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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals eines Sensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 102005046699 A1 eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Auslesen eines Sensors mittels eines Sigma-Delta-Wandlers bekannt. Hierbei wird ein Messsignal eines kapazitiven Beschleunigungssensors mittels einer Auswertschaltung, einer Filterstruktur und einem Quantisierer ausgewertet. Das quantisierte und ausgewertete Sensorsignal wird anschließend auf den kapazitiven Beschleunigungssensor rückgekoppelt. Nachteilig an dieser Schaltungsanordnung ist, dass durch die Quantisierung des Messsignals das Sensorsignal mit einem Quantisierungsrauschen behaftet ist, durch welches das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals beeinträchtigt wird. Eine Erhöhung des Signals-Rausch-Verhältnisses kann gemäß dem Stand der Technik entweder durch eine Überabtastung, die Ordnung der Regelung oder die Anzahl der Quantisierungsstufen erzielt werden. Diese Lösungen führen jedoch in nachteiliger Weise stets zu einem erheblichen zusätzlichen Schaltungsaufwand, wodurch der Platzbedarf und die Leistungsaufnahme der Schaltungsanordnung vergrößert werden. Ferner werden schnellere und somit kostenintensivere Halbleitertechnologien erforderlich und es treten Stabilitätsprobleme auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Auswertevorrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Ausgangssignal nicht nur durch das quantisierte erste Arbeitssignal gebildet wird, dessen Signal-Rausch-Verhältnis durch ein Quantisierungsrauschen beeinträchtigt ist, sondern in Abhängigkeit des ersten und zweiten Arbeitssignals gebildet wird. Das quantisierte erste Arbeitssignal wird dabei durch das zweite Arbeitssignal in vorteilhafter Weise derart modelliert, dass das Quantisierungsrauschen im Ausgangssignal reduziert und vorzugsweise minimiert wird. Die hierdurch erzielte Erhöhung der Genauigkeit bzw. Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis wird auf eine vergleichsweise einfache Art und Weise erzielt, ohne dass erheblicher zusätzlicher Schaltungsaufwand notwendig wird. Insbesondere ist zur Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses keine Erhöhung der Abtastrate, der Regelungsordnung oder der Quantisierungsstufen notwendig, so dass trotz Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses kein erheblich gesteigerter Platz- bzw. Leistungsbedarf entsteht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner, dass die Korrektur des ersten Arbeitssignals vollständig digital erfolgt. Die Verarbeitung des ersten Arbeitssignals mit dem zweiten Arbeitssignal ist daher vergleichsweise einfach zu implementieren. Darüberhinaus wird die Verarbeitungsgenauigkeit gesteigert (es treten beispielsweise keine für die analoge Datenverarbeitung typischen Artefakte im Verlauf des zu verarbeitenden Signals auf). Ferner wird die Fehleranfälligkeit durch äußere Störeinflüsse, wie beispielsweise elektrische und magnetische Wechselfelder, erheblich reduziert. Der Sensor umfasst insbesondere einen mikromechanischen Sensor, beispielsweise einen mikromechanischen Beschleunigungssensor oder einen mikromechanischen Drehratensensor, welche bevorzugt auf einem Halbleiter- und besonders bevorzugt auf einem Siliziumsubstrat basiert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt ein drittes Arbeitssignal durch Bildung der Differenz zwischen dem digitalen Sensorsignal und dem ersten Arbeitssignal gebildet wird und dass im dritten Verfahrensschritt mittels der Korrekturfunktion das zweite Arbeitssignal aus dem dritten Arbeitssignal erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird somit ein Vergleich zwischen dem quantisierten ersten Arbeitssignal und dem nicht-quantisierten digitalen Sensorsignal durchgeführt, wobei der durch Quantisierung des digitalen Sensorsignals erzeugte Quantisierungsfehler im ersten Arbeitssignal durch die Differenzbildung ermittelt wird. Die Kenntnis des Quantisierungsfehlers ermöglicht daher eine spätere Korrektur des mit dem Quantisierungsfehler behafteten ersten Arbeitssignals im vierten Verfahrensschritt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im vierten Verfahrensschritt das erste und das zweite Arbeitssignal miteinander addiert werden. In vorteilhafter Weise wird das zweite Arbeitssignal derart im dritten Verfahrensschritt erzeugt, dass bei einer Addition des ersten und des zweiten Arbeitssignals das Quantisierungsrauschen bzw. der Quantisierungsfehler im ersten Arbeitssignal minimiert wird. Im Idealfall wäre dies beispielsweise genau dann besonders effektiv, wenn das zweite Arbeitssignal im Wesentlichen dem inversen Verlauf des Quantisierungsrauschens auf dem ersten Arbeitssignal folgt. Das Ausgangssignal umfasst somit das um das Quantisierungsrauschen zumindest teilweise bereinigtes erstes Arbeitssignal.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Arbeitssignal als Feedback-Signal auf den Sensor rückgekoppelt wird, wobei das Feedback-Signal vorzugsweise mittels eines Digital-Analog-Wandlers in ein analoges Feedback-Signal gewandelt wird. In vorteilhafter Weise wird der Sensor über das Feedback-Signal in bekannter Weise gesteuert, wobei das Feedback-Signal aus dem ersten Arbeitssignal ermittelt wird, welches mittels des Quantisierers in bekannter Weise quantisiert wird, aber noch nicht mittels des zweiten Arbeitssignals um das Quantisierungsrauschen bereinigt ist. Die Rückkopplung auf den Sensor erfolgt somit in üblicher Weise und muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals nicht angepasst werden. Insbesondere ist daher die Auswertung eines Standard-Sensors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt das analoge Sensorsignal mittels eines Analog-Digital-Wandlers in das digitale Sensorsignal gewandelt wird, wobei insbesondere das analoge Sensorsignal mittels des Analog-Digital-Wandlers und einem dem Analog-Digital-Wandler nachgeschaltetem Filterelement in das digitale Sensorsignal gewandelt wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine Wandlung des analogen Sensorsignals in ein digitales Sensorsignal ermöglicht, welches vergleichsweise einfach auszuwerten und unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen, wie beispielsweise äußere elektrische und magnetische Wechselfelder, ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Arbeitssignal vor dem vierten Verfahrensschritt mittels einer Übertragungsfunktion modifiziert wird. Vorteilhafterweise ist somit eine Modifikation des quantisierten ersten Arbeitssignals in solcher Weise möglich, dass bei einer Modifikation des ersten Arbeitssignals mit dem zweiten Arbeitssignal zur Erzeugung des Ausgangssignals im vierten Verfahrensschritt das Quantisierungsrauschen im Ausgangssignal minimiert wird. Im einfachsten Fall ist die Übertragungsfunktion gleich 1, so dass keine Modifikation des ersten Arbeitssignals erfolgt und somit auch in vorteilhafterweise keine Beeinflussung der Messinformation des Sensors über die Drehrate zu befürchten ist. In bestimmten Fällen ist jedoch denkbar, dass das erste Arbeitssignal derart modifiziert bzw. aufbereitet wird, dass bei einer Abbildung des zweiten Arbeitssignals auf dem ersten Arbeitssignal das Quantisierungsrauschen in besonders einfacher Art und Weise reduzierbar ist, beispielsweise mittels einer einfacher Addition des zweiten Arbeitssignals mit dem ersten Arbeitssignal.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Korrekturfunktion und die Übertragungsfunktion derart gewählt werden, dass zumindest in einem Frequenzbereich ein Quantisierungsrauschen aus dem Ausgangssignal minimiert wird. In vorteilhafter Weise wird somit das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals deutlich erhöht, da die Beeinträchtigung aufgrund des Quantisierungsrauschens reduziert wird. Das zweite Arbeitssignal basiert insbesondere auf der Differenz zwischen dem digitalen Sensorsignal und dem ersten Arbeitssignal, so dass das zweite Arbeitssignal im Wesentlichen vom Quantisierungsrauschen auf dem ersten Arbeitssignal abhängig ist. Eine Auswahl der Korrekturfunktion und der Übertragungsfunktion ist nun dahingehend möglich, dass dieser bekannte Anteil des Quantisierungsrauschens bei einer entsprechenden Abbildung des zweiten Arbeitssignals auf dem ersten Arbeitssignal zur Erzeugung des Ausgangssignals gerade kompensiert und somit ein Ausgangssignal mit reduziertem Quantisierungsrauschen erzeugt wird. Gleichzeitig wird das erste Arbeitssignal vorzugsweise zur Steuerung des Sensors auf den Sensor rückgekoppelt, ohne dass die Kompensation des Quantisierungsrauschens im ersten Arbeitssignal zur Erzeugung des Ausgangssignals hierauf Einfluss nimmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Korrekturfunktion und die Übertragungsfunktion derart gewählt werden, dass zumindest in einem Frequenzbereich die Summe aus der Korrekturfunktion und einem Produkt aus der Übertragungsfunktion und einer Rauschübertragungsfunktion des ersten Arbeitssignals im Wesentlichen gleich null ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei einer Abbildung des mittels der Korrekturfunktion modifizierten zweiten Arbeitssignals auf dem mittels der Übertragungsfunktion modifizierten ersten Arbeitssignals der Quantisierungsfehler minimiert wird. Dies ergibt sich aus einer mathematischen Gleichung, wonach das Ausgangssignal gleich der Summe aus dem Produkt von Korrekturfunktion mal zweitem Arbeitssignal und dem Produkt aus Übertragungsfunktion mal erstem Arbeitssignal ist (Ausgangssignal = [Korrekturfunkton × zweites Arbeitssignal] + [Übertragungsfunktion × erstes Arbeitssignal]). Das erste Arbeitssignal entspricht ferner der Summe aus dem Produkt von Rauschübertragungsfunktion des ersten Arbeitssignals und Quantisierungsfehler und dem Produkt von Signaltransferfunktion des ersten Arbeitssignals und Messsignal (bspw. Drehratensignal) (Erstes Arbeitssignal = [Rauschübertragungsfunktion × Quantisierungsfehler] + [Signaltransferfunktion × Drehratensignal]). Darüberhinaus ist bekannt, dass das zweite Arbeitssignal im Wesentlichen dem Quantisierungsfehler entspricht (Zweites Arbeitssignal = Quantisierungsfehler, da das zweite Arbeitssignal im dritten Verfahrensschritt durch Bildung der Differenz zwischen dem digitalen Sensorsignal und dem ersten Arbeitssignal gebildet wird (auch als drittes Arbeitssignal bezeichnet). Ein Aufstelle der Bedingung, dass der Quantisierungsfehler gleich null sein soll und ein Einsetzen der Gleichungen ineinander, ergibt die mathematische Bedingung, dass die Summe aus Korrekturfunktion mit dem Produkt aus Übertragungsfunktion und Rauschübertragungsfunktion gleich null sein muss, wenn der Quantisierungsfehler ebenfalls null betragen soll (Math. Bedingung: Korrekturfunktion + [Übertragungsfunktion × Rauschübertragungsfunktion] == 0). Es ist zu sehen, dass durch eine dementsprechende Wahl der Korrekturfunktion und der Übertragungsfunktion der Quantisierungsfehler kompensierbar ist, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals erheblich verbessert wird. Für einen Fachmann ist selbstverständlich, dass es ausreichend ist, wenn diese Bedingung in einem engen Frequenzband gilt, das für die Auswertung des Sensors überhaupt von Relevanz ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Auswertevorrichtung zur Auswertung eines Sensorsignals eines Sensors, wobei die Auswertevorrichtung einen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung eines analogen Sensorsignals des Sensors in ein digitales Sensorsignal aufweist, wobei die Auswertevorrichtung einen Quantisierer zur Umwandlung des digitalen Sensorsignals in ein quantisiertes erstes Arbeitssignal aufweist und wobei die Auswerteinheit eine erste Modulationseinheit aufweist, welche zur Erzeugung eines zweiten Arbeitssignals aus dem digitalen Sensorsignal anhand einer Korrekturfunktion konfiguriert ist, wobei die Auswerteinheit ferner ein Ausgangselement zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit des ersten und zweiten Arbeitssignals aufweist. In vorteilhafter Weise ist die Auswertevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Sensorsignals eines Sensors konfiguriert, so dass die oben beschriebene Erhöhung des Signals-Rausch-Verhältnis bei einer Auswertung des Sensorsignals des Sensors mit dieser Auswerteeinheit erzielbar ist. Insbesondere wird zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis dabei kein zusätzlicher Schaltungsaufwand generiert. Das Ausgangselement ist vorzugsweise zur Erzeugung des Ausgangssignals durch eine Addition des ersten und zweiten Arbeitssignals konfiguriert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswertevorrichtung eine zweite Modulationseinheit aufweist, welche zur Modulation des ersten Arbeitssignals anhand einer Übertragungsfunktion konfiguriert ist, wobei die erste und zweite Modulationseinheit derart konfiguriert sind, dass ein Quantisierungsrauschen im Ausgangssignal minimiert wird. Insbesondere ist die erste Modulationseinheit derart ausgebildet, dass das Arbeitssignal mit einer Übertragungsfunktion modifiziert wird, welche das erste Arbeitssignal derart aufbereitet, dass bei einer Abbildung des zweiten Arbeitssignals auf dem ersten Arbeitssignal ein Ausgangssignal mit reduziertem Quantisierungsfehler erzeugt wird. Ferner ist die zweite Modulationseinheit insbesondere derart ausgebildet, dass das zweite Arbeitssignal mittels der Korrekturfunktion so modifiziert wird, dass die Bedingung, wonach die Summe aus Korrekturfunktion und dem Produkt aus Rauschübertragungsfunktion des ersten Arbeitssignals und Übertragungsfunktion gleich null ist, zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich erfüllt ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigt
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1 eine schematische Abbildung eines Verfahrens und einer Auswertevorrichtung zur Auswertung eines Sensorsignals gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Ansicht der einzelnen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Auswertung eines Sensorsignals 2 eines Sensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Von einem Sensor 1, welcher insbesondere einen auf Siliziumbasis hergestellten mikromechanischen Drehratensensor umfasst, wird ein analoges Sensorsignal 2 erzeugt. Das analoge Sensorsignal 2 ist proportional zu einer am Sensor 1 anliegenden und zu vermessenden Drehrate. Das analoge Sensorsignal 2 wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers 9 in ein digitales Sensorsignal 3 umgewandelt. Optional wird das digitale Sensorsignal 3 nach dem Analog-Digital-Wandler noch mittels eines Filterelements 10 modifiziert. Anschließend wird das digitale Sensorsignal 3 mittels eines Quantisierers 16 in ein quantisiertes erstes Arbeitssignal 4 umgewandelt. Die Quantisierung erfolgt beispielsweise mittels einer Formel einer Look-Up-Tabelle und/oder eines einfachen Rundungsvorgangs. Das erste Arbeitssignal 4 wird als Feedback-Signal 8 auf den Sensor 1 zurückgekoppelt, wobei das Feedback-Signal 8 mittels eines Digital-Analog-Wandlers 15 in ein analoges Feedback-Signal 14 umgewandelt wird.
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Ein drittes Arbeitssignal 7 wird aus der Differenz aus dem digitalen Sensorsignal 3 und dem quantisierten ersten Arbeitssignal 4 gebildet. Das dritte Arbeitssignal 7 entspricht demnach im Wesentlichen dem Quantisierungsfehler, welcher durch die Quantisierung des digitalen Sensorsignals 3 im ersten Arbeitssignal 4 entstanden ist. Mittels einer ersten Modulationseinheit 12' wird aus dem dritten Arbeitssignal 7 ein zweites Arbeitssignal 5 erzeugt. Dabei wird das dritte Arbeitssignal 7 mit einer Korrekturfunktion 12 modifiziert. Das erste Arbeitssignal 4 wird analog in einer zweiten Modulationseinheit 11' mit einer Übertragungsfunktion 11 modifiziert. Anschließend wird ein Ausgangssignal 6 mittels eines Ausgangselement 14 durch Abbildung des zweiten Arbeitssignals 5 auf dem ersten Arbeitssignal 4 erzeugt.
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Durch eine geeignete Wahl der Übertragungsfunktion 11 und der Korrekturfunktion 12 ist die Erzeugung eines Ausgangssignals 6 möglich, bei welchem der Quantisierungsfehler reduziert bzw. minimiert ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die mathematische Bedingung erfüllt ist, wonach die Summe aus Korrekturfunktion 12 mit dem Produkt aus Übertragungsfunktion 11 und Rauschübertragungsfunktion des ersten Arbeitssignals 4 gleich null sein muss, wenn der Quantisierungsfehler ebenfalls null betragen soll (Math. Bedingung: Korrekturfunktion 12 + [Übertragungsfunktion 11 × Rauschübertragungsfunktion des ersten Arbeitssignals 4] == 0). Im einfachsten Fall ist die Übertragungsfunktion 11 gleich eins, d. h. dass lediglich die Identität des ersten Arbeitssignals 4 abgebildet wird. In diesem Fall ergibt die mathematische Bedingung, dass die Korrekturfunktion 12 gleich der inversen Rauschübertragungsfunktion des ersten Arbeitssignals 4 sein muss, damit das Quantisierungsrauschen reduziert wird. Es sind aber auch andere Übertragungs- und Korrekturfunktionen 11, 12 denkbar. Die mathematische Bedingung muss dabei lediglich für denjenigen Frequenzbereich erfüllt sein, welcher für die Auswertung des Messsignals überhaupt von Bedeutung ist. Ferner ist denkbar, dass durch eine Korrelation des Ausgangssignals 6 mit dem Quantisierungsfehler eine Überwachung des Auswerteverfahrens durchführbar ist, da falls die Modellbeschreibung nicht mit dem tatsächlichen Sensorverhalten übereinstimmen sollte, Rauschanteile des Quantisierungsrauschens im Ausgangssignal 6 vorhanden und messbar sein müssen.
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Die 1 stellt ferner eine schematische Abbildung einer Auswertevorrichtung 13 dar, welche zur Auswertung eines Sensorsignals eines Sensors 1 vorgesehen ist. Die Auswertevorrichtung 13 weist hierzu den Analog-Digital-Wandler 9 zur Umwandlung des analogen Sensorsignals 2 in das digitale Sensorsignal 3 auf.
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Optional weist die Auswertevorrichtung 13 ferner das Filterelement 10 auf, welches das digitale Sensorsignal 3 filtert. Die Auswertevorrichtung 13 umfasst den Quantisierer 16, welcher zur Umwandlung des digitalen Sensorsignals 3 in das quantisierte erste Arbeitssignal 4 vorgesehen ist. Die Auswertevorrichtung 13 umfasst ferner die erste Modulationseinheit 12' sowie die zweite Modulationseinheit 11'. Die erste Modulationseinheit 12' ist zur Modulation des dritten Arbeitssignals 7 mittels der Korrekturfunktion 12 vorgesehen, während die zweite Modulationseinheit 11' zur Modulation des ersten Arbeitssignals 4 anhand der Übertragungsfunktion 11 vorgesehen ist. Die Auswertevorrichtung 13 umfasst ferner ein Ausgangselement 14, welches zur Erzeugung des Ausgangssignals 6 in Abhängigkeit des ersten und zweiten Arbeitssignals 4, 5 vorgesehen ist. Ferner umfasst die Auswertevorrichtung 13 einen Digital-Analog-Wandler 15, welcher zur Rückkopplung des ersten Arbeitssignals 4 als Feedback-Signal 8 auf den Sensor 1 vorgesehen ist und das Feedback-Signal 8 in ein analoges Feedback-Signal 14 umwandelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005046699 A1 [0002]
