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Beschleunigungssensor mit eigener Neigungskompensation

Ein Beschleunigungssensor für den Bahnverkehr, Messbereich 2 m/s².

01Ausgangslage

Ein Beschleunigungssensor für den Bahnverkehr, Messbereich 2 m/s². Klingt harmlos, bis man die zweite Randbedingung liest: maximale Steigung 7 Prozent, also 4 Grad. Bei 4 Grad Neigung wirkt eine Schwerkraftkomponente von 0,68 m/s² in Fahrtrichtung – 34 Prozent vom Messbereich, im Stillstand. Ein Sensor, der Steigung nicht von Beschleunigung unterscheiden kann, liegt auf jeder Rampe um ein Drittel daneben. Und zwar nicht als Rauschen, sondern als langsam wandernder Offset, der mit der Strecke korreliert.

02Vorgehen

Mit vier Machbarkeitsstudien in elf Tagen, von denen drei mit einem Nein enden – aber mit einem Nein, das eine Zahl hat. Zwei Neigungssensoren in einer Ebene: Differenz- und Summensignal lassen sich nicht auftrennen, Kompensation unmöglich. Gedämpftes Pendel: bestenfalls ± 0,38 Prozent Restfehler, und die Dämpfung ist bei jeder Methode stark temperaturabhängig. Zwei Neigungssensoren im 90-Grad-Winkel: rechnerisch lösbar. Und schliesslich die Variante, die gebaut wurde – Kraftmessung an einer vorgespannten stehenden Masse. Aus der Summe der beiden Auflagekräfte kommt die Neigung, aus der korrigierten Differenz die Beschleunigung. Ein Aufbau, zwei Messgrössen.

03Ergebnis

Einen Sensor, der seinen eigenen Neigungsfehler mitrechnet, statt ihn an eine zweite Instrumentierung oder an eine Streckendatenbank zu delegieren. Und eine Auslegung, die vor dem ersten Span feststand: fünf mechanische Aufbauten wurden auf Auflösung, Gewicht, Stabilität und Querempfindlichkeit verglichen, der beste davon in fünf Lastfällen simuliert.

Was steckt drin

Vier Messzellen im 45-Grad-Winkel, wassergestrahlte Federbalken mit Dehnmessstreifen, eine stromgesteuerte Vollbrücke mit programmierbarem Signal Conditioner. Zwei Kanäle, je 0–10 V und 4–20 mA, 24 V Speisung, achtpolig. Die ± 4 Grad Neigung liegen auf 2 bis 8 V, also 0,75 V pro Grad. Bewegte Masse: 0,3 kg. Dazu Inbetriebnahme, Schulung und ein Datenblatt.

Und wie ging es weiter

Die interessanteste Entscheidung war der Sprung von zwei auf vier Messzellen. Grund: In der Simulation erzeugt eine Querbeschleunigung von 1 g eine Zellauslenkung von 0,7 µm, während der gesamte Neigungsbereich nur 5,2 µm ausmacht. Ein Achtel des zu korrigierenden Signals als Störgrösse – auf einem Schienenfahrzeug ist das keine Ausnahme, sondern die Kurve, in der es gerade fährt. Mit vier Zellen lässt sich das kompensieren, mit zwei nicht.

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