ES2531016B1 - Dispositivo sensor y procedimiento para detectar el paso de los ejes de los trenes por las vías - Google Patents

Dispositivo sensor y procedimiento para detectar el paso de los ejes de los trenes por las vías Download PDF

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Abstract

Dispositivo sensor y procedimiento para detectar y contar el número de ejes para la detección de trenes en vías férreas, utilizando un sistema sensor formado por dos bobinas, una transmisora (1) y otra receptora (2), y un procedimiento de detección (donde toda la electrónica está fuera del entorno de vía) de presencia/ausencia de rueda, basado en un sistema redundante, que permite detectar con alta fiabilidad y robustez la diferencia de fase entre la tensión aplicada a la bobina transmisora y la inducida en la bobina receptora.#El procedimiento de detección se caracteriza por aplicar a la bobina transmisora una señal codificada y modulada digitalmente mediante el uso de una secuencia Kasami. En recepción se realiza la correlación síncrona de la señal recibida con la secuencia Kasami original y su complementaria. Esta doble correlación permite disponer de doble información para tomar la decisión sobre la presencia/ausencia de rueda.

Description

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DISPOSITIVO SENSOR Y PROCEDIMIENTO PARA DETECTAR EL PASO DE LOS EJES DE LOS TRENES POR LAS VIAS
DESCRIPCION
OBJETO DE LA INVENCION
Detectar y contar el numero de ejes de los trenes, en diferentes puntos de las vlas ferreas, es una tarea de vital importancia para el correcto funcionamiento de los sistemas ferroviarios. Los sistemas encargados de detectar el paso de ejes se conocen como “detectores-contadores de ejes”.
Los detectores de ejes se utilizan en diferentes tareas relacionadas con la seguridad de los sistemas ferroviarios, como pueden ser: para detectar la presencia de trenes, medir la velocidad de circulation, contar el numero de ejes que entran y salen de un desvlo o section del trazado ferroviario, entre otras. Por ello se requiere que sean sistemas muy fiables y robustos, ya que se trata de sistemas vitales, cuyo objetivo final es proporcionar information al evaluador, al operador o al enclavamiento del estado libre u ocupado de las secciones de vlas ferroviarias.
SECTOR DE LA INVENCION
Esta invention tiene su aplicacion dentro de la industria dedicada a la fabrication de instrumentos de medidas, especlficamente en los sistemas de supervision y seguridad del sistema de transporte ferroviario.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION.
En los actuales sistemas de senalizacion ferroviaria, los aspectos relacionados con las mejoras de fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (FDMS) se consideran de vital importancia, y en especial si estos sistemas estan ligados a la seguridad de la circulacion, como es el caso de los detectores-contadores de ejes.
En el caso de los detectores-contadores de ejes, para conseguir estas mejoras, se deben buscar soluciones que garanticen, una alta fiabilidad en la deteccion de la rueda (cada rueda esta asociada a un eje), incluso en condiciones ambientales ruidosas (baja relation senal/ruido) y adversas climatologicamente. Para ello el sistema sensor, ubicado en la via, debe utilizar tecnicas que garanticen la detection fiable de la rueda y evitar la existencia de electronica en via, con el objeto de reducir las averlas (la norma MIL
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HDBK 217 determina la probabilidad de un mayor numero de averlas, cuando un equipo electronico esta expuesto a condiciones medioambientales adversas, variaciones termicas, humedad, vibraciones, descargas electromagneticas, etc).
Dentro de los detectores-contadores de ejes actuales existen basicamente dos alternativas: Las que utilizan sensores que se encuentran instalados a un solo lado del carril, y las que disponen de una bobina transmisora a un lado del carril y de una bobina receptora al otro lado.
Dentro de las primeras (las que utilizan sensores que se encuentran instalados a un solo lado del carril); se trata de sensores inductivos que detectan la variation del campo magnetico producido por el paso de la pestana de la rueda; variaciones de campo magnetico que se manifiestan en cambios de amplitud de la senal de salida de un oscilador dispuesto para tal fin en el propio sensor.
Mediante un proceso de umbralizacion de esta senal analogica de salida del oscilador se detecta la presencia/ausencia de rueda. Dentro de esta alternativa se encuentran los comercializados por las firmas SIEMENS y FRAUSCHER.
Las soluciones que disponen de una bobina transmisora a un lado del carril y de una bobina receptora al otro lado, basan su funcionamiento en que el paso de la rueda entre las bobinas modifica la tension o fase de la tension inducida en la bobina receptora.
Dentro de esta alternativa se encuentran diversos productos comerciales con referencias de patentes ES 2 240 037 T3, ES 2 131 227 T3, ES 8 305 935 A1, EP1468891A1 y CN101939201B. En todos estos casos la presencia/ausencia de rueda se hace bien a partir de las variaciones de amplitud o fase de la senal detectada en la bobina receptora, siendo en todos ellos necesario ubicar electronica en via.
En esta misma llnea se encuentra la tesis doctoral de Patricio Gabriel Donato Abella de la Universidad de Alcala [Sistema detector de ejes de trenes sin electronica en via, Tesis doctoral, Patricio Gabriel Donato Abella, Universidad de Alcala, 2005] en la que detection de rueda se hace a partir de un array de sensores y un puente de Maxwell. La tension de desequilibrio del puente de Maxwell es la que se utiliza para realizar la deteccion de presencia/ausencia de rueda (no la tension inducida directamente en la bobina receptora).
Todas estas soluciones presentan problemas por ser muy susceptibles a las interferencias electromagneticas, por la forma en la que se realiza la deteccion de rueda y porque los sistemas comerciales utilizan electronica en via, lo que los hace muy vulnerables a las condiciones climatologicas.
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Todo ello hace las soluciones actuales no respondan a las exigencias de fiabilidad que demandan estos sistemas.
Con el objetivo de dar solucion a esta problematica, en esta patente se ha disenado un sistema sensor capaz de realizar la detection de rueda, caracterizado por:
1. Utilizar redundancia en el proceso de deteccion de la diferencia de fase entra la tension o senal inducida en la bobina receptora y la emitida por la bobina transmisora.
2. Ausencia de electronica en via, esto es, en el entorno de la via unicamente se ubican las bobinas transmisora y receptora, estando toda la electronica de procesamiento ubicada en los edificios tecnicos.
Estos dos aspectos hacen que la solucion propuesta presenta ventajas notables sobre todas las soluciones actuales. En esta patente la presencia/ausencia de rueda se hace a partir de la deteccion, mediante un sistema redundante, en el proceso de deteccion de la diferencia de fase entre la tension aplicada a la bobina transmisora y la inducida en la bobina receptora. Siendo esta diferencia de fase de 0° en ausencia de rueda y de 180° cuando el eje de la rueda se encuentra alineado con las bobinas.
DESCRIPCION DE LA INVENCION.
La presente memoria descriptiva se refiere a un Dispositivo sensor y procedimiento para detectar el paso de los ejes de los trenes por las vlas ferreas.
El procedimiento y el dispositivo sensor se han desarrollado para detectar el paso de los ejes de un tren y contar el numero de estos para verificar, entre otros, la integridad de los convoyes ferroviarios.
Este procedimiento y dispositivo sensor se caracterizan por conseguir una alta fiabilidad y robustez de deteccion, dada la redundancia del sistema electronico utilizado en el proceso de deteccion de la senal inducida en la, la realization de las medidas sin necesidad de contacto flsico con ningun elemento del tren, alta inmunidad a las interferencias electromagneticas, y ausencia de electronica en via.
Para ello se hace uso de un sistema sensor formado por dos bobinas, una transmisora (1) y otra receptora (2), estando la bobina transmisora a un lado del carril y la bobina receptora en el otro, dispuestas tal como se muestra en la figura 1 (ubicadas en via).
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La disposition flsica de ambas bobinas hace que en ausencia de rueda la diferencia de fase entre las senales en la bobina transmisora y la receptora sea de 0°, y en presencia de rueda (rueda alineada con las bobinas) esta diferencia es de 180°.
La esencia de la invention que aqul se propone esta basada en la detection, siguiendo un procedimiento redundante en el proceso de detection de la tension inducida en la bobina receptora, de la diferencia de fase entre la senal emitida por la bobina transmisora (1) y la recibida en la bobina receptora asociada (2).
Para llevar a cabo la detection de la diferencia de fase entre la senal aplicada a la bobina transmisora y la inducida en la bobina receptora, se utiliza el procedimiento reflejado en la figura 1, donde toda la electronica de procesamiento se ubica fuera de la via (edificios tecnicos).
La senal aplicada a la bobina transmisora es una senal codificada y modulada digitalmente mediante el uso de una secuencia o codigo Kasami.
En reception se realiza la correlation (10, 11) de la senal recibida, previa demodulation (9), con la secuencia Kasami original y la secuencia Kasami complementada (esto es, cambiando los niveles logicos altos por niveles bajos y viceversa de la secuencia Kasami utilizada en la modulation de la senal emitida) (3). Esto es, identificando por A(k) (3) a la secuencia Kasami original, por B(k) (3) su complementada, por S(k) la senal de salida digitalizada de la bobina receptora (8), y
por Z(k) la senal S(k) demodulada (9), en reception se realiza la correlation (10,11) de la senal Z(k) con la secuencia Kasami original y su complementada, obteniendose R1(k)=A(k)*Z(k) (10) y R2(k)=B(k)*Z(k) (11).
En ausencia de rueda, la diferencia de fase entre la senal emitida y la recibida es 0°, por tanto R1(k) genera un pico de amplitud elevada, mientras que R2(k) presentara un pico de amplitud reducida (teoricamente nulo).
En presencia de rueda, sucede justo lo contrario cuando el eje de la rueda esta alineado con las bobinas, ya que en ese caso la diferencia de fase entre la senal emitida y la recibida es de 180°.
A partir de la detection de los picos de R1(k) y R2(k) se obtiene la diferencia de fase entre la senal emitida y la recibida, y por tanto se determina la presencia/ausencia de rueda.
En consecuencia, la solution que se pretende proteger, dispone de doble Information para tomar la decision sobre la presencia/ausencia de rueda. Asl,Identificando por P1 y P2 las salidas de los dos detectores de pico (12) (13), si P1(k)=H (nivel alto)
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y P2(k)= L (nivel bajo) sera indicativo de presencia de rueda, y si P1(k)=L y P2(k)= H sera indicativo de ausencia de rueda. Cualquier otra situation sera considerada como error.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS.
Para completar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas del invento, se acompana a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, una hoja de planos en la cual, con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
En la figura 1 se muestra un esquema en bloques del sistema que se pretende patentar, asociado al par de bobinas transmisora (1) y receptora (2). En dicha figura se representan los diferentes bloques utilizados para la generation de la senal a aplicar a la bobina transmisora (1) y para realizar la detection de presencia/ausencia de rueda, a partir de la senal inducida en la bobina receptora (2). Se incluyen los siguientes bloques: bloque generador de la secuencia Kasami A(k) y su complementada B(k) (3); modulador BPSK (4); Amplificador de salida de senal (5) a bobina transmisora; cables (6) que unen la electronica de procesamiento ubicada fuera de la via (edificios tecnicos) y las bobinas ubicadas en via; Acondicionador de senal de bobina receptora (7); Conversor A/D (8); Demodulador BPSK (9); Correlador A (10) y Correlador B (11); Detector de pico A (12), y detector de pico B (13); Logica de decision (14), Reloj de sincronismo (15).
REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCION.
La parte del dispositivo sensor ubicado en via, esta constituido por un par de bobinas, una transmisora (1) y otra receptora (2), ubicadas a cada lado del rail.
En ausencia de rueda, el campo magnetico generado por la bobina transmisora (1) atraviesa a la bobina receptora (2) con un determinado angulo respecto a su normal, y la tension inducida en ella esta en fase con la senal enviada por la bobina transmisora.
En presencia de rueda, el campo magnetico generado por la bobina transmisora atraviesa a la bobina receptora con un angulo distinto al de ausencia de rueda, respecto a su normal, y la tension inducida llega a estar desfasada 180 ° con la senal enviada por la bobina transmisora.
En funcion del tramo de via (section de via) y de la information adicional que se desee obtener del contador de ejes (direction de movimiento del tren, velocidad, etc.) se
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pueden ubicar mas de un par de bobinas transmisoras/receptoras en una misma seccion de via.
En lo referente a la parte de procesamiento del sistema sensor, (en la figuras 1 se muestra un esquema de bloques para el procesamiento de senales asociado a un par de bobinas transmisora/emisora); el sistema electronico de procesamiento se encuentra ubicado fuera de la via (edificios tecnicos, por ejemplo).
El bloque generador de la secuencia Kasami A(k) y su complementada B(k) (3), se encarga de generar una secuencia Kasami y su complementada (B(k) se obtiene a partir de A(k) cambiando los niveles logicos altos por niveles logicos bajos y viceversa).
El modulador BPSK (4), se encarga de realizar la modulation BPSK de la portadora, donde cada slmbolo esta formado por un ciclo de la portadora.
El amplificador de senal de salida (5) se encarga de adaptar la senal de salida del modulador a las necesidades de excitation de la bobina transmisora (2), teniendo presente la longitud de los cables (6) que unen la electronica de procesamiento ubicada fuera de la via y las bobinas ubicadas en via.
El acondicionador de senal de bobina receptora (7), es el encargado de acondicionar los niveles de senal de salida de la bobina receptora, transmitidos por los cables (6) que unen a esta con la electronica (ubicada fuera de via), a los niveles de entrada del conversorA/D (8).
El conversor A/D (8), es el encargado de realizar la digitalization de la senal recibida, para posteriormente ser procesada en forma digital, mediante un algoritmo implementado en un dispositivo FPGA. El bloque demodulador BPSK (9), realiza la demodulation slncrona de la senal de salida del conversor A/D, haciendo coincidir los instantes de tiempo en que comienza cada slmbolo.
Los circuitos correlador A (10) y correlador B (11), realizan la correlation slncrona de la salida del demodulador con la secuencia original A(k) y su complementaria B(k), respectivamente. Los detectores de pico A (12) y B (13), son los encargados de realizar la umbralizacion de las senales de salida de los correladores A y B, respectivamente, lo que permite identificar los instantes de detection.
La logica de decision (14), genera, a partir de las salidas de los dos bloques de deteccion de pico (12 y 13), una salida que toma dos valores diferentes, en funcion de si se ha detectado o no rueda.
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Finalmente, el bloque de Reloj (15), es el encargado de generar la senal de sincronismo necesaria para llevar a cabo los diferentes procesos.
Descrita suficientemente la naturaleza de la invencion, asl como la manera de llevarse a la practica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren sus principios fundamentales, establecidos en los parrafos anteriores y resumidos en las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

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    REIVINDICACIONES
    1a.- DISPOSITIVO SENSOR PARA DETECTAR EL PASO DE LOS EJESDE LOS TRENES POR LAS VIAS caracterizado porque el dispositivo se encuentra constituido por:
    • dos bobinas:
    - bobina transmisora (1)
    - bobina receptora (2)
    ubicadas a uno y otro lado del rail y unidas por un cable (6)
    • una electronica de procesamiento constituida por:
    - Generador de secuencia Kasami A(k) y su complementada B(k) (3)
    - Modulador BPSK (4), es el encargado de realizar la modulacion BPSK de la portadora.
    - Amplificador de senal de salida (5) adapta la senal de salida del modulador a las necesidades de excitacion de la bobina transmisora (2),teniendo presente la longitud de los cables (6) que unen la electronica de procesamiento ubicada fuera de la via y las bobinas ubicadas en via
    - Acondicionador de senal de bobina receptora (7), acondiciona los niveles de senal de salida de la bobina receptora, transmitidos por los cables (6) que unen a esta con la electronica ubicada fuera de via, a los niveles de entrada del conversor A/D
    - Conversor A/D (8), realiza la digitalizacion de la senal recibida, para posteriormente ser procesada en forma digital, mediante un algoritmo implementado en un dispositivo FPGA.
    - Demodulador BPSK (9), realiza la demodulation slncrona de la senal de salida del conversor A/D.
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    - Correlador A (10) y el correlador B (11), realizan la correlation slncrona de la salida del demodulador con la secuencia original A(k) y su complementada B(k), respectivamente.
    - Detectores de pico A (12) y B (13), realizan la umbralizacion de las senales de salida de los correladores A y B.
    - Logica de decision (14), genera, a partir de las salidas de los dos bloques de detection de pico (12 y 13), una salida que toma dos valores diferentes, en funcion de si se ha detectado o no rueda.
    - Reloj (15), generador de la senal de sincronismo necesaria para llevar a cabo los diferentes procesos.
    2a.- PROCEDIMIENTO PARA DETECTAR EL PASO DE LOS EJESDE LOS TRENES POR LAS VIAS caracterizado porque el procedimiento se realiza a partir de la deteccion de la diferencia de fase entra la tension inducida en una bobina receptora (2) y la emitida por otra bobina transmisora (1) ubicadas a uno y otro lado del rail y utilizando un procesamiento electronico redundante para la deteccion de la diferencia de fase entra las tensiones de ambas bobinas y porque la senal aplicada a la bobina transmisora es una senal codificada y modulada digitalmente mediante el uso de secuencias Kasami de forma que una de la senal inducida en la bobina receptora (2), con la secuencia Kasami utilizada en la modulation de la senal es enviada a la bobina transmisora (1) y otra, de la senal inducida en la bobina receptora (2) con la secuencia Kasami complementada, esto es, cambiando los niveles logicos altos por niveles bajos y viceversa de la secuencia Kasami.
    En ausencia de rueda, el campo magnetico generado por la bobina transmisora (1) atraviesa la bobina receptora (2) en un determinado angulo respecto a su normal, estando la tension inducida en ella en fase con la senal enviada por la bobina transmisora (1)
    En presencia de rueda, el campo magnetico generado por la bobina transmisora (1)atraviesa a la bobina receptora (2) con un angulo distinto al de ausencia de rueda, y la tension inducida llega a estar desfasada 180° con la senal enviada por la bobina transmisora (1).
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