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Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wellenlängen des Laserlichts im Bereich der Messstrecke eines Mehrwellenlängeninterferometers zur Bestimmung von Abständen zwischen einem Sensor und einem Messgut.
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Die Ausgangssituation zu der oben genannten Erfindung ist die Offenbarung der
DE 10 2016 100 745 B3 , in der ein optischer Abstandssensor beschrieben ist. Dieser Sensor basiert auf der Kombination der beiden Lasermessverfahren Triangulation und Mehrwellenlängeninterferometrie.
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Darüber hinaus ist als weiterer Stand der Technik die
US 2014/0139 839 A1 zu nennen, in der ein Interferometer offenbart ist, mit dem die Position eines Spiegels in einer Gesamtvorrichtung ermittelt wird.
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Der Abstandssensor ist theoretisch in der Lage, in einem Messfeld von mehreren Millimetern (typisch 2-10 mm) mit einer Genauigkeit von einigen 10 nm zu messen. Die Messunsicherheit dieses Abstandssensors wird unter anderem bestimmt durch die genaue Kenntnis der exakten Wellenlängen des Laserlichts in der Messstrecke des Mehrwellenlängeninterferometers.
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Da derartige optische Abstandssensoren beispielsweise in der Umgebungsluft einer Walzanlage angeordnet sind, ist es zur Erreichung von sehr hohen Genauigkeiten im Nanometerbereich notwendig, dass man so genau wie möglich die Wellenlängen des Laserlichts in der Umgebungsluft, also auch zwischen Sensor und zu vermessenden Gegenstand kennt.
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Zwar werden typischerweise die Laser in einem Interferometer frequenzstabilisiert, wobei als Frequenznormale für die Frequenzstabilisierung beispielsweise optische Übergänge in Rubidium verwendet werden. Zusätzlich erfolgt in der Regel eine Temperaturstabilisierung. Mit diesen Methoden wird aber nur die Laserquelle des Interferometers definiert eingestellt.
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Nachteilig ist es, dass es keine Informationen über die tatsächlichen Wellenlängen im Bereich der Messstrecke gibt. Zu diesem Zweck wird in der Nähe der interferometrischen Messstrecke eine sogenannte Wetterstation installiert, wobei die Station zum Beispiel Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und den CO2-Gehalt erfasst.
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Unter der Anwendung eines theoretischen Modells (Edlen-Formel) wird dann auf der Basis der gemessenen Parameter ein Korrekturwert für die absoluten Wellenlängen der Laserquelle des Interferometers ermittelt.
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Der Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass damit nicht die wahren Wellenlängen des Laserlichts im Bereich der Messstrecke gemessen wird, sondern nur ein Schätzwert auf der Basis der oben genannten Parameter gebildet wird.
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Ein derartiges Verfahren ist zwar unter Laborbedingungen geeignet, jedoch in einer industriellen Umgebung mit sich schnell ändernden Parametern reicht dieses Verfahren nicht aus.
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Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik besteht daher die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wellenlängen des Laserlichts im Bereich der Messstrecke eines Mehrwellenlängeninterferometers zur Bestimmung von Abständen zwischen einem Sensor und einem zu vermessenden Gegenstand zu schaffen, mit der ständig die wahren Wellenlängen des Laserlichts in der Messstrecke des Abstandssensors bestimmt werden können.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den nachfolgenden Merkmalen des Anspruches 1:
- Vorrichtung zur Bestimmung von Wellenlängen eines Laserlichts im Bereich einer Messstrecke eines Mehrwellenlängeninterferometers zur Bestimmung von Abständen zwischen einem Sensor und einem zu vermessenden Gegenstand , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine bewegliche Einrichtung aufweist, die im Bereich einer kalibrierten, mit mechanischen Wegbegrenzungen versehenen Referenzstrecke bewegbar ist und eine Reflektionsfläche für einen Teillaserstrahl aufweist und dass diese Einrichtung zusätzlich ein vorgeordnetes Interferometer aufweist, in dem ein Teillaserstrahl, der aus dem Laserlicht der Laserquelle des Mehrwellenlängeninterferometers ausgekoppelt wird, und der Teillaserstrahl, der an der beweglichen Reflektionsfläche der Einrichtung reflektiert wird, auf einem Fotodetektor geleitet werden, wobei im Fotodetektor eine Interferenz zwischen den Teillaserstrahlen gemessen wird, wobei eine Steuerelektronik durch Auswertung der Interferenz im Fotodetektor eine Anzahl detektierter Hell-Dunkel-Übergänge erfasst, während die bewegliche Einrichtung innerhalb der mechanischen Wegbegrenzungen hin und her bewegt wird, wobei die Wellenlängen des Laserlichts aus einem Vergleich eines Abstands der mechanischen Wegbegrenzungen mit der Anzahl der detektierten Hell-Dunkel-Übergänge bestimmt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird auf hochgenauer Weise in der Nähe der Messstrecke der Abstandssensoren, also in der auch zwischen den Abstandssensoren und dem zu vermessenden Gut vorhandenen Umgebungsluft die Wellenlängen des Laserlichts exakt gemessen, wobei diese Werte bei den Ergebnissen des Mehrwellenlängeninterferometers, beispielsweise zur Bestimmung der Banddicke eines Walzbandes, mitberücksichtigt werden, so dass diese Messungen eine höhere Genauigkeit aufweisen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Einrichtung aus einem Referenzblock mit wegbegrenzenden Anschlägen und einem sich zwischen den Anschlägen bewegenden Stößel gebildet, der eine Reflektionsfläche aufweist, die ebenfalls in einem Interferometer integriert ist. Dabei stellt der Referenzblock, dessen Temperatur zusätzlich ständig gemessen wird, eine kalibrierte Referenzstrecke zwischen den Anschlägen des Referenzblockes zur Verfügung, wobei sich der Stößel, der eine Reflektionsfläche für das Laserlicht aufweist, sich zwischen den als Wegbegrenzung ausgebildeten Anschlägen hin und her bewegt.
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Durch die Auswertung der Interferenz zwischen einem ersten Teillaserstrahl und einem zweiten am Stößel reflektierten Teillaserstrahl, - während sich der Stößel kraftgesteuert zwischen den Anschlägen des Referenzblocks bewegt -, können auf vorteilhafte Weise ständig die Wellenlängen des Laserlichts mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
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Auf vorteilhafte Weise kann bei einer weiteren Ausführungsform der Stößel mittels eines kraftgesteuerten, eine definierte Kraft erzeugenden Stößelantrieb zwischen der Wegbegrenzung bewegt werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung von Wellenlängen eines Laserlichts im Bereich einer Messstrecke eines Mehrwellenlängeninterferometers zur Bestimmung von Abständen zwischen einem Sensor und einem zu vermessenden Gegenstand, mit einer beweglichen Einrichtung gemäß Anspruch 1.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik und der oben bereits definierten Aufgabe ist das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- a. Kalibrierung der Länge einer Referenzstrecke zwischen zwei mechanischen Wegbegrenzungen
- b. Mehrere Bewegungen einer in ein Interferometer integrierten Reflektionsfläche von Wegbegrenzung zu Wegbegrenzung der Referenzstrecke
- c1) Auskoppeln des Teillaserstrahls (L11) aus dem Laserlicht der Laserquelle des
Mehrwellenlängeninterferometers.
- c2) Reflektieren des Teillaserstrahls (L10) an der beweglichen Reflektionsfläche (25) der Einrichtung.
- c3) Leiten der oben genannten Teillaserstrahlen (L10, L11) auf den Fotodetektor und Messen der Interferenz zwischen den oben genannten Teillaserstrahlen (L10, L11) in
dem Fotodetektor.
- c4) Auswerten der Interferenz im Fotodetektor durch Zählung detektierter Hell-Dunkel-Übergänge, während die bewegliche Einrichtung (26) innerhalb der mechanischen Wegbegrenzungen (30, 31) hin und her bewegt wird.
- c5) Vergleichen des Abstands (A) der mechanischen Wegbegrenzungen mit dem Ergebnis der Zählung.
- c6) Bestimmen der Wellenlängen des Laserlichts aus dem Vergleich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ebenfalls die oben dargelegten Vorteile im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Anspruch sowie der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
- 1 Eine teilweise schematische Darstellung eines Walzwerkes;
- 2 eine Schnittdarstellung gemäß II-II in 1 durch die Laserabstandssensoren;
- 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eines Abstandsmessgerätes mit einem Mehrwellenlängeninterferometer und
- 4 eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der 1 ist teilweise schematisch ein Walzwerk W dargestellt. Man erkennt, dass während des Walzprozesses ein Walzband 11 in Transportrichtung x befördert wird. Das Walzband 11 wird durch zahlreiche Rollenanordnungen 12 unterstützt und in x-Richtung bewegt, wobei zwischen den Rollenanordnungen 12 jeweils Walzgerüste 13 angeordnet sind, welche in Transportrichtung x jeweils einen sich verringernden Walzspalt 14 aufweisen.
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In Transportrichtung x vor und nach jedem Walzgerüst 13 sind an einem C-Rahmen 15 jeweils Laserabstandssensoren 16 eines Abstandsmessgerätes 10 angeordnet, mit denen Dickenunregelmäßigkeiten im Walzband 11 vor dem Walzgerüst 13 beziehungsweise die Dicke des Walzbandes 11 nach einem Walzvorgang in einem Walzgerüst 13 bestimmt werden durch Abstandsmesswerte zwischen den Laserabstandssensoren 16 und dem Walzband 11. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen dreistufigen Walzprozess, an dessen Ende das dünne Walzband-Endprodukt 11 zu einem Coil 17 aufgerollt wird.
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Letztlich erkennt man das Walzgerüst 13 mit zwei äußeren Stützwalzen 18 und zwei inneren Arbeitswalzen 19, die den Walzspalt 14 definieren.
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Über einen Regelkreis wird mit Hilfe der durch das Abstandsmessgerät 10 gemessenen Dickenabweichungen die Breite des Walzspaltes 14 gesteuert.
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In der 2 ist eine Schnittdarstellung gemäß II-II in 1 durch den C-Rahmen 15 sowie zwei Abstandssensoren 16 dargestellt, die beidseitig des Walzbandes 11 angeordnet sind. Zusätzlich zeigt die 2 schematisch, dass im senkrechten Teil des C-Rahmens 15 eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Wellenlängen des Laserlichts im Bereich der Messstrecke von Abstandssensoren 16 angeordnet ist. So ist in der Zeichnung auch angedeutet, dass die Vorrichtung 10 sich in der gleichen Umgebungsluft U wie die Laserabstandssensoren 16 befindet.
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Ergänzend zeigt die 2 beidseitig des Walzbandes 11 zwischen den Abstandssensoren 16 und dem Walzband 11 jeweils ein Strahlengang des Triangulationssensors T sowie ein Strahlengang des Interferometers I.
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In der 3 ist schematisch die Gesamtanordnung aus Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Wellenlängen des Laserlichts im Bereich der Messstrecke eines Mehrwellenlängeninterferometers sowie die Verknüpfung mit zwei Abstandssensoren 16 dargestellt, die Messungen nach dem Triangulationsverfahren und dem Mehrwellenlängeninterferometerverfahren durchführen.
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Die Vorrichtung 10 weist eine Laserquelle 20 auf, welche Laserlicht mit mehreren Wellenlängen λ1, λ2... erzeugt. Im nachfolgend beschriebenem Ausführungsbeispiel liegen die Wellenlängen λ1, λ2 zwischen 780 und 795 nm. Der Laserstrahl L1 wird über einen Lichtwellenleiter 21 zu einem Faserteiler 221 geleitet, wodurch zwei Teillaserstrahlen L2 und L3 gebildet werden. Der Teillaserstrahl L2 erreicht über den Lichtwellenleiter 21 einen weiteren Faserteiler 223, bei dem der Teillaserstrahl L2 in zwei weitere Teillaserstrahlen L4 und L5 aufgeteilt wird.
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Der Laserstrahl L4 wird über den Lichtwellenleiter 21 zu einem ersten Abstandssensor 161 und der Teillaserstrahl L5 zu einem zweiten Abstandssensor 162 geleitet. Der Teillaserstrahl L4 durchläuft den Faserteiler 224 und wird zum Abstandssensor 161 über eine nicht dargestellte Optik zum Messgut G geleitet und dort reflektiert. Zusätzlich wird ein kleiner Teil (typischerweise 4 %) als Teillaserstrahl L6 am Ende des Lichtwellenleiters zurückreflektiert und über den Faserteiler 224 auf den Fotodetektor 232 geleitet. Der am Messgut G reflektierte Teillaserstrahl L7 wird ebenfalls über den Faserteiler 224 teilweise (typischerweise 50 %) auf den Fotodetektor 232 geleitet. Im Fotodetektor 232 wird dann der am Faserende reflektierte Teillaserstrahl L6 und der vom Messgut G reflektierte Teillaserstrahl L7 überlagert. Es kommt zur Interferenz.
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Der Teillaserstrahl L5 wird analog aufgeteilt und von zum vermessenden Gut G reflektiert.
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Auch der Teillaserstrahl L3 durchläuft den Faserteiler 222 und wird am Faserende F (siehe 4) teilweise reflektiert (ca. 4% des Laserlichts). Der reflektierte Teillaserstrahl L11 erreicht dann über den Faserteiler 222 den Fotodetektor 231. Der verbleibende Teillaserstrahl durchläuft die Fokussieroptik 24 und trifft dann als fokussierter Teillaserstrahl auf eine polierte Stirnfläche 25 eines Stößels 26 auf. An der polierten Stirnfläche 25 wird der Teillaserstrahl L10 reflektiert und zumindest teilweise zum Fotodetektor 231 geleitet, wobei im Fotodetektor 231 die Interferenz zwischen den Teillaserstrahlen L10 und L11 gemessen wird.
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Die vergrößerte Darstellung gemäß 4 zeigt, dass der Stößel 26 vertikal beweglich in einer Lagerung 27 angeordnet ist und an seinem unteren Ende eine Anschlagscheibe 28 aufweist, welche einseitig in einen C-förmigen Innenraum eines Referenzblocks 29 ragt, der mit einem oberen und einem unteren Anschlag 30, 31 versehen ist.
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Der Stößel 26 kann in Schwerkraftrichtung über eine Antriebsvorrichtung 32, die aus einem Motor an einer Seilrolle besteht, entgegen einer Zugfeder 33 bewegt werden.
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Letztlich ist der Referenzblock 29 mit einem Temperatursensor 34 versehen, durch den die Temperaturausdehnung kompensiert wird.
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Das Faserende F, die Fokussieroptik 24, der Stößel 26 und der Referenzblock 29 befinden sich auf einer gemeinsamen Grundplatte 35 und sind von einer nicht dargestellten, Öffnung aufweisende Schutzeinhausung umgeben.
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Letztlich erfolgt die Auswertung der Fotodetektoren 231 - 233 und die Steuerung der Bewegung des Stößels 26 sowie die Erfassung der Temperaturen des Referenzblocks 29 in der Steuerelektronik S (siehe 3). Auch hält die Steuerelektronik S die Temperaturen und den Strom der Laserquelle 20 konstant.
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Obwohl in der 3 nicht dargestellt, sind die Fotodetektoren 232 und 233 mit der Steuerelektronik S verbunden.
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Im Zusammenhang mit der Bestimmung der tatsächlichen Wellenlängen des Laserlichts wird zunächst die Anordnung aus Stößel 26, Referenzblock 29 und Grundplatte 35 unter Laborbedingungen kalibriert. Dabei wird unter idealen und bekannten Bedingungen der Abstand A zwischen den Anschlägen 30, 31 des Referenzblockes 29, exakt ermittelt. Aus dem Abstand A und den Anschlägen 30, 31 abzüglich einer Dicke d der Anschlagscheibe 28 ergibt sich der Bewegungsbereich des Stößels 26. Angestrebt wird dabei eine Messungenauigkeit von wenigen 10 nm. Die Kalibrierung kann beispielsweise auch mit einem rückgeführten Interferometersystem erfolgen.
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Nach erfolgter Kalibrierung wird die Vorrichtung 10 in der Nähe der Messstrecke der Abstandssensoren 16 angeordnet, damit der Laserstrahl L10 die gleiche Umgebungsluft U wie bei den Abstandssensoren 16, durchläuft.
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Vor dem Beginn des Betriebs des Walzwerkes W wird die Vorrichtung 10 in Gang gesetzt, wobei sich der Stößel 26 innerhalb der eine Wegbegrenzung darstellenden Anschläge 30 und 31 hin und her bewegt. Die Steuerelektronik S erfasst dabei durch Auswertung der Interferenz im Fotodetektor 23
1 die Anzahl der detektierten Hell-Dunkel-Übergänge. Mit der Kenntnis über den kalibrierten Bewegungsbereich des Stößels 26 und den getrennt für jede Wellenlänge (λ1, λ2) gezählten Hell-Dunkel-Übergängen können nun ohne Kenntnis der Umgebungsparameter die exakten Wellenlängen des Laserlichts nach folgender Formel berechnet werden:
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Hierbei ist n die Anzahl der Hell-Dunkel-Übergänge, die mit dem Interferometer detektiert werden, λ die Wellenlängen des Laserlichts, A der Abstand zwischen den Anschlägen 30 und 31 und d die Dicke der Anschlagscheibe am Stößel 26.
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Die Bestimmung der Wellenlängen λ erfolgt letztlich durch die umgewandelte Formel
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Die Ergebnisse der ständigen Messungen der Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Wellenlängen des Laserlichts im Bereich der Messstrecke der Laserabstandssensoren 10 wird nun ständig in der Steuerelektronik S bei den Abstandsmessungen der Abstandssensoren 16 berücksichtigt, wodurch eine höhere Genauigkeit der Messungen entsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abstandsmessgerät
- 11
- Walzband
- 12
- Rollenanordnungen
- 13
- Walzgerüste
- 14
- Walzspalt
- 15
- C-Rahmen
- 161 + 162
- Laserabstandssensoren
- 17
- Coil
- 18
- Stützwalzen
- 19
- Arbeitswalzen
- 20
- Laserquelle
- 21
- Lichtwellenleiter
- 221-225
- Faserteiler
- 231-233
- Fotodetektoren
- 24
- Fokussieroptik
- 25
- polierte Stirnfläche eines Stößels
- 26
- Stößel
- 27
- Lagerung
- 28
- Anschlagscheibe
- 29
- Referenzblock
- 30, 31
- Anschläge
- 32
- Antriebsvorrichtung des Stößel 26
- 33
- Zugfeder
- 34
- Temperatursensor
- 35
- Grundplatte
- W
- Walzwerk
- L1
- Laserstrahl
- L2
- Teillaserstrahl
- L3
- Teillaserstrahl-Vorrichtung 10
- L4
- Teillaserstrahl
- L5
- Teillaserstrahl
- L6
- Teillaserstrahl
- L7
- Teillaserstrahl
- L8
- Teillaserstrahl
- L9
- Teillaserstrahl
- L10
- Teillaserstrahl
- L11
- Teillaserstrahl
- LF
- fokussierter Laserstrahl
- U
- Umgebungsluft
- T
- Strahlengang des Triangulationssensors
- I
- Strahlengang des Interferometers
- λ1, λ2
- Wellenlängen
- S
- Steuerelektronik
- A
- Referenzstrecke
- d
- Dicke des Stößels 26
- G
- zu vermessendes Gut
- F
- Faserende