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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwandler-Anordnung
für den
Einsatz in einem Durchflußmesser
für ein
gasförmiges
oder flüssiges
Medium, einen Durchflußmesser
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung
gemäß der Erfindung.
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Stand der Technik
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Aus
DE 295 09 574 U1 geht
ein Schallwandler mit einem topfförmigen Gehäuse aus Metall hervor, dessen
Unterseite durch einen Boden verschlossen ist. Eine Piezoscheibe
ist koaxial im Gehäuse
angeordnet. Bei einer Ausführungsform,
bei der das Gehäuse
aus elektrisch isolierenden Material besteht, erfolgt die Einkopplung
des Ultraschalls direkt über
eine akustische Koppelschicht, die aus Kleber, Öl, Fett, vorzugsweise oder einem
Gel auf Silikonbasis besteht.
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DE 296 11 678 U1 offenbart
u. a. einen Schallwandler, bei welchem das gesamte Wandlergehäuse, also
eine zylinderförmige
Wand und der Gehäuseboden,
aus Aluminiumoxid bestehen. Eine Metallisierung ist direkt auf der
Innenwand des Gehäuses
aufgebracht. Ferner ist eine akustische Koppelschicht zwischen der abstrahlseitigen
Elektrode der Piezoscheibe und der Metallisierung des Gehäuses vorgesehen.
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In
DE 43 42 771 C2 wird
ein Verfahren zur Herstellung eines Gel-Ultraschallkopplers beschrieben,
bei welchem zunächst
eine Form für
die Herstellung des Ultraschallkopplers hergestellt wird. Dabei
ist zumindest ein Teil der Form mit einem gummiartigen elastischen
Körper
versehen, der Ausdehnungs- und Zusammenziehungseigenschaften aufweist.
Dann wird eine ein Polymer enthaltende wässrige Gel-Lösung in
die betreffende Form für
die Herstellung des Ultraschallkopplers eingegossen und schließlich der
Ultraschallkoppler durch Gefrieren und Auftauen der eingegossenen
wäßrigen Lösung hergestellt.
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Die
DE 25 55 134 B1 bezieht
sich auf ein Gerät
für Strömungsmessungen
nach der Ultraschall-Doppler-Methode umfassend einen Applikator
mit Ultraschallschwingern nebst Trägerteil sowie einem daran anzuschließenden Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige
und Mittel zur Berücksichtigung
des Ultraschall-Einstrahlwinkels in die Strömung. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Applikator mit einem davor angeordneten Schwinger über ein
Koppelgel an der Hautoberfläche
eines Patienten angekoppelt.
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Aus
US 5,214,343 A ist
eine Ultraschallwandler-Anordnung bekannt, bei der die Ultraschalleinkopplung über Koppelschichten
aus einen viskosen, schallleitfähigen
Material, nämlich
Fluoretherfett, erfolgt.
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Bei
dem in
JP 6-117 895
A beschriebenen Ultraschall-Durchflussmesser ist ein Füllmaterial
in einen Kleber gemischt, um die Ultraschallvibratoren auf Keilstücke aufzukleben,
um thermische Spannungen zu reduzieren und die Ausbreitungsrate
der akustischen Wellen auf das Keilteil zu verbessern.
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Auch
in
JP 2-132327 A geht
ein Ultraschallsensor hervor, der zur Messung der Durchflußrate von
Flüssigkeiten
mit hohen Temperaturen dient. Der Ultraschallsensor umfasst ein
keilartiges Teil mit einer Ausnehmung, in welche ein flüssiges Metall,
wie z. B. NaK als Ultraschallfortpflanzungsmedium vorgesehen ist.
Auf dem Ultraschallfortpflanzungsmedium ist der Ultraschalloszillator
angeordnet.
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Aus
der
EP 0 974 814 A1 ist
eine Ultraschallwandler-Anordnung bekannt, welche in einem weiten
Temperaturbereich eingesetzt werden kann. Die Ultraschallwandler-Anordnung
umfaßt
ein Wandlerelement aus piezoelektrischem Material sowie einen Substratkörper als
Schallkoppelungselement, der in dieser Konstruktion das Wandlerelement
trägt.
Das Wandlerelement sowie das Schallkoppelungselement haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten.
Zur Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten wird vorgeschlagen, zwischen
dem Wandlerelement und dem Schallkoppelungselement eine Metallscheibe
anzuordnen. Die Metallscheibe ist sowohl mit dem Wandlerelement
als auch mit dem Schallkoppelungselement verklebt. Zwar werden die
Scherkräfte
auf die beiden Klebeschichten der Metallscheibe verteilt, dennoch
bleibt eine Scherbelastung bestehen, die zu Schäden führen kann. Fertigungstechnisch
gesehen muß ein
besonderes Augenmerk auf eine saubere Klebung gelegt werden, um
ein Loslösen
zu vermeiden. Weiterhin besitzen die meisten Metalle eine höhere Schalltransmission
sowie höhere
Schallimpedanzen als das piezoelektrische Material, wodurch unnötige, unerwünschte Reflektionen
entstehen.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige
Ultraschallwandler-Anordnung zur Verfügung zu stellen, bei der das
Auftreten einer Scherbelastung in der Grenzfläche zwischen Wandlerelement
und Schallkoppelungselement vollständig vermieden oder aber zumindest
erheblich reduziert wird.
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Diese
Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung
dadurch gelöst,
daß die Zwischenschicht
aus einem viskosem, schalleitfähigem
Material aufgebaut ist. Der viskose, pastenartige Charakter des
Materials bedingt, daß Scherbelastungen,
d. h. Scherkräfte
aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Wandlerelement
einerseits und Schallkoppelungselement andererseits vermieden werden.
Gleichzeitig sind größere Temperaturgradienten
möglich.
Ferner ist eine Demontage, Wiederverwendung sowie Recycling mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
besser möglich,
insbesondere wenn die Abdichtung der Paste mittels eines O-Rings
erfolgt.
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Zweckmäßigerweise
ist die Schallimpedanz Zs des Schallkoppelungselements
kleiner als die Schallimpedanz Zk des Wandlerelements,
aber größer als
die Schallimpedanz Z0 des Mediums. Durch
diese stufenweise Anpassung der Schallimpedanzen von dem Medium
bis hin zum Wandlerelement werden Koppelungsverluste reduziert.
Der Einfluß der
viskosen Zwischenschicht kann bei geringer Spaltdicke z. B. 0,01
mm nahezu vollständig
eliminiert werden.
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Es
kann auch sinnvoll sein, die akustischen Eigenschaften des Basismaterials
der Zwischenschicht den Eigenschaften der Keramik und des Schallkoppelelements
anzupassen. Aufgrund dessen fügt
man dem viskosen Basismaterial feste Partikel vorzugsweise pulverförmige Partikel
aus Metall (z. B. Stahl, Cu) oder Keramik (Al2O3) oder Glas bei. Das viskose Material sollte
eine gute Wärmeleitfähigkeit
besitzen.
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Als
Basismaterial eignen sich im wesentlichen alle zähflüssigen Öle, die eine Temperaturbeständigkeit bis
150°C aufweisen.
Vorzugsweise können
diese Öle
auf Silikonbasis sein.
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Das
viskose Material der Zwischensicht enthält vorzugsweise feste Partikel,
insbesondere pulverförmige
Partikel zur Beeinflussung der Schallimpedanz bzw. Schalltransmission.
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Vorzugsweise
handelt es sich hierbei um Metallpartikel, Keramikpartikel oder
Glaspartikel.
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Das
viskose Material der Zwischenschicht ist erfindungsgemäß hermetisch
abgeschlossen, um ein Wegfließen
zu verhindern.
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Die
Abdichtung kann durch ein restelastisches Material erfolgen, welches
radial die Keramikscheibe umschließt und fest einen Spalt zwischen
Keramik am Schallkoppelungselement abdichtet. Als Material ist sowohl
ein Abdichtelement, z. B. ein O-Ring als auch eine gummielastische
Vergußmasse
oder Klebstoff geeignet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsvariante
erfolgt die Abdichtung durch einen Halter des Wandlerelements.
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Fertigungstechnische
Probleme einer sauberen Klebung entfallen, da sich die Zwischenschicht
nicht ablösen
kann. Staub- sowie Fettrückstände auf
dem Wandlerelement sowie dem Schallkoppelungselement müssen nicht
entfernt werden. Bei Verwendung einer gummielastischen Masse als
Abdichtmasse werden in vorteilhafter Weise zusätzlich störende Radialschwingungen vermieden.
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Zweckmäßigerweise
weist die Zwischenschicht eine Stärke auf, die kleiner als λ/4 oder größer als
2λ der Schallwelle
ist. Ist die Stärke
der Zwischenschicht sehr dünn,
ist eine Anpassung der Schallimpedanz nicht erforderlich, da die
Zwischenschicht wie eine Membran wirkt.
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Das
Material des Schallkoppelungselements besitzt eine Schallimpedanz
zwischen 2,0 – 8,0 × 106 kg.s/m2.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht,
was bisher nicht möglich
war, nämlich
Materialien mit im Vergleich zu dem piezoelektrischem Material sehr
unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten als Schallkoppelungselement
einzusetzen. Hierunter fällt
vor allem Kunststoff.
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Die
Erfindung beansprucht – nebengeordnet – auch einen
Durchflußzähler für ein gasförmiges oder flüssiges Medium,
wobei in dem Durchflußzähler als
Ultraschallwandlerelement eine Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem
der Ansprüche
1–12 verwendet
werden soll.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung
gemäß einem
der Ansprüche
1–13 wird
eine Schicht von viskosem Material in den Boden der Ausnehmung des
Schallkoppelungselements eingebracht, das Wandlerelement anschließend auf
die Schicht aus dem viskosem Material unter Beibehaltung eines umlaufenden
Schlitzes aufgelegt und dann der Schlitz zwischen dem Wandlerelement
und dem Schallkoppelungselement mit einer Abdichtmasse, insbesondere
mit einem gummielastischem Klebstoff ausgefüllt.
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Alternativ
kann das Wandlerelement auch in eine Ausnehmung eines an der dem
Schallkoppelungselement gegenüberliegenden
Seite des Wandlers angeordneten Halters eingesetzt und anschließend nach
Auffüllung
des Spalts und Bildung der Zwischenschicht stirnseitig über eine
ebene Scheibe oder Folie verschlossen werden.
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Ausführungsbeispiel
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung
sowie des dementsprechenden Durchflußmessers ist in den Zeichnungsfiguren
näher erläutert. Diese
zeigen
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1 eine
stark vereinfachte schematische Darstellung eines Durchflußmessers
unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung
im Schnittbild;
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2 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
der Ultraschallwandler-Anordnung gemäß 1
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3 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
der Zwischenschicht zwischen Schallkoppelungselement und Wandlerelement
gemäß der Ausgestaltung
der 1 und 2 sowie
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4 eine
weitere Ausführungsform
mit rückwärtigem Halter
und einem Schallkoppelungselement
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1 zeigt
in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Einbauort eines
Wandlerelements 3 in einen Durchflußmesser 10 zur Erfassung
des Durchflusses eines gasförmigen
oder flüssigen
Mediums 13 ohne bewegliche Teile. Der Durchflußmesser 10 besitzt
ein Gehäuse 1 mit
einem Strömungseingang 11 sowie eine
Meßstrecke.
Ausgang und Auslauf sind nicht in der 1 nicht
dargestellt. Das Gehäuse 1 hat
eine Aussparung, in der das Wandlerelement 3 zusammen mit
einem als Substratkörper
ausgebildeten Schallkoppelungselement 2 angebracht ist.
Das Schallsignal wird über
das Schallkoppelungselement 2 in das Medium 13 ein-
oder ausgekoppelt. Mit 5 werden in 1 die von
der Ultraschallwandler-Anordnung 10 abgesandten sowie empfangenen
Schallwellen bezeichnet.
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Das
Schallkoppelungselement 2 umfaßt hierzu an seiner einen Hauptfläche eine
Ausnehmung 8, in dessen Stirnfläche 6 das Wandlerelement 3,
welches aus piezoelektrischem Material, insbesondere einer Piezokeramik
besteht, eingesetzt ist. Zwischen Wandlerelement 3 und
Schallkoppelungselement 2 ist eine Zwischenschicht 4 in
Form eines hermetisch nach außen
hin abgeschlossenen viskosem, d. h. pastenartigen, schalleitfähigem Material
vorgesehen.
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Mit
einer Abdichtmasse 7, insbesondere einem gummielastischen
Klebstoff oder einer Vergußmasse wird
die Zwischenschicht 4 – wie
aus 2 ersichtlich – umseitig umschlossen und
gleichzeitig das Wandlerelement 3 bewegungsfest innerhalb
der Ausnehmung 8 des Schallkoppelungselements 2 fixiert.
Gleichzeitig werden durch die Abdichtmasse 7 störende Radialschwingungen
der Piezokeramik gedämpft.
Das viskose Material kann eine Schallimpedanz, die zwischen derjenigen
des Wandlerelements 3 und derjenigen des Schallkoppelungselements 2 liegt,
haben. Der Einsatz der Zwischenschicht 4 in Form eines
viskosen Materials bewirkt somit eine stufenweise Anpassung der
Schallimpedanz vom Wandlerelement 3 über die Zwischenschicht 4 sowie
das Schallkoppelungselement 2 bis zum Medium. Ist der Spalt
für die
Zwischenschicht 4 sehr dünn, ist eine Anpassung der
Schallimpedanz Z0 der Zwischenschicht 4 nicht
erforderlich, da die Zwischenschicht 4 wie eine Membran
wirkt. In jedem Fall aber bewirkt die Zwischenschicht eine Vermeidung
von zwischen Schallkoppelungselement 2 und Wandlerelement 3 auftretenden
Scherkräften.
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Die
Spaltbreite für
die Zwischenschicht 4 ist entweder kleiner als λ/4 oder größer als
2λ, wobei λ die Länge der
Schallwellen ist, da sonst Interferenzeffekte die Anpassungsbemühungen zunichte
machen.
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Das
Schallkoppelungselement 2 kann aufgrund des Wegfalls von
Scherkräften
wegen der Zwischenschicht 4 aus viskosem Material aus einem
Kunststoff mit Schallimpedanzwerten zwischen 2,0 – 8 × 106 kg.s/m2 ausgelegt
werden.
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Der
Durchlasskoeffizient in das Medium Wasser würde sich folgendermaßen ergeben: Zk (Piezokeramik) = 22 × 106 kg.s/m2 Zkst (Kunststoff)
= 5 × 106 kg.s/m2 Zw (Wasser) = 1,5 × 106 kg.s/m2
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Das
Piezoelement hat bei einem keramischen Werkstoff eine Schallimpedanz
von 22.106 kg.s/m2.
Bei sehr dünner
Schicht für
die Schalleitpaste spielt die Impedanz keine Rolle, so daß erst die
Schallimpedanz des Kunststoffes von 5.106 kg.s/m2 sich für
die Schalltransmission auswirken würde. Bei einer senkrechten
Schalleinstrahlung ergibt sich für
den Durchlasskoeffizienten: Dk-kst = 4Z1 × Z2/(Z2
+ Z1)2 = 0,603 Dkst-w = 0,71 Dges =
Dk-kst × Dkst-w
= 0,43 Ohne angepaßte
Schallimpedanz wäre
der Durchlasskoeffizient: Dk-w = 0,24.
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Im
folgenden wird ein Überblick über Schallimpedanzen
gegeben:
| | Schallgeschwindigkeit | Schallimpedanz |
| Material/Medium | CL
(m/s) | Zo
(kg.s/m2) (= ρ*C) |
| Wasser
10°C | 1447 | 1.45 × 106 |
| Wasser
70°C | 1555 | 1,52 × 106 |
| Keramik | 3000 | 22 × 106 |
| Stahl | 5900 | 46 × 106 |
| Glas | 5700 | 15 × 106 |
| Kunststoffe: | | |
| PVDF | 1350 | 3,0 × 106 |
| PA | 2000 | 2,3 × 106 |
| Epoxidharz | 2500 | 3,0 × 106 |
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Kunststoffe
mit Glasfaser erzielen höhere
Schallimpedanzen bis 8,0 × 106 kg.s/m2. Bei dem
viskosen Material der Zwischenschicht 4 handelt es sich
vorzugsweise um silikonhaltiges Öl
mit einer Temperaturbeständigkeit
bis zu 150°C.
Das viskose Material ist, vgl. 3, versetzt
mit Partikeln, insbesondere Metallpartikeln 9, insbesondere
einem Metallpulver oder keramischen Partikeln, insbesondere Keramikpulver
oder Glaspulver.
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Eine
Möglichkeit
der Herstellung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung
erfolgt folgendermaßen.
Zunächst
wird das Schallkoppelungselement 2 bereitgestellt. Anschließend wird
in den Boden 6 der Ausnehmung 8 des Schallkoppelungselements 2 eine
Zwischenschicht 4 aus viskosem Material eingebracht und
anschließend
das Wandlerelement 3 derart eingesetzt, daß zwischen
Wandlerelement 3 und dem Schallkoppelungselement 2 ein
umlaufender Spalt ausgebildet wird. In diesen Spalt wird anschließend Abdichtmasse 7,
insbesondere ein gummielastischer Klebstoff oder eine entsprechende
Vergußmasse
eingebracht, wodurch einerseits die Zwischenschicht 4 nach
außen
hin hermetisch verschlossen und ein Wegfließen des viskosen Materials
vermieden wird.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung, die im Rahmen der Erfindung realisierbar
ist. Bei dieser Ausgestaltung wird als Schallkoppelungselement 2 anstelle
eines Substratkörpers
eine ebene Scheibe 16, z. B. Kunststoffscheibe oder Folie
verwendet, die unmittelbar mit dem Medium 13 in Kontakt
steht. Die Scheibe 16 liegt an der offenen Stirnseite eines
Halters 14 für
das Wandlerelement 3 auf. Das Wandlerelement 3 befindet sich
in einer Aussparung 17 des Halters 14. Der bleibende
Raum zwischen Halter 14, Wandlerelement 3 sowie Scheibe 16 ist
in erfindungsgemäßer Weise
mit viskosem Material ausgefüllt.
Zur Abdichtung ist zwischen dem Halter 14 und der Scheibe 16 ein
Abdichtelement, z. B. ein O-Ring 15 vorgesehen. Die vorgeschriebene
Anordnung wird unter Einschaltung eines weiteren Dichtelements 18 auf
eine Ausnehmung im Gehäuse 1 aufgesetzt.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, Materialien mit im Vergleich zu einem piezoelektrischem Material
stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
einzusetzen, ohne allerdings der Gefahr des Auftretens von Scherbelastungen
ausgesetzt zu sein. Daraus folgt, daß eine scherspannungsfreie
Grenzschicht erzielt und gleichzeitig höhere Temperaturgradienten möglich werden.
Fertigungstechnische Probleme einer sauberen Montage entfallen,
da sich die Zwischenschicht 4 nicht lösen kann. Verschmutzungen wie
z. B. Staub- oder Fettrückstände auf
dem Wandlerelement 3 bzw. dem Schallkoppelungselement 2 müssen nicht mehr
entfernt werden. Die Erfindung stellt daher einen ganz wesentlichen
Beitrag auf dem einschlägigen
technischen Gebiet dar.