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Gray-Code-Aufnehmer
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Die Erfindung betrifft einen Gray-Code-Aufnehmer, vorzugsweise für
einen reflektierten (gespiegelten) binären Gray-Code, mit einem mit mehreren spurförmigen
Codemarkierungen versehenen, vorzugsweise scheibenförmigen Codeträger.
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Zur digitalen Messung von Wegen, Abständen, Pegelständen, Winkelstellungen
oder dergleichen sind die sonst üblichen Codes (einfacher Binärcode, BCD-Code, Aiken-Code
etc.) nicht geeignet, da beim Übergang von Zeichen zu Zeichen, d. h. von einem Wert
zum nächsthöheren oder nächstniedrigen, immer dann die Eindeutigkeit der Ablesung
fehlt, wenn sich mehr als ein Bit ändert; bei diesen Codes können also in der Übergangsphase
zwischen zwei Zeichen falsche Bitkombinationen angezeigt werden.
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Man verwendet deshalb für solche Aufgaben hauptchlich sogenannte Gray-Codes,
die auch als zyklisch permutierte Codes bezeichnet werden, und die sich beim Übergang
von Zeichon zu Zeichen jeweils nur an einer Stelle andern, so daß Falschablesungen
auch an der bergangsstelle zwischen zwei Zeichen ausgeschlossen sind. Die bekannteste
Form dieser Codes ist der von dem flanzösischen Ingenieur Henri Baudot 1878 erfundene
zyklisch permutierte Binärcode. Der sogenannte reflektierte binäre Gray-Code geht
zurück auf den 1969 verstorbenen Physiker Prank Gray, vergleiche dessen US-PS 2
672 058 vom 17.3.1953.
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Eine Schwierigkeit bei Langen- oder Winkelmessungen mit solchen Codes,
die gewöhnlich auf drehenden Scheiben oder auch auf Linealen angeordnet sind, liegt
darin, daß bei größeren zu messenden Längen und einer vorgeschriebenen Mindestauflösung
sehr viele Codespuren erforderlich werden. Will man z. B. einen Längenbereich von
10 m zentimeterweise erfassen, so benötigt man eie Codescheibe mit 10 Spuren, und
diese Scheibe muß an insgesamt 1 024 Stellen abgetastet werden. Dies erfordert eine
sehr hohe Prazision und macht solche Aufnehmer teuer in der Anschaffung und sehr
reparaturanfällig.
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Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, hier eine Verbesserung
zu schaffen.
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Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen. Pro Codeträger, also z. B. pro Codescheibe, brauchen nur wenige Codespuren
vorgesehen zu werden, typisch vier Code spuren, was bei einem binären Gray-Code
einer Teilung von 11,250 entspricht, die leicht zu beherrschen ist und relativ große
Toleranzen bei der Fertigung ermöglicht.
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Durch Verwendung mehrerer Scheiben läßt sich der Meßbereich praktisch
beliebig erweitern, wobei die einzelnen Scheiben (Codeträger) weitgehend identisch
ausgebildet sein können, also Standardteile sind, die preiswert in großen Stückzahlen
z. B. aus GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) hergestellt werden können.
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Pro Codeträger werden bei Verwendung eines binären reflektierten Gray-Codes
nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung zwei Ubertragspositionen vorgesehen.
Am einfachsten ist dabei ein mechanischer Übertrag nach Art der bekannten mechanischen
Rollenzählwerke, wie sie z.B. in Elektrizitäts- oder Kilometerzählern verwendet
werden; diese Lösung ist sehr preiswert und wird deshalb bevorzugt. Hierzu kann
z.B. auf die gesamte umfangreiche Patentliteratur zu solchen Zählwerken hingewiesen
werden, die eine große Vielfalt von Lösungsmöglichkeiten für den mechanischen Übertrag
zeigt. Der mechanische Übertrag hat vor allem den großen Vorteil, daß er ohne Zufuhr
von Fremde<,nergie arbeitet, also einen energieunabhängigen Speicher ergibt,
was für viele Anwendungen, z.B. zur Wasserstandsmessung an abgelegenen Stellen ohne
Stromversorgung, von ausschlaggebender Bedeutung ist.
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Man kann den Ubertrag aber natürlich auch anders bewerkstelligen,
z.B. durch einen Kontakt, der einen Elektromagneten steuert, welcher seinerseits
über eine Schaltklinke den nächstfolgenden Codeträger um einen Schritt weiterschaltet,
wobei je nach Drehrichtung die Fortschaltung in der einen oder der anderen Richtung
erfolgen muß.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel,
sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Aufnehmer,
welcher in einem Gehäuse drei Codierscheiben zu je vier Code spuren enthält, in
stark vergrößertem Maßstab (MaBstab 2,5 : 1), und gesehen längs der Linie I-I der
Fig. 2, Fig. 2 einen Schnitt, gesehen längs der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 eine
Draufsicht von oben auf einen der drei Codetrager, der hier als Drehscheibe mit
vier Code spuren ausgebildet ist,
Fig. 4 eine Seitenansicht des
Codeträgers nach Fig. 3, teilweise gesehen längs der Linie IV-IV der Fig. 3, Fig.
5 eine Einzeldarstellung der Übertragsmechanik zum Bewerkstelligen des übertrag
von einer Scheibe auf die nächsthöhere Scheibe, Fig. 6 einen Schnitt, gesehen längs
der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VII-VII
der Fig. 5, Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, und zwar einen
vierstelligen Graycode zur Erläuterung einer dreispurigen Codescheibe, und Fig.
9 eine Darstellung des Hamiltonpfades für die acht Zahlen von 0 bis 7, dargestellt
im binären Gray-Code.
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Fig. 1 zeigt - etwa im Maßstab 2,5 : 1, also star g ergrößert -ein
Gehäuse 10, in dem auf einer Welle 11 drei Codeträger in Form von aus lichtundurchlässigem
GFK gespritzten Drehscheiben 12, 13 und 14 angeordnet sind. Die Codescheibe 14 ist
mittels eines Stifts 15 drehfest mit der Welle 11 verbunden, während sich die Scheiben
12 und 13 frei auf der Welle 11 drehen können und nurmechanisch über eine im folgenden
näher zu beschreibende Ubertragsmechanik 16 miteinander verknüpft sind. Die Welle
11 kann in üblicher Weise z B. mit einem Pegelgeber verbunden werden, um die Erfassung
eines Wasserstands oder des Schlammniveaus in einem Setzbecken zu ermöglichen.
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Das Gehäuse 10 ist mit nutenförmigen Führungsbahnen 17 zum schubladenartigen
Einführen von Trägerplatten 18 versehen; hierzu kann ein Deckel 19 abgenommen werden,
der an der Oberseite des Gehäuses 10 mittels Schrauben 20 lösbar befestigt ist und
im Betriebszustand das Gehäuse staub- und spritzwasserdicht verschließt; statt einer
Schraubverbindung ist auch eine Rastverbindung zwischen Gehäuse und Deckel möglich.
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Die Trägerplatten 18 tragen die Sensorelemente zum Abfühlen der verschiedenen
Codespuren der Codeträger 12 bis 14. Z.B. sind auf der Vorderseite der in Fig. 2
dargestellten Platte 18 vier Lichtemitterdioden 23, 24, 25 und 26 angeordnet, von
denen die erste Diode 23 die äußerste Codespur beleuchtet, also die niedrigste Bitstelle,
die Diode 24 die zweite Codespur etc. Wie in Fig. 2 dargestellt, liegen diese vier
LED's nicht auf einem einzigen Radiusvektor, sondern sind gegeneinander um einen
Winkel von 7200 . n versetzt, wobei n = 1,2 ..., und p = Zahl der Pop sitionen auf
der Codescheibe. Da die vorliegende Codescheibe 32 Positionen hat, beträgt der Versetzungswinkel
22,50 oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon. Im Uhrzeigersinn kommt zuerst die
Leuchtdiode 26 für die vierte (höchste) Bitspur, dann um 22,50 versetzt die Leuchtdiode
23 für die erste (niedrigste) Spur, dann nach 22,50 die Leuchtdiode 24 für die zweite
Spur, und schließlich nach weiteren 45° die Leuchtdiode 25 für die dritte Spur.
Die Lichtemitterdioden sind Teile von Lichtschranken, weshalb es günstig ist, ihren
Abstand möglichst groß zu halten, was durch diese Versetzung erreicht wird. Außerdem
ergibt sich durch die beschriebene Anordnung eine besonders günstige symmetrische
und mechanisch haltbare Form der Codescheiben, wie das im folgenden beschrieben
wird.
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Auf ihrer (nicht dargestellten) Unterseite trägt die in Fig. 2 dargestellte
Trägerplatte 18 entsprechende Foto sensoren, und zwar genau unter den Dioden 23
bis 26. Ebenso sind auf der den LED's 23 bis 26 gegenüberliegenden (nicht dargestellten)
'£rägerplatte entsprechende Fotosensoren vorgesehen, welche diesen LED s spiegelbildlich
gegenüberliegen, so daß nur dann Licht auf sie fallen kann, wenn zwischen einem
Fotosensor und der ihm zugeordneten Lichtemitterdiode eine der Ausnehmungen der
betreffenden Codescheibe liegt (Prinzip der Lichtschranke).
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Zur exakten Fixierung der Lage der Trägerplatten 18 im Gehäuse 10
dienen zwei Paßstifte 30 und 31.
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(In Fig. 1 ist der Deutlichkeit halber nur eine Trägerplatte 18 und
auch diese nur strichpunktiert dargestellt. Gegebenenfalls kann man auch mit Vorteil
getrennte Trägerplatten für Lichtemitterdioden einerseits und Fotosensoren sowie
Verstärkerelemente andererseits vorsehen, wobei dann zwischen zwei Codescheiben
jeweils zwei Trägerplatten angeordnet werden und dann entsprechende Führungen 17
hierfür vorgesehen werden müssen.) Zum Abfühlen der auf den Code scheiben 12 bis
14 vorgesehenen Codespuren können naturgemäß auch beliebige andere Sensoren verwendet
werden, z.B. Kontaktbürsten, galvanomagnetische Elemente, usf.
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Zwischen dem Deckel 19 und den Platten 18 liegt in vorteilhafter Weise
ein Raum 32, in dem die Verdrahtung der Platten 18 untergebracht werden kann.
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Die drei Codescheiben 12 bis 14 sind in bevorzugter Weise identisch
ausgebildet. In den Fig. 3 und 4 ist die Codescheibe 14 dargestellt, mit der im
Betrieb die Bitstellen 1 bis 4 erfaßt werden. Ihre äußerste Spur, die Spur 1, hat
acht je 22,5° lange Ausnehmungen 33. Die darauf folgende, zweite Spur hat vier je
450 lange Ausnehmungen 34. Die nachfolgende, dritte Spur hat zwei jeweils 900 lange
Ausnehmungen 35. Die vierte Spur schließlich hat nur eine 1800 lange Ausnehmung
36. Die beschriebene Anordnung der Sensoren auf der Trägerplatte 18 macht es möglich,
alle diese Ausnehmungen symmetrisch zu einer in Fig. 3 mit 37 bezeichneten Symmetrieebene
anzuordnen, was für die Herstellung der Codescheiben imSpritzgußverfahren sehr vorteilhaft
ist. Man erhält dann direkt und ohne Inversion die Ausgabe im binären, reflektierten
Gray-Code. Z.B. sind in Fig. 3 die vier Sensoren 23 bis 26 schematisch mit strichpunktierten
Linien in der Lage gemäß Fig. 2 eingezeichnet. Dies ist eine bbergangsstellung,
bei der die Lichtschranke 25 gerade ihre Anzeige wechselt, d.h. die Codescheibe
14 geht gerade von einer Position zur nächsten über. Zur Erläuterung der Anzeige
für die nächste Position 1110 sind ferner die vier
Lichtschranken
um O versetzt mit durchgehenden Linien eingezeichnet und mit 23' bis 26' bezeichnet.
Ihrer ist nur 23' verdeckt, d.h. die Anzeige ist dann 1110 oder dezimal 11, vgl.
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Fig. 7. Wie man sieht, fallen zweimal zwei, einmal drei und einmal
vier Ausnehmungen jeweils zu einer gemeinsamen Ausnehmung zusammen, und die Platte
hat für die insgesamt 32 Positionen (entsprechend den Dezlmalzahlen O ... 31) nur
insgesamt acht Durchbrechungen, zwischen denen starke und tragfähige Materialabschnitte
liegen. (Da nur die Werte für o ... 15 in der fünften Stelle den Wert 0 haben, können
mit vier Spuren naturgemäß nur die binären Gray-Codes für O ... 15 direkt angezeigt
werden; für die Zahlen von 16 ... 31 muß die niedrigste Bitspur der nächsthöheren
Scheibe zu Hilfe gezogen werden.) Wie Fig. 4 zeigt, hat jede der Codescheiben an
der Unterseite ihres Außenumfangs 64 Zähne 40 (diese sind bei der Code scheibe 14
für die ersten vier Bit spuren an sich entbehrlic9. Diese Zähnezahl ergibt sich
aus der Zahl der Positionen/Scheibe und der Zähnezahl des Ritzels 51 auf dessen
antreibender Seite 52.
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Wird bei 52 eine andere Zähnezahl vorgesehen, so ändert sich auch
die Zahl der Zähne 40. Ferner hat jede Code scheibe an ihrer Oberseite und ebenfalls
in der Symmetrieebene 37 zwei um 1800 gegeneinander versetzte Antriebsglieder 41
und 42 zur Bewerkstelligung des mechanischen ertrags von der einen Codescheibe zur
nächsten (diese Antriebsglieder sind bei der Codescheibe 12 für die höchsten Bitstellen
an sich entbehrlich). Wenn sich also die Codescheibe 14 einmal um 3600 dreht, so
schaltet sie dabei über die Übertragsmechanik die nächstfolgende Platte um zwei
Positionen weiter, und zwar einmal beim Übergang von der losition 15 zur Position
16, und zum anderen beim Übergang von der Position 31 zur Position 0. (Für 3- und
5-spurige Scheiben vgl.
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die Patentansprüche 4 und 6.) Analog müßte man z.B. bei einem ternären,
reflektierten Gray-Code bei einer Scheibe mit zwei Spuren 18 Positionen vorsehen,
und die nächste Scheibe wird weitergeschaltet zwischen den Positionen 8 und 9 sowie
17 und O. Maßgebend für das Weiterschalten der nächsten Scheibe sind bei einer Scheibe
jeweils die Spiegelebenen der verwendeten
Spuren, vgl. Fig. 8,
wo diese Spiegelebenen für einen binären, reflektierten Gray-Code und eine Scheibe
mit drei Spuren eingetragen sind. Analog kann dies auch am Ifamiltonpfad erläutert
werden, vgl. Fig. 9. Wie ein Vergleich der Fig. 8 und 9 zeigt, wird z.B. von 0 bis
7 der Ramiltonpfad von A bis Lr durchlaufen, und von 8 bis 15 rückwärts von E bis
A. Bei den Umkehrpunkten A und E muß jeweils ein Übertrag stattfinden. Wird der
H.-Pfad in einer Scheibe mehrmals durchlaufen, so müssen entsprechend mehr überträgt
stattfinden.
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Die Übertragsmechanik 16, die völlig konventionell aufgebaut ist,
ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt. Auf einer gehäusefesten Welle 50 ist ein Ritzel
51 drehbar angeordnet. Dieses hat am einen Ende ein Zahnrad 52, das mit den Zähnen
40 der ranghöheren Codescheibe 13 kämmt, und es hat am anderen Ende ein Zahnrad
53, dessen Form aus den Schnitten nach den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist. Solange
diesem Zahnrad 53 der glatte Außenrand 54 der rangniedrigeren Scheibe 14 gegenüberliegt,
ist es arretiert, vgl.
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Fig. 7, und die Codescheibe 13 ist folglich ebenfalls arretiert und
zwar in einer Stellung, in der sich eine unzweideutige Ablesung ergibt. Kommt nun
z.B. das Antriebsglied 41 (in beliebiger Drehrichtung) zum Zahnrad 53, so wird diese
Arretierung aufgehoben, und es kann ein Zahn dieses Zahnrads in eine beim Antriebsglied
41 vorgesehene, durchgehende Zahnlücke 55 eindringen, wobei das Antriebsglied 41
hierzu das Zahnrad 53 an seinem oberen Teil zunächst genügend weit antreibt. Hierdurch
wird also beim Übertrag die ranghöhere Scheibe (hier 13) um eine Position, also
11,250, weitergedreht, und zwar mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die rangniedrigere
Scheibe 14.-Dieselbe Übertragsvorrichtung ist zwischen den Scheiben 13 und 12 vorgesehen.
Würde der Scheibe 12 noch eine weitere Scheibe nachgeschaltet, so müßte zwischen
der Scheibe 12 und dieser weiteren Scheibe ebenfalls eine solche mechanische Übertragsvorrichtung
vorgesehen werden. Alle von ihrem Übertragsritzel 51 arretierten Scheiben befinden
sich in einer eindeutigen Ablesestellung, in der die Lichtschranken jeweils entweder
völlig gesperrt oder völlig geöffnet sind.
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mit acht gleichmäßig am Umfang verteilten Zähnen (im Umriß der Darstellung
nach Fig. 6 entsprechend)
Haben z.B. alle Codescheiben die Stellung
1110, so ist die Gesamtanzeige 111011101110, oder als Dualzahl 101101001011, also
dezimal 2891. (Mit 12 Spuren ist eine Anzeige bis 4095 möglich, also z.B. eine Höhenmessung
von über 40 m, aufgelöst in cm. Der Meßbereich sollte so reichlich ausgelegt werden,
daß eine Mehrdeutigkeit ausgeschlossen wird, die durch aber schreiten der Kapazitätsgrenze
des Aufnehmers entstehen könnte.) Infolge der inhärenten Eigenschaften des Gray-Codes
ist ein erfindungsgemäßer Aufnehmer sehr unempfindlich gegen Toleranzen bei der
Fertigung, da sich ja nach den Eigenschaften des Gray-Codes in jedem Fall beim Übergang
von einer Position zur nächsten nur eine einzige Stelle ändert, und da durch die
relativ grobe Teilung der einzelnen Scheiben die Genauigkeitsanforderungen für diese
nicht hoch sind. Gegenüber den bekannten Aufnehmern ergibt sich daher bei gleicher
Auflösung eine sehr wesentliche Verbilligung, oder aber die Möglichkeit, durch Verwendung
einer größeren Zahl von Code scheiben die Genauigkeit bzw. den MeBbereich fast beliebig
zu erhöhen.
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Die Erfindung eignet sich naturgemäß in derselben Weise auch für linear
arbeitende Systeme, da auch bei diesen jeweils an den genannten Spiegelebenen ein
Übertrag auf das nächsthöhere Geberglied vorgenommen werden kann. Solche linearen
Anordnungen entsprechen dann praktisch einer Abwicklung der im Ausführungsbeispiel
dargestellten Code-Drehscheiben, wobei man gewöhnlich wegen der größeren Zahl der
SpiegelUbenen mehr überträgt vorsehen muß. Wegen der Möglichkeit der staubdichten
Kapselung wird aber die dargestellte Ausführungsform mit drehbaren Codeträgern bevorzugt,
jedenfalls für optische Abtastung.
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Zum Begriff des Hamiltonpfads, speziell im mehrdimensionalen Raum,
wird verwiesen auf Bell System Technical Journal Bd. 37 (1958), No. 1, Seiten 815-826.
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Die Anordnung der Antriebsglieder 41, 42 für den Ubertrag gemäß Fig.
3, also in der Symmetrieebene 3g, ist für das Spritzen der Scheiben günstig und
ermöglicht das Anordnen des Übertragswerks 16 auf der 450 - Linie 60, also bit Eck
des Gehäuses 10.
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Die Übertragsmecbanik wird am einfachsten, wenn alle Scheiben dieselbe
Anzahl von Positionen haben.
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Wichtig ist, daß die einzelnen Code scheiben mehr Positionen haben,
als man eigentlich rechnerich erwarten sollte. Die folgenden erläuternden weiteren
Beispiele beziehen sich jeweils auf einen reflektierten (gespiegelten) Graycode:
Beispiel 1: Binär; 3 Spuren.
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Anzeige bis 23 = 8 Positionen. Vorhanden sind 2 x 23 = 16 Positionen/Scheibe
und 2 überträgt, da gemäß Fig. 7 zwei Spiegelebenen S1 und S2 vorhanden sind.
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Beispiel 2: Ternär; 2 Spuren.
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Anzeige bis 32 = 9 Positionen. Vorhanden sind 2 x 32 = 18 Pos./Scheibe
und zwei überträgt entsprechend zwei Spiegelebenen desjenigen Codes, der in diesen
zwei Spuren enthalten ist.
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Beispiel 3: Basis a; n Spuren/Scheibe.
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Anzeige bis an Positionen. Vorhanden sind 2.an Pos./Scheibe und 2
Überträge/Scheibe.
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Beispiel 4: Binär; 2 Spuren.
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Die Scheibe kann m . 2 . 22 Positionen haben, wobei m = 1, 2, 3 ....
Die Zahl der überträgt ist dann m . 2. Allgemein bei Basis a und n Spuren: m . 2
. an Pos./Scheibe und m . 2 Überträge/Scheibe.