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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Rotationswinkelbestimmung einer
Welle in einem Luftfahrzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Einrichtung zur Bestimmung eines Rotationswinkels
einer Welle in einem Luftfahrzeug, ein Luftfahrzeug, umfassend eine
entsprechende Einrichtung, die Verwendung einer entsprechenden Einrichtung
in einem Luftfahrzeug und ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotationswinkels
einer Welle in einem Luftfahrzeug.
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Das
System zum Betreiben einer Brems- oder Landeklappe in einem Flugzeug
gehört
zu den sicherheitskritischen Systemen innerhalb des Flugzeugs. Heutzutage
werden elektromechanische Systeme zum Betreiben der Landeklappen
verwendet (Slat und Flaps), welche ggf. redundant ausgeführt sind
und sich als hochzuverlässig
erwiesen haben. Zum Betreiben der Landeklappen werden im Allgemeinen
mechanische Wellensysteme zur Übertragung
der Rotationskräfte
verwendet. Um zu vermeiden, dass bei den Klappenstellungen Unsymmetrien auftreten
und im Fall des Ausfalles eines Antriebsmotors noch die gesamten
Klappen verstellen zu können,
werden alle Klappen mit einem zentralen Wellenstrang verbunden.
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Die
Position der Klappen wird über
zwei oder sogar vier unabhängige
Positionsaufnehmer (Position Pickup Unit, PPU) pro Klappensegment
an der Welle (Shaft) gemessen. Diese Sensoren befinden sich jeweils
an den Enden der Teilwelle, um Differenzen in den absoluten Positionen
der beiden Wellenenden zu detektieren und somit Rückschlüsse auf auftretenden
Kräfte
zu ziehen. Im Normalzustand sind die Stellmotoren hochsynchronisiert,
es wirkt also keine Kraft auf die Welle.
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Fällt im Fehlerfall
eine der PPU's aus,
so wird heute der Motor, der auf dem entsprechenden Wellenende sitzt,
abgeschaltet, da keine Position mehr gemessen werden kann und er
dann unsynchronisiert wäre.
Ggf. würde
sich ein sog. „Force
Fight" zwischen
den beiden Motoren entwickeln und die Welle irgendwann zerstört werden.
Andererseits bedeutet dies aber auch, dass eine fehlerfreie und
funktionierende Komponente (der Motor) aufgrund eines Fehlers einer
anderen Komponente ausgeschaltet und die Verfügbarkeit des Systems somit
um 50% reduziert wird. Weiterhin wird die Dynamik und Agilität des Systems
um 50% reduziert, da der übrigbleibende Motor
nur noch mit der Hälfte
der möglichen
Umdrehungszahl läuft.
Aus Gründen
der Synchronität
gilt das dann auch für
die andere Flügelseite.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Rotationswinkelbestimmung in
einem Luftfahrzeug anzugeben.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe mittels einer
Einrichtung zur Bestimmung eines Rotationswinkels einer Welle in
einem Luftfahrzeug gelöst,
die Einrichtung umfassend eine Welle und einen Motor, wobei der
Motor zur Rotation der Welle ausgeführt ist und wobei der Motor
weiterhin zur Detektion von ersten Rotationsdaten, welche mit einem
Rotationswinkel eines ersten Wellenbereichs der Welle korrespondieren,
ausgeführt
ist.
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Durch
die Messung der Rotationsdaten oder Rotationswinkel durch einen
Antriebsmotor ist eine einfache und automatische Rotationswinkelbestimmung
gewährleistet,
ohne zusätzliche
Detektionseinrichtungen vorsehen zu müssen. Dies wird durch den Einbau
von Antriebsmotoren gewährleistet,
welche ihre aktuellen Positionen intern und hochpräzise automatisch
bei Betrieb messen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst die Einrichtung weiterhin eine Positionsaufnahmeeinheit,
welche zur Detektion von zweiten Rotationsdaten ausgeführt ist, die
mit einem Rotationswinkel eines zweiten Wellenbereichs der Welle
korrespondieren.
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Vorteilhafterweise
wird somit ein redundantes System bereitgestellt, welches auch dann
Rotationsdaten misst, wenn beispielsweise eine oder sämtliche
Positionsaufnahmeeinheiten ausfallen sollten, da in diesem Fall
dann immer noch der Antriebsmotor zur Rotationsdatenmessung bereitsteht.
Dies führt
zu einer signifikanten Erhöhung
der Verfügbarkeit
des Lande- oder Bremsklappensystems. Selbst bei Ausfall aller PPU's ist das Abschalten
der Motoren nicht notwendig.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst die Einrichtung weiterhin eine Steuerungseinheit,
wobei der Motor zur Übermittlung
der ersten Rotationsdaten an die Steuerungseinheit ausgeführt ist
und wobei die Steuerungseinheit zur Steuerung oder Regelung der
Rotationsdaten der Welle auf Basis der übermittelten ersten Rotationsdaten
ausgeführt
ist.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise der Motor die von
ihm gemessenen Rotationswinkel des ersten Wellenbereichs über einen
Datenbus oder eine drahtlose Verbindung oder dergleichen an die
Steuerungseinheit, welche beispielsweise im Rumpf des Flugzeuges
angebracht ist, übermitteln.
Somit ist gewährleistet,
dass die bordinterne Steuerungseinheit stets mit den aktuellen Rotationsdaten
des ersten Wellenbereichs versorgt ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Positionsaufnahmeeinheit zur Übermittlung
der zweiten Rotationsdaten an die Steuerungseinheit ausgeführt, wobei
die Steuerungseinheit zur Steuerung oder Regelung der Rotation der
Welle auf Basis der übermittelten
ersten und zweiten Rotationsdaten ausgeführt ist.
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Vorteilhaft
ermöglicht
dies, dass der zentralen Steuerungseinheit stets Daten übermittelt
werden, welche den Rotationswinkel des ersten Wellenbereichs und
den Rotationswinkel des zweiten Wellenbereichs repräsentieren.
Der Steuerungseinheit stehen so zu jedem Zeitpunkt ausreichend Informationen
hinsichtlich den aktuellen Positionen der beiden Wellenbereiche zur
Verfügung.
Durch die redundante Ausführung
der Rotationsdatenmesseinrichtungen ist eine hohe Systemsicherheit
gewährleistet.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst die Einrichtung weiterhin eine Synchronisationseinheit,
welche zur Synchronisation der ersten Rotationsdaten mit den zweiten
Rotationsdaten ausgeführt
ist.
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Beispielsweise
kann somit sichergestellt werden, dass die Nullpunkte (also die
Positionen der ersten und zweiten Wellenbereiche, an denen noch keine
Rotation der Wellenbereiche stattgefunden hat) der Positionsaufnahmeeinheit
und des Motors miteinander übereinstimmen.
Beispielsweise kann während
des Fluges eine Eichung der Motoren auf Basis der von der Positionsaufnahmeeinheit
gelieferten Daten erfolgen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Welle zur Betätigung einer Einrichtung, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Bremsklappe, Landeklappe, Seitenruder,
Querruder und Höhenruder
ausgeführt.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
können aktuelle
Positionen der Ruder oder Klappen des Flugzeugs redundant und auf
verschiedene Weise (einmal über
die Motorsteuerung und zum anderen über die entsprechenden Positionsaufnahmeeinheiten)
bestimmt werden. Somit ist eine erhöhte Systemsicherheit oder -verfügbarkeit
der Ruder- oder Klappensysteme gewährleistet.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Steuerungseinheit zur Steuerung oder
Regelung der Rotationsdaten der Welle lediglich auf Basis der übermittelten
ersten Rotationsdaten ausgeführt,
wenn die übermittelten zweiten
Rotationsdaten fehlerhaft oder unvollständig sind.
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Somit
ist eine erhöhte
Systemverfügbarkeit dahingehend
gewährleistet,
dass bei Ausfall aller PPU's
es nicht notwendig ist, die Motoren abzuschalten, da immer noch
ausreichend Rotationsdaten der Welle vorliegen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Steuerungseinheit zur Steuerung oder
Regelung der Rotation der Welle auf Basis der übermittelten ersten und zweiten
Rotationsdaten ausgeführt,
selbst wenn die übermittelten zweiten
Rotationsdaten fehlerhaft oder unvollständig sind.
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Vorteilhafterweise
können
beispielsweise, gemäß diesem
Ausführungsbeispiel,
fehlerhafte oder unvollständige
Rotationsdaten der Positionsaufnahmeeinheit auf Grundlage der gelieferten
Rotationsdaten des Motors ergänzt
werden, so dass letztendlich wieder ein vollständiger Datensatz zur Verfügung steht.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotationswinkels
einer Welle in einem Luftfahrzeug angegeben. Die Welle wird durch einen
Motor rotiert und erste Rotationsdaten, welche mit dem Rotationswinkel
eines ersten Wellenbereichs der Welle korrespondieren, werden durch
den Motor detektiert.
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Gemäß dieses
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung wird ein einfaches und schnelles Verfahren
angegeben, bei dem Rotationsdaten der Welle über ihr Antriebsmittel automatisch detektiert
werden, ohne dass zusätzliche
Detektionseinrichtungen vorgesehen werden müssen. Dies kann zu einer Kosten-
und Gewichtseinsparung führen,
aber auch zu einer erhöhten
Redundanz und somit Systemverfügbarkeit.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
den nebengeordneten Ansprüchen.
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Im
Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung eines Luftfahrzeugs
mit einer Einrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung einer Einrichtung
zur Bestimmung eines Rotationswinkels gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische perspektivische Detaildarstellung der Einrichtung
in 2.
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4 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Welle zur Bedienung
einer Bremsklappe in einem Flugzeug.
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In
der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche oder ähnliche
Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung eines Luftfahrzeuges
mit einer Einrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie 1 zu entnehmen
ist, weist das Flugzeug 100 in seinen Tragflächen jeweils eine
erfindungsgemäße Einrichtung 200 auf,
welche beispielsweise zur Bedienung der Brems- oder Landeklappen
oder aber auch der Querruder oder dergleichen vorgesehen ist.
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Die
Einrichtung 200 ist auch innerhalb eines Simulationsaufbaus
(ausgebaut aus dem Flugzeug) 300 dargestellt, welcher in 2 und
in 3 detaillierter abgebildet ist.
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Die
Einrichtung 200 weist eine Welle 1, zwei Motoren 2, 3 und
eine Bremse 4 auf. Weiterhin sind Rotations-Aktuatoren 7, 8, 9, 12 vorgesehen,
welche, wie auch die Motoren 2, 3, eine Bestimmung
von Rotationsdaten der entsprechenden Wellenabschnitte ermöglichen.
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Die
Messdaten, welche von Motoren 2, 3 und Aktuatoren 7, 8, 9, 12 aufgenommen
werden, werden über
entsprechende Datenleitungen (nicht dargestellt in 1)
an eine zentrale Leistungssteuerungseinheit (Power Control Unit,
PCU) 10 geliefert. Dort können die Daten ausgewertet
werden und es können entsprechende
Steuer- oder Regelsignale an die Klappen- oder Rudermotoren abgegeben werden.
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung einer Einrichtung
zur Bestimmung eines Rotationswinkels gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die in 2 dargestellte
Einrichtung, welche beispielsweise in einen Flugzeugflügel integrierbar
ist, ist im Fall der 2 in einen Simulationsaufbau 300 eingebaut.
Die Einrichtung umfasst eine Welle 1, Motoren 2 und 3,
eine Systembremse 4, einen Last-Simulationszylinder 5 und
Servos 6 zur Simulation eines Klappenwiderstandes, Aktuatoren
oder Positionsaufnahmeeinheiten 7, 12 und einen
ersten Wellenbereich 13 und einen zweiten Wellenbereich 14.
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Die
Welle 1 wird über
die beiden Motoren 2, 3 an ihren Endbereichen
rotiert, um die Klappen oder Ruder zu bedienen, welche über die
Zylinder 5 und Servos 6 simuliert werden. Die
Rotationsmittel der entsprechenden Wellenbereiche werden hierbei über die
Aktuatoren 7 und 12 gemessen und die entsprechenden
Messdaten an die zentrale Steuerungseinheit 10 (s. 1) übermittelt.
Weiterhin werden Rotationsdaten der Wellenbereiche in der Nähe der Motoren 2, 3 direkt
von den Motoren (während
ihres Betriebs) detektiert und ebenfalls an die zentrale Steuerungseinheit 10 übermittelt.
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Die
verwendeten Motoren zur Verstellung der Klappen messen die eingestellten
Positionen intern hochpräzise,
sehr viel präziser
als die heute verfügbaren
PPU's 7, 12.
Die Messung der Positions- oder Rotationsdaten erfolgt hierbei beispielsweise absolut
und nicht inkrementell. Über
entsprechende Datenleitungen werden diese Positionsdaten dann an
die Steuerungseinheit 10 weitergereicht und verbleiben
nicht (wie bisher) innerhalb der Motoreinheiten.
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Werden
die PPU-Daten und die Motorpositionsdaten an die Steuerungseinheit 10 geliefert,
können,
beispielsweise gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die Motorpositionsdaten entsprechend
umgerechnet werden. Dies kann beispielsweise im Anschluss an eine
Eichung erfolgen, welche den Nullpunkt des Motors auf Basis der von
den Positionsaufnahmeeinheiten 7, 12 gelieferten
Rotationsdaten festlegt.
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Somit
sind die von den Motoren 2, 3 gemessenen Rotationsdaten
direkt mit den PPU-Daten vergleichbar und bei einem Ausfall oder
Fehler einer PPU muss erfindungsgemäß der entsprechende Motor nicht
mehr abgeschaltet werden, da ja noch Positionsdaten bei dem entsprechenden
Motor verfügbar sind.
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Weiterhin
können
vorteilhafterweise Positionsdaten einer PPU, die nur leicht fehlerhafte
Daten liefert (Bithänger)
nun detektiert werden und entsprechend ausgewertet bzw. weiterverwendet
werden, was vorher nicht möglich
war.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die Motorpositionsdaten zusammen
mit den Daten der Positionsaufnahmeeinheiten 7, 12 an
die Steuerungseinheit 10 übermittelt und ab und zu mit
den Positionsaufnahmeeinheitsdaten synchronisiert. Somit können evtl.
auftretende Motordriften herausgerechnet werden.
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Fällt beispielsweise
eine der PPU's 7, 12 aus,
sind weiterhin die Rotationsdaten oder Positionsdaten des entsprechenden
Antriebsmotors 3, 2 erhältlich, so dass weiterhin stichhaltige
Aussagen über
die Position des entsprechenden Wellenbereichs und somit über eine
evtl. Kraftwirkung auf die Welle getroffen werden können und
der Motor nicht abgeschaltet werden muss.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung können
die von den Motoren gemessenen Rotationsdaten dazu verwendet werden, fehlerhaft
oder unvollständig übermittelte
Rotationsdaten der Positionsaufnahmeeinheiten 7, 12 zu
reparieren oder zu ergänzen.
Dies erfolgt beispielsweise innerhalb der Steuerungseinheit 10.
Selbst bei Ausfall aller Positionsaufnahmeeinheiten 7, 12 ist
immer noch ein sicherer Betrieb der Klappen- oder Ruderanlagen gewährleistet,
da noch immer ausreichend Rotationsdaten bezüglich der entsprechenden Wellen 1 vorliegen.
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3 zeigt
eine schematische perspektivische Detaildarstellung der Einrichtung
aus 2. Wie in 3 zu erkennen,
ist der Antriebsmotor 2 am Ende der Welle 1 angeordnet,
um die Welle 1 zu rotieren. Lastzylinder 5 dient
zur Simulation der auf die Klappen oder Ruder einwirkenden Kräfte, welche beispielsweise
durch den Luftwiderstand verursacht sind.
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Über Daten-
und Versorgungsleitung 15 können beispielsweise von dem
Motor 2 gemessene Rotationsdaten an die Steuerungseinheit 10 der 1 übermittelt
werden. Natürlich
kann diese Datenübertragung
auch über
zusätzliche
Datenleitungen oder kabellos erfolgen.
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4 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Welle zur Bedienung
einer Bremsklappe. Wie in 4 zu erkennen,
weist die Welle 1 eine Ruheposition 41 auf welche
beispielsweise einer eingeklappten Position entspricht. In dieser
Position kann z.B. der Motor 2 mit den durch die Positionsaufnahmeeinheit 12 gemessenen
Rotationsdaten synchronisiert werden. Durch Betätigung des Motors 2 rotiert
dann die Welle 1 um einen Winkel α in eine Position 42.
Dieser Rotationswinkel α kann
erfindungsgemäß sowohl
durch den Motor 2 als auch durch die Positionsaufnahmeeinheit 12 detektiert werden.
Vorteilhaft hierfür
ist es beispielweise, wenn Motor 3 und Positionsaufnahmeeinheit 12 benachbart
zueinander an der Welle angebracht sind, damit sie den gleichen
Wellenbereich überwachen.
Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Vielmehr können entsprechende
Eichungen vorgenommen werden, z.B. bei definierten Bedingungen,
so dass eine Zuordnung der Motormessdaten zu den Positionsaufnahmeeinheitsdaten
z.B. in der Steuerungseinheit 10 vorgenommen werden kann.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von der
dargestellten Nutzung und dem erfindungsgemäßen Prinzip auch bei grundsätzlich anders
gearteten Ausführungsformen
Gebrauch macht.
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Ergänzend sei
darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkungen anzusehen.