CZ202245A3 - Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání - Google Patents
Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání Download PDFInfo
- Publication number
- CZ202245A3 CZ202245A3 CZ2022-45A CZ202245A CZ202245A3 CZ 202245 A3 CZ202245 A3 CZ 202245A3 CZ 202245 A CZ202245 A CZ 202245A CZ 202245 A3 CZ202245 A3 CZ 202245A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- optical fiber
- deformation
- sensor
- elastically deformable
- deformable member
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 126
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims abstract description 20
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 5
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 5
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- -1 poly(ethylene terephthalate) Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 2
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 3
- 229920007019 PC/ABS Polymers 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 241001669679 Eleotris Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229920012128 methyl methacrylate acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
- G01L1/243—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using means for applying force perpendicular to the fibre axis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
- B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
- B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
- B61L1/02—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts
- B61L1/06—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts actuated by deformation of rail; actuated by vibration in rail
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Předmětem vynálezu je kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly, zejména pro detekci průjezdu kola kolejového vozidla. Senzor (14) obsahuje pouzdro (1, 2), první elasticky deformovatelný člen (3) uložený v pouzdře (1, 2), a optické vlákno (9) uložené v prvním elasticky deformovatelném členu (3) a propojitelné s vyhodnocovací jednotkou (23) obsahující zdroj (21) světla, detektor (20) a procesor (15). První elasticky deformovatelný člen (3) obsahuje na jedné straně první deformační plochu, ve které je uspořádán alespoň jeden nepřerušovaně probíhající zářez (6) pro uložení optického vlákna (9). V zářezu (6) je uspořádán alespoň jeden první deformační výstupek (5a), který je nižší než hloubka zářezu (6) a který je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly přes pouzdro (1, 2) a první elasticky deformovatelný člen (3) na první deformační výstupek (5a) a zatlačením prvního deformačního výstupku (5a) na optické vlákno (9) je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna (9). První deformační výstupek (5a) je zhotoven z plastu.
Description
Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání
Oblast techniky
Tento vynález se týká víceúčelového kompozitního senzoru kolejových vozidel s optickými vlákny, zejména kompozitního optovláknového senzoru vhodného pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, a způsobu detekce tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla.
Dosavadní stav techniky
V současném stavu techniky, viz. článek „Optické a vláknově optické senzory v železničních aplikacích“ v časopise Nová železniční technika, 3/2021, str. 25-29, jsou známy mikroohybové optické senzory patřící do skupiny amplitudových senzorů. Tyto senzory pracují na principu porušení okrajových podmínek šíření světla v optickém vlákně. Vlivem měřené veličiny dochází ke změně geometrie optického vlákna a tím i k porušení podmínky úplného odrazu na rozhraní jádro-plášť. Tyto senzory vyhodnocují pokles intenzity vystupujícího světla z konce optického vlákna nebo nárůst intenzity světla, které uniká přes plášť do okolního prostředí. Pomocí mikroohybových senzorů lze například snímat následující veličiny: hmotnost, mechanický tlak, zrychlení, deformace a vibrace. Hlavní výhody těchto senzorů jsou jednoduchá konstrukce, využití multimódových optických vláken a s tím související nízká cena. V konkrétním provedení byly do dvou míst pod patu kolejnice umístěny mikroohybové snímače, přičemž při průjezdu nápravy byly snímače deformovány úměrně hmotnosti působícím tlakem. Pomocí dvou senzorů bylo možné spolehlivě měřit i rychlost a směr železniční i tramvajové soupravy.
V patentovém spise DE 10057740 AI je popsáno zařízení pro detekci vad kruhovitosti kol kolejových vozidel pomocí optovláknového senzoru, který je umístěn buď mezi patou kolejnice apodkladnicí či pražcem, nebo v příčném otvoru stojiny kolejnice, a dále způsob detekce vad kruhovitosti kol kolejových vozidel uvedeným zařízením. Uvedený senzor obsahuje pouzdro a v něm uložené optické vlákno, které je elasticky deformovatelné v odezvě na zátěž způsobenou průjezdem kola. Tato deformace proporčně k zátěži ovlivňuje vstupní světelný signál v optickém vlákně a může spočívat v dočasné změně délky nebo průměru vlákna, čímž se prodlužuje dráha, případně zvyšuje útlum světelného signálu. Takto změněný signál je detekován měřicím zařízením, které na základě vysoko- nebo nízkofrekvenčních výchylek signálu detekuje přítomnost nebo nepřítomnost samotného projíždějícího kola a zejména vad jeho kruhovitosti.
Nevýhodou uvedeného senzoru je, že při vysokých zátěžích (např. plně naložený nákladní vlak) může změnou délky nebo průměru samotného optického vlákna dojít k nevratným deformacím a k poškození senzoru.
V patentovém spise DE 19518123 AI je popsáno zařízení pro detekci průjezdu kol kolejových vozidel a pro stavební prvky ovlivněné elektrickou nebo elektromagnetickou interferencí, které obsahuje optovláknový senzor a vyhodnocovací jednotku. Uvedený senzor obsahuje tělo a v něm uložené optické vlákno, které jsou obě elasticky deformovatelné v odezvě na zátěž způsobenou průjezdem kola. Tělo navíc v jednom provedení obsahuje téměř nedeformovatelné kovové kolíky, které jsou umístěné nad a pod optickým vláknem, navzájem v odstupu (tj. ne nad sebou a ne příliš blízko vedle sebe) a bez přímého kontaktu s optickým vláknem (viz obr. 2, DE 19518123 AI). Při působení tlakové síly tlačí tyto kovové kolíky prostřednictvím elasticky deformovatelného těla na optické vlákno, čímž ho deformují z obou stran. Uvedená deformace proporčně k zátěži ovlivňuje vstupní světelný signál v optickém vlákně a může spočívat v reverzibilním mikroohybu, vyosení nebo změně úhlu, čímž se zvyšuje útlum světelného signálu. Takto změněný signál je detekován
- 1 CZ 2022 - 45 A3 vyhodnocovací jednotkou, která na základě výchylek signálu detekuje přítomnost nebo nepřítomnost samotného projíždějícího kola.
Hlavní nevýhodou uvedeného senzoru je, že uvedené kolíky jsou vyrobeny z kovu, což může způsobit problémy v senzorech, které podléhají intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci a vyžadují výhradně nekovové součásti. Další nevýhodou uvedeného senzoru je, že tlaková síla působí z kovových kolíků na optické vlákno pouze nepřímo prostřednictvím elasticky deformovatelného těla, čímž se může rozložit na větší plochu, přičemž navíc v kombinaci citlivosti kovového kolíku na výkyvy teploty kvůli své vysoké teplotní roztažnosti můžou v detekovaném signálu vznikat nepřesnosti.
V patentovém spise EP 0608645 AI je popsáno zařízení pro detekci tlakové síly, např. pro detekci průjezdu kola, které obsahuje optovláknový senzor a vyhodnocovací jednotku. Uvedený senzor obsahuje tělo (zhotovené např. z pryže) a v něm uložené optické vlákno, které jsou obě elasticky deformovatelné v odezvě na zátěž způsobenou tlakovou sílou. V prvním provedení obsahuje tělo navíc kovový pás s vystupujícími žebry, která jsou umístěna pouze pod optickým vláknem, navzájem v odstupu (tj. ne příliš blízko vedle sebe) a v přímém kontaktu s optickým vláknem (viz obr. 3, EP 0608645 Al). V druhém provedení obsahuje tělo navíc kovový pás, který je umístěn pod optickým vláknem, a deformační vlákno z tvrdého materiálu, spirálovitě navinuto kolem optického vlákna v místě mezi elasticky deformovatelným tělem a kovovým pásem tak, že vytváří deformační průsečíkové body, které jsou umístěny nad a pod optickým vláknem, navzájem v odstupu (tj. ne nad sebou, a ne příliš blízko vedle sebe) a v přímém kontaktu s optickým vláknem (viz obr. 4, EP 0608645 AI). Při působení tlakové síly tlačí tato vystupující kovová žebra nebo tyto deformační průsečíkové body deformačního spirálovitého vlákna prostřednictvím elasticky deformovatelného těla na optické vlákno, čímž ho deformují z jedné strany (první provedení) nebo z obou stran (druhé provedení). Uvedená deformace proporčně k zátěži ovlivňuje vstupní světelný signál v optickém vlákně a může spočívat v reverzibilním mikroohybu, čímž se zvyšuje útlum světelného signálu. Takto změněný signál je detekován vyhodnocovací jednotkou, která na základě výchylek signálu detekuje přítomnost nebo nepřítomnost tlakové síly.
Hlavní nevýhodou uvedeného senzoru je, že uvedená žebra a uvedené deformační spirálovité vlákno jsou vyrobeny z kovu nebo jiného tvrdého materiálu, což může způsobit problémy v senzorech, které podléhají intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci a vyžadují výhradně nekovové součásti. Další nevýhodou uvedeného senzoru je, že kvůli své tvrdosti (kov nebo tvrdý materiál) můžou žebra nebo deformační spirálovité vlákno vést až k poškození senzoru a k nevratným (plastickým) deformacím optického vlákna, zejména ke změnám jeho průměru.
Další podobné senzory pro detekci tlakové síly jsou známé z evropské patentové přihlášky EP 2733474 A2, rakouské patentové přihlášky AT 522346 AI a evropské patentové přihlášky EP 2013590 A2.
Nevýhodou výše uvedených senzorů je tedy jejich nízká odolnost vůči intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci kvůli přítomnosti kovových součástí a riziko poškození optického vlákna příliš tvrdými deformačními prvky při vysokých zátěžích.
Ve stavu techniky tedy vzniká potřeba nového optovláknového senzoru pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, který je odolný vůči intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci a u kterého nedochází k poškození optického vlákna při vysokých zátěžích.
-2CZ 2022 - 45 A3
Podstata vynálezu
Cílem tohoto vynálezu je poskytnout optovláknový senzor překonávající výše uvedené nevýhody stavu techniky.
Podle prvního provedení je cíle tohoto vynálezu dosaženo kompozitním optovláknovým senzorem vhodným pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, podle nároku 1. Uvedený senzor obsahuje pouzdro pro ochranu vnitřních částí, první elasticky deformovatelný člen uložený v pouzdře, a optické vlákno uložené v prvním elasticky deformovatelném členu a propojitelné s vyhodnocovací jednotkou obsahující zdroj světla, detektor a procesor. Vyhodnocovací jednotka se nachází mimo samotný senzor. První elasticky deformovatelný člen obsahuje na jedné (spodní) straně první deformační plochu, ve které je uspořádán alespoň jeden nepřerušovaně probíhající zářez pro uložení optického vlákna. V zářezu je uspořádán alespoň jeden první deformační výstupek, který je nižší než hloubka zářezu a který je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly ze zátěže (např. kolo kolejového vozidla) přes kolejnici, pouzdro a první elasticky deformovatelný člen na první deformační výstupek a zatlačením prvního deformačního výstupku na optické vlákno je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna.
Tento reverzibilní mikroohyb vede k částečnému vyvázání vedené světelné energie z optického vlákna. Velikost vyvázané světelné energie je závislá na míře deformace optického vlákna tlakovou sílou a je tedy úměrná hmotnosti zátěže. Mikroohyby jsou poruchy přímočarosti osy vlákna a malé chyby v geometrii vlákna. V uvedeném senzoru vznikají při deformaci optického vlákna v místech deformačních výstupků, kde dochází ke stlačení optického vlákna a ke změně geometrie optického vlákna v řezu. Na mikroohybech jsou některé paprsky (vidy) odráženy pod velkým úhlem, unikají mimo jádro optického vlákna a dochází tak ke zvětšení jeho útlumu. Reverzibilita mikroohybu je zajištěna u zátěží menších, než je maximální zátěž v elastické míře deformace materiálu optického vlákna. Změny v tlakové síle působící na senzor se přenáší pomocí změny výkonu (intenzity) světelného paprsku vedeného v optickém vlákně do vyhodnocovací jednotky.
V okolí deformačního členu dochází k další změně zakřivení optického vlákna - makroohybu, který se rovněž podílí na změnách přenosových vlastností vlákna. Makroohyby vznikají v případě ohybu optického vlákna pod určitou mez poloměru křivosti a způsobují nedodržení podmínky totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště a vyvázání světla z optického vlákna. V uvedeném senzoru makroohyby vznikají kolem deformačních výstupků, kolem kterých se optické vlákno ohýbá. S klesajícím poloměrem zakřivení optického vlákna se zvětšuje množství vyvázané energie světelného paprsku z jádra optického vlákna směrem do jeho pláště a dále ven do okolí, čímž narůstá přenosový útlum vlákna. Jinými slovy, vyvázání světla makroohybem vzniká všude tam, kde je překročen minimální poloměr zakřivení vlákna, kritický pro daný typ vlákna. Změny tohoto zakřivení vlivem tlakové síly způsobují další vyvázání energie, které se přičítá k reverzibilním změnám na mikroohybech. Výsledkem působení sil na senzor je amplitudová modulace intenzity výstupního světelného signálu, přičemž do snímače vstupuje vstupní světelný signál s konstantní intenzitou. Vyhodnocovací jednotka následně provádí převod optického signálu na elektrický a z něj následně vyhodnocuje průjezd a přítomnost železničního kola v blízkosti senzoru.
Podstatou tohoto vynálezu je, že první deformační výstupek je zhotoven z plastu, což zajišťuje odolnost vůči intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci, protože plast je nekovový materiál, a což dále eliminuje riziko poškození optického vlákna v přímém kontaktu s prvním deformačním výstupkem, protože plast je ve srovnání s kovem měkký a poddajný materiál, který kopíruje nerovnosti optického vlákna a nezpůsobuje jeho nevratné deformace, zejména změny průměru vlákna. Senzor tak vytváří robustní elektrickou izolaci mezi kolejnicí a vyhodnocovací jednotkou.
Pro výrobu deformačních členů byla použita technologie 3D tisku z důvodu velkého množství typů filamentů, v rámci kterých je možné zvolit filament s požadovanými vlastnostmi: pevnost, tvrdost,
-3 CZ 2022 - 45 A3 provozní teplota, odolnosti vůči vnějším vlivům apod. Mezi vhodné plasty (filamenty pro 3D tisk) pro zhotovení deformačních výstupků patří poly(akrylonitril-co-styren-co-akrylát) (ASA), poly(akrylonitril-co-butadien-co-styren) (ABS), poly(akrylonitril-co-butadien-co-styren-comethyl-methakrylát) (transparentní ABS; ABS-T; MABS), směs polykarbonátu apoly(akrylonitril-co-butadien-co-styrenu) (PC/ABS), poly(ethylen-co-tereftalát) s modifikací glykolu (PETG), směs poly(ethylen-co-tereftalátu) s modifikací glykolu a karbonových vláken (PETG/CF; CFJet), a poly(etherimid) uzpůsobený pro 3D tisk (PEI; PeiJet). Vhodným plastem pro zhotovení deformačních výstupků může být např. poly(akrylonitril-co-styren-co-akrylát) (ASA) nebo poly(ethylen-co-tereftalát) s modifikací glykolu (PETG), o tvrdosti měřitelné v rámci stupnice Shore A (obecně udávané hodnoty přibližně 25 až přibližně 100, např. 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 nebo 100) nebo v rámci Rockwellovy stupnice B (obecně udávané hodnoty 0 až přibližně 100, např. 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 nebo 100). Kromě toho lze využít i polyurethan (PU), zejména litý polyuretan, ze kterého je možné destičky odlít a vytvrdit do požadované tvrdosti, např. v rozmezích uvedených výše. Pro výrobu deformačních členů je možné využít i jiných postupů a materiálů splňujících výše uvedené, požadované parametry.
Podle druhého provedení je cíle tohoto vynálezu dosaženo kompozitním optovláknovým senzorem vhodným pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, podle nároku 2. Tento senzor ve srovnání se senzorem podle prvního provedení navíc obsahuje druhý elasticky deformovatelný člen uložený v pouzdře a obsahující na jedné (vrchní) straně druhou deformační plochu přilehlou k první deformační ploše prvního elasticky deformovatelného členu. Na druhé deformační ploše je uspořádán alespoň jeden druhý deformační výstupek tak, že po přiložení první a druhé deformační plochy k sobě vyčnívá do zářezu pro uložení optického vlákna a mimo první deformační výstupek. První a druhý deformační výstupek jsou tedy navzájem v odstupu a zároveň v přímém kontaktu s optickým vláknem. Druhý deformační výstupek je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly přes pouzdro, první elasticky deformovatelný člen a první deformační výstupek na optické vlákno a zatlačením optického vlákna na druhý deformační výstupek je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna. Druhý deformační výstupek je rovněž zhotoven z plastu ze stejných důvodů jako první deformační výstupek.
V senzoru podle prvního provedení nastává reverzibilní mikroohyb optického vlákna pouze působením prvního deformačního prvku z jedné strany (seshora), což činí tento senzor méně citlivý, a tudíž vhodný pro vyšší zátěže (např. plně naložené nákladní vlaky, nebo obecně železniční vozidla). V malé míře se působením prvního deformačního prvku v jeho okolí projevuje i makroohyb optického vlákna. Naopak v senzoru podle druhého provedení nastává reverzibilní mikroohyb optického vlákna působením prvního i druhého deformačního prvku z obou stran (seshora i zezdola), což činí tento senzor citlivější, a tudíž vhodný pro nižší zátěže (např. tramvajová vozidla). Působením prvního i druhého deformačního prvku se v jejich okolí projevuje i makroohyb optického vlákna v podstatně větší míře než u senzoru podle prvního provedení.
Ve výhodném provedení můžou být první a/nebo druhé deformační výstupky uspořádány v matici deformačních bodů, např. v matici 1x2, 1x3, 1x4, 1x5, 1x6, 2x2, 2x3, 2x4, 2x5, 2x6, 3x3, 3x4, 3x5, 3x6 atd. Na optickém vlákně se uplatňuje sériový model nárůstu útlumu vlákna na mikroohybech, tedy počet deformačních bodů násobí změnu optického signálu a tím zvyšuje citlivost senzoru. Závislost není zcela lineární, při velkém počtu deformačních bodů na ploše způsobí rozklad sil a snížení efektu zvyšování citlivosti senzoru.
Pro matice o jednom řádku/sloupci může být zářez pro uložení optického vlákna lineárně probíhající a/nebo zakřivený. Pro matice o alespoň dvou řádcích a dvou sloupcích je potřebné, aby byl zářez pro uložení optického vlákna zakřivený. Zakřivením zářezu můžou vzniknout různé smyčky, vlásenky, spirály apod. Pro každý typ optického vlákna je definován minimální poloměr zakřivení. Zakřivením optického vlákna v zářezu nastává pouze zanedbatelný vlastní útlum světelného signálu, protože toto zakřivení má dostatečně velký poloměr zakřivení, kde makroohyb nevzniká. Zářezů může teoreticky být i více, ale to vyžaduje i více optických vláken, což samotný senzor komplikuje.
-4CZ 2022 - 45 A3
Ve výhodném provedení je optické vlákno mnoho vidové. Mnoho vidová vlákna mají přibližně o řád větší průměr než jednovidová, vyznačují se lepší mechanickou odolností, větší odolností vůči vibracím na spojovacích konektorech při shodné výrobní přesnosti a výrazně vyšší citlivostí na ohyby vůči jedno vidovým vláknům.
Ve výhodném provedení jsou pouzdro, první elasticky deformovatelný člen a druhý elasticky deformovatelný člen zhotoveny z pryže nebo podobného elasticky deformovatelného materiálu pro zajištění elastické deformovatelnosti a účinného přenosu tlakové síly až na deformační výstupky a optické vlákno. Výběr pryžových materiálů pro součásti senzoru je dán odolností proti vnějším vlivům, odolností proti ropným produktům a dalším chemikáliím, jejichž výskyt lze očekávat v místě nasazení senzoru.
Ve výhodném provedení obsahuje pouzdro vrchní část a spodní část. Vrchní část může obsahovat dva vystupující protilehlé okraje přesahující přes spodní část pro zabránění nechtěného posunu nebo prokluzu senzoru při pohybu kolejnice vlivem jejího pružení a tepelné roztažnosti. Vrchní část může dále obsahovat ochranné prvky pro ochranu propojení optického vlákna a optického kabelu vedeného ze senzoru do vyhodnocovací jednotky, viz níže. Výstup obou konců optického vlákna může být vedle sebe nebo na opačných stranách pouzdra. Rozměry senzoru jsou určeny typem kolejnice, podkladnice, způsobem uchycení kolejnice apod.
Ve výhodném provedení je mezi první deformační plochou prvního elasticky deformovatelného členu a spodní částí (první provedení), nebo mezi první deformační plochou prvního elasticky deformovatelného členu a druhou deformační plochou druhého elasticky deformovatelného členu (druhé provedení) uspořádána plastová mezivrstva, která je s výhodou zhotovena z poly(ethylentereftalátu) s modifikací glykolu (PETG). Tato mezivrstva umožňuje ladění vlastností senzoru, a to svou tloušťkou a tuhostí materiálu. Např. mezivrstva s větší tuhostí dosahuje menších citlivostí a posouvá pracovní oblast snímání k větším tlakům působícím na senzor, přičemž mezivrstva s menší tuhostí dosahuje analogicky opačný efekt.
Podle třetího provedení je cíle tohoto vynálezu dosaženo uspořádáním uvedeného kompozitního optovláknového senzoru vhodného pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, kde je kompozitní optovláknový senzor uložen pod patou kolejnice a na podkladnici. Senzor tak nahrazuje standardní pryžovou tlumicí podkolejnicovou podložku vkládanou do mechanizmu uchycení kolejnice. Uchycení kolejnice může být provedeno všemi standardními způsoby, tedy pomocí šroubů, pružinových úchytů nebo jejich kombinací. Umístění senzoru mezi patu kolejnice a podkladnici zajišťuje snímání tlaku působícího na kolejnici na víc rozložené ploše ve srovnání se snímáním ve stojině kolejnice. Navíc, umístění senzoru do stojiny kolejnice (jak uvádí dokument DE 19518123 AI) narušuje její mechanickou celistvost, a je proto méně vhodné, přičemž toto umístění vyžaduje konstrukčně zcela jiné uspořádání senzoru a průběh tlaku v závislosti najízdě vozidla je částečně odlišný.
Oba konce optického vlákna vycházejícího ze senzoru jsou propojeny s optickým kabelem s mnohovidovými vlákny, který slouží pro přivedení světelné energie a odvedení zbytkové energie ze senzoru. Optický kabel je dále propojen s vyhodnocovací jednotkou obsahující zdroj světla pro dodávání vstupního světelného signálu do senzoru, detektor pro převádění výstupního světelného signálu na napěťový, volitelně zesilovač a A/D převodník, a elektronické obvody obsahující procesor s pamětí s uloženým počítačovým programem pro zpracování výstupního signálu, a dále se zdrojem napájení, výstupy a datovou linkou (např. RS485) pro indikaci výsledků vyhodnocení a pro předání případnému nadřazenému systému. Elektronické obvody rovněž zajišťují teplotní a proudovou stabilitu a signálové zpracování. Konektory optického kabelu jsou jak na rozhraní vyhodnocovací jednotky a optického kabelu, tak i na rozhraní optického kabelu a optického vlákna v senzoru (což je obvykle uzavřeno v zemním vodotěsném optickém rozvaděči).
-5CZ 2022 - 45 A3
Uvedené uspořádání, kdy je odděleno místo měření (senzor pod patou kolejnice) od místa vyhodnocení, dovoluje instalovat senzor do míst s elektromagnetickou interferencí, kterými mohou být současné senzory založené na monitorování změn elektrických parametrů a veličin senzorů negativně ovlivňovány. Zároveň se místo měření pod patou kolejnice chová jako elektricky pasivní senzor, který nepotřebuje v místě měření žádnou elektrickou energii jak pro vlastní napájení, tak pro vlastní měření. V místě měření je pouze světlo, např. s výkonem do 1 mW.
Zdrojem světla v případě mnohovidových vláken může být vysílací laserová dioda nebo LED. Na tyto zdroje jsou kladeny zejména požadavky na stabilitu výstupního výkonu a snadnou vazbu na přívodní optické vlákno v optickém kabelu. Vlnová délka použitého světla může být limitována na vlnové délky do 1000 nm (viditelná oblast spektra a blízká oblast infračerveného záření), pracovní vlnová délka však není kritická. Z ekonomických důvodů je výhodné použití vlnových délek zdrojů světla stejných jako se používají v telekomunikační a přenosové technice. Minimální optický výkon potřebný pro činnost uvedeného senzoru je 10 pW. Tato hodnota závisí na vzdálenosti mezi místem měření a místem umístění vyhodnocovací jednotky. S rostoucí vzdáleností roste požadavek na velikost výkonu navázaného ze zdroje světla do mnohovidového optického vlákna až k hodnotě 100 pW pro vzdálenosti kolem 1 km.
Detektorem světla postupujícího ze senzoru a nesoucího informaci o poloze kolejového vozidla může být přijímací fotodioda. Lze použít několik vhodných typů fotodetektorů, jakými mohou být fotodioda na PN přechodu, PIN fotodioda, přijímací laserová dioda nebo fototranzistor. Podstatné je, aby fotodetektor byl schopen detekce světla o vlnové délce do 1000 nm. Této podmínce vyhoví všechny křemíkové fotodetektory. Pro zvýšení rozlišovací schopnosti je vhodné, aby fotodetektory měly malý šum vyjádřený v parametru temného proudu, jehož hodnota by neměla přesáhnout 20 nW.
Optický kabel mezi místem uložení senzoru a vyhodnocovací jednotkou nevyžaduje speciální ochranné prvky. Pro zachování plné elektrické izolace (dielektricity) by optický kabel neměl obsahovat žádné metalické prvky. Tento požadavek splňují běžné optické kabely používané v telekomunikacích a přenosech dat. Druhým požadavkem na optické kabely je, aby optická vlákna v něm byla mnohovidová, aby nedocházelo na rozhraní mezi optickým vláknem v senzoru a vláknem optického kabelu k dodatečným ztrátám. Třetím požadavkem je počet vláken v optickém kabelu, který stanovuje počet vláken, např. na dvě. Jedno vlákno je určeno pro přívod energie, druhé vlákno pro jeho vyvedení ze senzoru a přenos signálu do vyhodnocovací jednotky. Protože existují dva rozměrové standardy optických mnohovidových vláken, a to 50 pm a 62,5 pm, je pro senzor vhodnější použití vlákna o průměru jádra 50 pm a průměru pláště, např. 125 pm. U těchto vláken je menší rozdíl v indexech lomu jádra a pláště, což vede ke snadnějšímu vyvažování vedené energie v senzoru a tím k vyšší citlivosti.
Podle dalšího aspektu tohoto vynálezu je výše uvedený kompozitní optovláknový senzor nebo výše uvedené uspořádání použito pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, kterým může být např. železniční vozidlo, tramvaj, pozemní lanová dráha apod. Detekovaný průjezd kola může sloužit pro detekci polohy kola, počtu náprav, hmotnosti na nápravu, rychlosti průjezdu, vad kruhovitosti kola nebo proti falešnému ovlivnění jiným druhem vozidla nebo žádným vozidlem. Existuje rovněž teoretická možnost miniaturizace pro železniční modelářství.
Podle čtvrtého provedení je cíle tohoto vynálezu dosaženo způsobem detekce tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla pomocí výše uvedeného uspořádání, který obsahuje následující kroky:
a. přivedení vstupního světelného signálu ze zdroje světla do optického vlákna;
b. detekce a zpracování prvního výstupního světelného signálu z optického vlákna vyhodnocovací jednotkou na první výstupní signál, přičemž první výstupní signál odpovídá referenčnímu stavu, kdy senzor nedetekuje žádnou tlakovou sílu;
-6CZ 2022 - 45 A3
c. působení tlakové síly na senzor, čímž je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna a pokles intenzity vstupního světelného signálu za vzniku druhého výstupního světelného signálu;
d. detekce a zpracování druhého výstupního světelného signálu z optického vlákna vyhodnocovací jednotkou na druhý výstupní signál, přičemž druhý výstupní signál odpovídá stavu, kdy senzor detekuje tlakovou sílu; a
e. srovnání prvního a druhého výstupního signálu a vyhodnocení vyhodnocovací j ednotkou, zdaje detekovaná tlaková síla způsobena průjezdem kola kolejového vozidla.
Vyhodnocení detekce průjezdu kola z dat získaných pomocí uvedeného senzoru je založen na vyhledávání charakteristického tvaru výstupního signálu. Tento signál ve formě napětí je získán pomocí detektoru a volitelně zesilovače a A/D převodníku. V získaných datech je vyhledáván tvar signálu specifický pro dvojkolí kolejového vozidla. U tvaru signálu je srovnáváno několik časových a úrovňových parametrů a pokud je zkoumaný signál v určitých tolerancích splňuje, je tento signál vyhodnocen jako projeté dvojkolí kolejového vozidla. Pokud tyto parametry signál nesplňuje, je vyhodnocen jako nekolejové vozidlo, případně jako žádné vozidlo. Tyto parametry mohou být v procesoru nastaveny pevně nebo můžou být plovoucí. Kombinace sledovaných parametrů časových, úrovňových a velikosti změny úrovně v krátkém čase umožňuje detekovat jak pomalé, tak i rychlé průjezdy kolejových vozidel s různou hmotností (zatížením náprav). Kolejové vozidlo rovněž může zrychlovat nebo zpomalovat a kvalitu detekce to neovlivní. Vyhodnocovací algoritmus pracuje také s plovoucí referenční hodnotou, díky které nedochází k falešným detekcím kolejových vozidel způsobeným například přirozeným pohybem kolejnice, jakým je tepelné pnutí způsobené změnou okolní teploty.
Objasnění výkresů
Podstata tohoto vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, ve kterých:
obr. 1 znázorňuje boční pohled v řezu na senzor podle prvního provedení;
obr. 2 znázorňuje boční pohled v řezu na senzor podle druhého provedení;
obr. 3 znázorňuje spodní pohled na vrchní část pouzdra;
obr. 4 znázorňuje spodní pohled na první elasticky deformovatelný člen;
obr. 5 znázorňuje boční pohled v řezu A-A na první elasticky deformovatelný člen;
obr. 6 znázorňuje boční pohled v řezu B-B na první elasticky deformovatelný člen;
obr. 7 znázorňuje vrchní pohled na druhý elasticky deformovatelný člen;
obr. 8 znázorňuje boční pohled v řezu C-C na druhý elasticky deformovatelný člen;
obr. 9 znázorňuje závislost změny intenzity světelného signálu na čase při průjezdu kola nad senzorem (celý graf A, detaily B a C);
obr. 10 znázorňuje perspektivní pohled na uspořádání senzoru, kolejnice a podkladnice; a obr. 11 znázorňuje blokové schéma vyhodnocovací jednotky.
-7 CZ 2022 - 45 A3
Příklady uskutečnění vynálezu
Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné obrázky.
Prvním příkladem provedení je kompozitní optovláknový senzor 14 na obr. 1, obsahující spodní část 2 a vrchní část 1 pouzdra 29 s dvěma vystupujícími okraji 8, přesahujícími přes spodní část 2 (viz obr. 3), a dále v pouzdře 29 uložený první elasticky deformovatelný člen 3, ve kterém je uloženo optické vlákno 9 (obr. 4). První elasticky deformovatelný člen 3 obsahuje na straně přilehlé a orientované směrem ke spodní části 2 první deformační plochu, ve které je uspořádán alespoň jeden nepřerušovaně probíhající zářez 6 pro uložení optického vlákna 9. V zářezu 6 je uspořádán alespoň jeden první deformační výstupek 5a, přičemž na obr. 1 a 4 je jich znázorněno více a jsou uspořádány v příkladné matici 6x3. První deformační výstupek 5a je nižší než hloubka zářezu 6 (srovnání řezu A-A na obr. 5 a řezu B-B na obr. 6) a je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly přes vrchní část 1 pouzdra 29 a první elasticky deformovatelný člen 3 na první deformační výstupek 5a a zatlačením prvního deformačního výstupku 5a na optické vlákno 9 je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna 9, což je obecně znázorněno i na obr. 12 v místě 28 vzniku mikroohybu spolu s místy 27 vzniku makroohybu. Tento jev je zaznamenán, přenesen z optického vlákna 9 přes rozhraní 7 a optický kabel 22, a zpracován do výstupního signálu ve vyhodnocovací jednotce 23. První deformační výstupek 5a je zhotoven z plastu (nekovový a měkký materiál), který zajišťuje odolnost vůči intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci a snižuje riziko poškození optického vlákna při vysokých zátěžích. Ve výhodném provedení je mezi první deformační plochou prvního elasticky deformovatelného členu 3 a spodní částí 2 pouzdra 29 uspořádána neznázoměná plastová mezivrstva. Plastem může být kterýkoliv z materiálů jmenovaných výše, např. ASA, ABS, ABS-T, PC/ABS, PETG, PETG/CF, PEI nebo PU.
Druhým příkladem provedení je kompozitní optovláknový senzor 14 na obr. 2, obsahující všechny znaky prvního provedení z obr. 1, vyjma uspořádání plastové mezivrstvy. Uvedený kompozitní optovláknový senzor 14 dále obsahuje v pouzdře 29 uložený druhý elasticky deformovatelný člen 4 (obr. 7), obsahující na straně orientované směrem k vrchní části 1 druhou deformační plochu přilehlou k první deformační ploše prvního elasticky deformovatelného členu 3. Na druhé deformační ploše je uspořádán alespoň jeden druhý deformační výstupek 5b tak, že po přiložení první a druhé deformační plochy k sobě vyčnívá do zářezu 6 pro uložení optického vlákna 9 (řez C-C na obr. 8) a mimo první deformační výstupek 5a. Na obr. 2 a 7 je znázorněno více druhých deformačních výstupků 5b a jsou uspořádány v příkladné matici 6x4. Druhý deformační výstupek 5b je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly přes vrchní část 1 pouzdra 29, první elasticky deformovatelný člen 3 a první deformační výstupek 5a na optické vlákno 9 a zatlačením optického vlákna 9 na druhý deformační výstupek 5b je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna 9. Tento jev je zaznamenán, přenesen z optického vlákna 9 přes rozhraní 7 a optický kabel 22, a zpracován do podoby výstupního signálu ve vyhodnocovací jednotce 23. Druhý deformační výstupek 5b je rovněž zhotoven z plastu (nekovový a měkký materiál), který zajišťuje odolnost vůči intenzivní elektrické nebo elektromagnetické interferenci a snižuje riziko poškození optického vlákna při vysokých zátěžích. Ve výhodném provedení je mezi první deformační plochou prvního elasticky deformovatelného členu 3 a druhou deformační plochou druhého elasticky deformovatelného členu 4 uspořádána neznázoměná plastová mezivrstva. Plastem může být kterýkoliv z materiálů jmenovaných výše, např. ASA, ABS, ABS-T, PC/ABS, PETG, PETG/CF, PEI nebo PU.
Obr. 9 dále znázorňuje závislost změny intenzity světelného signálu na čase při průjezdu kola nad senzorem 14. Na obr. 9A jsou znázorněny průjezdy tří tramvají. Na obr. 9B je znázorněn detail průjezdu jedné tramvaje o třech dvojitých nápravách s celkem šesti železničními dvoukoly. Na obr. 9C je znázorněn detail průjezdu jedné dvojité nápravy obsahující dvě železniční dvoukola.
Obr. 10 dále znázorňuje uspořádání kompozitního optovláknového senzoru 14 podle prvního nebo druhého provedení, neznázoměné vyhodnocovací jednotky 23. kolejnice 10. podkladnice 12
-8CZ 2022 - 45 A3 a pražce 13. Senzor 14 je uložen pod patou 11 kolejnice 10 a na podkladnici 12. Oba konce optického vlákna 9 jsou propojeny s optickým kabelem 22. který je dále propojen s vyhodnocovací jednotkou 23 (viz obr. 11).
Na obr. 11 je znázorněno obecné uspořádání vyhodnocovací jednotky 23. Pro zpracování světelného signálu ze senzoru 14 vedeného optickým kabelem 22 se použije vyhodnocovací jednotka 23. Vyhodnocovací jednotka 23 obsahuje detektor 20 v podobě přijímací laserové diody, která je jednak opticky spojena s optickým kabelem 22 a dále se senzorem 14. a jednak elektricky se zesilovačem 18. Zesilovač 18 je dále propojen s A/D převodníkem 16. který je dále propojen s procesorem 15 pro zpracování a vyhodnocování signálu, obsahujícím paměť 17 s nahranou softwarovou aplikací. Paměť 17 může být samostatnou součástí, nebo může využívat kombinace množství paměťových jednotek, a je s procesorem 15 propojena. Procesor 15 je připojen na zdroj 19 elektrické energie a na indikační výstupy 24 a datovou linku 25 pro indikaci výsledků vyhodnocení. Vyhodnocovací j ednotka 23 dále obsahuj e zdroj 21 světla v podobě vysílací laserové diody, která je napájena z elektrického zdroje 19 a zároveň je opticky propojena s optickým kabelem 22 a dále se senzorem 14. Tato vysílací laserová dioda slouží jako zdroj vstupního světelného signálu, který je v případě zátěže na senzoru 14 změněn a takto změněný signál je přiveden na detektor 20.
A/D převodník 16 i zesilovač 18 lze vynechat, pokud je odpovídající převodník přímo integrován do procesoru 15, respektive pokud je signál z přijímací laserové diody tvořící detektor 20 zpracovatelný přímo A/D převodníkem 16 nebo procesorem 15.
Výsledek vyhodnocení může být předáván nadřazenému systému 26 buď stavově pomocí digitálních indikačních výstupů 24. nebo pomocí datové linky 25. kde se elektrický signál nebo data dále zpracují nebo se zobrazí výsledek. Datová linka 25 může být provedena ve formě digitálního komunikačního rozhraní jako je například RS485, případně jiného vhodného rozhraní.
Průmyslová využitelnost
Víceúčelový kompozitní optovláknový senzor kolejových vozidel je určen pro bodovou detekci železničních nebo tramvajových vozidel před návěstidlem, k řízení provozu v depech a vozovnách a tam, kde se vyskytují látky s nebezpečím výbuchu nebo požáru nebo kde dochází k silným interferencím s rušivými poli, které mají svůj původ v silných elektromagnetických polích. Ta způsobují výpadky a chyby v činnostech současných senzorů, které jsou založeny na principu měření elektrických parametrů těchto senzorů.
Dále lze senzor využít od náhrady indukčních smyček umísťovaných ve výhybkách nebo v tramvajových vozovnách přes aplikace s automatickou aktivací světelných výstražných prvků v tramvajových přechodech nebo přejezdech až po aplikace určené k preferenci tramvajové dopravy. S využitím stejného principu snímání, ale s upraveným mechanickým řešením snímače a s doplněným softwarem pro signálové zpracování je možné provádět i diagnostiku chodu železniční výhybky, resp. přestavníku.
Claims (12)
1. Kompozitní optovláknový senzor (14) pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, přičemž senzor (14) obsahuje pouzdro (29), první elasticky deformovatelný člen (3) uložený v pouzdře (29) a optické vlákno (9) uložené v prvním elasticky deformovatelném členu (3) a propojitelné s vyhodnocovací jednotkou (23) obsahující zdroj (21) světla, detektor (20) a procesor (15), přičemž první elasticky deformovatelný člen (3) obsahuje na jedné straně první deformační plochu, ve které je uspořádán alespoň jeden nepřerušovaně probíhající zářez (6) pro uložení optického vlákna (9), vyznačující se tím, že v zářezu (6) je uspořádán alespoň jeden první deformační výstupek (5a), který je nižší než hloubka zářezu (6) a který je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly přes pouzdro (29) a první elasticky deformovatelný člen (3) na první deformační výstupek (5 a) a zatlačením prvního deformačního výstupku (5 a) na optické vlákno (9) je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna (9), přičemž první deformační výstupek (5a) je zhotoven z plastu.
2. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle nároku 1, vyznačující se tím, že senzor (14) obsahuje druhý elasticky deformovatelný člen (4) uložený v pouzdře (29) a obsahující na jedné straně druhou deformační plochu přilehlou k první deformační ploše prvního elasticky deformovatelného členu (3), přičemž na druhé deformační ploše je uspořádán alespoň jeden druhý deformační výstupek (5b) tak, že po přiložení první a druhé deformační plochy k sobě vyčnívá do zářezu (6) pro uložení optického vlákna (9) a mimo první deformační výstupek (5a), přičemž druhý deformační výstupek (5b) je konfigurován tak, že přenesením tlakové síly přes pouzdro (29), první elasticky deformovatelný člen (3) a první deformační výstupek (5a) na optické vlákno (9) a zatlačením optického vlákna (9) na druhý deformační výstupek (5b) je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna (9), přičemž druhý deformační výstupek (5a) je zhotoven z plastu.
3. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že první a/nebo druhé deformační výstupky (5a, 5b) jsou uspořádány v matici.
4. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že první a/nebo druhý deformační výstupek (5a, 5b) je zhotoven z plastu zvoleného ze skupiny obsahující poly(akrylonitril-co-styren-co-akrylát), poly(akrylonitril-cobutadien-co-styren), poly(akrylonitril-co-butadien-co-styren-co-methylmethakrylát), směs polykarbonátu a poly(akrylonitril-co-butadien-co-styrenu), poly(ethylen-co-tereftalát) s modifikací glykolu, směs poly(ethylen-co-tereftalátu) s modifikací glykolu a karbonových vláken, poly(etherimid) a polyurethan.
5. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zářez (6) pro uložení optického vlákna (9) je lineárně probíhající a/nebo zakřivený.
6. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že optické vlákno (9) je mnohovidové.
7. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pouzdro (29), první elasticky deformovatelný člen (3) a druhý elasticky deformovatelný člen (4) jsou zhotoveny z elasticky deformovatelného materiálu, zejména z pryže.
8. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pouzdro (29) obsahuje vrchní část (1) a spodní část (2), přičemž vrchní část (1) obsahuje dva vystupující protilehlé okraje (8) přesahující přes spodní část (2).
- 10CZ 2022 - 45 A3
9. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vrchní část (1) obsahuje ochranné prvky pro ochranu propojení optického vlákna (9).
10. Kompozitní optovláknový senzor (14) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mezi první deformační plochou prvního elasticky deformovatelného členu (3) a spodní částí (2), nebo mezi první deformační plochou prvního elasticky deformovatelného členu (3) a druhou deformační plochou druhého elasticky deformovatelného členu (4) je uspořádána plastová mezivrstva, s výhodou zhotovena z poly(ethylen-tereftalátu) s modifikací glykolu.
11. Uspořádání kompozitního optovláknového senzoru (14) pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že kompozitní optovláknový senzor (14) je uložen pod patou (11) kolejnice (10) a na podkladnici (12), přičemž oba konce optického vlákna (9) jsou propojeny s optickým kabelem (22), který je dále propojen s vyhodnocovací jednotkou (23) obsahující zdroj (21) světla, detektor (20) a procesor (15).
12. Způsob detekce tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla pomocí uspořádání podle nároku 11, vyznačující se tím, že obsahuje následující kroky:
a. přivedení vstupního světelného signálu ze zdroje (21) světla do optického vlákna (9);
b. detekce a zpracování prvního výstupního světelného signálu z optického vlákna (9) vyhodnocovací jednotkou (23) na první výstupní signál, přičemž první výstupní signál odpovídá referenčnímu stavu, kdy kompozitní optovláknový senzor (14) nedetekuje žádnou tlakovou sílu;
c. působení tlakové síly na kompozitní optovláknový senzor (14), čímž je způsoben reverzibilní mikroohyb optického vlákna (9) a pokles intenzity vstupního světelného signálu za vzniku druhého výstupního světelného signálu;
d.detekce a zpracování druhého výstupního světelného signálu z optického vlákna (9) vyhodnocovací jednotkou (23) na druhý výstupní signál, přičemž druhý výstupní signál odpovídá stavu, kdy kompozitní optovláknový senzor (14) detekuje tlakovou sílu; a
e. srovnání prvního a druhého výstupního signálu a vyhodnocení vyhodnocovací jednotkou (23), zdaje detekovaná tlaková síla způsobena průjezdem kola kolejového vozidla.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-45A CZ202245A3 (cs) | 2022-01-31 | 2022-01-31 | Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-45A CZ202245A3 (cs) | 2022-01-31 | 2022-01-31 | Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ309746B6 CZ309746B6 (cs) | 2023-09-06 |
| CZ202245A3 true CZ202245A3 (cs) | 2023-09-06 |
Family
ID=87846561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2022-45A CZ202245A3 (cs) | 2022-01-31 | 2022-01-31 | Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ202245A3 (cs) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19518123C2 (de) * | 1995-05-17 | 1997-04-17 | Quante Ag | Belastungssensor |
| US7698962B2 (en) * | 2006-04-28 | 2010-04-20 | Amsted Rail Company, Inc. | Flexible sensor interface for a railcar truck |
| DE102012221067A1 (de) * | 2012-11-19 | 2014-05-22 | Dimension-Polyant Gmbh | Dehnungsmessstreifen und mechanische Komponente |
| AT522346B1 (de) * | 2019-03-22 | 2020-11-15 | Getzner Werkstoffe Holding Gmbh | Eisenbahnfahrweg |
-
2022
- 2022-01-31 CZ CZ2022-45A patent/CZ202245A3/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ309746B6 (cs) | 2023-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11002620B2 (en) | Device and system for detecting dynamic strain | |
| Kuang et al. | Plastic optical fibre sensors for structural health monitoring: A review of recent progress | |
| CA1183016A (en) | Microbending of optical fibers for remote force measurement | |
| Du et al. | Fundamentals and applications of optical fiber Bragg grating sensors to textile structural composites | |
| US7605923B2 (en) | Embeddable polarimetric fiber optic sensor and method for monitoring of structures | |
| US5182779A (en) | Device, system and process for detecting tensile loads on a rope having an optical fiber incorporated therein | |
| EP0702780B1 (en) | Fiber optic bending and positioning sensor | |
| CA1183015A (en) | Microbending of optical fibers for remote force measurement | |
| CA2469441C (en) | An optical sensor using a long period grating suitable for dynamic interrogation | |
| US5694497A (en) | Intrinsically self deforming fiber optic microbend pressure and strain sensor | |
| Babchenko et al. | Plastic optical fibre with structural imperfections as a displacement sensor | |
| GB2459975A (en) | Optical fibre sensor | |
| Peters et al. | Fiber optic sensors for assessing and monitoring civil infrastructures | |
| Kovačević et al. | Monte Carlo simulation of curvature gauges by ray tracing | |
| CZ202245A3 (cs) | Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla, jeho uspořádání a způsob detekce této tlakové síly pomocí tohoto uspořádání | |
| CZ36242U1 (cs) | Kompozitní optovláknový senzor pro detekci tlakové síly vznikající průjezdem kola kolejového vozidla a jeho uspořádání | |
| US20220412834A1 (en) | Fiber optics sensor for hydrocabon and chemical detection | |
| Suopajaervi et al. | Fiber optic sensors for traffic monitoring applications | |
| JP2008170327A (ja) | 屈折率検出装置、および、液位検出装置 | |
| GB2186073A (en) | Fiber optic pressure sensor | |
| Robertson et al. | A fibre optic distributed sensor system for condition monitoring of synthetic ropes | |
| Annamdas et al. | Current developments in fiber Bragg grating sensors and their applications | |
| JPS62274206A (ja) | 光フアイバ−検出法および装置 | |
| Lyons et al. | An optical fibre distributed sensor based on pattern recognition | |
| Saktioto et al. | Design and operation of optical fiber for mass measuring instrument with bending power loss principle |