ES2378210B1 - SENSOR DEVICE AND PROCEDURE TO DETECT THE DYNAMIC BEHAVIOR OF THE PANTOGRAPH. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo sensor y procedimiento para detectar el comportamiento dinámico del pantógrafo. El dispositivo está constituido por una cámara de línea (2) y una pantalla de iluminación infrarroja (1). El procedimiento se basa en medir los valores instantáneos de la altura del cable de contacto (3) al paso del pantógrafo. La medida se realiza de forma diferencial, tomando como referencia los bordes de la zona iluminada (7) de la pantalla de iluminación infrarroja (1) y la posición pixélica del cable de contacto (3) en la línea-imagen capturada por la cámara. Este procedimiento permite realizar las medidas con gran precisión y evitar los errores debidos a las vibraciones de la cámara de línea (2) al paso del tren.Sensor device and procedure to detect the dynamic behavior of the pantograph. The device consists of a line camera (2) and an infrared illumination screen (1). The procedure is based on measuring the instantaneous values of the contact cable height (3) at the pantograph step. The measurement is carried out differentially, taking as a reference the edges of the illuminated area (7) of the infrared illumination screen (1) and the pixel position of the contact cable (3) in the line-image captured by the camera. This procedure allows measurements to be made with great precision and to avoid errors due to the vibrations of the line chamber (2) when the train passes.
Description
Dispositivo sensor y procedimiento para detectar el comportamiento dinámico del pantógrafo. Sensor device and procedure to detect the dynamic behavior of the pantograph.
La presión que ejercen los pantógrafos sobre la línea aérea de contacto, en trenes de tracción eléctrica, puede presentar anomalías que producen un defectuoso contacto eléctrico entre el pantógrafo y el cable de contacto (3), lo que conlleva una defectuosa captación de energía por parte de la máquina locomotora, dando lugar, además de una gran perdida de energía (existencia de arcos eléctricos), e importantes averías en las instalaciones, tales como micro-fusiones. Estos defectos son perjudiciales, tanto para el pantógrafo como para el propio cable de contacto (3), pudiéndose en casos extremos provocar la rotura del cable de contacto (3). Si bien este es un problema común a todos los trenes de tracción eléctrica, es especialmente importante en las infraestructuras de alta velocidad. Por tanto es de vital importancia conocer cuándo la presión pantógrafo-catenaria está mal calibrada o existen defectos, bien en las infraestructuras ferroviarias o en las máquinas locomotoras que provocan una defectuosa interacción dinámica entre pantógrafo y cable de contacto (3). The pressure exerted by the pantographs on the overhead contact line, on electric traction trains, can present anomalies that produce a defective electrical contact between the pantograph and the contact cable (3), which leads to a defective energy collection by of the locomotive machine, giving rise, in addition to a great loss of energy (existence of electric arcs), and major breakdowns in the facilities, such as micro-fusions. These defects are harmful, both for the pantograph and for the contact cable itself (3), and in extreme cases it may cause the contact cable to break (3). While this is a problem common to all electric traction trains, it is especially important in high-speed infrastructure. Therefore it is vitally important to know when the pantograph-catenary pressure is poorly calibrated or there are defects, either in railway infrastructures or in locomotive machines that cause a faulty dynamic interaction between pantograph and contact cable (3).
Para detectar interacciones defectuosas entre el pantógrafo y el cable de contacto (3), se instalan en las vías férreas, cerca de las entradas de circulación, sistemas sensoriales capaces de detectar los posibles defectos de la presión que ejerce el pantógrafo sobre el cable. Estos sistemas se conocen como “Detectores de Comportamiento Dinámico del Pantógrafo”. To detect faulty interactions between the pantograph and the contact cable (3), sensory systems are installed in the railways, near the circulation entrances, capable of detecting possible defects in the pressure exerted by the pantograph on the cable. These systems are known as "Pantograph Dynamic Behavior Detectors."
La presente memoria descriptiva se refiere a un sistema sensor desarrollado para medir el movimiento temporal del cable de contacto (3) al paso del tren y con ello determinar el comportamiento dinámico del pantógrafo. The present specification refers to a sensor system developed to measure the temporary movement of the contact cable (3) to the passage of the train and thereby determine the dynamic behavior of the pantograph.
Esta invención tiene su aplicación dentro de la industria dedicada a la fabricación de instrumentos de medidas, específicamente en los sistemas de supervisión y seguridad del sistema de transporte ferroviario de tracción eléctrica. This invention has its application within the industry dedicated to the manufacture of measuring instruments, specifically in the supervision and safety systems of the electric traction rail transport system.
El sistema ferroviario está cobrando una gran importancia a nivel mundial, debido en gran medida de la incorporación de nuevas tecnologías, que permiten cada día aumentar la capacidad y velocidad de transporte de pasajeros y mercancías, utilizando la energía eléctrica como medio para conseguir la tracción. The rail system is gaining great importance worldwide, due in large part to the incorporation of new technologies, which allow increasing the capacity and speed of passenger and freight transport every day, using electric energy as a means to achieve traction.
Por razones de disponibilidad y fiabilidad en este medio de transporte, las empresas operadoras de los servicios ferroviarios están obligadas a presentar un incremento de la seguridad y confiabilidad en los transportes ferroviarios. For reasons of availability and reliability in this means of transport, the companies operating the railway services are obliged to present an increase in the safety and reliability of rail transport.
En líneas de ferrocarriles de tracción eléctrica, es obligado controlar, en todo momento y en tiempo real, los elementos de la infraestructura y los trenes, que puedan afectar las condiciones de seguridad y confiabilidad de las circulaciones. In lines of electric traction railways, it is mandatory to control, at all times and in real time, the elements of the infrastructure and trains, which may affect the safety and reliability conditions of the circulations.
Para la medida del grado de integración pantógrafo-catenaria, existen actualmente soluciones basadas en la medida de la altura del cable de contacto (3), utilizando para ello sensores potenciométricos resistivos lineales. En este tipo de sistema el sensor potenciométrico se fija a un brazo mecánico instalado en el poste de catenaria y el eje resistivo variable se une mediante un hilo al cable de contacto (3). Este sistema tiene el inconveniente de que al estar físicamente unido al cable de contacto (3), constituye un sistema invasivo, en el que aparte de los errores que puede introducir en las medidas, está la problemática asociada a los campos eléctricos y magnéticos que se forman alrededor de los cables de contacto (3). Por otra parte, se producen errores en las medidas debido al movimiento del brazo con las vibraciones que se generan al paso de un tren y con el viento. Además la sustitución o reparación de uno de estos sistemas conlleva la eliminación de la tensión de catenaria, con todos los inconvenientes que ello supone, tanto desde el punto de vista de disponibilidad como de seguridad. To measure the degree of pantograph-catenary integration, there are currently solutions based on the measurement of the contact cable height (3), using linear resistive potentiometric sensors. In this type of system the potentiometric sensor is fixed to a mechanical arm installed in the catenary post and the variable resistive axis is connected by a wire to the contact cable (3). This system has the disadvantage that being physically attached to the contact cable (3), it constitutes an invasive system, in which apart from the errors that can be introduced in the measurements, there is the problem associated with the electric and magnetic fields that are they form around the contact wires (3). On the other hand, errors occur in the measurements due to the movement of the arm with the vibrations that are generated when a train passes and with the wind. In addition, the replacement or repair of one of these systems entails the elimination of the catenary voltage, with all the inconveniences that this entails, both from the standpoint of availability and security.
Con el objetivo de darle una solución a esta problemática se ha desarrollado e implementado un sistema sensor óptico, no invasivo, que permite realizar las medidas a distancia. Además, por el método de medidas utilizado el sistema es inmune a las vibraciones del sensor. In order to give a solution to this problem, a non-invasive optical sensor system has been developed and implemented, which allows remote measurements to be carried out. In addition, by the method of measurements used the system is immune to sensor vibrations.
Por parte del solicitante de esta patente no se tiene conocimiento de la existencia en la actualidad de una invención que tenga características similares a las que se describen en esta memoria. The applicant for this patent is not aware of the existence of an invention that has similar characteristics to those described herein.
ES 2 378 210 A1 ES 2 378 210 A1
La esencia de la invención que aquí se propone está basada en determinar con una exactitud submilimétrica la posición vertical del cable de contacto (3), mediante una cámara de línea (2), tomando como referencia una pantalla de iluminación infrarroja (1) situada en el lado opuesto de la vía (5). The essence of the invention proposed here is based on determining with submillimeter accuracy the vertical position of the contact cable (3), using a line camera (2), taking as reference a infrared illumination screen (1) located in the opposite side of the track (5).
El uso de una pantalla de iluminación infrarroja (1) como referencia, garantiza el funcionamiento diurno y nocturno del sistema, incluso en condiciones extremas de iluminación ambiental. También hay que tener en cuenta que por normativas de seguridad europeas en la estructura ferroviaria no se puede iluminar en el espectro visible, ya que puede tender a confusión con el sistema de señalización vial. The use of an infrared illumination screen (1) as a reference, guarantees the day and night operation of the system, even in extreme ambient lighting conditions. It should also be borne in mind that due to European safety regulations in the railway structure it cannot be illuminated in the visible spectrum, as it may tend to be confusing with the road marking system.
A partir de la línea-imagen capturada con la cámara de línea (2), la posición relativa entre dicha cámara y la pantalla de iluminación infrarroja (1), el alto de la zona iluminada (7) de la pantalla de iluminación infrarroja (1) y la posición del cable de contacto (3) en estado de reposo, se calcula, mediante triangulación, la variación de la altura del cable de contacto (3). From the line-image captured with the line camera (2), the relative position between said camera and the infrared illumination screen (1), the height of the illuminated area (7) of the infrared illumination screen (1) ) and the position of the contact cable (3) in idle state, the variation of the height of the contact cable (3) is calculated by triangulation.
El sistema que se propone patentar también tiene capacidad para realiza medidas de calibración automática cada 10 milisegundos. Estas medidas permiten aumentar o disminuir la ganancia de la cámara, dependiendo de las condiciones atmosféricas (niebla, nieve, lluvia, iluminación solar). También permiten corregir las variaciones de altura del cable de contacto (3) cuando no hay trenes pasando por la ubicación del sensor. The system that is proposed to be patented also has the capacity to perform automatic calibration measurements every 10 milliseconds. These measures allow to increase or decrease the gain of the camera, depending on the atmospheric conditions (fog, snow, rain, solar lighting). They also allow correction of the height variations of the contact cable (3) when there are no trains passing through the location of the sensor.
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, una hoja de planos en la cual, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: In order to complete the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a descriptive sheet is attached as an integral part thereof, with an illustrative character and non-limiting, the following has been represented:
En la figura 1 se muestra una representación sencilla de la ubicación en los postes de catenaria (4) de la cámara de línea (2) y de la pantalla de iluminación infrarroja (1) respecto al cable de contacto (3) de la vía (5) donde se realizan las medidas de altura. Figure 1 shows a simple representation of the location on the catenary posts (4) of the line camera (2) and the infrared illumination screen (1) with respect to the contact cable (3) of the track ( 5) where height measurements are made.
La figura 2 muestra un dibujo de la pantalla de iluminación infrarroja (1), donde se indica la zona de emisión luminosa infrarroja (7) entre las dos zonas oscuras (6). Figure 2 shows a drawing of the infrared illumination screen (1), where the infrared light emission zone (7) between the two dark zones (6) is indicated.
En la figura 3 muestra un diagrama de flujo del procedimiento utilizado para determinar las variaciones de altura del cable de contacto (3) y con ello detectar posibles anomalías en el pantógrafo. Figure 3 shows a flow chart of the procedure used to determine the variations in the height of the contact cable (3) and thereby detect possible anomalies in the pantograph.
A la vista de la figura 1, puede observarse que el sensor para la detección del comportamiento dinámico de la integración pantógrafo-catenaria está constituido por una pantalla de iluminación infrarroja In view of Figure 1, it can be seen that the sensor for the detection of the dynamic behavior of the pantograph-catenary integration is constituted by an infrared illumination screen
(1) y una cámara de línea (2) que se colocan sobre los postes de catenaria (4) existentes a ambos lados de la vía. La cámara de línea (2) se debe ubicar en el poste de catenaria (4) a una altura, donde en su campo de visión sólo se encuentre el cable de contacto (3) de la vía (5) donde se realizan las medidas de altura y la pantalla de iluminación infrarroja (1). (1) and a line chamber (2) that are placed on the existing catenary posts (4) on both sides of the track. The line camera (2) must be located in the catenary post (4) at a height, where in its field of vision there is only the contact cable (3) of the track (5) where the measurements are made height and infrared lighting display (1).
La cámara de línea (2) consta de una óptica de pequeño angular con un filtro interferencial acoplado a la misma. La banda de paso de dicho filtro corresponde con la longitud de onda de emisión de los diodos LED´s de la pantalla de iluminación infrarroja (1). El uso del filtro interferencial es con el objetivo de atenuar posibles ruidos provenientes de otras fuentes luminosas. El conjunto cámara-óptica está protegido dentro de una carcasa que cumple con las normas IP67. The line camera (2) consists of a small angle lens with an interferential filter attached to it. The pass band of said filter corresponds to the emission wavelength of the LEDs of the infrared illumination screen (1). The use of the interference filter is with the aim of attenuating possible noise from other light sources. The camera-optical assembly is protected inside a housing that complies with IP67 standards.
En la figura 2 se muestra una vista de la pantalla de iluminación infrarroja (1), en la parte frontal de la misma se pueden observar tres zonas: dos zonas oscuras (6) y una zona de emisión luminosa infrarroja (7). La carcasa de la pantalla de iluminación infrarroja (1) es metálica y sólo en la parte frontal tiene una ventana de cristal transparente que se corresponde con la zona de emisión luminosa infrarroja (7) de la misma. La pantalla cumple con las normas IP67. In figure 2 a view of the infrared illumination screen (1) is shown, in the front part of it there are three zones: two dark zones (6) and one infrared light emission zone (7). The housing of the infrared illumination screen (1) is metallic and only in the front part has a transparent glass window that corresponds to the infrared light emission zone (7) thereof. The screen complies with IP67 standards.
La zona de emisión luminosa infrarroja (7) de la pantalla de iluminación infrarroja (1) está compuesta por una matriz de 1400 LED´s que iluminan en el espectro infrarrojo. Las zonas oscuras (6) de la pantalla de iluminación infrarroja (1) están pintadas con una pintura mate negra, para que refleje lo menos posible la luz ambiental. The infrared light emission zone (7) of the infrared illumination screen (1) is composed of a matrix of 1400 LEDs that illuminate in the infrared spectrum. The dark areas (6) of the infrared illumination screen (1) are painted with a black matte paint, so that it reflects as little as possible the ambient light.
El algoritmo del procedimiento de cálculo de la variación de altura del cable de contacto se presenta en forma de diagrama de flujo en la figura 3, donde las etapas que se siguen -según la numeración indicada en la figura-son las siguientes: The algorithm of the procedure for calculating the height variation of the contact cable is presented in the form of a flow chart in Figure 3, where the steps that are followed - according to the numbering indicated in the figure - are as follows:
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- 8.8.
- Base de tiempo (10 ms). Es el intervalo de tiempo tras el cual se ejecuta el procedimiento. Este tiempo se programa en la tarjeta de captura de imágenes. Time base (10 ms). It is the time interval after which the procedure is executed. This time is programmed on the image capture card.
9. Capturar imagen. Se captura una línea-imagen con la cámara. 9. Capture image. A line-image is captured with the camera.
- 10.10.
- ¿Imagen con poca o mucha iluminación?. A partir de los valores de intensidad relativa a las zonas oscuras y de emisión luminosa infrarroja (7) de la pantalla y el cable se determina si hay cambios de iluminación. Image with little or a lot of lighting ?. From the values of intensity relative to the dark areas and infrared light emission (7) of the screen and the cable it is determined if there are lighting changes.
- 11.eleven.
- Cambiar la ganancia de la cámara. Modificar el valor de la ganancia de la cámara proporcionalmente al cambio de iluminación. Change the camera gain. Modify the value of the camera gain proportionally to the lighting change.
- 12.12.
- ¿Hay tren en vía?. Verificar si hay tren en vía. Esto se hace chequeando un comando externo al procedimiento enviado por un sensor de ejes. Is there a train on track ?. Check if there is train on track. This is done by checking an external command to the procedure sent by an axis sensor.
- 13.13.
- Calcular variación de altura. A partir de la posición relativa entre la cámara y la pantalla, la posición del cable de contacto en estado de reposo y la línea-imagen capturada, se calcula y almacena la diferencia entre el valor medido y el valor en estado de reposo de la altura del cable. Para corregir la desviación del campo de visión de la cámara, debido a las vibraciones ocasionadas por el paso del tren, se calcula la diferencia entre las coordenadas pixélicas relativas a los bordes de la zona de emisión luminosa infrarroja (7) de la línea-imagen capturada y los valores de dichas coordenadas obtenidos con la cámara en estado de reposo. Calculate height variation. From the relative position between the camera and the screen, the position of the contact cable in the idle state and the captured line-image, the difference between the measured value and the value in the resting state of the height is calculated and stored of the cable. To correct the deviation of the camera's field of view, due to the vibrations caused by the passage of the train, the difference between the pixel coordinates relative to the edges of the infrared light emission zone (7) of the image line is calculated captured and the values of said coordinates obtained with the camera in idle state.
14. ¿Había tren en vía?. Determinar si en el ciclo anterior del procedimiento había un tren en vía. 14. Was there a train on track ?. Determine if in the previous cycle of the procedure there was a train on track.
- 15.fifteen.
- Procesar datos. Se ejecuta un procedimiento donde se detiene la base de tiempo, se procesan los datos medidos durante el paso del tren, para determinar si el pantógrafo ha elevado el cable de contacto (3) fuera de los límites permitidos, y se vuelve a activar la base de tiempo. To process data. A procedure is performed where the time base is stopped, the measured data is processed during the passage of the train, to determine if the pantograph has raised the contact cable (3) outside the allowed limits, and the base is reactivated of time.
- 16. 16.
- Actualizar altura del cable en estado de reposo. Se realiza una actualización de la altura del cable en estado de reposo. Esto se hace tomando el valor medio de dicha altura durante los últimos 20 segundos. Update cable height in idle state. An update of the cable height is performed in the idle state. This is done by taking the average value of said height during the last 20 seconds.
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Claims (4)
- 1. one.
- Dispositivo sensor para detectar el comportamiento dinámico del pantógrafo, caracterizado porque está compuesto por una cámara de línea (2) y una pantalla de iluminación infrarroja (1). Sensor device to detect the dynamic behavior of the pantograph, characterized in that it is composed of a line camera (2) and an infrared illumination screen (1).
- 2. 2.
- Dispositivo sensor para detectar el comportamiento dinámico del pantógrafo, según la Sensor device to detect the dynamic behavior of the pantograph, according to the
- Categoría Category
- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas 56 Documents cited Claims Affected
- A TO
- 14.04.2009, C. LUNA et al. "Image stabilization, determining the structure of the camera movement by means of an additional line-scan". Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics. Málaga (España). Abril 2009. 1-4 04/14/2009, C. LUNA et al. "Image stabilization, determining the structure of the camera movement by means of an additional line-scan". Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics. Malaga, Spain). April 2009 1-4
- A TO
- JP 2008104312 A (MEIDENSHA ELECTRIC MFG CO LTD) 01.05.2008, Resumen y figuras de la base de datos EPODOC. Recuperado de EPOQUE. 1-4 JP 2008104312 A (MEIDENSHA ELECTRIC MFG CO LTD) 01.05.2008, Summary and figures of the EPODOC database. Recovered from EPOQUE. 1-4
- A TO
- DE 2551805 A1 (LICENTIA GMBH) 18.05.1977, resumen; figuras. 1-4 DE 2551805 A1 (LICENTIA GMBH) 18.05.1977, summary; figures. 1-4
- A TO
- US 4195791 A (FRAZEE RALPH E JR) 01.04.1980, columna 2, línea 42 – columna 3, línea 68; figura 1. 1-4 US 4195791 A (FRAZEE RALPH E JR) 01.04.1980, column 2, line 42 - column 3, line 68; Figure 1. 1-4
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
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- Fecha de realización del informe 23.03.2012 Date of realization of the report 23.03.2012
- Examinador B. Tejedor Miralles Página 1/4 Examiner B. Weaver Miralles Page 1/4
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT
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-
2009
- 2009-05-27 ES ES200901301A patent/ES2378210B1/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2378210A1 (en) | 2012-04-10 |
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Legal Events
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| FG2A | Definitive protection |
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