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Die Erfindung betrifft einen vibronischen Messaufnehmer zum Messen des Massendurchflusses eines strömungsfähigen Mediums in einer Rohrleitung. Bei dem strömungsfähigen Medium handelt es sich bspw. um ein Fluid, etwa ein Gas oder eine Flüssigkeit.
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Vibronische Messaufnehmer zum Messen des Massendurchflusses umfassen in der Regel einen Leitungseinlaufabschnitt und einen Leitungsauslaufabschnitt, welche an die Rohrleitung angeschlossen sind, zum Ein- bzw. Ausströmen des Mediums, sowie ein Messaufnehmergehäuse und eine schwingfähige Messrohrleitung. Die Anmeldung bezieht sich auf vibronische Messaufnehmer mit einer einzigen Messrohrleitung. Die Messrohrleitung ist in ihrer Ruhelage in einer Rohrleitungsebene gebogen und weist eine zweizählige Rotationssymmetrie auf bezüglich einer Achse, die senkrecht zur Rohrleitungsebene verläuft.
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Messaufnehmer mit einem einzigen Messrohr sind vorteilhaft, da sie keine Strömungsteiler enthalten. Anders als bei Messaufnehmern mit zwei Messrohren, die symmetrisch gegeneinander schwingen, ist es jedoch bei Messaufnehmern mit nur einem einzigen Messrohr schwieriger, eine Wechselwirkung mit der Umgebung durch Auskoppeln von Schwingungsenergie einer Biegeschwingungsnutzmode bzw. durch Einkoppeln von störenden Schwingungen aus der Umgebung zu vermeiden. Die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 030 340 A1 offenbart hierzu einen Messaufnehmer mit einem einzigen Messrohr, bei dem das Messrohr zwei parallel geführte Schleifen aufweist, die gegeneinander schwingen und sich insoweit gegenseitig balancieren. Für diesen Messaufnehmertyp ist jedoch aufgrund des Verlaufs der Messrohrleitung in Schleifen eine Entleerbarkeit des Messrohrs prinzipiell ausgeschlossen, während gattungsgemäße Messaufnehmer grundsätzlich entleerbar gestaltet sein können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Einfluss unerwünschter Störmoden bei einem gattungsgemäßen vibronischen Messaufnehmer zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen vibronischen Messaufnehmer zum Messen des Massendurchflusses eines strömungsfähigen Mediums, umfassend:
- - einen Leitungseinlaufabschnitt und einen Leitungsauslaufabschnitt;
- - ein Messaufnehmergehäuse, wobei der Leitungseinlaufabschnitt und der Leitungsauslaufabschnitt jeweils fest mit dem Messaufnehmergehäuse verbunden sind;
- - eine schwingfähige Messrohrleitung zum Führen des Mediums, welche Messrohrleitung in ihrer Ruhelage in einer Rohrleitungsebene gebogen verläuft und einlaufseitig an den Leitungseinlaufabschnitt und auslaufseitig an den Leitungsauslaufabschnitt anschließt, wobei die Messrohrleitung zumindest abschnittsweise eine zweizählige Rotationssymmetrie bezüglich einer zur Rohrleitungsebene senkrecht verlaufenden Achse, aufweist;
- - ein Tragsystem mit einer Trägerplatte, mindestens einem einlaufseitigen Lagerkörper und mindestens einem auslaufseitigen Lagerkörper;
wobei die Messrohrleitung mittels des einlaufseitigen Lagerkörpers und mittels des auslaufseitigen Lagerkörpers mit der Trägerplatte fest verbunden und durch die Lagerkörper begrenzt ist,
- - mindestens einen Schwingungserreger, zum Anregen von Biegeschwingungen der Messrohrleitung in einer Biegeschwingungsnutzmode, wobei der Schwingungserreger im Zentrum der zweizähligen Rotationssymmetrie angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, die Biegeschwingungen in der Biegeschwingungsnutzmode senkrecht zur Rohrleitungsebene anzuregen;
- - mindestens zwei Schwingungssensoren zum Erfassen von Schwingungen der Messrohrleitung, wobei ein erster Schwingungssensor einlaufseitig und ein zweiter Schwingungssensor auslaufseitig derart angeordnet sind, dass die beiden Schwingungssensoren in Bezug auf die zweizählige Rotationssymmetrie zueinander symmetrisch angeordnet sind,
- - eine geradzahlige Anzahl von Dämpfungselementen, insb. zumindest zwei Dämpfungselemente, zur Dämpfung von Schwingungen der Messrohrleitung in zumindest einer parallel zu der Rohrleitungsebene schwingenden Störmode, wobei die Dämpfungselemente auf der Trägerplatte angeordnet sind.
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Wie eingangs erwähnt handelt es sich bei der Messrohrleitung bevorzugt um eine einzige Messrohrleitung.
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Bei der zumindest abschnittsweise zweizähligen Rotationssymmetrie handelt es sich insbesondere um eine Symmetrie, die zumindest auf einem Abschnitt vorliegt, welcher Abschnitt durch den einlaufseitigem ersten Schwingungssensor und dem auslaufseitigen zweiten Schwingungssensor begrenzt ist.
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Als erfindungsgemäßes Dämpfungselement wird in dieser Anmeldung ein Element bezeichnet, welches die Schwingung der unerwünschten Störmöde parallel zu der Rohrleitungsebene oder innerhalb der Rohrleitungsebene dämpft, ohne die modale Steifigkeit der Eigenfrequenz ω
0 der Störmode zu beeinflussen. Siehe hierzu die Schwingungsgleichung
in welcher A(ω) die Amplitude in Abhängigkeit von der Anregefrequenz ω und A
E die Anregeamplitude bezeichnet sowie, ω
0 die Eigenfrequenz und γ die Dämpfung der Störmode. Das erfindungsgemäße Dämpfungselement beeinflusst direkt die Dämpfung γ der Störmode. Dahingegen beeinflusst ein von dieser Erfindung nicht umfasstes Versteifungselement die Eigenfrequenz ω
0 der Störmode.
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Durch die Dämpfungselemente ist der vibronische Messaufnehmer durch Beschädigungen geschützt, welche ansonsten durch ein weniger stark gedämpftes Schwingen der Störmode hervorgerufen werden könnten. Dies sowohl während des Messbetriebs des vibronischen Messaufnehmers als auch außerhalb davon. Letzteres, da bspw. auch beim Transport des vibronischen Messgeräts Erschütterungen bzw. Vibrationen auftreten können, welche unter Umständen wie eine angeregte erzwungene Schwingung der Störmode auf den vibronischen Messaufnehmer wirken.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers sind die Dämpfungselemente in Bezug auf die zweizählige Rotationssymmetrie im Wesentlichen zueinander paarweise symmetrisch angeordnet. Dadurch wird ein unerwünschter Einfluss der Dämpfungselemente auf die Biegeschwingungsnutzmode minimiert.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers sind die Dämpfungselemente im Wesentlichen identisch ausgestaltet.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers sind die Dämpfungselemente mit der Messrohrleitung unverbunden.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers sind die Dämpfungselemente mit elektrischer Energie versorgbar. Dabei können die Dämpfungselemente in die Energieversorgung des vibronischen Messaufnehmers integriert sein und/oder eine eigene, ggf. auch batteriebetriebene, Energieversorgung umfassen.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers umfassen die Dämpfungselemente jeweils eine Wirbelstrombremse.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers beträgt die Dämpfung der Messrohrleitung geteilt zu der Dämpfung einer ansonsten identisch ausgebildeten Messrohrleitung ohne die Dämpfungselemente
- - in zumindest einer Störmode ein Verhältnis von mindestens 2, insb. mindestens 5 und
- - in der Biegeschwingungsnutzmode ein Verhältnis von höchstens 1,1, insb. maximal 1,05.
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In einer Ausgestaltung des vibronischen Messaufnehmers sind die Dämpfungselemente derart in Bezug auf die Messrohrleitung angeordnet sind, dass
- - eine Dämpfungselement-Hauptachse (Vz) parallel zu der Rohrleitungsebene ist, und
- - zwischen der Dämpfungselement-Hauptachse (Vz) und der Schwingungsrichtung zumindest einer der Störmoden ein Winkel kleiner als 30° vorliegt.
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Bei der Dämpfungselement-Hauptachse handelt es sich bspw. um eine Achse, entlang welcher die durch die Dämpfungselemente verursachte Dämpfung maximal ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
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Es zeigen:
- 1: Eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen vibronischen Messaufnehmers; und
- 2: Eine Detailansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen vibronischen Messaufnehmers.
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In 1 ist eine Draufsicht auf einen vibronischen Messaufnehmer 100 dargestellt. Der vibronische Messaufnehmer 100 umfasst die Messrohrleitung 10, die durch zwei Lagerkörper 21, 22 begrenzt und mit letzteren an einer biegesteifen Trägerplatte 3 befestigt ist. Die Messrohrleitung 10 hat einen Innendurchmesser von beispielsweise 5 mm oder weniger und ist aus einem Metall gefertigt, insbesondere Edelstahl oder Titan. Die Messrohrleitung 10 verläuft im Wesentlichen in einer zur Trägerplatte 3 parallelen Rohrleitungsebene. Die Messrohrleitung 10 weist eine zweizählige Rotationssymmetrie um eine Symmetrieachse x, auf, die senkrecht zur Rohrleitungsebene durch einen Punkt C2 in der Mitte eines zentralen Rohrleitungsabschnitts verläuft. In 1 bildet daher die Symmetrieachse x der zweizähligen Rotationssymmetrie die x-Achse eines rechtshändigen kartesischen Koordinatensystems, welche in die Papierebene hineinzeigt. Die Rohrleitungsebene liegt in einer durch die y-Achse und die z-Achse aufgespannten y-z-Ebene.
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Der Messaufnehmer 100 weist zum Erfassen der Schwingungen der Messrohrleitung 10 einen ersten elektrodynamischen Schwingungssensor 51 und einen zweiten elektrodynamischen Schwingungssensor 52 auf. Zum Anregen von Biegeschwingungen der Biegeschwingungsnutzmode weist der Messaufnehmer 100 einen elektrodynamischen Erreger 6 auf, der im Zentrum C2 der zweizähligen Rotationssymmetrie angeordnet ist, und in Richtung der Symmetrieachse x wirkt.
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Der Schwingungserreger 6 umfasst eine Erregerspule und die mindestens zwei Schwingungssensoren 51,52 umfassen jeweils eine Sensorspule, wobei der mindestens eine Schwingungserreger 6 einen Erregermagneten und/oder die mindestens zwei Schwingungssensoren 51,52 jeweils einen Sensormagneten umfassen. Für mehr Details bezüglich der Schwingungserreger und der -sensoren sei hiermit auf die Offenbarung der eingangs erwähnten
WO 2018/219601 A1 verwiesen. Die Biegeschwingungsnutzmode, der durch den Schwingungserreger 6 angeregt wird, ist bspw. eine F3-Biegeschwingungsmode.
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Das Tragsystem weist Tragsystemschwingungsmoden auf, die elastische Verformungen der Trägerplatte 3 umfassen. Bevorzugt beträgt die Eigenfrequenz von Schwingungen der Trägerplatte 3 gegenüber dem Messgerätgehäuse aufgrund der Translationsschwingungsfreiheitsgrade und der Rotationsschwingungsfreiheitsgrade höchstens die Hälfte der Eigenfrequenz der Biegeschwingungsnutzmode und die Tragsystem-Eigenfrequenz mindestens das Doppelte der der Eigenfrequenz der Biegeschwingungsnutzmode. Die Trägerplatte 3 weist eine Anzahl von insbesondere spiralförmigen Federlagern 31,32,33,34 (hier bspw. vier) auf, wobei ein Federlager 31,32,33,34 jeweils durch mindestens einen Schnitt in der Trägerplatte freigelegt ist. Die Trägerplatte ist über das oder die Federlager 31,32,33,34 gegenüber dem Messaufnehmergehäuse federnd gelagert. Die Trägerplatte 3 ist an einer Gehäuseplatte 40 des Messaufnehmergehäuses verankert. Die metallische Trägerplatte 3 weist eine Stärke von bspw. 5 mm auf. Für mehr Details bezüglich des Tragsystems und der Federlager sei hiermit wieder auf die Offenbarung der
WO 2018/219601 A1 verwiesen.
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Das Gehäuse weist einen erstes Gehäuselager 41 und ein zweites Gehäuselager 42 auf, die fest mit der Gehäuseplatte 4 verbunden sind, und an denen der Leitungseinlaufabschnitt 18 bzw. der Leitungsauslaufabschnitt 19 fixiert sind.
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Die Messrohrleitung 10 weist einen zumindest abschnittsweise S-förmigen Verlauf auf. Auf dem S-förmigen Abschnitt weist die Messrohrleitungsachse zu der Längsrichtung x an keinem Punkt einen Winkel von mehr als 85°, insbesondere mehr als 83°, auf. Die S-förmige Messrohrleitung 10 weist zwischen den beiden Lagerkörpern 41,42, einen an den ersten Lagerkörper 41 anschließenden ersten äußeren geraden Abschnitt und einen an den zweiten Lagerkörper 42 anschließenden zweiten äußeren geraden Abschnitt und einen zentralen geraden Abschnitt auf, sowie einen ersten kreisbogenförmigen Abschnitt, der zwischen dem ersten äußeren geraden Abschnitt und dem zentralen geraden Abschnitt angeordnet ist; und einen zweiten kreisbogenförmigen Abschnitt, der zwischen dem zweiten äußeren geraden Abschnitt, und dem zentralen geraden Abschnitt angeordnet ist. Für mehr Details möglicher Ausgestaltungen der Messrohrleitung sei wieder auf die Offenbarung der
WO 2018/219601 A1 verwiesen.
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Störmoden, welche unter einer Anregung unerwünschte Schwingungen in der Rohrleitungsebene yz ausführen könnten, werden mittels der erfindungsgemäßen Dämpfungselemente 71,72 gedämpft. Die Dämpfungselemente 71,72 dämpfen in dem in 1 gezeigten Beispiel Schwingungen der Messrohrleitung 10 entlang der z-Achse. Die beiden Dämpfungselemente 71,72 sind dabei symmetrisch in Bezug auf die zweizählige Rotationssymmetrie angeordnet und im Wesentlichen identisch ausgestaltet.
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Die Dämpfungselemente71,72 sind derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass die Biegeschwingungsnutzmode im Wesentlichen ungedämpft bleibt, d.h. zu einer Änderung von unter 10%, im Vergleich zu einem ansonsten identischen Messaufnehmer ohne Dämpfungselemente 71,72 führt. Dahingegen wird die Dämpfung der in z-Richtung wirkenden Störmode zumindest verdoppelt und ist bevorzugt fünf Mal so groß.
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Im in 1 gezeigten Beispiel werden mittels der Verwendung der Dämpfungselemente daher nur Amplituden einer Störmode erreicht, bei denen einen Auslenkung der Messrohrleitung 10 stets kleiner als ein Luftspalt bleibt, der zwischen der Messrohrleitung 10 und dem Erregermagneten des Schwingungserregers 60 vorliegt, bspw. für einen Luftspalt von 0,4 mm in dem obigen Bsp. Dadurch wird also effektiv eine Beschädigung des Schwingungserregers 6 durch die in einer Störmode schwingende Messrohrleitung verhindert. Eine Beschädigung des Erregermagnetes des Schwingungserregers durch die in einer Störmoden schwingende Messrohrleitung 10 stellt ansonsten einen der häufigsten Ausfallgründe bei einem gattungsgemäßen vibronischen Messgerät 100 dar; dies wurde in entsprechenden Untersuchungen der Anmelderin nachgewiesen.
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Die Dämpfungselemente 71,72 sind bevorzugt mit der Messrohrleitung 10 unverbunden und nur an der Trägerplatte 3 befestigt. Dadurch, dass keinerlei direkte Verbindung zwischen den Dämpfungselementen 71,72 und der Messrohrleitung 10 vorliegt, wird ein über die gewünschte Dämpfung hinausgehender Einfluss der Dämpfungselemente 71,72- bspw. auf die Biegeschwingungsnutzmode- minimiert.
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Bevorzugt handelt es sich bei den Dämpfungselementen 71,72 um Wirbelstrombremsen. Bei diesen wird durch das Induzieren von Wirbelströmen in der elektrisch leitfähigen Messrohrleitung 10 eine Schwingung in Richtung der Störmode (z-Richtung) gebremst bzw. gedämpft, über einen Luftspalt zwischen der Wirbelstrombremse und der Messrohrleitung in Richtung der Biegeschwingungsnutzmode (x-Richtung).
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Detail des vibronischen Messgeräts 100. Das Detail entspricht im Wesentlichen dem 1 mittels des gestrichelten Kreises angedeuteten Ausschnitt, welcher in der perspektivischen Ansicht nun im Vgl. zu der Draufsicht aus 1 gedreht ist. Zur besseren Orientierung ist das kartesische Koordinatensystem aus 1 wieder mit eingezeichnet, in welchem die x-Achse der Symmetrieachse der zweizähligen Rotationssymmetrie und die yz-Ebene der Messrohrleitungsebene entspricht.
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2 zeigt das an der Trägerplatte 3 befestigte und mit der Messrohrleitung 10 unverbundene Dämpfungselement 71, welches hier als eine Wirbelstrombremse ausgebildet ist. Im Unterschied zu 1 ist hier das Dämpfungselement 71 bevorzugt in Richtung der Störmode (z-Richtung) symmetrisch in Bezug auf dir Messrohrleitung 10 angeordnet. Das Dämpfungselement ragt bspw. in die Störmoden bzw. z-Richtung unter der Messrohrleitung 10 (in 2: links und rechts der Messrohrleitung 10) im gleichen Maße hervor.
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Durch die Abstimmung der beiden unterschiedlichen Dämpfungen (d.h. in unterschiedliche Richtungen) wird die Dämpfung der Biegeschwingungsnutzmode durch das Dämpfungselement 71 nicht stark erhöht (insb. weniger als 10%, siehe oben), während Dämpfung der Störmode vergrößert wird, insb. zumindest verdoppelt wird.
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Zusätzlich zu den in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung können die Dämpfungselemente 71,72 auch jeweils gedoppelt und paarweise an gegenüberliegenden Seiten der Messrohrleitung 10 angeordnet sein, also z.B. in 1 in z-Richtung links und rechts der Messrohrleitung 10 an derselben Stelle der Messrohrleitung 10. Zur Berücksichtigung der zweizähligen Rotationssymmetrie sind in diesem Fall zumindest vier Dämpfungselemente 71,72,73,74,... vorgesehen.
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In 1 bis 2 wurden der Einfachheit halber ausschließlich eine in z-Richtung schwingende Störmode beschrieben. Selbstverständlich können auch mehrere Dämpfungselemente 71,72,73,74...., jeweils für weitere, in der Rohrleitungsebene yz schwingende Moden vorgesehen sein.
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Ferner ist in 2 die Dämpfungselement-Hauptachse Vz perfekt in Richtung der z-Achse der Störmode ausgerichtet. Eine derartige Anordnung ist aus Platzgründen nicht immer möglich. Daher sollte zwischen der Dämpfungselement-Hauptachse Vz und der Schwingungsrichtung zumindest einer der Störmoden ein Winkel kleiner als 30° vorliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vibronischer Messaufnehmer
- 10
- Messrohrleitung
- 18
- Leitungseinlaufabschnitt
- 19
- Leitungsauslaufabschnitt
- 21,22
- Lagerkörper
- 3
- Trägerplatte
- 4
- Messaufnehmergehäuse
- 40
- Gehäuseplatte
- 51,52
- Schwingungssensoren
- 6
- Schwingungserreger
- 71,72
- Dämpfungselemente
- C2
- Zentrum
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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 03916285 A1 [0003]
- EP 518124 A1 [0003]
- DE 102015122146 [0003]
- DE 102017112245 A1 [0003]
- WO 2018219601 A1 [0003, 0023, 0024, 0026]
- DE 102010030340 A1 [0004]
