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Dokumentenidentifikation DE10139646C2 18.06.2003
Titel Schaltung zur Bestimmung der Amplitude der ein elektrisches Gerät versorgenden Netzwechselspannung
Anmelder Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, 37603 Holzminden, DE
Erfinder Diederich, Olaf, 21465 Reinbek, DE
DE-Anmeldedatum 11.08.2001
DE-Aktenzeichen 10139646
Offenlegungstag 06.03.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse G01R 19/175
IPC-Nebenklasse H05B 1/02   H02M 1/08   H02M 5/22   G01R 19/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Bestimmung der Amplitude der ein elektrisches Gerät versorgenden Netzwechselspannung.

Die Leistung elektrischer Geräte, insbesondere die Heizleistung elektrischer Heizgeräte, wie Durchlauferhitzer, Wärmespeicher oder Wärmepumpen, oder die Drehzahl von Elektromotoren, hängt von der aktuellen Höhe der Netzspannung ab. Die von den Versorgungsunternehmen gelieferte Netzspannung liegt beispielsweise in einem Toleranzbereich von 230 V ± 10%. Die aktuelle Ausgangsleistung von nicht geregelten, sondern nur gesteuerten elektrischen Geräten hängt damit von der Amplitude der Netzspannung ab. Bei einem elektrischen Wasser-Durchlauferhitzer mit einer Nennleistung von beispielsweise 27 kW ergibt sich bei der in Rechnung zu stellenden Toleranz der Amplitude der Netzwechselspannung eine Ausgangsleistung von 27 kW ± 5,5 kW. Schwankungen der Amplitude der Netzwechselspannung im Toleranzbereich führen also zu sich erheblich ändernden Ausgangsleistungen, beispielsweise der Warmwassertemperatur eines Durchlauferhitzers.

Bei geregelten Durchlauferhitzern tritt dieses Problem nicht auf. Denn bei diesen wird als Regelgröße die Wasser-Auslauftemperatur erfasst und entsprechend dem jeweils eingestellten Sollwert und der sonstigen Störgrößen geregelt. Zur Erfassung der Auslauftemperatur sind jedoch aufwändige, kostenintensive Sensoren nötig. Diese arbeiten üblicherweise analog, so dass für die Verarbeitung der Ausgangssignale des Temperatursensors A/D-Wandler notwendig sind, um die Signale einem digital arbeitenden, das elektrische Gerät steuernden Mikrocontroller zuzuführen.

Im Prinzip lässt sich bei Durchlauferhitzern eine für den Nutzer hinreichend konstante Auslauftemperatur - entsprechend dem von ihm eingestellten Temperatur-Sollwert - auch ohne Regelung, sondern nur mit Steuerung erreichen. Denn die Temperaturschwankungen erzeugenden Störgrößen, wie Toleranzen der Heizwiderstände, Toleranzen oder Nichtlinearitäten des Einlauftemperaturfühlers, sind für jedes Gerät bekannt. Sie können bei der Endprüfung des Geräts, beispielsweise Durchlauferhitzers ermittelt werden und über entsprechende Korrekturfaktoren in einem dem Mikrocontroller zugeordneten Speicher (EEPROM) oder direkt im Mikrocontroller abgelegt werden. Hierzu sind verschiedene Techniken bekannt. Bei diesen Techniken kann jedoch nicht der auf die Ausgangsleistung, insbesondere die Ausgang-Warmwassertemperatur eines Durchlauferhitzers, wirkende, durch die Schwankung der Amplitude der Netzwechselspannung verursachte Störeinfluss berücksichtigt werden, weil die aktuelle Höhe der Amplitude Netzwechselspannung erst beim Betrieb des Geräts in unterschiedlicher Weise wirksam wird.

In der DE 36 01 555 C2 ist eine Steuereinrichtung eines elektrischen Durchlauferhitzers beschrieben. Durch diese Steuereinrichtung werden in einem Zyklus, der mehrere Netzvollwellen umfasst, zur Leistungssteuerung mehr oder weniger Netzhalbwellen auf die Heizkörper durchgeschaltet. Hierfür sind in einem elektronischen Speicher mehrere unterschiedliche Steuersignalmuster abgespeichert, die in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf auf elektrische Heizkörper durchgeschaltet werden.

In der DE 41 03 373 C2 ist ein Durchlauferhitzer beschrieben, bei dem vermieden ist, dass ein Defekt eines Leistungsschalters zu einer Beschädigung des Durchlauferhitzers führt. Hierfür ist eine Überwachungsschaltung vorgesehen, die das Netzspannungspotential überwacht und bei einem Defekt des Leistungsschalters ein späteres Einschalten verhindert. Eine Anpassung der Heizleistung an die aktuelle Netzspannung erfolgt dabei nicht.

Aus der DE 43 09 792 A1 ist eine vereinfachte Erfassung von Wechselgrößen durch eine Maßzahl erfasst. Gemessen wird die Zeitdauer, die zwischen dem Durchschreiten der Wechselgröße durch zwei konstante Schwellwerte vergeht. Verwendet ist eine Einrichtung mit einer Schwellwertstufe, zu der in Reihe eine Kippstufe, ein UND-Gatter sowie ein Zähler geschaltet sind.

Aus der EP 0 105 278 B1 ist eine Schaltung zum Konstanthalten der von einer Last unabhängig von der Spannung eines Wechselstromnetzes entnommenen Leistung vorgeschlagen. Dort ist eine Gleichrichtung der Sinuswellenform der Wechselspannung und eine entsprechende Weiterverarbeitung vorgeschlagen, was eine aufwändige Schaltung ist, die sich nur aufwändig mit einem digital arbeitenden Mikrocontroller vereinen lässt.

Aus der US 4,221,964 ist ein System zum Steuern der Amplitude einer sinusförmigen Hochfrequenzspannung mit einem Komparator bekannt, wobei am Komparator eine sinusförmige Hochfrequenzspannung anliegt und dem Komparator eine konstante Schwellwertspannung zugeordnet ist. Beim Über- und Unterschreiten der konstanten Schwellwertspannung erfolgt ein Wechsel des Logikpegels am Ausgang des Komparators In der DE 24 14 851 C3 ist eine Schaltung zur Konstanthaltung eines Effektivwertes einer Spannung beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der mit einfachen technischen Mitteln die Schwankung der Ausgangsleistung des elektrischen Geräts durch Aussteuerung des Einflusses der schwankenden Amplitude der Netzwechselspannung auf die Leistung des Geräts ausgeglichen wird.

Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Schaltung gemäß Anspruch 1 wird die aktuelle Höhe der Amplitude der Netzwechselspannung erkannt, ohne dass aufwändige Sensoren und eine eigentliche Regelung erforderlich sind. Je nach der erkannten aktuellen Höhe der Amplitude der Netzwechselspannung wird die Leistung des Geräts so gesteuert, dass das Gerät mit der gewünschten Sollleistung arbeitet. Der Einfluss der Amplitude der Netzwechselspannung auf die tatsächliche Leistung des Geräts, speziell die Auslaufwassertemperatur bei einem Durchlauferhitzer, ist dadurch unterdrückt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Geräts mit einem gesteuerten Heizkörper am einphasigen Wechselstromnetz,

Fig. 2a ein Spannungsdiagramm bei einer mittleren Amplitude der Netzspannung,

Fig. 2b ein Spannungsdiagramm bei einer höheren Amplitude der Netzspannung,

Fig. 2c ein Spannungsdiagramm bei einer niedrigeren Amplitude der Netzspannung und

Fig. 3 ein Funktionsschaltbild des elektrischen Geräts, insbesondere Durchlauferhitzers.

Bei dem elektrischen Gerät, insbesondere Durchlauferhitzer, steuert ein Mikrocontroller 1 über eine Steuerelektronik 2 einen Leistungshalbleiter 3, beispielsweise einen Triac. Der Leistungshalbleiter 3 schaltet einen Heizkörper 4, der am Wechselstromnetz L, N liegt. In Fig. 1 ist nur ein Heizkörper 4 am einphasigen Netz zur Vereinfachung der Darstellung gezeigt. Es könnten jedoch, wie an sich bekannt, auch Heizkörper an den drei Phasen des Netzes vorgesehen sein.

Der Mikrocontroller 1 weist, neben anderen, nicht dargestellten Eingängen, einen Eingang 5 einer Logikpegelstufe auf, die einen nicht linearen Innenwiderstand Ri hat. An den Eingang 5 ist die Netzwechselspannung UN über einen ohmschen Vorwiderstand Rv gelegt, die um den Faktor x gegenüber der Netzspannung herabgesetzt sein kann. Am Eingang 5 entsteht die Eingangsspannung u (vgl. Fig. 1, Fig. 2a-2c).

Am Mikrocontroller 1 liegt zu dessen Betrieb eine stabilisierte Versorgungs-Gleichspannung Uv von beispielsweise 5 V an. An der Logikpegelstufe wirkt eine Schwellwertspannung Us, die unterhalb der Versorgungsspannung liegt und beispielsweise 2,5 V beträgt.

Dabei ergibt sich folgender Spannungsverlauf (vgl. Fig. 2a):

Der Eingang 5 wird während der positiven Netzhalbwelle entsprechend der Dimensionierung des Vorwiderstandes Rv durch die Eingangsspannung u positiv übersteuert, d. h. mit einer Spannung beaufschlagt, die in der positiven Netzhalbwelle über die Versorgungsspannung Uv geht. Während der negativen Netzhalbwelle steht am Eingang 5 eine Eingangsspannung u an, die unterhalb der Versorgungsspannung Uv liegt. Dieser Betriebszustand liegt an sich außerhalb der Spezifikation des Mikrocontrollers 1. Dieser Betriebszustand ist jedoch zulässig, wenn sichergestellt ist, dass der Strom am Eingang 5 (I/O-Pin) einen in der Spezifikation des Mikrocontrollers 1 genannten Wert nicht überschreitet. Diese Betriebsbedingung lässt sich durch entsprechende Bemessung des Vorwiderstands Rv gewährleisten.

Zum Zeitpunkt t0 liegt der Nulldurchgang der Netzwechselspannung UN vor. Übersteigt die Eingangsspannung u den Schwellwert Us, dann schaltet die Logikpegelstufe von 0 auf 1. Dies ist im Zeitpunkt t1 der Fall (vgl. Fig. 2a). Zwischen t0 und t1 besteht eine Verzögerungszeit tv. Die Verzögerungszeit ist bei einem verwendeten Mikrocontroller 1 konstant - wenn sich die Netzspannung nicht ändert - und unterliegt auch innerhalb einer Fertigungsserie des Mikrocontrollers 1 höchstens geringen Schwankungen. Dadurch, dass die Schwellwertspannung konstant ist, ergibt sich bei konstanter Netzwechselspannung UN eine konstante Verzögerungszeit tv zwischen t0 und t1. Wenn sich jedoch die Netzspannung UN ändert, ändert sich auch die Verzögerungszeit tv. Der Zeitpunkt t0 muss nicht unbedingt im Nulldurchgang liegen. Er kann auch durch eine andere zeitlich oder spannungsmäßig festgelegte Stelle im Verlauf der Netzwechselspannung definiert sein.

Im Zeitpunkt t2 unterschreitet die Eingangsspannung u den Schwellwert Us. Damit schaltet der Logikpegel von 1 auf 0. Danach erfolgt im Zeitpunkt t3 der nächste Nulldurchgang. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 besteht eine Verzögerungszeit tv'. Diese ist im Regelfall gleich der Verzögerungszeit tv. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 liegt also für eine Zeitdauer ti der Logikpegel 1 der Logikpegelstufe vor. Diese Zeitdauer ti misst der Mikrocontroller 1 mittels eines Zeitzählers. Die Zeitdauer ti ist leichter messbar als die Verzögerungszeit tv. Die Verzögerungszeit tv ist direkt nur schwer messbar, da der Nulldurchgang nur durch besondere Mittel erfassbar ist.

Dem Mikrocontroller 1 ist die Periodendauer der üblicherweise konstanten Netzfrequenz bekannt. Ist neben Amplitudenschwankungen der Netzspannung auch mit Abweichungen der Netzfrequenz zu rechnen, dann kann der Mikrocontroller 1 die aktuelle Periodendauer erfassen.

Aus der Periodendauer tp und der Zeitdauer ti errechnet der Mikrocontroller 1 die Verzögerungszeit tv nach folgender Formel:



tv = 1/2(tp/2 - ti).

Anstelle der Errechnung wäre es auch möglich, im Mikrocontroller 1 eine entsprechende Tabelle abzulegen, in der die Werte für die Verzögerungszeit tv in Abhängigkeit von den Zeitdauern ti und ggf. tp gespeichert sind.

Da die Verzögerungszeit tv von der jeweiligen Scheitelspannung Um der Netzwechselspannung abhängt, lässt sich vom Mikrocontroller 1 aus der Verzögerungszeit tv die Amplitude Um der aktuellen Netzwechselspannung UN errechnen. Dies geschieht im Mikrocontroller 1 nach folgender Formel:



Um = Us/sin(2pitp/tv).

Auch dieser Rechenvorgang kann ersetzt werden durch eine entsprechende im Mikrocontroller 1 gespeicherte Wertetabelle.

Auf die beschriebene Weise ist der aktuelle Wert der Amplitude Um der Netzwechselspannung ermittelt. Alternativ kann in entsprechender Weise statt der Amplitude Um auch der Effektivwert der Netzwechselspannung ermittelt werden.

In Fig. 2a ist davon ausgegangen, dass die Amplitude Um beim Nennwert liegt. Demgegenüber ist in Fig. 2b der Fall einer Überspannung gezeigt. Die auftretende Amplitude Umo ist dementsprechend größer als die Amplitude Um. Dementsprechend wird von der Eingangsspannung u der Schwellwert Us schneller erreicht, so dass sich die Verzögerungszeiten tvo und tv'o verkürzen, wodurch sich die Zeitdauer tio des Logikpegels 1 verlängert.

In Fig. 2c ist der Fall einer Unterspannung gezeigt. Die Amplitude Umu der Netzwechselspannung ist damit kleiner als die Amplitude Um in der Fig. 2a. Dementsprechend erreicht die Eingangsspannung u den konstanten Schwellwert Us später und unterschreitet ihn früher, d. h. die Verzögerungszeiten tvu und tv'u sind länger als in Fig. 2a. Dementsprechend ist die Zeitdauer tiu, in der der Logikpegel 1 auftritt, kürzer als im Fall der Fig. 2a und der Fig. 2b. Es ist also:



tvu > tv > tvo



tiu < ti < tio.

Im Funktionsbild der Fig. 3 ist die Funktion der Schaltung zur Steuerung eines Heizkörpers 4 verdeutlicht.

Auf eine Funktionsstufe 6 des Mikrocontrollers 1, die die genannte Logikpegelstufe beinhaltet, wirkt die aktuelle Netzspannung. Die Funktionsstufe 6 kennt als Eingangsgröße den Vorwiderstand Rv, den Innenwiderstand Ri und den Schwellwert Us. Sie ermittelt aus der jeweiligen Zeitdauer ti und der Periodendauer tp die Verzögerungszeit tv in der oben beschriebenen Weise.

Eine nächste Funktionsstufe 7 des Mikrocontrollers 1 ermittelt aus der Verzögerungszeit tv und der Periodendauer tp sowie dem Schwellwert Us die Amplitude Um der aktuellen Netzwechselspannung. Dies kann, wie oben angegeben, durch Berechnung oder mittels einer entsprechenden im Mikrocontroller 1 abgelegten Tabelle erfolgen. Da der Mikrocontroller 1 digital arbeitet, ist die Amplitude Um durch einen binären Wert dargestellt. Bei einem üblichen 8-Bit-System sind maximal 256 Werte möglich. Für höhere Genauigkeiten ließen sich 10-Bit- oder 12-Bit-Systeme verwenden.

Zur Weiterverarbeitung der aktuellen Amplitude Um ist eine Steuertabelle 8 vorgesehen, die in Spalten die möglicherweise auftretenden aktuellen Werte der Amplitude der Netzspannungswerte enthält. Bei einem 8-Bit-System mit 256 Werten kann ein Bereich der Netzwechselspannung von 128 V bis 256 V in 256 Schritten, also Schritten zu je 1/2 V, also sehr genau, erfasst werden. Die Spalten werden je nach der aktuellen Amplitude der Netzspannung angesprochen bzw. adressiert.

In den Zeilen der Steuertabelle 8 sind Kennwerte für die gewünschte bzw. nötige Sollleistung abgelegt. Zur Vorgabe der gewünschten Sollleistung ist eine Sollwert-Steuerstufe 9 vorgesehen. Diese ermittelt - bei einem Durchlauferhitzer - aus einer gemessenen Wasser- Einlauftemperatur Te und einer vom Nutzer eingestellten Solltemperatur Ts sowie einer vom Nutzer eingestellten, je Zeiteinheit gemessenen Wasserdurchflussmenge V die erforderliche Sollleistung Ps.

Entsprechend der jeweiligen Sollleistung Ps werden die Zeilen der Steuertabelle 8 adressiert. Die Zeilen enthalten jeweils für die gleiche Sollleistung Ps in den Spalten je unterschiedliche Leistungskennwerte, die derart vorbestimmt sind, dass bei den möglichen unterschiedlichen Amplituden der Netzspannungen im Endergebnis auf den Heizkörper 4 die zum Erreichen der jeweils gewünschten Sollleistung Ps nötige Leistung geschaltet wird.

An die Steuerelektronik 2 wird der zum Erreichen der Sollleistung Ps bei der aktuellen Amplitude der Netzwechselspannung nötige Kennwert gelegt. Die Steuerelektronik 2 bildet dann die zeitlichen Steuermuster, mit denen der Leistungshalbleiter 3 den Heizkörper 4 ein- und ausschaltet. Dadurch ist der Heizkörper 4 am Beispiel eines Durchlauferhitzers - ohne Regelkreis - so gesteuert, dass er unter Berücksichtigung der aktuellen Amplitude der Netzwechselspannung, der Durchlaufmenge und der Temperatur des durchlaufenden Wassers dieses auf die gewünschte Solltemperatur bringt.

Um die gewünschte Funktionsweise zu optimieren, können folgende Kalibrierungen vorgenommen werden:

Bei einem gefertigten Gerät lassen sich Störgrößen, wie Widerstandstoleranzen des Heizkörpers 4 und Toleranzen und/oder Nichtlinearitäten des die Wasser-Einlauftemperatur Te erfassenden Temperaturfühlers auf einem Endprüfstand ermitteln und über Korrekturfaktoren oder Regressionstabellen in einen Speicher, beispielsweise EEPROM, oder direkt im Mikrocontroller 1 ablegen, so dass sie im Betrieb entsprechend berücksichtigt bzw. korrigiert werden.

Außerdem kann bei der Endprüfung des Geräts eine schaltungstechnisch bedingte Unsymmetrie, d. h. Ungleichheit, zwischen der Verzögerungszeit tv und der Verzögerungs tv' durch Kalibrierung korrigiert werden. Weiterhin können andere Fehler, wie Ungenauigkeiten des Oszillators des Mikrocontrollers 1, mittels einer automatischen Kalibrierung korrigiert werden. Für die Kalibrierung wird eine oder mehrere Referenzspannungen an die Schaltung gelegt. Die sich bei der Kalibrierung ergebenden Korrekturwerte werden in der Schaltung gespeichert und bei der Ermittlung der aktuellen Werte berücksichtigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltung zur Bestimmung der Amplitude der ein elektrisches Gerät versorgenden Netzwechselspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwechselspannung an einen Eingang (5) einer Logikpegelstufe angelegt ist, der eine konstante Schwellwertspannung (Us) zugeordnet ist, bei deren Überschreiten und Unterschreiten ein Wechsel des Logikpegels erfolgt, wobei sich zwischen einer zeitlich oder spannungsmäßig festgelegten Stelle im Verlauf der Netzwechselspannung (UN) und einem Wechsel des Logikpegels eine Verzögerungszeit (tv) ergibt, deren Dauer von der Amplitude der Netzwechselspannung (UN) abhängt, und dass die Schaltung die jeweilige Verzögerungszeit (tv) ermittelt und aus dieser die Amplitude der Netzwechselspannung (UN) errechnet oder aus einer vorbereiteten Tabelle ausliest und die Verzögerungszeit (tv) aus der der Netzfrequenz entsprechenden, bekannten oder gemessenen Periode (tp) der Netzwechselspannung und derjenigen Zeitdauer (ti) ermittelt, die zwischen aufeinanderfolgenden Wechseln des Logikpegels liegt, wobei die Schaltung diese Zeitdauer (ti) misst.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Stelle der Nulldurchgang des Verlaufs der Netzwechselspannung (UN) ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikpegelstufe eine Eingangsstufe eines Mikrocontrollers (1) ist.
  4. 4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwechselspannung (UN) über einen Vorwiderstand (Rv) an die Logikpegelstufe angelegt ist.
  5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand (Rv) im Verhältnis zum Innenwiderstand (Ri) der Logikpegelstufe derart bemessen ist, dass der Eingang (5) der Logikpegelstufe bei positiven Halbwellen der Netzwechselspannung mit einer Spannung beaufschlagt ist, die die Versorgungsspannung (Uv) des Mikrocontrollers (1) überschreitet, und der Eingang (5) bei negativen Halbwellen der Netzwechselspannung mit einer Spannung beaufschlagt ist, die unterhalb der Versorgungsspannung (Uv) liegt, und dass der Vorwiderstand (Rv) derart bemessen ist, dass der in den Eingang (5) fließende Strom einen für den Mikrocontroller (1) spezifizierten Wert nicht überschreitet.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller (1) die zwischen aufeinanderfolgenden Logikpegelwechseln liegende Zeitdauer (ti) mittels einer Zeitzählung erfasst.
  7. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (1) wenigstens einen Leistungsschalter (3) des Geräts, insbesondere Durchlauferhitzers, entsprechend von Leistungssollwerten (Ps) ansteuert, wobei der Mikrocontroller (1) die Ansteuerung des Leistungsschalters (3) an die Amplitude der Netzwechselspannung (UN) anpasst, wobei, insbesondere bei einem Durchlauferhitzer, der jeweilige Leistungssollwert (Ps) von einer eingestellten bzw. gemessenen Durchlaufmenge (V), einer eingestellten Wasser-Solltemperatur (Ts) und einer gemessenen Wasser- Einlauftemperatur (Te) abhängt.
  8. 8. Schaltung nach einem der Ansprüche 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher des Mikrocontrollers (1) eine Tabelle (8) von Ansteuermustern für die möglichen Leistungs-Sollwerte abgelegt ist und dass in der Tabelle (8) mögliche Amplituden der Netzwechselspannung (UN) abgelegt sind, wobei der Mikrocontroller (1) den/die Leistungsschalter (3) jeweils mit einem Kennwert ansteuert, der dem jeweiligen Leistungs-Sollwert (Ps) und der Amplitude der Netzwechselspannung (UN) zugeordnet ist.
  9. 9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung die Amplitude der Netzwechselspannung oder den Effektivwert der Netzwechselspannung errechnet oder ermittelt.






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