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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit zumindest einem Element das akustische Signale sendet und/oder empfängt.
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Solche Vorrichtungen kommen beispielsweise bei Abwasserhebeanlagen zur Anwendung. Hebeanlagen leiten Abwasser, das unter der Rückstauebene anfällt, rückstausicher ab. Sie werden zur Förderung von fäkalienhaltigem Abwasser eingesetzt, das in Kellern von Wohngebäuden anfällt.
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Bei herkömmlichen Hebeanlagen erfolgt die Füllstandmessung und Regelung mittels eines Schwimmschalters. Dabei kommt ein Messverfahren mit bewegten mechanischen Bauteilen zum Einsatz. Diese sind gegenüber Verschmutzungen anfällig, wie sie in Abwässern von Hebeanlagen auftreten.
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Die
DE 10 2007 008 692 A1 beschreibt einen Behälter einer Hebeanlage, bei dem in unterschiedlichen Behälterhöhen außen an der Wand Sensoren zur Detektion des Flüssigkeitsstandes angebracht sind. Diese Messeinrichtung ist fest mit dem Behälter verbunden. Somit schließt sich ein flexibler Einsatz der Vorrichtung für eine Vielzahl von Behältern aus. Nachteilig bei diesem System ist die hohe Anzahl an Sensoren.
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In der
DE 199 13 530 A1 wird eine Hebeanlage mit einem Sammelbehälter aus Kunststoff beschrieben. Dem Sammelbehälter fließt in unregelmäßigen Abständen eine Flüssigkeit zu. Durch eine Pumpe wird die Flüssigkeit aus dem Behälter in ein Kanalnetz gefördert. Zur Messung des Flüssigkeitstandes im Behälter dient ein Element, das an der Oberseite des Behälters angeordnet ist. Das Element sendet Radarwellen aus, die von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert werden. Die reflektierten Wellen werden wiederum von dem Element empfangen. Aus der Laufzeit der Wellen wird der Füllstand bestimmt. Die Pumpe wird in Abhängigkeit des Füllstandes ein- bzw. ausgeschaltet. Verfahren zur Füllstanderfassung mit Radarwellen sind aufwendig.
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Weiterhin sind Vorrichtungen zur Füllstandmessung bekannt, bei denen ein Element an der Oberseite des Behälters angebracht ist, das Ultraschallsignale sendet. Diese akustischen Signale werden von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und von dem Element detektiert. Bei der Ultraschall-Füllstandmessung handelt es sich um ein berührungsloses Verfahren, das nach dem Laufzeit Prinzip arbeitet. Auch hier besteht die Gefahr von fehlerhaften Messungen des Flüssigkeitstandes aufgrund von aufschwimmendem Schaum, der die Ultraschallwellen reflektiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Füllstandmessung anzugeben, die unempfindlich gegen Verschmutzungen ist und auch bei Schaumbildung zuverlässige Messwerte liefert. Zudem soll die Vorrichtung preiswert herzustellen sein und sich durch Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich die akustischen Signale entlang einer Oberfläche eines Festkörpers ausbreiten, der so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche des Festkörpers von der Flüssigkeit benetzbar ist und der Festkörper in unterschiedlichen Behälterhöhen Bereiche aufweist, die akustische Signale reflektieren.
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Erfindungsgemäß werden zur Füllstandbestimmung akustische Oberflächenwellen eingesetzt, kurz AOW (engl. SAW für surface acoustic waves). Dabei breiten sich die akustischen Signale auf der Oberfläche eines Festkörpers aus.
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Der Festkörper kann gegebenenfalls aus einem Verbundwerkstoff bestehen. Vorzugsweise wird er jedoch aus einem einzigen Material gebildet, wobei es sich als besonders vorteilhaft erweist, einen Festkörper aus einem Metall einzusetzen.
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Der Festkörper kann unterschiedliche geometrische Formen haben, beispielsweise quaderförmig oder zylindrisch. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung handelt es sich um einen Hohlkörper, wobei sich insbesondere ein Hohlzylinder, also ein Rohr, als vorteilhaft erweist.
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Bei einer Variante der Erfindung ist der Hohlkörper mit einem Boden verschlossen. Somit wird verhindert, dass Flüssigkeit in den Hohlkörper eindringt. Die Elemente welche die akustischen Oberflächenwellen erzeugen und/oder detektieren sind auf der Innenseite angebracht. Somit breiten sich die akustischen Signale auf der inneren, trockenen Oberfläche des Rohres aus und werden von Bereichen reflektiert, die das Rohr auf seiner Innenseite aufweist. Das Messrohr taucht in die Flüssigkeit ein, wobei nur die Außenseite benetzt wird. Erstaunlicherweise wurde festgestellt, dass unterhalb des Flüssigkeitsspiegels die akustischen Oberflächenwellen stärk gedämpft werden, obwohl sie sich auf der trockenen Innenseite des Rohres ausbreiten. Voraussetzung dafür ist, dass die Wandstärke des Rohres nicht zu groß ist.
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Erfindungsgemäß ist der Festkörper so angeordnet, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche von der Flüssigkeit benetzbar ist. Dabei kann es sich um die Oberfläche des Festkörpers handeln, auf der sich die AOW ausbreiten und/oder um eine andere Oberfläche, die beispielsweise dieser gegenüberliegt.
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Der Festkörper weist Bereiche auf, welche die Oberflächenwellen reflektieren. Dazu weist der Festkörper geeignete, insbesondere scharfkantige, Geometrieänderungen auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den Bereichen um Vertiefungen, die in die Oberfläche eingebracht werden. Dabei eignen sich vor allem längliche Vertiefungen, die in etwa horizontal verlaufen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante werden Einschnitte in die Oberfläche eingefräst und/oder eingehämmert, wobei sich insbesondere Kerben als günstig erweisen. Es kann auch eine Nut als Vertiefung in den Festkörper eingebracht sein. Die Bereiche können ebenfalls als Erhöhungen der Oberfläche des Festkörpers ausgebildet sein.
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Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Festkörper von einem Stück der Behälterwand gebildet wird. Als besonders günstig erweist es sich jedoch, wenn der Festkörper als eigenständiges Bauteil ausgebildet ist, das im Behälter angeordnet ist. Der Festkörper taucht zumindest teilweise in die Flüssigkeit ein und weist in unterschiedlichen Behälterhöhen reflektierende Bereiche auf. Bei dem Teil des Festkörpers, der nicht in die Flüssigkeit taucht, werden die akustischen Signale an den Kerben ungedämpft reflektiert. Die reflektierten Signale werden von einem Detektor erfasst, der entweder von dem gleichen Element gebildet wird, das die AOW erzeugt oder als eigenständiges Element ausbildet ist.
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Bei dem Teil des Festkörpers, der in die Flüssigkeit taucht, werden die akustischen Signale durch die Flüssigkeit stark gedämpft. Dabei spricht man auch von einem „Auskoppeln“ der Signale. Somit sind die von den Bereichen unterhalb des Flüssigkeitsspiegels reflektierten Signale stark abgeschwächt.
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Die reflektierten Signale werden von einer Einheit analysiert bzw. ausgewertet. Die Einheit ist so eingerichtet, dass sie aus dem Wellenbild der reflektierten Signale den Füllstand ermittelt. Unter dem Wellenbild versteht man eine Erfassung der Intensitäten aller reflektierten akustischen Signale, in Abhängigkeit der Laufzeiten. Akustische Signale, die von Reflexionsstellen in Bodennähe des Behälters reflektiert werden, haben eine größere Laufzeit als akustische Signale von weiter oberhalb. Die an den Bereichen reflektierten akustischen Signale werden auch als Echos bezeichnet.
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Unterhalb des Flüssigkeitsstandes sind die Echos stark abgeschwächt. Anhand eines Vergleichs mit Referenzmessungen, die beispielsweise mit einem vollständig leeren Behälter durchgeführt werden, kann die Einheit den Füllstand ermitteln, da die Signale der Reflexionsbereiche unterhalb des Flüssigkeitsspiegels gegenüber den Referenzwerten stark abgeschwächt sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden folgenden Schritte durchgeführt.
- – Erzeugung akustischer Signale,
- – Ausbreitung der akustischen Signale entlang einer Oberfläche eines Festkörpers,
- – zumindest teilweise Reflektion von Signalen an Bereichen des Festkörpers, die in unterschiedlichen Behälterhöhen angeordnet sind,
- – Detektion der reflektierten Signale,
- – Ermittlung der Laufzeiten der reflektierten Signale,
- – Ermittlung der Signalstärken der reflektierten Signale,
- – Vergleich mit Referenzwerten,
- – Bestimmung des Füllstandes.
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Dabei handelt es sich um eine Prozedur die in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt durchlaufen wird.
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Der Festkörper hat vorzugsweise eine Längserstreckung und ist vertikal im Behälter angeordnet. Entscheidend für die Qualität der Auswertung ist auch die Lage der Reflexionsbereiche. Diese können in Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale parallel übereinander angeordnet sein. Allerdings überlagern sich bei einer solchen Anordnung die reflektierten Signale. Eine Auswertung des Wellenbildes wird dadurch schwieriger. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die reflektierenden Bereiche in Bezug zu der Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale seitlich versetzt zueinander angeordnet. Dadurch werden die Überlagerungen der reflektierten Signale reduziert. Zumindest ein Teil der reflektierten Signale gelangt zum Detektor, ohne dass Mehrfachreflexionen auftreten. Dadurch erhält man ein Wellenbild, bei dem die einzelnen Echos gut unterscheidbar sind.
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Die Elemente zur Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen bestehen vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Substrat auf dem als Sender eine Kammelektrode aufgebracht ist. Diese bildet einen Interdigitalwandler (IDT = interdigital transducer), den sogenannten Sender-Interdigitalwandler (Sender IDT), der auf dem piezoelektrischen Substrat eine Oberflächenwelle erzeugt.
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Die Anregungsfrequenz wird so gewählt, dass bevorzugt Lamb-Wellen oder Oberflächenwellen im Übergangsbereich zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen erzeugt werden.
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Bei einer Variante der Erfindung sind die Elemente auf der Oberfläche des Festkörpers angeordnet. Dazu ist das piezolelektrische Subtrat akustisch leitend mit dem Festkörper verbunden. Dies kann durch einen Kleber bewerkstelligt werden. Die Oberflächenwellen werden von dem piezoelektrischen Substrat auf den Festkörper übertragen und breiten sich auf einer Oberfläche des Festkörpers aus.
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Die Echos werden von einem Element erfasst, das als Detektor dient. Dieser Detektor umfasst ebenfalls ein piezoelektrisches Subtrat mit einer Kammelektrode. Er fungiert als Empfänger-Interdigitalwandler (Empfänger-IDT) und setzt die empfangenen akustischen Oberflächenwellen in elektrische Signale um. Bei einer Variante der Erfindung ist der Detektor ebenfalls direkt auf dem Festkörper, beispielsweise mittels eines Klebers, befestigt.
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Bei einer alternativen Ausführung der Erfindung ist zumindest eines der Elemente auf der Oberfläche eines Kopfteils angeordnet. Dieses Kopfteil ist mit dem Festkörper akustisch koppelbar. Die Kopplung kann durch eine gefettete oder geklebte Schlifffassung realisiert werden. Das Kopfteil ist dabei an verschiedene Festkörper anschließbar. So können beispielsweise mehrere Messrohre mit unterschiedlichen Längen mit dem Kopfteil gekoppelt werden, so dass nur einmal eine Sende- bzw. Empfangselektronik nötig ist. Mit einem Kopfteil sind somit verschiedene Messlängen realisierbar. Bei einer besonders günstigen Variante, ist die Einheit dazu eingerichtet über das Wellenbild der Echos, die Art des angeschlossenen Messrohrs zu erkennen, in der Art eines Strichcodes.
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Anstelle getrennter AOW-Sender und Empfänger kann auch ein gemeinsamer elektroakustischer Wandler eingesetzt werden, der im Multiplex-Betrieb abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt
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1 einen Schnitt durch ein Messrohr zur Füllstandmessung,
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2 ein Wellenbild einer Messung,
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3 eine Hebeanlage mit einer Füllstandmessvorrichtung,
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4 eine Anordnung der reflektierenden Bereiche.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit dargestellt. Ein erstes Element 1 dient als Sender und erzeugt akustische Signale. Ein zweites Element 2 dient als Detektor und empfängt reflektierte akustische Signale. Beide Elemente 1, 2 umfassen ein piezoelektrisches Substrat in das jeweils eine Kammelektrode eingefügt ist. Sie bilden Interdigitalwandler (IDT = interdigital transducer) zur Umwandlung von elektrischen Signalen in akustische Signale beim Sender bzw. zur Umwandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale beim Empfänger.
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Die Elemente 1, 2 sind auf einem Festkörper 3 befestigt. Der Festkörper 3 ist als zylindrischer Hohlkörper ausgeführt, dessen Boden verschlossen ist und der nach oben offen ist und somit ein Messrohr bildet. Das Messrohr ist in einem Behälter 4 angeordnet, der in 3 dargestellt ist. Das Messrohr besteht aus Aluminium und ist lotrecht im Behälter 4 ausgerichtet.
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Auf der Innenseite des Messrohrs sind Bereiche 5 angeordnet, welche die akustischen Signale reflektieren. Bei den Bereichen 5 handelt es sich um Kerben, die in das Messrohr eingefräst werden. Die Bereiche 5 sind parallel übereinander angeordnet, so dass es bei der in 1 dargestellten Variante zu Mehrfachreflexionen kommt, die miteinander interferieren.
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In 1 sind exemplarisch fünf reflektierende Bereiche 5 dargestellt von denen sich zwei oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und drei unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden. Die Echos der oberen beiden Bereiche zeigen eine hohe Signalstärke. Die Echos der unteren drei Bereiche zeigen nur noch eine geringe Signalstärke, da die akustischen Wellen durch die Flüssigkeit an der Außenseite des Rohres gedämpft werden. Obwohl sich die AOW an der Innenseite des Messrohres ausbreiten und die Flüssigkeit die Außenseite des Messrohres benetzt, ist die Dämpfung so deutlich, dass sie zur Bestimmung des Füllstandes herangezogen werden kann.
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2 zeigt Wellenbilder der reflektierten akustischen Signale bei unterschiedlichen Füllständen. Die Füllstände sind in Zentimeterangaben jeweils rechts oben neben dem jeweiligen Wellenbild vermerkt.
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Bei den Wellenbildern sind jeweils die Signalstärken in Abhängigkeit der Laufzeiten der Signale aufgetragen. Wellengruppen, die von Bereichen weiter unten am Festkörper 3 reflektiert werden, haben höhere Laufzeiten und befinden sich in den Diagrammen folglich weiter rechts. Wellengruppen, die von Bereichen weiter oben am Festkörper 3 reflektiert werden, haben kürzere Laufzeiten und befinden sich in den Diagrammen folglich weiter links.
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Die Signalstärke wird im Ausführungsbeispiel in mVpp angegeben, da der Detektor die empfangenen akustischen Signale in elektrische Signale umwandelt, die in Millivolt von Peak zu Peak erfasst werden.
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Das obere Wellenbild mit einem Füllstand von 0 cm wird als Referenz herangezogen, da keine der reflektierten Wellengruppen von Flüssigkeit gedämpft wird. Bei einem Flüssigkeitsstand von 1 cm wird die Wellengruppe ganz rechts gedämpft, so dass deren Signalstärke abnimmt. Bei einem Füllstand von 2 cm werden die beiden rechten Wellengruppen, bei einem Füllstand von 4 cm die drei rechten Wellengruppen gedämpft.
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Durch einen Vergleich des ermittelten Wellenbildes mit Referenzwerten bestimmt eine Einheit 6 den Füllstand. Die Einheit 6 ist in 3 schematisch dargestellt. Dabei kann es sich um einen Rechner, eine Regeleinrichtung oder einer Steuereinrichtung handeln. Die Einheit 6 ist dazu eingerichtet, die Signalstärke der reflektierten Signale in Abhängigkeit der Laufzeiten zu erfassen und durch Vergleich mit Referenzwerten den Füllstand zu ermitteln. Je mehr reflektierte Wellengruppen gedämpft werden, desto höher ist der Füllstand. Über die Anzahl der ungedämpften und/oder der gedämpften Wellengruppen lässt sich der Füllstand berechnen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Einheit 6 auch zur Steuerung und/oder Regelung des Füllstandes herangezogen. 3 zeigt, dass die Einheit 6 mit einem Motor 7 einer im Innenbereich des Behälters 4 befindlichen Pumpe verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel wird dabei ein Elektromotor eingesetzt, der eine Kreiselpumpe antreibt. Die Einheit 6 schaltet den Motor 7 ein und aus.
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Der Pumpe ist eine Rückschlagklappe 8 nachgeschaltet. Am Behälter 4 der Hebeanlage ist ein Zulaufrohr 9 angeschlossen, durch das Flüssigkeit in den Behälter 4 fließt.
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Der als Messrohr ausgeführte Festkörper 3 erfasst gemäß dem oben beschriebenen Prinzip den Füllstand. Bei einem unteren Grenzwert des Flüssigkeitsstandes stoppt die Einheit 6 den Motor 7. Bei einem oberen Grenzwert des Flüssigkeitsstandes startet die Einheit 6 den Motor 7, so dass wieder Flüssigkeit abgepumpt wird.
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4 zeigt eine Variante, bei der die reflektierenden Bereiche versetzt angeordnet sind. Anstelle getrennter AOW-Sender und Empfänger wird hier ein gemeinsamer elektroakustischer Wandler als Element 1, 2 verwendet, der im Mulitplex-Betrieb abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird. Bei dem Festkörper 3 handelt es sich um eine Platte aus Aluminium mit einer Dicke von 1 mm. Die Platte kann zu einem Rohr gerollt werden. Die Elemente 1, 2 sind in diesem Fall auf der Innenseite des Rohrs angeordnet. Der IDT ist auf dem Festkörper aufgeklebt und besitzt eine keulenförmige Abstrahlcharakteristik, die als gestrichelte Linien dargestellt ist und einen Winkel von ca. 30 ° besitzt. Die Bereiche 5 sind in Bezug zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale seitlich versetzt zueinander angeordnet, so dass die ausgesendete Wellengruppe jeden Bereich 5 direkt erreicht. Somit ist sichergestellt, dass die Echos wieder direkt zurück zum IDT laufen, ohne dass es zu Mehrfachreflexionen kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007008692 A1 [0004]
- DE 19913530 A1 [0005]
