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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Position
einer Sensoreinrichtung mit einer Hall-Sonde gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Hall-Sonden
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im Prinzip bestehen Hall-Sonden
aus einer leitfähigen Sensorfläche, die von einem
Speisestrom durchflossen wird. Tritt nun ein magnetisches Feld in Wechselwirkung
mit der von dem Strom durchflossenen Sensorfläche, so kommt
es aufgrund der Lorentzkraft auf die bewegten elektrischen Ladungsträger
in der Sensorfläche zu einer Ablenkung der Ladungsträger
quer zu deren Bewegungsrichtung. Hierdurch wird ein elektrisches
Feld sowie eine zwischen den beiden seitlichen Rändern
der Sensorfläche messbare elektrische Spannung erzeugt.
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Diese
als Hall-Spannung bekannte Spannung ist proportional zum Produkt
aus der magnetischen Flussdichte des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes
und dem die Sensorfläche durchfließenden Speisestrom.
Auf diese Weise kann mittels einer Messung der Hall-Spannung – bei
bekannter Speisestromstärke – die auf den Sensor
wirkende magnetische Flussdichte bis auf einen Proportionalitätsfaktor
bestimmt werden, wobei der Proportionalitätsfaktor hauptsächlich
von den geometrischen Abmessungen der Sensorfläche abhängig
ist.
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Derartige
Hall-Sonden oder Hall-Sensoren sind z. B. in Form von integrierten
Hall-Sensor-Bauelementen bekannt, wobei dem eigentlichen Hall-Sensor
eine Verarbeitungsvorrichtung nachgeschaltet ist, die das von dem
Hall-Sensor abgegebene Hall-Signal für eine Auswertung
aufbereitet und ein aus dem Hall-Signal resultierendes Ausgangssignal
abgibt. Sowohl der Hall-Sensor als auch die Verarbeitungsvorrichtung
können dabei in einem einzigen Gehäuse integriert
sein.
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Hall-Sensoren
lassen sich beispielsweise dazu einsetzen, Relativpositionen von
zwei mechanischen Bauteilen berührungs- und verschleißfrei
zu ermitteln. Hierzu wird ein Hall-Sensor an einem der beiden mechanischen
Bauteile angeordnet, während ein magnetfelderzeugendes
Bauteil, vorzugsweise ein Permanentmagnet, an dem anderen der beiden mechanischen
Bauteile angeordnet wird. Bei einer Relativbewegung der beiden mechanischen
Bauteile verändert sich auch die Stärke und/oder
der Winkel der Magnetfeldlinien des magnetfelderzeugenden Bauteils
am Ort des Hall-Sensors, und damit die von dem Hall-Sensor erzeugte
Hall-Spannung. Somit kann die Veränderung der Relativposition
der beiden mechanischen Bauteile registriert, und im Fall einer entsprechenden
Kalibrierung des Hall-Sensors auch gemessen bzw. quantitativ ermittelt
werden.
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Es
besteht jedoch grundsätzlich auch bei einem Hall-Sensor
das Risiko eines Ausfalls des Sensor-Bauelements, beispielsweise
aufgrund eines elektronischen Defekts. Ebenso ist es möglich,
dass das Messsignal verfälscht wird, beispielsweise aufgrund
unterschiedlicher Betriebstemperaturen, aufgrund von eingestreuten
externen Magnetfeldern, oder auch aufgrund mechanischer Spannungen,
die sich auf den Hall-Sensor übertragen und so dessen Empfindlichkeit
bzw. Kennlinie verändern können.
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Fällt
nun ein herkömmliches Hall-Sensor-Bauelement aufgrund eines
derartigen Defektes aus, bzw. ergeben sich aufgrund der beschriebenen Randbedingungen
Verfälschungen des Signals des Hall-Sensors, so besteht
häufig das Problem, dass die Funktionsfähigkeit
des Hall-Sensor-Baulements im eingebauten Zustand bzw. im laufenden
Betrieb nicht ausreichend überprüft werden kann,
so dass der Defekt nicht erkannt wird. Noch weniger Möglichkeiten
bietet der Stand der Technik bezüglich der Diagnostizierung
nicht nur des Hall-Sensor-Elements selbst, sondern auch der dem
Hall-Sensor zugeordneten Auswerteelektronik, die zusammen mit dem
eigentlichen Sensorelement zumeist in einem einheitlichen Chipgehäuse
untergebracht ist.
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Aus
der Druckschrift
DE
100 47 994 A1 ist ein Hall-Sensor-Bauelement bekannt, bei
dem eine Diagnose des Hall-Sensors im eingebauten Zustand dadurch
durchgeführt werden kann, dass der Strom, der das Hall-Sensor-Bauelement
durchfließt, zyklisch verändert wird, und indem
aus einer dementsprechenden Veränderung der Sensor-Ausgangsspannung
auf die Funktionsfähigkeit des Sensors rückgeschlossen
wird. Bei dieser bekannten Lehre kann jedoch nur im Sinne einer
qualitativen Analyse festgestellt werden, ob das Hall-Sensor-Bauelement und/oder
die nachgeschaltete Auswerteelektronik überhaupt funktioniert,
oder ob ein Ausfall einer der Komponenten vorliegt. Hingegen ist
es weder möglich, festzustellen, ob bei einem Ausfall das
Hall-Sensor-Bauelement selbst oder die Auswerteelektronik betroffen
ist, noch kann eine quantitative Analyse dergestalt erfolgen, dass überprüft
werden kann, ob das Ausgangssignal des Sensors beispielsweise durch
externe Einflüsse verfälscht wurde. So ist es bei
dieser bekannten Lehre auch nicht möglich festzustellen,
ob das Hall-Sensor-Bauelement beispielsweise mechanisch verspannt
ist und aus diesem Grund ein verfälschtes Signal abgibt.
Denn auch in diesem Fall lässt sich nicht feststellen,
ob die Veränderung des Ausgangssignal des Hall-Sensor-Bauelements
auf eine mechanische Verspannung bzw. auf einen anderen Fehler des
Hall-Sensor-Bauelements zurückgeht, oder aber tatsächlich
einer Veränderung des gemessenen Magnetfelds entspricht.
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Mit
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine diagnostizierbare Sensoreinrichtung mit einer Hall-Sonde, bzw.
ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung
zu schaffen, womit eine umfassende Diagnose der Sensoreinrichtung
erfolgen kann. Insbesondere soll die Erfindung dabei ermöglichen,
eine Diagnose des Hall-Sensor-Bauelements wie auch der Auswerteelektronik
des Hall-Sensor-Bauelements durchzuführen. Überdies
soll nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative
Diagnose der Sensoreinrichtung ermöglicht werden, wodurch auch
eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung, bzw. eine Eliminierung
von Messfehlern ermöglicht werden soll, die beispielsweise
aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen auftreten.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine diagnostizierbare Messvorrichtung
gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren
zur Funktionsdiagnose für eine Hall-Sensoreinrichtung gemäß Patentanspruch
9.
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Bevorzugte
Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In
für sich genommen zunächst bekannter Weise dient
die Messvorrichtung der Ermittlung der Feldstärke eines
Magnetfelds. Hierzu umfasst die Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung
mit zumindest einer Hall-Sonde. Die Hall-Sonde ist dabei zur Erzeugung
einer Hall-Spannung in Abhängigkeit des die Hall-Sonde
durchdringenden Magnetfeldes sowie in Abhängigkeit eines
durch die Hall-Sonde fließenden Speisestroms eingerichtet.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich die Messvorrichtung jedoch durch einen von der Hall-Sonde galvanisch
getrennten, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Hall-Sonde
angeordneten elektrischen Diagnoseleiter, sowie durch eine Treibereinrichtung zur
Erzeugung eines bestimmten elektrischen Diagnosestroms durch den
Diagnoseleiter aus.
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Dabei
erzeugt der Diagnoseleiter, durch den mittels der Treibereinrichtung
ein bestimmter elektrischer Diagnosestrom geleitet wird, ein durch
den Diagnosestrom hervorgerufenes Magnetfeld, welches wiederum auf
die Hall-Sonde wirkt. Hierdurch wird in der Hall-Sonde eine Hall-Spannung
einer bestimmten Größe erzeugt. Diese durch den
Diagnosestrom hervorgerufene Hall-Spannung lässt sich auswerten und
infolge der Auswertung können Rückschlüsse auf
die Funktion der Hall-Sonde wie auch auf die Funktion der Auswerteelektronik
der Hall-Sonde gezogen werden.
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Insbesondere
kann auch ein Zusammenhang zwischen der Größe
des Diagnosestroms und der Größe der dadurch hervorgerufenen
Hall-Spannung hergestellt werden, da einer bestimmten Größe des
Diagnosestroms eine bestimmte Magnetfeldstärke des Diagnoseleiters
und damit auch ein bestimmter Sollwert der mit dieser Magnetfeldstärke
verbundenen Hall-Spannung zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen
sich nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Rückschlüsse
auf die Funktionsfähigkeit der Hall-Sonde bzw. deren Auswerteelektronik
ziehen. Bei entsprechend genauer Auswertung kann sogar eine Kalibrierung
der Hall-Sonde bzw. der Messvorrichtung erfolgen, indem aus der
bekannten Größe des Diagnosestroms und aus der
Größe der dadurch hervorgerufenen Hall-Spannung
sowie aus dem Sollwert der mit diesem Diagnosestrom verbundenen
Hall-Spannung ein entsprechender Korrekturwert ermittelt wird. Hierdurch
kann beispielsweise eine Temperaturkompensation der Hall- Sonde erfolgen,
so dass sich die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität
der Hall-Sonde erheblich verbessern lässt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden somit
diagnostizierbare Magnetfeldsensoren geschaffen, die bevorzugt dort
eingesetzt werden können, wo aus Sicherheitsgründen
eine zuverlässige Erkennung des Ausfalls des Sensors erforderlich ist,
beispielsweise um beim Ausfall von Sensoren Schaden von Personen
oder Einrichtungen abzuwenden.
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Auch
ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung im Unterschied
zum Stand der Technik dazu in der Lage, die Funktionsfähigkeit
des Hall-Sensors bzw. der Auswerteelektronik zu testen, ohne dass hierzu
ein externes Magnetfeld vorhanden sein muss, wie dies bei dem zitierten
Stand der Technik der Fall ist. Vielmehr wird das der Diagnose zugrundeliegende
Magnetfeld erfindungsgemäß durch den Diagnoseleiter
und den Diagnosestrom selbst erzeugt, was den zusätzlichen
Vorteil mit sich bringt, dass die Feldstärke des Diagnosemagnetfelds
bekannt ist, bzw. je nach Erfordernis eingestellt werden kann. So
kann beispielsweise auch eine mechanische Verspannung der Hall-Sonde
erkannt bzw. diagnostiziert werden, da diese zu einer entsprechenden
Verfälschung der Hall-Spannung führt, welche aber
anhand des erfindungsgemäß bekannten Diagnosestroms
und des damit ebenfalls bekannten Diagnosemagnetfelds registriert
werden kann.
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Die
galvanische Trennung zwischen dem Diagnoseleiter und der Hall-Sonde
trägt zu einer besonders sicheren Diagnose sowie zu einem
Schutz der Hall-Sonde vor der Diagnosespannung bzw. dem Diagnosestrom
bei.
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Die
Erfindung lässt sich dabei zunächst einmal unabhängig
davon verwirklichen, welcher Art und Größe der
Diagnosestrom ist, solange die den Diagnosestrom bestimmenden Variablen
bekannt sind, woraus sich auch die Feldstärke des Diagnosemagnetfelds
und damit auch die Sollgröße der durch das Diagnosemagnetfelds
erzeugten Hall-Spannung berechnen lässt.
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Gemäß besonders
bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung weist der Diagnosestrom jedoch
eine sich in bekannter Weise zyklisch verändernde Stromstärke
auf, bzw. ist dem Diagnosestrom ein festgelegtes, bekanntes Pulsmuster
aufgeprägt. Auf diese Weise ergibt sich die vorteilhafte
Möglichkeit, die von der Hall-Sonde abgegebene Hall-Spannung
in eine Mess-Teilspannung und in eine Diagnose-Teilspannung aufzuspalten.
Dies ist vorteilhaft insofern, als somit eine vollständige,
ggf. quantitative Diagnose der Hall-Sonde auch dann erfolgen kann, wenn
externe Magnetfelder oder Störmagnetfelder von bekannter
oder unbekannter Größe vorhanden sind.
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Denn
insbesondere dann, wenn der Diagnosestrom in Form eines bekannten
Pulsmusters vorliegt, lässt sich ein entsprechendes Pulsmuster
auch bei der von der Hall-Sonde abgegebenen Hall-Spannung feststellen.
Anhand der Anzahl und insbesondere der Höhe der in der
Hall-Spannung vorhandenen Pulse kann somit eine Separierung zwischen dem
gegebenenfalls mit einem Meßsignal überlagerten
Diagnosesignal und dem Meßsignal erfolgen. Insbesondere
kann die Amplitude der in der Hall-Spannung vorhandenen Pulse gemessen
werden, woraufhin auf Basis dieser gemessenen Amplitude sowie auf
Basis der bekannten Amplitude des Diagnosestroms wieder eine vollständige
Diagnose der Messvorrichtung bzw. der Hall-Sonde erfolgen kann,
wie obenstehend beschrieben.
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Gemäß einer
weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind Hall-Sonde und Diagnoseleiter gemeinsam in einem Sondengehäuse
angeordnet bzw. vergossen. Dabei kann es sich insbesondere um ein
Chipgehäuse handeln, in welchem die Hall-Sonde und deren
Auswerteelektronik wie auch der Diagnoseleiter untergebracht sind. Dies
hat den Vorteil, dass die Relativposition zwischen Diagnoseleiter
und Hall-Sonde exakt und unveränderlich festgelegt ist,
so dass keine eigene Kalibrierung des vom Diagnoseleiter im Bereich
der Hall-Sonde erzeugten Magnetfelds erfolgen muss. Ferner ergibt
sich hierdurch ein optimaler Schutz des Diagnoseleiters und eine
optimale Handhabung der Sensoreinrichtung.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, dass es sich bei der Sensoreinrichtung um einen integrierten
Strommeßsensor handelt. Dies bedeutet mit anderen Worten,
dass der Diagnoseleiter durch den im Chipgehäuse des Strommeßsensors
angeordneten Nebenschlusswiderstand bzw. Meßshunt gebildet
ist, wobei der Strommeßsensor in diesem Fall nicht zur
Messung einer unbekannten Stromstärke herangezogen wird, sondern
mittels Vorgabe einer bekannten Stromstärke in Form des
Diagnosestroms zur Messung eines Magnetfelds unbekannter Größe
bei gleichzeitiger Diagnostizierung des Sensors und der Auswerteelektronik
dient.
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Gemäß einer
weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
zeichnet sich die Messvorrichtung durch einen zusätzlichen,
relativ zur Sensoreinrichtung bzw. zur Hall-Sonde beweglich angeordneten
Magneten aus. Dabei erfolgt anhand der durch das Magnetfeld des
Magneten erzeugten Hall-Spannung der Hall-Sonde eine Bestimmung
der Relativposition bzw. des Abstands zwischen Sensoreinrichtung
und Magnet. Vorzugsweise sind dabei Sensoreinrichtung und Magnet
relativ zueinander drehbar bzw. relativ zueinander verschiebbar
angeordnet.
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Dies
ermöglicht, die Messvorrichtung allgemein zur Bestimmung
der Relativposition zweier relativbeweglicher mechanischer Bauteile
einzusetzen, indem die Sensoreinrichtung an einem der relativbeweglichen
Bauteile und der Magnet an dem anderen der beiden relativbeweglichen
Bauteile angeordnet wird.
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Mit
diesem Hintergrund ergibt sich ein mögliches und bevorzugtes
Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße
Messvorrichtung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere
bei Betätigungseinrichtungen für shift-by-wire-gesteuerte
Gangwechselgetriebe von Kraftfahrzeugen. Hierbei werden Hall-Sensor-Messvorrichtungen
insbesondere zur verschleiß- und reibungsarmen Ermittlung
der Schaltposition von Betätigungshebeln eingesetzt.
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Bei
derartigen Betätigungseinrichtungen kann – zur
Ermittlung des aktuellen Schaltzustands des Getriebe-Betätigungshebels
in der Fahrgastkabine – beispielsweise am Betätigungshebel
ein Magnet angeordnet sein, der bei einer bestimmten Schaltstellung
ein Magnetfeld bestimmter Größe im Wirkbereich
der Sensoreinrichtung bzw. der Hall-Sonde der Sensoreinrichtung
erzeugt.
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Wird
somit für diese Anwendung am Kraftfahrzeug auf die erfindungsgemäße
Messvorrichtung zurückgegriffen, so können Störungen
oder kann ein Ausfall der Sensoreinrichtung von einer im Kraftfahrzeug
angeordneten Diagnoseelektronik ohne weiteres erkannt und entsprechend
diagnostiziert werden. Ferner ist es möglich, mittels der
im Kraftfahrzeug angeordneten Diagnoseelektronik permanent die Funktionsfähigkeit
der in der Getriebe-Betätigungseinrichtung verwendeten
Hall-Sensoreinrichtung zu überwachen und gegebenenfalls
zu korrigieren. Werden Störungen oder Ausfälle
der Sensoreinrichtung erkannt, so ist es möglich, dem Fahrer
dies zu signalisieren bzw. ein dem Ausfall zugeordnetes Sicherheitsprogramm
ablaufen zu lassen. Auf diese Weise kann eine mögliche
Fehlbetätigung des Getriebes verhindert und somit ein möglicher
Schaden vom Fahrer bzw. vom Fahrzeug abgewendet werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer
Hall-Sensoreinrichtung. Dabei umfasst die Hall-Sensoreinrichtung
zumindest eine Hall-Sonde, einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten
Diagnoseleiter sowie eine Treibereinrichtung. Die Treibereinrichtung
dient dabei der Aufprägung eines mit vorgegebenem Amplitudenverlauf
veränderlichen elektrischen Diagnosestroms auf den Diagnoseleiter.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die nachfolgend
angegebenen Verfahrensschritte.
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Zunächst
wird durch die Steuerelektronik der Sensoreinrichtung ein definierter
Speisestrom erzeugt, der die Hall-Sonde als Voraussetzung der Messung
von Hall-Spannungen durchfließt.
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Anschließend
erfolgt in einem weiteren Verfahrenschritt die Aufprägung
des elektrischen Diagnosestroms auf den Diagnoseleiter. Dies bedeutet mit
anderen Worten, dass eine entsprechende Treiberschaltung dafür
sorgt, dass der Diagnoseleiter von dem mit vorgegebener Periode
veränderlichen elektrischen Diagnosestrom durchflossen
wird. Dabei ist die Reihenfolge dieser beiden ersten Verfahrensschritte
beliebig bzw. unerheblich.
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Anschließend
erfolgt in einem weiteren Verfahrenschritt die Bestimmung der von
der Hall-Sonde erzeugten Hall-Spannung, welche in einem weiteren Verfahrenschritt
in die Mess-Teilspannung und die Diagnose-Teilspannung aufgespalten
wird. Die Aufspaltung der Hall-Spannung in die Mess-Teilspannung
und die Diagnose-Teilspannung kann prinzipiell durch einfache Differenzbildung
erfolgen, da der Amplitudenverlauf des Diagnosestroms und somit
die Sollgröße der vom Diagnosestrom hervorgerufenen Hall-Spannung
bekannt ist. Durch Differenzbildung zwischen der von der Hall-Sonde
abgegebenen Hall-Spannung und der Sollgröße der
von dem pulsierenden Diagnosestrom hervorgerufenen Hall-Teilspannung
kann somit die Mess-Teilspannung der Hall-Sonde ermittelt werden.
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Auf
diese Weise sind somit sowohl die Mess-Teilspannung – als
Maß eines etwa auf die Hall-Sonde wirkenden externen Magnetfelds – als auch
die Diagnose-Teilspannung – als Maß des durch
den Diagnosestrom erzeugten Magnetfelds – bekannt und können
im Anschluss in einem weiteren Verfahrenschritt somit separat ausgewertet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
somit eine permanente Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung auch während
des normalen Betriebs. Aufgrund der Überlagerung des mittels
Diagnosestrom und Diagnoseleiter erzeugten Diagnosemagnetfelds mit
einem etwaigen externen Magnetfeld beispielsweise eines Permanentmagneten
und anschließender Wiederauftrennung des Signals der Hall-Sonde
in die Diagnose-Teilspannung und die Mess-Teilspannung findet keine
gegenseitige Beeinflussung der Mess- und Diagnosesignale statt.
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Dabei
kann dank des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht
nur eine qualitative Diagnose daraufhin erfolgen, ob die Funktion
der Hall-Sensoreinrichtung gegeben ist oder nicht, sondern auch
eine quantitative Diagnose daraufhin, ob das Signal der Hall-Sonde
korrekt und proportional zum jeweils vorliegenden Magnetfeld ist.
Aus diesem Grund ist es dank des erfindungsgemäßen
Verfahrens auch möglich, eine permanente Überwachung
und ggf. Kalibrierung der Hall-Sonde durchzuführen. Dies
kann beispielsweise dann notwendig werden, wenn Signalverfälschungen
aufgrund von Temperaturdrift oder aufgrund von mechanischen Verspannungen
der Hall-Sonde aufgetreten sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zunächst
einmal unabhängig davon verwirklichen, welchen Amplitudenverlauf
der veränderliche elektrische Diagnosestrom aufweist, solange
dieser Verlauf bekannt bzw. exakt vorherbestimmbar ist und sich somit
die Diagnose-Teilspannung von der Mess-Teilspannung mittels Differenzbildung
wieder trennen lässt.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist der elektrische Diagnosestrom jedoch einen pulsförmigen
Amplitudenverlauf auf. Der pulsförmige Amplitudenverlauf
ist insbesondere insofern vorteilhaft, als die Pulse sich aufgrund
ihrer hohen Flankensteilheit besonders einfach und exakt im Ausgangssignal
der Hall-Sonde erkennen lassen und somit zuverlässig von
der Mess-Teilspannung separiert werden können.
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Gemäß weiterer
bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt im Rahmen der Auswertung des Ausgangssignals der
Hall-Sonde eine Auswertung der Anzahl innerhalb einer vorbestimmten
Zeit erfassten Pulse, bzw. eine Auswertung der Amplitude der Pulse.
Die Auswertung der Anzahl der Pulse kann dabei insbesondere im Rahmen
einer einfacheren, qualitativen Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung
erfolgen, bei der auf einen Ausfall der Sensoreinrichtung geschlossen werden
kann, wenn innerhalb einer bestimmten festgelegten Zeit nicht dieselbe
Anzahl an Pulsen registriert wird, wie sie der Anzahl der Pulse
des eingespeisten Diagnosestroms entspricht. Im Unterschied dazu
ermöglicht die Auswertung der Pulsamplitude der Diagnose-Teilspannung
insbesondere auch eine quantitative Diagnose bzw. Kalibrierung der
Sensoreinrichtung, wie obenstehend beschrieben.
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Mit
dem Hintergrund des Einsatzes des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere im Umfeld der Betätigung
eines Gangwechselgetriebes mittels eines Betätigungselements ist
es gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung vorgesehen, dass an einem relativ zur Sensoreinrichtung
beweglichen Bauteil ein Magnet angeordnet ist. Dabei erfolgt anhand
der Mess-Teilspannung eine Bestimmung der Relativposition zwischen
der Sensoreinrichtung und dem Magneten. Vorzugsweise wird damit
die Position des Wählhebels eines Fahrzeug-Gangwechselgetriebes erfasst,
indem die Sensoreinrichtung bzw. der Magnet an einem Sockel bzw.
am Wählhebel der Betätigungseinrichtung so angeordnet
werden, dass bei Bewegungen des Wählhebels eine Relativbewegung zwischen
der Sensoreinrichtung und dem Magneten erfolgt. Diese Relativbewegung
führt zu einer Veränderung des im Bereich der
Sensoreinrichtung bzw. im Bereich der Hall-Sonde der Sensoreinrichtung
wirksamen Magnetfelds des Magneten, wodurch – nach entsprechender
Kalibrierung – auf die jeweilige Relativposition zwischen
dem Wählhebel und dem Sockel der Betätigungseinrichtung
geschlossen werden kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
darstellender Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1 in
schematischer Ansicht die Sensoreinrichtung einer Messvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 in
einer 1 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform
einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 in
einer schematischen Diagrammdarstellung die Ausgangsspannung der
Hall-Sonde der Messvorrichtung gemäß 2 im
Leerlauf;
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4 in
einer 3 entsprechenden Darstellung die Ausgangsspannung
der Hall-Sonde der Messvorrichtung gemäß 2 und 3 während des
Betriebs;
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5 in
einer isometrischen Darstellung eine Anordnung aus Sensoreinrichtung
und Magnet einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung;
und
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6 in
einer 5 entsprechenden Darstellung die Anordnung aus
Sensoreinrichtung und Magnet gemäß 6 in
der Untersicht.
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1 zeigt
in einer höchst schematisch ausgeführten Schaltungsdarstellung
die Sensoreinrichtung 1 einer Messvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Man
erkennt zunächst einmal eine Hall-Sonde 2, deren
vier Kanten in der üblichen Weise mit einer elektronischen
Speise- und Auswertungsschaltung 3 verbunden sind. Auf
diese Weise kann die Hall-Sonde 2 mit dem für
das Auftreten des Hall-Effekts notwendigen Speisestrom beaufschlagt
werden, und es kann beim Auftreten von Magnetfeldern an den zum
Speisestrom parallelen seitlichen Kanten der Hall-Sonde 2 die
entsprechende Hall-Spannung abgegriffen und registriert werden.
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Die
dargestellte Sensoreinrichtung 1 umfasst einen galvanisch
von der Hall-Sonde 2 getrennten Diagnoseleiter 4,
der von einer Treibereinrichtung 8 (in 1 nicht
dargestellt, vgl. 2) gespeist werden kann dergestalt,
dass ein bestimmter elektrischer Diagnosestrom im Diagnoseleiter 4 fließt.
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Der
durch den Diagnoseleiter 4 fließende Diagnosestrom
führt dazu, dass sich um den Diagnoseleiter herum ein durch
den Diagnosestrom hervorgerufenes Magnetfeld 5 aufbaut.
Dieses Magnetfeld 5 tritt auch durch die Hall-Sonde 2 hindurch
und führt dort somit zur Erzeugung einer dementsprechenden Hall-Spannung
an den parallel zum Speisestrom durch die Hall-Sonde 2 verlaufenden
beiden Kanten der Hall-Sonde 2.
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Die
Hall-Spannung wird von der Auswertungsschaltung 3 der Sensoreinrichtung
aufgenommen, verstärkt und als entsprechendes Signal über einen
Ausgang 6 der Sensoreinrichtung ausgegeben.
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2 zeigt,
wie die Sensoreinrichtung 1 aus 1 in eine
erfindungsgemäße Messvorrichtung eingebunden ist.
Außer der Sensoreinrichtung 1 gemäß 1 ist
in 2 zunächst einmal ein relativ zur Sensoreinrichtung 1 beweglicher
Magnet 7 erkennbar. Beispielsweise kann der Magnet 7 am
Wählhebel einer Betätigungseinrichtung für
ein Gangwechselgetriebe angeordnet sein, während die Sensoreinrichtung 1 am
Gehäuse bzw. am Sockel der Betätigungseinrichtung
angeordnet ist.
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Neben
der Sensoreinrichtung 1 umfasst die Messvorrichtung eine
Treibereinrichtung 8, einen Vorwiderstand 9 sowie
eine Steuerelektronik 10. Die Steuerelektronik 10 koordiniert
die gesamten Abläufe, die zur erfindungsgemäßen
Diagnose der Sensoreinrichtung 1 erforderlich sind. Hierzu
gehört zunächst einmal die Ansteuerung der Treibereinrichtung 8 durch
ein von der Steuerelektronik 10 abgegebenes Rechtecksignal 11.
Das Rechtecksignal 11 wird durch die Treibereinrichtung 8 verstärkt
und in Form eines pulsierenden Diagnosestroms 12 mit rechteckigem
Amplitudenverlauf dem in der Sensoreinrichtung 1 angeordneten
Diagnoseleiter 4 aufgeprägt. Zur Begrenzung des
durch den Diagnoseleiter 4 fließenden Stroms sowie
zur Ermittlung der durch den Diagnoseleiter 4 fließenden
Stromstärke umfasst die Messvorrichtung den Vorwiderstand 9.
An dem Vorwiderstand 9 fällt eine zum Verlauf
des Diagnosestroms 12 jeweils proportionale, ebenso wie
der Diagnosestrom 12 pulsförmige Kontrollspannung 13 ab, welche
wiederum der Steuerelektronik 10 zugeleitet wird.
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Ferner
ist die Steuerelektronik 10 noch mit dem Ausgang 6 der
Sensoreinrichtung 1 verbunden, so dass auch das entsprechend
verstärkte Signal 14 der Hall-Sonde 2 der
Steuerelektronik 10 zugeleitet wird. Das von der Sensoreinrichtung 1 abgegebene Signal 14 der
Hall-Sonde 2 stellt dabei zunächst einmal ein
Summensignal 14 dar, das dem am Ort der Hall-Sonde 2 vorherrschenden, überlagerten
Magnetfeld sowohl des Magneten 7 als auch des Diagnoseleiters 4 entspricht.
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Sowohl
aufgrund der bekannten Charakteristik der Treibereinrichtung 8 als
auch aufgrund des über den Vorwiderstand 9 zurückgemessenen
Diagnosestroms 12 ist die Stromstärke durch den
Diagnoseleiter 4 und damit auch die Größe
des vom Diagnoseleiter 4 erzeugten Magnetfelds 5 im
Bereich der Hall-Sonde 2 jedoch bekannt. Aufgrund dieser
bekannten Zusammenhänge lässt sich somit das von der
Hall-Sonde 2 erzeugte Soll-Diagnosesignal errechnen und
durch Überlagerung mit dem von der Hall-Sonde 2 abgegebenen
Summensignal 14 somit auch wieder aus dem Summensignal 14 eliminieren, bzw.
vom Summensignal 14 abtrennen, wodurch sich das auf den
Magneten 7 zurückgehende, reine Analogsignal der
Hall-Sonde ergibt.
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In
den 3 und 4 sind Beispiele für das
von der Sensoreinrichtung 1 abgegebene Summensignal 14 dargestellt,
wobei sich das Summensignal 14 wie oben ausgeführt
zunächst aus einer Überlagerung der Magnetfelder
des Magneten 7 und des Diagnoseleiters 4 ergibt.
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3 zeigt
die Ausgangsspannung bzw. das Summensignal 14 der Sensoreinrichtung 1 im
Fall des Stillstands des Magneten 7 relativ zur Sensoreinrichtung 1,
also beispielsweise das Signal der Sensoreinrichtung 1 einer
Betätigungseinrichtung für ein Gangwechselgetriebe
im Fall des unbewegten Betätigungshebels. Man erkennt,
dass das entlang der Hochachse aufgetragene Meßsignal 15 als
Bestandteil des Summensignals 14 über die Zeit
(Rechtsachse) konstant bleibt. Von der Höhe der Mess-Teilspannung 15 des
Summensignals 14 kann dabei auf den Abstand zwischen Magnet 7 und
Sensoreinrichtung 1, bzw. im Beispielfall auf die Absolutposition
des Getriebe-Betätigungshebels geschlossen werden.
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Überlagert
mit der Mess-Teilspannung 15 wird die aus dem pulsierenden
Diagnosestrom 12 durch den Diagnoseleiter 4 resultierende
ebenfalls pulsierende Diagnose-Teilspannung 16 erkennbar. Aus
dem Vorhandensein und der Amplitude der Pulse der Diagnose-Teilspannung 16 kann
damit erfindungsgemäß auf die Funktionsfähigkeit
und korrekte Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen
werden, da die Stärke des Diagnosestroms 12, damit
die Größe des vom Diagnosestrom 12 hervorgerufenen
Magnetfelds und somit auch des Sollwerts des dadurch erzeugten Diagnosesignals
bekannt ist und mit dem Istwert des Diagnosesignals 16 verglichen
werden kann.
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4 zeigt
das Summensignal 14 der Sensoreinrichtung 1, wie
es sich im Fall einer ungleichförmigen Bewegung des Magneten 7 relativ
zur Sensoreinrichtung 1, bzw. im Fall einer dementsprechenden
Bewegung eines mit der Sensoreinrichtung 1 ausgestatteten
Getriebe-Betätigungshebels ergibt. Wieder besteht das Summensignal 14 aus
einer Überlagerung der Mess-Teilspannung 15 einerseits, welche
aus dem Magnetfeld des Magneten 7 resultiert, und der Diagnose-Teilspannung 16 andererseits,
die aus dem pulsierenden Magnetfeld 5 des Diagnoseleiters 4 resultiert.
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Auch
hier lässt sich anhand der bekannten Soll-Größe
der Amplitude des Diagnosesignals 16 wieder eine rechnerische
Trennung der auf den Magneten 7 bzw. auf den Diagnosestrom 12 zurückgehenden
Signale 15 und 16 vornehmen, und die beiden Signale 15 und 16 können
somit getrennt ausgewertet werden. Auf diese Weise kann anhand der Auswertung
der pulsierenden Diagnose-Teilspannung 16 auf die Funktionsfähigkeit
und korrekte Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden,
während anhand der Höhe der Mess-Teilspannung 15 des
Summensignals 14 auf den Abstand zwischen dem Magneten 7 und
der Sensoreinrichtung 1, bzw. auf die Relativposition eines
Betätigungshebels relativ zur Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen
werden kann.
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Insbesondere
kann durch einen Vergleich der von der Sensoreinrichtung 1 abgegebenen
Ist-Diagnose-Teilspannung 16 mit dem von der Steuerelektronik 10 errechneten
Soll-Diagnosesignal eine quantitative Diagnose bzw. Kalibrierung
der Sensoreinrichtung 1 durchgeführt werden. Ist
beispielsweise die Amplitude des Ist-Diagnosesignals 16 größer
als der errechnete bzw. gespeicherte Sollwert dieser Amplitude,
so kann eine entsprechende Korrektur (hier eine Verringerung) des
durch die Hall- Sonde 2 geleiteten Speisestroms erfolgen
solange, bis der gemessene Istwert der Amplitude der Diagnose-Teilspannung 16 wieder
mit dem Sollwert übereinstimmt. Auf diese Weise kann beispielsweise
ein Temperaturdrift der Hall-Sonde 2, oder eine mechanische
Verspannung der Hall-Sonde 2 erkannt und ggf. automatisch
kompensiert werden, was die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit
der Messvorrichtung maßgeblich verbessern kann.
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Die 5 und 6 zeigen
eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Man erkennt jeweils zunächst ein pfannenförmiges
Gehäuse 17, das vorzugsweise aus Metall gebildet
ist, um eine optimale Abschirmung der Sensoreinrichtung 1 gegenüber Störfeldern
zu gewährleisten. Das Gehäuse 17 steht über
einen Ausleger 18 in Eingriff mit einem beweglichen Koppelstift 19,
wobei der bewegliche Koppelstift 19 wiederum mit einem
(nicht dargestellten) Wählhebel eines Gangwechselgetriebes
verbunden ist, und den Bewegungen des Wählhebels somit
folgt.
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Bei
den Bewegungen des Wählhebels zwischen den einzelnen Schaltstufen
P-R-N-D, die durch entsprechende Buchstaben 20 auch in
den 5 und 6 angedeutet sind, wird das
Gehäuse 17 über den Ausleger 18 dementsprechend
um die Gehäuselagerung 21 verdreht.
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Wie
aus 6 hervorgeht, ist im Inneren des Gehäuses 17 ein
im Wesentlichen kreisbogensegmentförmiger Permanentmagnet 7 angeordnet,
der zudem nach Art einer schiefen Ebene eine entlang seiner Kreisbogenform
linear zunehmende Dicke aufweist. Der Permanentmagnet 7 wirkt
auf die ebenfalls in 6 erkennbare Sensoreinrichtung 1,
die nicht mit dem Gehäuse 17 verbunden, sondern
beispielsweise am (hier nicht dargestellten) Sockel der Betätigungseinrichtung
befestigt ist. Dies bedeutet, dass sich bei Rotationsbewegungen
des Gehäuses 17 und des mit dem Gehäuse
verbundenen Permanentmagneten 7 damit der effektive Abstand
zwischen dem Permanentmagneten 7 und der Sensoreinrichtung 1 proportional
zum Drehwinkel des Gehäuses verändert.
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Dementsprechend
verändert sich auch der Pegel des Sensorsignals 14,
genauer gesagt der Pegel der Mess-Teilspannung 15 der Sensoreinrichtung,
vgl. beispielsweise 4. Somit lässt sich
anhand Auswertung der Mess-Teilspannung 15 des Sensors 1 die
Rotationswinkelstellung des Gehäuses 17 ermitteln.
Dabei kann – dank des erfindungsgemäß jederzeit
separat auswertbaren Diagnose-Teilsignals 16 – gleichzeitig
eine permanente Überprüfung und ggf. automatische
Kalibrierung des Sensors 1 erfolgen, wie obenstehend erläutert.
Ebenso kann die Sensoreinrichtung 1 permanent auf Funktion
und auf etwaige Ausfälle überwacht werden, und
es können bei einem Ausfall ggf. eventuelle Notlaufprogramme eingeleitet
oder der Benutzer entsprechend benachrichtigt werden.
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Ggf.
kann die Sensoreinrichtung 1 im Sinne der weiteren Erhöhung
der Systemverfügbarkeit, Redundanz und Ausfallsicherheit
auch doppelt vorgesehen sein. Dies bedeutet mit anderen Worten,
dass zumindest die den Hall-Sensor 2 und den Diagnoseleiter 4 umfassende
Sensoreinrichtung 1 doppelt vorhanden ist. Die Steuerelektronik 10 kann
hingegen aus Kostengründen auch nur einfach ausgeführt
werden, wobei in diesem Fall die Anzahl der Sensorkontakte der Steuerelektronik 10 – entsprechend
der doppelt vorhandenen Sensoreinrichtung 1 – ebenfalls
verdoppelt wird.
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Tritt
somit – im Fall einer zweifach vorhandenen Sensoreinrichtung 1 – an
einem der Sensoren ein Ausfall ein, so bleibt das System trotz des
Sensorausfalls voll verfügbar, und das Signal des ausgefallenen
Sensors kann aufgrund der erfindungsgemäßen Diagnosefähigkeit
mittels des zweiten Sensors voll korrigiert bzw. ersetzt werden.
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Im
Ergebnis wird somit deutlich, dass mit der Erfindung eine diagnostizierbare
Sensoreinrichtung bzw. ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer
Sensoreinrichtung geschaffen wird, die maßgebliche Vorteile
insbesondere bezüglich Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit
aufweisen. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben die
vollständige und permanente quantitative Diagnose und Kalibrierung
eines Hall-Sensor-Bauelements, wodurch sich Messfehler beispielsweise
aufgrund von Temperaturdrift oder mechanischen Verspannungen eliminieren
lassen.
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- 1
- Sensoreinrichtung
- 2
- Hall-Sonde
- 3
- Auswertungsschaltung
- 4
- Diagnoseleiter
- 5
- Magnetfeld
- 6
- Ausgang
- 7
- Magnet
- 8
- Treibereinrichtung
- 9
- Vorwiderstand
- 10
- Steuerelektronik
- 11
- Rechtecksignal
- 12
- Diagnosestrom
- 13
- Kontrollspannung
- 14
- Summensignal
- 15
- Mess-Teilspannung
- 16
- Diagnose-Teilspannung
- 17
- Gehäuse
- 18
- Ausleger
- 19
- Koppelstift
- 20
- Schaltstufen
P-R-N-D
- 21
- Lagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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