DE4330447C2 - Temperatur-Sensor mit einem Meßwiderstand in einem Metallmantel - Google Patents
Temperatur-Sensor mit einem Meßwiderstand in einem MetallmantelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Temperatur-Sensor, der mineralisoliert in einem Metallmantel ange
ordnet ist, wobei der Temperatursensor als elektrischer Meßwiderstand ausgebildet ist, der an
zwei sich gegenüberliegenden Enden jeweils mit dem Innenleiter einer mineralisolierten Leitung
elektrisch und mechanisch fest verbunden ist.
Aus der DE 41 03 642 A1 ist ein Temperatursensor bekannt, der mineralisoliert in einem Metall
mantel angeordnet und mit wenigstens einer mineralisolierten Leitung verbunden ist; dabei ist
der Temperatursensor als elektrischer Meßwiderstand ausgebildet, der an zwei sich gegen
überliegenden Enden jeweils mit dem Innenleiter einer mineralisolierten Leitung elektrisch und
mechanisch fest verbunden ist.
Als problematisch erweist es sich, daß beim Aufbau eines Temperatursensors eine verhältnis
mäßig aufwendige Neubefüllung des vom Metallmantel umschlossenen Innenraums mit mine
ralisolierendem Werkstoff erforderlich ist.
Aus der DE 40 17 968 C2 ist ein Temperatur-Sensor bekannt, der sich in einem Mantel mit vor
gegebenen Ausdehnungskoeffizienten einer mineralisolierten Zuleitung befindet, die im Bereich
einer Übergangsstelle mit einer elektrischen Anschlußleitung elektrisch und mechanisch fest
verbunden ist. Als Abdichtung des der Anschlußleitung zugekehrten Endes der mineralisolierten
Zuleitung dient ein Pfropfen aus einem erschmolzenen stabilen Bleiboratglas mit einem Aus
dehnungskoeffizienten von 12 × 10-6/K. Die Übergangsstelle ist dabei zwecks Zugentlastung
zwischen mineralisolierter Leitung und Anschlußleitung mit einer Kunststoffumhüllung
versehen.
Problematisch erweist sich im Zuge zunehmender Verkleinerung von Bauelementen die ver
hältnismäßig große Ausdehnung solcher Abdichtungs- und Übergangsmaßnahmen, wie sie bei
spielsweise durch Bleiboratglas-Stopfen vorgesehen sind; darüberhinaus muß im Bereich von
wärmeabgebenden Bauelementen bei höheren Temperaturen auch die angeschlossene Zulei
tung thermisch isoliert werden.
Weiterhin beschreibt die DE 33 28 674 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Ver
bindung zwischen einem mit Mantel versehenen Heizleiter und einem ummantelten Kaltleiter
bekannt; dabei werden die Enden freigelegter Leitungsdrähte von Heizleiter und Kaltleiter in die
Bohrung eines Isolierkörpers eingebracht und durch einen Schmelzvorgang miteinander
verbunden.
Aus der US 27 28 833 ist ein in einem Rohr untergebrachtes Temperatursensorelement be
kannt, das mittels eines feuerfesten körnigen Materials gegenüber dem Rohr isoliert ist, wobei
sich die Zuführungsdrähte in beide Richtungen der Rohre erstrecken, um mit dem jeweiligen
Ende der Wendel einen elektrischen Kontaktanschluß zu bilden. Das Rohr besteht vorzugswei
se aus rostfreiem Stahl und weist eine verhältnismäßig starre äußere Form auf.
Weiterhin beschreibt die DE 41 17 928 C1 einen Temperatur-Sensor mit einem Widerstands
draht als Meßwiderstand, wobei der Widerstandsdraht als wesentlichen Werkstoffbestandteil
ein Metall der Platingruppe enthält, der in einem einseitig geschlossenen Schutzrohr in Form ei
ner an einem keramischen Träger gehaltenen Schlaufe angeordnet ist, deren freie die Stroman
schlüsse bildende Enden aus einem offenen Ende des Schutzrohres herausgeführt sind; der
Widerstandsdraht ist aus einem Kern und einem diesen umhüllenden Mantel gebildet, wobei
der Kern aus einem dispersionsgehärteten Werkstoff besteht und der Mantel aus einem Metall
der Platingruppe oder eine Legierung deren Basis ein Metall der Platingruppe ist, besteht. Da
es sich hier um einen verhältnismäßig komplexen Aufbau handelt, ist dieser nicht in beliebig
verkleinerter Form in der Praxis verfügbar.
Weiterhin beschreibt die DE 40 26 061 C1 ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen
Meßwiderstandes mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten, insbesondere für ein Wi
derstandsthermometer; hierzu wird ein Träger aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem Pla
tin-Dünnfilm versehen, auf dem anschließend im Siebdruckverfahren eine Schicht aus einem Pla
tinresinat und Rhodiumsulforesinat enthaltenden Präparat aufgebracht wird, deren Rhodiumge
halt für den angestrebten Temperaturkoeffizienten maßgeblich ist. Nach Trocknen und Einbren
nen dieser Siebdruckschicht wird der so beschichtete Träger einer Wärmebehandlung bei einer
Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400°C so lange unterzogen, bis das Rhodium in der bis
herigen Platin- bzw. sich bildenden Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt ist. Als problema
tisch erweist sich der Einsatz solchermaßen hergestellter Widerstände in aggressiven Umge
bungen, da hier ein unmittelbarer Zugriff auf die Widerstandsschicht und auf die Kontaktfelder
des Widerstandsstreifens gegeben ist. Insbesondere erweist sich der Einsatz einer solchen
Meßwiderstandsanordnung in hochtemperaturbetriebenen Anordnungen wie beispielsweise in
einer Auspuffanlage als äußerst schwierig.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Temperatur-Sensor zur Messung von Oberflächen
temperaturen, insbesondere der Oberflächentemperatur eines Metallkatalysators in einer Kraft
fahrzeug-Auspuffanlage anzugeben; gegebenenfalls sollen auch räumlich ausgedehnte Tempe
raturfelder mittels Temperatur-Sensoren erfaßt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An
spruchs 1 gelöst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatur-Sensor im Bereich
einer im Metallmantel befindlichen Einsatz-Öffnung eingesetzt, wobei der sich
in seiner Hauptausdehnungsrichtung entlang der Mantelachse erstreckende Tempe
ratur-Sensor mit jeweils einem Ende mit einer Anschlußstelle zu den Enden des
Innenleiters des mineralisolierten Koaxialkabels verbunden ist. Dabei ist es
einerseits möglich, als Temperatur-Sensor eine aus dispersionsgehärtetem Werk
stoff, beispielsweise Platin bestehenden Wendel einzusetzen, welche aufgrund
der Dispersionshärtung ihre Form auch bei hoher Temperaturbelastung aufrecht
erhält; andererseits ist es möglich, einen Temperatur-Sensor auf der Basis
eines Meßwiderstands auf einem Keramiksubstrat mit aufgebrachter Widerstands
schicht einzusetzen, dessen langgestreckte Gestalt die Unterbringung innerhalb
des Mantels des Koaxialkabels ermöglichen. In beiden Fällen wird nach Ein
bringung des Temperatur-Sensors die im Koaxialkabel befindliche Einsatz-Öff
nung mittels Vergußmasse abgedeckt, so daß kein weiterer Austritt des mineral
isolierenden Pulvers erfolgen kann; auf die bereits verschlossene Öffnung wird
dann eine temperaturbeständige Hülse aufgebracht und mittels umlaufender
Sicken mit dem äußeren Metallmantel des Koaxialkabels formschlüssig verbunden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere
hintereinander in Serie geschaltete Temperatur-Sensoren eines Koaxialkabels
zur Temperaturüberwachung eines räumlich ausgedehnten Temperaturfeldes einge
setzt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist in der verhältnismäßig geringen
Ausdehnung der Temperatur-Sensoren und ihrer Zuleitung zu sehen, wobei der
kleinste erzieltbare Außendurchmesser 0,5 mm beträgt; weiterhin ist eine hohe
Temperaturbeständigkeit der Kabelanordnung mit den Temperatur-Sensoren bis zu
1200° vorgesehen, so daß beispielsweise das Temperaturfeld eines Metallkataly
sators einer Kraftfahrzeug- bzw. Verbrennungsmotor-Auspuffanlage räumlich
überwacht werden kann, wobei die biegsame Ausgestaltung des Koaxialkabels eine
flächenhafte Aufbringung der Temperatur-Sensoren ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2
bis 11 angegeben.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1, 2 und 3
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen als Wendel ausgebildeten Temperatur-Sensor,
Fig. 2 zeigt einen als Widerstandsschicht ausgebildeten Temperatur-Sensor in
einer mineralisolierten Koaxialleitung.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Serienschaltung mehrerer Temperatur-Sensoren.
Gemäß Fig. 1 ist der als Wendel 2 ausgebildete Meßwiderstand 1 durch eine
Einsatz-Öffnung 3 des Mantels 4 eines Koaxialkabels 5 eingesetzt, wobei die
Wendel 2 mit ihren Enden 6, 7 an die Enden 9, 10 des Innenleiters 8 mittels
Schmelzvorgang (Löt- oder Schweißvorgang) angeschlossen sind. Die Füllung aus
mineralisoliertem Pulver ist hier schematisch durch Punkte 11 dargestellt. Zur
Abdichtung der Einsatz-Öffnung 3 und sicheren Positionierung der Wendel 2 ist
eine in die Öffnung eingebrachte hochtemperaturbeständige Vergußmasse vorge
sehen, so daß die mineralisolierende Füllung 11 innerhalb des Koaxialkabels 5
erhalten bleibt und nicht austreten kann. Die Vergußmasse ist durch ge
strichelte Linien schematisch dargestellt und mit den Bezugszeichen 12 ver
sehen. Die Achse 13 der Wendel 2 verläuft in Richtung der Achse 14 des Innen
leiters 8 des Koaxialkabels. Zwecks Zugentlastung und dauerhafter Abdichtung
ist entlang der Achse 14 auf den Mantel 4 des Koaxialkabels eine Sicherungs
hülse 15 aufgeschoben, welche an ihren beiden Enden mittels umlaufender
Sicken 16 und 17 mit dem Mantel 4 formschlüssig verbunden ist. Zwecks besserer
Übersicht ist Sicherungshülse 15 vor ihrer endgültigen Positionierung darge
stellt.
Als Werkstoff für den als Wendel ausgebildeten Temperatur-Sensor hat sich
insbesondere ein dispersionsgehärteter oder stabilisierter Werkstoff auf der
Basis einer Platin-Rhodium-Legierung mit einem Rhodium-Anteil zwischen 0,01
bis 60-Gewichts-% bewährt, wobei als dispergierter oder stabilisierender
Bestandteil Zirkonium, Yttrium, Titan, Calcium, Cer, Aluminium und Haffnium
sowie gegebenenfalls deren Oxide einzeln oder gemischt eingesetzt sind. Der
Metallmantel des Koaxialkabels besteht aus einer hochtemperaturbeständigen
Nickelbasislegierung und weist einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von
12,5 bis 17 × 10-6/K auf; als mineralisolierende Füllung 11 wird insbeson
dere Magnesiumoxid eingesetzt, es ist jedoch auch möglich Aluminiumoxid zu
verwenden. Der mittels Schmelzvorgang (Verlötung oder Verschweißung) an die
Wendel 2 angeschlossene Innenleiter 8 besteht aus einer Nickelchrom-Legierung.
Als Vergußmasse zur Positionierung der Wendel und Abdeckung der Öffnung inner
halb des Koaxialkabelmantels wird keramische Vergußmasse eingesetzt. Die
später auf den Öffnungsbereich des Koaxialkabels aufgebrachte Sicherungshülse
besteht aus hochtemperaturbeständiger Nickelbasislegierung.
Zur Herstellung eines Temperatur-Sensors wird der Mantel 4 des Koaxialkabels 5
soweit aufgeschnitten, daß eine Einsatz-Öffnung 3 zum Einbringen der als
Temperatur-Meßwiderstand 1 dienenden Wendel 2 ermöglicht wird; hierzu wird im
Bereich der Öffnung 3 ein Teil der Füllung 11 des mineralisolierten Pulvers
entfernt ebenso wie der im Öffnungsbereich befindliche Teil des Innenlei
ters 8, so daß in die Öffnung die Enden 9, 10 des Innenleiters 8 hineinragen.
Nach Einbringen der Wendel 2 und der elektrischen und mechanischen Verbindung
der Enden 6, 7 der Wendel mit den Enden 9, 10 des Innenleiters 8 durch Ver
löten oder Verschweißen an den Anschlußstellen 18, 19 wird durch Öffnung 3 die
schematisch dargestellte Vergußmasse 12 eingebracht, wodurch die Wendel 2 fest
positioniert wird und die mineralisolierte Füllung 11 am Austreten aus dem
Mantel 4 gehindert wird. Nach Eintrocknen der Vergußmasse 12 wird entlang der
Achse 14 des Koaxialkabels 5 eine Sicherungshülse 15 auf die bereits durch die
Vergußmasse verschlossene Öffnung 3 aufgebracht und mittels umlaufender
Sicken 16, 17 mit dem Mantel 4 formschlüssig verbunden; es ist auch zusätzlich
möglich, zwischen Sicherungshülse 15 und Mantel 4 eine elastische temperatur
beständige Abdichtung, beispielsweise mittels temperaturbeständiger umlaufen
der Dichtungsringe vorzusehen.
Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau, wie er anhand der Fig. 1 erläutert ist,
wobei allerdings anstelle einer Wendel als Temperatur-Meßwiderstand 1 eine
Widerstandsschicht 20 auf einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden
Keramiksubstrat 21 vorgesehen ist. Die Einsatz-Öffnung 3 in Mantel 4 des
Koaxialkabels 5 sowie die Anordnung der Enden 9, 10 des Innenleiters 8 ent
sprechen der anhand Fig. 1 erläuterten Ausführungsform. Die Widerstands
schicht 20 ist im vorliegenden Fall als Mäander auf ein sogenanntes axiales
Keramik-Substrat 21 aufgebracht, dessen größte Ausdehnung sich entlang der
Achse 14 des Koaxialkabels erstreckt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um
ein rechteckiges Keramik-Substrat 21, dessen Längsachse entlang der Achse 14
verläuft. Das Substrat 21 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid, es ist
jedoch auch möglich Magnesiumoxid oder Glaskeramik einzusetzen. Die Wider
standsschicht 20 besteht aus einer Platin-Rhodium-Legierung, wobei das Rhodium
einen Gewichtsanteil im Bereich von 0,01 bis 10 Gewichts-% aufweist. Die
Schichtdicke der aufgebrachten Widerstandsschicht 20 liegt im Bereich 0,8 bis
2,0 µm. An den Enden der mäanderförmig ausgestalteten Widerstandsschicht 20
sind Kontaktfelder 23 und 24 vorgesehen, die über Anschlußdrähte 25, 26 mit
den Anschlußstellen 18, 19 der Enden 9, 10 des Innenleiters 8 durch einen
Schmelzvorgang (Verschweißung, Verlötung) verbunden sind. Da sich die Aus
führungsform gemäß Fig. 2 lediglich durch die Ausgestaltung des eigentlichen
Temperatur-Meßwiderstandes vom Gegenstand der Fig. 1 unterscheidet, ist der
übrige Aufbau wie der Abschluß der Öffnung 3 durch Vergußmasse 12 und die
anschließende Aufbringung einer Sicherungs-Hülse 15 mit formschlüssiger Ver
bindung durch Sicken 16, 17 der Fig. 1 entsprechend aufgebaut.
Beim Aufbau des Temperatur-Sensors gemäß Fig. 2 muß zu Beginn ein ausreichen
der Raum für den aus Keramik-Substrat 21 und Widerstandsschicht 20 sowie den
Anschlußdrähten 25, 26 bestehenden Temperatur-Meßwiderstand 1 geschaffen
werden, welches durch Entnahme eines Teils der Füllung des mineralisolierenden
Pulvers geschieht; nach Einbringung sowie elektrisch und mechanisch fester
Verbindung der Anschlußdrähte 25, 26 des Temperatur-Meßwiderstandes 1 mit den
Enden 9, 10 des Innenleiters 8 des Koaxialkabels 5 wird die Einsatz-Öffnung 3
durch Aufbringung der hier nur schematisch durch gestrichelte Linien darge
stellten Vergußmasse 12 gasdicht abgeschlossen und nach dem Abkühlungsverfah
ren die aus Fig. 1 bekannte Sicherungs-Hülse 15 formschlüssig mit dem Man
tel 4 des Koaxialkabels 5 verbunden, so daß eine hochtemperaturbeständige
mechanisch feste Temperatur-Sensor-Anordnung vorliegt.
Durch Verwendung von wendelförmigen Meßelementen geringem Wendeldurchmessers
oder durch Verwendung von schmalen axialen Dünnschicht-Meßwiderständen mit
Keramiksubstrat ist es möglich, eine Koaxialleitung mit mehreren hintereinan
der geschalteten Temperatur-Sensoren einzusetzen, so daß auf einfache Weise
auch die räumliche Ausdehnung von Temperaturfeldern überwacht werden kann.
Fig. 3 zeigt schematisch eine solche Serienschaltung mehrerer Temperatur-Meß
widerstände 1, welche je nach Bedarf, beispielsweise mäanderförmig oder zick
zackförmig zur flächenhaften Abdeckung größerer Temperaturfelder angeordnet
sein können. Ein wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß die Außendurch
messer solcher Koaxial-Meßleitungen mit bis auf einen Durchmesser von 0,5 mm
herabgesetzt werden können, so daß an vorgegebenen Meßpunkten eines räumlich
ausgedehnten Temperaturfeldes eine exakte Temperaturüberwachung möglich ist,
wobei sich kritische Temperaturwerte durch Messung des Gesamtwiderstandes
aller Meßwiderstände 1 ableiten lassen.
Zwecks besserer Übersicht wurde in Fig. 3 von der Wiedergabe der aufgescho
benen Sicherungs-Hülsen abgesehen.
Claims (11)
1. Temperatur-Sensor, der mineralisoliert in einem Metallmantel angeordnet ist, wobei der
Temperatursensor als elektrischer Meßwiderstand ausgebildet ist, der an zwei sich ge
genüberliegenden Enden jeweils mit einem Innenleiter einer mineralisolierten Leitung
elektrisch und mechanisch fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall
mantel (4) im Bereich des Meßwiderstandes (1) eine Einsatz-Öffnung (3) aufweist, wel
che mittels Vergußmasse (12) gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist.
2. Temperatur-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand
(1) in einem mineralisolierten Koaxialkabel (5) angeordnet ist, wobei der Meßwiderstand
jeweils mit einem Ende (9, 10) der sich in gegenüberliegenden Richtungen erstreckenden
Leitungen des Innenleiters (8) verbunden ist.
3. Temperatur-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Metallmantel
(4) im Bereich der Öffnung (3) eine Sicherungshülse (15) aus Metall aufgeschoben ist, die
an ihren Enden mittels zweier umlaufender Sicken (16, 17) mit dem Metallmantel (4)
formschlüssig verbunden ist.
4. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßwiderstand (1) in Form einer Wendel (2) ausgebildet ist, deren Enden (6, 7) An
schlußstellen (18, 19) zur Verbindung mit den Enden (9, 10) der Leitungen des Innenlei
ters (8) aufweisen.
5. Temperatur-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (13)
der Wendel (2) in Richtung der Achse (14) des Metallmantels (4) verläuft.
6. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wendel (2) wenigstens zum Teil aus dispersionsgehärtetem oder stabilisiertem Werkstoff
besteht, wobei als wesentlicher Werkstoff-Bestandteil ein Metall der Platingruppe vorge
sehen ist, während als dispergierter oder stabilisierender Bestandteil Zirkonium, Yttrium,
Titan, Kalzium, Cer, Aluminium und Haffnium einzeln oder gemischt eingesetzt sind.
7. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wendel (2) wenigstens zum Teil aus dispersionsgehärtetem oder stabilisiertem Werkstoff
besteht, wobei als wesentlicher Werkstoff-Bestandteil ein Metall der Platingruppe vorge
sehen ist, während als dispergierter oder stabilisierender Bestandteil Zirkonium, Yttrium,
Titan, Kalzium, Cer, Aluminium und Haffnium und deren Oxide einzeln oder gemischt ein
gesetzt sind.
8. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßwiderstand (1) als Widerstandsschicht (20) auf einem elektrisch isolierenden Kera
mik-Substrat (21) ausgebildet ist, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Enden (6, 7)
der Widerstandsschicht Kontaktfelder (23, 24) für Anschlußdrähte (25, 26) zur Verbin
dung mit den Enden (9, 10) der Leitungen des Innenleiters (8) vorgesehen sind.
9. Temperatur-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands
schicht (20) in Form eines Mäanders auf einem langgestreckten Keramik-Substrat (21)
aufgebracht ist, wobei die Mäander-Enden als Kontaktfelder (23, 24) für die Anschluß
drähte (25, 26) ausgebildet sind und das Keramik-Substrat (21) sich in Richtung seiner
größten Ausdehnung gesehen entlang der Achse (14) des Innenleiters (8) erstreckt.
10. Temperatur-Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider
standsschicht (20) aus einem mit Rhodium dotierten Platin-Dünnfilm besteht.
11. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
das Keramik-Substrat (21) aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Berylliumoxid oder Glas
keramik besteht.
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- 1993-09-09 DE DE19934330447 patent/DE4330447C2/de not_active Expired - Fee Related
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: HERAEUS SENSOR-NITE GMBH, 63450 HANAU, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: HERAEUS ELECTRO-NITE INTERNATIONAL N.V., HOUTHALEN |
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8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: KUEHN, H., PAT.-ASS., 63450 HANAU |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |