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Schaltanordnung zum Messen der Phasendifferenz Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltanordnung zum Messen der Phasendifferenz zwischen zwei Wechselspannungen
gleicher Frequenz.
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Es sind Anordnungen bekanntgeworden, die es gestatten, die Phasendifferenz
zwischen zwei Wechselspannungen direkt zu messen, beispielsweise durch gleichzeitiges
Projizieren und Ausmessen der beiden Wechselspannungen auf den Schirm eines Kathodenstrahloszillographen.
Das setzt jedoch voraus, daß bei kleinen Wechselspannungen zwei Verstärker vorgesehen
werden müssen, die genau gleiche Charakteristiken in bezug auf Verstärkung und Phasenlage
aufweisen. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß es nicht möglich ist, diese
beiden gleichen Charakteristiken dauernd aufrechtzuerhalten, es hat sich vielmehr
herausgestellt, daß die Verstärker in kurzen Zeitabständen aufeinander abgeglichen
werden müssen, was eine kommerzielle Verwendung derartiger Geräte ausschließt.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Anordnungen dadurch,
daß durch eine Umschaltvorrichtung zwischen den beiden Eingangsspannungen von diesen
eine dritte frequenzmodulierte Wechselspannung abgeleitet wird, deren Modulationshub
proportional der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangsspannungen und deren
Modulationsfrequenz gleich der Frequenz der Umschaltvorrichtung und niedriger als
die Frequenz der Eingangswechselspannung ist und daß diese dritte frequenzmodulierte
Wechselspannung einem Frequenzdiskriminator zugeführt wird, der eine vierte Wechselspannung
liefert, deren Frequenz gleich der Frequenz der Umschaltvorrichtung und deren Amplitude
gleich der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangswechselspannungen ist und
in einer Meßvorrichtung angezeigt wird. Die Meßvorrichtung kann in Weiterbildung
der Erfindung so ausgeführt sein, daß sie die Amplitude der Halbwellen einer Polarität
der vierten Wechselspannung anzeigen kann. Die Anzeigevorrichtung kann auch eine
zweite, mit der ersten synchronisierten Schaltvorrichtung aufweisen, die die Halbwellen
einer Polarität einer Polaritätsanzeigevorrichtung zuführt. Diese kann so ausgeführt
sein, daß Spannungen beider Polaritäten angezeigt werden und zwei Eingänge erhalten,
denen von der Schaltvorrichtung Spannungen entgegengesetzter Polarität zugeführt
werden. Zweckmäßigerweise wird ein Anzeigeinstrument verwendet, dessen Zeiger in
der Ruhelage in der Skalenmitte steht und zwei Antriebsmittel hat, denen getrennt
die Halbwellen mit entgegengesetzter Polarität zugeführt werden, so daß die Größe
und
Richtung der Phasenverschiebung angezeigt werden kann.
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Die Empfindlichkeit der Messung bei kleinen Phasenverschiebungen
kann dadurch erhöht werden, daß die Phasenlage der Eingangswechselspannungen vor
der Schaltvorrichtung um einen bestimmten Faktor geändert wird. Dies wird durch
eine Schaltung erreicht, die von den Ausgangsspannungen phasengleiche und um 900
phasenverschobene Komponenten ableitet, die beiden Komponenten verschieden verstärkt
oder abschwächt und wieder miteinander verbindet, um Ausgangsspannungen mit größerer
Phasendifferenz zu erzeugen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. la ein schematisches Schaltbild einer abgeänderten Schaltvorrichtung, die in
der Schaltung der Fig. 1 verwendet werden kann, Fig. 2 eine Reihe von Diagrammen
bzw. Kurven, die die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erläutern,
Fig. 3 und 4 Vektordiagramme, die die Wirkungsweise der Phasenverstärkungsschaltung
nach Fig. 1 darstellen, Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer abgeänderten Phasentransformatorschaltung,
die bei der
Schaltanordnung der Fig. 1 verwendet werden kann, und
Fig. 6 und 7 Vektordiagramme, die die Wirkungsweise der Phasenverstärkerschaltung
der Fig. 5 erläutern.
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In Fig. 1 sind zwei Erzeuger 10' und 10 für elektrische Wellen gleicher
Frequenz, aber verschiedener Phase dargestellt. Die Erzeuger können Übertrager sein,
die auf Schall oder andere Raumwellen ansprechen. deren Anlaufwinkel durch Messung
der Phasendifferenz zwischen dem Ausgang des Übertragers 10 und dem des Übertragers
10' zu messen ist. Auf diese Weise werden in der durch die Pfeile 12 gekennzeichneten
Richtung eintreffende Raumwellen auf den Übertrager 10 vor dem Übertrager 10' auftreffen,
so daß die in dem Übertrager 10' entstehenden elektrischen Wellen denjenigen, die
in dem Übertrager 10 entstehen, um einen elektrischen Phasenwinkel nacheilen, der
eine Funktion der Wellenlänge der Raumwellen und des Abstandes zwischen den Übertragern
10 und 10' ist.
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Der Ausgang der Übertrager 10 und 10', der an den Leitern a und a'
auftritt, kann durch einen Phasenverstärkerkreis geleitet werden, der einen Transformator
11 aufweist, und den Leitern b und b' zugeführt werden. Wenn keine Phasenverstärkung
notwendig oder envünscht ist, können aber auch die Leiter a und a' direkt mit den
Leitern b und b' verbunden werden.
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Die an den Leitern b bzw. b' auftretenden Wellen werden abwechselnd
durch eine geeignete Schaltvorrichtung, die der Einfachheit halber als umlaufender
Kommutator dargestellt ist, einer Leitung c zugeführt. Der Kommutator 14 arbeitet
mit einer etwas geringeren Frequenz, als sie die Wellen an den Leitern b und b'
haben.
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Wenn daher die Frequenz dieser Wellen 20 Kilohertz beträgt, so kann
der Kommutator 14 mit zehntausend Umdrehungen pro Sekunde arbeiten.
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Die resultierende Welle an der Leitung c kann verstärkt und begrenzt
werden, um im wesentlichen Rechteckwellen durch einen Verstärker und Begrenzer 15
zu bilden. Die sich an der Leitungd ergebende Welle wird einem Frequenzdiskriminator
16 zugeführt.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, zeigen die Kurven A und B Wellen gleicher
Frequenz, aber verschiedener Phase, die an den Leitern b bzw. b' auftreten. Die
Welle Eb' eilt der Welle Eb in der Phase nach. Die an dem Leiter c auftretende Welle
ist in dem Diagramm C dargestellt. Für wechselnde Perioden von der Dauer von etwa
zwei vollen Schwingungen entspricht die Welle der Kurve C der Kurve A, und während
der nächsten Intervalle entspricht sie der Kurve B. Während jeder Übertragung von
der Kurve A zur Kurve B wird die Phase verzögert, und während jeder Übertragung
von der Kurve A zur Kurve C' eilt die Phase vor. Diese Phasenverschiebungen erzeugen
abwechselnd eine Erhöhung und Verminderung der Frequenz der Welle Ec entsprechend
der zuvor angegebenen Formel. Diese Frequenzänderungen wurden in der KurveC nicht
dargestellt.
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Die Kurve D zeigt die Wellenform in der Leitung d. In bekannter Weise
hat der Verstärker und Begrenzer 15 die sinusförmige Wellenform der Kurve C auf
die im Diagramm D dargestellte Wellenform mit praktisch quadratischer Wellenform
umgewandelt.
Jedoch kann die im wesentlichen sinusförmige WellenformEc dem Frequenzdiskriminator
16 zugeführt werden, wenn die üblichen Vorteile eines Begrenzers wie die Eliminierung
der Amplitudenmodulation unerwünscht sind.
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Der Frequenzdiskriminator 16 kann von bekannter Bauart sein, der
die Ausgangsspannung Null bei einer bestimmten Frequenz liefert und eine negative
Spannung bei Frequenzen unter einem bestimmten Wert und eine positive Spannung bei
Frequenzen über dem bestimmten Wert oder umgekehrt. Die Kurve E zeigt die Art der
Ausgangsspannung des Frequenzdiskriminators an der Leitung e, wenn der Diskriminator
eine positive Ausgangsspannung für Frequenzen über dem bestimmten Wert und eine
negative Ausgangsspannung bei Frequenzen unter dem bestimmten Wert hat. Die Kurve
E ist eine rechteckige Wechselstromkurve, deren Frequenz die des Kommutators 14
ist. Die Amplitude des Potentials Ee ist eine Funktion der Größe der Frequenzverschiebung
zwischen der Kurve A und der Kurve B und der Frequenz des Kommutators 14. Wenn es
nur erwünscht ist, die Amplitude der Phasenverschiebung zu erfahren, so ist es nur
erforderlich, die Durchschnitts amplitude des Wechselstromes Ee zu messen, was direkt
mit einem Wechselstrommeßinstmment erfolgen kann oder dadurch, daß der Wechselstrom
zunächst gleichgerichtet und der gleichgerichtete Strom mit einem Oleichstrommeßinstrument
gemessen wird.
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Jedoch ist es oft erwünscht, nicht nur die Größe der Phasendifferenz
zwischen den Kurven Eh und Eb' anzuzeigen, sondern auch die Richtung der Phasenverschiebung.
Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Ausgangsspannung der Leitung e durch
einen Schalter 17, der synchron rnit dem Eingangsschalter 14 betätigt wird, an eine
Anzeigevorrichtung 18 geschaltet wird, so daß ein Satz der Halbwellen der Kurve
B einer Leitung f zugeführt wird und der andere Halbwellensatz einer Leitung f'.
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Das Ergebnis ist, wie aus den Kurven F und G der Fig. 2 hervorgeht,
daß ein bestimmter Satz von Halbwellen immer der Leitung f und der andere Halbwellensatz
immer der Leitung f' zugeführt wird.
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Die Anzeigevorrichtung 18 kann ein Instrument bekannter Bauart sein,
bei dem sich ein Zeiger 18 a in der Mittel- oder Nullstellung befindet, wenn dem
Instrument keine Spannung zugeführt wird, sich aber nach rechts von der Mittelstellung
bewegt, wenn entweder ein positives Potential an der Leitung f oder ein negatives
Potential an der Leitung f' besteht und sich nach links von der Mittelstellung aus
bewegt, wenn ein negatives Potential an der Leitungf oder ein positives Potential
an der Leitung f' besteht. Bei den durch die Kurven F und G der Fig. 2 dargestellten
Verhältnissen werden positive Impulse der Leitung f und negative Impulse der Leitung
f' zugeführt, wodurch der Zeiger 18 a sich von der Mittelstellung aus nach rechts
bewegt und anzeigt, daß die Welle der Kurve A der Welle der Kurve B in Fig. 2 voraneilt.
Bei der dargestellten Richtungsanzeigeeinrichtung kann die Anzeigevorrichtung 18
direkt mit den Buchstaben L und R versehen werden, wie es in der Figur dargestellt
ist, damit die Richtung der Annäherung der Raumwellen an die Übertrager 10 und 10'
direkt angezeigt wird. Wenn die Phasenverschiebung umgekehrt würde, d. h. wenn die
Welle Eb der Welle Eb' nacheilen anstatt voreilen würde, so würden
die
Impulse in der Kurve F negativ anstatt positiv und die Impulse der Kurve G würden
positiv anstatt negativ, wodurch eine entgegengesetzte Richtungsanzeige bei der
Anzeigevorrichtung 18 erzeugt wird.
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Es ist bei dieser Erfindung nicht wesentlich, daß die Schaltvorrichtung
14, so wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ausgeführt wird, die momentan die Leitung
c zwischen den Leitungen b und b' schaltet, um die abgehackten Übergänge in KurveC
(Fig. 2) zu erzeugen und die Rechteckwellen der Kurve E. Beispielsweise kann der
Schalter 14 in Fig. 1 durch ein Potentiometer ersetzt werden, wie es in Fig. 1 a
dargestellt ist, bei dem die Leitungen b und b' an diametral gegenüberliegenden
Abgreifpunkten eines kreisrunden Widerstandes 20 angeschlossen sind, der mit einer
rotierenden Bürste 21 zusammenwirkt, die an die Leitung c angeschlossen ist. Bei
der Anordnung nach Fig. 1 a können die Kurven E, F und G der Fig. 2 sinusförmig
anstatt rechteckig sein, aber die Gesamtergebnisse würden die gleichen sein.
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Der Phasenverstärkungstransformator 11 weist eine Primärwindung mit
einem Mittelabgriff Tc und Endabgriffen Tp und Tp' auf, die mit den Leitungen a
und a' verbunden sind. Die Sekundärwicklung des Transformators hat einen Mittelabgriff,
der über eine Leitung r an den Mittelabgriff Tc der Primärwicklung angeschlossen
ist, und Endabgriffpunkte Ts und Ts', die an die Leitungen b und b' angeschlossen
sind.
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Die Wirkungsweise des Transformators ist durch die Vektordiagramme
der Fig. 3 und 4 dargestellt.
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Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Potentiale der beiden Übertrager
10 und 10' die Potentiale Ea und Ea' gleicher Amplitude, die aber um den PhasenwinkelO
abweichen. Die PotentialeEa und Ea' werden den Primärabgriffen Tp und Tp' des Transformators
zugeführt, und die resultierenden Potentiale zwischen dem Mittelabgriff Tc und den
Primärabgriffen Tp und Tp' sind durch die beiden gleichen, aber entgegengesetzten
Vektoren Ep und Ep' dargestellt. Das Potential zwischen Erde (die Verbindung zwischen
den Übertragern 10 und leu') und dem Mittelabgriff Tc ist durch den Vektor Er dargestellt,
der den Winkels halbiert und einen rechten Winkel mit den Vektoren Ep und Ep' bildet.
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Die Vektorsumme von Er und Ep ist Ea, und die Vektorsumme von Er und
Ep' ist Ea'.
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Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird das Potential des sekundären Mittelabgriffes
durch den gleichen Vektor Er dargestellt, da die Mittelabgriffpunkte der Primär-
und Sekundärwicklung direkt miteinander verbunden sind. Die zwischen dem Mittelabgriff
Tc und den Sekundärabgriffen Ts und Ts' induzierten Spannungen sind in Phase mit
der Spannung an der Primärwicklung und werden daher durch die beiden Vektoren Es
und Es' dargestellt, die wegen des Ubersetzungsverhältnisses des Transformators
größer sind als die Vektoren Ep und Ep'. Die resultierenden Potentiale Eb, Eb',
die zwischen Erde und den Sekundärabgriffen Ts und Ts' auftreten, werden den Leitungen
b bzw. b' zugeführt. Der Phasenwinkel O' zwischen Eb und Eb' ist größer als der
Winkel 8 zwischen Ea und Ea', da die Vektoren Es und Es' größer sind als die Vektoren
Ep und Ep', wobei Er in beiden Fällen gleich groß ist. Infolgedessen ist die Phasendifferenz
verzerrt worden. Wenn die Primärwicklung mehr Windungen hat als die Sekundärwicklung,
so wird die Phasendifferenz vermindert.
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Der Transformator 11 kann ein Einspulentransformator sein mit einer
einzigen Wicklung mit Primär-und Sekundärabgriffen, wobei die gleichen Ergebnisse
erreicht werden.
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Der Phasentransformatorkreis der Fig. 1 zeigt die Verbindung einer
Einrichtung (die Primärwicklung des Transformators 11) zur Bildung eines Mittelphasenpotentials
Er zwischen der gemeinsamen Klemme (Erde) und der Leitung r, die als Bezugsleitung
bezeichnet wird mit einer Einrichtung (die Primär- und Sekundärwicklungen zusammen),
um zwischen der Bezugsleitung r und den Ausgangskontakten (den Leitungen b und b')
zwei Potentiale Es und Es' zu bilden mit entgegengesetzter Phase und einer Phasenverschiebung
um 900 zu der Spannung der mittleren Phase. Das Ausgangspotential Eb an der Leitung
b ist daher die Vektorsumme von Er undEs', und das Ausgangspotential an der Leitungb'
ist die Vektorsumme von Er und Es'. Damit der PhasenwinkelO' eine Vergrößerung des
Winkels O ist, muß das Verhältnis von Es und Es' zu Er in Fig. 4 größer sein als
das Verhältnis von Ep und Ep' zu Er in Fig. 3. In Fig. 1 wird dies dadurch erreicht,
daß die Potentiale Ep und Ep' auf die höheren PotentialeEs und Es' durch den Transformator
gebracht werden, jedoch kann dies auch durch Reduzierung der Größe von Er erreicht
werden.
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Eine abgeänderte Schaltanordnung ist in Fig. 5 dargestellt, bei der
die Primärkreise des Transformators vollständig von den Sekundärkreisen getrennt
sind. Hier sind zwei gesonderte Transformatoren 25 und 25' vorgesehen. Die Primärwicklung
26 des Transformators 25 liegt zwischen der Leitung a und Erde, und die Primärwicklung
26' des Transformators 25' liegt zwischen der Leitung a' und Erde. Daher wird der
Transformator 25 durch das Potential Ea mit Strom versorgt und der Transformator
25' durch das Potential Ea'. Der Transformator 25 hat zwei Sekundärwicklungen 27
und 28, und der Transformator 25' hat zwei Sekundärwicklungen 27' und 28'.
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Die beiden Sekundärwicklungen 27' und 27 sind im gleichen Sinn in
Reihe von Erde über ein Potentiometern1 und zur Erde zurück angeschlossen. Die beiden
Sekundärwicklungen 28 und 28' sind gegensinnig in Reihe durch eine Bezugsleitung
32 zwischen den Ausgangsleitungen b und b' angeschlossen. Die Leitungen b und b'
sind durch einen Spannungsteiler überbrückt, der aus zwei gleichen Widerständen
R 2 und R 3 besteht, wobei die Verbindung 31 von diesen mit dem beweglichen Kontakt
des Potentiometers R 1 verbunden ist.
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Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sind die Potentiale an den in Reihe geschalteten
Sekundärwicklungen 27' und 27 durch die Vektoren E27' und E 27 dargestellt.
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Die Vektorsumme von diesen Potentialen zwischen Erde und der Leitung
30 ist durch den Vektor E 30 dargestellt mit mittlerer Phase in bezug auf die Potentiale
E27' und E27. Das Potential zwischen Erde und dem Punkt 31 ist durch den Vektor
E 31 dargestellt, der mit dem Vektor E 30 in Phase ist, aber kleiner ist, und wobei
die Größe von der Einstellung des Potentiometers R 1 abhängt.
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Wie der Fig. 7 zu entnehmen ist, wird das Potential an der Sekundärwicklung
28 durch den Vektor E 28 dargestellt und das Potential an der Sekundärwicklung 28'
durch den Vektor E 28'. Der Phasenwinkel zwischen diesen beiden Vektoren ist der
WinkelO, der die Phasendifferenz zwischen den
Potentialen Ea und
Ea' darstellt. Diese Vektoren E28 und E28' zeigen die Potentiale zwischen der Bezugsleitung
32 und den Ausgangsleitungen b und b' an. Das Potential zwischen den Leitungen und
b' ist die Summe der beiden um 900 verschobenen Potentiale Er2 und Er3. Das Potential
der Leitung b gegen Erde ist die Vektorsumme des Potentials E 31 und des Vektors
Er2, wobei das Potential zwischen Erde und der Ausgangsleitung b' die Vektorsumme
des Mittelphasenpotentials E31 und des um 90° phasenverschobenen Potentials Er3
ist. Diese Potentiale werden durch die Vektoren Eb und Eb' in Fig. 7 dargestellt.
Der Phasenwinkel zwischen Eb und Eb' ist der Winkel zwischen 6?', der größer ist
als der Winkel 6?.
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Der Winkels' ist eine Funktion des Wertes des Potentinis E31 in bezug
auf die Potentiale Er2 und Er3. Das Potential E31 ist eine Funktion der Windungszahl
der Sekundärwicklungen 27 und 27' und der Einstellung des Potentiometers R 1. Die
Größe der um 900 phasenverschobenen Potentiale Er2 und Er3 sind Funktionen der Windungszahl
der Wicklungen 28 und 28'.
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Es wurde bereits erwähnt in Zusammenhang mit dem Transformator 11
der Fig. 1, daß die Phasendifferenz vermindert anstatt verstärkt werden kann, indem
die Primärwicklung mehr Windungen hat als die Sekundärwicklung. Die gleiche Wirkung
kann mit der Schaltung der Fig. 5 erreicht werden, indem die Windungszahl der Sekundärwicklungen
28, 28' in bezug auf die Sekundärwicklungen 27, 27' vermindert wird.
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Es kann in der Praxis manchmal erwünscht sein, eine Phasendifferenz
zu vermindern. Beispielsweise geben gemeinsame Phasenmeßkreise zweideutige Werte
in einem Bereich, der t 900 übersteigt. Durch Verminderung der Phasenänderungen,
die +900 überschreiten, auf weniger als + 900 können sie ohne Zweideutigkeit durch
derartige gemeinsame Phasenmeßkreise gemessen werden.
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Obgleich zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung eine besondere
Ausführungsform hiervon dargestellt und beschrieben wurde, ergeben sich für den
Fachmann Abänderungen, so daß die Erfindung nicht auf die im einzelnen dargestellten
und beschriebenen Einzelheiten beschränkt ist.