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Dokumentenidentifikation EP0718814 16.08.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0718814
Titel Verfahren und Anordnung zum Detektieren einer Flamme
Anmelder Siemens Building Technologies AG, Zürich, CH
Erfinder Thuillard, Dr. Marc Pierre, CH-8708 Männedorf, CH
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 59409799
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, IT, LI, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 19.12.1994
EP-Aktenzeichen 941200834
EP-Offenlegungsdatum 26.06.1996
EP date of grant 11.07.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.08.2001
IPC-Hauptklasse G08B 17/12

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Flamme durch Analyse der Intensitätsanderung der von der Flamme ausgesandten Strahlung, wobei ausserhalb eines bestimmten Frequenzbandes liegende Signale als Störsignale bewertet werden.

Verfahren dieser Art benutzen also das typische Flackern der Flammen in einem sehr niederfrequenten Schwingungsbereich als Merkmal zur Unterscheidung zwischen der von einer Flamme ausgesandten Strahlung und Störstrahlung. Die Festlegung des Frequenzbandes erfolgt im einfachsten Fall durch dem Sensor für die ausgesandte Strahlung vorgeschaltete Filter oder durch diesem nachgeschaltete frequenzselektive Verstärker, wobei in beiden Fallen ein bestimmter Durchlassbereich von beispielsweise 5 bis 25 Hz erhalten wird. Selbst wenn das Frequenzband optimal auf das Flackern von Flammen abgestimmt ist, sind Störungen und Fehlanzeigen relativ häufig, weil es immer wieder vorkommt, dass zufällige Intensitätsänderungen der Umgebungsstrahlung im Durchlassbereich liegen. Derartige Intensitätsänderungen können beispielsweise durch Abschattungen oder Reflexe von vibrierenden oder sich langsam bewegenden Gegenständen, durch Reflexe des Sonnenlichts an Wasseroberflächen oder durch flackernde oder schwankende Lichtquellen verursacht sein.

In der US-A-3,739,365 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem die Anfälligkeit auf Störlicht dadurch verbessert wird, dass zwei Typen von Sensoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit verwendet werden und die Differenz der Ausgangssignale der Sensoren in einem begrenzten niederfrequenten Schwingungsbereich gebildet wird.

Die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass die Möglichkeit der Beeinflussung durch andere Strahlungsquellen und damit auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen noch immer relativ gross ist, weil nämlich das Auftreten von Störstrahlung im kritischen Frequenzbereich nicht ausgeschlossen werden kann. Aus diesem Grund ist bei modernen Flammenmeldern der kritische Frequenzbereich auf wenige, sehr schmale Frequenzbänder beschränkt. So werden beispielsweise bei einem in der US-A-4,280,058 beschriebenen Flammenmelder nur Emissionen im Wellenlängenbereich von etwa 4,4 µm, das ist der für die Verbrennung von Kohlendioxid typische Spektralbereich, für die Alarmierung ausgewertet, was aber nicht ausschliesst, dass eine gerade in diesem Spektralbereich auftretende Störstrahlung einen Fehlalarm auslösen kann.

Durch die Erfindung sollen nun ein Verfahren der eingangs angegebenen Art angegeben werden, welches eine eindeutige und sichere Identifizierung und damit Ausschaltung von Störstrahlung ermöglicht und somit eine hohe Fehlalarmsicherheit aufweist, und welches ausserdem möglichst universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Frequenz der Strahlung analysiert und dabei die Mitten- und Grenzfrequenz ermittelt und nach periodischen und nicht-periodischen Signalen unterschieden wird, und dass periodische Signale mit einer Mittenfrequenz oberhalb eines ersten und nicht-periodische Signale mit einer Grenzfrequenz oberhalb eines zweiten Frequenzwerts als Störsignale bewertet werden, wobei der erste Frequenzwert durch die Flackerfrequenz einer stationären Flamme mit einer der zu detektierenden Mindestgrösse entsprechenden Grösse bestimmt ist und der zweite Frequenzwert grösser als der erste gewählt wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren geht von der Tatsache aus, dass einerseits jede Flamme Zwei Zustände aufweisen kann, und zwar einen stationären Zustand, der in der Regel dann vorliegt, wenn die Flamme stabil und ungestört brennt (sogenannte periodische Flamme), und einen quasistationären Zustand, in dem die Flamme unstabil brennt (sogenannte nicht-periodische Flamme), und dass andererseits eine periodische Flamme ein Frequenzspektrum mit einer ausgeprägten Frequenzspitze und eine nicht-periodische Flamme ein breitbandiges Spektrum mit einer Maximal- oder Grenzfrequenz aufweist.

Für die potentiellen Störstrahler gelten ähnliche Überlegungen: Es gibt Störquellen, wie beispielsweise Schweissapparate oder durch Blätter fallende Sonnenstrahlen, mit einem sehr breiten Fourierspektrum, und es gibt andere Störquellen, wie beispielsweise eine Lampe beim Anzünden oder von einem Ventilator bewegte heisse Luft, mit einer schmalen Frequenzspitze.

Die genannten Tatsachen bilden die Basis für die Erkenntnis von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Diese durch experimentelle Untersuchungen erhärtete Erkenntnis besteht darin, dass die Frequenz einer periodischen Flamme etwa ein Drittel bis die Hälfte der Grenzfrequenz einer nicht-periodischen Flamme von der gleichen Grösse beträgt. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird nun sowohl für periodische als auch für nicht-periodische Signale ein Kriterium für die Unterdrückung der Störsignale festgelegt.

Die Erfindung betrifft weiter einen Flammenmelder zur Durchführung des genannten Verfahrens, mit mindestens einem Sensor für die von der Flamme ausgesandte Strahlung, und mit einer dem mindestens einen Sensor nachgeschalteten Auswerteelektronik. Der erfindungsgemässe Flammenmelder ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik Mittel zur Analyse der empfangenen Strahlung und von deren Mitten- und Grenzfrequenz und zur Verknüpfung der Sensorsignale mit diesen Frequenzen aufweist.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Flammenmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch einen Mikroprozessor gebildet sind, und dass dieser Mikroprozessor einen Fuzzy-Controller enthält.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1
das Spektrum der Flackerfrequenz einer periodischen und einer nicht-periodischen Flamme,
Fig. 2
ein Beispiel für die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion der Grenzfrequenz des Spektrums von Fig. 1; und
Fig. 3
ein Blockschema eines erfindungsgemässen Flammenmelders.

Es ist bekannt, dass die Flackerfrequenz einer Flamme in erster Näherung nur vom Flammendurchmesser abhängig ist, wobei diese Beziehung für verschiedenste Brennstoffe, wie beispielsweise alle kohlenstoffwasserhaltigen Flüssigkeiten, Festkörper (PMMA) oder Helium gilt und für Flammendurchmesser von 1cm bis zu 100m experimentell bestätigt ist. Wenn man das Fourierspektrum von Flammen bestimmt, dann erhält man eines von zwei typischen Spektren, entweder ein Spektrum mit einer ausgeprägten, schmalen Spitze oder ein breitbandiges, "verwaschenes" Spektrum ohne Spitze. Diese beiden Arten von Spektren sind in Fig. 1 dargestellt, wobei auf der Abszisse die Frequenz ω und auf der Ordinate die Amplitude F(ω) aufgetragen ist.

Das voll ausgezogen eingezeichnete Spektrum mit der ausgeprägten Spitze hat eine Mittenfrequenz ωmp und eine obere Grenzfrequenz ωgp, wobei gilt: ωgp ≈ ωmp Ein Spektrum dieser Art ist typisch für eine ungestört und stabil brennende, sogenannte periodische Flamme, wobei die Mitterfrequenz ωmp bei einem Flammendurchmesser von 10cm unterhalb von 5 Hz liegt und mit zunehmendem Durchmesser langsam abnimmt. Das durch eine gestrichelt eingezeichnete Umhüllende angedeutete breitbandige Spektrum besitzt ebenfalls eine Mittenfrequenz und eine Grenzfrequenz, die mit ωmc beziehungsweise ωgc bezeichnet sind.

Ein solches breitbandiges Spektrum ist typisch für eine Flamme in einem unstabilen oder nicht-stationären Zustand; eine derartige Flamme wird im folgenden als nicht-periodisch bezeichnet. Darstellungsgemäss ist die Grenzfrequenz ωgc des breitbandigen Spektrums höher als die Mittenfrequenz ωmp der periodischen Flamme. Es gilt also: ωgc > ωmp Wie Untersuchungen der Fourierspektren einer Vielzahl von Flammen gezeigt haben, gilt für die Grenzfrequenz ωgc ausserdem noch die Beziehung: ωgc < 3ωmp Das Auftreten der Grenzfrequenz ωgc bei einer nicht-periodischen Flamme kann folgendermassen erklärt werden: Wenn eine Flamme ungestört brennt und sich im stationären Zustand befindet, dann sind auch die diese Flamme bildenden Konvektionszellen nach Anzahl und Grösse stationär, und die Flamme weist eine konstante Flackerfrequenz ω&sub1; auf, wobei gilt ω&sub1; ≈ ωmp ≈ ωgp. Wenn aber die Flamme äusseren Einflüssen, wie zum Beispiel Wind, ausgesetzt ist, dann können sich die Konvektionszellen teilen oder sie können Aggregate aus mehren Zellen bilden, wobei beiden Vorgängen eine Grenze gesetzt sein wird.

Die vorstehenden Überlegungen führen zusammen mit den Formeln 1 bis 3 zum Ergebnis, dass das (breitbandige) Spektrum einer nicht-periodischen Flamme mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Frequenzen enthalten wird, die höher sind als das Dreifache der Flackerfrequenz ωo einer gleich grossen stationären Flamme. Und diese Flackerfrequenz ωo kann für den konkreten Fall berechnet und daher als bekannt vorausgesetzt werden. Die Berechnung erfolgt nach der Formel: ωo ≈ K √g/D In dieser Formel bezeichnet K einen Faktor, g die Erdanziehung und D die Grösse der Flamme ausgedrückt durch den Durchmesser desjenigen schalenförmigen Behälters, in dem eine Flüssigkeit mit einer Flamme der betreffenden Grösse brennt. Man kann K und g zusammenfassen und erhält dann die folgende Beziehung für ωo: ωo ≦ 1.5/√D Aus Formel 5 ergibt sich für einen Schalendurchmesser von 0.1 m für ωo ein Wert von 4.7 Hz. Wenn man die Flackerfrequenz misst, dann kommt man zu tieferen Werten.

Zur Einstellung des Melders wird zuerst der minimale Durchmesser des zu detektierenden Feuers oder Brandes bestimmt. Wenn dieser beispielsweise 10 cm betragen soll, dann liegt die Frequenz ωmp ≈ ωgp einer periodischen Flamme unterhalb von 5 Hz und die Grenzfrequenz ωgc der gleich grossen nicht-periodischen Flamme wird sicher nicht oberhalb von 15 Hz liegen. Dann werden zwei Grenzwerte G&sub1; und G&sub2; für periodische bzw. für nicht-periodische Störsignale festgelegt; der Grenzwert G&sub1; für periodische Störsignale vorzugsweise gemäss Formel 2 mit G&sub1; > ωmp, also bei etwa 5 Hz, und der Grenzwert G&sub2; für nicht-periodische Störsignale gemäss Formel 3 mit G&sub2; > 3ωmp beispielsweise bei etwa 15 Hz.

Im Betrieb wird das vom Sensor des Melders erzeugte Signal auf seine Periodizität untersucht und einer der beiden Klassen periodisch oder nicht-periodisch zugeteilt und jeweils mit dem betreffenden Grenzwert G&sub1; bzw. G&sub2; verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts als Störsignal bewertet. Die Untersuchung des Signals auf Periodizität oder Nicht-Periodizität erfolgt beispielsweise dadurch, dass man die Differenz Grenzfrequenz minus Mittenfrequenz bildet und diese Differenz durch die Grenzfrequenz dividiert. Liegt der Quotient in der Grössenordnung von Einem, dann handelt es sich um ein nicht-periodisches Signal; liegt er deut-lich unter eins, dann handelt es sich um ein periodisches Signal.

Die Parametrierung der Sensorsignale erfolgt durch Festlegung der drei Grössen:

   Quadratsignal xi² ( xi2 = Σxi2 , i: 1...10)

   Mitterfrequenz ωm des Fourierspektrums (ωm = ωmp)

   Grenzfrequenz ωg des Fourierspektrums (ωg = ωgc).

Grundsätzlich kann nun eine erste Art der Signalauswertung anhand der folgenden Kriterien erfolgen:

  • Das Quadratsignal muss einen bestimmten Mindestwert übersteigen, damit die Auswertung gestartet wird.
  • Untersuchung der Signale auf die Eigenschaft periodisch/nicht periodisch und entsprechende Klassierung.
  • Unterdrückung aller periodischen Signale mit einer Mittenfrequenz ωm > G&sub1; (G&sub1; > ωmp).
  • Unterdrückung aller nicht-periodischen Signale mit einer Grenzfrequenz ωg > G&sub2; (G&sub2; > 3ωmp).

Diese Art der Signalauswertung würde eine weitgehende Unterdrückung von potentiellen Störsignalen und damit eine hohe Fehlalarmsicherheit garantieren. Man kann die Fehlalarmsicherheit und die Zuverlässigkeit weiter verbessern, wenn man die Signalauswertung mittels einer Fuzzy-Logik vornimmt. Die Grundlagen der Fuzzy-Logik werden als bekannt vorausgesetzt (siehe beispielsweise das Buch "Fuzzy Set Theory and its Applications" von H.-J. Zimmermann, Kluver Academic Publishers, 1991 oder die europäische Patentanmeldung 94113876.0 der Cerberus AG). Es sei hier nur daran erinnert, dass der zentrale Begriff der Fuzzy-Logik die Fuzzy-Sets oder unscharfen Mengen sind, wobei die Zugehörigkeit von Elementen zu einem Fuzzy-Set durch die sogenannte Zugehörigkeits- oder Membershipfunktion definiert ist. Während bei scharfen Mengen eine Eins Zugehörigkeit und eine Null Nichtzugehörigkeit bedeutet, sind bei den Fuzzy-Sets als Werte für die Zugehörigkeitsfunktion nicht nur null und eins, sondern beliebige Werte dazwischen zugelassen.

Die Umwandlung von scharfen Zahlen in unscharfe Mengen wird als Fuzzyfizierung bezeichnet. Bei dieser hat jede Eingangsvariable, das ist eines der oben genannten Signale, mindestens eine als Matrix abgebildete sogenannte Zugehörigkeitsfunktion Die x-Skalierung dieser Funktion hat eine Entsprechung im jeweiligen Signal, und die y-Skalierung entspricht dem Wahrheitsgehalt oder dem Grad der Annäherung an die jeweilige Aussage und kann jeden Wert von 0 bis 1 annehmen.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Definition der Zugehörigkeitsfunktion der Grenzfrequenz ωg für einen Flammendurchmesser von 10 cm, basierend auf den höheren, berechneten Grenzwerten. Für das Quadratsignal xi² und die Mittenfrequenz ωm des Fourierspektrums werden ähnliche Zugehörigkeitsfunktionen definiert, und schliesslich werden die Fuzzy-Regeln für die Auswertung dieser drei Grössen aufgestellt. Die Fuzzy-Regeln können beispielsweise folgendermassen lauten:

  • Wenn [ g - ωm)/ωg = gross und ωg = klein oder mittel und xi2 = gross ], dann Flamme.
  • Wenn [ g - ωm)/ωg = gross und ωg = gross und xi2 = gross ], dann breitbandiger Störer.
  • Wenn xi² = klein, dann Normalzustand.
  • Wenn [ g - ωm)/ωg = klein und ωg = klein und xi2 = gross ], dann Feuer.
  • Wenn [ g - ωm)/ωg = klein und ωg = mittel oder gross und xi2 = gross ], dann periodischer Störer.

Die Bestimmung der Frequenzen ωm und ωg kann mit einer schnellen Fouriertransformation (FFT) oder mit einfacheren und/oder schnelleren Verfahren wie beispielsweise Zero Crossing (Bestimmung der Nulldurchgänge) oder Bestimmung des Abstands zwischen den Spitzen oder Wavelet Analyse oder spektrale Analyse (siehe dazu M. Kunt: Traitement Numérique des Signaux, Presses Polytechniques Romandes) erfolgen.

Flammenmelder detektieren bekanntlich die Flammenstrahlung möglicher Brandorte, wobei diese Flammenstrahlung, die eine Wärme- und damit eine Infrarotstrahlung ist, durch direkte oder indirekte Einstrahlung zum Melder gelangt. Die Melder enthalten in der Regel zwei pyroelektrische Sensoren, die auf zwei verschiedene Wellenlängen empfindlich sind. Der erste Sensor reagiert auf die infrarotaktiven Flammengase im charakteristischen CO&sub2;-Spektralbereich von 4.1 bis 4.7µm, die beim Abbrand von kohlenstoffhaltigen Materialien entstehen, und der zweite Sensor misst die Infrarotenergie im Wellenlängenbereich von 5 bis 6µm, die von Störquellen, wie beispielsweise Sonnenlicht, künstlichem Licht oder Heizstrahlern, ausgestrahlt wird.

Fig. 3 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Flammenmelders, der im wesentlichen aus einem infrarotempfindlichen Sensor 1, einem Verstärker 2 und aus einem einen A/D-Wandler enthaltenden Mikroprozessor oder Mikrocontroller 3 besteht. Dem einen Impedanzwandler aufweisenden Sensor 1 ist ein Filter 4 vorgeschaltet, das nur für Strahlung aus dem genannten charakteristischen CO&sub2;-Spektralbereich, vorzugsweise für eine Wellenlänge von 4.3µm, durchlässig ist. Die auf den Sensor 1 auftreffende Strahlung dieser Wellenlänge, erzeugt am Ausgang des Sensors ein entsprechendes Spannungssignal, das nach Verstärkung im Verstärker 2 in den Mikroprozessor 3 gelangt und dort ausgewertet wird. Dieser Mikroprozessor legt nun die drei Grössen Quadratsignal xi², Mittenfrequenz ωm und Grenzfrequenz ωg fest und wertet diese Grössen aus, wobei die Signalauswertung auf die schon erwähnte erste Art oder mittels einer Fuzzy-Logik erfolgen kann.

Im letzteren Fall enthält der Microprozessor (Mikrocontroller) 3 einen Fuzzy-Controller, der in bekannter Weise eine Regelbasis mit den weiter vorne angegebenen Fuzzy-Regeln und eine Inferenzmaschine enthält. Selbstverständlich kann der Flammenmelder auch mehr als einen Sensor, beispielsweise also 2 Sensoren, aufweisen.

Der beschriebene Flammenmelder hat den Vorteil, dass die Untersuchung der Periodizität der Flackerfrequenz und die Ermittlung der Mitten- und Grenzfrequenz und deren Vergleich mit den beiden Frequenzwerten G&sub1; und G&sub2; ein einfaches Kriterium für die Unterscheidung zwischen Nutzstrahlung und Störstrahlung liefert. Die Signalauswertung mittels Fuzzy-Logik bietet den zusätzlichen Vorteil, dass relativ einfache Algorithmen verwendet werden können, wodurch der Rechen- und Speicheraufwand in einem bescheidenen Rahmen bleibt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Detektion einer Flamme durch Analyse der Intensitätsänderung der von der Flamme ausgesandten Strahlung, wobei ausserhalb eines bestimmten Frequenzbandes liegende Signale als Störsignale bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Strahlung analysiert und dabei die Mitten- und Grenzfrequenz (ωmp, ωmc; ωgp, ωgc) ermittelt und nach periodischen und nicht-periodischen Signalen unterschieden wird, und dass periodische Signale mit einer Mittenfrequenz (ωmp) oberhalb eines ersten (G&sub1;) und nicht-periodische Signale mit einer Grenzfrequenz (ωgc) oberhalb eines zweiten Frequenzwerts (G&sub2;) als Störsignale bewertet werden, wobei der erste Frequenzwert durch die Flackerfrequenz einer stationären Flamme mit einer der zu detektierenden Flammen-Mindestgrösse entsprechenden Grösse bestimmt ist und der zweite Frequenzwert grösser als der erste gewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des ersten Frequenzwerts (G&sub1;) die Flackerfrequenz einer stationären Flamme der genannten Mindestgrösse berechnet, und dass der erste Grenzwert grösser gewählt wird als diese Flackerfrequenz.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzwert (G&sub2;) nicht kleiner als der dreifache Wert der genannten Flackerfrequenz und damit etwa dreimal so gross wie der erste Frequenzwert (G&sub1;) gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterscheidung nach periodischen und nicht-periodischen Signalen der Quotient aus der Differenz der Grenzfrequenz minus der Mittenfrequenz (ωg - ωm) geteilt durch die Grenzfrequenz (ωg) gebildet, und dass die Grösse dieses Quotienten als Kriterium für die Periodizität oder Nicht-Periodizität der Signale verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse der Frequenz der Strahlung durch eine schnelle Fouriertransformation, durch Ermittlung der Nulldurchgänge oder durch spektrale Analyse erfolgt.
  6. Flammenmelder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Sensor (1) für die von der Flamme ausgesandte Strahlung, und mit einer dem mindestens einen Sensor nachgeschalteten Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik Mittel zur Analyse der empfangenen Strahlung und von deren Mitten- und Grenzfrequenz (ωmp, ωmc; ωgp, ωgc) und zur Verknüpfung der Sensorsignale mit diesen Frequenzen aufweist.
  7. Flammenmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch einen Mikroprozessor (3) gebildet sind, und dass dieser Mikroprozessor einen Fuzzy-Controller enthält.
  8. Flammenmelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuzzy-Controller eine oder mehrere der folgenden Fuzzy-Regeln enthält:
    • Wenn Sensorsignal klein, dann Normalzustand.
    • Wenn [Signal nicht periodisch und Grenzfrequenz (ωgc) gross und Sensorsignal gross], dann Flamme.
    • Wenn [Signal nicht periodisch und Grenzfrequenz (ωgc) gross und Sensorsignal gross], dann breitbandiger Störer.
    • Wenn [Signal periodisch und Grenzfrequenz (ωgp) klein und Sensorsignal gross], dann Feuer.
    • Wenn [Signal periodisch und Grenzfrequenz (ωgp) mittel oder periodisch und Sensorsignal gross], dann periodischer Störer.






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