Brevet FR2752806A1 — publié le 19980306

DETECTEUR DE BOITE CHAUDE Dans le domaine ferroviaire, la sécurité du transport fait l'objet d'une surveillance préventive d'accident, consistant notamment à contrôler régulièrement certains paramètres des trains afin de détecter des anomalies dangereuses ou dysfonctionnements locaux. L'invention concerne plus particulièrement la surveillance de la température des boîtes d'essieu, dites encore "boîtes chaudes", des voitures d'un train, montées aux extrémités de chaque essieu reliant deux roues. Une boîte d'essieu comprend un roulement d'essieu noyé dans de la graisse, susceptible de s'échauffer anormalement par usure jusqu'à provoquer non seulement l'explosion de la boîte d'essieu mais aussi, et en conséquence, la rupture de l'essieu provoquant le déraillement du train. Un tel risque d'accident est d'autant plus accru que le train roule vite, les trains à grande vitesse (TGV), capables d'atteindre une vitesse de près de 400 kilomètres par heure, y étant tout particulièrement exposés. La surveillance des températures des boîtes d'essieu d'un train est assuré depuis un poste de surveillance, relié à un ensemble de détecteurs de boîte chaude (DBC) destinés à mesurer les températures des boîtes d'essieu, par l'intermédiaire de dispositifs appelés "Electroniques de Bord de Voie". Pour des raisons de fiabilité et de connectique, les détecteurs DBC sont montés non pas sur les boîtes d'essieu elles-mêmes, mais fixés au sol, près de la voie, L'ensemble des détecteurs DBC étant diposés le long des deux côtés de la voie ferrée. Les températures des boîtes d'essieu d'un train peuvent ainsi être mesurées à distance, au passage du train, par détection infra-rouge. II existe notamment quatre générations de détecteurs DBC infra-rouge, tous de type monofaisceau. Un détecteur DBC de type monofaisceau comprend une cellule à un seul élément de détection infra-rouge. En fonctionnement, la cellule de détection observe fixement un petit champ élémentaire, et, au passage d'un train prélève un échantillonnage de températures d'une série de surfaces élémentaires, correspondant au champ d'observation, des boîtes d'essieu défilant dans son champ d'observation. La vitesse d'échantillonnage est adaptée à la vitesse du train. Les trois premières générations de détecteurs DBC comprennent des cellules monoélément de détection de type Photo Magnéto Electrique (PME), convenant plus particulièrement à la surveillance des trains classiques, non TGV. La quatrième génération comprend un monodétecteur de type photoconducteur en Hg-Cd-Te (Mercure, Cadmium et Tellure), plus rapide que le monodétecteur PME, et, correspondant mieux aux besoins de la surveillance des trains TGV. Toutefois, ces quatres générations de détecteurs DBC monofaisceau présentent l'inconvénient commun de ne pouvoir surveiller qu'un champ d'observation étroit. Or, il existe près de quatre cents types de boîtes d'essieu, de structure et surtout de taille variable. De ce fait, des boîtes d'essieu risquent, de façon non négligeable, de défiler devant les détecteurs DBC mais en dehors de leur champ d'observation. Pour éviter ce problème, il est connu d'utiliser des détecteurs DBC comprenant un seul monodétecteur infra-rouge, associé à un miroir disposé dans un diapason de vibration ou réellement pivotant, pour balayer un champ d'observation plus large. Cependant, ce type de détecteur présente le double inconvénient de mesurer les températures avec une très mauvaise précision et d'être limité à la surveillance de trains roulant au maximum à 200 kilomètres par heure environ. La présente invention propose un détecteur DBC permettant d'effectuer des mesures précises et fidèles, et convenant à la surveillance de tout type de boîtes d'essieu. A cet effet, I'invention concerne un détecteur de boîte chaude (DBC), pour la surveillance des températures des boîtes d'essieu d'un train en marche, comprenant: - des moyens de mesure à distance des températures des boîtes d'essieu du train comprenant un élément de détection à distance, - des moyens électroniques de traitement des signaux de température, caractérisé par le fait que les moyens de mesure comprennent une pluralité d'éléments de détection à distance. Grâce à l'invention, le champ d'observation, constitué de l'ensemble des champs d'observation de la pluralité des éléments, est large. L'invention est en définitive un détecteur DBC multi-faisceaux. En outre, le détecteur DBC de l'invention effectue des mesures avec beaucoup plus de précision que les détecteurs DBC à balayage car les surfaces élémentaires observées sont toutes identiques contrairement à celles balayées à l'aide du miroir. Avantageusement, la pluralité des éléments de détection est associée à un système optique formant un ensemble agencé pour observer selon un champ d'observation de section transversale sensiblement constante le long de l'axe d'optique du système optique. Grâce à cela, quelle que soit la distance de visée séparant le détecteur DBC et la boîte d'essieu, variable du simple au triple selon le type de boîte d'essieu et le diamètre de la roue, la surface observée perpendiculairement à l'axe optique est sensiblement constante, et de ce fait la précision des mesures l'est aussi. Avantageusement encore, le système optique est agencé pour renvoyer l'image de sa pupille d'entrée loin derrière le système optique, le long de l'axe optique. Grâce à cela, le détecteur DBC surveille bien un champ d'observation sensiblement constant pour des distances d'observation variables. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les moyens de mesure présentent une bande spectrale d'analyse agencée pour que la précision des mesures soit insensible aux variations de la luminiosité ambiante, et notamment aux reflets solaires. De ce fait, le détecteur DBC de l'invention ne risque pas de provoquer de fausses alertes d'échauffement anormal d'une boîte d'essieu, fréquentes avec les détecteurs DBC de l'art antérieur lorsque les rayons du soleil deviennent rasants. Dans la forme de réalisation préférée du détecteur de l'invention les éléments de détection sont des éléments infra-rouge et sont organisés en une barrette de détection. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation préférée du détecteur de boîte chaude (DBC) 1 de l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente une vue en coupe du détecteur DBC 1 sur une voie ferrée 2 au passage d'un train 100, - la figure 2 représente une vue schématique d'un réseau de surveillance de trains, - la figure 3 représente un schéma bloc fonctionnel du détecteur DBC 1 de la figure 1, et - la figure 4 représente schématiquement le détecteur DBC 1 de la figure 1 et son champ d'observation. Dans la description qui va suivre, le détecteur de boîte chaude DBC 1 est couplé à un autre détecteur DBC 1 identique, la paire de DBC 1 faisant partie du réseau de surveillance de trains. Dans un train, les roues 3 des voitures et de la locomotive sont reliées, deux à deux, par des essieux 4 aux extrémités desquels sont montées des boîtes d'essieu 5, ou "boîtes chaudes", comprenant des roulements d'essieu. En marche, les boîtes d'essieu 5 sont susceptibles d'exploser en provoquant le déraillement du train 100, suite à l'échauffement anormal d'un roulement d'essieu. Le réseau de surveillance de trains est destiné à surveiller les températures des boîtes d'essieu 5 des trains 100. La paire de détecteurs de boîte chaude (DBC) 1 est destinée à mesurer à distance, par détection infra-rouge, les températures respectives des paires de boîtes chaudes 5 des essieux 4 d'un train 100. Les deux détecteurs DBC 1 sont respectivement fixés sur les deux extrémités opposées de traverses voisines 6 de la voie ferrée, en vis à vis de part et d'autre de la voie 2, et connectés à une Electronique de Bord de Voie (EBV) 7. L'EBV 7 de la paire de détecteurs 1 est par ailleurs reliée, ici par liaison filaire, à: - deux dispositifs 8 d'annonce du passage d'un train montés, au milieu de la voie, sur des traverses situées de part et d'autre des traverses 6 de fixation des détecteurs DBC 1, - une pédale de synchronisation 10 pour déterminer des fenêtres temporelles de mesure, montée sur l'une des traverses de fixation des DBC 1, et - un poste 9 de surveillance de trains, relié à une pluralité d'EBV associées à une pluralité de paires de détecteurs DBC, et ici en liaison radio avec les trains, L'ensemble formant le réseau de surveillance. Chaque détecteur DBC 1 intègre un bloc central électronique de commande et d'alimentation 20 comprenant des alimentations et un micro-contrôleur associé à des commandes électroniques, destiné à gérer le fonctionnement du détecteur DBC 1. Le bloc central 20 est relié à: - un bloc optique 21 de détection infra-rouge pour mesurer des signaux de température, associé à un disque modulateur 22 à cent fentes monté rotatif sur l'axe de sortie d'un moteur 23, - un bloc électronique 24 d'acquisition et de traitement numérique des signaux de température, - un volet obturateur 25 d'une entrée 26 du détecteur DBC 1, monté mobile sous la commande d'un moteur 27 et relié à un ensemble miroir-moteur 31-32, et - un circuit de chauffage 28 du bloc optique 21 à une température de référence, ici égale à 40"C, comprenant des résistances de chauffage. Le bloc central 20 est connecté à l'Llectronique de Bord de Voie 7. Le bloc optique 21 comporte ici huit cellules de détection infra-rouge disposées en barrette 30, associées à un système optique 29. Chaque cellule comprend un seul élément de détection photoconducteur, constitué en HgCdTe, présentant une surface d'environ 1 x 1 millimètres et un champ d'observation de 10 x 10 millimètres environ pour une distance d'observation nominale de 400 millimètres. La barrette 30 est couplée à un composant de Peltier destiné à refroidir les éléments photoconducteurs vers -35 C. Le système optique 29 comprend, entre l'entrée 26 et la barrette de détection 30: - le volet obturateur 25, - le miroir 31 monté rotatif sur l'axe de sortie du moteur 32 pour éviter les salissures, et pivotant afin d'orienter les rayonnements photoniques reçus, - une lentille (L1) 33 en silicum associé à un diaphragme anti-reflet 34, - un premier ensemble optique 35 comprenant deux lentilles (L2 et L3), en germanium et en silicium, associées à un diaphragme destiné à limiter les réflexions parasites, et - un second ensemble optique 36 comprenant deux lentilles (L4 et L5), en silicium. Le système optique 29 est prévu pour renvoyer l'image de sa pupille d'entrée 33 loin derrière lui-même, le long de son axe optique 37. Une source de référence 38, disposée au voisinage du miroir 31, joue le rôle de cible d'observation de la barrette 30 à l'état de repos du détecteur DBC 1. Le disque modulateur 22 est disposé au point de focalisation commun des deux ensembles optiques 35, 36, situé entre ceux-ci. Le bloc optique 21 peut analyser un flux infra-rouge dans une bande spectrale d'analyse comprenant les longueurs d'ondes comprises entre 3 et 5 micromètres, autrement dit en bande Il, de sorte que la précision des mesures est insensible aux variations de la luminosité ambiante. Le champ d'observation de la barrette 30 en section transversale le long de l'axe optique 37 du bloc optique 21 est une surface 51 de 100 x 10 millimètres environ, pour une distance nominale de visée 50 égale à 400 millimètres. Le côté de plus grande dimension de la surface d'observation de la barrette 30 perpendiculairement à l'axe optique 37, est parallèle aux traverses 6 de la voie ferrée 2. En outre, le champ d'observation de la barrette 30 présente une section transversale, le long de l'axe optique 37 du bloc optique 21, contante à 20% près, autrement dit sensiblement constante, pour des distances de visée (53,50,54) variables du simple au triple, ici entre 200 et 600 millimètres environ. Après la description structurelle des détecteurs DBC 1 et du réseau de surveillance de trains, leurs fonctionnements vont maintenant être décrits. A l'approche d'un train 100 de la paire de détecteurs DBC 1, I'un des deux dispositifs d'annonce 8 détecte le passage du train et transmet un signal d'annonce de train à l'EBV 7 qui active l'état de marche des deux détecteurs DBC 1 au repos. La pédale de synchronisation 10, en association avec l'EBV 7, détermine les fenêtres temporelles de mesure, afin de synchroniser les mesures avec les passages des boîtes d'essieu du train au-dessus des détecteurs DBC 1. Dans chaque détecteur DBC 1, le bloc central 20 commande l'ouverture du volet obturateur 25, le pivotement du miroir 31 afin d'orienter l'axe optique 37 vers la pupille d'entrée 33, la rotation anti-salissure de ce miroir 31, et la rotation, à une vitesse d'échantillonnage de 3600 tours par minute, du disque modulateur 22. Au passage du train 100, et plus précisément de chaque boîte d'essieu 5 du train au-dessus du détecteur DBC 1, celui-ci capte, au travers des fentes du disque modulateur 22, les rayonnements photoniques émis par la boîte d'essieu 5, et, en alternance ceux émis par le disque modulateur 22 qui est à une température connue, en réalisant ainsi un échantillonnage de prélèvements de températures d'une série de surfaces de la boîte d'essieu 5 en mouvement, correspondant aux surfaces 51 observées par la barrette 30. Les mesures sont synchronisées à l'aide de la pédale 10. Pour chaque prélévement, la barrette 30 mesure huit températures de portions élémentaires de surface 52 respectivement observées par les huit éléments de détection. La barrette 30 observe la boîte d'essieu 5 défilante, sur toute la longueur de celleci le long de la voie 2, et effectue au moins huit prélévements d'échantillonnage, le train 100 roulant à une vitesse maximale de 360 kilomètres par heure. Les signaux de température mesurés sont reçus par le bloc d'acquisition et de traitement 24 qui convertit les signaux analogiques en signaux numériques transmis à l'EBV 7. Dans l'EBV 7, les signaux de température de la boîte d'essieu 5 sont traités, et si l'une des températures, d'une portion élémentaire de surface de la boîte d'essieu 5,est supérieure à la température de référence, l'EBV 7 en informe le poste de surveillance 9 afin que celui-ci alerte le train 100 d'un échauffement anormal de la boîte d'essieu 5. REVENDICATIONS 1. Détecteur de boîte chaude (DBC) (1) pour la surveillance des températures des boîtes d'essieu (5) d'un train (100) en marche, comprenant: - des moyens (21) de mesure à distance des températures des boîtes d'essieu (5) du train (100) comprenant un élément de détection à distance, - des moyens électroniques (24) de traitement des signaux de température, caractérisé par le fait que les moyens de mesure (21) comprennent une pluralité d'éléments de détection à distance. 2. Détecteur de boîte chaude selon la revendication 1 dans lequel la pluralité des éléments de détection sont associées à un système optique (29) formant un ensemble agencé pour observer selon un champ d'observation de section transversale (51) sensiblement constante le long de l'axe d'optique (37) du sytème optique (29). 3. Détecteur de boîte chaude selon la revendication 2, dans lequel le système optique (29) est agencé pour renvoyer l'image de sa pupille d'entrée (33) loin derrière le système optique (29), le long de l'axe optique (37). 4. Détecteur de boîte chaude selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de mesure (21) présentent une bande spectrale d'analyse agencée pour que la précision des mesures soit insensible aux variations de la luminiosité ambiante. 5. Détecteur de boîte chaude selon l'une des revendications 1 à 4 , dans lequel les éléments de détection sont des éléments infra-rouge. 6. Détecteur de boîte chaude selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments de détection sont organisés en une barrette de détection (30).