ES2338512B2 - Sistema multipulso de medida de distancias y longitud de cables. - Google Patents
Sistema multipulso de medida de distancias y longitud de cables. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2338512B2 ES2338512B2 ES200802693A ES200802693A ES2338512B2 ES 2338512 B2 ES2338512 B2 ES 2338512B2 ES 200802693 A ES200802693 A ES 200802693A ES 200802693 A ES200802693 A ES 200802693A ES 2338512 B2 ES2338512 B2 ES 2338512B2
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- pulse
- distance
- measured
- frequency
- cable
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
- G01B7/026—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring length of cable, band or the like, which has been paid out, e.g. from a reel
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
- G01S13/76—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Sistema multipulso de medida de distancias y
longitud de cables.
El sistema propuesto en la presente invención se
basa en la repetición múltiple de una señal pulsada que permite
medir distancias y longitudes de cables sin necesidad de contacto
con los mismos, con precisión de milímetros, con rangos que van
desde decímetros hasta varios kilómetros dependiendo de los tiempos
empleados en la repetición de los pulsos.
A ambos extremos de la distancia a medir se
encuentra una electrónica encargada de repetir y reenviar de vuelta
el pulso hacia el otro extremo. Dicha electrónica se basa en un
monoestable de precisión que cada vez que recibe un pulso genera un
nuevo pulso con un retardo preestablecido permitiendo el cómputo de
la longitud a medir.
Description
Sistema multipulso de medida de distancias y
longitud de cables.
Instrumentación electrónica, dispositivos
electrónicos de medida de parámetros físicos, sensores y
transductores electrónicos.
En la actualidad la medida de distancias sin
contactos se hace básicamente mediante la medida del tiempo de
vuelo, tiempo que tarda una onda en viajar entre los extremos de la
distancia a medir. El tiempo de vuelo es proporcional a la distancia
a medir, de tal forma que d = t x v, donde d es la distancia a
medir, t el tiempo empleado por la onda en llegar de un extremo a
otro de la distancia a medir y v la velocidad de propagación de la
onda entre los extremos a medir.
Dependiendo del tipo de onda, los dispositivos
se pueden calificar en: ultrasonidos también denominados sonar, que
utilizan ondas acústicas, láser, que utilizan la luz y dispositivos
de radio frecuencia, cuando se emplea una onda electromagnética.
Por otro lado se clasifican atendiendo a la
distancia a medir, la precisión necesaria, según la medida sea en
interior o exterior y el coste permitido se utiliza una u otra
tecnología.
Para medida de distancias inferiores a 10 metros
con precisiones de milímetros hasta centímetros y bajo coste los
ultrasonidos o sonar es la tecnología más usada.
Cuando se requiere precisiones submilimétricas y
distancias desde milímetros hasta decenas de metros el láser suele
ser la tecnología utilizada. El coste depende mucho del rango y la
precisión deseada. Cuando el haz del láser hace barridos, para
detectar distancias desde un punto a diferentes puntos del entorno,
el dispositivo se denomina "range finder". Este dispositivo es
muy utilizado por robots o vehículos autónomos de navegación para
detectar posibles obstáculos en el camino. Dada la complejidad
técnica de los range finders su coste suele ser elevado.
Para medidas desde decenas de metros hasta
varios kilómetros y normalmente con baja precisión los dispositivos
de radio frecuencia son los utilizados, denominados RADAR en la
mayoría de los casos.
La medida de distancia está estrechamente
relacionada con los sistemas de localización, dado que midiendo dos
o más distancias en las que hay un punto común es posible detectar
la posición o localización de ese punto común.
Los principales métodos para sistemas de
localización son:
- 1.
- TOA (Time of Arrival) o Tiempo de llegada, basado en enviar un pulso desde el punto a localizar y ver el tiempo que tarda en llegar la respuesta desde 2 o más estaciones repetidoras, por triangulación se calcula la posición con baja precisión (decenas de metros). La red de telefonía móvil utiliza este sistema para localización.
- 2.
- TDOA (Time Difference on Arrival) o Diferencia de tiempos de llegada, se basa en enviar una señal desde el móvil y ver la diferencia de tiempos con la que llega a diferentes estaciones base.
- 3.
- AOA (Angle of Arrival) o Ángulo de llegada. Se basa en detectar el ángulo de llegada al punto común desde varias estaciones base, por triangulación se detecta la posición.
- 4.
- RSSI Received Signal Strength Indicador o Potencia de la señal recibida, este sistema se basa en que a la señal captada por un receptor RF disminuye con el cuadrado de la distancia entre emisor y receptor, este método es poco preciso debido a que cambios atmosféricos pueden también atenuar la señal de radio frecuencia además de los rebotes que la señal tiene entre emisión y recepción pueden atenuar o amplificar la señal recibida dependiendo de que la señal directa y la reflejada pueda estar o no en fase.
Existen también técnicas basadas en la
combinación de 2 o más de los métodos descritos anteriormente.
Tanto en TOA como en TDOA el tiempo de vuelo
esta detrás del sistema de localización.
Siempre que se habla de localización en exterior
se ha de mencionar el sistema GPS Global Positioning System, sistema
basado en el TDOA donde las estaciones base son satélites
artificiales geoestacionarios desarrollados por el gobierno de
Estados Unidos, la alternativa Rusa se denomina GLONASS y la europea
GALILEO. Los sistemas GPS han tenido una gran aceptación en el
mercado en los últimos años por lo que su precio ha descendido
considerablemente cuando se trabaja con precisiones de varios
metros, encontrándose GPS en el mercado a precios relativamente
bajos.
El sistema propuesto en la presente invención se
basa en la repetición múltiple de una señal pulsada que permite
medir distancias y longitudes de cables con precisión de milímetros
con rangos que van desde decímetros hasta varios kilómetros
dependiendo de los tiempos empleados en la repetición de los pulsos,
(ver figuras 2 y 3). Pudiendo emplearse también para la
determinación de la posición de móviles (robots o similares),
señales radiadas, medidas de cables.
En concreto para el cálculo de la distancia o
longitud de cables se pude utilizar cualquier medio de transmisión
siempre que un pulso se pueda repetir entre los extremos a medir y
ser enviado simultáneamente en ambos sentidos.
Son conocidos diversos desarrollos para la
medida de distancias mediante la repetición de pulsos.
El documento US4269506 divulga un aparato para
medir la influencia de parámetros físicos en la longitud de un
camino. La patente GB591041 muestra un método y sistema de radio
navegación por emisión de pulsos de RF.
Al mismo tiempo, los desarrollos descritos en
los documentos GB593151 y GB539952 describen un sistema de medida de
intervalos de tiempo de radio y un método para medir la distancia
entre dos puntos en el espacio por medio de reflexión de ondas,
respectivamente, basados en la determinación del tiempo de vuelo. En
el sistema aquí propuesto no se mide el tiempo de vuelo, por el
contrario, se basa en generar y medir una frecuencia a través de la
repetición sin fin de un pulso eléctrico que se envía entre los
extremos de la distancia o longitud del cable a medir.
Entre los sistemas divulgados para la medida de
distancias se puede destacar también un método y aparato para medir
de forma precisa la longitud usando la técnica de reflectometría de
dominio de tiempo (EP0336025), en el cual un generador de señal
entrega un pulso en una línea de transmisión electromagnética a lo
largo del cual se mueve un blanco adaptado para producir una
reflexión parcial de la señal en la posición a lo largo de la línea
en la cual se localice. Un dispositivo biestable detecta la señal
reflejada, que junto con medios de procesado proporciona una medida
precisa de la longitud de la línea de transmisión entre su extremo
de entrada y el blanco.
Este dispositivo que trabaja con un único pulso,
midiendo el tiempo de vuelo en un cable o línea de transmisión,
necesita medir tiempos en el rango de los picosegundos. Sin embargo,
nuestro sistema trabaja con un pulso que se repite indefinidamente
entre los extremos de la distancia o cable a medir generando
frecuencias principalmente entre 1 y 1000 KHz dependiendo del rango
a medir y del tiempo empleado en la repetición de los pulsos. Estas
frecuencias se corresponden con periodos de entre 1 y 1000
microsegundos, tiempos varios órdenes de magnitud superiores a los
que necesita el dispositivo propuesto en la patente EP0336025. El
medir tiempos inmensamente mayores simplifica enormemente el diseño
del circuito para el que se requieren en este caso componentes
electrónicos de uso común, rebajando así considerablemente el coste
del dispositivo.
Por otro lado, existe una descripción recogida
en el documento CN1598616 también publicado como
WO2005031258, próximo en el estado de la técnica, y que se basa en la determinación del periodo de la oscilación, al mismo tiempo el pulso siguiente se emite después de la recepción del pulso reflejado.
WO2005031258, próximo en el estado de la técnica, y que se basa en la determinación del periodo de la oscilación, al mismo tiempo el pulso siguiente se emite después de la recepción del pulso reflejado.
Además, en nuestro caso, se aporta un desarrollo
basado en la frecuencia, siendo la emisión de pulsos electrónicos y
continuos, mientras que en el sistema descrito en CN1598616 los
pulsos son ópticos para lo que se requiere la utilización de espejos
para la repetición de los pulsos.
Por otro lado, el rango de medidas de la patente
CN1598616 es de 150 m y con resolución 15 mm ambos prefijados por la
electrónica utilizada. En nuestro caso rango y resolución son
ajustables mediante el retardo en los repetidores.
Adicionalmente, la electrónica para la
repetición de pulsos descrita en el presente documento se basa en el
empleo de monoestables mientras que en el documento CN1598616 se
precisa un MC10131, un dual master-slave type D
flip-flop.
Finalmente, y a modo de resumen, la principal
diferencia entre nuestra invención y la citada, radica en que
nuestro dispositivo juega con el retardo ajustable por el usuario
para la repetición de los pulsos. Mediante este ajuste de los
retardos se fija el rango de frecuencias de trabajo y la resolución
en la medida.
El sistema propuesto se basa en la repetición
continuada de un pulso eléctrico que se propaga a través de la
distancia a medir en ambos sentidos (figura 1). A ambos extremos de
la distancia a medir se encuentra una electrónica encargada de
repetir y reenviar de vuelta el pulso hacia el otro extremo. Dicha
electrónica se basa en un monoestable de precisión que cada vez que
se recibe un pulso genera un nuevo pulso con un retardo
preestablecido (T_{R} en Figura 1). Supuesta una distancia cero a
medir, los dos extremos están superpuestos, el tiempo empleado por
el pulso en realizar un ciclo o periodo será de:
T =
2T_{R}
\newpage
Dado que en ambos extremos se introduce el mismo
retardo T_{R}. Si los dos extremos están separados una distancia
d el tiempo empleado por el pulso en realizar un ciclo será
de:
T = 2T_{R} +
2T_{V} = 2(T_{R} +
T_{V})
Donde T_{V} es el tiempo de vuelo o tiempo
empleado por la onda-pulso en viajar de un extremo a
otro de la distancia a medir, desde el Terminal 1 al Terminal 2 ida
y vuelta véase figura 1. Dado que la velocidad de propagación es
constante tendremos que:
siendo d la distancia a medir y v
la velocidad de propagación. Dado que el pulso se repite
indefinidamente en ambos extremos, dicha repetición genera una
frecuencia f que se puede expresar como la inversa del periodo T
previamente definido así se tiene
que:
La adecuada selección del tiempo de repetición o
retardo, idéntico en ambos extremos, permite fijar la frecuencia
máxima y mínima para un determinado rango de distancias d a medir.
Por otro lado la resolución y precisión de la medida está
directamente relacionada con la variación de la frecuencia
versus la variación de la distancia, matemáticamente
\Deltaf/\Deltad. Esta relación varía significativamente con el
tiempo de retardo T_{R} escogido. En la figura 2 se observa como
tanto f como \Deltaf decrecen de forma brusca y no lineal con el
aumento de la distancia d a medir, (obsérvese que el eje "y" en
la figura 2 es logarítmico). El tiempo de retardo T_{R} más
adecuado dependerá del rango de distancias a medir así como de la
resolución y precisión necesaria en la medida de "d". En la
figura 2 se puede observar que la resolución y precisión aumentan al
reducir el tiempo de retardo T_{R}, pero dicha reducción tiene el
inconveniente de aumentar considerablemente las frecuencias a medir
lo cual dependiendo del rango puede complicar la electrónica.
En la siguiente tabla se muestran las
variaciones de la frecuencia medida f para diferentes tiempos de
retardo TR, f0 es la frecuencia detectada para distancia 0, f1Km es
la frecuencia detectada para d = 1 Km, \Deltaf0 es la variación de
la frecuencia detectada entre 0 y 1 metro de distancia a medir d., y
finalmente \Deltaf1Km es variación de la frecuencia por metro
entre 1000 y 1001 metros de distancia d.
Figura 1: Se muestra una estructura de bloques
del dispositivo donde se aprecian los dos terminales: Terminal 1 y
Terminal 2 que representan los extremos de la distancia a medir o
los extremos del cable cuya longitud se quiere medir, en esta figura
aparecen también los tiempos empleados por la señal o pulso en su
repetición sin fin entre los terminales. Estos tiempos son dos:
T_{V} o tiempo de vuelo, tiempo empleado por el pulso en viajar de
uno a otro terminal y T_{R} tiempo empleado por el pulso en ser
repetido en cada terminal.
Figura 2: Gráfica donde se observa como varía la
frecuencia generada dependiendo de la distancia a medir y del tiempo
de repetición T_{R} empleado para repetir el pulso en cada extremo
o terminal.
Figura 3: Gráfica que muestra los decrementos en
la frecuencia generada por incrementos en 1 metro de la distancia a
medir. Estos decrementos de la frecuencia están directamente
relacionados con la resolución de la medida pues mayores cambios en
la frecuencia a medir por metro de incremento en la distancia,
implica mayor capacidad de resolver en la resolución de la distancia
a medir. Al igual que en la Figura 2 se muestran los decrementos en
la frecuencia para diferentes tiempos de repetición T_{R}.
Se plantea un ejemplo para la medición de
longitudes de cables que se puede implementar mediante un
microcontrolador con un reloj externo funcionando a 20 MHz. Las
principales tareas del microcontrolador son:
- 1
- Generar el primer pulso que se envía desde el Terminal 1 al Terminal 2.
- 2
- Detectar la frecuencia f generada usando un contador de pulsos interno del microcontrolador.
- 3
- Convertir la frecuencia f medida en distancia d mediante la ecuación 1.
Además del microcontrolador mencionado, se
necesita incorporar un monoestable en cada terminal para repetir los
pulsos y una pareja de emisor y receptor de radiofrecuencia, o
transceiver disponibles en le mercado a través de fabricantes como
Easy radio, Rfsolutions, Radiometrix, Aurel u otros.
Cuando se utiliza el sistema para la medida de
longitud de cables, los pulsos se envían directamente a través del
cable cuya longitud se quiere medir no utilizándose en este caso
equipos de radio frecuencia. Para la medida de longitud de cables se
hacer una sencilla calibración consistente en medir la velocidad de
transmisión del pulso a través del cable, v en la última de las
ecuaciones anteriores. Basta con observar la frecuencia generada
para un cable cuya longitud es conocida y hallar v según la citada
ecuación.
Dependiendo del rango de distancias o longitud
de cables a medir y según la precisión y resolución requerida en la
medida, se ajusta el tiempo de repetición TR, de esta forma para
aumentar la precisión y resolución se ha de disminuir TR al tiempo
que se ha de tener en cuenta también la variación de la frecuencia
en el rango de medidas.
De esta forma para distancias de decenas de
metros (rango de 10 a 100 m) se recomienda un TR = 1 \muS para lo
que se obtiene una precisión de \pm 1 mm. Para rangos mayores por
ejemplo entre 500 m y 1 KM se recomienda un TR = 10 \muS para lo
que se obtiene una precisión de \pm 10 cm.
Para evitar interferencias entre los dos caminos
recorridos por el pulso, del terminal 1 al 2 y del terminal 2 al 1,
se escogen dos frecuencias diferentes de portadora de radio
frecuencia. No obstante, dado que se trata de un ejemplo para medir
longitudes de cables no son necesarios lo módulos de radio, siendo
en este caso necesaria una sencilla calibración del sistema para
detectar la velocidad de propagación de la onda en el cable.
De esta forma se consigue un sistema fiable,
preciso y económico para la medida de longitud de cables.
Si se desean medir distancias simplemente
debería añadirse los módulos de radio.
Claims (1)
1. Procedimiento para la medida de distancias y
longitud de cables caracterizado por:
- A)
- Hacer circular de forma continuada un único pulso de naturaleza electro-magnética, óptica, ultrasónica o similar, que permita ser transmitido entre los extremos del cable o distancia a medir.
- B)
- Repetición con un retardo controlado y de forma continuada del pulso para generar, en la mayoría de los casos, una frecuencia en el rango de kilohercios, medible en cualquiera de los extremos del cable o la distancia a medir.
- C)
- Control del tiempo que tarda en repetirse el pulso en cada extremo para fijar el rango de frecuencias generadas y la resolución más adecuada a cada situación. La relación entre la frecuencia generada f, el tiempo de retardo fijado arbitrariamente por el usuario en cada extremo T_{R}, la distancia a medir d y la velocidad de propagación de la onda \nu, se describe mediante la ecuación siguiente:
- D)
- Variación no lineal de la frecuencia generada con la distancia a medir según la ecuación siguiente.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802693A ES2338512B2 (es) | 2008-09-17 | 2008-09-17 | Sistema multipulso de medida de distancias y longitud de cables. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802693A ES2338512B2 (es) | 2008-09-17 | 2008-09-17 | Sistema multipulso de medida de distancias y longitud de cables. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2338512A1 ES2338512A1 (es) | 2010-05-07 |
| ES2338512B2 true ES2338512B2 (es) | 2012-03-05 |
Family
ID=42173095
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200802693A Active ES2338512B2 (es) | 2008-09-17 | 2008-09-17 | Sistema multipulso de medida de distancias y longitud de cables. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2338512B2 (es) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2938202A (en) * | 1955-05-03 | 1960-05-24 | Motorola Inc | Distance measuring apparatus |
| EP0098160A1 (en) * | 1982-06-29 | 1984-01-11 | Decca Limited | Method and apparatus for measuring distance |
-
2008
- 2008-09-17 ES ES200802693A patent/ES2338512B2/es active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2938202A (en) * | 1955-05-03 | 1960-05-24 | Motorola Inc | Distance measuring apparatus |
| EP0098160A1 (en) * | 1982-06-29 | 1984-01-11 | Decca Limited | Method and apparatus for measuring distance |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2338512A1 (es) | 2010-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2432581C1 (ru) | Способ локации радиоузла, система локации радиоузла и узел обработки данных | |
| EP1334465B1 (en) | Remote attitude and position indicating system | |
| CN109073740A (zh) | 测距和对象定位系统及其使用方法 | |
| WO2017149526A3 (en) | A method and apparatus for cooperative usage of multiple distance meters | |
| US4103278A (en) | Obstacle detecting apparatus using ultrasonic waves | |
| JP2017528621A (ja) | 不規則状物体の採寸用のハンドヘルドマルチセンサシステム | |
| JPH02102477A (ja) | 超音波測距装置 | |
| JP2021524590A (ja) | 波動に基づいた信号を用いて少なくとも１つの物体の位置特定を行うための位置特定方法及び位置特定システム | |
| US11550018B2 (en) | Positioning system and positioning method | |
| KR20120059919A (ko) | 초음파를 이용한 빙해수조 얼음두께 계측 시스템 및 그 계측 방법 | |
| US9285468B2 (en) | Extended angular resolution in sensor arrays using secondary echoes | |
| JP3484995B2 (ja) | 瞬時パッシブ距離測定装置 | |
| KR100979286B1 (ko) | 수중 거리 및 방위를 측정하는 장치 및 방법 | |
| RU2614854C2 (ru) | Способ измерения глубин и эхолот для его осуществления | |
| ES2338512A1 (es) | Sistema multipulso de medida de distancias y longitud de cables. | |
| RU153990U1 (ru) | Акустический анемометр | |
| RU2545065C2 (ru) | Способ измерения скорости звука в воде | |
| CN105403880B (zh) | 一种测量距离的系统及方法 | |
| RU2854609C1 (ru) | Способ организации радиосвязи с подводными объектами в СДВ диапазоне | |
| RU2624980C1 (ru) | Гидроакустическая дальномерная система навигации | |
| JP2016161363A (ja) | 光による座標測定装置 | |
| US20090089007A1 (en) | Micropositioning Apparatus | |
| RU2850758C1 (ru) | Гидроакустический комплекс определения координат подводных объектов | |
| RU2759199C1 (ru) | Способ измерения параметров движения объекта активным локатором | |
| JPH0635963B2 (ja) | 波動伝播を利用した大気の温度及び湿度測定方法及び装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100507 Kind code of ref document: A1 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2338512 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20120305 |