Desde los años sesenta, la tecnología ferroviaria ha desarrollado multitud de sensores que ayudan, de una forma u otra, a la operación. Sensores de cajas calientes para determinar la temperatura de los ejes de un tren y evitar roturas y descarrilamientos. Detectores de caída o arrastre de objetos por la vía. Medidores de viento lateral, cruciales en los grandes viaductos. Detectores de incendios en túneles. La alimentación eléctrica en sí misma está controlada en los puntos donde se toma de la red de alta tensión de propósito general y se transforma para la alimentación óptima de los trenes. En estas ubicaciones, llamadas subestaciones de tracción, no faltan dispositivos capaces de cortar la corriente en milisegundos en caso de detectar cualquier problema.
Sin embargo, la propia integridad y desempeño mecánico de la catenaria ha tardado mucho más en disponer de sensores propios que los demás elementos de la infraestructura ferroviaria. Esto ha sido así por la particular dificultad que reviste instalar electrónica sensible en un entorno de alta tensión. Las elevadas corrientes, y por tanto los intensos campos electromagnéticos, pueden dañar cualquier circuitería que no esté muy protegida o suficientemente alejada.
Sensores para la catenaria
¿Qué es lo más interesante a la hora de monitorizar el comportamiento de la catenaria? La integridad de los aisladores, el movimiento de los contrapesos que regulan la tensión mecánica de los hilos o la respuesta dinámica del hilo de contacto al paso de un pantógrafo son todas ellas posibles respuestas. Esta última, la respuesta dinámica del hilo de contacto al paso del pantógrafo de un tren en marcha, es particularmente compleja de dilucidar. Los pantógrafos son sistemas mecánicos con suspensiones taradas para ejercer cierta fuerza vertical contra el hilo de contacto. Pero esta fuerza no puede ser, como en la historia de Ricitos de Oro, ni muy pequeña ni muy grande. Si la fuerza es demasiado leve, existe el riesgo de que el pantógrafo se despegue por momentos del hilo de contacto ante cualquier mínima irregularidad. La elevada corriente eléctrica que fluye entre este hilo y los frotadores montados sobre la mesilla del pantógrafo no se interrumpe inmediatamente. Antes bien, la aparición de un pequeño hueco provoca la descarga de un arco voltaico: un pequeño rayo que ioniza el aire circundante y eleva las temperaturas tanto del hilo como del material del frotador (habitualmente grafito, por sus especiales características conductoras y autolubricantes).
El caso contrario, el de un exceso de fuerza de empuje por parte del pantógrafo, también es susceptible de dañar la instalación, por un procedimiento inicialmente distinto. La fuerza de empuje para un pantógrafo extendido se ajusta en el taller, y por tanto en condiciones estáticas. Circular a velocidades elevadas, sin embargo, puede alterar esta fuerza debido a fenómenos de sustentación: la mesilla del pantógrafo se comporta como un alerón y, en función de pequeñas variaciones de su ángulo de ataque respecto de la dirección de avance, puede sufrir un empuje extra hacia arriba o hacia abajo.
El conjunto de efectos que aparecen en la práctica sobre la interfaz pantógrafo-catenaria hace muy deseable el registro de lo que ocurre en condiciones dinámicas. Tal es así, que tanto la fuerza ejercida por los pantógrafos como un parámetro relacionado y de medida más sencilla, el desplazamiento vertical del hilo de contacto, están limitados por una normativa específica. Sin embargo, realizar la medida necesaria para asegurar su cumplimiento de un modo comercialmente práctico ha estado fuera de las capacidades de la tecnología ferroviaria hasta hace relativamente poco tiempo. ¿Y cuál es el reto? Nada menos que registrar cambios en la altura del hilo de contacto de pocos centímetros que pueden suceder tan rápido como un milisegundo. Naturalmente, mientras fluyen por él intensas corrientes eléctricas y sin que el tren, que pasa justo por debajo, ni su pantógrafo, que está por definición rozando el hilo, perturben la medida o dañen el equipo.
Medida potenciométrica
La primera tecnología que se aplicó a la medida dinámica del comportamiento del hilo fue la de los sensores potenciométricos lineales. Estos dispositivos transforman una distancia en una diferencia de potencial eléctrico mediante una resistencia variable giratoria conectada a un circuito divisor de tensión; en la jerga técnica, decimos que son un tipo de transductor. El giro del potenciómetro cambia el valor de su resistencia eléctrica, de modo que, si se alimenta la entrada del circuito con una tensión constante, la salida es proporcional al ángulo total girado (por ejemplo, dos vueltas serían 720 grados).
El potenciómetro, montado en un bastidor fijo, se acopla por su eje de giro solidariamente con un carrete que aloja un cable flexible enrollado en una ranura helicoidal. El cable sale del dispositivo por una abertura. En su extremo, se acopla al elemento móvil cuya distancia se desee medir: el cambio en la longitud se traslada al giro del potenciómetro y, por tanto, a la tensión eléctrica de salida del equipo. Por último, todo el conjunto se acopla por su eje a un resorte espiral para que el sistema tienda a volver a su posición inicial. El funcionamiento mecánico es algo similar, así, al de un flexómetro, una cinta métrica de las que todos tenemos en casa.
Existen más posibilidades técnicas muy similares para realizar este mismo montaje (por ejemplo, sustituir el potenciómetro por un encoder o codificador rotativo óptico bidireccional), pero todas adolecen de los mismos problemas: por un lado, la unión entre el hilo de contacto y el carrete es flexible, con lo que trabaja a tracción, pero no a compresión. El pantógrafo, al elevar el hilo de contacto, comprime y destensa el cable del sensor, que depende de la inercia del resorte espiral para recuperar la tensión de trabajo. El resultado será una señal de potencial eléctrico de salida que no reflejará fielmente el movimiento del hilo. Tanto menos cuanto más rápido sea este movimiento. Aunque solo vayamos a registrar la máxima cota vertical alcanzada, puede que no sea todo lo precisa que debería. Hasta ahora estos sensores se han utilizado a velocidades relativamente bajas, pero por los efectos aerodinámicos que afectan al pantógrafo, las velocidades altas, en el entorno de los 300 kilómetros por hora, son tanto o más interesantes.
El segundo problema es más evidente. El hilo de contacto tiene que estar unido físicamente al sensor, con lo que existe un riesgo de derivación eléctrica. En el mejor de los casos destruiría el equipo de medida. En función de la arquitectura concreta de la catenaria, este riesgo puede ser o no aceptable dependiendo de si es o no posible instalar el equipo sensor y todos sus elementos auxiliares en la zona con riesgo eléctrico, y extraer la señal de medida para su transmisión y procesado mediante un sistema de acoplamiento óptico en infrarrojos. El administrador de infraestructuras ferroviarias español, Adif, está probando este tipo de sensores en vías de alta velocidad.
Medida por visión artificial
Todos los problemas de la medida potenciométrica se soslayarían con un sistema que pudiera hacer la medida a distancia. La respuesta es, claramente, la visión artificial. En este caso hay que colocar una cámara de resolución suficiente apuntada hacia el hilo de contacto por un lateral. Los algoritmos del sistema, bastante sencillos, detectarán el hilo como una línea horizontal en el campo de visión, cuya altura cambiará al pasar el pantógrafo por debajo. Es necesario calibrar el sistema con un montaje de laboratorio: cada píxel que se desplace la línea del hilo corresponderá a una longitud real, cuyo valor exacto dependerá de la distancia horizontal desde la cámara al hilo, la óptica de la cámara y el sensor, similar al de cualquier cámara fotográfica actual, que digitaliza la imagen captada. Para garantizar la toma de imágenes las veinticuatro horas del día, el sistema tendrá que funcionar en el infrarrojo (el cobre del hilo es un buen reflector), con su propia iluminación [Logytel 2023].
Esta aproximación a la medida viene, sin embargo, con sus propios problemas. La niebla densa y, sobre todo, la lluvia, perjudican la visión en infrarrojo, ya que las gotas de agua también son buenas reflectoras. La imagen captada se llena de ruido y, por tanto, se hace más complicado extraer una medida fiable. En cualquier caso, el mayor problema de este tipo de soluciones es su elevado coste. Un sensor de este tipo, junto a sus sistemas auxiliares, puede suponer para la administración ferroviaria desembolsos por encima del centenar de miles de euros.
En el último capítulo de esta serie exploraremos una tecnología cuya novedosa aplicación al comportamiento del contacto pantógrafo-catenaria permitirá superar gran parte de las limitaciones de los sensores actuales.
Bibliografía
[FUTEK 2023] String potentiometer sensor. FUTEK Advanced Sensor Technology Inc. (2023). https://www.futek.com/string-potentiometer
[Logytel 2023] Detector del Comportamiento dinámico del pantógrafo (DCDP). Logytel. (2023). http://logytel.es/soluciones/ferrocarriles/detectores-sensorizacion/detector-del-comportamiento-dinamico-del-pantografo-dcdp/
[Zhou 2022] Zhou, H., Duan, F., Liu, Z., Chen, L., Song, Y., & Zhang, Y. (2022). Study on electric spark discharge between pantograph and catenary in Electrified Railway. IET Electrical Systems in Transportation, 12(2), 128–142. https://doi.org/10.1049/els2.12043
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Sobre el autor: Iván Rivera es ingeniero especializado en proyectos de innovación de productos y servicios para ferrocarriles.
