Brevet FR2119822A1 — publié le 19720811

La présente invention concerne un dispositif détecteur du passage d'une masse magnétique, notamment de l'instant de passage d'une roue de véhicule ferroviaire roulant sur un rail. Afin d'obtenir des pédales de voie relativement insensibles aux courants parasites susceptibles de parcourir le rail, il est connu de réaliser des détecteurs comprenant un bobinage émetteur de flux magnétique alternatif dans la zone traversée par une roue ferroviaire à détecter et un bobinage récepteur de ce flux. Le bobinage émetteur est relié à un générateur de tension électrique alternative et le bobinage récepteur est relié à des moyens détecteurs de la variation du courant alternatif induit par le flux magnétique alternatif. Les bobinages émetteur et récepteur forment un circuit magnétique ouvert modifié par la présence de la roue ferroviaire de bonne perméabilité magnétique. Le bord ou le boudin des roues ferroviaires est seul utilisable pour modifier le circuit magnétique et le boudin des roues des différents véhicules ferroviaires roulant sur le rail est susceptible de passer à des endroits variables ce qui exige de placer les bobinages émetteur et récepteur à une distance non négligeable de la roue. Il s'ensuit que les signaux constitués par une augmentation ou une diminution du signal reçu dans le bobinage récepteur sont très faibles.De plus, lorsque les bobinages émetteur et récepteur sont de faible dimension par rapport au diamètre de la roue à détecter, la modification de couplage magnétique entre les bobinages émetteur et récepteur causée par la présence de la roue se maintient constante pendant un parcours non négligeable de roue et il devient difficile de déceler par le signal capté dans le bobinage récepteur l'instant de passage en un point précis de l'axe de la roue. Les déplacements du lieu de passage des boudins des différente roues font en effet varier le point de début du signal capté sur le récepteur qui donne en général, deux signaux successifs. L'un de ces signaux apparaît au début de l'approche de la roue et l'au- tre lorsque la roue s' éloigne de la proximité des bobinages. Des détecteurs constitués d'un aimant permanent entouré d'un bobinage ont donné des signaux ponctuels mais l'amplitude des signaux émis s'est révélée décroS- tre dans le temps. Afin de mesurer avec précision la vitesse d'un véhicule ferroviaire par détection du temps de parcours de l'aie d'un essieu entre deux détecteurs de signaux, il est nécessaire de disposer dtun signal dont l'existence est sucez tible d'être controlée à tout instant et dont la durée d'émission par rapport au passage de l'aie de la roue est extrêmement ponctuelle. La présente invention a pour but de satisfaire ces exigences et de pallier les inconvénients des dispositifs précédents. A cet effet, le dispositif de détection du passage d'une pièce en métal magnétique notamment de l'instant de passage d'une roue de véhicule ferroviaire roulant sur un rail, par couplage magnétique de deux bobinages respectivement inducteur et induit, alimentation du bobinage inducteur en courant alternatif ou ondulé et réception d'un signal alternatif sur le bobinage induit est caractérisé en ce qu'il comporte disposés coaxialement sur un axe longitudinal sensiblement perpendiculaire à l'axe du rail et à proximité du passage du boudin (ou du bord) de la roue, un anneau et un barreau en métal de bonne perméabilité nagnétique, les spires du bobinage inducteur et les spires du bobinage induit, au moins une partie du barreau étant placée à l'intérieur de l'anneau et séparée de celui-ci par un entrefer radial et l'un des bobinage étant fixé à la périphérie extérieure de l'anneau tandis que l'autre bôbinage entoure le barreau. L'avantage de ce mode de réalisation du dispositif détecteur réside dans le fait que la présence de l'anneau entre les bobinages inducteur et induit repousse les lignes de force magnétiques en un champignon qui s'éloigne beaucoup du barreau. Même s'il passe à distance importante du barreau, le boudin ou le bord de la roue en acier cause un effet d'écran magnétique qui attire à lui les lignes de force magnétique venant de l'anneau. Il s' ensuit, m & e si le diamètre extérieur de l'anneau est faible par rapport à celui de la roue, que le signal alternatif capté en tension ou en intensité sur le bobinage induit subit un affaiblissement progressif jusqu'au moment où l'axe de la roue passe au droit de l'axe du barreau. Il devient ainsi possible de déterminer avec un capteur de faible dimension 1' ins- tant de passage précis de l'axe de la roue en repérant l'instant de l'affaiblissement maxinturn, même si le boudin de la roue ferroviaire s'écarte plus ou moins du bord du rail et par conséquent, du centre du capteur. Selon d'autres formes de réalisation de l'invention, le bobinage inducteur est fixé à la périphérie de l'anneau tandis que le bobinage induit entoure le barreau et 1' extrémité du barreau située du côté du passage de la roue est placée sensiblement dans le plan de la face transversale de 1' anneau tournée vers la roue à détecter, la longueur du barreau est supérieure à la hauteur transversale de l'anneau et le rapport entre la section du barreau et la section de l'entrefer radial est supérieur à cinq. Ces formes de réalisation imaginées et vérifiées par des essais expérimentaux rendent maximale l'amplitude de l'affaiblissement du signal capté dans le bobinage induit et protègent celui-ci des perturbations parasites susceptibles d'être engendrées par les courants circulant dans le rail. Selon une caractéristique importante de l'invention, une partie du bobinage induit est disposée dans l'entrefer radial entre l'anneau et le barreau. Cette position du bobinage induit permet d'obtenir le meilleur compromis entre l'amplitu- de du signal alternatif capté sur le bobinage induit et le taux d'affaiblissement de ce signal causé par le passage de la roue à proximité du barreau. Selon une autre caractéristique, une partie de l'anneau et du bobinage inducteur est disposée sous le champignon du rail et à proximité de celui-ci. Cette disposition d'une partie de 11 ensemble du détecteur sous le champignon du rail rend plus ponctuelle la zone d'affaiblissement maxmum du signal capté sur le bobinage induit et protège le détecteur tout en facilitant sa fixation sur la semelle ou la traverse du rail. Selon une autre caractéristique, le signal alternatif issu du bobinage induit est redressé et dérivé pour alimenter un circuit de repérage de instant de passage de la roue. Ce mode de traitement du signal permet de repérer avec précision l'instant où l'affaiblissement du signal cesse de croître et où l'axe de la zone passe au droit de l'axe de l'anneau et du barreau. Belon une autre caractéristique, le signal alternatif capté sur le bobinage induit est filtré avant utilisation. Ce traitement du signal capté sur le bobinage induit permet d'éliminer tous les parasites extérieurs susceptibles de simuler le passage d'une roue ferroviaire en émettant un signal dans le bobinage induit. Selon une caractéristique importante de l'invention, le signal alternatif capté sur le bobinage induit agit sur un dispositif de contrôle susceptible de surveiller l'existence d'un seuil minimum d'amplitude du signal. Ce mode de surveillance constante du bon fonctionnement du détecteur permet de bénéficier pleinement de la sécurité conférée par les circuits à fréquence permanente. Grâce au fait que le dispositif de détection fonctionne sans faire appel à des aimants permanents, il n'y a plus à craindre d'affaiblissement du signal dans le temps et avec ce dispositif de contrôle, on s'assure continuellement que l'ensemble émetteur-ré- cepteur fonctionne correctement.Pour se protéger des parasites susceptibles de produire un affaiblissement temporaire du signal, il est possible de rendre le circuit de repérage de l'instant de passage d'une roue sensible seulement à un seuil minimum d'affaiblissement du signal. Dans le cas où le dispositif de détection selon la présente invention n'est pas destiné à détecter l'instant de passage d'une roue mais seulement le passage d'une masse en métal magnétique, les avantages de haute sensibilité, de volume et de poids réduits et de contrssle permanent du bon fonctionnement subsistent. D'autres avantages et caractéristiques apparattront à la lecture de la description d'un mode de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif ainsi que du dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue en coupe selon un plan parallèle à l'axe longitudinal du rail d'un détecteur selon un mode de réalisation de l'invention. Le détecteur représenté sur la figure est contenu dans un boitier 1 fixé sur le côté d'un rail de chemin de fer 2 dont la semelle 3 est représentée en coupe posée sur une traverse 4 et dont le champignon 5 supporte une roue de véhicule ferroviaire 6 représentée en coupe sensiblement selon l'axe de la section du boudin. Le rail 2, la traverse 4 et la roue 6 sont représentés en vue arrachée. Selon l'invention, le détecteur comporte un anneau circulaire 7 en ferrite ou autre matériau à grande perméabilité magnétique autour duquel est disposée une bobine 8 alimentée en courant alternatif par un générateur 9. Les spires 10 de la bobine 8 ainsi qu'un barreau central de ferrite 11 sont placés sensiblement selon l'axe longitudinal de 11 anneau 7. Le barreau central 11 est sensiblement plus long que l'épaisseur transversale de l'anneau 7 et est entouré par un bobinage 12 relié à un circuit récepteur 13 muni d'éléments électroniques de filtrage, de redressement et de dérivation des signaux captés dans le bobinage 12, de façon à délivrer un signal au passage de la roue 6 devant l'anneau 7 et devant le barreau 11. Quelques-unes des lignes de force magnétiques principales produites par le courant circulant dans le bobinage 12 ont été représentées en traits fins. Des lignes de force inférieures 14 joignent la partie inférieure du barreau 11 avec le corps de l'anneau 7 tandis que des lignes de force supérieures 15 joignent l'anneau 7 au boudin de la roue 6 et que des lignes médianes 16 joignent la partie supérieure du barreau 11 avec l'anneau 7. Le dispositif détecteur fonctionne de la façon décrite ci-après. En l'abscence de roue métallique, la bobine 8 est alimentée en courant alternatif par le générateur 9 ce qui induit dans l'anneau 7 des lignes de force magnétiques de self induction qui se referment autour de la section de la bobine 8. Les ampèrea tours du signal alternatif de la bobine 8 produisent également une faible induction du barreau 1 1 dont les lignes de force extérieures se referment dans l'air autour de la bobine 8. il s'ensuit l'apparition d'un signal alternatif dans le bobinage 12 monté coaxialement à la bobine 8. L'intensité du courant de ce signal alternatif produit une induction magnétique de self induction dont les lignes de force partent des extrémités du barreau il et se referment à travers la section transversale de l'anneau 7.Le signal capté sur le bobinage 12 est affaibli par la self induction propre du bobinage 12 et du barreau 11, dont les lignes de force magnétiques stépe, nouissent en panache circulaire à partir de l'extrémité supérieure du barreau 1 1 et retombent sur la face supérieure de l'anneau 7. Lorsque le boudin de la roue 6 s'approche de la face supérieure de l'anneau 7, il produit une augmentation continue de la perméabilité magnétique du circuit de self induction du bobinage 12 et du barreau 1 1 jusqu'à l'instant où l'axe de la roue passe au droit de l'axe du barreau 11. L'affaiblissement du signal capté dans le bobinage 12 passe alors par un maximum et les lignes de force telles que 16 sont pratiquement inexistantes. La position du boudin d'une roue ferroviaire au cours du roulage devant un détecteur de passage est susceptible de varier dans de larges tolérances ce qui impose dans le cas le plus défavorable l'existence d'un entrefer important entre le boudin de la roue et ltextrémité du barreau 11. Grâce à la répartition du flux magnétique de self induction de la bobine 12 et du barreau 11 en un panache retombant sur l'anneau 7, à partir des bords arrondis du boudin de la roue, l'augmentation de la perméabilité magnétique du circuit de self induction figurée par les lignes de force 14 et 15 se produit continuellement de façon sensible jusqu'au moment où l'axe de la roue passe au droit de l'ase du barreau 11.A ce moment, l'effet d'écran magnétique de la roue 6 est maximum, le signal capté sur le bobinage 12 subit un affaiblissement maximum et lorsque l'axe de la roue s'éloigne du barreau 1 1 le signal capté sur le bobinage 12 augmente à nouveau rapidement. Le circuit récepteur 13 peut filtrer le signal alternatif capté sur le bobinage 12 pour éliminer les courants parasites circulant dans le rail. le signal du bobinage 12 est redressé dans le récepteur 13 pour donner un signal dont la dérivée, en fonction du temps, augmente en valeur positive à partir de zéro, passe par un maximum, diminue en passant par zéro, puis augmente en valeur négative jusqu'à un maximum et diminue pour retourner à zéro.Un circuit de déclenchement peut être armé pour une valeur minimum positive de cette dérivée et donner un top de déclenchement pour une valeur négative minimllm. Dans une telle utilisation, le détecteur selon l'invention permet de mesurer le temps de parcours d'une roue de wagon entre deux points de mesure munis chacun d'un détecteur. la mesure précise du temps de parcours permet de connaître la vitesse du véhicule et par exemple de commander les freins de voie d'une installation de triage ou de déclencher un si gnal d'alarme de survitesse. Dans le cas où le diamètre intérieur de l'anneau 7 est faible par rapport au diamètre de la roue, par exemple de l'ordre du vingtième de celui de la roue, le détecteur se trouve, dans les cas défavorables, placé à une distance importante du boudin de la roue au moment du passage de la roue à détecter. Le panache des lignes de force de self induction du bobinage 12 peut cependant atteindre le boudin de la roue jusqu'à des distances dépassant le diamètre intérieur de l'anneau 7. Dans ce dernier cas, le passage du boudin de la roue devant la face supérieure du détecteur produit encore une diminution continue du signal jusqu'à l'instant où l'axe de la roue passe au droit du barreau 1 1 et où l'amplitude du signal alternatif augmente à nouveau. Une partie importante du flux magnétique de self induction se ferme alors entre l'anneau 7 et le barreau 1 1 via la roue, le contact rail-roue et le rail. Les interactions magnétiques produites par l'assemblage, selon l'invention, de l'anneau, du barreau et des bobinages inducteur et induit n' ont pas encore pu être examinées en détail et seule l'extrême ponctualité du renversement de sens de la dérivée de l'affaiblissement du signal capté sur le bobinage 12 a été mise en évidence par des mesures. La description précédente du mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention, ne prétend, en conséquence, pas rendre compte de la totalité des phénomènes électromagnétiques apparaissant dans le dispositif de-dé- tection d'une masse métallique selon la présente invention, spécialement pour toutes les fréquences d'émission du générateur 9. De nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif précédemment décrit sans changer l'esprit de l'invention. La fréquence du signal émis par le générateur 9 peut être quelconque mais dans le cas où la roue 6 défile à vitesse élevée, il est nécessaire de. disposer d'une fréquence de plusieurs milliers d'Hertz pour lisser le signal redressé. L'ensemble de l'anneau 7, de la bobine 8, du barreau 1 1 et du bobinage 12 peut être contenu dans le boitier 1 en matériau magnétique ou non et être maintenu en place par un matériau intermédiaire non magnétique remplissant l'espace libre.Le bobinage 12 peut être placé en un point quelconque du barreau 1 1 qui peut être de la même longueur que l'épaisseur transversale du barreau ou bien dépasser nettement l'épaisseur de l'anneau 7 pour augmenter le couplage entre la bobine 8 et le bobinage 12 et la self induction du bobinage 12. La bobine 8 peut ne pas occuper toute l'épaisseur de l'anneau 7 ou bien au contraire déborder sur celui-ci. La détection de la masse métallique en mouvement peut s'appliquer non pas au boudin de la roue mais à la face latérale de la roue. Bien entendu la section du barreau 1 1 et de l'anneau 7 peut être quelconque et la ligne moyenne dudit anneau 7 peut ne pas être circulaire mais par exemple rectangulaire ou ovale. La position de la bobine d'émission 8 à l'extérieur de l'anneau 7 présente l'avantage de protéger des perturbations électromagnétiques, mais il évident que l'on pourrait inverser le rôle émetteur et respectivement récepteur de la bobine 8 et du bobinage 12. La partie supérieure du barreau 1 1 peut ne pas effleurer la face supérieure de l'anneau 7 et dépasser cette face ou se trouver en retrait.Le rapport entre la diamètre de la roue 6 et celui de 1' extérieur de l'anneau 7 peut atteindre des valeurs de tordre de 20 alors que la distance d'entrefer maximum entre la roue 6 et le barreau 1 1 peut être égalé au diamètre intérieur de l'anneau 7 sans que l'affaiblissement du signal capté sur le bobinage 12 cesse d'être perceptible et de donner après redressement une dérivée dont le renversement de sens via la valeur zéro s'effectue après un parcours très court de la roue de part et d'autre d'un axe. il est possible, pour s'assurer du fonctionnement correct du détecteur, de surveiller continuellement l'existence d'un minimum de signal sur le bobinage 12. Le détecteur selon l'invention est principalement destiné à détecter avec précision l'instant de passage d'une roue ferroviaire en un point donné pour déterminer la vitesse de translation de l'axe de la roue d'un véhicule mais il peut être utilisé dans d'autres domaines d'application, notamment comme pédale d'annonce du passage de la tête d'un oonvoi. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif de détection du passage d'une masse magnétisable, notamment de l'instant de passage d'une roue de véhicule ferroviaire roulant sur un rail, par couplage magnétique de deux bobinages respectivement inducteur et induit, alimentation du bobinage inducteur en courant alternatif ou ondulé et réception d'un signal alternatif sur le bobinage induit du type comportant, disposées coaxialement sur un axe longitudinal sensiblement perpendiculaire à l'axe du rail et à proximité du passage du boudin (ou du bord) de la roue, une partie annulaire et une partie de noyau central chacune en un matériau de bonne perméabilité magnétique, les spires du bobinage inducteur et les spires du bobinage induit, au moins une partie du noyau central étant placé à l'intérieur de la partie annulaire et séparée de celle-ci par un entrefer radial, l'un des bobinages étant disposé entièrement à l'extérieur de la périphérie de la partie annulaire, tandis que l'autre bobinage entoure au moins par tiellement le noyau central, caractérisé en ce que les parties annulaire et de noyau central constituent deux pièces totalement séparées par un entrefer important pour former respectivement un anneau et un barreau. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur du barreau est supérieure à la plus grande dimension de la section transversale de l'anneau. 3. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bobinage inducteur est fixé à la périphérie de l'anneau, tandis que le bobinage induit entoure le barreau. 4. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité du barreau située du côté du passage de la roue est placée sensiblement dans le plan de la face transversale de l'anneau tournée vers la roue à détecter. 5. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport entre la section du barreau et la section de l'en- trefer radial est supérieur à cinq 6. Dispositif de détection selon l'unie des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une partie de l'anneau et du bobinage inducteur est disposée sous le champignon du rail et à proximité de celui-ci. 7. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal alternatif issu du bobinage induit est redressé et dérivé pour alimenter un circuit de repérage de l'instant exact de passage de l'axe de la roue par identification de cet instant avec celui où la valeur du signal dérivé est nulle. 8. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le signal alternatif capté sur le bobinage induit est filtré avant utilisation. 9. Procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le signal alternatif capté sur le bobinage induit agit sur un dispositif de contrôle susceptible de surveiller l'existence d'un seuil minimum d'amplitude du signal.