Brevet FR2300327A1 — publié le 19760903

L'iavention concerne un dispositif permettant la mesure automatique et continue de l' usure du fil aérien de contact équipamt les lignes ferroviaires électrifiées. Le frottement de l'archet du pantographe sur le fil de contact assurant l'alimentation des moteurs de traction provoque une usure qui, ai elle devient trop avancée, peat entraîner la rupture du fil. Cette usure se manifeste par l'apparition d'un mëplat sur la partie inférieure au fil. Des critères de sécurité ont amené les services intéressés à définir des normes dont le respect nécessite un contrôle périodique de l'épaisseur du fil. Ce contrôle est effectué jusqu'ici manuellement, à l'aide d'appareils basés sur le principe de micromètre. Les inconvé- nients de ce procédé sont multiples et essentiellement de deux ordres. D'une part, le precédé est douteux par le double fait qu'il nécessite une main-d'oeuvre importante, et la suspansion au trafic dû b la coupure du courant. D'autre part, il ne perset qu'un contrôle discontinu, laissant ainsi une part importan- te au hasard par le fait que des régions d'usure particulière penvent passer inaperçues. I1 existe déjà des systèmes de mesure en continu basés divers principes, mais présentant tous le même défaut: le prélèvement de le information nécessaire i la mesure nécessite un contact mécanique, solide eu visqueux entre le fil et le capteur de mesure. Ce contact, qu'il est difficile d'assurer en permanence d'une façon parfaite, entraîne une certaine imprécision de la mesure et surtout un défaut de fiabilité qui n'a pas perlis une exploitation pratique. L'invention permet de pallier cet inconvénient par l'utilisation d'un dispostifi opto-électronique permettant le prélèvement de l'information sans l'intermédiaire d'un contact entre le capteur de mesure et le fil. Le capteur est constitué par un réseau linéaire de phot.- diodes intégrées. L'état avancé des techniques d'intégration dans le domaine des composants électroniques permet de trouver sur 1. marché, à l'heure actuelle, des réseau: linéaires de 256 photodiodes, à raison de 10 photodiodes par m'a, ce qui periet de mesurer des longueurs de l'ordre de 25 mm avec une précision de 2/10 mm. L'information prélevée par le capteur concerne la largeur du méplat créé par l'usure. Il faut préciser qu'en fonction de l'usure, et dans la pratique, ce paramètre varie plus rapidement que l'épaisseur du fil, ce qui contribue à la sensibilité du système. On obtient cette information en formant, à l'aide d'un système optique simple du type objectif de projection, l'image du méplat, éclairé par une source lumineuse, sur le réseau linéaire de photodiodes. Ce méplat qui est poli de manière quasi continue par le passage des pantographes, présente une surface métallique dont le pouvoir réflecteur est nettement plus important que celui du reste da fil, toujours oxydé et recouvert de scories. L'image est ainsi constituée par une zone brillants correspondant sa Méplat, jouxtée de deux régions sombres. L'état d'une photodiode dépend du rayonnement qu'elle reçoits, chaque photodiode délivrant us signal 0 ou 1, suivant qu'elle est éclairée ou non. De principe de la mesure consiste à explorer le réseau de photodiodes pour en extraire une information dont le traitement permettra de déterminer la largeur du méplat. Si le fil est poli de façon régulière, l'état de surface du méplat est uniforme. Toutes les photodiodes qui reçoivent l'image du méplat sont éclairées, et le traitement de l'infor- nation consiste à compter les .photodiodes éclairées. Le nombre obtenu est proportionnel à la largeur de l'image du méplat,donc à la largeur du méplat, et par conséquent à l'usure du iil, Les signaux délivrés par chaque photodiode sont mis en forme, analysés numériquement, comptés puis convertis en tension analogique permettant un enregistrement. Ce système de mesure fonctionne correctement ai le méplat est poli de façon suffisamment régulière. Il peut toutefois être sérieusement mis en défaut Si l'état de surface est particuliè- rement perturbé, et présente des cratères plus ou moins larges, dus à des arrachements de métal. Ces cratères forment sur l'ima- ge des zones sombres que les photodiodes traduisent par un signal 0. Ainsi, le comptage des diodes éclairées donnera un nombre quine correspond plus à la largeur du méplat, mais à une valeur nettement inférieure. Une variante du système, au niveau de traitement de l'in formation, permet de remédier simplement à cet inconvénient. Son principe consiste non pas à compter le nombre de diodes éclairées, mais à identifier la première et la dernière des diodes éclairées. Le signal délivré par la première ouvre une porte que fermera le signal délivré par la dernière. Cette porte transmet au compteur précédent les impulsions délivrées par une horloge. Ainsi, le compteur ne reçoit des impulsions d'horloge que lorsque la porte est ouverte et, de ce fait, délivre un nombre proportionnel au temps d'ouverture de la porte, c'est-à-dire à la largeur du méplat. On précisera que les deux variantes du système peuvent tre mises en oeuvre simultanément, la deuxième fournissant la largeur du méplat, c'est-à-dire la grandeur de l'usure, la comparaison des deux donnant une idée de 1' état de surface du méplat,- c'est-à-dire de la nature de l'usure, savoir polissage ou arrachement de métal. Ce procédé présente deux intér8ts principaux. D'une part, il élimine tout contact de quelque nature que ce soit entre le capteur de mesure et le fil à mesurer. D'autre part, il met à profit l'insensibilité aux parasites des techniques numériques de mesure, chaque élément sensible répondant par tout ou rien. Le temps nécessaire pour effectuer une mesure est le temps mis par la logique de sélection pour explorer tout le réseau de photodiodes. Par exemple, un registre à décalage commandé par une horloge dont la fréquence d'oscillation est de 5 MHz permettra d'explorer les 250 photodiodes d'un réseau en 50 sec. Si le système est véhiculé par un wagon de mesure circulant à la vitesse de 50 km/h, la mesure du fil est alors intégrée sur 0,7 mm. Les mesures peuvent se succéder sans interruption en donnant de façon continue l'épaisseur du fil. 4 intention comporte en outre tout ou partie des carac téristiques suivantes : a) WL réseau de photodiodes intégrées, auquel est asso ciée une logique de sélection des photodiodes. Cette logique peut-$tre réalisée à l'extérieur du boîtier contenant le réseau de photodiodes, ou intégrée à l'intérieur même de ce boîtier ce qui réduit les dimensions du système et augmente sa fiabilité. b) un système d' éclairage du fil en lumière blanche, constitué per une lampe à filament de tungstène disposée au foyer d'un collimateur. o) en variante, un système d'éclairage du fil en lumière monochromatique, permettant d'éliminer lteiSet parasite du soleil. Ce système est essentiellement constitué par un laser omettant un rayonnement monochromatique dont la longueur onde correspond au maximum de la courbe de sensibilité spectrale des photodiodes,et parun filtre interférentiel dont la bande passa te est centrée à la longueur d'onde du rayonnement émis par le laser.Le laser éclaire le fil et le filtre interférentiel est disposé sur le réseau de photodiodes de façon à protéger ce dernier du rayonnement solaire tout en laissant passer le rayonne- ment monochromatique émis par le laser et transportant l'image du fil. a) une fibre optique souple, conductrice de lumière, permettant d'amener le faisceau lumineux Jusqu'au fil, les sourve- de lumière b) ou c) étant localisées à l'intérieur d'un wegon de mesure. e) un système optique du genre objectif de projection, permettant de former l'image du méplat du fil sur le réseau de photodiodes. i) une fibre optique souple, conductrice d'image, permet- tant de reporter le réseau de photodiodes et tout le système électronique à l'intérieur du wagon de mesure, La fibre conductrice d'image reçoit au niveau du fil l'image donnée parle système optique précédent (e) et reproduit cette image à son autre extrémité située dans le wagon. Un autre système optique forme alors l'image de cette reproduction sur le résenau de photo- diodes0 g) un endoscope souple qui remplace à la fois la fibre optique (d), le conducteur d'image (f) et le système optique (e), cet endoscope étant alimenté soit en lumière blanche, soit en lumière monochromatique.L'oculaire de l'endoscope est remplacé par un système optique reproduisant sur le réseau de photodiodes une vinage réelle de la figure obtenue à la sortie du conducteur d'image de l'endoscope. h) un système de traitement de 1'information comprenant essentiellement une horloge, un registre de décalage, une.porte ET-NON par photodiode, un inverseur, un compteur9 un conver- tisseur digital/analogique et un enregistreur c Dans ce système, les photodiodes reçoivent en permanence, l'image du méplat, et délivrent un signal 1 et 0 suivant qu'elles sont éclairées ou non. Ellas attaquent chacune une porte ET-NON à travers un eircuit interface adaptateur d'impédance, si nécessaire. Les signaux d'horloge attaquent le registre à décalage qui ouvre auccessivement toutes les portes ET-NON. Les sorties des portes ET-NON sont communes et attaquent un inverseur. Â l'issue de cet inverseur, le traitement du signal est différent suivant la variante adoptée. - Dans la première variante, qui consiste à compter les photodiedes éclairées,les signaux issus de l'inverseur sont directement envoyés dans le compteur. Le nombre issu da compteur est converti en tension par le convertisseur digital/analogique, et enregistré. - Dans la deuxième variante, on extrait de tous les signaux issus de l'invenseur au cours d'un balayage du réseau celui provenant de la première diode éclairée et celui provenant te la dernière diede éclairée. Le premier ouvre une porte à impulsions que ferme le dernier. Cette porte, ou "Porte de comptage", commande l'accès au compteur des impulsions délivrées par une horloge auxiliaire.Le nombre issu au compteur est, ici encore, converti en tension et enregistré. On peut appel-er "logique d'identification" le sous-ensemble permettant dlidentifier les signaux issus de la première et de la dernière diode éclairées. i) une "logique d'identification" dont le rôle est prEci- sé en (h), constituée essentiellement par une porte à impulsions et deux diviseurs par n. les impulsions de fréquence déterminée issues de l'horloge auxiliaire attaquent trois systèmes: - an diviseur par n qui délivre un signal de sortie quand il a reçu n impulsions d'entrée. Ce diviseur est remis à zéro de manière permanente par les impulsions issues de l'inverseur.Ain- si, au cours d'une exploration du réseau de photodiodes et tant que Sont rencontrées des photodiodes éclairées, des impulsions apparaissent à la sortie de l'inverseur, le diviseur par n est constamment remis à zéro et il ne délivre aueun signal à sa sor tisse Lorsque la dernibre diode éclairée est explorée, l'inver- seur délivre un dernier signal qui remet le diviseur par n à zére pour la dernière fois, et ce diviseur qui reçoit en permanence les signaux d'horloge va alors compter n impulsions et délivrer un signal qui constitue le signal de fermeture de la porte de comptage. Ainsi, cette fermeture de la porte de comptage est com- mandée par le dernier signal issu de la dernière diode clai- rée, mais après'un retard correspondant à n impulsions d'horloge. - la fermeture de la porte de comptage étant retardée d'une durée correspondant à n impulsions d'horloge, il faut retarder d'autant son ouverture. À cet effet, le premier signal qui apparat à la sortie de l'inverseur au cours d"n balayage, et qui correspond au signal émis par la première diode éclairée, ouvre une perte à impulsions qui permet aux impulsions horloge d'attaquer un autre diviseur par n, lequel délivrera l'impulsion d'ouverture de la porte te comptage quand il aura reçu n impulsions, - L'horloge de comptage attaque enfin le compteur à tra- vers la porte de comptage. Si la surface du méplat présente un cratère, certaines diodes qui devraient normalement être éclairées ne le sont pas, et elles ne délivrent aucun signal de sorte que, pendant ltintervalle de temps correspondant au balayage de ces diodes, le diviseur par n commandant la fermeture de la porte de comptage n'est pas remis à zéro; mais il ne délivrera l'impulsion de fermeture que lorsqu'il aura reçu n impulsions d'horloge Il suffit par conséquent, pour que le système ne.soit pas influencé par la présence du cratère, que la durée de balayage des diodes éteintes par ce cratère soit inférieure à la durée de n impul- sions d1horloge; s'il en est ainsi, le diviseur par n sera remis à zéro avant qu'il ait eu le temps de eompter n impulsions, et il ne délivrera pas de signal de fermeture, signal qui ne correspondrait pas à la dernière diode éclairée. Le choix de la valeur n est à déterminer à partir de la dimension des cratères et de la fréquence des horloges (pilote et comptage). L'horloge pilote peut d'ailleurs Jouer aussi le rôle d'horloge de comptage. j) un chariot pouvant se déplacer transversalement sur des rails solidaires du châssis de l'archet du pantographe, et asservi à la position du fil à mesurer. Ce chariot porte, sui vant le cas : - l'ensemble optique-capteur, l'information étant transmise au wagon de mesure sous forme électronique, par voie hertzienne, à l'aide d'un système émetteur-récepteur. - l'ensemble optizue-conducteur d'image ou la tête de l'endoscope, l'information étant transmise au wagon de mesure sous forme optique par la fibre conductrice d'image, le réseau de photodiodes recevant cette image à l'intérieur du wagon0 À simule titre d'exemple illustratif de l'invention :: La Sig. 1 est une vue schématique en perspective d'un système de prélèvement de l'information réalisé selon l'inventinn, La Fig. 2 est un schéma synoptique des circuits de traitement de lrinformation réalisés selon l'invention, et La Fig. 3 est un schéma synoptique d'une "logiquediden- tification N réalisée selon l'invention. La figure 1 montre une source lumineuse 1 éclairant le méplat 2 d'un fil de contact 3. Le système optique 4 forme l'image du méplat 2 sur le réseau de photodiodes 5. Sur la figure 2, on voit l'horloge pilote 6 commandant le registre à décalage 7 dont chacune des sorties 7a, 7b, 7c... attaque une porte ET-NON 8a, 8b, 8c..., chacune de ces portes recevant le signal issu d'une photodiode 5a, 5b, 5c..0 du réseau linéaire, à travers un circuit interface 9 adaptateur d'impédance. Toutes les sorties des portes E2-NON sont reliées, et elles attaquent en commun l'entrée d'un inverseur 10-. Dans la première variante du système, l'inverseur 10 est mis en position ,et-il attaque directement-le compteur 11 dont le contenu, à l'issue du comptage, est converti en ten sion par le convertisseur digital/analogique 12, et enregistré par l'enregistreur 13. Dans la deuxième variante, l'inverseur 10 est mis en position Va et il attaque la logique d'identification 14 qui délivre d'une part le signal 15 fourni par la première diode éclairée rencontrée au cours du balayage, et le signal 16 fourni par la dernière diode éclairée rencontrée au cours du même balayage. Le signal 15 commande l'ouverture de la porte de comptage 17, et le signal 16 commande la fermeture de cette porte. Cette porte de comptage 17 transmet au compteur 11,lorsqu'elle est ouverte, les impulsions délivrées par une horloge auxiliai- re 18, ou horloge de comptage. La figure 3 représente un exemple de réalisation de la logique d'identification. L'horloge auxiliaire 18 attaque un diviseur par n désigné par 19, ce diviseur étant remis à zéro en permanence par les signaux 20a issus de l'inverseur 10. Ce diviseur par n ne délivre un signal 16 de fermeture de la porte de comptage 17 que lorsqu'il a reçu n impulsions de l'horloge 18 sans avoir été remis à zéro par un signal 20a issu de l'inverseur 10. L'horloge 18 attaque aussi un autre diviseur par n désigné par 21, à travers une porte à impulsions 22 ou-. verte par le premier signal 2Qb issu de l'inverseur 10. le signal 15 délivré par le diviseur 21 constitue le signal d'ou- verture de la porte de comptage 17. Cette porte de comptage 17 transmet au compteur 11 les impulsions issues de l'horloge 18 pendant l'intervalle de temps qui sépare l'impulsion d'ouverture 15- de l'impulsion de fermeture 16. On précisera que les deux variantes du système peuvent exister séparément ou simultanément. Dans le deuxième cas, l'inverseur 10 attaquera les deux voies V1 et V2, chacune d'elles étant munie de son compteur et de son convertisseur digital/ analogique propres, un enregistreur à 2 voies permettant d'enregistrer simultanément les deux informations, permettant ainsi une comparaison aisée. REVENDICATIONS i.- Dispositif de contrôle automatique et continu de l'usure du fil aérien de contact équipant les lignes aériennes électrifiées, et de la nature de cette usure par la détection de défauts de surface tels que cratères, caractérisé par le fait ça'il toXprend un capteur opto-électronique évitant tout contact entre le système de mesure et le fil à mesurer, ce capteur opto-électronique étant lui-même constitué par un réseau de photodiodes intégrées sur lequel est formée, à l'aide d'un système optique,l'image du méplat du fil usé. 2.- Dispositif selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le réseau de photodiodes est balayé par un système électronique basé sur le principe du registre à décalage commandé par une horloge pilote, le circuit de balayage pouvant ttre-extérieur au réseau, ou intégré au réseau, 3.- Dispositif selon les Revendications 1 et 2, carac péris par le fait que l'information recueillie par le système optique est transmise à un wagon de mesure par voie optique. à 17aide d'une fibre conductrice d'image, et détectée par le capteur opto-électroniq.ue logé à l'intérieur du wagon. 4.- Dispositif selon les Revendications 1 et 2, carac taris par le fait que l'information recueillie par le système optique est transmise à un wagon de mesure par voie hertzienne à l'aide d'un émetteur-récepteur, l'information recueillie par le système optique étant détectée et transformée en signal électronique par le capteur opto-électronique localisé au voi singe du fil. 5.- Dispositif selon les Revendications 1 et 2, carad térisé par le fait que l'information sur l'état du méplat est eaptée au voisinage du fil par un endoscope souple, et transmise: au wagon de mesure sous forme optique par ledit endoscope. 6.- Dispositif selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé par le fait que, pour pouvoir être utilisé sans in- convénient en présence du soleil, il comporte un laser éclairant le fil en lumière monochromatique, le capteur opto-électronique étant protégé des autres rayonnements par un filtre interférentiel dont la bande passante est centrée à la longueur d'on de du rayonnement émis par le laser, cette longueur d'onde correspondant au maximum de la courbe de sensibilité spectrale des photodiodes. 7 - Dispositif selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au niveau du traitement de l'infor- mation, il offre la possibilité de deux enregistrements dont l'un, obtenu par comptage des photodiodes éclairées, traduit par comparaison avec l'autre la nature de l'usure en ne donnant l'épaisseur du fil que si l'usure est uniforme, et dont l'autre, obtenu par identification de la première et de la dernière diodes éclairées rencontrées au cours d'un balayage, donne l'épais- seur du fil par mesure de l'intervalle de temps séparant ces deux signaux d'identification, cet intervalle de temps étant mesuré par comptage des impulsions émises par une horloge, au couru de sa durée. 8 - Dispositif selon la Revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte une porte à impulsions, deux diviseurs par n, et une horloge auxiliaire pour identifier les signaux émis par la première et par la dernière diodes éclairées rencontrées au cours d'un balayage. 9 - Dispositif selon la Revendication 8, caractérisé par le fait qu'il identifie la dernière diode éclairée rencontrée au cours dan balayage par le premier signal délivré par un diviseur par n, ce diviseur par a étant attaqué par une horloge auxiliaire, et remis à zéro de manière permanente par les signaux issus de l'exploration d'un réseau de photodiodes. 10 - positif selon les Revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'il retarde, d"cuie dure correspondant à n impulsions de l'horloge auxiliaire, le signal identifiant la première diode éclairée rencontrez au cours d1un balayage.