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Die Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Drucks eines Mediums, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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In der Druckmesstechnik sind Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdruckmessaufnehmer bekannt. Absolutdruckmessaufnehmer bestimmen den vorherrschenden Druck absolut, d. h. in Bezug auf Vakuum, während Differenzdruckmessaufnehmer die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken bestimmen. Bei Relativdruckmessaufnehmern wird der zu messende Druck gegenüber einem Referenzdruck bestimmt, wobei der in der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmers vorherrschende Atmosphärendruck als Referenzdruck dient. Eine Vielzahl solcher Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdruckmessaufnehmer wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
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Druckmessaufnehmer dienen zur Messung des Drucks und/oder zur Steuerung, Regelung und/oder Automatisierung eines in der Anlage ablaufenden Prozesses. Druckmessgeräte werden in der Automatisierungstechnik in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z.B. in der Chemie und in der Lebensmittelindustrie, um nur einige wichtige Anwendungsgebiete zu nennen. Differenzdruckmessgeräte dienen insbesondere zur kontinuierlichen Messung von Druckdifferenzen in Messmedien, z.B. in Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen und Stäuben. Aus dem Differenzdruck kann beispielsweise der Füllstand eines Füllguts in einem Behälter oder der Durchfluss eines Messmediums durch eine Rohrleitung ermittelt werden.
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Druck- und Differenzdruckmessaufnehmer weisen ein drucksensitives Element, einen sogenannten Drucksensor, auf, welcher auf zwei gegenüberliegenden Flächen mit jeweils einem ersten Druck und einem zweiten Druck beaufschlagt ist. Der Druck des Mediums steht dabei in der Regel nicht in direktem Kontakt mit dem Drucksensor, sondern wird im Falle des Druckmessaufnehmers mittels einer und im Falle des Differenzdruckmessaufnehmers mittels zwei dem Prozess zugewandten, druckempfindlichen Trennmembran(en) aufgenommen. Die jeweilige Trennmembran weist ein ihr zugeordnetes Membranbett auf, welches typischerweise zum Prägen der Trennmembran und zur Begrenzung der Bewegung der Trennmembran im Überlastfall dient. Häufig wird zusätzlich eine Druckmittlerflüssigkeit eingesetzt, welche den auf die Trennmembran wirkenden Druck des Mediums über einen Druckübertragungspfad an eine der beiden Flächen des Drucksensors weiterleitet.
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Durch abrasive oder korrosive Kräfte kann die Trennmembran beschädigt und undicht werden. Die unbeschädigte Trennmembran weist in der Regel eine Vorspannung auf, so dass im Fall einer Leckage Druckmittlerflüssigkeit in das Medium eindringt bzw. das Medium durch die Trennmembran durchtritt. Dabei sinkt die Trennmembran in Richtung des Membranbettes ab.
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Aus der Schrift
DE 10 2016 124 775 A1 ist ein Druckmittler bekannt geworden, bei welchem eine Leckage der Trennmembran detektiert werden kann. Hierfür weist der Druckmittler eine Detektionsvorrichtung mit einer Kontaktfläche auf, deren Abstand zur Trennmembran so gewählt ist, dass die Kontaktfläche über den gesamten Arbeitsbereich von der Trennmembran isoliert ist. Kommt es zu einer Berührung zwischen der Trennmembran und der Kontaktfläche, so wird dies als Indiz für das Vorliegen einer Leckage der Trennmembran gewertet.
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Für eine solche Anordnung muss der Abstand der Kontaktfläche zur Trennmembran jedoch für jeden Druckmittler an den Arbeitsbereich der Trennmembran angepasst werden, da sich dieser von Druckmittler zu Druckmittler unterscheiden kann. Die Positionierung der Kontaktfläche ist somit ein aufwändiges Verfahren.
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Die zu lösende Aufgabe liegt folglich darin, einen Druckmessaufnehmer sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, welche/r auf einfache Weise eine Leckage der Trennmembran detektieren kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckmessaufnehmer zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Drucks eines Mediums, wobei der Druckmessaufnehmer einen Drucksensor und einen Grundkörper mit einer Trennmembran aufweist,
wobei der Drucksensor auf einer ersten Fläche mit einem ersten Druck, nämlich dem Druck des Mediums, und auf einer zweiten Fläche mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist,
wobei die Trennmembran dazu ausgestaltet ist, eine vom Druck des Mediums abhängige Auslenkung zu erfahren, wobei die jeweilige Amplitude der Auslenkung einem Arbeitsbereich oder einem Schadensbereich der Trennmembran zugeordnet ist,
wobei die Trennmembran mit dem Grundkörper verbunden ist, derart dass zwischen der Trennmembran und dem Grundkörper eine Druckkammer gebildet ist, mittels welcher die Trennmembran hydraulisch mit der ersten Fläche des Drucksensors gekoppelt ist,
wobei ein Kontaktelement in der Druckkammer angeordnet ist,
wobei die Trennmembran in einem Kontaktbereich derartig verformt ist, dass der Kontaktbereich bei einer Auslenkung der Trennmembran, deren Amplitude in den Schadensbereich fällt, das Kontaktelement berührt und dass der Kontaktbereich bei einer Auslenkung der Trennmembran, deren Amplitude in den Arbeitsbereich fällt, das Kontaktelement nicht berührt,
wobei der Druckmessaufnehmer eine Detektionseinheit aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, einen Kontakt zwischen der Trennmembran und dem Kontaktelement zu detektieren, und
wobei der Druckmessaufnehmer eine Auswerteeinheit aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, anhand des Kontakts eine Leckage der Trennmembran festzustellen.
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Erfindungsgemäß wird also die Trennmembran im Kontaktbereich verformt, so dass eine Berührung zwischen Trennmembran und Kontaktelement nur außerhalb des Arbeitsbereichs der Trennmembran stattfindet. Das Kontaktelement kann somit unabhängig von der Trennmembran und dem Abstand zwischen Kontaktelement und Trennmembran im Druckmittler angeordnet werden. Damit entfällt die aufwändige Anpassung der Länge und/oder Position des Kontaktelements, dessen Größe in der Regel klein ausfällt, also beispielsweise unter 300 µm liegt. Somit kann für jeden Druckmittler desselben Bautyps dasselbe Kontaktelement verwendet werden.
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Der Arbeitsbereich der Trennmembran ist dabei derjenige Amplitudenbereich, für welchen die Trennmembran ausgelegt ist und in welchem die Amplitude der Auslenkung der Trennmembran mit dem Druck des Medium in Zusammenhang steht. Der Schadensbereich der Trennmembran entspricht solchen Amplituden der Auslenkung, für welche die Trennmembran nicht ausgelegt ist und welche nicht mit dem Druck des Mediums zusammenhängen. Im Schadensbereich ist die Trennmembran in der Regel beschädigt und weist eine Leckage auf.
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Der Trennmembran kann ein im Grundkörper angeordnetes Membranbett bzw. ein Prägebett zugeordnet sein. Dieses Prägebett kann zum Prägen der Trennmembran verwendet werden. Nach dem Prägen kommt es innerhalb des Arbeitsbereichs der Trennmembran zu keinem Kontakt zwischen Trennmembran und Membranbett. Auch innerhalb des Schadenbereichs sinkt die Trennmembran nach dem Prägen in der Regel nicht in das Prägebett ab. Dies gilt zumindest für kleinere Beschädigungen der Trennmembran wie kleine Löcher. Folglich kann das Kontaktelement so angeordnet sein, dass es in die Druckkammer hineinragt.
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In einer Ausgestaltung ist der Kontaktbereich zum Kontaktelement korrespondierend ausgestaltet. Die miteinander korrespondierende Ausgestaltung von Kontaktbereich und Kontaktelement sorgt für eine Kontaktfläche zwischen Kontaktbereich und Kontaktelement, so dass ein Kontakt zwischen der Trennmembran und dem Kontaktelement auf einfache Weise detektiert werden kann. Insbesondere sind der Kontaktbereich und das Kontaktelement zumindest abschnittsweise zueinander komplementär ausgestaltet.
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Vorteilhafterweise ist der Kontaktbereich topfartig ausgestaltet. Beispielsweise kann das Kontaktelement komplementär dazu ausgestaltet sein, insbesondere stiftartig oder zylindrisch ausgestaltet sein.
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Bevorzugterweise ist das Kontaktelement stiftartig ausgestaltet. Beispielsweise kann der Kontaktbereich dazu komplementär ausgestaltet sein, insbesondere als topfartiger Kontaktbereich.
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In einer Weiterbildung ist das Kontaktelement ein elektrischer oder kapazitiver Schalter oder ein Druckschalter.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kontaktelement federnd in dem Grundkörper gelagert.
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Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckmessaufnehmers nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- - Bereitstellen des Grundkörpers mit der Trennmembran,
- - Prägen der Trennmembran,
- - Verformen der Trennmembran in einem Kontaktbereich, derart dass der Kontaktbereich bei einer Auslenkung der Trennmembran, deren Amplitude in den Schadensbereich fällt, das Kontaktelement berührt und dass der Kontaktbereich bei einer Auslenkung der Trennmembran, deren Amplitude in den Arbeitsbereich fällt, das Kontaktelement nicht berührt.
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Erfindungsgemäß wird die Trennmembran im Kontaktbereich lokal verformt, um einen gewünschten, definierten Kontakt zwischen der Trennmembran und dem Kontaktelement einzustellen. Das Kontaktelement wird hierbei nicht verändert, so dass ein standardisiertes Kontaktelement für viele Druckmittler eingesetzt werden kann.
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In einer Weiterbildung wird zum Verformen der Trennmembran ein Verformungswerkzeug eingesetzt, mittels welchem eine Kraft auf den Kontaktbereich ausgeübt wird. Beispielsweise wird mittels des Verformungswerkzeugs ein positiver oder negativer Druck auf den Kontaktbereich ausgeübt, um diesen zu verformen.
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Das Verformungswerkzeug ist insbesondere zumindest abschnittsweise topfartig ausgestaltet. Im Falle eines negativen oder positiven Drucks kann sich der Kontaktbereich dabei zu einer topfartigen Struktur verformen. Das topfartige Verformungswerkzeug umfasst alle Verformungswerkzeuge, welche zumindest in einem Bereich eine topfartige Struktur aufweisen, mittels welcher die Trennmembran mithilfe einer Kraftausübung verformt werden kann.
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In einer Ausgestaltung wird das Verformungswerkzeug mit dem Kontaktbereich verbunden und nach dem Verformen der Trennmembran von dieser getrennt. Nach dem Verformen des Kontaktbereichs wird das Verformungswerkzeug von der Trennmembran entfernt, da es nicht mehr benötigt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Verformungswerkzeug mittels Kleben oder Schweißen mit dem Kontaktbereich verbunden wird.
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Vorteilhafterweise ist das Kontaktelement federnd im Grundkörper gelagert ist und wird während des Prägens in den Grundkörper hineingedrückt. Durch die federnde Lagerung des Kontaktelements im Grundkörper kann die Trennmembran nach herkömmlichen Methoden und ohne Beeinflussung durch das Kontaktelement geprägt werden. Die federnde Lagerung des Kontaktelement bezieht sich dabei auf die Eigenschaft des Kontaktelements bei Ausübung von Druck in den Grundkörper hineingedrückt zu werden und bei Entfernen des Drucks wieder in die ursprüngliche Position zurückzukehren. Hierfür kann dem Kontaktelement eine Vertiefung im Grundkörper zugeordnet sein, in welche das Kontaktelement hineindrückbar ist. Das Kontaktelement erfährt dabei keine Verformung.
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In einer Ausgestaltung wird die Trennmembran mithilfe eines im Grundkörper angeordneten, der Trennmembran gegenüberliegenden Prägebettes geprägt. Das Prägebett kann dabei so ausgestaltet sein, dass die Trennmembran nach der Prägung eine gewünschte Form aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Abstand zwischen dem Kontaktelement und dem Kontaktbereich während des Verformens der Trennmembran vergrößert oder verkleinert. In der Regel wird der Abstand zwischen dem Kontaktelement und dem Kontaktbereich so einzustellen sein, dass eine Berührung zwischen Trennmembran und Kontaktelement nur außerhalb des Arbeitsbereichs der Trennmembran stattfindet. Dies erfordert eine Anpassung des Abstands zwischen dem Kontaktelement und dem Kontaktbereich.
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Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren 1-5 näher erläutert werden. Sie zeigen:
- 1: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers.
- 2: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers.
- 3-5: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die vorliegende Erfindung ist für alle Arten an Druckmessaufnehmern 1 einsetzbar, sei es für Relativ-, Absolut- oder Differenzdruckmessaufnehmer.
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Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1 umfasst einen Drucksensor 4 und einen Grundkörper 3 mit einer Trennmembran 5. Der Drucksensor 4 kann innerhalb des Grundkörpers 3 oder in einem anderen Bereich des Druckmessaufnehmers 1 angeordnet sein. Der Druckmessaufnehmer kann weitere, in 1 nicht gezeigte Komponenten umfassen. Die Trennmembran 5 trennt das Medium 2 von einem Innenraum des Druckmessaufnehmers 1 und ist mit dem Druck p des Mediums 2 beaufschlagt. Die Trennmembran 5 ist dabei dazu ausgestaltet, eine Auslenkung zu erfahren, deren Amplitude von dem Druck p des Mediums 2 abhängt. Der Arbeitsbereich der Trennmembran 5 umfasst dabei solche Amplituden der Auslenkung, für welche die Trennmembran 5 ausgestaltet ist, während der Schadensbereich solche Amplituden der Auslenkung umfasst, für welche die Trennmembran nicht ausgelegt ist. Im Schadensbereich ist die Trennmembran 5 derart beschädigt, dass keine Bestimmung des Drucks p des Mediums 2 möglich ist. Die Trennmembran 5 ist mit dem Grundkörper 3 unter Bildung einer Druckkammer 8 miteinander verbunden. Mittels der Druckkammer 8 und ggf. dem Druckübertragungspfad 16 ist die Trennmembran 5 hydraulisch mit der ersten Fläche 6 des Drucksensors 4 gekoppelt, so dass auf die erste Fläche 6 der Druck p des Mediums 2 anliegt. Auf einer der ersten Fläche 6 gegenüberliegenden zweiten Fläche 7 des Drucksensors 4 liegt ein zweiter Druck p2 an, welcher beispielsweise ein Absolutdruck, ein zweiter Druck des Mediums 2 oder ein Umgebungsdruck sein kann.
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In der Druckkammer 8 ist ein Kontaktelement 9 angeordnet, welches beispielsweise stiftartig oder stiftförmig ausgestaltet ist, und welches insbesondere durch einen Kontakt mit einem Kontaktbereich 10 der Trennmembran 5 ausgelöst wird. Insbesondere kann das Kontaktelement 9 ein elektrischer oder kapazitiver Schalter oder ein Druckschalter sein. Optional kann eine Vertiefung 15 im Grundkörper 3 angeordnet sein, welche derart ausgestaltet ist, dass das Kontaktelement 9 vollständig in die Vertiefung 15 gesenkt werden kann, beispielsweise unter Einwirkung einer Kraft auf das Kontaktelement 9. Auf diese Weise kann eine federnde Lagerung des Kontaktelements 9 im Grundkörper 3 erreicht werden.
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Der Kontaktbereich 10 ist so verformt, dass es zu einer Berührung zwischen dem Kontaktelement 9 und dem Kontaktbereich 10 kommt, wenn die Amplitude der Auslenkung der Trennmembran 5 in den Schadenbereich fällt und nicht, wenn die Amplitude der Auslenkung der Trennmembran 5 in den Arbeitsbereich fällt. Beispielsweise kann der Kontaktbereich 10 mit dem Kontaktelement 9 korrespondierend ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Kontaktbereich 10 topfartig ausgestaltet sein, wie in 1 beispielhaft gezeigt.
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Ein Kontakt zwischen der Trennmembran 5 bzw. dem Kontaktbereich 10 und dem Kontaktelement 9 wird mittels der Detektionseinheit 11 detektiert. Eine Auswerteeinheit 12 ist entsprechend ausgestaltet, um eine Leckage der Trennmembran 5 anhand des detektieren Kontakts festzustellen. Optional kann die Auswerteeinheit 12 weitere Funktionen übernehmen, in 1 ist diese beispielhaft mit den elektrischen Leitern des Drucksensors 4 verbunden.
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Während in 1 der Kontaktbereich 10 beispielhaft so ausgestaltet ist, dass der Abstand zwischen dem Kontaktbereich 10 und dem Kontaktelement 9 vergrößert wurde, ist in 2 der Kontaktbereich 10 derart verformt, dass der Abstand zwischen dem Kontaktbereich 10 und dem Kontaktelement 9 verkleinert wurde.
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In den Figuren 3-5 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dabei wird in einem ersten Schritt der Grundkörper 3 mit der Trennmembran 5 bereitgestellt und anschließend die Trennmembran 5 geprägt. Die Prägung der Trennmembran 5 kann mithilfe eines im Grundkörper angeordneten, der Trennmembran 5 gegenüberliegenden Prägebettes 14 erfolgen. Durch das Prägen erhält die ursprünglich planare Trennmembran 5 eine gewünschte Form.
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In 3 ist die Trennmembran 5 bereits geprägt worden. Das Kontaktelement 9 kann insbesondere bereits vor dem Prägen im Grundkörper 3 bereitgestellt werden und während des Prägens in den Grundkörper 3 hineingedrückt werden, bspw. in eine Vertiefung 15. Nach dem Prägen ist jedoch der Abstand zwischen dem Kontaktbereich 10 und dem Kontaktelement 9 in der Regel nicht so bemessen, dass eine Berührung zwischen dem Kontaktbereich 10 und dem Kontaktelement 9 im Schadensbereich und außerhalb des Arbeitsbereichs der Trennmembran 5 erfolgt. Im nächsten Schritt wird daher die Trennmembran 5 im Kontaktbereich 10 so verformt, dass der Kontaktbereich 10 bei einer Auslenkung der Trennmembran 5, deren Amplitude in den Schadensbereich fällt, das Kontaktelement 9 berührt und dass der Kontaktbereich 10 bei einer Auslenkung der Trennmembran 5, deren Amplitude in den Arbeitsbereich fällt, das Kontaktelement 9 nicht berührt.
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Das Verformen der Trennmembran 5 im Kontaktbereich 10 kann beispielsweise mittels eines Verformungswerkzeugs 13 erfolgen, mittels welchem eine Kraft auf den Kontaktbereich 10 ausgeübt wird. Ein beispielhaftes Verformungswerkzeug ist in 3 dargestellt, wobei das Verformungswerkzeug 13 zumindest abschnittsweise topfartig 17 ausgestaltet ist. Das Verformungswerkzeug 13 kann an den Kontaktbereich 10 angelegt oder mittels Kleben oder Schweißen mit diesem verbunden werden, wie in 4 gezeigt. Insbesondere wird der topfartige Abschnitt 17 des Verformungswerkzeugs 13 mit dem Kontaktbereich 10 verbunden. Schließlich wird mittels des Verformungswerkzeugs 13 eine Kraft, bspw. ein Unterdruck, auf den Kontaktbereich 10 ausgeübt, so dass dieser in der gewünschten Weise verformt wird. Dieser Schritt ist in 5 dargestellt. Schließlich kann das Verformungswerkzeug 13 von der Trennmembran 5 getrennt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessaufnehmer
- 2
- Medium
- 3
- Grundkörper
- 4
- Drucksensor
- 5
- Trennmembran
- 6
- erste Fläche
- 7
- zweite Fläche
- 8
- Druckkammer
- 9
- Kontaktelement
- 10
- Kontaktbereich
- 11
- Detektionseinheit
- 12
- Auswerteeinheit
- 13
- Verformungswerkzeug
- 14
- Prägebett
- 15
- Vertiefung
- 16
- Druckübertragungspfad
- 17
- topfartiger Abschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124775 A1 [0006]
