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Die vorliegende Erfindung betrifft die Füllstandmessung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Frequenzumsetzer für ein Füllstandradar, ein Füllstandradar zur Bestimmung eines Füllstands in einem Tank, die Verwendung eines derartigen Frequenzumsetzers zur Füllstandmessung sowie ein Verfahren zum Frequenzumsetzen für ein Füllstandradar.
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Bekannte Füllstandmessgeräte weisen neben einer Antenne zum Aussenden bzw. Empfangen von Radar- oder Mikrowellen einen Frequenzumsetzer auf, welcher ein elektromagnetisches Signal, welches von einem Sendepulsoszillator erzeugt wurde, zu hohen Frequenzen transformiert.
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DE 198 13 604 A1 beschreibt eine Anordnung zur präzisen Entfernungsmessung, insbesondere zur Füllstandmessung, bei welcher die Sendefrequenz vor einem Verstärker durch Frequenzvervielfachung um einen konstanten Faktor erhöht wird.
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DE 43 34 079 A1 beschreibt einen Radar-Entfernungsmesser nach dem FMCW-Prinzip mit einer digitalen Signalverarbeitung bei begrenztem Frequenzhub.
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EP 1 562 051 A2 beschreibt ein Verfahren zur Füllstandmessung mit einem Füllstandradar mit einem Verstärker vor und/oder nach dem Sendekoppler.
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Die
DE 43 31 353 A1 betrifft ein Radar-Abstandsmessgerät mit einer Frequenzumsetzungsschaltung, welche einen Lokaloszillator, einen Mischer und einen Antennenanschluss aufweist. Die Frequenzumsetzungsschaltung setzt eine Frequenz der von einem Radarmodul empfangenen Signale durch Mischung mit einer anderen Frequenz des Lokaloszillators in eine höhere Frequenz um, mit der die Sendesignale an einen Antennenanschluss abgegeben werden.
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Die Sendeleistung ist hierbei von der Leistung des Mischers abhängig. Nach Verlassen des Mischers besteht keine Möglichkeit, das Sendesignal noch einmal zu verstärken.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Frequenzumsetzung für ein Füllstandradar anzugeben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Frequenzumsetzer für ein Füllstandradar gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Der Frequenzumsetzer umfasst eine Signalgeneratoreinheit zur Erzeugung eines frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals, eine Empfängerschaltung zum Empfangen eines Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands, einen Sendekoppler und einen ersten Verstärker zum Verstärken des frequenzumgesetzten Sendesignals und/oder eines Empfangsignals, wobei der Sendekoppler einen Eingang zur Aufnahme des verstärkten frequenzumgesetzten Sendesignals von der Signalgeneratoreinheit, einen ersten Ausgang zur direkten Abgabe des Sendesignals an eine Antennenvorrichtung und zur Aufnahme eines Empfangssignals von der Antennenvorrichtung, und einen zweiten Ausgang zur Abgabe des Empfangssignals an die Empfängerschaltung aufweist.
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Somit weist der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer also einen Verstärker auf, welcher ein frequenzumgesetztes Hochfrequenz-Sendesignal verstärkt, bevor es von der Antenne abgestrahlt wird, oder der das von der Antenne empfangene Empfangssignal verstärkt, bevor es auf eine niedrige Frequenz rücktransformiert wird.
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Durch diese zusätzliche Verstärkung können ein besseres Signal/Rauschverhältnis sowie eine höhere Empfindlichkeit erzielt werden. Insbesondere können somit auch Messungen für weniger günstige Füllgüter möglich sein, bei denen ansonsten das reflektierte Signal zu klein wäre, um akzeptable, brauchbare Messergebnisse zu erzielen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Sendekoppler ein Richtkoppler, welcher einen symmetrischen oder einen unsymmetrischen Hybrid aufweist.
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Ein solcher unsymmetrischer Hybridkoppler kann beispielsweise als 90°-Hybridkoppler ausgeführt sein, welcher sich insbesondere in Verbindung mit einer zirkularen Hohlleitereinkopplung eignet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Antennenvorrichtung eine zirkulare Hohlleitereinkopplung auf, wobei der erste Ausgang des Sendekopplers mit der zirkularen Hohlleitereinkopplung zur Einkopplung des Sendesignals gekoppelt ist.
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Die Kombination aus einem symmetrischen 90°-Hybridkoppler und einer zirkularen Einkopplung ergibt als weiteren Vorteil bereits die Auftrennung von Sende- und Empfangsweg. Hierdurch kann auf teure Bauteile wie z. B. einen Zirkulator verzichtet und gleichzeitig die volle Generatorleistung an die Antenne weitergeleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Signalgeneratoreinheit zum Erzeugen eines elektromagnetischen Sendesignals mit einer Frequenz von zwischen 60 Gigahertz und 120 Gigahertz ausgeführt.
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Beispielsweise kann der Frequenzumsetzer als 79 Gigahertz HF-Modul ausgeführt sein. Es sind aber auch höhere Frequenzen möglich, beispielsweise Frequenzen um 120 Gigahertz.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Frequenzumsetzer einen zweiten Verstärker zum Verstärken des Empfangssignals, wobei der zweite Verstärker nach dem zweiten Ausgang angeordnet ist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind nun also zwei Verstärker vorgesehen, wobei der erste Verstärker beispielsweise zum Verstärken des Eingangssignals in den Sendekoppler und der zweite Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals bzw. empfangenen Signals nach Austritt aus dem Sendekoppler dient. Beide Verstärker liegen auf der Hochfrequenzseite des Frequenzumsetzers. Somit ist eine flexible Verstärkung der Ein- bzw. Ausgangssignale gewährleistet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Signalgeneratoreinheit einen Pulsgenerator zum Erzeugen eines ersten elektromagnetischen Signals mit einer ersten Frequenz, gegebenenfalls einen Lokaloszillator zum Erzeugen eines zweiten elektromagnetischen Signals mit einer zweiten Frequenz, und einen ersten Mischer zum Frequenzumsetzen des ersten elektromagnetischen Signals von dem Pulsgenerator mit Hilfe des zweiten elektromagnetischen Signals von dem Lokaloszillator, wobei der erste Mischer zur Ausgabe des Sendesignals ausgeführt ist.
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Es ist also ein Mischer vorgesehen, welcher ein Eingangssignal von dem Pulsgenerator erhält und dieses Eingangssignal dann mit Hilfe eines Signals von dem Lokaloszillator (welches beispielsweise zwischen 10 und 25 Gigahertz liegen kann) zu höheren Frequenzen mischt. Aus dieser Mischung resultiert dann das Sendesignal, welches nachfolgend verstärkt wird und in den Sendekoppler eingespeist wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Frequenzumsetzer weiterhin einen zweiten Mischer zum Frequenzumsetzen des Empfangssignals mit Hilfe eines dritten elektromagnetischen Signals von dem Lokaloszillator. Es werden also beide Signale mit dem gleichen Lokaloszillator gemischt.
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Beispielsweise kann auch ein zusätzlicher Lokaloszillator vorgesehen sein, der beispielsweise in der Phase starr mit dem anderen Lokaloszillator gekoppelt ist, so dass beide Oszillatoren synchron laufen.
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Beispielsweise kann der zweite Mischer die Frequenz des Empfangssignals zu niedrigen Frequenzen mischen, so dass das frequenzumgesetzte Empfangssignal dann einfach ausgewertet werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Signalgeneratoreinheit des Frequenzumsetzers einen Pulsgenerator zum Erzeugen des ersten elektromagnetischen Signals mit der ersten Frequenz und gegebenenfalls einen ersten Vervielfacher zum Vervielfachen des ersten elektromagnetischen Signals von dem Pulsgenerator und zur Ausgabe des vervielfachten Signals als Sendesignal.
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Die Signalvervielfachung erfolgt durch die Entstehung von Oberwellen an einer nicht-linearen Kennlinie z. B. an einem Halbleiterbauelement. Ein Mischer ist nicht erforderlich. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden nicht zwei Eingangssignale mit verschiedenen Frequenzen (durch den Mischer) addiert. Vielmehr gibt es nur ein einzelnes Eingangssignal, welches vervielfacht wird (beispielsweise um den Faktor 4 oder um den Faktor 8 oder um einen anderen Faktor).
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Hierdurch wird eine einfache Schaltung bereitgestellt, welche ein gutes Signal/Rauschverhältnis und eine höhere Empfindlichkeit bereitstellen kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Füllstandradar zur Bestimmung des Füllstands in einem Tank angegeben, welches eine Antenne zum Aussenden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen und einen oben beschriebenen Frequenzumsetzer aufweist.
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Weiterhin ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Frequenzumsetzers zur Füllstandmessung angegeben.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Frequenzumsetzen für ein Füllstandradar angegeben, das Verfahren umfassend ein Erzeugen eines frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals, ein Verstärken des Sendesignals, eine Aufnahme des verstärkten Sendesignals in einem Eingang eines Sendekopplers, eine direkte Abgabe des Sendesignals von einem ersten Ausgang des Sendekopplers an eine Antennenvorrichtung, eine Aufnahme eines Empfangssignals im ersten Ausgang des Sendekopplers, eine Abgabe des Empfangssignals von einem zweiten Ausgang des Sendekopplers an eine Empfängerschaltung und ein Empfangen des Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands.
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Hierdurch wird ein Verfahren bereitgestellt, durch welches die Empfindlichkeit der Messung erhöht werden kann, indem zum Beispiel das Sendesignal auf der Hochfrequenzseite des Frequenzumsetzers verstärkt wird.
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Das Sendesignal kann somit nach der Frequenzumsetzung noch einmal zusätzlich verstärkt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Erzeugens des frequenzumgesetzten elektromagnetischen Signals eine erste Frequenzumsetzung mit einem ersten Mischer.
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Weiterhin kann das Auswerten des Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands eine zweite Frequenzumsetzung mit einem zweiten Mischer umfassen.
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Alternativ hierzu kann eine Signalvervielfachung vorgesehen sein, welche eingesetzt wird, um das elektromagnetische Sendesignal derart zu erzeugen, dass Oberwellen aufgrund einer nicht-linearen Kennlinie eines Bauteiles entstehen.
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Ein eingangsseitiger Mischer zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals ist somit nicht erforderlich.
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Weitere Ausführungsbeispiele, Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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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 Darstellung eines Frequenzumsetzers.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandradars gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers. Der Frequenzumsetzer weist einen Sendepulsoszillator 101 (Tx Oszillator) auf. Das dort erzeugte elektromagnetische Signal mit der Frequenz f1 wird an einen Sendekoppler 102 weitergegeben, der es nachfolgend an einen Mischer 103 weiterleitet.
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Ein Lokaloszillator 107 erzeugt ein weiteres Signal mit der Frequenz f2, welches ebenfalls dem Mischer 103 zugeführt wird. Aus dem Signal des Sendepulsoszillators 101 und dem Signal des Lokaloszillators 107 erzeugt der Mischer 103 nun ein in der Frequenz hochgemischtes Signal mit der Frequenz f3 = f1 + f2, welches dann an ein Hochpassfilter 104 weitergegeben wird. Vom Hochpassfilter 104 wird das hochfrequente Sendesignal dann an die Antenne 105 abgegeben. Die Antenne 105 strahlt das Signal dann in Richtung Füllgut ab.
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Das vom Füllgut reflektierte Signal wird von der Antenne 105 aufgenommen und an das Hochpassfilter 104 geleitet. Dieses leitet das Empfangssignal dann an den Mischer 103 weiter, welcher das Empfangssignal mit der Frequenz f3 zusammen mit dem Lokaloszillator mit der Frequenz f2 wieder in den ursprünglichen niedrigeren Frequenzbereich des Sendepulsoszillators auf die Frequenz f1 = f3 – f2 zurückmischt und an den Sendekoppler 102 übergibt.
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Im Mischer 103 hat hierbei eine Rücktransformation des Empfangssignals zurück zu niedrigen Frequenzen stattgefunden.
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Vom Sendekoppler 102 wird das Empfangssignal dann an den Vorverstärker 106 abgegeben. Vom Vorverstärker 106 wird das Empfangssignal dann einem Sampling-Mischer 109 zugeleitet, welcher zusätzlich ein Signal von einem Abtastoszillator 108 empfängt. Das Ausgangssignal des Sampling-Mischers 109 geht dann einem ZF-Verstärker 110 zu und kann dann nachfolgend ausgewertet werden, um z. B. den Füllstand zu bestimmen.
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Die Sendeleistung beträgt in diesem System je nach eingesetztem Mischer etwa –5 bis 0 dBm. Die maximal einfügbare Dämpfung beträgt so etwa 75 bis 80 dB.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu erkennen, weist der Frequenzumsetzer 200 eine Signalgeneratoreinheit 217, eine Empfängerschaltung 216, einen Verstärker 204, Verstärker 207, einen Lokaloszillator 202 und einen Sendekoppler 206 auf.
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Die Signalgeneratoreinheit 217 umfasst hierbei einen Pulsgenerator 201 zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen bzw. elektromagnetischen Pulsen. Das erzeugte Signal 218 mit der Frequenz f1 wird dann an einen Mischer 203 weitergeleitet, welcher ebenfalls ein Signal 219 mit der Frequenz f2 von einem Lokaloszillator 202 entgegennimmt. Aus den beiden Eingangssignalen 218, 219 erzeugt der Mischer ein hochfrequentes Ausgangs- bzw. Sendesignal 220 mit der Frequenz f3 = f1 + f2.
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Dieses Sendesignal 220 wird dann von dem Verstärker 204 verstärkt und als verstärktes Signal 213 dann an den Sendekoppler 206 weitergegeben.
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Der Sendekoppler 206 ist beispielsweise als symmetrischer oder als unsymmetrischer Hybridkoppler oder als Zirkulator ausgeführt. Das Signal 213 durchlauft den Sendekoppler 206 bei relativ geringer Dämpfung und wird als Signal 223 an ein Antennensystem 205 weitergegeben. Das Antennensystem 205 ist zum Senden/Empfangen von Hochfrequenzsignalen ausgeführt und umfasst beispielsweise einen Hohlleiter zum Übertragen der Signale von Sendekoppler 206 zur Antenne und zurück.
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Das Antennensystem 205 sendet einen Messpuls 210 aus, welcher dann von dem zu messenden Gegenstand bzw. Medium (bei dem es sich beispielsweise um eine Füllgutoberfläche 212 handelt) als Empfangssignal 211 reflektiert wird. Das Empfangssignal 211 wird nachfolgend von dem Antennensystem 205 wieder aufgenommen und an den Sendekoppler 206 übertragen.
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Der Sendekoppler 206 gibt nun das empfangene Signal am Ausgang 214 aus. Der Verstärker 207 verstärkt das Empfangssignal 214 und leitet dieses an die Empfängerschaltung 216 weiter.
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Hier ist zu beachten, dass nicht zwei Verstärker 204, 207 vorgesehen sein müssen. Vielmehr kann auch nur ein einzelner Verstärker, beispielsweise Verstärker 204 oder aber auch nur Verstärker 207, vorgesehen sein, je nachdem, ob das Eingangssignal 220 oder das Ausgangssignal 214 verstärkt werden soll. In jedem Fall ist der Verstärker/sind die Verstärker auf der Hochfrequenzseite des Frequenzumsetzers 200 angeordnet.
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Die Empfängerschaltung 216 umfasst einen Mischer 208, einen Sampling-Mischer 225, einen Pulsgenerator 226 und einen ZF-Verstärker 227.
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Zwischen dem zweiten Mischer 208 und dem Sampling-Mischer 225 kann ein weiterer Verstärker geschaltet sein (nicht dargestellt in 2).
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Es ist zu beachten, dass die Lokaloszillatoren 202, 221 verschiedene Oszillatoren sein können. Sie können aber auch als ein einzelner Oszillator ausgeführt sein, welcher die Mischer 203, 208 speist.
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Der Oszillator 202 kann entweder in der Empfängerschaltung 216 oder in der Signalgeneratoreinheit 217, oder auch separat, angeordnet sein.
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In der Empfängerschaltung 216 wird das verstärkte Empfangssignal mit der Frequenz f3 dann in den zweiten Mischer 208 eingespeist, welcher auch von dem Lokaloszillator 202 mit Signal 222 mit einer Frequenz f2 gespeist wird. Hier wird nun eine Rückmischung zurück zu einer niedrigeren Frequenz vorgenommen. Das resultierende Signal 224 mit der Frequenz von f1 = f3 – f2 wird dann an den Sampling-Mischer 225 abgegeben, wo es vom Signal abgetastet wird. Das abgetastete, zeitgedehnte Signal 229 wird dann noch einmal durch den Verstärker 227 verstärkt und steht am ZF-Ausgang 209 als ZF-Signal zur Auswertung und zur Bestimmung des Füllstandes zur Verfügung.
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Das so aufgebaute System erreicht eine wesentlich höhere Empfindlichkeit. Die maximal einfügbare Dämpfung in der Messstrecke beträgt je nach Verstärkereinsatz bis zu etwa 95 dB.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der in 3 dargestellte Frequenzumsetzer 200 weist weiterhin einen Bandpass 302 auf und zwischen dem ersten Mischer 203 und dem Pulsgenerator 201 angeordnet ist. Weiterhin weist das Modul der 3, welches als 79 Gigahertz HF-Modul ausgeführt ist, einen zweiten Bandpass 303 auf. Dieser zweite Bandpass 303 ist zwischen dem ersten Mischer 203 und dem ersten Verstärker 204 angeordnet.
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Der erste Verstärker 204 weist eine DC-Versorgung 311 auf, die entweder dauernd mit Spannung versorgt werden kann oder aber mit dem gepulsten Eingangssignal des Pulsgenerators 201 versorgt wird. Durch den gepulsten Betrieb ergibt sich ein wesentlich geringerer Stromverbrauch als im Dauerbetrieb.
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Weiterhin ist eine zirkulare Hohlleitereinkopplung 301 vorgesehen, um Signale vom Sendekoppler 206 einzukoppeln bzw. an den Sendekoppler 206 (von der Antenne aus) abzugeben. Der Sendekoppler 206 ist hierbei als 90°-Hybrid ausgeführt.
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Die beiden Mischer 203, 208 werden von dem Lokaloszillator 202 (welcher Frequenzen von beispielsweise zwischen 10 und 25 Gigahertz erzeugt) und einem Vervielfacher 304 gespeist.
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Der Vervielfacher 304 weist eine DC-Versorgung 312 auf, welche ebenfalls dauernd an der Versorgungsspannung liegen kann oder mit den gepulsten Eingangssignalen der beiden Pulsgeneratoren 201 und 226 versorgt wird.
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Vom zweiten Mischer 208 wird das rückgemischte niederfrequentere Signal an den Sampling-Mixer 225 abgegeben. Weiterhin werden dem Sampling-Mixer 225 Signale von einem Pulsgenerator 226 zugeführt. Zwischen Sampling-Mixer 225 und Pulsgenerator 226 kann ein Bandpass 306 geschaltet sein.
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Die Ausgangssignale des Sampling-Mixers 225 werden über den Verstärker 227 verstärkt und stehen am ZF-Ausgang 209 zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Frequenzumsetzer der 4 weist hierbei neben dem Pulsgenerator 201 einen Bandpass 302, einen Vervielfacher 403 und einen weiteren Bandpass 303 auf. Der Vervielfacher 403 sorgt durch die Entstehung von Oberwellen an der nicht-linearen Kennlinie eines Halbleiterbauelementes (z. B. Transistor oder Diode) für eine Signalvervielfachung.
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Das vom Pulsgenerator 201 erzeugte Signal hat beispielsweise eine Frequenz von f1 = 10 Gigahertz. Das um den Faktor 8 vervielfachte und gefilterte Signal 220 hat beispielsweise eine Frequenz von f3 = 8·10 GHz = 80 Gigahertz. Es können aber natürlich auch andere Frequenzen erzeugt werden.
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Das Empfangssignal 214 wird dem Sampling-Mixer 225 zugeführt, der in diesem Beispiel für die hohe Frequenz f3 ausgelegt sein muss. Der Sampling-Mixer 225 erhält weiterhin ein Signal 309, welches von dem Pulsgenerator 226 erzeugt wird und nach einer Filterung durch Bandpass 306 einem zweiten Vervielfacher 401 zugeführt wird. Nach einer entsprechenden Vervielfachung durchläuft das Signal einen weiteren Bandpass 402, bevor es dann in den Sampling-Mixer 225 eingespeist wird.
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Hierdurch wird eine einfache Schaltung bereitgestellt, welche eine Verstärkung des Sendesignals 220 nach einer Frequenzvervielfachung hin zu hohen Frequenzen ermöglicht.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandradars gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Das Füllstandradar 500 weist hierbei eine Signalgeneratoreinheit 217, einen Verstärker 204, einen Sendekoppler 206 und eine Empfängerschaltung 216 auf. Weiterhin ist eine Antennenvorrichtung 205 mit einer zirkularen Hohlleitereinkopplung 301 vorgesehen.
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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.