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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, umfassend einen Tragkörper und einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper flächig ausgebildet ist, wobei der Sensorkörper aus elastischem Material ausgebildet ist und wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Sensorkörpers elektrisch leitfähig beschichtet sind.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2 113 760 A1 ist es bekannt, ein membranförmiges Sensorelement als Drucksensor auszubilden. Das Sensorelement umfasst dabei einen Sensorkörper, der abschnittsweise flächig ausgebildet ist. Der Sensorkörper ist in einem rohrförmigen Gehäuse aufgenommen, wobei auf der ersten Oberfläche des Sensorkörpers der Druck eines ersten Raumes und auf die zweite Oberfläche des Sensorkörpers der Druck eines zweiten Raumes angreift.
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Der Sensorkörper erfasst dabei die Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen. Dies erfolgt dadurch, dass sich der Sensorkörper aufgrund der unterschiedlichen Drücke verformt, wobei sich aufgrund der elastischen Ausbildung des Sensorkörpers der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, also die Wanddicke des Sensorkörpers, verändert.
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Die elektrisch leitfähige erste Oberfläche und die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche des Sensorkörpers bilden dabei Kondensatorplatten, wobei sich die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators durch Veränderung des Abstandes der beiden Oberflächen zueinander ändert. Dadurch kann anhand der sich ändernden Kapazität die Druckdifferenz zwischen dem Druck des an der ersten Oberfläche angrenzenden ersten Raumes und dem an der zweiten Oberfläche angrenzenden zweiten Raum ermittelt werden.
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Bei einem derartigen Sensorelement ist insbesondere die elektrische Kontaktierung der beiden leitfähigen Oberflächen des elektrisch leitfähig ausgerüsteten Sensorkörpers kompliziert. Hinzu kommt, dass bei Messungen niedriger Druckdifferenzen ein geringer Abstand der beiden leitfähig ausgerüsteten Oberflächen erforderlich ist, um ein aussagekräftiges Messsignal zu erhalten. Derartige Sensorkörper weisen dementsprechend eine besonders dünne Schicht in Form einer dünnen Membran auf und sind dadurch schwierig zu montieren.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement bereitzustellen, welches die Messung niedriger Druckdifferenzen ermöglicht und dabei kostengünstig und einfach montierbar ist.
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Technische Lösung
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Das erfindungsgemäße Sensorelement umfasst einen Tragkörper und einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper flächig ausgebildet ist, aus einem elastischen Material. Der flächige Sensorkörper weist zwei Oberflächen auf. Die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Sensorkörpers sind elektrisch leitfähig beschichtet. Die beiden Oberflächen sind elektrisch isoliert zueinander, d.h. nicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt auf beiden Oberflächen mit dem gleichen Material, da dies fertigungstechnisch besonders günstig ist.
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Zur Lösung der Aufgabe sind der Tragkörper und der Sensorkörper einstückig ausgebildet. Dadurch bilden Tragkörper und Sensorkörper eine montierbare Einheit, wodurch sich das Handling insbesondere des Sensorkörpers vereinfacht. Dadurch kann ein Sensorkörper mit einer besonders geringen Schichtdicke ausgebildet sein, was erlaubt besonders geringe Druckdifferenzen zu erfassen.
Indem die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Sensorkörpers in besonders vorteilhafter Weiterbildung jeweils vollflächig elektrisch leitfähig beschichtet sind, kann die Oberflächenbeschichtung fertigungstechnisch besonders einfach realisiert werden.
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Der Tragkörper kann rohrförmig ausgebildet sein. Dabei kann der Tragkörper beispielsweise in Form eines Rohrstutzens ausgebildet sein. Ein Rohrstutzen ist besonders einfach montierbar. Alternativ kann der Tragkörper scheibenförmig ausgebildet sein. Dabei kann der Tragkörper beispielsweise in Form eines Ringes ausgebildet sein.
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Der Sensorkörper kann scheibenförmig, d.h. planar ausgebildet sein. Vorzugsweise verschließt der scheibenförmige Sensorkörper die rohrförmige Öffnung des Tragkörpers. Dadurch fungiert der Sensorkörper entlang des Befestigungsabschnittes als Dichtelement und verhindert einen Druckausgleich zwischen den beiden an den Oberflächen des Sensorkörpers angrenzenden Räumen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement ist vorteilhaft, dass das Sensorelement mit Sensorkörper und Tragkörper in einem Arbeitsgang herstellbar sind und dass der Sensorkörper und der Tragkörper fest miteinander verbunden sind.
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Dabei ist insbesondere der Sensorkörper einfacher herstellbar, da der Sensorkörper zusammen mit dem Tragkörper einfacher aus einem Herstellungswerkzeug entformbar ist als der membranartige Sensorkörper alleine. Des Weiteren vereinfacht sich auch die Montage des membranförmig ausgebildeten Sensorkörpers, da das Handling aufgrund der Verbindung mit dem Tragkörper vereinfacht ist. Ferner lassen sich Elektroden, welche für die Kontaktierung der beiden elektrisch leitfähigen Oberflächen erforderlich sind, einfach in den Bereich des Befestigungsabschnittes oder des Tragkörpers integrieren.
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Die elektrisch leitfähige Beschichtung von erster Oberfläche und zweiter Oberfläche des Sensorkörpers kann sich jeweils zumindest abschnittsweise über die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Tragkörpers erstrecken. Dies vereinfacht die Kontaktierung der beiden elektrisch leitfähig ausgerüsteten Oberflächen des Sensorkörpers. Dabei ist es insbesondere nicht erforderlich, gesonderte Elektroden in den Sensorkörper einzubringen, beispielsweise einzuvulkanisieren.
Die elektrisch leitfähige erste Oberfläche und die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche bilden Platten eines Kondensators, wobei sich die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators wesentlich durch den Abstand der beiden Oberflächen zueinander ergibt. Das Sensorelement ist dabei in einer Anordnung platzierbar, welche so ausgestaltet ist, dass an der ersten Oberfläche der Druck eines ersten Raumes und an der zweiten Oberfläche der Druck eines zweiten Raumes angreift. Unterscheidet sich der Druck des ersten Raumes von dem Druck des zweiten Raumes, wölbt sich der Membrankörper in Richtung des Raumes mit geringerem Druck vor und dabei verformt sich der elastisch ausgebildete Sensorkörper, wobei sich gleichzeitig aufgrund der Verformung die Schichtdicke des Sensorkörpers verändert. Dadurch verändert sich gleichzeitig der Abstand der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche und die Kapazität des durch die beiden Oberflächen gebildeten Plattenkondensators verändert sich. Insofern kann die Bestimmung der Druckdifferenz durch die Messung der veränderten Kapazität des Plattenkondensators erfolgen.
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Der Tragkörper und der Sensorkörper können aus spritzgießfähigem Kunststoff ausgebildet sein. Dadurch können Tragkörper und Sensorkörper in einem Zug in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Dabei wird für den Tragkörper vorzugsweise ein zähharter Kunststoff und für den Sensorkörper ein elastischer Kunststoff gewählt, z.B. ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer. Die Herstellung erfolgt in diesem Fall in einem Zweikomponentenspritzgussverfahren. Sensorkörper und Tragkörper sind dadurch einstückig ausgebildet und besonders fest stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Der Tragkörper und der Sensorkörper können zueinander komplementäre Formschlusselemente mit kongruentem Volumen aufweisen. Beispielsweise kann der Tragkörper Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen aufweisen, welche zur Aufnahme von Material des Sensorkörpers geeignet sind. Während der Herstellung dringt das Material des Sensorkörpers in die Ausnehmungen oder Durchbrechungen ein, was neben der stoffschlüssigen Anbindung auch eine formschlüssige Fixierung bewirkt.
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Der Tragkörper kann einen radial nach innen weisenden Flansch aufweisen. Dabei kann der Sensorkörper in Bereich des Flansches an dem Tragkörper befestigt sein.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Sensorkörper beidseitig des Flansches des Tragkörpers. Dadurch ist der Sensorkörper besonders fest an den Tragkörper angebunden und das Sensorelement ist besonders robust. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen in den Flansch eingebracht.
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Der Bereich des Flansches verformt sich bei einer Druckdifferenz nur unwesentlich, insbesondere im Vergleich zu dem elastischen Sensorkörper, was die Messgenauigkeit verbessert.
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Der Sensorkörper kann im Übergangsbereich zum Tragkörper eine Verdickung aufweisen. Dabei ist die Verdickung ringförmig ausgebildet und umgibt einen scheibenförmigen Messabschnitt. Dadurch ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität. Die Schichtdicke der Verdickung ist dabei größer als die Schichtdicke des scheibenförmigen Messabschnittes, insbesondere um ein Vielfaches. Die Schichtdicke bezeichnet dabei den Abstand zwischen erster Oberfläche und zweiter Oberfläche.
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Der Übergang zwischen Messabschnitt und Verdickung kann dabei stufenförmig erfolgen, wobei die Schichtdicke sprungartig ansteigt.
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Vorzugsweise vergrößert sich die Schichtdicke ausgehend von dem Messabschnitt linear bis zur Schichtdicke der Verdickung. Dadurch ergibt sich ein schräger Übergangsbereich, welcher den Übergang zwischen Messabschnitt und Verdickung bildet.
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Messabschnitt und Verdickung können so zueinander angeordnet sein, dass sich die Schichtdicke beidseitig und ausgehend von erster Oberfläche und zweiter Oberfläche des Messabschnittes vergrößert, so dass der Messabschnitt zentriert in der Verdickung angeordnet ist.
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Alternativ können Messabschnitt und Verdickung entlang einer Oberfläche in einer Radialebene angeordnet sein. Bei dieser Ausgestaltung vergrößert sich die Schichtdicke der Verdickung nur entlang einer Oberfläche.
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Dadurch, dass die Verdickung eine größere Schichtdicke aufweist als der Messabschnitt, erfolgt im Bereich der Verdickung eine wesentlich geringere Verformung als im Bereich des Messabschnittes. Vorzugsweise ist die Schichtdicke der Verdickung so gewählt, dass die Verdickung eine verringerte Offsetkapazität aufweist. Dadurch beeinflusst die Verdickung nicht das Messergebnis. Die vorteilhafte Wirkung stellt sich dann ein, wenn die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes mindestens doppelt so groß ist wie die Schichtdicke des Messabschnittes. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes das Dreifache der Schichtdicke des Messabschnittes.
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Für die Messung geringer Druckdifferenzen ist es vorteilhaft, wenn die Schichtdicke des Messabschnittes 0,3 mm bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,5 mm beträgt.
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In bevorzugter Weiterbildung sind an dem Tragkörper Kontaktelemente vorgesehen zur Herstellung einer signalleitenden Verbindung der leitfähigen Beschichtungen mit einer Messeinrichtung.
Der Tragkörper kann mit zumindest einem Kontaktelement für eine elektrisch leitfähige Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche und/oder der elektrisch leitfähigen zweiten Oberfläche des Sensorkörpers versehen sein. Dazu kann der Tragkörper ebenfalls mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sein, beispielsweise mit aufgedruckten Leiterbahnen. Alternativ kann der Tragkörper Einlegeelemente aus elektrisch leitfähigem, metallischem Werkstoff ausbilden. Diese Kontaktelemente sind somit zwischen der Oberfläche des Tragkörpers und der Beschichtung des Tragkörpers angeordnet. Beim Beschichten des Tragkörpers wird so automatisch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Kontaktelementen und leitfähiger Beschichtung geschaffen.
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Vorzugsweise ist der Tragkörper mit Elementen zum Anschluss von Kabeln oder Kabelschuhen ausgerüstet. Diese stehen in elektrischem Kontakt mit dem zumindest einen Kontaktelement.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines wie obenstehend beschriebenen Sensorelements in einem Zweikomponenten-Spritzgussverfahren, wobei die spritzgießfähigen Kunststoffmaterialien für Tragkörper und Sensorkörper in jeweilige Formen eingespritzt werden. Die elektrisch leitfähige Beschichtung wird in einem nachfolgenden Schritt erzeugt.
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Figurenliste
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Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensorelementes werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 im Schnitt ein erstes Sensorelement;
- 2 ein weiteres Sensorelement rohrförmigem Tragkörper;
- 3 ein Sensorelement mit Kontaktelementen.
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Die Figuren zeigen ein Sensorelement 1 für die Erfassung der Druckdifferenz zweier einander angrenzender Räume. Die Räume befinden sich oberhalb und unterhalb des Sensorelements 1 und sind nicht näher dargestellt. Das Sensorelement 1 umfasst einen Tragkörper 2 und einen Sensorkörper 3, wobei der Sensorkörper 3 flächig ausgebildet ist und aus elastischem Material besteht. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Sensorkörper 3 aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) ausgebildet. Der Tragkörper 2 ist aus Polyamid (PA) ausgebildet. Weitere elastomere Werkstoffe sind denkbar und können je nach Anwendungsfall und angreifender Medien ausgewählt werden. Die Herstellung des Sensorelementes erfolgt in einem Zweikomponentenspritzgussverfahren und Sensorkörper 3 und Tragkörper 2 sind stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Die erste Oberfläche 4 und die zweite Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 sind elektrisch leitfähig beschichtet, wobei die Beschichtung jeweils so gewählt ist, dass die erste Oberfläche 4 und die zweite Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 vollflächig elektrisch leitfähig beschichtet sind. Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann beispielsweise auf die erste Oberfläche 4 und die zweite Oberfläche 5 aufgedampft sein. Die Beschichtung kann aber auch in Form eines Lackes mit elektrisch leitfähigen Partikeln ausgebildet sein.
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Der Tragkörper 2 weist einen Flansch 8 auf, der radial nach innen weist. Die elektrisch leitfähige Beschichtung der ersten Oberfläche 4 und der zweiten Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 erstreckt sich abschnittsweise über die erste Oberfläche 6 und die zweite Oberfläche 7 des Tragkörpers 2. Dadurch bildet sich beidseitig des Flansches 8 ein Übergangsbereich mit einer Verdickung 9, gebildet aus dem Material des Sensorkörpers 3.
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In den Flansch 8 sind Durchbrechungen 10 eingebracht, welche mit dem Material des Sensorkörpers 3 aufgefüllt sind. Dadurch bilden sich kongruente Formschlusselemente, welche eine formschlüssige Verbindung von Tragkörper 2 und Sensorkörper 3 bewirken.
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Die Verdickung 9 schließt einen Messabschnitt 11 ein, wobei die Schichtdicke der Verdickung 9 größer als die Schichtdicke des Messabschnittes 11.
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Die elektrisch leitfähige erste Oberfläche 4 und die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche 5 bilden Platten eines Plattenkondensators, wobei sich die Kapazität des Plattenkondensators im Wesentlichen durch den Abstand der beiden Oberflächen 4, 5 ergibt. Aufgrund der elastischen Ausbildung des Sensorkörpers 3 verformt sich der Sensorkörper 3, wenn an der ersten Oberfläche 4 der Druck eines ersten Raumes und an der zweiten Oberfläche 5 der Druck eines zweiten Raumes angreift, wobei sich der Druck des ersten Raumes von dem Druck des zweiten Raumes unterscheidet. Herrscht zwischen beiden eine Druckdifferenz, wölbt sich der Messabschnitt 6 in Richtung des Raumes mit geringerem Druck vor, wobei sich der Messabschnitt 11 des Sensorkörpers 3 verformt und wobei sich gleichzeitig der Abstand der ersten Oberfläche 4 und der zweiten Oberfläche 5 verändert, was mit einer Änderung der Kapazität des Plattenkondensators einhergeht. So kann durch Messung der Kapazität des Plattenkondensators die Druckdifferenz der beiden an dem Sensorkörper 3 angreifenden Drücke ermittelt werden.
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Die Schichtdicke der Verdickung 9 ist dabei so gewählt, dass dieser Bereich eine verringerte Offsetkapazität aufweist und dadurch die in dem Messabschnitt 11 ermittelte Kapazitätsänderung nicht wesentlich, insbesondere nicht merklich beeinflusst. Dazu ist die Schichtdicke der Verdickung 9 bei den vorliegenden Ausgestaltungen dreimal größer als die Schichtdicke des Messabschnittes 6. Die Schichtdicke des Messabschnittes 6 beträgt 0,5 mm. Hinzu kommt, dass sich der Tragkörper 2 mit dem Flansch 8 bis in die Verdickung 9 erstreckt und diese zusätzlich versteift.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung des Sensorelementes 1. Dabei ist der Sensorkörper 3 scheibenförmig ausgebildet. Der Tragkörper 2 ist scheibenförmig in Form eines Ringes und weist einen Flansch 8 auf, wobei sich der Sensorkörper 3 im Bereich der Verdickung 9 beidseitig des Flansches 8 erstreckt. Der Tragkörper 2 ist beidseitig mit Kontaktelementen 12, 13 für eine elektrische Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche 4 und der elektrisch leitfähigen zweiten Oberfläche 5 ausgerüstet. Beide Kontaktelemente 12, 13 weisen Anschlussmittel für die Aufnahme von Kabeln für eine elektrische Kontaktierung mit einer Messeinrichtung auf, beispielsweise in Form von Kabelschuhen.
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2 zeigt eine Weiterbildung des in 1 gezeigten Sensorelementes 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Tragkörper 2 rohrförmig ausgebildet und weist an einer Stirnseite einen radial nach innen weisenden Flansch 8 mit einer Öffnung auf, wobei der Sensorkörper 3 die Öffnung des Tragkörpers 2 verschließt.
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3 zeigt die Ausgestaltung gemäß 2, wobei der Tragkörper 2 entlang des Flansches 8 und des rohrförmigen Abschnittes beidseitig mit Kontaktelementen 12, 13 für eine elektrische Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche 4 und der elektrisch leitfähigen zweiten Oberfläche 5 ausgerüstet ist. Beide Kontaktelemente 12, 13 weisen Anschlussmittel für die Aufnahme von Kabeln für eine elektrische Kontaktierung mit einer Messeinrichtung auf, beispielsweise in Form von Kabelschuhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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