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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Messung der Achslast oder des Gewichts von Fahrzeugen während der Überfahrt über eine Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Insbesondere bei Gleisfahrzeugen ist es bekannt, das Fahrzeuggewicht oder dessen Achslasten während der Überfahrt über eine Wägevorrichtung zu ermitteln. Allerdings sind derartige dynamische Meßverfahren nur bei verhältnismäßig geringer Überfahrtgeschwindigkeit hinreichend genau, da sich die Meßzeit mit zunehmender Geschwindigkeit verkürzt und gleichzeitig auch größere Störanteile in den Meßsignalen auftreten. So sind derzeit in der Praxis Gleiswaagen bekannt, die bei Meßgenauigkeiten von ca. 0,5% nur Überfahrgeschwindigkeiten von höchstens 20 km/h zulassen.
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Aus der
DE 32 26 740 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Radlasten von schnellfahrenden Schienenfahrzeugen bekannt. Dazu ist in jeder Schiene oberhalb mindestens einer Schwelle ein Kraftsensor vorgesehen, der als Dehnungsmeßstreifensensor ausgebildet und in der neutralen Faser der Schiene angeordnet ist. Bei der Überfahrt eines Rades erzeugt der Kraftaufnehmer ein Signal, das der Achsbelastung proportional ist und aus der die Belastungskraft oder das Gewicht ermittelt wird. Allerdings entspricht dabei die Meßstrecke der Breite des Dehnungsmeßstreifens, so daß das Meßsignal nur für einen relativ kurzen Zeitraum zur Abtastung oder Erfassung zur Verfügung steht.
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Da durch die Rollbewegung des zu wägenden Waggons den Gewichtsmeßwerten Schwingungen überlagert sind, kann das aufgrund der Meßsignale ermittelte Gewicht stark von dem tatsächlichen Waggongewicht abweichen.
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Aus der
EP 0 500 971 A1 ist ein Wägeverfahren für Schienenfahrzeuge vorbekannt, bei dem in der neutralen Faser jeder Schiene mindestens zwischen zwei Schwellen zwei Kraftaufnehmer befestigt sind, dessen Meßsignale bei der Überfahrt eines Fahrzeugrades zu einem sogenannten Meßsignalfenster additiv verknüpft werden. Dadurch entsteht eine Meßstrecke dessen Meßsignalfenster etwa der Strecke zwischen den beiden Aufnehmern entspricht. Durch die verhältnismäßig lange Meßstrecke werden alle Störschwingungsanteile kompensiert, deren Wellenlänge kleiner ist als die Meßstrecke. Da die schwingungsbedingten Störanteile sowohl von der Überfahrgeschwindigkeit als auch von der Waggonbauart abhängen, kommen auch langwelligere nichtkompensierende Störschwingungsanteile vor, die das Wägeergebnis verfälschen können. Derartige Störschwingungsanteile werden in der Praxis dadurch verringert, daß man eine Gleiswaage aus mehreren zwischen den Schwellen angeordneten Meßstrecken zusammenschaltet, bei der die Störanteile gemittelt werden und sich dadurch häufig aufheben. Dies gelingt aber nur bei verhältnismäßig langen Wägestrecken und Störschwingungsanteilen, die nicht durch die Schwellenabstände angeregt worden sind.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Achslast- oder Gewichtsbestimmung zu schaffen, bei der die durch die Rollbewegung verursachten Störschwingungsanteile das Wägeergebnis nicht verfälschen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und Patentanspruch 8 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch den Vergleich des Meßsignalfensters mit einem schwingungsunabhängigen Referenzmessfenster auch periodisch angeregte Störschwingungen im Meßsignal korrigierbar sind, dessen Wellenlänge größer als das Messsignalfenster ist. Dabei ist die Korrektur der Störschwingungsanteile auch unabhängig von der Überfahrgeschwindigkeit und der Waggonbauart, so daß vorteilhafterweise auch unterschiedliche Überfahrgeschwindigkeiten mit verschiedenen Waggonbauarten die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigen.
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Die Erfindung hat durch die rechnerische Korrektur des dynamischen Störschwingungsanteils den Vorteil, daß derartige Meßfehler ohne aufwendige Kalibrierverfahren korrigierbar sind. Denn derartige Kalibrierverfahren müßten dann im praktischen Betrieb mit unterschiedlichen Waggontypen und verschiedenen Überfahrgeschwindigkeiten durchgeführt werden, wodurch gleichzeitig auch die Fahrstrecke blockiert würde. Desweiteren hat die Erfindung den Vorteil, daß durch die rechnerische Korrektur des Wägeergebnisses die dynamische Wägevorrichtung in seiner baulichen Ausgestaltung nicht verändert werden muß, so daß auch eine nachträgliche Erweiterung zur Störschwingungskorrektur ohne großen baulichen Aufwand möglich ist.
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Die Erfindung hat zusätzlich noch den Vorteil, daß durch den Vergleich des Meßsignalfensters mit einem schwingungsunabhängigen Referenzmessfenster alle überfahrbedingten Störschwingungsanteile korrigierbar sind, so daß vorteilhafterweise zur Störschwingungskorrektur sich die Meßvorrichtung nicht über eine Vielzahl von Messsignalfenstern innerhalb einer Gleisstrecke erstrecken muß, wodurch eine kurze Wägeschiene innerhalb des Gleiskörpers möglich ist.
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Eine besondere Ausbildung der Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Identifizierung der Störschwingungsanteile mit einem linearisierten Rechenverfahren bereits mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand der Störschwingungsanteil im Wägeergebnis meist sehr genau korrigierbar ist.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Gleiswaage;
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2: ein Schaubild eines Meßsignalfensters;
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3: ein Schaubild einer Meßsignalabweichung in Abhängigkeit der Überfahrgeschwindigkeit;
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4: ein Schaubild eines Referenzsignalfensters, und
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5: ein Schaubild des Störschwingungsanteils im Meßsignalfenster.
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In 1 der Zeichnung ist eine Gleiswaage schematisch dargestellt, die aus einer durch zwei Kraftaufnehmer 1, 2 jeder Schiene 4 gebildeten Meßstrecke besteht, wobei aus den Aufnehmersignalen beim Überfahren einer Waggonachse die schwingungsabhängigen Anteile ermittelt werden und das Meßergebnis um diese Anteile korrigiert wird, so daß ein genaues Achs- oder Waggongewicht anzeigbar ist.
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Die Gleiswaage besteht aus mindestens zwei Kraftaufnehmern 1, 2, die an der neutralen Faser 5 jeder Schiene 4 befestigt sind. Dabei sind die Kraftaufnehmer 1, 2 als Schubspannungsaufnehmer in Dehnungsmeßstreifentechnik (DMS) ausgebildet und zwischen den Schwellen 3 symmetrisch angeordnet. Auf der Schiene 4 ist ein Rad 6 schematisch dargestellt, durch das bei seiner Überfahrt über die Schiene 4 die zu messende Kraft F in die Kraftaufnehmer 1, 2 eingeleitet wird. Dabei entsteht linear zwischen den beiden Kraftaufnehmern 1, 2 eine Meßstrecke, die den größten Bereich zwischen den Schwellen 3 ausfüllt, um eine möglichst große Meßstrecke zu erhalten. Dadurch sind auch bei relativ schnell fahrenden Waggons oder anderen Fahrzeugen noch genügend abtastbare Meßpunkte erfaßbar, um ein möglichst genaues Meßergebnis zu erzielen. In der Praxis bestehen derartige Waagen meist aus vier, acht und mehr Meßstrecken zwischen den Schwellenfächern, um eine hinreichende Meßgenauigkeit zu erzielen und mindestens jedes Drehgestell eines Waggons als ganzes erfassen zu können.
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Bei herkömmlichen Eisenbahnschienensträngen sind Schwellenabstände von 630 mm zwischen den Schwellenmitten vorgesehen, so daß Meßstrecken innerhalb eines Schwellenfaches von ca. 400 mm erreichbar sind. Die beiden Kraftaufnehmer 1, 2 jeder Schiene 4 werden in einer Schalteinrichtung 7 zu einer Wheatstone'schen Meßbrücke verschaltet, so daß im Meßzweig dieser Brücke das Summensignal der beiden Kraftaufnehmer 1, 2 anliegt, das ein sogenanntes Messsignalfenster bei der Überfahrt bildet. Da dieses Messsignalfenster meist im zeitlichen Abstand abgetastet wird, entsteht bei einer schnellen Überfahrt ein zeitlich schmales und bei einer langsamen Überfahrt ein zeitlich breiteres Messsignalfenster.
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Die im Meßzweig der Brücke anliegenden Meßsignale werden einer Auswertevorrichtung 8 zugeführt, die daraus die Achsbelastung oder das Waggongewicht ermittelt, das dann weiterverarbeitbar oder in einer Anzeigevorrichtung 9 darstellbar ist.
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Eine derartige Gleiswaage entspricht dem Stand der Technik und erfaßt bei der Überfahrt eines Rades 6 eines Waggons bzw. einer Waggonachse ein Messsignalfenster als Messsignalverlauf FM(x) 11, das in 2 der Zeichnung als Schaubild grafisch dargestellt ist. Für dieses Messsignalfenster 11 ist beispielsweise eine Achslast FM von ca. 2,2 t ermittelt worden, während ein Rad 6 des Waggons mit beispielsweise einer Geschwindigkeit v von 15 km/h über die Meßstrecke X gerollt ist.
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Dieses Messsignalfenster 11 setzt sich zusammen aus der mit einer mechanisch bedingten Verzerrung (Glockenform) versehenen Summe des reinen gewichtsbedingten Anteils FG 12 und eines schwingungsbedingten Anteils FS 13, wobei der schwingungsbedingte Anteil FS 13 in erster Linie von den geschwindigkeitsabhängigen Vertikalschwingungen während der Überfahrt erzeugt wurde. Denn durch die Schwellenabstände biegen sich die Schienen 4 bei einer Überfahrt eines Rades 6 einer Waggonachse geringfügig nach unten elastisch durch, so daß vertikale Schwingungen mit der Wellenlänge der Schwellenabstände angeregt werden, die in das Meßergebnis eingehen. Da diese vertikalen Schwingungen sowohl von der Bauart als auch der Überfahrgeschwindigkeit v der Waggons abhängen, sind diese Signalschwankungen recht unterschiedlich, sowohl in dessen Amplitude als auch in der Phase.
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Ein derartiger Meßwerteverlauf 15 bei unterschiedlichen Überfahrgeschwindigkeiten v eines Eisenbahnwaggons über eine Wägestrecke X ist in 3 der Zeichnung als grafisches Schaubild dargestellt. Hierbei wurde ein bestimmter vierachsiger Eisenbahnwaggon von einem Gewicht W von ca. 67,85 t bei Überfahrgeschwindigkeiten v von 7 bis 15 km/h gemessen und deren Gewichtsbelastung W über der Geschwindigkeit v aufgetragen. Dabei wurde festgestellt, daß das ermittelte Gewicht W um einen Mittelwert 16 von ca. 68,85 t mit einem Differenzwert von 1,1 t schwankt. Insbesondere tritt dabei offenbar ein Effekt auf, bei dem sich bei geringer Geschwindigkeit v bis ca. 9 km/h das ermittelte Gewicht W positiv vom tatsächlichen Gewicht abweicht. Bei einer höheren Geschwindigkeit v ab ca. 12 km/h ist hingegen die Abweichung negativ. Überraschenderweise hat sich bei einem Geschwindigkeitsbereich v zwischen ca. 10 bis 11,5 km/h eine starke Erhöhung der Abweichung und eine Umkehr der Abweichung herausgestellt. Bei diesem Geschwindigkeitsbereich tritt für eine bestimmte Waggonbauart offensichtlich eine Art Resonanzerscheinung auf, die zu besonders hohen Abweichungen und damit Meßfehlern führt. Da diese schwingungsbedingten Abweichungen im Meßergebnis sowohl von der Waggonbauart als auch zusätzlich noch von dessen Beladung abhängen, sind derartige Abweichungen auch durch eine Kalibrierung der Waage nicht zu korrigieren. Ein derartiger Meßfehler von ca. 1,1 t kann auch nicht durch eine Verlängerung der Gesamtmeßstrecken ausgeglichen werden, da durch die symmetrischen Meßsignalfenster 11 zwischen den Schwellen 3 nie eine vollständige Wellenlänge der durch die Durchbiegung angeregten vertikalen Schwingungen erfaßbar ist, sondern immer nur derselbe Schwingungsausschnitt, der in Abhängigkeit der Waggonbauart, der Beladung und der Überfahrgeschwindigkeit sowohl positiv als auch negativ sein kann.
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Die erfinderische Lösung, die schwingungsabhängigen Meßsignalschwankungen innerhalb des Messsignalfensters 11 zu korrigieren, lag nun in einer Ermittlung des jeweiligen schwingungsbedingten Anteils 13 im Messsignal als schwingungsbedingter Signalverlaufsanteil FS. Da dieser schwingungsbedingte Signalverlaufsanteil FS 13 wegen des geringen Schwingungsausschnitts nur einen kurzen Ausschnitt einer periodischen Schwingung darstellt, typischerweise ½ Periode, ist er mit gewöhnlichen Filtern (z. B. Tiefpaß) nicht zu eliminieren. Daher schlägt die Erfindung vor, jedes erfaßte Meßsignalfenster 11 mit einem schwingungsunabhängigen Referenzmeßfenster zu vergleichen und daraus die schwingungsbedingten Anteile 13 rechnerisch zu ermitteln und damit das Meßergebnis zu korrigieren. Dazu ist die Auswertevorrichtung 8 als elektronische Rechenvorrichtung ausgebildet, die die analogen oder digitalen Meßsignale nach festen Schaltungsvorgaben oder programmgesteuert miteinander verknüpft und speichert. Die Auswertevorrichtung 8 enthält dabei mindestens eine Speicherschaltung, in die zunächst schwingungsunabhängige Meßwerte eingespeichert werden. Diese sind dadurch ermittelbar, daß mit Hilfe eines vorgegebenen Referenzgewichts FR das beispielsweise mit 400 Meßschritten quasi statisch über die Meßstrecke X bewegt wird und deren Meßwerte F(x) schrittweise nacheinander erfaßt und abgespeichert werden. Ein derartig ermitteltes Referenzsignalfenster stellt lediglich die Ortsabhängigkeit der Meßwerteerfassung auf der Meßstrecke X dar, weil durch die quasi statische Erfassung keine schwingungsbedingten Abweichungen in das Meßsignal F(x) eingehen können. Aus diesen erfaßten schwingungsunabhängigen Meßwerten F(x) wird aufgrund des bekannten Referenzgewichts FR und der bekannten Meßstreckenabmessungen ein Referenzmeßfenster als Referenzsignalverlauf 17 durch eine Rechenschaltung in der Auswertevorrichtung 8 ermittelt.
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Ein derartiges Referenzmeßfenster 17 ist in 4 der Zeichnung grafisch dargestellt. Dieser Referenzsignalverlauf 17 innerhalb des Meßfensters ergibt sich aus der Beziehung Ref = F(x)/FR. Dieses Referenzmeßfenster Ref ist aufgrund des bekannten Referenzgewichtswertes FR in der Amplitude auf einen Relativwert von 0 bis 1 normiert und in der Speicherschaltung der Auswertevorrichtung 8 in Abhängigkeit der Meßfensterlänge x gespeichert.
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In der Auswertevorrichtung 8 wird mit Hilfe einer Rechenschaltung aus den ermittelten schwingungsabhängigen Meßfensterwerten des Messsignalverlaufs FM(x) und dem gespeicherten Referenzmeßfensterwert Ref eine Ähnlichkeitstransformation nach der mathematischen Beziehung Ffit(x) = a·FM(b·x + c) durchgeführt, z. B. mittels Interpolation. Die Faktoren a als Höhenmaßstab, b als Breitenmaßstab und c als Verschiebemaßstab müssen zunächst ermittelt werden. Dies kann einerseits mittels einer nichtlinearen Parameterschätzung erfolgen, indem die Summe der Fehlerquadrate der Differenz aus Referenzsignal und transformiertem Meßsignal minimiert wird. Die Startwerte sind hierbei geeignet zu wählen, da diese großen Einfluß auf die Optimierung haben. Andererseits genügt es, die Faktoren a, b und c auf direktem Weg zu bestimmen oder diese als Startwerte für die Optimierung zu verwenden. Der Faktor a berechnet sich aus dem Maximalwert des Referenzsignales (also 1, da dieses normiert wurde) geteilt durch den Maximalwert h des Meßsignales, wobei zur Vermeidung von Spitzen das Meßsignal hierfür z. B. mit einem Tiefpaß zu filtern ist. Es sind nun die Durchstoßpunkte des Referenzsignales durch die Linie der Höhe 0,5 zu ermitteln. Diese Zeiten werden mit tR1 und tR2 bezeichnet. Entsprechend werden die Zeiten des Durchstoßes des Meßsignals durch seine halbe Höhe (also 0,5·h) berechnet. Diese werden mit tM1 und tM2 bezeichnet. Die Koeffizienten b und c der Transformation sind nun so zu bestimmen, daß tM1 = b·tR1 + c und tM2 = b·tR2 + c gilt. Die Rechenschaltung bildet nun aus den bekannten Meßwerten FM und der Zeitkoordinate x einen normierten Meßfensterverlauf Ffit(x). Durch diesen normierten Meßfensterverlauf Ffit(x) und dem Vergleich mit dem Referenzsignalverlauf Ref errechnet eine Rechenschaltung der Auswertevorrichtung 8 nach der Funktion FE(x) = Ffit(x)/Ref(x) den entzerrten Signalverlaufsanteil FE.
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Ein derartiger entzerrter Signalverlaufsanteil FE ist in 5 der Zeichnung als Schaubild grafisch dargestellt. Dabei ergeben sich meist Meßwerte in Abhängigkeit der Meßfensterlänge x, die beidseitig eines entzerrten Referenzverlaufs 19 auftreten und damit auf die jeweilige bekannte Oberfahrgeschwindigkeit v normiert sind. FE(x) besteht vorwiegend aus der Schwingung FE,R(x) = G + A·sin(ω·x + φ). Deren Koeffizienten G für den Gleichanteil, A für die Amplitude der Schwingung, ω für die Kreisfrequenz der Schwingung und φ für die Phasenlage der Schwingung werden in einer Rechenschaltung in der Auswertevorrichtung 8 mittels bekannter Iterationsverfahren (z. B. nach Levenberg-Marquardt) so bestimmt, daß sich eine optimale Annäherung als Rekonstruktion FE,R(x) 20 der Schwingung an FE(x) 18 ergibt, die den schwingungsbedingten Signalverlaufsanteil FS 13 darstellt. Der korrigierte Gewichtswert entspricht dem Gleichanteil G, wobei dieser noch durch den Höhenmaßstab a zu dividieren ist. Alternativ ist es möglich, den Gewichtswert additiv bzw. subtraktiv um den Integrationswert des Störschwingungsanteils zu korrigieren.
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Vorteilhafterweise kann durch dieses Verfahren auch bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten der schwingungsabhängige Meßsignalanteil als schwingungsbedingter Signalverlaufsanteil FS bzw. die Annäherung FE,R an den entzerrten Signalverlaufsanteil FE berechnet und in der Meßwertanzeige berücksichtigt werden, wodurch die Meßgenauigkeit insbesondere im Resonanzbereich erheblich verbesserbar ist. Dieses korrigierte Meßsignal für das Achs- oder Waggongewicht W kann in weiteren elektronischen Recheneinrichtungen weiterverarbeitet und/oder in der Anzeigevorrichtung 9 analog oder digital dargestellt werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Auswertevorrichtung 8 so ausgebildet, daß nach der Ähnlichkeitstransformation der entzerrte Signalverlaufsanteil FE mit der Funktion FE,R(x) = G + Ax·cos(ω·x) + Ay·sin(ω·x) angenähert bzw. rekonstruiert wird. Diese Funktion ist gleichwertig mit G + A·sin(ω·x + φ) und ergibt sich durch Umformung mittels der „Additionstheoreme transzendenter Funktionen” (siehe z. B. Bronstein: Taschenbuch der Mathematik). Es gilt die Beziehung Ax = A·sin(φ) und Ay = A·cos(φ) bzw. in der Umkehrung A = A√x 2 + Ay 2 und tan(φ) = Ay/Ax. Da diese Gleichung jetzt linear in den Koeffizienten G, Ax und Ay ist, muß sie nur noch nach ω iteriert werden. Die Koeffizienten G, Ax und Ay sind in einer Rechenschaltung der Auswertevorrichtung 8 in jedem Iterationsschritt von ω z. B. mittels einer LS-Parameteridentifikation (LS = Fehlerberechnung nach der kleinsten Fehlerquadratsumme) eindeutig rechnerisch zu bestimmen, da dieser Fehler nur noch ein Minimum aufweist. Dieses Rechenverfahren mit linearisierten Koeffizienten ist vorteilhaft ausführbar, wenn der schwingungsabhängige Signalverlaufsanteil FS bzw. die Rekonstruktion FE,R 20 des entzerrten Signalverlaufsanteils FE nur mit wenigen Rechenschritten berechnet werden soll, da hierdurch eine höhere Genauigkeit mit geringerer Rechenkapazität in kurzer Zeit erzielbar ist.
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In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist die Frequenz ω bereits bekannt, da die betrachtete Schwingung eine bekannte Wellenlänge, nämlich den Schwellenabstand hat. Im Falle der zu bestimmenden Funktion FE,R = G + A·sin(ω·x + φ) sind hier nur noch die Parameter G, A und φ z. B. mittels Iterationsverfahrens zu bestimmen. Im Falle der zu bestimmenden Funktion FE,R = G + Ax·cos(ω·x) + Ay·sin(ω·x) sind nur noch die Parameter G, Ax und Ay zu bestimmen, was mittels LS-Verfahren, also ohne Iterationsverfahren erfolgen kann. Dieses kann sogar soweit reduziert werden, daß die Rechenschaltung nur noch G explizit berechnet.
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Ein derartiges Korrekturverfahren bei der dynamischen Messung von Achslasten und Fahrzeuggewichten eignet sind vorzugsweise bei der Messung von Schienenfahrzeugen, kann aber auch bei der dynamischen Gewichtsmessung von Landfahrzeugen eingesetzt werden.
