ES2316521T3 - Sensor de ruedas y disposicion. - Google Patents

Abstract

Sensor de rueda, especialmente para una instalación de aviso de liberación de vía, con al menos un sensor inductivo del lado de la vía para la detección de una modificación del campo magnético debido a que la rueda de hierro de un vehículo sobre carriles pasa por encima de la vía y que presenta una disposición de bobinas sin núcleo (L1, L2; La, Li) para la compensación de campos magnéticos perturbadores (fis, BStör), caracterizado porque se prevé una primera bobina sin núcleo (La) y una segunda bobina sin núcleo (Li) dispuesta dentro de la primera, que con una alimentación simultánea con corriente genera un campo magnético de sentido contrario (B Li), con lo que los planos de espiras de las bobinas (La, Li) esencialmente coinciden y los números de espiras (nLi y nLa) de las bobinas (Li y La) son inversamente proporcionales a las superficies de bobinas (ALa y ALi).

Description

Sensor de ruedas y disposición.

La presente invención hace referencia a un sensor de ruedas conforme al concepto genérico de las reivindicaciones 1 y 3, así como una disposición de los sensores de ruedas conforme al concepto genérico de las reivindicaciones 8 y 10. Los sensores de ruedas se implementan en el ferrocarril para el aviso de liberación de las vías, pero también para otras tareas de conmutación y aviso. Para ello se aprovecha, en la mayoría de los casos, el efecto de influencia sobre el campo magnético de las ruedas de hierro de los vehículos sobre carriles. A través de sensores inductivos alojados en las vías, que generan un campo magnético específico, se puede captar la reacción de las ruedas de hierro, con lo que con cada captación de ruedas o de ejes se registra un impulso de rueda. En interacción con otro sensor de ruedas, la cantidad de los impulsos de ruedas otorga información sobre el estado de ocupación de la sección de vías intermedia. Este aviso de liberación de vías representa un criterio de decisión esencial para el control de agujas y señales. En base al estado de ocupación de secciones de vías se decide, si un vehículo sobre carriles puede ingresar o no a esa sección de vías. Por consiguiente, las señales de aviso de los contadores de ejes deben cumplir con requisitos de fiabilidad extremadamente altos. Se debe garantizar que los sensores sólo capten las ruedas de hierro de los vehículos sobre carriles que pasan por encima de los mismos y que los campos magnéticos perturbadores de otra procedencia sean ignorados. Esto hace referencia por ejemplo a campos magnéticos, que en el caso de tracción eléctrica, son generados por las corrientes de vías y por los componentes de los coches, como por ejemplo transformadores, bobinas de inductancia y frenos electrónicos de vías. Estos últimos representan un problema especial, ya que los campos magnéticos generados son muy intensos. Esto hace referencia especialmente al freno por corriente de Focault desarrollado para el tren de alta velocidad ICE (Intercity Express), que en estado activado genera un campo magnético perturbador que interfiere fuertemente en el campo magnético de trabajo del sensor inductivo.

Una propuesta de solución basada en que las frecuencias de trabajo de los sensores sea ajustada en magnitudes supuestamente libres de frecuencias de campos perturbadores no puede garantizar un éxito duradero, ya que el desarrollo de nuevos componentes de coches permanentemente agrega nuevos campos perturbadores con, en parte, frecuencias muy altas. Con la selección de frecuencia tampoco se evita, que los campos perturbadores contengan porciones de frecuencia en el rango de la frecuencia de trabajo del sensor inductivo. Normalmente las frecuencias de trabajo se encuentran en el rango de 30 kHz a 1 MHz, mientras que los campos perturbadores pueden alcanzar también frecuencias de hasta 2 MHz.

Otra propuesta de solución se basa en esfuerzos de compensación en los que el campo magnético perturbador casi es neutralizado por la conformación de un campo de sentido contrario. Para ello, conforme a la DE-A1-197 09 844 se prevé una disposición de bobinas con un núcleo magnético. Dos bobinas dispuestas de manera concéntrica entre si se encuentran conmutadas de manera tal, que en el caso de alimentación simultánea con corriente se generan campos magnéticos de sentido contrario. Un campo magnético perturbador induce en cambio tensiones perturbadoras en ambas bobinas, que se compensan debido a la conmutación de sentido contrario de ambas bobinas. La disposición de las bobinas es parte de un sensor inductivo que se conserva para generar un campo magnético de trabajo. La masa de hierro de una rueda que pasa por encima modifica las propiedades del campo magnético de trabajo, lo que es captado por los sensores. Sin embargo, en esta propuesta de solución se presenta el problema de que un campo magnético perturbador muy intenso, por ejemplo el de un freno por corriente de Focault activado puede magnetizar de tal manera al núcleo de la bobina, que se produzca una respuesta indeseada del sensor.

Una disposición de bobinas similar, pero sin núcleo, se conoce a través de la DE-A1-199 15 597. Sin embargo, la sensibilidad de este contador de ejes del género es baja, ya que el campo magnético generado para la detección de la rueda atraviesa de manera óptima el área de la pestaña de la rueda. Además, en el caso de las frecuencias de trabajo usualmente altas de las disposiciones sin núcleo de las bobinas la humedad en la carcasa del sensor puede conducir a otra disminución de la sensibilidad del sensor.

Es tarea de la presente invención eliminar estas desventajas y presentar un sensor de rueda con un sensor inductivo cuyos parámetros se encuentren optimizados en vista de la sensibilidad y con ello en vista de la fiabilidad del sistema total.

La tarea es cumplida de manera alternativa a través de las características de las reivindicaciones 1 y 3. Conforme a la reivindicación 1 se logra una optimización, si la bobina interior presenta un número de espiras mayor, correspondiente a la relación de superficie, que la bobina exterior. De esta manera, en campos perturbadores homogéneos no sólo se alcanza una compensación parcial de los mismos, sino que se alcanza una compensación completa. Además, el dimensionado especial de la bobina tiene como consecuencia que al circular, las inducciones contrarias que aparecen en ambas bobinas no tienen la misma magnitud y por lo tanto permanece una inducción total suficiente para la detección de una rueda. Ya que los efectos perturbadores casi se han eliminado por completo y el campo magnético de trabajo presenta una intensidad de campo muy alta y atraviesa de manera óptima la pestaña de la rueda a detectar, resulta una mejora esencial de la sensibilidad del sistema sensor y con ello un aumento de la fiabilidad del sistema total respecto al estado actual de la técnica. Si el campo magnético perturbador no es homogéneo, debido a las distintas dimensiones de las bobinas pueden aparecer diferencias entre las tensiones perturbadoras de las secciones de bobina. En ese caso existe un efecto de compensación parcial, con lo que la tensión perturbadora total es extremadamente baja y en realidad se debe despreciar.

Conforme a la reivindicación 2 la segunda bobina se encuentra alojada preferentemente de manera central dentro de la primera bobina. Sin embargo, el efecto compensador también existe si la bobina interna se encuentra dispuesta de manera excéntrica. También las formas de las bobinas pueden ser muy diferentes. La bobina interior puede presentar, por ejemplo, espiras circulares y estar dispuesta de manera excéntrica dentro de una bobina exterior conformada de manera oval.

La reivindicación 3 describe otra solución de la tarea propuesta, con lo que se logra adicionalmente una simplificación frente a la solución conforme a la reivindicación 1. Las bobinas de geometrías diferentes y de números de espiras distintas no son necesarias en esta solución alternativa. En cambio se prevé una disposición de las bobinas del mismo tipo, en las que las bobinas se encuentran superpuestas en la proyección vertical, con lo que los planos de las espiras casi se encuentran dispuestos uno sobre el otro. Ya que las bobinas no se encuentran dispuestas una dentro de la otra o de manera que se penetren, el campo magnético generado por una bobina atraviesa la otra bobina en partes iguales y con flujos magnéticos internos y externos de sentido contrario, es decir, que las bobinas se encuentran desacopladas magnéticamente una de la otra.

Conforme a la reivindicación 4 las bobinas preferentemente se encuentran conformadas como una bobina plana muy llana arrollada en forma de espiral. De esta manera las bobinas se pueden montar sin dificultades en la carcasa de un sensor de rueda.

Conforme a la reivindicación 5 en ambas soluciones alternativas los planos de espira de las bobinas pueden transcurrir de manera paralela al plano de la vía.

En el caso de una disposición especial de las bobinas descrita en la reivindicación 6 para la solución alternativa conforme a la reivindicación 3, ambas bobinas se encuentran volcadas en dirección a la vía, con el mismo ángulo de inclinación respecto de una superficie horizontal. Los campos magnéticos perturbadores atraviesan entonces ambas bobinas con la misma intensidad y dirección y se anulan, incluso si el campo no transcurre de manera paralela a los ejes longitudinales de las bobinas.

Conforme a la reivindicación 7 se prefieren las geometrías simples de bobinas o espiras, que se basan en una base redonda. Sin embargo, para ambas alternativas también se puede pensar en bases angulares, especialmente cuadradas o rectangulares.

En un perfeccionamiento ventajoso descrito en la reivindicación 8 se encuentran dispuestos dos sensores de rueda, uno detrás del otro. De esta manera, en base a la distancia temporal del registro del impulso de rueda se puede determinar la dirección de marcha de un vehículo sobre carriles que pasa por encima de uno de los dos sensores de rueda.

Para que la distancia de los dos sensores de rueda se pueda mantener, en lo posible, reducida, especialmente en el caso de una carcasa común, y sin embargo mantener impulsos de rueda con un desplazamiento temporal suficiente, conforme a la reivindicación 9 se prevén planos de espiras de los pares de bobina inclinados en forma de techo.

La reivindicación 10 describe una disposición de sensores de rueda doble en la que también se superponen las bobinas adyacentes de ambos sensores de ruedas. También en esta área el desacoplamiento magnético actúa conforme a la reivindicación 3. La ventaja de esta disposición es que la superposición geométrica de los sensores de rueda presenta una fase de superposición más prolongada que la influencia ejercida por una rueda sobre ambos sensores.

A continuación se explica más detalladamente la invención con ayuda de representaciones. Estas muestran:

Figura 1 una representación esquemática del principio de compensación, como se la conoce del estado actual de la técnica,

Figura 2 una primera forma de ejecución conforme a la invención de una disposición de bobinas,

Figura 3a una vista lateral y una vista desde arriba de una disposición de bobinas conforme a la figura 2 con carga del campo de trabajo,

Figura 3b la vista lateral conforme a la figura 3a con carga del campo perturbador,

Figura 4 una modificación de la primera forma de ejecución en vista lateral y vista desde arriba,

Figura 5 una segunda forma de ejecución conforme a la invención de una disposición de bobinas,

Figura 6 una vista lateral y una vista desde arriba de la segunda forma de ejecución conforme a la figura 5,

Figura 7a una vista lateral conforme a la figura 6 con carga del campo de trabajo,

Figura 7b una vista lateral conforme a la figura 6 con carga del campo perturbador,

Figura 8 una disposición de sensores de rueda doble,

Figura 9 una disposición de bobinas y

Figura 10 otra disposición de sensores de rueda doble.

La figura 1 representa esquemáticamente el modo de funcionamiento de un sensor inductivo con compensación del campo perturbador conforme al estado actual de la técnica. El sensor se compone esencialmente de un oscilador 1 y un circuito oscilante 2 con un condensador C y dos bobinas L1 y L2. Con esta disposición es posible compensar las tensiones perturbadoras UStörL1 y UStörL2 de un campo magnético perturbador \Phi_{s} (figura 2 y figura 5), que actúa de la misma manera sobre ambas bobinas L1 y L2. Para ello ambas bobinas L1 y L2 se encuentran conectadas de tal manera en el circuito oscilante LC, que las tensiones perturbadoras U_{St\ddot{o}rL1} y U_{St\ddot{o}rL2} poseen direcciones contrarias si tienen el mismo valor absoluto, y con ello se anulan recíprocamente. Por otro lado, una tensión de trabajo U_{oszL1} o U_{oszL2} aplicada por el oscilador 1 al circuito oscilante LC 2 para la generación de un campo magnético de trabajo casi no es influenciada por esta disposición.

La figura 2 muestra en perspectiva una vía 3 con una primera forma de ejecución conforme a la invención de una disposición de bobina para la compensación del campo magnético perturbador. Se puede observar que una corriente de vía I_{s} genera un campo magnético perturbador \Phi_{s}. Para casi neutralizar este campo magnético perturbador \Phi_{s} aquí ambas bobinas L1 y L2 se encuentran conformadas como bobina interna Li y bobina externa, la conectadas en serie, con lo que la orientación de las espiras de ambas bobinas Li y La se encuentran en dirección contraria una de la otra, como muestran las figuras 3a y 4 a través de las flechas. Además, el número de espiras n_{Li} de la bobina interna Li es mayor que el número de espiras n_{La} de la bobina externa La.

De

U = \mu \cdot n \cdot \frac{d\phi}{dt}

o

U = \mu \cdot n \cdot \frac{1}{A} \cdot \frac{dB}{dt}

y

U_{Li} = U_{La} resulta para el dimensionado de las bobinas:

\frac{n_{Li}}{n_{1,a}} = \frac{A_{La}}{A_{Li}},

con lo que representa

\mu la permeabilidad,

\Phi el flujo magnético,

B la inducción magnética y

A la superficie de la bobina La o Li.

La bobina interna Li tiene entonces un mayor número de espiras n_{Li} en correspondencia con la relación de superficie, que la bobina exterior La. Este hecho tiene como consecuencia, que las inducciones contrarias B_{Li} y B_{La} que aparecen en ambas bobinas Li y La debido a la corriente del circuito oscilante del oscilador 1 no sean de igual magnitud y que en el área de la bobina interna Li conforme a la figura 3a permanezca una inducción total B_{Li}-B_{La} lo suficientemente alta para la detección de la rueda de un vehículo sobre carriles que pasa por encima del sensor inductivo. En cambio la porción interna y externa de un campo magnético perturbador se compensan recíprocamente con la inducción total B_{St\ddot{o}r}, como muestra la figura 3b en representación simbólica.

El efecto de compensación también se presenta si, como en la figura 4, la bobina interna Li no se encuentra dispuesta centralmente en la bobina externa La. En otra modificación las bobinas Li y La pueden tener prácticamente cualquier forma, como por ejemplo circular, cuadrada, rectangular u oval. Si se siguen exactamente las reglas de dimensionado arriba indicadas, es decir la proporcionalidad inversa de los números de espiras respecto de las superficies de bobinas, se puede alcanzar una compensación casi completa de los campos magnéticos perturbadores homogéneos. En el caso de campos perturbadores no homogéneos, debido a las diferentes dimensiones de bobinas pueden aparecer diferencias entre las tensiones perturbadoras de las bobinas Li y La. Sin embargo, la tensión perturbadora total efectiva que permanece siempre es menor a la de la bobina individual, de manera que al menos se garantiza un efecto compensador parcial.

Las figuras 5 a 10 hacen referencia a otra forma de ejecución conforme a la invención de una disposición de bobinas de compensación de campos perturbadores. Frente a la variante representada en las figuras 2 a 4 esta forma de ejecución se diferencia especialmente porque las bobinas L1 y L2 utilizadas presentan una geometría del mismo tipo, de manera contraria a las bobinas Li y La. Esto resulta en una disminución del insumo y de los costes.

La figura 5 muestra, en una forma de representación análoga a la figura 2, que se encuentran previstas dos bobinas L1 y L2 de igual geometría y números de espiras desplazadas una respecto de la otra y que se superponen parcialmente. Ya que ambas bobinas L1 y L2 presentan la misma construcción, el campo magnético perturbador \Phi_{s} induce la misma tensión perturbadora U_{St\ddot{o}rL1} y U_{St\ddot{o}rL2} (figura 1) hacia ambas bobinas L1 y L2. Para la compensación las bobinas L1 y L2 se encuentran conectadas en oposición, como se muestra en la figura 1. En la disposición de las dos bobinas L1 y L2, que se superponen pero no se penetran, las bobinas se encuentran desacopladas magnéticamente una de la otra, es decir que el campo magnético generado por una bobina L1 o L2 atraviesa la otra bobina L2 o L1 en partes iguales, con flujos magnéticos \Phi_{i} y \Phi_{a} internos y externos de dirección contraria, como muestra la figura 6. Este efecto se logra por la superoposición parcial de las bobinas L1 y L2, con lo que la distancia X entre los ejes longitudinales de ambas bobinas L1 y L2 siempre es menor que su diámetro. Para el campo magnético de trabajo necesario para la detección de ruedas B_{L1} o B_{L2} resultan las relaciones representadas en la figura 7a, mientras que un campo magnético perturbador B_{St\ddot{o}r} se compensa conforme a la figura 7b. Cada bobina L1 y L2 genera un campo magnético como una bobina individual, ya que debido al desacoplamiento magnético no se presenta una influencia recíproca. Por ello tampoco tiene influencia, que los campos magnéticos B_{L1} y B_{L2} de ambas bobinas L1 y L2 se encuentren en direcciones opuestas en el funcionamiento del oscilador. Ambas bobinas L1 y L2 contribuyen en partes iguales a la detección de una rueda, ya que sus campos magnéticos B_{L1} y B_{L2} son influenciados de igual manera por la pestaña 4 (figura 8) de una rueda. Frente a una disposición con sólo una bobina sensor, es decir sin inclusión de esta bobina individual en una multiplicidad de bobinas para la compensación de campos perturbadores, el área de influencia de la rueda se prolonga en aproximadamente el desplazamiento lateral X de ambas bobinas L1 y L2.

La figura 8 muestra las bobinas L1_1, L2_1 y L2_2 de dos sensores de ruedas en relación a la vía 3. En este caso las bobinas L1_1, L2_1 así como L2_2 y L1_2 se encuentran colocadas de manera tal, por ejemplo dentro de una carcasa de sensor, que sus puntos medios presentan una altura constante hacia la base horizontal de la vía 3, con lo que los planos de espiras se encuentran inclinados respecto del plano de vía. Entonces, campos magnéticos perturbadores atraviesan las dos bobinas L1_1 y L2_1 o L2_2 y L1_2, siempre con la misma intensidad y dirección y de esta manera se anulan, incluso cuando el campo perturbador no transcurre de manera paralela a los ejes longitudinales de las bobinas. La pestaña 4 de la rueda pasa por encima del sensor doble representado en la figura 8 en una secuencia temporal determinada, de manera que de la secuencia de señales se puede determinar la dirección de marcha del vehículo sobre carriles.

En la figura 9 se representa una forma de bobina preferida para sensores de rueda. Las bobinas L1 y L2 se encuentran conformadas en forma plana y arrolladas en espiral. La altura de las bobinas planas corresponde al diámetro del alambre de devanado y en consecuencia es tan reducida, que ambas bobinas L1 y L2 que se superponen se pueden montar sin inclinación en la carcasa de un sensor de rueda.

La figura 10 representa un sensor doble con bobinas planas L1_Sys1 y L2_Sys1, así como L1_Sys1 y L2_Sys2, con lo que también las bobinas adyacentes L2_Sys1 y L1_Sys2 de los dos sistemas de sensores Sys1 y Sys2 se superponen.

Claims (10)

1. Sensor de rueda, especialmente para una instalación de aviso de liberación de vía, con al menos un sensor inductivo del lado de la vía para la detección de una modificación del campo magnético debido a que la rueda de hierro de un vehículo sobre carriles pasa por encima de la vía y que presenta una disposición de bobinas sin núcleo (L1, L2; La, Li) para la compensación de campos magnéticos perturbadores (\Phi_{s}, B_{St\ddot{o}r}), caracterizado porque se prevé una primera bobina sin núcleo (La) y una segunda bobina sin núcleo (Li) dispuesta dentro de la primera, que con una alimentación simultánea con corriente genera un campo magnético de sentido contrario (B_{Li}), con lo que los planos de espiras de las bobinas (La, Li) esencialmente coinciden y los números de espiras (n_{Li} y n_{La}) de las bobinas (Li y La) son inversamente proporcionales a las superficies de bobinas (A_{La} y A_{Li}).

2. Sensor de rueda conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda bobina (Li) se encuentra dispuesta de manera central dentro de la primera bobina (La).

3. Sensor de rueda, especialmente para una instalación de aviso de liberación de vía, con al menos un sensor inductivo del lado de la vía para la detección de una modificación del campo magnético debido a que la rueda de hierro de un vehículo sobre carriles pasa por encima de la vía y que presenta una disposición de bobinas sin núcleo (L1, L2) para la compensación de campos magnéticos perturbadores (\Phi_{s}, B_{St\ddot{o}r}), caracterizado porque se encuentran previstas dos bobinas sin núcleo (L1, L2) con geometría y números de espiras esencialmente iguales, cuyos planos de espiras transcurren de manera esencialmente paralela entre si, con lo que las bobinas (L1, L2) se superponen en la proyección vertical y generan campos magnéticos de sentido contrario en el caso de alimentación simultánea con corriente.

4. Sensor de rueda conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las bobinas (L1, L2; L1Sys1, L2Sysl, L1_Sys2, L2_Sys2) se encuentran conformadas como bobinas planas, cuya altura corresponde al diámetro del conductor utilizado.

5. Sensor de rueda conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los planos de espiras de las bobinas (L1, L2; La, Li) transcurren esencialmente de manera paralela hacia el plano de la vía.

6. Sensor de rueda conforme a la reivindicación 3, caracterizado porque los planos de espiras de las bobinas (L1_1, L2_1; L2_2, L2_1) presentan una inclinación orientada esencialmente en dirección longitudinal de la vía y que la línea de unión de los puntos medios de la bobina transcurre en una plano horizontal en paralelo a la vía.

7. Sensor de rueda conforme a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las bobinas (L1, L2; Li, La) presentan espiras redondas, especialmente circulares y/u ovales.

8. Disposición de sensores de rueda dependiente de la dirección de marcha caracterizada por la utilización en pares de sensores de rueda distanciados en dirección de las vías, conforme a una de las reivindicaciones anteriores.

9. Disposición de sensores de rueda dependiente de la dirección de marcha conforme a la reivindicación 8 caracterizada por la utilización de sensores de rueda conforme a la reivindicación 5, con lo que los planos de espiras de los pares de bobinas (L1_1 y L2_1; L2_2 y L1_2) presentan inclinaciones en direcciones contrarias, en forma de techo.

10. Disposición de sensores de rueda dependiente de la dirección de marcha caracterizada por la utilización en pares de sensores de rueda que se superponen en dirección a las vías, conforme a una de las reivindicaciones 1 a 7.