NO20151375A1

NO20151375A1 - Metode for nøyaktig måling av raske endringer i vertikal posisjon basert på endring i målt trykk når omgivelsene har fluktuerende bakgrunnstrykk

Info

Publication number: NO20151375A1
Application number: NO20151375A
Authority: NO
Inventors: Svein Husa
Original assignee: Tellu As
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2017-04-13
Also published as: WO2017065617A1

Description

Metode for nøyaktig måling av raske endringer i vertikal posisjon basert på endring

i målt trykk når omgivelsene har fluktuerende bakgrunnstrykk.

Bakgrunn

Bruk av barometriske trykksensorer, absoluttrykksensorer med et måleområde i overkant av normalt atmosfæretrykk er en vel etablert metode for bestemmelse av vertikal posisjon. Metoden har fra langt tilbake blitt benyttet innen ulike former for navigasjon.

Moderne mikroteknologi gir oss i dag sensorer som måler absolutt, atmosfærisk trykk med en oppløsning på omkring 2 Pa. Ved normalt trykk tilsvarer dette en luftsøyle på 15 cm. I tillegg til oppløsning er langtidsstabilitet og temperaturstabilitet viktige egenskaper i en trykksensor. For den aktuelle oppfinnelsen er det imidlertid oppløsningen som er den viktigste egenskapen.

Trykksensorer har utviklet seg mye de siste årene. Forbedret mikromaskineringsteknologi og utvikling av analog og digital mikroelektronikk har ført til stadig bedre og rimeligere sensorer. Utviklingen vil fortsette, men når det gjelder oppløsning og følsomhet er det fundamentale, fysiske prosesser som er ansvarlige for mye av støyen som setter grensen for hva som er oppnåelig. Det virker ikke realistisk å vente store forbedringer av disse egenskapene.

Atmosfærisk trykk blir bestemt av en rekke meteorologiske faktorer i tillegg til den vertikale posisjonen, og en nøyaktig trykkmåling vil ikke alene gi en nøyaktig verdi på sensorens vertikale posisjon. Siden de meteorologiske forholdene varierer relativt langsomt med tiden, kan vi imidlertid benytte nøyaktig måling av atmosfæretrykket til å bestemme raske endringer av den vertikale posisjonen. Dette vil være endringer med en betydelig kortere tidsskala enn de meteorologiske.

Når det er endringer i trykket som måles, kan det i stedet for en absoluttrykksensor brukes en følsom differensialtrykksensor der den ene porten er koblet til et kammer som er ventilert til omgivelsene gjennom et element med stor strømningsmotstand. Et kapillarrør er godt egnet. Sammen med volumet av referansekammeret vil det dannes et 1. ordens dynamisk system med tidskonstant r.

Her er volrefreferansevolumet, Prefomgivelsestrykket og Rfiuiastrømningsmotstanden. Bruk av et ventilert referansekammer i utstyr for måling av høydeendring er beskrevet før, blant annet i [1] og [2]. I disse beskrivelsene fremgår det at målesignalene blir direkte relatert til høydeendring eller endringshastighet. I [3] beskrives et målesystem med mulighet for å kombinere signaler fra flere sensorer. Utover dette har denne beskrivelsen liten likhet med vår oppfinnelse. I utstyr for måling av stigehastighet for fly har teknikken med en differensialtrykkgiver med ventilert referansecelle vært kjent og utnyttet siden langt tilbake. [4], [5], [6], [7]

Vår anvendelse av differensialtrykkgiver med ventilert referansecelle vil trenge en følsomhet som er betydelig høyere enn det som er oppgitt i de nevnte referansene. Måleområdet vil kun være få meter med en oppløsning eller nøyaktighet omkring 1 cm. På markedet finnes MEMS differensialstykksensorer med måleområde +/- 250 Pa, som tilsvarer en høydeendring på +/-19 m ved normalt atmosfæretrykk. Støyspenningen fra slike sensorer vil typisk tilsvare høydeendring omkring 1 cm. Mange anvendelser vil kun benytte en mindre del av det tilgjengelige måleområdet, og disse målingene vil bli nøyaktigere dersom det kan benyttes en differensialtrykksensor med enda høyere følsomhet enn den nevnte.

Oppfinnelse

Når trykkendring måles med en nøyaktighet som tilsvarer omkring 1 cm høydeendring ved normalt atmosfæretrykk, vil vi raskt oppdage at omgivelsestrykket også fluktuerer betydelig. Dette gjelder både innendørs og utendørs og det kan skyldes en rekke ulike forhold. Dører og vinduer som åpnes og lukkes, trykk fra vifter og ventilasjonsanlegg er opplagte kilder til denne type «trykkstøy». Slik støy vil kunne være kraftigere enn trykkendringer fra betydelige høydeendringer og de vil ofte ha forløp med samme tidsskala som de høydeendringer vi ønsker å registrere.

Vi kan fjerne trykkstøy fra målesignaler som representerer høydeendring, dersom vi benytter to trykksensorer. Tar vi differansen mellom de målte trykkene, vil trykkstøyen fra omgivelsene oppheves, og målesignalet vil være et mål på høydeendringen mellom de to trykksensorerne. Lar vi en sensor være fast plassert i rommet, vil vi måle høydeendringen av den andre, men det kan også være situasjoner der begge sensorene er bevegelige. Dette er illustrert i figur 1 og figur 2.1 begge figurene representerer det kraftige plottet, 1, differensesignalet og de to svakere plottene, 2 og 3, er hvert av de to trykksignalene. I figur 1 holdes sensor 2 i ro og sensor 3 løftes og senkes. Vi ser at betydelige bakgrunnsfluktuasjoner er helt borte i plott 1, differensesignalet. I figur 2 blir begge sensorene flyttet på. Når en starter fra samme høyde, vil differensesignalet i dette tilfellet uttrykke høydeforskjellen mellom de to trykksensorene.

Det kan være mange situasjoner der man ønsker å detektere raske høydeendringer i meterområdet med centimeter nøyaktighet. Vi er særlig opptatt av anvendelsen av måleprinsippet i en falldetektor. Dette er et apparat for deteksjon og varsling av at brukeren har falt og blitt liggende uten å kunne reise seg igjen. Brukeren bærer apparatet med en trykksensor på seg. Dette er koblet trådløst sammen med en stasjonær del som også inneholder en trykksensor. I tillegg utfører den stasjonære delen signalbehandling som kreves for å detektere et fall ut fra de målte trykkendringene. Den har også tilkobling til et varslingssystem for å gi melding dersom brukeren har falt og blir liggende uten å reise seg igjen. En rasktrykkøkning som representerer kjente høydeendringer som samsvarer med fall fra ulike posisjoner, vil detekteres som et fall dersom ikke trykket avtar som tegn på at brukeren reiser seg igjen. Over de siste 15 år er det arbeidet mye for å utvikle en enkel og godt funksjonerende falldetektor. Så langt er alle basert på bruk av bevegelsessensor som den primære sensor for falldeteksjon. Vi kjenner ikke til beskrivelser der en trykkendringssensor er benyttet som den primære sensor for falldeteksjon. Prinsippet med å basere falldeteksjon på differansen i trykkendring mellom to sensorer er heller ikke beskrevet.

En falldetektor kan også realiseres ved at brukeren bærer begge sensorene på seg. Da må de være plassert på deler av kroppen der høydeendringer som følger med et fall er vesentlig forskjellig. Dette kan være på halsen og på leggen, men andre plasseringer kan også være hensiktsmessige. Det er heller ikke opplagt at det kun skal benyttes to trykkendringssensorer. Ved bruk av flere kan vi regne med økt følsomhet og færre feil. Her vil det være en avveiing mellom funksjon og kompleksitet.

Ved bruk av to eller flere sensorer festet til brukeren vil det oppstå tvetydighet i differensesignalene, siden disse uttrykker endring i høyde mellom de to sensorene. Om en faller fra stående stilling og blir liggende på gulvet eller om en legger seg ned i en seng, vil det gi samme endring i differansen. For å skille mellom ulike hendelser som gir samme endring i differensesignalet, må vi analysere samsvaret eller korrelasjonen mellom differansen og hvert av trykkendringssignalene. Ved at støykomponenten er den samme i begge, vil forskjellen i korrelasjon mellom differansesignalet og hvert enkelt av de målte signalene uttrykke hvor stor del av endringen som skriver seg fra hvert av de målte signalene.

I en praktisk realisering av oppfinnelsen må det være kommunikasjon mellom sensorene og mellom sensorene og en sentral kontrollmodul. Trådløs kommunikasjon vil normalt være praktisk, men elektrisk forbindelse vil også kunne brukes mellom sensorer som bæres på forskjellige steder av kroppen.

En falldetektor som benytter to trykkendringssensorer båret av brukeren vil ikke være knyttet opp mot en referanse som er fast plassert i et rom. Den vil kunne brukes fritt utendørs som innendørs. Det kan derfor virke som et bedre prinsipp enn der hvor referansen er fast montert. Det siste nevnte systemet har på den andre siden mulighet for innendørs posisjonssporing ved at systemet til enhver tid må være koblet til den nærmeste faste referansen. I tillegg vil man slippe tvetydigheten som ble beskrevet over, og apparatet som bæres av brukeren vil være enklere og lettere. Begge systemene har således sterkere og svakere sider.

Figur 3 viser en falldetektor basert på en bevegelig og en fastmontert sensor. Brukeren bærer en sensor, s, og denne kommuniserer med en fast enhet som inneholder sensor, s, prosessering, p, og kommunikasjonsdel, c. Figur 4 viser en falldetektor basert på flere bevegelige sensorer. Her bærer brukeren to sensorer på seg. På figuren kommuniserer disse med en fast del for prosessering, p, og kommunikasjon, c. Denne enheten kan være fast montert som vist i figuren, men den kan også bæres av brukeren. Systemet blir da helt mobilt og kan benyttes både innendørs og utendørs.

Utnyttelse av oppfinnelsen

Bruk av oppfinnelsen for måling av høydeendring ved hjelp av trykkendring i omgivelser med fluktuerende bakgrunnstrykk kan anvendes i forskjellige målesystemer. Vi har sett hvordan den kan brukes i en falldetektor. Det samme prinsippet kan brukes til posisjonering i forbindelse med lager og transport. Det kan også registrere høydeendring knyttet til spill, trening og annen fysisk bevegelse. Dette er sammenfallende med anvendelser som er omtalt i [1] og [2]. Vår oppfinnelse vil ha betydelige fortrinn dersom det kreves nøyaktighet i centimeterområdet. Dette vil det ikke være mulig å oppnå uten bruk av en referanse for å kansellere fluktuasjoner i bakgrunnstrykket.

Claims

1. Fremgangsmåte for bruk av trykkendringsmåling til nøyaktig bestemmelse av høydeendring til en gjenstand som forflyttes i et rom der bakgrunnstrykket fluktuerer, ved at man i stedet for å basere målingen på trykkendringen fra en enkel sensor festet til gjenstanden, baserer målingen på differansen mellom signalene fra to trykkendringssensorer der den ene er festet til gjenstanden og den andre er fast montert i rommet der målingene utføres.

2. Fremgangsmåte for bruk av trykkendringsmåling til nøyaktig bestemmelse av differansen i høydeendring mellom to gjenstander som begge forflyttes i et rom der bakgrunnstrykket fluktuerer, som følger krav 1 ved at den fast monterte sensoren også gjøres bevegelig og er festet til en av gjenstandene.

3. Fremgangsmåte for å registrere at en person, som oppholder seg i et rom faller, som følger krav 1, ved at endring i kroppens vertikale posisjon, som kjennetegner et fall, fremkommer ved differansen mellom trykkendringen målt med en sensor festet til personens kropp og trykkendringen målt med en fast plassert sensor.

4. Fremgangsmåte for å registrere at en person, som oppholder seg innendørs eller utendørs faller, som følger krav 2, ved at endring i to eller flere kroppsdelers vertikale posisjon, som kjennetegner et fall, fremkommer ved differansen mellom trykkendringen målt med en sensor festet til hver av de aktuelle kroppsdeler.

5. Fremgangsmåte for fjerning av tvetydighet i falldeteksjon, som følger krav 4, ved at korrelasjonen mellom hvert av sensorsignalene og differensesignalet beregnes, for på denne måten å bestemme i hvor sterk grad hvert av sensorsignalene bidrar til differensesignalet. Referanser [1] WO 2007062377 A2, Enhanced hang-timer for console simulation. [2] US 20120083705 Al, Activity Monitoring Systems and Methods of Operating Same. [3] US 20090150029 Al, Capacitive integrated mems multi-sensor [4] US 2142338 A, Rate of climb indicator. [5] US 3451265 A, Fast response apparatus for measuring rate of change of pressure. [6] US 4890103 A, Rate-of-climb indicator. [7] US 2275719 A, Rate of climb indicator.