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1. WO2020120092 - CORIOLIS-MESSAUFNEHMER EINES CORIOLIS-MESSGERÄTS UND EIN CORIOLIS-MESSGERÄT

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Coriolis-Messaufnehmer eines Coriolis-Messgeräts und ein Coriolis-Messgerät

Die Erfindung betrifft einen Coriolis-Messaufnehmer eines Coriolis-Messgeräts zum Erfassen eines Massedurchflusses oder einer Dichte eines durch mindestens ein Messrohr des Coriolis-Messgeräts strömenden Mediums und ein solche Coriolis-Messgerät.

Kemkomponenten eines Coriolis-Messaufnehmers sind Schwingungserreger und

Schwingungssensoren, welche häufig ein Magnetsystem mit einer Spulenvorrichtung und einer Magnetvorrichtung aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, miteinander über elektromagnetische Felder wechselwirken. Diese Wechselwirkung wird dazu ausgenutzt, im Falle eines Erregers zumindest ein Messrohr zum Schwingen anzuregen, oder im Falle eines Sensors eine Schwingung mindestens eines Messrohrs zu erfassen.

Die noch unveröffentlichte DE102018119941 .4 zeigt einen Coriolis-Messaufnehmer mit einem Magnetsystem, bei welchem ein hufeisenförmiger Magnet dazu eingerichtet ist, eine

Spulenvorrichtung mit einer Spule mit einem homogenen Magnetfeld zu beaufschlagen, welches Magnetfeld senkrecht zu einer Querschnittsebene der Spule ausgerichtet ist. Homogene

Magnetfelder haben den Nachteil, dass Relativbewegungen zwischen Spule und Magnet nicht gut detektierbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Coriolis-Messaufnehmer sowie ein Coriolis-Messgerät vorzuschlagen, welches eine höhere Sensorempfindlichkeit aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Coriolis-Messaufnehmer gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Coriolis-Messgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 15.

Ein erfindungsgemäßer Coriolis-Messaufnehmer eines Coriolis-Messgeräts zum Erfassen eines Massedurchflusses oder einer Dichte eines durch mindestens ein Messrohr des Coriolis-Messgeräts strömenden Mediums, umfasst:

das mindestens eine Messrohr mit einem Einlauf und einem Auslauf, welches dazu eingerichtet ist, das Medium zwischen Einlauf und Auslauf zu führen;

mindestens einen Erreger, welcher dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messrohr zu

Schwingungen anzuregen;

mindestens zwei Sensoren, welche dazu eingerichtet sind, die Schwingungen mindestens eines Messrohrs zu erfassen;

wobei mindestens ein Erreger sowie mindestens ein Sensor jeweils eine Spulenvorrichtung mit jeweils mindestens einer Spule, sowie jeweils eine Magnetvorrichtung aufweisen, wobei die Magnetvorrichtung und die Spulenvorrichtung relativ zueinander bewegbar sind,

wobei der Messaufnehmer ein Trägerkörper aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messrohr zu halten,

wobei die Magnetvorrichtung eine magnetisch leitfähige Halterung, insbesondere ferromagnetische Halterung für Magnete und zumindest ein erstes Paar Magnete aufweist, welche auf einer ersten Seite der Spulenvorrichtung an der Halterung angeordnet sind,

wobei die Magnete jeweils dazu eingerichtet sind, ein Magnetfeld senkrecht zu einer

Querschnittsebene der Spule zu verursachen,

wobei das Magnetfeld eines ersten Magneten des Paars entgegengesetzt zum Magnetfeld eines zweiten Magneten des Paars orientiert ist.

Durch die lokale Kombination zweier entgegengesetzter, benachbarter Magnetfelder führen bereits kleine Relativbewegungen zu einer deutlichen Induktion einer elektrischen Spannung in der Spulenvorrichtung. In Folge dessen sind erfindungsgemäße Sensoren hochsensibel für solche Relativbewegungen.

Die magnetisch leitfähige Halterung ist dazu eingerichtet, magnetische Feldlinien der Magnete des ersten Paars zusammenzuführen.

Die Magnete sind beispielsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung oder aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung gefertigt.

In einer Ausgestaltung weist die Halterung eine U-Form mit einem ersten Ausleger und einem zweiten Ausleger und einer die Ausleger verbindenden Basis auf,

wobei die Halterung die Spulenvorrichtung umgreift, so dass der erste Ausleger bzgl. eines Spulenquerschnitts auf einer ersten Seite der Spulenvorrichtung angeordnet ist, und wobei der zweite Ausleger auf einer zweiten Seite der Spulenvorrichtung angeordnet ist,

wobei das erste Paar Magnete auf einer Innenseite des ersten Auslegers angeordnet ist.

Insbesondere sind die Magnete des ersten Paars entlang einer Relativbewegung bzgl. der Spulenvorrichtung orientiert.

Der zweite Ausleger nimmt aufgrund seiner magnetischen Leitfähigkeit die Magnetfelder der Magnete des ersten Paars auf führt magnetische Feldlinien zusammen.

In einer Ausgestaltung ist ein zweites Paar Magnete auf einer Innenseite des zweiten Auslegers angeordnet und steht dem ersten Paar Magnete gegenüber,

wobei sich gegenüberstehende Magnete jeweils ein gleichgerichtetes Magnetfeld verursachen.

Auf diese Weise lässt sich eine Magnetfeldstärke im Bereich der Spulenvorrichtung erhöhen und eine schärfe räumliche Trennung zwischen den gegensätzlich orientierten Magnetfeldern erreichen.

In Folge dessen sind erfindungsgemäße Sensoren noch sensibler für solche Relativbewegungen.

In einer Ausgestaltung weist die mindestens eine Spule einen Zentralbereich und einen den Zentralbereich umfassenden Windungsbereich auf,

wobei in einem Ruhezustand des mindestens einen Messrohrs eine Grenze zwischen den

Magneten eines Paars projiziert auf die Querschnittsebene zumindest abschnittsweise im

Zentralbereich befindlich ist.

Die Spulenvorrichtung kann beispielsweise eine gesinterte Multilayerspulenvorrichtung sein, welche eine Leiterplattenvorrichtung mit mehrere Leiterplatten aufweist, wobei die Spule auf einer oder mehreren Leiterplatten zumindest abschnittsweise mittels einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn ausgebildet ist.

In einer Ausgestaltung weisen die Magnete jeweils eine Kontaktfläche aufweisen, mittels welcher Kontaktfläche sie mit der Halterung kontaktiert sind,

wobei die Kontaktfläche mindestens eines Magnets eines jeweiligen Paars eine erste geometrische Struktur aufweist, und wobei die Halterung im Bereich der jeweiligen Kontaktfläche eine zweite geometrische Struktur aufweist, welche zumindest abschnittsweise invers zur jeweiligen ersten geometrischen Struktur ist,

wobei die erste geometrische Struktur uneben ist.

Auf diese Weise kann die Haftung der Magnete an der Halterung verbessert werden.

In einer Ausgestaltung weist die erste geometrische Struktur zumindest abschnittsweise eine konkave oder konvexe Krümmung auf,

und/oder die erste geometrische Struktur weist mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Vertiefung auf, wobei der Vorsprung und/oder die Vertiefung einen runden oder rechteckigen oder vieleckigen Querschnitt aufweist.

In einer Ausgestaltung sind die Magnete im Bereich ihrer jeweiligen Kontaktflächen zumindest abschnittsweise mit der Halterung befestigt,

wobei die Befestigung auf mindestens einer der folgenden Techniken basiert:

Löten, Sintern, Schweißen, Kleben, Punkten, Schrumpfen, Einpressen

In einer Ausgestaltung wird der Magnet geklebt, wobei der Kleber insbesondere ein Keramikkleber ist.

Beispielsweise kann ein Kleber des Unternehmens Aremco unter den Bezeichnung Ceramabond verwendet werden,

In einer Ausgestaltung ist die Spule eines Erregers dazu eingerichtet, die zugehörige

Magnetvorrichtung mit einer Kraft zu beaufschlagen, und wobei die Magnetvorrichtung eines Sensors dazu eingerichtet ist, in der Spule der zugehörigen Spulenvorrichtung eine elektrische Spannung zu induzieren.

In einer Ausgestaltung weist der Messaufnehmer zwei Sammler auf, wobei ein erster Sammler auf einer stromaufwärtsgerichteten Seite des Messaufnehmers dazu eingerichtet ist, ein aus einer Rohrleitung in den Messaufnehmer einströmendes Medium aufzunehmen und zum Einlauf des mindestens einen Messrohrs zu führen,

wobei ein zweiter Sammler dazu eingerichtet ist, das aus dem Auslauf des mindestens einen Messrohrs austretende Medium aufzunehmen und in die Rohrleitung zu führen.

In einer Ausgestaltung weist der Messaufnehmer zwei Prozessanschlüsse, insbesondere Flansche auf, welche dazu eingerichtet sind, den Messaufnehmer mit einer Rohrleitung zu verbinden.

In einer Ausgestaltung ist die Magnetvorrichtung mechanisch mit dem zugehörigen Messrohr verbunden, und wobei die Spulenvorrichtung bzgl. des Einlaufs bzw. Auslaufs translatorisch sowie rotatorisch fixiert ist.

In einer Ausgestaltung weist der Messaufnehmer ein Messrohr auf,

wobei die Halterung / die Spulenvorrichtung des Sensors bzw. Erregers jeweils am Messrohr befestigt ist,

und wobei die Spulenvorrichtung / die Halterung des Sensors bzw. Erregers jeweils am

Trägerkörper befestigt sind,

oder wobei der Messaufnehmer ein Messrohrpaar aufweist, wobei die Halterung / die

Spulenvorrichtung des Sensors bzw. Erregers jeweils an einem ersten Messrohr befestigt sind, und die Spulenvorrichtung / die Halterung jeweils an einem zweiten Messrohr befestigt sind.

In einer Ausgestaltung weist der Coriolis-Messaufnehmer zwei Messrohrpaare auf.

Ein erfindungsgemäßes Coriolis-Messgerät umfasst einen erfindungsgemäßen Coriolis-Messaufnehmer;

eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Spulen und gegebenenfalls zugehörige Temperaturmessvorrichtung elektrisch zu beaufschlagen, wobei die Beaufschlagung der Spule sowie der Temperaturmessvorrichtung mittels separater elektrischer Verbindungen oder mittels eines Multiplexings bewerkstelligt ist,

wobei die mindestens eine elektrische Verbindung eines Sensors bzw. Erregers mittels einer Kabelführung zur elektronischen Mess-/Betriebsschaltung geführt ist,

wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung weiter dazu eingerichtet ist, Durchflussmesswerte und/oder Dichtemesswerte zu ermitteln und bereitzustellen,

wobei das Messgerät insbesondere ein Elektronikgehäuse zum Behausen der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung aufweist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Fig. 1 skizziert den Aufbau eines typischen Coriolis-Messgeräts;

Fig. 2 a) zeigt eine Aufsicht auf eine Spulenvorrichtung, und Figs. 2b) und 2c) zeigen jeweils eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Spulenvorrichtung und einer

Magnetvorrichtung;

Figs. 3 a) bis d) zeigen verschiedene beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungen eines Magnets;

Fig. 1 skizziert den Aufbau eines Coriolis-Messgeräts 1 mit einem beispielhaften

erfindungsgemäßen Coriolis-Messaufnehmer 10, wobei der Messaufnehmer zwei Messrohre 11 mit jeweils einem Einlauf 1 1.1 und einem Auslauf 1 1.2, eine Erreger 12, zwei Sensoren 13, zwei Sammler 22 und zwei Prozessanschlüsse 23 aufweist. Der Erreger ist dazu eingerichtet, die beiden Messrohre senkrecht zu einer jeweils durch die bogenförmig ausgestalteten Messrohre definierten Messrohrlängsebene zum Schwingen anzuregen. Die Sensoren sind dazu eingerichtet, die den Messrohren aufgeprägte Schwingung zu erfassen. Ein erster Sammler 22.1 auf einer

stromaufwärtsgerichteten Seite des Messaufnehmers ist dazu eingerichtet, ein aus einer Rohrleitung in den Messaufnehmer einströmendes Medium aufzunehmen und zu den Einläufen der beiden Messrohre zu führen, ein zweiter Sammler 22.2 ist dazu eingerichtet, das aus den Ausläufen der beiden Messrohre austretende Medium aufzunehmen und in die Rohrleitung zu führen. Die Sammler ihrerseits münden jeweils in einen Prozessanschluss 23, welcher wie hier gezeigt Flansche 23.1 sein können. Die Prozessaufnehmer sind dazu eingerichtet, den Coriolis-Messaufnehmer bzw. das Coriolis-Messgerät mit einer Rohrleitung zu verbinden.

Der Coriolis-Messaufnehmer ist mit einem Elektronikgehäuse 80 des Coriolis-Messgeräts verbunden, welches dazu eingerichtet ist, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 77 zu behausen, welche Mess-/E3etriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Erregeranordnung sowie die Sensoranordnungen zu betrieben und auf Basis von mittels der Sensoranordnungen gemessenen Schwingungseigenschaften des Messrohrs Durchflussmesswerte und/oder Dichtemesswerte zu ermitteln und bereitzustellen. Die Erregeranordnung sowie die Sensoranordnungen sind mittels elektrischer Verbindungen 24 mit der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung verbunden. Die elektrischen Verbindungen 24 können jeweils durch Kabelführungen 25 zusammengefasst sein.

Der Coriolis-Messaufnehmer weist ferner eine Fixiervorrichtung 21 auf, welche dazu eingerichtet ist, äußere Schwingungsknoten von Messrohrschwingungen zu definieren.

Ein erfindungsgemäßes Coriolis-Messgerät ist nicht auf das Vorhandensein zweier Messrohre beschränkt. So sind auch Einrohr- oder Mehrrohrsysteme mit mehr als zwei Rohren denkbar.

Die Spulenvorrichtungen bzw. Magnetvorrichtungen sind über dafür vorgesehene

Befestigungsvorrichtungen entweder an einem entsprechenden Messrohr oder beispielsweise am Trägerkörper befestigt. Der Fachmann wird eine Befestigungsvorrichtung gemäß seinen

Bedürfnissen bzw. gemäß technischer Anforderungen Einrichten.

Fig. 2 a) zeigt eine Aufsicht auf eine Spulenvorrichtung 14 mit einer Spule 14.2. Die Spule weist einen Windungsbereich 14.22 und einen Zentralbereich 14.21 frei von Windungen der Spule auf. Die Spulenvorrichtung kann beispielsweise eine gesinterte Multilayerspulenvorrichtung sein, welche eine Leiterplattenvorrichtung mit mehrere Leiterplatten aufweist, wobei die Spule auf einer oder mehreren Leiterplatten zumindest abschnittsweise mittels einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn ausgebildet ist.

Fig. 2 b) zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Spulenvorrichtung 14 und einer Magnetvorrichtung 15. Die Spulenvorrichtung und die Magnetvorrichtung sind parallel zu einer Querschnittsebene der Spule relativ zueinander bewegbar, so dass Messrohrschwingungen zu einem zeitlich variierenden Magnetfeld im Bereich der Spulenvorrichtung führen. Die

Magnetvorrichtung weist eine magnetisch leitfähige Halterung 15.3 sowie zumindest ein erstes Paar Magnete 15.1 mit einem ersten Magnet 15.1 1 und einem zweiten Magnet 15.12 auf, welche auf einer ersten Seite 14.11 der Spulenvorrichtung an der Halterung befestigt sind. Der erste Magnet und der zweite Magnet sind räumlich nahe beieinanderliegend oder sich berührend an der Halterung befestigt dergestalt, dass die von ihnen verursachten Magnetfelder gegensätzlich und jeweils senkrecht zur Querschnittsebene der Spule orientiert sind. Der erste Magnet und der zweite Magnet sind dabei entlang der Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet. Die magnetisch leitfähige, insbesondere ferromagnetische Halterung 15.3 ist dazu eingerichtet, magnetische Feldlinien zusammenzuführen, und weist kein wesentliches inhärentes Magnetfeld auf. Die Gegensätzlichkeit der Magnetfelder der beiden Magnete sorgt in einem Grenzbereich der Magnete für ein räumlich stark inhomogenes Gesamtmagnetfeld, wobei die Inhomogenität senkrecht zur Querschnittsebene der Spule verläuft. Durch die lokale Kombination zweier entgegengesetzter, benachbarter

Magnetfelder führen bereits kleine Relativbewegungen zwischen Spulenvorrichtung und

Magnetvorrichtung zu einer deutlichen Induktion einer elektrischen Spannung in der

Spulenvorrichtung. In Folge dessen sind erfindungsgemäße Sensoren hochsensibel für solche Relativbewegungen.

Bevorzugt befindet sich einem Ruhezustand des mindestens einen Messrohrs eine Grenze zwischen den Magneten eines Paars projiziert auf eine Querschnittsebene der Spule zumindest abschnittsweise im Zentralbereich befindlich. Auf diese Weise wird eine Auswirkung einer

Relativbewegung auf die Spule bzgl. der Induktion einer elektrischen Spannung verstärkt. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine räumliche Ausdehnung des ersten Paars Magnete entlang der Bewegungsrichtung der Relativbewegung größer ist als der Zentralbereich der Spule.

Die Halterung kann wie hier gezeigt, eine U-Form aufweisen mit einem ersten Ausleger 15.31 und einem zweiten Ausleger 15.32 und einem die Ausleger verbindenden Basis 15.33, wobei die Halterung die Spulenvorrichtung umgreift, so dass der erste Ausleger bzgl. eines Spulenquerschnitts auf einer ersten Seite der Spulenvorrichtung 14.1 1 angeordnet ist

Fig. 2 c) zeigt eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Spulenvorrichtung 14 und einer Magnetvorrichtung 15, wobei die Halterung 15.3 eine U-Form aufweist mit einem ersten Ausleger 15.31 und einem zweiten Ausleger 15.32 und einem die Ausleger verbindenden Basis 15.33, wobei die Magnetvorrichtung anders als in Fig. 2 b) gezeigt nun zwei Paare Magnete aufweist, wobei jeweils ein Paar an einer Innenseite eines Auslegers befestigt ist, und wobei sich gegenüberstehende Magnete der beiden Paare jeweils ein gleichgerichtetes Magnetfeld

verursachen. Auf diese Weise lässt sich eine Magnetfeldstärke im Bereich der Spulenvorrichtung erhöhen und eine schärfe räumliche Trennung zwischen den gegensätzlich orientierten

Magnetfeldern erreichen. In Folge dessen sind erfindungsgemäße Sensoren hochsensibel für Relativbewegungen.

Die in Figs. 2 b) und 2 c) gezeigten Magnete sind über Kontaktflächen 16 an der Halterung befestigt, wobei die Befestigung auf mindestens einer der folgenden Techniken basiert: Löten, Sintern, Schweißen, Kleben, Punkten, Schrumpfen, Einpressen. In einer Ausgestaltung wird der Magnet geklebt, wobei der Kleber insbesondere ein Keramikkleber ist. Beispielsweise kann ein Kleber des Unternehmens Aremco unter den Bezeichnung Ceramabond 865 verwendet werden.

Die Halterung weist dabei eine konvexe Einhüllende auf, welche eine typische Abmessung von 8 Millimeter Länge, 9 Millimeter Breite, und 5 Millimeter Höhe, wobei tatsächliche Abmessungen jeweils um bis zu 30% von den genannten Abmessungen abweichen können, wobei tatsächliche

Seitenverhältnisse entsprechend von den aus den genannten Abmessungen hervorgehenden Seitenverhältnissen abweichen können.

Ein geeignetes Material für die Halterung kann beispielsweise ein nichtrostender ferritischer Edelstahl, insbesondere mit der Werkstoffnummer 1.4105 sein.

Fig. 3 a) bis d) zeigen einige beispielhafte geometrische Ausgestaltungen von Magneten zugehörige entsprechende Abschnitte der Halterung 15.3 in einer Seitenansicht, wobei die Magnete eine erste geometrische Struktur 16.1 aufweisen, und wobei die Halterung im Bereich der jeweiligen

Kontaktfläche eine zweite geometrische Struktur 16.2 aufweist, welche zumindest abschnittsweise invers zur jeweiligen ersten geometrischen Struktur ist.

Die Magnete sind beispielsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung oder aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung gefertigt.

Fig. 3 a) zeigt eine einfache und kostengünstig herstellbare Ausgestaltung eines Magnets, wobei der Magnet quaderförmig mit ebenen Seitenflächen ist. Typische Abmessungen eines solchen Magnets sind im Bereich von 5 Millimeter Länge, 3.5 Millimeter Breite, und 2 Millimeter Höhe, wobei tatsächliche Abmessungen jeweils um bis zu 30% von den genannten Abmessungen abweichen können, wobei tatsächliche Seitenverhältnisse entsprechend von den aus den genannten

Abmessungen hervorgehenden Seitenverhältnissen abweichen können.

Fig. 3 b) zeigt einen Magnet mit einer konvexen ersten geometrischen Struktur 16.1 1 , wobei die erste geometrische Struktur stattd essen auch konkav 16.12 sein kann, siehe gestrichelte Linie.

Fig. 3 c) zeigt einen Magnet mit einer ersten geometrischen Struktur, welche einen Vorsprung 16.13 aufweist.

Fig. 3 d) zeigt einen Magnet mit einer ersten geometrischen Struktur, welche eine Vertiefung 16.14 aufweist.

Die Halterung weist jeweils eine zweite geometrische Struktur 16.2 auf, welche zumindest abschnittsweise invers zur ersten geometrischen Struktur ist.

Eine erste geometrische Struktur bzw. zweite geometrische Struktur kann auch andere als die gezeigten Formen aufweisen, wie beispielsweis eine dreiecksform.

Auf diese Weise können die Magnete sauber positioniert werden. Jedoch ist die Fertigung der Magnete sowie der Halterungen technisch aufwändiger.

Bezugszeichenliste

1 Coriolis-Messgerät

10 Coriolis-Messaufnehmer

1 1 Messrohr

1 1 .1 Einlauf

1 1 .2 Auslauf

1 1 .31 erstes Messrohr

1 1 .32 zweites Messrohr

12 Erreger

13 Sensor

14 Spulenvorrichtung

14.1 1 erste Seite der Spulenvorrichtung

14.12 zweite Seite der Spulenvorrichtung 14.2 Spule

14.21 Zentralbereich

14.22 Windungsbereich

15 Magnetvorrichtung

15.1 erstes Paar Magnete

15.1 1 erster Magnet des ersten Paars 15.12 zweiter Magnet des ersten Paars

15.2 zweites Paar Magnete

15.3 magnetisch leitfähige Halterung 15.31 erster Ausleger

15.31 1 Innenseite des ersten Auslegers 15.32 zweiter Ausleger 15.321 Innenseite des zweiten Auslegers

15.33 verbindende Basis

16 Kontaktfläche

16.1 erste geometrische Struktur

16.1 1 konkave Krümmung

16.12 konvexe Krümmung

16.13 Vorsprung

16.14 Vertiefung

16.2 zweite geometrische Struktur

20 Trägerkörper

21 Fixiervorrichtung

22 Sammler

22.1 erster Sammler

22.2 zweiter Sammler

23 Prozessanschluss

23.1 Flansch

24 elektrische Verbindungen

25 Kabelführungen