DE3619975A1 - Naeherungsschalter - Google Patents
NaeherungsschalterInfo
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Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektronischen Schalter
und betrifft eine Modifikation eines induktiven Näherungsschalters
von bekannter Grundausführung zu einem sein
eigenes Betriebsverhalten meldenden induktiven Näherungsschalter.
Berührungslose Schalter sind elektronische Sensoren, die
zwei definierte Zustände haben, denen ein logisches Signal
"tief" oder "hoch" zugeordnet ist. Das Schalten von einem
Zustand in den andern, wird zur Auslösung oder Anzeige eines
neuen Zustandes herangezogen, deshalb nennt man diese Art
Sensoren auch Initiatoren. Initiatoren werden bspw. in einer
Fertigungsstraße eingesetzt und dienen zur Überwachung von
Maschinenteilen und/oder zur Triage von Produkteteilen. Man
ist auf die sichere Funktion der Initiatoren der Anlage
angewiesen; ein unbemerkter funktioneller Ausfall eines
einzigen Initiators kann zu eminenten Störungen führen.
Maßnahmen in dieser Richtung, sind die Erhöhung der Betriebssicherheit
des Initiators in Richtung hoher MTBF,
und/oder die Überwachung des Initiators auf erlaubte/unerlaubte
Betriebszustände und Meldung oder Behebung des detektierten
Fehlbetriebs.
Die Aufgabe der Erfindung befaßt sich mit dem zweiten
Aspekt, dem der Überwachung und zielt auf die Schaffung
eines unter Vermeidung eines aktiven Eingriffes in den Betrieb
sein eigenes Betriebsverhalten meldenden und einen
allfälligen eigenen Fehlbetrieb anzeigenden berührungslosen
Näherungsschalter.
Die Aufgabe wird gelöst, in dem ein bekannter kurzschluß-
und verpolungsfester induktiver Näherungsschalter so modifiziert
wird, daß er an einem Indikatorausgang ein Signal
ausgibt, wenn ein nicht ordnungsgemäßer Betriebszustand
vorliegt; bspw. bei folgenden Zuständen: Kurzschluß oder
Unterbrechung am Ausgang des Initiators, falschen Pegel am
Ausgang des Oszillators, falsches Schalten der Triggerstufe
(bspw. Schmitt-Trigger), Unterbrechung der Speiseleitung,
Unterbrechung der Testleitung etc. . Die erfindungsgemäße
Modifikation ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 definiert.
Der gemäß Erfindung ausgestattete Näherungsschalter
kontrolliert sich vollständig, im bedämpften, wie auch im
unbedämpften Zustand. Während den Umschaltungen EIN/AUS bzw.
AUS/EIN, ist nur eine reduzierte Kontrolle möglich. Die
Zeitverhältnisse liegen in der Regel so, daß dieser
Übergang keine Einbuße an Zuverlässigkeit bedeutet. Der
Anwender hat beim Einsatz des hier diskutierten Initiators
mit eindeutigen Schaltzuständen einen vollständig sich
selbst kontrollierenden Schalter, der jegliche Fehlfunktion
unmittelbar an den Testausgang ausgibt und dies aktiv, ohne
daß er von der Steuerung dazu aufgefordert werden muß und
ohne eine externe elektronische Steuerleitung.
Anhand der nachfolgend aufgeführten Schaltungszeichnungen
werden zwei Ausführungsformen der Erfindung ausführlich
diskutiert. Es zeigen:
Fig. 1 einen vollständigen, gemäß Erfindung ausgestatteten,
sich selbst kontrollierenden Näherungsschalter;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Kontrollschaltung;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Kontrollschaltung
und
Fig. 4 ein Struktogramm im Zusammenhang mit der zweiten
Ausführungsform.
Ein normaler, kurzschluß- und verpolungsfester induktiver
Näherungsschalter besteht in der Regel aus einem Oszillatorteil,
einer Signalformschaltung, einer (Leistungs-) Endstufe
und einem Kurzschlußschutz. Diese Funktionsgruppen sind in
Fig. 1 in einem Funktionsblock 1, dem eigentlichen Initiator,
zusammengefaßt, der den Oszillatorteil 10, einen das
Oszillatorsignal aufbereitenden Schmitt-Trigger 11 und eine
von diesem Schmitt-Trigger gesteuerte Leistungsendstufe 13.
Die Endstufe liegt an einer Kurzschluß-Schutzschaltung 12,
welche bei Eintreten eines Kurzschlusses den Schmitt-Trigger
als Signalgenerator blockiert. Dies ist in vereinfachter
Darstellung gezeigt, eine beispielsweie Ausführungsform
eines bekannten berührungslosen Näherungsschalter. Solch ein
Schalter 1 wird erfindungsgemäß modifiziert mit einer in
den Schalter integrierten Überwachungsschaltung 20, die in
einem weiteren Funktionsblock 2, der Kontrollverschaltung
dargestellt ist. Es wird dabei davon ausgegangen, daß zur
Auswertung eines "Kontrollsignals" irgendwo in der Schaltung
eine End- oder Treiberstufe benötigt wird. Der guten Übersicht
halber wurde solch eine Endstufe 21, obwohl nicht
erfindungswesentlich, in den Funktionsblock 2 für die Schalterkontrolle
eingezeichnet. Der sich selbst kontrollierende
Näherungsschalter hat durch die Integration der Kontrollschaltung
einen zweiten Alarm-Ausgang A 2, nebst dem üblichen
Schalter-Ausgang A 1.
Die Kontrollschaltung 20 hat eine Anzahl Kontroll-Leitungen
E 1, E 2, E 3, E 4 etc. und einen Ausgang A, an welchem bei einem
Fehlbetrieb des Näherungsschalters oder der hier nicht dargestellten
geschalteten Einheit am Ausgang A 1 ein Alarmsignal
erscheint. Dieses zeigt einen pathologischen Betriebszustand
des Näherungsschalters selbst an, sowie den
Schaltzustand des Näherungsschalters, der bspw. auf eine
Störung im durch die Initiatoren überwachten System, zum
Beispiel in einer Fertigungsstraße, hinweist. Somit überwacht
dieser Näherungsschalter nicht nur seinen eigenen
inneren Betrieb, sondern auch seine eigene Tätigkeit.
Dazu werden in dem hier diskutierten Beispiel der Überwachungsschaltung
20 an einem Eingang E 1 die Ausgangssignale
der Oszillatoreinheit 10 zugeführt. An einem weiteren Eingang
E 2 liegt das Ausgangssignal der Kurzschlußschaltung 12
an, das den Zustand Kurzschluß JA/NEIN anzeigt. Ein weiterer
Eingang E 3 bringt die Ausgangssignale des Schmitt-Triggers
11 auf die Kontrollschaltung 20, zur Kontrolle der
Steuerung für die Endstufe 13 und ein mit dem Ausgang der
Endstufe 13 verbundener weiterer Eingang E 4 orientiert die
Kontrollschaltung über den Schaltzustand des Näherungsschalters.
Wie diese Kontroll-Leitungen E 1 bis E 4 und deren
Signale in der Kontrollschaltung 20 verknüpft sind, wird in
den nachfolgenden beiden Ausführungsbeispielen im Detail
erläutert. Zuvor aber noch einige Bemerkungen zu den diversen
Signalerfassungen.
Das bistabile Ausgangssignal eines berührungslosen Näherungsschalters
ist das Produkt eines verhältnismäßig komplizierten
Sensor- und Signalaufbereitungsvorgangs in weitgehender
Analogschaltungstechnik. Die beiden, von ihrer
Komplexität her, schlichten Ausgangs-Zustände EIN/AUS sind
nicht in der Lage, eine Fehlfunktion zu indizieren; EIN kann
richtig oder falsch sein, AUS kann richtig oder falsch sein.
Eine einwandfreie Aussage darf also von vornherein nicht am
Ausgangssignal des Schalters erwartet werden. Trotzdem verläßt
man sich auf die Zustände "Näherungs-Schalter
EIN/AUS", um prozeßstrategisch Maschinen oder ganze Anlagen
zu schalten, wenn am Initiator einer der beiden Zustände
eintritt. Untersucht man den Schalter funktionstechnisch, so
entdeckt man auch zwischen einzelnen Funktionsteilen sogenannte
undefinierte Zustände, die einen definierten Ausgangszustand
EIN oder AUS bewirken, bspw. die Fehlfunktion
des Schmitt-Triggers bei intakten Restfunktionen etc.. Diese
Fehlfunktion ist am Ausgang des Schmitt-Triggers nicht ablesbar,
sie ist auch am Ausgang des "hängenden" Initiators
nicht ablesbar, sie wird erst dann erkannt, wenn eine
Störung des Gesamtbetriebs auftritt. Stets fehlt eine Information,
die im Zusammenhang mit einer vorliegenden Fehlfunktion
ein Fehlverhalten erkennen läßt.
Zur Selbstkontrolle des Schalters müssen die einzelnen Funktionsteile
des Schalters, welche üblicherweise nur in einer
Betriebsverschaltung miteinander verknüpft sind, zusätzlich
noch zu einer Kontrollverschaltung verknüpft werden, die die
Aufgabe hat, die Wahrheit darzustellen. Diese Verknüpfung
wird mittels der Kontrollschaltung 20 realisiert, ihr Ausgang
A bzw. A 2 zeigt die Wahrheit des Betriebsausgangs A 1
an.
Die Kontrollverschaltung im Beispiel gemäß Fig. 1 umfaßt
die Informationsmenge: E 1, E 2, E 3, E 4, ... En, und deren
Kombinationen wie E 1/E 2; E 1/E 3; E 1/E 4; E 2/E 3; E 2/E 4;
E 1/E 2/E 3; E 1/E 2/E 4; E 2/E 3/E 4; E 1/E 2/E 3/E 4 etc. kommutativ.
Zur Darstellung des sicheren Zustandes muß nicht jedes
Element der Informationsmenge benützt werden. Bei verschiedenartigen
Betriebsverschaltungen eines Schalters ändert
sich auch der extrahierbare Informationsgehalt, wobei dieser
gemäß Erfindung jeweils ausreichend für eine vorgesehene
Kontrollverschaltung ist. Die nachfolgenden beiden Ausführungsbeispiele
zeigen nebst zwei möglichen Verknüpfungen
noch zwei unterschiedliche Hardware-Realisierungen, eine
festverdrahtete und eine in eine programmierbare Schaltung
implantierbare.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform für eine Kontrollverschaltung
der im Zusammenhang mit Fig. 1 besprochenen
Signale auf den Kontroll-Leitungen E 1 bis E 4 bzw. bis En im
Falle weiterer Überwachungselemente wie bspw. Thermo- 32
und/oder Drucksensoren 33 im Initiator (1), siehe Fig. 1.
Als weiteres alternatives oder mit den schon genannten
Überwachungselementen zu verwendendes Überwachungselement,
kann auch ein Feuchtigkeitssensor 34 zum Einsatz kommen. Der
Oszillatorausgang wird auf einen Fensterkomparator 22 mit
zwei Fenstern für erlaubte L/H-Bereiche geführt, für die
Pegelüberwachung des Oszillatorsignals. Die Pegelinformation
sagt jedoch noch nichts über die Dynamik des Oszillators
aus, dessen wechselnde Zustände auch noch erfaßt werden
müssen. Dies geschieht in einer aus einem Monoflop 25 mit
Timer und einem XOR 26 bestehenden Schaltung. Am Ausgang 22 A
des Fensterkomparators 22 sollten abwechselnd Signale für
die beiden Pegel erscheinen. Ob dies in abwechselnder Folge
auch geschieht, oder ob der Pegel tief oder hoch stehen
bleibt, kontrolliert ein kleines, durch den Monoflop 25
gebildetes Gedächtnis, an dessen Ausgang 25 A jeweils der
eben gewesene Zustand noch ansteht. Ist die "Vergangenheit"
gleich wie die Gegenwart am Ausgang 22 A, muß angenommen
werden, daß der Oszillator in einem Pegel hängen geblieben
ist. Dies festzustellen ist Aufgabe einer nachgeschalteten
XOR-Schaltung, die den Vergleich jeweils anstellt und an
ihrem Ausgang 26 A ein Signal 1* für "Oszillator schwingt"
bereitstellt. In der Betriebsverschaltung wird das Oszillatorsignal
auf den Schmitt-Trigger 11 geführt, der die
Oszillatorsignale in definierte Rechtecksignale ausformt.
Hier könnten nun die Signale auf den Kontroll-Leitungen
E 1/E 4 ausgewertet werden. Da jedoch das Schmitt-Trigger-
Signal durch die Endstufe 13 direkt oder invers abgebildet
wird, kann, wie oben erwähnt, ein anderes Informationselement
herangezogen werden, nämlich E 2 für das Schmitt-Trigger-
Signal und E 3 für das verstärkte Schmitt-Trigger-Signal.
In diesem Beispiel erfolgt bei der Verstärkung eine Signalinversion;
findet diese nicht statt, so arbeitet die Endstufe
nicht. Zur Kontrollverschaltung von den Kontroll-
Leitungen E 2 und E 3, dient eine XOR-Schaltung 23, dessen
Ausgang 23 A das Signal 2*XOR3* für "Schmitt-Trigger-Signal
wird verstärkt" bereitstellt. Diese Information sagt über
die Dynamik ebenfalls nichts aus. Beispielsweise wird bei
einem Kurzschluß über die am Initiator hängende Last der
Schmitt-Trigger durch die Kurzschluß-Schutzschaltung 12 (in
Fig. 1) angehalten und der erwartete inverse Zustand wird
statisch, aber damit nicht etwa unrichtig. Eine ähnliche
Gedächtnisschaltung wie im Zusammenhang mit der Oszillatorkontrolle
besprochen, wertet ein vom Ausgang der Kurzschluß-
Schutzschaltung 12 auf den Eingang E 4 der Kontrollschaltung
20 gelangendes Signal aus. E 4 führt auf ein Monoflop
24, dessen zweiter Zustand über eine festgelegte Zeit
stabil gehalten wird. Dieser dynamische Zustand erscheint am
Ausgang 24 A des Monoflops 24 als Signal 4*, das im Kurzschlußfall
lediglich den einen stabilen Zustand des Multivibrators
aufzeigt.
Die Signale der Ausgänge 22 A, 24 A, 26 A ergeben in einer konjunktiven
Verknüpfung ein Signal für "Schalterfunktion i. O."
bzw. "Störung". Dies bezieht sich im Fall der Kurzschlußüberwachung
nicht nur auf den Schalter allein, sondern auch
auf seinen Ausgangszustand, der ja auch eine Störung
bspw. in der Fertigungsstraße anzeigen kann. Die Signale 1*
für "Oszillator läuft", 2*XOR3* für "Schmitt-Trigger-Signal
wird verstärkt" und 4* für "kein Kurzschluß", werden in
einer NAND-Schaltung 27 zusammengefaßt, für das Ausgangssignal
A, das nur in Anwesenheit aller drei Qualifikationsmerkmale
ordnungsgemäßen Betrieb anzeigt. Der andere Zustand
zeigt eine Störung an, allerdings ohne diese zu
identifizieren. Dies ist jedoch möglich, indem nebst dem
konjunktiven Signal die Einzelzustände angezeigt werden.
Nach dieser recht eingehenden Erklärung eines diskret aufgebauten
Ausführungsbeispiels, dahingehend, daß auch der
übergeordnete Gedanke gut erkennbar ist, wird anhand von
Fig. 3 eine "intelligente" Ausführungsform diskutiert, die
sich Prozessor und Speichermitteln bedient.
Ausgehend von eben derselben Betriebsverschaltung des Initiators
nach Fig. 1, zeigt die Kontrollverschaltung 20
gemäß Fig. 3 die Kontroll-Leitungen E 1 bis E 4, die auf
eine Auswerteschaltung, hier eine Digitalschaltung 30 führen.
Diese als einziger Funktionsblock dargestellte Schaltung
verfügt über Prozessor- und Speichermittel, sowie über
zuladbare oder residente Software. Während im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 die logischen Verknüpfungen mit diskreten
Schaltmitteln realisiert wurden, fällt dies bei der
aktiven Mikroprozessor-Realisierung dahin. Alle statischen
und dynamischen Zustände werden durch den Prozessor verarbeitet.
Damit ist hier die Kontrollverschaltung, abgesehen
von der unabdingbaren Hardware, softwareabhängig und damit
bei unwesentlich größerem Schaltungsaufwand wesentlich
differenzierter. Der Ausgang eines Bustreibers 35 führt auf
einen Alarmbus, dieser erhält bspw. von der Auswerteschaltung,
der Digitalschaltung 30 seriell Datenwörter, bspw. 8-
bit Datenwörter, die dem Störungsurheber direkt zugeordnet
werden können.
Das Struktogramm von Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform für
die Mikroprozessor-Lösung, gemäß der ein mit einem Mikroprozessor
ausgerüsteten Näherungsschalter erfindungsgemäß
betrieben werden kann. Zu Beginn, also nach dem Einschalten
der Betriebsverschaltung, wird eine Initialisierungsroutine
ausgeführt, sie ist mit INIT bezeichnet. Sie umfaßt bspw.
die Vorgänge Speicherlöschen, Register setzen, Alarmausgang
Rücksetzen, Fehlerwort 0 ausgeben etc., also einen Grundzustand
herstellen. Ein Unterprogramm kann noch einen Selbsttest
durchführen, um den Grundzustand zu definieren. Aus der
INIT-Routine läuft die Funktion in eine Endlosschlaufe, die
mit LOOP bezeichnet ist. Diese Endlosschlaufe stellt einen
mit der ersten Ausführungsform vergleichbaren Zustand her,
bei der die analogen Anschlüsse parallel mit einer zeitlich
"ständig vorhandenen" Kontrollverschaltung verbunden sind.
LOOP steht also für die in der ersten Ausführungsform realisierte
Simultanabfrage. Modul 40 bewirkt ein Einlesen der
Kontroll-Leitungen E 1 bis En und den Umgang mit der Informationsmenge
E 1, E 2, E 3, E 4, ... En, und deren Kombinationen
wie E 1/E 2; E 1/E 3; E 1/E 4; E 2/E 3; E 2/E 4 E 3/E 4; E 1/E 2/E 3;
E 1/E 2/E 4; E 2/E 3/E 4; E 1/E 2/E 3/E 4 etc. kommutativ. Siehe auch
erstes, mit diskreten Mitteln realisiertes Ausführungsbeispiel.
Die ausgewählten bzw. die durch den Programmablauf
vorbestimmten Verknüpfungen der Analogeingänge und die Bedingungen,
welche die jeweilige Verknüpfung erfüllen soll,
werden im folgenden Modul 50 geprüft. Ein Pegelvergleich
oder Zustandsvergleich siebt die Fehlzustände aus, wobei die
Einzel-Informationen der Ausgangsgrößen bei der Zusammenlegung
zu einer neuen Bedingung, im Gegensatz zur Analoglösung
der ersten Ausführungsform nun nicht verschwunden, sondern
aus dem Speicher noch greifbar sind. Dies ermöglicht die
Identifikation des Störungsurhebers, so daß nicht nur dessen
Zustand, sondern auch dessen "Adresse" am Busausgang 35
angegeben werden kann. Das Modul 60 bewirkt schließlich die
Ausgabe eines Fehlerworts, z. B.
(F 7, F 6, F 5, F 4, F 3, F 2, F 1, F 0)=(10010001) d. h., daß der Fehlerzustand durch die Fehler F 7, F 4, F 0 generiert ist. F 7 bis F 0 wird durch Konvention festgelegt und hängt mit den oben genannten Verknüpfungen E 1---En und deren Bedingungen zusammen.
(F 7, F 6, F 5, F 4, F 3, F 2, F 1, F 0)=(10010001) d. h., daß der Fehlerzustand durch die Fehler F 7, F 4, F 0 generiert ist. F 7 bis F 0 wird durch Konvention festgelegt und hängt mit den oben genannten Verknüpfungen E 1---En und deren Bedingungen zusammen.
Eine zusätzliche Ermittlung im Modul 40 ist möglich, wenn
bspw. der Analogeingang Ei an einer Schwelle 1 für einen
Zustand und an einer Schwelle 2 für den andern Zustand
verglichen wird. Dann läßt sich nämlich auch der Zustand
Schwelle 1≦ωτEi≦ωτSchwelle 2 feststellen und als Übergangszustand
U definieren, das ist der Zustand, in dem der Näherungsschalter
schaltet. Ist der Übergangszustand neu aufgetreten
liegt kein Fehler vor, wenn nicht, muß der vorherige korrekte
Zustand noch miteinbezogen werden, um die Entscheidung
Fehler JA/NEIN durchzuführen. Im Zusammenhang mit der ersten
Ausführungsform wurde der Übergangszustand des Näherungsschalters
auch diskutiert.
Claims (9)
1. Berührungsloser Näherungs-Schalter mit folgenden, in
einer Berührungschaltung zusammengefaßten Funktionseinheiten:
einem Näherungssensor (10) (induktiv/kapazitiv),
einem die Sensorsignale aufbereitenden Schaltungsteil
(11) (Pulsformer), mit einer Endstufe (13) zur
Bildung eines Nutzsignals und mit oder ohne Kurzschluß-
Schutzschaltung (12), dadurch gekennzeichnet, daß die
in einer Betriebsverschaltung zusammenwirkenden Schaltungsteile
(10, 11, 13 und evtl. 12) in einer im Schalter
integrierten Kontrollschaltung (20) zu einer zusätzlichen
Kontrollschaltung verbunden sind.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontroll-Leitungen (E 1, E 2, E 3, E 4) zur Kontrollschaltung
(20) mit den Ausgängen jeder Funktionseinheit eines
Näherungsschalters mit einer Oszillatorschaltung (10),
einer Pulsformerschaltung (11), einer Endstufe (13) und
einer Kurzschluß-Schutzschaltung (12) verbunden sind.
3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontrollschaltung aus einem Fensterkomparator (22)
mit nachgeschaltetem ersten Multivibrator (25) und einer
mit den Ausgängen des Fensterkomparators (22) und des
ersten Multivibrators (25) verbundenen ersten XOR-Schaltung
(26) zur Bereitstellung einer Oszillatorinformation
(1*); und aus einer zweiten XOR-Schaltung (23) zur Bereitstellung
einer Information (2*/3*) von Pulsformer
(2*) und Endstufe (3*); und aus einem zweiten Multivibrator
(24) zur Bereitstellung Kurzschluß-Schutzschalterinformation
(4*) und aus einem konjunktiven Schaltungsteil
(27) zur Verknüpfung der Information
(1*, 2*/3*, 4*) besteht.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontroll-Leitungen (E 1, E 2, E 3, E 4) der Kontrollschaltung (20) mit den Ausgängen jeder Funktionseinheiteines
Näherungsschalters mit einer Oszillatorschaltung (10),
einer Pulsformerschaltung (11), einer Endstufe (13) und
einer Kurzschluß-Schutzschaltung (12) verbunden sind.
5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontrollschaltung (20) Prozessor- und Speichermittel
aufweist und an ihrem Ausgang (A) Datenwörter zur Identifizierung
eines Störungsurhebers aufweist.
6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zu den Funktionseinheiten der Betriebsverschaltung im
Initiator (1) zusätzliche Überwachungselemente
(31, 32, 33) Verwendung finden.
7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlichen Kontroll-Leitungen (En-1, En) und eine Kontrollschaltung
(20) zur zusätzlichen Kontrollverschaltung
der Überwachungselemente (31, 32, 33) vorgesehen
sind.
8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Kontrollverschaltung (En-1, En, 20) ein Drucksensor
(33) und/oder ein Temperatursensor (32) verwendet werden.
9. Schalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Kontrollverschaltung (En-1, En, 20)
ein Feuchtigkeitssensor (31) verwendet wird.
Applications Claiming Priority (1)
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CH (1) | CH668872A5 (de) |
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