ITVE20000036A1 - Apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotramviaria. - Google Patents
Apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotramviaria. Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE
dell'invenzione avente per titolo:
"Apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotranviaria"
La presente invenzione concerne un'apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotramviarìa.
Le linee aeree ferrotramviarie comprendono uno o più spesso due fili metallici affiancati, di conveniente diametro, alimentati elettricamente e sostenuti da una pluralità di pali disposti lungo il binario ad una prefissata altezza da questo, in modo da consentire che un pantografo montato sulla motrice del convoglio ferrotramviario possa strisciare sui fili stessi per prelevare da questi l'energia elettrica necessaria all'alimentazione del motore di trazione e dei servizi.
L'efficienza della linea aerea richiede un accurato controllo periodico della stessa, allo scopo in particolare di rilevare i parametri caratteristici che sono costituiti essenzialmente dall'usura, dall'altezza e dallo spostamento dei fili.
La conoscenza del grado di usura del filo è importante per evitare che il suo diametro scenda al di sotto di prefìssati valori limite, che potrebbero causare la rottura del cavo stesso, sottoposto a continue sollecitazioni da parte del pantografo.
La conoscenza dell'altezza del filo, e cioè delta sua distanza misurata in senso verticale dal piano delle rotaie è importante per assicurare che le variazioni di altezza non superino una prefissata entità, tipicamente pari a 1.5 m.
La conoscenza dello spostamento del filo, e cioè della sua distanza, misurata in senso orizzontale dall'asse del binario, è importante per assicurare che le sue variazioni non superino una prefissata entità, tìpicamente pari a 0.6 m.
Attualmente i parametri di una linea aerea ferrotramviaria vengono rilevati attraverso una serie di misure effettuate con il calibro per campionamento.
E' evidente che un tal sistema di rilevamento è alquanto insoddisfacente in quanto comporta in particolare:
- una elevata lentezza operativa, per la necessità di procedere appunto ad un campionamento manuale,
- una parimenti elevata scomodità operativa, per la necessità di dover procedere ai rilievo manuale, dopo aver arrestato il convoglio di misura ogni qualvolta sia necessario effettuare tale rilievo,
- una scarsità di parametri rilevati,
- una inevitabile ma ai tempo stesso inaccettabile localizzazione delie misure in punti spesso distanti tra loro e non necessariamente coincidenti con i punti di massima usura effettiva, che poi sono quelli che determinano, a seguito delle sollecitazioni da parte del pantografo, la rottura del filo.
Scopo dell'invenzione è di rilevare più parametri significativi delle effettive condizioni della linea aerea.
Altro scopo dell'invenzione è di effettuare questo rilevamento in maniera estremamente rapida e comoda.
Altro scopo dell'invenzione è di effettuare questo rilevamento praticamente con continuità sull intera linea aerea.
Tutti questi scopi ed altri che risulteranno dalla descrizione che segue sono raggiunti, secondo l'invenzione, con un'apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotramviaria caratterizzata dal fatto di comprendere a bordo di un veicolo ferrotramviario:
- almeno una sorgente laser atta a generare un fascio laser,
- mezzi ottici di trasformazione di detto fascio laser, generato da detta sorgente, in un fascio appiattito,
- mezzi di orientamento dell'asse di detto fascio appiattito secondo un angolo diverso da 90° con l’asse del filo della linea aerea e definente con questo un piano sostanzialmente ortogonale al piano di detto fascio,
- almeno una telecamera avente asse ottico distinto dall’asse di detto fascio appiattito, giacente su detto piano ortogonale ed orientato verso la linea luminosa di intersezione di detto fascio laser con detto filo,
l'apparecchiatura comprendendo inoltre un’unità di elaborazione dei segnali generati da detta telecamera per rilevare la posizione di detta linea luminosa nel campo ottico di detta telecamera, nonché per effettuare la ricostruzione del profilo reale di detto filo ed il suo confronto con il profilo teorico del filo stesso.
La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita in alcune sue preferite forme di pratica realizzazione riportate a scopo puramente esemplificativo e non limitativo con riferimento alle allegate tavole di disegni, in cui:
la figura 1 mostra schematicamente il principio generale sul quale si basa l'apparecchiatura secondo l'invenzione,
la figura 2 lo mostra schematicamente nella forma di realizzazione per rilevare più ampie variazioni di altezza del filo,
la figura 3 lo mostra nella sua effettiva forma di pratica attuazione,
la figura 4 lo mostra installato su un veicolo ferrotramviario.
Come si vede dalle figure l'apparecchiatura secondo l'invenzione è installata a bordo di un veicolo ferroviario e si basa sul principio della triangolazione laser. A tal fine essa comprende una sorgente laser 2 allo stato solido, in grado di emettere un fascio laser 4, che dapprima viene collimato e successivamente viene espanso per assumere una forma appiattita, preferibilmente dello spessore dell'ordine di 0,2 mm. L'espansione del fascio collimato viene vantaggiosamente ottenuta con una lente cilindrica realizzata in modo da compensare la distribuzione gaussiana dell'intensità del fascio laser e da ottenere una intensità uniforme.
II fascio laser così ottenuto viene proiettato sulla parte inferiore del filo 6 della linea aerea con una angolazione all'incirca di 55° rispetto all'asse di questo. Nella presente descrizione si fa sempre riferimento ad un solo filo 6, anche se nella pratica una linea aerea comprende più di un filo.
L'interferenza del filo 6 con il fascio laser 4 determina sul filo stesso una linea luminosa, il cui andamento e la cui posizione sono correlati con il profilo del filo e quindi variano al variare di questo, in particolare a seguito di usura, deformazioni e spostamenti.
In posizione sottostante il filo 6 è disposta una telecamera 8 allo stato solido, ad aita risoluzione ed alta frequenza di acquisizione; il suo asse ottico è sostanzialmente ortogonale all’asse del filo 6 ed è pertanto in grado di rilevare la linea luminosa così generata dal fascio laser sul filo stesso. I dati relativi alia linea, in forma di coordinate cartesiane di ogni punto acquisito di questa, vengono trasferiti ad un’unità di elaborazione, che provvedere a calcolare il profilo reale della parte inferiore del filo, interpolando tra loro la molteplicità di punti acquisiti dal sensore della telecamera 8.
L'unità di elaborazione è anche in grado di determinare la posizione della linea luminosa che appare nel campo ottico della telecamera 8 e di calcolare da questa lo spostamento orizzontale del filo rispetto all'asse del binario 10, nonché le sue variazioni di altezza rispetto al piano del binario stesso. Più particolarmente se per una data altezza del filo 6 la linea luminosa è posta sull'asse ottico della telecamera 8 e la sua immagine cade al centro del campo ottico di questo, per un'altezza del filo 6 leggermente differente la linea luminosa sarà spostata da detto asse ottico e la sua immagine sarà spostata longitudinalmente dal centro di detto campo ottico in misura correiabile con Te variazioni di altezza del filo stesso.
Analogamente, se per una posizione centrale del filo 6 la immagine della linea luminosa cade sull'asse mediano del campo ottico della telecamera 6, per una posizione di detto filo lateralmente spostata rispetto alla precedente, l'immagine della linea luminosa sulla telecamera sarà spostata trasversalmente da detta linea mediana in misura correiabile con tale spostamento.
La telecamera 8 è provvista di un particolare filtro ottico interferenziale ad elevata selettività, in grado di far passare unicamente la lunghezza (fonda del laser e di bloccare tutte le altre lunghezze d'onda, allo scopo di rendere immune il sistema da interferenze provocate dalla luce solare o da altre fonti luminose e di consentire l’impiego del l’apparecchiatura in qualsiasi condizione di luce, senza la necessità di effettuare alcuna regolazione.
Con una frequenza di campionamento consentita dalla telecamera 8 (ad esempio 1000/sec), l'unità di elaborazione è in grado di rilevare praticamente con continuità i tre parametri caratteristici di una linea aerea ferrotranviaria.
L'unità di elaborazione può essere installata a bordo del veicolo ferrotramviario per un immediato rilevamento dell’usura del filo, oppure può essere installata a terra, ed in tal caso i dati forniti dalla telecamera 8 vengono inviati ad una unità di registrazione per la loro utilizzazione differita. In entrambi i casi l'apparecchiatura secondo l'invenzione è preferibilmente equipaggiata con un sistema di rilevamento della progressiva chilometrica, allo scopo di correlare i dati relativi ai successivi rilevamenti della telecamera 8 con il punto della linea ferroviaria, nella quale quei dati sono stati rilevati.
Questo sistema di rilevamento è preferibilmente costituito da un encoder incrementale montato sull’asse di una ruota del veicolo ferrotramviario e collegato a questa da un giunto elastico oppure da una trasmissione a cinghia dentata. E' peraltro preferibile, allo scopo di compensare possibili slittamenti delle ruote sulle rotaie 10, di utilizzare quattro encoder applicati alle quattro ruote del veicolo ed un algoritmo che confronta fra loro i dati provenienti da detti encoder e corregge gli errori dovuti a tali slittamenti.
Allo scopo di rendere affidabile il sistema di rilevamento anche nel caso reale di più ampie variazioni di altezza del filo 6 in differenti linee aeree od anche in una stessa linea ferrotramviaria, è prevista un’apparecchiatura più sofisticata, in grado di adattarsi automaticamente a queste più ampie variazioni di altezza ed illustrata schematicamente in figura 2.
Come si può vedere, in quest'apparecchiatura, la telecamera 8 è disposta, per ragioni di opportunità realizzativa, con l'asse ottico parallelo all'asse del filo 6, e ad essa è affacciato uno specchio 12 in grado di riflettere sul sensore di questa l'immagine della linea luminosa creata dall’interferenza del fascio laser 4 con il filo 6.
La telecamera 8 è provvista di una speciale ottica, con focale fissa e con zoom motorizzato su comando dell'unità di elaborazione.
La sorgente laser 2 di quest'apparecchiatura è coassiale alla telecamera 8 e tra le due è interposto uno specchio 14, in grado di riflettere verso l'alto, sul filo 6, il fascio laser 4 emesso da detta sorgente 2.
Lo specchio 14 è mobile da e verso la sorgente laser 2 su comando dell'unita di elaborazione dell’apparecchiatura
In funzionamento, se si parte da una condizione, comunque raggiungibile, per puntamento manuale od automatico, in cui l'immagine della linea luminosa cade all'interno del campo ottico della telecamera 8, quando a seguito di variazioni di altezza del filo la logica del sistema si accorge che tale immagine della linea luminosa sta per usare da detto campo ottico, comanda lo spostamento delio specchio 14 in direzione tale da inseguire tale linea luminosa e da riportare comunque la sua immagine all'interno del campo della telecamera.
Al tempo stesso l'unità di elaborazione comanda anche lo zoom della telecamera 8, in modo da mantenere sostanzialmente costante l'ampiezza del suo campo ottico, nonostante sia variata la distanza tra il suo sensore e la linea luminosa sui filo 6.
Con un’adeguata scelta dell’ottica del sistema e con un adeguato software di regolazione è possibile garantire una perfetta localizzazione ed un'uniformità delle caratteristiche di illuminazione, pur con altezze del filo 6 variabili entro un campo di 2 m.
Allo scopo poi di ampliare il campo di rilevamento del terzo parametro caratteristico di una linea aerea ferrotramviaria, e cioè dello spostamento in senso orizzontale del filo 6 rispetto all’asse del binario, spostamento che può raggiungere valori anche di 0.6 m, l'apparecchiatura secondo l’invenzione prevede di utilizzare non un unico rilevatore laser a triangolazione, bensì una pluralità di rilevatori affiancati.
In figura 3 è illustrata un’apparecchiatura di questo tipo, nella quale sei sorgenti laser 2 sono montate in condizione affiancata su un'unica barra trasversale 16 affacciata ad uno specchio 14 montato su un carrello, il quale può essere azionato da una vite motorizzata 18 per i suoi movimenti in avvicinamento ed in allontanamento da detta barra 16.
Le sei sorgenti laser 2 fanno parte di sei unità di rilevamento, ciascuna delle quali comprendente una telecamera 8, e le sei telecamere 8 sono montate in condizione affiancata su un'unica barra trasversale 20 disposta parallelamente alla barra 16 delle sorgenti laser 2 ed affacciata ad una barra 22 di sei specchi 12, disposti a 45°, per riflettere sulle sei telecamere 8 l'immagine della corrispondente linea luminosa formatasi dall'interferenza di uno dei sei fasci laser 4 con il filo 6 della linea aerea.
Poiché ciascuna unità di rilevamento è in grado di coprire una larghezza orizzontale di 0.1 m, l’insieme dei sei gruppi è in grado di coprire una larghezza totale di 0.6 m, che di norma corrisponde alla massima escursione in senso orizzontale dei filo 6 nei suoi scostamenti rispetto all'asse del binario.
Il complesso formato dalla barra 16 di sorgenti laser 2, dallo specchio mobile 14, dalla barra 20 di telecamere 8 e dalla barra 22 di specchi fissi 12 è preferibilmente racchiuso entro un robusto contenitore metallico 24, predisposto per essere fissato al veicolo ferrotramviario 25.
Sul contenitore 24 sono ricavate finestre 26 in vetro a tenuta stagna per permettere la visibilità delle telecamere 8 e l'uscita dei fasci laser 4. Queste finestre sono preferibilmente associate a spazzole comandate elettricamente ed associate ad una serie di spruzzatori di liquido detergente, per assicurare la loro pulizia in modo automatico. Inoltre, allo scopo di evitare la formazione di condensa sulle finestre e sulle parti ottiche dell'apparecchiatura, è previsto che il contenitore 24 sia provvisto di un sistema di condizionamento, in grado di mantenere automaticamente costante la sua temperatura interna.
Poiché il contenitore 24 è montato sul veicolo ferrotramviario 25 ed i dati rilevati sono influenzati dagli spostamenti verticali ed orizzontali di questo, nonché dalle sue oscillazioni, è previsto che alla parte inferiore del veicolo stesso sia applicato anche un dispositivo laser a triangolazione 28, in grado di rilevare la posizione geometrica di detto veicolo, allo scopo di compensare in modo automatico l'errore di misura.
E’ infine previsto che l'apparecchiatura secondo l'invenzione oltre a comprendere le unità di triangolazione laser comprenda anche una ulteriore telecamera 30 per la videoispezione della linea aerea. Più particolarmente questa telecamera 30 è di tipo digitale a scansione progressiva ed obiettivo con zoom servocomandato e può essere vantaggiosamente montata sulla stessa barra 20, sulla quale sono montate le sei telecamere 8 delle sei unità di triangolazione. Analogamente sulla stessa barra 22 dei sei specchi 12 può essere montato un ulteriore specchio 32, die riflette sulla telecamera 30 l'immagine delta linea aerea.
Le immagini acquisite da questa telecamera 30 vengono compresse in tempo reale e vengono poi memorizzate in associazione alla progressiva chilometrica.
Da quanto detto risulta chiaramente che l'apparecchiatura di rilevamento secondo l’invenzione si presenta particolarmente vantaggiosa ed in particolare:
- consente di rilevare i tre parametri caratteristici di una linea ferrotramviaria ed in particolare l'usura del filo, le sue variazioni di altezza ed i suoi scostamenti rispetto all'asse del binario,
- consente di rilevare questi parametri praticamente con continuità,
- consente di rilevare questi parametri ad elevata velocità operativa ed in forma assai agevole,
- consente di correlare i parametri rilevati con la progressiva chilometrica, - consente di effettuare i rilevamenti in qualsiasi condizione di luminosità e senza alcuna influenza dalla luce solare o da altre fonti luminose,
- può effettuare l'elaborazione dei dati rilevati in tempo reale, direttamente sul convoglio ferroviario, oppure in tempo differito,
- può essere integrata con un’apparecchiatura per effettuare la videoispezione della linea aerea,
- consente di compensare in maniera automatica gli errori dovuti agli spostamenti verticali ed orizzontali del veicolo ferrotramviario, a bordo del quale essa è installata.
La presente invenzione è stata illustrata e descritta in alcune sue preferite forme di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad esse in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall’ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale.
Claims (20)
- R I V E N D I C AZ I O N I 1. Apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotramviaria, caratterizzata dal fatto di comprendere a bordo di un veicolo ferrotramviario (25): - almeno una sorgente laser (2) atta a generare un fascio laser, - mezzi ottici di trasformazione di detto fascio laser, generato da detta sorgente (2), in un fascio appiattito (4), - mezzi di orientamento dell'asse di detto fascio appiattito (4) secondo un angolo diverso da 90° con l'asse del filo (6) della linea aerea e definente con questo un piano sostanzialmente ortogonale ai piano di detto fascio (4), - almeno una telecamera (8) avente asse ottico distinto dall'esse di detto fascio appiattito, giacente su detto piano ortogonale ed orientato verso la linea luminosa di intersezione di detto fascio laser (4) con detto filo (6), l'apparecchiatura comprendendo inoltre un'unità di elaborazione dei segnati generati da detta telecamera (8) per rilevare la posizione di detta linea luminosa nel campo ottico di detta telecamera (8), nonché per effettuare la ricostruzione del profilo reale di detto filo (6) ed il suo confronto con il profilo teorico del filo stesso.
- 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto di utilizzare una sorgente laser (2) allo stato solido.
- 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detti mezzi ottici comprendono un complesso di lenti per la collimazione di detto fascio laser (4).
- 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3 caratterizzata dal fatto che detti mezzi ottici comprendono una lente cilindrica di appiattimento del fascio collimato.
- 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che l'asse del fascio appiattito (4) forma con l'asse di detto filo (6) un angolo compreso tra 50° e 60° , preferibilmente di 55°.
- 6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detta telecamera (8) è di tipo ad alta risoluzione.
- 7. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detta telecamera (8) è di tipo ad elevata frequenza di acquisizione.
- 8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7 caratterizzata dal fatto che detta telecamera ha una frequenza di campionamento dell'ordine di 1000 campionamenti al secondo.
- 9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detta telecamera (8) è provvista di un filtro ottico interferenziale con banda passante corrispondente alla frequenza di detta sorgente laser (2).
- 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che: - detta telecamera (8) è provvista di zoom motorizzato, - detta sorgente laser (2) è orientata in modo che l'asse del fascio laser appiattito (4), uscente da questa, sia sostanzialmente parallelo all'asse di detto filo (6), e - a detta sorgente laser (2) è affacciato uno specchio (14), mobile parallelamente all'asse di detto fascio (4) in funzione dell'altezza di detto filo (6) in modo da assicurare che l’immagine di detta linea luminosa cada sempre entro il campo di detta telecamera (8), la motorizzazione dello zoom di detta telecamera ed i movimenti di detto specchio (14) essendo gestiti da detta unità di elaborazione.
- 11. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 10 caratterizzata dal fatto che detta telecamera (8) è disposta con asse parallelo all'asse di detto filo (6), in posizione affacciata ad uno specchio (12), che riflette su di essa l'immagine di detta linea luminosa.
- 12. Apparecchiatura secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 11 caratterizzata dal fatto di comprendere: - una pluralità di sorgenti laser (2) trasversalmente affiancate rispetto all’asse di detto filo (6) e predisposte ad emettere una pluralità di fasci laser appiattiti (4) sostanzialmente complanari, - una pluralità di telecamere (8) parallelamente disposte rispetto a dette sorgenti laser (2), il funzionamento coordinato di dette telecamere (8) per rilevare lo scostamento di detto filo (6) rispetto affasse longitudinale del binario (10) essendo gestito da detta unità di elaborazione.
- 13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12 caratterizzata dal fatto di comprendere un unico specchio (14) affacciato a detta pluralità di sorgenti laser (2) affiancate.
- 14. Apparecchiatura secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13 caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre almeno una telecamera (30) per la videoispezione della linea aerea.
- 15. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 14 caratterizzata dal fatto che detta telecamera (30) per la videoispezione della linea aerea è affiancata a detta telecamera (8) di rilevamento di detta linea luminosa.
- 16. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 14 caratterizzata dal fatto che detta telecamera (8) e/o detta telecamera (30) sono disposte con asse ottico parallelo all'asse del filo (6) ed a ciascuna di esse è affacciato uno specchio (12, 32) atto a riflettere su detta telecamera (8,30) l'immagine di detto filo (6).
- 17. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detta sorgente laser (2) e detta telecamera (8) sono montate entro un contenitore (24) applicato al veicolo ferrotramviario (25) e provvisto di finestre (26) di passaggio di detto fascio laser (4) e dell'immagine di detta linea luminosa.
- 18. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 17 caratterizzata dal fatto die a ciascuna finestra (26) sono associati almeno una spazzola pulitrice ed almeno uno spruzzatore di liquido detergente.
- 19. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 17 caratterizzata dal fatto che al veicolo ferrotramviario (25) è applicato oltre a detto contenitore (24) almeno un dispositivo di triangolazione (28) puntato sulle rotaie (10) per rilevare gli spostamenti di detto veicolo rispetto ad esse e per correggere, in base a detti spostamenti, i dati rilevati.
- 20. Apparecchiatura di rilevamento dei parametri caratteristici di una linea aerea ferrotramviaria secondo le rivendicazioni da 1 a 19 e sostanzialmente come illustrata e descritta.
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