DE202011109077U1 - Measuring arrangement for determining the distance between two components of a shock absorber device that are movable relative to each other along an axis - Google Patents
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Abstract
Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zwischen zwei längs einer Achse (Z) zueinander beweglichen Bauteilen (2, 3) einer Stoßdämpfervorrichtung (1), z. B. eines Kraftfahrzeugs, mit einer magnetischen Wechselfeldquelle (7), die fest an dem einen Bauteil (3) der Stoßdämpfervorrichtung (1) angeordnet ist, einer Magnetsensoranordnung (8), die fest an dem anderen Bauteil (2) der Stoßdämpfervorrichtung (1) angeordnet ist und mittels der ein charakteristisches magnetisches Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle (7) erfassbar ist, und eine Auswertevorrichtung (12), die an die Magnetsensoranordnung (8) angeschlossen ist und mittels der die von der Magnetsensoranordnung (8) erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle (7) auswert- und in einen Abstand (A) zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle (7) einerseits und der Magnetsensoranordnung (8) andererseits und damit in den Abstand zwischen den beiden Bauteilen (2, 3) der Stoßdämpfervorrichtung (1) umrechenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoranordnung (8) zumindest zwei Magnetfeldsensoren (9, 10) aufweist, die in einem festen Abstand (B) zueinander auf einer Bewegungsachse...Measuring arrangement for determining the distance between two components (2, 3) of a shock absorber device (1), for example, which are movable relative to each other along an axis (Z). As a motor vehicle, with an alternating magnetic field source (7) which is fixedly arranged on the one component (3) of the shock absorber device (1), a magnetic sensor assembly (8) fixed to the other component (2) of the shock absorber device (1) is arranged and by means of a characteristic magnetic alternating field signal of the alternating magnetic field source (7) can be detected, and an evaluation device (12) which is connected to the magnetic sensor arrangement (8) and by means of the magnetic sensor array (8) detected characteristic alternating magnetic field signals of the magnetic Alternating field source (7) evaluating and in a distance (A) between the magnetic alternating field source (7) on the one hand and the magnetic sensor assembly (8) on the other hand and thus in the distance between the two components (2, 3) of the shock absorber device (1) is convertible, characterized in that the magnetic sensor arrangement (8) has at least two magnetic field sensors (9, 10) , which at a fixed distance (B) to each other on a movement axis ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zwischen zwei längs einer Achse zueinander beweglichen Bauteilen einer Stoßdämpfervorrichtung, z. B. eines Kraftfahrzeugs, mit einer magnetischen Wechselfeldquelle, die fest an dem einen Bauteil der Stoßdämpfervorrichtung angeordnet ist, einer Magnetsensoranordnung, die fest an dem anderen Bauteil der Stoßdämpfervorrichtung angeordnet ist und mittels der ein charakteristisches magnetisches Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle erfassbar ist, und eine Auswertevorrichtung, die an die Magnetsensoranordnung angeschlossen ist und mittels der die von der Magnetsensoranordnung erfassten charakteristischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle auswert- und in einen Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits und damit in den Abstand zwischen den beiden Bauteilen der Stoßdämpfervorrichtung umrechenbar ist.The invention relates to a measuring arrangement for determining the distance between two along an axis mutually movable components of a shock absorber device, for. As a motor vehicle, with an alternating magnetic field source, which is fixedly arranged on the one component of the shock absorber device, a magnetic sensor arrangement which is fixedly arranged on the other component of the shock absorber device and by means of a characteristic magnetic alternating field signal of the magnetic alternating field source can be detected, and an evaluation device , which is connected to the magnetic sensor arrangement and by means of the detected by the magnetic sensor array characteristic alternating field signals of the alternating magnetic field source and in a distance between the magnetic alternating field source on the one hand and the magnetic sensor arrangement on the other hand and thus in the distance between the two components of the shock absorber device is convertible.
Mit aus dem Stand der Technik bekannten derartigen Messanordnungen, wie sie beispielsweise in der
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zwischen zwei längs einer Achse zueinander beweglichen Bauteilen einer Stoßdämpfervorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels der auch beim Vorhandensein von Störfeldern Distanzen von 200 bis 300 mm zuverlässig gemessen werden können.Based on the above-described prior art, the present invention seeks to provide a measuring arrangement for determining the distance between two along an axis mutually movable components of a shock absorber device available by means of the distance even in the presence of interference fields of 200 to 300 mm reliably can be measured.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Magnetsensoranordnung zumindest zwei Magnetfeldsensoren aufweist, die in einem festen Abstand zueinander auf einer Bewegungsachse angeordnet sind, auf und längs derselben die magnetische Wechselfeldquelle in Bezug auf die Magnetsensoranordnung bewegbar ist, und dass in der Auswertevorrichtung die in den zumindest zwei Magnetfeldsensoren erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale empfangbar und in ein Verhältnis zueinander setzbar sind, und das Verhältnis zwischen den zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen in den Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits und damit in den Abstand zwischen den beiden Bauteilen der Stoßdämpfervorrichtung umrechenbar ist.This object is achieved in that the magnetic sensor assembly comprises at least two magnetic field sensors which are arranged at a fixed distance to each other on a movement axis, on and along the same magnetic field source with respect to the magnetic sensor arrangement is movable, and that in the evaluation in the at least two magnetic field sensors detected characteristic alternating magnetic field signals can be received and set in relation to each other, and the ratio between the at least two characteristic alternating magnetic field signals in the distance between the alternating magnetic field source on the one hand and the magnetic sensor arrangement on the other hand, and thus in the distance between the two components of the shock absorber device convertible is.
Erfindungsgemäß wird das Verhältnis bzw. der Quotient zwischen den beiden in den beiden Magnetfeldsensoren der Magnetsensoranordnung erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale gebildet, wodurch ein dem genannten Abstand entsprechender Wert erhalten wird, der unabhängig von der absoluten Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle ist.According to the invention, the ratio or the quotient between the two characteristic magnetic alternating field signals detected in the two magnetic field sensors of the magnetic sensor arrangement is formed, whereby a value corresponding to the said distance is obtained which is independent of the absolute field strength of the alternating magnetic field source.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung der erfindungsgemäßen Messanordnung so gestaltet, dass das Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale analogtechnisch bildbar und in eine abstandsabhängige Spannung transformierbar ist.According to an advantageous embodiment, the evaluation device of the measuring arrangement according to the invention is designed so that the ratio of the at least two characteristic alternating magnetic field signals can be formed analogously and can be transformed into a distance-dependent voltage.
Alternativ ist es möglich, die Auswertevorrichtung mit einem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller auszugestalten, mittels dem das Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale berechenbar und dem berechneten Verhältnis der bestimmte Abstand zuordnungsbar ist.Alternatively, it is possible to design the evaluation device with a microprocessor or microcontroller, by means of which the ratio of the at least two characteristic alternating magnetic field signals can be calculated and assigned to the calculated ratio of the specific distance.
Im Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller der Auswertevorrichtung kann eine Tabelle abgespeichert werden, mittels der dem berechneten Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der bestimmte Abstand zugeordnet werden kann.In the microprocessor or microcontroller of the evaluation device, a table can be stored by means of which the calculated ratio of the at least two characteristic alternating magnetic field signals of the specific distance can be assigned.
Durch einen jedem Magnetfeldsensor zugeordneten Verstärker, der vorzugsweise als Lock-In-Verstärker ausgebildet sein kann, können die von den Magnetfeldsensoren erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale in einen für den jeweiligen Mikroprozessor oder Mikrocontroller geeigneten Spannungsbereich verstärkt werden, wobei mittels eines dem jeweiligen Magnetfeldsensor zugeordneten Filters, der vorzugsweise als Lock-In-Filter ausgebildet sein kann, das empfangene charakteristische magnetische Wechselfeldsignal von fremden Signalanteilen getrennt werden kann.By means of an amplifier associated with each magnetic field sensor, which may preferably be embodied as a lock-in amplifier, the characteristic alternating magnetic field signals detected by the magnetic field sensors can be amplified into a voltage range suitable for the respective microprocessor or microcontroller, wherein by means of a filter assigned to the respective magnetic field sensor, which may preferably be designed as a lock-in filter, the received characteristic alternating magnetic field signal can be separated from foreign signal components.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem möglichst geringen konstruktiv-technischen und damit wirtschaftlichen Aufwand herstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Auswertevorrichtung in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei mittels der Auswertevorrichtung im ersten Betriebsmodus auf der Grundlage der von den zumindest zwei Magnetfeldsensoren erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle der Abstand ermittelbar ist und wobei mittels der Auswertevorrichtung im zweiten Betriebsmodus auf der Grundlage des im ersten Betriebsmodus ermittelten Abstands und eines von einem der zumindest zwei Magnetfeldsensoren erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignals der magnetischen Wechselfeldquelle der variable Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits ermittelbar ist. Mittels eines vergleichsweise preiswerten Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers der Messanordnung kann eine sehr genaue Abstandsmessung auf der Grundlage des Empfangssignals der beiden Magnetfeldsensoren realisiert werden, die mit einem Zeitaufwand durchführbar ist, der für eine Niveauregulierung eines Kraftfahrzeugs im Stand ausreichend schnell ist. Für den Fall, dass dynamische Bewegungen von Fahrwerkskomponenten im Fahrbetrieb erfasst werden sollen, wird die Auswertevorrichtung dann im zweiten Betriebsmodus betrieben, in dem für die Signalverarbeitung und -auswertung lediglich das Empfangssignal eines Magnetfeldsensors der Magnetsensoranordnung verarbeitet wird. Im ersten Betriebsmodus wird somit eine sehr genaue aber langsame Messung realisiert. Während dieser Messung werden die Absolutwerte der Messspannungen erfasst und der Quotient bzw. das Verhältnis gebildet, um eine von der absoluten Feldstärke unabhängige Abstands- bzw. Entfernungsinformation zu erlangen. Aus der so erlangten Abstands- bzw. Entfernungsinformation kann aber wiederum auf die aktuelle absolute Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle rückgeschlossen werden, so dass in dem nachfolgenden zweiten Betriebsmodus für eine schnelle und dynamische Messung nur noch ein Empfangssignal eines Magnetfeldsensors erfasst, entsprechend der ermittelten Quellfeldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle skaliert und einem Abstand bzw. Weg zugeordnet werden muss.In order to produce the device according to the invention with the lowest possible constructional-technical and thus economic effort, it is advantageous if the evaluation device is operable in a first and in a second operating mode, wherein by means of the evaluation in the first operating mode on the basis of the at least two magnetic field sensors detected characteristic magnetic alternating field signals of the magnetic alternating field source, the distance is determined and wherein by means of the evaluation device in the second operating mode on the basis of the determined in the first mode of operation and a detected by one of the at least two magnetic field sensors characteristic magnetic Alternating field signal of the alternating magnetic field source, the variable distance between the alternating magnetic field source on the one hand and the magnetic sensor arrangement on the other hand can be determined. By means of a comparatively inexpensive microprocessor or microcontroller of the measuring arrangement, a very accurate distance measurement on the basis of the received signal of the two magnetic field sensors can be realized, which can be carried out with a time expenditure which is sufficiently fast for a level control of a motor vehicle. In the event that dynamic movements of suspension components are to be detected while driving, the evaluation device is then operated in the second operating mode in which only the received signal of a magnetic field sensor of the magnetic sensor arrangement is processed for signal processing and evaluation. In the first operating mode thus a very accurate but slow measurement is realized. During this measurement, the absolute values of the measurement voltages are detected and the quotient or ratio is formed in order to obtain distance information independent of the absolute field strength. From the distance or distance information obtained in this way, however, it is possible in turn to deduce the current absolute field strength of the alternating magnetic field source so that in the subsequent second operating mode only one received signal of a magnetic field sensor is detected for a fast and dynamic measurement, corresponding to the determined source field strength of the magnetic field The field source must be scaled and assigned to a distance or path.
Zweckmäßigerweise sind in der Auswertevorrichtung im ersten Betriebsmodus die in den zumindest zwei Magnetfeldsensoren erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale empfangbar und in ein Verhältnis zueinander setzbar und ist das Verhältnis zwischen den zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen in den Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits umsetzbar.Expediently, in the evaluation device in the first operating mode, the characteristic alternating magnetic field signals recorded in the at least two magnetic field sensors can be received and set in relation to one another and the ratio between the at least two characteristic alternating magnetic field signals can be converted into the distance between the alternating magnetic field source on the one hand and the magnetic sensor arrangement on the other hand.
Vorteilhaft sind in der Auswertevorrichtung im ersten Betriebsmodus Absolutwerte der als Messspannungen ausgebildeten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale erfassbar, wobei aus diesen Absolutwerten ein Quotient bildbar und so der von einer absoluten Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle unabhängige Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits berechenbar ist.In the evaluation device in the first operating mode, absolute values of the characteristic alternating magnetic field signals can advantageously be detected, wherein a quotient can be formed from these absolute values and thus the distance between the alternating magnetic field source on the one hand and the magnetic sensor arrangement independent of an absolute field strength of the alternating magnetic field source can be calculated.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist in deren Auswertevorrichtung im zweiten Betriebsmodus auf der Grundlage der im ersten Betriebsmodus der Auswertevorrichtung erfassten absoluten Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle und des von dem einen Magnetfeldsensor erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignals der magnetischen Wechselfeldquelle, das über die erfasste absolute Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle skalierbar ist, der variable Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits ermitttelbar.According to a further advantageous embodiment of the measuring arrangement according to the invention in the evaluation mode in the second operating mode on the basis of the detected in the first mode of the evaluation absolute field strength of the alternating magnetic field source and detected by the magnetic field sensor characteristic magnetic alternating field signal of the alternating magnetic field source, the above the detected absolute field strength the magnetic alternating field source is scalable, the variable distance between the alternating magnetic field source on the one hand and the magnetic sensor arrangement on the other hand ermitttelbar.
Die Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus kann mittels eines externen Steuersignals und/oder eines in der Auswertevorrichutng hinterlegten Algorithmus in Abhängigkeit von den charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen der zumindest zwei Magnetfeldsensoren der Magnetsensoranordnung realisierbar sein.The switching between the first and the second operating mode can be realized by means of an external control signal and / or a stored in the Auswertevorrichutng algorithm in response to the characteristic alternating magnetic field signals of the at least two magnetic field sensors of the magnetic sensor arrangement.
Eine weitere technische Verbesserung der erfindungsgemäßen Messanordnung ist erreichbar, wenn die Auswertevorrichtung eine Steuereinheit aufweist, mittels der die magnetische Wechselfeldquelle mit einem Trägersignal speisbar ist, wobei die Frequenz des Trägersignals erheblich größer, z. B. einhundertmal größer, als eine Frequenz eines dem charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignal entsprechenden niederfrequenten Nutzsignals der magnetischen Wechselfeldquelle ist, wobei ein Sendesignal der magnetischen Wechselfeldquelle das mit dem Nutzsignal der magnetischen Wechselfeldquelle modulierte, vorzugsweise amplitudenmodulierte, Trägersignal ist und wobei in der Auswertevorrichtung die Signalverarbeitung auf der Grundlage des niederfrequenten Nutzsignals durchführbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer guten magnetischen Kupplung durch die hohe Frequenz des Trägersignals und eine einfache Signalverarbeitung des Nutzsignals im niederfrequenten Bereich.A further technical improvement of the measuring arrangement according to the invention can be achieved if the evaluation device has a control unit, by means of which the alternating magnetic field source can be fed with a carrier signal, wherein the frequency of the carrier signal significantly larger, z. B. one hundred times greater than a frequency of the characteristic alternating magnetic field signal corresponding low frequency useful signal of the alternating magnetic field source, wherein a transmission signal of the alternating magnetic field source is modulated with the useful signal of the alternating magnetic field source, preferably amplitude modulated, carrier signal and wherein in the evaluation signal processing on the Basis of the low-frequency useful signal is feasible. This results in the advantage of a good magnetic coupling by the high frequency of the carrier signal and a simple signal processing of the useful signal in the low-frequency range.
Für die Rückgewinnung des Nutzsignals aus dem Sendesignal der magnetischen Wechselfeldquelle können alle bekannten Demodulationsverfahren verwendet werden, wobei die Auswertevorrichtung der erfindungsgemäßen Messanordnung hierzu eine Demodulationsstufe aufweist. Erfindungsgemäß ist der Einsatz preiswerter und relativ langsamer Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller für die Signalverarbeitung möglich.For the recovery of the useful signal from the transmission signal of the alternating magnetic field source, all known demodulation methods can be used, the evaluation device of the measuring arrangement according to the invention having a demodulation stage for this purpose. According to the invention, the use of inexpensive and relatively slow microprocessor or microcontroller for signal processing is possible.
Um die Störanfälligkeit der erfindungsgemäßen Messanordnung weiter zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit der Auswertevorrichtung die Frequenz des in die magnetische Wechselfeldquelle eingespeisten Trägersignals umschaltbar ist und wenn die Signalverarbeitung in der Auswertevorrichtung auf der Grundlage eines in der Auswertevorrichtung abgelegten Algorithmus unter Auswertung mehrerer, unterschiedliche Frequenzen des Trägersignals aufweisender Sendesignale durchführbar ist.In order to reduce the susceptibility of the measuring device according to the invention further, it is advantageous if the frequency of the fed into the magnetic alternating field source carrier signal is switchable by means of the control unit of the evaluation and if the signal processing in the evaluation on the basis of a stored in the evaluation algorithm using several , different Frequencies of the carrier signal exhibiting transmission signals is feasible.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Eine in
Die in
Die in
Hierzu ist am in
Die magnetische Wechselfeldquelle
Die Magnetsensoranordnung
Zu der Magnetsensoranordnung
Die beiden Magnetfeldsensoren
Das von den beiden Magnetfeldsensoren
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Feldstärke eines Magnetfeldes im Nahbereich in Luft mit dem Faktor 1/r3 abfällt, wobei r den Abstand zwischen der Quelle des Magnetfelds einerseits und dem magnetempfindlichen Sensorelement andererseits bezeichnet. Entsprechend ist bekannt, dass der Gradient eines Magnetfelds im Nahbereich in Luft mit dem Faktor 1/r4 abfällt.At this point, it should be noted that the field strength of a magnetic field at close range in air drops by the factor 1 / r 3 , where r denotes the distance between the source of the magnetic field on the one hand and the magnetically sensitive sensor element on the other hand. Accordingly, it is known that the gradient of a magnetic field at close range in air drops by a factor of 1 / r 4 .
Indem nun der Quotient bzw. das Verhältnis der beiden von den beiden Magnetfeldsensoren
Für die Signalverarbeitung und -auswertung weist die Messanordnung
Der Quotient bzw. das Verhältnis der von den beiden Magnetfeldsensoren
Auf die vorstehend genannte Delogarithmierung kann dann verzichtet werden, wenn die nachgeschaltete Applikation mit einer logarithmischen Weginformation arbeiten kann. Alternativ ist es möglich, die Signalauswertung bzw. -verarbeitung mittels eines Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers
Für die vorstehend erwähnte Verstärkung kann z. B. ein Lock-In-Verstärker
Bei der anhand der
Aufgrund der hohen Frequenz des Trägersignals ergibt sich eine gute magnetische Kopplung, wobei die Signalverarbeitung des die niedrige Frequenz aufweisenden Nutzsignals im niederfrequenten Bereich möglich ist. Die Rückgewinnung des dem charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignal entsprechenden Nutzsignals kann mittels aller bekannten Demodulationsverfahren in einer in der Auswertevorrichtung
Der bei der Auswertung der charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle
Um die Betriebssicherheit der vorstehend geschilderten erfindungsgemäßen Messanordnung
Im Betrieb der Stoßdämpfervorrichtung
Wenn z. B. eine Niveauregulierung eines Kraftfahrzeugs im Stand durchgeführt werden soll, ist es möglich, das vorstehend geschilderte Mess- und Auswertungs- sowie Verarbeitungsverfahren mittels eines preiswerten Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers vorzunehmen, wobei die charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale beider Magnetfeldsensoren
Sofern jedoch dynamische Bewegungen von Fahrwerkskomponenten im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erfasst werden sollen, muss die vorstehend geschilderte Messanordnung bzw. müssen ihr nachgeschaltete Applikationseinheiten mit Bewegungsfrequenzen von ca. 20 bis 30 Hz arbeiten können. Daher kann die vorstehend geschilderte erfindungsgemäße Messanordnung in zwei Betriebsmodi betrieben werden.If, however, dynamic movements of chassis components are to be detected while driving the motor vehicle, the above-described measuring arrangement or its downstream application units must be able to operate with movement frequencies of approximately 20 to 30 Hz. Therefore, the above-described measuring arrangement according to the invention can be operated in two operating modes.
Mittels der Auswertevorrichtung
Aus den derart gewonnenen Daten kann wiederum auf die momentane absolute Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle
Die Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi der Messanordnung
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- DE 102006046372 B3 [0002] DE 102006046372 B3 [0002]
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