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Die Erfindung betrifft einen bezüglich des Explosionsschutzes eigensicheren Funkdongle für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Anschluss an einer elektrischen Schnittstelle des Feldgerätes, mit einer Funkschaltung zum Senden bzw. Empfangen von Funksignalen, und mit einem Steckerelement, wobei das Funkdongle mittels des Steckerelements an der elektrischen Schnittstelle lösbar anbringbar ist.
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In der Automatisierungstechnik werden Feldgeräte, insbesondere sogenannte Zweidraht-Feldgeräte, häufig in Bereichen eingesetzt, in denen der Stromverbrauch eines Feldgeräts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist. Ein Beispiel hierfür ist ein explosionsgefährdeter Bereich in einer industriellen Fertigungs- oder Prozessanlage, in der Geräte der Automatisierungstechnik zum Einsatz kommen. In solchen Bereichen sind Grenzwerte für die maximale Leistungsaufnamhe eines Feldgerätes vorgeschrieben. Die relevanten Vorschriften hierfür werden von verschiedenen Organisationen und Gesellschaften auf nationalen bzw. internationalen Ebenen festgelegt. Zweidraht-Feldgeräte sind aufgrund ihres begrenzten Stromverbrauchs besonders geeignet für den Einsatz in solchen Bereichen.
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Für den Einsatz im explosionsgeschützten Bereich sind verschiedene Schutzarten bekannt, beispielsweise Schutz durch druckgekapselte Gehäuse oder Sand-, Verguss- oder Ölkapselung, bei denen der Explosionsschutz durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt wird, welche darauf abzielen, zu unterbinden, dass leitfähige Anschlüsse in das explosionsgefährdete Medium hineinragen.
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Eigensichere Schaltkreise unterliegen dabei in der Regel starken Restriktionen bezüglich der Betriebsspannung und der für den Betrieb der Schaltung verfügbaren elektrischen Leistung. Die Maßnahmen zur Begrenzung der Zündenergie im Fehlerfall begrenzen auch die für den Normalbetrieb verfügbaren Leistungswerte und verhindern im Regelfall den Betrieb einer Schaltung, die für ihre Funktion kurzzeitig hohe Spitzenströme benötigt.
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Feldgeräte der Automatisierungstechnik werden in industriellen Anlagen vielfach eingesetzt. Es werden zum Beispiel in der Prozess- ebenso wie in der Automatisierungstechnik vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrössen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrössen dienen Messgeräte, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrössen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrössen werden Aktoren, wie Ventile oder Pumpen, verwendet, über die z.B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser angeboten und vertrieben. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff Feldgerät sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin umfasst der Begriff Feldgerät aber auch z. B. ein Gateway, einen Funkadapter oder andere in ein Bussystem integrierte/integrierbare Busteilnehmer.
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In diesem Zusammenhang ist die Notwendigkeit der Inbetriebnahme und das Konfigurieren von Feldgeräten anzukündigen. Bei der Kalibration eines Feldgerätes zum Beispiel ist es nötig, einen Kommunikationspfad von einem Bediengerät zum Feldgerät selbst oder zwischen Feldgeräte herzustellen. Jedoch kann diese Aufgabe mit großem Aufwand verbunden sein, insbesondere in explosionsgefährdeten Anlagen. Die Minimierung der Ausfalldauer einer Anlage oder eines Teils einer Anlage aufgrund eines Konfigurations- und Wartungsprozesses ist wichtig. Daher sind Funk-Lösungen, d.h. die Verwendung von Funktechnologien zur Kommunikation zwischen Feldgeräten oder zwischen einem Bediengerät und einem Feldgerät, als vorteilhaft gegenüber einer Kabelverbindung zu einer Industrieschnittstelle eines Feldgerätes anzusehen.
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Aus der
DE 600 18 072 T2 ist ein funkfähiges Feldgerät bekannt, das in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in dieser Druckschrift offenbart ist, wird die reduzierte Verfügbarkeit an Leistung bzw. Energie berücksichtigt. Um die nötige Energie zum Aussenden von Funksignalen bereitzustellen, ist ein Energiepuffer in dem Feldgerät vorgesehen, der Energie vorspeichert in dem Zeitbereich, wenn die Sendeeinheit keine Funksignalen aussendet. Es ist weiterhin vorgesehen, den drahtlosen zu stoppen, wenn die Energieversorgung nicht mehr ausreichend ist. Dies ermöglicht eine fehlerfreie Datenübertragung, die andernfalls bei dem abrupten Abbruch einer Funkübertragung unmöglich wäre. Allerdings muss das Feldgerät, um drahtlos kommunizieren zu können, komplett umgestaltet werden.
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Gemäß dem Stand der Technik sind viele verschiedene Funkdongles bekannt, die die Funkfähigkeit eines Feldgerätes herstellen oder erweitern können. Es gibt beispielsweise USB-Funkdongles, die an einer USB-Schnittstelle eines Rechners anschließbar sind, welche zur drahtlosen Kommunikation mit anderen Felderäten und/oder Bediengeräten dienen. Solche Funkdongles sind aber in keiner Weise für explosionsgefährdete Bereiche in industriellen Anlagen geeignete, da die Leistungs- und Ex-Sicherheitseigenschaften dem zuvor beschriebenen Anforderungen nicht genügen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eigensicheren Funkdongle für den Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich bereitzustellen, der an einer bereits vorhandenen Industrieschnittstelle eines Feldgerätes, insbesondere eines Zweidraht-Feldgerätes anschließbar ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Steckerelement mehrere Kontaktelemente aufweist, wobei die Kontaktelemente an eine Leiterkarte im Funkdongle angeschlossen sind,
dass ein erstes Kontaktelement zur Energieversorgung des Funkdongles dient,
dass ein Energiepuffer auf der Leiterkarte vorgesehen ist, der dem ersten Kontaktelement nachgeschaltet ist,
dass das Steckerelement ein zweites Kontaktelement aufweist, das zur Datenübertragung zwischen dem Feldgerät und dem Funkdongle dient,
dass jeweils zumindest ein Begrenzungswiderstand dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement nachgeschaltet sind, und
dass die Widerstände und der Energiepuffer des Funkdongles mittels einer Vergussmasse gekapselt sind.
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Schutzarten wie druckgekapselte Gehäuse oder Sand-, Verguss- oder Ölkapselung, bei denen der Explosionsschutz durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt wird, sind für einen Funkdongle nicht bevorzugt, da eine solche Einheit bestimmungsgemäß leitend mit Kontaktflächen ausgestaltet werden soll, mittels derer der Dongle auf eine Schnittstelle aufgesteckt werden kann. Eine Alternative für diesen Anwendungsfall stellt eine sogenannte eigensichere Auslegung der Schaltungen dar, die den Schutz vor Funkenbildung dadurch sicherstellt, dass Ströme, Leistung und Spannung auf den dem explosionsgefährdeten Medium ausgesetzten Leitern auf einen unbedenklichen Wert begrenzt werden.
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Die Begrenzungswiderstände in Verbindung mit der Vergussmasse verhindern die Gefahr der Funkenbildung. Die elektrische Schnittstelle erfüllt damit die Anforderung an die Eigensicherheit des Feldgerätes. Funken können entstehen, wenn die Spannung bei einen vorgegebenen Abstand zwischen zwei Elementen eine bestimmte Schwelle überschreitet. In Luft und unter Standardbedingungen (beispielsweise Atmosphärendruck), werden pro Millimeter zwischen zwei Leitern etwa 3000 Volt bis zum elektrischen Überschlag eines Funkens benötigt. Das Vermeiden von Funkenbildung wird daher durch die Begrenzung der Spannung erzielt. Dies bedingt beispielsweise den Einsatz von Widerständen. Insbesondere bei der Verwendung eines Energiepuffers ist die Platzierung und die Größe dieser Widerstände entscheidend, denn die im Energiepuffer gesammelte Energie reicht potentiell für die Bildung eines Zündfunkens aus. Eine Vergussmasse wird verwendet, um das Risiko einer Funkenbildung weiter zu reduzieren, da die elektrische Überschlagspannung einer Vergussmasse wesentlich höher ist als die von Luft. Durch Einsatz einer geeigneten Vergussmasse wird der Einsatz auch von großen Energiepuffern im eigensicheren Umfeld zulässig, selbst wenn die Energiemenge im Energiepuffer die Grenzwerte für die Zündgrenzkurve überschreitet. Für die Schutzwirkung ist dabei nicht maßgeblich, ob der umschließende Vergusswerkstoff über einen Verguss oder einen Spritzgussprozess, z.B. einen sogenannten HotMelt-Prozess oder klassischen Kunststoff-Spritzguss, auf die Leiterkarte aufgebracht wird. Wird ein Spritzgussprozess genutzt, ist es wegen der ggf. höheren Prozesstemperaturen und Prozessdrücke ggf. vorteilhaft, die Leiterkarte des Funkdongles zunächst über einen ersten Niedertemperaturverguss vor den höheren Temperaturen und Prozessdrücken des Spritzgussprozesses zu schützen.
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Der Vorteil des Einsatzes eines Spritzgussprozesses, wie er auch für gewöhnliche Kunststoffgehäuse verwendet wird, besteht darin, dass Werkstoffe zum Einsatz kommen können, die eine hohe Chemikalien- oder Temperaturbeständigkeit aufweisen, wie sie z.B. in der Regel von bei niedrigen Temperaturen verwendbaren Gießharzen nicht erreicht werden. Der Vergusswerkstoff kann in diesem Fall neben der Aufgabe der Verkapselung auch die Aufgabe des umschließenden Gehäuses übernehmen. Bevorzugt werden Silikon, Polyurethane und/oder Epoxidharze basierte Vergusswerkstoffe als Vergussmasse im Funkdongle angewendet. Hierfür sind beispielsweise ein Silikonkautschuk unter der Handelsbezeichnung Silgel von der Firma Wacker, polyurethane Vergüsse unter den Handelsbezeichungen Wevorpur 403 FP von der Firma WEVO-CHEMIE GMBH und/oder Wepuran VU 4452 /61 HE von der Firma Lackwerke Peters GmbH + Co KG, und Epoxidharze unter der Handelsbezeichnung Stycast-2651 von der Firma Henkel AG & Co. KGaA im Jahr 2014 zu erhalten.
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Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen z.B. eine Leuchtdiode in einem Steckverbinder über ein Spritzgussverfahren mit umschlossen wird.
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Erfindungsgemäß erfüllt der Vergusswerkstoff in Kombination mit den ebenfalls umkapselten resistiven Begrenzungswiderständen neben dem Schutz vor Umgebungseinflüssen wie Feuchte auch eine Schutzaufgabe im Bereich des Explosionsschutzes.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funkdongles ist ein Gleichspannungswandler vorgesehen, der dem Energiepuffer nachgeschaltet ist, wobei der Gleichspannungswandler dazu dient, die Spannung, die der Funkschaltung zur Verfügung gestellt wird, zu regeln. Der Gleichspannungswandler dient weiterhin dazu, die Spannung konstant zu halten, auch wenn die Spannung des Energiepuffers schwankt, z.B. dadurch dass während einer Funkübertragung Energie aus dem Puffer entnommen wird. Mit der Verwendung eines Gleichspannungswandlers wird auch die Anpassung von Funkschaltungen, die verschiedene Betriebsspannungen benötigen, ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Energiepuffer mit einer ersten Betriebsspannung betrieben, die Funkschaltung wird mit einer zweiten Betriebsspannung betrieben, und der Gleichspannungswandler setzt die erste Betriebsspannung auf die zweite Betriebsspannung um. In dem Fall, dass die Betriebsspannungen des Energiepuffers und der Funkschaltung festgelegt sind, kann ein einfacher, nicht variabler Spannungswandler eingesetzt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funkdongles ist eine erste Überwachungsanordnung zum Überwachen der Energie im Energiepuffer vorgesehen. Die erste Überwachungsanordnung weist einen Schalter auf, der zwischen dem Energiepuffer und der Funkschaltung Initial in einem geöffneten Zustand ist. Der Schalter wird geschlossen, wenn die Energie im Energiepuffer einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Auf diese Weise wird eine initiale Menge an Energie in den Energiepuffer hineingebracht. Mit anderen Worten, das Anschalten des Funkbetriebes der Funkschaltung des Funkdongles wird, nachdem das Funkdongle an der Schnittstelle angesteckt wird, so lange verzögert, bis eine vorgegebene Energiemenge vorgespeichert werden kann. Ohne diese Überwachungsanordnung kann nicht sicher gestellt werden, dass der Energiepuffer während des laufenden Betriebs der Funkschaltung hinreichend Energie sammeln kann, mit der Folge, dass nicht genügend Energie beim Aussenden von Funksignalen zur Verfügung steht, bzw. dass die Funkschaltung nicht korrekt anläuft.
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In eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funkdongles ist eine zweite Überwachungsanordnung vorgesehen, die die Energieversorgung des Funkdongles überwacht, und in dem Fall, dass die zur Verfügung stehende Energie zum Betreiben des Funkbetriebs des Funkdongles unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt, den Funkbetrieb ausschaltet. Somit wird eine fehlerfreie Übertragung von Daten mittels ausgesendeter Funksignale ermöglicht. In dem Fall, dass nicht hinreichende Energie zur Verfügung steht, kann es passieren, dass ein Datenübertragungsvorgang abgebrochen wird. Dies kann zu Fehlern führen, die mittels der zweiten Überwachungsanordnung vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funkdongles ist das zweite Kontaktelement Teil einer ersten Datenübertragungsleitung, die Daten vom Funkdongle zum Feldgerät überträgt, und ein drittes Kontaktelement ist vorgesehen, das Teil einer zweiten Datenübertragungsleitung ist, die Daten vom Feldgerät zum Funkdongle überträgt, und ein Begrenzungswiderstand ist dem dritten Kontaktelement nachgeschaltet. Elektrische Schnittstellen können zwei Kontakte aufweisen, die jeweils Daten in nur einer Richtung übertragen. Der Funkdongle wird daher vorteilhaft so ausgestaltet, dass die Aufforderungen der vorhandenen elektrischen Schnittstelle angepasst sind. Somit wird vermieden, ein zusätzliches Anpassungsteil zu entwickeln, zu produzieren und mitliefern zu müssen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funkdongles weisen die Datenübertragungsleitungen am zweiten und dritten Kontaktelement einen ersten Spannungspegel auf, die Datenübertragungsleitungen an der Funkschaltung weisen einen zweiten Spannungspegel auf, und ein Pegelwandler konvertiert die Spannungspegel. Der Pegelwandler funktioniert als Übersetzer, indem er die Kommunikation zwischen dem Feldgerät und dem Funkdongle ermöglicht. Hierzu ist eine Pegelkonvertierung von einer ersten Spannungsstufe zu einer zweiten Spannungsstufe vorgesehen. Alternativ ist der Pegelwandler befähigt, auf variable Weise je nach Anforderung eine Konvertierung durchzuführen. Weiterhin dient der Pegelwandler dazu, die Auswirkung der Widerstände auf das Spannungsverhalten einer Signale der Datenübertragungsleitungen auszugleichen. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Verschleifung eines Rechtecksignals handeln, die z.B. die Flankensteilheit des Rechtecksignals verringert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die erste Betriebsspannung dem ersten Spannungspegel und die zweite Betriebsspannung dem zweiten Spannungspegel.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkdongles ist ein viertes Kontaktelement vorgesehen, das auf Masse liegt. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Energiepuffer ein Kondensator ist, wobei eine erste Elektrode des Kondensators an einem dem ersten Kontaktelement nachgeschaltenen Knoten angeschlossen ist, und
dass eine zweite Elektrode des Kondensators an dem vierten Kontaktelement angeschlossen ist. Somit kann eine kostengünstige Ausgestaltung eines Energiepuffers realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Funkdongle ein hermetisch dichtes Gehäuse auf, und weiterhin, ist das Gehäuse mit der Vergussmasse zumindest teilweise gefüllt. Somit wird der Funkdongle zusätzlich vor Feuchte und Chemikalien geschützt. Diese Ausführungsform bringt auch Vorteile bezüglich der Fertigung eines Funkdongles, denn das Vergießen wird vereinfacht. Die Fertigung kann daher schneller und kostengünstiger ausgeführt werden.
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Zusammenfassend wird durch die beschriebenen Merkmale ein eigensicherer Funkdongle geschaffen. Die Begrenzungswiderstände in den Energieversorgungs- und Datenleitungen stellen sicher, dass der Funkdongle auch im Fehlerfall keinen, für eine elektrische Zündung geeigneten gefährlichen Signale generieren kann. Die durch die in den Datenleitungen eingebrachten Begrenzungswiderstände hervorgerufene schlechte Signalqualität auf den Datenleitungen wird durch den Pegelwandler korrigiert. Die durch den Begrenzungswiderstand in der Energieversorgung begrenzten, für den Funkbetrieb aber nötigen hohen Spitzenströme werden durch den unter Verguss gekapselten Energiepuffer bereitgestellt. Abschließend ermöglichen Überwachungsschaltungen einen verlässlichen Betrieb des Funkdongles auch für den Fall, dass der Energiepuffer vorübergehend einen Ladezustand aufweist, der die für den Funkbetrieb erforderlichen hohen Spitzenströme zulässt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkdongles ist im Funkdongle eine Antenne integriert und sowohl Energiepuffer, Funkschaltung und Antenne sind gemeinsam über die Vergussmasse verkapselt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist im Funkdongle eine Antenne integriert, deren Antennenzuleitung über mindestens einen Trennkondensator vom Energiepuffer getrennt ist, wobei der mindestens eine Trennkondensator gemeinsam mit dem Energiepuffer und der Funkschaltung über die Vergussmasse verkapselt ist. Somit muss die Antenne nicht zwingend mit vergossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Antenne derart ausgestaltet, dass sie als Teil des Funkdongles auch als Griffelement wirkt, welches gestattet, den Prozess des Aufsteckens und ggf. Verriegelns auf der Kontaktgegenstelle des Feldgerätes besonders ergonomisch auszuführen, beispielsweise dadurch, dass das umgebende Gehäuse bzw. das umspritzte verkapselte Gehäuse eine geeignete Riffelung für einen optimalen Griff enthält.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Position der Antenne im Funkdongle durch ein geeignetes Piktogramm gekennzeichnet. Der Vorteil besteht darin, dass dem Anwender damit gezeigt wird, welche Stelle des Funkdongles für die Funkfunktion wichtig ist. Damit kann z.B. ein Hinweis gegeben werden, dass in der direkten Umgebung dieses Bereichs des Funkdongles optimalerweise kein metallisches Rohr oder Kabel positioniert wird, welches die Sende- und Empfangseigenschaften negativ beeinflussen könnte.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist im Funkdongle eine Verschlüsselungseinheit integriert, die dazu dient, den Funkkanal gegen Abhören und/oder Manipulation abzusichern.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform verfügt die Verschlüsselungseinheit über einen nichtflüchtigen Speicher, in dem Informationen wie Passwörter oder Schlüssel abgelegt werden. so dass der Funkdongle den Funkkanal gegen Abhören, unberechtigten Zugriff oder Manipulation absichern kann, ohne dass anderweitige Sicherheitsfunktionen im Feldgerät erforderlich sind. Somit enthält die Beschaltungskarte einen nichtflüchtigen Speicher, in dem sicherheitsrelevante Daten, wie z.B. Passwörter oder Kennwörter hinterlegt sind. Der Funkdongle erfüllt damit außerdem die Aufgabe eines Security-Dongles, wie er z.B. in Form eines USB-Dongles im Bereich von PC-Anwendungen zur Absicherung von Banktransfers bekannt ist. Der Vergusswerkstoff erfüllt in diesem Fall vorteilhaft zusätzlich eine Schutzfunktion, die einem Angreifer den zerstörungsfreien Zugriff auf den Speicher der Beschaltungskarte erschwert und einen unberechtigten Zugriff auf die dort gespeicherten sicherheitsrelevanten Daten ggf. verhindert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschaltungskarte weiterhin so ausgestaltet, dass sie Verschlüsselungs- und Endschlüsselungsoperationen durchführt und damit die Funkverbindung gegen Abhören, unberechtigten Zugriff und Manipulationen schützt, ohne dass eine Mitwirkung des Feldgerätes erforderlich wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kommen aufgrund des begrenzten Energiebudgets insbesondere Verschlüsselungsverfahren auf Basis von elliptischen Kurven zum Einsatz, insbesondere Kurven in sogenannter Montgomery-Edwards oder Twisted Edwards-Form.
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In diesem Zusammenhang erfüllt der Energiespeicher zusätzlich die Aufgabe, dass der zeitliche Verlauf der Stromaufnahme der Verschlüsselungseinheit beim Ausführung einer Verschlüsselungsoperation an den externen Kontaktflächen nicht erfasst werden kann, weil dieser durch den Energiepuffer geglättet wird. Das ist insofern vorteilhaft, weil aus dem zeitlichen Verlauf der Stromaufnahme während einer Verschlüsselungsoperation Rückschlüsse auf den verwendeten Schlüssel möglich sein können, z.B. dadurch, dass ein Schlüsselbit nach dem anderen verarbeitet wird und bei einem logischen „1“ Pegel ein anderer Strombedarf entsteht als bei einem logischen „0“ Pegel.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1a: eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkdongles;
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1b: ein schematischer Längsschnitt des in 1a gezeigten Funkdongles;
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2: ein Querschnitt des in 1 gezeigten Funkdongles; und
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3: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Funkdongles.
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In 1a wird eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkdongles 18 gezeigt. Das hier abgebildete Steckerelement 1 ist lösbar an einer elektrischen Schnittstelle 1 eines Zweidraht-Feldgeräts 25 anbringbar. Eine drehbare Kappe 2 ist gezeigt, die ein nicht dargestelltes Innengewinde aufweist. Nach dem Anstecken des Funkdongles 18 an die elektrische Schnittstelle 1 kann die Kappe 2 auf ein vorgesehenes Außengewinde der Schnittstelle 1 draufgeschraubt werden. Somit wird das Funkdongle 18 an dem Zweidraht-Feldgerät 25 befestigt. Die Schraubverbindung dient weiterhin dazu, einen elektrischen Kontakt zwischen dem Funkdongle 18 und der elektrischen Schnittstelle 1 zuverlässig herzustellen. Das Steckerelement 1 weist (in 1a nicht sichtbar) vier Kontaktelemente K1, K2, K3, K4 auf. Das dargestellte hermetisch dichte Gehäuse 3 schafft einen Innenraum 4 des Funkdongles 18, in dem ein Abschnitt der Kontaktelemente K1, K2, K3, K4, eine Leiterkarte 5 und verschiedene Schaltungskomponente R1, 15, 7, SoC, usw. platziert sind.
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1b zeigt einen schematischen Längsschnitt des in 1a gezeigten Funkdongles 18. Zwei der insgesamt vier Kontaktelemente K1, K2 sind dargestellt, wobei die Kontaktelemente K1, K2 die Leiterkarte 5 in dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 kontaktieren.
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2 zeigt ein Querschnitt des in 1 gezeigten Funkdongles, wobei die vier Kontaktelemente K1, K2, K3, K4, die Leiterkarte 5 und das Gehäuse 3 sichtbar sind. Die in 1 und 2 dargestellte Ausführungsform ist nur ein mögliches Beispiel der strukturellen Form des erfindungsgemäßen Funkdongles 18. Ein Fachmann würde verstehen, dass die hier gezeigten Elemente ohne größeren Aufwand in viele verschiedene mechanische Formen zusammengestellt werden können. Die beanspruchte Erfindung ist daher nicht als auf diese Ausführungsform beschränkt zu verstehen.
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3 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Funkdongles. Insbesondere ist die Schaltung, die sich auf der Leiterkarte 5 befindet, näher dargestellt. Es sind vier Anschlüsse A, B, C, D vorgesehen, die zum Anschluss an die Kontaktelemente K1, K2, K3, K4 des Funkdongles 18 dienen. Der erste Anschluss A führt zu einem ersten Widerstand R1. Der Widerstand R1 zusammen mit der Zener-Diode 8 stellen eine Strombarriere zum Zweck des Explosionsschutzes her. Ein Knoten 6 ist in einer dem ersten Widerstand R1 nachgeschalteten Position zu finden. An dem Knoten 6 ist ein Kondensator 7 und ein Schalter S1, sowie ein Überwachungspfad P angeschlossen. Der Kondensator 7 dient als Energiepuffer 7 und funktioniert auf die wie folgt beschriebene Weise.
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Anschluss A bzw. das entsprechende Kontaktelement K1 schließen sich an einen Energieversorgungsanschluss E der elektrischen Schnittstelle 1 an. Der Kondensator 7 beginnt einen Ladevorgang, nachdem eine Spannung an Anschluss A anliegt. Die initiale Schaltstellung der Schalter S1 ist so ausgestaltet, dass kein elektrischer Strom über den Schalter S1 fließen kann. Schalter dieser Art sind in Verbindung mit dem Begriff N.O. Schalter (aus dem Englischen für „normally open“) bekannt.
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Der Überwachungspfad P führt zu einem ersten Eingang 9 eines Komparators 10. Der Ausgang 11 des Komparators 10 führt zu dem Schalter S1. Der Ausgang 11 des Komparators 10 dient dazu, den Schalter S1 zuzuschalten, sobald die an dem Komparator 10 anliegende Spannung von dem Überwachungspfad P einen bestimmten Schwellwert überschreitet. In dem Moment, in dem der Schwellwert überschritten wird, schaltet ein Ausgangssignal des Komparators 10 von einem ersten Spannungspegel zu einem zweiten Spannungspegel und betätigt somit den Schalter S1. Der Schalter S1 ist dann geschlossen. Somit ist der Schalter S1 in einem offenen Zustand bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Spannung über den Kondensator 7 einen vorgegebenen Schwellwert erreicht.
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Die Verwendung eines solchen Schwellwertes ist insbesondere für Funkschaltungen vorteilhaft, welche alternativ in einem „Schlafmodus“ oder einem „aufgeweckten“ Betriebsmodus arbeiten können. Charakteristisch für den Übergang aus dem Schlafmodus in den Betriebsmodus ist, dass häufig kurzzeitig hohe Stromspitzen erforderlich sind, ohne die der Prozess des Aufweckens nicht verlässlich erfolgen kann.
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Wenn der Schwellwert des Energiepuffers 7 erreicht ist, reicht die Energie aus, die bis zu diesem Zeitpunkt in dem Kondensator 7 gespeichert wurde, um eine Funkschaltung 23 auf der Beschaltungskarte SoC „aufzuwecken“ und die Funkschaltung 23 für eine vorgegebene Zeitspanne zu betreiben. Dieses Prinzip ist insbesondere für den Anlauf der Funkschaltung 23 vorteilhaft, d.h. insbesondere auch für den Zeitpunkt, wenn der Funkdongle 18 an der elektrischen Schnittstelle 1 des Feldgerätes 25 kontaktiert wird und der Energiepuffer 7 vollständig leer ist. Die Nutzung des Schalters S1 in Kombination mit so einer Überwachungsschaltung verhindert vorteilhaft, dass die Funkschaltung 23 mit einer zu kleinen Versorgungsspannung betrieben wird, d.h. einer Spannung die zu klein für einen verlässlichen Betrieb ist. Das damit vermiedene Problem ist, dass der bei der zu kleinen Betriebsspannung in einem „halb aufgeweckten“ Übergangszustand fließende Strom ggf. so groß sein kann, dass der von der Funkschaltung 23 in diesem Übergangszustand entnommene Strom verhindert, dass sich der Energiepuffer 7 jemals ausreichende Energie speichern kann.
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Dieses Prinzip ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil viele Funkschaltungen 23 sogenannte „Schlafmodi“ unterstützen, während derer sie eine besonders niedrige Stromaufnahme aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, dass ein initiales „Aufwecken“ der Funkschaltung 23 dann erfolgt, wenn die Energiemenge im Energiepuffer 7 so hoch ist, dass der gestattet die Stromspitzen abzupuffern, welche während des Aufweckprozesses ggf. benötigt werden.
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Für den Einsatz als Energiepuffer 7 empfehlen sich neben Elektrolytkondensatoren auch sogenannte SuperCaps-Kondensatoren, welche eine besonders hohe Energiedichte haben und deswegen im explosionsgeschützten Bereich in der Regel nicht eingesetzt werden dürfen. Über einen geeigneten Vergusswerkstoff kann eine Gefährdung ausgeschlossen werden. Geieignete Vergusswerkstoffe sind, wie zuvor erwähnt, Silikon, Polyurethane und/oder Epoxidharze basierte Vergusswerkstoffe. Alternativ können als Energiepuffer 7 auch elektrochemische Speicher, wie Akkumulatoren eingesetzt werden.
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Die Funkschaltung 23 befindet sich in 3 auf einer Beschaltungskarte SoC bzw. in einem sogenannten „System on Chip“. Zwischen der Beschaltungskarte SoC und dem Schalter S1 ist ein Gleichstromwandler 12 geschaltet. Der Gleichstromwandler 12 dient dazu, den an dem Kontaktelement K1 anliegenden Strom auf einer Betriebsspannung, mit der die Funkschaltung 23 betrieben wird, hoch oder herunter zu setzen.
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Der Überwachungspfad P führt nach dem Anschluss an den ersten Eingang 9 des Komparators 10 weiterhin zum Anschluss an die Beschaltungskarte SoC. Die an dem Knoten 6 anliegende Spannung ist somit von einer Überwachungsanordnung 13 auf der Beschaltungskarte SoC abtastbar. In dem Fall, dass die Spannung auf dem Knoten 6 unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt, wird der Funkbetrieb von der Überwachungsanordnung 13 auf der Beschaltungskarte SoC ausgeschaltet. Hierbei handelt es sich um den Fall, dass die Energie, die in dem Energiepuffer 7 gespeichert ist, verbraucht wird und die Spannung, die an dem Knoten 6 anliegt, nicht mehr auf einem bestimmten Spannungspegel gehalten wird. In diesem Fall ist die Energie im Energiepuffer 7 nicht mehr ausreichend, um den Funkbetrieb aufrecht zu erhalten.
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An der Beschaltungskarte SoC ist eine Funkantenne 14 angebracht zum Senden und Empfangen von Funksignalen. Sofern diese ohne weitere Begrenzungsmaßnahmen, wie Begrenzungswiderstände R1, mit dem Energiepuffer 7 leitend verbunden ist, muss auch diese, ebenso wie der Energiepuffer 7 selbst, mit unter eine Vergussmasse 17 verkapselt werden. Anderenfalls könnte sich die im Energiepuffer 7 gespeicherte Energiemenge über die Antenne 14 entladen und einen Zündfunken hervorrufen.
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Die optimale Länge der Antenne 14 wird durch die Vergusskapselung 17 beeinflusst. Sie ist dementsprechend im Vergleich zu den für die Funkfrequenz erforderlichen geometrischen Abmessungen geometrisch kleiner als eine in Luft befindliche Antenne 14. Hierdurch kann die Abstrahlwirkung kann negativ beeinflusst werden.
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Alternativ ist es möglich, eine Entladung der Energie im Energiepuffer 7 über die Antenne 14 dadurch zu unterbinden, dass in die Verbindungszuleitung 24, welche die Funkschaltung 23 mit der Antenne 14 verbindet, eine kapazitive Trennung 19 vom Energiepuffer 7 erfolgt. In der Regel gestatten die Normen des Explosionsschutzes eine Trennung beim Einsatz von mindestens zwei hochspannungsfesten Kondensatoren 19. Derartige Kondensatoren können dazu genutzt werden, dass die Funksignale zwischen Antenne 14 und Funkschaltung 23 ausgetauscht werden, aber trotzdem die im Energiepuffer 7 enthaltene kritische Energiemenge nicht zu einer Zündwirkung führen kann. Der Vorteil des Einsatzes solcher Koppelkondenatoren 19 besteht darin, dass die Antenne 14 nicht mehr zwingend ebenso über Vergussmaterial 17 verkapselt werden muss, wie der Energiepuffer 7 und die mit dem Energiepuffer 7 verbundene Funkschaltung 23. Das ermöglicht ggf. eine bessere Abstrahlwirkung 20 der Antenne 14.
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Weiterhin sind zwei Datenübertragungsleitungen B, C an der Beschaltungskarte SoC angeschlossen. Die erste Datenübertragungsleitung B in diesem Ausführungsbeispiel überträgt Daten, welche von der Antenne und der Funksschaltung empfangenen wurden, von der Beschaltungskarte SoC an dem angeschlossenen Feldgerät. Die zweite dargestellte Datenübertragungsleitung C überträgt Daten in die gegengesetzte Richtung, nämlich vom Feldgerät in die Richtung der Beschaltungskarte SoC.
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Die Datenübertragungsleitungen B, C weisen jeweils einen Widerstand R2, R3 auf. Hierbei handelt es sich um Begrenzungswiderstände R2, R3, die dazu dienen, den abgebbaren Strom und die Leistung auf den Datenübertragungsleitungen B, C zu begrenzen. Wie vorhin erwähnt, ist die Vermeidung von Funkenbildung hierdurch sichergestellt, jedoch wird die Höhe der Ausgangsbetriebstrom des Feldgerätes 25 stark reduziert und die Signalqualität auf den Datenübertragungsleitungen B, C wird negativ beeinflusst.
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Die Datenübertragungsleitungen B, C schließen sich weiterhin an einen Pegelwandler 15 an. Der Pegelwandler 15, ähnlich zu dem Gleichstromwandler 12, setzt den Spannungspegel der jeweiligen Spannung auf einer der Datenübertragungsleitungen B, C um. Die jeweiligen Betriebsspannungen der Funkschaltung 23 und der elektrischen Schnittstelle 1 werden auf diese Weise aneinander angepasst. Der Pegelwandler 15 dient weiterhin dazu, verschiedene Signalstörungen, die beispielsweise von den Begrenzungswiderständen R2, R3 erzeugt werden, aus den Datensignalen herauszufiltern. Die von dem Pegelwandler 15 ausgehenden Signale sind somit Rechtecksignale mit sauberen Schaltflanken.
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Bei der Ausführungsform, die in 1 bis 3 dargestellt ist, wird der Funkdongle 18 an ein Zweidraht-Feldgerät 25 angeschlossen, indem die vier Kontaktelemente K1, K2, K3, K4 an eine entsprechende Schnittstelle 1 angesteckt werden. Die Schutzkappe 2 des Funkdongles 18 wird dann auf ein vorgesehenes Gewinde an der Schnittstelle 1 angeschraubt. In dem Fall, dass eine Spannung bereits an dem ersten Kontaktelement zur Energieversorgung des Feldgerätes 25 vorgespannt ist, beginnt der Energiepuffer 7 einen Ladevorgang, sobald der Funkdongle 18 an das Feldgerät 25 angebracht wird. Während dieses Ladevorgangs reicht die Energiemenge nicht aus, um die Funkschaltung 23 aus dem Schlafmodus verlässlich aufzuwecken. Der Energiepuffer 7 lädt bis die Spannung, die auf dem Knoten 6 anliegt, einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Dieser Schwellwert wird im Abhängigkeit einer Spannung, die an dem zweiten Eingang 16 des Komparators 10 anliegt, vorgegeben.
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Überschreitet die Spannung an den Knoten 6 (und somit die Spannung an dem ersten Eingang 9 des Komparators 10) diesen Schwellwert, schaltet das Ausgangsignal 11 des Komparators 10, sodass der Schalter S1 geschlossen wird. Bei dem Schließen dieses Schalters S1 fließt ein elektrischer Strom über das erste Kontaktelement K1, den ersten Widerstand R1 bis hin zum Gleichstromwandler 12. Der Gleichstromwandler 12 wandelt den Strom in einen Spannungspegel um, welcher der Betriebsspannung der Funkschaltung 23 entspricht.
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Die Funkschaltung 23 wird somit mit Energie versorgt und kann Funksignale empfangen und aussenden. Beim Aussenden von Funksignalen kann es vorkommen, dass die Funkschaltung 23 einen höheren Energieverbrauch aufweist, als durch den Begrenzungswiderstand R1 in der Versorgungsleitung E, A ermöglicht wird.
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Die Energieversorgungsspannung E vom Feldgerät 25 kann beispielsweise bei 3V liegen. Über die im Feldgerät 25 integrierten Begrenzungsmaßnahmen zur Sicherstellung der Eigensicherheit werden z.B. maximal 500 µA dem Funkdongle 18 zur Verfügung gestellt. Jedoch kann es vorkommen, dass die Funkschaltung 23 über einen Zeitraum von beispielsweise 400 µs circa 12 mA benötigt, um Funksignale aussenden zu können oder die Funkschaltung 23 aufzuwecken. Die durch die Begrenzungswiderstände R1, R2, R3 bedingte Strombegrenzung verkompliziert diese Situation noch weiter. Unter solchen Umständen kommt der Energiepuffer 7 zum Einsatz, um den fehlenden Betrag an Leistung bereitzustellen. Falls die Energie in dem Energiepuffer 7 so reduziert wird, dass die Funkschaltung 23 keine Funksignale aussenden kann, fällt die Spannung an dem Knoten 6 unter einen vorgegebenen Schwellwert. Dies wird mittels der zweiten Überwachungsanordnung 13 auf der Beschaltungskarte SoC festgestellt. Daraufhin wird zumindest die Sendefunktion der Funkschaltung 23 ausgeschaltet, bis die Versorgungsspannung wieder ausreicht, um die Funksignale 20 zu senden. Alternativ kann die Beschaltungskarte SoC bis zum Erreichen eines ausreichenden Füllgrades der Energiepuffer 7 wieder in einen Schlafmodus versetzt werden.
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Die zweite Überwachungsanordnung 13 stellt somit sicher, dass nach dem initial erfolgreichen Anlauf der Funkschaltung 23 der Energiepuffer 7 niemals auf einen Wert entladen wird, der ein verlässliches späteres „Aufwecken“ der Funkschaltung 23 verhindert.
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Die Betriebsspannung kann beispielsweise bei 1,8 Volt liegen. In dem Fall, dass das Zweidraht-Feldgerät 25 eine andere Betriebsspannung, beispielsweise 3 Volt, aufweist, dient der Pegelwandler 15 dazu die von der Beschaltungskarte SoC ausgegebene 1,8 Volt auf 3 Volt umzusetzen, und genauso die 3 Volt Betriebsspannung des Feldgerätes 25 auf ein 1,8 Volt Betriebsspannung für die Beschaltungskarte SoC bzw. Funkschaltung 23 umzusetzen. Weiterhin dient der Pegelwandler 15 dazu, die Spannungsverluste über die Widerstände R2, R3 auszugleichen bzw. die Datenübertragungssignale auf die Datenübertragungsleitungen B, C zu verschärfen. Dies hat eine besonders wichtige Bedeutung bei hohen Übertragungsraten, denn es werden hierdurch Übertragungsfehlern vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steckerelement
- 2
- Kappe
- 3
- Gehäuse
- 4
- Innenraum des Funkdongles
- 5
- Leiterkarte
- 6
- Knoten
- 7
- Energiepuffer/Kondensator
- 8
- Zener Diode
- 9
- ersten Eingang eines Komparators
- 10
- Komparator
- 11
- Ausgang des Komparators
- 12
- Gleichstromwandler
- 26, 13
- erste-, zweite Überwachungsanordnung
- 14
- Funkantenne
- 15
- Pegelwandler
- 16
- zweite Eingang des Komparators
- 17
- Vergussmasse
- 18
- Funkdongle
- 19
- Trennkondensator
- 20, 24
- Funkkanal, Verbindungszuleitung
- 21, 22
- Verschlüsselungseinheit, nichtflüchtigen Speicher
- 1, E
- elektrische Schnittstelle, Energieversorgungsanschluss
- 25
- Feldgerät
- K1, K2, K3, K4
- vier Kontaktelemente
- A, B, C, D
- Anschlüsse/Übertragungsleitungen
- R1, R2, R3
- Begrenzungswiderstände
- P
- Überwachungspfad
- SoC
- Beschaltungskarte
- S1
- Schalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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