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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionserfassungsvorrichtung mit einer positionsfesten Komponente und einer relativ dazu beweglichen Komponente sowie eine Verwendung einer solchen Positionserfassungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Zur Positionserfassung können verschiedene Positionserfassungsvorrichtungen, auch Wegaufnehmer genannt, verwendet werden. So gibt es bspw. sog. inkrementelle Positionserfassungsvorrichtungen, bei denen mittels einer Sensoreinheit eine Maßskala abgetastet wird, um so eine relative oder absolute Position zu ermitteln. Eine solche Positionserfassungsvorrichtung mit Maßskala ist bspw. aus
DE 10 2008 018 355 A1 bekannt.
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Verwendung können Positionserfassungsvorrichtungen bspw. in industriellen Anwendungen wie bspw. verschieden elektro-mechanischen oder hydraulischen Achsen oder bei verschiedenen Systemen mit Schienenführung finden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Positionserfassungsvorrichtung und eine Verwendung einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung weist eine positionsfeste Komponente, eine relativ dazu bewegliche Komponente und einen Bewegungsgrößensensor, bspw. einen magnetischen oder optischen Wegaufnehmer, auf. Die Positionserfassungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, ein Signal des Bewegungsgrößensensors zu erfassen und daraus wenigstens eine erste Bewegungsgröße der beweglichen Komponente relativ zu der positionsfesten Komponente zu ermitteln. Zusätzlich ist ein relativ zu der beweglichen Komponente ortsfest angeordneter Beschleunigungssensor vorgesehen, wobei die Positionserfassungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Signal des Beschleunigungssensors zu erfassen und daraus wenigstens eine zweite Bewegungsgröße der beweglichen Komponente relativ zu der positionsfesten Komponente zu ermitteln. Unter Bewegungsgröße wird insbesondere Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck bzw. Änderungen dieser Größen (also Positionsänderung, Geschwindigkeitsänderung, Beschleunigungsänderung und Ruckänderung) verstanden. Der Bewegungsgrößensensor ist vorzugsweise ein Positions- oder Geschwindigkeitssensor.
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Mit der vorgeschlagenen Positionserfassungsvorrichtung kann durch den zusätzlichen Beschleunigungssensor eine unabhängig von einer mittels des (herkömmlichen) Bewegungsgrößensensors ermittelte weitere Information über die Bewegung der beweglichen Komponente bereitgestellt werden. Bspw. können durch zeitliche Integration der mittels des Beschleunigungssensors gewonnen Beschleunigung eine Geschwindigkeit(sänderung) und durch erneute zeitliche Integration eine Position(sänderung) als wenigstens eine zweite Bewegungsgröße ermittelt werden. Auf diese Weise ist es nun möglich, eine Zweikanaligkeit in der Positionserfassungsvorrichtung herzustellen, d.h. die Information über die Bewegungsgröße steht auf zwei voneinander unabhängigen Wegen zur Verfügung. Dies ermöglicht eine höhere Sicherheit bei vielen sicherheitskritischen Anwendungen, was insbesondere bei Anwendungen mit einer Beteiligung von Bedienpersonen wichtig ist. Zudem ist hierbei nur eine geringe Hardwareänderung nötig, während bspw. bei Verwendung einer zusätzlichen beweglichen Komponente und ggf. auch einer zusätzlichen positionsfesten Komponente zur Bereitstellung der Zweikanaligkeit ein deutlich erhöhter Hardware- und Platzbedarf nötig ist, was zudem deutlich höhere Kosten verursacht. Insbesondere sind Beschleunigungssensoren beispielsweise als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) erhältlich, die (insbesondere aufgrund ihrer geringen Größe und Masse) problemlos in existierende Positionserfassungsvorrichtung integriert werden können.
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Vorzugsweise ist die Positionserfassungsvorrichtung dazu eingerichtet, die aus dem Signal des Beschleunigungssensors ermittelte wenigstens eine erste Bewegungsgröße mit der aus dem Signal des Bewegungsgrößensensors ermittelten wenigstens einen zweiten Bewegungsgröße zu vergleichen. Damit ist bspw. eine Plausibilisierung der auf herkömmliche Weise mittels des Bewegungsgrößensensors gewonnen ersten Bewegungsgröße, insbesondere einer Positionsinformation, möglich, was zu Erhöhung der Zuverlässigkeit der Bewegungsgröße beiträgt.
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Zweckmäßigerweise werden für den Vergleich der beiden Bewegungsgrößen eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung und/oder ein Ruck als Bewegungsgröße verwendet, wobei die wenigstens eine erste und/oder die wenigstens eine zweite Bewegungsgröße mittels Integration oder Differenzierung ermittelt werden. Bspw. kann durch zweimalige zeitliche Integration der Beschleunigung aus dem Beschleunigungssensor ein Positionswert ermittelt werden, der direkt mit dem entsprechenden Positionswert eines als Positionssensor ausgebildeten Bewegungsgrößensensors verglichen werden kann. Umgekehrt kann auch die Position zweimal differenziert werden und mit der Beschleunigung verglichen werden. Auch ist es denkbar, die Beschleunigung einmal zu integrieren und die Position einmal zu differenzieren bzw. direkt eine Geschwindigkeit (z.B. Drehzahl) mittels eines als Geschwindigkeitssensor ausgebildeten Bewegungsgrößensensors zu messen, so dass zwei Geschwindigkeitswerte miteinander verglichen werden können. Auch ist eine Kombination von zwei oder mehr dieser Vergleichsmöglichkeiten denkbar. Auf diese Weise kann sehr einfach eine Plausibilisierung erfolgen.
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Vorteilhafterweise ist die Positionserfassungsvorrichtung dazu eingerichtet, anhand des Vergleichs einen Fehler in wenigstens einem der Signale zu ermitteln und/oder einen Ausfall wenigstens eines der Signale bzw. Sensoren zu erkennen. Zur Ermittlung eines Fehlers kann hier bspw. die Erkennung einer Abweichung des Werts des einen Signals um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert vom Wert des anderen Signals verwendet werden. Auf diese Weise wird die Sicherheit weiter erhöht. Bspw. kann im Fall eines erkannten Fehlers oder eines Signalausfalls eine Maschine stillgesetzt werden.
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Es ist von Vorteil, wenn aus den beiden Signalen ein sicherer Wert für die Bewegungsgröße ermittelt wird. Unter einem sicheren Wert kann in diesem Zusammenhang ein Wert verstanden werden, der eine höhere Sicherheitsstufe, bspw. ein sog SIL oder Safety Integrity Level, aufweist, als die für diesen Wert herangezogenen Ausgangswerte, d.h. vorliegend die Werte des Bewegungsgrößensensors und des Beschleunigungssensors. Mit anderen Worten kann aus den zwei Werten mit geringerem SIL, die prinzipiell in zwei getrennten Kanälen vorhanden sind, durch Kombination ein Wert mit höherem SIL ermittelt werden. Bspw. kann aus zwei SIL-2-Werten ein SIL-3-Wert ermittelt werden.
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Vorzugsweise ist der Beschleunigungssensor an oder in der beweglichen Komponente angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und einfache Ausgestaltung der Positionserfassungsvorrichtung, da im Vergleich zu einer herkömmlichen Positionserfassungsvorrichtung bei einem integrierten Beschleunigungssensor bspw. keine weiteren Komponenten bei Verwendung mit einer Maschine oder einem anderen System anzubringen sind.
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Vorteilhafterweise weist die positionsfeste Komponente eine Maßskala auf, die von einer Sensoreinheit des Bewegungsgrößensensors abgetastet wird. Bei einer solchen Maßskala kann es sich bspw. um nebeneinander vorgesehene, optische oder magnetisch unterschiedliche Markierungen entlang einer Messstrecke handeln. Der Bewegungsgrößensensor kann dazu zweckmäßigerweise eine magnetische oder induktive oder optische Sensoreinheit aufweisen. Eine magnetische oder induktive Sensoreinheit kann hierzu bspw. mehrere, nebeneinander angeordnete Spulen aufweisen, die geeignet verschaltet und mit einem Signal beaufschlagt werden, so dass ein resultierendes Ausgangssignal sich in Abhängigkeit von der Position der Spulen relativ zu den magnetischen Markierungen ändert. Für eine detailliertere Beschreibung sei an dieser Stelle bspw. auf die bereits erwähnte
DE 10 2008 018 355 A1 verwiesen.
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Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die positionsfeste Komponente eine ferromagnetische Maßskala aufweist und der Bewegungsgrößensensor eine induktive Sensoreinheit aufweist. Insbesondere können dabei die positionsfeste Komponente und die bewegliche Komponente als Differentialtransformator ausgebildet sein. Bei einem Differentialtransformator oder engl. 'Linear Variable Differential Transformer' (LVDT) wird eine Anordnung aus bspw. drei Spulen über einem Eisenkern bewegt. Während in der mittleren Spule ein Signal aufgeprägt wird, sind die beiden äußeren Spulen gegenphasig in Reihe geschaltet. In Abhängigkeit von der Position der Spulen relativ zum Eisenkern verändert sich dabei das in den äußeren Spulen durch Induktion hervorgerufene, resultierende Signal.
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Weiter alternativ ist es bevorzugt, wenn die positionsfeste Komponente, die bewegliche Komponente und der Bewegungsgrößensensor als Potentiometer ausgebildet sind. So kann bspw. die bewegliche Komponente mit dem Bewegungsgrößensensor eine an einem Widerstand verschiebbare Komponente sein, über welche der Widerstand zwischen dem Punkt, an dem die bewegliche Komponente den Widerstand berührt, und einem Referenzpunkt ermittelt wird.
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Bei all den erwähnten Ausführungsformen der Positionserfassungsvorrichtung handelt es sich um bei verschiedenen Anwendungen einsetzbare Positionserfassungsvorrichtungen, die durch die vorgeschlagene Verwendung eines Beschleunigungssensors sehr einfach und kostengünstig zweikanalig ausgestaltet werden können.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung ist eine Positionserfassung eines Aktors einer mechanischen, einer elektro-mechanischen, einer hydraulischen oder einer elektro-hydraulischen Achse oder eine Positionserfassung eines mittels einer Schienenführung beweglichen Systems. Wie bereits eingangs erwähnt, sind für viele industrielle Anwendungen wie die erwähnten Achsen oder Schienenführungen sichere Positionserfassungsvorrichtungen nötig oder zumindest wünschenswert, was durch die vorgeschlagene Positionserfassungsvorrichtung bereitgestellt werden kann.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
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2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform und in einer bevorzugten Verwendung.
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3 zeigt schematisch einen Ablauf zur Positionsbestimmung bei einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Die Positionserfassungsvorrichtung 100 weist eine positionsfeste Komponente 105 und eine bewegliche Komponente 150 auf.
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Bei der positionsfesten Komponente 105 kann es sich bspw. um eine Schiene handeln, auf welcher die bewegliche Komponente 150 beweglich bzw. verfahrbar angeordnet ist. Hierzu sei angemerkt, dass in der Figur die bewegliche Komponente nur der Übersichtlichkeit halber getrennt von der positionsfesten Komponente dargestellt ist.
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Die positionsfeste Komponente 105 weist eine Maßskala 110 auf. Bei der Maßskala kann es sich bspw. um einen Metallstreifen, insbesondere aus ferromagnetischem Metall, handeln, in welchen Aussparungen 115 eingebracht sind.
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Die bewegliche Komponente weist bspw. einen als induktiven Sensor ausgebildeten Bewegungsgrößensensor 160 auf, welcher beispielhaft zwei Spulen 161, zwei Spulen 162 und zwei Spulen 165 als Sensoreinheit aufweist, von welchen der Übersichtlichkeit halber nur jeweils eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Mit den Spulen 161 und 162 können einander entgegengesetzte und oszillierende Magnetfelder erzeugt werden, die in der jeweils zugehörigen Spule 165 ein Signal hervorrufen. Ohne weitere Beeinflussung heben sich die Wirkungen der durch die beiden Spulen 161, 162 hervorgerufenen Magnetfelder genau auf.
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Befindet sich der induktive Sensor 160 jedoch über der Maßskala 110, so werden die durch die Spulen 161, 162 erzeugten Magnetfelder durch die Aussparungen 115 unterschiedlich beeinflusst, wodurch Signale in den Spulen 165 erzeugt werden, welche von der genauen Ausgestaltung der Maßskala 110 an der betreffenden Position x abhängen.
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Bei einer Bewegung der beweglichen Komponente 150 und somit des induktiven Sensors 160 relativ zur positionsfesten Komponente 105 und somit zur Maßskala verändert sich somit auch das insgesamt vom induktiven Sensor 160 erzeugte Signal, das aus den Signalen der beiden Spulen 165 besteht. Auf diese Weise kann eine Änderung der Position x als Bewegungsgröße der beweglichen Komponente 150 relativ zur positionsfesten Komponente 105 ermittelt werden.
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Je nach Art der Maßskala, insbesondere der Ausgestaltung der Aussparungen und deren Anordnung, kann nicht nur eine Positionsänderung (entspricht Geschwindigkeit), sondern auch eine relative und/oder absolute Position x ermittelt werden. Ggf. können zur Ermittlung der absoluten Position auch eine weitere Maßskala mit anderer Anordnung der Aussparungen und ein zugehöriger weiterer induktiver Sensor vorgesehen sein. Diese weitere Maßskala kann bspw. auf der gegenüberliegenden Seite der positionsfesten Komponente 105 vorgesehen sein.
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Weiterhin ist in der beweglichen Komponente 150 ein Beschleunigungssensor 180, insbesondere ein MEMS-Beschleunigungssensor, vorgesehen. Der Beschleunigungssensor 180 kann dabei bspw. auf geeignete Weise an einen Prozessor angebunden sein, der zum einen ein Signal vom Beschleunigungssensor erfassen und verarbeiten kann und zum anderen dieses Signal, ggf. nach der Verarbeitung, mit dem Signal der Spulen 165 vergleichen kann. Für eine detailliertere Beschreibung eines Ablaufs zum Vergleich der beiden Signale sei an dieser Stelle auf die 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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In 2 ist schematisch eine elektro-hydraulische Achse 200 dargestellt. Ein Elektromotor 220 ist mit einer hydraulischen Pumpe 230 verbunden, welche wiederum über einen Hydraulikkreislauf mit einem hydraulischen Verbraucher 210, der ein positionierbares Element 215 aufweist, verbunden ist. Bei dem hydraulischen Verbraucher kann es sich bspw. um einen Hydraulikzylinder handeln und bei dem Element 215 dementsprechend um einen beweglichen Kolben. Weiterhin ist eine Ansteuervorrichtung 205 vorgesehen, bspw. in Form eines Antriebsreglers oder einer Sicherheitssteuerung, über welche der Elektromotor 220 angesteuert werden kann.
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Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung 240 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Die Positionserfassungsvorrichtung 240 weist dabei eine bewegliche Komponente 280 und eine positionsfeste Komponente 245 auf, welche hier beispielhaft als ein Potentiometer ausgebildet sind.
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Dies bedeutet, dass die positionsfeste Komponente ein elektrisches Widerstandsbauteil aufweist, das sich entlang der Bewegungsrichtung des positionierbaren Elements 215 erstreckt. Die bewegliche Komponente 250, die hier am äußeren Ende des positionierbaren Elements 215 angeordnet ist, kann dabei einen elektrischen Widerstand zwischen dem in der Figur oberen Ende der positionsfesten Komponente 245 und einem der Position x des positionierbaren Elements 215 entsprechenden Punkt, der hier mit einem Pfeil von der beweglichen Komponenten 250 auf die positionsfeste Komponente 245 dargestellt ist, erfassen.
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Der erfasste bzw. gemessene elektrische Widerstand kennzeichnet dabei die Position x des positionierbaren Elements 215. Die Erfassung dieses elektrischen Widerstands kann dabei auf bekannte Weise, bspw. mittels einer einfachen Strom- und Spannungsmessung, erfolgen.
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Weiterhin ist an der beweglichen Komponente 250 ein Beschleunigungssensor 280, insbesondere ein Beschleunigungssensor, vorgesehen. Der Beschleunigungssensor 280 kann dabei bspw. auf geeignete Weise an einen Prozessor angebunden sein, der zum einen ein Signal vom Beschleunigungssensor erfassen und verarbeiten und zum anderen dieses Signal, ggf. nach der Verarbeitung, mit einem Signal, das einer aus dem gemessen Widerstand ermittelten Position entspricht, vergleichen kann. Für eine detailliertere Beschreibung eines Ablaufs zum Vergleich der beiden Signale sei an dieser Stelle auf die 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Signal über die Position x, das aus dem gemessen elektrischen Widerstand und/oder durch Vergleich mit dem Signal des Beschleunigungssensors 280 gewonnen wird, an die Ansteuervorrichtung 205 übermittelt wird. In der Ansteuervorrichtung 205 kann ein Signal über die Position x dann bspw. zur Regelung der Position x verwendet werden.
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In 3 ist schematisch ein Ablauf zur Positionsbestimmung bei einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. In Schritt 300 wird zunächst ein Signal über eine Position der beweglichen Komponente relativ zur positionsfesten Komponente erfasst und daraus die Position als erste Bewegungsgröße ermittelt.
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In Schritt 310 wird ein Signal des Beschleunigungssensors erfasst. Anschließend wird dieses Signal des Beschleunigungssensors in einem Schritt 315 bspw. zweimal zeitlich integriert. Auf diese Weise kann aus einem Beschleunigungswert ein Positionswert als zweite Bewegungsgröße ermittelt bzw. berechnet werden.
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Es stehen nun zwei Werte über eine Position zur Verfügung, die auf voneinander unabhängigen Wegen gewonnen wurden. In einem Schritt 320 können die beiden Werte bspw. noch gegeneinander plausibilisiert bzw. miteinander verglichen werden. Dies kann bspw. als Diagnosefunktion zur Fehleraufdeckung bei der Positionserfassung verwendet werden.
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In einem Schritt 320 kann das plausibilisierte Signal über die Position dann für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Das auf diese Weise erzeugte Signal über die Position weist eine höhere Sicherheitsstufe auf, als das lediglich durch die herkömmliche Positionserfassung ermittelte Signal.
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Es versteht sich, dass der Vergleich der beiden Signale auch auf andere Weise erfolgen kann, wie dies eingangs bereits erwähnt wurde, nämlich bspw. indem das Signal über die Position zweimal zeitlich differenziert wird.
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Weiterhin sei erwähnt, dass der hier beschriebene Ablauf für verschiedene Positionserfassungsvorrichtungen und deren Anwendungen gleich sein kann. Insbesondere kann dieser Ablauf nicht nur für die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen gelten, sondern auch für weitere, eingangs erwähnte Ausführungsformen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008018355 A1 [0002, 0012]
