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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Sie wird durch die zwischen den Molekülen des Fluids bestehende innere Reibung verursacht, die die Fließfähigkeit herabsetzt. Je größer die Viskosität ist, desto dickflüssiger ist das Fluid; je niedriger sie ist, desto dünnflüssiger ist es. Für einige Flüssigkeiten, z.B. reines Wasser, ist die Viskosität eine Stoffkonstante, die nur von Temperatur und Druck abhängig ist. Diese werden als newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet. Flüssigkeiten, deren Viskosität sich insbesondere mit der Schergeschwindigkeit und/oder der Belastungsdauer verändert, werden als nicht-newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet; Beispiele sind u.a. Blut, Stärke-Wasser-Gemische oder Ketchup. Je nachdem, wie sich die Viskosität in Abhängigkeit von der Scherung ändert, werden sie in strukturviskos (sinkende Viskosität bei zunehmender Scherung) und dilatant (wachsende Viskosität bei zunehmender Scherung) eingeteilt. Feststoffhaltige Biogasmedien sind meist strukturviskose, teilweise thixotrope Medien mit breiiger Konsistenz.
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In der chemischen Industrie und auch in der Lebensmittelindustrie wird die Viskosität als ein sehr effektiver Indikator für die Beschaffenheit und Konsistenz von Endprodukten zur Qualitätsüberwachung sowie als Parameter zur Prozesssteuerung eingesetzt. Als Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Bestimmung und Optimierung der Viskosität von inhomogenen, stückigen und strukturviskosen Biogasmedien vorgesehen. Die Effizienz von Biogasanlagen hängt in hohem Maße von der Viskosität des Biogasmediums ab Da sie vor allem die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen und damit die Partialdrücke der gelösten Gase im Medium beeinflusst, werden alle Stoffwechselprozesse in den Mikroben und die damit verbundenen Umsatzgeschwindigkeiten sowie die Gasproduktion selbst von diesem Parameter signifikant kontrolliert. Grundsätzlich gilt, dass durch verringerte Viskositäten alle Stoffaustauschprozesse und somit auch die Gasbildung intensiviert werden. Für die Vergleichbarkeit von Untersuchungsergebnissen zur Kinetik und Effizienz bestimmter Biogasprozesse ist es deshalb erforderlich, die jeweils vorliegende Viskosität zu bestimmen und zu kontrollieren. Diese Aufgabe besteht insbesondere in kommerziellen Biogasanlagen, deren Effizienz und Sicherheit u.a. auch von diesem Parameter in hohem Maß abhängen.
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Stand der Technik
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Für die Messung der Viskosität wird eine Vielzahl verschiedener Methoden angewendet. Einige Labormethoden beruhen darauf, dass das Messmedium bewegt wird. Entsprechend der Norm EN ISO 2431:2011 „Beschichtungsstoffe - Bestimmung der Auslaufzeit mit Auslaufbechern“ wird die Viskosität durch Messung der Zeit bestimmt, in der eine definierte Menge des Messmediums durch eine Kapillare strömt. Zur schnellen Beurteilung der Viskosität von bekannten Flüssigkeiten werden Blasenviskosimeter verwendet. Bei diesen wird die Zeit ermittelt, in der eine Luftblase in einem mit dem Messmedium gefüllten Röhrchen aufsteigt. Diese Zeit ist direkt proportional zur Viskosität der Flüssigkeit.
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In der Schriftenreihe des BMU-Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“ Band
7 [Messmethodensammlung Biogas, Methoden zur Bestimmung von analytischen und prozessbeschreibenden Parametern im Biogasbereich, Hrsg: J. Liebetrau, D. Pfeiffer, D. Thrän, 2. Auflage (Aktualisierung: 24.02.2015)] werden unter Punkt 5.5 „Viskosität“ Methoden zur Messung dieses Parameters in Gärsubstraten bzw. faserigen Suspensionen angegeben und deren Eignung zur rheologischen Charakterisierung in Abhängigkeit der Partikelstruktur bewertet. Häufig kommen Rotationsviskosimeter zum Einsatz, jedoch sind deren Möglichkeiten meist auf die Messung von Flüssigkeiten mit newtonschem Fließverhalten ohne Störstoffe beschränkt. Die Norm DIN 53019-1 [Viskosimetrie - Messung von Viskositäten und Fließkurven mit Rotationsviskosimetern - Teil 1: Grundlagen und Messgeometrie] beschreibt durch Festlegungen bestimmter Messgeometrien Fließfelder zur Messung des Fließverhaltens von newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten in Rotationsviskosimetern. Ein Messkörper rotiert in einem äußeren Messbecher, wobei beide auf einer gemeinsamen rotationssymmetrischen Achse angeordnet sind. Dabei wird das Fließverhalten durch die Scherviskosität, die Scherviskositätsfunktion, die Viskositätskurve oder die Fließkurve beschrieben. Die Festlegungen dieser Norm gelten unter den Voraussetzungen, dass die Flüssigkeit nicht an den Randflächen gleitet und dass die Beschleunigungskräfte in der Flüssigkeit so klein bleiben, dass allein die laminare, stationäre Schichtenströmung den Fließvorgang bestimmt. In der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2008 006 843 U1 [Vorrichtung zur Stoffaufbereitung für eine Biogasanlage] wurde für die Messung von Fluiden mit Störstoffen und nicht-newtonschem Fließverhalten ein modifiziertes Rotationsviskosimeter vorgeschlagen, bei dem ein spezieller Rührer in der Probe mit verschiedenen, definierten Drehzahlen rotiert. Das erzeugte Widerstandsdrehmoment wird an einem Messgerät abgelesen. Mit Rotationsviskosimetern wird allerdings die Viskosität nicht direkt im Biogasreaktor, sondern im Labor an Probemengen von nur wenigen Litern des Gärsubstrats bestimmt.
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Bislang ist noch kein Verfahren bekannt, mit dem die Viskosität der Substrate in großtechnischen Biogasanlagen zuverlässig und mit vertretbarem technischem und ökonomischem Aufwand in situ gemessen werden kann. Eine Grundvoraussetzung für die angestrebte Regelung dieses Parameters ist somit nicht erfüllt. Die vorgeschlagenen Messverfahren sind zu aufwendig und ermöglichen keine allgemeine Aussage über größere Teile des Reaktorvolumens. Gemäß der Patentschrift
DE 102011110638 A1 [Anlagenweites Steuerungs- und Regelungsverfahren für Biogasanlagen] kann die Viskosität beispielsweise durch die Leistungsaufnahme der Rührwerke indirekt kontrolliert und überwacht werden. Da die Rührtechnik viel Energie verbraucht ist jede Einsparung diesbezüglich relevant. Auf den meisten Biogasanlagen wird die Rührtechnik entweder nach einem vorgegebenen Zeitintervall oder über eine manuell eingestellte Drehzahl gesteuert. Es bestehen jedoch keine Systeme zur automatischen Steuerung der Rührtechnik des anaeroben Reaktors.
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In den Patentschriften
DE 102010014239 A1 [Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Biogas] und
DE 102010014240 A1 [Regelung von Biogasanlagen] wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass zur Ermittlung der Viskosität auch Messdaten, welche über die Rührwerke ermittelt werden, herangezogen werden können. Bei strukturviskosen Medien besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit und der Viskosität. Somit kann auch die Viskosität in Abhängigkeit von der Scherrate für die notwendige hydraulische Leistung hinsichtlich einer energetisch optimierten Durchmischung des Behälterinhalts herangezogen werden. Dazu erfolgt von einem oder mehreren Rührwerken eine direkte oder indirekte Leistungsermittlung auf der Basis elektrischer oder mechanischer Messdaten. Der Propellerdurchmesser, die Propellergeometrie und die Position der Propeller werden so gewählt, dass eine gemeinsame Mischzone des Mediums in dem Behälter erzeugbar ist, dass Messdaten zur Ermittlung der mittleren Geschwindigkeit und/oder der Viskosität des Mediums in der Mischzone erfasst und die Messdaten an eine Regeleinheit weitergeleitet werden, Grundsätzlich lässt sich über die Rührwerke jedoch nur eine lokale Viskosität, nicht aber ein integraler Wert für das Substrat im Reaktor bestimmen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante dieser Erfindung wird die mittlere Geschwindigkeit in der Mischzone von Ultraschall-Sonden erfasst. Dies hat den Vorteil, dass es sich um ein kontaktfreies Messverfahren handelt. Bei der Messung der lokalen Geschwindigkeiten bleibt das Medium unbeeinflusst, da kein zusätzliches Hindernis in die Strömung eingebracht wird.
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Problem
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Bei den meisten flüssigkeitsgestützten Biogasprozessen weisen die Medien ein nichtnewtonsches strukturviskoses und teilweise auch thixotropes Fließverhalten auf, d.h. die Viskosität hängt vom aktuell eingestellten Schergefälle ab bzw. steigt zeitlich retardiert bei abnehmender Rührwerksaktivität, d.h. abnehmendem Schergefälle, an. Da außerdem viele Feststoffpartikel sehr unterschiedlicher Größe im Medium suspendiert sind, ist eine integrale Bestimmung der Viskosität im Prozess mit derzeit noch nahezu ungelösten Schwierigkeiten verknüpft. Mit der Erfindung soll das Problem der Bestimmung der Viskosität von inhomogenen, stückigen und strukturviskosen Medien in verfahrenstechnischen Anlagen, insbesondere in Biogasreaktoren mit eingeschränkter Zugänglichkeit für Sensoren und Messsysteme, gelöst werden. In der Biogastechnik wirkt sich die Viskosität hauptsächlich auf die Förderfähigkeit und Durchmischbarkeit der Substrate aus. Zunehmende Viskositäten der Maische resultieren in schlechten Förderfähigkeiten, hohen Pumpendrücken sowie Verschleiß an eingesetzten Maschinen, auch ist mit einem erhöhten Energieeintrag für Förderung und Durchmischung zu rechnen. Das in der Praxis meist auftretende Problem zu hoher Viskositäten wird u.a. durch die Zugabe von Wasser zum Prozess behoben; durch zu hohe Zugaben an Verdünnungsmedien können sich jedoch die Raumbelastung und damit die volumenbezogene Prozesseffizienz verringern. Um dieses Problem lösen zu können, ist es erforderlich, die Viskosität zu regeln. Bislang existiert allerdings noch kein zuverlässiges, leicht handhabbares und ökonomisches Verfahren zur In-situ-Messung und Regelung der Viskosität.
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Lösung
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein mit einem Seil umwickelter Probekörper unter Einwirkung der Schwerkraft bzw. des Auftriebes sowie der Seilspannung im Messmedium rotiert und dabei dessen Rotationsgeschwindigkeit zur Ermittlung der Viskosität registriert wird. Der Probekörper wird einerseits durch die Abwicklung vom Seil in Rotation versetzt und lässt sich andererseits nach der Messung mittels des Seils wieder an den Start der Bewegung durch das Fluid zurückholen. Je nachdem, ob der Auftrieb oder das Gewicht des Probekörpers überwiegen, wird die Messung bei aufsteigender bzw. bei absinkender Bewegung des Probekörpers erfolgen. Die Rotationsgeschwindigkeit des Probekörpers bei dieser Bewegung ist dann abhängig von der Differenz zwischen Gewichtskraft und Auftrieb sowie von der Reibung in den an den Probekörper angrenzenden Schichten des Messmediums. Da die Differenz zwischen Gewichtskraft und Auftrieb bekannt bzw. ermittelbar ist, werden aus der gemessenen Rotationsgeschwindigkeit direkt die Reibung und somit auch die zugrundeliegende Viskosität berechnet. Die Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit des Probekörpers im Fluid erfolgt beispielsweise durch in den Probekörper integrierte Neigungssensoren. Darüber hinaus kann der Probekörper auch weitere Sensoren enthalten. Die Daten werden im Probekörper durch einen Mikrocontroller erfasst und gespeichert. Nach der Messung werden die Daten zur Auswertung an ein externes Messsystem übertragen. Die Energieversorgung des Mikrocontrollers erfolgt vorzugsweise durch einen ebenfalls in den Probekörper integrierten Akkumulator, der sich induktiv aufladen lässt, oder durch Batterien.
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Um den Einfluss des Schergefälles auf die Viskosität mit dem o.g. rotierenden Probekörper untersuchen zu können, ist es notwendig, die die Abwicklung des Seils vorantreibende Kraft variieren zu können. Da diese Kraft aus der Auftriebskraft und der Gewichtskraft des Probekörpers resultiert, lässt sie sich durch Variation von Gewicht und/oder Volumen des Probekörpers beeinflussen, was durch die seitliche Anbringung verschiedener Gewichte an den rotierenden Probekörper realisiert wird.
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Erreichte Vorteile
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass es mit deren Hilfe möglich ist, die Viskosität von Biogasmedien in Biogasfermentern mit eingeschränkter Zugänglichkeit für stationäre Sensoren und Messsysteme in situ zu kontrollieren und in einem optimalen Bereich einzustellen. Bei Anwendung der Erfindung können die Stoffübergänge intensiviert und damit die Effektivität des Biogasprozesses beträchtlich erhöht werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es mit dem rotierenden Probekörper möglich sein wird, neben der scherratenabhängigen Viskosität des Gärmediums auch präzise dessen Temperatur und Dichte mit hoher räumlicher Auflösung im Fermenter zu bestimmen. Auf diese Weise werden weitere wertvolle Daten für die Prozessführung erhalten, da sich beispielsweise über die Dichtebestimmung auch auf den Gehalt an Gasblasen im Messmedium schließen lässt.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 7 bis 11 angegeben.
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Gemäß Anspruch 5 ist das Seil zur Rotation und Rückholung des Probekörpers als flaches Band mit geringer Oberflächenrauigkeit ausgeführt, damit es leicht durch die Elastomerdichtung an der Sondenspitze gezogen werden kann, ohne dabei Messmedium aus dem Prozess auszutragen.
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Gemäß Anspruch 6 besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Seils darin, in dieses mehrere hochflexible elektrische Einzelleitungen zu integrieren. Auf diese Weise wird es möglich, den Rotationskörper von außen mit Energie zu versorgen und die Messdaten bereits während der Messung auswerten und auf einem externen Display darstellen zu können.
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Gemäß den Ansprüchen 7 und 8 ist es möglich und zweckmäßig, in den Probekörper weitere Sensoren, z.B. zur Messung des Drucks und der Temperatur zu integrieren.
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Gemäß Anspruch 9 lässt sich die Befestigung des Probekörpers an der Sondenspitze über die Haftkraft eines schaltbaren Magneten realisieren. Dadurch wird der Probekörper bei der gedichteten Einführung der Sonde in das Messmedium sicher gehalten und kann bei Start der Messung durch die Abschaltung des Magneten zuverlässig und mit hoher zeitlicher Präzision von der Sonde gelöst werden.
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Gemäß Anspruch 10 kann am Seil auch ein Kraftsensor befestigt sein, um den kurzzeitigen Kraftanstieg am Seil bei Erreichen der vollständigen Abwicklung des Probekörpers vom Seil zu detektieren. Dieses Signal zeigt das Ende der Messung an.
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Alternativ zu diesem Kraftsensor kann gemäß Anspruch 11 der Probekörper mit einem akustischen Geber ausgestattet werden, der nach Messung einer bestimmten Anzahl von Rotationen des Probekörpers vom Mikroprozessor ein Signal erhält, dass das Seil vollständig abgewickelt ist. Dieses akustische Signal kann durch einen entsprechenden Aufnehmer an der Sondenspitze aufgezeichnet und auf diese Weise das Ende der Messung dokumentiert werden.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in 1 schematisch dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus dem rotierenden Probekörper 1, der an einem Seil 8 befestigt ist, und einer stabförmigen Sonde 9, mit der der Probekörper z.B. durch ein Ablaufrohr in den Prozess eingebracht werden kann. Das Gehäuse des Probekörpers besteht je nach angestrebter Messrichtung aus einem Kunststoff (Auftrieb > Gewichtskraft, Messung bei aufsteigendem Probekörper) bzw. aus einem korrosionsfesten Metall (Gewichtskraft > Auftrieb, Messung bei absinkendem Probekörper). Die meisten Fermenter verfügen wegen ihrer Fütterung, der Entnahme von Gärrest, der Durchführung von Rührwerkswellen sowie zur Inspektion oder Entleerung über Zugänge, die mit Kugelhähnen, Schiebern, Wasserdichtungen oder Tauchrohren versehen sind. Über diese Zugänge lässt sich die in Bild 1 dargestellte Sonde dichtend durchführen, wobei der Probekörper vorzugsweise an der Sondenspitze über eine von außen lösbare Verbindung befestigt ist. Diese Verbindung kann beispielsweise als schaltbarer Magnet ausgeführt sein.
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Das Seil 8 durchläuft die Sonde 9 und ist an der Sondenspitze durch eine spezielle Elastomerdichtung 10 geführt, die eine zugförmige Bewegung des Seils in der Sonde ohne Austragung von Gärmedium zulässt.
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Der Probekörper 1 enthält einen Mikrocontroller 2, der mit einem wiederaufladbaren Akkumulator 3 mit elektrischer Energie für die Messung versorgt wird. Zu Beginn der Messung, wenn der Probekörper 1 über den lösbaren Magnet 11 von der Sonde gestartet wird, beginnt der Mikrocontroller 2 mit der Aufzeichnung von Messwerten der im Probekörper 1 integrierten Sensoren 4 bis 6 für Neigung 4, Temperatur 5 und Umgebungsdruck 6. Durch das Signal des Neigungssensors 6 lässt sich die Rotation des Probekörpers 1 lückenlos aufzeichnen und beurteilen. Über die geometrischen Abmessungen des Probekörpers 1 und des Seils 8 lässt sich auch die momentane Position des Probekörpers 1 in Bezug auf die Sonde 9 ermitteln. Die Aufzeichnung des Drucks mit dem entsprechenden Sensor 6 ermöglicht die Erstellung eines Höhenprofils des Druckes und somit die Berechnung der Dichte des Messmediums unter der Voraussetzung, dass der Probekörper durch eventuelle Bewegung des gerührten Messmediums nicht zu weit von seiner Bahn im ruhenden Medium abweicht.
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Der Probekörper 1 verfügt weiterhin über anschraubbare scheibenförmige Gewichte 7, mit denen die Gewichtskraft des Probekörpers bei gleichbleibendem Auftrieb variiert werden kann, um bei der Messung verschiedene Schergefälle in der Strömung um den Probekörper einstellen zu können.
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Durch die Aufzeichnung der schwerkraftabhängigen Rotationsgeschwindigkeit des Probekörpers, der Temperatur des Messmediums sowie dem Umgebungsdruck im Messmedium lassen sich die schergefälleabhängige Viskosität bei der aktuellen Temperatur sowie die Dichte des Messmediums ermitteln. Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit sind zudem ein Maß für den Gehalt an Gasblasen und größeren Feststoffpartikeln im Messmedium, die ebenfalls für die Prozessführung wertvolle Informationen liefern können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotierender Probekörper
- 2
- Mikrocontroller
- 3
- Akkumulator
- 4
- Neigungssensor
- 5
- Temperatursensor
- 6
- Drucksensor
- 7
- Scheibenförmige Gewichte, anschraubbar
- 8
- Seil
- 9
- Stabförmige Sonde
- 10
- Lippenförmige Elastomerdichtung
- 11
- Schaltbarer Magnet zur Befestigung des Probekörpers 1 an der stabförmigen Sonde 9
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008006843 U1 [0004]
- DE 102011110638 A1 [0005]
- DE 102010014239 A1 [0006]
- DE 102010014240 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN ISO 2431:2011 [0003]
