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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch ein Messrohr nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5µS/cm. Entsprechende Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG vertrieben.
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Das Messprinzip beruht auf dem Faraday´schen Gesetz der magnetischen Induktion und ist aus diversen Veröffentlichungen bekannt. Mittels eines an einem Messabschnitt befestigten Magnetsystems wird im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des leitfähigen Fluides ein Magnetfeld zeitlich konstanter Stärke erzeugt. Dadurch werden die im strömenden Fluid vorhandenen Ionen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Die durch diese Ladungstrennung entstehende elektrische Spannung wird mittels mindestens eines ebenfalls im Messabschnitt befestigten Messelektrodenpaares abgegriffen. Die abgegriffene Spannung ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und damit proportional zum Volumendurchfluss.
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Die Messgenauigkeit eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts hängt dabei von vielen verschiedenen Faktoren ab. Manche davon betreffen die Konstruktion an sich, wie beispielsweise die Positioniergenauigkeit und/oder Ausgestaltung des Magnetsystems, oder die Auslesung des Messsignals über das mindestens eine Messelektrodenpaar sowie dessen Geometrie. Weiterhin weisen die Messperformance und Messgenauigkeit eine empfindliche Abhängigkeit vom vorherrschenden Strömungsprofil des Fluides auf.
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Für das Magnetsystem sind im Stand der Technik verschiedenste Anordnungen bekannt geworden. Häufig sind an sich gegenüberliegenden Seiten des Messrohres zwei Spulen und gegebenenfalls Polschuhe und/oder Rückführbleche angeordnet, wie beispielsweise für den aus der
DE 10 2011 079 351 A1 bekannt gewordenen modularen Aufbau eines Magnetsystems. Die Herstellungskosten für ein entsprechendes Messgerät steigen dabei aufgrund der wachsenden Menge an benötigten Materialien für die Spulen, Polschuhe und Rückführbleche deutlich mit größer werdender Nennweite des Messrohres. Eine Konstruktion für ein Magnetsystem, welche die Minimierung des benötigten Materials und entsprechend eine Minimierung der Herstellungskosten zum Ziel hat, ist in der
EP0649005A1 offenbart. Bei dieser Anordnung sind die Polschuhe und Rückführbleche als gebogene Bleche realisiert, die entlang der Mantelflächen des Messrohres angeordnet sind. Dabei sind entweder zwei ebene Spulen oder zwei Paare aufgeteilter Teilspulen vorgesehen. Durch die Verwendung ebener Spulen wird der Bedarf an Kupfer im Vergleich zu Sattelspulen reduziert.
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Neben diesem Beispiel sind weitere Magnetsysteme, welche eine Aufteilung der Spulenanordnung vornehmen, bekannt geworden. Die
US4726236B offenbart ein Magnetsystem mit einem gemeinsamen umlaufenden zylindrischen Kern und um diesen gewickelt eine Spulenanordnung aus insgesamt vier Spulen. In der
DE1648143 ist ein Magnetsystem beschrieben, bei welchem an einem Spulenkern in Form eines umlaufenden Rings stiftartige Ausformungen zur Anbringung der Spulen vorgesehen sind. Die
DE 20 2012 104 036 U1 offenbart schließlich ein modulares Magnetsystem mit mindestens vier Spulen, welche umfangsverteilt zum Messrohr auf Polschuhen angeordnet sind. Die Aufteilung der Spulenanordnung dient dabei der Reduzierung von Streufeldern.
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Für alle genannten Magnetsysteme mit einer Aufteilung der Spulen steigen jedoch die Herstellungskosten deutlich mit größer werdender Nennweite des Messrohres. Dies betrifft zum einen die Materialkosten für die einzelnen Komponenten. Zum anderen wird aber auch die jeweilige Konstruktion zur Befestigung des Magnetsystems am Messrohr immer komplizierter und aufwendiger, und die Gewährleistung einer stabilen Befestigung schwieriger.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip mit hoher Genauigkeit bei geringen Herstellungskosten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch eine Rohrleitung nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip mit einem Messrohr,
- – mit zumindest zwei Messelektroden zum Abgreifen einer induzierten Spannung,
- – an oder in welchem Messrohr in Umfangsrichtung anliegend Komponenten angeordnet sind zum Erzeugen eines das Messrohr durchsetzenden Magnetfeldes senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides und senkrecht zu einer Verbindungslinie durch die zumindest zwei Messelektroden, umfassend
– zumindest vier Spulen mit Spulenkernen,
– zumindest zwei voneinander räumlich getrennte Polschuhe, welche bezogen auf ihren Mittelpunkt auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohres angeordnet sind,
– wobei jeweils zumindest zwei Spulen zusammen mit zumindest einem der zumindest zwei Polschuhe angeordnet sind derart, dass im Bereich jedes der beiden Enden eines Polschuhes jeweils zumindest eine Spule angeordnet ist,
– zumindest vier voneinander und von den zumindest zwei Polschuhen räumlich getrennte Rückführungsbleche, wobei jeweils zwei Rückführungsbleche beidseits eines der zumindest zwei Polschuhe spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind derart, dass jedes der zumindest zwei Rückführungsbleche eine erste Spule, welche im Bereich eines ersten der zumindest zwei Polschuhe angeordnet ist, und eine zweite Spule, welche im Bereich eines zweiten der zumindest zwei Polschuhe angeordnet ist, magnetisch miteinander koppelt.
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Je nach Anordnung und Konstruktion kann dabei entweder jede der mindestens vier Spulen mindestens einen Spulenkern aufweisen. Es können jedoch auch zwei oder mehr Spulen einen gemeinsamen Spulenkern teilen.
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Die direkte Anordnung der Spulen, Polschuhe und Rückführbleche am Messrohr reduziert den Materialbedarf für diese Komponenten deutlich. Ferner ist die Befestigung am Messrohr besonders einfach und gleichzeitig besonders stabil. Trotz der Reduzierung der Herstellungskosten kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden, da störende Streufelder minimiert werden können. Eine direkte Anordnung bedeutet, dass die Komponenten unmittelbar am Messrohr angeordnet sind. Beispielsweise können sie direkt auf das Messrohr geklebt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die zumindest zwei Polschuhe und/oder die zumindest vier Rückführungsbleche aus einem weichmagnetischen Material gefertigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht das Messrohr aus einem Metall, welches im fluidberührenden Bereich mit einem elektrisch isolierenden Liner ausgekleidet ist. Alternativ kann das Messrohr auch aus einer Keramik oder einem Kunststoff bestehen, wobei die zumindest zwei Polschuhe und/oder die zumindest zwei Rückführungsbleche auf der Mantelaußenfläche des Messrohres angeordnet, oder in das Messrohr eingebettet sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein Gehäuse aus einem Metall, vorzugsweise mit magnetischer Abschirmwirkung, vorgesehen. Auf diese Weise können weitere Störeinflüsse eliminiert werden.
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Es ist von Vorteil, wenn jede der zumindest vier Spulen die gleiche Geometrie, insbesondere eine nicht-sattelförmige ebene Geometrie aufweist. Die Verwendung ebener Spulen reduziert vorteilhaft in Bezug auf die Kosten den Bedarf an Kupfer.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn jede der zumindest vier Spulen von gleicher Bauart ist. Dies vereinfacht die Konstruktion und die Montage.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Rückführungsbleche und Polschuhe die Form rechteckiger gekrümmter Bleche auf, wobei die Krümmung an das Messrohr angepasst ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn jeweils ein Polschuh und zwei Rückführungsbleche aus einem rechteckförmigen Blech gefertigt sind derart, dass die Rückführungsbleche in Form von rechteckförmigen Streifen, deren Länge kleiner ist als die des Blechs, beidseitig entlang der Längsachse des Blechs ausgehend von dessen Mittelpunkt ausgeschnitten werden. Dies senkt weiter den Materialbedarf und entsprechend auch die Herstellungskosten, da beide Komponenten aus demselben Blech gefertigt werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind genau vier Spulen, genau zwei Polschuhe und genau vier Rückführungsbleche vorgesehen. Diese Wahl ist insbesondere für kleinere Nennweiten geeignet.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Spulen Spulenkerne mit einer H-Form aufweisen. Dies vereinfacht die Herstellung einer magnetischen Kopplung mittels der Rückführbleche.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest acht Spulen, genau zwei Polschuhe und genau vier Rückführungsbleche vorgesehen. Dabei weist jede der zumindest acht Spulen vorteilhaft einen L-förmigen Spulenkern auf. Eine derartige Anordnung ist besonders geeignet für größere Nennweiten.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausgestaltung ist an jedem der beiden Enden jeder der beiden Polschuhe beidseitig jeweils eine Spule angeordnet ist, wobei die Achse durch die zwei Spulen im Wesentlichen parallel zur Achse des Messrohres verläuft.
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Das erfindungsgemäße Magnetsystem mit den zumindest vier Spulen zeichnet sich dadurch aus, dass für einen großen Bereich für die Nennweite des Messrohres jeweils die gleiche Spule mit gleicher Dimensionierung verwendet werden kann. Entsprechend müssen jeweils lediglich die Spulenkerne, die Breite der Polschuhe und Rückführbleche variiert werden. Dies bringt neben einer Reduzierung der Anzahl an Komponenten, welche für jede Nennweite speziell angefertigt werden müssen, auch Einsparungen in Bezug am Bedarf an Kupfer mit sich. Dadurch, dass die Komponenten direkt am Messrohr befestigt werden, insbesondere an der Außenmantelfläche, ist die gesamte Konstruktion in ihrem Aufbau besonders einfach und leicht zu montieren. Insbesondere fällt gegenüber anderen Anordnungen solcher Magnetsysteme ein Großteil der Einheiten und/oder Bauteile, welche zur Befestigung des Magnetsystems eingesetzt werden, weg, was eine weitere Reduzierung der Herstellungskosten bewirkt.
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Darüber hinaus bietet die direkte Anordnung der Komponenten des Magnetsystems direkt am Messrohr den Vorteil, dass im Vergleich zu extra angeordneten Befestigungseinheiten weniger konstruktionsbedingte Eigenschwingungen auftreten.
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Trotz der erheblichen Vereinfachung in der Montage, der Reduzierung des Materialaufwandes und der Herstellungskosten kann mit dem erfindungsgemäßen Magnetsystem eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden, weil durch die umfangverteilte Anordnung der einzelnen Spulen Streufelder minimiert werden.
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Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben. Es zeigt
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1: ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät gemäß dem Stand der Technik,
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2: eine Ausgestaltung eines Magnetsystems mit vier Spulen
a) in einer 2D Ansicht
b) in einer 3D Ansicht
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3: eine Ausgestaltung eines Magnetsystems mit acht Spulen
a) in einer 2D Ansicht
b) in einer 3D Ansicht
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4 einen Polschuh und zwei Rückführungsbleche, welche aus einem einzigen Blech gefertigt sind.
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In 1 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides 2 durch ein Messrohr 3 gezeigt. Das Messrohr 3 ist entweder aus einem Metall, insbesondere rostfreier Stahl, gefertigt und im dem Fluid zugewandten Bereich, d. h. an der Innenseite über die ganze Länge, mit einem elektrisch isolierenden Liner 4 versehen. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das Messrohr auch aus einer geeigneten Keramik, insbesondere Aluminium-Oxid, oder aus einem Kunststoff, beispielsweise Hartgummi, gefertigt sein kann. Für die Sensoreinheit sind zumindest zwei Messelektroden 8, 8a zum Abgreifen der induzierten Spannung sowie das Magnetsystem 9 gezeigt, welches der Einfachheit halber durch zwei Quader dargestellt ist. Das Magnetsystem 9 umfasst zumindest zwei Spulen 10, 10a [hier nicht eingezeichnet] zur Erzeugung des Magnetfeldes 11 und gegebenenfalls auch Polschuhe 12, 12a [hier nicht eingezeichnet] zur Realisierung einer vorteilhaften räumlichen Verteilung und/oder Rückführbleche 13, 13a, 13b, 13c [ebenfalls hier nicht eingezeichnet]. Die Verbindungsachsen der Messelektroden 8, 8a und der Spulen 10, 10a verlaufen jeweils senkrecht zueinander, wobei die beiden Spulen 10, 10a und die beiden Messelektroden 8, 8a jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohres 3 positioniert sind.
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Die Sensoreinheit ist üblicherweise zumindest teilweise von einem Gehäuse 5 umgeben. Im Gehäuse 5 oder im vorliegenden Falle außerhalb des Gehäuses 5 ist weiterhin eine Elektronikeinheit 6 vorgesehen welche über ein Verbindungskabel 7 mit dem Feldgerät 1 elektrisch verbunden ist. Die Elektronikeinheit dient der Signalerfassung und/oder -auswertung und der Speisung der Spulen, sowie als Schnittstelle zur Umgebung, z. B. der Messwertausgabe oder Einstellung des Geräts.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetsystems 9‘ mit vier Spulen 10, 10a, 10b, 10c gezeigt, einmal in einer zwei dimensionalen a) und einmal in einer drei dimensionalen b) Ansicht. Das Messrohr 3 ist ebenfalls gezeichnet, da das Magnetsystem 9‘ direkt daran befestigt ist. Die vier Spulen 10, 10a, 10b, 10c sind dabei umfangsverteilt am Messrohr 3 angeordnet, wobei sich jeweils zwei der insgesamt vier Spulen 10, 10b und 10a, 10c gegenüberliegen. Der Winkel α zwischen den virtuellen Verbindungslinien durch die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten angeordneten Spulen kann dabei von Anwendung zu Anwendung variieren.
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Als Spulen 10, 10a, 10b, 10c kommen bevorzugt ebene nicht-sattelförmige Spulen mit Spulenkernen 14, 14a, 14b, 14c zum Einsatz. Jede der vier Spulen 10, 10a, 10b, 10c weist einen eigenen Spulenkern 14, 14a, 14b, 14c auf.
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Neben den vier Spulen 10, 10a, 10b, 10c weist das Magnetsystem 9‘ noch zwei Polschuhe 12, 12a und vier Rückführungsbleche 13, 13a, 13b, 13c auf, welche jeweils aus gebogenen Blechen rechteckiger Grundform gefertigt sind, und deren Krümmung an diejenige des Messrohres 3 angepasst ist. Die Polschuhe 12, 12a sind dabei bezogen auf ihren Mittelpunkt auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohres angeordnet.
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Die genaue Positionierung der Polschuhe 12, 12a und Rückführungsbleche 13, 13a, 13b, 13c am Messrohr wird aus 2b ersichtlich. Jeweils zwei Spulen 10, 10a sind in den Endbereichen eines der Polschuhe 12 angeordnet. Analog, wenn auch nicht gezeigt, sind die Spulen 10b, 10c in den Endbereichen des Polschuhs 12a angeordnet. Somit liegen sich die Spulen 10 und 10b sowie 10a und 10c gegenüber.
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Im Abschnitt um das Messrohr 3 herum zwischen den beiden Polschuhen 12, 12a sind zwei Rückführungsbleche 13, 13a beidseitig in Bezug auf die Spulen 10, 10c angeordnet. Mittels der Rückführbleche 13, 13a sind die beiden Spulen 10, 10c magnetisch miteinander gekoppelt. Analog sind auf der nicht sichtbaren gegenüberliegenden Seite des Messrohres 3 zwei Rückführungsbleche 13b, 13c angeordnet, welche die beiden Spulen 10a, 10b magnetisch miteinander koppeln.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel ist Gegenstand von 3, ebenfalls wieder in einer zweidimensionalen a) und dreidimensionalen b) Ansicht. In diesem Beispiel weist das Magnetsystem 9‘‘ acht Spulen 10, 10.1, 10a, 10a.1, 10b, 10b.1, 10c, 10c.1 auf, wobei jeweils zwei Spulen eine Einheit bilden. Jede der acht Spulen 10, 10.1, 10a, 10a.1, 10b, 10b.1, 10c, 10c.1 verfügt über einen separaten Spulenkern 14, 14.1, 14a, 14a.1, 14b, 14b.1, 14c, 14c.1.
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Die Anordnung der Polschuhe 12, 12a und der Rückführbleche 13, 13a, 13b, 13c ist im Wesentlichen analog zu der in 2 gezeigten. Deswegen fokussiert die folgende Beschreibung lediglich auf die Unterschiede in Bezug auf die Spulen, welche aus der dreidimensionalen Ansicht in 3b ersichtlich werden. Dort ist eine Einheit aus zwei Spulen 10 und 10.1 mit je einem Spulenkern 14 und 14.1 sichtbar, wobei die Spulen an den beiden gegenüberliegenden Seiten eines Endbereichs der Polschuhs 12 angeordnet sind. Dabei koppelt das Rückführblech 13 die Spulen 10 und 10c magnetisch miteinander, und das Rückführblech 13a die beiden Spulen 10.1 und 10c.1. Ebenso sind die beiden Spulen 10a und 10a.1 mit den Spulen 10b und 10b.1 mittels der Rückführungsbleche 13b, 13c magnetisch gekoppelt, welche hier nicht sichtbar sind.
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Grundsätzlich können entweder die Rückführbleche 13, 13a, 13b, 13c und Polschuhe 12, 12a jeweils aus separaten Blechen gefertigt werden. Es können aber auch jeweils ein Polschuh 12 und zwei Rückführungsbleche 13, 13a aus einem einzigen Blech gefertigt werden, wie in 4 gezeigt. Letztere Variante ist besonders material- und entsprechend auch kostensparend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- magnetisch induktives Durchflussmessgerät gemäß Stand der Technik
- 2
- strömendes Fluid
- 3
- Rohrleitung
- 4
- elektrisch isolierende Auskleidung, Liner
- 5
- Gehäuseeinheit oder Gehäuse
- 6
- Elektronikeinheit
- 7
- Verbindungskabel
- 8, 8a
- Messelektroden
- 9
- Magnetsystem
- 10, 10.1, 10a, 10a.1, 10b, 10b.1, 10c, 10c.1
- Spulen
- 11
- Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides und zu den Messelektroden
- 12, 12a
- Polschuhe
- 13, 13a, 13b, 13c
- Rückführungsbleche
- 14, 14.1, 14a, 14a.1, 14b, 14b.1, 14c, 14c.1
- Spulenkerne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011079351 A1 [0005]
- EP 0649005 A1 [0005]
- US 4726236 B [0006]
- DE 1648143 [0006]
- DE 202012104036 U1 [0006]
