Zwei Beschleunigungssensoren für das Erfassen des "Kippens" einer Welle. Geht das?

[DigiLot_1]

Hallo zusammen.

Bei dem Eisenbahnsystem liegen die Schienen nicht immer parallel.
Es gibt gewollte und ungewollte Abweichungen in der Höhenlage, die dazu führen, dass die Schienen auf kurzer Distanz (2-10m) windschief sind (z. b. Einseitige Rampe)

Es geht darum das Maß dieser Windschiefheit (Verwindung) zu erfassen.

Die Idee:
An den Radlagern der Radwelle (Schienenfahrzeug) werden jeweils zwei 3-Achs Beschleunigungssensoren befestigt.
Schienenfahrzeug wird danach auf die Fahrt geschickt.

Sind die Schienen paralel, so liefern beide Sensoren stets das gleiche Signal.
Beim Befahren der windschiefen Bereiche kippt die Welle entlang der Gleislängsachse. D. h. ein Rad wird nach oben bewegt und das andere nach unten. Die Sensoren müssen in diesem Bereich unterschiedliche Signale liefern.
Die Größe der Differenz wäre das, was ich suche.

Leider kann ich überhaupt nicht abschätzen ob es mit der heutigen Technik geht.
Die Bandbreite der Signaldifferenzen hab ich grob überschlagen. Sie umfasst mehrere Größenordnungen (von 0,005m/s^2 bis 0,8m/s^2)
Wäre Super, wenn mir jemand eine Sensor-Empfehlung geben könnte.


Gruß

DigiLot

[oberallgeier]

... Bei dem Eisenbahnsystem liegen die Schienen nicht immer parallel ... Es gibt gewollte und ungewollte Abweichungen in der Höhenlage, die dazu führen, dass die Schienen auf kurzer Distanz (2-10m) windschief sind (z. b. Einseitige Rampe)
Es geht darum das Maß dieser Windschiefheit (Verwindung) zu erfassen ...

Parallelität, Höhenunterschiede und Windschiefe sind unterschiedliche Sachverhalte. Dir gehts aber offenbar NUR um die Höhenabweichungen (auch wenn Du das Windschiefheit bzw. Verwindung nennst). Dazu gibts einen tollen Sensor, tragbar, netzunabhängig, analoge, drahtlose Anzeige. Nennt sich : kleine Wasserwaage. Gibts in vielen Schubladen, weil die mal Renner bei Werbegeschenken waren. Meine Dingelchen sind 15 mm x 15 mm x 40 mm, die Libelle drin ist rund 35 mm lang. Zeigt deutliche Abweichungen bereits bei ca. 0,1 mm .. 0,2 mm auf 40 mm.

[Kabelkasper]

Ich glaube, DigiLot_1 will die Höhendiffernzen der beiden Schienen des Gleises quer zur Fahrtrichtung auf einer nicht notwendigerweise horizontalen Geraden ermitteln, das hätte schon was von Windschiefe
Die 35mm lange Wasserwaagenlibelle müßte dann quer im Zug eingebaut (optisch?) ausgewertet werden.

KK

[Unregistriert]

Parallelität, Höhenunterschiede und Windschiefe sind unterschiedliche Sachverhalte. Dir gehts aber offenbar NUR um die Höhenabweichungen (auch wenn Du das Windschiefheit bzw. Verwindung nennst). Dazu gibts einen tollen Sensor, tragbar, netzunabhängig, analoge, drahtlose Anzeige. Nennt sich : kleine Wasserwaage. Gibts in vielen Schubladen, weil die mal Renner bei Werbegeschenken waren. Meine Dingelchen sind 15 mm x 15 mm x 40 mm, die Libelle drin ist rund 35 mm lang. Zeigt deutliche Abweichungen bereits bei ca. 0,1 mm .. 0,2 mm auf 40 mm.

Danke für diene Rückmeldung.
Es wäre schön, wenn es so einfach wäre.

Ich habe genau das beschrieben, was ich auch meine.
Es geht nicht um die Querneigung (dafür wäre die Wasserwage das richtige Werkzeug), sondern um die Änderung der Querneigung. Und diese Größe kann man nur ableiten und nicht direkt messen.

Stell dir vor, zwei Schienen sind parllel und liegen in einer waagerechten Ebene. 10 Meter weiter liegt eine Schiene 10mm höher als die andere. Sie sind immer noch parallel, liegen aber in einer schiefen Ebene. In dem Bereich dazwischen findet die Anrampung statt. Die Schienen sind nich parallel, also windschif. Fachchinese nennt diesen Bereich Verwindung.

Wenn du ein Lineal an den Enden verdrehst, sind die langen Seiten nicht mehr
Verdrehst du ein langes und ein kurzes Lineal um den gleichen Winkel, so hat das kurze Lineal das größere Verwindungsmaß.

Hast du ein Tip für die Beschleunigungssensoren?

Gruß

DigiLot

[Geistesblitz]

Idee für eine Vereinfachung des Prinzips: Rotationssensor einbauen und die Schrägstellung (bzw. die Veränderung dieser) messen. Dann brauchst nur einen Sensor und ich glaube, dass so ein Sensor tatsächlich die Drehrate misst und keine Beschleunigung, womit eine Differentiation wegfallen würde. Kann die Messung, da ja nur die Änderung der Schrägung gemessen werden soll, auch relativ zum Waggon erfolgen oder muss es relativ zur Umgebung sein? Dann würde sowas vielleicht auch mittels Winkelsensoren oder zwei Wegsensoren gehen. Klappt natürlich nicht, wenn die schrägen Strecken im Vergleich zum Zug eher lang sind.

[i_make_it]

Die Bahn nimmt dafür Messwagen.
Einfach die Verdrehung der ersten Achse relativ zur zweiten Achse messen und dabei die gefahrene Wegstrecke aufnehmen.
als Sensor gingen ein Drehko als Teil eines Schwingkreises und die Messung der Verstimmung.

[Mxt]

Hallo,

ich denke auch, dass man da eine andere Lösung finden sollte, als Beschleunigungssensoren.

Aber wenn es darum geht einmal zu sehen, was mit Beschleunigungssensoren geht, gibt es da einfache Demoboards in Scheckkartegröße ab ca. 30 Euro. Wenn elementare Programmierkenntnisse vorhanden sind, kann man damit recht einfach die Messdaten per USB oder Ethernet an einen PC senden.

Hier zwei Beispiele
http://developer.mbed.org/platforms/FRDM-K20D50M/
http://developer.mbed.org/platforms/FRDM-K64F/

So sieht die Programmierung aus
https://www.youtube.com/watch?v=Qw5pc7NwiYA

[ranke]

Die Bandbreite der Signaldifferenzen hab ich grob überschlagen. Sie umfasst mehrere Größenordnungen (von 0,005m/s^2 bis 0,8m/s^2)
Wäre Super, wenn mir jemand eine Sensor-Empfehlung geben könnte.

Neben dem Nutzsignal erwarten wir folgende Störsignale, die wir unvermeidlich mitmessen:
1. Die Erdbeschleunigung von 9,81 m/s^2 konstant in Betrag und Richtung
2. Stöße resultierend aus Unebenheiten, Flachstellen etc., statistisch in Betrag und Richtung, Größenordnung vermutlich mehrere g, aber im Mittel über eine längere Meßdauer Null.

Die Idee wäre nun das Nutzsignal zu finden, indem man die Differenz aus rechtem und linken Sensor bildet und anschließend noch das hochfrequentere Rauschen aus den Stößen wegfiltert. Das Problem liegt jetzt in der Differenzbildung - mathematisch geht das wunderbar, aber in der Praxis ist jeder Meßwert mit einer Unsicherheit behaftet und wenn man die Differenz aus zwei ähnlich hohen (aber nicht genau bekannten) Zahlen bildet kann eben alles herauskommen. Konsequenterweise muss man also die Störgrößen mit einer Genauigkeit messen, die wesentlich höher ist als das erwartete Nutzsignal und daran wird es scheitern.

Vermutlich aussichtsreicher wäre es, die Richtung der Erdbeschleunigung auszuwerten (also die Verkippung der Laufachse in Bezug auf die Gravitation). Allerdings ist dieser Winkel relativ klein (das könntest Du mal aus Spurweite und erwarteter Überhöhung abschätzen). Allerdings muss man auch bei dieser Methode mit den starken Störsignalen fertig werden. Allerdings muss man hier nicht lückenlos integrieren, man kann Signale bei denen der Sensor übersteuert wurde von der Auswertung ausschließen weil man nicht die Verkippungsbeschleunigung, sondern die absolute Lage im Raum misst (benachbarte Meßpunkte kann man dann interpolieren). Es würde dann auch ein 3-achs Sensor pro Welle genügen.

Die naheliegende Methode, die vier Federwege der Primärfederung eines zweiachsigen Drehgestells zu messen ist keine Option?

[Geistesblitz]

Da fehlt aber auch noch ein Anteil: die Fliehkraft in Kurven. Und soweit ich weiß sind die Schienen in Kurven bewusst unterschiedlich hoch, damit der Zug besser seine Masse auf die Schienen verteilt, die Kippsicherheit gewährleistet ist und ich glaub mit den Rädern war da auch noch was (Züge haben schließlich starre Achsen).

[Peter(TOO)]

Hallo,

Neben dem Nutzsignal erwarten wir folgende Störsignale, die wir unvermeidlich mitmessen:
1. Die Erdbeschleunigung von 9,81 m/s^2 konstant in Betrag und Richtung
2. Stöße resultierend aus Unebenheiten, Flachstellen etc., statistisch in Betrag und Richtung, Größenordnung vermutlich mehrere g, aber im Mittel über eine längere Meßdauer Null.

Es fragt sich ob das Erfassen solcher Fehlstellen nicht auch sinnvoll ist.

Die Idee wäre nun das Nutzsignal zu finden, indem man die Differenz aus rechtem und linken Sensor bildet und anschließend noch das hochfrequentere Rauschen aus den Stößen wegfiltert. Das Problem liegt jetzt in der Differenzbildung - mathematisch geht das wunderbar, aber in der Praxis ist jeder Meßwert mit einer Unsicherheit behaftet und wenn man die Differenz aus zwei ähnlich hohen (aber nicht genau bekannten) Zahlen bildet kann eben alles herauskommen. Konsequenterweise muss man also die Störgrößen mit einer Genauigkeit messen, die wesentlich höher ist als das erwartete Nutzsignal und daran wird es scheitern.

Wenn man eine grosse Samplerate hat, kann man einiges an Messwerten rauswerfen.
Eine Verwindung erzeugt ein typisches geschwungenes Signal mit einer maximal möglichen Amplitude. Wenn die Amplitude zu gross ist, wird der Wagon umgeworfen.
Zudem können die Schienen auch nicht einfach an einer Stelle 10cm Höhenversetzt sein.
Somit kann man mit einer Trendrechnung und einer Plausibilitätsprüfung einzelne Störsignale recht gut erkennen und eliminieren.
Danach kann man dann noch mit einem Tiefpass filtern, bevor man die Differenz bildet.

Ich musste dieses Problem einmal für eine gravimetrische Dosierung lösen.
Auf einer Waage stand ein Getriebe-Motor mit einer Förderschnecke und ein Vorratstrichter.
Einerseits hatte man im Messsignal das Rumpeln der ganzen Mechanik und andererseits verklemmte das Fördergut ab und zu in der Schnecke, was zu Schlägen auf die Waage führte.
Die Dosierleistung lag im Bereich von 10g bis zu einigen 100g pro Minute. Die "Schläge" erzeugten Signale im Bereich von bis zu 15kg. Wie gross die Signale durch das Rumpeln waren, weiss ich nicht mehr, ist auch schon lange her. Rechnen musste das ein HD6301.

MfG Peter(TOO)