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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Durchflußmeßsystem
zum Messen eines Durchflusses in einem Gewässer mittels einer Ultraschallmessung,
insbesondere in einem Fließgewässer, und
ein Verfahren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Der
Durchfluß ist
eine wichtige gewässerkundliche
und hydrologische Meßgröße, beispielsweise
für die
Bewirtschaftung des Wasserdargebotes, den Hochwasserschutz, die
Bemessung und den Betrieb wasserwirtschaftlicher Anlagen, die Kalibrierung
und Validierung hydraulischer/hydrologischer Modellrechnungen, die
Erstellung gewässerkundlicher
Statistiken und die Erteilung wasserrechtlicher Genehmigungen.
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Ultraschall-Durchflußmeßsysteme
finden zunehmend Anwendung bei der Ermittlung von Durchflüssen in
oberirdischen Gewässern.
Sie ergänzen oder
ersetzen hierbei herkömmliche
Pegelmeßanlagen,
bei denen die Durchflüsse
aus gemessenen Wasserständen
anhand einer Wasserstands-Durchfluß-Beziehung ermittelt werden.
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Das
Ultraschall-Durchflußmeßverfahren
ist ein indirektes Meßverfahren,
d. h. der Durchfluß wird auf
der Grundlage der Kontinuitätsgleichung
aus einer Geschwindigkeitsmessung und einer dem Wasserstand zugeordneten
Fließfläche berechnet.
Es sind verschiedene Meßsystemkonfigurationen
bekannt, bei denen mit Hilfe von hydroakustischen Meßeinrichtungen,
die auch als hydroakustische Wandler oder Meßsonden bezeichnet werden,
Messungen der Geschwindigkeit mittels Ultraschallsignalen durchgeführt werden.
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Die
einfachste Meßanordnung
wird von zwei sich schräg
gegenüberliegende
hydroakustische Meßeinrichtungen
gebildet. Voraussetzung ist hierbei, daß eine Hauptströmung des
zu untersuchenden Gewässers
parallel zu den Ufern verläuft.
Diese Voraussetzungen sind am besten in Kanälen und kanalartig ausgebauten
Querschnitten von Fließgewässern gegeben.
Die hydroakustischen Meßeinrichtungen
arbeiten als Sender und Empfänger
für Ultraschallmeßsignale,
die in beiden Richtungen zwischen den zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen ausgetauscht
werden. Es wird die Laufzeit der Ultraschallmeßsignale zwischen den zwei
hydroakustischen Meßeinrichtungen
entlang einer durch das untersuchte Gewässer verlaufenden Meßstrecke
gemessen, die auch als Meßpfad
bezeichnet wird.
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Eine
weitere Meßanordnung
ist die Kreuzstreckenanlage. In natürlichen Gewässern verläuft die Hauptströmung nur
selten parallel zum Ufer. Krümmungen
des Gewässerverlaufs
und die Querschnittsform beeinflussen die Hauptströmungsrichtung
bei unterschiedlichen Wasserspiegellagen nachhaltig. In solchen
Fällen
wird die Kreuzstreckenanlage eingesetzt, bei der mit Hilfe eines
zweiten Meßpfades
zusätzlich
der Winkel zwischen der Hauptströmungsrichtung
und einem Ufer berechnet wird. Bei dieser Meßanordnung wird zunächst gleichzeitig
die Laufzeit in zwei Meßpfaden
zwischen sich jeweils schräg
gegenüberliegenden,
hydroakustischen Meßeinrichtungen
gemessen. Danach wird die Laufzeit der Ultraschallmeßsignale
in den beiden Meßpfaden
in umgekehrter Richtung ermittelt.
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Weiterhin
ist die Responderanlage bekannt. Beim Einsatz eines Responders werden
die Ultraschallmeßsignale
zunächst
gegen die Fließrichtung des
Gewässers
entlang eines Meßpfades
zwischen schräg
gegenüberliegenden,
hydroakustischen Meßeinrichtungen
gesendet. Das auf der Gegenseite empfangene Signal wird an den Responder
weitergeleitet, der mit minimaler elektronischer Zeitverzögerung ein
entsprechendes Signal wiederum gegen die Fließrichtung entlang eines weiteren
Meßpfades
aussendet. Die Messung der Laufzeit des Ultraschallmeßsignals
in Strömungsrichtung
erfolgt umgekehrt entlang der beiden Meßpfade.
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Darüber hinaus
ist die Reflektoranlage im Einsatz. Während bei einer Responderanlage
das Signal mittels des Responders aktiv verstärkt wird, wird es bei einer
Reflektoranlage ausschließlich
an einer sehr kleinen Reflektoroberfläche reflektiert. Aufgrund der
verdoppelten Meßpfadlänge und
der hieraus resultierenden Dämpfung
der Ultraschallmeßsignale
ist das Einsatzgebiet dieses Meßanlagentyps
auf geringe Gewässerbreiten
beschränkt.
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Die
Messungen der Laufzeiten der Ultraschallmeßsignale zwischen den hydroakustischen Meßeinrichtungen
(Wandlern) setzt eine exakte zeitliche Synchronisation der an der
Messung beteiligten Meßeinrichtungen
voraus. Nur so können
exakt Laufzeitdifferenzen erfaßt
werden. Dieses ist wiederum Voraussetzung für eine genaue Messung der mittleren
Fließgeschwin digkeit
in der Meßebene
des untersuchten Gewässers.
Je genauer die Laufzeitdifferenzen aufzulösen sind, desto genauer ist
die Messung der Fließgeschwindigkeiten
in der Meßebene.
Die Genauigkeit der Messung der Fließgeschwindigkeit legt wiederum
die Genauigkeit der Abflußbestimmung
fest. Bei bekannten Ultraschall-Duchflußmeßsystemen wird die zeitliche
Synchronisation der hydroakustischen Meßeinrichtungen sichergestellt,
indem über
Kabelverbindungen zwischen den an der Messung beteiligten hydroakustischen
Meßeinrichtungen
zeitliche Taktsignale ausgetauscht werden. Auf diese Weise wird
ein abgestimmtes, taktgenaues Arbeiten der hydroakustischen Meßeinrichtungen
erreicht.
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Die
Installation der die hydroakustischen Meßeinrichtungen verbindenden
Kabel im Gewässer erfolgt
in der Regel durch Taucher, die die in Hüllrohren geschützten Kabel
in eine Flußsohle
einspülen. Im
späteren
Betrieb besteht trotzdem die Gefahr, daß die Kabel durch äußere Einflüsse wie
Schiffsanker oder Gezeiten- und Strömungsbewegungen strapaziert
und zerstört
werden. Neben dem Meßdatenverlust
in einem solchen Fall wird dann zusätzlicher Aufwand für die Reparatur
oder den Ersatz der Kabel notwendig. Bei felsigem Untergrund kann
sogar eine Horizontalbohrung unter den Flußlauf erforderlich werden,
um die Kabel zu installieren. Unabhängig von der genutzten Meßanordnung
ist die Kabelverlegung stets aufwendig und somit kostenintensiv.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Ultraschall-Durchflußmeßsystem zum Messen eines Durchflusses
in einem Gewässer
sowie ein Verfahren zum Messen eines Durchflusses in einem Gewässer zu
schaffen, die auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen kostengünstig und
an den Anwendungsfall angepaßt
realisiert werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Ultraschall-Durchflußmeßsystem
nach dem unabhängigen
Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Messen eines Durchflusses nach
dem unabhängigen Anspruch
10 gelöst.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung ist Ultraschall-Durchflußmeßsystem
zum Messen eines Durchflusses in einem Gewässer mittels einer Ultraschallmessung,
insbesondere in einem Fließgewässer, mit
mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen geschaffen,
die an ein Meßgerät gekoppelt
sind und zwischen denen eine wenigstens teilweise durch das Gewässer verlaufende
Ultraschall-Meßstrecke
gebildet ist, wobei die mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen
jeweils die folgenden Merkmale aufweisen: eine Ultraschallsende-/Ultraschallsempfangseinheit
zum Senden/Empfangen von Ultraschallmeßsignalen über die Ultraschall-Meßstrecke;
eine Sende-/Empfangseinheit zum Austauschen von Datensignalen zumindest
unter den mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen über eine
oder mehrere kabellose Datensignalverbindungen; und eine Zeitsignale
kabellos empfangende Zeitgebereinheit zum zeitlichen Synchronisieren
der mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen.
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Nach
einem weiteren Aspekt ist Verfahren zum Messen eines Durchflusses
in einem Gewässer mit
einem Ultraschall-Durchflußmeßsystem,
insbesondere in einem Fließgewässer, wobei
das Ultraschall-Durchflußmeßsystem
mindestens zwei hydroakustische Meßeinrichtungen umfaßt, die
an ein Meßgerät gekoppelt
sind und zwischen denen eine wenigstens teilweise durch das Gewässer verlaufende
Ultraschallmeßstrecke
gebildet wird, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Austauschen
von Ultraschallmeßsignalen
zwischen Ultraschallsende-/Ultraschallsempfangseinheiten der mindestens
zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen
entlang der Ultraschallmeßstrecke,
um im Rahmen einer Meßwertaufnahme
Ultraschallmeßwerte aufzunehmen; Übertragen
der Ultraschallmeßwerte an
das Meßgerät über eine
oder mehrere kabellose Datensignalverbindungen; und Ermitteln eines
aktuellen Durchflusses aus den Ultraschallmeßwerten in dem Meßgerät; wobei
die mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen zumindest für die Meßwertaufnahme
von einer jeweiligen Zeitsignale kabellos empfangenden Zeitgebereinheit
zeitlich synchronisiert werden Mit Hilfe der Erfindung ist ein Ultraschall-Durchflußmeßsystem
geschaffen, bei dem es nicht notwendig ist, den aufwendigen Prozeß der Kabelverlegung
und der Kabelwartung durchzuführen. Der
Datenaustausch zwischen den hydroakustischen Meßeinrichtungen erfolgt über kabellose
Datensignalverbindungen. Auch das zur Synchronisation der mehreren
hydroakustischen Meßeinrichtungen
notwendige Zeitsignal wird kabellos empfangen. Auf diese Weise ist
ein Ultraschall-Durchflußmeßsystem
geschaffen, welches an hydrologisch interessanten Meßstellen
auch in größeren Gewässern eingesetzt werden
kann, wo Ultraschallmessungen bisher nicht durchführbar waren,
da die im Stand der Technik notwendige Kabelverlegung zu teuer oder
sogar vollständig
ausgeschlossen war. Die kabellosen Datensignalverbindungen sind
im Unterschied zu den bekannten Kabelverbindungen wartungsfrei.
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Das
Ultraschall-Durchflußmeßsystem
und das Verfahren können
vorteilhaft mit allen Meßanordnungen
verwendet werden, wie sie als solche für Ultraschall-Durchflußmessungen
bekannt sind.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, daß zwischen
den mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen eine Master-Slave-Meßkonfiguration
für die
Ultraschallmessung gebildet ist. Hierdurch ist es ermöglicht,
daß eine
der hydroakustischen Meßeinrichtungen
die Koordination und Steuerung der Ultraschallmessung übernimmt,
indem durch diese Master-Meßeinrichtung
die übrigen,
an der Messung beteiligten Slave-Meßeinrichtungen zumindest für Teilprozesse
der Ultraschallmessung gesteuert und koordiniert werden. Hierzu
werden über
die kabellosen Datensignalverbindungen zwischen den hydroakustischen
Meßeinrichtungen
insbesondere Steuerbefehlssignale ausgetauscht. Eine Master-Slave-Meßkonfiguration hat
darüber
hinaus den Vorteil, daß sie
an unterschiedliche Meßzwecke
anpaßbar
ist. So kann eine hydroakustische Meßeinrichtung im Rahmen einer ersten
Ultraschallmessung die Master-Funktion übernehmen, wohingegen die selbe
hydroakustische Meßeinrichtung
bei einer weiteren Ultraschallmessung als Slave-Meßeinrichtung
arbeitet.
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Bevorzugt
ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Master-Slave-Meßkonfiguration
von dem Meßgerät mit Hilfe
von Konfigurationsbefehlen implementiert ist. Hierdurch ist es ermöglicht,
daß das
Meßgerät, in dem
die Auswertung der Ultraschallmeßwerte erfolgt, weiterhin zur
Implementierung einer für
eine bestimmte Ultraschallmessung vorgesehenen Master-Slave-Meßkonfiguration genutzt
wird. Beispielsweise kann bei dem Meßgerät eine auf einem Bildschirm
darstellbare Bedienoberfläche
vorgesehen sein, über
die der Benutzer eine gewünschte
Master-Slave-Meßkonfiguration
definiert, die von dem Meßgerät dann mit
Hilfe von Konfigurationsbefehlen, die an die mehreren hydroakustischen
Meßeinrichtungen übertragen
werden, implementiert wird.
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Zur
Ausbildung der kabellosen Datenübertragung
zwischen den hydroakustischen Meßeinrichtungen und/oder dem
Meßgerät und zwischen
den hydroakustischen Meßeinrichtungen
untereinander stehen verschiedene kabellose Übertragungsverfahren zur Verfügung. Beispielsweise
kann eine Übertragung
mittels Funk oder Infrarotlicht erfolgen. In einer Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß die Sende-/Empfangseinheit
eine WLAN-Einheit (WLAN – „Wireless
Local Area Network")
zum Austauschen von Datensignalen in einem WLAN ist. Alternativ sieht
eine zweckmäßige Fortbildung
der Erfindung vor, daß die
Sende-/Empfangseinheit
eine Bluetooth-Einheit zum Austauschen von Datensignalen in einem
Bluetooth-Netzwerk ist.
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Um
ein für
die Laufzeitmessungen im Rahmen der Ultraschallmessung mit optimierter
Exaktheit durchzuführen,
sieht eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung vor, daß die
Zeitgebereinheit ein GPS-Zeitsignal (GPS – „Global Positioning System") kabellos empfangend
gebildet ist. Das GPS-Zeitsignal weist eine Genauigkeit von wenigstens
10–12 s
auf.
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Eine
gerätetechnisch
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß das Meßgerät in ein
Gehäuse
einer der mindestens zwei hydroakustischen Meßeinrichtungen integriert ist.
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Eine
sichere und fehlerfreie Datenübertragung
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dadurch erreicht, daß die Sende-/Empfangseinheit
für eine
digitale Datenübertragung
konfiguriert ist. Hierdurch wird auch die Verarbeitung der Daten,
insbesondere der Ultraschallmeßwerte,
erleichtert. Die übertragenen
Datensignale können
Status-, Meßwert-,
Fehler- und/oder Konfigurationssignale umfassen.
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Für die im
Zusammenhang mit abhängigen Ansprüchen des
Verfahrens zum Messen eines Durchflusses in einem Gewässer genannten
Merkmale ergeben sich die in Verbindung mit zugehörigen Merkmalen
aus den abhängigen
Ansprüchen
des Ultraschall-Durchflußmeßsystem
aufgezeigten Vorteile entsprechend.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren einer Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Ultraschall-Durchflußmeßsystem;
und
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2 eine
schematische Darstellung eines Steuerzyklus im Rahmen einer Ultraschallmessung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der ein Ultraschall-Durchflußmeßsystem
zum Messen des Durchflusses in einem Fluß 1 genutzt wird.
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An
Ufern 2, 3 des Flusses 1 sind zwei hydroakustische
Meßeinrichtungen 4, 5 (hydroakustische Wandler)
schräg
gegenüberliegend
angeordnet. Zwischen den beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 ist
eine Master-Slave-Meßkonfiguration
ausgebildet, was in 1 mittels der Buchstaben „S" für Slave
und „M" für Master
dargestellt ist.
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Die
hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 umfassen
jeweils eine Ultraschallsende-/Ultraschallempfangseinheit 4a, 5a,
beispielsweise einen Ultraschall-Transceiver. Hiermit können Ultraschallmeßsignale
in beiden Richtungen entlang einer Ultraschallmeßstrecke 6 übermittelt
werden, um die Laufzeit der Ultraschallmeßsignale in beiden Richtungen
zu erfassen.
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Darüber hinaus
verfügen
die beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 über eine
jeweilige Zeitgebereinheit 4b, 5b, mit der ein
Zeitsignal in Form eines GPS-Signals (GPS – „Global Positioning System") empfangen wird.
Mit Hilfe des GPS-Zeitsignals ist für die in den hydroakustischen
Meßeinrichtungen 4, 5 ablaufenden
Prozessen, insbesondere das Senden und Empfangen von Ultraschallmeßsignalen, eine
Synchronisation mit einer Genauigkeit von wenigstens 10–12 s
ermöglicht.
In einer Ausführungsform wird
jede Minute eine zyklische Synchronisierung mittels des kabellos
empfangenen GPS-Zeitsignals ausgeführt. Zum Empfangen des GPS-Signals
kann ein Funkuhrmodul verwendet werden. Auf diese Weise ist es ermöglicht,
paarweise auf Nanosekunden genau abgestimmte hydroakustische Meßeinrichtungen 4, 5 zu
schaffen.
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Des
weiteren verfügen
die beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 jeweils über eine Sende-/Empfangseinheit 4c, 5c,
mit der die hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 in
die Lage versetzt sind, sowohl untereinander als auch mit einem Meßgerät 7 Datensignale über kabellose
Verbindungen auszutauschen. Bei den auszutauschenden Datensignalen
handelt es sich insbesondere um Steuersignale für die Ultraschallmessung und
die im Rahmen der Ultraschallmessung erfaßten Meßwertsignale. Darüber hinaus
werden Steuer- und Konfigurationsbefehle innerhalb der Master-Slave-Konfiguration
ausgetauscht. Diese Steuer- oder Konfigurationsbefehle können zur
Implementierung und/oder zur Änderung
der Master-Slave-Konfiguration.
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Die
kabellose Übertragung
der Datensignale kann in einem WLAN (WLAN – „Wireless Local Area Network") oder über Bluetooth
erfolgen. Die Daten auch können
als Funk- oder In frarotsignale übermittelt
werden. Bevorzugt werden die Datensignale als digitale Datensignale
ausgetauscht und verarbeitet.
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Das
GPS-Zeitsignal wird in den beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 genutzt,
um in beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 einen
Steuerzyklus (vgl. 2) mit synchronem Verlauf zu
erzeugen. Eine zweckmäßige Anwendung des
Ultraschall-Durchflußmeßsystems
in Gewässern,
in denen die beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 in
einer Entfernung von bis zu zwei Kilometern angeordnet sind, verlangt
einen Steuerzyklus von etwa vier Sekunden, um die Laufzeit entlang aller
Ultraschallmeßpfade
sicher zu ermitteln.
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Mit
dem aus dem GPS-Zeitsignal abgeleiteten Minutenimpuls wird der 4,2
s dauernde Steuerzyklus synchronisiert. Der Zykluswert hat die Folge, daß die Synchronisation
etwa 1,2 s nach dem bereits begonnen Steuerzyklus eintrifft (60
s = 14 × 14,2
s + 1,2 s). Die Funktionalität
der beiden hydroakustischen Meßeinrichtungen 4, 5 wird
hierdurch nicht beeinträchtigt. 2 zeigt
die gewählte
4,2 s-Taktung.
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Die
mit Hilfe der Ultraschallmessung ermittelten Ultraschallmeßwerte werden
in dem Meßgerät 7 entsprechend
der bekannten Auswerteverfahren für Ultraschall-Durchflußmessungen
in fließenden Gewässern ausgewertet.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung
sein.