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Die Erfindung betrifft eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zum Einsetzen in eine Öffnung einer von einem fließfähigen Medium durchströmten Rohrleitung und zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät weist ein Magnetsystem auf, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potentialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday'schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der induzierten Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und, mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts, der Volumendurchfluss ermittelt werden.
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Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, welches ein Messrohr zum Führen des Mediums mit angebrachter Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes und Messelektroden umfasst, werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrer die Messelektroden und die magnetfelderzeugende Vorrichtung umschließende metallische Hülse in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingeführt und fluiddicht fixiert. Ein Messrohr ist nicht mehr notwendig. Die eingangs erwähnten Messelektroden und Vorrichtung zum Erzeugen des das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes auf der Mantelfläche des Messrohres entfällt, und wird durch ein im Inneren der Hülse und in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes ersetzt, welche so ausgestaltet ist, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes die Frontfläche bzw. die Fläche zwischen den Messelektroden senkrecht schneidet. Im Stand der Technik gibt es bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden. Die
EP 0 892 251 A1 beispielsweise lehrt eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde mit einer das Gehäuse endseitig abschließenden Frontplatte - welche als Kugelkalotte ausgebildet ist - und eine im Gehäuse angeordnete Vorrichtung zum Erzeugen eines die Frontplatte durchsetzenden Magnetfeldes. Die Vorrichtung umfasst eine Spule, die auf einen zylindrischen Spulenkern aufgeschoben ist, welcher als Spulenträger fungiert und Feldrückführungskörper. Zwei stiftförmige Messelektroden sind in der Frontplatte befestigt und werden durch die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes in Längsrichtung des Gehäuses verdeckt. Magnetisch-induktive Durchflussmesssonden weisen in der Regel zusätzlich zur Hülse ein aus Kunststoff gebildetes Gehäuse auf, in dem die Elektronikkomponenten zum Betreiben der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde angeordnet sind. Es hat sich bei derartigen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde herausgestellt, dass der Nullpunktsfehler deutlich zunimmt bei Zunahme der Kompaktheit der im Hülseninneren angeordneten Komponenten zur Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dem Abhilfe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zum Einsetzen in eine Öffnung eines von einem fließfähigen Medium durchströmten Behältnisses und zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfasst:
- - eine Hülse mit einen mediumsberührenden Hülsenendabschnitt,
- - mindestens zwei Messelektroden zum Bilden eines galvanischen Kontaktes mit dem Medium und zum Abgreifen einer induzierten Spannung im fließenden Medium,
wobei mindestens eine der mindestens zwei Messelektroden im Hülsenendabschnitt angeordnet ist;
- - eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines zumindest den Hülsenendabschnitt durchdringenden Magnetfeldes, umfassend:
- -- eine Spule mit einer Spulenöffnung;
- -- einen Feldführungskörper, welcher sich zumindest abschnittsweise durch die Spulenöffnung erstreckt,
wobei der Feldführungskörper einen Spulenkern umfasst; und - -- einen Abschirmkörper, welcher zumindest zwischen der Spule und der mindestens einen Messelektrode angeordnet ist,
wobei der Abschirmkörper mit einem Referenzpotential elektrisch verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Messanordnung in einer Prozessanlage, umfasst:
- - ein Behältnis, insbesondere eine Rohrleitung, zum Führen eines Mediums mit einer Öffnung in einer Mantelfläche;
- - eine erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde, welche in der Öffnung angeordnet ist.
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Dabei kann der Abschirmkörper als flexible Kupferfolie, die um die Spule gewickelt ist oder als vergleichsweise massivere Hülse, die auf die Spule aufgeschoben ist, realisiert sein. Durch das Vorsehen eines Abschirmkörpers kann eine Reduktion des Übersprechens zwischen der Spule und der mindestens einen Messelektrode bzw. der entsprechenden Messelektroden-Steckverbindung auf der Leiterplatte und somit ein stabiler Nullpunkt erreicht werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper mindestens einen Feldrückführungskörper umfasst,
wobei der Abschirmkörper mit dem mindestens einen Feldrückführungskörper in Wirkung steht.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Feldrückführungskörper, insbesondere über eine Steckverbindung, mit dem Referenzpotential elektrisch verbunden ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmungskörper mit dem mindestens einen Feldrückführungskörper zumindest abschnittsweise stoffschlüssig verbunden ist.
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Der Abschirmkörper kann separat z.B. mittels einer Klemmverbindung mit dem elektrischen Referenzpotential verbunden sein. Es ist jedoch vorteilhafter, wenn der Abschirmkörper mit dem Feldrückführungskörper in Wirkung steht, welcher selbst beispielsweise mittels einer Steckverbindung mit dem Referenzpotential verbunden ist, da dadurch eine mechanisch und messtechnisch stabilere Lösung realisiert ist. Bei dem Referenzpotential kann es sich beispielsweise um das Erdpotential handeln.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper die Spule und den Spulenkern mindestens in einem Querschnitt der magnetfelderzeugenden Vorrichtung umschließt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest in jedem Querschnitt der Spule, in dem eine Spulenebene mindestens eine der Messelektroden schneidet, die entsprechende Spulenebene ebenfalls den Abschirmkörper schneidet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper eine Außenfläche der Spule vollständig, insbesondere zu zwei Drittel und bevorzugt zu ein Drittel verdeckt.
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Eine vollständige Verdeckung der Spule durch den Abschirmkörper führt zu einem stabilen Nullpunkt. Es hat sich aber überraschenderweise herausgestellt, dass bereits bei einer Verdeckung von zwei Dritteln bzw. bei bestimmten Anwendungen bereits bei einer Verdeckung von einem Drittel ein stabiler Nullpunkt umsetzbar ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmungskörper zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgebildet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmungskörper durch ein, insbesondere zylindrisch, gebogenes Blechteil, insbesondere mit zumindest abschnittsweise kreisbogenförmigen Querschnitt, gebildet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmungskörper zweiteilig ausgebildet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper, insbesondere in einem Randbereich, mindestens einen herausgebogene Teilbereiche aufweist,
wobei der mindestens eine Teilbereich auf einer, insbesondere planaren, Auflagefläche des mindestens einen Feldrückführungskörpers aufliegt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung zwei Feldrückführungskörper umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper, insbesondere in einem Randbereich, mindestens zwei herausgebogene Teilbereiche aufweist,
wobei die zwei Teilbereiche jeweils auf einer, insbesondere planaren, Auflagefläche einer der zwei Feldrückführungskörpers aufliegen.
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Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist die vereinfachte Verbindbarkeit des Abschirmkörpers mit den Feldrückführungskörpern und gleichzeitig verbesserte elektrische Verbindung des Abschirmkörpers mit dem elektrischen Referenzpotential.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper monolithisch ausgebildet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper eine Mantelfläche aufweist,
wobei ein Abstand zwischen einem Punkt auf der Mantelfläche und einer der mindestens zwei Messelektroden kleiner 10 mm, insbesondere kleines 5 mm und bevorzugt kleiner 1 mm ist.
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Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist die somit erreichbare Kompaktheit der Anordnung der einzelnen Komponenten für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße bei gleichbleibend stabilen Nullpunkt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper aus einer (Stahl- oder Messing-) Hülse gebildet ist.
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Dabei eignen sich Stahlhülsen für das stoffschlüssige Verbinden mit dem Feldrückführungskörper mehr als Messinghülsen. Im Lichte der Montage der einzelnen Komponenten der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde ist der Einsatz von Hülsen an Stelle von Folien vorteilhafter.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmkörper eine Wandstärke von 0,3 mm bis 0,1 mm aufweist.
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Durch die sehr gering gewählte Wandstärke des Abschirmkörpers kann eine sehr kompakte magnetfelderzeugende Vorrichtung realisiert werden, ohne dabei gleichzeitig auf Windungen verzichten zu müssen.
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Vorteilhaft ist ebenfalls die einfachere Bearbeitbarkeit des Abschirmkörpers, insbesondere für die Herstellung der herausgeschnittenen und -gebogenen Teilbereiche. Gleichzeitig sind in dem Wandstärkenbereich noch sinnvolle Schweißwiderstände möglich.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine perspektivische Darstellung einer teilweise geschnittenen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde;
- 2: das Innenleben der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde;
- 3: eine weitere Ausgestaltung des Abschirmkörpers; und
- 4: eine erfindungsgemäße Messanordnung.
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Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der 1 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 1 zum Einsetzen in eine Öffnung eines von einem fließfähigen Medium durchströmten Behältnisse und zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums umfasst ein im Allgemeinen hohl- und kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisende und in der Regel metallische Hülse 2. Diese ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in 1 nicht, dagegen in 5 dargestellten Rohrleitung 26 befindet und in welche die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 1 fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung 26 strömt ein zu messendes fließfähiges Medium, in das die Durchflussmesssonde 1 praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eintaucht, welches durch die gewellten Pfeile 18 angedeutet ist. Ein in das Medium ragender mediumsberührender Hülsenendabschnitt 4 der Hülse 2 ist mit einem Frontkörper 16 aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer zumindest abschnittsweise in einem Hülseninneren 10 der Hülse 2 angeordneten magnetfelderzeugenden Vorrichtung 8 lässt sich ein durch den Hülsenendabschnitt 4 hindurch, in das Medium hineinreichendes Magnetfeld 9 erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, in der Hülse 2 angeordneter Spulenkern 11 endet an oder in der Nähe des Hülsenendabschnittes 4. Eine Feldrückführung mit einem Feldrückführungskörper 14, der eine Spule 13 und den Spulenkern 11 zumindest abschnittsweise umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Hülsenendabschnitt 4 hindurchreichende Magnetfeld 9 in die Hülse 2 zurück zum Spulenkern 11 zuführen. Zwei galvanische Messelektroden 7 sind in dem Frontkörper 16 angeordnet und berühren das Medium. An den Messelektroden 7 lässt sich eine aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische Spannung mittels einer Messschaltung abgreifen. Diese ist maximal, wenn die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 1 so in die Rohrleitung eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden 7 schneidende Gerade und eine Längsachse der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde 1 aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung 18 bzw. Längsachse der Rohrleitung verläuft. Es können auch mehr als zwei Messelektroden 7 vorgesehen sein. Derartige Varianten werden beispielsweise für eine genauere Leitfähigkeitsmessung oder für eine Strömungsrichtungserkennung eingesetzt. Eine Betriebsschaltung 40 ist mit der Spule 13 elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ein getaktetes Anregungssignal auf die Spule 13 aufzuprägen, um somit ein getaktetes Magnetfeld 9 zu erzeugen.
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2 zeigt das Innenleben der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 zum Erzeugen des zumindest den Hülsenendabschnitt durchdringenden Magnetfeldes umfasst eine Spule 13 mit einer Spulenöffnung. Die Spule 13 umfasst einen Spulenkörper 20, in dem sich auch die Spulenöffnung befindet, und eine Spulenwicklung, die mindestens einen Spulendraht umfasst, welcher um den Spulenkörper 20 gewickelt ist. Weiterhin umfasst die magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 einen Feldführungskörper 50, welcher sich zumindest abschnittsweise durch die Spulenöffnung erstreckt. Der Feldführungskörper 50 ist monolithisch ausgebildet und umfasst einen Spulenkern 11 und zwei Feldrückführungskörper 14. Der Feldführungskörper 50 kann als ein MIM-Bauteil (Metal Injection Moulding), ein Formgussteil oder als ein Bauteil aus stanzpaketierten Elektroblechen realisiert sein.
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Ein Teil der magnetfelderzeugenden Vorrichtung ist der Abschirmkörper 41, welcher zumindest zwischen der Spule 13 und der mindestens einen Messelektrode 7 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist ein Übersprechen von der Spule auf die Messelektrode zu reduzieren bzw. zu verhindern. Dafür ist der Abschirmkörper 41 mit einem Referenzpotential elektrisch verbunden. Dies ist dadurch realisiert, dass der Abschirmkörper 41 mit dem mindestens einen Feldrückführungskörper 14, welche über eine Steckverbindung 42, mit dem Referenzpotential elektrisch verbunden ist in Wirkung steht. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zumindest in jedem Querschnitt der Spule 13, in dem eine Spulenebene mindestens eine der Messelektroden 7 schneidet, die entsprechende Spulenebene ebenfalls den Abschirmkörper 41 schneidet. Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der Abschirmkörper 41 eine Außenfläche der Spule 13 vollständig, insbesondere zu Zweidrittel und bevorzugt zu Ein Drittel verdeckt. Gemäß der abgebildeten Ausgestaltung ist der Abschirmungskörper 41 mit dem mindestens einen Feldrückführungskörper 14 zumindest abschnittsweise stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt über zwei herausgeschnittene und herausgebogene Teilbereiche 43 im Randbereich des Abschirmkörpers 41, die jeweils auf einer, insbesondere planaren, Auflagefläche einer der zwei Feldrückführungskörpers 14 aufliegen und dort verschweißt sind. Der Abschirmkörper 41 umschließt die Spule 13 und den Spulenkern 11 mindestens in einem Querschnitt der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 8. Dafür ist sie zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgebildet. Weiterhin ist ein geringster Abstand zwischen einem Punkt auf der Mantelfläche des Abschirmkörpers 41 und einer der mindestens zwei Messelektroden 7 kleiner 10 mm, insbesondere kleines 5 mm und bevorzugt kleiner 1 mm. Um eine hohe Spulenwicklung zu realisieren weist der Abschirmkörper 41 eine Wandstärke von 0,3 mm bis 0,1 mm auf. Der Abschirmkörper 41 der 2 ist als Hülse ausgebildet, die Messing und/oder Stahl umfasst.
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Die Messelektroden 7 sind mittels auf der Leiterplatte 44 angeordnete Messelektroden-Steckverbindungen 45 mit der Messschaltung elektrisch verbunden. Die Längsachsen der Messelektroden verläuft parallel zu der Längsachse des Spulenkerns 11 bzw. der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 8.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Abschirmkörpers 41, die sich im Wesentlichen von der Ausgestaltung der 2 dadurch unterscheidet, dass der Abschirmungskörper 41 durch zwei, insbesondere zylindrisch, gebogene Blechteile 46, insbesondere mit zumindest abschnittsweise kreisbogenförmigen Querschnitten, gebildet ist.
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Alternativ kann der Abschirmkörper 41 auch nur aus einem der beiden abgebildeten Blechteilen gebildet sein.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung in einer Prozessanlage, die eine Rohrleitung 26 zum Führen eines Mediums umfasst. Die Rohrleitung 26 weist eine Öffnung auf, die seitlich in einer Mantelfläche eingearbeitet ist. In der Öffnung ist eine erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 1 angeordnet und dazu eingerichtet eine strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße zu ermitteln und zu überwachen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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