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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position oder einer Positionsänderung eines Objektes auf einer Messstrecke mit Hilfe elektromagnetischer Wellen im Hoch- und Höchstfrequenzbereich.
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Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich bspw. zur Positionsbestimmung von Objekten innerhalb von Fertigungsstraßen einsetzen, insbesondere zur Bestimmung der Position oder Bandmittenposition eines geförderten Bandes. Die Kontrolle der Bandmittenposition dient hierbei der Vermeidung von Beschädigungen innerhalb von Bandanlagen. Aufgrund von ungenauer Positionierung kann das Band von den Führungsrollen ablaufen und somit Beschädigungen der Produktionsstraße verursachen. Desweiteren können bei unbekannter Bandposition weitere Verarbeitungsschritte, wie bspw. die genaue Positionierung innerhalb von Walzenanlagen oder Kühlungsbecken, nicht korrekt durchgeführt werden oder das Band kann dabei beschädigt werden. Das Verfahren lässt sich sowohl bei Objekten aus elektrisch leitenden als auch bei Objekten aus nicht elektrisch leitenden Materialien durchführen. Das Verfahren funktioniert somit bspw. auch bei Stoff oder Papierbahnen.
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Stand der Technik
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Bisher bekannte Verfahren zur Bestimmung der Bandposition setzen optische Sensoren, induktive Sensoren oder kapazitive Sensoren für die Bestimmung der Bandposition ein. Aus der
US 7659729 B2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Bandposition bekannt, das die Bandposition über eine Radarabstandsmessung bestimmt. Hierzu werden Radarsensoren in die Seitenwände der Bandstraße eingelassen, über die dann durch Abstandsmessung der Abstand der Radarsensoren zur Bandkante gemessen und zur Bestimmung der Bandposition ausgewertet wird. Die Integration von Sensoren in die Seitenwände der Bandstraße ist jedoch aufwändig. Kommt es zu einem Cross Bogen oder einer Welligkeit im Band oder Schrägstellung, kann die absolute Bandbreite nicht mehr exakt bestimmt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position oder einer Positionsänderung eines Objektes auf einer Messstrecke, insbesondere zur Bestimmung der Position eines geförderten Bandes, anzugeben, die sich mit geringem Aufwand realisieren lassen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird entlang wenigstens eines ersten Teils der Messstrecke mindestens eine Hochfrequenzleitung mit einer offenen Leitungsstruktur angeordnet, die bei Übertragung elektromagnetischer Wellen elektromagnetische Strahlung entlang dieses ersten Teils der Messstrecke abstrahlt. Es handelt sich bei dieser Hochfrequenzleitung somit um eine gezielt verlustbehaftete Leitung, deren durch Abstrahlung der geführten elektromagnetischen Wellen verursachter Verlustfaktor pro Meter vorzugsweise ≥ 10 dB beträgt. Über die Hochfrequenzleitung werden bei dem Verfahren elektromagnetische Wellen übertragen und die übertragenen elektromagnetischen Wellen erfasst und ausgewertet. Die elektromagnetischen Wellen können dabei im Hochfrequenzbereich zwischen 1 GHz und 1 THz liegen. Es handelt sich somit um Mikro- oder Millimeter-Wellen. Die Hochfrequenzleitung wird in einem Abstand zu dem zu vermessenden Objekt angeordnet, bei dem das Objekt die Übertragung der elektromagnetischen Wellen aufgrund der starken Abstrahlung der Hochfrequenzleitung beeinflusst. Aus einer durch Einfluss des Objektes auf die Übertragung verursachten Phasenänderung und/oder Amplitudenänderung der übertragenen elektromagnetischen Wellen oder einer daraus resultierenden Änderung der elektrischen Länge der Hochfrequenzleitung wird dann die Position oder eine Positionsabweichung des Objektes auf der Messstrecke bestimmt.
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Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung erfordern lediglich die entsprechende Anordnung einer Hochfrequenzleitung mit einer offenen Leitungsstruktur entlang zumindest eines Teils der Messstrecke, auf dem sich zumindest ein Abschnitt des Objektes befindet, um die Position des Objektes zu erfassen. Für die Bestimmung der Position oder Mittenposition von Bandware kann die Hochfrequenzleitung sehr einfach in eine Antriebs- oder Führungsrolle der Bandware integriert oder auf dieser aufgebracht werden. Auch eine Installation der Hochfrequenzleitung auf einer speziell dafür angeordneten Messbrücke über dem Band oder in einer zusätzlich angeordneten Messrolle ist hierbei sehr einfach realisierbar. Bei der Installation in Antriebs-, Führungs- oder Messrollen bietet es sich an, mehrere parallele Hochfrequenzleitungen zu integrieren, die dann während einer Umdrehung der Rolle jeweils nacheinander zur Messung eingesetzt werden können. Die Positionsbestimmung erfolgt dabei jeweils über die Störstelle, die auf der Leitung durch das Band bzw. die Materialbahn verursacht wird. Wird eine offene Leitungsstruktur teilweise abgedeckt, so verursacht die Kante der Materialbahn eine Störstelle auf der Leitung. Dafür ist es nicht notwendig, dass die Leitung durch das Band bzw. die Materialbahn berührt wird. Es reicht aus, wenn die Materialbahn in der Nähe der Leitung geführt wird und die Abstrahlung der die Leitung umgebenden elektromagnetischen Felder beeinflusst. Hierdurch ändert sich in Abhängigkeit vom Bandmaterial, der Materialstärke und der Position der Materialbahn die bei der Übertragung messbare Phase und Amplitude der elektromagnetischen Welle. Diese Änderung der Phase und/oder der Amplitude oder eine daraus resultierende Änderung der elektrischen Länge der Hochfrequenzleitung wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren verwendet, um die Position oder eine Positionsabweichung der Materialbahn auf der Messstrecke zu bestimmen.
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Die Übertragung der elektromagnetischen Wellen kann beim vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung in unterschiedlicher Weise erfolgen. So können die elektromagnetischen Wellen von einem ersten Ende der Hochfrequenzleitung über einen Sender eingespeist und an einem gegenüberliegenden Ende mit einem Empfänger erfasst werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die elektromagnetischen Wellen von einem ersten Ende mit einem Sender einzuspeisen und nach Reflexion am gegenüberliegenden Ende am ersten Ende über einen Empfänger wieder zu erfassen. Die Hochfrequenzleitung wird dabei so angeordnet, dass sie sich über wenigstens eine Begrenzung oder Kante des Objektes, im Falle von Bandware über eine der beiden Bandkanten erstreckt. Dabei erfolgt die Bestimmung der Position in Reflexion über die Position der Objektbzw. Bandkante. Bei einer Transmissionsmessung ändert sich zusätzlich die Wellenlänge im Bereich des Teils der Hochfrequenzleitung, unter oder über oder neben dem sich das Objekt befindet. Dadurch fällt der Phasen- und Amplitudenunterschied gegenüber einer Übertragung ohne Objekt noch größer aus.
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Als Hochfrequenzleitung können alle abstrahlenden Leitungstypen, wie z. B. Schlitzantennen, Mikrostreifenleiter oder geschlitzte Hohlleiter eingesetzt werden. Zwischen der Hochfrequenzleitung und den zu vermessenden Objekten können auch Materialien zum Schutz der Hochfrequenzleitung oder der Objekte eingesetzt werden, die für die verwendeten elektromagnetischen Wellen durchlässig sind, bspw. Keramik, Kunststoff oder Lacke.
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Für die Bestimmung der Position kann ein einfaches kontinuierliches Signal in die Hochfrequenzleitung eingespeist und gemessen werden. Es ist auch möglich, durch Nutzung eines FMCW-Signals, eines gepulsten Signals, eines Mehrtonverfahrens, eines Rauschverfahrens oder anderer aus Radaranwendungen bekannten Signale die Position der durch die Materialbahn verursachten Störstelle auf der Leitung exakt auszumessen.
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Für die Bestimmung der Bandposition oder Bandmittenposition oder zur Bestimmung einer Abweichung der Position eines geförderten Bandes von einer Sollposition wird die Messstrecke quer zur Förderrichtung des Bandes gewählt. Vorzugsweise werden hierbei wenigstens zwei Hochfrequenzleitungen entlang der Messstrecke eingesetzt, von denen sich eine über den ersten Rand und die zweite über den gegenüberliegenden zweiten Rand des Bandes erstreckt. Werden die beiden Hochfrequenzleitungen symmetrisch zur gewünschten Bandmittenposition angeordnet, kann die Position des Bandes und die Abweichung aus der Mittenposition durch einfachen Vergleich der Phasen- und/oder Amplitudenwerte der beiden Leitungen bestimmt werden. Befindet sich das Band in der gewünschten Mittenposition, sind die gemessenen elektrischen Längen der beiden in diesem Fall identisch gewählten Hochfrequenzleitungen gleich.
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Sind die gemessenen elektrischen Längen nicht gleich, so weist dies auf eine Abweichung des Bandes von der Bandmittenposition hin. Diese Messung kann dann bspw. zur Steuerung oder Regelung der Bandposition in einer derartigen Bandanlage eingesetzt werden.
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Die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung umfasst entsprechend mindestens eine Hochfrequenzleitung mit einer offenen Leitungsstruktur, die entlang wenigstens eines ersten Teils der Messstrecke angeordnet ist und bei Übertragung elektromagnetischer Wellen elektromagnetische Strahlung entlang des ersten Teils der Messstrecke abstrahlt, eine mit der Hochfrequenzleitung verbundene Sende- und Empfangseinrichtung sowie eine Auswerteeinrichtung. Mit der Sende- und Empfangseinrichtung können über die Hochfrequenzleitung elektromagnetische Wellen übertragen und die übertragenen elektromagnetischen Wellen erfasst werden. Die Auswerteeinrichtung ist so ausgebildet, dass sie aus einer durch das zu vermessende Objekt verursachten Phasenänderung und/oder Amplitudenänderung der übertragenen elektromagnetischen Wellen oder einer daraus resultierenden Änderung der elektrischen Länge der Hochfrequenzleitung die Position oder eine Positionsabweichung des Objektes auf der Messstrecke bestimmt.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eignen sich besonders für die Vermessung der Bandposition oder Bandmittenposition oder für die Bestimmung einer Abweichung von dieser Position in Fertigungsstraßen mit Bandware und erlauben dabei insbesondere auch die Vermessung nichtmetallischer Endlosware, wie bspw. Papier- oder Kunststoffbahnen. Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich jedoch auch zur Positions- oder Positionsabweichungsbestimmung anderer Objekte auf einer Messstrecke einsetzen. Bei der Vermessung von Bandware sind das Verfahren und die Vorrichtung in der Lage, die Position der beiden Bandkanten zu vermessen und somit die Bandmittenposition zu bestimmen. Bei nichtmetallischen Materialbahnen können neben den Positionen der Bandkanten auch Schwankungen in der Materialzusammensetzung durch Auswertung des übertragenen Signals detektiert werden. Die Untersuchung des Materials kann während des laufenden Fertigungsprozesses erfolgen, so dass die Daten direkt der Prozessoptimierung zur Verfügung stehen. Bei der Integration der Hochfrequenzleitungen in Rollen, über die die Bandware geführt wird, kann über die Größe der für die Messung eingesetzten Rolle sowie über die Anzahl der in die Rolle integrierten Hochfrequenzleitungen die Abtastrate der Bandposition direkt festgelegt werden.
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Besitzt die Materialbahn unterschiedliche Konsistenz, z. B. durch einen Materialmix, Schwankungen der Materialstärke oder einen Mehrschichtaufbau, können die einzelnen Stoßstellen dieser Bestandteile bestimmt werden. Schwankungen oder Sprünge in der Materialzusammensetzung verursachen dabei wie bei Kanten Störungen auf der Hochfrequenzleitung, die entsprechend ausgewertet werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung für eine Anordnung zweier Hochfrequenzleitungen zur Vermessung der Bandposition gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
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2 eine Prinzipdarstellung, die zwei Möglichkeiten für die Anordnung der Hochfrequenzleitung zur Vermessung von Bandware zeigt;
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3 eine Konzeptzeichnung einer Messwalze mit den integrierten Hochfrequenzleitungen für die Vermessung einer Materialbahn;
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4 ein Beispiel für einen geschlitzten W-Band-Hohlleiter mit einer abschnittsweisen Abdeckung; und
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5 ein Beispiel für den am Eingang des Hohlleiters messbaren Phasen- und Amplitudenverlauf im Beispiel der 4.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden im Folgenden anhand eines Beispiels bei der Bestimmung der Bandmittenposition einer Materialbahn beispielhaft erläutert. Der prinzipielle Messaufbau ist in 1 schematisch dargestellt. Zwei Hochfrequenzleitungen 4a, 4b mit offener Leitungsstruktur werden hierbei entlang einer Messstrecke quer zur Förderrichtung der Materialbahn 3 oberhalb oder unterhalb der Materialbahn derart angeordnet, dass die erste Leitung 4a den linken Rand und die zweite Leitung 4b den rechten Rand der Materialbahn 3 überdeckt. Über nicht dargestellte Hochfrequenz-Sendeeinrichtungen werden elektromagnetische Hochfrequenzsignale über die entsprechenden Sende- und Empfangskanäle 1, 2 in die beiden Leitungen 4a, 4b eingespeist. Im vorliegenden Beispiel werden die Hochfrequenzsignale jeweils vom Rand der Materialbahn in die Leitungen eingespeist und die jeweils am gegenüberliegenden Ende der Leitung reflektierten Signale auf dem gleichen Kanal wieder empfangen bzw. wieder erfasst. Selbstverständlich können die Signale auch von der Mitte der Bahn in die Leitungen eingespeist und auch wieder empfangen werden. Durch die Verwendung einer offenen Leitungsstruktur werden die Leitungsparameter entlang der Leitung durch die Materialbahn verändert. Dies führt zu einer Änderung in der Phase und Amplitude des eingespeisten Signals gegenüber einem Zustand ohne die Materialbahn. Die Materialbahn verändert somit die Ausbreitungsbedingungen auf der Hochfrequenzleitung. Die gemessene Phase und Amplitude des über die Hochfrequenzleitung übertragenen Signals verändert sich dabei in Abhängigkeit von der Position der jeweiligen Kanten der Materialbahn und der Länge des von der Materialbahn überdeckten oder die Materialbahn überdeckenden Abschnitts der Hochfrequenzleitung. Diese Veränderung kann bereits durch ein einfaches kontinuierliches Signal gemessen werden. Wird ein Entfernungsmessverfahren verwendet, wie z.B. durch Einspeisung eines FMCW-Signals, eines gepulsten Signals, über ein Mehrtonverfahren oder ein Rauschverfahren, so kann die Position der durch die Materialbahn verursachten Stoßstelle auf der Leitung exakt ausgemessen werden. Besitzt die Materialbahn unterschiedliche Konsistenz, z. B. durch einen Materialmix, Schwankungen der Materialstärke oder einen Mehrschichtaufbau, können die einzelnen Stoßstellen aus dem erfassten Signal bestimmt werden. Im vorliegenden Beispiel kann die Position der Kante der Materialbahn bspw. aus Reflexionspunkten im empfangenen Signal ermittelt werden.
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Die Nutzung von zwei vorzugsweise identisch dimensionierten Hochfrequenzleitungen wie im Beispiel der 1 hat den Vorteil, dass sich damit eine Veränderung der Bandposition sehr einfach detektieren lässt. Hierbei wird ein zueinander referenziertes HF-Signal in die beiden Hochfrequenzleitungen 4a, 4b eingekoppelt. Bewegt sich nun die Materialbahn in die eine oder andere Richtung, so ändert sich auch die Anpassung des Signals. Dieser Unterschied beschreibt nun die Drift des Messobjekts, d.h. im vorliegenden Beispiel der Materialbahn bzw. des Bandes. Durch eine aktive Regelung der Bandposition kann nun die Anpassung innerhalb der Hochfrequenzleitungen 4a, 4b gleich gehalten werden.
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Die Hochfrequenzleitungen 4a, 4b können oberhalb oder unterhalb der Materialbahn angeordnet werden. Dies ist in der 2 schematisch dargestellt. Der linke Teil dieser Figur zeigt eine Integration der Hochfrequenzleitungen 4a, 4b in die Oberfläche einer Führungsrolle 5 für die Materialbahn 3. Auf diese Weise kann in regelmäßigen zeitlichen Abständen, die durch die Umdrehungsgeschwindigkeit und den Radius der Rolle 5 vorgegeben sind, eine Messung der Bandposition durchgeführt werden. Für eine höhere Messfrequenz können auch mehrere parallele Hochfrequenzleitungen in der dargestellten Art eingesetzt werden. Diese Integration in die Führungsrolle oder auch in eine separat angebrachte Messrolle hat den Vorteil, dass bei einem Riss des Bandmaterials die Messanordnung nicht beschädigt wird.
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Im rechten Teil der 2 ist eine Ausgestaltung schematisch dargestellt, bei dem die Hochfrequenzleitungen 4a, 4b in einem separat über der Materialbahn 3 angeordneten Messkopf 6 integriert sind. Da die Hochfrequenzleitungen die Materialbahn nicht berühren müssen, kann dieser Messkopf in einem Abstand zur Oberfläche der Materialbahn angeordnet werden.
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3 zeigt schließlich nochmals eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung, in der die Hochfrequenzleitungen 4a, 4b in eine Führungsrolle 5 für die Materialbahn 3 integriert sind. In dieser Figur sind auch die Sende- und Empfangskanäle 1, 2 für die Einspeisung und den Empfang der Hochfrequenzsignale dargestellt, wie dies bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert wurde. Die Hochfrequenzleitungen können in diesem Beispiel als geschlitzte Hohlleiter 7 ausgeführt werden. Ein derartiger geschlitzter Hohlleiter 7 ist im rechten Teil der 3 im Querschnitt beispielhaft dargestellt.
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In 4 ist ein Beispiel für einen geschlitzten W-Band-Hohlleiter 7 einer Länge von hier 56 mm dargestellt, der über einen Abschnitt dy = 20 mm mit einem Band 8 abgedeckt ist. Bei Einspeisung eines Hochfrequenzsignals mit einer Frequenz von 94 GHz in den Hohlleiter 7 kann am Eingangsport 9 dieses Hohlleiters eine Amplituden- oder Phasenänderung des am Ende des Hohlleiters reflektierten Signals gegenüber einer Situation ohne Abdeckung (dy = 0) gemessen werden, die vom Abdeckungsgrad des Hohlleiters durch das Band 8 abhängt. 5 zeigt hierzu eine Simulation der am Eingangsport 9 des Hohlleiters im Beispiel der 4 messbaren Phasen- (a) und Amplitudenänderung (b) des Hochfrequenzsignals in Abhängigkeit von der Größe dy der Überdeckung des Hohlleiters 7 durch das Band 8. Der in 5a) erkennbare Sprung ist hierbei lediglich darstellungsbedingt. Mit Hilfe vorab durchgeführter Referenzmessungen kann dann aus der gemessenen Amplituden- oder Phasenänderung direkt dy und damit die Position der Bandkante ermittelt werden.
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Die obige Simulation wurde für eine direkte Abdeckung des Hohlleiters 7 mit dem Band 8 durchgeführt. Die proportionale Abhängigkeit der Amplituden- und/oder Phasenänderung vom Grad der Überlappung des Hohlleiters mit dem Band bzw. von der Position der Bandkante tritt auch bei einem Abstand zwischen Band und Hohlleiter auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Sende- und Empfangskanal
- 2
- zweiter Sende- und Empfangskanal
- 3
- Materialbahn
- 4a
- erster Hochfrequenzleiter
- 4b
- zweiter Hochfrequenzleiter
- 5
- Führungsrolle
- 6
- Messkopf
- 7
- geschlitzter Hohlleiter
- 8
- Band
- 9
- Eingangsport
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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