Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel

Oblast techniky

Technické řešení se týká optovláknového detektoru náprav kolejových vozidel (Obr. 1), jehož základem je optické vlákno, ve kterém jsou zapsány FBG (Fiber Bragg Grating) mřížky. Princip je založen na monitorování spektrálních změn světla odráženého od FBG mřížek vlivem mechanického namáhání.

Dosavadní stav techniky

Detekce kolejových vozidel je základním prvkem, na kterém stojí bezpečnost kolejové dopravy na železnici, průmyslových vlečkách, metru i v tramvajové dopravě. V současné době se k detekci kolejových vozidel používají především počítače náprav, kolejové obvody nebo indukční smyčky. Stávající způsoby detekce trpí určitými nedostatky. Jejich největší nevýhodou je jejich ovlivnitelnost trakčními vozidly. Dále je to náchylnost na atmosférické přepětí, kde hrozí poškození současných detektorů. Tyto nedostatky může eliminovat použití navrhovaného optovláknového detektoru. Optovláknové senzory jsou ze své podstaty imunní vůči vnějšímu elektromagnetickému poli, a tudíž spolehlivě fungují i za přítomnosti výše popsaných jevů.

Použití optovláknových senzorů v železniční dopravě není novou záležitostí, jak dokládá následující stručný přehled. Jedná se především o experimenty, komerčně dostupná řešení se zatím nevyskytují.

K detekci kolejových vozidel lze použít princip založený na měření Brillouinovských frekvencí krystalové mřížky skla. Tyto frekvence jsou závislé na mechanické zátěži vlákna a současně na okolní teplotě. Výsledkem je prostorový profil namáhání po délce kolejnice. Problémem je, že Brillouinovy frekvence jsou závislé na mechanickém namáhání a teplotě, přičemž tyto vlivy nelze od sebe odlišit. Měření je přesné, pokud po celé délce kolejnice je stejná teplota. Měřené frekvence závisí na způsobu uchycení optického vlákna na kolejnici. Mají-li být výsledky reprezentativní, musí být zajištěno stejné uchycení optického vlákna ke kolejnici ve všech bodech. Pokud toto není zajištěno, deformace kolejnice se pak mohou přenášet nerovnoměrně a tím se degraduje přesnost měření. Pokud je např. vlákno přichyceno ke kolejnici tmelem, je žádoucí, aby vrstva tmelu byla stejně dlouhá, široká a vysoká.

Dalším použitelným systémem je detektor založený na měření útlumu metodou OTDR. V tomto principu jsou vyhodnocovány lineární rozptyly. Měří se výkon, který se zpětně šíří optickým vláknem. Jeho úroveňje poměrně nízká, ale hlavním problémem je, že měření je citlivé na všechny vlivy, které vedou ke změnám výkonu podél optického vlákna. Těmito vlivy jsou teplota, ohyby, mechanické namáhání a uchycení optického vlákna ke kolejnici. Opět je žádoucí, aby uchycení vlákna bylo stejné podél celé jeho délky.

Další systém je založen na relativním pohybu konců dvou optických vláken proti sobě. Systém měří optický výkon, který se naváže z jednoho konce vlákna do druhého. Nevýhodou je měření změn (amplitudy) navázaného optického výkonu. Protože se jedná o měření optického výkonu, vysílač i snímač jsou citlivé na teplotní změny.

Další možností detekce kolejových vozidel je využití mikroohybů optického vlákna. Podstatou jsou cílené deformace optického vlákna deformačními elementy vlivem zátěže. Díky mikroohybům se procházející světlo vyvažuje z optického vlákna ven. Tyto ztráty jsou tím větší, čím větší je zátěž na deformační elementy, a tím větší mikroohyby vznikají. Sledovaným parametrem je změna optického výkonu v optickém vlákně. Snímač je rovněž citlivý na další vlivy, které způsobují změnu optického výkonu. Především jde o příčné namáhání optického vlákna, na které je vlákno citlivé. Hlavním problémem tohoto systému je postupná změna mechanické pevnosti optického

-1 CZ 35325 UI vlákna při opakovaných deformacích, které silně zkracují jeho životnost.

Kolejová vozidla lze rovněž detekovat pomocí FBG mřížek, které jsou zapsány v optickém vláknu. FBG mřížky odráží úzkou spektrální část světla, která přes ně prochází. Odrážená část spektra se mění vlivem mechanického namáhání, což se využívá k detekci. Využití FBG mřížek v optickém vláknu k detekci kolejových vozidel jsou popsány v následujících příkladech.

Autoři M. Yucel a F. Ozturk v článku Real-time monitoring of railroad track tension using a fiber Bragg grating-based strain sensor (DOI: 10.1080/10739149.2017.1415930) popisují použití FBG mřížek k měření síly působící na kolejnici. Měření probíhalo v laboratorních podmínkách s kolejnicí o délce 180 cm, kdy byl použit komerční FBG senzor (Micronoptics Os3155) a ten byl následně přivařen zespodu k patě kolejnice.

Autoři M. L. Filograno, P. C. Guillen, A. Rodriguez-Barrios, S. Martin-Lopez, M. RodriguezPlaza, A. Andres-Alguacil a M. Gonzalez-Herraez v článku Real-Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors (DOI: 10.1109/JSEN.2011.2135848) popisují terénní experimentální měření v kolejišti pomocí FBG mřížek. FBG mřížky byly přímo přilepeny na kolejnici epoxidovým lepidlem (místa lepení byla zbavena rzi a vyčištěna izopropylalkoholem). Po zatvrdnutí epoxidu (30 min) byly FBG mřížky překryty silikonem a páskou pro jejich ochranu. Autoři zkoušeli různá umístění FBG mřížek, jedna FBG mřížka byla nalepena zespod na patu kolejnice uprostřed mezi pražci, další dvě FBG mřížky byly nalepeny v jedné čtvrtině vzdálenosti mezi pražci pod úhlem 45°. Dále byla testována různá umístění na patě kolejnice. FBG mřížky spolehlivě detekovaly průjezdy jednotlivých os vlaků. Nevýhodou je lepení FBG mřížek na kolejnici, protože každé lepení je originální.

Autoři C.-L. Wei, S.-Y. Liu, W. H. Chung, T. K. Ho, H.-Y. Tam, S. L. Ho, A. McCusker, J. Kam aK. Y. Lee v článku A Fiber Bragg Grating Sensor System for Train Axle Counting (DOI: 10.1109/JSEN.2010.2049199) také využívají principu FBG mřížek. Nejprve byla provedena počítačová analýza deformace kolejnice v programu Ansys. Podle výsledků je největší deformace na čele kolejnice a na její patě. Na základě simulace byly provedeny laboratorní testy s různým rozmístěním FBG mřížek. FBG mřížky byly přilepeny ke kolejnici. Výsledky testů se shodovaly s počítačovými výsledky. Článek také popisuje dlouhodobé měření (45 dnů) s automatickým vyhodnocením. Z článku není zřejmé, jakým způsobem byly FBG mřížky přichyceny ke kolejnici během dlouhodobého měření.

Autor H. Woschitz v článku Development of a rail-strain-pad using FBG sensors popisuje elastickou podložku s FBG mřížkami, která se umísťuje mezi pražec a kolejnici. FBG mřížky v podložce dokázaly rozpoznat průjezdy jednotlivých náprav. Nevýhodou je fixace podložky mezi pražcem a kolejnicí. Během měření se ukázalo, že podložka je postupně vytlačována z prostoru mezi pražcem a kolejnicí.

Využití FBG mřížek je rovněž popsáno v patentové přihlášce US 20080019701 AI. Několik FBG mřížek v jednom optickém vlákně je přilepeno nebo při vařeno kpatě kolejnice. Rozestup mezi dvojicí FBG mřížek je 2,5 m. Dvojice jsou vzdáleny 16 m. Optické vlákno s FBG mřížkami je umístěno na obou kolejnicích.

Ze současného stavu techniky vyplývá, že optovláknové systémy včetně FBG mřížek se experimentálně používají k detekci kolejových vozidel.

Ze stavu techniky není známo, jakým způsobem by měly být FBG mřížky přichyceny ke kolejnici, aby bylo mechanické napětí korektně převedeno na FBG mřížky. Dosavadní stav využívá především lepení FBG mřížek přímo na kolejnice, ale toto řešení je vhodné spíše pro experimenty, nikoliv pro sériovou produkci. Další výhodou je použití referenční FBG mřížky pro korekci teplotního vlivu.

- 2 CZ 35325 UI

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení optovláknového detektoru náprav kolejových vozidel je optické vlákno s implementovanými FBG mřížkami uchycené ke kolejnici vhodným způsobem. Základem jsou dvě senzorické FBG mřížky zapsané v jádru optického vlákna a vystavené mechanickému namáhání (průjezd nápravy kolejového vozidla). Vlivem mechanického namáhání je prodloužena délka optického vlákna s FBG mřížkami, což se projeví spektrální změnou odráženého světla. Součástí optovláknového detektoru náprav kolejových vozidel je třetí, referenční FBG mřížka. Tato referenční mřížka není mechanicky namáhána průjezdem náprav, jejím úkolem je monitorovat teplotu, jež ovlivňuje všechny tři FBG mřížky a sloužit tak jako kompenzátor vlivu teploty. Tato referenční FBG mřížka je umístěna mezi senzorickými mřížkami a slouží k nastavení úrovně pro detekci náprav při zpracování signálu vyhodnocovací jednotkou. Všechny FBG mřížky mají kontakt s detektorem.

Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel má další funkce. Při implementaci dvou senzorických FBG mřížek je možno stanovit směr jízdy vozidla a díky znalosti rozteče senzorických mřížek lze stanovit jeho rychlost.

Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel se skládá ze dvou základních částí. Upínací těleso detektoru je připevněno pomocí šroubů ke kolejnici. Jeho tvar a způsob přichycení umožňují přenos mechanického namáhání na lištu senzoru, která je osazena FBG mřížkami. Optické vlákno s FBG mřížkami je vhodným způsobem přichyceno k liště. Uišta senzoru je odnímáteIná od upínacího tělesa senzoru. Uišta senzoru zároveň chrání optické vlákno před mechanickým poškozením a povětrnostními vlivy.

Objasnění výkresů

Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel je dále popsán pomocí následujících obrázků, ve kterých:

obr. 1 znázorňuje upnutí optovláknového detektoru náprav kolejových vozidel na patu kolejnice 1, kde optovláknový detektor náprav kolejových vozidel je složen z upínacího tělesa 2 a lišty 3 senzoru;

obr. 2 znázorňuje upínací těleso 2 složené z předního tělesa 2,1, středního tělesa 2,2. zadního tělesa 2,3. upínacích šroubů 2,4 a vymezovacích šroubů 2,5;

obr. 3 znázorňuje sestavu lišty 3 senzoru;

obr. 4 znázorňuje detail lišty 3 senzoru v rozloženém stavu. Uišta 3 senzoru obsahuje jednotlivé díly 3.1 až 3,16; a obr. 5 znázorňuje detail optického vlákna 3,8 složeného z optického vlákna 3,8.1. optického konektoru 3,8,2, senzorické FBG mřížky 3,8,3, referenční FBG mřížky 3,8,4 a senzorické FBG mřížky 3,8,5.

Příklad uskutečnění technického řešení

Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel je vysvětlen na přiložených výkresech.

Obr. 2 zobrazuje základní prvek optovláknového detektoru, jímž je upínací těleso 2. Toto upínací těleso 2 se skládá ze tří základních částí: přední těleso 2,1. střední_těleso 2,2. zadní těleso 2,3. Jednotlivá tělesa jsou vzájemně spojena upínacími šrouby 2,4. Tělesa jsou příčně proříznuta třemi drážkami a tím jsou vytvořeny čtyři tuhé bloky vzájemně pružně propojeny. Upínací těleso 2 má

-3CZ 35325 UI v části předního tělesa 2,1 závitové otvory pro vymezovací šrouby 2,5 pro vymezení vůle a vytvoření předpětí při instalaci upínacího tělesa 2 na kolejnici 1. Upínací těleso 2 má také v části předního tělesa 2,1 závitové otvory pro šrouby 3,12 a 3,16 určených pro upnutí lišty 3 senzoru na upínací těleso 2.

Další důležitou součástí detektoru je lišta 3 senzoru, viz obr. 1 a obr. 3. Lišta 3 senzoru se upevňuje z horní části nebo z boku anebo ze spodní části upínacího tělesa 2 na přední těleso 2,1. Lišta senzoru je odnímatelná a snadno vyměnitelná. Upnutí lišty 3 senzoru na přední těleso 2,1 je prostřednictvím šroubů 3,12, kotvených v jednotlivých segmentech upínacího předního tělesa 2,1. Lišta 3 senzoru (viz obr. 4) je rozdělena na spodní levou upínací lištu 3,1. horní levou upínací lištu 33. spodní pravou upínací lištu 3,2 a horní pravou upínací lištu 3,4. Mezi spodní a horní lištou je optické vlákno s FBG a konektorem (viz obr. 5). Levé upínací lišty 3,1 a 33 a pravé upínací lišty 3,2 a 3,4 jsou spojeny krycí lištou 33. Lišta 3 obsahuje optické vlákno (viz obr. 5) a zároveň ho chrání před vnějšími vlivy proti poškození.

Optické vlákno (viz obr. 5) je přichyceno k upínacím lištám 3,1. 3,2. 33 a 3.4 pomocí lepidla v místech FBG mřížek. V jádru optického vlákna jsou zapsány tři FBG mřížky. Levá senzorická FBG mřížka 3,83, pravá senzorická FBG mřížka 3,83 a referenční FBG mřížka 3,8.4. Základní charakteristikou FBG mřížek je schopnost odrážet úzkou část optického spektra zpátky a zbývající část spektra propouštět dále. Jaká část optického spektra je odrážena závisí na periodě FBG mřížky vzniklé při výrobě FBG mřížky. Každá z FBG mřížek odráží jinou část spektra.

Optickoelektronická jednotka vysílá kontinuální širokospektrální světlo. Při průchodu tohoto světla levou senzorickou FBG mřížkou 3,83 se část spektra odrazí zpět. Zbývající světlo putuje dále optickým vláknem s konektorem 3,8 k referenční FBG mřížce 3,8,4, kde opět dochází k odrazu části spektra. Část spektra se opět odrazí zpět, zbývající část postupuje až k pravé senzorické FBG mřížce 3,83. Odrážené části jsou spektrálně odlišné, proto je možno je od sebe rozlišit. Pořadí mřížek je možné kombinovat.

Při průjezdu nápravy přes levou senzorickou FBG mřížku 3,83 dojde k jejímu mechanickému namáhání, což se projeví změnou spektra odráženého světla. Po odjezdu nápravy se odrážené spektrum od FBG mřížky 3,83 vrátí do původní hodnoty. Poté náprava najede na pravou senzorickou FBG mřížku 3,83 a dojde ke stejnému efektu. Referenční FBG mřížka 3,8,4 je izolována od mechanického namáhání, proto na ni průjezd nápravy nepůsobí, je pouze určena pro snímání teploty. Všechny FBG mřížky jsou kromě mechanického namáhání citlivé také na teplotu. Zvýšení okolní teploty se projeví změnou spektra odráženého od všech FBG mřížek. Všechny tři FBG mřížky jsou relativně blízko u sebe, proto je jejich ovlivnění teplotou podobné. Ze znalosti změn odráženého spektra od referenční FBG mřížky 3,8,4 lze korigovat referenční úroveň pro detekci průjezdu nápravy ze senzorických FBG mřížek 3,83 a 3,83.

Průmyslová využitelnost

Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel se uplatní především v železniční nebo tramvajové dopravě při monitorování výskytu drážních vozidel na trati, určení směru jízdy, rychlosti kolejových vozidel, zatížení os nebo defektu kol.