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Die Erfindung betrifft autonome Feldgeräte für die Prozessautomatisierung und andere Anwendungen.
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Autonome Feldgeräte sind für sich bekannt. Sie weisen integrierte Mittel zur Energieversorgung auf und sind zur drahtlosen Kommunikation mit einer übergeordneten Einrichtung ausgebildet.
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Aus den
WO2004082099 ,
DE 20 2009 018 134 U1 sowie
DE 20 2009 018 135 U1 ist bekannt, mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) oder ähnliche Geräte, die aus einer Temperaturdifferenz zwischen einem Prozessmedium und der Umgebungstemperatur einen Wärmestrom in elektrische Energie umzuwandeln, Feldgeräte zu speisen.
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Während für viele Prozesse eine ausreichende Energieversorgung für das Feldgerät während des Betriebs bereitgestellt werden kann, so fehlt während Stillstandszeiten des Prozesses das Prozessmedium und somit der Wärmestrom zur Umwandlung in elektrische Energie. Mit Energiewandlern betriebene Instrumente können auch dann nicht aus dem Prozess mit Strom versorgt werden, wenn das Prozessmedium fehlt ist oder dessen Temperatur nahe der Umgebungstemperatur liegt.
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Auch wenn der Prozess neu gestartet wird, steht nicht sofort Prozessenergie zur Verfügung. Auf Grund beteiligter thermischer Massen neigen thermische Gradienten dazu, sich langsam zu entwickeln. Dies führt bei rein thermoelektrisch angetrieben Feldgeräten dazu, dass sie gegenüber dem Prozessstart verzögert in Betrieb gehen.
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Diese Nachteile sind unabhängig vom Typ des Energiewandlers und betreffen in gleichem Maße primäre Energiequellen wie Solarenergie, Vibration oder elektromagnetische Felder.
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Generell ist bekannt, Industrieprimärbatterien zu verwenden, um Ausfallzeiten zu überbrücken. Jedoch haben die heutigen Akkus eine sehr begrenzte Lebensdauer, wenn sie über den gesamten industriellen Temperaturbereich (–40–85°C) betrieben oder gelagert werden. Zwar können Feldgeräten während der Wartung abgeschaltet werden und sich auf Batterien stützen, um die relativ kurze Anlaufzeiten zu überbrücken, jedoch induziert diese Vorgehensweise das Risiko, dass ein Fehler beim Herunterfahren des Feldgeräts aufgrund einer leeren Batterie zu einem dysfunktionalen Instrument führen würde. Daher ist es bevorzugt, Pufferbatterien mit ausreichend gespeicherter Energie für lange Zeitperioden zu integrieren, idealerweise im Bereich von Monaten oder sogar Jahren.
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Für Feldgeräte mit einfachen Messprinzipien, wie die meisten Temperatur- oder Druck-Sensoren, erfordert die drahtlose Kommunikation den größten Teil des Stroms des Instruments. Die Gesamtstromaufnahme ist entsprechend gering, wodurch Pufferbatterien klein genug sind, um in die Gehäuse der gängigen Größen (D-Zellen oder kleiner) zu passen und ausreichend Energie liefern, um Monate oder Jahre ohne Fremdenergie zu überbrücken. Jedoch können auch andere Instrumente viel mehr Energie pro Messung erfordern, so dass die Messung und die erforderlichen Berechnungen die dominierenden Faktoren für den Stromverbrauch sind und die Batterielebensdauer wesentlich kürzer ist.
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In der
US 8,706,448 B2 ist beschrieben, wie ein Feldgerät seine Kommunikationsrate reduzieren kann, um den Stromverbrauch zu reduzieren, wenn es erkennt, dass Batteriestrom verwendet wird, weil nicht genügend elektrische Energie aus Fremdenergie zur Verfügung gestellt wird. Jedoch ist es in vielen standardisierten drahtlosen Kommunikationsprotokollen für die Prozessindustrie der drahtlose Gateway und nicht das Feldinstrument, das über die Kommunikationsrate entscheidet. In diesen Protokollen können die in der
US 8,706,448 B2 beschriebenen Verfahren nicht verwendet werden und erfordert einen Teil der Funktionalität, die außerhalb des Feldinstruments (bzw. in der Steuerung) implementiert werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein autonomes Feldgerät für die Prozessindustrie anzugeben, bei dem das Power-Management vollständig in das Gerät integriert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem autonomen Feldgerät mit einem Messwandler zur Umwandlung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe, welches zur drahtlosen Kommunikation mit einer übergeordneten Einrichtung ausgebildet ist und integrierte Mittel zur Energieversorgung aufweist.
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Erfindungsgemäß weist das Feldgerät mindestens eine Primärbatterie, mindestens einen Wandler zur Umwandlung von Fremdenergie in elektrische Energie, Mittel zur Bestimmung der verfügbaren elektrische Energie und Mittel zur Beeinflussung der Messfunktionalität in Abhängigkeit von der verfügbaren elektrische Energie auf.
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Im Einzelnen ist vorgesehen, bei verminderter verfügbarer elektrischer Energie bei gleichbleibender Aktualisierungsrate die Messrate oder die Messgenauigkeit des Feldgeräts zu reduzieren. Sowohl die Verminderung der Messrate als auch die Verminderung der Messgenauigkeit senkt den Energieverbrauch des Feldgeräts.
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Vorteilhafterweise kann dabei die Aktualisierungsrate der Kommunikation vom Gateway oder dem übergeordneten Steuersystem vorgegeben bleiben, während erhebliche Energieeinsparungen für jene Instrumente erreicht werden, welche Bewertungsmethoden oder Datenverarbeitungen mit hohem Energieverbrauch implementieren.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Aktualisierungsrate der Kommunikation von der Messrate oder der Messgenauigkeit des Feldgeräts entkoppelt ist, so dass das Feldgerät, das Gateway und das Steuersystem von verschiedenen Anbietern zur Verfügung gestellt werden kann.
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Im Einzelnen ist das Feldgerät ausgebildet, mindestens eine Prozessgröße, wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand, analytischen Messungen, zu bestimmen. Das Feldgerät weist ferner eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Steuersystem, einer Fernterminaleinheit, einem Datenspeicher oder einem anderen System mit dem Ziel auf, die ermittelte Messgröße der Prozessgröße zu speichern, zu verarbeiten, anzuzeigen oder auf der Messgröße zu wirken oder Informationen von der Messgröße abzuleiten.
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Das Feldgerät wird mittels eines Energiewandlers mit Energie aus einer lokalen Quelle oder lokalen Quellen gespeist, insbesondere durch Umwandlung thermischer, schwingungsmechanischer, elektromagnetischen Energie oder Solarenergie oder kinetischer Energie eines fließenden Mediums in elektrische Energie. Der Energiewandler ist im Feldgerät integriert oder an das Feldgerät angeschlossen. Darüber hinaus verfügt das Feldgerät über eine integrierte oder externe Primärbatterie als Stromquelle.
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Die Mittel zur Beeinflussung von Messparametern in Abhängigkeit von der verfügbaren elektrischen Energie sind ausgebildet zwischen zwei Betriebsmodi zu wechseln. Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Feldgeräts in einem ersten Betriebsmodus steht ausreichend elektrische Energie zur Verfügung. Das Feldgerät weist die volle Messfunktionalität auf. Bei vermindertem Angebot an elektrischer Energie wird in einen zweiten Betriebsmodus mit reduzierter Messfunktionalität gewechselt. Sobald wieder ausreichend elektrische Energie zur Verfügung steht, wird in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Messgenauigkeit reduziert. Im Einzelnen kann vorgesehen sein, die Genauigkeit der Analog-Digital-Wandlung zu reduzieren oder eine Signalverarbeitungsstufe zu vereinfachen oder die Messzeit oder die Anzahl der Messungen für die Mittelwertbildung oder andere statistische Verarbeitung zu verringern. In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, die Messung auf die Überwachung eines Schwellenwerts, beispielsweise das Vorhandensein einer messbaren Flusses für einen Durchflussmesser, zu reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, den Messbereich zu reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, die Messrate zu reduzieren. Dabei werden weniger Messungen pro Zeiteinheit durchgeführt. Bei gleichbleibender Übertragungsrate kann vorgesehen sein, fehlende Messwerte aus vorhandenen Messwerten zu interpolieren. Vorteilhafterweise können Teile des Feldgeräts zwischen den Messungen abgeschaltet oder in einen Energiesparmodus versetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, Hilfssensoren, elektronische Hilfskomponenten und/oder Schnittstellenschaltungen abzuschalten.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, Nebenrechnungen und/oder die Bereitstellung von Hilfsinformationen auszusetzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, Aktoren wie die Erregerspulen in Coriolis-Durchflussmessern oder die Heizung in thermischen Massendurchflussmessern, vorübergehend stillzulegen oder intermittierend zu betreiben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, Kompensationen zur Messwertkorrektur auszusetzen, wie beispielsweise Temperatur-, Druck- oder Schwingungskompensation in bestimmten Durchflussmessern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, erweiterte Funktionen, beispielsweise Zähler-Funktionalität in Durchflussmessern oder erweiterte Schaltfunktionen herunterzufahren, um einen Energiesparmodus in der oben beschriebenen Art und Weise zu erreichen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, das Display oder anderen Mensch-Maschine-Schnittstellen stillzulegen oder in der Funktionalität zu reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann für Feldgeräte in vermaschten drahtlosen Netzwerken vorgesehen sein, die Routerfunktionalität stillzulegen. Im Einzelnen kann dazu einem Netzwerk-Manager-System bekannt gemacht werden, dass die Routerfunktionalität heruntergefahren wird. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, im Netzwerkmanager eine Funktionalität zu implementieren, welche aus den empfangenen Daten des Feldgeräts oder durch Überwachung des Feldgeräts erkennt, dass sich das Feldgerät im Energiesparmodus befindet.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die genannten Ausführungsformen der Erfindung miteinander zu kombinieren. Dabei kann vorgesehen sein, in Abhängigkeit von gegebenen Zuständen und/oder Ereignissen verschiedene Energiesparmaßnahmen auszuwählen. Zu diesen Zuständen und/oder Ereignissen zählen insbesondere aber nicht abschließend die verfügbare Energiemenge der lokalen Energiequellen oder deren Schätzwerte, insbesondere der lokalen Batterie, Messwerte von Leistung, Spannung, Strom oder irgendwo in der Stromversorgung oder die Energieverwaltung des Gerätes, Messwerte der Prozessvariablen, Informationen vom Steuersystem, Informationen, die von Hilfssensoren, beispielsweise betreffend Umgebungs- oder Prozesstemperatur, zur Verfügung gestellt werden. Gleichwohl sind diese Zustände und/oder Ereignisse auch Kriterien für die Rückkehr des Feldgeräts in den normalen Betriebsmodus.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Energieversorgungseinrichtung des Feldgeräts wieder aufladbare Energiespeicher, wie Pufferkondensatoren, zugeordnet. Vorteilhafterweise wird damit übermäßig häufiges Umschalten zwischen den Betriebsmodi der Energieversorgungseinrichtung vermieden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, Informationen über den aktuellen Betriebsmodus des Feldgeräts an das Steuersystem zu übertragen. Vorzugsweise wird diese Information zusammen mit der primären Messgröße übertragen. Dadurch wird erreicht, dass Informationen über die Genauigkeit und Aktualität der Messungen im Steuerungssystem zur weiteren Verarbeitung vorliegen. Die Einzelheiten der Arbeitsweise oder Schaltzustände können variabel oder einstellbar sein, so dass sie an die bestimmte Anwendung oder Umgebung des Feldgeräts angepasst ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, mehr als zwei Betriebsarten zu verwenden, welche mit verschiedenen Kombinationen der oben beschriebenen Mittel und mit verschiedenen Kombinationen von Kriterien für Betriebsmodus arbeiten. Zum Beispiel könnte die zur Verfügung stehende Energie für eine bestimmte Messrate verwendet werden, welche den Energieverbrauch begrenzt oder nur geringfügig höher ist als die gewandelte Energie, um eine akzeptable Akkulaufzeit zu erreichen.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen Mitteln kann vorgesehen sein, die Energieverwaltung dem Leistungsverbrauch der ausgewählten Betriebsart anzupassen, um den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung zu erhöhen. Zum Beispiel kann der Betriebspunkt der Leistungsquelle nach der Leistungsaufnahme der Vorrichtung ausgewählt werden, beispielsweise durch Verfolgen des Punktes der maximalen Leistung von Solarzellen oder Thermoelektrik.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der einzigen Figur ist ein autonomes Feldgerät 1 prinzipiell dargestellt, welches einem Messwandler 17 zur Umwandlung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe, eine Kommunikationsschnittstelle 16 zur drahtlosen Kommunikation mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Einrichtung und integrierte Mittel 10 zur Energieversorgung aufweist.
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Die Mittel 10 zur Energieversorgung bestehen aus mindestens einer Primärbatterie 13, mindestens einen Wandler 12 zur Umwandlung von Fremdenergie in elektrische Energie, Mittel 11 zur Bestimmung der verfügbaren elektrische Energie und Mittel 15 zur Beeinflussung der Messfunktionalität in Abhängigkeit von der verfügbaren elektrischen Energie.
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Im Weiteren werden mögliche Implementierungen beschrieben, welche die vorteilhaften Eigenschaften der beschriebenen Lösungen verdeutlichen.
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In einem Verfahren mit heißem flüssigem Medium, ist eine drahtlose Temperaturmesseinrichtung durch thermoelektrische Generatoren 12 versorgt und überträgt drahtlos die Mediumtemperatur an eine übergeordnete Einrichtung. Wenn der Prozess für die Wartung heruntergefahren wird, dann kühlt das Rohr und entsprechend die heiße Seite der thermoelektrischen Generatoren auf Umgebungstemperatur ab. Folglich wird der thermoelektrische Generator 12 nicht genügend Strom erzeugen, um die Vorrichtung zu betreiben. Die fehlende Leistung wird einer Sicherungsbatterie 13 entnommen.
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Beim Detektieren, dass ein signifikanter Strom von der Batterie 13 gezogen wird, reduziert das Feldgerät 1 die Geschwindigkeit der Temperaturmessung, indem die Messelektronik 15 zwischen aufeinanderfolgenden Messungen in einen Schlafmodus versetzt. So wird der Stromverbrauch der Primärbatterie 13 reduziert, und die Lebensdauer erhöht.
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Nach dem Erkennen, dass die gemessene Prozesstemperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, schaltet das Instrument in den Normalbetrieb mit voller Messrate zurück, so dass qualitativ hochwertige Daten bereits frühzeitig während des Startvorgangs zur Verfügung stehen, auch wenn aufgrund der Wärmeträgheit die thermoelektrische Generatoreinheit 12 nachläuft. Eine vorgegebene Hysterese in der Steuerung der Energieversorgungseinrichtung 10 verhindert die Umschaltung zwischen den Betriebsarten im Feldgerät 1.
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Eine weitere Implementierung betrifft einen Dampfprozess, bei dem ein drahtloses Durchflussmessgerät 1, welches als Messblende, Vortex oder Swirl ausgeführt sein kann, die durch ein Rohr strömende Dampfmenge misst. Der Fließwert wird von einer Primärmessgröße, wie Differenzdruck oder Frequenz, im Inneren des Feldgerätes 1 berechnet. Ein zusätzlicher Temperaturfühler wird innerhalb des Durchflussmessgeräts zur Temperaturkompensation verwendet, um die Präzision der Messung zu verbessern. Die Stromversorgung erfolgt durch thermoelektrische Energiewandlung 12 und einer Backup-Primärbatterie 13 mit begrenzter Gesamtenergie. In dieser Implementierung wird angestrebt, den Stromverbrauch während der Ausfallzeit des Dampfprozesses zu reduzieren, um die Lebensdauer der primären Batterie 13 zu erhöhen.
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Das Abschalten des Dampfprozesses wird angenommen, wenn der gemessene Durchfluss unter einer unteren Messschwelle und Temperatur unter 100°C liegen. In diesem Fall wird der Primärsensor sowie der zugehörige Schaltkreis für die primäre Variable, wie Differenzdruck oder Frequenz, in einen niedrigen Präzisionsmodus gesetzt durch Reduzierung Richtigkeit und/oder Messrate und/oder durch Abschalten Temperaturkompensation der Messwerte und/oder Ausschalten Schwingungskompensation und/oder anderen Kompensationsalgorithmen. Sobald die gemessene Temperatur 100°C überschreitet oder die Durchflussmenge oberhalb eines festgelegten Schwellenwerts gemessen wird, kehrt das Gerät 1 in den normalen Messmodus zurück.
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Eine weitere Implementierung betrifft ein Tanklager, in dem der Füllstand eines Produkts in einem Tank mit einem drahtlösen Pegelmessgerät 1 gemessen wird. Der Tank ist nur in der Saison oder gelegentlich in Nutzung. Das Pegelmessgerät 1 wird von einer Energieversorgungseinheit 10 gespeist, die Solarzellen 12 und eine wieder aufladbare Batterie 13 umfasst. Da die Zykluslebensdauer der wieder aufladbaren Batterie 13 begrenzt ist, ist es wünschenswert, den Stromverbrauch während der Zeiten zu verringern, wenn der Behälter nicht verwendet wird. Sobald der Tank wieder gefüllt wird, soll eine präzise und schnelle Pegelmessung reaktiviert werden.
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Wenn der Füllstand des Produkts für eine bestimmte Zeitdauer unterhalb einer unteren Messschwelle liegt, dann wird das Pegelmessgerät 1 auf eine niedrige Messrate eingestellt ist und/oder Genauigkeit reduziert. Sobald der Pegel den Schwellenwert übersteigt, kehrt das Gerät in den Normalbetrieb zurück. Alternativ kann ein Signal von einem übergeordneten Steuersystem die Rückführung des Pegelmessgerät 1 von Niedrigenergiemodus in den normalen Betriebsmodus initiieren. Dieses Signal kann durch einen Strömungssensor in dem Zuflussrohr zum Tank ausgelöst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldgerät
- 10
- Mittel zur Energieversorgung
- 11
- Bestimmungsmittel
- 12
- Energiewandler
- 13
- Primärbatterie
- 14
- wieder aufladbarer Energiespeicher
- 15
- Beeinflussungsmittel
- 16
- Kommunikationsschnittstelle
- 17
- Messwandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004082099 [0003]
- DE 202009018134 U1 [0003]
- DE 202009018135 U1 [0003]
- US 8706448 B2 [0009, 0009]
