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Die
Erfindung betrifft eine Flammenüberwachungsvorrichtung
mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Überwachen eines Brenners
mittels einer Flammenüberwachungsvorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 10.
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Aus
der
DE 100 25 769
A1 ist eine Flammenüberwachungsvorrichtung mit
einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung bekannt, in welcher ein
Luft-Gasverhältnis einer Brennerflamme über eine
Ionisationselektrode geregelt wird. Ionisationselektroden werden
häufig zur Überwachung einer Gasflamme verwendet
und nutzen die Gleichrichtereigenschaft der Gasflamme. Dazu wird
an der Ionisationselektrode eine Wechselspannung angelegt und ein
Ionisationsstrom wird an der Ionisationselektrode gemessen. Wenn
keine Flamme vorhanden ist oder die Flamme erloschen ist, kommt
der Ionisationsstrom zum Erliegen, so dass der Gasstrom abgestellt werden
kann, um einer Gefahr durch unverbranntes, ausströmendes
Gas vorzubeugen. Während eine solche Sicherheitsüberwachung
nur ein binärwertiges Ausgangssignal erfordert, wird in
der
DE 100 25 769
A1 vorgeschlagen, eine dynamische Rückmeldung
der Ionisationselektrode zum Regeln der Flammeneigenschaften, insbesondere
zum Regeln des Luft-/Brennstoffverhältnisses zu nutzen.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße
Flammenüberwachungsvorrichtung bzw. ein Verfahren zum Betreiben
einer solchen Flammenüberwachungsvorrichtung bereit zu
stellen, in welcher bzw. welchem nicht nur die Flamme sondern auch
die Flammenüberwachungsvorrichtung selbst überwacht
werden kann.
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Die
Erfindung geht aus von einer Flammenüberwachungsvorrichtung
mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung, welche eine Spannungserzeugungseinheit
zum Erzeugen einer Zündspannung zum Betreiben einer Zündvorrichtung
eines Brenners und/oder zum Erzeugen einer Ionisationsspannung einer
Ionisationselektrode zum Überwachen einer Flamme des Brenners
und eine Messeinheit zum Messen eines durch die Ionisationsspannung
erzeugten Ionisationsstroms umfasst. Ferner umfasst die Flammenüberwachungsvorrichtung
eine Steuereinheit zum Steuern der Spannungserzeugungseinheit und
zum Auswerten der Messwerte der Messeinheit.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, wenigstens
eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und
Messanordnung zu erfassen und zum Erkennen einer Fehlfunktion eines
Elements der Spannungserzeugungs- und Messanordnung auszuwerten.
Als Elemente der Spannungserzeugungs- und Messanordnung sollen insbesondere
sicherheitsrelevante Bauteile oder Baugruppen der Spannungserzeugungs- und
Messanordnung bezeichnet werden. Als zu überwachende Elemente
in Betracht kommen insbesondere die Spannungserzeugungseinheit,
die Ionisationselektrode, die Zündvorrichtung und die Messeinheit.
Erfindungsgemäß wird die dynamische Rückmeldung
der Spannungserzeugungs- und Messanordnung zur Überwachung
derselben genutzt, so dass eine Betriebssicherheit eines Brenners
mit einer gattungsgemäßen Flammenüberwachungsvorrichtung
deutlich gesteigert werden kann.
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Als „dynamische
Rückmeldung" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein
zeitabhängiges Signal mit einem kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen
Wertebereich bezeichnet werden, das eine Kenngröße
für eine Spannung oder einen Strom in der Spannungserzeugungs-
und Messanordnung bildet.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit,
die aus der dynamischen Rückmeldung eine Kenngröße
für eine tatsächlich angelegte Zündspannung
bildet, bzw. dass die dynamische Rückmeldung eine solche Kenngröße
ist. Die dynamische Rückmeldung kann direkt proportional
zur tatsächlich angelegten Zündspannung sein oder
ein digitales Signal sein, das eine gemessene Zündspannung
kodiert. Eine technisch einfache Auswertung der dynamischen Rückmeldung
kann ermöglicht werden, wenn die dynamische Rückmeldung
ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, in welchem ein Tastverhältnis
die tatsächlich angelegte Zündspannung kodiert.
Die tatsächlich angelegte Zündspannung kann mittels
einer Spannungsmessanordnung an einer Zündspule der Zündvorrichtung
abgegriffen werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die dynamische Rückmeldung eine
Kenngröße für eine tatsächlich
angelegte Ionisationsspannung bildet. Dadurch kann die Ionisationsspannung überwacht
werden und Messfehler der Messeinheit, die durch eine fehlerhaft
bestimmte Ionisationsspannung bedingt sind, können vermieden
werden.
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Wenn
die Spannungserzeugungseinheit eine variable Spannungsquelle zum
Erzeugen von sowohl der Zündspannung als auch der Ionisationsspannung
umfasst, kann einerseits auf eine separate Spannungsquelle verzichtet
werden und andererseits kann sowohl die Überwachung der
Ionisationsspannung als auch die Überwachung der Zündspannung
durch eine einzige Spannungsmessanordnung erfolgen.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, einen
von der Messeinheit erfassten Messwert mit wenigstens einem vorgegebenen
oberen oder unteren Schwellenwert zu vergleichen und ein Fehlersignal
zu erzeugen, wenn der Messwert den oberen Schwellenwert übertrifft
oder kleiner ist als der untere Schwellenwert. Dadurch kann für
einen Bediener in einer einfachen Weise erkennbar gemacht werden,
dass die Betriebskenngrößen der Flammenüberwachungseinrichtung
einen durch den oberen Schwellenwert und den unteren Schwellenwert
begrenzten Normalbereich verlassen haben. Das Fehlersignal kann
als Warnsignal an einen Benutzer und/oder zum Erzeugen einer Notabschaltung
des Brenner benutzt werden.
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Wenn
die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr
in einem Testbetrieb eine Zündspannung zu erzeugen und
zu messen, kann die Zündspannung in reproduzierbaren Bedingungen
ohne störende Einflüsse einer Brennerflamme separat
gemessen werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr
in einem Testbetrieb eine Zündfolgefrequenz zu bestimmt.
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Aus
der Zündfolgefrequenz können vorteilhaft Rückschlüsse
auf den Zustand von Zündelektroden bzw. auf deren Abstand
gezogen werden. Wenn der Abstand der Zündelektroden beispielsweise
zu groß ist, zündet die Zündvorrichtung
erst bei erhöhten Zündspannungen, so dass eine
Zeit, die die Zündvorrichtung zum Aufladen der Zündspule
benötigt, im Vergleich zu Normal- oder Regelbedingungen verlängert
ist. Dies führt zu einer verlängerten Periode
der Zündfolge und daher zu einer verringerten Zündfolgefrequenz.
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Wenn
die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die dynamische Rückmeldung
in Form eines pulsweiten modulierten Signals zu empfangen und zu
verarbeiten, kann die Auswertung mittels eines einfachen Tiefpassfilters
erfolgen und ein Informationsverlust während einer Übertragung
kann weitestgehend vermieden werden.
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Ein
ruhiger Dauerbetrieb kann durch einen Stromregler zum Erzeugen einer stabilen
Ionisationsspannung erreicht werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit
dazu ausgelegt ist, wenigstens eine erste dynamische Rückmeldung
der Spannungserzeugungseinheit und eine zweite dynamische Rückmeldung
der Messeinheit zu erfassen und zum Erkennen einer Fehlfunktion
der Spannungserzeugungseinheit bzw. der Messeinheit zu nutzen.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines
Brenners mittels einer Flammenüberwachungsvorrichtung,
wobei die Flamme mittels eines von einer Ionisationselektrode erzeugten
Ionisationsstroms überwacht wird.
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Es
wird vorgeschlagen, dass eine dynamische Rückmeldung der
Flammenüberwachungsvorrichtung erfasst wird und eine Fehlfunktion
wenigstens eines Elements der Flammenüberwachungsvorrichtung
abhängig von der dynamischen Rückmeldung erkannt
wird. Dadurch kann die Betriebssicherheit eines Brenners mit einer
solchen Flammenüberwachungsvorrichtung weiter erhöht
werden und ein Wartungsaufwand kann durch die teilweise Automatisierung
der Wartung verringert werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
welches eine Vielzahl von Merkmalen in Kombination enthält,
die der Fachmann sinnvollerweise auch einzeln betrachten und zur
weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Flammenüberwachungseinrichtung mit einer Spannungserzeugungs-
und Messanordnung,
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2 eine
Spannungserzeugungseinheit der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus 1,
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3 eine
Messeinheit der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus 2,
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4 eine
erste dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und
Messanordnung nach den 1 bis 3 bei Kurzschluss
einer Zündelektrode,
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5 eine
dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung
aus den 1 bis 3 bei normaler
Zündung,
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6 eine
dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung
bei Überschlag im Zündgerät und Unterbrechung
der Zündelektrode,
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7 eine
dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung
aus den 1 bis 3 mit einer
verkürzten Zündfolge,
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8 eine
dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung
aus den 1 bis 3 bei defekter
Zündvorrichtung und
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9 eine
dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung
aus den 1 bis 3 bei einem
Kurzschluss der Ionisationselektrode.
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1 zeigt
schematisch eine Flammenüberwachungsvorrichtung zum Überwachen
eines Brenners 22 mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10.
Die Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 umfasst eine
Spannungserzeugungseinheit 12 zum Erzeugen einer Zündspannung, die
zum Betreiben einer Zündvorrichtung 14 mit einer Zündmasse
genutzt werden kann.
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Ferner
dient die Spannungserzeugungseinheit 12 zum Erzeugen einer Ionisationsspannung
einer Ionisationselektrode 16 zum Überwachen einer Flamme 18 des
Brenners 22. Außerdem umfasst die Spannungserzeugungs-
und Messanordnung 10 eine Messeinheit 20 zum Messen
eines durch die Ionisationsspannung erzeugten Ionisationsstroms.
Die Ionisationsspannung ist eine Wechselspannung, die über
der Flamme 18 des Brenners 22 abfällt.
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Die
Flamme 18 ist eine Gasflamme und hat eine Gleichrichtereigenschaft,
da in der Flamme 18 Ladungsträger unterschiedlicher
Polaritäten vorliegen, deren Mobilität sich stark
unterscheidet. Dadurch fließt vorwiegend während
einer Halbperiode der Ionisationsspannung, während welcher
letztere ein bestimmtes Vorzeichen hat, der Ionisationsstrom von
oder zu der Ionisationselektrode 16. Wenn die Flamme 18 erlischt,
kommt auch der Ionisationsstrom zum Erliegen, was durch die Messeinheit 20 messbar
ist. Falls dies geschieht, können geeignete Sicherheitsmaßnahmen
getroffen werden, beispielsweise kann die Gaszufuhr abgeschaltet
werden.
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Die
Auswertung der Signale der Messeinheit 20 und die Steuerung
der Spannungserzeugungseinheit 12 erfolgt in einer Steuereinheit 24 der
Flammenüberwachungsvorrichtung. Die Steuereinheit 24 steuert
die Spannungserzeugungseinheit 12 mittels eines ersten,
pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a, das über
eine erste Signalleitung 28a von der Steuereinheit 24 an
die Spannungserzeugungseinheit 12 übertragen wird. Über
eine zweite Signalleitung 28b überträgt
die Steuereinheit 24 ein zweites, pulsweitenmoduliertes
Steuersignal 26b an die Messeinheit 20. Das zweite
Steuersignal 26b dient vorwiegend zur Vorgabe einer Messfrequenz,
kann jedoch auch zum Steuern von Betriebsparametern der Messeinheit 20 genutzt
werden. Über eine dritte Signalleitung 28c empfängt
die Steuereinheit 24 eine erste dynamische Rückmeldung 30a von
der Spannungserzeugungseinheit 12 der Spannungserzeugungs-
und Messanordnung 10. Über eine vierte Signalleitung 28d empfängt
die Steuereinheit 24 eine zweite dynamische Rückmeldung 30b von
der Messeinheit 20. Die erste dynamische Rückmeldung 30a und
die zweite dynamische Rückmeldung 30b sind jeweils
pulsweitenmodulierte Signale, wobei ein Tastverhältnis
der ersten dynamischen Rückmeldung 30a und der
zweiten dynamischen Rückmeldung 30b einen kontinuierlichen
Wertebereich hat und zeitabhängig ist. Der Wert des Tastverhältnisses
kodiert, wie weiter unter detaillierter beschrieben, eine tatsächlich
erzeugte Spannung in der Spannungserzeugungseinheit 12 bzw.
eine von der Messeinheit 20 gemessene Spannung oder einen
von der Messeinheit 20 gemessenen Ionisationsstrom.
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Die
Steuereinheit 24 ist dazu ausgelegt, aus der ersten dynamischen
Rückmeldung 30a und der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b eine
Fehlfunktion eines Elements bzw. Bauteils der Spannungserzeugungs-
und Messanordnung 10 zu erkennen und dazu die erste dynamische
Rückmeldung 30a und die zweite dynamische Rückmeldung 30b auszuwerten.
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Insbesondere
ist das Tastverhältnis der ersten dynamischen Rückmeldung 30a eine
Kenngröße für eine tatsächlich
angelegte Zündspannung und das Tastverhältnis
der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b bzw. des
zweiten pulsweitenmodulierten Signals ist eine Kenngröße
für eine tatsächlich angelegte Ionisationsspannung
oder für einen tatsächlich fließenden
Ionisationsstrom.
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2 zeigt
einen Schaltplan der Spannungserzeugungseinheit 12 aus 1 in
einer detaillierteren Darstellung. An einem ersten Anschluss 32a liegt
das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal 26a der Steuereinheit 24 an,
das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Trägerfrequenz
von 22 kHz hat. Ein zweiter Anschluss 32b ist mit der dritten Signalleitung 28a verbunden,
so dass die Steuereinheit 24 über den zweiten
Anschluss 32b die erste dynamische Rückmeldung 30a empfängt. Über
das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal 26a kann die
Höhe einer Ausgangsspannung an einem Übertrager 34 eingestellt
werden. Dabei wird durch eine Verringerung der Frequenz des pulsweitenmodulierten
Steuersignals 26a, 26b die Ausgangsspannung und
Leistung am Übertrager 34 vergrößert
und umgekehrt wird durch eine Vergrößerung der
Frequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a, 26b die
Ausgangsspannung und Leistung am Übertrager 34 verringert.
Alternativ dazu kann die Steuereinheit 24 zum Erhöhen
der Ausgangsspannung und Leistung am Übertrager 34 das
positive Tastverhältnis des ersten, pulsweitenmodulierten
Steuersignals 26a verändern. Erhöht man
das Tastverhältnis, so steigt die Spannung am Übertrager 34.
Ferner umfasst die Spannungserzeugungseinheit 12 einen
Stromregler 36, der für eine stabile Ausgangsspannung
im Arbeitspunkt sorgt.
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3 zeigt
einen Schaltplan der Messeinheit 20 der Spannungserzeugungs-
und Messanordnung 10 aus 1 in einer
detaillierteren Ansicht. Ein erster Kontaktpunkt 38a ist
mit der Ionisationselektrode 16 verbunden, so dass ein
Ionisationsstrom an dem Kontaktpunkt 38a ein pulsweitenmoduliertes
Signal, das die zweite dynamische Rückmeldung 30b bildet,
an zwei Ausgängen erzeugt. Die Größe
des Tastverhältnisses des an den beiden Ausgängen
erzeugten, pulsweitenmodulierten Signals ist eine Kenngröße
für den Ionisationsstrom.
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Die
an dem Übertrager 34 erzeugte Spannung führt
dann zu einer Zündung der Zündvorrichtung 14,
wenn diese eine Zündspannung übertrifft. Wenn
die Spannung am Übertrager 34 einen geringeren
Wert annimmt, erzeugt sie eine Ionisationsspannung an der Ionisationselektrode 16 und
bewirkt daher, dass bei vorhandener Flamme 18 in dem als Matrixbrenner
ausgebildeten Brenner 22 ein messbarer Ionisationsstrom
fließt.
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Der
Wert der an dem Übertrager 34 anliegenden Spannung
entscheidet daher darüber, ob die Spannung als Zündspannung
oder als Ionisationsspannung genutzt wird. Daher bildet der Übertrager 34 der
Spannungserzeugungseinheit 12 eine variable Spannungsquelle
zum Erzeugen von sowohl einer Zündspannung als auch der
Ionisationsspannung. Die variable Spannungsquelle ist, wie oben
erörtert, durch die Wahl der Frequenz und/oder durch die Wahl
eines Tastverhältnisses des ersten Steuersignals 26a, 26b verstellbar.
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Im
Betrieb vergleicht die Steuereinheit 24 den in der zweiten
dynamischen Rückmeldung 30b kodierten, von der
Messeinheit 20 erfassten Messwert und den in der ersten
dynamischen Rückmeldung 30a, kodierten Wert in
verschiedenen Betriebsmodi mit verschiedenen oberen Schwellenwerten und
unteren Schwellenwerten. Wenn der Messwert bzw. Wert den jeweiligen
oberen Schwellenwert übertrifft oder kleiner ist als der
untere Schwellenwert, erzeugt die Steuereinheit 24 ein
Fehlersignal und veranlasst gegebenenfalls eine Notabschaltung des
Brenners 22.
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Die
Steuereinheit 24 ist eine programmierbare Recheneinheit,
die mit einer Software ausgestattet ist, die außerhalb
eines Normalbetriebs des Brenners 22 einen Testbetrieb
der Flammenüberwachungsvorrichtung steuert. In dem Testbetrieb
erzeugt die Steuereinheit 24 über das erste Steuersignal 26 eine Zündspannung
bzw. Ionisationsspannung und misst diese.
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4 zeigt
den zeitlichen Verlauf der ersten dynamischen Rückmeldung 30a der
Spannungserzeugung- und Messanordnung 10 im Testbetrieb,
d. h. bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr, und zwar im Fall eines
Kurzschlusses einer Zündelektrode. Wenn die Zündelektrode
kurzgeschlossen ist, kann sich trotz der angesteuerten Wechselspannung
am Übertrager 34 keine Spannung aufbauen, so dass
die dynamische Rückmeldung 30a, 30b einen
konstanten Wert annimmt.
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5 zeigt
die Ausgangsspannung am Übertrager 34 und die
erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b bei
normaler Zündung. Es ist erkennbar, dass die Amplitude
der am Übertrager 34 anliegenden Wechselspannung periodisch
anwächst, um sich, wenn sie eine Zündschwelle
erreicht, in der Zündung zu entladen.
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Im
Gegensatz zu dem in 4 dargestellten Fehlerfall,
in welchem die erste dynamische Rückmeldung 30a permanent
auf ca. 3 Volt liegt, variiert bei normaler Zündung die
in der ersten dynamischen Rückmeldung 30a kodierte
Zündspannung um ca. 1,5 Volt.
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Die
Steuereinheit 24 erfasst im Testbetrieb bei abgeschalteter
Brennstoffzufuhr eine Zündfolgefrequenz bzw. Zündfolgeperiode,
um daraus Rückschlüsse auf einen Verschleißzustand
der Zündelektrode zu ziehen.
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6 zeigt
ein Beispiel einer Zündfolge, in welcher eine Zündfolgenperiode
145 ms beträgt.
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7 zeigt
eine Zündfolge, in welche eine Zündfolgefrequenz
156 ms beträgt.
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Ist
in der Zündvorrichtung 14 die Verbindung zur Zündelektrode
unterbrochen oder hat der Abstand der Zündelektrode zur
Zündmasse einen zulässigen Wert überschritten,
kann dies durch eine Auswertung des ersten dynamischen Rückmeldesignals
erfasst werden. Dabei verkürzt sich die Zündfolge,
wenn eine Unterbrechung oder ein unzulässiger Abstand vorliegt.
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8 zeigt
einen in einem Testbetrieb von der Steuereinheit 24 erfassten
Verlauf der Messsignale in dem Fehlerfall einer defekten Spannungserzeugungseinheit 12 bzw.
einer defekten Zündvorrichtung 14. Die Ausgangsspannung
an dem Übertrager 34 erreicht zwar die erforderliche
Zündschwelle, eine Zündfolge ist jedoch nicht
erkennbar.
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9 zeigt
schließlich eine dynamische Rückmeldung 30a, 30b der
Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 bei einem Kurzschluss
der Ionisationselektrode 16. Die Ausgangsspannung am Übertrager 34 erreicht
nicht ihren Normalwert, was auch an der ersten dynamischen Rückmeldung 30a, 30b erkennbar
ist. Die Messung bzw. die Überprüfung des Kurzschlusses
der Ionisationselektrode 16 kann insbesondere auch bei
eingeschaltetem Brenner 22 erfolgen. Die Steuereinheit 24 vergleicht
einen über die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b erfassten
Wert der Ionisationsspannung im Normalbetrieb mit einem vorgegebenen,
gespeicherten Wert, der einer Ionisationsspannung unmittelbar nach
der Herstellung der Ionisationselektrode 16 bzw. der Flammenüberwachungsvorrichtung
entspricht. Eine graduelle Verschlechterung bzw. ein Verschleiß der
Ionisationselektrode 16 ist durch einen langsamen Abfall
der über die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b erfassten
Ionisationsspannung erkennbar. Ein Warnsignal wird von der Steuereinheit 24 erzeugt,
wenn die über die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b erfasste
Ionisationsspannung einen kritischen Wert unterschreitet. Der Benutzer
wird durch das Warnsignal zum Austausch der Ionisationselektrode 16 aufgefordert.
Alternativ dazu kann beim Erreichen des gleichen oder eines zweiten
Schwellenwerts eine Notabschaltung des Brenners 22 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10025769
A1 [0002, 0002]