用于从脉冲信号发生器的初级脉冲信号提供次级脉冲信号的脉冲信号倍增器的制作方法

本专利申请要求德国专利申请de 10 2021 209 365.5的优先权，其内容作为参考并入本文。本发明涉及一种脉冲信号倍增器，用于从脉冲信号发生器的初级脉冲信号提供次级脉冲信号，特别是用于使在列车控制系统和列车安全系统中使用的转速传感器信号倍增。

背景技术：

1、本发明的背景在下文中借助列车安全系统中的应用来阐述，但根据本发明的脉冲信号倍增器当然也可普遍应用于其他实际领域、例如在不同设备部分之间存在高电位差的工业应用(例如柴油应急发电机)。

2、在轨道车辆中，移动和速度的检测、路程测量(计程仪)以及轨道车辆的定位是与安全相关的和必不可少的。例如为了驱动控制和制动控制而对单个车轮的个别旋转的监测也具有高度的安全技术重要性。在此通常使用的传感器类型是转速传感器。在确定相关参数时可能导致错误结果的故障中，存在严重的材料损坏和人员损伤的危险。因此对所述传感器的可靠性及其信号的进一步处理提出非常高的要求。转速传感器也为了监测发动机轴例如被使用在轨道车辆中的动力总成的领域中。例如涡轮、发电机的其他轴、在工具机、建筑机械、道路车辆等内部的轴也非常频繁地被监测。

3、转速传感器典型地是基于霍尔效应的、无接触的传感器，所述传感器的传感器面以大约1 -3mm的非常小的间距相对于铁磁测量齿轮的齿装配。脉冲频率通过齿的数量和测量齿轮的旋转频率确定。如果测量齿轮机械地耦联到轨道车辆的车轮上，则因此脉冲频率可以用作用于车辆的速度、用于车轮的个别旋转的量度并且也用于车辆的里程确定和相对位置确定。在通常情况下，两个转速传感器共同被装配在传感器壳体中，所述两个转速传感器的转速脉冲信号在相位上相对彼此通常以90°或120°移动，以便实现旋转方向识别。转速传感器的这些传感器通道称为信道(spuren)。然而具有一个信道或多于两个信道的转速传感器也是常用的。所述转速传感器的脉冲信号通常由列车控制装置的对应的控制器处理。

4、转速传感器和测量齿轮直接靠近于车轮被装配在转向架中。在电气轨道中，借助于滑环触点将车辆的返回电流经由车轴和车轮导入到轨道中。在此，由于电刷火花和其他电接触事件并不少见地导致例如在车体和转向架之间的瞬态干扰电压。所述瞬态干扰电压会具有高的幅值和高的改变速度，通过传感器线路直至到达与所述传感器线路连接的控制器并且导致干扰转速脉冲信号或者甚至导致损坏控制器。电接触问题有时也导致转速传感器的接线路上的不期望的大电流，所述大电流同样可能导致信号问题或者甚至导致损坏传感器、连接线路及其连接点或甚至控制器。在其他滑动式集电器中、例如在受电弓与接触线或者滑动触点与接触轨之间的接触问题也可能导致干扰转速脉冲信号，因为它们靠近于返回电路布置。

5、带有用于转速脉冲信号的电压输出端的转速传感器典型地具有根据表t1的以下接头和信号。

6、

7、表t1：具有电压输出端的转速传感器的典型的接头和参数。

8、输出电压的转速传感器是输出作为电压信号的转速脉冲信号的转速传感器。传感器的转速脉冲信号可以在此采用两个电平值、即低电平usl和高电平ush。

9、usl接近于传感器gndsen(0伏接头)的接地电位，所述0伏接头用作不仅用于所述传感器的辅助供电装置(传感器的供电装置)而且用于所述传感器的转速脉冲信号的参考点。

10、转速脉冲信号的ush是或略微低于转速传感器的工作电压ubsen的值。也就是说，转速脉冲信号电压ush的高电位的最大幅值基本上与ubsen成比例。

11、带有电流输出信号的转速传感器典型地具有根据表t2的以下接头和信号。

12、

13、表t2：具有电流输出端的转速传感器的典型的接头和参数

14、前述的控制器的实例可理解为下述处理转速脉冲的列车控制器，该列车控制器由tcu(traction control unit，牵引控制器)、bcu(brake control unit，制动控制器)、wsp(wheel slide protection，车轮防滑保护单元)、atc(automatic train control，列车自动控制器)、jur(juridical recorder，司法记录仪)、etcs(european train controlsystem，欧洲列车控制系统)的种类之一或者其他将来才可能出现的种类之一构成。所述列车控制器大多实施安全功能，因为所述列车控制器负责监测和控制与轨道车辆行驶安全相关的参数，例如防止车轮意外打滑或者控制制动器和制动辅助装置。由于所述功能的安全技术重要性，几乎总是多个用于确定车轮旋转的转速传感器或用于确定车辆移动的其他传感器与所述控制器连接。

15、传感器也可以使用不同的物理原理。除了所述转速传感器以外，也使用雷达传感器、基于gps的传感器和其他传感器类型。出于这种原因，单个转速传感器(传感器的单个信道或所有信道)的故障或转速传感器测量通道的故障大多是非关键的。就整体安全功能而言，测量通道的故障能够通过其他传感器并且通过控制器进行考虑来识别，从而能够在一定程度上进行补偿。如有疑问，控制器无论如何必须自动使要控制的技术单元或必要时轨道车辆处于安全状态中。

16、控制器具有通常与转速传感器信号相匹配的接头、例如馈电电压端、电压输入端或电流输入端以及也必要时gnd(接地端)和屏蔽接头。如果控制器设计用于具有电压信号的传感器，则控制器具有辅助能量输出端vs和gnd接头。所述辅助能量输出端可以实施为必要时关于其输出电流被监测。

17、在用于具有电流输出端的转速传感器的控制器的实施方案中，控制器同样具有辅助能量输出端vs，然而不一定具有所属的gnd(接地)接头。用于相应实施的馈入回路电流的转速传感器的电流输入端在此也接收馈电电流。在此必须至少对最小电流电平(转速脉冲信号的低电平状态)进行监测，以实现断线识别或转速传感器故障识别。

18、在优化欧洲铁路运输安全的过程中，正努力在现有车辆中加装相应的安全系统。在此的问题在于，在欧洲铁路运输中存在多种不同的列车安全系统。因此，在国际列车的情况中需要操控途经国家的不同列车安全系统，由此必须将多个不同的安全系统同时安装到相关的轨道车辆上。在协调和标准化过程中提出了etcs系统(european train controlsystem，欧洲列车控制系统)。由此现有的国家列车安全系统应长期由统一的etcs系统替代。世界上还存在其他列车安全系统，etcs在此仅仅视为一个实例。对于加装而存在不同策略。其中之一是，目前存在于车辆上的列车安全系统首先被保留，以便与还存在于相应国家的列车安全系统兼容。然后附加地安装epcs兼容的安全系统。为了etcs可以接收相应的传感器信号，则etcs必须与现有的传感器信号线路并联地或串联地连接。然而这被安全理念禁止，在所述安全理念中每个列车控制系统的自主性必须保持独立。例如，列车制造商会安装附加的转速传感器作为解决方案，然而这是耗费且昂贵的。除了附加的转速传感器成本外，还附加用于在车辆外部和内部进行安置和布线的安装耗费。

19、对于出版的现有技术，应参考例如仅提供技术背景的de 296 13 185u1，该文献公开了一种用于铁路技术应用中的测量目的的传统的隔离放大器。在此，在模数切换器中数字化的测量值通过电隔离的光导纤维从隔离放大器的高压部分馈送到隔离放大器的低压部分。类似的功能在de 10 2016 214 263 a1中提出。由de 29 37 539 c2提出用于抑制开关电源的无线电干扰的屏蔽装置。

技术实现思路

1、从所述问题出发，本发明的任务在于，提供一种在安全方面安全的、用于从脉冲信号发生器的初级脉冲信号提供次级脉冲信号的技术解决方案，以便由列车控制装置为其他的特别是随后安装的控制器和安全系统提供所述脉冲信号。

2、该任务通过具有权利要求1中规定的特征的脉冲信号倍增器来解决，其包括：

3、-通过屏蔽的分支信号线路分接初级脉冲信号的输入电路，

4、＝所述输入电路的与信号类型相匹配的输入端将初级脉冲信号对其无反作用地接收为输入信号，以在脉冲信号倍增器中进一步处理，

5、＝所述输入电路处理输入信号，以经过电隔离的势垒传输，以及

6、＝所述输入电路设置有自己的电屏蔽用于优化共模抑制和电磁兼容性，

7、-接收通过势垒传输的信号的输出电路，

8、＝所述输出电路将被传输的信号处理成忠实于信号地复现初级脉冲信号的输出信号，

9、＝所述输出电路在与初级脉冲信号的信号类型相对应的信号输出端处输出所述输出信号以作为表似-初级的次级脉冲信号传送到可连接的控制器、特别是列车控制器，以及

10、＝所述输出电路同样设置有自己的电屏蔽用于优化共模抑制和电磁兼容性，以及

11、-跨接输入电路和输出电路之间的势垒的光信号传输路径，

12、＝所述光信号传输路径密封地封闭，以避免损害光传输质量的运行条件，

13、＝所述光信号传输路径跨接输入电路和输出电路的屏蔽之间的电绝缘距离，并且

14、＝所述光信号传输路径的电子信号发射器和电子信号接收器布置在输入电路和/或输出电路的相应屏蔽内或者布置在下述相应屏蔽内，该相应屏蔽具有与输入电路和/或输出电路的相应屏蔽的电位相同的电位。

15、根据本发明的信号倍增器具有两个主要任务，即

16、-从初级信号电路无反作用地耦合输出脉冲信号、特别是转速传感器信号，以及

17、-将解耦的信号馈送到次级信号电路。

18、这两种功能例如在本发明主题的列车技术应用中必须在以下非常苛刻的条件下实现：

19、a)符合en50129的铁路sil要求

20、b)符合en50155(一般)，en50124(绝缘)，en50121(电磁兼容性，电磁兼容性)的铁路要求

21、c)15年至40年的长的免维护使用持续时间

22、d)大的信号带宽(输入/输出之间的短的在个位数微秒范围内二进制信号传播时间)

23、e)由于信号输入端的瞬态共模电压具有高达几千伏(kv)的幅值和从几百千伏/微秒(kv/μs)到兆伏/微秒(mv/μs)的压摆率，因此具有高的电磁兼容稳定性和绝缘稳健性

24、f)至少-40℃至+85℃的大的运行温度范围

25、借助根据本发明的脉冲信号倍增器为解决在加装脉冲信号发生器时的上述困境提供了一条出路，其中，脉冲信号倍增器实现对已有的脉冲信号的无反作用的分接、分配和切换。所述输入侧的脉冲信号是忠实于信号的，即切换成具有一致的信息内容的输出侧的脉冲信号。在这个意义中，根据本发明的脉冲信号倍增器可以复制例如转速传感器的信号并且提供给其他控制装置，而不存在次级控制器和初级控制器之间的信号接头的电耦合。因此即在次级控制器中有故障的情况下不会导致影响初级信号电路或传感器和初级控制器。

26、本发明主题在此使用以下基本技术方案，以满足特别是在列车运行中的安全技术要求：

27、光信号传输经过足够大的印刷电路板距离并且通过屏蔽进行，由此实现非常好的电隔离和非常小的耦合电容。应特别重视光信号传输路径的使用寿命，外部污染和外部结露以及温度变化在产品的使用寿命期间不允许不可接受地影响光信号和电信号传输。光发射器的老化还必须在电路设计中被足够考虑并且必要时通过特别的措施补偿。

28、本发明主题的优选的改进方案在从属权利要求中规定。因此，初级脉冲信号能够选择性地通过切换单元信号类型忠实地或信号类型变换地作为表似-初级的次级脉冲信号在对应的信号输出端处被输出。由此信号倍增器可以通用地被使用，因为一方面替代传感器以电压输出端被连接，传感器也能够以电流输出端被连接，并且另一方面用于次级控制器的电压信号或电流信号可自由选择地与输入信号的信号类型无关地被输出。

29、根据一个另外的优选的实施方式，根据本发明的脉冲信号倍增器具有至少两个传输通道，即例如转速传感器的每个信道各一个通道，用于将速脉冲信号从现有的信号电路无反作用地耦合输出并且然后从倍增器的相应的输入端馈送到倍增器的相应的输出端并且继续馈送到次级信号电路。每个传输通道在此具有输入部分和输出部分。所述部分彼此上下地并且在通道之间完全电隔离地实施。

30、脉冲信号倍增器的另外的有利的实施方式涉及可连接的初级脉冲信号，所述初级脉冲信号可以是具有低电平和高电平的电压信号和/或电流信号，所述电流信号优选地具有不同于零位的最小值以及优选地在两个电平值之间可变的高电平。也就是说，脉冲信号倍增器的输入端和输出端可以彼此无关地关于电压信号或电流信号借助于选择匹配的接线端子并且通过配置操作元件、例如dlp开关来配置。在对于电流信号的配置中，还可以例如通过dip开关来选择，最大值应是14ma还是20ma。在提供电压信号的转速传感器中存在特定实施方案，所述特定实施方案在测量齿轮的静止中提供低电平值和高电平值之间的中间电压。在此能够可选地实现相应的通道的脉冲信号倍增器的输入部分中的所谓的中间电压识别。

31、原则上可以实现，然而在此未具体描述地，识别为中间电压的信号的直接的传输也通过光传输路径的其他自身状态进行。这可以例如是其他光强度等级，该其他光强度等级处于表示高电平和低电平的光强度等级之间。中间电压产生以在倍增器的输出部分中的为此经授权的电压输出级为前提。

32、其他优选的实施方式涉及脉冲信号倍增器的输入电路和输出电路的屏蔽。因此，输入电路和优选地输出电路的所有屏蔽可以与相同的通道或必要时其他通道的所有其他电路部分电隔离。输入电路的相应的屏蔽也可以与分支线路的屏蔽部连接，所述分支线路将在初级信号电路的被屏蔽的信号线路中被传输的初级脉冲信号馈送到脉冲信号倍增器。

33、作为在多通道布置中的其他替换的实施方式，至少两个通道的输出电路的屏蔽可以彼此连接或者设计为共同的输出侧的屏蔽。

34、用于倍增器的屏蔽的所有输入端、输出端和接头通常在此具有用于连接导线的相应的连接装置。连接装置可以是在测量技术，控制技术和调节技术中通常的螺丝端子、插入式接线端子或张力夹，其中，所有这些又能够可插接地实施。作为其他可能的连接装置也可以考虑其他插接式连接器类型，主要在铁路技术中的应用中，在那里常用的具有用于导线屏蔽的接触可能性、必要时也具有自己屏蔽部的多极类型是重要的。其他可能性例如是所谓的sub-d插接式连接器以及m12插接式连接器。

35、本发明的其他优选的改进方案涉及用于脉冲信号倍增器的辅助供能的措施。因此可以在每个输出电路中设置用于附加的辅助供能的馈入接头。这实现了，根据脉冲信号倍增器的能量需求必要时可以通过单独的供电装置补偿由控制器提供的辅助能量的不足。由此也在这种情况中确保，任何控制器可以由根据本发明的脉冲信号倍增器提供表似-初级的次级脉冲信号。

36、通过在相应的输出电路和输入电路之间电隔离的传送器用于输入电路的辅助供能的进一步设置的应用，也在这方面确保倍增器的无反作用性。

37、根据本发明地一个另外的优选的实施方式，输入电路设置有分频电路。分频则可以通过相应的dip开关例如以系数2、4或8被激活。相应的通道的输出端的脉冲频率则以分频系数低于输入频率。

38、最后还可选地规定，脉冲信号倍增器的包括至少两个通道的实施方案的输出电路配备有用于探测被连接的转速传感器的旋转方向的电路。这在使用所谓的d触发器的情况下进行，其中，脉冲信号从这两个通道输送到所述电路，并且这两个输出侧的电子装置的接地(gnd)电位也连接在一起。然而由此则不再具有这两个输出通道之间的电位隔离。