Brevet FR2359004A1 — publié le 19780217

L'invention concerne un dispositif d'asservissement au fil de contact d'une voie ferroviaire électrifiée, d'un équipement de contrôle ou d'entretien. Des critères de sécurité et des impératifs de gestion ont amené les exploitants de lignes ferroviaires électriques à définir des normes concernant les caractéristiques de la caténaire et- de ses fils de contact, telles que désaxement, usure des fils de contact ou qualité du contact. Le respect de ces normes nécessite un contrôle périodique de ces caractéristiques. A ltheure actuelle, certaines d'entre elles sont contrôlées automatiquement et enregistrées à l'aide de dispositifs regroupés dans des wagons spécialement aménagés, ces wagons pouvant s'insérer dans les circulations. Par contre, d'autres caractéristiques, comme le contrôle de l'usure, sont mesurées jusqu'ici manuellement, ce qui présente de nombreux inconvénients -: coût élevé, conditions de mesures dangereuses, suspension du trafic, discontinuité des mesures. Tous ces inconvénients rendent souhaitable l'automatisation de ces contrôles. Cette automatisation peut nécessiter, en partioulier dans le cas du contrôle d'usure des fils de contact, l'utilisation d'un capteur de faible encombrement devant être en permanence positionné avec précision sous un fil de contact à une distance fixe de ce dernier, cette distance étant de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres. De manière plus générale, il peut être utile le dispcser d'un système quelconque, destiné à l'entretien ou au contrôle du fil de contact et pouvant être positionné en permanence sous ce dernier et à une distance fixe par rapport à celui-ci. Ces conditions de mesure ou d'entretien font apparaître des problèmes liés au fait que les fils de contact ne sont pas, lorsque le wagon se déplace, à une position constante.par rapport au toit de celui-ci ; cet inconvénient est dû, d'une part aux mouvements qui affectent le wagon, l'autre part, aux caractéristiques géométriques de la caténaire a) la hauteur de la caténaire par rapport à la voie n'est pas fixe, b) la caténaire est désaxée latéralement par rapport à l'axe longitudinal de la voie, afin de répartir l'usure sur toute la bande de frottement des pantographes. L'amplitude de ces désaxements et les distances sur lesquelles ils sont effectués sont définis par des normes, c) les fils de contact présentent des discontinuités, par exemple lors du passage des sectionnements, équipements tendeurs, isolateurs de sections ou aiguillages. L'invention vise à résoudre ces problèmes sans faire appel à un contact mécanique avec le fil si ce n'est le frottement de l'archet d'un pantographe A cet effet, le dispositif qu'elle concerne comprend un premier capteur, d'un type connu en soi, apte à déterminer de manière relativement précise sa propre position par rapport audit fil de contact, ce capteur étant monté sur un chariot mobile sur un chemin de roulement solidaire de l'archet d'un pantographe, ce chariot étant apte à porter ledit système de contrôle ou d'entretien, un moteur apte à entraîner ledit chariot sur ses rails par l'intermédiaire d'un système de transmission, et un circuit électrique de commande dudit moteur en fonction de la position relative du chariot et du fil de contact déterminée par ledit premier capteur. Ce premier capteur peut notamment être du type décrit dans le brevet français 75 03563. I1 pourra alors à la fois être utilisé pour la mesure de la largeur du méplat du fil de contact, et pour l'asservissement latéral du chariot à ce fil. Le système de transmission peut être constitué d'un ensemble de courroies crantées et de poulies, ou d'un ensemble de chaînes de transmission et de roues dentées. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend un deuxième capteur apte à déterminer, de manière relativement approchée, la position dudit chariot par rapport au fil de contact, ce capteur comportant une rampe de détecteurs de proximité montée sur l'archet du pantographe et un codeur de position monté sur ledit système de transmi- sion. Ces détecteurs de proximité sont par exemple du type oscillateur, du type optoélectronique, ou du type à microcontcts . Le codeur de position est soit un potentiomètre, soit un codeur numérique. De préférence, le premier capteur comprend un système électronique apte à recevoir les informations fournies par un réseau de photodiodes intégrées auto-balayé, une fibre optique souple apte à éclairer le fil de contact, et un objectif apte à former l'image du fil sur ledit réseau. Ce premier capteur permet donc d'assurer, de façon très précise, le positionnement du chariot lorsque celui-ci est déjà à proximité du fil de contact. Le passage du premier capteur au second capteur est de préférence réalisé à l'aide d'un relais pour envoyer successivement audit moteur les deux informations issues du deux capteurs, le basculement du relais étant commandé, dans un sens par un détecteur d'absence de la tache lumineuse captée par le réseau de photodiodes, et dans l'autre par le comparateur de positions du capteur donnant la position "grossiere" du fil. Dans une forme de réalisation préférée, le dispositif a sa masse électrique reliée audit pantographe, qui est alimenté par des moyens aptes à être rechargés en marche, -et comporte un photoocupleur à fibre optique apte à commander, de l'intérieur d'un wagon sur lequel il est monté, la mise en marche ou l'arrêt du dispositif. Les moyens d'alimentation peuvent comprendre un transformateur isolé ou des batteries rechargées par un groupe électrogène, ou par un alternateur ou une dynamo entraîné par un moteur électrique par l'intermédiaire d'une courroie isolante. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit d'une forme de réalisation de 1 'invention Aux dessins schématiques annexés, - la figure 1 est une vue d'ensemble en perspeotive l'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 en est une vue partielle en coupe, - et la figure 3 est un diagramme de l'électronique de commande. Comme montré aux figures 1 et 2, un chariot porteur lest assujetti à un chemin de roulement 2 formé par un châssis 3 solidaire de l'archet 4 d'un pantographe de mesure 5 isolé, identique à ceux qui équipent les machines de traction, monté sur un wagon. La distance du chariot au plan horizontal du fil est de ce fait maintenue constante. oe chariot est entraîné par un moteur 6 par l'intermédiaire d'un ensemble de poulies et de courroies crantées souples, non élastiques ou par un ensemble de chaînes de transmission et de roues dentées. Les poulies 7 et 8, 9 et 10, et il sont respectivement solidaires des axes 12, 13 et 14 montés sur des roulements à billes fixés sur le chassie. Les axes 12 et 13 sont moteurs, l'axe 14 est récepteur. La courroie 15 d'entrainement du chariot est fixée à chacune de ses extrémités sur les flancs de ce dernier, la partie inférieure passant sous le chariot. Le rapport de démultiplication déterminé par les poulies 8 et 9 dépend du type de moteur choisi, de la masse du chariot et de la vitesse maximum du déplacement du fil par rapport au pantographe. Le moteur 6 est un servomoteur continu à aimant permanent, de type dit " & circuit imprimé". Un système électronique décrit ci-après en détail fournit en permanence au moteur une tension fonction croissante de la distance transversale qui sépare le fil de contact à poursuivre de la position du chariot. La vitesse de rotation de l'axe du moteur est proportionnelle à la tension appliquée, son sens de rotation tend à rapprocher le chariot du fil, de manière à annuler la tension reçue. Compte tenu du temps de réponse du moteur et du gain de la chaîne d'asservissement, le rapport de démultiplication choisi permet de positionner un chariot de quelques kilogrammes sous le fil de contact, avec une précision de quelques millimètres, lorsque la vitesse de Résaxement latéral du fil est de l'ordre de 30 cm/s. Ceci rend l'utilisation du dispositif possible à une vitesse longitudinale voisine de 50 km/h sur la plupart des lignes électrifiées. Le dispositif reste utilisable sur toutes les lignes à condition d'adapter la vitesse de circulation à la vitesse de désaxement latéral. La figure 3 donne le bloc diagramme de la partie électronique du dispositif. Un amplificateur de puissance 16 fournit au moteur 6 sa ten sion de commande quel que soit le courant demandé, imposé parla charge du moteur. Ce courant peut être de l'ordre de quelques dizaines d'espères lors des changements de direction du désaxement, l'inertie du chariot opposant alors un couple dynamique élevé. L'amplificateur 16 peut être attaqué, selon la position du relais 17, par l'un ou l'autre des signaux a et h. Le signal b est destiné à positionner le chariot de manière approximative au voisinage du fil de contact, lors de la mise en marche et chaque fois qutil existe une discontinuité dans le fil poursuivi (cas des équipements tendeur, sectionnement, aiguillage, isolateur de section). A la fin de cette phase que l'on peut appeler "recherche"le relais 17 change de position et le signal a est utilisé pour l'asservissement du chariot au fil, c'est la phase de "poursuite". Le capteur permettant de fournir le signal de poursuite peut être également utilisé pour la mesure de l'épaisseur du fil de contact. Il est constitué principalement (fig. 2) d'un réseau de photodiodes intégrées 18, sur lequel un objectif 19 vient former l'image du fil de contact. De tels circuits intégrés existent sur le marché, et ils sont constitués d'un grand nombre de photodiodes de très petites dimensions, alignes ; dans le même boîtier un dispositif électronique de balayage permet d'analyser séquentiellement l'éclairement reçu par chaque photodiode. L'éclairement du fil est assuré par une fibre optique souple 20, sous gaine isolante, fixée à une extrémité sur le chariot et éclairée à l'autre extrémité par une source de lumière blanche 21, située à l'intérieur du wagon.L'isolement entre l'intérieur et l'extérieur étant assuré par un isolateur 22 monté en traversée de toiture. Le signal de sortie vidéo c est une suite périodique de trains d'impulsions. La période du train correspond au temps nécessaire pour analyser tout le réseau. L'amplitude de chaque impulsion est proportionnelle à la quantité de la lumière reçue par chaque photodiode au cours de la période d'analyse du réseau. Un générateur de signaux d'horloge 23 fournit les tensions nécessaires au fonctionnexent du réseau et du dispositif de balayage. Ces signaux comportent en particulier, une impulsion périodique d commandant le début du balayage. Disposées transversalement par rapport au fil de contact, les photodiodes sont différemment éclairées, les plus éclairées étant celles sur lesquelles se forme l'image du méplat (dû à l'usure), que présente la partie inférieure du fil de contact. Poli par le passage des pantographes, ce méplat donne après réflexion, une image plus lumineuse que lreste du fil. Un amplificateur vidéo 24 transforme ces impulsions de courant de faible énergie, en impulsions de tension. Ces impulsions e sont échantillonnées et mises en mémoire dans un échantillonneur bloqueur 25, le signal à la sortie de l'échantillonneur f présente périodiquement l'allure d'un ou deux créneaux de tension, selon le type de caténaire (mono ou bifilaire). Ce (ou ces) créneau, de durée variable, correspond au méplat du fil, et sa position dans le temps, par rapport à l'impulsion d de début d'analyse, dépend de la position du (ou des ) fil par rapport à l'axe du réseau. Un trigger de Schmitt 26 met en forme ce signal, de manière à le rendre compatible avec les circuits logiques intégrés sur lesquels il est envoyé. Les circuits 27, 28 et 29 sont destinés à identifier chacun des deux fils de contact dans le cas où lion est en présence d'une caténaire bifilaire. Le signal s issu du trigger 26 passe à -travers une porte 27 dont ltouverture est commandée par le niveau haut d'une bascule "RS" ; le niveau haut de cette bascule est commandé par ltimpulsion b de départ du balayage et son niveau bas est commandé, grâce à un circuit différenciateur 29, par le front de descente du premier créneau0 En h on est donc en présence du "créneau" correspondant au fil situé le plus à gauche (ou à droite, selon le sens de balayage) dans le champ de l'objectif. Un compteur 30, attaqué par le signal d'horloge i et remis à zéro périodiquement par l'impulsion de début analyse d, envoie aux mémoires d'entrée 31 et 31' de convertisseurs numérique/analogique 2 et 32', des signaux logiques parallèles i, donnant, sous forme binaire codée, un nombre correspondant, à chaque instant, àla position de la photodiode qui est analysée. Au moment du front de montée du créneau h, le signal k issu d'un monostable 33 commande la mise en mémoire 31 de la valeur du nombre i à cet instant.Au moment du front de descente du créneau h, le signal 1 issu d'un monostable 34 commande la mise en mémoire 31' de la valeur du nombre i à ce nouvel instant. Les tensions analogiques m et n délivrées par les convertisseurs numérioue/analogique 32 et 32' sont donc proportionnelles aux positions, par rapport au bord du réseau de photodiodes, des bords du méplat. Un amplificateur opérationnel 35, monté en additionneur, effectue la demi-somme o de ces 2 tensions. La tension o correspond donc à la position de l'axe du fil par rapport au bord du réseau.Cette tension est comparée à une tension de référence 2 correspondant à l'axe du réseau, dans un amplificateur différentiel 36 convenablement compensé en fréquence afin d'améliorer le temps de réponse de la chaîne d'asservissement pour permettre la poursuite de fils se désaxant rapidement. Le capteur fournissant le signal b de recherche est constitué d'une rampe de détecteurs de proximité (une centaine de détecteurs environ) 37, montée dans la bande d'usure de l'archet. Ces détecteurs peuvent être du type détecteurs de métaux à oscillateurs, du type à micro contact ou du type opto-électronique. La tension de sortie de chaque détecteur, du type tout ou rien, est un niveau logique bas lorsqu'un fil de contact est positionné au-dessus du détecteur, très praos de ce dernier, et un niveau haut dans le cas contraire. Un multiplexeur 38, commandé par un compteur 39, analyse périodiquement l'état de sortie des détecteurs. Il délivre une impulsion 9 chaque fois que le fil est présent sur le détecteur analysé. Le compteur est mis à O par un décodeur 40 lorsque son contenu est supérieur au nombre de détecteurs. Lors de la remise à 0, une basoule "RS" 41 est mise à son niveau haut. La première impulsion rencontrée en sorte L du multiplexeur renet la bascule à l'état bas ; le front de basculement déclenche un monostable 42 qui mémorise le nombre délivré par le compteur 39. Ce nombre correspond à la position du premier détecteur active, rencontré lors du balayage. il correspond donc à la position du fil situé le plus à gauche sur (ou le plus à droite selon le sens du balayage des détecteurs per le multiplexeur). Un amplificateur différentiel 43 effectue la différencie entre la tension de sortie r d'un convertisseur 44, correspondant à la position du fil, et la tension présente sur le curseur d'un potentiomètre multitaur 45, monté sur l'axe 14, et donnant la position du chariot par rapport à l'archet. C'est miette tension s qui est envoyée, après amplification par un préamplîficateur 46, sur l'une des bornes du relais 17. Pendant la phase recherche la tension b est envoyée sur llamplifi- cateur de puissance 16, commandant le moteur 6, jusqu'à ce que le chariot soit suffisamment prbs du fil à rechercher pour que cette tension soit comprise entre 2 valeurs de références déterminées par des ponts potentiométriques 47 et 48. Un double comparateur 49 est alors positionné dans l'état logique haut et, fait basculer la bascule "ES" 50 ; le relais 17 se positionne alors en poursuite. Dans la phase poursuite, l'amplificateur 16 est commandé par la tension a tant que le fil suivi ne décolle pas suffisamment du chariot pour que la lumière réfléchie sur le fil ne soit plus captée par le réseau de photodiodes, ce qui se prciduit lors des discontinuités. A cet instant, la largeur du créneau h s'annule et un détecteur à diode 51 fait rebasculer la bascule 50 pour positionner le relais 17 en recherche. Une variante du système au niveau du circuit de recherche consiste à remplacer le potentiomètre de position 45 par un codeur numérique et l'amplificateur différentiel 43 par un comparateur numérique, la comparaison se faisant directement entre les signaux issus d'une mémoire 52 et ceux issus du codeur, les sorties d'inégalités du comparateur commandant deux relais permettant d'envoyer une tension positive ou négative-selon le sens de I'inégalité sur la borne b du relais. Dans cette variante, la sortie d'égalité du comparateur commande le basculement de la bascule 50, destinée à passer de la-phase recherche à la phase poursuite. Les circuits électroniques intérieurs au cadre 53,représenté en pointillés sur la figure 3, sont situés dans un boitier 54 monté sur une plateforme isolée. Les informations électriques et les tensions d'ali tentation sort véhiculées par des câbles flexibles 55 et 56. Le câble 55 relie au boîtier 54, le boîtier 57 contenant le capteur optoélectronique. Le câble 56 relie au boitier 54 la rampe le détecteurs de proximité 37. La masse électrique du dispositif est reliée au pantographe, c'està -dire au potentiel de la caténaire lorsque le dispositif est en fonctionnement. L'alimentation électrique du dispositif est donc autonome une batterie d'acournulateurs 58 montée sur la même plateforme que le boîtier 54 alimente à travers un relais 59, l'amplificateur du moteur et les régulateurs de tension 60 situés à l'intérieur du boîtier 54, qui fournissent la tension nécessaire à l'électronique du dispositif. Un phototransistor 61, situé dans le chariot mobile, commande le relais 59 quand il reçoit un signal optique issu le la fibre 20. La mise en service et l'arrêt du dispositif peuvent donc entre commandés de l'intérieur au wagon, par la source de lumière 21.Un photocoupleur à fibre optique 62 permet aussi tout en assurant l'isolement électrique, de transmettre une information entre le capteur de mesure ou le dispositif d'entretien, et le wagon. Afin d'augmenter l'autonomie du dispositif, il est possible de disposer sur le plateau isolé supportant les batteries, un dispositif autonome de charge des batteries, constitué par un groupe électrogène alimentant des redresseurs. Une variante consiste à disposer les batteries dans un caisson isolé à l'intérieur du wagon, la liaison avec la partie extérieure se faisant par une traversée de toiture, isolante. Le dispositif de charge est alors constitué d'une dynamo, ou d'un alternateur suivi de redresseurs, entraînée par un moteur électrique, le moteur électrique étant alimenté par la source d'alimentation du wagon de mesure, l'entraînement se faisant par une courroie assurant l'isolement entre l'intérieur du caisson et le moteur.Une autre variante en ce qui concerne l'alimentation du dispositif consiste à utiliser la source d'alimentation électrique disponible B l'intérieur du wagon, par l'intermédiaire d'un transformateur dont l'isole ruant entre primaire et secondaire est supérieur à la tension de la caténaire. Dans un but de protection, deux vitres 63, revêtues d'un produit- antibuée, sont disposées sur la tête d'éclairement et sur l'objectif. De plus, un tuyau souple 64, en matière isolante, amène de l'intérieur du wagon de l'air chaud et sec sous pression afin de souffler vers le haut les corps étrangers qui pourraient se déposer sur les vitres malgré le oarénage 65 du chariot. Ce tuyau d'air chaud, par sa circulation à l'intérieur du chariot, assure éventuellement le dégivrage des optiques. Ce dispositif est particulièrement adapté à la mesure de l'usure du fil de contact, cette mesure nécessitant des conditions d'éclairement du fil et une précision du dispositif d'asservissement très rigoureuses. Si pour d'autres applications, ces conditions ne sont pas retlises, il est possible de simplifier le dispositif en supprimant l'ensemble d'asservissement destiné à la poursuite, ainsi que le dispositif de commande du relais 17 et en n'envoyant sur l'amplificateur du moteur que la tension de recherche. La précision de l'asservissement sera alors déterminée par l'intervalle existant entre les détecteurs de proximité. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif, mais en embrasse au contraire toutes les formes de réalisation. E,=DT CAtIONS 1.- Dispositif d'asservissement au fil de contact d'une voie ferroviaire électrifiée, d'un équipement de contrôle ou d'entretien, caractérisé en ce qu'il comprend un premier capteur, d'un type connu en soi, apte à déterminer de manière relativement précise sa propre position par rapport audit fil de contact, ce capteur étant monté sur un chariot mobile sur un chemin de roulement solidaire de l'archet d'un pantographe,ce chariot étant apte à porter ledit système le contrôle ou d'entretien, un moteur apte à entraîner ledit chariot sur ses rails par l'intermédiaire d'un système de transmission, et un circuit électronique de commande dudit moteur en fonction de la position relative du chariot et du fil de contact déterminée par ledit premier capteur. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième capteur apte à déterminer, le manière relativement approchée, la position dudit chariot par rapport au fil de contact, ce capteur comportant une rampe de détecteurs de proximité montée sur l'archet du pantographe et un codeur de position monté sur ledit système de transmission 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé :, ce qutil comprend un circuit électronique associé à la rampe de détecteurs, ce circuit comportant un multiplexeur apte à réaliser un balayage de la rampe dans le temps, et des moyens pour déterminer l'intervalle de temps séparant le début du balayage de l'instant d'apparition, au cours du balayage, du premier détecteur activé. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour comparer les informations issues d'une part de la rampe de détecteurs de proximité et d'autre part du codeur de position, et des moyens pour délivrer, en fonction du résultat de cette comparaison, soit une tension de commande le déplacement du chariot dans le sens voulu lorsque ce dernier n'est pas bien positionné par rapport au fil, soit une information indiquant que le chariot est à proximité du fil. 5. Dispositif selon ltune quelconque les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier capteur comprend un système électronique apte à recevoir les informations fournies par un réseau de photodiodesintégrées auto-balayé, une fibre optique souple apte à éclairer le fil de contact, et un objectif apte à former l'image du fil sur ledit réseau. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un système électronique, du type registre à décalage, pour balayer le réseau de photodiodes et des moyens pour mesurer électroniquement la demisomme des intervalles de temps séparant le début du balayage, d'une part de l'instant d'apparition, au cours du balayage, de la première photodiode dont l'éclairement dépasse un certain seuil, d'autre part de l'instant d'apparition de la dernière photodiode éolairée au-delà du seuil. 7.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un relais pour envoyer successivement audit moteur les deux informations issues das deux capteurs, le basculement du relais étant commandé, dans un sens par un détecteur d'ab enoe de la tache lumineuse captée par le réseau de photodiodes, et dans l'autre par le comparateur de positions du capteur donnant la position "grossière" du fil. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sa masse électrique est reliée audit nantographes en ce qu'il est alimenté par des moyens aptes à être rechargs en marche, et en ce qu'il comporte un photocoupleur à fibre optique apte à commander, de l'intérieur d'un wagon sur lequel il est monté, la mise en marche ou-l1arret du dispositif. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur à courant continu du type à circuit imprimé. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en oe qu'il comporte un amplificateur coté en fréquence disposé entre le relais et le moteur.