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Elektrooptische Meßvorrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrooptische Meßvorrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.
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Derartige Meßvorrichtungen eignen sich z.B. für die Längenmessung,
z.B. im Rahmen einer Schieblehre oder beispielsweise auch im Rahmen einer Meßuhr,
deren Taster die zu messende Translationsbewegung vornimmt.
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Es sind elektrooptische Meßvorrichtungen genannter' Gattung z.B. bei
elektronischen Schieblehren be'kannt. Dabei weist der stationäre Abtastkopf zwei
neb'eneinander. verlaufende Abtastgitter auf, deren lichtundurchlässige Skalenstriche
sich dadurch voneinander unterscheiden, daß siegegenüber den Skalenstrichen des
relativ dazu beweglichen Glasmaßstabes eine unterschiedliche Relativstellung einnehmen.
Die Abtastgitter sind versetzt zueinander. Bestandteil des Abtastkopfes sind ferner
zwei Dauerlichtstrecken mit jeweils einem Lichtgeber auf der einen Seite und einem
zugeordneten, auf gleicher Höhe sitzenden elektrooptischen Wandler auf der anderen
Seite. Die eine Dauerlichtstrecke passiert mit ihrem Lichtstrahl dabei das eine
Abtastgitter, während die andere Dauerlichtstrecke mit ihrem Lichtstrahl das danebensitzende
und in Längsrichtung versetzte andere Abtastgitter passiert. Die Ausgänge der beiden
elektrooptischen
Wandler liefern daher unterschiedliche Signale
und bei bewegtem Glasmaßstab gegeneinander versetzte Impulsfolgen. Aus diesen Impulsfolgen
kann man mit geeigneten Mitteln, z. B einem Richtungsdiskriminator einer elektronischen
Schaltung, die Bewegungsrichtung des verschobenen Glasmaßstabes, gegenüber einem
vorgegebenen Nullpunkt feststellen. Dies ist der Grund, weswegen zwei seitlich nebeneinander
sitzende Abtastgitter und zwei zugeordnete Dauerlichtstrecken bei dieser bekannten
elektrooptischen Meß-vorrichtung vorgesehen sind.
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Die bekannten elektrooptischen Meßvorrichtungen arbeiten mit Analogauswertung,
d.h. quantitativer Bestimmung der Intensitätsmenge vom Minimum zum Maximum des periodischen
Verlaufs der Lichtintensität als Funktion des -Verschiebeweges des Glasmaßstabe's.
Eine derartige Analogauswertung erfordert einen exakten. und sauberen Kurvenverlauf
mit sauber ausgeprägten Maxima und Minima der Kurve.
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Schwankungen im Spannungsverlauf am Ausgang der elektrooptischen Wandler,'t;B.
auch verursacht durch Spannung schwankungen im Netz, führen zu Meßungenauigkeiten.
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Ferner macht die Analogauswertung eine komplizierte Gestaltung der
Auswertelektronik erforderlich', 'die voluminös, schwer und teuer ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine el'ektrooptische Meßvorrichtung
der im Oberbegriff des Anspruch's 1 definierten Art zu schaffen, die eine hohe Meß,genauigkeit
mit Auflösung im Tausendstel-Millimeter-Bereich auf elektrooptisch'er Basis -auch
ohne Analogauswertung möglich macht, ohne daß ein exakter, 'sauberer sinusförmiger
Verlauf der Lichtintensität als Funktion des Verschiebeweges Voraussetzung für die
genaue'Messung wäre, wobei zugleich die Meßvorrichtung hinsichtlich der Auswerteelektronik
besonders einfach, 'leicht, 'klein und billig gestaltet werden kann und gegen äußere
Einflüsse,
z.B. gegen Spannungsschwankungen im Versorgungsnetz, unempfindlich ist.
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Die Aufgabe ist bei einer elektrooptischen Meßvorrichtung der Oberbegriff
des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen
2 - 8.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung mit zumindest drei in Längsrichtung
aufeinanderfolgenden Abtastgittern, die in Längsrichtung um 1200 oder 600 zueinander
phasenverschoben sind, führt dazu, daß die phasenverschobenen Abtastgitter, die
man auch als Fenster bezeichnen kann, eine Art Nonius zum Glasmäßstab bilden. Wird
der Glasmaßstab in einer Richtung relativ zum feststehenden Abtastkopf bewegt, so
erhält man über die drei elektrooptischen Wandler periodische Spannungsschwankungen
als Funktion der Verschiebung des Glasmaßstabes, die zueinander in einer festen
Phasenbez-iehung stehen, namlich zueinander um 1200 bzw. 600 phasenverschoben sind.
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Den Wandlern sind in üblicher Weise jeweils zugeordnete Komparatoren
nachgeschaltet. An letzteren läßt sich für jeden Eingang getrennt eine Referenzspannung
so anliegen, daß bei der am Ausgang entstehenden Rechteck'spannung die Impulsbreite
gleich der halben Periode ist,.h.
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die effektive Spannung gleich der halben Impulshöhe ist.
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Es entstehen dann Rechteckspannungen am Ausgang jedes Komparators,
die ebenfalls um 1200 oder, je nach Wahl der Phasenverschiebung, um 600 phasenver'schoben
sind.
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Die positiven und negativen Flanken dieser Rechtecksignale werden
dann, immer noch getrennt für jedes Abtastgitter, in kurze Einzelimpulse umgewandelt,
die gezählt werden. Da diese bei den gewählten Größen im Abstand von 1u aus den
verschiedenen Abtastgittern kommen, ist die Anzahl der gezählten Impulse genau gleich
dem vom Glasmaßstab
zurückgelegten Weg in tausendstel Millimeter.
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Die Reihenfolge der Abtastgitter, aus der die Einzelimpulse kommen,
gibt im übrigen auch die Bewegungsrichtung des Glasmaßstabes an. Sie läßt sich elektronisch
leicht in ein Signal umwandeln, das 'den Zähler in der einen oder anderen Richtung
zählen läßt. Da pro Sinuskurve am Ausgang jedes Wandlers je Abtastgitter nur ein
einzige Spannungswert abgendmmen wird, ist ein sauberer sinusförmiger Verlauf der
Lichtintensität als Funktion des Verschiebeweges des Glasmaßstabes nicht Voraussetzung
für eine genaue Messung. Andererseits steht bei gutem Licht kontrast die Möglichkeit
offen, durch Abnahme von z.B. zwei oder auch vier Spannungswerten je Sinuskurve
die Anzahl der Einzelimpulse und damit die Meßgenauigkeit sogar noch zu werdoppeln
bzw. zu vervierfachen. Die erfindungsgemäBe Meßvorrichtung gestattet es, eine Auflösung
im Tausendstel-Millimeter-Bereich ohne Analogauswertung zú erreichen. Die Spannungsabnahme
je Sinuskurve erfolgt nur an einem Spannungswert, und zwar dabei im unkritischen,
mittleren Bereich, wo die Spannungsänderung :pro Wegeinheit'-am größten ist.
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Auch deswegen erfordert eine hochgenaue Messung keinen sauberen, sinusförmigen,
Verlauf. Die für die Auswertung einzusetzende Elektronik ist einfach, leicht, klein
und billig zu gestalten. Außerdem besteht eine Unempfindlichkeit gegen Spannungsschwankungen.
Die Meßvorrichtung gestattet mit denkbar einfachem Aufwand ein Auflösungsvermögen
in der Größenordnung von 1 und sogar noch feiner.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung.
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Der vollständige Wortlaut der Anspruchs ist vorstehend allein zur
Vermeidung unnötiger Wiederholungen nicht wiedergegeben, sondern statt dessen lediglich
durch Nennung der Anspruchsnummer darauf Bezug genommen, wodurch jedoch alle diese
Anspruchsmerkmale als an dieser Stelle
ausdrücklich und erfindungswesentlich
offenbart zu gelten haben.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhan-d von in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische auseinandergezogene,
teilweise geschnittene'perspektivische Ansicht von Einzelteilen einer elektrooptischen
Meßvorrichtung' Fig. 2 eine schematische, teilweise perspektivische Ansicht von
Grundelementen der Meßvorrichtung in Fig. 1, Fig. 3A-3C jeweils den graFhischen
Verlauf der Lichtintensität oder Spannung als Funktion des Verschiebeweges des GlasmaRstabes,
und zwar für das Abtastgitter A bzw. B bzw. C, Fig. 4A-4C den graphischen Verlauf
der Spannung als Funktion des Verschiebeweges des Glasmaßstabes am Ausgang dreier
Komparatoren, und zwar für das Abtastgitter A bzw. B bzw. C, Fig. 5 den graphischen
Verlauf der Spannung als Funktion des Verschiebeweges des Glasmaßstabes, in Form
von kurzen Einzelimpulsen je Abtastgitter A bzw. B bzw. C, und zwar als zu zählende
Impulsfolge bei der Verschiebung des Glasmaßstabes.
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Die in den Zeichnungen gezeigte elektrooptische Meßvorrichtung dient
im weitesten Sinne zur Längenmessung.
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Sie ist z.B. in eine nicht weiter gezeigte Meßuhr eingebaut, die mit
elektrooptischen Anzeigeorganen ausgerüstet ist und digital den jeweiligen Verschiebewert
des Meßuhrtasters anzeigt. Eine derartige elektronische Meßuhr, bei der beispielshalber
die elektrooptische Meßvorrichtung zum Einsatz kommt, ist besonders einfach und
dabei hochpräzise. Sie eignet sich gleichwohl als Werkstattmeßgerät.
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Die z.B. in einer Meßuhr angeordnete elektrooptische Meßvorrichtung
weist einen Glasmaßstab 10 auf, der in Längsrichtung aufeinanderfolgende Teilungsstriche
11 aufweist, die mit vorgegebener Teilung (Gitterraster r)aufeinanderfolgen.Der
Glasmaßstab10ist z,B. unverschiebbar fest in einem Halter 12 gehalten, der seinerseits
in Pfeilrichtung 13 gemäß Fig. 2 nach rechts und links verschiebbar im Meßuhrgehäuse
gehalten ist und z.B. vom Meßuhrtaster beaufschlagt wird. Die Teilungsstriche 11
des Glasmaßstabes 10 haben z.B. eine Strichbreite von jeweils 3 u.
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Ferner hat der Glasmaßstab 10 ein Gitterraster r von beispielsweise
6p.
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Bestandteil der elektrooptischen Meßvorrichtung ist ferner ein allgemein
mit 20 bezeichneter Abtastkopf, dessen einzelne Bestandteile fest im Gehäuse der
Meßuhr gehalten sind. Der Abtastkopf 20 weist im einzelnen eine aus Glas bestehende
Fensterplatte 21 mit beim gezeigten Ausführungsbeispiel drei inLängerichtung aufeinanderfolgenden
Abtastgittern A, B und C auf, die in einer gehäusefest'angebrachten Halterung 22
fixiert ist.
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Die drei Abtastgitter A, B und C sind in Längsrichtung zueinander
versetzt. Die Fensterplatte 21 liegt dem Glasmaßstab 10 gegenüber, wobei der Abstand
zwischen beiden nur wenige hundertstel Millimeter beträgt.
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Ferner weist der Abtastkopf 20 entsprec'h'end der Anzahl der Abtastgitter
drei Lichtgeber 23, 24 und 25 auf, die als Leuchtdioden' ausgebildet sind und: von,
denen jeder einzelne einem Abtastgitter A bzw. B bzw. C zugeordnet ist. Die Lichtgeber
23 - 25 befinden s'ich z.B.
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auf der in Fig. 2 oberen Seite 'deaGlasmaRst-abe.s 10.
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Jedem Lichtgeber 23 - 25 ist ein elektrooptischer Wandler 26 bzw.
27 -bzw. 28 auf gleicher Höhe zugeordnet', 'der auf der dem Glasmaßstab 10 abgekehrten
Seite der Fenster platte 21 angeordnet ist. Jeder elektrooptisch'e Wandler 26 -
28 ist z.B. als -Fotodiode oder als Fototransistor ausgebildet. Er ist in der Lage,
das vom zugeordnet'en Lichtgeber 23 bzw. 24 bzw. 25 ausgesandte und durch'das jeweilige
Abtastgitter A bzw. B bzw. C, 'oder auch'Fenster, hindurchkommende Licht in Strom
bzw. Spannung umzuwandeln Es versteht sich, daß statt des gehäusefest angeordneten
Abtastkopfes 20 und des relativ dazu in Pfeilrichtung 13' verschieblich angeordneten
GlasmaBstabes 10 die'Verhältnisse auch kinematisch. vertau'scht sein können,d'.h'.
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der Abtastkopf 20. verschiebbar und der Glasmaßstab 10 gehäusefest
angeordnet sein können.
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Die drei Abtastgitter A, B und C der Fensterplatte 21 folgen in Längsrichtung
letzterer aufeinander. Sie weisen jeweils das gleiche Gitterraster r und die, gleiche
'Strichbreite je Teilungsst-rich auf wie der Glasmaßstab 10. d.h'.
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ebenfalls ein Gitterraster. von 6u und eine Strichb'reite von 3u.
In der Zeichnung sind des be's'seren Verständnisses wegen die Maßverhältnisse um
ein Vielfach'es vergrößert dargestellt. Bei der praktischen Ausführung hät z.B.
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jedes Abtastgitter A, 'B und C eine Breite. von etwa 1 mm, wobei die
Abtastgitter einen Abstand voneinander von z.B. 1,004 mm haben. Die Zwischenräume
dazwischen sind völlig lichtundurchlässig, was durch die Schwärzung in Fig. 1 und
2 verdeutlicht ist. Die drei Abtastgitter A,
B und C sind in -Längsrichtung
um 1200, was hier 2u ausmacht, zueinander phasenverschoben. Auch eine Phasenverschiebung
von 60° = 1 ist möglich. Die Phasenverschiebung der einzelnen Abtastgitter A, B
und C zueinander berechnet sich nach der Beziehung 360 oder' 3600 , wobei n 2n n
die Anzahl der Abtastgitter der Fensterplatte 21, im vorliegenden Fall also drei,
ist.
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Das Gitterraster r ist entsprechend der Bestimmung r = n 2x gewählt,
wobei x das Auflösungsvermögen- der Meßvorrichtung bedeutet, das im vorliegenden
Fall z.B. 1p ist.
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Insbesondere anhand von Fig. 2 - Fig. 5 wird deutlich, daß die zueinander
um 2u t120°) phasenverschobenen Abtastgitter A, B und C eine Art Nonius zum Glasmaßstab
10 bilden. Wird nun der Glasmaßstab 10 z.B. in Pfeilrichtung 13 nach rechts bewegt,
so ergeben sich am Ausgang der drei elektrooptischen Wandler 26,27 und 28 periodische
Spannungsschwankungen. Diese sind in Fig. 3A für den Wandler 26 des Abtastgitters
A mit durchgezogenen Linien, in Fig. 3B für den Wandler 27 des Abtastgitters B mit
punktierten Linien und in Fig. 3C für den Wandler 28 des Abtastgitters C mit gestrichelten
Linien als Funktion des Verschiebeweges dargestellt. Eine Periode beträgt dabei
6u. Die Phasenverschiebung 6 gegenüber A und C gegenüber B beträgt erkennbar jeweils
2 w 120°.
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Die elektrooptischen Wandler 26, 27 und 28 sind bei der Meßvorrichtung
in üblicher Weise schaltungstechnisch an drei nachgeschaltete Komparatoren angeschlossen,
an die für jeden Eingang getrennt eine Referenzspannung so angelegt ist, daß bei
der am Ausgang der Komparatoren entstehenden Rechteckspannung die Impulsbreite gleich
der halben Periode ist, d.h. die effektive Spannung gleich der halben Impulshöhe
ist. Dies zeigen Fig. 4A in durchgezogenen
Linien für den Komparator
des Wandlers 26 des Abtastgitters A, Fig. 4B in punktierten Linien für den Komparator
des Wandlers 27 des Abtastgitters B und Fig. 4C in gestrichelten Lin.ien für den
Komparator des Wandlers 28 des Abtastgitters C. Die drei entstehenden Rechteckspannungen
sind in gleicher Weise wie die periodischen Spannungsschwankungen gemäß Fig. 3A
-ebenfalls um 2p 1 1200 phasenverschoben. Die positiven und negativen Flanken dieser
Rechtecksignale werden dann, immer noch für jedes Abtastgitter A, B und C getrennt,
in kurze Einzelimpulse umgewandelt, die gezählt werden.
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Die Impulsfolge dieser Einzelimpulse ist in Fig. 5 dargestellt. Da
diese Einzelimpulse im Abstand von 1-u aus den verschiedenen Abtastgittern A, B
und C oder Fenstern kommen, ist die Anzahl der gezählten Impulse genau gleich dem
vom Glasmaßstab 10 zurückgelegten Weg in u. Die Reihenfolge der Abtastgitter A,
B und C oder Fenster, aus denen die Einzelimpulse kommen, gibt die Bewegungsrichtung
des verschobenen Glasmaßstabes 10 an. Fig. 5 zeigt für die Verschiebung des Glasmaßstabes
10 nach rechts die Impuls-Reihenfolge A, C, B, A,C,B, A, C, B...
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Für eine Verschiebung des Glasmaßstabes 10 in Pfeilrichtung 13 nach
links hin ergibt sich die Impuls-Reihenfolge A,B,C,A,B,C,A,B,C... . Sie läßt sich
elektronisch mit herkömmlichen Mitteln in ein Signal umwandeln, welches den Zähler
in der einen Richtung oder in der anderen Richtung zählen läßt.
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Da für jede einzelne Kurve in Fig. 3A - 3C jeweils nur ein Spannungswert
abgenommen, wird, ist ein exakter und sauberer sinusförmiger Lichtkontrast nicht
unbedingt Voraussetzung für eine genaue Messung, wie dies für die Analogauswertung
zwingend notwendig ist mit einhergehender komplizierter und teurer Auswerteelektronik.
'Andererseits steht bei gutem Licht kontrast die Möglichkeit offen,
durch
Abnahme von zwei bzw. vier Spannungswerten pro Kurve in Fig. 3A, 3B, 3C die Anzahl
der Einzelimpulse und damit die Meßgenauigkeit sogar noch. zu verdoppeln bzw. zu
vervierfachen. Dank'der erfindungsgemäßen elektrooptischen Meßvorrichtung ist es
also möglich, eine Auflösung im Tausendstel Millimeter-Bereich auf elektrooptischer
Basis auch ohne Analogauswertung zu realisieren, wobei die Spannungsabnahme an nur
einem Spannungswert der Spannungs-Weg7Kurve (Fig. 3A - 3C) geschieht, und dabei
im unkritischen, mittleren Bereich, wo die Spannungsänderung pro Wegeinheit am größten
ist, und nicht etwa im Bereich des Spannungsmaximums bzw.
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Spannungsminimums. Die Meßvorrichtung kann trotz'der außerordentlich
hohen Meßgenauigkeit einfach, leicht, klein und billig gestaltet werden. Sie ist
außerdem hinsichtlich der elektrischen bzw. elektronischen Bauteile unempfindlich
gegen Spannungsschwankungen.
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Bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind die drei
Abtastgitter A, B und C statt um 1200 jeweils um 60° zueinander phasenverschoben,
was 1u entspricht. Auch dann arbeitet die Meßvorrichtung in gleicher Weise wie beschrieben,
wobei sich lediglich die Reihenfolge der Einzelimpulse umkehrt, wie man sich anhand
von Fig. 4A - Fig. 40 verdeutlicht vorstellen kann, wenn man sich die dortigen Rechteckimpulse
statt um die gezeigten 2u lediglich um 1u verschoben vorstellt.
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Bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Abtastkopf
vier aufeinanderfolgende Abtastgitter mit je Abtastgitter einem Lichtgeber und zugeordnetem
elektroptischen Wandler auf. Das Gitterraster beträgt dabei 8 und die Strichbreite
jedes Teilungsstriches der Abtastgitter und des Glasmaßstabes 4p. Die Phasenverschiebung
-der einzelnen Abtastgitter zueinander beträgt dann 900 1 2u. Auch bei dieser Ausführungsform
genügt
pro Spannungs-Weg-Kurve der Wandler der einzelnen Abtastgitter
die Abnahme nur eines Spannungswertes, um tausendstel Millimeter Wegverschiebung
messen zu konnen'.