-
Schaltungsanordnung zur magnetischen Signalgebung, insbesondere für
Eisenbahnen Zur Signalübertragung zwischen beweglichen Objekten und festen Punkten
werden vielfach, im besonderen im Eisenbahn- und Grubensignalwesen, magnetische
Felder verwendet. Als Beispiel hierfür seien genannt: Im Eisenbahnsignalwesen Einrichtungen
zur magnetischen Achszählung, zur magnetischen Zugbeeinflussung und zur magnetischen
Zugschlußmeldung, im Grubensignalwesen Anlagen für die Standortmeldung, für die
selbsttätige Steuerung und für die Bündigkeitsanzeige von Förderkörben. Es ist z.
B. bekannt, bei derartigen Einrichtungen eine mit Wechselstrom gespeiste Spule,
die einen Eisenkern enthält, in dem der Signalgebung dienenden Feld anzuordnen,
so daß sich in Abhängigkeit von diesem Feld die Permeabilität des Spulenkernes und
damit auch der induktive Widerstand der Spule ändert. Schaltet man nun die Spule
mit einer Wechselstromquelle und einem Signalempfänger, z. B. einem Relais, in Reihe,
so wird der Strom im Relais durch die Induktivität der Spule und damit auch durch
das signalgebende magnetische Feld bestimmt. Steigt z. B. im Spulenkern die von
diesem Feld herrührende Induktion, so sinkt die Permeabilität des Kernes und damit
auch der induktive Widerstand der Spule. Der in dem Stromkreis fließende Strom steigt
an und bringt den Relaisanker zum Anziehen. Dieselbe Wirkung kann
fälschlich
auch hervorgerufen werden, wenn infolge einer Aderberührung in der zur Spule führenden
Leitung die Spule kurzgeschlossen wird. Wollte man, um diesen Nachteil zu vermeiden,
die Anordnung so treffen, daß die Induktion im Spulenkern vermindert, mithin Permeabilität
und induktiver Widerstand der Spule erhöht und somit der Relaisstrom verkleinert
und der Relaisanker zum Abfallen gebracht wird, so kann diese Wirkung wiederum durch
eine Aderunterbrechung in der Leitung zur Spule vorgetäuscht werden. Der Strom im
Signalempfänger hängt bei diesen Einrichtungen außerdem nur-von der absoluten Größe
des signalgebenden Feldas, nicht aber vors seiner Richtung ab. Die Einrichtungen
sind daher nur in solchen Fällen anwendbar, in denen die Richtung des signalgebenden
Feldes nicht im Signalempfänger angezeigt zu werden braucht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Lücken zu schließen und eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, bei welcher der Signalempfänger nicht durch eine Leitungsstörung zum
Ansprechen gebracht und im Signalempfänger die Richtung des-signalgebenden Feldes
erkennbar gemacht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im
Schaltungszusammenhang mit der Spule, auf deren Eisenkern das signalgebende magnetische
Feld einwirkt, ein Widerstand mit gekrümmter Stromspannungscharakteristik angeordnet
wird, dessen Widerstandsbetrag unabhängig von der Stromrichtung, aber veränderlich
in Abhängigkeit von der absoluten Größe des Stromes ist.
-
Die Wirkungsweise von Anwendungsbeispielen erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen
ist im folgenden an Hand der Fig. i bis 5 näher erläutert.
-
Fig. i zeigt eine Einrichtung zur Einwirkung eines Zuges auf eine
Streckeneinrichtung. Derartige Einrichtungen benutzt man z. B. zur Achszählung,
zur Fahrstraßenauflösung, zur Einschaltung von Signalen an Bahnübergängen usw. Mit
i ist in Fig. i die Fahrschiene, von der Gleismitte aus gesehen, bezeichnet. Unterhalb
der Schienenoberkante und neben der Schiene sind die permanenten Magnete 2, 3 und
q. angeordnet. Die Lage ihrer Pole ist durch die Buchstaben Ar und S in Fig. i angedeutet.
An die außenliegenden Magnete schließen sich die Weicheisenstücke 5 und 6 an> zwischen
denen sich der Eisenkern 9 mit der Spule io befindet. Zwischen den Weicheisenstücken
5 und 6 einerseits und dem innenliegenden Magnet 3 andererseits sind Luftspalte
7 und 8 vorhanden. Die. Größe dieser Luftspalte und die magnetomotorische Kraft
der Magnete 2, 3 und q. ist z. B. so gewählt, daß die Weicheisenstücke 5 und 6 gleiches
magnetisches Potential haben, wenn sich kein Fahrzeugrad in der Nähe der Einrichtung
befindet. Es gelangt dann auch kein Induktionsfluß von den Magneten 2- bis 4. in
den Spulenkern 9. Rollt nun ein Rad vorüber, dessen Spurkranz durch die gestrichelte
Linie i i angedeutet ist, so nimmt die magnetische Leitfähigkeit zwischen dem Nordpol
des Magnets 2 und dem Südpol des Magnets ¢ zu. Außerdem nimmt der Spurkranz auch
einen Teil des vom Magnet 3 ausgehenden Kraftflusses auf. Dies bewirkt, daß die
Weicheisenstücke 5 und 6 verschiedenes magnetisches Potential erhalten und der Spulenkern
9 von einem magnetischen Gleichfluß durchsetzt wird, solange der Spurkranz i i sich
über der Einrichtung befindet. Soweit stellt die beschriebene Einrichtung eine an
sich bekannte magnetische Kompensationsanordnung dar, die nicht Gegenstand der Erfindung
ist.
-
Mit Hilfe der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung soll nun durch
den magnetischen Gleichfluß, der wie oben beschrieben im Spulenkern 9 entsteht,
der im Stellwerk befindliche Signalempfänger, z. B. das Relais 18, zum Ansprechen
gebracht werden. Zu diesem Zweck ist das Relais mit der Spannungsquelle 1q., dem
Widerstand 15 mit gekrümmter Stromspannungscharakteristik und der Spule io über
die Leitungsadern 12 und 13 in Reihe geschaltet.
-
Ein Beispiel für die Stromspannungscharakteristik des Widerstandes
15 zeigt die Kurve 2o in Fig. 2. Man erkennt, daß bei kleiner Spannung der Strom
i zunächst nur wenig mit der Spannung zunimmt, dann aber bei größeren Spannungen
in immer stärkerem Maße ansteigt. Die Kurve verläuft bei positiven und negativen
Strömen symmetrisch zur Nullinie. Der Widerstandsbetrag des Widerstandes 15 ist
also von der Stromrichtung völlig unabhängig,- jedoch veränderlich in Abhängigkeit
von der absoluten Größe des Stromes. Ein derartiger Widerstand kann durch einen
sogenannten Varistor verwirklicht werden, also z. B. durch einen Körper, der aus
Si C-Kristallen mit einem Bindemittel ges.iIntert ist. Fernerhin kann die in Fig.2
gezeigte Stromsgannungscharakteristik auch durch eine Kombination mehrerer Gleichrichterzellen
verwirklicht werden, z. B. durch die in Fig. i dargestellte Antireihenschaltung
16 oder die Antiparallelschaltung 17 von zwei Gleichrichterzellen. Diese Schaltungskombinationen
aus Gleichrichterzellen können ebenfalls an Stelle eines Varistors als Widerstand
15 in die Schaltung eingefügt werden= Es ist übrigens für die Wirkungsweise der
erfindungsgemäßen Anordnung nicht notwendig, daß der Widerstandsbetrag des Widerstandes
15 mit wachsender Spannung kleiner wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Eine
ähnliche Wirkung kann man auch mit einem Widerstand erzielen, in dem der Strom bei
kleiner Spannung zunächst stark, bei größeren Spannungen in geringerem Maße mit
der Spannung ansteigt. Es kommt nur darauf an, daß die Stromspannungscharakteristik
des verwendeten Widerstandes gekrümmt und nicht geradlinig ist. Da- aber spannungsabhängige
Widerstände mit der in Fig.2 gezeigten Stromspannungscharakteristik leichter zu
verwirklichen sind als der entgegengesetzte Verlauf, soll die Wirkungsweise der
Einrichtung auch unter Voraussetzung dieser Charakteristik erläutert werden.
-
Zur näheren Erklärung der Wirkungsweise sei zunächst angenommen, daß
der Widerstand 15 in Fig. i kurzgeschlossen ist und daß die Induktion
im
Eisenkern 9 nur von der Stromerregung der Spule io, nicht aber von den permanenten
Magneten 2 bis q. herrührt. Es ist also mithin angenommen, daß sich kein Rad über
den Magneten 2 bis q. befindet. Dann hat der in der Spule-fließende Wechselstrom
eine annähernd sinusförrhige Kurvenform, welche durch die Linie 21 in Fig. 3 wiedergegeben
ist.. Gelangt nun der Spurkranz i i über die Magnete 2 bis q., so daß im Spulenkern
9 zusätzlich ein magnetischer Gleichfluß auftritt, so nimmt der Strom in der Spule
io einen zeitlichen Verlauf an, der durch die Kurve 22- in Fig. 3 angedeutet ist.
Der Strom hat hierbei einen sehr großen, z. B. positiven Betrag, wenn die magnetisierende
Wirkung des Gleichfeldes und des von der Spula io erzeugten Wechselfeldes im Eisenkern
in gleicher Richtung wirken und ihn sättigen. Der negative Höchstwert des Stromes
bleibt dann gering, da Gleichfeld und Wechselfeld in der negativen. Halbperiode
einander entgegenwirken. Der Strom 22 ist noch ein reiner Wechselstrom, enthält
also keinen Gleichstromanteil. Ein Gleichstromanteil entsteht erst, wenn erfindungsgemäß
ein Widerstand mit gekrümmter Stromspannungscharaktefistik in den Stromkreis geschaltet
wird.
-
Aus der Charakteristik nach Fig. 2 geht hervor, daß der Widerstandsbetrag
des Widerstandes 15 bei einem kleinen Augenblickswert des Stromes groß ist, bei
einem großen Augenblickswert des Stromes jedoch klein, d. h., es werden die großen
Augenblickswerte des Stromes i durch die Einschaltung des Widerstandes 15 in den
Stromkreis kaum verkleinert, die kleinen Augenblickswerte jedoch reltativ erheblich
verringert, so daß ein zeitlicher Verlauf des Stromes ähnlich der Kurve 23 entsteht.
Diese Kurvenform enthält nun einen Gleichstromanteil, der zum Ansprechen des Signalempfängers
i$ benutzt wird. Es ist hierzu zweckmäßig, den Empfänger so auszubilden, daß er
auf einen Gleichstrom, nicht aber auf Wechselstrom der von der Spannungsquelle gelieferten
Frequenz anspricht. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß ein. Relais mit
einer Kurzschlußwicklung oder einem Kupferring auf dem Spulenkern verwendet wird.
In vielen Fällen sind Relais schon an sich auf Wechselstrom wesentlich unempfindlicher
als auf Gleichstrom, so daß besondere Maßnahmen sich erübrigen. Wesentlich verbessert
wird der Unterschied in der Empfindlichkeit für Gleich- und Wechselstrom, wenn,
wie in Fig. i angedeutet, der Relaiswicklung 18 ein Kondensator i9 parallel geschaltet
wird.
-
Bei der Beschreibung von Fig. i wurde angenommen, daß bei der Einwirkung
des Spurkranzes i i der steuernde Gleichfluß im Eisenkern 9 von Null auf einen bestimmten
Betrag anwächst, so daß der Gleichstromanteil im Relais 18, der, zuerst Null war,
bei der Beeinflussung des Gleisgerätes auftritt und den Relaisanker zum Anziehen
bringt. Diese Wirkung kann durch eine Berührung der Adern 12 und 13 nicht vorgetäuscht
werden. Die Aderberührung würde zwar den im Relais 18 fließenden Wechselstrom erhöhen,
könnte aber den Anker nicht zum Anziehen bringen. Auf diese Weise ist z. B. die
vorzeitige Auflösung einer Fahrstraße durch Aderberührung mit Sicherheit vermieden.
-
Soll der Stromkreis auch auf Aderunterbrechung ständig geprüft werden,
so kann dies durch ein auf Wechselstrom empfindliches Relais 50, z. B. ein Relais
mit vorgeschaltetem Graetzgleichrichter, geschehen; das in Reihe mit dem Relais
18 geschaltet ist und bei einer Unterbrechung des Stromkreises abfällt.
-
Eine besonders günstige Wirkung der Einrichtung wird erzielt, wenn
die Spannung der Stromquelle 1q., die Windungszahl der Spule io und der Querschnitt
ihres Kernes 9 so bemessen sind, daß bei Abwesenheit des Rades, also dann, wenn
das von den permanenten Magneten 2 bis ¢ im Spulenkern erzeugte Feld Null ist, die
im Kern 9 auftretende und von der Wicklung io erzeugte maximale Induktion gerade
gleich der Sättigungsinduktion des im Spulenkern 9 verwendeten Werkstoffes ist.
Ferner ist es günstig, hierfür einen Werkstoff mit ausgeprägter magnetischer Sättigungscharakteristig
zu verwenden. Derartige Werkstoffe s nd z. B. Siliciumeisen mit Vorzugsrichtung
oder-auch Eisen-Nickel-Legierungen, insbesondere solche, die zu etwagleichen Teilen
aus Eigen und Nickel bestehen und ebenfalls eine magnetische Vorzugsrichtung halben
können.
-
Die Frequenz der Stromquelle 14 wird zweckmäßigerweise so gewählt,
daß die Zeitdauer einer Periode klein ist gegen die Einwirkungsdauer des Rades auf
das Gleisgerät. Die Wahl einer möglichst hohen Frequenz erleichert es auch, die
Wirkung von Gleich- und Wechselstrom auf den Signalempfänger zu trennen.
-
Fig. q. zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei welcher die
Eigenschaft, daß im Signalempfänger die Richtung des signalgebenden Feldes erkennbar
ist, von besonderem Vorteil ist. Es handelt sich um eine Einrichtung zur Bündigkeitsanzeige
von Förderkörben.
-
In Schachtanlagen kommt es darauf an, den Förderkorb in einer Stellung
anzuhalten, die seine unbehInderbe Be- --und/oder Entladung ermöglicht. Zu diesem
Zweck isst es üblich, .am Föuiderseil Markierungen anzubringen, die der Maschinist
mit einem feststehenden Zeiger in Übereinstimmung zu bringen sucht. Dieses Verfahren
arbeitet nur dann einwandfrei, wenn die Seillänge zwischen Förderkorb und Maschinenhaus
sich nicht verändert, was jedoch infolge von Temperatur- und Belastungsschwankungen
nicht immer zutrifft. Es besteht daher ein Bedürfnis, dem Maschinisten die Stellung
des Korbes unmittelbar anzuzeigen.
-
Zu diesem Zweck wird an der Seitenwand 24 des Korbes der permanente
Magnet 25 angebracht, dessen Achse N-S horizontal steht. An der Schachtwand befinden
sich die Polschuhe 26 und 27 in der Bewegungsrichtung des Korbes übereinander. Zwischen
den Polschuhen ist der Eisenkern 28 mit der Wicklung 30 angeordnet. Die Kurve
31 zeigt den Verlauf des vom Magnet 25 ausgehenden
magnetischen
Induktionsflusses im Kern 28 bei der Vorüberfahrt des Förderkorbes. Es ist ersichtlich,
daß der Fluß den Wert Null hat, wenn der Magnet 25 zu den Polschuhen 26 und 27 symmetrisch
steht. Dieser Wert Null kennzeichnet die bündige Stellung des Korbes. Weicht der
Korb nach oben oder unten von der Bündigkeitsstellung ab, so nimmt der Fluß im Kern
28 einen positiven oder negativen Wert an, der mit der Abweichung des Korbes von
der bündigen Stellung zunimmt. Die Anordnung hat den besonderen Vorteil, daß die
Stellung, in welcher der Fluß durch Null geht, von Seitenschwankungen des Korbes
unabhängig ist, so daß die Bündigkeit unabhängig von diesen Schwankungen immer richtig
angezeigt wird. Die beschriebene Magnetanordnung ist bereits an anderer Stelle vorgeschlagen
worden und bildet nicht den Gegenstand der Erfindung.
-
Es kommt nun darauf an, die Größe und Richtung des Fluäses im Eisenkern
28 in dem vom Sehacht entfernt gelegenen Maschinenhaus durch einen Signalempfänger
anzuzeigen. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß die Wicklung 30 über die
Leitungsadern 32 und 33 mit der Stromquelle 35 und dem Widerstand 34 mit gekrümmter
Stromspannungscharakteristik sowie dem Signalempfänger 37 in Reihe geschaltet. Der
Signalempfänger ist in diesem Fall ein polarisiertes Relais, dessen Anker eine stabile
Mittelstellung hat. Befindet sich der Korb in der bündigen Stellung oder ist er
sehr weit von dein aus den Polschuhen 26. und 27 und dem Eisenkern 28 bestehenden
Geber entfernt, sc fließt in dem beschriebenen Stromkreis ein reiner Wechselstrom,
der durch den Parallelkondensator 36 vom Signalempfänger ferngehalten wird, so daß
dessen Anker die Mittelstellung einnimmt. Steht der permanente Magnet,25 einem der
Polschuhe 26 oder 27 gegenüber, so wird, wie schon an Hand des Beispieles nach Fig.
i beschrieben, die eine Halbwelle des in der Spule 30 fließenden Wechselstroms stark
vergrößert, und zwar entweder die positive Halbwelle, wenn sich der Korb z. B. oberhalb
der Bündigkeitsste:llung, oder die negative Halbwelle, wenn sich der Korb unterhalb
der Bündigkeitsstellung befindet. Durch die Einfügung des Widerstandes 34 mit gekrümmter
Stromspannungscharakteristik in den Stromkreis werden nun die großen Augenblickswerte
des Wechselstromes nur relativ wenig, die kleinen Augenblickswerte- aber relativ
stark vermindert, so daß in dem Stromkreis ein Gleichstromanteil entsteht, dessen
Richtung positiv oder negativ ist, je nachdem, ob sich der Korb oberhalb oder unterhalb
der Bündigkeitsstellung befindet. Auf diesen Gleichstrom spricht das polarisierte
Relais 37 an. Es legt seinen Anker auf den Kontakt 38 oder 39 und bringt damit die
Lampe 40 oder 41 zum Leuchten, je nachdem, ob der Korb zu hoch oder zu tief steht.
-
Den Betriebsverhältnissen der Schachtanlage entsprechend sollen die
Lampen 40 und 41 in einem größeren oder kleineren Bereich oberhalb und unterhalb
der bündigen Stellung nicht leuchten, damit der Maschinist die Stellung des Korbes
nur dann korrigiert, wenn sie in unerwünscht starkem Maße von der Bündigkeit abweicht.
Dieser Bereich kann durch den einstellbaren Widerstand 43, der zur Relaiswicklung
37 parallel geschaltet ist, leicht auf einen gewünschten Wert eingeregelt werden,
ohne daß es notwendig ist, den an der Schachtwand befestigten Geber oder den permanenten
Magnet amFörderkorb in seiner Einstellung zu verändern.
-
In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, mit dem polarisierten
Relais 37 noch einen Drehspulstrommesser 42 in Reihe zu schalten oder auch diesen
Drehspulstrommesser allein als Signalempfänger zu benutzen. Der Strommesser ist
so eingerichtet, daß sein Zeiger bei stromloser Drehspule auf die Mitte der Skala
zeigt und somit bei seinem Ausschlag die Stromrichtung erkennen läßt. Der Maschinist
erkennt am Zeigerausschlag nicht nur, ob der Förderkorb oberhalb oder unterhalb
der bündigen Stellung steht, sondern er kann auch aus der Größe des Zeigerausschlages
darauf schließen, wie weit er die Stellung des Korbes verändern muß, um die bündige
Stellung zu erreichen. Mit dem Parallelwiderstand 44, der ebenfalls einstellbar
ist, kann die Empfindlichkeit des Strommessers auf einen gewünschten Wert eingeregelt
werden.
-
Als Stromquelle genügt bei Anlagen zur Bündigkeitsanzeige in der Regel
das allgemeine Versorgungsnetz mit Frequenz 5o Hz, da die Bewegung des Korbes stets
nur verhältnismäßig langsam vor sich geht. Es ist auch möglich, mehrere Geber in
Parallelschaltung auf denselben Signalempfänger wirken zu lassen. Da jeweils nur
der beeinflußte Geber einen Gleichstromanteil im Signalempfänger erzeugt, ist die
Parallelschaltung weiterer unbeeinflußter Geber zu dem beeinflußten Geber ohne Wirkung
auf den Signalempfänger. Dies ist in Schaltanlagen von Bedeutung, wo in der Regel
zwei Förderkörbe vorhanden sind, von denen jeweils nur einer an der Hängebank oder
der fördernden Sohle sein kann. Die Geber für die beiden Förderkörbe können dann
in der bezeichneten Weise an den zur Hängebank oder zur Sohle gehörigen Signalempfänger
angeschlossen werden.
-
Bei den bisher beschriebenen Einrichtungen sind die Stromkreise so
dimensioniert, daß die Spannung an den Geberspulen io bzw. 30 im wesentlichen
durch die Spannung der Stromquelle diktiert wird. Durch den Widerstand mit gekrümmter
Stromspannungscharakteristik wird der im Kreis fließende Strom verzerrt, wobei ein
Gleichstromanteil entsteht. Statt dessen kann auch der Strom erzwungen werden, welcher
der Einrichtung zugeführt wird, wobei dann durch das signalgebende Feld und durch
den Widerstand mit gekrümmter Stromspannungscharakteristik die Spannung verzerrt
wird und hierbei ein Gleichspannungsanteil entsteht. Ein Schaltbeispiel hierfür
zeigt die Fig. 5. Der Signalempfänger 47, der Widerstand mit gekrümmter Stromspannungscharakteristik
46 und die Spule 47, auf deren Eisenkern das signalgebende Feld einwirkt, sind hierbei
parallel geschaltet. Der Strom, der dieser
Parallelschaltung zufließt,
wird durch den Vorwiderstand 48 erzwungen. Dieser Vorwiderstand kann rein ohmisch,
induktiv oder kapaz.i.tiv sein.