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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dimensionieren eines Interferenzschalldämpfers zum Dämpfen von Schalldruckimpulsen in Druckluftleitungen in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in Druckluftleitungen zwischen einem Ventil, wie Bremswertgeber, Relaisventil, Achsmodulator oder Anhängersteuerventil und einem Vorratsdruckbehälter, eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schalldruckimpulsen in Druckluftleitungen in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug, eine Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Interferenzschalldämpfer sowie die Verwendung eines Interferenzschalldämpfers in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise eines Bremswertgebers sind beispielsweise in der
DE 33 43 172 A1 , die eines Relaisventils in der
DE 195 10 492 A1 und die eines Anhängersteuerventils in der
DE 196 09 222 A1 beschrieben. Der Aufbau und die Wirkungsweise dieser Baueinheiten in einem Druckluftsystem eines Fahrzeugs sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und daher nicht im Einzelnen beschrieben, sondern es wird hiermit diesbezüglich auf die erwähnten Druckschriften Bezug genommen.
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Geräuschdämpfer in Verbindung mit den erwähnten Baueinheiten sind beispielsweise in den
DE 10 2009 029 968 A1 ,
DE 196 09 222 A1 und der
DE 10 2008 029 489 A1 dargestellt und beschrieben. Hierbei handelt es sich um eigenständige Bauelemente, die an einem Entlüftungsauslass an einem Gehäuse eines Bremswertgebers, eines Relaisventils, eines Achsmodulators oder eines Anhängersteuerventils lösbar angesetzt sind, wobei der Geräuschdämpfer ein Gehäuse aufweist, in dem ein Dämpfungsmittel, beispielsweise in Form einer Strickrolle aus thermoplastischen Fäden, angeordnet ist. Derartige Geräuschdämpfer sind nur geeignet, an Entlüftungsausgängen von Ventilen angeordnet zu werden, sie sind jedoch weniger dazu geeignet, Schalldruckimpulse in Druckluftleitungen, die durch das Schalten von Ventilen entstehen, zu unterdrücken oder zu dämpfen.
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Gemäß einem internen Stand der Technik der Anmelderin wurde versucht, die Schalldruckimpulse zu dämpfen, indem ein Puffervolumen direkt an einem Ventil, das den Luftdruck schnell schaltet, anzuordnen, die Schaltgeschwindigkeit des Ventils herabzusetzen oder eine akustische Abstimmung der Strömungswiderstände an dem Ventil durchzuführen. Diese Lösungen haben sich indessen als kostenträchtig erwiesen, waren mit einem Betriebsrisiko verbunden, beispielsweise durch sich ablagerndes Wasser im Puffervolumen, und führten zu langsamen Druckänderungen, die für eine Druckregelung in einem Antiblockiersystem eines Fahrzeugs zu vermeiden sind.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lösung für das Dämpfen von Schalldruckimpulsen in Druckluftleitungen zwischen einem Ventil, wie Bremswertgeber, Relaisventil, Achsmodulator oder Anhängersteuerventil und einem Vorratsdruckbehälter in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Dimensionieren eines Interferenzschalldämpfers zum Dämpfen von Schalldruckimpulsen in Druckluftleitungen in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in Druckluftleitungen zwischen einem Ventil, wie Bremswertgeber, Relaisventil, Achsmodulator oder Anhängersteuerventil und einem Vorratsdruckbehälter mit den Schritten:
- a) Messen eines durch Betätigung des Ventils entstehenden Druckimpulses an dem mit dem Vorratsdruckbehälter über eine Druckluftleitung verbundenen Ventil;
- b) Messen eines durch die Betätigung des Ventils entstehenden Druckimpulses an dem mit dem Ventil über die Druckluftleitung verbundenen Vorratsdruckbehälter;
- c) Ermitteln der Schwingungsdauer der zwischen dem Ventil und dem Vorratsdruckbehälter auftretenden, durch die Druckimpulse angeregten Schwingung;
- d) Ermitteln der Wellenlänge λ der Schwingung aus deren Schwingungsdauer;
- e) Einfügen zweier paralleler Leitungselemente in die Druckluftleitung, von denen das erste Leitungselement eine Länge etwa gleich der Wellenlänge λ der Schwingung und das zweite Leitungselement eine Länge etwa gleich der halben Wellenlänge λ/2 der Schwingung aufweist.
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Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich zwei Schallwellen gleicher Wellenlänge λ, die gegeneinander um die halbe Wellenlängenphase verschoben sind, gegenseitig auslöschen, wenn sie auch die gleiche Amplitude aufweisen. Das Funktionsprinzip eines derartigen Interferenzschalldämpfers ist in Kapitel 10.8 der Veröffentlichung „Strömungsakustik in Theorie und Praxis”, 3. Aufl., erschienen im expert verlag mit dem Untertitel „Kontakt und Studium, Bd. 474, offenbart.
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Das Funktionsprinzip eines Interferenzschalldämpfers beruht darauf, dass ein Kanal oder eine Rohrleitung in zwei parallel geschaltete Rohre unterteilt wird, deren Längen sich um λ/2 unterscheiden.
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Für das Dimensionieren des Interferenzschalldämpfers in einer Druckluftbremsanlage ist es wichtig, zunächst festzustellen, ob der Schalldruckpuls beim Schalten des Ventils zu hörbaren Schwingungen in der Druckluftleitung führt. Hierzu muss zunächst ermittelt werden, ob ein bei Betätigung des Ventils entstehender Druckimpuls am Vorratsdruckbehälter eintrifft. Wenn dies der Fall ist, wird die Wellenlänge λ der durch den Druckpuls angeregten Schwingung in der Druckluftleitung ermittelt, indem die gemessenen Schwingungen beispielsweise auf einem Oszillographen abgebildet und die Schwingungsdauer gemessen wird. Die Wellenlänge einer Schwingung lässt sich bekanntermaßen der Gleichung λ = VS × T berechnen, in der λ = Wellenlänge, VS = Schallgeschwindigkeit und T = Schwingungsdauer sind.
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Sobald die Wellenlänge λ der Schwingung bekannt ist, lässt sich der Interferenzschalldämpfer dimensionieren, indem zwei parallele Leitungselemente in die Druckluftleitung eingefügt werden, von denen das erste Leitungselement eine Länge etwa gleich der Wellenlänge λ der Schwingung und das zweite Leitungselement eine Länge etwa gleich der halben Wellenlänge λ/2 der Schwingung aufweisen.
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Diese parallelen Leitungselemente lassen sich an beliebiger Stelle in die Druckluftleitung einfügen, sie werden aber bevorzugt direkt am Ventil in die Druckluftleitung eingefügt, wobei die parallelen Leitungselemente über Y-Verbindungsstücke verbunden werden können.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform, die sich mit einem Ventil, das zwei untereinander im Ventil verbundene Anschlüsse aufweist, durchführen lässt, können die beiden parallelen Leitungselemente einerseits mit den zwei untereinander verbundenen Anschlüssen am Ventil und andererseits mittels eines Y-Verbindungsstücks miteinander verbunden werden, wodurch ein Y-Verbindungsstück entfallen kann.
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Da die Laufzeit der durch die Leitungselemente laufenden Schwingungen durch Reibungseffekte in den Leitungselementen und den Umlenkungen beeinflusst wird, wodurch der Energiefluss durch die beiden Leitungselemente unterschiedlich wird, kann ein gleichmäßiger Energiefluss durch entsprechende Dimensionierung der Querschnitte der beiden Leitungselemente erreicht werden, wobei der Querschnitt des ersten, längeren Leitungselements vorzugsweise etwa doppelt so groß wie der Querschnitt des zweiten, kürzeren Leitungselements gewählt wird.
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Des Weiteren lässt sich eine Optimierung der Dämpfung mittels des Interferenzschalldämpfers erreichen, wenn die Länge und/oder der Durchmesser des ersten, längeren oder des zweiten, kürzeren Leitungselements inkremental in kleinen Schritten verändert werden, bis eine optimale Geräuschdämpfung erreicht ist.
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Bekanntermaßen verändert sich die Schallgeschwindigkeit erheblich mit der Lufttemperatur. So beträgt die Schallgeschwindigkeit bei einer Lufttemperatur von –40°C nur 306,23 m/s, bei +20°C schon 343,38 m/s und bei +80°C 376,89 m/s. Dies lässt sich berücksichtigen, indem die Länge der beiden Leitungselemente in Abhängigkeit von der üblichen Betriebstemperatur verändert wird. Da diese Maßnahme aber komplizierte Steuerungsvorrichtungen und Regeleinrichtungen erfordert, genügt es in den meisten Fällen, die Länge der beiden Leitungselemente auf eine Durchschnittstemperatur von +20°C einzustellen.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schalldruckpulsen in Druckluftleitungen in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in Druckluftleitungen zwischen einem Ventil, wie Bremswertgeber, Relaisventil, Achsmodulator oder Anhängersteuerventil und einem Vorratsdruckbehälter, bestehend aus einem in der oder den Druckluftleitungen angeordneten Interferenzschalldämpfer mit zwei parallelen, unterschiedlich langen Leitungselementen, die gemäß dem vorstehend definierten Verfahren dimensioniert und angeordnet sind.
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Eine weitere Lösung der eingangs erwähnten Aufgabe besteht aus einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug mit Druckluftleitungen zwischen einem Ventil, wie Bremswertgeber, Relaisventil, Achsmodulator oder Anhängersteuerventil und einem Vorratsdruckbehälter mit einem in der Druckluftleitung angeordneten Interferenzschalldämpfer mit zwei parallelen, unterschiedlich langen Leitungselementen, die gemäß dem eingangs erwähnten Verfahren dimensioniert und angeordnet sind.
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Schließlich wird die eingangs erwähnte Aufgabe auch durch die Verwendung eines gemäß dem eingangs erwähnten Verfahren dimensionierten sowie angeordneten Interferenzschalldämpfers in einer Druckluftbremsanlage in einem Kraftfahrzeug mit Druckluftleitungen zwischen einem Ventil, wie Bremswertgeber, Relaisventil, Achsmodulator oder Anhängersteuerventil und einem Vorratsdruckbehälter gelöst.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier, in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine erfindungsgemäße Interferenzschalldämpferanordnung zwischen einem Vorratsdruckbehälter und einem Ventil gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Interferenzschalldämpferanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
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3 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zum Bestimmen der Wellenlänge λ der durch das Schalten des Ventils angeregten Schwingungen in der Druckluftleitung zwischen dem Ventil und einem Vorratsdruckbehälter.
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In der
DE 10 2006 041 009 A1 der gleichen Anmelderin ist eine Druckluftbremsanlage für ein Kraftfahrzeug dargestellt und beschrieben, in die sich der erfindungsgemäße Interferenzschalldämpfer integrieren lässt. Zu den Einzelheiten und der Funktionsweise dieser Bremsanlage wird auf diese Druckschrift verwiesen, deren Inhalt vollständig zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Erfindung gemacht ist.
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Ein erfindungsgemäßer Interferenzschalldämpfer 7 ist in 1 in einer Druckluftleitung 3 zwischen einem Vorratsdruckbehälter 1 und einem Ventil 4 angeordnet. Bei dem Ventil 4 kann es sich um einen Bremswertgeber, ein Relaisventil, einen Achsmodulator oder ein Anhängersteuerventil handeln. Der Interferenzschalldämpfer 7 besteht aus einem ersten Leitungselement 8 und einem dazu parallel angeordneten zweiten Leitungselement 9. Die beiden Leitungselemente 8, 9 sind mit der Druckluftleitung 3 mittels eines ersten Y-Verbindungsstücks 10 sowie mit einem Druckluftleitungsanschluss 5 am Ventil 4 mittels eines zweiten Y-Verbindungsstücks 10' verbunden und somit durch die beiden Y-Verbindungsstücke 10, 10' zusammengeführt.
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Die Länge des ersten Leitungselements
8 ist etwa gleich der Wellenlänge λ der durch das Schalten des Ventils
4 in der Druckluftleitung
3 angeregten Schwingungen, während die Länge des zweiten Leitungselements
9 nur etwa die halbe Wellenlänge λ/2 der Schwingungen beträgt. Das Ventil
4 ist über einen Ausgang
6 mit einem nicht dargestellten, durch das Ventil
4 zu betätigenden Bauelement einer Druckluftbremsanlage eines Kraftfahrzeugs verbunden. Beispielsweise kann es sich bei dem Ventil
4 um den in
1 der
DE 10 2006 041 009 A1 dargestellten Bremswertgeber
16 handeln, der über eine nicht dargestellte Druckluftleitung mit dem dortigen ersten Vorratsdruckbehälter
18 und/oder dem dortigen zweiten Vorratsdruckbehälter
20 verbunden ist. In dieser Druckluftleitung kann der Interferenzschalldämpfer
7 angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, den Interferenzschalldämpfer
7 in der dortigen Druckluftleitung
36 von den dortigen Vorratsdruckbehältern
18,
20 zur als Relaisventil ausgebildeten dortigen luftmengenverstärkenden Ventileinrichtung
34 anzuordnen.
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In 2 ist ein Ventil 4' dargestellt, das zwei Druckleitungsanschlüsse 5a, 5b aufweist, welche innerhalb des Ventils 4' miteinander verbunden sind. Diese Verbindung ist durch gepunktete Linien angedeutet. Dementsprechend lässt sich das erste Leitungselement 8' an den Druckluftleitungsanschluss 5a und das zweite Leitungselement 9' an den Druckluftleitungsanschluss 5b anschließen, so dass die beiden Leitungselemente 8', 9' des Interferenzschalldämpfer 7' nur durch ein einziges Y-Verbindungsstück 10 mit der Druckluftleitung 3 zum Vorratsdruckbehälter 1 verbunden sind.
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Aus 3 ist eine Messanordnung ersichtlich, mittels der sich die Wellenlänge λ der durch das Schalten des Ventils 4 in der Druckluftleitung 3 angeregten Schwingungen ermitteln lässt. Zu diesem Zweck ist am Leitungsanschluss 2 des Vorratsdruckbehälters 1 ein erster Drucksensor 11 und am Druckluftleitungsanschluss 5 des Ventils 4 ein zweiter Drucksensor 12 angeordnet. Die durch das Schalten des Ventils 4 ausgelösten Druckimpulse treten am Leitungsanschluss 2 des Vorratsdruckbehälters 1 sowie am Druckluftleitungsanschluss 5 am Ventil 4 auf und führen zu Schwingungen in der Druckluftleitung 3 mit einer Frequenz von beispielsweise etwa 400 Hz, die als Klopfen hörbar sind und störend wirken, so dass sie möglichst unterdrückt oder zumindest stark gedämpft werden sollen. Die von den beiden Drucksensoren 11, 12 erzeugten Messsignale werden an einen Oszillographen 13 geleitet, der geeignet ist, die Wellenlänge λ der Schwingungen in der Druckluftleitung 3 zu bestimmen. Aus der Wellenlänge λ lässt sich die Länge des ersten Leitungselements 8, die etwa gleich der Wellenlänge λ sein soll, sowie die Länge des zweiten Leitungselements 9, die etwa gleich der halben Wellenlänge λ/2 sein soll, bestimmen, so dass sich der Interferenzschalldämpfer 7, 7' in der in den 1 und 2 dargestellten Weise ausbilden lässt.
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Vorzugsweise werden die Interferenzschalldämpfer 7, 7' an den Druckluftleitungsanschluss 5 des Ventils 4 beziehungsweise an den Druckluftleitungsanschlüssen 5a, 5b des Ventils 4' angeordnet, sie können sich jedoch auch an beliebiger Stelle in der Druckluftleitung 3 befinden. Durch die Längenbemessung der Leitungselemente 8, 9; 8', 9' in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ wird die Phasenverschiebung der durch diese Leitungselemente 8, 9; 8', 9' laufenden Schwingungen von 180° eingestellt, so dass sich die durch diese Leitungselemente 8, 9; 8' 9' wandernden Schwingungen beim Zusammentreffen im Bereich der Y-Verbindungsstücke 10 beziehungsweise der Druckluftleitungsanschlüsse 5a, 5b gegenseitig weitgehend auslöschen.
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Der Energiefluss durch die beiden Leitungselemente 8, 9; 8', 9' soll möglichst gleich sein, demnach sollen die Amplituden der durch diese Leitungselemente 8, 9; 8', 9' wandernden Schwingungen sollen möglichst gleich groß sein. Dementsprechend lassen sich die Querschnitte der beiden Leitungselemente 8, 9; 8', 9' entsprechend dimensionieren, beispielsweise indem der Querschnitt der längeren Leitungselemente 8, 8' doppelt so groß wie der Querschnitt der kürzeren Leitungselemente 9; 9' ausgebildet wird.
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Eine weitere Optimierung der Dämpfung durch die Interferenzschalldämpfer 7, 7' lässt sich erreichen, wenn die Länge und/oder der Durchmesser des ersten, längeren Leitungselements 8, 8' oder des zweiten, kürzeren Leitungselements 9, 9' inkremental und schrittweise verändert wird, bis eine maximale Geräuschdämpfung erreicht ist.
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In einer Versuchsanordnung gemäß 3 wurde eine Schwingungsdauer T von 2,2503 m/s ermittelt, was einer Frequenz f = 444,39 Hz entspricht. Hieraus ergibt sich eine Wellenlänge λS = VS × T = 343,38 m/s × 2,2503 m/s = 0,7727 m, wobei λ die Wellenlänge, Vs = die Schallgeschwindigkeit bei +20°C und T die Schwingungsdauer ist. Dementsprechend ergibt sich für die Länge des ersten, längeren Leitungselements 8, 8' ein Wert von 0,7727 m und für die Länge des zweiten, kürzeren Leitungselements 9, 9' ein Wert von 0,3864 m.
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Die Schallgeschwindigkeit in der Druckluftleitung 3 und den Leitungselementen 8, 9; 8', 9' liegt unter der theoretisch idealen Schallgeschwindigkeit. Dies kann an Reibungseffekten der Druckluft an den Leitungsoberflächen sowie den Umlenkradien der Leitungen liegen. Durch die verringerte Schallgeschwindigkeit benötigen die Schwingungen eine längere Zeit, um die längeren, ersten Leitungselemente 8, 8' gegenüber den zweiten, kürzeren Leitungselementen 9, 9' zu durchlaufen. Um dieses zu berücksichtigen, wurde die Länge des kürzeren, zweiten Leitungselements 9, 9' inkremental und schrittweise in Fünf-Zentimeter-Schritten erhöht, wodurch eine deutliche Verbesserung der Dämpfung durch den Interferenzschalldämpfer 7, 7' bis hin zu einem erreichbaren Optimalwert erzielt wurde.
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Um sicherzugehen, dass die Geräuschdämpfung tatsächlich durch den Interferenzschalldämpfer 7, 7' bewirkt wurde, wurden in einem Kontrollversuch das erste, längere Leitungselement 8, 8' entfernt und die entsprechenden Anschlüsse verschlossen. Bei dieser Versuchsanordnung waren deutlich Geräusche zu hören, wodurch die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Interferenzschalldämpfers 7, 7' bestätigt wurde.
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Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorratsdruckbehälter
- 2
- Leitungsanschluss
- 3
- Druckluftleitung
- 4, 4'
- Ventil
- 5, 5a, 5b
- Druckluftleitungsanschluss
- 6, 6'
- Ausgang
- 7, 7'
- Interferenzschalldämpfer
- 8, 8'
- Erstes Leitungselement
- 9, 9'
- Zweites Leitungselement
- 10
- Y-Verbindungsstück
- 11
- Erster Drucksensor
- 12
- Zweiter Drucksensor
- 13
- Oszillograph
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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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- DE 3343172 A1 [0002]
- DE 19510492 A1 [0002]
- DE 19609222 A1 [0002, 0003]
- DE 102009029968 A1 [0003]
- DE 102008029489 A1 [0003]
- DE 102006041009 A1 [0023, 0025]
