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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem gekapselten Gehäuse und elektrischen und/oder elektronischen Komponenten in einem Innenraum des Gehäuses, sowie Zufuhreinrichtungen zur Zufuhr eines unter Druck stehenden Zündschutzgases in den Innenraum. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem gekapselten Gehäuse und elektrischen und/oder elektronischen Komponenten in einem Innenraum des Gehäuses.
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Um in explosionsgefährdeten Umgebungen Vorrichtungen oder Geräte zu betreiben, in deren Gehäuse elektrische und/oder elektronische Komponenten untergebracht sind, kann die Zündschutzart ”Überdruckkapselung” (Ex-p) gewählt werden. Bei dieser Zündschutzart sind die nicht explosionsgeschützten Komponenten in einem gekapselten Gehäuse untergebracht, das mit einem Zündschutzgas, wie Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid unter leichtem Überdruck gefüllt ist. Durch den Überdruck des Zündschutzgases, der nur wenige mbar zu betragen braucht, wird verhindert, dass ein zündfähiges Gas oder Gasgemisch aus der Umgebung in das Gehäuse eintreten und bis zu den elektrischen und/oder elektronischen Komponenten vordringen kann, die mögliche Zündquellen bilden.
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Bei den eingangs genannten Vorrichtungen kann es sich unter anderem um Bedienstationen handeln, die zum Beispiel bei der Fertigungs- und Prozessautomatisierung in Industrieanlagen, sowie zur Steuerung von Maschinen, Fließbändern und Verfahrensabläufen eingesetzt werden. Insbesondere in der chemischen Industrie besteht Bedarf an Bedienstationen, die in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden können.
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Bedienstationen umfassen häufig einen so genannten Panel-PC, an dem die bedienerseitigen Eingaben zunehmend mittels eines als Touchscreen ausgebildeten Bildschirms erfolgen, so dass der Panel-PC grundsätzlich mit einem gekapselten Gehäuse in der Zündschutzart ”Überdruckkapselung” (Ex-p) ausgeführt werden kann.
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Insbesondere dann, wenn eine schwere Bauausführung des Gehäuses vermieden werden soll, wie z. B. bei Bedienstationen in Form von Panel-PCs, kann gewöhnlich nicht verhindert werden, dass das Gehäuse kleinere Undichtigkeiten aufweist, durch die geringe Mengen des Zündschutzgases in Form von Leckagen austreten können. Bei Vorrichtungen mit der Zündschutzart ”Überdruckkapselung” (Ex-p) wird daher im Betrieb unter Druck stehendes Zündschutzgas in den Innenraum des Gehäuses zugeführt, um einen allmählichen Abbau des Überdrucks des Zündschutzgases zu verhindern. Die Zufuhr des Zündschutzgases kann dabei entweder ständig unter Durchspülung des Gehäuses oder nur bei Bedarf zum Ausgleich der Leckverluste erfolgen. Zur Zufuhr des Zündschutzgases weist das Gehäuse einen Einlass auf, der je nach Art der Zufuhr mit einem geeigneten Ventil versehen ist, zum Beispiel einem Druckminderungsventil oder einem Proportionalventil. Bevorzugt werden nur die Leckverluste ausgeglichen, da die hierfür erforderliche Menge an Zündschutzgas sehr viel kleiner ist.
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Neben dem Einlass ist gewöhnlich auch ein Auslass vorgesehen, so dass das Gehäuse bei Bedarf mit dem Zündschutzgas gespült oder vorgespült werden kann, um vor einer Inbetriebnahme der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten eventuelle zündfähige Gase aus dem gekapselten Gehäuse zu entfernen.
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Ein Problem, das beim Betrieb von Bedienstationen oder anderen Vorrichtungen mit einem Gehäuse der eingangs genannten Art in explosionsgefährdeten Umgebungen auftritt, besteht darin, dass es im Falle einer Unterbrechung der Stromversorgung zu einem Druckabfall im Gehäuse kommen kann, zum Beispiel weil infolge der Unterbrechung der Stromversorgung kein Zündschutzgas mehr in das Gehäuse zugeführt wird.
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Ein weiteres Problem, das beim Betrieb von Bedienstationen oder anderen Vorrichtungen mit einem Gehäuse der eingangs genannten Art in explosionsgefährdeten Umgebungen auftritt, besteht darin, dass im Falle einer Unterbrechung der Stromversorgung nicht sicher festgestellt werden kann, ob es während der Unterbrechung der Stromversorgung zu einem Druckabfall im Gehäuse gekommen ist.
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Da ein durch eine Unterbrechung der Stromversorgung verursachter Druckabfall im Gehäuse zu einem Eindringen von zündfähigem Gas in das Gehäuse führen kann, muss nach jeder Unterbrechung der Stromversorgung das Gehäuse frei gespült oder frei gemessen werden, was verhältnismäßig aufwändig ist.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr ein Eindringen von zündfähigem Gas in das Gehäuse verhindert und/oder zumindest sicher festgestellt werden kann, ob es während der Unterbrechung der Stromzufuhr zu einem Abfall des Innendrucks im Innenraum des Gehäuses gekommen ist, oder ob der Innendruck während der Dauer der Unterbrechung der Stromzufuhr aufrecht erhalten worden ist, was die Möglichkeit eines Eindringens von zündfähigem Gas in den Innenraum des Gehäuses ausschließen würde.
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Das Eindringen von zündfähigem Gas in das Gehäuse wird bei einer ersten Erfindungsalternative dadurch verhindert, dass die Zufuhreinrichtungen eine Zündschutzgasversorgungsleitung und einen separaten Zündschutzgasspeicherbehälter sowie ein elektromagnetischen Zweiwegeventil umfassen, das in bestromtem Zustand die Zündschutzgasversorgungsleitung und in unbestromtem Zustand den Zündschutzgasspeicherbehälter mit dem Innenraum verbindet.
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Diese erste Erfindungsalternative eignet sich besonders zum Einsatz in einer Explosionsschutzzone 2, d. h. in einem Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährlich explosionsfähigen Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.
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Der ersten Erfindungsalternative liegt der Gedanke zugrunde, im Normalbetrieb die Versorgung des Gehäuseinnenraum mit dem Zündschutzgas durch die Zündschutzgasversorgungsleitung, im Falle einer Unterbrechung der Stromversorgung hingegen aus dem separaten Zündschutzgasspeicherbehälter sicherzustellen, um im Innenraum einen ausreichenden Überdruck gegenüber der Umgebung aufrechtzuerhalten.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung dieser Erfindungsalternative sieht vor, dass zwischen dem Zweiwegeventil und einem Einlass des Gehäuses ein Druckminderungsventil angeordnet ist, mit dem sowohl der Druck des durch die Zündschutzgasversorgungsleitung zugeführten Zündschutzgases als auch der Druck des aus dem Zündschutzgasspeicherbehälter zugeführten Zündschutzgases vor dem Eintritt in das Gehäuse gemindert werden kann.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung dieser Erfindungsalternative ist das elektromagnetische Zweiwegeventil derart mit elektrischen und/oder elektronischen Komponenten im Innenraum des Gehäuses verbunden, dass es immer dann strom- und spannungslos geschaltet wird, wenn die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten strom- oder spannungslos sind.
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Um sicher festzustellen, ob es während der Unterbrechung der Stromzufuhr zu einem Abfall des Innendrucks im Innenraum des Gehäuses gekommen ist, oder ob der Innendruck während der Dauer der Unterbrechung der Stromzufuhr aufrecht erhalten worden ist, wird bei der zweiten Erfindungsalternative zumindest nach einer Unterbrechung der Stromversorgung ein zusammen mit dem Innendruck abfallender aber nicht zusammen mit dem Innendruck ansteigender Referenzdruck in einem vom Innenraum abgetrennten Referenzraum mit dem Innendruck und/oder mit dem Außendruck verglichen.
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Diese zweite Erfindungsalternative eignet sich besonders zum Einsatz in einer Explosionsschutzzone 1, d. h. einem Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln bilden kann.
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Jedoch sind beide Erfindungsalternativen grundsätzlich sowohl für die Explosionsschutzzone 1 und 2 als auch für die Explosionsschutzzone 21 geeignet.
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Der zweiten Erfindungsalternative liegt der Gedanke zugrunde, dass durch Ermittlung eines zusammen mit dem Innendruck abfallenden aber nicht zusammen mit dem Innendruck ansteigenden Referenzdrucks festgestellt werden kann, ob es während einer Unterbrechung der Stromzufuhr zu einem Abfall des Innendrucks gekommen ist.
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Wenn es während einer Unterbrechung der Stromversorgung nicht zu einem Abfall des Innendrucks bis auf Höhe des Außendrucks kommt, was der Regelfall sein wird, weist nach dem Ende der Unterbrechung der im Referenzraum ermittelte Referenzdruck die gleiche Höhe wie der im Innenraum ermittelte Innendruck auf bzw. ist höher als der Außendruck.
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In diesem Fall kann ausgeschlossen werden, dass während der Unterbrechung der Stromversorgung zündfähiges Gas in den Innenraum des Gehäuses eingedrungen ist, so dass es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung möglich ist, die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten im Gehäuse selbsttätig oder automatisch einzuschalten, ohne dass das Gehäuse zuvor frei gespült oder frei gemessen werden muss.
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Wenn es während einer Unterbrechung der Stromversorgung hingegen infolge eines Austritts von Zündschutzgas aus dem Gehäuse zu einem Abfall des Innendrucks bis in Höhe des Außendrucks kommt, fällt der Referenzdruck zusammen mit dem Innendruck ab, steigt jedoch nach dem Ende der Unterbrechung der Stromversorgung nicht wieder an, während der Innendruck durch die Zufuhr von Zündschutzgas wieder zunimmt. Dadurch ist der Referenzdruck niedriger als der Innendruck bzw. weist die gleiche Höhe wie der Außendruck auf. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass während der Unterbrechung der Stromversorgung zündfähiges Gas in den Innenraum des Gehäuses eingedrungen ist, weshalb dann gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Gehäuse erst frei gespült oder frei gemessen und erneut mit Zündschutzgas gefüllt wird, bevor die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten eingeschaltet werden.
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Dort, wo der Referenzdruck mit dem Innendruck verglichen wird, wird vorzugsweise nach einer Unterbrechung der Stromversorgung mit der Ermittlung des Innendrucks kurze Zeit abgewartet, so dass sich der Innendruck durch die Zufuhr von Zündschutzgas in den Innenraum wieder aufbauen kann, sofern er während der Unterbrechung der Stromversorgung abgefallen war.
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Vorteilhaft kann der Referenzdruck sowohl mit dem Innendruck und mit dem Außendruck verglichen werden, wodurch für eine Plausibilisierung des Ergebnisses des Vergleichs gesorgt werden kann. Der Außendruck wird vorteilhaft an der Außenseite des Gehäuses ermittelt.
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Um zu vermeiden, dass während einer Unterbrechung der Stromversorgung in den Innenraum des Gehäuses eingedrungenes zündfähiges Gas durch die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten im Gehäuse gezündet wird, werden diese letzteren gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bei jeder Unterbrechung der Stromzufuhr spannungslos geschaltet und damit Zündfunken sicher vermieden.
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Die Ermittlung des Innendrucks, des Außendrucks und des Referenzdrucks kann mittels separater Druckmesser erfolgen. Alternativ können jedoch auch Differenzdruckmesser verwendet werden, mit denen zumindest die Differenz zwischen dem Referenzdruck einerseits und dem Innendruck oder dem Außendruck andererseits ermittelt und vorzugsweise auch die Differenz zwischen dem Innendruck und dem Außendruck ermittelt wird.
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Beide Varianten ermöglichen es, festzustellen, ob der Innendruck während einer Unterbrechung der Stromversorgung bis in Höhe des Außendrucks abgefallen ist, oder ob noch ein ausreichender Überdruck im Innenraum herrscht und damit kein zündfähiges Gas von außen eindringen kann.
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Beide Varianten ermöglichen es weiter, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten immer dann spannungslos zu schalten, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck und dem Außendruck auf Null oder auf einen geringfügig über Null liegenden Schwellenwert absinkt.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen vom Innenraum abgetrennten Referenzraum, der mit dem Innenraum durch mindestens ein schaltbares Einlassventil sowie durch mindestens ein Einweg-Auslassventil verbunden ist, sowie Einrichtungen zum Vergleichen eines Referenzdrucks im Referenzraum mit einem Innendruck im Innenraum und/oder mit einem Außendruck in der Umgebung des Gehäuses.
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Bei dem Einweg-Auslassventil handelt es sich um ein Einweg-Ventil, durch das nur Gas aus dem Referenzraum in den Innenraum austreten kann, durch das jedoch kein Gas aus dem Innenraum in den Referenzraum eintreten kann. Das Einweg-Auslassventil ist so gewählt oder eingestellt, dass es öffnet, wenn der Druck im Referenzraum größer als der Druck im Innenraum ist, so dass sich der Referenzdruck stets an den Innendruck angleicht, solange dieser niedriger als der Referenzdruck ist. Prinzipiell ist ein Einweg-Auslassventil ausreichend, jedoch sind zur Sicherheit zweckmäßig zwei Einweg-Auslassventile zwischen dem Innenraum und dem Referenzraum vorgesehen.
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Bei dem Einweg-Auslassventil handelt es sich zweckmäßig um ein Membranventil, da im Handel Membranventile preiswert erhältlich sind, die sich bereits bei einem sehr geringen Druckunterschied von weniger als 5 mbar zwischen dem Referenzdruck und dem Innendruck öffnen. Alternativ können aber andere Ventilbauarten mit einem sehr niedrigen Öffnungsdruck eingesetzt werden.
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Bei dem schaltbaren Einlassventil handelt es sich um ein Ventil, das im Betrieb der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Referenzdruck und dem Außendruck gesteuert oder geregelt wird, wobei es normalerweise geöffnet ist und nur dann geschlossen wird, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Referenzdruck und dem Außendruck auf Null oder auf einen geringfügig über Null liegenden Schwellenwert absinkt. Durch das Schließen des Einlassventils wird gewährleistet, dass der Referenzdruck anschließend nicht zusammen mit dem Innendruck ansteigen kann, solange das Einlassventil nicht wieder geöffnet worden ist. Das Einlassventil wird zweckmäßig geöffnet, wenn die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten eingeschaltet werden.
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Vorteilhaft ist das Einlassventil ein federbelastetes oder vorgespanntes Ventil, das selbsttätig schließt, wenn an der Steuerung und/oder am Ventil keine Spannung anliegt, zum Beispiel bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr, und das von der Steuerung geöffnet wird, wenn zum einen an der Steuerung und/oder am Ventil eine Spannung anliegt und wenn zum anderen der Referenzdruck größer ist als der Außendruck.
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Beispielsweise kann es sich bei dem schaltbaren Einlassventil um ein federbelastetes Magnetventil handeln, das so ausgewählt, eingebaut oder eingestellt wird, dass es in spannungslosem oder unbestromtem Zustand selbsttätig schließt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Bedieneinheit und eines unteren Teils einer Deckenhalterung einer zum Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen bestimmten Bedienstation mit Zufuhreinrichtungen zum Zuführen eines Zündschutzgases in einen Innenraum eines Gehäuses der Bedieneinheit;
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2 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils eines Innenraums eines Gehäuses einer anderen Bedieneinheit mit einem Referenzraum und Druckmessern zum Messen eines Referenzdrucks im Referenzraum, eines Innendrucks im Innenraum und eines Außendrucks in der Umgebung des Gehäuses, sowie einer Schaltung zum Vergleichen der gemessenen Drücke;
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3 zeigt eine schematische Ansicht entsprechend 2, jedoch mit Differenzdruckmessern an Stelle von Druckmessern.
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Die in 1 dargestellte, zur Aufhängung an einem Tragarm 10 einer Deckenhalterung bestimmte Bedieneinheit 12 einer Bedienstation zur Steuerung von Anlagen, Anlagenteilen oder Maschinen ist zum Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen bestimmt, in denen es zur Bildung von zündfähigen Gasgemischen kommen kann, wie zum Beispiel in Anlagen der chemischen Industrie, Tanklagern, Gas- und Ölförderanlagen oder im Kohlebergbau.
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Die Bedieneinheit 12 besteht im Wesentlichen aus einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Panel-PC, der in an sich bekannter Weise ein flaches geschlossenes Gehäuse 14 und einen in einem Innenraum 16 des Gehäuses 14 untergebrachten Rechner 18 mit elektrischen und elektronischen Komponenten umfasst, wie in 1 schematisch dargestellt. Die Vorderseite des Gehäuses 14 wird von einem Tastbildschirm (Touchscreen) 20 gebildet, der zur Eingabe von gewünschten Anweisungen oder Menüsteuerbefehlen von einem Benutzer in entsprechend unterlegten Feldern oder Bereichen angetippt werden kann.
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Da zum Betrieb der elektrischen und elektronischen Komponenten des Rechners 18 Spannungen erforderlich sind, bei denen sich die Entstehung von Zündfunken nicht sicher ausschließen lässt, ist das Gehäuse 14 in der Zündschutzart ”Überdruckkapselung” (Ex-p) ausgebildet.
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Dazu ist der Innenraum 16 des Gehäuses 14 sowohl gegenüber der Umgebung 22 und gegenüber dem Tragarm 10 abgedichtet. Dabei können Strom- und Datenleitungen (nicht dargestellt), die durch den Tragarm 10 sowie durch eine lösbare Kupplung 24 zwischen dem unteren Ende des Tragarms 10 und der Rückwand des Gehäuses 14 in die Bedieneinheit 12 und zum Rechner 18 führen, durch eine dichtende Vergussmasse (nicht dargestellt) in das Gehäuse 14 hinein geführt werden.
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Weiter ist der Innenraum 16 mit einem Zündschutzgas gefüllt, das in Bezug zur Umgebung 22 unter einem Überdruck gehalten wird, um so ein Eindringen von zündfähigen Gasen oder Gasgemischen in den Innenraum 16 und damit zu den elektrischen und elektronischen Komponenten des Rechners 18 zu verhindern.
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Für die in der DIN EN 60079-2:2007 geregelte Zündschutzart ”Überdruckkapselung” ist es ausreichend, wenn im Innenraum 16 ein Überdruck des Zündschutzgases von wenigen mbar herrscht. Im vorliegenden Fall wird zweckmäßig ein Überdruck von 5 bis 10 mbar eingestellt, zum Beispiel ein Überdruck von 8 mbar. Bei dem Zündschutzgas kann es sich um Luft oder um ein Inertgas handeln, wie Stickstoff oder Kohlendioxid.
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Da sich das Gehäuse 14 nicht vollständig abdichten lässt und daher infolge des leichten Überdrucks im Innenraum 16 stets geringe Mengen an Zündschutzgas in die Umgebung 22 entweichen, wird zum Ausgleich der Leckverluste Zündschutzgas in den Innenraum 16 zugeführt.
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Zu diesem Zweck sind bei dem Ausführungsbeispiel in 1 Zündschutzgas-Zufuhreinrichtungen vorgesehen, die eine durch den hohlen Tragarm 10 verlaufende Druckluftleitung 24, einen Speicherbehälter 28 für unter Druck stehendes Zündschutzgas, sowie ein elektromagnetisches Zweiwegeventil 30 und ein Druckminderungsventil 32 umfassen, die im Inneren des Tragarms 10 untergebracht sind.
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Die Druckluftleitung 26 ist mit einem entfernten Verdichter (nicht dargestellt) verbunden, der Druckluft unter einem Druck von beispielsweise 10 bar in die Leitung 26 drückt. Bei dem Speicherbehälter 28 kann es sich zum Beispiel um eine kleine Druckflasche handeln, die austauschbar an der Außenseite des Tragarms 10 angebracht ist. Vorteilhaft weist der Tragarm 10 Halterungen (nicht dargestellt) für zwei Druckflaschen auf, von denen eine durch die Wand 34 des Tragarms 10 hindurch an das Zweiwegeventil 30 angeschlossen ist und die andere als Reserve dient. Der mit Kohlendioxid oder Stickstoff unter einem Druck von 50 bar gefüllte Speicherbehälter 28 ist an seinem Auslass 36 mit einem weiteren Druckminderungsventil 38 versehen, das den Druck des durch den Auslass austretenden Zündschutzgases auf 10 bar reduziert.
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Das Zweiwegeventil 30 ist mittels einer durch den Tragarm 10 führenden Netzleitung (nicht dargestellt) mit einem Stromnetz sowie durch eine Steuerleitung 40 mit dem Rechner 18 verbunden. Das Zweiwegeventil 30 hat zwei Eingänge 42, 44, von denen einer 42 mit der Druckluftleitung 26 und der andere 44 mit dem Speicherbehälter 28 bzw. mit dem Druckminderungsventil 38 verbunden ist, sowie einen Ausgang 46, der über das Druckminderungsventil 32 mit dem Innenraum 16 des Gehäuses 14 kommuniziert.
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Das durch eine Feder 48 belastete Zweiwegeventil 30 ist zwischen zwei Schaltzuständen schaltbar, wobei in einem ersten bestromten Schaltzustand, in welchem dem Zweiwegeventil 30 durch die Netzleitung Strom zugeführt wird und die Feder 48 gespannt ist, der Eingang 42 mit dem Ausgang 46 verbunden ist, so dass Druckluft aus der Druckluftleitung 26 durch das Zweiwegeventil 30 und das Druckminderungsventil 32 in den Innenraum 16 zugeführt wird. Wenn das Zweiwegeventil 30 spannungslos ist, bewegt die Feder 48 das Zweiwegeventil 30 in einem zweiten unbestromten Schaltzustand, in dem der Eingang 44 mit dem Ausgang 46 verbunden ist. Dadurch wird im Falle einer Unterbrechung der Stromzufuhr zum Zweiwegeventil 30 und zum Rechner 18 aus dem Speicherbehälter 28 Kohlendioxid oder Stickstoff in den Innenraum 16 zugeführt, um dort die Leckverluste auszugleichen.
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Das Druckminderungsventil 32 zwischen dem Zweiwegeventil 30 und dem Innenraum 16 des Gehäuses 14 dient dazu, den Druck des in den Innenraum 16 zugeführten Zündschutzgases in beiden Fällen auf den zuvor genannten Wert von etwa 5 bis 10 mbar zu reduzieren.
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Während das Ausführungsbeispiel in 1 dazu dient, während einer Unterbrechung der Stromversorgung zum Ausgleich der Leckverluste eine ununterbrochene Zufuhr von Zündschutzgas in den Innenraum 16 sicherzustellen, sind die Ausführungsbeispiele in den 2 und 3 dazu bestimmt, festzustellen, ob während einer Unterbrechung der Stromversorgung im Innenraum 16 stets der gewünschte Überdruck aufrechterhalten worden ist. Dies könnte zum Beispiel dann nicht gegeben sein, wenn sich der Speicherbehälter 28 während einer längeren Unterbrechung der Stromversorgung vollständig entleert hat.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird Zündschutzgas in den Innenraum zugeführt, wobei hier von den Zufuhreinrichtungen nur der Druckminderer 32 und ein hinter dem Druckminderer 32 angeordneter Gehäuseeinlass 60 dargestellt sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 2 enthält das Gehäuse 14 der Bedieneinheit eine Leiterplatte 50 mit einer elektrischen Schaltung 52. Die Schaltung 52 ist mit zwei mikroelektronischen Drucksensoren 54, 56 verbunden, von denen der Drucksensor 54 im Innenraum 16 angeordnet ist und den Innendruck pI im Innenraum 16 misst, während der Drucksensor 56 in einer in die Umgebung 22 mündenden Leitung 58 angeordnet ist und den Außendruck pA in der Umgebung 22 des Gehäuses 14 misst. Die Schaltung 52 dient zur Auswertung der Messwerte der Drucksensoren 54, 56, wobei sie den Innendruck pI mit dem Außendruck pA vergleicht und die Druckdifferenz Δp1 = pI – pA ermittelt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 enthält das Gehäuse 14 an Stelle der Drucksensoren 54 und 56 einen mikroelektronischen Differenzdruckmesser 62, der in eine Bohrung 64 in der Wand 66 des Gehäuses 14 eingesetzt ist, wobei er dem Innendruck pI und dem Außendruck pA ausgesetzt ist, so dass er die Druckdifferenz Δp1 zwischen dem Innendruck pI und dem Außendruck pA direkt messen kann.
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Die Schaltung 52 dient dazu, sämtliche elektrischen und elektronischen Komponenten der Bedieneinheit 12 spannungslos zu schalten, wenn z. B. infolge einer Unterbrechung der Zufuhr von Zündschutzgas der Innendruck pI bis in Höhe des Außendrucks pA absinkt und die Druckdifferenz Δp1 = Null wird. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass durch die Undichtigkeiten des Gehäuses 14 zündfähiges Gas aus der Umgebung 22 in den Innenraum 16 eindringt und durch einen von den elektrischen und elektronischen Komponenten erzeugten Zündfunken gezündet wird.
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Sofern an Stelle des Druckminderungsventils 32 vor dem Gehäuseeinlass 60 ein Proportionalventil vorgesehen ist, durch das eine den Leckverlusten entsprechende Menge Zündschutzgas in den Innenraum 16 zugeführt wird, kann die Schaltung 52 auch zur Steuerung des Proportionalventils dienen.
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Zur Ermittlung der Druckdifferenz Δp1 muss jedoch die Schaltung 52 mit Strom versorgt werden. Umgekehrt bedeutet dies, dass während einer Unterbrechung der Stromversorgung zum Rechner und zur Bedieneinheit 12 keine Ermittlung der Druckdifferenz Δp1 möglich ist. Ohne eine zusätzliche Sicherungsmaßnahme, wie den Speicherbehälter in 1, kann dies besonders bei längeren Unterbrechungen der Stromzufuhr, zum Beispiel im Falle eines lokalen oder regionalen Stromausfalls, dazu führen, dass sich der Druck des Zündschutzgases im Innenraum an den Außendruck angleicht und durch die Undichtigkeiten des Gehäuses ein zündfähiges Gas oder Gasgemisch aus der Umgebung in den Innenraum strömt oder eindiffundiert. Selbst bei Vorhandensein des Speicherbehälters 28 kann ein Druckabfall nicht völlig ausgeschlossen werden, zum Beispiel wenn sich der Speicherbehälter 28 entleert hat.
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Ein solcher Druckabfall könnte nach der Wiederherstellung der Stromversorgung dazu führen, dass das eingedrungene zündfähige Gas oder Gasgemisch durch einen von den elektrischen und elektronischen Komponenten erzeugten Zündfunken gezündet wird.
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Zwar könnte dies verhindert werden, indem nach jeder Unterbrechung der Stromversorgung das Gehäuse 14 frei gespült und/oder frei gemessen wird. Beim Freispülen wird eine größere Menge Zündschutzgas unter Überdruck über einen längeren Zeitraum durch den Einlass 60 in den Innenraum 16 zugeführt und nach dem Hindurchtritt durch den Innenraum 16 durch einen Auslass (nicht dargestellt) wieder in die Umgebung 22 abgeführt, während beim Freimessen der Gehalt an zündfähigem Gas oder Gasgemisch im Innenraum 16 mit einem geeigneten Messgerät gemessen wird. Jedoch ist das erstere verhältnismäßig zeitaufwändig, während das letztere verhältnismäßig arbeitsaufwändig ist, insbesondere wenn eine größere Anzahl von Bedieneinheiten betroffen ist.
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Um den Zeit- und/oder Arbeitsaufwand zu verringern, der mit einer Freispülung und/oder Freimessung nach jeder Unterbrechung der Stromversorgung verbunden ist, enthält das Gehäuse 14 der Bedieneinheit 12 der Ausführungsbeispiele in den 2 und 3 zusätzlich einen Referenzraum 70, der durch eine starre Wand 72 vom Innenraum 16 abgetrennt ist, so dass sich im Referenzraum 70 und im Innenraum 16 unterschiedliche Gasdrücke einstellen können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 2 ist die Schaltung 52 außerdem mit einem weiteren mikroelektronischen Drucksensor 74 verbunden, der in einer in den Referenzraum 70 mündenden Leitung 76 oder im Referenzraum 70 selbst angeordnet ist und den Referenzdruck pR im Referenzraum 70 misst. Die Schaltung 52 vergleicht hier den gemessenen Referenzdruck pR mit dem Innendruck pI und/oder mit dem Außendruck pA.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 sind neben dem Differenzdruckmesser 62 zwei weitere mit der Schaltung 52 verbundene Differenzdruckmesser 80, 82 vorgesehen. Der Differenzdruckmesser 80 ist in eine Trennwand 84 zwischen den Leitungen 58 und 76 eingesetzt und misst den Differenzdruck Δp2 = pR – pA, während der Differenzdruckmesser 82 in eine Bohrung 86 in der Wand 72 des Referenzraums 70 eingesetzt ist und den Differenzdruck Δp3 = pR – pI direkt misst.
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Die Spannungen, die zur Messung und zum Vergleich der Drücke pI, pA und pR bzw. zur Messung der Differenzdrücke p1, p2 und p3 benötigt werden, sind so niedrig, dass eventuell im Innenraum 16 vorhandenes zündfähige Gas oder Gasgemisch nicht gezündet werden kann.
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Zwischen dem Referenzraum 70 und dem Innenraum 16 ist ein schaltbares Einlassventil 90 angeordnet, durch das in geöffnetem Zustand ein Druckausgleich zwischen dem Druck pI im Innenraum 16 und dem Druck pR im Referenzraum 70 stattfinden kann. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Einlassventil 90 ein federbelastetes Magnetventil, das in spannungslosem Zustand bzw. bei jeder Unterbrechung der Stromversorgung selbsttätig schließt. Um sicherzustellen, dass auch bei einem Federbruch kein zündfähiges Gas in den Referenzraum gelangen kann, können zwei federbelastete Magnetventile in Serienschaltung zwischen dem Innenraum 16 und dem Referenzraum 70 angeordnet sein. Das Einlassventil 90 bzw. die Einlassventile werden von der Schaltung 52 auf der Leiterplatte 50 angesteuert, um es bzw. sie zu öffnen, wenn im Innenraum 16 der gewünschte Überdruck vorhanden ist, d. h. wenn die Druckdifferenz Δp1 = 8 mbar beträgt.
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Zwischen dem Referenzraum 70 und dem Innenraum 16 sind weiter zwei Einweg-Auslassventile 92 angeordnet, durch die Gas aus dem Referenzraum 70 in den Innenraum 16 ausströmen kann, wenn der Gasdruck pR im Referenzraum 70 den Gasdruck pI im Innenraum 16 übersteigt, durch die jedoch kein Gas aus dem Innenraum 16 in den Referenzraum 70 einströmen kann. Bei den Einweg-Auslassventilen 92 kann es sich um Membranventile handeln, die bereits öffnen, wenn der Referenzdruck pR den Innendruck pI um etwa 5 mbar übersteigt.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Ausführungsbeispiele in den 2 und 3 für drei verschiedene Szenarien näher erläutert, nämlich 1) eine Unterbrechung der Stromversorgung ohne Druckabfall im Innenraum 16, 2) eine Unterbrechung der Stromversorgung mit Druckabfall im Innenraum 16 und 3) einen Druckabfall im Innenraum 16 ohne eine Unterbrechung der Stromversorgung.
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1) Unterbrechung der Stromversorgung ohne Druckabfall im Innenraum
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Bei einer Unterbrechung der Stromversorgung schließt sich das Einlassventil 90 selbsttätig. Wenn es während der Unterbrechung der Stromversorgung nicht zu einem Abfall des Innendrucks pI oder allenfalls zu einem geringfügigen Abfall des Innendrucks pI kommt, strömt kein oder nur wenig Zündschutzgas durch die Einweg-Auslassventile 92 aus dem Referenzraum 70 in den Innenraum 16, so dass auch der Druck pR im Referenzraum 70 nicht oder nur geringfügig absinkt. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt wird, wartet die Schaltung 52 zuerst etwas ab, bis sich der Druck pI im Innenraum wieder aufgebaut hat, und vergleicht dann den Druck pR im Referenzraum 70 mit dem Innendruck pI und/oder mit dem Außendruck pA (2) bzw. misst den Differenzdruck Δp3 = pI – pR und/oder Δp2 = pR – pA. Dabei kann wegen der niedrigen Spannungen kein Zündfunke entstehen.
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Wenn der Referenzdruck pR gleich oder nur geringfügig, zum Beispiel um 1 bis 2 mbar niedriger ist als der Innendruck pI oder beträchtlich höher als der Außendruck pA, zum Beispiel um 5 bis 7 mbar bzw. wenn der Differenzdruck Δp3 = pI – pR unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts von etwa 2 mbar und/oder der Differenzdruck Δp2 = pR – pA oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts von etwa 5 mbar liegt, kann ausgeschlossen werden, dass während der Unterbrechung der Stromversorgung zündfähiges Gas in den Innenraum 16 des Gehäuses 14 eingedrungen ist, so dass die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten im Gehäuse 14 sofort und selbsttätig wieder eingeschaltet werden können, ohne dass der Innenraum 16 zuvor frei gespült oder frei gemessen werden muss. Beim Einschalten wird auch das Einlassventil 90 wieder geöffnet.
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Dieses Szenario wird nicht nur bei kurzen Unterbrechungen der Stromversorgung der Regelfall sein.
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2) Unterbrechung der Stromversorgung mit Druckabfall im Innenraum
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Wenn es während einer Unterbrechung der Stromversorgung zu einem Abfall des Innendrucks pI infolge einer Unterbrechung der Zufuhr von Zündschutzgas kommt, was vor allem bei längeren Unterbrechungen der Stromversorgung und ggf. einer Entleerung des Speicherbehälters 28 vorkommen kann, sinkt entsprechend auch der Druck pR im Referenzraum 70 ab.
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Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt und die Zufuhr von Zündschutzgas wieder aufgenommen wird, steigt der Innendruck pI wieder an, während der Referenzdruck pR nicht mit ansteigt, weil sich das Einlassventil 90 bei der Unterbrechung der Stromzufuhr selbsttätig geschlossen hat.
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Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt wird, wartet die Schaltung 52 zuerst etwas ab, bis sich der Druck pI im Innenraum 16 wieder aufgebaut hat. Anschließend vergleicht sie den Druck pR im Referenzraum 70 mit dem Innendruck pI und/oder mit dem Außendruck pA (2) bzw. misst den Differenzdruck Δp3 = pI – pR und/oder Δp2 = pR – pA, wobei wegen der niedrigen Spannungen kein Zündfunke entstehen kann.
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Wenn der Referenzdruck pR erheblich niedriger ist als der Innendruck pI oder nur geringfügig höher ist als der Außendruck pA bzw. wenn der Differenzdruck Δp3 = pI – pR oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts von etwa 6 mbar und/oder der Differenzdruck Δp2 = pR – pA unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts von etwa 5 mbar liegt, bedeutet dies, dass während des Stromausfalls ein Druckabfall im Innenraum 16 stattgefunden haben kann.
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Da in diesem Fall nicht ausgeschlossen werden kann, dass zündfähiges Gas in den Innenraum 16 eingedrungen ist, können die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten im Gehäuse 14 erst wieder eingeschaltet werden, nachdem die Zufuhr des Zündschutzgases in den Innenraum 16 wiederaufgenommen und der Innenraum 16 entweder durch eine länger anhaltende Zufuhr von Zündschutzgas frei gespült oder alternativ frei gemessen worden ist und nachdem die Schaltung 52 auf der Leiterplatte 50 manuell zurückgesetzt worden ist. Dabei öffnet die Schaltung 52 auch das Einlassventil 90, so dass sich der Druck pI im Innenraum und der Druck pR im Referenzraum 70 erneut angleichen.
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Dieses Szenario wird jedoch eher selten auftreten.
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3) Druckabfall im Innenraum ohne Unterbrechung der Stromversorgung
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Wenn es ohne eine Unterbrechung der Stromversorgung zu einem stärkeren Abfall des Innendrucks pI kommt, was zum Beispiel bei einer Unterbrechung der Zufuhr von Zündschutzgas der Fall sein kann, nimmt die Druckdifferenz Δp1 = pI – pA ab. Dies kann von der Schaltung 52 durch Vergleich von pI mit pA (2) bzw. durch Messung des Differenzdrucks Δp1 = pI – pA leicht festgestellt werden.
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Wenn die Druckdifferenz Δp1 = pI – pA unter einen vorbestimmten Schwellenwert sinkt, beispielsweise 5 mbar, werden alle elektrischen und/oder elektronischen Komponenten von der Schaltung 52 spannungslos geschaltet.
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Mit dem Druck pI im Innenraum 16 sinkt entsprechend auch der Druck pR im Referenzraum 70, weil das Zündschutzgas durch die Ventile 92 aus dem Referenzraum 70 in den Innenraum ausströmt. Wenn die Zufuhr von Zündschutzgas wieder aufgenommen wird, steigt der Innendruck pI wieder an, während der Referenzdruck pR nicht mit ansteigt, weil sich das Einlassventil 90 beim Abschalten der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten geschlossen hat.
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Die Schaltung 52 vergleicht nun den Druck pR im Referenzraum 70 mit dem Innendruck pI und/oder mit dem Außendruck pA (2) bzw. misst den Differenzdruck Δp3 = pI – pR und/oder Δp2 = pR – pA, wobei wegen der niedrigen Spannungen kein Zündfunke entstehen kann.
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Wenn der Referenzdruck pR erheblich niedriger ist als der Innendruck pI oder nur geringfügig höher ist als der Außendruck pA bzw. wenn der Differenzdruck Δp3 = pI – pR oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts von etwa 6 mbar und/oder der Differenzdruck Δp2 = pR – pA unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts von etwa 5 mbar liegt, bedeutet dies, dass im Innenraum 16 ein beträchtlicher Druckabfall stattgefunden haben kann.
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Da in diesem Fall nicht ausgeschlossen werden kann, dass zündfähiges Gas in den Innenraum 16 eingedrungen ist, können die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten im Gehäuse 14 erst wieder eingeschaltet werden, nachdem der Innenraum 16 entweder durch eine länger anhaltende Zufuhr von Zündschutzgas frei gespült oder alternativ frei gemessen worden ist und nachdem die Schaltung 52 auf der Leiterplatte 50 manuell zurückgesetzt worden ist. Dabei öffnet die Schaltung 52 auch das Einlassventil 90, so dass sich der Druck pI im Innenraum und der Druck pR im Referenzraum 70 erneut angleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 60079-2:2007 [0044]
