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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erkennen einer Leckage in einer Baueinheit eines Dosiersystems, welches eine zumindest geringfügig elektrisch leitfähige Flüssigkeit, beispielsweise ein Reagenzmittel in den Abgaskanal eines Verbrennungsmotors dosiert, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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Zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors kann eine selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction SCR) mit dem Ziel einer NOx-Verminderung im Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird in den Abgaskanal eines Verbrennungsmotors eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reagenzmittels dosiert. Das Reagenzmittel kann Ammoniak sein, welches beispielsweise aus einer Vorstufe des Reagenzmittels in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) im Abgaskanal durch Hydrolyse gewonnen wird.
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Eine entsprechende Dosiervorrichtung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 196 07 073 A1 bekannt. Die HWL wird dabei durch eine Leitung von einem Tank zu einem Dosierventil gefördert und in einen Abgaskanal eines Verbrennungsmotors stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator eindosiert, um die NOx-Konzentration zu verringern.
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In aktuellen Dosiersystemen, wie diese unter der Bezeichnung DENOXTRONIC der Anmelderin bekannt sind, saugt eine Pumpe die HWL aus einem Reagenzmitteltank und verdichtet diese auf den für eine Zerstäubung erforderlichen Systemdruck von beispielsweise 3 bis 9 bar. Unter Berücksichtigung von beispielsweise aktueller Verbrennungsmotor- und Katalysatordaten wird die Dosierrate der HWL auf möglichst maximale NOx-Reduzierung abgestimmt.
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Die Pumpe des Dosiersystems und gegebenenfalls weitere Komponenten sind vorzugsweise in einer Baueinheit zusammengefasst angeordnet, sodass ein kompaktes Dosiersystem bereitgestellt wird, welches einfach montiert werden kann. Insbesondere soll die Baueinheit elektrische Komponenten zum Betreiben der in der Baugruppe enthaltenen mechanischen Komponenten und gegebenenfalls ein Steuergerät enthalten. Im Falle eines Defekts, bei welchem Flüssigkeit innerhalb der Baueinheit ausläuft, muss in Abhängigkeit von den chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit mit einer Zerstörung der elektronischen Komponenten, beispielsweise der Leiterbahnen auf einer Platine gerechnet werden. Des Weiteren kann eine Elektrolyse auftreten, die bei einer als Harnstoff-Wasser-Lösung realisierten Flüssigkeit zu freiem Wasserstoff führen kann.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 106 632 A1 ist ein Wechselrichter beschrieben. Die elektronischen Komponenten des Wechselrichters sind in einem Gehäuse angeordnet, in welchem zusätzlich ein Taupunkt-Sensor untergebracht ist. Sobald der Taupunkt-Sensor eine Unterschreitung des Taupunkts detektiert, bei dem mit dem Auftreten eines Feuchtigkeit-Niederschlags auf elektronischen Komponenten gerechnet werden muss, wird die Stromversorgung des Wechselrichters abgeschaltet und gleichzeitig ein Gehäuse angeordnet das Heizelement bestromt. Das Heizelement beheizt das Gehäuse, sodass die Temperatur im Gehäuse auf einen Wert angehoben werden kann, der oberhalb der Taupunkttemperatur liegt.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 219 151 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung eines Flüssigkeitseintrags in ein Gehäuse beschrieben.
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Die Detektion eines Flüssigkeitseintrags erfolgt anhand einer Detektion einer elektrischen Verbindung zwischen zwei an sich nicht elektrisch leitend verbundenen Elementen, wobei es sich bei den Elementen jeweils um Zuleitungen zu zwei verschiedenen Verbrauchern handelt, über welche jeweils die Energieversorgung der Verbraucher vorgenommen wird. Im abgeschalteten Zustand beider Verbraucher kann im Rahmen einer Diagnose festgestellt werden, ob zwischen zwei Stromversorgungsleitungen, wobei jeweils eine hierzu jeweils eine Stromversorgungsleitung auszuwählen ist, die zum einen und zum anderen Verbraucher führt, eine messbare Impedanz oder ein Kurzschluss aufgetreten ist. Eine solche gegebenenfalls bestehende elektrische Verbindung zwischen den an sich nicht elektrisch leitend verbundenen, zu zwei verschiedenen Verbrauchern führenden Stromversorgungsleitungen weist auf einen Flüssigkeitseintrag in das Gehäuse hin.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Erkennen einer Leckage in einer Baueinheit eines Dosiersystems anzugeben, welches eine zumindest geringfügig elektrisch leitfähige Flüssigkeit dosiert, die mit einfachen Mitteln realisierbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Erkennen einer Leckage in einer Baueinheit eines Dosiersystems, welches eine zumindest geringfügig elektrisch leitfähige Flüssigkeit beispielsweise in einen Abgaskanal eines Verbrennungsmotors dosiert, geht davon aus, dass die Baueinheit Flüssigkeits-führende und elektrische Komponenten enthält. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass eine elektrische Komponente über Stromversorgungsleitungen mit einem Steuergerät verbunden ist und dass eine Fehler-Erkennung vorgesehen ist, die eine gegebenenfalls aufgetretene elektrisch leitende Verbindung zwischen den Stromversorgungsleitungen als Folge einer Leckage detektiert. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass an einer der Stromversorgungsleitungen eine Betriebsspannung einer in der Baueinheit enthaltenen ersten elektrischen Komponente liegt, dass diese Stromversorgungsleitung mit einer Serienschaltung aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand verbunden ist, dass ein Komparator vorgesehen ist, der die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente mit wenigstens einem Schwellenwert vergleicht, dass der Schwellenwert in Bezug auf die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente festgelegt ist und dass die Fehlererkennung dann, wenn die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente den Schwellenwert überschreitet, ein Fehlersignal bereitstellt, welches eine aufgetretene Leckage signalisiert.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beruht auf einer zumindest geringen elektrischen Leitfähigkeit der verwendeten Flüssigkeit, beispielsweise einer Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine bestimmungswidrig innerhalb der Baueinheit ausgetretene Flüssigkeit führt zu einem parasitären Widerstand und somit zu einem parasitären Stromfluss in zumindest zwei Stromversorgungsleitungen, die unterschiedliches elektrisches Potenzial aufweisen. In Verbindung mit der Serienschaltung aus einer Spannungsquelle und einem Serienwiderstand, wobei die Serienschaltung die Betriebsspannung der wenigstens einen elektrischen Komponente in der Baueinheit bereitstellt, führt ein gegebenenfalls aufgetretener parasitärer Widerstand aufgrund des zusätzlichen Stromflusses zu einem weiteren Spannungsabfall am Serienwiderstand, der im Komparator detektiert wird. Der zusätzliche Spannungsabfall am Serienwiderstand hat eine Änderung der Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente zur Folge, welche zu einem Durchschreiten des Komparator-Schwellenwerts führt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung greift auf bereits vorhandene Schaltungsteile zurück, sodass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kostengünstig realisiert und sogar in bestehende Dosiersysteme nachgerüstet werden kann. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erhöht durch das rechtzeitige Erkennen von bestimmungswidrig ausgetretener Flüssigkeit die Betriebssicherheit des Dosiersystems. Dadurch können eine Fehlfunktion oder ein kritischer Zustand des Dosiersystems rechtzeitig erkannt werden. Vorzugsweise wird bei einem erkannten Fehler die wenigstens eine Betriebsspannung des Dosiersystems sofort vollständig abgeschaltet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind jeweils Gegenstände von abhängigen Vorrichtungsansprüchen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Schwellenwert, mit welchem der Komparator die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente vergleicht, ein erster Schwellenwert ist, der auf einen Wert unterhalb der Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente festgelegt ist. Das Fehlersignal tritt dann bei einer Unterschreitung des Schwellenwerts auf, denn ein parasitärer Widerstand aufgrund eines Lecks führt in diesem Fall zu einem Spannungsabfall auf der Stromversorgungsleitung der ersten elektrischen Komponente.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an einer der Stromversorgungsleitungen eine Betriebsspannung einer in der Baueinheit angeordneten zweiten elektrischen Komponente liegt, dass die Betriebsspannung der zweiten elektrischen Komponente höher ist als die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente und dass der Schwellenwert, mit welchen der Komparator die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente vergleicht, ein zweiter Schwellenwert ist, der auf einen Wert oberhalb der Betriebsspannung der ersten und unterhalb der Betriebsspannung der zweiten elektrischen Komponente festgelegt ist. Das Fehlersignal tritt dann bei einer Spannung auf, die zwischen den beiden Betriebsspannungen beiden elektrischen Komponenten liegt, denn ein parasitärer Widerstand aufgrund eines Lecks führt in diesem Fall zu einem Spannungsanstieg auf der Stromversorgungsleitung der ersten elektrischen Komponente.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Stromversorgungsleitungen in Bodennähe der Baueinheit liegen. Mit dieser Maßnahme werden die Stromversorgungsleitungen bei einem aufgetretenen Leck frühzeitig mit der ausgetretenen Flüssigkeit benetzt, wodurch parasitäre Leitwerte aufgrund der zumindest geringfügigen Leitfähigkeit der Flüssigkeit auftreten.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste elektrische Komponente ein Sensor, vorzugsweise ein Drucksensor ist, der den Druck der Flüssigkeit erfasst. Weiterhin kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zweite elektrische Komponente eine Pumpe ist, welche die Flüssigkeit auf einen Betriebsdruck bringt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht einen ersten und zweiten Komparator vor, wobei der erste Komparator die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente mit dem ersten Schwellenwert und der zweite Komparator die Betriebsspannung der ersten elektrischen Komponente mit dem zweiten Schwellenwert vergleicht. Durch den Einsatz von zwei Komparatoren, die in einem IC oder in einem Microcontroller enthalten sind, kann ein Umschalten des Schwellenwerts entfallen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung sieht vor, dass bei einem aufgetretenen Fehlersignal eine vollständige Abschaltung jeder Betriebsspannung der Baueinheit vorgesehen ist. Mit diesem Verfahrensschritt wird die Baueinheit, die von einer Leckage betroffen ist, in einen sicheren Betriebszustand überführt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Kurzbeschreibung der Figur
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Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Erkennen einer Leckage in einer Baueinheit eines Dosiersystems.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die Figur zeigt eine Baueinheit 10 eines Dosiersystems, welches eine zumindest geringfügig elektrisch leitfähige Flüssigkeit beispielsweise in einen Abgaskanal eines Verbrennungsmotors dosiert. Die Baueinheit 10 enthält zumindest eine erste elektrische Komponente 12 und gegebenenfalls eine zweite elektrische Komponente 14.
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Bei der ersten elektrischen Komponente 12 handelt es sich beispielsweise um einen Sensor, vorzugsweise einen Drucksensor, der den Druck der Flüssigkeit erfasst. Der elektrische Teil des Sensors entspricht der ersten elektrischen Komponente 12 und der hydraulische Teil des Sensors entspricht der Flüssigkeitsführenden Komponente des Dosiersystems.
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Ein Beispiel für die zweite elektrische Komponente 14 ist eine Pumpe, welche die Flüssigkeit auf einen Betriebsdruck des Dosiersystems bringt. Der elektrische Antriebsteil der Pumpe entspricht hierbei der zweiten elektrischen Komponente 14 und der hydraulische Teil der Flüssigkeits-führenden Komponente des Dosiersystems.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sollen die beiden elektrischen Komponenten 12, 14 der Baueinheit 10 mit unterschiedlichen Betriebsspannungen UB1, UB2 betrieben werden, die jeweils in Bezug auf eine elektrische Schaltungsmasse 16 auftreten sollen.
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Die erste elektrische Komponente 12 ist über eine erste und zweite Stromversorgungsleitung 18, 20 mit einer Serienschaltung 22 verbunden, wobei die Serienschaltung 22 eine erste Spannungsquelle 24 sowie einen Serienwiderstand 26 aufweist. Die Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 tritt am Serienwiderstand 26 auf. Rein prinzipiell kann es sich bei dem Serienwiderstand 26 um den unvermeidlichen Innenwiderstand der ersten Spannungsquelle 24 handeln, der im Allgemeinen jedoch sehr gering ist. Damit ein deutlicher Messeeffekt erhalten werden kann, wird daher der Serienwiderstand 26 vorzugsweise als konkreter Widerstand mit einem gezielt festgelegten Widerstandswert vorgegeben.
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Der Widerstandswert des Serienwiderstands 26 ist auf den Leitwert der Flüssigkeit des Dosiersystems und gegebenenfalls die geometrischen Verhältnisse innerhalb der Baueinheit 10 abzustimmen. Die Festlegung berücksichtigt zweckmäßigerweise, dass der am Serienwiderstand 26 auftretende zusätzliche Spannungsabfall, der verursacht wird durch den zusätzlichen Stromflusses in den Versorgungsleitungen 18, 20 wegen der ausgetretenen, zumindest geringfügig elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln erfasst und bewertet werden kann.
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Der im Falle einer Leckage auftretende Nebenschluss bzw. Leitwert ist durch einen ersten parasitären Widerstand 28 symbolisiert eingetragen, der zwischen den beiden Versorgungsleitungen 18, 20 bei einer ausgelaufenen, zumindest geringfügig elektrisch leitfähigen Flüssigkeit auftritt.
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Die Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 wird von einem ersten Komparator 30 mit einem ersten Schwellenwert US1 verglichen. Wenn der erste Komparator 30 ein Abfallen der Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 unter den ersten Schwellenwert US1 detektiert, gibt der erste Komparator 30 ein erstes Fehlersignal 32 an eine Auswerteeinheit 34 ab, die daraufhin ein Fehlersignal 36 bereitstellt. Der erste Komparator 30 und die Auswerteeinheit 34 sind Teil einer Fehler-Erkennung 38.
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Bei einem aufgetretenen Fehlersignal 36 wird vorzugsweise die erste Spannungsquelle 24 sofort abgeschaltet, um weitere Schäden in der Baueinheit 10 aufgrund der ausgelaufenen Flüssigkeit zu verhindern.
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In der Figur ist symbolhaft die Verlegung der Stromversorgungsleitungen 18, 20 in Bodennähe 40 der Baueinheit 10 eingetragen. Bei einer Verlegung der Stromversorgungsleitungen 18, 20 in Bodennähe 40 wird ein aufgetretenes Leck schnellstmöglich erkannt.
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In der Figur ist weiterhin eine Ausgestaltung dargestellt, bei welcher eine räumliche Trennung zwischen der Baueinheit 10 mit den zumindest zwei elektrischen Komponenten 12, 14 von einem Steuergerät 42 vorgesehen ist, welches zumindest die Serienschaltung 22 sowie die Fehler-Erkennung 38 beinhaltet. Die Stromversorgungsleitungen 18, 20 können in diesem Fall als Bus-Leitungen bezeichnet werden, wobei als weitere Bus-Leitungen nicht näher gezeigten Signalleitungen vorhanden sind.
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In der Figur ist eine weitere Ausgestaltung gezeigt, gemäß der zumindest eine zweite elektrische Komponente 14 dargestellt ist, wobei die zweite elektrische Komponente 14 mit einer zweiten Betriebsspannung UB2 betrieben wird, die höher als die erste Betriebsspannung UB1 liegen soll. Die zweite Betriebsspannung UB2 tritt in einer dritten Stromversorgungsleitung 46 auf, welche an der zweiten elektrischen Komponente 14 angeschlossen ist.
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Die zweite Betriebsspannung UB2 wird von einer zweiten Spannungsquelle 44 bereitgestellt. Ein dem Serienwiderstand 26 im Stromkreis der ersten elektrischen Komponente 12 entsprechender Serienwiderstand ist bei der zweiten Spannungsquelle 44 nicht erforderlich, da die Erkennung einer Leckage auch bei dieser Ausgestaltung auf der Bewertung der Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 beruht.
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In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass ein aufgetretenes Leck zu einem Nebenschluss bzw. Leitwert zwischen der zweiten und dritten Stromversorgungsleitung 20, 46 führt, wobei der Nebenschluss durch einen zweiten parasitären Widerstand 48 symbolisch eingetragen ist. Weiterhin tritt ein Nebenschluss zwischen der dritten Stromversorgungsleitung 46 und der ersten Stromversorgungsleitung 18 auf, wobei ein entsprechender parasitärer Widerstand in der Figur nicht mehr dargestellt ist.
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Der zweite parasitäre Widerstand 48 und auch der nicht mehr eingezeichnete parasitäre Widerstand zwischen der dritten Stromversorgungsleitung 46 und der ersten Stromversorgungsleitung 18 haben einen Anstieg der Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 zur Folge. Ein zweiter Komparator 50 vergleicht daher ebenfalls die Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 mit einem Schwellenwert US2, wobei dieser Schwellenwert US2 jedoch oberhalb des ersten Schwellenwerts US1 und oberhalb der Betriebsspannung UB1 der ersten elektrischen Komponente 12 liegt und daher als zweiter Schwellenwert US2 bezeichnet wird.
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Sollte ein Spannungsanstieg über den zweiten Schwellenwert US2 vom zweiten Komparator 50 festgestellt werden, stellt der zweite Komparator 50 ein zweites Fehlersignal 52 bereit, welches die Auswerteeinheit 34 veranlasst, das Fehlersignal 36 bereitzustellen.
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Bei einem aufgetretenen Fehlersignal 36 wird bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise nicht nur die erste Spannungsquelle 24, sondern auch die zweite Spannungsquelle 44 unverzüglich abgeschaltet, um die Baueinheit 10 zur Vermeidung von Folgeschäden vollständig spannungsfrei zu schalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19607073 A1 [0003]
- DE 102011106632 A1 [0006]
- DE 102012219151 A1 [0007]
