ITVR20080047A1 - Procedimento e impianto per la misurazione e il monitoraggio esteso dello stato tensionale del lungo binario saldato (cwr) - Google Patents
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Description
PROCEDIMENTO E IMPIANTO PER LA MISURAZIONE E IL MONITORAGGIO ESTESO DELLO STATO TENSIONALE DEL LUNGO BINARIO SALDATO
(CWR)
La presente invenzione riguarda un procedimento e un impianto per la misurazione e il monitoraggio dello stato tensionale di una rotaia di un binario ferroviario.
Come è noto, i binari delle linee ferroviarie sono costituiti da più spezzoni saldati tra di loro, così da realizzare il cosiddetto lungo binario saldato o “Continuously Welded Rail” (CWR).
Sebbene l’adozione dei binari CWR abbia contribuito a risolvere molti problemi connessi con le sollecitazioni che i binari subiscono al passaggio dei convogli, per tale sistema non è agevole il monitoraggio dello stato tensionale, vale a dire la misurazione delle sollecitazioni termiche, di tensione o compressione su tutta una tratta di binario, le quali possono essere dovute sia ai cambiamenti climatici che a sollecitazioni meccaniche al passaggio dei convogli.
Solitamente, durante l’installazione i binari vengono pre-tensionati così da portarli ad avere una lunghezza pari alla lunghezza che avrebbero se il binario fosse ad una temperatura determinata (in Italia tale temperatura essendo 30°). Tale temperatura è definita come: “Stress Free Temperature” (SFT) o temperatura di regolazione delle tensioni interne.
La misurazione delle variazioni dalla stress free temperature consente di valutare lo stato tensionale di una rotaia, e quindi del binario.
Dopo l'installazione, le variazioni stagionali di temperatura ambientale, gli interventi di manutenzione e il cosiddetto curve breathing (ossia gli spostamenti o deformazioni trasversali del binario) possono indurre stati di stress (sollecitazione) che il lungo binario saldato (CWR) non è in grado di tollerare. Considerando poi che il binario deve sopportare il passaggio dei convogli ed eventuali moti sismici, si comprende come sia elevato il rischio che il binario possa subire delle sostanziali deformazioni in senso trasversale o persino rotture in grado di provocare deragliamenti.
Lungo molte linee ferroviarie vengono effettuate delle osservazioni periodiche dello stato del binario oppure sono stati installati, a titolo sperimentale, degli impianti di segnalazione che utilizzano dei sistemi cosiddetti “strain gauge” (misuratori di deformazione), i quali sono costituiti da involucri contenenti sia un sensore di misurazione sia la rispettiva componentistica elettronica, che vengono saldati o imbullonati a ciascuna rotaia di un binario. I sensori sono elettricamente collegati con un computer preposto a monitorare lo stato di tensione della linea e ad elaborare i dati rilevati dai vari sensori per segnalare eventuali situazioni di rischio o pericolo. Finora i sensori hanno misurato solo le deformazioni del binario, attraverso le quali è stato possibile effettuare il monitoraggio dello stato delle ruote dei convogli di passaggio. A tale proposito, si sono adottati vari sistemi, quale ad esempio il sistema cosiddetto “WILD” che utilizza una pluralità di dispositivi “strain gauge”, i quali vengono posizionati lungo i binari e sono destinati a misurare le deformazioni dei binari al passaggio dei convogli. Grazie a questo tipo di misura è possibile valutare se il treno presenta ruote piatte, eccentriche, scheggiate o comunque difettose.
La domanda di brevetto statunitense US-2008/0019701, ad esempio, descrive un sistema di monitoraggio delle deformazioni di un binario al passaggio di un convoglio, il quale prevede l’utilizzo di sensori Fiber Bragg Grating (Sensori in Fibra Ottica con Reticolo di Bragg) sul binario e di una fibra ottica intercettata da ciascun sensore lungo una rotaia, la fibra ottica, da una parte, essendo collegata con una sorgente di energia luminosa e, dall’altra, con un dispositivo analizzatore di segnali. Tale sistema viene utilizzato per valutare alcune caratteristiche di un convoglio che passa sulle rotaie, quali, ad esempio, il numero di assali, la velocità istantanea del convoglio, lo sbilanciamento delle ruote del convoglio.
E' evidente che dal punto di vista della sicurezza e dei processi di manutenzione è auspicabile avere a disposizione un sistema di controllo che sia in grado di monitorare anche lo stato tensionale della linea e che possa prevedere le zone di potenziale pericolo, così da rivelare un eventuale danneggiamento del binario prima che esso si danneggi in modo irreparabile o prima che esso possa provocare deragliamenti o altro tipo di incidente.
Attualmente, non esistono sistemi di misurazione in grado di monitorare in continuo lo stato tensionale così da prevenire o comunque prevedere sostanziali deformazioni in senso trasversale o rotture e danneggiamenti tali da mettere il binario a rischio di incidenti.
Scopo principale della presente invenzione è quello di fornire un procedimento in grado consentire la valutazione e il monitoraggio in continuo dello stato tensionale di un lungo binario saldato CWR.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un impianto per la realizzazione di un procedimento secondo la presente invenzione in grado di valutare e monitorare lo stato tensionale di un lungo binario saldato.
Secondo un primo aspetto della presente, si fornisce un procedimento per la misurazione dello stato tensionale di almeno una rotaia di un lungo binario saldato, comprendente le fasi di:
predisporre:
- una o una pluralità di coppie di sensori: ciascuna coppia includendo un primo sensore atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura ed un secondo sensore atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura e deformazione longitudinale in un tratto di rotaia;
- almeno un mezzo emettitore di almeno un fascio di energia luminosa disposto lontano da detta una o una pluralità di coppie di sensori;
- almeno una centralina di interrogazione destinata a ricevere il fascio di energia luminosa passato/riflesso attraverso/da detta una o una pluralità di sensori;
- almeno un’unità di elaborazione dei dati raccolti dalla centralina; e - almeno una fibra ottica: destinata a collegare otticamente almeno un mezzo emettitore con ciascun sensore e con detta centralina di interrogazione;
attivare almeno un mezzo emettitore per alimentare almeno un fascio di energia luminosa all’una o una pluralità di coppie di sensori; e
elaborazione da parte dell’almeno un’unità di elaborazione, sulla base dei segnali ricevuti dalla centralina di interrogazione, dello stato tensionale della rotaia.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione si mette a disposizione un impianto di valutazione in continuo dello stato tensionale esteso di una rotaia di un lungo binario saldato per la realizzazione del procedimento di cui sopra, comprendente:
- una o una pluralità di coppie di sensori: ciascuna coppia includendo un primo sensore atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura ed un secondo sensore atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura e deformazione longitudinale in un tratto di rotaia;
- almeno un mezzo emettitore di almeno un fascio di energia luminosa disposto lontano da detta una o una pluralità di coppie di sensori;
- almeno una centralina di interrogazione destinata a ricevere detto fascio di energia luminosa passato/riflesso attraverso/da detta una o una pluralità di sensori;
- almeno un’unità di elaborazione dei dati raccolti dalla centralina;
- almeno una fibra ottica: destinata a collegare otticamente almeno un mezzo emettitore con ciascun sensore e con detta centralina di interrogazione;
Con riferimento all’unica figura allegata, si è illustrato un binario 1, comprendente due rotaie 1a, 1b, una pluralità di coppie (nella Figura sono illustrate tre coppie ma si comprenderà che potranno essere di più) di sensori 2a, 2b, un mezzo emettitore di almeno un fascio di energia luminosa 3, una centralina di interrogazione 4 dei sensori, una fibra ottica 5 e un elaboratore 6 (computer) destinato a ricevere e elaborare dati dalla centralina. La centralina di interrogazione 4, vantaggiosamente comprende un analizzatore di spettro ottico, ad esempio un monocromatore ed un'interfaccia opto-elettronica di acquisizione del segnale. La fibra ottica 5 è destinata a collegare otticamente il mezzo emettitore 3 con i sensori della deformazione 2a, 2b e con l’analizzatore di spettro 4.
Vantaggiosamente la fibra ottica presenta un “array” o sequenza di sensori. Ciascun punto di misurazione è costituito da due sensori, fissati sull’asse neutro di una rotaia, un primo sensore 2b destinato a misurare variazioni di temperatura della rotaia stessa, ed un secondo sensore 2a solidale in senso longitudinale con il binario, destinato a misurarne la variazione della coppia di grandezze costituita da deformazioni longitudinali della rotaia, e temperatura.
Ancor più vantaggiosamente, entrambi i sensori sono del tipo Fiber Bragg Grating (FBG) e vengono predisposti su una superficie metallica la quale a sua volta può essere direttamente fissata sul binario, mediante microsaldatura elettrica. Per l’istallazione dei sensori il binario verrà pulito unicamente localmente così da consentire il fissaggio dei sensori direttamente sulla rotaia.
Come è noto i sensori FBG sono elementi ottici diffrattivi, presenti in zone prestabilite della fibra, i quali hanno proprietà di riflettere la luce incidente con lunghezza d’onda che è funzione lineare della temperatura e delle deformazioni subite dalla fibra ottica nella zona di interesse.
Un fascio di energia luminosa sarà quindi inviato dalla sorgente nella fibra 5, e intercetterà i sensori 2a, 2b, a reticolo di Bragg, e sarà, almeno parzialmente, riflesso verso l’analizzatore di spettro 4, che analizzerà i segnali ricevuti ed invierà i dati all’elaboratore 6, il quale li elaborerà e misurerà lo stato tensionale della rotaia, in particolare la SFT o temperatura di regolazione delle tensioni interne.
Un impianto secondo la presente invenzione presenta, di preferenza, un separatore di fascio 7 (beam splitter) il quale è destinato ad intercettare il fascio trasmesso lungo la fibra ottica ed è disposto tra mezzo emettitore-centralina di interrogazione, da una parte, e sensori, dall’altra parte.
Al fine di agevolare l’installazione dei sensori, si utilizzeranno fibre composte di più spezzoni, ciascuno di alcune centinaia di metri, i quali verranno connessi tra di loro mediante apposite giunzioni, le quali assicurano una “perdita di inserzione” minore di 0,3dB, come è noto allo stato della tecnica. Sarà quindi possibile interrompere, all’occorrenza, l’installazione, riprendendola anche in momenti successivi, potendo comunque monitorare lo stato tensionale anche con impianto solo parzialmente installato. Tale soluzione inoltre facilita eventuali interventi di manutenzione sulla linea.
Di preferenza, la fibra è monomodale, vale a dire una fibra ottica che consente una sola modalità di propagazione ottica, ed incanalata, nella parte non sensibile quella cioè non in corrispondenza dei sensori FBG, in un condotto/guaina di un tipo adatto qualsiasi. Tale guaina sarà poi fissata alla rotaia tramite un adatto collante, ad esempio a base di resina epossidica monocomponente idroindurente o semplice silicone.
L’intervallo di distanza tra coppie di sensori potrà variare a seconda delle esigenze.
Con il procedimento secondo la presente invenzione si è in grado di misurare lo stato tensionale di una rotaia in un binario mediante una grandezza indiretta, la Stress Free Temperature (SFT), che viene ricavata da 2 misure contemporanee nello stesso punto della rotaia relative alla deformazione e alla temperatura, ciascuna misura essendo effettuata per mezzo di un rispettivo sensore FBG.
Supponendo di aver determinato la SFT di un materiale in un determinato istante, poiché per un oggetto non sottoposto a vincoli si ha ∆L/L = α∆T, se dopo di questo istante si misura una deformazione ε = ∆L/L, allora la variazione della SFT sarà data da ∆T0= ε/α.
Per la valutazione della SFT è quindi necessario determinare sostanzialmente contemporaneamente la deformazione longitudinale del binario e la sua temperatura.
Un sensore FBG può essere fissato direttamente ad un materiale soggetto a deformazioni a causa della temperatura, e allora la variazione della lunghezza d’onda ritornata da un sensore FBG sarà data da ∆λ/λ = (α+β) ∆T, in cui β è il coefficiente termo-ottico della fibra (pari a 6.9 * 10<-6>°C<-1>), mentre α è il coefficiente di dilatazione termica del materiale al quale la fibra è fissata.
In alternativa il sensore può essere fissato su di un supporto metallico a sua volta fissato sul materiale soggetto a deformazioni, e in tal caso non è compromessa la rigidità del fissaggio, in quanto il coefficiente di dilatazione termica del sensore è molto minore di quello del metallo (valori tipici sono 5,5 * 10<-7>°C<-1>per il sensore, mentre per i metalli sono nell’ordine di 10<-5>°C<-1>).
Un procedimento secondo la presente invenzione prevede quindi di installare almeno due sensori sull’asse neutro del binario, almeno uno dei quali 2a fissato rigidamente ad una rotaia, destinato quindi a rilevarne la deformazione e la variazione di temperatura, e almeno un altro fissato su di un supporto metallico non rigidamente vincolato alla rotaia, cosicché esso 2b misura unicamente la temperatura della rotaia.
Per valutare la precisione del calcolo si può considerare un errore nella determinazione della lunghezza d’onda ritornata dal sensore pari 3 pm, quindi l’errore commesso nel calcolo della deformazione è (considerando che kλ = 1,2 * 106 pm e α pari a circa 5 µε, si ha un errore nel calcolo della variazione della SFT di (5/11,8)°C = 0,4 °C.
Per quanto riguarda invece la temperatura, l’errore è invece (con αacc β)λ = 29 pm/°C)) pari a circa (3/29)°C = 0,1°C.
A partire dalla variazione della SFT e della temperatura si possono ricavare facilmente anche altre grandezze utili per stabilire il corretto funzionamento della rotaia.
È possibile ad esempio valutare lo stress sulla rotaia (o meglio anche in questo caso la variazione di stress) dato da σ = E(α∆T-ε) = Eα(∆T-∆T0), in cui E è il modulo di elasticità dell’acciaio pari a circa 200 GPa, su cui abbiamo perciò un’accuratezza di circa 1MPa.
A partire dallo stress possiamo poi ricavare la forza di compressione che agisce sulla rotaia data semplicemente da F = σA, in cui A è l’area della sezione della rotaia.
Per misurare la SFT con i sistemi sinora proposti è necessario “fare uno zero” del binario stesso, vale a dire valutare le sue caratteristiche quando non è sottoposto a sollecitazioni. Al fine di condurre tale operazione è necessario tagliare il binario e rimuoverne i vincoli, o in alternativa sollevare il binario e condurre delle misurazioni statiche.
Con un procedimento in accordo con la presente invenzione è possibile quindi monitorare e registrare in continuo lo stress longitudinale e la temperatura locale di un tratto o di un’intera linea ferroviaria, e quindi valutare in continuo e in tempo reale la variazione della SFT.
Potendo quindi avere i dati in tempo reale è possibile controllare immediatamente eventuali stati anomali di tensione sulle rotaie che possono compromettere la sicurezza dei convogli.
Con una diversa elaborazione dei dati disponibili il presente sistema può inoltre essere utilizzato per monitorare la posizione, la velocità, lo stato dei carrelli (ad esempio il numero degli assi) e delle ruote (ad esempio eccentricità e appiattimento) dei convogli, semplicemente mutando il software di elaborazione dati e posizionando in maniera adeguata i sensori.
Con un procedimento secondo la presente invenzione si hanno una serie di vantaggi rispetto ai procedimento proposti sino ad oggi, vale a dire:
• una completa immunità da interferenze elettromagnetiche esterne e totale assenza di segnali elettrici generati dal sistema “in situ” in quanto i sensori FBG non sono elettricamente alimentati;
• un monitoraggio in continuo e accessibilità pressoché immediata ai dati (SFT e altri);
• un fissaggio dei sensori al binario non invasivo e semplice da effettuare; • aggiornamento del software direttamente sulla centralina senza dover quindi sostituire i sensori;
• si può incrementare il numero dei sensori e quindi i punti di misura con costi inferiori rispetto ad i sistemi tradizionali, in quanto il sistema non ha un numero definito di sensori per centralina di misura.
Il procedimento sopra descritto è suscettibile di numerose modifiche e varianti entro l’ambito di protezione definito dal tenore delle rivendicazioni.
La centralina potrebbe essere posta in direzione opposta al mezzo emettitore, e in tal caso valuterà lo stato tensionale del sistema sulla base della porzione di fascio di energia luminosa assorbito dai reticoli di Bragg.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la misurazione dello stato tensionale di almeno una rotaia di un lungo binario saldato, comprendente le fasi di: predisporre: - una o una pluralità di coppie di sensori: ciascuna coppia includendo un primo sensore (2b) atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura ed un secondo sensore (2a) atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura e deformazione longitudinale in un tratto di rotaia; - almeno un mezzo emettitore (3) di almeno un fascio di energia luminosa disposto lontano da detta una o una pluralità di coppie di sensori (2a, 2b); - almeno una centralina di interrogazione (4) destinata a ricevere detto fascio di energia luminosa passato/riflesso attraverso/da detta una o una pluralità di sensori; - almeno un’unità di elaborazione (6) dei dati raccolti dalla centralina (4); e - almeno una fibra ottica (5): destinata a collegare otticamente almeno un mezzo emettitore (3) con ciascun sensore (2a, 2b) e con detta centralina di interrogazione (4); attivare detto almeno un mezzo emettitore (3) per alimentare almeno un fascio di energia luminosa all’una o una pluralità di coppie di sensori (2a, 2b); e elaborazione da parte dell’almeno un’unità di elaborazione (6), sulla base dei segnali ricevuti dalla centralina di interrogazione (4), dello stato tensionale della rotaia.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto stato tensionale viene misurato attraverso la misurazione delle variazioni di temperatura di regolazione delle tensioni interne (SFT).
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detta una o una pluralità di coppie di sensori comprende un sensore in Fibra Ottica con Reticolo di Bragg (FBG) (2a, 2b).
- 4. Procedimento secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detta una o una pluralità di coppie di sensori è installato in corrispondenza dell’asse neutro di una rotaia.
- 5. Procedimento secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detto primo sensore (2b) è fissato su di un supporto metallico a sua volta fissato alla rotaia.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto supporto metallico è micro-saldato elettricamente sulla rotaia.
- 7. Procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta fibra (5) è composta da più spezzoni, ciascuno di alcune centinaia di metri, detti spezzoni essendo connessi tra di loro mediante giunzioni.
- 8. Procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta fibra ottica è monomodale e incanalata, in corrispondenza della parte non sensibile in un condotto/guaina di protezione.
- 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta guaina è fissata alla rotaia tramite un adatto collante.
- 10. Procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta centralina di interrogazione (4) dati comprende un analizzatore di spettro ottico ed un'interfaccia opto-elettronica di acquisizione del segnale.
- 11. Impianto di valutazione in continuo dello stato tensionale di una rotaia di un lungo binario saldato CWR per la realizzazione del procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente: - una o una pluralità di coppie di sensori: ciascuna coppia includendo un primo sensore (2b) atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura ed un secondo sensore (2a) atto ad agire in risposta a variazioni di temperatura e deformazione longitudinale in un tratto di rotaia; - almeno un mezzo emettitore (3) di almeno un fascio di energia luminosa disposto lontano da detta una o una pluralità di coppie di sensori (2a, 2b); - almeno una centralina di interrogazione (4) destinata a ricevere detto fascio di energia luminosa passato/riflesso attraverso/da detta una o una pluralità di sensori; - almeno un’unità di elaborazione (6) dei dati raccolti dalla centralina (4); e - almeno una fibra ottica (5): destinata a collegare otticamente almeno un mezzo emettitore (3) con ciascun sensore (2a, 2b) e con detta centralina di interrogazione (4).
- 12. Impianto secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che almeno una di detta una o una pluralità di coppie di sensori comprende un sensore in Fibra Ottica con Reticolo di Bragg (FBG). 14. Impianto secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che almeno una di detta una o una pluralità di coppie di sensori è installato in corrispondenza dell’asse neutro di una rotaia. 15. Impianto secondo la rivendicazione 13 o 14, caratterizzato dal fatto che detto primo sensore (2b) è fissato su di un supporto metallico a sua volta fissato alla rotaia. 16. Impianto secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detto supporto è fissato mediante micro-saldatura elettrica. 17. Impianto secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 16, caratterizzato dal fatto che dette fibre sono composte da più spezzoni, ciascuno di alcune centinaia di metri, detti spezzoni essendo connessi tra di loro mediante giunzioni. 18. Impianto secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 17, caratterizzato dal fatto che almeno una di detta coppia di fibre ottiche è incanalata, in corrispondenza della parte non sensibile in un condotto/guaina di protezione. 19. Impianto secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta guaina è fissata alla rotaia tramite un adatto collante. 20. Impianto secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 19, caratterizzato dal fatto che detta centralina di interrogazione (4) dati comprende un analizzatore di spettro ottico ed un'interfaccia opto-elettronica di acquisizione del segnale. 21. Impianto secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 20, caratterizzato dal fatto di comprendere un separatore di fascio (7) destinato ad intercettare il fascio trasmesso lungo detta fibra ottica ed è disposto tra mezzo emettitore-centralina di interrogazione, da una parte, e sensori, dall’altra parte.
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