerung der Ansprechempfindlichkeit
auch kleinere Spurkränze beziehungsweise Spurkränze
von Rädern mit ungünstigerem Radlauf zu detektieren.
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Vorzugsweise
ist der erfindungsgemäße Radsensor derart ausgestaltet,
dass die Sensorspule Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises
ist. Dies ist vorteilhaft, da insbesondere bei nach dem Prinzip
des induktiven Näherungsschalters wirkenden Radsensoren
die Sensorspule zwecks Erzielung einer hohen Empfindlichkeit üblicherweise
in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet ist. Die Eisenmasse
eines vorbei rollenden Rades beziehungsweise einer vorbei rollenden
Achse führt dabei zu einer Bedämpfung des Magnetfeldes
der Sensorspule, so dass eine Befahrung durch ein Rad und die damit verbundene
induktive Beeinflussung der Sensorspule anhand einer hierdurch verursachten Änderung der
Eigenschaften, wie beispielsweise der Schwingungsamplitude oder
der Güte, des elektrischen Schwingkreises nachweisbar ist.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Radsensors weist die kapazitive
Abschirmung eine sternförmige Struktur auf, deren Mittelpunkt
der Achse der Sensorspule entspricht. Hierbei handelt es um eine besonders
einfache und leistungsfähige Ausführung der kapazitiven
Abschirmung. So werden kapazitive Störeinflüsse
zuverlässig reduziert beziehungsweise abgeschirmt und gleichzeitig
elektrische Wirbelströme, die zu einer induktiven Beeinflussung
der Sensorspule führen könnten, vermieden. Selbstverständlich
ist es hierbei nicht erforderlich, dass der Mittelpunkt der sternförmigen
Struktur exakt der Achse der Sensorspule entspricht.
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Alternativ
kann der erfindungsgemäße Radsensor gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform derart ausgestaltet
sein, dass die kapazitive Abschirmung mehrere kreisförmige
offene Leiterschleifen aufweist, deren gemeinsamer Mittelpunkt der
Achse der Sensorspule entspricht. Auch diese Ausführungsform
ist hinsichtlich ihrer vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit
sowie der erzielten kapazitiven Abschirmung der Sensorspule von
der Gehäuseoberfläche vorteilhaft. Hierbei ist
es wiederum ausreichend, dass der gemeinsame Mittelpunkt der Leiterschleifen
im Wesentlichen der Achse der Sensorspule entspricht.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten alternativen Ausführungsform
kann der erfindungsgemäße Radsensor vorteilhafterweise
auch derart ausgestaltet sein, dass die kapazitive Abschirmung eine
kreisförmige offene Leiterschleife aufweist, deren Mittelpunkt
der Achse der Sensorspule entspricht, und in radialer Richtung mit
der Leiterschleife verbundene Leiterelemente vorgesehen sind. Auch
diese Ausführungsform, bei der die in radialer Richtung
mit der Leiterschleife verbundenen Leiterelemente Verästelungen ähneln,
so dass eine baumförmige Struktur entsteht, ist hinsichtlich
der erzielten kapazitiven Abschirmung besonders vorteilhaft. Dabei
gelten bezüglich der Lage des Mittelpunkts in Bezug auf
die Achse der Sensorspule die diesbezüglichen Ausführungen
im Zusammenhang mit den beiden zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Radsensors entsprechend.
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Grundsätzlich
ist es denkbar, dass die Sensorspule einen ferromagnetischen Kern
aufweist. Insbesondere um Störungen aufgrund von magnetischen
Sättigungseffekten zu vermeiden, ist es jedoch vorteilhaft,
wenn der erfindungsgemäße Radsensor derart ausgestaltet
ist, dass die Sensorspule eine Luftspule ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Hierzu zeigt
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1 in
einer schematischen Skizze einen Ausschnitt einer Seitenansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Radsensors,
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2 in
einer schematischen Skizze eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Radsensors, wobei die kapazitive
Abschirmung eine sternförmige Struktur aufweist,
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3 in
einer schematischen Skizze eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Radsensors, wobei die kapazitive Abschirmung
mehrere kreisförmige offene Leiterschleifen aufweist, und
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4 in
einer schematischen Skizze eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Radsensors, wobei die kapazitive Abschirmung
eine kreisförmige offene Leiterschleife aufweist und in
radialer Richtung mit der Leiterschleife verbundene Leiterelemente
vorgesehen sind.
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Aus
Gründen der Übersichtlichkeit werden in den Figuren
für gleiche beziehungsweise gleich wirkende Komponenten
jeweils identische Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
in einer schematischen Skizze einen Ausschnitt einer Seitenansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Radsensors. Es sei nachdrücklich darauf hin gewiesen, dass
es sich sowohl bei der Darstellung der 1 sowie
derjenigen der weiteren Figuren lediglich um schematische Skizzen
handelt, welche ausschließlich die zur Erläuterung
der Erfindung wesentlichen Komponenten zeigen. Dies bedeutet, dass
weitere, für die Funktion eines Radsensors erforderliche
und für sich bekannte Komponenten aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
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1 zeigt
eine Sensorspule 1 eines gemäß dem Prinzip
des induktiven Näherungsschalters arbeitenden Radsensors.
Dabei ist die Sensorspule 1 unterhalb einer Gehäuseoberfläche 2 des
Radsensors angeordnet. In der in 1 angedeuteten
Situation, in der der Radsensor an einer aus Gründen der Übersichtlichkeit
selbst nicht dargestellten Schiene montiert ist, dient die Sensorspule 1 zum
Detektieren des Spurkranzes eines Rades 20 eines Schienenfahrzeuges.
Hierzu ist der Radsensor derart am Gleis beziehungsweise an der
Schiene befestigt, dass bei Vorbeibewegung des Rades 20 beziehungsweise des
Spurkranzes des Rades 20 eine Bedämpfung des Magnetfeldes
der Sensorspule 1 erfolgt. Die Änderung des Magnetfelds
der Sensorspule 1 aufgrund des vorbei rollenden Rades 20 des
Schienenfahrzeuges wird mittels eines elektrischen Schwingkreises erfasst,
dessen Induktivität durch die Sensorspule 1 gebildet
wird. Durch zusätzliche Komponenten, etwa in Form einer
in dem Gehäuse des Radsensors am Gleis oder ganz oder teilweise
abseits des Gleises angeordneten Überwachungsschaltung,
wird es ermöglicht, basierend auf einer induktiven Beeinflussung
der Sensorspule 1 und damit verbunden der Änderung
zumindest einer Eigenschaft des elektrischen Schwingkreises eine
Befahrung des Radsensors durch das Rad 20 beziehungsweise
durch den Spurkranz des Rades 20 des Schienenfahrzeugs
zu erkennen und beispielsweise ein Signal für eine Gleisfreimeldeanlage
oder eine Bahnübergangssicherungsanlage zu erzeugen.
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Neben
der zuvor beschriebenen durch eine Befahrung verursachten induktiven
Wechselwirkung können in der Praxis auch Störeinflüsse
auftreten, die kapazitiv auf die Sensorspule 1 einwirken.
Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Feuchtigkeitsschicht 10 auf
der Gehäuseoberfläche 2 des Radsensors
handeln. Eine solche Feuchtigkeitsschicht 10 kann in ungünstigen
Fällen dazu führen, dass die Ansprechschwelle
des Radsensors erreicht wird, was letztendlich zu einer Fehlmeldung
und damit verbunden zu Störungen des Betriebsablaufs führt.
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Um
kapazitive Störeinflüsse zu minimieren beziehungsweise
auszuschließen, weist der Radsensor gemäß 1 eine
kapazitive Abschirmung 3 auf, die mit der Funktionserde
beziehungsweise Funktionsmasse 4 des Radsensors beziehungsweise
der Sensorelektronik des Radsensors verbunden ist. Hierdurch wird
vorteilhafterweise eine Abschirmung kapazitiver Störeinflüsse,
die von der Gehäuseoberfläche beziehungsweise
von oberhalb der Gehäuseoberfläche ausgehen, erreicht.
Entsprechend der gestrichelten Darstellung der kapazitiven Abschirmung 3 ist
die Abschirmung vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass
Flächen und Leiterschleifen mit geschlossenen Windungen
vermieden werden, die eine induktive Kopplung mit der Sensorspule 1 bewirken könnten.
Die kapazitive Abschirmung kann aus einem beliebigen leitfähigen
Material bestehen oder eine Beschichtung aus einem entsprechenden
Material aufweisen. Beispielhaft seien hier Kupfer, Aluminium oder
Eisen als mögliche Materialien genannt.
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2 zeigt
in einer schematischen Skizze eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Radsensors, wobei die kapazitive
Abschirmung 3 eine sternförmige Struktur aufweist.
Wie aus 2 erkennbar, entspricht der Mittelpunkt
der sternförmigen Struktur dabei im Wesentlichen der Achse
der Sensorspule 1. Diese Ausführungsform gewähr leistet
einerseits eine gute Abschirmung gegenüber kapazitiven
Störeinflüssen, wobei gleichzeitig induktive Störeinflüsse
durch die kapazitive Abschirmung 3 selbst, d. h. beispielsweise eine
Abschwächung des Magnetfeldes der Sensorspule 1 aufgrund
von induzierten elektrischen Wirbelströmen, vermieden werden.
Entsprechend der Darstellung in 2 ist die
kapazitive Abschirmung 3 wiederum an die Funktionserde 4 des
Radsensors beziehungsweise der Sensorelektronik des Radsensors elektrisch
angebunden.
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3 zeigt
in einer schematischen Skizze eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Radsensors, wobei die kapazitive
Abschirmung 3 mehrere kreisförmige offene Leiterschleifen
aufweist. Bei dieser Ausführungsform werden somit die Wicklungen
der Sensorspule 1 von mehreren kreisförmigen offenen
Leiterschleifen überspannt, deren gemeinsamer Mittelpunkt
im Wesentlichen der Achse der Sensorspule 1 entspricht.
Dabei sind die kreisförmigen offenen Leiterschleifen zur
Sicherstellung einer besonders zuverlässigen Abschirmung
wiederum mit der Funktionserde 4 des Radsensors beziehungsweise
der Sensorelektronik des Radsensors verbunden.
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4 zeigt
in einer schematischen Skizze eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Radsensors, wobei die kapazitive
Abschirmung 3 eine kreisförmige offene Leiterschleife
aufweist und in radialer Richtung mit der Leiterschleife verbundene
Leiterelemente vorgesehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Sensorspule 1 somit mittels einer kapazitiven
Abschirmung 3 von der Gehäuseoberfläche
abgeschirmt, die eine baumförmige Struktur aufweist. Dabei
wird die baumförmige Struktur durch eine kreisförmige
offene Leiterschleife gebildet, deren Mittelpunkt im Wesentlichen
der Achse der Sensorspule 1 entspricht. Zusätzlich sind
in radialer Richtung mit der Leiterschleife verbundene Leiterelemente
vorgesehen, die ähnlich Ästen von dem durch die
Leiterschleife gebildeten Stamm verzweigen. Auch bei dieser Ausführungsform
der kapazitiven Abschirmung 3 ist gewährleistet,
dass kapazitive Störeinflüsse weitgehend abgeschwächt
beziehungsweise vollständig eliminiert werden, während
gleichzeitig eine Beeinflussung des Magnetfeldes der Sensorspule 1 zumindest
weitgehend vermieden wird. Hierzu ist die kapazitive Abschirmung 3 wiederum
mit der Funktionserde 4 verbunden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung selbstverständlich
auch von den zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
abweichende Realisierungen der kapazitiven Abschirmung 3 möglich
sind.
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Des
Weiteren ist zu beachten, dass der erfindungsgemäße
Radsensor auch mehrere Sensorspulen 1 aufweisen kann. Hierbei
kann es sich einerseits beispielsweise um zwei Sensorspulen handeln,
die zur Störfeldunterdrückung in einer Gegenschaltung miteinander
verbunden sind. In diesem Fall kann vorteilhafterweise zwischen
jeder der beiden Sensorspulen und der Gehäuseoberfläche
eine kapazitive Abschirmung vorgesehen sein. Alternativ hierzu ist es
auch denkbar, dass neben der Sensorspule eine weitere Spule vorgesehen
ist, die mit der Sensorspule wiederum in einer Gegenschaltung verbunden
ist, wobei die weitere Spule im Wesentlichen nur als Kompensationsspule
dient. In diesem Fall kann die weitere Spule beispielsweise im Vergleich
zur Sensorspule in einer größeren Entfernung zur
Gehäuseoberfläche angeordnet sein, in welchem
Fall eine kapazitive Abschirmung der weiteren Spule unter Umständen
nicht erforderlich ist.
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Darüber
hinaus sei ferner angemerkt, dass der erfindungsgemäße
Radsensor zwecks Bestimmung der Fahrtrichtung eines sich vorbeibewegenden
Schienenfahrzeugs auch in Form eines so genannten Doppelradsensors
ausgebildet sein kann, der zumindest zwei im Wesentlichen voneinander
unabhängige Sensorspulen aufweist. Bei einer solchen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Radsensors weist vorteilhafterweise
jede der Sensorspulen eine kapazitive Abschirmung zur Gehäuseoberfläche hin
auf.
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Entsprechend
den vorstehenden Ausführungen weist der erfindungsgemäße
Radsensor zwischen der Sensorspule 1 und der Gehäuseoberfläche 2 vorteilhafterweise
eine kapazitive Abschirmung 3 auf. Hierdurch werden kapazitive
Störeinflüsse zumindest weitgehend eliminiert
beziehungsweise unterdrückt und somit der Störabstand
des Radsensors insbesondere hinsichtlich auf der Gehäuseoberfläche 2 des
Radsensors abgelagerter Feuchtigkeit 10 vergrößert.
Dadurch, dass der erfindungsgemäße Radsensor somit
gegenüber Störeinflüssen besonders unempfindlich
ist, ergibt sich eine höhere Verfügbarkeit des
Radsensors und/oder die Möglichkeit, durch Vergrößerung
der Ansprechempfindlichkeit des Radsensors auch kleinere Spurkränze
beziehungsweise Spurkränze von Rädern mit ungünstigerem
Radlauf zu detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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