DE1673988A1

DE1673988A1 - Einrichtung zum Erzeugen eines annaehernd sinuswellenfoermigen Signals

Info

Publication number: DE1673988A1
Application number: DE1968R0048245
Authority: DE
Inventors: Robbins Rowland Clive; Dench Michael John
Original assignee: George Richards and Co Ltd
Current assignee: George Richards and Co Ltd
Priority date: 1967-03-16
Filing date: 1968-03-15
Publication date: 1971-08-05
Also published as: DE1673988B2; DE1673988C3; GB1227941A; CH493829A; US3553470A; FR1564944A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen, die es ermöglicnen, angenähert eine Sinuswelle zu erzeugen;

optischen Liniendie Erfindung kann z.B. in Verbindung mit einem(aus linien

bzw. Strichgitter

bestehenden optischen Gitter)angewendet werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das sich nach der relativen Stellung des Gitters und eines Ablesekopfes ricntet. Die Erfindung ermöglicht es, ein Stellungssignal direkt in i'orm einer Annäherung an eine Sinuskurve zu erzeugen, und zwar anstelle einer dreieckigen oder trapezförmigen ι,/elle, und diese Tatsache kann sich insofern als sehr vorteilhaft erweisen, als die Vorrichtung zum Verarbeiten des Stellungssignals nicht so ausgebildet zu sein braucht, daß sie Harmonische der Grundfrequenz verarbeiten kann, deren Amplitude einen sehr kleinen wert überschreitet.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Verrichtung zum Erzeugen einer angenäherten Sinuswelle ein Ablesekopf verwendet, der gegenüber einem optischen Gitter bewegbar ist und eine

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Einrichtung enthält, die zwei durch einen Abstand getrennte begrenzte Flächen des Gitters zum Zweck der Beobachtung abgrenzen, wobei diese örtlich begrenzten Flächen durch einen Abstand getrennt sind, der einem ungeradzahligen Vielfachen von n-ten Bruchteilen einer Hälfte der Gritterteilung entspricht; hierbei ist eine Einrichtung vorgesehen, die es ermöglicht, Signale zu kombinieren, die aus einer Beobacntung der betreffenden begrenzten Flächen abgeleitet werden, sp daß man ein kombiniertes, annähernd sinusförmiges Signal erhält, aus dem die n-te P Harmonische der Grundfrequenz im wesentlichen entfernt worden ist. Die Einrichtung zum Abgrenzen der örtlichen flächen kann zwei Offnungen umfassen. Das Gitter icann miteinander abwechselnde Linien und Zwischenräume oder dunkle und helle Zonen von annähernd rechteckiger Form umfassen.

Wenn eine Öffnung rechteckig ist und ihre Breite einem Drittel der Gitterteilung entspricht, würde die erzeugte Welle trapezförmig sein und durch eine endlose Fourier-Heihe ausgedrückt werden können, wie es nachstehend angegeben ist_o

S = K sin 0 - 1/5² sin 50 + 1/7² sin 10 - 1/11² sin 110

Bei diesem Ausdruck ist keine dritte harmonische Komponente vorhanden, doch beträgt die Amplitude der fünften harmonischen Komponente 4$ der Grundfrequenz. Wenn man eine zweite ähnliche rechteckige Öffnung vorsieht, deren Breite einer ungeraden Zahl von Zehnteln einer Gitterteilung uäd vorzugsweise 9 oder 11 Zehnteln einer Gitterteilung entspricht, wobei diese Öffnung gegenüber der ersten Öffnung versetzt ist, wird wiederum eine

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vollständige Auslöschung der fünften Harmonischen erzielt, und die noch verbleibende siebente Harmonische wird eine Amplitude haben, die nur etwa 2$ der Grundfrequenz entspricht. In diesem Pail würde η gleich 5 sein.

Bei dieser Anordnung wird die dritte Harmonische durch geeignete wahl der Breite der örtlichen rechteckigen Fläche in Beziehung zu der rechteckigen Gitterteilung ausgeschaltet, doch sieht die Erfindung gemäß einem weiteren Merkmal ein Verfahren zum Erzeugen einer angenäherten Sinuswelle die Bewegung eines üechtsecks gegenüber einem symmetrischen Trapez sowie die Erzeugung eines Signals vor, das zu den sich überlappenden Flächen des üechtecks und des Trapezes proportional ist. Im allgemeinen erfolgt die Bewegung parallel zu den parallelen Seiten dee Trapezes.

VYenn die Trapezform anfänglich mit der rechteckigen Form zusammentrifft, vergrößert sich die Überlappungsfläche zunächst entsprechend dem Quadrat der zurückgelegten Strecke, bis dann, wenn die geneigte Vorderkante des Trapezes vollständig über dem Rechteck liegt, die Geschwindigkeit der Zunahme der Überlappung linear ist, wenn die kürzere der parallelen Seiten in Deckung mit dem Rechteck gebracht wird, v/enn schließlich die hintere geneigte Seite in die Deckungslage kommt, entspricht die Geschwindigkeit der Zunahme der Überlappungsfläche wiederum einem quadratischen Gesetz, doch ändert sich die Überlappungsfläche nicht mit einer zunehmenden, sondern mit einer abnehmenden Geschwindigkeitο

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Wenn sich das Trapez vollständig über dem Rechteck befindet, ist die (Geschwindigkeit der Zunahme gleich EuIl, und hierbei ist das Maximum der angenäherten Sinuswelle erreicht. Eine weitere Bewegung des [Trapezes bewirkt, daß sich die vordere geneigte kante von dem Hechteck weg bewegt, so daß sich die Fläche verkleinert, indem man ein Ausgangssignal erhält, das der Hinterflanke einer Kurve entspricht, bei der es sich um eine Annäherung an eine binuswelle handelt.

Eine weitgehende Annäherung an eine oinusweiie wird er-P zielt, wenn die Länge der parallelen Seiten des Trapezes ein Verhältnis von 1:3 aufweisen, und wenn die Länge der längeren der parallelen Seiten gleich der Breite des Rechtecks ist.

Bei den erwähnten Formen kann es sich um Öffnungen- in undurchsichtigen Flächen handeln, z.B. um eine rechteckige Bezugsöffnung and eine trapezförmige Öffnung des Ablesekopfes, so daß die Stellung des kopfes gegenüber der Bezugsfläche durch den Augenblickswert der erzeugten Sinuswelle angegeben werden kann.

^ Das Signal wird zweckmäßig mit Hilfe einer Lampe und einer photoelektrischen Zelle erzeugt, die auf die Lichtmenge anspricht, welche durch die sich überlappenden Flächen des Trapezes und des Rechtecks fällt, so daß das elektrische Ausgangssignal der Zelle das gewünschte Signal bildet.

Das Hechteck oder das Trapez kann durch eine von mehreren, ähnlichen Offnungen eines Gitters gebildet werden, und zweckmäßig weist ein langes Gitter rechteckige Öffnungen auf, die nacheinander mit der trapezförmigen öffnung eines beweglichen

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Ablesekopfes zusammenarbeiten, um eine sich wiederholende öinuswelle zu erzeugen, wenn der kopf bewegt wird. Me augenblickliche Stellung des Kopfes kann mit Hilfe der Amplitude der Sinuswelle innerhalb einer Periode ermittelt werden, und es ist möglich, die Zahl der Perioden gegenüber einer Bezugsstellung zu zählen«,

Die Erfindung sieht eine Einrichtung vor, die es in der beschriebenen tfeise ermöglicht, eine angenäherte Sinuswelle zu erzeugen; die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt insbesondere eine ein Stellungssignal bestimmende Vorrichtung mit einem langgestreckten Gitter, das rechteckige oder trapezförmige Öffnungen aufweist, sowie mit einem relativ bewegbaren Kopf, der mit einer trapezförmigen oder rechteckigen Öffnung versehen ist und eine optische Vorrichtung umfaßt, mittels deren die augenblickliche Überlappung zwischen dem Rechteck und dem Trapez bestimmt werden kann. Die Teilung eines solchen Gitters entspricht zweckmäßig dem Zweifachen der Breite des Hechtecks oder Trapezes. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Öffnung die Form eines doppelten Trapezes, wobei der eine Teil ein Spiegelbild des anderen Teils bezogen auf die längere der parallelen Seiten ist. Diese Anordnung ist weniger empfindlich für eine zufällige Schrägstellung bzw. einen Fluchtungsfehler bezüglich der Mittellinien der Rechtecke und der Trapeze.

Die Wellenform, die durch eine trapezförmige Öffnung mit den vorstehend genannten Abmessungen in Verbindung mit einem Gitter erzeugt wird, das Linien und Zwischenräume von gleicher Breite umfaßt, kann in der nachstehend gezeigten Weise durch eine unendliche Fourier-Reihe ausgedrückt werden.

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- 6 S = K sin 0 - 1/5³ sin .50 - 1/7³ sin 10 + 1/11⁵ sin 110 ...

Der vorstehende Ausdruck zeigt, daß keine dritte Harmonische vorhanden ist, und daß die Amplitude der iünften Harmonischen nur 0_t8°/o der Amplitude der Grundfrequenz entspricht. Wenn man jedoch bei jedem .Fühlkanal nicht nur eine trapezförmige Öffnung, sondern zwei solche Offnungen verwendet, und wenn der Abstand zwischen diesen Öffnungen nicht genau einer Gitterteilung, sondern einer ungeraden Zahl von Zehnteln einer Gitterteilung und vorzugsweise 9 oder 11 Zehnteln einer Gitterteilung entspricht, wie es bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, sind die der fünften Harmonischen entsprechenden Beiträge, die von den beiden Offnungen stammen, gegeneinander um eine halbe Periode phasenverschoben, so daß man eine resultierende Wellenform erhält, die sich in noch stärkerem Maße einer reinen Sinuswelle annähert.

Es liegt auf der Hand, daß man weitere Offnungen und andere gegenseitige Abstände vorsehen könnte, um auch die Wirkung von Harmonischen höherer Größenordnung auszuschalten·

Die Erfindung kann in Verbindung mit einer Einrichtung

zum Bestimmen eines Stellungssighals angewendet werden, die

deutschen
den Gegenstand des Patents .........* bildet und dazu dient, die Stellung eines beweglichen Teils einer Y/erkzeugmaschine zu ermitteln. * (Patentanmeldung P 14 23 794.6)

Ferner steht die vorliegende Erfindung in Beziehung zu

dem Gegenstand des Patents (Patentanmeldung vom....

funser Zeichen 1A/G-34 364); in dem soeben genannten Patent ist eine Anordnung beschrieben, die eine Lampe und

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Photozellen umfaßt, wobei es diese Anordnung ermöglicht, die schwächste Beleuchtung mehrerer Photozellen untereinander abzugleichen, ohne daß die Größe der empfindlichen Fläche der Photozellen beeinträchtigt wird, auf die das Bild einer uitteröffnung projiziert wird· Henn die sich überlappenden

deutschen

Flächen beide eine rechteckige Form haben, wie es in dem/Patent .....·..* beschrieben ist, ergibt sich keine nachteilige Wirkung daraus, daß die Größe des Bildes verringert wird; wenn jedoch eine Annäherung an eine Sinuswelle in der beschriebenen weise mit Hilfe einer trapezförmigen Öffnung bewirkt A wird, würde das Signal nicht mehr einer weitgehenden Annäherung an eine Sinuswelle entsprecnen, wenn die Bildfläche auf der Photozelle verkleinert würde_o

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Einrichtung, bei der ein Satz von Offnungen mit einem reflektierenden Gitter zusammenarbeitet.

Die Erfindung wird im folgenden an liand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläuterte

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Ablesekopf nach der Erfindung·

Fig. 2 zeigt schematisch die lichtempfindlichen Flächen der vier in dem Ablesekopf nach Fig. 1 angeordneten lichtempfindlicnen Detektoren.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung von Offnungen, durch die das Licht auf die Detektoren fällt.

* (Patentanmeldung P H 23 794.6)

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Der Ablesekopf umfaßt gemäß Sig, 1 ein lichtdiclites Gehäuse 11, das einen Läufer 12 trägt, der sich zusammen mit dem Gehäuse oberhalb eines Gitters 13 längs der Achse des Gitters bewegen kann, die sich rechtwinklig zur Zeichenebene von Mg. 1 erstreckt.

Das Gitter 13 setzt sich aus miteinander abwechselnden dunklen Linien und Zwischenräumen zusammen, und das Licht der einzigen in dem lichtdichten Gehäuse 11 angeordneten Lampe 14 wird durch eine Linse 15 auf die Oberfläche des Gitters fokussiert, wo das Licht reflektiert wird, um dann durch Kollimatormittel 16 auf die lichtempfindlichen Plächen von vier insgesamt mit 17 bezeichneten lichtempfindlichen Detektoren zu fallen. Jeder Detektor ist auf einen anderen iDeil des Gitters 13 ausgerichtet, und diese Teile werden durch vier Paare von Öffnungen 18 in dem Läufer 12 abgegrenzt, wobei jedes Paar von Offnungen zwei Linien des Gitters zugeordnet ist, und

wobei die verschiedenen öffnungen gegenüber dem Gitter phasendeutschen verschoben angeordnet sind, wie es in dem Patent *

beschrieben ist. * /n 4. ± -> * -r, -ι λ ^* ™, c\

* (Patentanmeldung P 14 23 794.6)

Wenn sich die beiden Schlitze, die gemäß Fig. 2 ein Paar von öffnungen 18 bilden, oberhalb von Linien des Gitters befinden, erhält die entsprechende Photozelle 17 eine minimale Beleuchtung; stehen die Schlitze dagegen über Zwischenräumen von Linien des Gitters, erhält die Photozelle eine maximale Beleuchtung und es ist wichtig, daß die Ströme, die dem Minimum bzw. dem Maximum der Beleuchtung, d.h. der Dunkelheit bzw. Helligkeit entsprechen, bei den vier Detektoren untereinander abgeglichen sind.

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Gemäß der Erfindung ist der Läufer 12 gegenüber der Ebene des Gitters 13 unter einem sehr kleinen Winkel geneigt, so daß das Licht der Lampe 14 von der Oberseite des Gitters so reflektiert wird, wie es bei X angedeutet wird, wobei das reflektierte Licht in Form eines in Fig. 2 insgesamt mit 19 bezeichneten Lichtatreifens oder Bandes auf die vier empfindlichen Flächen der Detektoren 17 fällt. Dieses Band überdeckt jeweils einen Teil der lichtempfindlichen Flächen, der gegenüber demjenigen Teil versetzt ist, innerhalb dessen die Bilder der Öffnungen 18, die durch das Gitter moduliert werden, erscheinen, wie es in Fig. 2 dargestellt und in Fig. 1 bei X angedeutet ist. Der Neigungswinkel des Läufers 12 gegenüber der Gitterebene kann etwa 1° betragen.

Jeder Detektor 17 ist mit einer gesonderten undurchsichtigen Blende 21 versehen, die durch das benachbarte Ende einer Stellschraube 22 unterstützt wird und die Lichtmenge bestimmt bzw. regelt, die von dem beleuchteten Streifen 19 aus auf die empfindliche Fläche des Detektors fällt, so daß man die Detektoren einzeln einstellen kann, bis die Dunkelströme, die auftreten, wenn sich die Offnungen über Linien des Gitters befinden, für alle Detektoren den gleichen Wert haben.

Die Ströme, die entstehen, wenn die Offnungen über Zwischenräumen von Linien des Gitters liegen, können für alle vier Detektoren 17 mit Hilfe elektrischer Mittel auf der Ausgangsseite der Photozellen auf den gleichen Wert eingestellt werden.

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Es liegt auf der Hand, daß jede Änderung der Helligkeit -der Lampe 14 alle Minimum- und Maximum-Einstellungen der Detektoren auf die gleiche Weise beeinflußt, so daß die in dem Ausgangssignal enthaltene Stellunginformation von solchen Schwankungen unabhängig ist und auch dann nicht beeinflußt wird, wenn die Lampe 14 durch eine andere Lampe ersetzt wird.

Ferner können die Minimalwerte eingestellt werden, ohne daß sich eine Störung bezüglich des J-'eils der empfindlichen Fläche ergibt, auf die das die Läuferöffnungen passierende Q Licht fällt, und infolgedessen ergibt sich für den Ablesekopf ein regelbarer Modulationsbereich zwischen Helligkeit und Dunkelheit, so daß ein höheres Auflösungsvermögen erzielt wird. Y/eiterhin ist es durch die Wahl einer geeigneten Anordnung des reflektierten Lichtstreifens möglich, zuzulassen, daß die Bilder des Gitters, die durch die Läuferöffnungen fallen, etwas auswandern, ohne daß die Abgleicheinstellungen beeinflußt werden.

Eine Anordnung der beiden Offnungen 18 in dem Läufer 12, P die jeweils einem der Detektoren 17 zugeordnet sind, ist in Fig. 3 dargestellt.

Die beiden Offnungen 18 sind durch einen Abstand c getrennt, der 9 Zehnteln oder 11 Zehnteln von 2a entspricht, wenn 2a den Abstand zwischen benachbarten Linien des Gitters bezeichnet. Die Breite jeder Öffnung ist zweckmäßig gleich a, d.h. sie ist gleich der halben Gitterteilung.

Die Wahl dieses Abstandes zwischen den Öffnungen 18 trägt dazu bei, die fünften harmonischen Komponenten im Signal

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, - 11 -

der Detektoren 17 zu beseitigen, denn die der fünften Harmonischen entapreclienden Beiträge der beiden Öffnungen sind um eine halbe Periode gegeneinander phasenverschoben. Das Ausgangssignal nähert sich daher mit größerer Genauigkeit dem Sinus der Grundfrequenz.

Die Offnungen könnten auch eine rechteckige ϊοπη erhalten, wobei die Breite jeder Öffnung gleich einem Drittel der Gitterteilung ist, so daß die dritte harmonische Komponente ausgelöscht wird, wobei der Abstand c zwischen den Öffnungen 9 Zehnteln oder 11 Zehnteln von 2a entspricht, damit die fünfte harmonische Komponente eine Amplitude aufweist.

Die in Pig. 3 gezeigten allgemein trapezförmigen Offnungen bieten jedoch den Vorteil, daß die fünfte harmonische Komponente in der beschriebenen »/eise ausgelöscht werden kann, und ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die siebente harmonische Komponente« eine Amplitude aufweist, die nur 0,8$ der Grundfrequenz entspricht.

Dieser Wert von 0,8% wird erreicht, wenn die lücke zwischen benachbarten Gitterlinien eine rechteckige Form hat, wobei die Breite des Rechtecks gleich a ist, und wenn das Verhältnis von a zu b gleich 2:1 ist.

Alternativ würde es möglich sein}, die siebente Harmonische dadurch auszulöschen, daß man zwischen den öffnungen einen Abstand vorsieht, der 13/H oder 15/14 des Abstandes zwischen benachbarten Gitterlinien entspricht\ eine weitere Möglichkeit

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besteht jedoch darin, jedem Detektor 17 zwei Paare von Offnungen zuzuordnen, wobei der Abstand zwischen den Öffnungen jedes Paars 9/10 oder 11/10 der Gritterteilung entspricht, wänrend die uxfmmgspaare durch einen Abstand getrennt sind, der 13/14 oder 15/14 der Gritterteilung entspricht.

Patentansprücheχ

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Claims

DR. ING. F. WüESTEOFF )

DIPL. ING. G. PULS _. sfew-E «7 O Q O

DR.E.T.PEOHMANN . tkiifos 88 0851 ID / vJvlöU

PATENTANWÄLTE A*S T«MO«iic«Aiim·».

DH. ING. JJ. BEHHE]VS pbotsotpitikt

1A-34 377 PATEHI ANSPRÜCHE

1· Einrichtung zum Erzeugen einer Annäherung an eine Sinuswelle, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ablesekopf gegenüber einem optischen Gitter (13) bewegbar ist und eine Vorrichtung enthält, durch die zwei durch einen Abstand getrennte örtliche Flächen des Gitters zur Beobachtung abgegrenzt werden, wobei der Abstand zwischen den örtlichen Flächen einer ungeradzahligen Anzahl von η-ten Bruchteilen einer Hälfte einer Gitterteilung entspricht, wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, Signale zu kombinieren, die aus der Beobachtung der betreffenden örtlichen Flächen abgeleitet werden, um ein kombiniertes, annähernd sinusförmiges Signal zu erzeugen, aus dem die n-te Harmdiniäche der Grundfrequenz im wesentlichen beseitigt worden ist·
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zei.cnnet, daß das Gitter aus miteinander abwechselnden Linien und Zwischenräumen bzw· aus miteinander abwechselnden dunklen und hellen Zonftöa besteht, die jeweils eine annähernd recnteokige ü'orm hab*»r»,
3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung, mittels deren die örtlichen Flächen abgegrenzt werden, zwei Öffnungen umfaßt·

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4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die erwähnten örtlichen Flächen eine rechteckige Form haben·
5. Einrichtung nach Anspruch 4 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der örtlichen Flächen einem Drittel der G-itterteilung entspricht.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß η gleich 5 ist,
™ 7· Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß η gleich 7 ist.
8s Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4 sowie Anspruch 6 und 7, dadurch g e k e η η ζ e i ά h η e t , daß die Gritterzwischenräume bzw· die örtlichen Flächen jeweils die Form eines Trapezes haben, während die örtlichen Flächen oder die Gritterzwischenräume jeweils die Form eines Rechtecks haben, dessen Länge rechtwinklig zu den parallelen Seiten des Trapezes verläuft.
fc 9· Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichn e t , daß das Trapez eine symmetrische Form hat, und daß zwischei den parallelen Seiten des Trapezes ein Verhältnis von 1:3 besteht, wobei die länge der größeren Seite gleich der Breite des Rechtecks ist·
10. Einrichtung nach Anspruch ö oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume oder die örtlichen Flächen die Form eines Doppeltrapezes haben, das ein Trapez der beschriebenen Art zusammen mit dessen Spiegelbild um eine der parallelen Seiten umfaßt·

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11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch zwei Paare von örtlichen Flächen, wobei der Abstand zwischen den Paaren von Fläcüen einer ungeradzahligen Anzahl von m-ten Bruchteilen der halben Gitterteilung entspricht, und wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, die aus der Beobachtung der vier örtlichen Flächen abgeleiteten Signale zu kombinieren, so daß man ein kombiniertes 'Signal erhält, aus dem die m-te Harmonische der Grundfrequenz beseitigt worden ist.

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