AT393756B - Verfahren zur reduzierung des uebertragungsfehlers von stromwandlern, sowie praezisionsstromwandler - Google Patents

Description

AT 393 756 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Übertragungsfehlers von Stromwandlem, sowie einen dementsprechend ausgebildeten Präzisionsstromwandler.

In der Praxis werden zur Transformation und Messung von Wechselstrom weitverbreitet Stromwandler verwendet Eine Hauptquelle des Übertragungsfehlers dieser Sbomwandler ergibt sich daraus, daß zur Aufmagnetisierung des Eisenkerns Magnetisierungsstrom erforderlich ist, wodurch Übersetzungs-(Verhältnis- oder Quotienten) und Winkelfehler entstehen. Zur Reduzierung des durch den Magnetisierungsstrom hervorgerufenen Fehlers ist eine Reihe von Lösungen bekannt Bei passiven Stromwandlem wird durch Anwendung von kostenaufwendigen Eisenkernen mit hoher Qualität der Magnetisierungsstrom selbst verringert, während bei aktiven, zweistufigen Stromwandlem der durch den Magnetisierungsstrom hervoigerufene Fehler- zum Beispiel elektronisch -kompensiert wird.

Alle diese technischen Maßnahmen sind jedoch gegenüber den durch die Windungskapazitäten der Wicklungen des Stromwandlers hervorgerufenen Fehlau erfolglos, welche bei hoher Windungszahl, bzw. bei hohen Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit einen nicht vemachlässigbaien Übertragungsfehler zur Folge haben. Entsprechend der sich ausgebildeten fachlichen Auffassung kann der durch die Windungskapazitäten hervorgerufene Fehler nicht beseitigt, sondern durch die Verwendung von speziellen, kapazitätsarmen, dicken Schichtisolationen mit kleiner Dielektrizitätskonstante oder von speziellen kapazitätsarmen Wicklungsarten nur reduziert werden. Auf diese Weise kann eine 2...4-fache Verbesserung »reicht werden, was in vielen Fällen nicht mehr ausreichend ist.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Stromwandler zu entwickeln, mittels derer der durch die Windungskapazitäten hervorgerufene Fehler in bedeutendem Maße reduziert werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der durch die Windungskapazitäten hervorgerufene Fehler dadurch kompensiert werden kann, wenn im Eisenkern des Stromwandlers die Geschwindigkeit der Magnetflußänderung detektiert wird und mit einem dazu proportionalen Signal eine auf dem Eisenkern angeordnete Kompensationsspule gespeist wird.

Die Erfindung besteht somit einerseits in einem Verfahren zur Reduzierung des Übertragungsfehlers von Stromwandlem, welche ein auf einem Eisenkern angeordnetes Primärspulensystem und Sekundärspulensystem enthalten, wobei der Magnetfluß oder die Geschwindigkeit der Magnetflußänderung im Eisenkern des Stromwandlers detektiert wird und ein zu der Geschwindigkeit der Magnetflußänderung proportionales, erstes elektrisches Signal erzeugt wird, mit welchem eine die sich aus den Windungskapazitäten der Spulensysteme ergebenden Erregungen kompensierende Kompensationsspule gespeist wird.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist der durch die Windungskapazitäten hervorgerufene Fehler in einem bedeutenden Maße, um etwa zwei Größenordnungen reduzierbar, d. h. praktisch beseitigbar.

Es ist äußerst vorteilhaft, wenn die Kompensationsspule mit einer zu der Geschwindigkeit der Änderung des Magnetflusses proportionalen ersten Spannung über einen in Reihe geschalteten Kondensator gespeist wird. In diesem Falle ist nämlich die Fehlerkompensation annähernd unabhängig von der Frequenz.

Es wurde weiterhin erkannt, daß infolge der Abhängigkeit des sich aus den Windungskapazitäten ergebenden Fehlers von der sich dem Sekundärspulensystem anschließenden Lastimpedanz eine noch vollkommenere Kompensation erreicht werden kann, wenn auch ein zu der Geschwindigkeit der Änderung des Magnetflusses proportionales, zweites elektrisches Signal erzeugt wird und die sich dem Sekundärspulensystem anschließende Lastimpedanz mit dem zweiten elektrischen Signal gespeist wird. Auch in diesem Falle ist es zur Gewährleistung des Frequenzunabhängigkeit vorteilhaft, wenn die Lastimpedanz mit der zur Geschwindigkeit der Änderung des Magnetflusses proportionalen zweiten Spannung über einen in Reihe geschalteten zweiten Kondensator gespeist wird.

Bei Stromwandlem, deren Meßbereich umschaltbar ist, kann eine noch vollkommenere Fehlerkompensation dadurch gesichert werden, daß der Proportionsalitätsfaktor zwischen der Geschwindigkeit der Änderung des Magnetflusses und dem ersten, bzw. zweiten elektrischen Signal in Abhängigkeit von der Meßgrenze des Stromwand-lers geändert wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Präzisions-Stromwandler, welcher mit einem auf einem Eisenkern angeordneten Primär- und Sekundärspulensystem versehen ist, wobei der Stromwandler mit einem Signalgeber zur Detektion der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses des Eisenkerns, einer auf dem Eisenkern oder auf einem Indikatorkem angeordneten Kompensationsspule und einem sich dem Ausgang des Signalgebers anschließenden, ersten Verstärker ausgebildet ist, wobei der Ausgang des ersten Verstärkers an der Kompensationsspule angeschlossen ist. Die Anordnung der Kompensationsspule auf dem Eisenkern ermöglicht eine nachträgliche Erweiterung, während bei der Anordnung auf dem Indikatorkem die induktive Rückkopplung nicht zu berücksichtigen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an den Ausgang des Signalgebers ein weiterer, zweiter Verstärker angeschlossen, dessen Ausgang an eine zur Lastimpedanz des Sekundärspulensystems führende Klemme angeschlossen ist. In diesem Falle wird der Fehler von der Lastimpedanz unabhängig.

Der Signalgeber kann äußerst einfach durch eine auf dem Eisenkern angeordnete Detektorspule ausgebildet werden, es sind jedoch auch andere Lösungen möglich, zum Beispiel die Anwendung einer Hall-Sonde, welche den Magnetfluß im Eisenkern detektiert

Auch eine solche Ausbildung ist vorteilhaft, bei welcher der erste, bzw. zweite Verstärker mit einstellbarem Verstärkungskoeffizienten ausgebildet ist und an seinem Ausgang ein Kondensaten- in Reihe geschaltet ist Der in Reihe geschaltete Kondensator gewährleistet die Frequenzunabhängigkeit der Fehleikompensation. -2-

AT 393 756 B

Bei Stromwandlem mit umschaltbarem Meßbereich kann die Genauigkeit noch weiter erhöht werden, wenn die Stromwandler mit einem Schaltsystem versehen sind, das den Verstärkungskoeffizienten des Stromwand· lers/der Stromwandler synchron mit der Änderung des Meßbereiches einstellt. Dieses kann zum Beispiel durch Umschalten des Rückkopplungswiderstandes von Operationsverstärkern erfolgen.

Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Stromwandler anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Figur ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der in der Figur dargestellte aktive, zweistufige Stromwandler (1) enthält auf einem toroidförmigen Eisenkern angeordnete Primärspulensystem (5) und Sekundärspulensystem (6), im Innern des Eisenkerns (4) (Arbeitskem) befindliche, auf einem ebenfalls toroidförmigen Indikatorkem (7) angeordnete Indikatorspule (8) und Kompensationsspulensystem (9), sowie einen Indikatorverstärker (10). In der dargestellten Ausführungsform sind das Primärspulensystem (5) und das Sekundärspulensystem (6) zur Realisierung der Meßbereichum-schaltung durch je eine Spule mit mehreren Abgriffen ausgebildet. Es sind jedoch auch davon abweichende Ausbildungen möglich, z. B. kann das Primärspulensystem (5) oder das Sekundärspulensystem durch eine einzige Spule mit zwei Ausgängen gebildet werden.

An den Stromwandler (1) schließt sich ein den zu messenden Strom (Ij) symbolisierender Generator (2) über Klemmen (K und L) an. Die Klemme (K) ist mit einem Ende des Primärspulensystems (5) verbunden, während die Klemme (L) entsprechend dem eingestellten Meßbereich mit einer der Klemmen (Lj, L2 ....

Ln_j, Ln) des Primärspulensystems (5), in der Figur mit der Klemme (Lj), verbunden ist. Das Primärspulensystem (5) ist zwischen den Klemmen (K und Lj) mit einem Abschnitt mit einer Windungszahl (Njj), zwischen den Klemmen (Lj und L2) mit einem Abschnitt mit einer Windungszahl (Nj2), usw. und zwischen den Klemmen (Ln_j und LQ) mit einem Abschnitt mit einer Windungszahl (Njn) ausgebildet, wobei die Windungskapazitäten der Abschnitte entsprechend (C^, Cj2 ··· Cjn) sind.

Dem Stromwandler (1) schließt sich eine Lastimpedanz (3) mit einer Impedanz (Z2) über die Klemmen (k und 1) an. Die geerdete Klemme (k) ist mit einem Ende des Sekundärspulensystems (6) verbunden, während die Klemme (1) entsprechend dem eingestellten Meßbereich an eine der Klemmen (lj, 12 ... lm_j, lm) des Sekundärspulensystems (6) - in der Figur an die Klemme (lj) - angeschlossen ist. Das Sekundärspulensystem (6) ist zwischen den Klemmen (k und lj) mit einem Abschnitt mit einer Windungszahl (N2j), zwischen den Klemmen (lj und I2) mit einem Abschnitt mit einer Windungszahl (N22), usw. und zwischen den Klemmen (lm_i) und (lm) mit einem Abschnitt mit einer Windungszahl (N2m) ausgebildet, wobei diese Abschnitte entsprechende Windungskapazitäten (C2j, C22 ... C2m) aufweisen.

Zur Kompensierung des durch den Magnetisierungsstrom des Eisenkerns hervorgerufenen Fehlers wird auf an sich bekannte Weise dem in dem Sekundärspulensystem (6) induzierten Strom ein Strom (Ima) zugefügt. Zu diesem Zweck wird die Klemme (1) mit einer der Klemmen (lj', 12'... lm*> des auf dem Indikatorkem (7) befindlichen Kompensationsspulensystems (9) - in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Klemme (lj') - verbunden, wobei die Klemme (lj') der Klemme (lj) des Sekundärspulensystems (6) entspricht. Zwischen dem einen Ende des Kompensationsspulensystems (9) und der Klemme (lj'). bzw. den Klemmen (lj', 12'... Im.jS Im') - entsprechend dem Sekundärspulensystem (6) - befinden sich Abschnitte mit Windungszahlen (N2j, N22... N2m). Das erwähnte Ende des Kompensationsspulensystems (9) ist an den Ausgang des Indikatorverstärkers (10) geführt, an dessen Eingänge die Anschlüsse der auf dem Indikatoren-kem (7) befindlichen Indikatorspule (8) mit einer Windungszahl (Ne) angeschlossen sind.

Zur Kompensierung der Wirkung der Windungskapazitäten (C21 ... Cln und C21... C2m) ist gemäß der Erfindung in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Kompensationsspule (11) mit einer Windungszahl (Nc) auf dem Eisenkern (4) (Arbeitskem) angeordnet, wobei die Kompensationsspule (11) über einen Verstärker (14) von einem Signalgeber (13) gespeist wird, welcher ein zu der Änderungsgeschwindigkeit des in dem Eisenkern (4) auftretenden Magnetflusses (0) proportionales Signal erzeugt.

In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Signalgeber (13) durch eine auf dem Eisenkern (4) angeordnete, an eine ihrer Klemmen geerdete Detektorspule (12) mit einer Windungszahl (Nj) gebildet. Der Signalgeber (13) kann jedoch auch auf eine andere Weise ausgebildet sein, z. B. durch ein einem mit einer Hall-Sonde ausgebildeten Flußdetektor nachgeschaltetes Differenzialglied. Die andere Klemme der Detektorspule (12) ist mit dem Eingang des Verstärkers (14) verbunden, wobei dieser Eingang über einen in Reihe geschalteten Widerstand (17) mit einem Wert (Rj) an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (16) geführt ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (16) ist geerdet, während der Ausgang des Operationsverstärkers (16) über einen Widerstand (18) mit veränderbarem Wert (R2) mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (16) verbunden ist und über in Reihe geschaltete, Widerstand -3-

AT 393 756 B (19) mit einem Wert (Rj) und Kondensator (20) mit einer Kapazität (Cj) an eine Klemme der Kompensationsspule (11) geführt ist. Die andere Klemme der Kompensationsspule (11) ist geerdet. Es ist vorteilhaft, in dem erfindungsgemäßen Stromwandler (1) die geerdete Kompensationsspule (11) und die geerdete Detektorspule (12) in der Nähe des Sekundärspulensystems (6), von dem Primärspulensystem (5) weiter entfernt anzuordnen. Dadurch ist zur Erzielung der vorgeschriebenen Betriebsspannung keine zusätzliche Isolierung erforderlich. Die erfindungsgemäße Kompensationsspule (11) kann abweichend von dem Ausführungsbeispiel in der Figur anstelle des Eisenkerns (4) auf dem Indikatorkem (7) oder auf einem den Indikatorkem (7) gegebenenfalls umgebenden, an sich bekannten Glättungskem angeordnet sein. Auch in diesem Falle kann die Speisung durch den Verstärker (14) gemäß der Figur erfolgen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn sich die Detektorspule (12) nicht nur dem Verstärker (14), sondern auch dem Eingang des Verstärkers (15) anschließt. Der Eingang des Verstärkers (15) ist über einen in Reihe geschalteten Widerstand (22) mit einem Wert (R4) mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (21) verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang geerdet ist, während sein Ausgang einerseits über einen Widerstand (23) mit veränderbarem Wert (R$) an den invertierenden Eingang, und andererseits über eine Reihenschaltung von einem stabilisierenden Widerstand (24) mit veränderbarem Wert (R^) und einem Kondensator (25) mit einer Kapazität (C2) an die Klemme (I) angeschlossen ist. Auf diese Weise wird dem in dem Sekundärspulensystem induzierten Strom neben dem Strom (Ima) ein Strom (Iz) ebenfalls zugefügt.

Der in der Figur veranschaulichte, »findungsgemäße Stromwandler funktioniert folgenderweise:

Der sinusförmige Strom (Ij) des Generators (2) erregt den mit ein» Windungszahl (Njj) ausgebildeten

Abschnitt des Primärspulensystems (5), worauf in dem mit einer Windungszahl (N2j) ausgebildeten Abschnitt des Sekundärspulensystems (6) ein Strom induziert wird. Durch Zugabe eines Stromes (Ima) zu diesem Strom fließt über die Lastimpedanz (3) ein Strom wenn von der Wirkung der Windungskapazitäten (Cj^ ... CjB, C2j ... C2m) abgesehen wird. Der Strom (Ima) wird von dem Indikatorverstärker (10) auf bekannte Weise derart erzeugt, daß in dem Indikatorkem (7) mit guter Annäherung ein Nullmagnetfluß mittels des in das Kompensationsspulensystem (9) erzwungenen Stromes (Ima) eingestellt wird. Auf diese Weise kann also praktisch der durch d»t Magnetisierungsstrom hervorgerufene Fehler beseitigt w»den.

Durch die Windungskapazitäten (Cjj ... Cjn, C22... C2m) ergibt sich jedoch ein solcher Fehler, welche auf obenerwähnte Weise nicht kompensiert werden kann.

Bei einem in dem Eisenkern (4) entstehenden sinusförmigen Magnetfluß (0) mit einer Kreisfrequenz (ω) induzieren sich nämlich in dem Primär-, bzw. Sekundärspulenabschnitt mit einer Windungszahl (Njj) bzw. (N2k) Spannungen (ω 0Nq) bzw. (ω 0N2k), infolgedessen fließt in dem Spulenabschnitt und der dazugehörigen Win-dungskapazität (Cjj) bzw. (C2k) ein Strom Ιϋ=ΛΝιΛί bzw. I2k = c°20N2kC2k·

Deswegen entsteht in jedem einzelnen Spulenabschnitt eine parasitäre Erregung ΙϋΝϋ-ΛΚυΝ],* (1) bzw. I2kN2ks“20C2kN2k2· © -4-

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Gemäß der Erfindung sind die parasitären Erregungen durch einen in die Kompensationsspule (11) mit einer Windungszahl (Nc) eingespeisten Strom (Ic) kompensierbar, wenn folgende Bedingung gewährleistet wird: n m 5 ΙΛ=Σ IljNji + I I* (3) i~l bl

Es ist offensichdich, daß der Strom (Ic) bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform annähernd durch folgende Beziehung bestimmt werden kann: 10 %

Ic = m20C1(-Nd-Nc) (4) R1 15 wenn der Wert des den Regelungskreis stabilisierenden Widerstandes (19) viel kleiner als die Impedanz des Kondensators (20) ist, d. h. 1 20 Rg «- . Ö)C|

Durch Einsetzen der Beziehungen (1), (2) und (4) in die Beziehung (3) wird folgende Bedingung erhalten: 25 R2 n m C,Nc(-Nd-Nc) = I CjjN,,2.! (½¾.2 (5)

Rj i=l k=l

Daraus ist ersichtlich, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die sich aus den Windungskapazitäten 30 ergebenden parasitären Erregungen unabhängig von der Frequenz kompensierbar sind. Die Einstellung erfolgt durch die Änderung des Wertes (R2) des Widerstandes (lß).

Bei höheren Ansprüchen bezüglich der Genauigkeit kann es erforderlich sein, daß über die obige Kompensation hinaus auch in die Lastimpedanz (3) ein Strom (Iz) von entsprechender Größe erzwungen wird, um eine noch höhere Unabhängigkeit des Fehlers des Stromwandlers (1) von der Größe der Lastimpedanz (3) zu gewähr-35 leisten. Die Größe des Stromes (Iz) kann durch Änderung des Wertes (Rs) des Widerstandes (23) eingestellt werden.

Die obenerwähnten Einstellungen können mittels einer an sich bekannten Kalibriereinrichtung mit Strom-komparatoren daart durchgeführt werden, daß die Größen der Ströme (Ic und Iz) derart geregelt werden, daß da

Fehler des Stromwandlers (1) unabhängig von der Größe der Lastimpedanz (3) in vorgegebenen Fehlergrenzen 40 liegt.

Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, den Wert des Widerstandes (18 bzw. 23) in Abhängigkeit von dem Meßbereich des Stromwandlers (1) zu verändon, wodurch die Genauigkeit noch weiter gesteigert werden kann. Dieses kann zum Beispiel derart realisiert werden, daß der Stromwandler mit einem Schaltsystem versehen ist, welches gemeinsam mit der Änderung des Meßbereiches Widerstände (18 bzw. 23) mit verschiedenen Werten 45 in die Schaltung einfügt

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Schaltungsanordnung kann der durch die Windungskapazitäten hervorgoufene Fehler um ca. zwei Größenordnungen reduziert werden. Die Erfindung kann sowohl bei passiven als auch bei aktiven, ein- und mehrstufigen Stromwandlem verwendet werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der durch die Windungskapazitäten des Primärspulen-50 Systems bzw. Sekundärspulaisystems hervorgerufene Fehler auch frequenzunabhängig kompensiert werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Kompensation auch durch nachträgliche Erweiterung von fertigen Stromwandlem, d. h. durch Anordnung der Kompensationsspule auf dem Eisenkern (4), realisiert werden kann. -5- 55

Claims (10)

1. AT 393 756 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfehlen zur Reduzierung des Übertragungsfehlers von Stromwandlem, welche mit auf einem Eisenkern angeordnetem Primärspulensystem und Sekundärspulensystem versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Eisenkern des Stromwandlers der Magnetfluß oder die Geschwindigkeit der Magnetflußänderung detektiert und ein zu der Geschwindigkeit der Magnetflußänderung proportionales, erstes elektrisches Signal erzeugt wird, wobei mit dem ersten elektrischen Signal eine die sich aus den Windungskapazitäten ergebenden Erregungen kompensierende Kompensationsspule gespeist wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule mit einer zu der Geschwindigkeit der Magnetflußänderung proportionalen ersten Spannung über einen in Reihe geschalteten ersten Kondensator gespeist wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu der Geschwindigkeit der Magnetflußänderung proportionales zweites elektrisches Signal erzeugt wird, mit welchem eine sich dem Sekundärspulensystem anschließende Lastimpedanz gespeist wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastimpedanz mit einer zu der Geschwindigkeit der Magnetflußänderung proportionalen zweiten Spannung über einen in Reihe geschalteten zweiten Kondensator gespeist wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalitätsfaktor zwischen der Geschwindigkeit der Magnetflußänderung und dem ersten, bzw. zweiten elektrischen Signal in Abhängig-keit von dem Meßbereich des Stromwandlers geändert wird.
6. 6. Präzisionsstromwandler mit auf einem Eisenkern angeordnetem Primärspulensystem und Sekundärspulensystem, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Geschwindigkeit der Magnetflußänderung des Eisenkerns (4) detektierender Signalgeber (13), eine auf dem Eisenkern (4) oder einem Indikatoikem (7) angeordnete Kompensationsspule (11) und ein an den Ausgang des Signalgebers (13) angeschlossener erster Verstärker (14) vorgesehen sind, wobei der Ausgang des ersten Verstärkers (14) an die Kompensationsspule (11) angeschlossen ist.
7. 7. Stromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Signalgebers (13) ein zweiter Verstärker (15) angeschlossen ist, wobei sich der Ausgang des zweiten Verstärkers (15) einer zur Lastimpedanz (3) des Sekundärspulensystems (6) geführten Klemme (1) anschließt.
8. 8. Stromwandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (13) durch eine auf dem Eisenkern angeordnete Detektorspule (12) gebildet wird.
9. 9. Stromwandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, bzw. zweite Verstärker (14,15) als Verstärker mit einstellbarem Verstärkerkoeffizient ausgebildet ist und sein Ausgang mit einem Kondensator (20,25) in Reihe geschaltet ist.
10. 10. Stromwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärspulensystem (5) und/oder Sekundärspulensystem (6) zur Umschaltung des Meßbereiches mit mehreren herausführenden Klemmen (Lj L„, Ij... Im) versehen ist und der Stromwandler (1) mit einem Schaltsystem zu einer mit der Meßbereichsänderung synchronen Einstellung des Verstärkerkoeffizienten des/der Verstärkers/Verstärker (14,15) ausgebildet ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -6-