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Die
Erfindung betrifft eine Messsonde zur zerstörungsfreien
Messung der Dicke dünner Schichten auf Gegenständen.
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Aus
der
DE 10 2005
054 593 A1 ist beispielsweise eine Messsonde zur zerstörungsfreien
Messung der Dicke dünner Schichten bekannt, welche in einem
Gehäuse zumindest ein Sensorelement aufweist. Diesem Sensorelement
ist eine Aufsetzkalotte zugeordnet, so dass die Messsonde über
diese Aufsetzkalotte auf der zu messenden Oberfläche einer Beschichtung
aufgesetzt werden kann. Im Anschluss kann mit einer solchen Messsonde
eine zerstörungsfreie Messung der Schichtdicke durchgeführt
werden. Solche Messsonden werden im Allgemeinen zur Durchführung
der Messung von Hand auf die Messoberfläche aufgesetzt.
Eben so kann die Verwendung eines Messstatives vorgesehen sein. Dabei
sollte eine hinreichende Zugänglichkeit zur Messoberfläche
gegeben sein, um eine solche Messsonde aufsetzen zu können.
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Aufgrund
der zunehmenden Qualitätsanforderungen einerseits und der
zunehmenden Komplexität der Messungen, insbesondere für
Mehrfachbeschichtungen, andererseits wird es erforderlich, solche
Messsonden weiterzuentwickeln.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Messsonde zu
schaffen, durch welche Mehrfachbeschichtungen auf Gegenständen
in einfacher und sicherer Weise mit jeweils für das anzuwendende
Messverfahren optimierten Messköpfen geprüft werden
können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messsonde
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den
weiteren Ansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Messsonde weist benachbart und
getrennt vom ersten Messkopf zumindest einen weiteren Messkopf an
einer Trägereinrichtung auf, der unabhängig vom
ersten Messkopf ansteuerbar ist. Durch diese benachbarte und räumliche
getrennte Anordnung von dem ersten und zumindest einen weiteren
Messkopf an der Trägereinrichtung können die jeweiligen
Messköpfe in optimierter Weise und unabhängig
voneinander ausgebildet sein, um zusammen mit einer Steuerung jeweils
ein optimiertes und isoliertes Messsystem zu bilden. Diese Messsonde
weist somit den Vorteil auf, dass nach dem einmaligen Aufsetzen
auf eine zu prüfende Messoberfläche mittels dem
ersten und zumindest einen weiteren Messkopf jeweils eine getrennte
Messung der Dicke dünner Schichten ermöglicht
wird. Durch die Zuordnung des ersten und zumindest einen weiteren
Messkopfes an der Trägereinrichtung und dem Verbleib der
Messköpfe an der Messoberfläche relativ zueinander
in einer vorbestimmten Position zueinander und zum Gegenstand können
Messungen mit gleichen oder unterschiedlichen Messverfahren durchgeführt
werden, um entsprechend der Messaufgabe die ermittelten Daten in
ei ner Auswerteeinrichtung auszuwerten. Dadurch kann in einfacher
und sicherer Weise insbesondere eine Mehrfachbeschichtung geprüft
werden, wobei für die jeweilige Beschichtung ein Messverfahren
ausgewählt wird und ein optimierter Messkopf an der Trägervorrichtung
eingesetzt ist.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen
Polachsen der Messköpfe räumlich getrennt angeordnet
und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese Anordnung
der Messköpfe an der Trägervorrichtung ermöglicht
eine räumlich getrennte Anordnung der Messköpfe
auf der Trägereinrichtung und somit eine Gestaltungsfreiheit
in der räumlichen Dimensionierung des jeweiligen Messkopfes
in Abhängigkeit des jeweils durchzuführenden Messverfahrens,
um eine qualitativ verbesserte Messung durchzuführen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der
zumindest eine erste Messkopf zumindest ein Sensorelement zur Messung
der Schichtdicke nach einem magnetinduktiven Verfahren, nach einem
Wirbelstromverfahren, nach einem phasensensitiven Verfahren oder
nach einem magnetischen Gleichfeldverfahren ermittelt und der zumindest
eine weitere Messkopf zumindest ein Sensorelement zur Messung der
Schichtdicke nach einem der vorgenannten Messverfahren ermittelt.
In Abhängigkeit der Messaufgabe, insbesondere des Grundwerkstoffes
eines Messgegenstandes sowie den darauf aufgebrachten Beschichtungen,
können die einzelnen Messverfahren ausgewählt
und miteinander kombiniert werden und dementsprechend die Messköpfe
an der Trägereinrichtung angeordnet sein.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Messsonde sieht zwischen dem
Gehäuse der Messsonde und der Trägereinrichtung
eine Aufhängung vor, welche im zumindest einen Freiheitsgrad
bewegbar die Trägereinrichtung zum Gehäuse aufnimmt. Durch
diese Anordnung wird während dem Aufsetzen der Messsonde
auf die Messoberfläche eine selbständige Ausrichtung
der Trägereinrichtung auf der Messoberfläche ermöglicht,
damit die zumindest zwei Messköpfe gleichermaßen
aufliegen und bei einer gegebenenfalls gekippten Aufsetzposition
der Mess sonde ein selbständiges Ausrichten mit anschließendem
Anliegen der Messköpfe erfolgt. Dadurch können
sowohl ebene als auch gekrümmte Messoberflächen
sicher geprüft und die Handhabung der Messsonde vereinfacht
werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an
einer Trägereinrichtung zumindest zwei Messköpfe
in einer Linie hintereinander angeordnet sind und vorzugsweise im
Schwerpunkt der dadurch gebildeten Zwei- oder Mehrpunktauflage eine
Aufhängung an der Trägereinrichtung angreift.
Durch diese Anordnung wird insbesondere ein selbständiges
Ausrichten der Messköpfe während dem Aufsetzen
ermöglicht und sichergestellt, so dass nach dem Positionieren
der Messsonde zum Messgegenstand ein Aufliegen der Messköpfe
gegeben ist. Durch die vorzugsweise Anordnung einer Aufhängung
im Schwerpunkt zwischen der durch die Messköpfe gebildeten
Zweipunktauflage wird eine optimierte Ausrichtung ermöglicht.
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Eine
alternative Ausgestaltung der Messsonde sieht an der Trägervorrichtung
zwei Messköpfe und einen Hilfspol vor, die eine Dreipunktauflage
bilden und vorzugsweise im Schwerpunkt der Dreipunktauflage eine
Aufhängung an der Trägereinrichtung angreift.
Diese Anordnung ermöglicht sowohl bei ebenen als auch bei
gekrümmten Flächen durch die Dreipunktauflage
eine selbständige Ausrichtung. Bevorzugt sind zwei voneinander
abweichende Messköpfe und ein Hilfspol vorgesehen, um eine Mehrfachbeschichtung
zu prüfen. Alternativ können auch zwei gleiche
Messköpfe mit einem Hilfspol vorgesehen sein. Zur selbständigen
Ausrichtung und vollständigen Auflage der Messköpfe
und des Hilfspols auf der Messoberfläche greift die Aufhängung bevorzugt
an dem Schwerpunkt der Dreipunktauflage an der Trägereinrichtung
an, wodurch eine maximale Taumelbewegung zur selbständigen
Ausrichtung der Trägereinrichtung zur Messoberfläche über die
Messköpfe oder den Hilfspol gegeben ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an einem
die Trägereinrichtung aufnehmenden Gehäuse zumindest
eine Posi tioniervorrichtung vorgesehen. Diese Positioniervorrichtung kann
sowohl bei einem Messsystem mit einer Zweipunktauflage als auch
einem Messsystem mit einer Dreipunktauflage vorgesehen sein. Dies
ermöglicht eine erleichterte Positionierung des Gehäuses
zum Messgegenstand und eine erste Ausrichtung des Gehäuses
zur Messoberfläche, um ein gezieltes Aufsetzen der Messköpfe
an dem Messpunkt zu schaffen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei
einem Messsystem zumindest zwei in einer Linie angeordnete Messköpfe zur
Messung von Schichten entlang einer Mantellinie der gekrümmten
Oberfläche ausgerichtet sind. Die Positionierungeinrichtung,
welche vorzugsweise als Prisma ausgebildet ist, ist dabei rechtwinklig
zu den beiden Messköpfen ausgerichtet. Dadurch kann eine Ausrichtung
der Messköpfe und eine Messung entlang einer Mantellinie
durchgeführt werden, so dass für beide Messköpfe
dieselben Messbedingungen gelten. Dadurch kann ein durch die Krümmung
entstehender Fehler bei der Messung der Dicke dünner Schichten
bereits durch die Anordnung der Messköpfe zur Messoberfläche
eliminiert werden.
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Nach
einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Aufhängung, welche die Trägereinrichtung
zum Gehäuse verbindet, als Kugelgelenk ausgebildet ist.
Ein solches Kugelgelenk ermöglicht eine dreidimensionale
Veränderung der Lage der Trägereinrichtung zum
Gehäuse. Dadurch kann eine sehr flexible Anpassung der
Lage der Messköpfe zur Messoberfläche erfolgen.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, dass die Aufhängung, welche die Trägereinrichtung
zum Gehäuse verbindet, durch ein Federelement oder durch
mehrere streifenförmige, insbesondere flach streifenförmige,
Federelemente ausgebildet ist, welche an der Trägervorrichtung
angreifen und gegenüberliegend mit einem Anschlusselement
am Gehäuse anschließbar sind. Diese Anordnung
weist den Vorteil auf, dass das oder die nebeneinander angeordneten
streifenförmigen Federelemente beim Aufsetzen der Messsonde
an der zu prüfenden Oberfläche eine zumindest
geringen Anpresskraft auf den zumin dest einen Messkopf zu dessen
sicheren Anlage auf der Messoberfläche ermöglichen.
Darüber hinaus ist gleichzeitig durch das Federelement
oder die nebeneinander angeordneten streifenförmigen Federelemente
eine zumindest geringfügige Verdrehung um die Längsachse des
oder der einzelnen Federelemente ermöglicht. Somit weist
diese Anordnung den Vorteil auf, dass eine reibungsfreie Lagerung
der Messköpfe bezüglich einer Auslenkung und Schwenkbeweglichkeit zum
Gehäuse gegeben ist. Bevorzugt sind die streifenförmigen
Federelemente mit einem Anschlusselement gehalten und verbunden,
welches in einfacher Weise im Gehäuse anschließbar
ist. Dadurch kann eine einfache Montage und Demontage zum Gehäuse
erfolgen. Ergänzend kann durch das Anschlusselement eine
einfache Kontaktierung mit Anschlussleitungen beziehungsweise Signalleitungen
am Gehäuse ermöglicht werden.
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Eine
alternative Ausgestaltung der Aufhängung sieht vor, dass
ein Federelement blattfederartig ausgebildet ist und bevorzugt die
Messköpfe mit ihren Polachsen senkrecht stehend zur Ebene
des Federelementes ausgerichtet sind. Gemäß einer
ersten Alternative können insbesondere mehrere elektrische
Leiterbahnen auf dem Federelement vorgesehen sind. Dadurch kann
eine einfache und konstruktive Ausgestaltung geschaffen werden,
wobei gleichzeitig über das Federelement die Energieversorgung der
Messköpfe ermöglicht wird. Dadurch sind keine zusätzlichen
Signalleitungen erforderlich, die die Ausrichtung der Messköpfe
zur Messoberfläche beeinträchtigen können.
Dieses eine blattfederartige Federelement kann auch eine oder mehrere
Aussparungen aufweisen, so dass eine Verdrehsicherung um die Längsachse
einstellbar ist. Gemäß einer weiteren Alternative
können auch separate Signalleitungen zu den Messköpfen
führen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung dieser alternativen Ausführungsform
sieht vor, dass die Federelemente in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander
und mit Abstand zueinander angeordnet sind und bevorzugt die Messköpfe
mit ihren Polachsen senkrecht stehend zur Ebene der Federelemente
ausgerichtet sind. Dadurch kann die radiale Auslenkung der Trägereinrichtung
zur Längsachse der durch den Abstand der Federele mente
als auch durch die Querschnittsgeometrie der Federelemente bestimmt
werden. Gleichzeitig kann eine Auslenkung in Aufsetzrichtung erfolgen
und insbesondere die Federkraft in Aufsetzrichtung erhöht
sein. Die zur Trägereinrichtung ausgerichteten Enden der
Federelemente greifen bevorzugt am Schwerpunkt im Bereich des Schwerpunktes
der Zweipunkt- oder Dreipunktauflage an. Dadurch kann eine lagerichtige
Anordnung und Ausrichtung der Messköpfe auf der zu prüfenden Messoberfläche
sichergestellt sein.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der Aufhängung
sieht vor, dass diese als kardanische Vorrichtung ausgebildet ist.
Dadurch kann in einfacher Weise eine gezielte Auslenkung beziehungsweise
Auslenkrichtung der Trägereinrichtung beziehungsweise der
daran angeordneten Messköpfe während dem Aufsetzen
auf die Messoberfläche erzielt werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Aufhängung als kardanische
Vorrichtung sieht vor, dass diese aus einem mit dem Gehäuse
verbindbaren, insbesondere in Aufsetzrichtung der Messköpfe
auslenkbaren Trägerstab und einem oder mehreren, insbesondere
am freien Ende des Trägerstabes dazu angeordneten Federelementen,
besteht, welche die Trägereinrichtung mit den zumindest
zwei Messköpfen aufnehmen. Diese massereduzierte Anordnung ermöglicht
ebenfalls ein sicheres Ausrichten und Aufsetzen der Messköpfe
auf der Messoberfläche. Es wirkt also nur das Eigengewicht
der Messköpfe und eine Andruckkraft des Trägerstabes
auf die Messköpfe. Dadurch kann während dem Aufsetzen
eine Beschichtung der Messoberfläche stark reduziert werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der kardanischen Vorrichtung
sieht vor, dass das oder die Federelemente die Trägereinrichtung
um eine Achse rechtwinklig zur Längserstreckung des Trägerstabes verschwenkbar
zum sicheren Aufsetzen der zumindest zwei Messköpfe aufnehmen.
Dadurch kann erzielt werden, dass bei einem Aufsetzen von zunächst nur
einem Messkopf selbständig bei der Durchführung
der weiteren Auf setzbewegung der Messsonde der weitere Messkopf
sich automatisch ausrichtet und ebenfalls mit Sicherheit auf der
Messoberfläche aufliegt.
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Des
Weiteren sind bevorzugt die streifenförmigen Federelemente
elektrisch leitend. Dies ermöglicht, dass die Federelemente
eine Doppelfunktion übernehmen und keine zusätzlichen
elektrischen Leitungen mehr anzubringen sind. Dadurch kann eine
in der Masse erheblich reduzierte Sondeneinheit geschaffen und weitere
störende Krafteinflüsse durch separate Signalleitungen,
die sich nachteilig auf die Messung auswirken, beseitigt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass entsprechend der erforderlichen Anzahl
der elektrischen Anschlüsse streifenförmige Federelemente
in einer Ebene ausgerichtet sind, so dass jedes Federelement quasi
auch einer elektrischen Leitung für die Messköpfe
entspricht. Alternativ können auch zwei, drei usw. Leitungen
auf einem Federelement angeordnet sein, wobei diese beispielsweise
durch Ätzung oder in Form einer flexiblen Leiterplatte
hergestellt sein können.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Aufhängung sieht vor,
dass zumindest ein Federelement zwischen der Trägereinrichtung
an einem Kopplungselement besteht, welches vorzugsweise rechtwinklig
zur Trägereinrichtung ausgerichtet ist und zumindest zwei
zueinander beabstandete und parallel ausgerichtete Federelemente
das Kopplungselement zum Gehäuse oder einer Gehäuseplatte
in Aufsetzrichtung auslenkbar tragen. Eine solche Anordnung weist
den Vorteil auf, dass das zwischen dem Kopplungselement und der
Trägereinrichtung angeordnete zumindest eine Federelement
eine schwenkbare Auslenkung der Trägereinrichtung während
einer Aufsetzbewegung ermöglicht, wohingegen die weiteren
zwischen dem Kopplungselement und dem Gehäuse oder der
Gehäuseplatte angeordneten parallel zueinander angeordneten
Federelemente in und entgegen der Aufsetzrichtung der Messköpfe
eine Auslenkung bewirken. Dabei ist bevorzugt eine Art Parallelogrammführung
und Auslenkung zwischen dem Kopplungselement und dem Gehäuse
oder der Gehäuseplatte gegeben. Somit ist die Trägereinrichtung
wiederum zumindest um einen Freiheitsgrad bewegbar gelagert, so
dass ein selb ständiges Ausrichten und sicheres Aufsetzen
der Messköpfe der Trägereinrichtung ermöglicht
ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorgenannten Aufhängung
sieht vor, dass das zumindest eine Federelement zwischen der Trägerplatte und
dem Kopplungselement rechtwinklig oder parallel zur Trägereinrichtung
ausgerichtet und daran befestigt ist. Beide Ausführungsformen
ermöglichen eine Schwenkbewegung der Trägereinrichtung
zumindest um einen Freiheitsgrad.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der Messsonde sieht
vor, dass die Trägereinrichtung in das Gehäuse
einsetzbar, insbesondere austauschbar, ist und vorzugsweise die
Federelemente frei aus dem Gehäuse heraus angeordnet sind.
Dadurch kann in besonderen Ausführungsformen ein die Trägereinrichtung
zumindest teilweise umgebendes Gehäuse ausgebildet werden,
welches getrennt zu einem weiteren Gehäuse angeordnet ist,
welches insbesondere eine Positioniereinrichtung aufweist. Diese
Anordnung ist insbesondere von Vorteil, wenn die zur Messung zur
Verfügung stehenden Freiräume klein sind, so dass
nur eine Messsonde mit einem geringen Bauvolumen zur Messoberfläche
hingeführt werden kann.
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Des
Weiteren ist zwischen der Trägereinrichtung und dem Gehäuse
bevorzugt ein Kraftspeicherelement angeordnet, welches die Messköpfe
gegenüber dem Gehäuse eintauchbar lagert. Dadurch
kann ein Schutz für den zumindest einen Messkopf bei zu stark
aufgebrachter Kraft erzielt werden. Des Weiteren kann dadurch die
gleichzeitige Auflage aller Messköpfe sichergestellt werden.
Bevorzugt greift das Kraftspeicherelement im Schwerpunkt der Trägereinrichtung
an.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Messsonde sieht vor, dass die
zumindest zwei Messpole sequentiell unter Beibehaltung ihrer Aufsetzposition
ansteuerbar sind. Dadurch können die jeweils erfassten
Messwerte unmittelbar miteinander verglichen oder in Bezug zueinander,
insbesondere auch für eine Differenzbildung der ermittelten
Schichtdicke oder Abstände der Messoberfläche
zu den Schichten oder dem Grundwerkstoff, gesetzt werden, da die Messbedingungen
gleich sind und die Messposition definiert ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an
der Trägereinrichtung ein Anschlag ausgebildet ist, der
beim Abheben des Gehäuses von der Messoberfläche
an einer Schulter des Gehäuses anliegt. Diese Anordnung
weist den Vorteil auf, dass gegebenenfalls wirkende magnetische
Anziehungskräfte zwischen einem oder mehreren Messköpfen
und dem Gegenstand überwunden werden, ohne dass eine Überbelastung
der Aufhängung, insbesondere der Federelemente und/oder des
zusätzlichen Kraftspeicherelementes, auftritt.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in
den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben
und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen
zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder
zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Messsonde,
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2 eine
schematische Ansicht von vorne im Teilschnitt der Messsonde gemäß 1,
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3 eine
perspektivische Teilansicht von unten auf eine Trägereinrichtung
der Messsonde gemäß 1,
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4 eine
schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform
der Messsonde gemäß 1,
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5 eine
schematische Vorderansicht der Messsonde gemäß 4,
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6 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform
zu 1,
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7 eine
perspektivische Ansicht auf eine Trägereinrichtung mit
Messköpfen gemäß 4,
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8 eine
schematische Ansicht auf die Trägereinrichtung gemäß 4,
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9 eine
schematische Seitenansicht der Messköpfe gemäß 5,
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10a und b eine schematische Seitenansicht und
Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Messsonde
zu 1 und
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11a und b eine schematische Seitenansicht und
perspektivische Ansicht von unten auf eine weitere alternative Messsonde
zu 6.
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In 1 ist
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Messsonde 11 dargestellt. Eine weitere schematische Ansicht
der Messsonde 11 geht aus 2 hervor.
Eine solche Messsonde 11 wird zur zerstörungsfreien
Messung der Dicke dünner Schichten 12, 14 an
Gegenständen 16 eingesetzt. Diese Gegenstände 16 können
eine ebene Messoberfläche oder wie im Ausführungsbeispiel dargestellt,
eine gekrümmte Messoberfläche 17 aufweisen.
Die Messsonde 11 wird über eine Anschlussleitung 19 mit
einer schematisch dargestellten Auswerteeinrichtung 20 verbunden.
Alternativ kann auch eine kabellose Datenübertragung der
ermittelten und erfassten Messwerte an der Messsonde 11 an
die Auswerteeinrichtung 20 vorgesehen sein.
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Die
Messsonde 11 umfasst ein Gehäuse 22, an
welchem in Abhängigkeit der Messaufgabe eine Positioniereinrichtung 23 anbringbar
oder einteilig an das Gehäuse 22 angeformt ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Positioniereinrichtung 23 als Prisma
ausgebildet, um eine gesicherte Positionierung auf dem Gegenstand 16 mit
einer gekrümmten Messoberfläche 17 zu
bilden. Alternativ können auch anderweitige Positioniereinrichtungen
vorgesehen sein. Bei sehr empfindlichen Messoberflächen 17 kann
die Positionierung eine zusätzliche Beschichtung, beispielsweise
aus Kunststoff oder dergleichen, aufweisen.
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In
dem Gehäuse 22 ist eine Trägereinrichtung 24 zumindest
in einem Freiheitsgrad bewegbar gelagert, welche einen ersten Messkopf 26 und
zumindest einen weiteren Messkopf 27 räumlich
getrennt zueinander an derselben Trägereinrichtung 24 aufnimmt.
Jeder der Messköpfe weist eine Polachse 28, 29 auf,
die parallel zueinander ausgerichtet und mit Abstand zueinander
angeordnet sind. Der Abstand der Polachsen 28, 29 der
Messköpfe 26, 27 beträgt beispielsweise
wenige Millimeter, insbesondere 3 bis 10 mm, wobei im Vergleich
zu großflächigen Messoberflächen 17 von
einer punktförmigen Messung ausgegangen werden kann. Der
erste und zumindest eine weitere Messkopf 26, 27 liegen
auf einer gemeinsamen Linie, insbesondere rechtwinklig ausgerichtet
zur Positioniereinrichtung 23, so dass die Messköpfe 26, 27 entlang
einer Mantellinie der gekrümmten Messoberfläche 17 am
Gegenstand 16 ausgerichtet sind.
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Die
Trägereinrichtung 24 ist mit einer Aufhängung 30 zum
Gehäuse 22 auslenkbar gelagert. In einer ersten
Ausführungsform greift zumindest an der Trägereinrichtung 24 ein
streifenförmiges Federelement 31 an, welches als
Blattfederelement mit darin angebrachten Aussparungen ausgebildet
ist. Das Federelement 31 greift bevorzugt im Schwerpunkt 32 an
der Trägereinrichtung 24 an, wobei der Schwerpunkt
zwischen den beiden Messköpfen 26 und 27 liegt.
Durch diese Lagerung der Trägereinrichtung 24 wird
aufgrund des Federelementes 31 ermöglicht, dass
zum einen eine elektrische Kontaktierung der Messköpfe 26, 27 erfolgt
und andererseits sowohl eine Auslenkbewegung längs der
Polachsen 28, 29 beziehungsweise eine Eintauchbewegung
der Trägereinrichtung 23 in das Gehäuse 22 ermöglicht
ist als auch eine Schwenkbewegung um eine Längsachse 33 des
Federelementes beziehungsweise der Federelemente 31 ermöglicht
wird. Ergänzend kann zwischen dem Gehäuse 22 und
dem Schwerpunkt 32 ein Kraftspeicherelement 35 an
der Trägereinrichtung 24 angreifen, um der Eintauchbewegung
der Trägereinrichtung 24 beim Aufsetzen der Messsonde 11 auf
den Gegenstand 16 gegenzuwirken und eine sichere Anlage
der Messköpfe 26, 27 auf der Messoberfläche 17 zu
gewährleisten. Die Trägereinrichtung 24 mit
den daran angeordneten Messköpfen 26, 27 sowie
die Aufhängung 30 und gegebenenfalls das Kraftspeicherelement 35 bilden
eine Sondeneinheit 25, die austauschbar in das Gehäuse
einsetzbar ist.
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Die
Trägereinrichtung 24 kann bevorzugt als Trägerplatte
oder als Leiterplatte ausgebildet werden, so dass die elektrischen
Anschlüsse zwischen den Messköpfen 26, 27 und
der Leiterplatte in einfacher Weise ermöglicht werden.
Gleichzeitig können auch entsprechende Kontaktstellen zum
Anschluss des beziehungsweise der Federelemente 31 vorgesehen
sein, die elektrisch leitend ausgebildet sind, wie dies nachfolgend
noch beschrieben wird.
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Die
Trägervorrichtung 24 mit den beiden daran angeordneten
Messköpfen 26, 27 bildet eine sogenannte
Zweipunktauflage. Diese Anordnung sowie die daran angeordneten Federelemente 31 und
gegebenenfalls des Kraftspeicherelements 35 können in
das Gehäuse 22 einsetzbar beziehungsweise austauschbar
darin angeordnet sein. Hierfür ist bevorzugt ein Anschlusselement 36 vorgesehen,
um mit den weiteren, nicht näher dargestellten Signalleitungen
kontaktiert zu werden.
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Eine
solche Messsonde 11 wird beispielsweise zur Ermittlung
einer Mehrfachbeschichtung eingesetzt. Beispielsweise können
Beschichtungen auf einer Druckwalze für Offset-Maschinen
mit einer solchen Sonde 11 geprüft werden. Die
Druckwalze bildet den Gegenstand 16, der beispielsweise
aus einem Eisengrundwerkstoff besteht. Auf diesem Eisengrundwerkstoff
ist eine erste Schicht 12, beispielsweise eine Kupferschicht, aufgebracht.
Auf diese Kupferschicht ist eine weitere Schicht 14, beispielsweise
eine Chromschicht, aufgebracht. Zur Durchführung dieser
Messung und Prüfung der erforderlichen Dicke der Schichten 12, 14 ist
vorgesehen, dass der erste Messkopf 26 beispielsweise ein
Sensorelement zur Durchführung einer Schichtdickenmessung
nach dem Wirbelstromverfahren aufweist und der zumindest eine weitere
Messkopf 27 ein Sensorelement zur Durchführung
der Schichtdickenmessung nach dem Gleichfeldverfahren ermöglicht. Dies
bedeutet, dass der erste Messkopf die Schichtdicke 14 misst,
indem über das hochfrequente Magnetwechselfeld Wirbelströme
in der Kupferschicht, die sättigungsdick ist, induziert
werden, deren sekundäres Magnetfeld das primäre
hochfrequente Magnetfeld schwächt, so dass über
die Schwächung der Abstand des auf der Messoberfläche 12 aufliegenden
Messkopfes 26 zur Schicht 12 ermittelt wird. Über
den weiteren Messkopf 27, der als Sensorelement eine Hallsonde
umfasst, welche den Abstand zwischen der Messoberfläche 12 und
dem Grundwerkstoff des Gegenstandes 16 erfasst, wird durch eine
Differenzbildung der ermittelten Dicke der Schicht 14 und
des Abstandes der Messoberfläche 17 zum Grundwerkstoff
die Schichtdicke 12 ermittelt. Aufgrund der verbleibenden
Positionierung der Messsonde 11 auf dem Messgegenstand 16 während
der Durchführung der Messung und des definierten Abstandes
der beiden Messköpfe 26, 27 zueinander
kann durch eine solche Differenzmessung eine exakte Differenzmessung
durchgeführt werden, um beispielsweise zwei Schichtdicken
auf einem Gegenstand zu erfassen und zu prüfen. Alternativ
kann vorgesehen sein, dass einer der beiden Messköpfe 26, 27 auch
ein Sensorelement umfasst, um eine Schichtdicke nach einem magnetinduktiven
Verfahren zu messen. In Abhängigkeit der Messaufgabe können
diese unterschiedlichen Messköpfe 26, 27 in der
Trägereinrichtung 24 angeordnet sein.
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Eine
solche Messung wird bevorzugt durch eine sequentielle Ansteuerung
der Messköpfe 26, 27 durchgeführt.
Dadurch kann auch eine Optimierung des jeweiligen Messverfahrens
neben der optimierten Ausbildung der jeweiligen Messköpfe 26, 27 durch
die getrennte Anordnung ermöglicht sein.
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In
den 4 und 5 ist eine weitere alternative
Ausführungsform der Messsonde 11 dargestellt.
Diese Messsonde 11 weicht in der Art der Ausgestaltung
der Aufhängung 30 von der Ausführungsform
gemäß den 1 bis 3 ab.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Aufhängung 30 für
die Sondeneinheit 25 vorgesehen, welche als kardanische
Vorrichtung 56 ausgebildet ist. Diese kardanische Vorrichtung 56 besteht
aus einem Trägerstab 57, der bevorzugt als dünner,
sich längs erstreckender Stab ausgebildet ist und in und
entgegen einer Aufsetzrichtung der Messköpfe 26, 27 beziehungsweise
entlang den Polachsen 28, 29 auslenkbar ist. Dabei kann
der Trägerstab 57 bevorzugt als Rundstab ausgebildet
sein. Ebenso kann auch ein eckiger Trägerstab 57 oder
ein profilierter Trägerstab 57 ausgebildet sein,
der in und entgegen der Aufsetzrichtung der Messköpfe 26, 27 auslenkbar,
jedoch bevorzugt nur in geringem Maße tordierbar beziehungsweise
gegenüber Torsion sehr steif ist. Bevorzugt ist am freien Ende
des Trägerstabes 57 zumindest ein Federelement 31 angeordnet,
welches insbesondere rechtwinklig zur Längsachse des Trägerstabes 57 ausgebildet
ist. An dem gegenüberliegenden Ende des Federelementes 31 ist
die Trägervorrichtung 24 befestigt. Das Federelement 31 ist
gemäß einer ersten Ausführungsform, wie
insbesondere aus 5 hervorgeht, als ein blattfederförmiges
Federelement 31 ausgebildet, auf welchem bevorzugt Leiterbahnen angeordnet
sind. Bis zum Federelement 31 werden die Signalleitungen
bevorzugt entlang des Trägerstabes 57 geführt.
Alternativ kann dieses Federelement 31 auch als flexible
Leiterplatte ausgebildet sein. Durch diese Ausführungsform
wird des Weiteren ermöglicht, dass die Signalleitungen
keine mechanische Verbindung zu den Messköpfen 26, 27 haben. Dies
gilt auch für die weiteren analogen Ausführungsbeispiele.
Dadurch wird eine Schwenkbeweglichkeit der Messköpfe 26, 27 gemäß Pfeil
A zum Trägerstab 57 ermöglicht. Dies
stellt sicher, dass selbst bei einem zunächst nicht lagerichtigen
Aufsetzen der Messsonde 11 auf die Messoberfläche 17 ein
selbständiges Ausrichten der Messköpfe 26, 27 erfolgt.
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Des
Weiteren kann alternativ zwischen dem Trägerstab 57 und
der Trägereinrichtung 24 ein Federelement 31 in
Analogie zu den 1 bis 3 oder eine
Anordnung gemäß den nachfolgend noch beschriebenen
Aus führungsbeispiel gemäß den 4 bis 8 vorgesehen
sein, indem beispielsweise mehrere in einer Ebene nebeneinander
angeordnete streifenförmige Federelemente 31 angeordnet
sind. Diese kardanische Vorrichtung 56 wird insbesondere
bei einer Messsonde 11 eingesetzt, welche zwei Messköpfe 26, 27 umfasst
und eine Zweipunktauflage bilden, die beispielsweise über
einen Messeinsatz wie bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 Einsatz
findet. Sowohl diese Ausführungsform gemäß den 4 und 5 als auch
die Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 können
auch bei ebenen oder leicht gekrümmten Flächen
eingesetzt werden.
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Ergänzend
kann bei der Ausführungsform gemäß den 4 und 5 auch
ein Kraftspeicherelement 35 vorgesehen sein. Bei der Ausführungsform
gemäß den 4 und 5 ist
lediglich die Sondeneinheit 25 ohne die weiteren Komponenten der
Messsonde 11 dargestellt. Diese können in der Ausführungsform
gemäß den 1 bis 3 entsprechen.
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In
den 6 bis 9 ist eine alternative Ausführungsform
der Messsonde 11 gemäß den 1 bis 3 dargestellt.
Diese Messsonde 11 weicht insbesondere dadurch ab, dass
die Trägereinrichtung 24 einen ersten Messkopf 26 und
einen weiteren Messkopf 27 sowie einen Hilfspol 38 aufweist, die
derart zueinander angeordnet sind, dass diese eine Dreipunktauflage
bilden. Darüber hinaus besteht die Aufhängung 30 abweichend
aus mehreren streifenförmigen einzelnen Federelementen 31,
welche in einer Ebene und mit Abstand zueinander angeordnet sind.
Diese einzelnen streifenförmigen Federelemente 31 sind
um eine gemeinsame Achse 33 verschwenkbar, da ein Ende
der Federelemente 31 bevorzugt im Schwerpunkt 32 der
Trägereinrichtung 24 und das gegenüberliegende
Ende der Federelemente 31 an dem Anschlusselement 36 angeordnet sind.
Solche Federelemente 31 sind bevorzugt elektrisch leitend
und beispielsweise aus Kupfer-Beryllium oder dergleichen ausgebildet.
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Diese
Federelemente 31 wie auch das im ersten Ausführungsbeispiel
weisen somit neben einer Führungsfunktion auch eine Federfunktion
auf.
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Die
Sondeneinheit 25 ist somit über die Aufhängung 30,
insbesondere Federelemente 31, federnd nachgiebig entlang
den Polachsen 28, 29 gelagert. Darüber
hinaus ist eine Rotationsbewegung bezüglich der Längsachse 33 möglich.
Dadurch kann beim Aufsetzen der Sondeneinheit 25 auf der
Messoberfläche 17 ein definiertes und verkippungsfreies Aufsetzen
zur zu prüfenden Oberfläche der Messköpfe 26, 27 ermöglicht
werden. Gleichzeitig erfolgt ein selbständiges Ausrichten
zur Auflage der Messköpfe 26, 27 und
des Hilfspols 38.
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Diese
streifenförmigen Federelemente 31 gemäß der
Ausführungsform in den 6 bis 9 arbeiten
analog zu einem Federelement 31 gemäß den 1 bis 3 reibungsfrei
und ermöglichen ein Taumeln der Trägereinrichtung 24 zum
Gehäuse 22 beziehungsweise der Positioniereinrichtung 23, so
dass beim Aufsetzen der Sondeneinheit 25 durch die Dreipunktauflage
eine definierte Lage der Messköpfe 26, 27 eingenommen
wird. Dies ermöglicht dieselben Vorteile bei der Durchführung
der Messung der Schichtdicken wie bei der vorbeschriebenen Zweipunktauflage
der Sondeneinrichtung 25 gemäß der Ausführungsform
in den 1 bis 3. Im Ausführungsbeispiel
gemäß den 6 bis 9 umfasst
die Sondeneinheit 25 einen ersten Messkopf 26,
der ein Sensorelement, beispielsweise eine Spule auf einem Topfkern,
aufweist, welches zur magnetinduktiven Schichtdickenmessung vorgesehen
ist. Des Weiteren umfasst der weitere Messkopf 27 beispielsweise
ein Sensorelement zur Messung der Dicke der Schichten 12, 14 nach
dem Gleichfeldverfahren, welches einen Permanentmagneten 46 umfasst, der
an einem Feldkonzentrator 47 nahe zu einem Hallsensor 48 vorgesehen
ist. Dieser Hallsensor 48 liegt unmittelbar hinter einer
Aufsetzkalotte 49.
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Zum
sicheren Abheben der Sondeneinheit 25 gemeinsam mit dem
Gehäuse 22 der Messsonde 11 ist an der
Trägerplatte 24 ein Anschlag 52 vorgesehen,
der an einer Schulter 53 bei einer Abhebebewegung des Gehäuses 22 anliegt.
Dadurch wird eine gegebenenfalls wirkende Magnetkraft zwischen dem oder
den Messköpfen und dem Gegenstand 16 überwunden
und eine Überbelastung der Aufhängung 30 vermieden.
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In
den 10a und b ist eine weitere alternative
Ausführungsform für eine Aufhängung 30 der Sondeneinheit 25 dargestellt,
welche insbesondere bei einer Messsonde 11 mit einer Zweipunktauflage eingesetzt
wird. Diese Zweipunktauflage wird durch zwei Messköpfe 26, 27 gebildet,
die an der Trägereinrichtung 24 angeordnet sind.
Die Trägereinrichtung 24 wird über zumindest
ein, vorzugsweise zwei, parallel ausgerichtete und im Abstand zueinander
angeordnete Federelemente 31 mit einem Kopplungselement 61 verbunden,
wobei bevorzugt die Federelemente 31 und das Kopplungselement 61 parallel
zur Polachse 28, 29 der Messköpfe 26, 27 ausgerichtet sind.
Rechtwinklig hierzu sind zumindest zwei im Abstand zueinander angeordnete
blattfederförmige Federelemente 31 vorgesehen,
die mit einer Gehäuseplatte 63, welche einen Teil
des Gehäuses 22 darstellt, verbunden sind, so
dass während einer Aufsetzbewegung das Kopplungselement 61 relativ
zur Gehäuseplatte 63 parallel verschoben beziehungsweise
auf und ab bewegt wird und die blattfederartigen Federelemente 31 für
eine parallelogrammartige Verschiebebewegung des Kopplungselementes 61 zur
Gehäuseplatte 63 sorgen. Die zwischen dem Kopplungselement 61 und
der Trägereinrichtung 24 angeordneten Federelemente 31 ermöglichen
wiederum eine Schwenkbeweglichkeit der Trägereinrichtung 24 gemäß Pfeil
A. Diese Anordnung und Ausrichtung ist insbesondere bei der Verwendung
von zwei Messköpfen 26, 27 ohne Hilfspol 33 an
einer Trägereinrichtung 24 von Vorteil.
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Wie
aus der Draufsicht aus 10b hervorgeht,
erfolgt die Parallelogrammführung des Kopplungselementes 61 zur
Gehäuseplatte 63 durch insgesamt vier blattfederförmige
Federelemente 31. Dadurch ist auch eine exakte Führung
der Trägereinrichtung 24 gegen Verkippen und somit
der daran angeordneten Messköpfe 26, 27 ermöglicht.
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In
den 11a und b ist eine alternative
Ausführungsform der Aufhängung 30 zu
den 10a und b dargestellt. Diese
alternative Aufhängung 30 der Sondeneinheit 25 ist
insbesondere bei einer Messsonde 11 mit einer Dreipunktauflage
vorgesehen, bei der die Trägereinrichtung 24 zwei
Messköpfe 26, 27 und einen Hilfspol 38 umfasst.
Die Anordnung und Aufnahme des Kopplungselementes 61 zur Gehäuseplatte 63 ist
gleich zur Ausführungsform gemäß den 10a und b. Abweichend hiervon ist jedoch die Verbindung
der Trägereinrichtung 24 zum Kopplungselement 61.
Anstelle eines senkrecht zur Trägereinrichtung 24 ausgerichteten
Federelementes 31 oder mehreren Federelementen 31 gemäß den 10a und b ist bei dieser Ausführungsform das
oder die Federelemente 31 parallel zur Trägereinrichtung 24 ausgerichtet
beziehungsweise rechtwinklig zum Kopplungselement 61. Das
Federelement 31 entspricht prinzipiell dem Federelement 31 gemäß 3,
wobei bei dieser Ausführungsform noch eine zusätzliche
Zunge 66 vorgesehen ist, um die Abschnitte 67 des
Federelementes 31 zu verlängern, so dass nicht
nur eine Auslenkung in Aufsetzrichtung, sondern gleichzeitig auch
eine Verdrehung um die Längsachse und somit eine taumelnde
Bewegung der Trägereinrichtung 24 zum lagerichtigen
Aufsetzen der Messköpfe 26, 27 und des
Hilfspols 38 gegeben ist. Die Zunge 66 erstreckt
sich in die Aussparung, welche in dem blattfederförmigen
Federelement 31 eingebracht ist. Diese in den 11a und b dargestellte Aufhängung 30 ist
auch für eine Trägereinrichtung 24 mit
einer Zweipunktauflage einsetzbar.
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Die
Energieversorgung kann bei den Ausführungsformen gemäß den 10a und b sowie den 11a und
b ebenfalls über die Federelemente 31 erfolgen,
wobei diese dann entsprechend mit Leiterbahnen oder geätzten
Leiterbahnen versehen sind.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Sondeneinheiten 25 können
prinzipiell alle Messköpfe zum taktilen Messen der Dicke
dünner Schichten eingesetzt werden, die entsprechend der
Ein- oder Mehrschicht/Grundwerkstoffkombination ausgewählt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005054593
A1 [0002]