DE2416576C2 - Vorfilter zwischen beheizter Probennahmeleitung und Analysator mit Filter - Google Patents
Vorfilter zwischen beheizter Probennahmeleitung und Analysator mit FilterInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Vorfilter zwischen beheizter Probennahmeleitung und Analysator mit Filter, unter gemeinsamer Beheizung des eigentlichen Filters sowie der Probennahmeleitung durch eine eng benachbarte Heizeinrichtung. Ähnliche Einrichtungen sind die Firmendruckschrift Hartmann & Braun 01 PV 11 639/3.73 CW, eingeg. März 1973, bekanntgeworden. Es handelt sich dort im wesentlichen um eine Gasentnahmesonde, die beispielsweise verwendet werden kann, um einen Prefilter die zu analysierende Probe zuzuführen. Die Gasentnahmesonde der vorerwähnten Art ist aber ausschließlich für Abgasmessungen in Feuerungskaminen bestimmt und ist für die Messungen, z. B. an Verbrennungsmotoren, gänzlich ungeeignet. Die gezeigten Filterkerzen werden aufgrund ihrer Anordnung teilweise vom Gas umströmt. Das bekannte Filter wirkt als poröses Tiefenfilter, nicht als echtes Oberflächenfilter. Eine Rückspülbarkeit der bekannten Filter/Entnahmesonde besteht nicht. Die Beheizung mit einem Heizstab ist äußerst unpraktisch und würde bei Kohlenwasserstoffmessungen verheerende Memoryeffekte zeigen, die einen nicht zu vertretenden Meßfehler einbringen würden.
- Bekannt ist ein anderes Vorfilter, bei dem der Filtereinsatz aus Glaswolle besteht und bei dem die aus dem Vorfilter austretende Probenleitung durch Heizstäbe in einem um Probenleitung und Filter herum angeordneten Stahlblock beheizt wird. Eine Temperaturregelung erfolgt bei einem Bimetallschalter aufgrund der im Block gemessenen Temperatur.
- Eine genaue Temperaturkonstanthaltung auf einen gewünschten Wert von beispielsweise 180°C ermöglicht die bekannte Einrichtung nicht. Andererseits sollte die Probe etwa im Emissionstemperaturbereich von Dieselmotoren - ca. 180°C - gehalten werden, damit nicht eine Reihe hochsiedender Kohlenwasserstoffe im kalten Rohr auskondensieren. Andererseits kommt es sehr auf ein gutes Filterergebnis an, damit der empfindliche Analysator nicht beschädigt wird.
- Gegenüber den bekannten Maßnahmen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Vorfilter anzugeben, bei dem zum erstenmal eine genau steuerbare Temperaturkonstanthaltung bei automatisiertem Wechsel des Filtereinsatzes für bessere Meßergebnisse über lange Zeiträume, um exakte und wiederholbare Messungen zu erhalten, sorgt.
- Erreicht wird dies bei einem Vorfilter der eingangs genannten Art überraschend dadurch, daß die Heizeinrichtung als Heizwendel um das Filter gelegt ist und die Probennahmeleitung außen an der Wendel vorbeigeführt ist, daß das Filter eine zylindrische Filterkerze aus Sinterpellets mit Porendurchmessern im Bereich von 2 µ enthält und ein Bimetall-Zeiger-Termometer an der Filtergehäusewand, dessen Schaft in die Probennahmeleitung am Filter taucht, angeordnet ist. Das Filter verfügt über einen Rückspülanschluß mit Schutzventil und einem Umschaltmagnetventil, durch den sich das Probennahmesystem in einer Richtung entgegengesetzt zur Probenrichtung mit Preßluft rückspülen läßt. Auch kann ein Eichgasanschluß vorgesehen sein, der ein Magnetventil derart beaufschlagt, daß die gesamte Einheit - und nicht wie bisher lediglich der Analysator - geeicht werden können.
- Ventilatoren sind vorteilhaft unmittelbar oberhalb der Magnetspulen angeordnet, wobei die Ventilkörper der Magnetventile der Heizwendel anliegen.
- Gegenüber dem bekannten Filtereinsatz aus Glaswolle verwendet man nun eine Filterpatrone aus gesintertem rostfreiem Stahl mit bei Wärme und höheren Strömungsgeschwindigkeiten anti-duktilen und anti-magnetischen Eigenschaften.
- Zur kompakten Ausbildung trägt bei, daß die Einheit als Einschub in ein Übergehäuse ausgebildet ist.
- Die eingangs genannte Aufgabe wird durch die Erfindung voll gelöst. Man kann mit wesentlich erhöhter Arbeitsfolge arbeiten, da die Heizwendel bei Eichung und Rückspülung weiter beheizt werden kann und innerhalb kürzester Zeit bei Umschaltung auf Probennahme die gewünschte Temperatur von ca. 180°C wieder erreicht wird.
- Die gesamte Reinigungsarbeit ist somit automatisiert. Die erfindungsgemäß erhaltenen Ergebnisse sind um Zehnerpotenzen besser als bei bekannten Vorrichtungen, bei denen lediglich der Analysator geeicht wurde.
- Da die Verschmutzung der gesamten Einrichtung bis zu 30% des Meßwertes betragen kann, ist es entscheidend, daß auch Filter und Probenleitung mit geeicht werden können, bei denen beispielsweise die Verschmutzung bei 15 ppm bei einer Messung um 200 ppm liegen kann.
- Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann überraschend die Spule der Magnetventile auf ca. 60°, der Ventilkörper dagegen auf 180°C gehalten werden. Diese Verschmutzungen, die sich trotz aller Vorsicht im Probennahmesystem und im Analysator festsetzen, gehen nunmehr in den Eichwert ein, was eine Meßwertverfälschung ausschließt. Durch die Rückspülmöglichkeit des Filters werden längere Standzeiten des Filtermaterials erreicht, die für die Reinigung erforderliche Zeit wesentlich verkürzt und die Reinigung selbst wesentlich vereinfacht.
- Das gesamte Vorfilter ist in seinen Abmessungen äußerst klein.
- Im übrigen kann die Temperatur des Probengasstromes zwischen Raumtemperatur und 200°C frei gewählt und am Vorfilter eingestellt werden. Der Probenweg führt in jedem Fall ausschließlich durch die beheizte Kammer.
- Steht zur Rückspülung keine Preßluft zur Verfügung, so kann eine Rückspülpumpe benutzt werden.
- Das Vorfilter nach der Erfindung kann als Probennahmesystem vor sämtliche handelsübliche Analysatoren geschaltet werden, die gasförmige Verschmutzungen in Abluft und Außenluft, d. h. Emissionen und Immissionen, messen.
- Das Vorfilter kann mit einer Verrohrung mit Rohren aus Edelstahl, Monel, Titan, Aluminium, Messing, Kupfer, Quarzglas sowie Schläuchen aus Polytetrafluoräthylen und Polysulfon ausgestattet werden.
- Das Vorfilter kann mit Verschraubungen aus Messing, Edelstahl, Monel, Aluminium und Titan versehen werden.
- Nach besonderen Weiterbildungsformen kann ein zusätzliches Drei/Zwei-Wegemagnetventil vor dem Eichgasanschluß am Eichmagnetventil zum Anschluß von Eichgas und Nullgas vorgesehen werden, um damit den Nullpunkt des Analysators einschließlich des gesamten Probennahmesystems festlegen zu können.
- Ein zusätzliches Magnetventil kann zwischen dem Probeneingang und dem Eichmagnetventil vorgesehen werden, um für die Rückspülluft einen eigenen Ausgang zu erhalten. Hierbei wäre dann der Rückspülausgang nicht gleich dem Probeneingang.
- Das Vorfilter ist auch parallel für mehrere Probenströme auszulegen.
- Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden, in denen
- Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung in der Perspektive zeigt;
- Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung, jedoch ohne Gehäuse;
- Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die wesentlichen Teile der Vorrichtung, jedoch ohne Lüfter und ohne Abdeckung für die beheizte Kammer;
- Fig. 4 zeigt die Ausführungsform von der Rückseite;
- Fig. 5 zeigt ein Detail der erfindungsgemäßen Maßnahme; und
- Fig. 6 zeigt eine Einzelheit der Temperaturmessung.
- Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als kompakte Einheit in einem Gehäuse 24 zusammengefaßt. Die Einheit läßt sich beispielsweise, ohne daß weitere Maßnahmen erforderlich wären, auf die Auspuffleitung eines Motorenprüfstandes aufschrauben bzw. hieran anschließen. Beispielsweise betragen die Abmessungen des in Fig. 1 dargestellten Gerätes Breite: 230 mm; Höhe: 190 mm; Tiefe 210 mm. Es konnte ein Gewicht von nur 6 Kilogramm erreicht werden. Zur besseren Handhabung ist das Gerät mit Griffen 32 versehen. In der Frontplatte sind Bedienungs- und Überwachungselemente wie Schalter 21 , Signallampen 23 und Sicherungen angeordnet. Das für den weiter unten zu beschreibenden Zweck wichtige Temperaturmeßgerät ist in Form eines Bimetallanzeigethermometers 12 in die Frontplatte 22 gelegt. Trotz der hiohen Betriebstemperaturen läßt sich das Gerät ohne Gefahr für den Benützer handhaben.
- Der Aufbau des Gerätes soll anhand der schematischen Fig. 2, 3 und 4 kurz erläutert werden:
- Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem später genauer zu beschreibenden Filter 6, das hinsichtlich seiner Konstruktion so ausgewählt wurde, daß sich auf dem Fachgebiet praktisch zum ersten Mal eine Rückspülmöglichkeit ergibt. Das Filter 6 ist von einer Heizschlange 30 umgeben. Die Heizleistung wird mittels eines im Probengasstrom selbst angeordneten Heißleiter gesteuert, und zwar über eine hier nicht mehr ausgeführte elektronische Temperaturregeleinheit 20. An das Filter angeschlossen sind Leitungen, die einmal zu einem Rückspülmagnetventil mit Magnetspule 8 und Ventilkörper 9, zum anderen zu einem Eichmagnetventil mit Ventilspule 4 und Ventilkörper 5 führen. Das Eichmagnetventil ist über eine mit 35 bezeichnete Leitung mit einem Eichgasanschluß 34 verbunden. Das Magnetventil 8-9 über eine Preßluftleitung 37 mit einem Preßluftanschluß 36. Zwischen dem Preßluftanschluß 36 und der Leitung 37 liegt ein Schutzmagnetventil 16, das für den Fall vorgesehen ist, daß bei Stromausfall der Preßluftspeicher gesperrt wird. Es konnte erreicht werden, daß sämtliche Anschlüsse - falls gefordert - an ein und die gleiche Frontplatte herausgeführt werden.
- Wie Fig. 2 genauer erkennen läßt, sind zwei Lüfter 18 vorgesehen, die die Spulen der Magnetventile 8, 9 bzw. 4-5 sowie die Temperaturregeleinheit kühlen.
- Einstellschrauben 26 für Temperaturschutzschalter sind von außen zugänglich ausgebildet.
- Um einerseits eine konstante Temperatur am Filter und der Probenleitung zu erreichen, andererseits den Rest des Gerätes gegen Wärme zu schützen, ist eine Abdeckung 28 mit darüber befindlicher nicht gezeigter Isolierung vorgesehen. Innerhalb der Abdeckung sind Bimetallschutzschalter 26 zur Temperaturkontrolle vorgesehen. Die Zuführungen für das Magnetventil 8-9 sind mit 38 bezeichnet.
- Im Gegensatz zu den auf dem Fachgebiet bisher üblichen Filtern mit Glaswolle- und Keramikeinsatz, die notwendigerweise größer bauen, wird erfindungsgemäß eine Spezialfiltereinheit 6 - Fig. 5 - benutzt, die im wesentlichen aus einer zylindrischen Filterkerze 40 aus gesinterten Pellets bestehen. Die Pellets sind so gesintert, daß die Porendurchmesser bei etwa 2 µ liegen. Als Material ist ein rostfreier Stahl gewählt, der bei dem geringen Porendurchmesser weder duktil noch magnetisch wirkt, auch nicht bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Durch Pfeile ist die Durchströmung des Filters in Fig. 5 angegeben. Beim Zusammenbau wird auf das Gehäuseendstück 44 die Filterkerze 40 aufgeschraubt. Das Ganze wird dann gegen das Filtergehäuse 42 verschraubt.
- Eine wichtige Einzelheit betreffend die Temperaturanzeige gibt die Fig. 6 wieder. Im Gegensatz zur sehr teuren elektronischen Temperaturmessung innerhalb eines erwärmten Gasstroms, die aus diesem Grunde bisher selten ausgeführt wurde, ist erfindungsgemäß ein Bimetallzeigerthermometer 12 im T-Stück 10 vorgesehen. Die Befestigung ist gasdicht. Der Schaft 48 taucht in die Probengasleitung im T-Stück 10 ein; das Anzeigegerät 12befindet sich dagegen außerhalb der Frontplatte 22. Die Durchführung durch das Gehäuse erfolgt mittels Schneidringverschraubung 50. Die Anordnung mittels Schneidringverschraubungen im T-Stück 10 garantiert Gasdichtigkeit. Es wird also nicht wie bisher üblich außerhalb des Gasstroms indirekt eine Temperatur gemessen, sondern direkt die Temperatur des Gasstroms.
- Das vorgeschlagene Gerät erlaubt folgende Funktionen:
- Das vom Motorprüfstand kommende Gas kann kontinuierlich im Filter gefiltert werden und dabei gleichzeitig positiv auf einer angezeigten Temperatur von beispielsweise 180°C gehalten werden. Im Filter werde die unerwünschten Partikel, z. B. Ruß, zurückgehalten, und zwar alle Partikel, deren Korngröße größer als 2 µ ist. Durch diese genaue Temperaturhaltung kann es nicht passieren, daß beispielsweise unter 180°C auskondensierende Säuren oder dergleichen an den Wänden des Filters haften bleiben. Das Analysengerät wird nunmehr mit einem besser als bisher gereinigten Gas und einem Gas beaufschlagt, für dessen Temperatur garantiert werden kann.
- Ebenfalls im Gegensatz zu bisher bekannten Filtern ist es durch die Verwendung des mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenen Spezialfilters möglich, eine Rückspülung vorzunehmen. Hierzu ist lediglich notwendig, das Rückspülmagnetventil einzuschalten. Die Strömungsrichtung ist dann entgegengesetzt zu der in Fig. 3 beispielsweise eingezeichneten. Die Dauer der Rückspülung beträgt etwa 1 Minute. Der große Vorteil hierbei ist, daß nicht gewartet werden muß, bis das Filter bzw. das Gerät etwa abgekühlt ist. Die Aufheizzeit ist im Gegensatz zum bisher notwendigen völligen Auswechseln des Filters wesentlich kürzer, da der Heizwiderstand während des Rückspülvorgangs weiter geheizt wird. Die Aufheizzeit beträgt etwa 1 bis 2 Minuten.
- Bei bisherigen Geräten war zwar eine Eichmöglichkeit für den Analysator zur Verfügung gestellt: hierbei mußten aber Verfälschungen in der Messung in Kauf genommen werden, da das Probennahmesystem bzw. das Pre-Filter und dessen Verschmutzungsgrad nicht in die Eichung einging. Durch einen gesonderten Eichanschluß kann das Gerät mittels eines Eichgases lediglich durch Umlegung eines einzigen Schalters des Eichmagnetventils geeicht werden. Die Strömungsrichtung ist dann gleich der Richtung des Probengasstroms.
- Nach der beispielsweisen Ausführungsform arbeitet das Gerät wie folgt:
- Der Probeneingang 2 wird mit einem zu reinigenden etwa vom Motorprüfstand kommenden Probengas beaufschlagt ( Fig. 4). Durch die erwähnte Heizwendel mit der erwähnten Temperatursteuerung wird das Probengas bis zum Probenausgang 14 z. B. auf 180°C gehalten. Sollte es eine niedrigere Temperatur aufweisen, so wird es im Bereich des Filters durch die Heizwendel 30 mit einem Mantel aus V4A-Stahl erwärmt. Durch die Temperaturhaltung werden Meßwertverfälschungen vermieden.
- Der Probenweg im Vorfilter ist der folgende: vom Probeneingang 2 strömt das aufzubereitende Gas durch den Ventilkörper 5 und geht über nicht bezeichnete Leitung in die Spezialfiltereinheit 6. Diese wird wie in Fig. 5 dargestellt durchsetzt. Es werden feste und staubförmige Substanzen, die größer als 2 µ sind, zurückgehalten. Das Probengas tritt aus dem Filter aus, durch den Filterkörper 9 des Rückspülmagnetventils und gelangt zu einer Rohrverzweigung, einem T-Stück 10. Das Probengas geht am Schaft 48 des Bimetallzeigerthermometers 12 vorbei zum Probenausgang 14. Die Leitung, in die der Schaft 48 des Thermometers taucht, liegt eng über der Heizwendel aus Gründen der Temperaturbeeinflussung. Auch der Probengasweg zwischen Ventilkörper 9 und T-Stück 10 ist nahe über die Wendel 30 gelegt. Am Austritt aus dem Ventilkörper 9 wird die Temperatur, beispielsweise mit einem NTC-Widerstand, abgetastet; es erfolgt gegebenenfalls eine Nachregelung der Heizwendel, falls die Temperatur unter den Sollwert abgefallen sein sollte. Wesentlich ist, daß die Ventilkörper 9 sowie 5 durch die gefundene Lösung nahe an der Heizwendel angeordnet werden können und trotzdem eine Funktionsfähigkeit des Magnetventils durch die vorgesehene Kühlung mittels der Lüfter 18 nicht beeinträchtigt ist. Die Ventilkörper 9 und 5 liegen direkt an der Heizwendel 30 nach dem Asführungsbeispiel an.
- Zum Rückspülen wird das Rückspülmagnetventil 8-10 umgeschaltet. Es handelt sich um ein Dreiwegventil. Jetzt strömt vom Preßluftanschluß 36 Preßluft durch das Filter 6, und zwar in Richtung umgekehrt zu der des Probengasstroms zum Probeneingang 2. Das Filter 6 wird von anhaftenden Verschmutzungen gereinigt. Das Eichmagnetventil 4-5 steht dabei auf Stellung "Probe", die Heizwendel 30 heizt weiter. Weitere Umstellungen sind nicht erforderlich. Bei Stromausfall schließt das Schutzmagnetventil 16; es kann somit kein Preßluftverlust eintreten. Diese Funktion war bei der bisher üblichen Verwendung von Glaswolle als Filtereinsatz nicht möglich. Der gesamte Filtereinsatz mußte entfernt werden, was erst nach Abkühlung des Gerätes möglich war.
- Beim Eichvorgang wird das Eichmagnetventil 4-5 so geschaltet, daß das angeschlossene Eichgas über den Eichgasanschluß 34 durch das Filter 6 zum Probenausgang 14 strömen kann. Beim Eichgas handelt es sich beispielsweise um ein definiert verschmutztes Gas. Es erfolgt also eine gemeinsame Eichung von Pre-Filter, Probenzuleitung und Analysegerät. Das Rückspülmagnetventil 8-9 steht auf Stellung "Probe". Durch den Eichvorgang wird erreicht, daß Verschmutzungen, die sich trotz aller Vorsicht im Probennahmesystem und im Analysator festsetzen, in den Eichwert eingehen und somit eine Meßverfälschung ausgeschlossen wird.
- Verschmutzungen, die sich eventuell im Probennahmesystem oder im Analysator bzw. in der Probenzuleitung befinden, gehen also mit in den Eichwert ein und finden im Analysenwert ihre Berücksichtigung.
- Die Konstanthaltung der Probentemperatur auf 180°C und damit von Temperaturen in einem Teil des Gerätes, vor allen Dingen in den Magnetventilen (z. B. 180°C) andererseits die Temperaturhaltung der Magnetventile auf 60°C oder darunter bei angezogenem Magneten gelang dadurch, daß die Lüfter innerhalb des Gehäuses direkt über den zu kühlenden Spulen bzw. Bauteilen angeordnet sind. Dies wurde auch dadurch erreicht, daß als Isoliermaterial ein Asbest-Schaummaterial hochdichter Qualität verwendet wurde.
- Das Vorfilter kann durch eine Fernbedienungseinheit, die mit dem Vorfilter durch ein Fernbedinungskabel in robustem Panzerrohr verbunden ist und sämtliche Regel- und Signaleinrichtungen enthält, ergänzt werden.
- Eine Verwendung des Vorfilters, unbeheizt, für Wasser analysierende Analysatoren, wobei die Rückspülung mit Preßluft oder gesäuertem Wasser erfolgt, ist ebenfalls möglich.
Claims (12)
1. Vorfilter zwischen beheizter Probennahmeleitung und Analysator mit Filter, unter gemeinsamer Beheizung des eigentlichen Filters sowie der Probennahmeleitung durch eine eng benachbarte Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung als Heizwendel (30) um das Filter (6) gelegt ist und die Probennahmeleitung (2-14) außen an der Wendel vorbeigeführt ist, daß das Filter eine zylindrische Filterkerze (40) aus Sinterpellets mit Porendurchmessern im Bereich von 2 µ enthält und ein Bimetall-Zeiger-Thermometer (12) an der Filtergehäusewand, dessen Schaft (48) in die Probennahmeleitung (bei 10) am Filter (6) taucht, angeordnet ist.
2. Vorfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Eich- und Rückspülzwecke vorgesehene Magnetventil (4-5; 8-9) mit ihren Ventilkörpern (5; 9) der Heizwendel (30) anliegen, wobei unmittelbar über deren Magnetspulen (4; 8) Ventilatoren (18) angeordnet sind.
3. Vorfilter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen an einer Gehäusestirnplatte angeordneten Preßluftanschluß (36) mit zugeordnetem Schutzmagnetventil (16), von dem eine Preßluftzuführung (37) in das dem Filter (6) zugeordnete Rückspülmagnetventil (8-9) führt.
4. Vorfilter nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch einen an einer Gehäusestirnplatte angeordneten Eichgasanschluß (34), von dem eine Eichgaszuführung (35) in das dem Filter (6) vorgelagerte Eichmagnetventil (4-5) führt.
5. Vorfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterpatrone (40) aus gesintertem rostfreiem Stahl mit bei Wärme und höheren Strömungsgeschwindigkeiten anti-duktilen und anti-magnetischen Eigenschaften besteht.
6. Vorfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit als kompakter Einschub in ein Übergehäuse (24) ausgebildet ist.
7. Vorfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung des Nullpunktes von Analysator und Probenleitung vor dem Eichgasanschluß ein Dreiwegmagnetventil angeordnet ist.
8. Vorfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung von Rückspülausgang und Probeneingang ein Magnetventil dem Eichmagnetventil vorgelagert ist.
9. Vorfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel verlaufende Leitungen für mehrere Probenströme vorgesehen sind.
10. Vorfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen NTC-Heißleiter- Temperaturfühler im Probengasstrom zur Temperaturregelung.
11. Vorfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fernbedienungseinheit, die mit dem Vorfilter durch ein Fernbedienungskabel in robustem Panzerrohr verbunden ist und sämtliche Regel- und Signaleinrichtungen enthält.
12. Verwendung des Vorfilters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unbeheizt für Wasser analysierende Analysatoren, wobei die Rückspülung mit Preßluft oder gesäuertem Wasser erfolgt.
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