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

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

Zitat:

---

... 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.

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

Zitat:

---

Zitat von oberallgeier

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

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.

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.

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

Zitat:

---

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?

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).

Hallo,

Zitat:

---

Zitat von ranke

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.

Zitat:

---

Zitat von ranke

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)

Reden wir hier von Modell oder echtem Zug ?

Relativ einfache Experimente mit Beschleunigungssensoren kann man mit einem IPhone machen. Es gibt Applikationen die die Werte mindestens 8 stelling protokollieren.
Mit Filterung habe ich daraus einmal eine gezielte Anregung von 10^-4g zurückverfolgt, es sollte auch etwas mehr gehen.
Wenn man es für die Querneigung von Schienenfahrzeugen auf einer Strecke mit unbekannten Kurven einsetzen will, dann wäre es eben nötig die Strecke zweimal (oder eben mehrfach) mit unterschiedlicher bekannter Geschwindigkeit abzufahren.
Zur Geschwindigkeitsmessung hilft auch schon eine Videoaufnahme der Schwellen des Nachbargleises.

@ranke
Dankeschön,
die Störsignale und das Rauschen machen mir auch Kopfzerbrechen. Meine Hoffnung ist, dass durch häufigeres Befahren der gleichen Gleisabschnitte (soll ein Onboard-Monitoring werden) eine Signalbereinigung stattfindet. Aber vorher müsste ich mich für die Hardware entscheiden mit der ich das ganze teste. Und da hapert es. Bildungslücke.

Über Kreiselsensor hab' ich auch nachgedacht. Wäre vom Prinzip her die richtigere Methode. Aber ich fürchte, dass jede Bogenfahrt noch größere Störungen verursacht als bei den Beschleunigungssensoren.

Zitat:

---

Zitat von ranke

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

---

Gute Idee. Wurde es schon gemacht?
Allerdiengs: Würde das "Wanken" des Drehgestellrahmens (z. B. Kräfte aus dem Wagenkasten) nicht eine Verwindung "vortäuschen"?

Gruß

DigiLot

Zitat:

---

Zitat von Unregistriert

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.

---

Vorschlag: Nimm doch zwei Wasserwaagen.
Wenn ich dich richtig verstanden habe, dann würde es völlig ausreichen, die Neigung beider Schienen zu messen und über eine Subtraktion miteinander zu vergleichen. Ist das Ergebnis Null, dann verlaufen beide Schienen in die selbe Richtung, die Verwindung ist dann doch auch Null.

Ansonsten wäre vielleicht auch die Messung der Verwindung zweier entfernter Achsen zueinander eine Option.
Gedankengang dazu: Es gibt berührungslose Drehmomentsensoren. Diese bestehen aus einem drehbar gelagerten axialen Federelement, die "Kraftanschlüsse" des Sensors befinden sich an den Enden des Federelements. Direkt dahinter befinden sich zwei Scheiben, über deren Umfang Markierungen angebracht sind. (Denke hier z.B. mal an Glasmessstäbe von Drehmaschinen.) Anhand dieser Markierungen kann nun eine Verdrehung des Federelements (bzw. die Verwindung, und damit das einwirkende Drehmoment) abgelesen werden. Eine ähnliche, ausreichend lange Konstruktion sollte das Problem gut lösen, denke ich.
Ich bin kein Maschinenbauer, würde von diesem Ansatz her aber erstmal die besten Ergebnisse erwarten.

Zitat:

---

Zitat von DigiLot_1

Gute Idee. Wurde es schon gemacht?
Allerdiengs: Würde das "Wanken" des Drehgestellrahmens (z. B. Kräfte aus dem Wagenkasten) nicht eine Verwindung "vortäuschen"?

---

Das Wanken könnte man vielleicht über Mittelwertbildung rausrechnen. Allerdings hast du es hier mit Störungen zu tun, die in einem sehr breiten Frequenzspektrum liegen. Noch dazu sind diese vermutlich auch geschwindigkeitsabhängig. Alles Sachen, die die Geschichte nur kompliziert machen.

Zitat:

---

Zitat von White_Fox

Vorschlag: Nimm doch zwei Wasserwaagen.
Wenn ich dich richtig verstanden habe, dann würde es völlig ausreichen, die Neigung beider Schienen zu messen und über eine Subtraktion miteinander zu vergleichen.

---

Mit entsprechender Mittelung verhalten sich die Beschleunigungssensoren ähnlich wie eine Wasserwaage. Meist haben Sensor-ICs auch eingebaute Filter. Damit und mit unterschiedlichen Abtastraten sowie eigenen Filteralgorithmen kann man mit den oben verlinkten Boards gut experimentieren.

Aber wir erfahren wenig, welche Klasse von Sensoren gesucht wird. Etwas günstiges, wie oben gezeigt ? Oder ein robustes Industrieteil, das dauerhaft ans Fahrgestell geschraubt werden kann. Braucht man am Ende sogar eine Eisenbahnzulassung ?

Zitat:

---

Zitat von White_Fox

Gedankengang dazu: Es gibt berührungslose Drehmomentsensoren. Diese bestehen aus einem drehbar gelagerten axialen Federelement, die "Kraftanschlüsse" des Sensors befinden sich an den Enden des Federelements. Direkt dahinter befinden sich zwei Scheiben, über deren Umfang Markierungen angebracht sind.

---

Das klingt so ähnlich wie der hier
http://www.spacecontrol-industries.c...en-sensor.html
da sind zwei Platinen über Federn verbunden, die Bewegung zueinander wird (optisch ?) gemessen.

Zitat:

---

Die naheliegende Methode, die vier Federwege der Primärfederung eines zweiachsigen Drehgestells zu messen ist keine Option?
Gute Idee. Wurde es schon gemacht?
Allerdiengs: Würde das "Wanken" des Drehgestellrahmens (z. B. Kräfte aus dem Wagenkasten) nicht eine Verwindung "vortäuschen"?

---

Über die Messung der Primärfederwege bekommt man (angenähert) die einzelnen Radlasten. Wanken bedeutet dass links und rechts unterschiedlich (z.B. Kurvenfahrt ohne Überhöhung). Wenn das Radlastverhältnis bei beiden gemessenen Achsen gleich ist, dann ist es Wanken, wenn es unterschiedlich ist, ist es Verwindung. Ob es schon jemand so macht weiß ich nicht. Vielleicht mal bei einem Eisenbahnerforum nachfragen. Genauer wäre vermutlich eine direktere Kraftmessung der Radaufstandskräfte, das ist dann aber kaum mehr ohne Eingriff in die Konstruktion des Laufwerks machbar. Da stellt sich dann die Frage nach Machbarkeit und Zulässigkeit.

Zitat:

---

... durch häufigeres Befahren der gleichen Gleisabschnitte (soll ein Onboard-Monitoring werden) eine Signalbereinigung stattfindet

---

Onboard bedeutet vermutlich, dass es in einem betriebsmäßig kursierenden Fahrzeug eingebaut werden soll, so dass man beliebig häufig Messungen bekommt?
Mehrere Messungen korrelieren könnte schwierig werden. Man müsste dann nämlich auf den Messschrieben auch den Ort genau zuordnen können. Wenn Du ein Ereignis hast und deine Auswertung sagt dass er bei Messung 1 bei km 3,4934, bei Messung 2 bei km 3,4941 und bei Messung 3 bei 3,4936 ist, dann kann es sein, dass es als "zufälliges Rauschen" interpretiert wird. Leider war es aber immer bei km 3,9437 (und das nächste Mal entgleist der Zug).

Und wenn es eigentlich um die Vermessung der Schienen geht: Warum macht man es nicht wie bei der Vermessung von Straßen ?

Die BASt ist mit sowas in Deutschland unterwegs
http://www.fraunhofer.de/de/presse/p...00-sachen.html

Habe mich mal mit jemandem unterhalten, der sowas in Kanada macht. Er verwendet ein etwas anderes System, aber auch mit Laserscannern.

Zitat:

---

Und wenn es eigentlich um die Vermessung der Schienen geht: Warum macht man es nicht wie bei der Vermessung von Straßen ?

---

Weil sich die Schiene im Gegensatz zur Straße unter Last verformt (wenn der Oberbau schlecht ist), so kann man realistisch auch nur unter Last messen.
Ein Beispiel sieht man hier:
http://youtu.be/O6uEFwCrLVM (für Ungeduldige: ab 2:20)

Nun, wie man mit einem Zug über eine Schiene fährt, ohne sie zu belasten, erschließt sich mir nicht. Aber egal.

Diese Straßenscanner können mittlerweile an die Stoßstange oder in den Boden eines PKW-Anhängers eingebaut werden. Warum sollte sowas nicht unter einem Zug gehen ?

Hallo,

Zitat:

---

Zitat von Mxt

Diese Straßenscanner können mittlerweile an die Stoßstange oder in den Boden eines PKW-Anhängers eingebaut werden. Warum sollte sowas nicht unter einem Zug gehen ?

---

Geometrisch ist das bei der Schiene schon etwas komplexer.

Bei der Strasse nimmt man das Profil über die ganze Bahnbreite auf und das Ergebnis sollte eine Fläche sein. Spurrinnen lassen sich so schon mal direkt erkennen. Für Bodenwellen hat man die 4 Auflagepunkte der Räder. Wenn man nicht auf Höhe einer Achse misst, kann man auch diese leicht erkennen. Zudem kann man noch den, meist unbeschädigten Strassenrand als Referenz einbeziehen.

Bei der Schiene hat man nur die zwei Messpunkte der Schiene. Alles was sich zwischen den Schienen oder ausserhalb befindet ist irrelevant, der Schotter muss nicht eben sein.
Wenn man sich den obigen Film ansieht, bleibt der Abstand Wagon-Schiene konstant, auch wenn dabei die Schiene selbst durchfedert, das macht die Strasse nicht.
Zudem sind bei der Bahn die Werte auch noch recht klein. Ab 4% Steigung baut man Zahnradbahnen, das sind nur 4cm Höhenunterschied auf 1 Meter Strecke.
Messtechnisch brauch man also bei der Bahn eine Auflösung, welche bei der Strasse schon wegen der Oberflächenrauhigkeit des Asphalts gar nicht möglich ist. 1mm Rauhigkeit ist bei Asphalt schon glatt.

MfG Peter(TOO)

Zitat:

---

Zitat von Peter(TOO)

Geometrisch ist das bei der Schiene schon etwas komplexer.

---

Es ginge schon darum, einen echten 3D-Scan zu machen. Zum Laserscanner kommt noch Ortsinformation aus den Fahrzeugdaten, GPS und Trägheitsnavigation. Und zumindest die Schwellen und Schrauben zwischen den Schienen wären nicht irrelevant, sondern könnten zur Genauigkeitssteigerung eingesetzt werden, sie enthalten ja auch Positionsinformation.

Und würde man z.B. einmal in der Mitte eines Wagens scannen und einmal direkt vor der Lauffläche eines Rades, wird man da sicher im Vergleich die Verformung direkt sehen können.

Hallo,

Zitat:

---

Zitat von Mxt

Und zumindest die Schwellen und Schrauben zwischen den Schienen wären nicht irrelevant, sondern könnten zur Genauigkeitssteigerung eingesetzt werden, sie enthalten ja auch Positionsinformation.

---

Nicht wirklich!
Hast du dir den Film angesehen?
Da sind die Schwellen noch fest mit den Schienen verbunden. Weil aber der Schotter unter den Schwellen fehlt, geht einfach der ganze Verbund aus Schiene und Schwelle rauf und runter.
Du kannst also nur erkennen, wenn sich Schrauben gelöst haben (Die Ami-Schienen sind übrigens noch genagelt. Irgendwie gehören die Amis auch noch zu den Dritte Welt Ländern).

Aber um so etwas zu Erkennen braucht man mindestens zwei Messungen, einmal belastet und einmal möglichst unbelastet.


Aber wir sind mittlerweile recht weit von der eigentlichen Frage abgekommen, es geht nur darum die Verwindung zu erfassen!

MfG Peter(TOO)

Zitat:

---

Zitat von Peter(TOO)

Aber wir sind mittlerweile recht weit von der eigentlichen Frage abgekommen, es geht nur darum die Verwindung zu erfassen!

---

Ja, wir sollten aufhören. :p

Zitat:

---

Zitat von Peter(TOO)

Hast du dir den Film angesehen?

---

Der hat nichts damit zu tun. Die Anzahl der Schwellen gibt mir Informationen darüber, wo ich mich auf der Strecke befinde. So kann ich wiederholte Messungen besser vergleichen.

Wie ich über Tante Google erfuhr, gibt es übrigens Messwaggons mit Laserscannern zumindest für den Schienenverschleiß.