DE102019122701A1 - Level detection using heating structures - Google Patents
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- G01F23/24—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
- G01F23/246—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid thermal devices
Abstract
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes eines Messmediums (210) in einem Behälter (200), wobei eine erste Heizstruktur (120) oder ein mit der ersten Heizstruktur (120) verbundenes Kontaktierungselement (160) am Behälter (200) auf Höhe des festzustellenden Füllstands (220) angebracht ist, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur (120) auf die Umgebung der ersten Heizstruktur (120) ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß mit zumindest einem Referenzwert verglichen wird und wobei das Erreichen des Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium (210) die erste Heizstruktur (120), bzw. das Kontaktierungselement (160), kontaktiert, das Maß für den Wärmeübertrag den zumindest einen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet,sowie ein Sensorelement (100), welches in dem Verfahren als diskreter Grenzschalter oder als kontinuierlicher Grenzschalter verwendet wird.The invention comprises a method for determining a predetermined fill level of a measuring medium (210) in a container (200), with a first heating structure (120) or a contacting element (160) connected to the first heating structure (120) on the container (200) at level of the fill level (220) to be determined is attached, a measure for a heat transfer from the first heating structure (120) to the surroundings of the first heating structure (120) being determined, the determined measure being compared with at least one reference value and the reaching of the fill level is indicated by the fact that in the event that the measuring medium (210) contacts the first heating structure (120) or the contacting element (160), the amount of heat transfer exceeds or falls below the at least one reference value, as well as a sensor element (100) which is used in the method as a discrete limit switch or as a continuous limit switch.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes eines Messmediums in einem Behälter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines Füllstandes eines Messmediums in einem Behälter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Sensorelement und die Verwendung des Sensorelements in den erfindungsgemäßen Verfahren.The invention relates to a method for determining a predetermined fill level of a measuring medium in a container. The invention also relates to a method for detecting a fill level of a measuring medium in a container. The invention also relates to a sensor element and the use of the sensor element in the method according to the invention.
Zur Bestimmung des Füllstands eines Messmediums in einem Behälter sind sogenannte Füllstandsmessgeräte bekannt. Eine Detektion des Füllstands wird häufig mit Schwimmerschaltern durchgeführt, wie im Stand der Technik beschrieben. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass mechanisch bewegte Teile verwendet werden. Diese weisen mitunter eine hohe Fehleranfälligkeit auf, insbesondere bei Flüssigkeiten, welche Partikeln oder Schlamm umfassen, was gegebenenfalls zu einem Ausfall des Sensors, bzw. einer Notwendigkeit der Reinigung des Sensors führt.So-called fill level measuring devices are known for determining the fill level of a measuring medium in a container. The level is often detected using float switches, as described in the prior art. The disadvantage of this method is that mechanically moving parts are used. These occasionally have a high susceptibility to errors, in particular in the case of liquids which contain particles or sludge, which may lead to failure of the sensor or a need to clean the sensor.
Im Stand der Technik sind weitere Arten zur Füllstandsmessung bekannt, beispielsweise eine Messung des Füllstands mittels vibronischen Schwinggabeln. Auch ist es bekannt, den Füllstand kontaktlos zu bestimmen, beispielsweise mittels Ultraschall- oder Radarverfahren, oder mittels kapazitiven und/oder optischen Messungen.Other types of fill level measurement are known in the prior art, for example a measurement of the fill level by means of vibronic vibrating forks. It is also known to determine the fill level without contact, for example by means of ultrasound or radar methods, or by means of capacitive and / or optical measurements.
Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren vorzustellen, welches die zuverlässige Detektion, bzw. die Bestimmung eines Füllstands eines Messmediums in einem Behälter ohne die Verwendung beweglicher Teile ermöglicht.The invention is based on the object of presenting an alternative method which enables the reliable detection or determination of a fill level of a measuring medium in a container without the use of moving parts.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 oder 2, und durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 8 gelöst.The object is achieved by a method according to
Hinsichtlich des Verfahrens ist eine erste Heizstruktur oder ein mit der ersten Heizstruktur verbundenes Kontaktierungselement an einem Behälter auf Höhe des festzustellenden Füllstands angebracht, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur auf die Umgebung der ersten Heizstruktur ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß mit zumindest einem Referenzwert verglichen wird und wobei das Erreichen des Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium die erste Heizstruktur, bzw. das Kontaktierungselement, kontaktiert, das Maß für den Wärmeübertrag den zumindest einen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.With regard to the method, a first heating structure or a contacting element connected to the first heating structure is attached to a container at the level of the fill level to be determined, a measure of heat transfer from the first heating structure to the surroundings of the first heating structure being determined, the determined measure being at least a reference value is compared and the reaching of the filling level is indicated by the fact that in the event that the measuring medium contacts the first heating structure or the contacting element, the measure for the heat transfer exceeds or falls below the at least one reference value.
Hinsichtlich eines alternativen Verfahrens ist eine erste Heizstruktur am Behälter angebracht, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur auf die Umgebung der ersten Heizstruktur zum Bestimmen des aktuellen Füllstands ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß aus dem Grad der Benetzung durch das Messmedium der Kontaktfläche der ersten Heizstruktur mit dem Messmedium resultiert.With regard to an alternative method, a first heating structure is attached to the container, a measure for a heat transfer from the first heating structure to the surroundings of the first heating structure being determined to determine the current filling level, the determined measure from the degree of wetting by the measuring medium of the contact surface the first heating structure with the measuring medium results.
Beide Verfahrensvarianten bieten den Vorteil, dass der Füllstand des Messmediums in einem Behälter zuverlässig detektiert, bzw. bestimmt werden kann. Hierfür wird eine Wärmeleitungsmethode verwendet. Physikalisch wird der unterschiedliche Wärmeübergang, bzw. der Wärmeabtransport durch unterschiedliche Messmedien genutzt. Besonders zeigt sich dieser Unterschied bei einem gasförmigen Messmedium im Vergleich zu einem flüssigen Messmedium.Both method variants offer the advantage that the filling level of the measuring medium in a container can be reliably detected or determined. A conduction method is used for this. The different heat transfer or heat dissipation through different measuring media is used physically. This difference is particularly evident with a gaseous measuring medium compared to a liquid measuring medium.
Der entscheidende Vorteil gegenüber mechanischen und kapazitiven Systemen ist hierbei der Verzicht auf mechanisch bewegte Teile.The decisive advantage over mechanical and capacitive systems is that there are no mechanically moving parts.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizstruktur durch Einbringen einer elektrischen Leistung auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, wobei die hierfür benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags erfasst wird.According to an advantageous embodiment of one of the methods according to the invention, it is provided that the first heating structure is brought to a predetermined temperature by introducing electrical power, the electrical power required for this being recorded as a measure of the heat transfer.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizstruktur mit einer elektrischen Leistung definierter Menge mit einem definierten Zeitverlauf beaufschlagt und simultan die Temperatur der ersten Heizstruktur erfasst wird, wobei die Temperatur der ersten Heizstruktur als Maß des Wärmeübertrags unmittelbar nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung ermittelt wird, wobei die Steigung des Temperaturanstiegs als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird, oder wobei nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung eine Abklingkurve der Temperatur der ersten Heizstruktur als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird.According to an alternative advantageous embodiment of one of the methods according to the invention, it is provided that the first heating structure is subjected to an electrical power of a defined amount with a defined time curve and the temperature of the first heating structure is detected simultaneously, the temperature of the first heating structure as a measure of the heat transfer immediately after after the end of the application of the electrical power, the gradient of the temperature rise is determined as a measure of the heat transfer, or after the end of the application of the electrical power, a decay curve of the temperature of the first heating structure is determined as a measure of the heat transfer.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist eine temperaturfühlende Struktur vorgesehen, welche temperaturfühlende Struktur eine Umgebungstemperatur erfasst, wobei die erste Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die erste Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird.According to an alternative advantageous embodiment of one of the methods according to the invention, a temperature-sensing structure is provided which temperature-sensing structure detects an ambient temperature, the first heating structure being subjected to electrical power in such a way that the first heating structure is brought to a temperature which is a predefined amount is greater than the ambient temperature detected by the temperature-sensing structure, and the electrical power required for this is determined as a measure of the heat transfer.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 sieht vor, dass zumindest eine weitere Heizstruktur zum Feststellen von zumindest einem weiteren Füllstand auf Höhe des jeweils weiteren Füllstands an dem Behälter angebracht ist, wobei die weitere Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die weitere Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als ein Maß des Wärmeübertrags mit einem weiteren Referenzwert verglichen wird, und wobei das Erreichen des weiteren Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium die weitere Heizstruktur kontaktiert, die elektrische Leistung den weiteren Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.An advantageous embodiment of the method according to the invention according to
In einer bevorzugten Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Heizstruktur alternierend in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, wobei die erste Heizstruktur in dem ersten Betriebsmodus eine Umgebungstemperatur erfasst und wobei die erste Heizstruktur in dem zweiten Betriebsmodus mit der definierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird oder auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird.In a preferred embodiment of one of the methods according to the invention, the first heating structure is operated alternately in a first and in a second operating mode, the first heating structure detecting an ambient temperature in the first operating mode and the first heating structure having the defined electrical power applied in the second operating mode or is brought to the predetermined temperature.
Hinsichtlich des Sensorelements ist ein Sensorelement zur Messung der Temperatur eines Messmediums und/oder zur Erwärmung des Messmediums vorgesehen, umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte erste Heizstruktur, welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, eine auf der ersten Heizstruktur aufgebrachte Passivierungsschicht, wobei die erste Heizstruktur eine Widerstandsstruktur aufweist, welche zur Erfassung der Temperatur des Messmediums und/oder zur Erwärmung des Messmediums durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgestaltet ist, und ein Trägerelement, wobei das Substrat wärmeleitend mit dem Trägerelement verbunden ist.With regard to the sensor element, a sensor element for measuring the temperature of a measuring medium and / or for heating the measuring medium is provided, comprising a substrate, a first heating structure applied to the substrate, which consists of a material with a defined temperature coefficient, and a passivation layer applied to the first heating structure , wherein the first heating structure has a resistance structure which is designed to detect the temperature of the measurement medium and / or to heat the measurement medium by applying an electrical voltage, and a carrier element, wherein the substrate is connected to the carrier element in a thermally conductive manner.
Durch die wärmeleitfähige Verbindung des Substrats mit dem Trägerelement, welche beispielsweise einen Wärmeleitkleber oder durch ein Aufbringen des Substrats auf dem Trägerelement mittels Silbersinterns oder Vakuumlötens erzielt wird, wird eine Lunkerbildung vermieden, wodurch der Wärmeübergang von der ersten Heizstruktur ins Messmedium, bzw. vice versa verbessert wird. Dadurch wird ein Sensorelement erzielt, welches als Grenzschalter verwendet werden kann und welches nicht mehr, bzw. mit einem geringeren Aufwand gegenüber den bekannten Sensoren, justiert werden muss.The thermally conductive connection of the substrate to the carrier element, which is achieved, for example, by a thermally conductive adhesive or by applying the substrate to the carrier element by means of silver sintering or vacuum soldering, prevents the formation of voids, which improves the heat transfer from the first heating structure to the measuring medium, and vice versa becomes. As a result, a sensor element is achieved which can be used as a limit switch and which no longer has to be adjusted or which has to be adjusted with less effort than the known sensors.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Sensorelement zumindest eine weitere Heizstruktur aufweist, welche beabstandet von der ersten Heizstruktur auf dem Substrat aufgebracht ist.An advantageous embodiment of the sensor element according to the invention provides that the sensor element has at least one further heating structure which is applied to the substrate at a distance from the first heating structure.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine temperaturfühlende Struktur aufweist, welche temperaturfühlende Struktur beabstandet von der ersten Heizstruktur, bzw. von der zumindest einen weiteren Heizstruktur, auf dem Substrat aufgebracht ist.According to an advantageous embodiment of the sensor element according to the invention, it is provided that the sensor element has a temperature-sensing structure, which temperature-sensing structure is applied to the substrate at a distance from the first heating structure or from the at least one further heating structure.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Kontaktierungselement aufweist, wobei das Kontaktierungselement wärmeleitend mit der ersten Heizstruktur verbunden ist.According to an advantageous development of the sensor element according to the invention, it is provided that the sensor element has a contacting element, the contacting element being connected to the first heating structure in a thermally conductive manner.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente in einem diskreten Grenzschalter gelöst, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.Furthermore, the object is achieved by using one or more sensor elements according to the invention in a discrete limit switch, the limit switch comprising an electronic circuit which is designed to carry out the method according to the invention.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente in einem kontinuierlichen Grenzschalter, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.Furthermore, the object is achieved by using one or more sensor elements according to the invention in a continuous limit switch, the limit switch comprising an electronic circuit which is designed to carry out the method according to the invention.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
-
1 : ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements; -
2 : ein erstes Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; -
3 : einen schematischen Schaltplan für einen diskreten Grenzschalter; -
4 : ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines diskreten Grenzschalters; -
5 : ein zweites Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; -
6 : einen schematischen Schaltplan für einen diskreten Grenzschalter; -
7 : ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines diskreten Grenzschalters; -
8 : ein Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern mit mehreren messbaren Füllniveaus in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und -
9 : ein Ausführungsbeispiel, in welchem ein erfindungsgemäßen Sensorelement als kontinuierlicher Grenzschalter verwendet wird.
-
1 : an embodiment of a sensor element according to the invention; -
2 : a first embodiment of sensor elements according to the invention in discrete limit switches in connection with the method according to the invention; -
3 Figure 3 is a schematic circuit diagram for a discrete limit switch; -
4th : a first embodiment of a method according to the invention for operating a discrete limit switch; -
5 : a second embodiment of sensor elements according to the invention in discrete limit switches in connection with the method according to the invention; -
6th Figure 3 is a schematic circuit diagram for a discrete limit switch; -
7th : a second embodiment of a method according to the invention for operating a discrete limit switch; -
8th : an embodiment of sensor elements according to the invention in discrete Limit switches with several measurable filling levels in connection with the method according to the invention; and -
9 : an embodiment in which a sensor element according to the invention is used as a continuous limit switch.
Zum mechanischen und chemischen Schutz der ersten Heizstruktur
Mittels eines Schweißdrahts
Die der ersten Heizstruktur
Bei dem Behälter
Zu diesem Zweck wird das Sensorelement
Das erfindungsgemäße Messprinzip zum Feststellen, ob der vorbestimmte Füllstand
Zum Feststellen eines aktuellen Maßes eines Wärmeübertrags wird die erste Heizstruktur
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Heizstruktur
- Zu Beginn wird die erste
Heizstruktur 120 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Hierbei wird die erste Heizstruktur für eine festgelegte Zeit mit einer vorbestimmten elektrischen Leistung beaufschlagt. Gleichzeitig wird die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur120 erfasst. Die Leistung wird hierfür gepulst in die ersteHeizstruktur 120 eingebracht. Bei Einbringen der Leistung in die ersteHeizstruktur 120 wird der Messwiderstand überbrückt, so dass ausschließlich die ersteHeizstruktur 120 mit der elektrischen Leistung beaufschlagt wird. Anschließend wird die Überbrückung für eine kurze Zeit, in welcher keine elektrische Leistung eingebracht wird, abgeschaltet und die Spannung VR1 über dem Messwiderstand R1 bestimmt. Anschließend wird daraus die Temperatur der Heizstruktur bestimmt. Dieses gepulste Einbringen wird beispielsweise mit einer Pulsfrequenz von kleiner 10 Hz, insbesondere 1 Hz, durchgeführt.
- At the beginning is the
first heating structure 120 operated in the second operating mode. In this case, a predetermined electrical power is applied to the first heating structure for a specified time. At the same time, the current temperature of thefirst heating structure 120 detected. For this purpose, the power is pulsed into thefirst heating structure 120 brought in. When the power is introduced into thefirst heating structure 120 the measuring resistor is bridged, so that only thefirst heating structure 120 the electrical power is applied. The bridging is then switched off for a short time, in which no electrical power is introduced, and the voltage VR1 across the measuring resistor R1 is determined. The temperature of the heating structure is then determined from this. This pulsed introduction is carried out, for example, with a pulse frequency of less than 10 Hz, in particular 1 Hz.
In dem nachfolgenden zweiten Betriebsmodus wird der ersten Heizstruktur
In den ersten drei in
In
Das in
Die erste Heizstruktur
Diese Schaltung regelt die Temperatur TH der ersten Heizstruktur auf einen Wert, welcher um einen vorbestimmten Wert ΔT höher als die von der temperaturfühlenden Struktur
Die elektrische Schaltung ist derart ausgestaltet, dass die erste Heizstruktur mit einer dezidierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird, die zu einer Erwärmung der ersten Heizstruktur
Wie in
In einer ersten Variante sind auf dem Trägerelement
Die Heizstrukturen bilden nun mehrere unabhängige diskrete Grenzschalter. Statt, wie bisher beschrieben, eine dezidierte Höhe eines Füllstands zu detektieren, können nun, gemäß der Anzahl der Heizelemente, mehrere verschiedene Höhen
Die Ansteuerung und Auswertung mittels der Regel-/Auswerteeinheit kann analog des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgen. Ist eine Auswertung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, so muss eine zusätzliche, nicht in
In einer zweiten Variante werden mehrere unabhängige Sensorelemente 100' 300, 400' derart an der Innenseite des Behälters angebracht, dass die jeweiligen Heizstrukturen auf mehreren Höhen
Die Heizstrukturen bilden nun auch hier mehrere unabhängige diskrete Grenzschalter. Die Ansteuerung und Auswertung mittels der Regel-/Auswerteeinheit kann analog des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgen. Es kann hierbei eine gemeinsame Regel-/Auswerteeinheit oder eine Regel/Auswerteeinheit pro Sensorelement 100' 300,
Für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, das Sensorelement
Als Beispiel sei auf
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- SensorelementSensor element
- 110110
- SubstratSubstrate
- 120120
- erste Heizstrukturfirst heating structure
- 130130
- PassivierungsschichtPassivation layer
- 140140
- TrägerelementSupport element
- 150150
- LötschichtSolder layer
- 160160
- KontaktierungselementContacting element
- 170170
- Schweißdrahtwelding wire
- 180180
- temperaturfühlende Strukturtemperature-sensing structure
- 200200
- Behältercontainer
- 210210
- MessmediumMeasuring medium
- 220, 230, 240220, 230, 240
- vorbestimmte Höhen von Füllständenpredetermined heights of filling levels
- 300, 400300, 400
- weitere Sensorelementefurther sensor elements
- µCµC
- Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
Claims (13)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: KRATT-STUBENRAUCH, KAI, DR., DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KRATT-STUBENRAUCH, KAI, DR., DE |