ES2244823T3 - Dispositivo de medicion de posicion. - Google Patents

Dispositivo de medicion de posicion.

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ES2244823T3 ES02787886T ES02787886T ES2244823T3 ES 2244823 T3 ES2244823 T3 ES 2244823T3 ES 02787886 T ES02787886 T ES 02787886T ES 02787886 T ES02787886 T ES 02787886T ES 2244823 T3 ES2244823 T3 ES 2244823T3
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Abstract

Sistema de medición de posiciones con - un código (C), compuesto de una secuencia de elementos código (C1, C2, C3) dispuestos sucesivamente en la dirección de medición X1, donde cada elemento código (C1, C2, C3) está compuesto respectivamente de dos zonas parciales (A, B), que son complementarias entre sí y que están dispuestas consecutivas en la dirección de medición X; - un dispositivo de exploración (AE) con varios elementos detectores (D1 al D11) para explorar varios elementos código (C1, C2, C3) y para formar por lo menos una señal de exploración (S) dentro de cada zona parcial (A, B) de los elementos código explorados (C1, C2, C3) caracterizado por - una unidad de evaluación (AW) con un sistema de comparación (T1, T2, T3), que compara respectivamente entre sí las señales de exploración (S) de las zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3), y que en función del resultado de la comparación forma una información binaria (B1, B2, B3) para el elemento código (C1, C2, C3).

Description

Dispositivo de medición de posición.
La invención se refiere a un sistema de medición de una posición para determinar la posición absoluta conforme a la reivindicación 1, así como a un procedimiento para la medición absoluta de la posición según la reivindicación 9.
En numerosos campos se utilizan cada vez más unos sistemas absolutos de medición de posición en los que la información relativa a la posición absoluta se deduce de una pista de códigos con elementos de código dispuestos sucesivamente en la dirección de la medición. Los elementos de código están previstos con una distribución pseudoaleatoria, de manera que un determinado número de elementos de código consecutivos forma cada vez una combinación de bits. Al desplazarse el sistema de exploración respecto a la pista de código en un solo elemento de código, se forma ya una nueva combinación de bits, y en todo el campo de medida que se trata de cubrir de forma absoluta está disponible una secuencia de diferentes combinaciones de bits.
Un código secuencial de este tipo se denomina código en cadena o código pseudoaleatorio.
En la publicación "Absolute position measurement using optical detection of coded patterns", ("Medición absoluta de la posición utilizando la detección óptica de sistemas codificados"), de J.T.M. Stevenson y J.R. Jordan en Journal of Physics E/Scientific Instruments 21 (1988), nº 12, páginas 1140 a 1145 se expone que cada elemento de código consta de una secuencia predeterminada de dos campos parciales con propiedades ópticas complementarias entre sí.
En la publicación se remite a la patente GFB 2 126 444 A. Allí se propone, para generar la información binaria de una codificación Manchester de esta clase, comparar las señales de exploración analógicas de las zonas del código con un umbral de disparo predeterminado, generando a partir de ahí una información binaria 0 ó 1.
Esta comparación con un umbral de disparo predeterminado tiene el inconveniente de que las oscilaciones en las señales de exploración analógicas pueden dar lugar a una generación defectuosa de informaciones binarias.
La invención se plantea por lo tanto como objetivo crear un sistema de medición de posición absoluta de alta fiabilidad o seguridad de funcionamiento, con el cual sea posible generar la posición absoluta de la forma más exenta de fallos posible. Este objetivo se resuelve mediante las características de la reivindicación 1.
La invención se plantea además como objetivo describir un procedimiento para la determinación de una posición absoluta, mediante el cual resulte posible la generación lo más exenta posible de fallos, de la información binaria y por lo tanto de la posición absoluta. Este objetivo se resuelve mediante las características de la reivindicación 9.
De la publicación WO 02 011 60A se conoce un sistema de medición y un procedimiento de medición conforme al preámbulo de las reivindicaciones 1 y 9. En este caso la unidad de evaluación se basa en un análisis de Fourier.
Unas realizaciones ventajosas de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.
La invención se describe con mayor detalle sirviéndose de los dibujos, donde las Figuras muestran:
Figura 1 un sistema de medición de la posición en representación esquemática;
Figura 2 el principio de una comprobación de errores;
Figura 3 las señales para la comprobación de errores según la Figura 2;
Figura 4 un sistema de medición de posición con una pista incremental para generar señales de mando;
Figura 5a señales de exploración analógicas de la pista incremental;
Figura 5b señales de mando de las señales de exploración analógicas según la Figura 5a;
Figura 6a una primera posición de exploración del sistema de medición de la posición;
Figura 6b una segunda posición de exploración del sistema de medición de la posición;
Figura 6c una tercera posición de exploración del sistema de medición de la posición;
Figura 6d una cuarta posición de exploración del sistema de medición de la posición;
En la Figura 1 está representado esquemáticamente un sistema de medición de la posición realizado de acuerdo con la invención. Este sistema de medición de la posición trabaja de acuerdo con el principio de exploración óptica en el cual se explora un código C por transparencia. Para explorar el código C se emplea un sistema de exploración AE, dispuesto móvil con respecto al código C en la dirección de medición X.
El código C se compone de una secuencia de elementos de código C1, C2, C3 de igual longitud, situados uno tras otro en la dirección de medición X. Cada elemento de código C1, C2, C3 se compone a su vez de dos zonas parciales A y B de igual longitud, dispuestas inmediatamente consecutivas una junto a la otra en la dirección de medición X, y que son complementarias entre sí. Complementarias significa en este caso que poseen propiedades inversas, es decir que en el principio de exploración óptica son transparentes y no transparentes, o con una exploración código reflejada??, son reflectantes o no reflectantes.
El código secuencial C es explorado por el sistema de exploración AE que contiene una fuente de luz L, cuya luz ilumina varios elementos de código C1, C2, C3 consecutivos, a través de una lente colimadora K. La luz es modulada por el código C en función de la posición, de manera que detrás del código C se forma una distribución de luz que depende de la posición, y que es captada por una unidad detectora D del sistema de exploración AE.
La unidad detectora D es un sensor de líneas con una secuencia de elementos detectores D1 al D11 dispuestos en la dirección de medición X. A cada zona parcial A, B de los elementos de código C1, C2, C3 le corresponde unívocamente en cada posición relativa por lo menos un elemento detector D1 al D11, de manera que en cualquier posición relativa de la unidad detectora D con respecto al código C se obtiene de cada zona parcial A, B una señal de exploración S1A al S3B. Estas señales de exploración S1A al S3B se conducen a un sistema de evaluación AW, que compara respectivamente entre sí las dos señales de exploración S1A, S1B, S2A, S2B; S3A, S3B de las dos zonas parciales C1A, C1B; C2A, C2B; C2A, C2B; C3A, C3B de un elemento de código C1, C2, C3 y que mediante esta comparación genera para cada elemento de código C1, C2, C3 un valor digital, es decir un bit B1, B2, B3. Una secuencia de varios valores digitales B1, B2, B3 forma una palabra código CW, que define la posición absoluta. Al desplazar el dispositivo detector D con respecto al código C en la anchura o longitud de un elemento código C1, C2, C3, se genera una palabra código CW nueva, y a lo largo del campo de medición absoluta que se trata de medir se forma una multitud de diferentes palabras código CW.
La Figura 1 muestra una posición momentánea del código C con relación al dispositivo de exploración AE. Los elementos detectores D1 al D11 están dispuestos consecutivos con una separación igual a la mitad de la anchura de una zona parcial C1A a C3B del código C. De este modo se tiene la seguridad de que en toda posición hay por lo menos un elemento detector D1 al D11 asignado unívocamente a una zona parcial C1A a C3B, y no se explore una transición entre dos zonas parciales C1A a C3B. En la posición representada, la zona parcial C1A es explorada por el elemento detector D1, y la zona parcial C1B por el elemento detector D3. Los elementos detectores D1, D3 captan la distribución de la luz, y en función de la intensidad de la luz generan una señal de exploración analógica S1A, S1B, proporcional a la intensidad luminosa.
Dado que las dos zonas parciales C1A y C1B están realizadas complementarias entre sí, resulta también inversa entre sí la intensidad de las señales de exploración S1A y S1B, es decir que los niveles de señal están muy separados entre sí. Esta separación entre señales se aprovecha ahora para generar la información binaria B1, comprobando para ello cuál de las dos señales de exploración S1A, S1B del elemento código C1 es mayor. Esta comprobación puede efectuase mediante la formación de corrientes o la formación de diferencias. En el ejemplo se emplea la formación de diferencias, para lo cual sirve según la Figura 1 un módulo disparador T1 como sistema de comparación. El módulo comparador T1 genera B1=0, si S1A es menor que S1B, y genera B1=1 si S1A es mayor que S1B. Del mismo modo se obtienen informaciones binarias B2 y B3 mediante la exploración de los elementos código C2, C3 y mediante la comparación de las señales de exploración analógicas S2A, S2B; S3A, S3B de las zonas parciales C2A, C2B; C3A, C3B se genera respectivamente un elemento código C2, C3 mediante los módulos disparadores T2, T3.
A una primera secuencia de zonas parciales A, B realizadas complementarias entre sí, se le asigna por lo tanto un primer valor digital, y a una segunda secuencia de zonas parciales A, B realizadas complementarias entre sí, se le asigna un segundo valor digital. En el ejemplo se asigna el valor 0 a la secuencia opaco transparente y el valor 1 a la secuencia transparente opaco.
Dado que las dos zonas parciales A y B de cada elemento de código C1, C2, C3 son complementarias entre sí, la separación entre interferencias de la señal de exploración S es muy grande. La variación de intensidad luminosa de la fuente luminosa L influye por igual en las señales de exploración S de ambas zonas parciales A y B.
Debido a la realización complementaria de cada dos zonas parciales A, B de un elemento código C1, C2, C3, es preciso que durante el funcionamiento correcto del sistema de medición de la posición se generen mediante la exploración de estas zonas parciales A, B respectivamente señales de exploración analógicas S, cuya diferencia rebasa un valor predeterminado. Observando este valor de la diferencia se puede efectuar una buena comprobación de errores. El principio de esta comprobación de errores es que se puede partir de que al no alcanzarse el valor de la diferencia en una magnitud predeterminada, la información binaria B1, B2, B3 es incierta, y por lo tanto se genera una señal de fallo F1 para estas informaciones binarias B1, B2, B3.
El principio de la generación de la señal de fallo F1 está representado en la Figura 2. Las señales de exploración analógicas S1A y S1B del elemento código C1 se conducen a un sistema de comprobación de fallos P. El sistema de comprobación de fallos P compara S1A y S1B mediante la formación de la diferencia (S1B-S1B) y comprueba si el valor de la diferencia rebasa un valor de comparación predeterminado V, o si no lo rebasa. Si la magnitud de la diferencia (S1a-S1B) no rebasa el valor comparativo V predeterminado, se emite una señal de fallo F1. En la Figura 3 están representadas estas relaciones de señal.
La disposición de las dos zonas parciales A y B de cada elemento código C1, C2, C3 de forma consecutiva directamente una junto a la otra en la dirección de medición X ofrece la ventaja de que los elementos detectores D1 al D11 se pueden disponer unos junto a otros con pequeña separación en la dirección de medición X, y por lo tanto el sistema de medición de la posición resulta insensible frente a la torsión de la unidad detectora D respecto al código C, es decir contra oscilaciones de Moiré. También es muy reducida la sensibilidad a las interferencias debidas a la suciedad, ya que se puede suponer que las dos zonas parciales A y B de un elemento código C1, C2, C3 son influenciadas por igual.
Por el ejemplo de los elementos detectores D1 y D2 se ve claramente en la Figura 1 que al desplazarse el código C en la longitud de una zona parcial A, B hacia la izquierda, el elemento detector D1 explora la zona parcial C1B y el elemento detector D3 la zona parcial C2A, es decir zonas parciales de dos elementos de código C1, C2. El módulo de disparo T1 por lo tanto no puede suministrar ninguna información binaria B1, B2, B3 asignada a un elemento código C1, C2, C3. A continuación se explican las medidas mediante las cuales se puede asegurar que para la generación de las palabras código, se utilizan los elementos detectores correctos D1 al D11, es decir los elementos detectores D1 al D11 que exploran respectivamente una zona parcial de un único elemento código C1, C2, C3.
Mediante las Figuras 4 a 6 se describe una medida preferente para esto. En paralelo junto al código C esta dispuesta según la Figura 4 una pista incremental R con una división periódica con una longitud de período correspondiente a la longitud de un elemento código C1, C2, C3. La pista incremental R es explorada de forma conocida por lo menos por dos elementos detectores DR1, DR2, decalados entre sí en 1/4 de período de división en la dirección de medición X, para generar dos señales de exploración analógicas SR1, SR2, desfasadas entre sí 90º. Estas señales de exploración analógicas SR1, SR2 se interpolan de forma conocida y el valor de posición interpolado se combina con la palabra código CW, con lo cual se afina la medición de posición absoluta aproximada mediante la medición incremental de alta resolución.
Mediante la medición incremental se interpola la longitud de cada elemento código C1, C2, C3. Mediante el valor de interpolación puede efectuarse ahora de forma sencilla una distinción entre la zona parcial derecha y la zona parcial izquierda de un elemento código C1, C2, C3. Para distinguir las zonas parciales A y B basta con una interpolación cuádruple, es decir un simple disparo en el caso de las señales de exploración analógicas SR1, SR2. La combinación de bits obtenida de esta manera a partir de las señales digitales E1, E2 define unívocamente el orden de las zonas parciales A, a B y sirve como señal de mando para determinar los elementos detectores D1 al D11, a partir de los cuales se puede generar una palabra código CW correcta. Las señales digitales E1, E2 definen por lo tanto qué señales de exploración S se comparan entre sí, y a partir de qué señales de exploración S se pueden obtener valores digitales B1, B2, B3 para la palabra código CW.
Para mayor explicación de este procedimiento se han representado en las Figuras 6a a 6d, cuatro posiciones distintas P1, P2, P3, P4 del código C respecto a la unidad detectora D. Los elementos detectores D1 al D11 están dispuestos en la dirección de medición X con unas separaciones correspondientes a la mitad de la longitud de una zona parcial A, B, y cada dos elementos detectores D1 al D11, que están situados con una separación mutua equivalente a la longitud de una zona parcial A, B, están conectados en diferencia. En la Figura 6A está representada la posición P1, en la que a partir de la pista incremental R se obtiene la información E1=0 y E2=0. El bit B1 del elemento de código C1 se forma mediante la formación de la diferencia entre los elementos detectores D1 y D6, es decir (D4-D6). En la posición P2 según la Figura 6B, es E1=0 y E2=1, de manera que mediante una unidad de mando M se seleccionan los elementos detectores D3 y D5. En la posición P3 según la Figura 6C es E1=1 y E2=1, de modo que la unidad de mando M elige los elementos detectores D2 y D4 para formar la diferencia. En la posición P4 según la Figura 6D, es E1=1 y E2=0, de manera que se eligen los elementos detectores D1 y D3.
Del mismo modo se determinan los elementos detectores correctos para formar los restantes bits de la palabra código CW. Si para formar el bit B1 se eligieron por ejemplo los elementos detectores D1 y D3, entonces para formar el bit B2 sirven los elementos detectores D5 y D7 y para formar el bit B3, los elementos detectores D9 y D11, tal como está representado en la Figura 1. Ahora bien en la Figura 1 solamente están representados los módulos de disparo T1, T2, T3 empleados en esta posición momentánea.
Otra posibilidad para determinar los elementos detectores correctos D1 al D11 o las señales de exploración analógicas correctas S consiste en comparar entre sí todos los elementos detectores D1 al D11 que estén separados entre sí la distancia igual a la longitud de una zona parcial A, B. A distancia de un elemento código C1, C2, C3 hay ahora parejas de detectores D1, D3 y D5, D7, en el ejemplo de la posición momentánea P4 representada en la Figura 6D, que exploran de la forma deseada respectivamente la diferencia de las zonas parciales A, a B de un elemento código C1, C2. Las restantes parejas de detectores D3, D5 exploran zonas parciales consecutivas B, A de dos elementos código consecutivos C1, C2, y generan por lo tanto una señal de fallo F1 mediante el sistema de comprobación de fallos P explicado mediante la Figura 2. Para determinar ahora los elementos detectores correctos D1 al D11, se busca el grupo de detectores D1, D3; D5, D7 en el que aparezca el menor número de señales de fallo F. En detalle se necesitan por ejemplo para realizar esta segunda posibilidad la siguiente disposición o los siguientes pasos del proce-
so:
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los elementos detectores D1 al D11 están dispuestos separados entre sí en la dirección de medición X, a distancias equivalentes a la mitad de la longitud de una zona parcial A, B;
-
los elementos detectores D1 al D11 forman un primer grupo (en las Figuras 6a a 6d, elementos detectores con numeración par, D2, D4, D6, D8, D10) con una separación mutua equivalente a la longitud de una zona parcial A, B;
-
los elementos detectores D1 al D11 forman un segundo grupo (en las Figuras 6a a 6d, elementos detectores de numeración impar D1, D3, D5, D7, D9), con una separación entre sí equivalente a la longitud de una zona parcial A, B;
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los elementos detectores D2, D4, D6, D8, D10 del primer grupo están situados decalados con respecto a los elementos detectores D1, D3, D5, D7, D9 del segundo grupo, en la mitad de la longitud de una zona parcial A, B;
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los elementos detectores inmediatamente consecutivos de un grupo están conectados respectivamente en diferencia;
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de los dos grupos se emplean ahora los resultados de la comparación de las parejas de elementos detectores en una trama correspondiente a la longitud de un elemento código C1, C2, C3 para la formación de la palabra código CW, cuya secuencia genere el menor número de fallos F, según la Figura 6d por lo tanto la secuencia (D1-D3)=B1, (D5-D7)=B2, etc.
Las dos zonas parciales A, B de cada elemento código C1, C2, C3 pueden estar realizadas para la exploración óptica, en cuyo caso una zona parcial A está realizada transparente o reflectante para la luz de exploración y la otra zona de comparación, opaca o no reflectante. La invención sin embargo no se limita al principio de exploración óptica.
El sistema de medición absoluta de la posición se puede emplear para medir movimientos lineales o rotativos, para lo cual el código C está dispuesto en uno de los objetos móviles y el sistema de exploración AE en el otro de los objetos que se trata de medir. El código C puede estar aplicado directamente en el objeto que se trata de medir o sobre una escala graduada, que entonces a su vez se acopla al objeto que se trata de medir.
Los objetos a medir pueden ser la mesa y el carro de una máquina herramienta, de una máquina de medición por coordenadas, o bien el rotor y el estator de un motor eléctrico.

Claims (15)

1. Sistema de medición de posiciones con
-
un código (C), compuesto de una secuencia de elementos código (C1, C2, C3) dispuestos sucesivamente en la dirección de medición X1, donde cada elemento código (C1, C2, C3) está compuesto respectivamente de dos zonas parciales (A, B), que son complementarias entre sí y que están dispuestas consecutivas en la dirección de medición X;
-
un dispositivo de exploración (AE) con varios elementos detectores (D1 al D11) para explorar varios elementos código (C1, C2, C3) y para formar por lo menos una señal de exploración (S) dentro de cada zona parcial (A, B) de los elementos código explorados (C1, C2, C3)
caracterizado por
-
una unidad de evaluación (AW) con un sistema de comparación (T1, T2, T3), que compara respectivamente entre sí las señales de exploración (S) de las zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3), y que en función del resultado de la comparación forma una información binaria (B1, B2, B3) para el elemento código (C1, C2, C3).
2. Sistema de medición de posiciones según la reivindicación 1, donde el sistema de comparación (T1, T2, T3) es un sistema para formar la diferencia de las señales de exploración analógicas (S) de las dos zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3).
3. Sistema de medición de posiciones según la reivindicación 1 ó 2, donde las señales de exploración (S) procedentes de zonas parciales consecutivas (A, B) se conducen respectivamente a un sistema comparador (T1, T2, T3), y donde la unidad de evaluación (AW) presenta una unidad de mando (M) que está preparada para asegurar que las informaciones binarias (B1, B2, B3) se forman respectivamente a partir de las dos zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3).
4. Sistema de medición de posiciones según la reivindicación 3, donde en paralelo con el código as señales de (C) está dispuesta por lo menos una pista (R), cuya información (E1, E2) se conduce a la unidad de mando (M), y donde basándose en esta información (E1, E2) se eligen las señales de exploración (S) de zonas parciales consecutivas (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3), para formar las informaciones binarias (B1, B2, B3).
5. Sistema de medición de posiciones según la reivindicación 4, donde la pista de información (R) tiene una división incremental periódica.
6. Sistema de medición de posiciones según una de las reivindicaciones anteriores, donde la unidad de evaluación (AW) dispone de un sistema de comprobación de fallos (P), que está diseñado para comparar la diferencia de las señales de exploración (S) de las zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3) con una diferencia teórica, y donde al no alcanzarse la diferencia teórica se emite una señal de fallo (F1).
7. Sistema de medición de posiciones según una de las reivindicaciones anteriores, donde las dos zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3) poseen características ópticas complementarias entre sí.
8. Sistema de medición de posiciones según una de las reivindicaciones anteriores, donde los elementos detectores (D1 al D11) están dispuestos en la dirección de la medición X con unas separaciones correspondientes a la mitad de la longitud de una zona parcial (A, B) y donde están conectados en diferencia respectivamente dos elementos detectores (D1 al D11), que están situados con una separación entre sí equivalente a la longitud de una zona parcial (A, B).
9. Procedimiento para la medición absoluta de posiciones, con las siguientes fases de proceso
-
exploración de un código (C), compuesto por una secuencia de elementos código (C1, C2, C3) situados sucesivamente en la dirección de medición X, donde los elementos código (C1, C2, C3) constan respectivamente de dos zonas parciales (A, B) que son complementarias entre sí y que están dispuestas consecutivas en la dirección de medición;
-
generación de por lo menos una señal de exploración (S) dentro de cada una de las zonas A, B de los elementos código (C1, C2, C3) explorados,
caracterizado por
-
la comparación entre sí de las señales de exploración (S) de las zonas parciales (A, B) de un elemento código (C1, C2, C3), y
-
la formación de una información binaria (B1, B2, B3) a partir de la comparación.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde la comparación es la formación de una diferencia entre las señales de exploración analógicas (S) de las zonas parciales (A, B).
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 ó 10, en la fase de proceso
-
comparación de las señales de exploración (S) de zonas parciales (A, B) respectivamente inmediatamente consecutivas y elección de las señales de exploración (S) que están formadas respectivamente por la exploración de las zonas parciales (A, B) de una palabra código (C1, C2, C3).
12. Procedimiento según la reivindicación 11, donde la elección se realiza por medio de una señal de control (E1, E2), que ha sido obtenida por la exploración de por lo menos una pista de información (R).
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 9 a 12, donde se forma la diferencia de las señales de exploración (S) de las zonas parciales (A, B), de un elemento código (C1, C2, C3), se compara esta diferencia con una diferencia teórica y en caso de no alcanzarse la diferencia teórica se forma una señal de fallo (F1).
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 9 a 11, donde los elementos detectores D1 al D11 están dispuestos en la dirección de medición X con unas separaciones equivalentes a la mitad de la longitud de una zona parcial (A, B), y donde se forma la diferencia respectivamente a partir de dos elementos detectores (D1 al D11) que estén dispuestos con una separación mutua correspondiente a la longitud de una zona parcial (A, B).
15. Procedimiento según la reivindicación 14, donde la diferencia se compara respectivamente con una diferencia teórica, y al no alcanzar la diferencia teórica se forma una señal de fallo (F1) y para formar la palabra código CW se eligen las informaciones binarias (B1, B2, B3) obtenidas por la formación de la diferencia, de las parejas de elementos detectores en una trama correspondiente a la longitud de un elemento código (C1, C2, C3), cuya secuencia genere el menor número de fallos (F).
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