HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Umfeld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Längenmeßvorrichtung, welche eine
magnetostriktive Ultraschall-Verzögerungsleitung bzw. -linie bzw. -leiter
verwendet, zur Verwendung beim Messen einer Pegelfäche eines Kraftstoffes in einem
Kraftstofftank, Erfassen eines Kolbenstabhubes, wenn angeordnet in einem
Hydraulikzylinder, oder zum Erfassen von Positionen von beweglichen Teilen
einer Vielzahl von industriellen Maschinen und dergleichen.
Beschreibung der Hintergrundtechnik
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Eine Längenmeßvorrichtung, welche bisher vorgeschlagen wurde, verwendet
eine magnetrostriktive Ultraschall-Verzögerungsleitung bzw. -leiter bzw. -linie,
dessen bzw. deren Länge verlängert oder reduziert wird bei dem Anlegen eines
magnetischen Feldes. Bei der herkömmlichen Längenmeßvorrichtung ist ein
nicht-reflektierendes Stützglied, hergestellt aus einem stoßabsorbierenden
Material, wie z.B. Gummi oder dergleichen, an einem jeweiligen oder einem
Endabschnitt der magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungslinie bzw. -leitung
bzw. des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters, befestigt, zum
Dämpfen einer ungewünschten reflektierten Welle, erzeugt durch Ultraschall-
Vibration.
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Bei der obigen herkömmlichen Längenmeßvorrichtung, unter Verwendung des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters, ist es jedoch schwierig, die
ungewünschte reflektierte Welle vollständig zu dämpfen. Somit kreuzen
reflektierte Ultraschallwellen einander, interferierend mit einem Erfassungspuls, so daß
der Erfassungspuls gestört wird. Somit besteht der Nachteil, daß eine Position
nicht bei hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.
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Des weiteren, wenn starke Ultraschall-Vibration zum Erhalten eines stabilen und
großen Erfassungspulses erzeugt ist, wäre es unmöglich, reflektierte Wellen zu
dämpfen und die reflektierten Wellen graduell zu dissipieren.
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Ferner, auch wenn die ungewünschte reflektierte Welle vollständig durch die
Verwendung des nicht-reflektierenden Stützgliedes entfernt wird, wie oben
beschrieben, ist es unvermeidbar, daß die Gesamtheit der Längenmeßvorrichtung
in der Größe groß wird, bedingt durch das Bereitstellen des nicht-reflektierenden
Stützglied es.
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Eine alternative Längenmeßvorrichtung ist in der EP-A-0 363 517 offenbart.
Diese Vorrichtung umfaßt einen amorphen Metallstreifen, eine erste
Pulsinjektions- bzw. -einbringspule, angeordnet an einem Ende des Streifens, eine
Erfassungsspule, gewickelt bzw. gewunden um den Streifen, sowie einen Magneten,
angeordnet benachbart dem Streifen und relativ zu dem Streifen beweglich. Das
andere Ende des Streifens, beabstandet von der Pulsinjektions- bzw.
-Einbringspule, kann entweder offen sein oder bereitgestellt mit einer zweiten
Pulsinjektions- bzw. -ausstoßspule. Wenn das andere Ende mit einer zweiten
Injektionsbzw. Einbringspule bereitgestellt ist, erzeugen die erste und zweite lnjektions
bzw. Einbringspule einen Puls, wobei beide Pulse zum Bereitstellen einer Angabe
bzw. Anzeige bzw. Indikation des Abstandes bzw. der Entfernung des Magneten
von dem Ende des Streifens verwendet werden. Wenn das andere Ende offen
ist, wird ein durch die erste Pulsinjektions- bzw. -Ausgabespule erzeugter Puls
reflektiert an bzw. von dem offenen Ende, wobei der erzeugte Puls zum Bereit
stellen einer Anzeige bzw. Angabe des Abstandes bzw. der Entfernung des
Magneten von einem Ende des Streifens verwendet wird, wobei der reflektierte
Puls bzw. Impuls zum Bereitstellen einer Angabe der Entfernung bzw. des
Abstandes des Magneten von dem anderen Ende des Streifens verwendet wird.
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In der DE-A-3131455 ist eine magnetostriktive Pfadmeßvorrichtung offenbart,
welche umfaßt einen elektrischen Leiter, ein Rohr bzw. einen Tubus aus
magnetostriktivem Material, den Leiter umgebend, einen Ultraschall-Transducer und
zwei Permanentmagneten, wovon einer relativ zu dem Rohr bzw. Tubus festge
legt bzw. fixiert ist, und wovon der andere bewegbar bzw. beweglich ist, relativ
zu dem Rohr bzw. dem Tubus. Beim Betrieb wird ein Puls zu dem elektrischen
Leiter geliefert, welcher sich entlang dem Leiter relativ zu dem Rohr bzw. dem
Tubus bewegt. Wenn der Puls an jedem Magneten vorbeitritt, wird ein
Ultraschall-Puls erzeugt bzw. generiert, wobei die von jedem Ultraschall-Puls benötig
te Zeit zum Erreichen des Transducers indikativ ist für die Position eines
spezifischen Magneten. Der stationäre Magnet wird verwendet als Referenz, um es
somit zu ermöglichen, die Position zu berechnen, unabhängig von der
Geschwindigkeit des Pulses.
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In der JP-A-5722512 ist eine Positionserfassungsvorrichtung offenbart, welche
umfaßt ein Ultraschall-transmissives Glied, eine Spule bzw. Wicklung, gewickelt
bzw. gewunden um das transmissive Glied, und einen Permanentmagneten,
welcher beweglich ist relativ zu dem transmissiven Glied. Ein Ultraschall-Puls von
einem Kabeltransmitter bzw. -sender, angeordnet an einem Ende des Ultraschall-
Gliedes, breitet sich aus bzw. bewegt sich durch einen inneren Teil des Gliedes,
wobei eine Spannung in der Spule erzeugt bzw. generiert wird, wenn dieser
einen Teil erreicht, entsprechend der Position des Magneten, und zwar bedingt
durch die Wechselwirkung zwischen dem Magneten und der Spule bzw.
Wicklung. In einer Betriebs- bzw. Operativschaltung werden mit dem Eingangssignal
von dem Transmitter als Referenz die Zeit, benötigt für die Ultraschall-Welle,
einen Wellenempfänger zu erreichen, welcher an dem gegenüberliegenden Ende
des Ultraschall-Gliedes angeordnet ist, und die Zeit, welche erforderlich ist, daß
er den Magneten erreicht, berechnet, wobei ein Signal entsprechend der Position
des Magneten ausgegeben wird.
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In der US-A-4,5 10,587 ist ein Ultraschall-Versetzungspfadmeßsystem offenbart,
welches umfaßt einen magnetostriktiven Leiter, einen Transmitter bzw. Sender,
einen Empfänger und einen Magneten, welcher beweglich ist relativ zu dem
Leiter. Ein in den Leiter eingebrachter bzw. integrierter Puls wechselwirkt mit
dem Magneten, um somit einen Echopuls zu erzeugen -bzw. zu generieren,
indikativ bzw. anzeigend bzw. angebend für die Position des Magneten.
Versetzungspfad und -zeitoszillations- bzw. -oszillatorpulse werden durch zwei
Zählergruppen gezählt, wobei aus dem Zustand dieser Zähler die Geschwindigkeit und
die geschwindigkeitskorrigierte Position des Magneten berechnet werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Längenmeßvorrichtung anzugeben, in welcher die zuvor erwähnten Unzulänglichkeiten und
Nachteile eliminiert sind, die beim Stand der Technik angetroffen werden.
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Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Längenmeßvorrichtung anzugeben, eine magnetostriktive Ultraschall-Verzögerungslinie bzw.
leitung bzw. einen magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter verwen
dend, wobei eine Position eines zu messenden Gegenstandes bzw. Objektes bei
hoher Genauigkeit mittels positiver Verwendung einer reflektierten Welle ohne
die Verwendung eines nicht-reflektierenden Stützgliedes erfaßt werden kann.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Längenmeßvorrichtung anzugeben, einen mag netostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter
verwendend, welche miniaturisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist eine Längenmeßvorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruches 1 bereitgestellt. Ein besseres Verständnis von weiteren Aufgaben,
Merkmalen und Vorteilen der vorliegenden Erfindung kann aus der
Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung von illustrativen
Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen,
erhalten werden, in welchen gilt:
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Figur 1 ist ein schematisches Block- bzw. Schaltdiagramm, eine erste
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Längenmeßvorrichtung unter
Verwendung eines magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters
zeigend.
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Figur 2 ist ein schematisches Block- bzw. Schaltdiagramm, eine zweite
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Längenmeßvorrichtung
unter Verwendung eines magnetostriktiven
Ultraschall-Verzögerungsleiters bzw. -leitung bzw. -linie zeigend.
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Figur 3 ist ein Diagramm von Weltenformen eines Antriebspulses, eines
Erfassungspulses und einer reflektierten Welle, verwendet gemäß
der vorliegenden Erfindung, und auf welches Bezug genommen wird
bei der Erläuterung des Betriebes der jeweiligen erfindungsgemäßen
Längenmeßvorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine Längenmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter bzw. -leitung bzw. -linie
verwendet, wird im folgenden im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3
beschrieben.
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Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung. Wie es in Figur 1 gezeigt ist, ist ein magnetostriktiver Ultraschall-
Verzögerungsleiter bzw. eine magnetostriktive Ultraschall-Verzögerungsleitung
bzw. -linie 1 bereitgestellt. Ein Magnetteilglied 2, dessen Abstand bzw.
Entfernung D von einem Ende des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1
zu messen ist, ist dem magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter 1 bei
einem vorbestimmten Abstand bzw. einer vorbestimmten Entfernung davon
gegenüberstehend, um somit gleitfähig entlang der Längsrichtung des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 zu sein. Eine Erfassungsspule 3 ist
um den magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter 1 gewickelt bzw.
gewunden, und zwar über den gesamten Bereich bzw. die gesamte Fläche des
Längenmeßbereiches. Ein Wellentransmitter bzw. -sender 4 ist an einem Ende
des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 angeordnet. Ein
Antriebspulsgenerator 5 ist ausgelegt zum Bewirken eines vorbestimmten
Antriebspulses zu bzw. an den Wellentransmitter 4.
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Eine Erfassungsvorrichtung bzw. ein Detektor 6 erfaßt eine induzierte Spannung,
erzeugt in der Erfassungsspule bzw. -wicklung 3. Ein Rechner bzw. eine
Berechnungseinrichtung 7 empfängt den Antriebspuls von dem Antriebspulsgenerator
5 und den Erfassungspuls von dem Detektor 6 und berechnet nachfolgend eine
Verzögerungszeit des Erfassungspulses relativ zu dem Antriebspuls, um somit
ein Signal auszugeben, entsprechend der Verzögerungszeit diesbezüglich, d.h.
ein Signal, entsprechend einer Bewegungsentfernung bzw. einem
Bewegungsabstand des Magnetguedes 2, wird von dem Ausgangsanschluß e ausgegeben.
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In der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung, wenn eine Ultraschall-Vibration angelegt
bzw. angewendet bzw. bewirkt ist an dem magnetostriktiven
Ultraschall-Verzögerungsleiter 1 von dem Wellentransmitter 4 durch den Antriebspuls A,
angelegt diesbezüglich von dem Antriebspulsgenerator 5, wird die Ultraschall-
Welle in dem magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter 1 geführt bzw.
ausgebreitet bzw. bewegt.
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Zu dieser Zeit wird eine Pulsspannung in der Erfassungsspule 3 nicht lediglich
induziert durch die Erfassungsspule 3. Wenn das Magnetstück bzw. -Teilglied 2
angeordnet ist nahe dem mag netostriktive Ultraschall-Verzögerungsleiter 1, so
wird der mag netostriktive Ultraschall-Verzögerungsleiter 1 teilweise mag netisiert
durch das Magnetteilglied 2. Somit, bedingt durch ein sogenanntes Umkehr-
Magnetostriktionsphänomen (oder VILLARI-Effekt), bei welchem eine
magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1
reduziert wird, wenn die Ultraschall-Vibration an dem magnetisierten Abschnitt
des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 vorbeitritt, wird ein
Erfassungspuls B, basierend auf der induzierten Spannung, in der
Erfassungsspule 3 erzeugt bzw. generiert. Der Erfassungspuls B wird zweimal erzeugt bzw.
generiert durch die Reflektion an dem offenen Ende des magnetostriktiven
Ultraschall-Verzögerungsleiters 1, wie es in Figur 3 gezeigt ist. Der erste
Erfassungspuls B wird durch den Detektor bzw. die Erfassungseinrichtung 6 erfaßt
bzw. detektiert.
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Wenn das Magnetteil 2 entlang dem magnetostriktiven
Ultraschall-Verzögerungsleiter
1 bewegt wird, wird eine Verzögerungszeit des Erfassungspulses B
bezüglich des Antriebspulses A verändert, proportional einer Bewegungsentfernung
bzw. einem Bewegungsabstand des Magnetteiles bzw. -stückes 2 von einem
Ende des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1. Dementsprechend
werden der Antriebspuls A von dem Antriebspulsgenerator 5 und der erste
Erfassungspuls B von dem Detektor 6 dem Rechner bzw. der
Berechnungseinrichtung 7 zugeführt. Nachfolgend berechnet der Rechner 7 die Verzögerungszeit
des Erfassungspulses B bezüglich des Antriebspulses A und gibt von dem
Ausgangs- bzw. Ausgabeanschluß e eine Verzögerungszeit aus, d.h. ein
Ausgangssignal entsprechend einer Bewegungsentfernung bzw. einem
Bewegungsabstand des Magnetstückes bzw. -teiles 2.
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Die von dem Wellentransmitter 4 übertragene Ultraschall-Vibration wird geführt
bzw. breitet sich aus bzw. wird bewegt bzw. bewegt sich im Inneren des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1, wiederholt reflektiert von
einem zu dem anderen Ende davon und nachfolgend progressiv gedämpft, um zu
verschwinden bzw. zu verblassen bzw. abzunehmen.
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Da eine Länge L des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 von
vornherein bekannt ist, ist die Vorrichtung derart angeordnet bzw. ausgelegt,
daß eine Periode T&sub1;, in welcher der Antriebspuls A erzeugt bzw. generiert wird,
durch den Antriebspulsgenerator 5 eingestellt ist als entsprechend der Periode,
während welcher die reflektierte Welle C, basierend auf der Ultraschall-Vibration,
sich durch die Länge L des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1
bewegt.
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Wenn die erste reflektierte Welle C an dem offenen Ende des magnetostriktiven
Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 reflektiert wird, sich entlang der Länge L
bewegt und an dem Endabschnitt des magnetostriktiven Ultraschall-Verzöge
rungsleiters 1 ankommt und reflektiert wird, an welchem der Wellentransmitter
4 bereitgestellt ist, wird die Bedingung des Antriebspulsgenerators 5 zum
Erzeugen bzw. Generieren des nachfolgenden Antriebspulses A eingestellt, so daß der
Wellentransmitter 4 zum Erzeugen einer neuen Ultraschalle-Welle angetrieben
wird, deren Phase jener der ersten reflektierten Welle C entspricht.
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Wie es oben beschrieben ist, kann eine starke Ultraschall-Vibration mit
Phasenübereinstimmung bzw. passenden Phasen durch Überlappen der reflektierten
Welle C mit einer neuen Ultraschall-Welle durch den neuen oder zweiten
Antriebspuls A erhalten werden. Dementsprechend muß eine detektierte bzw.
erfaßte Welle von großer Vibration mit zufriedenstellendem S/N (Signal-zu-
Rauschen-Verhältnis), und somit die reflektierte Welle, nicht unterdrückt werden
durch das nicht-reflektierte Stützglied, wodurch die Meßvorrichtung raummäßig
miniaturisiert bzw. verkleinert werden kann um das nicht-reflektierende
Stützglied.
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Eine zweite Ausführungsform der Längenmeßvorrichtung unter Verwendung des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben.
In Figur 2 sind ähnliche Teile, entsprechend jenen von Figur 1, mit denselben
Bezugsziffern versehen, und somit ist eine diesbezügliche Beschreibung im Detail
nicht erforderlich.
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Wie es in Figur 2 gezeigt ist, ist ein Reflektiert-Wellen-Detektor 8 vorgesehen.
Die Längenmeßvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, welche in Figur
2 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Meßvorrichtung unter Verwendung des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters, welcher in Figur 1 gezeigt ist,
dadurch, daß der Reflektiert-Wellen-Detektor bzw. die
Reflektiert-Wellen-Erfassungseinrichtung 8 erfaßt, daß die erste reflektierte Welle C, in Figur 3 gezeigt,
von dem Wellentransmitter 4 zurückgeführt ist, wobei die erfaßte Ausgabe von
dem Reflektiert-Wellen-Detektor 8 einem Antriebspulsgenerator 9 zugeführt wird,
und daß der Antriebspuls A mit der reflektierten Welle C synchronisiert erzeugt
bzw. generiert wird durch den Antriebspulsgenerator 9, um somit den
Wellentransmitter bzw. -sender 4 anzutreiben. Der Antriebspuls A von dem
Antriebspulsgenerator 9 wird dem Rechner bzw. der Berechnungseinrichtung ebenfalls
zugeführt bzw. in diese gespeist.
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Die reflektierte Welle C wird erfaßt, und der mit der reflektierten Welle C
synchronisierte Antriebspuls A wird derart generiert, daß, wenn die Länge L des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 verändert wird, die
Antriebsperiode des Antriebspulses A nicht eingestellt werden muß entsprechend der
Länge L des magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1. Ferner, wenn
die Antriebsperiode des Antriebspulses A mit einer Temperaturveränderung
verändert wird, können die Phase der reflektierten Welle C und jene der neuen
Ultraschallwelle davon abgehalten werden, versetzt bzw. verschoben zu werden.
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Gemäß dieser Ausführungsform, da der Wellentransmitter 4 über eine Funktion
zum Erfassen der reflektierten Welle C verfügt, ist es möglich, die Zeit T&sub1; zu
messen, in welcher sich die Ultraschall-Vibration hin- und zurückbewegt in dem
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter 1. In diesem Fall nimmt T&sub2; eine
Zeit an von dem Antriebspuls A zu dem Erfassungspuls B, wobei L die Länge des
magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters 1 annimmt, D einen Abstand
bzw. eine Entfernung annimmt von dem Wellentransmitter 4 zu dem Magnetteil
2, und wobei V eine Geschwindigkeit annimmt bzw. darstellt, bei welcher die
Ultraschall-Vibration sich in dem magnetostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiter
1 bewegt.
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Somit gilt T&sub1; = 2L/V (1)
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T&sub2; = D/V (2)
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Die Eliminierung von V aus den obigen Gleichungen (1) und (2) führt zu
folgenden Gleichungen (3) und (4):
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T&sub2;/T&sub1; = DI2L (3)
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D = T&sub2; 2LIT&sub1; (4)
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Insbesondere, auch wenn die Geschwindigkeit V, bei welcher sich die
Ultraschall-Wellenvibration ausbreitet bzw. bewegt, mit der
Temperaturveränderung verändert wird, kann die Position D des Magnetstückes bzw. -teiles 2
mittels Berechnung der obigen Gleichungen (3) und (4) berechnet werden, und
zwar unabhängig von der Geschwindigkeit V.
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Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, da die Phase der
reflektierten Welle C und die Phase des Antriebspulses A zueinander passen
bzw. übereinstimmen, indem die Periode T&sub1; des Antriebspulses A, angewendet
bzw. angelegt an den Wellentransmitter 4, zusammenfallend gestaltet ist
bezüglich der Zeit, in welcher die Ultraschall-Welle, erzeugt bzw. generiert durch
den Antriebspuls A, angelegt bzw. bewirkt bzw. zugeführt zu dem magnetostrik
tiven Ultraschall-Verzögerungsleiter 1 von dem Wellentransmitter 4, reflektiert
wird an dem offenen Ende des mag netostriktiven Ultraschall-Verzögerungsleiters
1 und zurückkehrt zu dem Wellentransmitter 4, wobei die Ultraschall-Welle,
erzeugt durch den Antriebspuls A, und die reflektierte Welle C zu demselben
Zeitpunkt synchronisiert sind. Somit wird eine ungewünschte reflektierte Welle
nicht erzeugt und der Erfassungs- bzw. Detektionspuls B kann mit hoher
Genauigkeit erfaßt werden.
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Ferner, gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen, da die reflektierte
Welle C durch den Wellentransmitter 4 und den reflektierten Wellendetektor 8
erfaßt wird, und da die Phase der reflektierten Welle C und jene des
Antriebspulses A zueinander passen bzw. aufeinander abgestimmt sind mittels
Anwenden bzw. Anlegen des Antriebspulses A, synchronisiert bezüglich der
reflektierten Welle C, zu bzw. an dem Wellentransmitter 4, kann der Erfassungspuls B mit
hoher Genauigkeit konstant erfaßt werden.
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Des weiteren, da gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen ein
Verhältnis zwischen der Zeit T&sub1; von dem Antriebspuls A zu dem nächsten bzw.
nachfolgenden Antriebspuls A und der Zeit T&sub2; von dem Antriebspuls A zu dem
Erfassungspuls B berechnet wird, und da das Positionssignal, entsprechend dem
Abstand bzw. der Entfernung D von dem Wellentransmitter 4 zu dem Mag netteil
2 ausgegeben wird, kann die Position des Magnetteiles 2 erfaßt werden, und
zwar unabhängig von der Geschwindigkeit V, bei welcher der Antriebspuls A
sich ausbreitet bzw. bewegt.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben wurden, ist es zu verstehen, daß die
Erfindung nicht auf diese präzisen Ausführungsformen beschränkt ist, und daß
verschiedene Veränderungen und Modifikationen vom Fachmann durchgeführt wer
den könnten, ohne von dem Umfang des neuartigen Konzepts der Erfindung, wie
in den beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.