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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, umfassend einen Tragkörper und einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper flächig ausgebildet ist, wobei der Sensorkörper aus elastischem Material ausgebildet ist und wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Sensorkörpers elektrisch leitfähig beschichtet sind.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2 113 760 A1 ist es bekannt, ein membranförmiges Sensorelement als Drucksensor auszubilden. Das Sensorelement umfasst dabei einen Sensorkörper, der abschnittsweise flächig ausgebildet ist. Der Sensorkörper ist in einem rohrförmigen Gehäuse aufgenommen, wobei auf der ersten Oberfläche des Sensorkörpers der Druck eines ersten Raumes und auf die zweite Oberfläche des Sensorkörpers der Druck eines zweiten Raumes angreift.
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Der Sensorkörper erfasst dabei die Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen. Dies erfolgt dadurch, dass sich der Sensorkörper aufgrund der unterschiedlichen Drücke verformt, wobei sich aufgrund der elastischen Ausbildung des Sensorkörpers der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, also die Wanddicke des Sensorkörpers, verändert.
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Die elektrisch leitfähige erste Oberfläche und die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche des Sensorkörpers bilden dabei Kondensatorplatten, wobei sich die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators durch Veränderung des Abstandes der beiden Oberflächen zueinander ändert. Dadurch kann anhand der sich ändernden Kapazität die Druckdifferenz zwischen dem Druck des an der ersten Oberfläche angrenzenden ersten Raumes und dem an der zweiten Oberfläche angrenzenden zweiten Raum ermittelt werden.
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Bei einem derartigen Sensorelement ist insbesondere die elektrische Kontaktierung der beiden leitfähigen Oberflächen des elektrisch leitfähig ausgerüsteten Sensorkörpers kompliziert. Hinzu kommt, dass bei Messungen niedriger Druckdifferenzen ein geringer Abstand der beiden leitfähig ausgerüsteten Oberflächen erforderlich ist, um ein aussagekräftiges Messsignal zu erhalten. Derartige Sensorkörper weisen dementsprechend eine besonders dünne Schicht in Form einer dünnen Membran auf und sind dadurch schwierig zu montieren.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement bereitzustellen, welches die Messung niedriger Druckdifferenzen ermöglicht und dabei kostengünstig und einfach montierbar ist.
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Technische Lösung
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Das erfindungsgemäße Sensorelement umfasst einen Tragkörper und einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper flächig ausgebildet ist, aus elastischem Material. Der flächige Sensorkörper weist zwei Oberflächen auf. Die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Sensorkörpers sind elektrisch leitfähig beschichtet. Die beiden Oberflächen sind elektrisch isoliert zueinander, d.h. nicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt auf beiden Oberflächen mit dem gleichen Material, da dies fertigungstechnisch besonders günstig ist.
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Zur Lösung der Aufgabe weist der Sensorkörper einen Messabschnitt und einen Befestigungsabschnitt auf, wobei die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes größer ist als die Schichtdicke des Messabschnittes, insbesondere um ein Vielfaches größer.
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In einer ersten einfachen Ausgestaltung ist der Sensorkörper scheibenförmig ausgebildet. Dabei ist der Messabschnitt ebenfalls scheibenförmig ausgebildet und von einem ringförmigen Befestigungsabschnitt umgeben. Befestigungsabschnitt und Messabschnitt sind dabei materialeinheitlich und einstückig aus elastomerem Material ausgebildet. Die Schichtdicke des ringförmigen Befestigungsabschnittes ist dabei größer als die Schichtdicke des scheibenförmigen Messabschnittes. Die Schichtdicke bezeichnet dabei den Abstand zwischen erster Oberfläche und zweiter Oberfläche.
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Der Übergang zwischen Messabschnitt und Befestigungsabschnitt kann dabei stufenförmig erfolgen, wobei die Schichtdicke sprungartig ansteigt.
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Vorzugsweise vergrößert sich die Schichtdicke ausgehend von dem Messabschnitt linear bis zur Schichtdicke des Befestigungsabschnittes. Dadurch ergibt sich ein schräger Übergangsbereich, welcher den Übergang zwischen Messabschnitt und Befestigungsabschnitt bildet.
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Messabschnitt und Befestigungsabschnitt können so zueinander angeordnet sein, dass sich die Schichtdicke beidseitig und ausgehend von erster Oberfläche und zweiter Oberfläche des Messabschnittes vergrößert, so dass der Messabschnitt zentriert in dem Befestigungsabschnitt angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise sind Messabschnitt und Befestigungsabschnitt entlang einer Oberfläche in einer Radialebene angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung vergrößert sich die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes nur entlang einer Oberfläche. Ein derartig ausgebildeter Sensorkörper lässt sich einfacher montieren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement ist vorteilhaft, dass der Sensorkörper einfacher herstellbar ist, da der Sensorkörper einen Befestigungsabschnitt mit einer größeren Materialstärke aufweist, welcher einfacher aus einem Herstellungswerkzeug entformbar ist als der membranartige Messabschnitt, welcher nur eine geringe Schichtdicke aufweist. Des Weiteren vereinfacht sich auch die Montage des membranförmig ausgebildeten Sensorkörpers, da das Handling aufgrund der größeren Materialstärke des Befestigungsabschnittes vereinfacht ist. Ferner lassen sich Elektroden, welche für die Kontaktierung der beiden elektrisch leitfähigen Oberflächen erforderlich sind, einfach in den Bereich des Befestigungsabschnittes integrieren.
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Die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Sensorkörpers können vollflächig elektrisch leitfähig beschichtet sein. Dies vereinfacht die Kontaktierung der beiden elektrisch leitfähig ausgerüsteten Oberflächen des Sensorkörpers. Dabei ist es insbesondere nicht erforderlich, gesonderte Elektroden in den Sensorkörper einzubringen, beispielsweise einzuvulkanisieren.
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Die elektrisch leitfähige erste Oberfläche und die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche bilden Platten eines Kondensators, wobei sich die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators wesentlich durch den Abstand der beiden Oberflächen zueinander ergibt. Das Sensorelement ist dabei in einer Anordnung platzierbar, welche so ausgestaltet ist, dass an der ersten Oberfläche der Druck eines ersten Raumes und an der zweiten Oberfläche der Druck eines zweiten Raumes angreift. Unterscheidet sich der Druck des ersten Raumes von dem Druck des zweiten Raumes, wölbt sich der Membrankörper in Richtung des Raumes mit geringerem Druck vor und dabei verformt sich der elastisch ausgebildete Sensorkörper, wobei sich gleichzeitig aufgrund der Verformung die Schichtdicke des Sensorkörpers verändert. Dadurch verändert sich gleichzeitig der Abstand der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche und die Kapazität des durch die beiden Oberflächen gebildeten Plattenkondensators verändert sich. Insofern kann die Bestimmung der Druckdifferenz durch die Messung der veränderten Kapazität des Plattenkondensators erfolgen.
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Dadurch, dass der Befestigungsabschnitt eine größere Schichtdicke aufweist als der Messabschnitt, erfolgt im Bereich des Befestigungsabschnittes eine wesentlich geringere Verformung als im Bereich des Messabschnittes. Vorzugsweise ist die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes so gewählt, dass der Befestigungsabschnitt eine verringerte Offsetkapazität aufweist. Dadurch beeinflusst der Befestigungsabschnitt nicht das Messergebnis. Die vorteilhafte Wirkung stellt sich dann ein, wenn die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes mindestens doppelt so groß ist wie die Schichtdicke des Messabschnittes. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes das Dreifache der Schichtdicke des Messabschnittes.
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Für die Messung geringer Druckdifferenzen ist es vorteilhaft, wenn die Schichtdicke des Messabschnittes 0,3 mm bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,5 mm beträgt.
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Der Tragkörper und der Sensorkörper können formschlüssig miteinander verbunden sein. Dadurch vereinfacht sich die Montage und der Sensorkörper ist sicher auf dem Tragkörper fixiert.
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Der Sensorkörper kann scheibenförmig ausgebildet sein und einen Axialflansch aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung ist der Sensorkörper in Form einer Kappe ausgebildet, was mit Vorteilen im Hinblick auf die Montierbarkeit und die Festigkeit des Sensorkörpers einhergeht.
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Der Tragkörper kann rohrförmig ausgebildet sein. Dabei kann der Tragkörper beispielsweise in Form eines Rohrstutzens ausgebildet sein. Auf einen derartig ausgebildeten Tragkörper kann besonders einfach ein Sensorkörper montiert werden, welcher scheibenförmig ausgebildet ist und einen Axialflansch aufweist. Bei dieser Ausgestaltung gelangt der Axialflansch des Sensorkörpers außenumfangsseitig an dem rohrförmigen Tragkörper zur Anlage. Dadurch ergibt sich eine formschlüssige Anbindung des Sensorkörpers. Bereits aufgrund der Ausgestaltung des Sensorkörpers aus elastischem Material ergibt sich dabei ein fester Halt auf dem rohrförmigen Tragkörper. Dabei fungiert der Sensorkörper gleichzeitig als Dichtelement und verhindert einen Druckausgleich zwischen erstem Raum und zweitem Raum.
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Der Sensorkörper kann im Bereich seines Befestigungsabschnitts an dessen dem Tragkörper zugewandten Seite ein zumindest teilweise umlaufendes Formschlusselement aufweisen. Der Tragkörper kann an seiner dem Befestigungsabschnitt des Sensorkörpers zugewandten Seite eine Vertiefung aufweisen, welche komplementär zu dem Formschlusselement des Sensorkörpers ausgebildet ist. Der Sensorkörper kann einfach auf den Tragkörper aufgeschoben und zur sicheren Befestigung mit Hilfe des Formschlusselements eingerastet bzw. eingeclipst werden. Dies ermöglicht ein formschlüssiges Verriegeln des Sensorkörpers auf dem Tragkörper.
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Der Sensorkörper kann zwischen dem Tragkörper und einem Verschlusskörper angeordnet sein, wobei der Verschlusskörper ringförmig ausgebildet ist und einen zweiten Axialflansch aufweisen kann. Ein derartig ausgebildetes Sensorelement ist besonders robust.
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In bevorzugter Weiterbildung sind an dem Tragkörper Kontaktelemente vorgesehen zur Herstellung einer signalleitenden Verbindung der leitfähigen Beschichtungen mit einer Messeinrichtung.
Der Tragkörper kann mit zumindest einem Kontaktelement für eine elektrisch leitfähige Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche und/oder der elektrisch leitfähigen zweiten Oberfläche des Sensorkörpers versehen sein. Dazu kann der Tragkörper ebenfalls mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sein, beispielsweise mit aufgedruckten Leiterbahnen. Alternativ kann der Tragkörper Einlegeelemente aus elektrisch leitfähigem, metallischem Werkstoff ausbilden. Diese Kontaktelemente sind somit zwischen der Oberfläche des Tragkörpers und der Beschichtung des Tragkörpers angeordnet. Beim Beschichten des Tragkörpers wird so automatisch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Kontaktelementen und leitfähiger Beschichtung geschaffen.
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Vorzugsweise ist der Tragkörper mit Elementen zum Anschluss von Kabeln oder Kabelschuhen ausgerüstet. Diese stehen in elektrischem Kontakt mit dem zumindest einen Kontaktelement.
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Der Verschlusskörper kann mit zumindest einem weiteren Kontaktelement für eine elektrisch leitfähige Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche und/oder der elektrisch leitfähigen zweiten Oberfläche des Sensorkörpers ausgerüstet sein. Dabei muss gewährleistet sein, dass sowohl eine elektrische Kontaktierung der ersten Oberfläche als auch eine elektrische Kontaktierung der zweiten Oberfläche erfolgt.
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Figurenliste
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Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensorelementes werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 im Schnitt ein erstes Sensorelement;
- 2 ein weiteres Sensorelement mit Verschlusskörper;
- 3 ein Sensorelement mit einem Tragkörper mit Radialflansch.
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Die Figuren zeigen ein Sensorelement 1 für die Erfassung der Druckdifferenz zweier einander angrenzender Räume. Die Räume befinden sich oberhalb und unterhalb des Sensorelements 1 und sind nicht näher dargestellt. Das Sensorelement 1 umfasst einen Tragkörper 2 und einen Sensorkörper 3, wobei der Sensorkörper 3 flächig ausgebildet ist und aus elastischem Material besteht. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Sensorkörper 3 aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) ausgebildet. Weitere elastomere Werkstoffe sind denkbar und können je nach Anwendungsfall und angreifender Medien ausgewählt werden.
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Die erste Oberfläche 4 und die zweite Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 sind elektrisch leitfähig beschichtet, wobei die Beschichtung jeweils so gewählt ist, dass die erste Oberfläche 4 und die zweite Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 vollflächig elektrisch leitfähig beschichtet sind. Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann beispielsweise auf die erste Oberfläche 4 und die zweite Oberfläche 5 aufgedampft sein. Die Beschichtung kann aber auch in Form eines Lackes mit elektrisch leitfähigen Partikeln ausgebildet sein.
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Der Sensorkörper 3 weist einen Messabschnitt 6 und einen Befestigungsabschnitt 7 auf. Dabei ist die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes 7 größer als die Schichtdicke des Messabschnittes 6.
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Die elektrisch leitfähige erste Oberfläche 4 und die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche 5 bilden Platten eines Plattenkondensators, wobei sich die Kapazität des Plattenkondensators im Wesentlichen durch den Abstand der beiden Oberflächen 4, 5 ergibt. Aufgrund der elastischen Ausbildung des Sensorkörpers 3 verformt sich der Sensorkörper 3, wenn an der ersten Oberfläche 4 der Druck eines ersten Raumes und an der zweiten Oberfläche 5 der Druck eines zweiten Raumes angreift, wobei sich der Druck des ersten Raumes von dem Druck des zweiten Raumes unterscheidet. Herrscht zwischen beiden eine Druckdifferenz, wölbt sich der Messabschnitt 6 in Richtung des Raumes mit geringerem Druck vor, wobei sich der Messabschnitt 6 des Sensorkörpers 3 verformt und wobei sich gleichzeitig der Abstand der ersten Oberfläche 4 und der zweiten Oberfläche 5 verändert, was mit einer Änderung der Kapazität des Plattenkondensators einhergeht. So kann durch Messung der Kapazität des Plattenkondensators die Druckdifferenz der beiden an dem Sensorkörper 3 angreifenden Drücke ermittelt werden.
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Die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes 7 ist dabei so gewählt, dass dieser Bereich eine verringerte Offsetkapazität aufweist und dadurch die in dem Messabschnitt 6 ermittelte Kapazitätsänderung nicht wesentlich, insbesondere nicht merklich beeinflusst. Dazu ist die Schichtdicke des Befestigungsabschnittes 7 bei den vorliegenden Ausgestaltungen dreimal größer als die Schichtdicke des Messabschnittes 6. Die Schichtdicke des Messabschnittes 6 beträgt 0,5 mm.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung des Sensorelementes 1. Dabei ist der Sensorkörper 3 scheibenförmig ausgebildet und weist einen Axialflansch 8 auf. Der Tragkörper 2 ist rohrförmig ausgebildet und der Axialflansch 8 des Sensorkörpers 3 gelangt außenumfangsseitig an dem rohrförmigen Tragkörper 2 zur Anlage. Dadurch sind der Tragkörper 2 und der Sensorkörper 3 formschlüssig miteinander verbunden.
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Der Axialflansch 8 des Sensorkörpers 3 weist innenumfangsseitig ein zumindest teilweise umlaufendes Formschlusselement 9 auf. Dieses ist bei der vorliegenden Ausgestaltung im Schnitt betrachtet halbkreisförmig ausgebildet und umläuft den Innenumfang des Axialflansches 8.
Der Tragkörper 2 weist außenumfangsseitig eine Vertiefung 10 auf, welche kongruent zu dem Formschlusselement 9 des Sensorkörpers 3 ausgebildet ist. Dazu weist der Tragkörper 2 außenumfangsseitig eine umlaufende, halbkreisförmige Vertiefung 10 in Form einer Nut auf. In die Vertiefung 10 greift das Formschlusselement 9 des Axialflansches 8 ein.
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2 zeigt eine Weiterbildung des in 1 gezeigten Sensorelementes 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Sensorkörper 3 zwischen dem Tragkörper 2 und einem Verschlusskörper 11 angeordnet, wobei der Verschlusskörper 11 ringförmig ausgebildet ist und einen zweiten Axialflansch 12 aufweist. Der zweite Axialflansch 12 erstreckt sich außenumfangsseitig über den Axialflansch 8 des Sensorkörpers 3 und verriegelt somit den Sensorkörper 3 zwischen dem Tragkörper 2 und dem Verschlusskörper 11.
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Der Tragkörper 2 ist mit einem Kontaktelement 13 für eine elektrische Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche 4 ausgerüstet. Der Verschlusskörper 11 ist mit einem weiteren Kontaktelement 14 für eine elektrisch leitfähige Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen zweiten Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 ausgerüstet. Beide Kontaktelemente 13, 14 weisen Anschlussmittel für die Aufnahme von Kabeln für eine elektrische Kontaktierung mit einer Messeinrichtung auf.
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3 zeigt ein Sensorelement 1, bei welchem der Axialflansch 8 des Sensorkörpers 3 an dem freien Ende U-förmig umgebogen ist. Der Tragkörper 2 wiederum weist an der dem Sensorkörper 3 zugeordneten Kante einen Radialflansch 15 auf, welchen der U-förmig abgebogene Abschnitt des Axialflansches 8 des Sensorkörpers 3 umgreift, um so formschlüssig auf dem Tragkörper 2 verriegelt zu sein.
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Der Radialflansch 15 des Tragkörpers 2 weist auf der dem Sensorkörper 3 zugewandten Seite ein Kontaktelement 13 zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung mit der elektrisch leitfähigen ersten Oberfläche 4 des Sensorkörpers 3 auf. Der Tragkörper 2 weist ferner ein weiteres Kontaktelement 14 auf, welches an dem Außenumfang des rohrförmigen Abschnittes des Tragkörpers 2 angeordnet ist. Das weitere Kontaktelement 14 kontaktiert dabei den U-förmig abgebogenen Abschnitt des Axialflansches 8 des Sensorkörpers 3, wobei die elektrisch leitfähige zweite Oberfläche 5 des Sensorkörpers 3 zur Anlage an das weitere Kontaktelement 14 gelangt. Beide Kontaktelemente 13, 14 weisen Anschlussmittel für die Aufnahme von Kabeln für eine elektrische Kontaktierung mit einer Messeinrichtung auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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