Brevet FR2771974A1 — publié le 19990611

La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la section transversale de fils ou câbles métalliques ainsi qu'un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention s'applique plus particulièrement à la mesure en continu à grande vitesse de l'usure des fils de contact utilisés dans les lignes ferroviaires de traction électrique. L'invention utilise un procédé hyperfréquences qui se fonde sur l'analyse des signaux électromagnétiques réfléchis par les fils ou câbles au moyen d'une antenne active associée à des équipements d'émission, de réception et de traitement d'analyse des signaux. Le dispositif de l'invention est d'application générale mais il trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine spécifié de la mesure de l'usure des fils de contact utilisés dans les lignes ferroviaires de traction électrique. Le problème de la mesure de l'usure des lignes ferroviaires des lignes de traction électrique a donné naissance à divers dispositifs de mesure existants, utilisant notamment des caméras optiques, des faisceaux lasers, des capteurs d'imagerie industrielle ou encore des outils de métrologie classique. Par rapport aux procédés et dispositifs existants, le présent dispositif présente de nombreux avantages et en particulier - son insensibilité aux conditions d'environnement telles que nuit, pluie, brouillard, - la possibilité de mesurer simultanément l'épaisseur de plusieurs fils de contact (généralement au nombre de deux dans l'application particulière à la traction électrique ferroviaire), - la possibilité complémentaire de mesurer la position dans l'espace, en hauteur et en désaxement transversal des fils par rapport au dispositif de mesure, - la possibilité d'effectuer les mesures quand bien même il s'agit de fils électriques alimentés et en fonctionnement, - la possibilité d'effectuer les mesures sur les lignes ferroviaires exploitées à une vitesse supérieure à 100 Km/h, le dispositif de l'invention pouvant être ainsi emporté par un train commercial courant. Le procédé de l'invention se caractérise en ce que - on illumine le ou les fils à mesurer au moyen d'une antenne rayonnant une onde électromagnétique, - on module simultanément l'onde électromagnétique, et - on reçoit et analyse sur un récepteur l'onde réfléchie en retour qui fournit un signal représentatif de la mesure à effectuer. De façon préférentielle, on utilise une fréquence de fonctionnement en hyperfréquences comprise dans la gamme de 3 à 30 GHz avec une modulation de fréquence, supérieure ou égale à 100 KHz. Avantageusement, le dispositif de l'invention a été mis au point à une fréquence voisine de 17 GHz. Le dispositif de l'invention se caractérise quant à lui en ce qu'il comprend - une antenne hyperfréquences rayonnant une onde électromagnétique en direction d'un ou de plusieurs fils ou câbles métalliques à mesurer, - un ensemble constitué d'un émetteur, d'un récepteur et d'un circulateur ainsi que d'un appareil pour le traitement et l'analyse du signal reçu en retour du signal émis, - un dispositif de modulation pour moduler le signal. De préférence, l'antenne est une antenne linéaire rayonnant une onde plane, par exemple du type à guide d'onde à fentes. Avantageusement, la modulation du signal est effectuée à la réception par une ligne de diodes PIN modulées, disposées devant l'antenne. L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 montre en vue en coupe transversale la section d'un fil à mesurer, par exemple un fil de traction ferroviaire électrique partiellement usé la figure 2 montre en vue schématique et en perspective l'application du dispositif de l'invention au procédé de mesure de l'invention ; la figure 3 est un schéma indiquant la relation entre l'épaisseur du fil à mesurer, mesuré en millimètres en abscisses, et le niveau du signal reçu mesuré en décibels en ordonnées. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on a illustré un profil typique des fils de contact utilisés dans les lignes de traction électrique. Ce fil référencé 1 dans son ensemble comporte une partie supérieure référencée 2 et une partie inférieure référencée 3, lesquelles sont inscrites dans un cercle référencé 4. Entre la partie supérieure 2 et la partie inférieure 3 est formé un étranglement avec les gorges 5, 6 servant à suspendre le câble ou fil électrique à un câble support supérieur (non représenté). Initialement, lorsque le fil est neuf, sa partie inférieure 3 descend jusqu'à la base du cercle au point référencé 7 au dessin. Au fur et à mesure qu'il s'use, par suite du frottement du pantographe contre la caténaire, le fil de caténaire perd la partie référencée 8 au dessin s'aplatissant peu à peu selon une ligne sensiblement plane référencée 9. Autrement dit, le fil 1 qui avait au départ une hauteur h égale à son diamètre d, après usure sur l'épaisseur e, n'a plus maintenant qu'une hauteur E. Selon l'axe longitudinal 0 du fil, une petite portion usée du fil de longueur 1 agit donc comme un réflecteur plan de surface s X 1, si l'on appelle s la largeur de la plage usée 9. Le réflecteur formé par cette surface va donc être d'autant plus important que le fil est usé, ce qui va permettre de mesurer le degré d'usure. Pour ce 2 faire, et en se reportant à la figure 2, on illumine le câble 1 à mesurer au moyen d'une antenne constituée dans l'exemple illustré par un guide d'onde rectiligne plat 10 comportant des fentes 11 devant lequel on place un réseau de fils diodes PIN référencé 12 dans son ensemble. Le guide d'onde 10 est relié par le circulateur 13 à l'émetteur 14 et au récepteur 15. Le système complet comprend - la ligne de mesures associée à l'antenne 10, - des circuits électroniques d'adressage et de modulation des diodes 12, - un émetteur 14 de fréquence pure à bas niveau, - un récepteur 15 adapté à la mesure, - un calculateur de type PC assurant le séquencement des mesures, les calculs, le stockage et l'affichage des résultats. L'onde réfléchie mesurée par la méthode de diffusion modulée au moyen de la ligne de diodes PIN 12 modulées successivement à une fréquence au moins égale à 100 KHz permet d'augmenter considérablement la vitesse de mesure en éliminant tout déplacement physique de la sonde grâce au balayage électronique de la ligne de mesure obtenu en déplaçant la modulation de diodes en diodes. Un tel procédé de balayage électronique et de diffusion modulée est connu dans la technique et par exemple décrit au brevet FRANCE n 2 534 380. Dans ces conditions, le procédé permet d'obtenir une durée de mesure très faible, de l'ordre de la milliseconde, compatible avec un déplacement du véhicule porteur à une vitesse de 100 Km/h ou supérieure. En se reportant à la figure 3, on a indiqué les résultats des mesures faites sur un fil de diamètre 12 mm en utilisant une fréquence de base de 17 GHz et une modulation de la ligne diodes à une fréquence de 100 KHz. Pour un fil non usé, c'est-à-dire de diamètre 12 mm, on relève un niveau maximal du signal de l'ordre de 8,5 dB. Pour une usure du fil e de 3 mm, c'est-àdire une épaisseur E ramenée à 9 mm, on a un niveau de signal maximal un peu supérieur à 13 dB. On note que la ligne de réponse est sensiblement rectiligne et, qu'en conséquence, une usure du fil de 1 mm se traduit par une modification du niveau maximal du signal de l'ordre de 2 dB. La mesure est donc à la fois très rapide et très précise. On note que la mesure peut être effectuée quel que soit le nombre de fils, chaque fil étant individualisé par l'image du signal reçu. Comme indiqué plus haut, l'analyse du signal permet également de déterminer par simple examen des graphiques obtenus la position dans l'espace des fils, notamment en hauteur et en désaxement transversal par rapport à la position de l'antenne. A la figure 2, la flèche D indique le sens de déplacement du dispositif parallèlement à la direction longitudinale du fil 1, l'antenne étant positionnée orthogonalement par rapport au fil. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de la section transversale d'un ou plusieurs fils ou câbles métalliques, en particulier pour la mesure en continu à grande vitesse de l'usure des fils de contact utilisés dans les lignes ferroviaires de traction électrique, caractérisé en ce que - on illumine le ou les fils (1) à mesurer au moyen d'une antenne (10) rayonnant une onde électromagnétique, - on module simultanément l'onde électromagnétique, et - on reçoit et analyse sur un récepteur (15) l'onde réfléchie en retour qui fournit un signal représentatif de la mesure à effectuer. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise une fréquence de fonctionnement en hyperfréquences comprise dans la bande de 3 à 30 GHz, par exemple voisine de 17 GHz, avec une modulation de fréquence supérieure ou égale à 100 KHz. 3 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend - une antenne hyperfréquences (10) rayonnant une onde électromagnétique en direction d'un ou plusieurs fils ou câbles métalliques à mesurer (1), - un ensemble constitué d'un émetteur (14), d'un récepteur (15) et d'un circulateur (13) ainsi que d'un appareil pour le traitement de l'analyse du signal reçu en retour d'un signal émis, - un dispositif de modulation (12) pour moduler le signal. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'antenne (10) est une antenne linéaire rayonnant une onde plane. 5 - Dispositif selon la revendiction 4, caractérisé en ce que l'antenne (10) est du type à guide d'onde à fentes. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la modulation du signal est effectuée à la réception par une ligne de diodes PIN modulées disposées devant l'antenne. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'antenne fonctionne sous une fréquence comprise dans la bande de 3 à 30 GHz, par exemple de l'ordre de 17 GHz. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la modulation est conduite à des fréquences supérieures ou égales à 100 KHz. 9 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le balayage en continu à grande vitesse du ou des fils à mesurer (1) en équipant un engin mobile capable de suivre le trajet du ou des fils à mesurer d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.