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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik und wird mit besonderem Vorteil bei der Sondierung von Böden eingesetzt.
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Bei geotechnischen Untersuchungen, beispielsweise von Böden im Onshore- und Offshore-Bereich, wird häufig die so genannte Drucksondierung (Cone-Penetration-Testing, CPT-Verfahren) eingesetzt, bei dem eine Sonde in einen Untergrund gedrückt wird. Die Sonde weist üblicherweise an ihrer Spitze eine Kegelform auf, die einen 60°-Konus umfasst, und es werden während des Eindrückens die Messwerte für die Eindrückkräfte an der Spitze der Sonde gemessen, um Aufschluss über Eigenschaften des Bodens zu erhalten.
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Üblicherweise werden die gemessenen Daten mittels eines Datenkabels an eine Messstation gesendet, die sich an der Erdoberfläche, beispielsweise in einem Testfahrzeug oder auf einem Schiff, befindet. Falls es vorgesehen ist, zum Einbringen der Sonde in größere Bodentiefen Transportgestänge zu verwenden, die sukzessive je nach dem Fortschritt der Eindringtiefe zusammengefügt werden, wird ein derartiges Datenkabel durch die Hohlräume der rohrförmigen Gestänge geführt beziehungsweise ist bereits zu Beginn des Sondiervorgangs durch das Transportgestänge gefädelt. Zudem gibt es für das Transportgestänge als Alternativen beispielsweise das Coiled-Rod-Verfahren sowie das Downhole-CPT-Verfahren.
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Wird die Sondierapparatur um einen seismischen Drucksensor beziehungsweise ein Geophon ergänzt, das ebenfalls mit in den Boden eingebracht wird, können damit nacheinander in verschiedenen Tiefen jeweils bei ruhender Sonde seismische Untersuchungen durchgeführt werden (seismische CPT). Dabei werden Impulse von der Erdoberfläche oder bei Offshore-Anwendungen vom Meeresboden aus in den Boden eingebracht und die an dem seismischen Sensor ankommenden Signale gemessen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2020 001 184 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von geotechnischen Untersuchungen bekannt, bei dem andere Verfahren zum Transport von Messdaten von einer Sondierungsvorrichtung zu einer Datenverarbeitungseinrichtung eingesetzt werden. Beispielsweise ist dort die Möglichkeit erwähnt, einen kabellosen Datentransport mittels eines in eine Sonde integrierten batteriebetriebenen Senders zu etablieren oder in einer anderen Variante Messdaten in der Sonde zu speichern und diese später, nach Beendigung des Sondierungsvorgangs und Einholen der Sonde, auszulesen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, bei einer Drucksondiervorrichtung insbesondere die Messdatenerfassung von seismischen Daten und ihre Bereitstellung an eine Datenverarbeitungseinrichtung zu verbessern und zu erweitern.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Drucksondiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Drucksondiervorrichtung dar. Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren der Drucksondierung.
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Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Drucksondiervorrichtung mit einer Sonde, die einen Sondierkonus und insbesondere eine Mantelreibungshülse aufweist, und mit einem Transportgestänge, das dazu eingerichtet ist, an einem ersten seiner Enden mit der Sonde verbunden zu werden und diese unter Druckanwendung in einen zu sondierenden Bodenbereich zu drücken, sowie mit einer seismischen Messeinrichtung zur Erfassung von seismischen Signalen. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die seismische Messeinrichtung mehrere seismische Sensoren aufweist, die in ein oder mehrere Elemente des Transportgestänges integriert und entlang der Längsrichtung des Transportgestänges mit Abstand voneinander angeordnet sind.
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Dadurch, dass mehrere seismische Sensoren, beispielsweise Geophone, Multikomponentensensoren, Accelerometer entlang des Transportgestänges vorgesehen sind und nach dem Einbringen in den Boden zur Messung gleichzeitig zur Verfügung stehen, können in einer bestimmten Position des Transportgestänges, beispielsweise bei einer Unterbrechung des Vortriebs der Sonde, seismische Messungen mit Sensoren vorgenommen werden, die in unterschiedlichen Bodentiefen angeordnet sind. Diese Messungen können für verschiedene, mehrere oder alle seismischen Sensoren gleichzeitig oder kurz nacheinander durchgeführt werden. Dadurch kann eine Vielzahl von Messdaten gewonnen werden, die einzeln oder gemeinsam für verschiedene Bodentiefen aussagekräftig sind. Damit wird die Messdatengewinnung von seismischen Daten gegenüber bekannten Verfahren erheblich verbessert, da der Vortrieb der Sonde beziehungsweise des Transportgestänges nicht wiederholt unterbrochen werden muss, um die seismischen Messungen durchzuführen. Außerdem ist die relative Position der seismischen Sensoren zueinander entlang des Transportgestänges bekannt. Zur Gewinnung dieser Aussagen reicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine einzige Tiefenmessung, mittels deren die Tiefe eines der seismischen Sensoren unter der Oberfläche gemessen werden kann, wobei sich die Tiefen der übrigen Sensoren aus den bekannten Relativpositionen ergeben. Durch ein in die Sondiervorrichtung integriertes Inklinometer kann der Winkel der Vorschubrichtung überwacht und gemessen werden, so dass bezüglich der Sensortiefe genauere Daten ermittelt werden können.
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Mehrere seismische Sensoren können in einem Element des Transportgestänges angeordnet oder auf mehrere, insbesondere wenigstens zwei oder drei Elemente des Transportgestänges verteilt sein. Im letzteren Fall können die Sensoren größere Abstände untereinander annehmen, und es können erste Messungen auch schon durchgeführt werden, wenn noch nicht alle Elemente des Gestänges in den Boden eingebracht sind.
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An der Spitze der Drucksondiervorrichtung ist ein Sondierkonus angeordnet, der das Eindringen der Sonde und des Transportgestänges in den Boden erheblich erleichtert. Der Sondierkonus ist üblicherweise mit einer Kraftmesseinrichtung versehen, die eine laufende Messung der Eindrückkräfte ermöglicht. Zudem kann ebenfalls in bekannter Weise eine Mantelreibungshülse hinter dem Sondierkonus vorgesehen sein, die eine Messung der Mantelreibung während der Vortriebsbewegung der Sonde erlaubt. Außerdem ist es auch möglich, eine Messeinrichtung für den Porendruck von Wasser in der Nähe des Sondierkonus, typischerweise zwischen dem Sondierkonus und der Mantelreibungshülse, vorzusehen, um den Porendruck messen zu können, sowie ein Inklinometer. Die seismischen Sensoren sind zur Aufnahme von verschiedenen Moden seismischer Wellen geeignet. Es können zwei oder drei, vier oder mehr als vier solcher seismischen Sensoren vorgesehen sein, die jeweils sowohl seismische P- als auch S-Wellen erfassen.
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Die Drucksondiervorrichtung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, dass die seismischen Sensoren wenigstens teilweise an der Mantelfläche eines oder mehrerer in Längsrichtung aneinandergereihter Elemente des Transportgestänges angeordnet sind. Zu diesem Zweck können die Elemente des Transportgestänges als Rohre ausgebildet sein, die an ihrer Wandung durchgehende Bohrungen aufweisen, in die jeweils seismische Sensoren derart eingesteckt sind, dass sie über die Rohrwandung in radialer Richtung nicht hinausragen.
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Vorteilhafterweise können die Sensoren leicht hinter der einhüllenden Mantelfläche der Elemente des Transportgestänges angeordnet sein, und es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Oberfläche der seismischen Sensoren an der äußeren Mantelfläche des/der Elemente des Transportgestänges mit einer Schutzschicht bedeckt sind, die insbesondere aus einem Kunststoff, weiter insbesondere aus einem Epoxidharz besteht. Eine solche Beschichtung kann auch vorgesehen sein, wenn die Oberfläche der seismischen Sensoren mit der Mantelfläche der Elemente des Transportgestänges abschließt. Die Schicht sollte dann so ausgebildet sein, dass sie beim Vortrieb des Gestänges keinen oder nur einen minimalen zusätzlichen Reibungswiderstand erzeugt.
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Die Drucksondiervorrichtung kann weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, dass jeder der seismischen Sensoren mit einem Signalleiter zur Weiterleitung von Messsignalen zu einem dem sondenseitigen, ersten Ende beziehungsweise der Sondierspitze entgegengesetzten zweiten Ende des Transportgestänges verbunden ist und/oder dass jeder seismische Sensor eine Einrichtung zur Digitalisierung und/oder Modulierung von Signalen für den Transport über den Signalleiter aufweist.
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Die Messsignale der seismischen Sensoren sollen zu dem der Sondierspitze entgegengesetzten zweiten Ende des Transportgestänges geleitet werden, an dem eine Datenverarbeitungseinrichtung bereitgestellt ist. Hierzu können einzelne Signalleiter für die einzelnen seismischen Sensoren vorgesehen sein, jedoch können auch für die Weiterleitung von Signalen mehrerer seismischer Sensoren Signalleiter von mehreren seismischen Sensoren gemeinsam genutzt werden.
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Es kann hierzu beispielsweise vorgesehen sein, dass der Signalleiter jeweils in ein Element des Transportgestänges integriert und insbesondere in einem zentrischen Hohlraum oder in einer Wand des Elements angeordnet ist. Die einzelnen Signalleiter können beispielsweise vor dem Durchführen der Drucksondierung in das noch nicht zusammengesetzte Transportgestänge eingefädelt sein und/oder bereits mit den einzelnen Elementen des Transportgestänges verbunden sein. Hierzu können die Signalleiter beispielsweise in einen inneren Hohlraum der rohrförmigen Elemente des Transportgestänges eingelegt oder an einer Innenwand der Elemente oder auch außen an den Elementen befestigt sein.
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Es kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Signalleiter aus Signalleiterabschnitten zusammengesetzt ist, die jeweils an den Enden der Elemente des Transportgestänges lösbar miteinander verbunden sind, wobei die Signalleiterabschnitte insbesondere jeweils an Steckverbindungselementen enden, die mit je einem Ende eines Elements des Transportgestänges verbunden sind. Die Signalleiterabschnitte können allgemein beispielsweise mittels Steck- oder Schraubverbindungen oder auch durch Bajonettverschlüsse miteinander verbunden werden. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit, einen langen Signalleiter vor dem Einbringen des Transportgestänges in die verwendeten Elemente des Transportgestänges einzubringen, und der oder die Signalleiter werden beim Vortrieb der Drucksondiervorrichtung nacheinander jeweils mit den bereits in den Boden eingebrachten Teilen des Signalleiters / der Signalleiter verbunden, ebenso wie die einzelnen Elemente des Transportgestänges nacheinander angefügt werden. Damit muss beispielsweise die maximale Messtiefe für die Auswahl des Signalleiters nicht im Vorhinein festgelegt werden, sondern die Länge des Signalleiters insgesamt kann je nach Entwicklung des Messvorhabens angepasst werden. Es werden dadurch keine überlangen Datenkabel verwendet, und einzelne Abschnitte können bei einem Defekt einfach ersetzt werden.
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Anstelle mehrerer zusammengefügter Signalleiterabschnitte können auch ein oder mehrere durchgehender Signalleiter verwendet werden, an die dann jeweils ein oder mehrere seismische Sensoren angeschlossen sind. Es kann beispielsweise jedem der seismischen Sensoren ein eigener Signalleiter zugeordnet sein. In diesem Fall können beispielsweise auch mehrere Signalleiter parallel zueinander durch das Transportgestänge verlaufen.
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Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Signalleiterabschnitte durch einen oder mehrere elektrisch isolierte elektrische Leiter und/oder durch Lichtleiter gebildet sind. Demgemäß können die einzelnen Signalleiterabschnitte beispielsweise im Rahmen von Steckverbindungen zusammengesteckt oder auch verlötet, elektrisch leitend verklebt oder verschweißt werden. Auch Schraubverbindungen sind vorteilhaft denkbar. Handelt es sich bei dem Signalleiter um Lichtleiter, so sind auch für Lichtleiter komfortabel herstellbare Verbindungen bekannt.
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Die Messsignale können beispielsweise in der Form von Spannungssignalen über den oder die Signalleiter übertragen werden, wobei die Daten beispielsweise durch Spannungsniveaus, jedoch auch durch Wechselspannungssignale und kodiert durch Frequenzen oder in digitalisierter Form übertragen werden können. Zu diesem Zweck kann jeder der seismischen Sensoren, jedoch auch die Sonde beziehungsweise der Sondierkonus und die Mantelreibungshülse ebenso wie die Porendruckmesseinrichtung Analog/Digital-Wandler aufweisen, um die Messdaten zu digitalisieren. Werden die Daten der einzelnen seismischen Sensoren kodiert und digital übertragen oder in einem Zeitmultiplexverfahren nacheinander übertragen, können zum Datentransport auch nur wenige Signalleiter, im Extremfall nur ein einziger Signalleiter, entlang des Transportgestänges vorgesehen sein.
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Es kann in einer besonderen Ausbildung der Erfindung auch beispielsweise vorgesehen sein, dass die Signalleiterabschnitte durch die Elemente des Transportgestänges gebildet sind. In diesem Fall können durch die Elemente des Transportgestänges elektrische Signale, beispielsweise in Form von digitalen Spannungssignalen, übertragen werden.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Drucksondiervorrichtung der oben beschriebenen Art auch auf ein Verfahren zur Sondierung unter Verwendung einer solchen Drucksondiervorrichtung, wobei der Signalleiter aus Signalleiterabschnitten zusammengesetzt ist und wobei mit zunehmender Eindringtiefe der Sonde nacheinander Elemente des Transportgestänges zusammengefügt werden und dabei jeweils auch Signalleiterabschnitte miteinander verbunden werden.
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Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung einer Drucksondiervorrichtung der oben beschriebenen Art, bei dem nach dem Einbringen wenigstens eines Teils des Transportgestänges die Eindringbewegung der Sonde unterbrochen und eine oder mehrere seismische Messungen unter Verwendung von mehreren, in Längsrichtung des Transportgestänges voneinander beabstandeten seismischen Drucksensoren durchgeführt wird/werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren dargestellt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine Sonde mit einem Element eines Transportgestänges schematisch im Längsschnitt,
- 2 schematisch eine Sonde mit mehreren Elementen des Transportgestänges vor dem Zusammensetzen,
- 3 im Längsschnitt ein Element des Transportgestänges mit zwei seismischen Sensoren,
- 4 zwei Elemente des Transportgestänges vor dem Zusammenfügen sowie
- 5 ein Element des Transportgestänges mit einem seismischen Sensor.
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1 zeigt in einer teilweise längsgeschnittenen Darstellung eine Sonde mit einem Sondierkonus 1, einer Mantelreibungshülse 2 sowie einem Filterelement 3 zur Porendruckmessung, die gemeinsam eine Sonde bilden, die in einen zu untersuchenden Boden eingedrückt wird. Die Sonde ist mit einem ersten Element 4 eines Transportgestänges verbunden, das als Rohr ausgebildet ist. In der Wandung des Rohres sind die seismischen Sensoren/Geophone 9, 10, 11 angeordnet, derart, dass sie in durchgehenden Öffnungen der Rohrwand befestigt sind. Mit 13 ist eine isolierende Schicht bezeichnet, die die seismischen Sensoren abdeckt und einbettet. Im Inneren des Hohlraums 19 des Elements 4 des Transportgestänges ist ein Signalleiter 15 angeordnet. Der Signalleiter 15 ist in Längsrichtung entsprechend den Längen der Elemente 4 des Transportgestänges geteilt, und die einzelnen Signalleiterabschnitte sind, wie weiter unten noch näher erläutert wird, mittels lösbarer Verbindungen miteinander verbunden. In 1 ist ein Schraubgewinde 22 dargestellt, das dem Zusammenfügen der als Koaxialleiter ausgebildeten Signalleiterabschnitte dient.
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2 zeigt schematisch eine Sonde 1, 2 und ein aus zwei Elementen 4, 5 bestehendes Transportgestänge mit einem ersten Ende 7, das mit der Sonde 1, 2 verbunden wird, sowie einem zweiten, der Sondierspitze entgegengesetzten Ende 8, das beim Messvorgang der Erdoberfläche beziehungsweise Bodenoberfläche nah ist, insbesondere oben aus dem Erdboden herausragt. Innerhalb der Elemente 4, 5 des Transportgestänges verläuft in Längsrichtung ein Signalleiter 15, der mittels Steckverbinderelementen 20, 21 jeweils am Übergang zwischen zwei Elementen 4, 5 des Transportgestänges zusammengefügt ist. Der Signalleiter 15 kann beispielsweise als einzelner isolierter elektrischer Leiter, als Leiterbündel oder auch als Lichtleiter ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung als Wellenleiter, beispielsweise in Form eines Koaxialkabels, ist denkbar.
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An den Signalleiter 15 sind verschiedene seismische Sensoren 9, 10, 11 angeschlossen, die entlang der Längsrichtung des Transportgestänges auf verschiedene Elemente 4, 5 des Transportgestänges verteilt sind. Dabei können in einem einzelnen Element 4, 5 ein oder mehrere seismische Sensoren 9, 10, 11 vorgesehen sein.
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3 zeigt zwei Beispiele für die Integration von seismischen Sensoren in die Wand eines Elements 6 des Transportgestänges. Ein seismischer Sensor 10 ist in einer durchgehenden Öffnung in der Wandung des rohrförmigen Elements 6 derart angeordnet, dass seine Oberfläche hinter die Mantelfläche des Rohres zurückgezogen ist. Der entstehende Hohlraum ist mit einer Deckschicht 13, beispielsweise aus einem Epoxidharz, gefüllt, so dass der Sensor 10 gegen Umwelteinflüsse geschützt ist. Ein zweiter seismischer Sensor 11 ist so in einer Öffnung des Elements 6 angeordnet, dass er mit der Umfangsfläche des Elements 6 abschließt. Es ist zusätzlich eine Deckschicht 14, beispielsweise aus einem Epoxidharz, vorgesehen, die sowohl den seismischen Sensor 11 als auch benachbarte Teile des rohrförmigen Elements 6 abdeckt. Die Schicht 14 sollte so bemessen sein, dass sie das Eindringen des Transportgestänges in den Boden nicht behindert, jedoch so dick und stabil, dass sie die seismischen Drucksensoren schützt. Die beiden Sensoren 10, 11 sind jeweils mit dem Signalleiter 15 im Hohlraum 19 des Elements 6 verbunden.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Signalleiter aus zwei oder mehr Signalleiterabschnitten 16, 17 besteht, die fest mit der Wand der Elemente 4, 5 des Transportgestänges verbunden sind und beispielsweise in einer Nut an der Innenseite der Rohrwand der Elemente 4, 5 angeordnet oder an der Innenseite der Wand der Elemente 4, 5 durch Kleben befestigt sind. Die Signalleiterabschnitte 16, 17 enden jeweils in Steckverbinderelementen 20, 21, die ebenfalls mit den Elementen 4, 5 des Transportgestänges jeweils anderen Enden fest verbunden sind, so dass mit dem Verbinden der Elemente 4, 5 des Transportgestänges miteinander die Steckverbinderelemente 20, 21 ebenfalls zuverlässig zusammengefügt werden können.
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5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der in der Wand des Elements 5 des Transportgestänges ein seismischer Drucksensor 12 elektrisch isoliert angeordnet ist. Es ist eine elektrische Isolationsschicht 23 vorgesehen, die sowohl eine elektrische Isolierung des Sensors 12 gegenüber dem metallischen Rohr des Elements 5 als auch einen mechanischen Schutz an der Mantelfläche des Elements des Transportgestänges bewirkt.
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Der Sensor 12 weist zudem einen Wandler 18 auf, der die Messsignale in digitale Signale wandelt und der mittels einer Zuleitung 24 die so gebildeten elektrischen Signale in das Element 5 des Transportgestänges, genauer in die Wand des Elements 5, einleitet. Die Elemente 4, 5, 6 des Transportgestänges können somit nach dem Zusammenfügen insgesamt als Signalleiter fungieren. Wenn beispielsweise die Messsignale in ein hochfrequentes digitales Signal umgewandelt werden, so können diese Signale störungsfrei über das Transportgestänge transportiert werden. Mittels einer Zeitmultiplexlösung können somit auch die Signale verschiedener seismischer Sensoren gesondert voneinander übertragen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020001184 A1 [0005]
