WO2010100299A2 - Método y medios de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias - Google Patents

Método y medios de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias Download PDF

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Iker Unai Arostegui Camacho
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges

Definitions

  • the object of the present invention is a methodology and means of applying extensometry sensors (gauges or strain gauges) on the tracks of a railway or similar, so that, together with an electronic equipment configured and calibrated for this purpose and a post -Specific process of the signals and data obtained through this equipment, configure a system capable of providing a reliable measure of the stresses that occur on a railroad track or similar as well as the wheel-rail contact forces in the passage of a train or vehicle that runs on rails.
  • extensometry sensors gauge or strain gauges
  • the object of the present invention is a methodology and means of application of strain gauges (gauges or strain gauges), electronic equipment and signal post-processing software, to achieve a reliable measurement of track forces and wheel-rail contact forces in railroads and the like, overcoming the inconvenience in measuring these magnitudes.
  • the present invention tries, overcoming inconveniences in other methods of measuring stresses on track, to do the following:
  • the microdeformations are captured (or ⁇ strains; 1 ⁇ strain is the deformation suffered by a bar of length Im when stretched l ⁇ m) at a known point on the track.
  • the event corresponding to the peak of the microdeformation signal coinciding with the passage of the train or vehicle over one of the sleepers of the track is identified within the evolution of the microdeformations of the lane at a specific point of the track. the track, in which the sensors will have been placed in the way that will be explained later.
  • each peak of microdeformations detected and its relation to the magnitudes to be measured (road forces and wheel contact forces) lane), we proceed to calibrate by using other known measurement systems with proven accuracy for the particular event, such as by applying a known force at the measurement point (above the crossbar) and in each measurement direction (vertical and horizontal) by means of vehicles of known weight (vertical forces) and load cells measuring forces applied with hydraulic jacks or similar (horizontal forces) as well as by means of data obtained theoretically, using computational techniques and numerical simulation by computer.
  • the track lane instrumentation is carried out by means of strain gauges arranged as explained below to record an electrical measurement that is sufficiently precise and clean to be calibrated and yield the data of the magnitude to be measured.
  • two aluminum plates are arranged per track rail, one on each side of the rail, whose geometry is specifically designed so that the sensors that are arranged in it, measure correctly and without contamination of other events that may occur on the road, the microdeformations at that point in the lane.
  • the extensometric sensors are arranged on each plate four by four, two of them on top, placed perpendicularly to each other, and the other two in the lower part of the plate placed parallel to each other.
  • the two lower sensors together with the other two counterparts placed on the symmetrical plate on the other side of the lane, constitute another complete Wheatstone bridge, sensitive only to the bending of the lane at that point, so that it can measure the moment that occurs , and therefore, the lateral force to which that portion of the rail is subjected.
  • the same can be achieved with other configurations of the sensors on the plate, for example, each plate being a complete Wheatstone bridge, so that the algebraic sum of its signals gives us the axial deformation, and the difference gives us the deformation of bending due to the moment (equivalent to the configuration mentioned above).
  • This plate is screwed to the soul of the rail, settling on it by means of wedges made to measure the curvature of each type of rail, so that the plate is placed in an upright position, the preferred place of placement of the plate is the center of one or several sleepers on which the track sits, so that the sensor captures all the reaction of the forces acting on that portion of the rail.
  • This equipment acts with an electronic recording device of the signals that come from the sensors specific.
  • This equipment can be a commercial equipment that meets the necessary requirements for the measurement, recording, digitization and storage of analog voltage signals from Wheatstone bridges.
  • the equipment records and stores the signals captured by the extensometric sensors, and may or may not translate them into the engineering units corresponding to that measured event.
  • the files that are generated and stored in this electronic equipment will be subsequently post-processed by a specific software that contains algorithms programmed to calibrate and calculate the magnitudes that are to be measured (track forces and wheel-rail contact forces), as well as the indirect magnitudes that you want to know (for example, angle of attack of a train when entering a curve and speed of the train).
  • the angle of attack of the train on the curve will be obtained using the formulas:
  • This concept of the invention can be modified or replaced by other equipment that performs the same function, such as electronic analogue card recorders that can be integrated into a computer.
  • a postprocessing software of the recorded and stored signals is used.
  • This software composed of a series of algorithms designed to obtain the magnitudes of efforts on track, automatically processes the signals recorded by the electronic equipment and performs calculations on them, providing a relationship between the measured electrical quantities and the desired stress quantities (calibration ), in addition to throwing the results of indirect magnitudes such as the angle of attack of a train at the entrance of a curve or its speed at a point on the track.
  • This post-processing software can also be made and / or programmed in different ways, always fulfilling the premise of making a precise calculation of the relationships between vertical forces and bending moments at the point of the lane under study.
  • Figure 1 shows the block diagram of the system proposed for the realization of the invention.
  • Figure 2. Shows the geometry plate specifies designed to concentrate the microdeformations (strain) in the central section of the same.
  • Figure 3. It shows a plan view of a railway track curve where the sensor plates placed in both the outer and inner lanes are seen, along one of the sleepers that support the tracks.
  • Figure 1 shows the block diagram or diagram of a system consisting of four main blocks (1, 2, 3 and 4), the block (1) corresponding to the instrumentation with extensiometric sensors, while the block (2 ) corresponds to the signal recording equipment from the specific sensors.
  • the block (3) corresponds to the post-processing software of the registered signals and coming from the data recording equipment of the block (2), so that by means of algorithms programmed for this purpose, the magnitudes to be measured will be calculated (efforts in ways and wheel-rail contact forces), as well as the indirect quantities to be measured, the angle of attack of a train when entering a curve and the speed of the train.
  • the block (4) corresponds to the results, and specifically to the visualization of results in digital format, being able to use the measured forces and indirect magnitudes as variables for other digital systems.
  • the instrumentation is carried out by placing four extensometric sensors (5) on a plate (6) of specific geometry, being able to see in figure 2 the arrangement of two sensors at the top, perpendicular to each other, and two other sensors at the part lower, parallel to each other.
  • the specific geometry plate (6) is designed to concentrate the microdeformations ( ⁇ strains) in the central section thereof, and to be screwed to the soul of the rail (7) of track, in the center of a of the sleepers (8), specifically aligned with the axis (9) thereof, where the strain gauges (5), whether gauges or strain gauges, will be placed with specific adhesive for bonding.
  • the plate (6) is screwed to the rail (7) and seated by means of wedges (10) that make said plate (6) in an upright position, such wedges (10) being designed to measure the curvature of each type of rail.
  • FIG 3 a plan view of a railway track curve is shown, where some plates (11) of sensors are placed to obtain the measurement of the angle of attack of a train passing through a curve (indirect measurement) , placement that takes place both in the outer lane (12) and in the inner lane (13), along one of the sleepers (14) that support the tracks and that are positioned according to the radius of curvature (15).
  • the preferred place of placement of the plate is the core of the rail that coincides with the central axis of one or several sleepers (8 or 14) on which the track sits, so that the sensor captures the entire reaction of the forces acting on that portion of the lane. It is also possible to place the sensor plates in the center of the bay (distance between sleepers) of the rail, this circumstance must be taken into account when post-processing the signals obtained.
  • the interconnection of the sensors contained in the plates (6 or 11) of both sides of the rail, in order to complete the aforementioned Wheatstone bridges, is done two by two, connecting the perpendicular sensors of the top of the plate as a complete Wheatstone bridge, and parallel sensors from the bottom like another complete Wheatstone bridge. For this, a through hole is made through the rail of the rail that allows the passage of the necessary cables for the mentioned interconnection.
  • the plates can be of different materials and the bolts and nuts that hold them to the track must be tightened with a calculated tightening torque to avoid sliding the plate under the clamping elements.
  • Said signals will be sent from the memory of the recording equipment to the computer containing the software and the algorithms for calculating and post-processing the signals received from the block (3).
  • the recording device of the block (2) dumps the signals contained in its memory to the signal post-processing computer of the block (3)
  • the execution of the algorithms begins aimed at calculating the magnitudes of vertical force, bending moments and lateral force, as well as the indirect magnitudes that have been planned to calculate (angle of attack of the train at the entrance of a curve, train speed, etc.), this data being able be read in block (4) and interpreted by a command and / or control post to make the appropriate decisions regarding the suitability of the quantities calculated for each particular train or vehicle.
  • the electronic signal recorder unit of the block (2) has a network connection interface to make it easier to communicate and dump the registered signals to a computer in the block (3) that, in this way, could Be anywhere on a LAN.
  • the specific software for the post-processing of the signals and consequent calculation of the magnitudes of forces and forces of contact wheel lane, corresponding to the block (4), will consist of algorithms programmed for the instantaneous processing of the signals coming from the sensors to through the recording equipment, calculating the direct magnitudes (track forces and wheel-rail contact forces) and indirect magnitudes (angle of attack of the train at the entrance of a curve, train speed, etc.) object of analysis.
  • the software must be able to detect the times at which each peak of the microdeformation signal occurs, interpolate and resample (resample the signal with more points), convert the values of the registered electrical signals to engineering quantities of force, and return the results in a format readable by a computer system.

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Abstract

La invención se centra en una metodologÍa y en medios de aplicación de sensores extensométricos, en combinación con equipos electrónicos y un post-proceso de las señales y datos obtenidos, para medir esfuerzos en vÍas de ferrocarril y similares, asi como para medir fuerzas de contacto entre la rueda del vehículo o tren y el propio carril por el que circula. Según el método, se procede a: capturar microdeformaciones en un punto conocido de la vÍa; analizar esas microdeformaciones; identificar el elemento correspondiente al pico de señal de las microdeformaciones coincidente con el paso del tren por encima de una de las traviesas de la via; analizar la señales de los picos de las microdeformaciones identificadas anteriormente; obtener señales mediante unos sensores (5) dispuestos en pletinas (6) atornilladas al carril (7), procediendo finalmente a calibrar cada pico de microdeformación detectado y su relación con las magnitudes que se desea medir.

Description

MÉTODO Y MEDIOS DE APLICACIÓN DE SENSORES DE EXTENSOMETRÍA EN VÍAS FERROVIARIAS
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es una metodología y medios de aplicación de sensores de extensometria (galgas o bandas extensométricas) en las vias de un ferrocarril o similar, de forma que, junto con un equipo electrónico configurado y calibrado a tal efecto y un post-proceso especifico de las señales y los datos obtenidos por medio de este equipamiento, configure un sistema capaz de proporcionar una medida fiable de los esfuerzos que se producen en una via de ferrocarril o similar asi como de las fuerzas de contacto rueda-carril al paso de un tren o vehículo que circule por railes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Es relativamente reciente la posibilidad de medir en la propia via los esfuerzos y las fuerzas de contacto que se ponen en juego en la misma al paso de un tren o vehículo que circula por los railes. La aparición de los nuevos sensores y sistemas de instrumentación, fruto del avance tecnológico en las materias de electrónica, materiales y sistemas de fabricación, hacen posible las mediciones de dichas magnitudes en la propia via, posibilitando obtener información acerca de los esfuerzos soportados por una via de ferrocarril al paso de un tren de forma totalmente empírica, y no únicamente teórica, tal y como ocurría hasta hace poco. Hasta el momento, los sistemas que empleaban estas nuevas tecnologías de sensórica para tratar de medir con la mayor exactitud posible las magnitudes anteriormente mencionadas, no conseguían proporcionar una medida lo suficientemente precisa como para poder tomar decisiones en base a esas mediciones o como para poder contrastar teorías existentes al respecto de esas magnitudes de esfuerzos que se ponen en juego en las vias de ferrocarril al paso de un vehículo. Estos sistemas se basan en la colocación de sensores extensométricos directamente sobre el carril de via y sin utilizar un criterio de disposición óptimo de los sensores para maximizar la señal adquirida y recogerla en su totalidad. El resultado era la obtención de señales aproximadas de los fenómenos que se quería medir (esfuerzos en via) , muy poco fieles a la realidad de los fenómenos que realmente se estaban produciendo
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es una metodología y medios de aplicación de sensores extensométricos (galgas o bandas extensométricas) , equipos electrónicos y software de post-procesado de señales, para conseguir una medición fiable de esfuerzos en via y fuerzas de contacto rueda-carril en ferrocarriles y similares, superando los inconvenientes en la medición de éstas magnitudes.
La presente invención trata de, superando inconvenientes en otros métodos de medición de esfuerzos en via, realizar lo siguiente:
En primer lugar se procede a capturar las microdeformaciones (ó μstrains; 1 μstrain es la deformación que sufre una barra de longitud Im cuando se estira lμm) en un punto conocido de la via.
En segundo lugar se procede a analizar esas microdeformaciones (μstrains) viendo su evolución a lo largo del tiempo, a través de la captación de la señal correspondiente a las mismas, mediante los sensores extensométricos dispuestos en una pletina metálica tal y como seguidamente se expondrá.
En tercer lugar se procede a identificar, dentro de la evolución de las microdeformaciones del carril en un punto concreto de la via, el evento correspondiente al pico de señal de microdeformaciones coincidente con el paso del tren o vehículo por encima de una de las traviesas de la via, en la que se habrán colocado los sensores de la forma en que más tarde se explicará.
En cuarto lugar se procede a analizar las señales de los picos de microdeformaciones identificados en el punto anterior, para obtener la magnitud de los esfuerzos e interacciones que se dan en el carril
(fuerzas de contacto rueda-carril) .
En quinto lugar y en caso de obtener señales, con sensores dispuestos con esta metodología, en más de un carril de la misma via y/o en más de un punto dentro del mismo carril, se pueden obtener magnitudes indirectas, como el ángulo de ataque y la velocidad del tren, comparando los tiempos de los diferentes picos de señal registrados por el sistema.
En sexto lugar, cada pico de microdeformaciones detectado y su relación con las magnitudes que se desea medir (esfuerzos en via y fuerzas de contacto rueda- carril) , se procede a calibrar mediante la utilización de otros sistemas de medición conocidos y de exactitud contrastada para el evento en particular, como por ejemplo aplicando una fuerza conocida en el punto de medición (encima de la traviesa) y en cada dirección de medición (vertical y horizontal) mediante vehículos de peso conocido (esfuerzos verticales) y células de carga midiendo fuerzas aplicadas con gatos hidráulicos o similares (esfuerzos horizontales) asi como mediante datos obtenidos de forma teórica, utilizando técnicas de cálculo y simulación numérica por computador.
La forma de lograr lo expuesto en los puntos anteriores, se consigue procediendo de la siguiente manera:
En primer lugar se lleva a cabo la instrumentación del carril de via mediante sensores extensométricos dispuestos tal y como seguidamente se explica para registrar una medida eléctrica suficientemente precisa y limpia como para que sea calibrada y arroje el dato de la magnitud que se quiere medir.
Para ello se disponen dos pletinas de aluminio ( u otro material metálico elástico) por carril de via, una por cada lado del carril, cuya geometría está específicamente diseñada para que los sensores que en ella se disponen, midan correctamente y sin contaminación de otros sucesos que puedan darse en la via, las microdeformaciones en ese punto del carril.
Los sensores extensométricos (galgas extensométricas) , se disponen en cada pletina de cuatro en cuatro, dos de ellos en la parte superior, colocados perpendicularmente el uno del otro, y los otros dos en la parte inferior de la pletina colocados paralelamente el uno del otro. Los dos sensores superiores, junto con los otros dos homólogos de la pletina colocada simétricamente en la otra parte del carril, constituyen un puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a las tracciones y compresiones que se produzcan en esa porción de la via y que por tanto pueden proporcionar una medida de la fuerza vertical o peso que alli se produce. Los dos sensores inferiores, junto con los otros dos homólogos colocados en la pletina simétrica del otro lado del carril, constituyen otro puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a la flexión del carril en ese punto, de forma que puede medir el momento que se produce, y por ende, la fuerza lateral a la que se ve sometida esa porción del carril. Esto mismo se puede conseguir con otras configuraciones de los sensores en la pletina, por ejemplo, siendo cada pletina un puente completo de Wheatstone, de forma que la suma algebraica de sus señales nos da la deformación axial, y la diferencia nos da la deformación de flexión debida al momento (equivalente a la configuración citada en primer lugar) .
Esta pletina se atornilla al alma del carril, asentándose en él mediante unas cuñas fabricadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril, de forma que la pletina quede colocada en posición vertical siendo el lugar de colocación preferente de la pletina el centro de una o varias traviesas sobre las que se asienta la via, de forma que el sensor capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril.
En segundo lugar se actúa con un equipo electrónico registrador de las señales que provienen de los sensores específicos. Este equipo puede ser un equipo comercial que cumpla con los requisitos necesarios para la medición, registro, digitalización y almacenamiento de señales analógicas de voltaje provenientes de puentes de Wheatstone.
El equipo registra y almacena las señales captadas por los sensores extensométricos, pudiendo o no traducirlos a las unidades ingenieriles correspondientes a ese evento medido. Los archivos que se generan y almacenan en este equipo electrónico, serán posteriormente post-procesados por un software específico que contiene unos algoritmos programados para calibrar y calcular las magnitudes que se desean medir (esfuerzos en vía y fuerzas de contacto rueda-carril) , así como las magnitudes indirectas que se desea conocer (por ejemplo, ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y velocidad del tren) . El ángulo de ataque del tren en la curva se obtendrá mediante las formulas:
e = v . t, donde e= espacio recorrido, v=velocidad del tren o vehículo y t= tiempo; y
Φ = arctan (e/d) , donde Φ= ángulo de ataque, e= espacio recorrido y d= distancia entre carril interior y exterior.
Este concepto de la invención, puede ser modificado o sustituido por otros equipos que realicen la misma función, como tarjetas electrónicas registradoras de señales analógicas que se pueden integrar en una computadora.
En tercer lugar se utiliza un software de postprocesado de las señales registradas y almacenadas. Este software, compuesto de una serie de algoritmos diseñados para obtener las magnitudes de esfuerzos en via, procesa automáticamente las señales registradas por el equipo electrónico y realiza cálculos sobre ellas, proporcionando una relación entre las magnitudes eléctricas medidas y las magnitudes de esfuerzos deseadas (calibración) , además de arrojar los resultados de magnitudes indirectas como el ángulo de ataque de un tren a la entrada de una curva o la velocidad del mismo en un punto de la via.
Este software de post-procesado, puede asimismo ser realizado y/o programado de diferentes formas, cumpliendo siempre la premisa de realizar un cálculo preciso de las relaciones entre las fuerzas verticales y momentos de flexión en el punto del carril objeto de estudio.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra el diagrama de bloques del sistema propuesto para la realización de la invención.
La figura 2.- Muestra la pletina de geometría especifica diseñada para concentrar las microdeformaciones (strain) en la sección central de la misma.
La figura 3.- Muestra una vista en planta de una curva de via de ferrocarril en donde se ven las pletinas de sensores colocadas tanto en el carril exterior como en el interior, a lo largo de una de las traviesas que soportan las vias.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta .
En la figura 1 se puede observar el esquema o diagrama de bloques de un sistema conformado por cuatro bloques principales (1, 2, 3 y 4), correspondiendo el bloque (1) a la instrumentación con sensores extensiométricos, mientras que el bloque (2) corresponde al equipo registrador de señales provenientes de los sensores específicos. El bloque (3) corresponde al software de post-procesado de las señales registradas y procedentes del equipo registrador de datos del bloque (2), de manera que mediante algoritmos programados al efecto se calcularán las magnitudes que se deseen medir (esfuerzos en vias y fuerzas de contacto rueda-carril) , asi como las magnitudes indirectas que se deseen medir, el ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y la velocidad del tren. El bloque (4) corresponde a los resultados, y concretamente a la visualización de resultados en formato digital, pudiendo utilizar los esfuerzos medidos y las magnitudes indirectas como variables para otros sistemas digitales.
La instrumentación se lleva a cabo colocando cuatro sensores extensométricos (5) en una pletina (6) de geometría especifica, pudiéndose ver en la figura 2 la disposición de dos sensores en la parte superior, perpendiculares entre si, y otros dos sensores en la parte inferior, paralelos entre si. Además, en esa figura 2 la pletina de geometría especifica (6) está diseñada para concentrar las microdeformaciones (μstrains) en la sección central de la misma, y para ser atornillada al alma del carril (7) de via, en el centro de una de las traviesas (8), en concreto alineada con el eje (9) de la misma, donde se colocarán con adhesivo especifico para pegado los sensores extensométricos (5), ya sean galgas o bandas extensométricas . La pletina (6) va atornillada al carril (7) y asentada mediante unas cuñas (10) que hacen que dicha pletina (6) quede en posición vertical, estando tales cuñas (10) diseñadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril.
En la figura 3, se muestra una vista en planta de una curva de via de ferrocarril, donde se ven unas pletinas (11) de sensores colocadas para obtener la medida del ángulo de ataque de un tren al paso por una curva (medida indirecta) , colocación que se efectúa tanto en el carril exterior (12) como en el carril interior (13), a lo largo de una de las traviesas (14) que soportan las vias y que están colocadas según el radio de curvatura (15).
El lugar de colocación preferente de la pletina es el alma del carril que coincide con el eje central de una o varias traviesas (8 ó 14) sobre las que se asienta la via, de forma que el sensor capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril. También es posible la colocación de las pletinas de sensores en el centro del vano (distancia entre traviesas) del carril, debiendo tenerse en cuenta esta circunstancia a la hora de post-procesar las señales obtenidas. La interconexión de los sensores contenidos en las pletinas (6 u 11) de ambos lados del carril, con objeto de completar los puentes de Wheatstone anteriormente mencionados, se realiza dos a dos, conectándose los sensores perpendiculares de la parte superior de la pletina como un puente completo de Wheatstone, y los sensores paralelos de la parte inferior como otro puente completo de Wheatstone. Para ello se realiza un taladro pasante a través del alma del carril que posibilita el paso de los cables necesarios para la mencionada interconexión.
Las pletinas pueden ser de diferentes materiales y se han de apretar los tornillos y tuercas que las sujetan a la via con un par de apriete calculado para evitar el deslizamiento de la pletina bajo los elementos de apriete.
En cuanto al equipo registrador de señales correspondiente al bloque (2) de la figura 1, ha de ser capaz de captar y registrar en una memoria las señales analógicas provenientes de un puente resistivo de
Wheatstone, asi como convertirlas a formato digital.
Dichas señales serán enviadas desde la memoria del equipo registrador a la computadora que contiene el software y los algoritmos de cálculo y post-procesado de las señales recibidas del bloque (3) . Cuando el equipo registrador del bloque (2) vuelca las señales contenidas en su memoria al computador de post-procesado de señales del bloque (3) , comienza la ejecución de los algoritmos encaminados a calcular las magnitudes de fuerza vertical, momentos flectores y fuerza lateral, asi como de las magnitudes indirectas que se haya previsto calcular (ángulo de ataque del tren a la entrada de una curva, velocidad del tren, etc.), pudiendo estos datos ser leídos en el bloque (4) e interpretados por un puesto de mando y/o control para tomar las decisiones oportunas en cuanto a la idoneidad de las magnitudes calculadas para cada tren o vehículo en concreto.
Se recomienda que el equipo electrónico registrador de señales del bloque (2) tenga interfaz de conexión a red para posibilitar de una forma más sencilla la comunicación y volcado de las señales registradas a un computador del bloque (3) que, de esta forma, podria estar en cualquier lugar de una red LAN.
El software especifico para el post-procesado de las señales y consiguiente cálculo de las magnitudes de esfuerzos y fuerzas de contacto rueda carril, correspondiente al bloque (4), estará constituido por algoritmos programados para el procesamiento instantáneo de las señales provenientes de los sensores a través del equipo registrador, calculando las magnitudes directas (esfuerzos en via y fuerzas de contacto rueda-carril) e indirectas (ángulo de ataque del tren a la entrada de una curva, velocidad del tren, etc.) objeto de análisis. Para ello el software debe ser capaz de detectar los tiempos en los que se da cada pico de la señal de microdeformaciones, interpolar y resamplear (volver a muestrear la señal con más puntos) , convertir los valores de las señales eléctricas registradas a magnitudes ingenieriles de fuerza, y devolver los resultados en un formato legible por un sistema informático.

Claims

REIVINDICACIONES
Ia.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometria en vias ferroviarias, utilizando equipos electrónicos registradores de señales analógico/digitales y algoritmos de software para la medición de magnitudes mecánicas en el contacto rueda- carril en ferrocarriles, caracterizado por la instalación de sensores (galgas o bandas) extensométricos (5) en carriles (7) de vias de ferrocarril, de forma que se disponen dos pletinas (6) de aluminio por carril de via, una por cada lado del carril y cuya geometría está específicamente diseñada para que los sensores extensométricos (5) que en ella se disponen, midan correctamente y sin contaminación de otros sucesos que puedan darse en la via, las microdeformaciones en ese punto del carril, habiéndose previsto que los sensores extensométricos (5) vayan dispuestos en cada pletina (6) de cuatro en cuatro, dos de ellos en la parte superior, colocados perpendicularmente el uno del otro, y los otros dos en la parte inferior de la pletina (6) colocados paralelamente el uno del otro; con la particularidad de que los dos sensores superiores, junto con los otros dos homólogos de la pletina colocada simétricamente en la otra parte del carril, constituyen un puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a las tracciones y compresiones que se produzcan en esa porción de la via y pudiendo proporcionar una medida de la fuerza vertical o peso que allí se produce; mientras que los dos sensores inferiores, junto con los otros dos homólogos colocados en la pletina simétrica del otro lado del carril, constituyen otro puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a la flexión del carril en ese punto, pudiendo medir el momento que se produce y, por ende, la fuerza lateral a la que se ve sometida esa porción del carril .
2a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometria en vias ferroviarias, según reivindicación
Ia, caracterizado en que opcionalmente cada pletina se constituye como un puente completo de Wheatstone, de forma que mediante la suma algebraica de sus señales se obtiene la deformación axial, y la diferencia permite obtener la deformación de flexión debida al momento.
3a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometria en vias ferroviarias, según reivindicación Ia, caracterizado en que la pletina (6) que contiene los sensores extensométricos (5) de medición se atornilla al alma del carril (7), asentándose en él mediante unas cuñas (10) fabricadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril, de forma que la pletina (6) quede colocada en posición vertical, siendo el lugar de colocación preferente de tal pletina (6) la parte del alma del carril (7) que coincide con el centro del eje (9) de una o varias traviesas (8) sobre las que se asienta la via, de forma que el sensor extensométrico (5) capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril (7) .
4a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometria en vias ferroviarias, según reivindicación Ia, caracterizado por la interconexión de las pletinas especificas de medición (6) con equipos electrónicos registradores (2) dotados de la capacidad de grabación y conversión analógico-digital de señales registradas, con capacidad o no de almacenamiento de las mismas.
5a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según reivindicaciones 3a y 4a, caracterizado por la conexión del equipo registrador (2) a un ordenador, pudiendo éste estar o no conectado a una red LAN, estando dotado de un software informático (3) compuesto de algoritmos de procesado y cálculo de los datos (señales) adquiridos y transmitidos por equipos electrónicos evaluando y calculando las magnitudes de esfuerzos y fuerzas de contacto rueda-carril a partir de las señales medidas, pudiendo ser además de cálculos directos (esfuerzos en vía) , cálculos indirectos relacionados con las magnitudes directas medidas y el tiempo, como por ejemplo el ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y la velocidad del tren, entre otros.
6a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según reivindicaciones 4a y 5a, caracterizado en que opcionalmente se colocan distintos grupos de pletinas (6) de sensores extensométricos (5), en el mismo carril, separados una distancia determinada, de forma que los algoritmos y el análisis de los picos de microdeformaciones en los diferentes puntos de colocación de las pletinas de sensores y el tiempo en el que se producen esos picos, permiten calcular magnitudes indirectas como la velocidad y la aceleración de un tren.
7a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según reivindicaciones Ia, 5a y 6a, caracterizado en que opcionalmente se colocan dos grupos de pletinas (6) de sensores extensométricos (5), uno en el alma del carril externo (12) y otro en la del carril interno (13) de una curva de una vía, en el mismo punto con respecto a las traviesas (8) y radialmente, de forma que los algoritmos de post-procesado comparan el desfase en tiempo de la señal proveniente del carril externo (12) respecto del interno (13) y conociendo la velocidad del tren se puede obtener el ángulo de ataque del tren en esa curva mediante las fórmulas:
e = v : t, donde e = espacio recorrido, v =velocidad del tren o vehículo y t = tiempo; y Φ = arctan (e/d) , donde Φ = ángulo de ataque, e = espacio recorrido y d = distancia entre carril interior y exterior.
8a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometria en vias ferroviarias, según reivindicaciones Ia y 4a, caracterizado en que los equipos electrónicos se calibran en base a la utilización de otros sistemas de medición conocidos y de exactitud contrastada para un evento en particular, como por ejemplo aplicando una fuerza conocida en el punto de medición (encima de la traviesa) y en cada dirección de medición (vertical y horizontal) mediante vehículos de peso conocido (esfuerzos verticales) y células de carga midiendo fuerzas aplicadas con gatos hidráulicos o similares (esfuerzos horizontales) asi como mediante datos obtenidos de forma teórica, utilizando técnicas de cálculo y simulación numérica por computador.
9a.- Método y medios de aplicación de sensores de extensometria en vias ferroviarias, según reivindicaciones Ia y 5a, caracterizado por incluir un soporte informático (3) capaz de calcular las magnitudes de esfuerzos y fuerzas de contacto rueda carril, constituido por algoritmos programados para el procesamiento instantáneo de las señales provenientes de los sensores a través del equipo registrador (2), calculando las magnitudes directas e indirectas objeto de análisis, capaz de detectar los tiempos en los que se da cada pico de la señal medida, interpolar y resamplear (volver a muestrear la señal con más puntos) , convertir los valores de las señales eléctricas registradas a magnitudes ingenieriles de fuerza, y devolver los resultados en un formato legible por un sistema informático.
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