Dispositivo para medir sin contacto la temperatura de componentes calentados en vehículos ferroviarios en circulación.

Dispositivo para medir sin contacto la temperatura de componentes calentados en vehículos ferroviarios en circulación,

que comprende por lo menos un detector de radiación infrarroja, que está compuesto de un material detector semiconductor basado en heteroestructuras, unos dispositivos ópticos (3, 4) para reproducir el punto de medición en el detector de radiación (5), y un dispositivo para determinar la temperatura predominante en el punto de medición bajando hasta una temperatura de aproximadamente 0ºC, estando realizado el detector de radiación infrarroja como un detector de cascadas cuánticas basado en transiciones entre subbandas, cuyo material detector semiconductor está compuesto de las capas de aleación In0, 53Ga0, 47As / In0, 52Al0, 48As, y estando dicho detector unido con un elemento Peltier.

Dispositivo para medir sin contacto la temperatura de componentes calentados en vehículos ferroviarios en circulación.

La invención se refiere a un dispositivo para medir sin contacto la temperatura de componentes calentados en vehículos ferroviarios en circulación que comprende por lo menos un detector de radiación infrarroja que está compuesto de un material detector semiconductor basado en heteroestructuras, unos dispositivos ópticos para reproducir el punto de medición sobre el detector de radiación y un dispositivo para determinar la temperatura predominante en el punto de medición.

En el tráfico ferroviario es conocido el uso de detectores sensibles a infrarrojos y dispositivos ópticos adecuados que proyectan sobre el respectivo detector asociado la radiación térmica de vehículos que circulan por delante de ellos en los recorridos del tráfico ferroviario. Usualmente, se comprueban los cojinetes de los juegos de ruedas, pero también frecuentemente las pestañas de las ruedas o los discos de freno asentados sobre los ejes de los juegos de ruedas de los vehículos en circulación, para detectar calentamientos inadmisibles. Los detectores suministran en este caso una señal eléctrica proporcional al calor irradiado del componente a vigilar sensóricamente, la cual se procesa adicionalmente por medio de amplificadores pospuestos al detector y se suministra a interruptores de valor umbral. En cuanto el detector de radiación registre una radiación de calor situada por encima de una medida límite previamente definida, el interruptor de valor umbral reacciona a la intensidad de la señal provocada por ello, y se realiza un aviso de alarma. Adicionalmente, los dispositivos de medición de este tipo están equipados con medios de cambio de vía que pueden accionarse por ruedas de vehículo ferroviario que se dirigen hacia el respectivo dispositivo de medición, y hacen posible una activación del dispositivo de medición orientada a las necesidades. Las instalaciones de este tipo se denominan usualmente instalaciones de localización de recalentamientos (“HOA”) . Están dispuestas en lugares de medición definidos en la zona de la vía a lo largo de recorridos del tráfico ferroviario y están integradas en su mayoría en traviesas huecas o en cajón.

Dispositivos de este tipo están descritos en numerosos sitios en el estado de la técnica. A modo de ejemplo, se citarán para ello los documentos EP 264 360 A2 o EP 457 752 A1.

Los detectores de radiación infrarroja que se utilizan en las instalaciones de localización de recalentamientos consisten originalmente casi siempre en detectores térmicos. El documento DE 28 18 241 A1 enseña, por ejemplo, el reconocimiento de la temperatura por medio de un bolómetro en el que el efecto térmico originado por la radiación electromagnética modifica la resistencia óhmica del sensor, lo que puede indicarse en unión de una tensión aplicada y un amperímetro y permite sacar así conclusiones sobre la densidad de potencia y de la radiación medida. No obstante, estos detectores térmicos presentan un comportamiento temporal relativamente lento y ya no son adecuados para las velocidades actualmente usuales de los trenes.

Por el contrario, el estado actual de la técnica utiliza fotorresistencias en forma de detectores semiconductores, como, por ejemplo, HgTe, InSb o HgCd. Los detectores de este tipo se describen en el estado de la técnica en numerosos sitios. A modo de ejemplo, se citará para ello el documento EP 949 134 A1. Los detectores semiconductores de este tipo reaccionan al modificarse la radiación incidente por efecto de la estimulación térmica de portadores de carga libres. No obstante, debido a condicionamientos físicos no serían adecuados para el registro continuo de un nivel de temperatura constante y, por tanto, requerirían dispositivos de desviación adicionales para interrumpir cíclicamente la radiación incidente o moduladores para modificar cíclicamente el nivel de radiación. Todas las fotorresistencias están limitadas, con respecto a la radiación detectable por ellas a longitudes de onda de hasta 5 μm.

Por tanto, una velocidad de medición suficientemente alta para uso en el sector del tráfico ferroviario es posible hasta la fecha sólo en la zona infrarroja cercana (0, 7 μm a 3 μm) y en zona infrarroja media (3 μm a 6 μm) . Por este motivo, dado que las intensidades de radiación máximas a temperaturas más bajas (por ejemplo, a una “temperatura ambiente” de 20ºC) se desplazan hacia el rango espectral de onda larga de 8 μm a 15 μm, las instalaciones de localización de recalentamientos se utilizan realmente hasta el día de hoy tan solo para la detección de componentes de vehículo inadmisiblemente calentados (es decir, “calientes”) con un rango espectral de hasta 6 μm. Por tanto, se registran solamente estados de funcionamiento que ya han sobrepasado un límite de temperatura crítico o están cerca de sobrepasarlo. En consecuencia, estas instalaciones sirven hasta la fecha exclusivamente para emitir avisos de alarma en estados de funcionamiento inadmisibles y por ello se utilizan sólo como instalaciones de aviso de peligro. No obstante, existe una necesidad no sólo de reconocer estados de funcionamiento inadmisibles al sobrepasarse un valor umbral establecido relativamente alto, el cual origina casi siempre intervenciones de servicio inmediatas (como, por ejemplo, la detención del tren y el apartamiento del vagón individual afectado) y a la aparición del cual es frecuente que ya haya avanzado mucho un daño del componente calentado, sino que, en lugar de ello, se deberán detectar también tendencias y modelos de evolución de daños que se deriven de niveles de temperatura más bajos y se les deberá alimentar a un lugar de evaluación a fines de mantenimiento preventivo.

En vista del hecho de que los detectores de radiación infrarroja adecuados para las demás condiciones de uso están limitados a la zona infrarroja cercana o media, los enfoques de solución conocidos hasta ahora por el estado de la

técnica pretenden un sustitutivo de la detección de radiación infrarroja por el registro sensórico de otras magnitudes físicas. Así, es conocido, por ejemplo por el documento DE 198 52 220 A1, registrar daños de cojinete iniciales por medio de la emisión de oscilaciones, que se aparta del estado normal, de los cojinetes afectados por ellos. No obstante, en vista del desfavorable entorno mecánico de oscilaciones con numerosos factores de perturbación potenciales, existen considerables dudas sobre la practicabilidad de este enfoque tecnológico. Asimismo, con este enfoque de solución pueden registrarse solamente componentes con un movimiento propio mecánico suficientemente desarrollado (por ejemplo, pares de cojinetes) ; no obstante, en tales componentes, no sería posible, por ejemplo sin más medidas, una detección de la evolución de la temperatura.

Kaniewski, Muszalski, Piotrowski: “Recent advances in InGaAs detector technology” (phys. Stat. Sol (a) 201, Nor. 10, 2281-2287 (2004) ) , divulgan un desarrollo adicional de fotodiodos de InGaAs. Sobre la base del hecho de que las aleaciones de InxGa1-xAs, por medio de un aumento de la proporción de In, pueden elevarse hasta el nivel de una aplicabilidad en rangos espectrales de hasta 3, 6 μm, los fotodiodos de InGaAs convencionales están limitados de momento a un rango de funcionamiento de hasta 3, 6 μm.

Por tanto, la invención se basa en el problema de proporcionar un dispositivo para medir sin contacto la temperatura de componentes calentados en vehículos ferroviarios en circulación, que posibilite un registro de radiaciones térmicas más pequeñas o temperaturas más bajas en componentes de vehículo y cree una alternativa al estado conocido de la técnica. Las altas velocidades de los vehículos hacen necesaria una frecuencia de medición de > 1000 Hz. En este caso, pueden contemplarse también las condiciones del entorno relativamente duras de instalaciones de localización de recalentamientos. En particular, se pretende materializar un detector de radiación infrarroja que soporte temperaturas ambiente de -40ºC a +80ºC, sea resistente a las vibraciones y además sea también ampliamente insensible a la luz solar incidente. El espacio de montaje está predeterminado sustancialmente por las dimensiones geométricas de una traviesa en cajón y no podrá ser sobrepasado.

Según la invención, este problema se resuelve en combinación con el preámbulo de la reivindicación 1 porque el detector de radiación... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para medir sin contacto la temperatura de componentes calentados en vehículos ferroviarios en circulación, que comprende por lo menos un detector de radiación infrarroja, que está compuesto de un material 5 detector semiconductor basado en heteroestructuras, unos dispositivos ópticos (3, 4) para reproducir el punto de medición en el detector de radiación (5) , y un dispositivo para determinar la temperatura predominante en el punto de medición bajando hasta una temperatura de aproximadamente 0ºC, estando realizado el detector de radiación infrarroja como un detector de cascadas cuánticas basado en transiciones entre subbandas, cuyo material detector semiconductor está compuesto de las capas de aleación In0, 53Ga0, 47As / In0, 52Al0, 48As, y estando dicho detector

unido con un elemento Peltier.