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Übersicht Entwicklung einer optoelektronischen Gleisfreimeldung
  Vorbildfoto Beim FREMO-Himmelfahrtstreffen in Cloppenburg 2004 sollte erstmalig das von mir, auf Basis einer Idee von Jens Schmidt, entwickelte Achszählsystem auf seine Tauglichkeit für unseren Betrieb getestet werden. Nach der Überwindung einiger Anfangsschwierigkeiten mit der Soft- und Hardware konnten die beiden doppelten Achszähler von Stefan Bormann, Dirk Jahnke und mir in Betrieb genommen werden. Ich hatte diese jeweils in das Einfahrmodul und das Vorsignalmodul vom Schattenbahnhof Michelstadt eingebaut. Der Abschnitt zwischen beiden Achszählern war etwa 1,5 m lang. Die nebenstehende Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau der Achszähleinheit.

Das System basiert auf einer Lichtschranke, welche durch 0,5 mm starke Lichtleiter, die etwa 0,1 mm unter dem Schienenkopf und in einer Achszählerattrappe von Erbert eingebaut wurden, und durch die Infrarot Sender/Sensor-Einheit gespeist wurden (Bekannt durch den Einsatz als Gleiskontakt).
 
  Stellwerk fertig Zunächst sollten die Achsen nominal gezählt und durch die Anordnung von doppelten Achszählern auch in der Richtung festgestellt werden. Beim Testaufbau in Braunlage (JT 2004) konnten ja bereits die Finescale Radsätze von Luck (Rp25, code 88) eindeutig erkannt werden. Die Software war noch recht einfach gehalten und auf einem Prozessor einer Experimentierplatine installiert. Dort liefen auch die Impulse der Sensoren auf.

Während der insgesamt 6 Sessions ist die dritte und bekanntlich auf jedem Treffen am besten laufende Session hervorzuheben. Bei dieser Session musste bei 46 Zugfahrten nur 3 mal die Rückstelltaste gedrückt werden und dies auch nur deshalb, weil die Züge entweder nachvollziehbar entgleist waren oder geruckt haben, so das der Zugverband gestaucht und gezogen wurde. Selbst 60 Achsen lange Züge (mit Lok sogar über 70) fuhren den Abschnitt wieder frei. Bei den nachfolgenden Sessions jedoch, stiegen die Fehlzählungen leider wieder an. Durch Beobachtung ließen sich die meisten Ursachen, Entgleisung, Stauchung etc., eindeutig feststellen.
 
  Einbauteil Bei wenigen Zugfahrten bleibt die Mutmaßung, dass ein Wagen (zu leicht und deshalb angehoben oder mit windschief eingebauten Achsen) die Lichtschranke nicht mehr genügend abdeckte um einen Puls zu erzeugen.

Damaliges Fazit: Das Prinzip dieser Konstruktion wurde von uns als tauglich bewertet. Ich wollte nun versuchen auf verschiedene Weise die Empfindlichkeit der Lichtschranke zu erhöhen um auch weniger hohe Radkränze erfolgreich detektieren zu können. Stefan gab mir zwei Module mit um für ihn eine Testumgebung zu schaffen um auch die Software weiter bearbeiten zu können.

Diese wurden mittlerweile für weitere Tests herangezogen wobei sich ein weiterer Fehler unschön bemerkbar machte: Durch das Formen der Lichtleiterenden mittels Wärme zu einer Linse stehen diese am Schienenkopf leicht über. Loks und Wagen die mit ihren Spurkränzen nahe am Schienenkopf laufen steigen an den hervorstehenden Linsen auf und geben somit keinen Kontakt.
 
  Black Box Hier noch einige Erlebnisse am Rande dieses Treffens: Zwischen den Bahnhöfen Bickburg (eingleisig und dann über Borgholzberg auf zweigleisig) und Brebeck verlief ein längerer Streckenabschnitt mit der Bergseite und zudem mit einem hohen Wald auf der Bedienerseite. Auf diesem Streckenabschnitt fuhr einmal ein Zug auf einen sich vom Zugverband gelösten Wagen auf und ein weiteres mal gab es einen Frontalzusammenstoß einer V 200 und einer 50, da einer der beiden Züge auf das linke Gleis fehlgeleitet wurde. Tja, mit ordentlicher Sicherungstechnik wäre das wohl nicht passiert.

Eigentlich wollte ich mich nun hochmotiviert an die anstehenden Aufgabe machen, aber.......

Es haperte schon an der Beschaffung von günstigem und funktionierenden Lichtleitermaterial. Das ursprüngliche Material stammte von Weinert-Modellbau. Ein als Lichtleitfaser bezeichneter Lichtleiter in einer Länge von etwa 20—25 cm für 5,20 €.
 
  Testumgebung In einem Baumarkt-Prospekt wurde eine diese 70´er Jahre Glasfaserlampen für 10,- € angeboten mit wohl 1.000 Adern mit einem Durchmesser von 0,4 mm und jeweils 20 cm Länge. Diese jedoch stellten sich als sehr spröde heraus und waren somit wenig geeignet für kleine Biegeradien. Zudem war mutmaßlich der Leitungsverlust wohl auch recht hoch. Fakt: Nach einigen Fehlversuchen hab ich weitere Experiment mit diesem Material aufgegeben.

Unter der Bestellnummer 198412-U0 gibt es jedoch bei Conrad Lichtwellenleiter als Meterware für 0,51 €. Dieser LWL hat zudem den Vorteil, dass er aus einem 0,35 mm starken Kern und einem Mantel besteht, dass heißt: die Reflexion des Lichts findet zwischen Kern und Mantel statt. Das Material ist relativ flexibel und aufgrund seines Aufbaus wenig anfällig gegenüber Beanspruchung der Außenhülle. Nächstes Problem: Wie krieg ich die 0,5 mm Löcher passgenau in den Schienenkopf so das möglichst nur 0,1 mm Überdeckung bleibt. Ein Einbauteil schien hierfür die Lösung.
 
  LWL Es musste also ein Bauteil ersonnen werden, welches von den Interessierten selber eingebaut werden kann. Zu diesem Zweck fertigte ich kleine Schienenstücke aus den geläufigen Gleisen von Peco finescale, Roco-Line und Tillig an. Diese gab ich in die getreuen Hände von Holger Gräler. Aus diesen Schienenstücken, etwas Messingvierkant, Lichtleitern, Kabel und Drahtstecker von Viessmann entstand dieses universell einsetzbare Einbauteil. Die Einbaubeschreibung folgt sobald ich die Üst Stefanswiesen damit ausgerüstet habe. Da mir die Fehlerquelle mit der vorstehenden Linse erst vor kurzem bekannt wurde, werde ich die Löcher in den Schienen mittels 0,8 mm Bohrer vor der Montage aufreiben.

Nach dieser gewissen Anfangseuphorie und dem Pläneschmieden kehrte jedoch sehr lange Ruhe ein. Angetrieben durch das Vorhaben einiger Fremosignal-Block-Enthusiasten, die in Rastede 2012 einen Feldversuch mit dem automatischen Selbstblock starten wollten, sollten die Achszähleinbauteile für einige hieran Beteiligte „schnell“ mal eben gebaut werden.
 
  AZ Das Vorhaben, diese Einbauteile in einer Kleinserie zu fertigen führte zu reichlich Verdruss. Es wollte mir einfach nicht gelingen, diese dauerhaft funktionsfähig in einem akzeptablen Zeitrahmen herzustellen. Insbesondere die Kunststoffbauteile der Erbert-Attrappen sauber und dauerhaft zu fixieren führte mich an den Rand des Wahnsinns… Ein weiteres Problem bestand in der von mir ersonnenen Verbindung der Lichtleiter mit der LED/Sensor Einheit. Auch diese Lösung war nicht zuverlässig von Jedermann zu bewerkstelligen.

Zur Lösung verhalf mir (wieder einmal) der Impuls eines Fremo-Mitglieds, den ich auf dem Herbsttreffen in Rendsburg 2011 erhielt. Dort zeigte mir Stefan einige Bilder von Bodo im Zusammenhang mit der Selbstblocksteuerung und der damit verbundenen Gleisfreimeldung mittels Achszählern. Für den automatischen Selbstblock ist es unabdingbar, eine zuverlässige Gleisfreimeldung zu erhalten. Bodo verfolgte das gleiche Prinzip der Achszählung mittels Lichtschranke und Lichtleitern, in ähnlicher Weise wie ich es zuvor beschrieben habe.
 
  AZ Nur für die Unterbrechung wie auch für die Fixierung vor der LED und dem Sensor verwendete er kleine Messingröhrchen durch die er die Lichtleiter gezogen und fixiert hatte.

Als ich also vor dem Ergebnis meiner vergeblichen Mühen Frust schob erinnerte ich mich an die Bilder und entsann im Weiteren folgende Lösung: Man nehme zwei 1 mm Röhrchen mit 0,5 mm Innendurchmesser und mit einer Länge von jeweils ca. 35 mm. Diese lötet man mit ausreichend Zinn dicht aneinander so dass im Mittelteil der verbleibende Keil auf der Oberseite gut gefüllt ist. Dort kann später ein kleines Stück Neusilberblech in der Lage der Schienenoberkante aufgeklebt werden.

Im Anschluss schiebt man durch dieses Doppelrohr zwei 0,5 mm Lichtleiter mit einer jeweiligen Länge von 400 mm und biegt diese über eine 5 mm starken abgerundeten Vierkant vorsichtig um jeweils 90°.
 
  AZ Nach diesem Arbeitsschritt sollten die 2 Lichtleiter kurz getestet, auf gleiche Länge gebracht und mit kleinen, paarweise farbigen Abschnitten Litzen-Isolierung gekennzeichnet werden. Dies hilft nachher bei der Zuordnung.

Um den Schienenkopf nachzubilden und insbesondere einen kleinen Abstand für das putzen der Schienen zu erhalten, habe ich ein winziges Neusilberblech mit 0,15 mm Stärke in eine zuvor gefeilte Lücke kurz hinter der Kantung geklebt. Wegen des Lichtleiters im Innern scheidet löten hier allerdings aus! Nach diesem Vorgang wird die Seite, die im Schwellenfach und mit der Achszählattrappe ausgestattet werden soll, mit Originalfarbe Resedagrün lackiert. Wenn man später mit Farbe arbeitet, besteht die Gefahr, dass die Lichtleiter beeinträchtigt werden.

Die Lichtleiterenden erhalten jeweils einen aus 1,0 mm x 0,5 mm und 2,0 mm x 1,0 mm Messingröhrchen gebauten etwa 15 mm langen Stecker.
 
  AZ Der Lichtleiter wird mit einer offenen Flamme kurz zur Linse angeschmolzen und in die (aufgeriebene) Öffnung zurückgezogen. Auf der anderen Seite wird die Litzenisolierung in die 1 mm Öffnung gedrückt. So erhält man eine hinreichende Befestigung des Lichtleiters im Röhrchen und die Litzenisolierung dient zugleich auch noch als Knickschutz.

Diese so vervollständigte Lichtleiterbrücke kann nun eingebaut werden. Hierfür ist eine, zuvor im Bereich des ausgewählten Schwellenfaches etwa 2 mm breite und 1 mm tiefe Aussparung in den Schienenkopf zu feilen. Außen bündig mit dem Schienenkopf (hierbei ist der Schienenfuß leicht abzufräsen) und nach innen mit einem Abstand von 6 mm Achsmaß sind zwei 3,0 mm Bohrungen durch das Trassenbrett zu bohren. In diese Bohrungen werden nun die Lichtleiter nach unten geführt und die Messingbrücke eingefügt. Nach dem überprüfen der ausreichenden Größe der Aussparung im Schienenkopf und am Schienenfuß wird die Messingbrücke wieder ein wenig herausgezogen.
 
  Streckenmodule An den Enden zum Trassenbrett und an der Außenkante der Schiene sind diese dann gut mit z.B. Stabilit-Express bündig mit der Schienenoberkante zu verkleben. Unbedingt einen hart abbindenden Kleber verwenden. UHU-Alleskleber z.B. bleibt zu flexibel und man ärgert sich nachher beim nicht immer erfolgreichen nachjustieren! Ebenso ist auf einen spannungsfreien Einbau zu achten damit sich beim auftrennen der Röhrchen-Brücke nichts bewegt.

Nach dem Abbinden des Klebers kommt nun der eigentliche Arbeitsschritt zur Herstellung einer Gabellichtschranke. Mit einer kleinen Trennscheibe wird die Messingbrücke über einen Abschnitt von ca. 1,5 mm bis 2 mm Lückenbreite sehr vorsichtig und ohne das sich etwas verkantet aufgetrennt. Durch ein während des Trennvorgangs durchgeführtes leichtes hin und her bewegen der Trennscheibe quer zur Schnittachse wird ein klemmen wirksam verhindert. Die Schnittkanten sind dann behutsam mit einer sehr feinen Feile zu versäubern und insbesondere an der inneren Schienenflanke bündig zu befeilen.
 
  AZ Mit einer Lichtquelle lässt sich schnell prüfen, ob man vorsichtig genug gearbeitet hat und das Licht den Sprung über die Lücke schafft. Abschließend wird mit Schotter und dem mit einer Aussparung versehenen Erbert-Bauteil des doppelten Achszählers eine auch optisch zufriedenstellende Lösung einer funktionierenden Gabellichtschranke erreicht.

Ein kleiner Nebeneffekt ist mit dieser Bauweise auch sogleich entstanden. Durch das dichte nebeneinanderliegen der Lichtleiter werden beim überfahren des Achszählers nunmehr für einen Moment beide Verbindungen kurzzeitig gleichzeitig unterbrochen. So ist es Softwaremäßig möglich, auch wenn z.B. ein Rad auf dem Sensor zum stehen kommt, die Fahrtrichtung eindeutig (wieder) zu erkennen und den Zählfluss in die richtige Richtung fortzusetzen. Da die Sensoren vermutlich die Frequenz ihrer LED selber und immer unterschiedlich bestimmen, konnten wir bisher noch keine gegenseitige Beeinträchtigung der dicht beieinander liegenden IR-Lichtquellen beobachten.
 
  AZ Das oben beschriebene Problem mit der sicheren Verbindung der Lichtleiter mit dem LED/Sensor Baustein habe ich zum einen durch die neuen Stecker und zum anderen mit kleinen PVC Blöcken gelöst. Aus einem 10 x 10 mm PVC-Vierkantstab stellte ich kleine Quader mit dem jeweiligen Achsmaß der LED´s Löcher mit 5 mm Durchmesser und einer Tiefe von 7 mm. Die letzten 3 mm wurden mit einer 2 mm Bohrung fortgeführt die ich zum leichteren einstecken der Messingröhrchen in etwa der halben Tiefe etwas aufgeweitet habe. So wird die LED vollseitig umschlossen und eine zentrische Befestigung des Lichtleiters erreicht.

Für die Befestigung vor dem Sensor wird ein Würfel mit 10 mm Kantenlänge mit einem 8 mm tiefen und etwa 2,5 mm breiten Schlitz versehen. Diese Abschnitte erhielten dann im Achsmaß der 8 mm breiten Öffnung eine 2 mm Bohrung mit der Aufweitung. Die einzelnen Quader werden nach dem ausrichten mit der Elektronik und dem anschließenden bestreichen mit Stabilit-Express dauerhaft mit der Platine verklebt.
 
  AZ Aber auch diese Variante erwies sich im nachherein als handwerklich immer noch zu aufwändig und fehleranfällig.

Nachdem Thomas Kurz über seine Schwierigkeiten ausgiebig berichtet hatte, einen funktionsfähigen Achszähler mach meiner Methode herzustellen, kamen mir Zweifel, ob die von mir vorgestellte Variante die endgültig richtige Lösung war.

Beim stöbern im Netz war ich schon vor längerer Zeit auf eine Seite Schweizer Spur Null Eisenbahner gestoßen. Dort wurde ebenfalls mit den von uns genutzten Infrarot Sensor ein Achszähler realisiert. Hier jedoch wirkt im Schwellenfach eine IR-SMD-LED direkt auf den Lichtleiter der zum Sensor führt und der Lichtleiter wurde direkt durch einen Schlitz im Schienenkopf geführt. Das brachte mich auf die Idee, den Energieverlust durch den "aufgetrennten" Lichtleiter mit einer LED im Schwellenfach zu minimieren.
 
  AZ In einer meiner Grabbelkisten fand ich noch bedrahtete LED der Bauform 0805 die ich mal für irgendein Beleuchtungsprojekt beschafft hatte. Diese, neben die Erbert-Bauteile gelegt, bewiesen mir die größenmäßige Tauglichkeit. Handwerklich erwartete ich auch keine weiteren Probleme.

Ich suchte also bei Conrad nach einer Infrarot-SMD-LED in der Baugröße 0805 und fand sogar welche in der Baugröße 0603. Beide Bauformen habe ich dann, nach kurzer Rückfrage bei Stefan, ob ich diese statt der großen LED anschließen könne, bestellt und ausprobiert. Die IR-SMD-LED der Bauform 0805 erwies sich dann jedoch als zu groß um sie einfach in das Erbet Bauteil einbauen zu können. Nach einigen Anlaufschwierigkeiten, die nur einem Elektronik DAU wie mir passieren können, habe ich die LED dann auch zum Leuchten gebracht. Ein hilfreicher Tipp aus irgendeinem Forum im Netz half mir ungemein. Wenn man im Besitz einer elektronischen Kamera ist, so kann man in einem abgedunkelten Raum auf deren Bildschirm das Infrarote Licht zart blau erkennen. Auf diese Weise lässt sich die Funktion bzw. richtige Polung (Schäm) leicht überprüfen.
 
  AZ Um die LED in das Gehäuse eines Achszählers zu bekommen, habe ich den Bereich mit einem kleinen 0,8 mm Fräser bearbeitet. Die Verkabelung der LED erfolgte mit sehr dünner Litze mit 0,5 mm im Außendurchmesser, ähnlich wie die an den Lokdecodern. So war es möglich, diese Kabel zum Teil durch kleine Löcher in dem Erbert Bauteil sehr unauffällig nach unten zu führen bzw. die beim Vorbild an der Rückseite vorhandenen Anschlusskabel darzustellen.

Um ein stabiles Einbauteil zu erhalten bearbeitete ich alles so, dass sowohl Kabel als auch das Einbauteil in die Öffnung eines 3 mm Messingröhrchen mit 2,4 mm Innendurchmesser Platz fanden. Für die Verbindung mit der Platine habe ich sowohl die Buchsen als auch die Stecker aus einem Wannenstecker generiert. Für die überarbeitete Platine haben Stefan und ich jedoch professionelle Bauteile ausgesucht. Sobald wir die neuen Platinen einsetzen können, werde diese hier ebenfalls wieder dokumentiert bzw. verlinkt. Zunächst musste ich aber die vorhandenen 3 Platinen so umbauen, dass diese auch mit dem neuen Einbauteil(en) zusammen spielen.
 
  AZ Der Effekt des fehlenden Energieverlustes an der Lichtleiterbrücke ist enorm. Das Licht brüllt jetzt förmlich aus dem Lichtleiter so dass ein justieren vor dem Sensor nicht mehr notwendig ist, die Lichtleiter sogar mit etwas Abstand vor dem Sensor platziert werden können.

Beim Einbau der Lichtleiter habe ich die im Schienenkopf gefeilte Lücke mit zwei aneinander gelöteten und mit einem kleinen Neusilberblech belegten Messingröhrchen gefüllt und mit der Schiene verlötet. Mittlerweile habe ich Gussbauteile für diese Lücke herstellen lassen. Nach dem befeilen und dem Aufreiben der inneren Öffnungen habe ich die Lichtleiter, die zuvor einen geschmolzenen Linsenkopf erhielten, eingezogen. Dieser darf nicht zu groß geraten weil er sonst zu weit heraus ragen und für Probleme sorgen könnte. Bei den Betriebsmodulen sollte vor dem einziehen der Lichtleiter das Gleis lackiert werden. Der Lichtleiter ist jetzt zwar wieder frei verlegt, aber dadurch auch wieder deutlich unauffälliger. Die Steckverbindung der Lichtleiter vor dem Sensor habe ich wieder so aufgebaut wie im vorherigen Entwurf.
 
  AZ Die ersten ersten Achszähler waren in zwei Modulen von Stefan und in das Tunnelmodul von Michelstadt eingebaut worden und beim ersten Treffen mit dem Test des automatischen Selbstblock in Rastede 2012 ausgiebig getestet worden.

Hier lief noch nicht alles zufriedenstellend wobei die meisten Probleme aber in der Software und in dem zum Teil fliegenden Aufbauten zu finden waren. Derzeit bereite ich Module vor, die insgesamt eine Blocklänge von ca. 8 bis 10 m ergeben sollen. Im Zusammenspiel mit der Überleitstelle Auetal möchte ich hier die Gleisfreimeldung über Achszähler realisieren.

Wenn dies soweit ist, werde ich an dieser Stelle darüber berichten...



 
  Letzte Änderung: 10. Oktober 2015 ©2006 - 2016 Michael Weinert  
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