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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper. Außerdem betrifft die Erfindung eine Hinderniserkennungseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
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Im Schienenverkehr kommt es gelegentlich vor, dass Objekte, wie zum Beispiel Personen oder Straßenfahrzeuge, sich unbefugt auf dem Gleiskörper aufhalten und daher eine Gefahr für die Sicherheit darstellen. Daher müssen solche Objekte rechtzeitig erkannt werden, um für ein sich näherndes Schienenfahrzeug einen Bremsvorgang einzuleiten, so dass ein Zusammenstoß zwischen dem Schienenfahrzeug und dem Objekt verhindert werden kann. Da der Bremsweg eines Schienenfahrzeugs bis zum Stillstand für Hochgeschwindigkeitszüge im Bereich von Kilometern liegt und das Objekt auch bei Dunkelheit oder beliebigen Wetterbedingungen erkannt werden muss, reichen die sensorischen Fähigkeiten des Zugführers für diese Aufgabe oft nicht aus. Mithin muss zusätzlich eine technische Einrichtung zur Verfügung stehen, mit der ein Hindernis auch bei schlechten Sichtbedingungen in einer Entfernung von wenigen Kilometern erkannt werden kann.
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Für derartige Aufgaben bieten sich Lidarsysteme und Radarsysteme an. Allerdings funktionieren diese Systeme nicht bei der Objektdetektion hinter Kurven. Es wurden Versuche unternommen, in Gleise eine differentielle Welle einzukoppeln, um mit Hilfe der reflektierten Welle ein Objekt zu detektieren, allerdings weist eine differentielle Welle eine relativ kurze Reichweite auf.
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Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hinderniserkennung über größere Distanzen auch hinter Kurven bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper gemäß Patentanspruch 1, eine Hinderniserkennungseinrichtung gemäß Patentanspruch 10 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper wird ein Sensorsignal erzeugt. Das Sensorsignal wird vorzugsweise mit Hilfe eines an einem Schienenfahrzeug angeordneten Sensors erzeugt. Das erzeugte Sensorsignal wird als Oberflächenwelle in beide Schienen des Gleiskörpers eingekoppelt. Die Einkopplung in beide Schienen ist notwendig, damit sich eine Oberflächenwelle und keine differentielle Welle bildet, da die beiden parallel geführten Schienen als Koppelstruktur wirken, so dass sich bei einer Einkopplung nur in eine Schiene eine differentielle Welle ausbilden würde. Hierfür wird auf Basis des Sensorsignals ein zeitlich veränderlicher Strom durch zwei parallel angeordnete Koppelspulen geschickt, deren Spulenachse in Querrichtung zum Gleis, vorzugsweise senkrecht zum Gleis, ausgebildet ist.
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Durch den zeitlich veränderlichen Strom wird um die Schienen des Gleises herum jeweils ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das wiederum auf den beiden Schienen des Gleises jeweils eine elektromagnetische Oberflächenwelle induziert. Weiterhin wird eine von dem Hindernis reflektierte Oberflächenwelle aus dem Gleis als Eingangssignal ausgekoppelt, für den Fall, dass sich ein Hindernis auf dem Gleis befindet und die Oberflächenwelle an dem Hindernis reflektiert wird. Die Auskopplung erfolgt über eine Spule bzw. eine spulenförmige Antenne, in der von der Oberflächenwelle ein zeitlich veränderlicher Strom induziert wird. Zur Auskopplung genügt eine einzige Spule an einer der beiden Schienen. Eine größere Empfindlichkeit ist allerdings zu erreichen, wenn zu jeder Sendespule eine Empfangsspule verwendet wird. Die ausgekoppelte reflektierte Oberflächenwelle wird mithin als elektrisches Eingangssignal erfasst und es wird ermittelt, dass sich ein Hindernis auf dem Gleiskörper befindet, für den Fall, dass ein Eingangssignal erfasst wird.
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Vorteilhaft weist eine Oberflächenwelle, insbesondere im Vergleich zu einer differentiellen Welle eine relativ große Reichweite auf, so dass Hindernisse in größerer Entfernung detektiert werden können. Die Hindernisdetektion funktioniert im Gegensatz zu Lidar oder Radar auch für Objekte, die hinter Kurven verborgen sind bzw. hinter im Kurvenbereich vorhandenen Sichthindernissen verborgen sind.
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Die erfindungsgemäße Hinderniserkennungseinrichtung weist eine Signalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Sensorsignals auf. Teil der erfindungsgemäßen Hinderniserkennungseinrichtung ist auch eine Signalkopplungseinheit zum Einkoppeln des Sensorsignals als Oberflächenwelle in ein Gleis und/oder zum Auskoppeln einer von dem Hindernis reflektierten Oberflächenwelle aus dem Gleis als Eingangssignal. Ein- und Auskopplung können von derselben Einheit durchgeführt werden, sie können aber auch von zwei separaten Einheiten, also einer Einkopplungseinheit und einer Auskopplungseinheit durchgeführt werden. Die Auskopplung einer Oberflächenwelle aus dem Gleis in der Auskopplungseinheit kann selbstverständlich nur für den Fall erfolgen, dass sich ein Hindernis auf dem Gleis befindet und die Oberflächenwelle an dem Hindernis reflektiert wird. Die erfindungsgemäße Hinderniserkennungseinrichtung weist auch eine Auswertungseinheit auf zum Ermitteln, dass sich ein Hindernis auf dem Gleiskörper befindet, für den Fall, dass ein Eingangssignal erfasst wird. Die erfindungsgemäße Hinderniserkennungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsgemäße Hinderniserkennungseinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Hinderniserkennungseinrichtung.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper wird ein Abstand zwischen einem Schienenfahrzeug und dem Hindernis durch Vergleich zwischen dem Sensorsignal und dem erfassten Eingangssignal ermittelt.
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Für die Abstandserkennung können zwei unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Bei einer ersten Variante wird ein gepulstes Sensorsignal verwendet und eine Zeitdifferenz zwischen dem Sensorsignal und dem durch Reflexion erzeugten Eingangssignal ermittelt. Die Zeitdifferenz entspricht der Laufzeit der Oberflächenwelle zu dem Hindernis und zurück. Alternativ kann auch ein Sensorsignal erzeugt werden, dessen Frequenz mit der Zeit auf vorbestimmte Weise, beispielsweise linear, zunimmt. Wird nun die Frequenz eines Eingangssignals mit der Frequenz eines aktuellen, d. h. gleichzeitig ausgesendeten Sensorsignals verglichen, so ergibt sich aus der Differenz der beiden Frequenzen ebenfalls wieder die Laufzeit der Oberflächenwelle zum Hindernis und zurück. Aus der Kenntnis der Laufzeit der Oberflächenwelle und der bekannten Geschwindigkeit der Oberflächenwelle kann dann der Abstand zwischen dem Hindernis und dem Sensor ermittelt werden.
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Bevorzugt wird zum Senden und Empfangen der Oberflächenwelle eine monostatische Sende-/Empfangseinheit eingesetzt. Eine solche monostatische Sende-/Empfangseinheit ist mit nur einer Kopplungseinheit als gemeinsame Ein- und Auskopplungseinheit ausgebildet. Vorteilhaft wird bei dieser Ausgestaltung nur eine Antenne bzw. Spule für die Ein- und Auskopplung einer Oberflächenwelle benötigt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper erfolgt das Senden und Empfangen der Oberflächenwelle bistatisch. Bei dieser Variante erfolgen das Einkoppeln und das Auskoppeln einer Oberflächenwelle über separate Spulen. Es wird vorteilhaft kein elektronisches Bauelement benötigt, um ein Ausgangssignal von einem Eingangssignal zu trennen.
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Vorzugsweise erfolgt das Einkoppeln des Sensorsignals als Oberflächenwelle in das Gleis mit Hilfe eines Magnetfeldkopplers. Ein solcher Magnetfeldkoppler kann als Spule ausgebildet sein, deren Spulenachse quer zum Gleis ausgerichtet ist. In der Spule fließt ein zeitlich veränderlicher Strom, mit dem ein zeitlich veränderliches Magnetfeld in das Gleis eingekoppelt wird. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert eine propagierende Oberflächenwelle, welche sich in Längsrichtung des Gleises ausbreitet. Für eine Frequenz von weniger als 100 MHz ist der bautechnische Aufwand, d.h. die Implementierung einer Spule erheblich geringer als der Aufwand für die Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes zur Erzeugung einer Oberflächenwelle, da für letzteres ein großer Kondensator benötigt würde. Erst bei höheren Frequenzen wäre eine Einkopplung eines elektrischen Feldes einfacher, da sich bei größeren Frequenzwerten die Größe einer Dipolantenne verringern würde. Allerdings wäre bei derartigen Frequenzen die Dämpfung der Oberflächenwelle erhöht und damit die Sensorreichweite reduziert.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper erfolgt ein paralleles Einkoppeln des Sensorsignals in beide Gleise des Gleiskörpers. Hierdurch wird eine parallele Einkopplung einer Oberflächenwelle in beiden Gleisen ermöglicht, wodurch eine größere Reichweite des Sensors erreicht wird im Vergleich zu einer differentiellen Welle, bei der eine gegenläufige Einkopplung erfolgt.
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Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper ein Sensorsignal erzeugt, welches nicht auf eine einzige Frequenz beschränkt ist, sondern ein Frequenzband, vorzugsweise ein breites Frequenzband umfasst. Vorteilhaft wird das Empfangssignal bzw. Eingangssignal störunempfindlicher und unempfindlicher gegenüber einem frequenzselektiven Übertragungsverhalten des Gleises.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
- 2 eine schematische Darstellung eines Szenarios einer Hinderniserkennung mit einer Hinderniserkennungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Darstellung einer Einkopplung von Oberflächenwellen in einen Gleiskörper,
- 4 eine schematische Darstellung einer Hinderniserkennungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Darstellung einer Hinderniserkennungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches ein Verfahren zur Hinderniserkennung auf einem Gleiskörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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Bei dem Schritt 1.1 wird zunächst mit Hilfe einer Sende-Empfangseinheit von einem Schienenfahrzeug aus ein Sensorsignal SS erzeugt. Ein solches Sensorsignal SS kann zum Beispiel als Rampensignal mit zeitlich linear steigender Frequenz ausgebildet sein. In dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel startet das Sensorsignal SS bei einer Frequenz von 30 MHz. Anschließend erhöht sich die Frequenz linear bis auf 300 MHz. Typische Frequenzsteigerungsraten liegen bei 1 MHz/µs.
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Das Sensorsignal SS wird nun bei dem Schritt 1.II mit Hilfe zweier Magnetspulen 2a (siehe 3) als Oberflächenwelle OW in ein Gleis 4 (siehe 2, 3) eingekoppelt. Dabei wird in den Magnetspulen 2a ein Strom I mit der genannten Frequenz erzeugt. Das von der Magnetspule 2a erzeugte magnetische Wechselfeld B koppelt in den Gleiskörper 4 (siehe 2) ein, wobei sich jeweils ein magnetisches Wechselfeld B um jeweils eine Schiene 4a bildet. Das magnetische Wechselfeld B breitet sich nun in Längsrichtung der beiden Schienen 4a als Oberflächenwelle OW aus. Trifft nun die Oberflächenwelle OW auf dem Gleiskörper 4 auf ein Hindernis 6 (siehe 2), so wird sie in Richtung des Ausgangsorts der Oberflächenwelle OW reflektiert.
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Dort wird die reflektierte Oberflächenwelle
OW bei dem Schritt
1.III aus dem Gleiskörper
4 ausgekoppelt und es wird ein Eingangssignal
ES auf Basis der reflektierten Oberflächenwelle
OW erfasst. Schließlich wird bei dem Schritt
1.IV ermittelt, dass sich ein Hindernis
6 auf dem Gleiskörper befindet, für den Fall, dass ein Eingangssignal
ES erfasst wird. Bei dem Schritt
1.V erfolgt ein Vergleich einer aktuellen Sensorsignalfrequenz f(t
a) mit der Frequenz f(t
0) des Eingangssignals
ES. Da sich die Frequenz des Sensorsignals mit der Zeit erhöht, ist die aktuelle Sensorsignalfrequenz f (t
a) höher als die Frequenz f (to) des Eingangssignals
ES. Aus dem linearen Zusammenhang zwischen Zeit und Frequenz lässt sich nun aus der Frequenzdifferenz Δf = f(t
a) - f(t
0) eine Laufzeit Δt = t
a - t
0 ermitteln und aus der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit v der Oberflächenwelle
OW sowie der Laufzeit Δt ergibt sich der Abstand d des Hindernisses
6 zu:
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In 2 ist eine schematische Darstellung 20 eines Szenarios einer Hinderniserkennung mit einer Hinderniserkennungseinrichtung 40 (gestrichelt gezeichnet) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Hinderniserkennungseinrichtung 40 ist in einem Schienenfahrzeug 5 installiert und umfasst eine Sende-/Empfangseinheit 1 und eine Antenne 2. Die Sende-Empfangseinheit 1 dient dazu, ein Sensorsignal SS zu erzeugen und ein Empfangssignal ES zu empfangen. Das Sensorsignal SS wird von der Antenne 2 als Oberflächenwelle OS in einen Gleiskörper 4 eingekoppelt, auf dem sich das Schienenfahrzeug 5, welches die Hinderniserkennungseinrichtung 40 umfasst, bewegt. Die in den Gleiskörper 4 eingekoppelte Oberflächenwelle OW propagiert längs des Verlaufs der Schienen des Gleiskörpers 4, bis sie auf ein Hindernis 6 trifft. Von dem Hindernis 6 wird die Oberflächenwelle OW reflektiert und schließlich von der Antenne 2 der Hinderniserkennungseinrichtung 20 aus dem Gleiskörper 4 ausgekoppelt. Das dabei erzeugte Eingangssignal ES wird von der Sende-Empfangseinheit 1 empfangen und ausgewertet. Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, wird das Sensorsignal SS mit einer zeitlich linear zunehmenden Frequenz f(t) erzeugt. Bei der Auswertung wird nun nicht nur ermittelt, dass sich ein Objekt 6 als Hindernis auf dem Gleiskörper befindet, sondern es wird zusätzlich aus der Frequenzdifferenz Δf der aktuellen Sensorsignalfrequenz f(ta) und der Frequenz f(t0) des Eingangssignals ES ein Abstand d zwischen dem Hindernis 6 und dem Schienenfahrzeug 5 ermittelt.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer Einkopplung von Oberflächenwellen OW in einen Gleiskörper 4 gezeigt. Mit Hilfe jeweils einer Spule 2a als Antenne, durch die ein Strom I fließt, wird ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld B erzeugt, welches um jeweils eine Schiene 4a eines Gleises 4 herum ausgebildet wird. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld B erzeugt eine Oberflächenwelle OW, die sich in Pfeilrichtung ausbreitet. Durch parallelen Betrieb zweier Spulen 2a, die jeweils zur Einkopplung der Oberflächenwelle in eine der beiden Schienen 4a genutzt werden, wird in beiden parallel verlaufenden Schienen 4a jeweils eine Oberflächenwelle OW erzeugt, die sich in Pfeilrichtung ausbreitet.
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In 4 ist eine schematische Darstellung einer Hinderniserkennungseinrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Hinderniserkennungseinrichtung 40 umfasst eine Sende-/Empfangseinheit 1 und eine Antenne 2. Teil der Sende-/Empfangseinheit 1 ist eine Signalerzeugungseinheit 11. Mit der Signalerzeugungseinheit 11 wird ein Sensorsignal SS erzeugt, dessen Frequenz mit der Zeit linear zunimmt. Das Sensorsignal SS wird an einen sogenannten Zirkulator 13 übermittelt, welcher ebenfalls Teil der Sende-/Empfangseinheit 1 ist und zur Trennung des Sensorsignals SS von einem Empfangssignal ES benötigt wird. Das Sensorsignal SS wird an die Antenne 2 übermittelt, welche die in 3 gezeigten beiden Spulen 2a umfasst und in die beiden Gleise 4a (siehe 3) eine Oberflächenwelle OW einkoppelt bzw. eine reflektierte Oberflächenwelle OW aus den beiden Gleisen 4a als Eingangssignal ES auskoppelt. Das Eingangssignal ES wird an den Zirkulator 13 der Sende-/Empfangseinheit 1 übermittelt und von dort an eine Auswertungseinheit 12, die ebenfalls Teil der Hinderniserkennungseinrichtung 40 ist, weitergeleitet. Die Auswertungseinheit 12 wertet das Eingangssignal ES auswertet aus und ermittelt, ob sich ein Hindernis 6 (siehe 2) auf dem Gleiskörper 4 befindet und in welchem Abstand d sich diese Hindernis 6 befindet.
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In 5 ist eine schematische Darstellung einer Hinderniserkennungseinrichtung 50 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die in 5 dargestellte Hinderniserkennungseinrichtung 50 mit einer bistatischen Signalübertragung weist anders als die in 4 gezeigte Hinderniserkennungseinrichtung 40 eine Einkopplungseinheit 2b und eine davon getrennte Auskopplungseinheit 2c auf. Außerdem umfasst die in 5 gezeigte Hinderniserkennungseinrichtung 50 eine Sende-/Empfangseinheit 1a, welche sich von der in 4 gezeigten Sende-/Empfangseinheit 1 dahingehend unterscheidet, dass sie keinen Zirkulator 13, sondern nur eine Signalerzeugungseinheit 11 und eine Auswertungseinheit 12 umfasst. Die von der Signalerzeugungseinheit 11 erzeugten Sensorsignale SS werden direkt an die Einkopplungseinheit 2b übermittelt, welche eine Oberflächenwelle OW in einem Gleis einkoppelt. Die Einkopplungseinheit 2b weist für jede der beiden Schienen eines Gleises eine separate Spule (nicht gezeigt) auf. Eine an einem Hindernis reflektierte Oberflächenwelle OW wird von der Auskopplungseinheit 2c aus dem Gleis ausgekoppelt und als Eingangssignal ES an die Auswertungseinheit 12 direkt übermittelt. Die Auskopplungseinheit 2c weist vorzugsweise für jede der beiden Schienen eine separate Spule auf und erreicht damit eine besonders hohe Sensitivität, wodurch die Reichweite der Hindernisdetektion verbessert wird. Die Auswertungseinheit 12 ermittelt auf Basis des Eingangssignals ein Hindernis und führt einen Vergleich des Eingangssignals ES mit dem von der Sensorsignalerzeugungseinheit 11 erzeugten Sensorsignal SS durch und ermittelt auf dieser Basis einen Abstand d zwischen einem Schienenfahrzeug und einem Hindernis, wie es im Zusammenhang mit 1 näher erläutert ist.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
