Sistema sensor y procedimiento para detectar los ejes de los trenes, utilizando fibra óptica y cámaras de tiempo de vuelo

Un grupo de investigación español del Departamento de Electrónica de la Universidad de Alcalá ha desarrollado un procedimiento y un sistema sensor para detectar el paso de los ejes de un tren y contar el número de estos con el objetivo de verificar, entre otros factores, la integridad de los convoyes ferroviarios. Este procedimiento y sistema sensor se caracterizan por conseguir una alta velocidad de auscultación, la realización de las medidas sin necesidad de contacto físico con ningún elemento del tren, la total inmunidad a las interferencias electromagnéticas y a las vibraciones del sensor, y la ausencia de electrónica en vía. El grupo busca alcanzar acuerdos de licencia, colaboraciones técnicas y comerciales con empresas ferroviario. 

En los sistemas ferroviarios actuales existen soluciones destinadas a detectar el paso de los ejes de los trenes, una de ellas es el uso de pedales electromecánicos y ópticos que emiten una señal eléctrica al ser presionados por una rueda. Esta solución tiene los inconvenientes de que al tener contacto físico con las ruedas o la vía sufren desgaste físico y su vida útil es corta y en los trenes de alta velocidad pueden omitir el paso de ejes consecutivos debido a la propia inercia de las partes mecánicas del sensor. Otras soluciones, que no requiere contacto físico con los trenes, son los sensores electromagnéticos. Los sensores electromagnéticos, aunque son los más usados, presentan problemas relacionados con la dificultad de ubicación y posibles fallos derivados de su sensibilidad con respecto a la posición relativa del emisor y receptor y a las vibraciones. Además, son sistemas susceptibles a las interferencias electromagnéticas del entorno, lo que hace que no respondan a las exigencias de fiabilidad que demandan estos sistemas, y, en algunos casos, requieren electrónica en vía, lo que constituye otro factor negativo en su fiabilidad de detección. La eliminación de la electrónica en vía y el uso de sistemas inmunes a las interferencias electromagnéticas son dos de los criterios que se imponen en cualquier sistema relacionado con la seguridad en entornos ferroviarios. 

Con el objetivo de darle una solución a esta problemática se ha diseñado un sistema sensor óptico, no invasivo, que permite detectar el paso de las ruedas a distancia, sin necesidad de incluir ninguna electrónica en vía y completamente inmune a las interferencias electromagnéticas. Además, por el método de medidas utilizado el sistema es inmune a las vibraciones del sensor. 

La esencia de la invención que aquí se propone está basada en detectar con una exactitud de milisegundos el instante en que pasa una rueda por el punto donde se encuentra ubicada la cabeza óptica del sensor. Para ello se utiliza una cámara de tiempo de vuelo, un foco emisor de luz infrarroja, un mazo de fibra óptica, una cabeza óptica, un separador o bifurcador, dos mazos terminales de fibra óptica, una óptica de enfoque acoplada a la cámara de tiempo de vuelo, una óptica de enfoque acoplada al foco emisor de luz y una tarjeta de sincronización.

La cámara de tiempo de vuelo, basa su funcionamiento en el principio de que cada uno de los pixeles determina la distancia desde el sensor al objeto, mediante la medida muy precisa del tiempo que tarda en llegar una luz hasta dicho objeto y retornar hasta el sensor. Además, este tipo de cámara captura la información relativa a la intensidad luminosa que llega a cada pixel, proporcionando dos matrices de datos, una correspondiente a los niveles de intensidad y otra a las distancias entre un punto de la escena y el sensor. 

El foco emisor de luz ilumina en el espectro infrarrojo para garantizar el funcionamiento diurno y nocturno del sistema, incluso en condiciones extremas de iluminación ambiental. Además se utilizan estrategias que reducen el efecto de la iluminación ambiental. También hay que tener en cuenta que por normativas de seguridad europeas en la estructura ferroviaria no se puede iluminar en el espectro visible, ya que puede producir confusión con el sistema de señalización vial. 

A partir de las matrices de datos capturadas con la cámara de tiempo de vuelo, se calcula el instante en el que pasa cada una de las ruedas del tren por el punto donde se encuentra ubicada la cabeza óptica del sensor. 

Detector de ejes sin necesidad de incluir ninguna electrónica en vía y completamente inmune a las interferencias electromagnéticas y a las vibraciones del sensor.