Aus der Praxis
für die Praxis

Sichere Fahrt dank robuster Neigungssensoren

Zur Verkehrsentlastung des Stadtzentrums Traunstein wurde im Frühjahr 2009 mit dem Bau einer Ortsumfahrung begonnen. Hierzu muss unter anderem auch die Bahnlinie München - Salzburg bei Ettendorf mittels eines Tunnels gequert werden. Im Zuge dieser Unterquerung wurde eine permanente Überwachung der Bahnstrecke seitens der Deutschen Bahn (DB) gefordert. Das planende Ingenieurbüro Bernd Gebauer GmbH aus Traunstein entschied sich daraufhin für die Installation eines Monitoringsystems zur Sicherung der Gleislage während der Bauarbeiten durch die Ingenieure der ing Traunreut GmbH. Hierfür geradezu prädestiniert zeigten sich die individuell kombinierbaren Messsensoren von Leica Geosystems mit der Monitoring-Software LeicaGeoMoS bzw. GeoMoS Web.

Das installierte Messsystem umfasste neben den Leica Totalstationen TCA1800 auch den Test des neuen, speziell für das Monitoring entwickelten Tachymeter, Leica TM30. Diese motorisierten Sensoren sorgen für eine lückenlose Messung mit Dokumentation rund um die Uhr zu 100 Prismen, die direkt am Bauwerk angebracht wurden. Ergänzend dazu wurden meteorologische Sensoren, eine Webcam sowie 38 Neigungssensoren installiert. Die Tachymeter wurden im setzungsfreien Bereich auf zwei ca. drei Meter hohe Pfeiler gesetzt und mittels eines speziell angefertigten Gehäuses vor Witterung, Vandalismus und Diebstahl geschützt.

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Generelle Anforderungen an das Monitoringsystem

Durch die strengen Auflagen der DB musste das hier eingesetzte Monitoringsystem sehr hohen Anforderungen gerecht werden. So sollte zum einen eine Messgenauigkeit von +/- 0,3 mm/m bei den eingesetzten Neigungssensoren garantiert, zum anderen eine Genauigkeit von +/- 1,0 mm bei den Tachymetermessungen gewährleistet werden. Damit ein solches System zuverlässig funktioniert, ist das Speichern und Sichern der Messdaten von ebenso hoher Wichtigkeit. So wurde beispielsweise neben der festen Datenleitung (DSL) eigens ein Fallback-System installiert, das den Datentransfer im Notfall auch über UMTS aufrechterhält. Zudem muss das Messsystem durch eine unabhängige Stromversorgung (USV) etwaige Stromausfälle kurzfristig überbrücken. Im Falle einer Toleranzüberschreitung wird der zuständige Fahrdienstleiter der DB per SMS benachrichtigt. Separat hat man für diesen Fall auch die Option einer Mitteilung über das Festnetz eingerichtet.
Ziel war es, im Falle einer Querneigung der Schwellen von mehr als 3mm (ca. 0,12°) ein Alarmsignal für eine genauere Überprüfung der Situation zu generieren.
Dafür wurden 2-achsige Neigungssensoren benötigt, die die Robustheit gegen Stöße und Vibrationen bei den Zugüberfahrten haben, große Temperaturdifferenzen (-40…+85°) und Feuchtigkeit (IP67-Dichtheit) vertragen. Ebenso wichtig war eine hohe Reproduzierbarkeit (< 0,03°) ohne Hysterese und eine hohe Langzeitstabilität (< 0,03° / Jahr). Die Wahl fiel auf die Neigungssensoren mit Stromausgang von der a.b.jödden gmbh.

Die Sensoren wurden mit einem geeigneten Blech gegen Steinschlag und direkte Sonneneinstrahlungen (bis +80°C) geschüzt. Mit PUR-Kabelen wurden die Stromschnittstellen mit dem Datenlogger-System verbunden. Dieses überwacht und sammelt die Daten. Die starken Vibrationen der Zugfahrten (= schnelle „Neigungsänderungen“) werden vom Sensor bei 1 Hz gemessen und zusätzlich durch das Datenloggersystem gefiltert.

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Dank der internen Temperaturkompensation und der hoch reproduzierbaren kapazitiven Silizium-Technologie konnte mit einem kleinen Budget in bisher unerreichte Genauigkeitsbereiche vorgestossen werden. Wären Präzisions-Inklinometer mit 2-dimensioneller Mehrpunkt-Kalibrierung eingesetzt worden, wären die Kosten 3 bis 5-fach höher gewesen. Es wäre auch ungewiss, ob solch hochempfindliche Sensoren die hohen Schläge und Vibrationen der Bahn ohne Drift ausgehalten hätten.

Der kostengünstige und robuste Neigungs-Sensor kann auch für Beschleunigungs- und Vibrationsmessungen verwendet werden, da verschiedene Messbereiche (bis 12 g) und Mess-Frequenzen (bis 400 Hz) angeboten werden können. In Außenanwendungen wie Geotechnik, Gebäudeüberwachung, Maschinenkontrolle, Messungen in öffentlichen Fahrzeugen etc. dürften sich damit neue Möglichkeiten eröffnen.

Messprinzip:

Grundsätzlich kommt die Methode der Schwungmasse („Pendels“) zur Anwendung. Das heißt, eine Prüfmasse wird entweder durch die Beschleunigung oder durch eine Vibration bewegt. Die Prüfmasse ist zwischen zwei Kondensatorplatten angeordnet und verändert die kapazitiven Werte. Diese bewährte Methode kommt besonders dann zur Anwendung, wenn die Anforderungen an Genauigkeit hoch sind oder externe Einflüsse wie Temperatur, Vibration und Schock unter Kontrolle gebracht werden sollen.

Schematische Skizze eines Sensorlementes: Im mittleren Bereich erkennt man das Pendel, das eingeschlossen in der oberen und unteren Platte (Wafer) einen Kondensator bildet.

Mit dieser Technologie lassen sich Wiederholbarkeiten von besser als 0,03° und Auflösungen von besser als 0,003° erreichen.
Durch den speziellen Aufbau ist selbst nach harten Schlägen (bis 70.000 g) keine Drift wegen Deformation der Prüfmasse zu erwarten. Die Gasdämpfung innerhalb des Sensorelementes verhindert Resonanzfrequenzen und Überschwingen.
Der im robusten IP68-geschützten Gehäuse eingebaute Sensor kann über 3 Schraubenlöcher einfach montiert und über PG-Verschraubung und PUR-Kabel angeschlossen werden.
Der Nachweis der Unterwassereinsatzfähigkeit wurde durch ein 5-wöchiges Versenken eines Neigungssensors auf 10 m Tiefe im Klöntalersee in der Schweiz erbracht.
Der 4 - 20 mA-Signalausgang erlaubt auch längere Anschlußleitungen. Über einen entsprechenden Widerstand kann das Stromsignal in ein Spannungssignal von wahlweise 1… 5 oder 2…10 V umgewandelt werden.
Standardmäßig sind Neigungssensoren (wahlweise 1- oder 2-achsig) mit den Bereichen +/-30° (=+/- 0,5 g) oder +/-90° (=+/- 1 g) erhältlich.
Alle Sensoren sind auf 1g/0°, oder optional auf ±45°, abgeglichen. Damit ist (abgesehen von mechanischen Anpassungen in der Applikation) grundsätzlich kein weiterer 0-Punkt-Abgleich erforderlich.
Für Beschleunigungs- und Vibrationsmessungen stehen Sensoren mit +/-12 g Messbereich zur Verfügung. Optional können zahlreiche weitere Messbereiche angeboten werden.

Quellen:
Leica Geosystems
TruStoryGleisüberwachungTraunstein,
Deutschland