DE1254882B - Schaltungsanordnung fuer einen Lecksucher - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

im. Cl.

GOlm

DeutscheKl.: 42 k-30/04

Nummer: 1254882

Aktenzeichen: G 39128 IX b/42 k

Anmeldetag: 8. November 1963

Auslegetag: 23. November 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Lecksucher mit einer Sonde zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals, von dem mittels eines Bereichsschalters ein vorwählbarer Bruchteil einem in Brückenschaltung geschalteten Gleichspannungsverstärker zuführbar ist, dessen steuerbare Elektronenröhre einen Zweig der Brückenschaltung bildet und dem ein Umschalter zur Einstellung seiner Verstärkung zugeordnet ist. Dabei handelt es sich um Lecksucher, mit denen festgestellt wird, ob in Gasen, z. B. Luft, bestimmte Substanzen enthalten sind.

Im allgemeinen wird hierzu eine Probe des zu untersuchenden Gases oder der Luft in ein elektrisches Entladungsgefäß geleitet, in welchem mittels einer positiven Emissionselektrode Ionen gebildet werden, die man mittels einer negativen Auffangelektrode sammelt, und deren Zahl von der Konzentration der Substanz abhängig ist. Der sich ergebende Ionenstrom wird gemessen. Im allgemeinen erhält man eine pro- ao portionale Abhängigkeit zwischen dem Ionenstrom und der Konzentration der gesuchten Substanz in der Probe.

In bekannter Weise werden solche Lecksucher besonders zum Nachweis von Halogenen und deren Verbindungen verwendet, wobei man zur Untersuchung eines breiten Konzentrationsbereiches die Empfindlichkeit des Lecksuchers verstellen kann. Der Gesamtbereich ist jedoch kaum größer als zwei Zehnerpotenzen. Die unteren Empfindlichkeitsgrenzen dieser Lecksucher verhindern außerdem eine genaue Messung von Leckraten, die kleiner als etwa 0,3 cm³ pro Jahr, d. h. 1,8 - 10~^e cm pro Sekunde sind.

Eine derartige Beschränkung der Empfindlichkeit von halogenempfindlichen Lecksuchern ist für Verwendungszwecke ungeeignet, bei denen auch viel kleinere Leckraten gemessen werden müssen. Die bekannten Lecksucher können beispielsweise nicht in ausreichendem Maße in der Kältetechnik benutzt werden, da hierbei in den Leckstellen von halogengefüllten balgförmigen Steuerorganen Leckraten von etwa IO^-9 cm³ pro Sekunde auftreten. Außerdem wird es im Zuge der fortschreitenden Automatisierung notwendig, die Leckstellen ganzer Apparaturen ausfindig

Schaltungsanordnung für einen Lecksucher

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

John Alfred Roberts,

Lynnfield Center, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. November 1962
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keiten ihrer Stabilitätsgrenze. Das Erreichen der Grenzstabilität zeigt sich durch Schwankungen in der vom Lecksucher abgegebenen Ausgangsgröße. Diese Schwankungen stören die Meßergebnisse des untersuchten Systems. Der Stabilitätsverlust führt außerdem zu Störungen bei der Eichung für quantitative Messungen, da es schwierig ist, die für die Eichung notwendige stabile Anzeige der Ausgangsgröße zu erhalten. Die bekannten Eichverfahren für quantitative Messungen bestehen darin, daß man ein geeichtes Leck mit bekannter Leckrate in die Nähe der Meßsonde bringt und dann die Empfindlichkeit des Lecksuchers so lange ändert, bis die Ausgangsgröße die bekannte Leckrate richtig wiedergibt.

Außer den Mängeln hinsichtlich der Stabilität besitzen die bekannten Lecksucher auch den Nachteil einer völlig unzureichenden Gesamtempfindlichkeit. Es ist bekannt, die Empfindlichkeit durch Ändern der Heizspannung des Entladungsgefäßes zu verändern.

Hierdurch wird jedoch einerseits die Empfindlichkeit zu machen, die hierzu in einen großen geschlossenen 45 nur sehr grob verändert, andererseits kann man die

Behälter gebracht werden, damit die gesamte Apparatur gleichzeitig untersucht werden kann. In großen Behältern ist die Konzentration der nachzuweisenden Substanzenjedoch sehr klein, so daß man sehr empfindliche und stabile Lecksucher benötigt.

Die bekannten halogenempfindlichen Lecksucher nähern sich beim Betrieb mit den hohen Empfindlich-

thermische Trägheit des Entladungsgefäßes, die etwa 15 Minuten und mehr beträgt, nicht beseitigen. Eine andere Möglichkeit zur Empfindlichkeitseinstelluag besteht darin, einen Meßbereichswiderstand zu verwenden, über den bei großen Ionenströmen nur Bruchteile des entstehenden Meßsignals an die eigentliche Meßschaltung weitergegeben werden, in der zur

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Verstärkung der Meßsignale vorzugsweise Gleichspannungsverstärker verwendet werden. Auch durch solche Mittel ist es bis heute nicht gelungen, einen ausreichend hohen Gesamtempfindlichkeitsbereich zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist daher eine Schaltungsanordnung für einen Lecksucher, mit der die bisher bei Lecksuchern möglichen Meßbereiche bzw. Empfindlichkeitsbereiche bei gleichmäßiger Genauigkeit erheblich erweitert werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Bereichsschalter und der Umschalter mechanisch gekoppelt sind und eine Vielzahl der vorwählbaren Empfindlichkeitseinstellungen gestatten.

Dabei wird zur Auswahl einer zweckmäßigen Empfindlichkeit eine Änderung der Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers mit der Variation der Stellung des Bereichsschalters gekoppelt, so daß beispielsweise Leckraten zwischen IO^-5 und 10^_9cm³ pro Sekunde gemessen werden können.

Der Umschalter liegt vorzugsweise in dem die Steuerelektrode enthaltenden Eingangskreis der steuerbaren Elektronenröhre, wobei in jeder Schalterstellung ein vorgewählter Widerstand zwischen die Steuerelektrode und den einen Pol einer Spannungsquelle gelegt ist, die zur Einstellung der Vorspannung für den Gleichspannungsverstärker dient.

Zum Nullabgleich der Brückenschaltung sind zwischen die beiden Pole der Spannungsquelle variable Widerstände in den Eingangskreis geschaltet. Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers ist zwischen die Kathode der Elektronenröhre und den einen Pol der Spannungsquelle ein variabler Widerstand gelegt, dessen Wert ohne Einfluß auf den Nullabgleich der Brückenschaltung sein muß.

Damit ist die Schaltungsanordnung so aufgebaut, daß eine Änderung der Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers zum Zwecke der Wahl des Meßbereiches oder zum Zwecke der Eichung keinen Einfluß auf den Nullabgleich der Brückenschaltung hat. Der Nullabgleich dient dazu, den in Anwesenheit von reiner Luft in der Sonde erzeugten Ionenstrom abzugleichen. Man erreicht dies mit Hilfe der beiden einstellbaren Widerstände, mit denen dem Eingangskreis des Gleichspannungsverstärkers eine Spannung zugeführt wird, die gegenüber der vom Ionenstrom erzeugten Spannung ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Da die dem Gleichspannungsverstärker bei Anwesenheit von reiner Luft zugeführte Spannung von der StelIungdes Meßbereichsschalters und damit davon abhängt, welcher Bruchteil des Meßsignals ausgenutzt wird, muß die dem Nullabgleich dienende Spannung in solchen Grenzen verändert werden können, daß die Brückenschaltung auch bei der größten Empfindlichkeit, bei der das Meßsignal am wenigsten gedämpft ist, abgeglichen werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel ausführlich erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Diode 11, die auf gasförmige Substanzen anspricht, wie z. B. auf Halogene und ihre Verbindungen. Das empfindliche Element 11 besteht aus einem beheizten Emitter 12 und einem Kollektor 13, die koaxial angeordnet sind. An die Klemmen X-X ist eine Heizspannungsquelle 58 angeschlossen. Eine Leitung 14 ist mit der positiven 280-Volt-Klemme eines geregelten Gleichspannungs-

netzgerätes 15 verbunden. Die Leitung 14 führt die positive Spannung von 280 Volt dem Emitter oder der Emissionselektrode 12 zu. Die Emissionselektrode ist über ein Potentiometer 58 mit einer Heizwechselspannung von IOVolt verbunden. Mit Hilfe des Potentiometers 58 kann man die Empfindlichkeit des halogenempfindlichen Elements 11 einstellen.

Der Kollektor oder die Auffangelektrode 13 ist über ein Abschwächungsnetzwerk 16 und eine Leitung 59 mit der Erdklemme des Gleichspannungsnetzgerätes 15 verbunden. Das Dämpfungsnetzwerk 16 setzt sich aus mehreren in Reihe geschalteten Widerständen 17 bis 24 zusammen. Eine von Hand bedienbare Schaltervorrichtung 25 besitzt einen Schalter 25a zur Einstellung der Abschwächung und einen Schalter 25 b zur Einstellung der Verstärkung. Die beiden Schalter arbeiten wahlweise zusammen, um die Empfindlichkeit des Lecknachweisgerätes einzustellen. Mit Hilfe des Abschwächerschalters 25 a kann man eine Leitung 26 wahlweise mit Kontakten 1 bis 10 verbinden, die an verschiedenen Punkten des Abschwächungsnetzwerkes 16 angeschlossen sind. Es soll erwähnt werden, daß die Kontakte oder Anzapfungen 1 bis 3 direkt mit der Auffangelektrode 13 verbunden sind, so daß die von der Auffangelektrode 13 erzeugten Signale bei entsprechender Stellung des Abschwächungsschalters 25 a nicht abgeschwächt werden.

Wenn eine Spannung von etwa 250 Volt an das empfindliche Element 11 angelegt ist, dann fließt ein positiver Grundionenstrom von der Emissionselektrode zur Auffangelektrode, wenn sich das empfindliche Element in reiner Luft befindet. Wenn sich jedoch zwischen der Auffangelektrode 13 und der Emissionselektrode 12 eine geringe Menge Halogengas befindet, dann nimmt der Ionenstrom stark zu und erzeugt ein Gleichspannungssignal, das der Halogenkonzentration in der Luft linear proportional ist. Diese Beziehung bleibt erhalten, solange die Spannung an dem empfindlichen Elementll innerhalb eines relativ weiten Spannungsbereiches bleibt, da das Element in diesem Bereich unempfindlich gegen Spannungsveränderungen ist. Fällt die Spannung jedoch unter diesen Bereich, dann bleibt diese Beziehung nicht bestehen. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß bei den niedrigen Empfindlichkeitsbereichen, bei denen eine viel höhere Konzentration des Halogengases nachgewiesen werden kann, der Spannungsabfall an dem Abschwächungsnetzwerk 16 so weit anwachsen würde, daß die Spannung an dem empfindlichen Element 11 nicht mehr innerhalb des annehmbaren Bereiches liegen würde, wenn nicht ein Widerstand 27 vorhanden wäre. Der Widerstand 27 ist dem oberen Teil des Netzwerkes 16 direkt parallel geschaltet, wenn der Schalter 25 a mit den Kontakten 6' bis 10' in Verbindung steht. Dadurch wird eine gewisse Spannung an dem empfindlichen Elementll bei den niedrigen Empfindlichkeitsbereichen aufrechterhalten.

Das Ausgangssignal des Abschwächungsnetzwerkes 16, das zwischen den Leitungen 26 und 59 erscheint, wird über einen Widerstand 30 der Eingangselektrode 28 einer Triode 29 zugeführt. Die Eingangsschaltung des Signalverstärkers des Leckdetektors wird vervollständigt von einem Stromzweig, der von der Kathode 31 über ein Null- oder Abgleichpotentiometer 32 und einen Widerstand 33 zur Leitung 59 führt. Das obere Ende des Potentiometers 32 ist mit dem Schleifer eines Potentiometers 34 verbunden, das über einen Reihenwiderstand 35 an die positive

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140-Volt-Klemme des Netzgerätes 15 sowie an die Erdklemme angeschlossen ist. Die Spannung zwischen dem Schleifer des Potentiometers 34 und der Leitung 59 ist die Spannung an dem Leiter 26 entgegengerichtet, so daß eine Brückenschaltung 42 abgeglichen werden kann, wenn das empfindliche Elementll reiner Luft ausgesetzt ist, um auf diese Weise das Gerät auf Null abzugleichen.

Da man über einen außerordentlich großen Empfindlichkeitsbereich verfügen kann, ist ein Nullbereichpotentiometer 34 vorgesehen. Dadurch wird der genaue Nullabgleich des Gerätes für jeden Meßbereich erleichtert, da mit Hilfe des Potentiometers 34 der Bereich der Null- oder Abgleichspannung eingestellt wird, die an dem Schleifer des Potentiometers 32 liegt. Da die Spannungen in der Lage sein müssen, das Gerät bei den höchsten Empfindlichkeitsbereichen auf Null abzugleichen, muß man dem Potentiometer 32 verhältnismäßig große Spannungen zuführen. Mit derart hohen Spannungen am Potentiometer 32 wäre es jedoch außerordentlich schwierig, das Gerät bei den unteren Empfindlichkeitsbereichen auf Null abzugleichen. Daher wird mit Hilfe eines Nullpotentiometers 34 der Bereich der Null- oder Abgleichspannung an dem Potentiometer 32 eingestellt.

Die Anode 36 der Triode 29 ist über einen Widerstand 37 und die Leitung 14 an die positive 280-Volt-Klemme angeschlossen. Widerstände 38 und 39, die zwischen der Anode 36 und der Leitung 48 in Reihe geschaltet sind, dienen zur Erzeugung der Vorspannung für das Steuergitter 40 einer Röhre 41 und koppeln das Gleichspannungsausgangssignal der ersten Stufe an die Eingangsschaltung der zweiten Verstärkerstufe an.

Die Röhre 41 liegt in einem Zweig der Brückenschaltung 42. Die anderen Brückenzweige enthalten Widerstände 43 bis 45. Ein Anzeigeinstrument 46 am Ausgang ist in der Lage, den Abgleichzustand der Brückenschaltung 42 anzuzeigen. Die Brückenschaltung wird von Signalen gesteuert, die dem Steuergitter 40 zugeführt werden. Die Brückenschaltung 42 wird über die Leitungen 14 und 48 mit Spannung versorgt, die mit der positiven 280- bzw. 140-Volt-Klemme des Gleichspannungsnetzgerätes 15 verbunden sind.

Damit man die Arbeitsweise der Brückenschaltung42 besser versteht, werden den Bauelementen bestimmte Werte zugeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die Widerstände43 und 44 22 kQ groß, während der Widerstandswert des Widerstandes 45 13 kQ beträgt. Da die Widerstände 44 und 45 in Reihe an 140 Volt gelegt sind, fließen in diesem Brückenzweig 4 mA. — Die Brücke ist daher abgeglichen, wenn durch den Widerstand 43 ebenfalls 4 mA fließen. Infolge des Schirmgitterstromes, der von dem Schirmgitter 55 durch den Widerstand 56 fließt, muß die Röhre 41 einen Strom von 4 mA und den Schirmgitterstrom führen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung beträgt der Widerstand 56 22 kQ. Der Schirmgitterstrom beträgt dann 0,66 mA.

Aus Gründen, die noch später erklärt werden, ist es wünschenswert, daß das Potential der Kathode 49 140 Volt beträgt, wenn die Brücke abgeglichen ist. Die Kathode 49 ist über einen Widerstand 50 mit der Erd- 6g klemme des Gleichspannungsnetzgerätes 15 verbunden. Der Widerstand 50 besitzt einen Wert von 30 kO, der für das Potential der Kathode 49 die 882

gewünschte Spannung von 140 Volt vorsieht. Wenn daher der Spannungsabfall am Widerstand 39 gleich der Vorspannung ist, bei der der Anoden-Kathoden-Widerstand der Röhre 41 13 kQ beträgt, dann ist die Brücke abgeglichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die Röhren 29 und 41 jeweils eine halbe Röhre 6CM8. Wenn man eine derartige Röhre mit den angegebenen Widerständen und Spannungen verwendet, dann beträgt die Vorspannung etwa —3 Volt. Die Brücke ist daher abgeglichen, wenn an dem Steuergitter 40 ein Potential von +137 Volt liegt.

Wenn das empfindliche Element 11 reiner Luft ausgesetzt ist, dann kann man das Gerät auf Null abgleichen, indem man das Nullpotentiometer 32 so lange verstellt, bis das Potential an dem Steuergitter 40 +137 Volt beträgt. Irgendein Gleichspannungssignal, das durch den Nachweis einer halogenhaltigen Beimengung an dem empfindlichen Element 11 erscheint, liefert dann ein negatives Gleichspannungssignal, das die Vorspannung von 137 Volt am Gitter 40 vermindert. Dadurch wird die Brücke aus dem abgeglichenen Zustand gebracht, und das Anzeigeinstrument 46 am Ausgang schlägt aus. Die Vorspannung zwischen dem Steuergitter 28 und der Kathode 31, die bei abgeglichener Brücke anliegt, ist die Betriebsspannung zur Einstellung des Arbeitspunktes; bei diesem Zustand ist daher das Eingangssignal des Verstärkers Null.

Ein PotentiometerSl zur Einstellung der Verstärkung, das zwischen der Kathode 49 und der Leitung 48 in Reihe liegt, nimmt auf die Größe der Gegenkopplung in der Ausgangsschaltung des Verstärkers Einfluß, damit man die gewünschte Stabilität erhält. Da beide Enden des Potentiometers 51 mit +140 Volt verbunden sind, nimmt die Stellung des Schleifers am Potentiometer 51 keinen Einfluß auf den Nullabgleich der Brückenschaltung 42, wenn am Eingang des Verstärkers das Signal Null anliegt.

Der Schalter 25Z> zur Einstellung der Empfindlichkeit steuert die Verstärkung des Verstärkers dadurch, daß er wahlweise mit den Klemmen l' bis 3' verbunden werden kann und dabei abnehmende Widerstandswerte dem Widerstand 39 parallel schaltet. Wenn der Schalter 250 an dem Kontakt Γ liegt, dann arbeitet der Verstärker mit maximaler Verstärkung, da der Widerstand zwischen dem Gitter 40 und der Leitung 48 seinen maximalen Wert besitzt. Wenn der Schalter mit dem Kontakt 2' in Berührung steht, dann ist der Widerstand 52 mit dem Widerstand 53 in Reihe geschaltet. Da der Gesamtwiderstand der Widerstände 52 und 53 verglichen mit dem Widerstand 39 klein ist, nimmt die Verstärkung des Verstärkers ab. Wenn der Schalter 25b mit dem Kontakt 3' verbunden ist, ist lediglich der Widerstand 53 dem Widerstand 39 parallel geschaltet. Dabei arbeitet der Verstärker mit seiner geringsten Verstärkung.

Es soll erwähnt werden, daß die in Reihe geschalteten Widerstände 53 und 54 an die Spannung von 140 Volt gelegt sind, die zwischen den Leitungen 48 und 59 besteht. Der Widerstand 54 ist so gewählt, daß das Potential an dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 53 und 54 +137 Volt in bezug auf die Leitung59 beträgt. Man sieht, daß dies das gleiche Potential ist wie an dem Steuergitter 40, wenn das Signal Null am Eingang des Verstärkers liegt. Außerdem nimmt die Stellung des Schalters 25 b keinen Einfluß auf den Nullabgleich der Brückenschaltung 42.

Claims (4)

Ein Leckdetektor mit der beschriebenen Schaltungsanordnung ist daher in der Lage, Leckstellen zu messen, die kleiner sind als diejenigen, die man bisher mit einem halogenempfindlichen Element eines Lecknachweisgerätes prüfen konnte. Weiterhin steht für die Leckraten ein größerer Meßbereich zur Verfügung, als es bis jetzt möglich war, ohne daß beim Betrieb Schwierigkeiten entstehen, die ein Bedienen des Leckdetektors erschweren. Mit den in den folgenden Tabellen angegebenen Werten erhält man ein Lecknachweisgerät, das die gewünschten Betriebsmerkmale aufweist. In der Schaltvorrichtung 25 haben dabei die Schalter 25 c und 25 b folgende Stellungen: Stellung desSchalters 25 aStellung desSchalters 25 bLeckratenbereich1Y0 bis 3 · IO-9 cm3pro Sekunde22'0 bis 10 · IO-9 cm3pro Sekunde3y0 bis 3 · IO-8 cm3pro Sekunde43'Obis IO-IO-8Cm3pro Sekunde53'Obis 3-IO-7 cm3pro Sekunde63'0 bis 10 ■ IO"7 cm3pro Sekunde73'0 bis 3 ■ IO-6 cm3pro Sekunde83'0 bis 10 · 10-e cm3pro Sekunde93'etwa 0 bis 3 · IO-5 cm3pro SekundeIO3'etwa 0 bis 10 · IO-5 cm3pro Sekunde Widerstandswerte 17 1 ΜΩ 18 360 kü 19 100 kÜ 20 36 kΩ 21 10 kQ 22 3,6 kü 23 IkQ 24 510Ω 27 47 kO 30 100 kü 32 5 kü 33 330 Ω 34 5kü 35 25 kQ 37 332 kÜ 38 200 kü 39 1 ΜΩ 51 5kÜ 52 100 kü ο 54 2,4 ΜΩ Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen Lecksucher mit einer Sonde zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals, von dem mittels eines Bereichsschalters ein vorwählbarer Bruchteil einem in Brückenschaltung geschalteten Gleichspannungsverstärker zuführbar ist, dessen steuerbare Elektronenröhre einen Zweig der Brückenschaltung bildet und dem ein Umschalter zur Einstellung seiner Verstärkung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereichsschalter (16, 25 a) und der Umschalter (25 έ) mechanisch gekoppelt sind und eine Vielzahl der vorwählbaren Empfindlichkeitseinstellungen gestatten.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (256) in dem die Steuerelektrode (40) enthaltenden Eingangskreis der steuerbaren Elektronenröhre (41) liegt und daß in jeder Schalterstellung ein vorgewählter Widerstand zwischen die Steuerelektrode und den einen Pol (48) einer Spannungsquelle (48, 59) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nullabgleich der Brückenschaltung (41, 43, 44, 45) zwischen die beiden Pole der Spannungsquelle (48, 59) variable Widerstände (32, 34) in den Eingangskreis geschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kathode (49) der Elektronenröhre (41) und den einen Pol (48) der Spannungsquelle (48, 59) ein variabler Widerstand geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Die Technik, 1960, Nr. 12, S. 809 bis 813;
Glas und Hochvakuumtechnik, 1953, Nr. 12/13, S. 259 bis 262;

Vacuum, 1952, Nr. 2, S. 125 bis 136.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 689/216 1t. 67 © Bundesdruckerei Berlin