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

[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)

[Crazy Harry]

Reden wir hier von Modell oder echtem Zug ?

[Manf]

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.

[DigiLot_1]

@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.

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

[White_Fox]

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.

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.

[Mxt]

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 ?

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.

[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"?

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.

... 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).

[Mxt]

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.