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Die Erfindung bezieht sich auf ein intelligentes und fälschungssicheres Sensorsystem zum Steuern und Regeln von Maschinen oder Anlagen.
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In den letzten Jahren ist Produktpiraterie zu einem ernst zunehmenden, weltweiten Phänomen geworden. Neben dem direkt quantifizierbaren Schaden geht mit der Verwendung des Plagiats anstelle des Originalprodukts ein Imageschaden für die Betroffenen und schlimmstenfalls sogar Produkthaftungsprozesse für die gefälschten Produkte einher, wodurch der Ruf einer Marke nachhaltig geschädigt werden kann. Da die Plagiate in der Regel die spezifischen Qualitätsanforderungen des Originalprodukts nicht erfüllen, können allgemein minderwertig gearbeitete Plagiate zu einem schnellen Ausfall des Produktes bzw. fehlende definierte Schwachstellen bei Sicherheitsbauteilen, die als Ausfallteil den Schutz von hochpreisigen Komponenten im Störfall gewährleisten sollen, zu hohen Gesundheitsrisiken und Materialschäden führen.
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Der Anstieg der nachgewiesenen Plagiatsfälle sowie des jährlich auftretenden Schadens zeigt, dass althergebrachte Schutzkonzepte wie Patentrechte oder organisatorische Vorkehrungen wie beispielsweise Geheimhaltungsvereinbarungen heute nicht mehr ausreichen, um sich effizient gegen Produktpiraterie zu wehren. Für Hersteller von Markenprodukten sowie von qualitativ hochwertigen Produkten ist es daher erforderlich technische Maßnahmen zum Schutz Ihrer Produkte gegen Fälschungen und Plagiarismus zu ergreifen.
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Hallsensoren, die zur Gruppe der Näherungssensoren gehören, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Näherungssensoren sind dabei berührungs- und kontaktlos arbeitende Positionssensoren, die weitgehend unempfindlich gegenüber Chemikalien- und Umwelteinflüssen sind und keine Verschleißteile aufweisen. Im Speziellen eignen sich Hallsensoren exzellent für die Aufgabe, Drehzahl und Drehrichtung von Wellen mit Hilfe von Zahnrädern oder Zahnstangen zu erfassen. Damit können diese Sensoren vor allem als Inkrementalgeber, für Zählaufgaben und zur Lageregelung verwendet werden. So können beispielsweise mit diesen Sensoren Zahnstangen abgetastet werden, um deren Umlaufrichtung und Umlaufgeschwindigkeit zu ermitteln.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Hallsensor 20 bestehend aus Spannungsbrücke B, Komparator K, Pegelumsetzer P und Verstärkerschaltung V. Ergänzend dargestellt ist ein Zahnkranzelement 21, das als weichmagnetisches Betätigungselement dient, sowie das auftretende Magnetfeld 22. Die technische Umsetzung erfolgt mittels eines Differenzialfühlers, der aus zwei magnetfeldabhängigen Hallelementen 23 besteht, die auf einem axial gepolten Permanentmagneten P aufgebracht sind. Beide Hallelemente 23 sind Bestandteil einer Spannungsbrücke, an der durch die Drehung des Zahnkranzelements 21 unterschiedliche starke Magnetfelder abfallen. Auf Basis des Hall-Effekts resultieren unterschiedliche Spannungen an beiden Hallelementen 23, wodurch im nachgeschalteten Komparator K ein Schaltsignal generiert und über einen Pegelumsetzer P dem Gegentakt-Ausgangsverstärker V zugeführt wird (vgl. 1). Die Komparatorschaltung, Pegelumsetzung Signalverstärkung bzw. Digitalisierung des Messsignals A kann beispielsweise mittels einer integrierten Schaltung oder eines Mikroprozessors realisiert werden.
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Sensoren, die Messparameter erfassen, diese bereits im Sensormodul verarbeiten und an eine externe speicherprogrammierte Steuerung (SPS) zum Zwecke der Steuerung und Regelung von Anlagen, in denen diese Sensoren verbaut sind, übertragen, finden beispielsweise im Maschinenbau Anwendung.
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Aufgrund des branchenübergreifenden Phänomens des Plagiarismus wurde eine Vielzahl an Schutzmechanismen entwickelt, die zumeist aber branchenspezifische Lösungen darstellen.
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Als Schutzmechanismen für Sensoren können gegenwärtig prinzipiell folgende Techniken eingesetzt werden: Destandardisierung durch Verwendung nicht genormter Bauteile, Funktionsgruppen oder Softwarealgorithmen, Funktionsintegration, wodurch die Komplexität des Produkts erhöht wird, Mikrofarbcodes auf Melamin-Alkyd-Polymer-Basis, Datamatrix, Nano-Technologie (Farbpigmentdruck auf geeigneten Oberflächen), RFID-Chips, kryptografische Codierungen verschiedener Komplexitätsebenen, die jedes Exemplar zum Unikat machen, Kennzeichnung durch Luminophore, “Physical unclonable functions“ oder gedruckte Schaltungen auf Kunststoffträgern
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Ein Beispiel für Nanotechnologien zum Kopierschutz stellt das in der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 053 612 A4 vorgestellte Farbdruckpigment dar. Hierbei wird dieses in Nanohohlräume von Glas- oder Kunststoffoberflächen durch ein spezielles Druckverfahren aufgedruckt und anschließend durch Aufbringen einer zusätzlichen Deckschicht versiegelt.
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Der Kopierschutz bei einer unsichtbaren Kennzeichnung durch Luminophore beruht darauf, dass zunächst mit dem Auge keine Schutzmerkmale erkennbar sind. Erst nach UV-Anregung wird ein Fluoreszenzlicht im sichtbaren Spektrum abgestrahlt. Dessen Wellenlänge bzw. Wellenlängenspektrum ist von der Mischung der verwendeten Luminophore abhängig. Werden definierte Luminophore in definiertem, geheimen Mischungsverhältnis für ein spezifisches Produkt zusammengestellt, so entsteht ein Mechanismus mit hohem Schutz, der zusätzlich kostengünstig, praxisgerecht, unabhängig von Lichteinstrahlungsverhältnissen ist und auf beliebigen Oberflächen aufgebracht werden kann.
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Viele der entwickelten Schutzmechanismen sind für die Anwendung bei Ersatzteilen nicht anwendbar, nicht zweckmäßig oder aufgrund der Zusatzkosten wirtschaftlich nicht umsetzbar.
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Schutzmechanismen, die beispielsweise außen am Sensor angebracht sind, mit dessen Funktionalität jedoch nichts zu tun haben, sind für eine auf Spannungs- oder Frequenzmodulation beruhende bidirektionale Kommunikation zwischen Sensoren und einem SPS-System ungeeignet, insbesondere da wissentlich Plagiate eingesetzt werden, um die Kostenstruktur im Einsatz schlank zu halten. Mechanismen wie Mikrofarbcode, Datamatrix, Nanofarbtechnologien, RFID-Chips und Luminophore sind somit für diese Anwendung nicht geeignet.
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Im Falle der sog. ,physical unclonable functions' handelt es sich um die Erstellung individueller kryptografischer Schlüssel, deren Code von aktuellen Systemeigenschaften sowie Umgebungsparametern wie beispielsweise der Temperatur abhängig ist. So weisen beispielsweise Leiterbahnen in einem Mikroprozessor nicht exakt die gleiche Querschnittsfläche auf. Hieraus resultierende spezifische Spannungsverluste, die dann beispielsweise für die Codegenerierung verwendet werden können. Da einerseits ein produktspezifischer Code generiert und auch erfolgreich ausgelesen werden muss, jedoch keine Datenbank zum Codeabgleich zur Verfügung steht, muss ein Originalsensor in eine bestehende Anlage eingemessen werden. Die Technik ist somit für den ,After-Sale'-Markt ungeeignet und auch sehr kostenintensiv.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann demzufolge darin bestehen, einen Schutzmechanismus vor Produktpiraterie für Sensoren zu schaffen, die Bestandteil von Sensorsystemen mit einer auf Spannungs- oder Frequenzmodulation beruhenden bidirektionalen Kommunikation zwischen den Sensoren und einer externen speicherprogrammierten Steuerung sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß ein intelligentes und fälschungssicheres Sensorsystem umfassend ein Sensormodul aufweisend ein Sensorelement zur Erfassung von Messparametern und einen Mikroprozessor zur Verarbeitung der Messparameter und Erzeugung von Messsignalen und der Generierung eines Verifizierungssignals, das einen Verifikationscode aufweist, und eine externe speicherprogrammierte Bedienungs- und Steuerungseinheit, die mit dem Sensormodul zur Übertragung der Messsignale und Übermittlung eines Initialisierungssignals, das einen Identifikationscode aufweist, verbindbar ist, wobei während einer Initialisierung des Sensorsystems ein Verifikationscode von dem Sensormodul sendbar und von der Bedienungs- und Steuerungseinheit empfangbar ist.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorsystems kann darin bestehen, dass das erfindungsgemäße Sensormodul nach dem Einbau als Ersatzteil im ,After-Sale'-Markt durch die zentrale Gerätesteuerung oder eine nur für die Sensoren zuständige Steuereinheit zunächst erfolgreich initialisiert und verifiziert werden muss. Hierzu werden seitens des Sensormoduls nicht nur Messwerte für Drehzahl, Richtung, Lageposition oder Ähnliches an die Steuereinheit gesandt, sondern die Steuereinheit sendet während der Inbetriebnahme einer Anlage ein Initialisierungssignal, das einen Identifikationscode aufweist, an das Sensormodul. Als Antwort sendet das Sensormodul ein Verifizierungssignal, das einen Verifikationscode aufweist, an die Steuereinheit zurück, welches dort verifiziert wird. Bei positiver Verifizierung wird die Initialisierung abgeschlossen und die Anlage ist betriebsbereit. Ist hingegen keine erfolgreiche Verifizierung möglich, so sendet die Steuereinheit ein Fehlersignal, wodurch die Anlage nicht in Betrieb genommen werden kann. Um durch Simulation des vom Sensormoduls gesendeten Signals keine sog. ,Seitenkanalattacke' zu ermöglichen, können beispielsweise eingehende und ausgehende Signale durch kryptografische Algorithmen codiert werden. Als weiterer Schutz vor Plagiarismus ist das erfindungsgemäße Sensormodul vorzugsweise so gestaltet, dass optisch keine Unterschiede zu den bisherigen Produkten aufweisen.
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Demzufolge kann das erfindungsgemäße Sensorsystem bei einem relativ niedrigen Verkaufspreis pro Sensormodul im ,After-Sale'-Markt ein vergleichsweise hohes Schutzniveau gegenüber Plagiarismus bieten. Der Schutz ist dabei dergestalt aufgebaut, dass der Sensor nicht durch äußere Merkmale geschützt ist, sondern durch eine Verifikationsabfrage auf der Funktionsebene, dass eine fehlende bzw. falsche Verifikationsabfrage zu einer Fehlermeldung bei der Inbetriebnahme einer Großanlage führt. Deren Inbetriebnahme ist dann nicht möglich und bisher auftretende Umsatz- und Imageverluste durch minderwertige Plagiate können somit unterbunden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist das Aussenden des Verifikationscodes von dem Sensormodul zu der Bedienungs- und Steuerungseinheit durch das Anlegen einer Versorgungsspannung an das Sensormodul auslösbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist während der Initialisierung des Sensorsystems ein Identifikationscode von der Bedienungs- und Steuerungseinheit sendbar und von dem Sensormodul empfangbar und ist das Aussenden des Verifikationscodes von dem Sensormodul zu der Bedienungs- und Steuerungseinheit durch das Empfangen des Identifikationscodes auslösbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems weist der Mikroprozessor sensorspezifische Firmware auf, mit der der Identifikationscode empfangbar, entschlüsselbar und verarbeitbar ist und der Verifikationscode verschlüsselbar und versendbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems weist das Sensormodul drei Anschlüsse auf, über die das Anlegen einer Versorgungsspannung, eine Masseleitung und eine Signalübertragung realisierbar sind und die Bedienungs- und Steuerungseinheit Ausgänge aufweist, über die die Versorgungsspannung für das Sensormodul bereitstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist ein Ausgang der Bedienungs- und Steuerungseinheit mit dem Spannungseingang des Sensormoduls verbindbar, wobei der Ausgang der Bedienungs- und Steuerungseinheit mit einer Diode und einer Zenerdiode verbindbar ist und wobei über die Zenerdiode eine Modulation der Sensorversorgungsspannung ausführbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems sind die geometrischen Abmessungen sowie Form und Anzahl der Anschlüsse des Sensormoduls denen bereits bekannter Sensormodule entsprechend ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist das Sensormodul in eine Maschine oder Anlage verbaubar und ist die Maschine oder Anlage mittels des Sensormoduls steuerbar und/oder regelbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist die Maschine oder Anlage bei positiver Initialisierung des Sensorsystems freischaltbar und ist bei negativer Initialisierung des Sensorsystems ein Fehlersignal von dem Sensormodul sendbar und von der Bedienungs- und Steuerungseinheit empfangbar, wodurch die Inbetriebnahme der Maschine oder Anlage durch die Bedienungs- und Steuerungseinheit verhinderbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems weist das Sensorelement zwei Hallelemente auf.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Sensorsystems umfassen:
- • kompatibel zu analoger sowie digitaler Signalübertragung.
- • Upload von Updates für die Firmware möglich, um bestehende Fehler zu eliminieren bzw. die Funktionalität zu erweitern.
- • Nachprogrammierung der spezifischen Anwendersoftware möglich, um diese auf neue Grenzwerte, Betriebsbedingungen o.ä. anzupassen.
- • Hohe Flexibilität der Bedienungs- und Steuerungseinheit und des Sensormoduls.
- • Kostengünstige Umsetzung durch Verwendung von Standardbaugruppen möglich.
- • Maßgeschneiderte, kundenspezifische Lösungen wie beispielsweise Zusatzabfragen zu Betriebstemperatur, Betriebsstunden o.ä. sind möglich.
- • Hohe Leistungsfähigkeit bei kurzer Signalverarbeitungszeit (Zielgröße << 100 ms).
- • Kommunikation über BUS-Systeme oder Netzwerk möglich (lnterbus, Profibus, Profinet, CAN, Ethernet, CAT, TCP/IP). Eine Vernetzbarkeit mit anderen Maschinen bzw. Computern ist möglich.
- • Datenspeicherung als nicht manipulierbare Rohdaten sowie bearbeitbare Datensätze möglich.
- • Eigendiagnose des Systems möglich.
- • Hoher Schutz vor Störungen und Fehlern.
- • Hohe Temperaturstabilität und somit geringe Signalverfälschung im Sensor.
- • Schnelle Funktionskontrolle des Sensormoduls im Betrieb möglich (z. B. durch Leitungsbruchüberwachung oder Testsignale).
- • Einfache Montage.
- • Flexibles Ausgangssignal möglich (10–30 V DC, 0–20 mA, 4–20 mA, Digitalausgang, ...).
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: schematische Darstellung eines Magnetfeld-Impulsgebers nach dem Stand der Technik,
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2: schematische Darstellung eines Sensorsystems entsprechend eines erfindungsgemäßen Aspekts, und
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3: grafische Darstellung eines aus der in 2 dargestellten Spannungsmodulation resultierenden Signals über der Zeit.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 2 dargestellte erfindungsgemäße Sensorsystem 10 weist ein intelligentes und fälschungssicheres Sensormodul 11 auf, das bei Einbau als Ersatzteil im ,After-Sale'-Markt durch die zentrale Gerätesteuerung oder eine nur für das Sensormodul 11 zuständige Steuereinheit 15 zunächst erfolgreich initialisiert und verifiziert werden muss.
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Entsprechend einer möglichen Ausführungsform umfasst das Sensorsystem 10 ein Sensormodul 11, das in der Lage ist, Messparameter wie beispielsweise Impulszahl, Drehzahl, Frequenz Position, Lineargeschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung mittels eines Sensorelementes 12 zu erfassen, diese bereits im Sensormodul 11 mit Hilfe zumindest eines Mikroprozessors 13 zu verarbeiten und an eine externe speicherprogrammierte Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 zum Zwecke der Steuerung und Regelung von Maschinen oder Anlagen, in denen das Sensormodul 11 verbaut ist, zu übertragen. Zwischen dem Sensormodul 11 und der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 besteht somit eine Kommunikationsmöglichkeit, die uni- oder bidirektional ausgelegt sein kann. Mehrere Sensormodule 11 können mit einer Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 verbunden sein.
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Das Sensorelement 12 gibt vorzugsweise ein elektrisches Signal in Form einer Spannung, eines Stromes, einer Frequenz oder Phase aus, oder verändert seinen elektrischen Widerstand, Kapazität oder Induktivität. Diese Information bzw. Messsignal kann dann beispielsweise mittels einer integrierten Schaltung oder eines Mikroprozessors 13 verarbeitet, verstärkt und/oder digitalisiert werden. Im Rahmen der Initialisierung des Sensorsystems 10 ist das Sensormodul 11 vorzugsweise in der Lage, einen Identifikationscode von der Bedienungs- und Steuerungseinheit 15 empfangen und/oder einen Verifikationscode zurücksenden. Dies kann beispielsweise über die Implementierung eines Mikroprozessors 13 sowie eines Modulators/Demodulators realisiert werden.
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Der Mikroprozessor 13 kann entsprechend einer möglichen Ausführungsform mit Funktionsgruppen wie beispielsweise Modulator, Demodulator, Verpolungsschutzdiode, Siebkondensator ausgestattet sein sowie mit einer Logik zum Empfang, zur Verarbeitung und zum Senden von Messsignalen und/oder Messparametern während des Betriebes der Maschine oder Anlage sowie von Verifikationscodes zur Initialisierung des Sensorsystems 10 während der Anlageninitialisierung. Im Falle einer negativen Verifikation kann eine definierte Anzahl an Wiederholungsversuchen durchgeführt werden und im Falle einer dauerhaften negativen Verifikation die Produktionsanlage abgeschaltet oder in Fehlermodus übergehen. Die Kommunikation zwischen dem Sensormodul 11 und der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 kann beispielsweise über verschlüsselte Datenpakete erfolgen.
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Dementsprechend kann in einer beispielhaften Ausführung der Mikroprozessor 13 sensorspezifische Firmware enthalten die erweitert sein kann, um Identifikationscodes zu empfangen, zu entschlüsseln und zu verarbeiten und Verifikationscodes zu verschlüsseln und zu versenden. Neben der Ent- bzw. Verschlüsselung kann vorzugsweise eine Spannungs- oder Frequenzmodulation vorgenommen und eine CRC-Wert-Abfrage (cyclic redundancy check) etabliert werden.
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In einer beispielhaften Ausführung kann das Sensormodul 11 auf einem Hallsensor 20 basieren, der zwei Hallelemente 23 als Sensorelement 12 aufweist. Hallelemente 23 können beispielsweise für die Bestimmung von Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit und Lagepositionierung im Maschinenbau eingesetzt werden. Während in 1 ein typischer magnetoresistiver Näherungssensor dargestellt ist, der eine hohe geometrische Auflösung und hohe Betätigungsfrequenzen aufweist, können andere Typen von Näherungssensoren, wie beispielsweise akustische, induktive, kapazitive oder optische Näherungssensoren zum Einsatz kommen.
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Wie in 2 gezeigt, kann das Sensormodul 11 entsprechend einer möglichen Ausführungsform über drei Anschlüsse 14 verfügen, die für Spannungsversorgung 141, als Messsignalausgang 142 und Masseleitung 143 verwendet werden können. Für die Übertragung des Initialisierungscodes bzw. des Verifizierungscodes bietet sich bei einem Sensormodul 11 mit drei Anschlüssen 14 beispielsweise die Möglichkeit, die Versorgungsspannung des Sensormoduls 11 von 24 V DC über einen Ausgang 16 der Bedienungs- und Steuerungseinheit 15 bereitzustellen. Der Ausgang der Bedienungs- und Steuerungseinheit 15 ist mittels einer Diode 18 und einer Zenerdiode 17 verbunden, womit eine Spannungsmodulation der Sensorversorgungsspannung ermöglicht wird. Über die Zenerdiode 17 kann die Versorgungsspannung beispielsweise zwischen, 24 V und 12 V DC variiert werden. Auf diese Weise kann eine Spannungsmodulation ohne Modulator erfolgen, wie in 3 dargestellt.
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Eine alternative Möglichkeit kann beispielsweise beinhalten, dass die Spannungsversorgung des Sensormoduls 11 über eine Konstantspannungsquelle erfolgt. Der Versorgungsspannung wird ein hochfrequentes Signal von z.B. 30–40 kHz aufgekoppelt und im Sensormodul 11 wieder abgekoppelt.
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Eine weitere alternative Möglichkeit kann beispielsweise beinhalten, dass die Spannungsmodulation wie in 2 dargestellt erfolgt, jedoch mittels einer schnellen Schaltung zwischen O V und 24 V. Um die Versorgung der Firmware sowie des Dauerbetriebs des Sensormoduls 11 zu gewährleisten, muss nach Demodulation im Sensormodul 11 ein Ladungsspeicher zwischengeschaltet werden.
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Eine weitere alternative Möglichkeit kann beispielsweise beinhalten, dass die Spannungsmodulation wie in 2 dargestellt erfolgt, jedoch erfolgt die Spannungsversorgung über eine separate Spannungsquelle und die Modulation wird über einen Modulator aufgebracht. Diese Methode würde den Einsatz einer zusätzlichen Baugruppe erfordern.
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Eine weitere alternative Möglichkeit kann beispielsweise beinhalten, dass die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Sensormodul 11 und der Bedienungs- und Steuerungseinheit 15 über einen vierten Anschluss 14 erfolgt. Solch ein Sensorsystem 10 würde offensichtliche Abweichungen von existierenden Sensorsystemen aufweisen und damit nicht rückwärts kompatibel mit diesen sein.
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Um das Sensorsystem 10 intelligent und fälschungssicher zu gestalten, ist das Sensormodul 11 vorzugsweise so gestaltet, dass er nach erfolgtem Einbau in eine Maschine bzw. Anlage im ‚After-Sale‘-Markt im Rahmen eines Initialisierungsprozesses erkannt wird. Hierzu wird von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 eine Identifikationsanfrage an das Sensormodul 11 geschickt, diese von der im Sensormodul 11 integrierten Logik verarbeitet und ein Verifikationscode an die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 zurückgeschickt. Verläuft die Initialisierung bzw. Identifizierung positiv, so wird das Gerät bzw. die Anlage freigeschaltet und fährt erfolgreich an. Im Falle einer negativen Verifikation wird die Anlage hingegen gestoppt. Der Einsatz von nicht-original Sensormodulen bzw. Plagiaten und der mit deren Einsatz verbundene Imageschaden und Umsatzverlust kann auf diese Weise effizient unterbunden werden.
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Um das Sensorsystem 10 intelligent und fälschungssicher zu gestalten, weist das Sensormodul 11 eine integrierte Logik in Form des Mikroprozessors 13 sowie zusätzliche Schaltungselemente zur Modulierung und Demodulierung des eingehenden bzw. ausgehenden Verifikationscodes auf. Die Modulierungs- und Demodulierungsfunktionen können beispielsweise auch in den Mikroprozessor 13 integriert sein. Neben der beschriebenen Änderung der Hardware kann vorzugsweise zusätzlich eine Software basierende Lösung zur Codierung des eingehenden bzw. ausgehenden Verifikationscodes implementiert werden. Hierbei kann auf bekannte kryptografische Algorithmen zurückgegriffen werden. Die für den Initialisierungsprozess erforderlichen Verifikationsfunktionen werden vorzugsweise auch in die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 implementiert und werden bei der Installation eines Sensormoduls 11 automatisch ausgeführt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Sensormodul 11 zu 100% ,downgrade' fähig ausgeführt ist, sodass das Sensormodul 11 in bestehenden Anlagen ohne vorgesehener Verifikationsfunktion in vollem Funktionsumfang eingesetzt werden kann.
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Das Funktionsprinzip kryptografischer Algorithmen beruht darauf einen übertragenen Datensatz zu verschlüsseln und an die codierte Sequenz einen Kontrollwert anzuhängen, der bei der Verifizierung des Datensatzes nach erfolgter Decodierung verwendet wird, um den Inhalt des übertragenen Datensatzes zu verifizieren. Ist keine Diskrepanz zwischen Inhalt und Prüfwert feststellbar, so wird davon ausgegangen, dass das übertragene Datenpaket authentisch ist. Im Falle einer Diskrepanz kann diese auf Übertragungsfehlern (z. B. Leitungsrauschen) oder der gezielten Manipulation von Daten beruhen. Die einfachste Form der Verifizierung der Authentizität von Daten erlaubt die zyklische Redundanzprüfung (cyclic redundancy check, CRC). Für die Übertragung eines, beispielsweise 8 Bit langen Wortes wird der CRC-Wert aus dem zugehörigen Polynom 7. Ordnung ermittelt und das Ergebnis in Modula 2 dargestellt. Übertragungsfehler werden mit dieser einfachen Rechenoperation festgestellt, jedoch können gezielte Datenmanipulationen nicht festgestellt werden. Soll sichergestellt werden, dass die übertragenen Dateien nicht modifiziert wurden, so ist der Einsatz kryptografischer Hash-Algorithmen sinnvoll.
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Hash-Algorithmen bilden eine große Eingabemenge (die zu übertragenden Datensätze) auf eine kleine Zielmenge ab, wodurch das Verfahren nicht injektiv (linkseindeutig) und nicht notwendigerweise surjektiv (rechtstotal) ist. Durch die Verkleinerung auf die Zielmenge sind auftretende Kollisionen (d. h. 2 verschiedene Eingaben führen zum gleichen Hash-Wert) wahrscheinlich. Kryptografische Hash-Algorithmen sind eine spezielle Form der Hash-Algorithmen und zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass eine möglichst hohe Kollisionsresistenz existiert, auftretende Kollisionen schwer aufzuspüren sind, Zeichenfolgen beliebiger Länge auf einen Kontrollwert fixer Länge abgebildet werden können, der Speicherbedarf des Hashwertes signifikant kleiner ist als jener des originären Datensatzes, die dem Algorithmus zugrunde liegende Funktion schnell berechenbar ist (Effizienz) und ähnliche originäre Datensätze zu völlig verschiedenen Hashwerten führen können.
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Demzufolge kann in einer beispielhaften Ausführung die Verwendung kryptografischer Hash-Algorithmen bevorzugt für die Umsetzung der Schutzmechanismen in dem Sensorsystem vorgesehen sein. Da es sich hierbei um fertige und frei zugängliche Algorithmen handelt, ist ein softwarebasierender Schutzmechanismus einfach und zu vergleichsweise geringen Mehrkosten realisierbar.
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Um eine relativ einfache Schutzfunktion vor Plagiarismus realisieren zu können und um die neuartige Sensorgeneration auch in bestehende Anlagen einbauen zu können, werden entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des Sensormoduls 11 die geometrischen Abmessungen sowie Form und Anzahl der Anschlüsse bereits bekannter Sensormodule beibehalten. Die zusätzliche Implementierung eines Mikroprozessors 13 sowie eines Modulators/Demodulators in die bestehende Geometrie kann beispielsweise durch eine weitere Miniaturisierung der verwendeten Elektronikkomponenten bzw. Schaltung erreicht werden.
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Ferner kann beispielsweise der EEPROM des Mikroprozessors 13 sowohl für die Speicherung der Firmware zur Messsignalverarbeitung als auch der Codesequenz zur Verifikation verwendet werden. Alternativ kann durch Verwendung einer VCO-Schaltung (voltage-controlled oscillator) o.ä. die Notwendigkeit eines Speichers der Codesequenzen komplett entfallen, da die Codesequenz als Folge des spannungsmodulierten Eingangssignals direkt generiert wird.
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Denkbar ist auch, dass bisherige Logikoperationen zur Verarbeitung des Messsignals, die bisher im Sensormodul 11 lokalisiert waren, nun über ein BUS-System auf Seite der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 lokalisiert werden. Die erforderlichen Bauteile könnten in dieser Ausführungsform in einem Ergänzungsmodul zur Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 lokalisiert sein. Dies würde allerdings die ‚downgrade‘-Fähigkeit einschränken.
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Ferner ist die Beibehaltung der Form und Anzahl an elektrischen Anschlüssen des Sensormoduls 11 im Vergleich zu existierenden Sensoren erstrebenswert. Über die drei Anschlüsse 14 wird vorzugsweise einerseits die Versorgungsspannung (10–30 V DC) bereitgestellt (Spannungseingang 141 sowie Masseleitung 143), das allgemeine Messsignal des Sensorelements 12 durch die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 ausgelesen (Messsignalausgang 142) und die Identifikationsanfrage von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 zum Sensormodul 11 sowie der zugehörige Verifikationscode vom Sensormodul 11 zur Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 übertragen.
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Entsprechend einer möglichen Ausführungsform können die Hallsensoren 20 mit einer Spannung von 10–30 V DC, optimal von 24 V DC betrieben werden. Somit kann durch Spannungsmodulation (wie in 2 und 3 dargestellt) oder alternativ durch Überlagerung eines hochfrequenten Signals die Identifikationsanforderung auf den Spannungseingang 141 der Versorgungsspannung aufgekoppelt werden, während der zurückzusendende Verifikationscode dem primären Sensormesssignal (Messsignalausgang 142) aufgekoppelt wird.
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Spannungsschwankungen der durch ein Netzteil zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung können beispielsweise durch die Verwendung hochpräziser Referenzspannungsquellen weitestgehend vermieden werden. Alternativ können Sieb- bzw. Glättungskondensatoren eingesetzt werden, um die Spannungsschwankungen zu minimieren. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme des Sensormoduls 11 kann die benötigte Versorgungsspannung auch über die Ausgänge 16 der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann die Restwelligkeit der Versorgungsspannung beispielsweise durch Verwendung von Sieb- und Glättungskondensatoren effizient reduziert werden.
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Die Aussendung der Identifikationsanfrage seitens der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15, die Decodierung der Anfrage und deren Verarbeitung sowie die Generierung und Codierung eines Antwortsignals im Sensormodul 11 wie auch die Verarbeitung des Verifikationscodes in der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 erfordern eine Anpassung der Software von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 und dem Sensormodul 11.
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Entsprechend einer möglichen Ausführungsform kann das Sensorsystem 10 demzufolge aus drei Modulen bestehen, der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 die der Identifikation des Sensormoduls 11 in der Initialisierungsphase und der Auswertung der Messsignale dient, dem Sensormodul 11, der der Messwerterfassung und -verarbeitung dient und der durch den Einsatz von Mikroprozessoren 13 eine Kommunikation mit der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 auf hohem Niveau ermöglicht und der Kommunikation zwischen der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 und dem Sensormodul 11, die über eine bestehende Verbindungsleitung erfolgt.
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Entsprechend einer ersten möglichen Ausführungsform kann eine unidirektionale Kommunikation zwischen der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 und dem Sensormodul 11 über eine Leitung ausgeführt werden. In diese Ausführung sendet das Sensormodul 11 an die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 einen oder mehrere Verifikationscodes, die produktspezifisch festgelegt werden. Das Aussenden wird ausschließlich durch das Anlegen der Versorgungsspannung an das Sensormodul 11 ausgelöst. Um den Nachbau zu erschweren, kann beispielsweise anstelle des fixen Codes eine festgelegte Abfolge verschiedener Code-Sequenzen implementiert werden, die aber beide Partner der Kommunikation, nämlich Sensormodul 11 und Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15, kennen.
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Entsprechend einer zweiten möglichen Ausführungsform kann eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 und dem Sensormodul 11 über zwei Leitungen ausgeführt werden. In dieser Ausführung ist das Sensormodul 11 in der Lage, Informationen von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 zu empfangen und zu interpretieren. Diese Informationen werden beispielsweise in serieller Form durch Umtaktung der Versorgungsspannung übertragen (zum Beispiel "Lo" = 12 VDC; "Hi" = 24 VDC). Die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 in dieser Ausführung einen Code zum Sensormodul 11, auf den dieser mit einem anderen, diesem zugeordneten Code antwortet. Aktion und Reaktion können beispielsweise im Sensormodul 11 fest einprogrammiert sein.
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Entsprechend einer dritten möglichen Ausführungsform kann die bidirektionale Kommunikation zwischen der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 und dem Sensormodul 11 über zwei Leitungen erweitert werden. In dieser Ausführung weist das Sensormodul 11 einen leistungsfähigeren Mikroprozessor 13 auf als bei den vorangegangenen Ausführungen. Dieser erlaubt das Implementieren eines komplexen Algorithmus des von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 empfangenen Codes. Hierfür ist aber auch bei der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 mit mehr Zeitaufwand für das Codieren und Decodieren durch komplexe Algorithmen zu rechnen. Das wird bei der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 die Umlaufzeit erheblich vergrößern, was für die "normale" Ablaufsteuerung, wofür die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 eigentlich zuständig ist, sehr kritisch ist. Bei dieser Variante kann eine doppelte bidirektionale Verbindung eingesetzt werden, um auf getrenntem Wege die Überprüfung des Sensormoduls 11 auf Plagiat und parallel den Normalbetrieb zu gewährleisten. Der Schutz gegen Nachbau ist bei relativ großen Kosten bei dieser Ausführung im Vergleich zu den vorgenannten Ausführungen am größten.
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In allen drei vorgenannten Varianten ist ein Mikroprozessor 13 in das Sensormodul 11 eingebaut. In der zweiten und dritten Variante wird das Sensormodul 11 von einer Ausgabe 16 der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 versorgt. Somit kann über diese Leitung von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 durch Ein- bzw. Ausschalten eine Taktung erfolgen, die vom Sensormodul 11 als Signal ausgewertet werden kann. Kritisch ist im Sensormodul 11 nur die spannungslose Zeit bei einer Taktung 0V / 24 VDC, die es zu überbrücken gilt durch Maßnahmen im Sensormodul 11. Bei der Verwendung eines geeigneten Codes können Situationen von aufeinander folgenden "Lo"-Zustände, die das Sensormodul 11 spannungslos abschalten, vermieden werden. Ein solcher Code ist beispielsweise der Manchester-Code, der jedes Bit aus einem "Hi" und einem "Lo" – Anteil besteht. Eine Taktung 12 VDC / 24 VDC kann beispielsweise mit wenigen Bauteilen realisiert werden, wobei das Sensormodul 11 auch bei 0 V – Signal von der Ausgabe der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 noch mit mindestens 12 VDC versorgt bleibt.
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Entsprechend einer möglichen Ausführungsform kann somit beispielsweise ein Drehzahlsensor realisiert werden, der fest mit einer Maschine oder Anlage verbunden wird und der nicht durch Sensornachahmungen ersetzt werden kann. Hierzu moduliert die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 die Versorgungsspannung des Sensormoduls 11 um Daten zum Sensormodul 11 zu übertragen. Die empfangenen Daten werden im Sensormodul 11 von einem Mikroprozessor 13 verarbeitet und ausgewertet. Erkennt der Mikroprozessor 13 eine gültige Anfrage von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 identifiziert er sich über den Messsignalausgang 142. Die Datenübertragung in beide Richtungen erfolgt beispielsweise über einen Manchester Code. Ein separates Taktsignal ist somit nicht erforderlich. Wird kein gültiger Code von der Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 empfangen, liefert das Sensormodul 11 Impulse entsprechend der anliegenden Drehzahl. Das Sensormodul 11 kann somit jederzeit als gewöhnlicher Drehzahlsensor verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Sensorsystem 10 zeichnet sich entsprechend beispielhafter Ausführungsformen unter anderem durch folgende Merkmale aus:
- • Integration eines spezifisches Anwendungsprogramm für die Aussendung einer Identifikationsanfrage sowie der Auswertung des eingehenden Verifikationscodes in die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15.
- • Festlegung einer definierten Anzahl an ldentifikations-Verifikationsversuchen, bevor die Systeminitialisierung unterbrochen wird.
- • Codeabfrage und Verifikation kann dynamisch auf Basis kryptografischer Algorithmen wie der Hash-Reihen o.ä. erfolgen.
- • Senden und Empfangen der Signale an die Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 und das Sensormodul 11 sind ohne Hardware-Änderungen möglich. Im Falle des Sensormoduls 11 können eingehende und ausgehende Signale per Huckepack-Verfahren übertragen werden.
- • Überwachung der Mindestversorgungsspannung bzw. des Referenzspannungslevels, um das fehlerfreie Auslesen eines spannungsmodulierten Signals zu ermöglichen und die Funktionsfähigkeit des Sensormoduls 11 zur Messwertaufnahme zu gewährleisten.
- • Einfache Verschaltung mehrerer Sensormodule 11 zu Sensorknoten bzw. an eine Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS) 15 möglich.
- • Überwachung des fehlerfreien Einbaus des Sensormoduls 11 in die Maschine bzw. Anlage (z. B. durch Kabelbruchüberwachung, Testsignalabfrage, mechanische und elektrische Lagekennung o.ä.).
- • Einstellung definierter Antwortzeiten zur Sicherstellung der Funktionalität und Identität des Sensormoduls 11 möglich.
- • Sensormodul 11 ist ,downgrade'-fähig, d. h., der Funktionsumfang des Sensormoduls 11 in älteren Maschinen ohne Initialisierungsabfrage entspricht dem Funktionsumfang der bisherigen Modellreihen.
- • Geometrische Abmessungen des Sensormoduls 11 können denen bisherigen Baureihen entsprechen als zusätzlicher Schutz vor Plagiarismus.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung einige mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensorsystem
- 11
- Sensormodul
- 12
- Sensorelement
- 13
- Mikroprozessor
- 14
- Anschlüsse
- 141
- Spannungseingang
- 142
- Messsignalausgang
- 143
- Masseleitung
- 15
- Bedienungs- und Steuerungseinheit (SPS)
- 16
- Ausgänge
- 17
- Zenerdiode
- 18
- Diode
- 20
- Hallsensor
- 21
- Zahnkranzelement
- 22
- Magnetfeld
- 23
- Hallelemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011053612 A4 [0009]
