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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor), ein Rohr, das mit einem derartigen Massenstromsensor ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr.
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Herkömmliche Massenstromsensoren zur Ermittlung des Massenstroms eines Fluids, d. h. einer Flüssigkeit oder eines Gases, basieren zum einen auf Wirkdruckverfahren, die jedoch durch die Messung einen bleibenden Druckverlust in der Strömung bewirken, und zum anderen auf elektronischen Verfahren, die im Umfeld von starken elektromagnetischen Felder hierdurch erheblich beeinflusst werden, was hohe Messfehler hervorruft oder einen erheblichen Kalibrieraufwand verursacht. Daher wurden bereits verschiedene Massenstromsensoren, die mit einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor), der die genaue Bestimmung der Längenänderung einer Glasfaser ermöglicht, ausgestattet sind, vorgeschlagen.
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Die
JP 2005003535 A offenbart eine optische Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung bzw. Geschwindigkeit einer Strömung, die darauf beruht, dass ein Element, auf das eine Glasfaser mit einem FBG-Sensor aufgebracht ist, durch den hydraulischen Druck verformt wird. Nachteilig hieran ist, dass sich ein nennenswerter hydraulischer Druck nur in einer Flüssigkeit ausbildet, so dass die Vorrichtung nicht für die Untersuchung von Gasströmen geeignet ist. Weiterhin erfordert diese Vorrichtung ein verformbares Element, was insbesondere bei großen Temperaturänderungen, bei denen sich die Materialeigenschaften dieses Elementes erheblich ändern, sowie bei tiefen Temperaturen, da dort kaum verformbare Materialen existieren, ein wesentlicher Nachteil ist.
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Aus der
EP 1936332 A1 ist ein Strömungsmesser bekannt, bei dem ein Strömungselement in die Strömung eingebracht wird, um die Karmanschen Wirbel über FBG-Sensoren nachzuweisen. Nachteilig hieran ist, dass sich der Sensor in der Strömung befindet, wodurch ein höherer Druckverlust im Vergleich zu einer glatten Rohr- bzw. Kanalströmung entsteht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Sensor die strömungscharakteristischen Karmanschen Wirbel mittels eines FBG-Sensors erfasst, so dass sich nicht unterscheiden lässt, ob die Längenänderung des Strömungsmessers aufgrund der Änderung des Strömungswiderstands oder nur aufgrund einer Temperaturänderung erfolgte.
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Die
JP 2007017337 A beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, die auf der Messung des Staudrucks, der auf ein Wandelement drückt, basiert, wobei sich der FBG-Sensor in einer luftdichten Kammer befindet. Nachteilig hieran ist, dass die Messanordnung angeströmt werden muss, so dass sie sich nicht für die Untersuchung einer Innenströmung und damit nicht ohne weiteres als Massenstromsensor eignet. Der Einbau in ein Rohr würde zu einem erheblichen Druckverlust führen. Da sich der Sensor in einer luftdichten Kammer befindet, bezieht sich die Temperaturkorrektur lediglich auf die temperaturabhängige Längendehung der Glasfaser.
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Die
GB 2454613 A offenbart eine Glasfaser mit mindestens einem FBG-Sensor, die in die Strömung eingebracht wird. Zur Erhöhung der Signalstärke werden ein oder mehrere strömungsförmige Elemente, insbesondere Kugeln oder Ellipsoide, fest mit der Glasfaser verbunden. Bei Einsatz mehrerer Elemente zur Verstärkung der mechanischen Belastung auf die Glasfaser, stellt die Vorrichtung eine Art Perlenkette dar, die in die Strömung eingeführt wird. Nachteilig hieran ist, dass die verstärkte Glasfaser in die Strömung eingeführt werden muss, wodurch sich ein zusätzlicher Druckverlust ausbildet. Gegenüber einer Flüssigkeitsströmung müssen bei einer Gasströmung Anzahl bzw. Größe der strömungsförmigen Elemente vergrößert werden, wodurch sich der Druckverlust weiter erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich auch hier nicht unterscheiden lässt, ob die Streckung der Glasfaser aufgrund der Änderung des Strömungswiderstands oder einer Temperaturänderung erfolgt.
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Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor), ein Rohr, das mit einem derartigen Massenstromsensor ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr vorzuschlagen, die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.
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Insbesondere soll ein Massenstromsensor bereitgestellt werden, der im Umfeld von starken elektromagnetischen Felder zuverlässig arbeitet, sich sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten auch bei sehr tiefen Temperaturen, insbesondere in der Kryotechnik, eignet und nicht in den Massenstrom eingebracht werden muss, um einen Druckverlust in der Strömung zu vermeiden.
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Weiterhin soll ein Rohr, ein Rohrstück, ein Kanal oder ein Kanalstück, das mit einem derartigen Massenstromsensor ausgestattet ist, bereitgestellt werden, das über Mittel zum Einflanschen in ein Rohr oder in ein Kanalsystem verfügt.
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Schließlich soll ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr bereitgestellt werden, mit dem sich eine Längenänderung einer Glasfaser eindeutig auf die Änderung einer strömungsmechanischen Eigenschaft des Massenstroms zurückführen lässt und Längenänderungen aufgrund einer Temperaturänderung des Massenstroms oder der Umgebung herausgerechnet werden können.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Massenstromsensor durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Rohr durch die Merkmale des Anspruchs 6 und im Hinblick auf das Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms durch die Schritte des Anspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor) enthält ein bewegliches Wandelement, das in einen Ausschnitt aus einer Wand eines von einem Massenstrom durchströmten Rohrs oder Kanals einfügbar (integrierbar) ist. Die Beweglichkeit des Wandelements ist dadurch gegeben, dass zwischen dem Wandelement und der Wand des Rohrs, in das das Wandelement eingefügt oder integriert ist, ein oder mehrere Spalte vorhanden sind.
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An der dem Massenstrom abgewandten Außenseite des beweglichen Wandelements ist in einer gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Kammer mindestens eine dehnbare Verbindung angebracht. Eine Verbindung wird dann als dehnbar bezeichnet, wenn eine hierauf ausgeübte Schubspannungskraft eine messbare Dehnung hervorruft. Für die praktische Anwendung darf das hierfür eingesetzte Material jedoch weder verspröden noch reißen. Als Folge dieser Bedingung eignet sich z. B. Gummi nicht für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen.
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Die mindestens eine dehnbare Verbindung ist jeweils sowohl am Wandelement als auch an einer Wand der Kammer befestigt und jeweils zwischen den beiden Befestigungspunkten eingespannt. Vorzugsweise ist jede der mindestens einen dehnbaren Verbindung mittels einer ersten Spanneinrichtung an einer Wand der Kammer und mittels einer zweiten Spanneinrichtung am beweglichen Wandelement befestigt und zwischen dem Wandelement und der Wand der Kammer jeweils mittels einer leichten Vorspannung eingespannt. Der mindestens eine Dehnungsmesser ist jeweils auf demjenigen Teil der mindestens einen dehnbaren Verbindung angebracht, der zwischen der Wand der Kammer und der dem beweglichen Wandelement eingespannt ist.
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In einer besonderen Ausgestaltung sind mehrere dehnbare Verbindungen vorgesehen, die jeweils mit mindestens einem Dehnungsmesser versehen jeweils an einer eigenen ersten Spanneinrichtung an einer Wand der Kammer befestigt sind. Auf diese Weise funktioniert der Sensor unabhängig von der Richtung des Massenstroms.
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An jeder der mindestens einen dehnbaren Verbindung ist auf demjenigen Teil der dehnbaren Verbindung, der zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist, mindestens ein Dehnungsmesser an- oder aufgebracht. Hierfür eignet sich bevorzugt ein Dehnmessstreifen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein Temperatursensor vorhanden, der an einem Abschnitt der dehnbaren Verbindung angebracht ist, der nicht zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist. Da dieser weitere Abschnitt der dehnbaren Verbindung von einer Längenänderung, die die Schubspannung des Fluids im Massenstrom im Abschnitt der Glasfaser, der zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist, bewirkt, unabhängig bleibt, ist es möglich, mindestens einem weiteren Dehnungsmesser als mindestens einen Temperatursensor vorzusehen und auf diese Weise über die Längenänderung dieses Abschnitts der dehnbaren Verbindung die Temperatur in der abgeschlossenen Kammer zu ermitteln.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens eine Glasfaser als dehnbare Verbindung eingesetzt. In diesem Falle ist bevorzugt mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) als Dehnungsmesser vorgesehen und auf der mindestens einen Glasfaser an- oder aufgebracht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein weiterer FBG-Sensor als Temperatursensor auf dem Abschnitt der Glasfaser angebracht ist, der nicht zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist. Als Faser-Bragg-Gitter werden optische Interferenzfilter bezeichnet, die in einen Lichtwellenleiter eingeschrieben sind, so dass Wellenlängen, die innerhalb einer Filterbandbreite liegen, reflektiert werden. Damit eignen sich diese Gitter als Sensoren sowohl für Dehnung als auch Temperatur, jeweils basierend auf einer Änderung der reflektierten Wellenlänge.
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Zusätzlich zu dem zwischen dem Wandelement und der Wand des Rohrs, in das das Wandelement eingefügt oder integriert ist, vorhandenen ein oder mehreren Spalten enthält das Rohr in einer besonderen Ausgestaltung eine oder mehrere Öffnungen (Bohrungen), die die Innenseite des Rohrs mit der Kammer verbinden. Durch diesen mindestens einen Spalt und/oder die mindestens eine Öffnung tritt ein Teil des Massenstroms aus dem Rohr in die Kammer ein, wodurch in der Kammer dieselbe Temperatur wie im Massenstrom herrscht. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Temperaturmessung deutlich erhöht.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Rohr, worunter auch ein Rohrstück, ein Kanal oder ein Kanalstück verstanden wird, das mit einem erfindungsgemäßen Massenstromsensor versehen ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt das Rohr Mittel zum Einflanschen in ein Rohr- oder Kanalsystem.
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In einer besonderen Ausgestaltung besitzt das Rohr eine oder mehrere Öffnungen (Bohrungen), die die Innenseite des Rohrs mit der Kammer verbinden. Hierdurch kann ein Teil des Massenstroms in die Kammer eintreten, so dass in der Kammer dieselbe Temperatur wie im Massenstrom herrscht, wodurch sich die Genauigkeit der Temperaturmessung deutlich erhöht.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms in einem Rohr. Hierzu wird das Rohr von einem Massenstrom eines Fluids durchströmt, das eine Schubspannung auf das bewegliche Wandelement ausübt. Die Stärke dieser Schubspannung ist vorzugsweise proportional zur Größe des Massenstroms. Die Schubspannung ruft eine Änderung der Länge der einen oder mehreren dehnbaren Verbindung, bevorzugt der einen oder mehreren Glasfasern, hervor, die zwischen der dem Massenstrom abgewandten Außenseite des Wandelements und einer Wand der Kammer eingespannt sind. Die Längenänderung der dehnbaren Verbindungen wird jeweils mittels mindestens eines Dehnungsmessers, bevorzugt mindestens ein Dehnungsmessstreifen oder, im Falle, dass mindestens eine Glasfaser als mindestens eine dehnbare Verbindung eingesetzt ist, ein FBG-Sensor, der an die jeweilige dehnbare Verbindung an- oder aufgebracht ist, nachgewiesen. Nach einer vorherigen Kalibrierung lässt sich hieraus die Größe des Massenstroms ermitteln.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein vorzugsweise sehr geringer Teil des Massenstroms durch den mindestens einen Spalt zwischen dem Wandelement und der Wand des Rohrs und, sofern vorhanden, durch mindestens eine zusätzliche Öffnung im Rohr in die Kammer eingeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass in der Kammer dieselbe Temperatur wie im Massenstrom herrscht, so dass sich über einen Temperatursensor die Temperatur des Massenstroms bestimmen lässt. Bevorzugt wird hierzu die Längenänderung eines weiteren Abschnitts mindestens einer Glasfaser, die nicht zwischen einer Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist, mittels eines hierauf angebrachten Dehnungsmessers, bevorzugt eines FBG-Sensors, ermittelt. Auf diese Weise lässt sich ein Anteil der Längenänderung der einen oder mehreren dehnbaren Verbindungen, bevorzugt Glasfasern, die auf eine Temperaturänderung und nicht auf die Wirkung der Schubspannung zurückgeht, herausrechnen.
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Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden erwähnten Vorteile auf.
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Der erfindungsgemäße Massenstromsensor ist unabhängig von der Größe des hydraulischen Drucks und ermöglicht daher die Bestimmung des Massenstroms sowohl in Flüssigkeits- als auch in Gasströmungen.
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Beim erfindungsgemäßen Massenstromsensor entsteht kein zusätzlicher Druckverlust gegenüber einer Rohr- bzw. Kanalströmung, da das bewegliche Wandelement, das die Schubspannung der Strömung aufnimmt, in die Wand des Rohrs oder Rohrstücks eingefügt ist. Der erfindungsgemäße Massenstromsensor vermeidet Druckverlust, indem jegliche Einbauten, die zu einem zusätzlichen Druckverlust gegenüber einer glatten Rohr- bzw. Kanalströmung führen könnten, vermieden werden. Das bewegliche Wandelement der Erfindungsmeldung wird vielmehr lediglich durch die Wandschubspannung bewegt, die ohnehin im Rohr bzw. Kanal auftritt. Damit ist hier nicht der Staudruck, sondern die Wandschubspannung die eigentliche Eingangsgröße für die Bestimmung der Größe des Massenstroms.
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Der erfindungsgemäße Massenstromsensor liefert in einer bevorzugten Ausgestaltung Information darüber, ob sich die Länge Glasfaser tatsächlich durch die Änderung des Strömungswiderstands des zu untersuchenden Massenstroms und nicht auch aufgrund einer Temperaturänderung verändert hat. Diese Information wird dadurch geliefert, dass mit einem weiteren Dehnungsmesser, bevorzugt einem FBG-Sensor nur die Temperatur ermittelt wird. Damit wird einerseits auch die Absoluttemperatur der Strömung des Massenstroms gemessen und zweitens wird hier eindeutig die Längenänderung aufgrund des Temperatureinflusses nachgewiesen, wodurch die Messergebnisse erheblich genauer sind.
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Beim erfindungsgemäßen Massenstromsensor werden in einer bevorzugten Ausgestaltung die Dehnungsmesser über Spalte und/oder Öffnungen direkt der Strömungstemperatur ausgesetzt, so dass nicht nur eine Korrektur der temperaturabhängigen Längendehnung der Glasfaser stattfindet, sondern auch eine korrekte Messung der Absoluttemperatur. Die Messung der Absoluttemperatur ist notwendig für die Ermittlung der Dichte des Fluides, die zur Ermittlung der Größe des Massenstromes benötigt wird.
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Schließlich ist der erfindungsgemäße Massenstromsensor unabhängig von den Eigenschaften der hierfür eingesetzten Materialien.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert.
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Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Rohrs 1, das von einem Massenstrom 2 aus einem Fluid, d. h. einem Gas oder einer Flüssigkeit, durchströmt wird. In einem Teil der Wand des Rohrs 1 befindet sich ein bewegliches Wandelement 3, das eine dem Massenstrom 2 zugewandte Innenseite und eine dem Massenstrom 2 abgewandte Außenseite aufweist. An der Außenseite des beweglichen Wandelements 3 ist in einer zur Umgebung hin abgeschlossenen Kammer 9 eine Glasfaser als dehnbare Verbindung 4, die sowohl ein erstes Faser-Bragg-Gitter als Dehnungsmesser 5 als auch ein zweites Faser-Bragg-Gitter als Temperatursensor 6 aufweist, angebracht. Die Glasfaser als dehnbare Verbindung 4 selbst ist mit leichter Vorspannung mittels einer ersten Spanneinrichtung 7 an einer Wand der zur Kammer 9 und mittels einer zweiten Spanneinrichtung 8 am beweglichen Wandelement 3 befestigt. Das erste Faser-Bragg-Gitter als Dehnungsmesser 5 ist auf demjenigen Teil der Glasfaser als dehnbarer Verbindung 4 angebracht, der sich zwischen der ersten Spanneinrichtung 7 und der zweiten Spannvorrichtung 8 befindet; während das zweite Faser-Bragg-Gitter als Temperatursensor 6 auf einem nicht eingespannten Abschnitt der Glasfaser als dehnbarer Verbindung 4 angebracht ist.
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Ein geringer Teil des Massenstroms 2 dringt durch dem Spalt 11 zwischen dem beweglichen Wandelement 3 und der übrigen Wand des Rohrs 1 und ggf. auch durch zusätzliche Bohrungen 10 im Rohr 1 in die gegen die Umgebung abgeschlossene Kammer 9 ein, so dass dort dieselbe Temperatur wie im Massenstrom 2 herrscht, wodurch sich über eine Längenänderung des entsprechenden Abschnitts der Glasfaser als dehnbarer Verbindung 4 mittels des zweiten Faser-Bragg-Gitters, das als Temperatursensor 6 dient, die Temperatur des Massenstroms 2 bestimmen lässt.
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Das erste Faser-Bragg-Gitter als Dehnungsmesser 5 erfährt eine Längenänderung (Kontraktion oder Dilatation) aufgrund der Temperaturänderung, die von der Temperatur des Massenstroms 2 abhängt und/oder aufgrund der Zugkraft, die das Wandelement 3 auf die Glasfaser als dehnbare Verbindung 4 ausübt. Die Zugkraft entsteht durch die Schubspannung (Wandreibung), die das Fluid des Massenstroms 2 auf das bewegliche Wandelement 3 ausübt. Die Schubspannung, die das Fluid auf die Wand ausübt, hängt hier proportional vom Massenstrom 2 ab. Die Größe der Längenänderung des ersten Faser-Bragg-Gitters als Dehnungsmesser 5 aufgrund der thermischen Kontraktion bzw. thermischen Dilatation lässt sich über den Wert der Temperatur ermitteln, die mit dem Faser-Bragg-Gitter, das als Temperatursensor 6 dient, bestimmt wurde, so dass schließlich die Zugkraft und damit über die Höhe der Schubspannung die Größe des Massenstroms eindeutig bestimmt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Massenstromsensor wurde aufgebaut und mittels Flansche in ein Rohr eingebaut. Aus einer Druckgasflasche wurde eine Stickstoffströmung erzeugt. Die hierdurch erzeugte Massenstromänderung bewirkte eine Wellenlängenänderung des am Faser-Bragg-Gitter rückgestreuten Lichtes. Eine Zuordnung von gemessener Wellenlängenänderung zu bestimmendem Massenstrom beruht auf einer noch zu erfolgenden Kalibrierung. Bei bekanntem Fluid, Temperatur und Druck lässt sich über eine Stoffdatenbank für einen Fachmann einfach die Viskosität ermitteln, so dass die Kalibrierung später nur einmal erfolgen muss. Bei bekannter Vorspannung der Glasfaser kann ein Sensor später auf diese bekannte Kalibrierung zurückgreifen und muss nicht erneut kalibriert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005003535 A [0003]
- EP 1936332 A1 [0004]
- JP 2007017337 A [0005]
- GB 2454613 A [0006]
