1 DETECŢIA MATERIALULUI RULANT – DETECTOARE DE OSII

1.1 Introducere

Calea ferată reprezintă un mod relativ economic de transport al mărfurilor şi persoanelor la distanţe relativ mari pe sol. Spre deosebire de sistemul de rulare pe căi rutiere, la trenuri nu este posibilă schimbarea direcţiei de la bordul locomotivei, precum la bordul autovehiculelor, cu ajutorul volanului. De aceea, pe şine se montează schimbătoare de cale. Totodată, pentru un sistem automat de dirijare a traficului feroviar, este esenţială cunoaşterea în orice moment a stării de ocupare a liniilor, precum şi a poziţiei trenurilor sau diferitelor vehicule feroviare. Siguranţa circulaţiei este cel dintâi beneficiar al acestor informaţii. Încă din cele mai vechi timpuri, detecţia prezenţei materialului rulant de cale ferată s-a făcut simţită, odată cu creşterea numărului de trenuri, a densităţii circulaţiei feroviare şi implicit, a numărului de evenimente feroviare.

În domeniul instalaţiilor de siguranţa circulaţiei, de semnalizare, centralizare şi blocare (SCB), politica de dezvoltare a căilor ferate s-a orientat către înlocuirea sistemelor manuale, bazate pe paletă, cu instalaţii de centralizare şi semnalizare a elementelor bipoziţionale de control al poziţiei şi direcţiei de deplasare a vehiculelor feroviare. În zilele noastre se utilizează instalaţii de centralizare electronica (CE), bazate pe folosirea tehnicii de calcul, modernizarea celorlalte instalaţii fiind în primul rând realizată cu sisteme informatice de ultimă generaţie. Spre deosebire de alte domenii de automatizare, automatizările din domeniul feroviar necesită însă un coeficient de siguranţă şi unul de disponibilitate foarte ridicate. De aceea, costurile instalaţiilor de acest gen sunt trecute, de multe ori, pe un plan secund, fiind depăşite de măsurile de siguranţă luate. În ultimă instanţă, orice echipament de automatizare trebuie să funcţioneze după principii bine puse la punct, în sensul protecţiei faţă de răspunsuri false la defectări. Un rol de prima importanţă în toate instalaţiile specifice dedicate dirijării traficului feroviar îl au sistemele de detecţie a prezenţei materialului rulant, fie sub forma unor detectoare punctiforme locale, fie sub forma circuitelor de cale, sau a unor sisteme bazate pe semnale radio. Indiferent de principiul de ce le stă la bază, detectoarele de material rulant de cale ferată constituie subansambluri cu funcţionare permanentă şi automată, care furnizează informaţii fundamentale privind poziţia vehiculelor pe sectoarele de linie, starea de liber sau ocupat a

liniilor curente şi a celor din staţii, precum şi a macazurilor aflate în secţiuni izolate, de către materialul rulant, staţionat sau în mişcare.

În prezent, Compania Naţională de Căi Ferate "CFR" S.A. de la noi din ţară exploatează mai multe categorii de sisteme pentru detecţia materialului rulant. S-a trecut la centralizarea electronică şi există în exploatare, printre altele, instalaţii de centralizare electronică (CE), cca. 650 de instalaţii de centralizare electro-dinamică (CED), 219 instalaţii de barieră automată (cu semibariere - BAT), 859 de instalaţii de semnalizare automată a trecerilor la nivel fără semibariere (SAT); de asemenea, calea ferată românească dispune de instalaţii de bloc de linie automat (BLA) cale dublă introduse pe 3.294 km, instalaţii BLA cale simplă introduse pe 1.912 km şi de 19 triaje automatizate cu 100 de frâne de cale. Toate aceste instalaţii preiau informaţiile privind poziţionarea materialului rulant de la sistemele de detecţie, între care 18.144 de circuite de cale pe linie electrificată şi 8.551 de circuite de cale pe linie neelectrificată.

1.2 Clasificarea sistemelor de detecţie a materialului rulant

Sistemele de detecţie se clasifică după metoda de detecţie după cum urmează:

Sisteme de detecţie a osiilor (denumite şi pedale);

• Detectoare inductive de osii;

Fig. 1.1 Echipament de detecţie punctiformă (pedală electronică)

• Detectoare de osii calde (bolometre, pirometre) – utilizate pentru depistarea osiilor cu cuzineţi ce se încălzesc excesiv în funcţionare şi trebuie gresate sau înlocuite;

• Detectoare cu radiaţii (mai puţin utilizate);

• Detectoare optice (utilizare limitată);

• Detectoare cu efect Hall;

Sisteme de detecţie pe secţiuni de linie (denumite şi circuite de cale – acestea vor fi tratate pe larg în mai multe lucrări din această carte);

Sisteme de detecţie bazate pe interogare-răspuns (balize şi ID-Tag-uri):

• Detectoare pasive reflex;

• Detectoare active;

Sisteme de detecţie bazate pe triangulaţie radio în celule de comunicaţii GSM-R1;

Sisteme de detecţie bazate pe localizare prin satelit;

Cea mai răspândită metodă de detecţie este cea care utilizează circuitele de cale, cu toate că ea suferă de unele neajunsuri, legate de transmiterea semnalelor electrice de control prin şinele de cale ferată, uneori purtătoare şi ale curentului de retur de la tracţiunea electrică.

Fig. 1.2 Structura unui detector cu numărare de osii

1.3 Situaţia din ţara noastră

Marea majoritate a circuitelor de cale pe linie electrificată de la noi din ţară sunt din generaţii tehnice ale anilor 1975-1995, cu funcţionare în regim de impulsuri ale tensiunii de 75 Hz. S-a ales această frecvenţă pentru protecţie faţă de 1 Reţeaua GSM-R este o reţea de comunicaţii digitale mobile celulare asemănătoare reţelei publice GSM, dar la care s-au adăugat funcţionalităţi suplimentare, cu specific feroviar

tensiunea utilizată pentru tracţiunea electrică, de 50 Hz, preluată din sistemul energetic naţional. Tensiunea de alimentare pentru circuite de cale de 75 de herţi este generată de obicei local, cu ajutorul unor invertoare de putere amplasate în staţiile de cale ferată. Unele dintre circuitele de cale menţionate au fost preluate prin import şi au înlocuit circuitele de cale anterioare, cu semnal de control permanent; introducerea lor a fost impusă de trecerea la tracţiunea electrică, cu locomotivele alimentate prin linia de contact şi retur prin şine, la tensiunea de 25 kV, 50 Hz, energia electrică fiind preluată din sistemul energetic naţional, al reţelelor trifazate de 110 kV, prin substaţiile de tracţiune proprii CFR, în regim monofazat. Soluţia tehnică a acelor ani s-a bazat pe generarea electromecanică a codurilor necesare pentru control, iar rezolvarea conflictului dintre condiţia de secţionare electrică a liniilor prin joantele izolante, necesară delimitării zonelor controlate ale secţiunilor izolate şi condiţia de continuitate electrică pentru curentul foarte intens de retur de la tracţiunea electrică sau al sistemelor de climatizare a vagoanelor de călători a fost posibilă prin introducerea la perechile de joante izolante a unor transformatoare speciale, denumite bobine de joantă. Acestea permit închiderea circuitului de retur de la roţile locomotivelor sau ale vagoanelor climatizate prin şine, către sursa de energie.

Ulterior au fost asimilate în ţară şi fabricate masiv bobinele de joantă, filtrele de tip trece-bandă necesare separării curenţilor de control de 75 Hz de cei perturbatori provocaţi de tracţiunea electrică, de contactoarele statice, releele de cale şi cele transmiţătoare de impulsuri. Echipamentele circuitelor de cale în tehnologie ferită-tiristor, alimentate in 75 Hz, au la baza circuitul logic de ferită cu ciclu histerezis dreptunghiular (CHD) şi tiristorul, care este elementul fundamental de prelucrare numerică a informaţiei. Deoarece tiristoarele sunt din serii speciale de fabricaţie, cu curent de deschidere pe poartă atent selectat, iar feritele CHD au fost importate de la un unic producător vest-european, fabricaţia echipamentelor de serie relativ mică a întâmpinat dificultăţi în aprovizionare. Apariţia memoriilor electronice bazate pe microtehnologia siliciului a dus la declinul memoriilor magnetice, astfel că s-a decis abandonarea liniilor de producţie a feritelor CHD şi ca urmare, s-a ajuns la imposibilitatea continuării producţiei de echipamente pentru acest gen de circuite de cale.

După 1985, apariţia circuitelor integrate de tip CMOS, cu plajă ridicată de imunitate la zgomot, viteză mare de comutare şi funcţionare garantată într-un domeniu mare de temperaturi, a permis prelucrarea informaţiei pentru circuitele de cale alimentate în 75 Hz, prin noua tehnologie a siliciului. Circuitele de cale tip

C 4-64 reprezintă la ora actuală o soluţie acceptabilă pentru secţiunile izolate din staţiile şi liniile curente ale CNCF "CFR" SA.

1.4 Detectoare inductive de osii

Acest tip de detectoare, fiind destul de simplu, robust şi economic, este cel mai răspândit. În general detectoarele inductive pot fi:

Detectoare pasive (care nu necesită surse proprii de alimentare);

Detectoare active (cu consum propriu de energie);

Detectoarele se mai pot clasifica şi după modul de analiză a variaţiei parametrului de intrare în detectoare simple şi detectoare diferenţiale, acestea din urmă bazându-se pe comparaţia dintre inductanţa unei bobine fixe şi a unei bobine influenţată de masa metalică a roţii materialului rulant de cale ferată (vagon sau locomotivă). Detectoarele inductive funcţionează pe baza legii inducţiei electromagnetice, tensiunea generată la bornele unui detector pasiv apărând numai în momentul deplasării roţii trenului pe deasupra detectorului, şi nu în momentele când aceasta staţionează. Prin urmare, detectoarele pasive simple nu sunt capabile să simtă prezenţa unui tren staţionat. Expresia tensiunii la borne este:

teD Δ

Δ−= ϕ , (1.1)

în care e reprezintă valoarea tensiunii la bornele detectorului, ϕΔ variaţia fluxului

magnetic şi durata acestei variaţii; întrucât variaţia este simetrică faţă de axul detectorului, tensiunea înregistrată va fi un impuls de polaritate dublă.

tΔ

Detectoarele inductive se amplasează în imediata vecinătate a şinei, în apropiere de ciupercă, pentru ca influenţa masei metalice a roţii de tren să fie cât mai importantă. Beneficiind de o robusteţe mecanică mare, dacă aceste detectoare sunt amplasate în cutii protectoare, ele pot rezista şi impactului direct cu unele obiecte căzute sau atârnând din vagoane. De asemenea, ele nu sunt influenţate de praf şi precipitaţii. Detectoarele inductive sunt cele mai rezistente tipuri de detectoare utilizate în aplicaţiile de acest gen. În figura care urmează este prezentat principiul de funcţionare pentru un detector inductiv de tip simplu.

Fig. 1.3 Principiul de funcţionare pentru detectorul inductiv simplu

Fig. 1.4 Forma variaţiei tensiunii la bornele detectorului inductiv simplu, în

momentul trecerii unei roţi pe deasupra

Traductorul inductiv diferenţial se comportă diferit, datorită structurii sale. Astfel, acest tip de traductor este capabil să detecteze şi osii staţionate, nu numai în mişcare. În componenţa traductorului diferenţial intră un oscilator, al cărui semnal este introdus într-o punte diferenţială, pe braţele căreia sunt amplasate două circuite oscilante LC acordate. Circuitul sesizor conţine o bobină care va fi influenţată în momentul trecerii roţii de tren pe deasupra, modificând inductanţa acesteia; ca urmare, tensiunea de la ieşire, iniţial reglată pentru a fi nulă, va deveni diferită de zero.

Fig. 1.5 Schema electrică a traductorului inductiv diferenţial

Fig. 1.6 Mod de prindere la şină (detector Siemens)

Pentru simplitate, detectoarele se prind chiar de şine, ca în figura de mai sus. Acest sistem poate detecta roţi de tren cu diametrul cuprins între 300 şi 2100 mm, la viteze de până la 80 km/h. Un mare avantaj îl prezintă imunitatea faţă de curenţii de retur tracţiune, imunitate ce poate atinge grade de protecţie la curenţi de tracţiune alternativi de până 3000 A şi continui de până la 10000 A prin şine.

1.5 Traductoare cu senzori Hall

Această categorie de traductoare utilizează efectul Hall, ce constă în producerea unei diferenţe de potenţial electric de-a lungul unui conductor ce este parcurs de un curent şi este amplasat într-un câmp magnetic exterior. Coeficientul Hall este definit ca raport dintre câmpul electric şi produsul densitate de curent – intensitate câmp magnetic aplicat. Este o caracteristică a materialului din care este realizat conductorul şi intensitatea sa depinde de tipul, numărul şi proprietăţile purtătorilor de sarcină care formează curentul.

Efectul Hall este prezent şi în semiconductoare. Sarcinile ce se deplasează în semiconductor (electroni şi goluri) întâmpină o forţă de rezistenţă, denumită forţa Lorentz, în prezenţa unui câmp magnetic extern, neparalel cu mişcarea sarcinilor. Atunci când acest câmp magnetic este absent, sarcinile urmează un traseu aproximativ rectangular. În prezenţa câmpului magnetic, traiectoria sarcinilor se curbează şi acestea sunt „presate” pe o faţetă a materialului. Acestea sunt compensate de un număr echivalent de „goluri” pe faţa opusă, ceea ce creează o diferenţă de potenţial. Rezultatul este o distribuţie neuniformă de sarcini electrice pe suprafaţa materialului semiconductor, iar separarea stabileşte un câmp electric ce se opune migraţiei altor sarcini. Pentru un conductor metalic simplu, unde nu există decât un singur tip de purtători de sarcini, electronii, tensiunea Hall VH este dată de relaţia:

nedIBVH

/−= , (1.2)

în care I este curentul prin placa de material, B reprezintă densitatea fluxului magnetic (inducţia), d este grosimea plăcii, e este sarcina electronului, iar n reprezintă numărul de purtători de sarcină sau densitatea purtătorilor de sarcină.

Fig. 1.7 Principiul efectului Hall

Se defineşte coeficientul Hall ca:

BjE

Rx

yH = , (1.3)

unde RH este coeficientul Hall, j reprezintă densitatea de curent [A/mm2], iar B are semnificaţia de mai sus. În sistemul internaţional, relaţia de mai sus devine:

.1/ nedBI

VBj

ER H

x

yH −=

⋅== (1.4)

Atunci când un material semiconductor este amplasat într-un câmp magnetic, purtătorii de sarcini din acesta sunt supuşi unei forţe după o direcţie perpendiculară pe câmpul magnetic şi curent. La atingerea echilibrului apare o diferenţă de potenţial pe feţele semiconductorului. Formula de mai sus devine mai complexă în cazul semiconductorilor, în care, spre deosebire de metale, conduc curentul cu două categorii de purtători de sarcini, şi anume electronii şi golurile. De asemenea, fenomenul este dependent de intensitatea câmpului magnetic aplicat, astfel că pentru câmpuri magnetice moderate se poate scrie relaţia:

2

22

)( he

heH pne

pnRμμμμ

++−= , (1.5)

unde n reprezintă concentraţia de electroni, p concentraţia de goluri,

eμ mobilitatea electronilor, pμ mobilitatea golurilor, iar e valoarea absolută a

sarcinii electronice. În cazul unor câmpuri magnetice intense se aplică formula:

enpRH )(

1−

= , (1.6)

unde mărimile au aceleaşi semnificaţii ca mai sus. Traductoarele Hall cu semiconductor, disponibile pe piaţă, sunt în general realizate în formă hibridă, conţinând, pe lângă elementele de sesizare a prezenţei câmpului magnetic şi blocuri funcţionale integrate pentru amplificarea semnalului şi formarea sa în vederea acţionării directe, spre exemplu, a unui releu electromagnetic simplu. În acest fel, aplicaţiile care ţin de detecţia prezenţei materialului rulant se pot realiza utilizând un magnet permanent pentru acţionarea senzorului Hall, iar în momentul trecerii roţii trenului câmpul magnetic să fie obturat de prezenţa acesteia. De remarcat faptul că efectul Hall permite detecţia câmpurilor magnetice permanente şi este influenţat, de asemenea, de sensul în care acţionează câmpul magnetic. De aceea trebuie avută grijă la instalarea senzorilor Hall cu semiconductoare, la acest sens de acţionare. În figura următoare se prezintă modul de variaţie a tensiunii la ieşire pentru un asemenea senzor integrat. Se poate utiliza şi faptul că această comutare din starea liber în

starea acţionat şi invers, are loc pe baza unui histerezis, ceea ce conferă mai multă siguranţă în situaţii de incertitudine.

Fig. 1.8 Aspectul, dimensiunile şi caracteristica de ieşire a unor senzori Hall

realizaţi cu semiconductori

IPRS Băneasa a produs senzorul Hall β SM 2XX, care poate realiza funcţia de

comutator electronic (elementul de comutare fiind un tranzistor bipolar), comandat de prezenţa unui câmp magnetic. Tensiunea Hall furnizată de traductorul intern este preluată de un amplificator diferenţial şi livrată unui comparator cu histerezis. Dacă senzorul este amplasat într-un câmp magnetic a cărui valoare depăşeşte un anumit prag de deschidere, comparatorul comandă etajul de ieşire; ca urmare, colectorul acestuia poate absorbi un curent destul de important. Dacă inducţia magnetică scade sub valoarea pragului de blocare, ieşirea comparatorului revine la starea iniţială, tranzistorul de ieşire blocându-se. Între pragul de deschidere şi cel de blocare, histerezisul asigură funcţionarea fără zone de incertitudine pentru valori ale câmpului magnetic situate la limita de comutare.

În figura care urmează este prezentată schema de principiu pentru amplasarea detectoarelor de prezenţă cu senzor Hall. Se observă că este necesară instalarea unui magnet permanent, iar poziţia este acţionat în lipsa prezenţei roţii trenului şi revenit atunci când este prezentă o roată (condiţie de siguranţă). De asemenea, aceste detectoare pot sesiza şi staţionarea unei roţi în dreptul zonei de detecţie.

Fig. 1.9 Structura şi modul de amplasare a detectoarelor de prezenţă Hall cu

semiconductori

1.6 Desfăşurarea lucrării

Se identifică categoriile de senzori din care fac parte montajele de laborator;

Se amplasează senzorul magnetic simplu într-o poziţie convenabilă şi se conectează la bornele sale un voltmetru analogic de curent alternativ sau un osciloscop;

Se acţionează cu dispozitivul metalic suprafaţa senzorului, simulând trecerea unei roţi de tren. Se observă şi se măsoară valorile de tensiune înregistrate în momentul acţionării;

Se lasă piesa metalică deasupra senzorului şi se verifică faptul că tensiunea înregistrată la bornele senzorului este nulă;

Se conectează senzorul magnetic diferenţial la o sursă de curent alternativ (generator de semnal), conform figurii de mai jos:

Fig. 1.10 Conectarea detectorului inductiv diferenţial

Se verifică acţionarea cu piesa metalică, trecută pe deasupra bobinei sensibile a detectorului inductiv diferenţial; se reprezintă grafic forma semnalului de ieşire, înregistrat cu ajutorul osciloscopului;

Se alimentează montajul experimental cu senzor Hall, respectând polaritatea: firul galben la polul pozitiv, iar cel negru la polul negativ al sursei de alimentare; tensiunea este de 12 V. Se verifică distanţa de acţiune şi polaritatea magnetică, utilizând magnetul permanent ataşat montajului;

Se completează următorul tabel:

Tab. 1.1 U alim. [V] 4 8 12 16 20 24 Observaţii

I abs. [A]

Distanţa acţiune [mm]

1.7 Verificări, întrebări, interpretări personale

De ce sesizorul de cale inductiv simplu nu permite detecţia osiilor staţionate în dreptul său?

Cum se explică prezenţa unei tensiuni de ieşire la detectorul de cale inductiv diferenţial, chiar şi atunci când nu este prezentă nicio osie în dreptul său?

Care sunt avantajele şi dezavantajele utilizării detectoarelor de osii?

Să se reprezinte grafic variaţia distanţei de acţionare funcţie de tensiunea de alimentare, pentru detectorul de osii ce utilizează efectul Hall. Cum poate fi explicată această variaţie: de ce depinde atât de puţin de tensiunea de alimentare distanţa de acţiune?

Descrieţi comparativ şi alte posibile metode de detecţie a prezenţei osiilor materialului rulant.

1.8 Bibliografie

• http://www.railway-technology.com/contractors/signal/

• http://www.transportation.siemens.com/ts/en/pub/products/ra.htm

• http://www.transport.alstom.com/home/products_and_services/rail_infrastructure