DE2608137C2 - Verfahren zum Frequenzabgleich eines elektromechanischen Filters - Google Patents

Verfahren zum Frequenzabgleich eines elektromechanischen Filters

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DE2608137C2 DE2608137A DE2608137A DE2608137C2 DE 2608137 C2 DE2608137 C2 DE 2608137C2 DE 2608137 A DE2608137 A DE 2608137A DE 2608137 A DE2608137 A DE 2608137A DE 2608137 C2 DE2608137 C2 DE 2608137C2
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Description

JO
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Frequenzabgleich eines elektromechanischen Filters, das zwei oder mehr mechanisch gekoppelte mechanische Resonatoren sowie zwei elektrostriktiv wirkende elektromecha- h" nische Wandler aufweist und der eine Wandler als Eingangs- und der andere Wandler als Ausgangswandler dient und diese Wandler einen oder zwei der mechanischen Resonatoren zu einem Verbundschwinger bzw. zu zwei Verbundschwingern ergänzen, und h> wenigstens ein Resonator des Filters keinen solchen Wandler enthält und bei dem jedem der elektromechanischen Wandler eine Spule mit einem solchen Induktivitätswert parallel geschaltet wird, daß diese zusammen mit der statischen Kapazität des jeweiligen elektromechanischen Wandlers jeweils einen auf die Sollfrequenz des abzugleichenden Resonators einschließlich der mit ihm verbundenen Koppelelemente abgestimmten Eingangs- bzw. Ausgangsparallelkreis (Eingangs- bzw. Ausgangsklemmkrcis) bilden.
Bekanntlich besteht für die einwandfreie Funktion eines elektrischen Filters die Voraussetzung, daß dessen einzelne Resonanzkreise mit verhältnismäßig großer Genauigkeit jeweils auf eine bestimmte vorgegebene Resonanzfrequenz eingestellt sein müssen. Da diese Voraussetzung, beispielsweise bedingt durch unvermeidliche Herstellungstoleranzen im allgemeinen nicht von vornherein erfüllt ist, müssen die einzelnen Resonanzkreise eines bereits gefertigten Filters noch auf die jeweils geforderte Resonanzfrequenz abgeglichen werden. Bei elektromechanischen Filtern kann dieses Abgleichen durch Sandstrahlen bzw. Laserstrahlen der mechanischen Resonatoren erfolgen. Es ergibt sich dabei jedoch die Schwierigkeit, die Resonanzfrequenz der einzelnen abzugleichenden Resonatoren möglichst genau festzulegen, ohne daß dabei gleichzeitig die Wirkung von mechanisch gekoppelten benachbarten Resonatoren die Abstimmung beeinflußt.
Zur Vermeidung einer solchen Beeinflussung ist es beispielsweise bekannt, die Rückwirkung der den abzugleichenden Resonator benachbarten Resonatoren während des Abgleichvorgangs dadurch möglichst weitgehend auszuschalten, daß die dem abzugleichenden Resonator benachbarten Resonatoren durch eine mechanische Klemmung am Schwingen gehindert werden. Es wird hierzu jedoch eine aufwendige mechanische Presse benötigt, die es zudem erforderlich macht, daß die Klemmflächen am Resonator möglichst plan und zueinander parallel ausgerichtet sind. Infolgedessen kann der Resonator nicht wie üblich durch Materialabtrag an den Klemmflächen abgeglichen werden. Eine Klemmung an den Stellen der größten Bewegung eines Resonators ist je'loch häufig deshalb nicht möglich, da an diesen Stellen im allgemeinen am Resonator elektrostriktive Keramiken als Wandler vorgesehen sind. Durch den zur Klemmung erforderlichen Klemmdruck würde nämlich diese Keramik zerstört werden.
Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten ist es beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 12 45 507 bekannt, die mechanische Klemmung durch eine sogenannte elektrische Klemmung zu ersetzen. Diese elektrische Klemmung wird unter der Voraussetzung, daß die dem jeweils abzugleichenden Resonator unmittelbar benachbarten Resonatoren als Verbundsrhwinger mit elektrostriktiven Wandlern versehen sind, dadurch erreicht, daß diesen Wandlern während des Abgleichvorgangs jeweils eine Spule mit einem solchen Induktivitätswert parallel geschaltet wird, daß sie zusammen mit der statischen Kapazität der jeweiligen elektrostriktiven Wandler einen auf die Sollfrequenz des abzugleichenden Resonators einschließlich des Koppelelementes abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet. Es werden dadurch die dem abzugleichenden Resonator unmittelbar benachbarten Resonatoren stark bedämpft, so daß ihre Rückwirkungen auf den abzugleichenden Resonator während des Abgleichvorganges vernachlässigbar sind. Die Schwingungsanregung und die Messung der Schwingfrequenz des abzustimmenden Resonators erfolgt in diesem Falle über elektrostriktive Wandler, die am abzustimmenden
Resonator selbst angebracht sein müssen.
Zum Abgleich von Schwingern, die keine Wandler enthalten, ist jedoch eine andere Schwingungsanregung und Messung der Resonanzfrequenz erforderlich. In diesem Falle kann der Resonator über eine Antriebsvor- ■-, richtung, beispielsweise eine Anregespule, mit Hilfe des Magnetostriktionseffektes zu Schwingungen angeregt werden. Die von einem M unmittelbarer Nähe des Resonators angeordneten Mikrofon gemessene Resonanzfrequenz des Resonators wird dann im allgemeinen in einem Rückkopplungsverstärker zugeführt, der zusammen mit der Antriebsvorrichtung und dem Mikrofon einen Meßkreis bildet. In diesem Meßkreis wird dann die jeweilige Resonanzfrequenz gemessen. Es wird dabei jedoch die EiEenresonanzfrequenz des zu π messenden Resonators gegenüber der im unmagnetisierten Zustand auftretenden Eigenresonanzfrequenz verschoben. Diese Frequenzverwerfung kommt durch die Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls Zf des Resonatormaterials von der Größe der Vormagnetisierung ><> zustande und erreicht bei ungünstigem Resonatormaterial und kräftiger Vormagnetisierung Werte für die relative Frequenzänderung Δ/ff bh zu 2 · 10~*. Nachteilig bei dieser Schwingungsmessung ist auv.-fi die beim Sandstrahlabgleich gegebene starke Mikrofonabnüt- 2ί zung. Außerdem können beim Sandstrahlabgleich auftretende Ultraschallwellen zu Fehlmessungen führen. Ein weiterer Nachteil ist die infolge von unvermeidbaren Materialschwankungen auftretende ungleichmäßige Magnetisierung der einzelnen Resona- ν toren. wegen der das vorstehend angegebene bekannte Verfahren einer Automatisierung nur schwer zugänglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das unter Vermeidung der r> vorstehend geschilderten Schwierigkeiten auch zur Abstimmung und Messung von Resonatoren innerhalb eines mechanischen Filters geeignet ist, die keine elektrostriktiven Wandler enthalten.
Ausgehend von einem Verfahren zum Frequenzab--"> gleich eines elektromechanischen Filters, das zwei oder mehr mechanisch gekoppelte mechanische Resonatoren sowie zwei elektrostriktiv wirkende elektromechanische Wandler aufweist und der eine Wandler als Eingangs- und der andere Wandler als Ausgangswand- ->"· Ier dient und diese Wandler einen oder zwei der mechanischen Resonatoren zu einem Verbundschwinger bzw. zu zwei Verbundschwingern ergänzen, und wenigstens ein Resonator des Filters keinen solchen Wandler enthält und bei dem jedem der elektromecha- "■" nischen Wandler eine Spule mit einem solchen Induktivitätswert parallel geschaltet wird, daß diese zusammen mit der statischen Kapazität des jeweiligen elektromechanischen Wandlers jeweils einen auf die Sollfrequenz des abzugleichenden Resonators ein- ">'> schließlich der mit ihm verbundenen Koppelelemente abgestimmten Eingangs- bzw. Ausgangsparallelkreis (Eingangs- bzw. Ausgangsklemmkreis) bilden, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während des an einem ohne elektrostriktiven Wandler w> ausgebildeten Resonator vorgenommenen Abgleichvorganges über einen Speisekreis dem Eingangswandler elektrische Energie so hochohmig zugeführt wird, daß die Güte des Eingangsklemmkreises nur geringfügig geändert und auf diese Weise dem abzugleichenden""' Resonator mechanische Schwingiingsenergie zugeführt wird, und daß gleichzeitig an einem der elektrostriktiven Wandler die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators über einen hochohmigcn Meßkreis gemessen wird.
Es hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators am Ausgangswandler zu messen.
Falls der Ausgangswandler nicht zugänglich ist für eine Frequenzmessung, ist es vorteilhaft, die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators über einen in den Speisekreis eingefügten hochohmigen Meßkreis zu messen.
Als vorteilhaft hat es sich außerdem erwiesen, wenn die den elektrostriktiven Wandlern parallel geschalteten Spulen als veränderbare Induktivitäten ausgebildet sind, oder wenn die den elektrostriktiven Wandlern parallel geschalteten Spulen durch jeweils einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt sind.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Einzelheiten wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine erfindungsgemäße Anregungs- und Meßvorrichtung im Zusammenhanf ,nit einer abzugleichenden dreikreisigen mechanischer. Fiiteranordnung;
F i g. 2 ein durch die Anregungs- und Meßvorrichtung ergänztes elektrisches Ersatzschaltbild der Fiiteranordnung nach Fig. 1;
Fig 3 eine Abwandlung der Meßanordnung nach Fig. 2.
Die in der F i g. 1 dargestellte Filteranordnung enthält drei über zwei zueinander parallele Koppeldrähte 1 mechanisch gekoppelte Resonatoren 'om Biegeschwingungstyp, die jeweils als zylindrische Metallstäbe ausgebildet und mit in ihrer Ebene parallel zur Stabachse verlaufenden Abflachungen versehen sind. Diese Abflachungen sind parallel zu der von einer Grundplatte 3 gebildeten Ebene ausgerichtet. Die Schwingungsanregung bzw. die Schwingungsabnahme erfolgt durch aus elektrostriktivem Material bestehende Plättchen 4 und 4', die jeweils an den Abflachungen der äußeren Resonatoren 2 und 2' befestigt sind, und die an der dem Resonator abgewandten Seite mit einer Metallisierung vorgesehen sind, mit der jeweils ein zu eir::m durch die Grundplatte 3 eingespritzten Zuführungsstift 5 bzw. 5' führender dünner Anschlußdraht 6 bzw. 6' verbunden is«. Ein weiterer Ar.schlußdraht ist mit jeweils einem der für jeden der äußeren Resonatoren 2 und 2' vorgesehenen zwei Halteorgane 7 und T verbunden und führt zu einem als Durchführung der Grundplatte 3 ausgebildeten Anschlußstift 8 bzw. 8'. Die Halteorgane 7 und T sind als kurze abgewinkelte Metallstifte sehr geringer Stärke ausgebildet, die an ihrem einen Ende jeweils in einem Schwingungsknoten des Resonators befestigt sind und die an ihrem anderen Ende in der Grundplatte 3 verankert sind.
D' die Filteranordnung nach Fig. 1 symmetrisch aufgebaut ist, kann wahlweise der Resonator 2 oder der Resonator 2' als Emgangsresonator verwtrdet werden. Die folgende Beschreibung geht davon aus. daß der Resonator 2 als Eingangsresonator betrieben wird.
Bei Anlegen, einer elektrischen Wechselspannung zwischen dem Zu.ührungsstift 5 und dem Anschlußstift 8 des äußeren Resonators 2 wird dieser durch die entstehenden Dehnungen und Verkürzunger des aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchens 4 über den sogenannten Querkontraktionseffekt zu Biegeschwingungen angeregt, wenn seine Biegeeigcnfrequenz mit der frequenz der angelegten Wechselspannung zumindest näherungsweise übereinstimmt.
Diese Hiegebewegung wird iiberclie Koppeklriihte I auf den benachbarten inneren Resonator 9 übertragen, der somit ebenfalls Biegeschwingungen ausführt. Infolge der durchgehenden Kopplung treten auch bei dem äußeren Resonator 2' Biegeschwingungen auf. so daß wegen der piezoelektrischen Wirkung des Plättchens 4' /wischen der dem Resonator abgewandten Metallisierung und dem Resonator 2' eine Wechselspannung auftritt, die /wischen dem Zuführungsstift 5' und dem Anschlußstift 8' abgenommen werden kann.
Zum Abgleich des mittleren, nicht mit einem elektrostriktiven Wandler versehenen Resonators 9 ist es nun erforderlich, die an den äußeren Resonatoren 2 und 2' mit auftretenden Schwingungen weitgehend zu unterdrücken. Dies läßt sich, wie es beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 12 45 507 bekannt ist. durch die in der F i g. I angegebenen Spulen 10 und 10' erreichen, die während des Abgleichvorganges /.wischen die Stifte 5 und 8. bzw. zwischen die Stifte 5' und 8'
bemessen sind, daß sie jeweils zusammen mit der suitischen Kapazität des jeweiligen elektrostriktiven Wmdlers 4 und 4' einen Parallelresonanzkreis bilden, dessen Resonanzfrequenz auf die Sollfrequenz des Resonators 9 einschließlich der Koppeldrähte 1 abgestimmt ist.
Anstelle der üblichen und mit den vorstehend angegebenen Nachteilen verbundenen Anregung des mittleren Resonators 9 über ein magnetisches Feld mit Hilfe des Magnetostriktionsprinzips und der Frequenzmessung über ein Mikrofon, das die Schallwellen des Resonators aufnimmt, erfolgt gemäß der Erfindung die Schwingungsanregung und die Messung der Frequenz des mittleren Resonators 9 über die elektrisch geklemmten, als Verbundschwinger ausgeführten äußeren Resonatoren 2 bzw. 2'. Es wird dabei während des an dem mittleren Resonator 9 vorgenommenen Abgleichvorgnngs üher einen isneisekreis dem F.ingangswandler 4 elektrische Energie so hochohmig zugeführt, daß die Güte des Eingangsklemmkreises nur geringfügig verringen wird. Es wirkt dadurch der Verbundschwinger 2 als Antrieb sehr geringer Schwinggüte, der die Resonanzfrequenz des mit ihm gekoppelten mittleren Resonators 9 praktisch nicht beeinflußt. An dem elektrostriktiven Wandler 4' des Resonators 2'. der wegen der elektrischen Klemmung ebenfalls einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Eigenfrequenz des mittleren Schwingers ausübt, kann dann über einen hochohmigen Meßkreis die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators gemessen werden.
In der F i g. 1 ist der aus einem Sender C und einem hochohmigen Vcwiderstand R 1 bestehende Speisekreis parallel zur Spule 10 geschaltet. Der hochohmige Ausgangsmeßkreis besteht aus einem zur Spule 10' parallel geschalteten hochohmigen Widerstand R 2 und aus einem parallel zum Widerstand R 2 geschalteten Meßempfänger M. der mit einem Frequenzzähler Z verbunden ist. Im allgemeinen ist es günstig, für die Widerstände R 1 und R 2 einen solchen Wert zu wählen, daß die Schwinggüten der Kiemmkreise mindestens 50 betragen. Die Güten der äußeren Verbundschwinger 2 und 2' sind durch die Klemmung von 3000 auf zirka 10 herabgesetzt Dadurch wirken die Verbundschwinger als Antriebe mit sehr kleiner Schwinggüte und beeinflussen die Resonanzfrequenz der mit ihnen gekoppelten Schwinger praktisch nicht. Damit kann die Resonanzfrequenz des über die Koppeldrähte 1 zu Schwingungen hoher Güte angeregten mittleren Resonators 9 in weiten (iren/en unbeeinflußt von den Eigenschaften eier äußeren Verbundschwinger gemessen werden.
Anhand des in der IΊ g. 2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbildes ties dreikreisigen mechanischen Filters nach tier Fig. 1 soll die elektrische Wirkungsweise noch näher crläiiteri werden.
Da'- elektrische Ersatzschaltbild nach I·'i g. 2 ist in Übereinstimmung mit F i g. I eingangsseitig durch einen den Generator C! und den Vorwiderstand R I enthaltenden Speisekreis und ausgangsseilig durch den mit einem Vorwiderstand R 2 versehenen und mit einem Frequenzzähler Z verbundenen Meßcmpfiingcr Λ/ ergänzt. Das in der Fig. I gezeigte mechanische Filter läßt sich durch den zwischen den Eingangsklemmen 5 und 8 und den Ausgangsklemmen 5' und 8' liegenden Vierpol der Fig. 2 darstellen. Der als Verbundschwinger aufgebaute Resonator 2 wird durch einen im ersten Längszweig liegenden Serienresonanzkreis V mit den
CT"!
d /
Resonator 9 wird durch einen Serienresonan/kreis 9' mit der Induktivität L9 und der Kapazität C'9 dargestellt. Der zweite als Verbundschwinger ausgeführte äußere Resonator 2' wird durch einen im r, Längszweig an den Serienresonanzkreis 9; anschließenden, aus der Kapazität C2 und der Induktivität 1.2 aufgebauten Serienresonanzkreis V' dargestellt. Am Eingang dieses Vierpols liegt im Querzweig eine Kapazi'it CpI und am Ausgang eine Kapazität Cp2.
in Diese Kapazitäten entsprechen den statischen Kapazitäten der elektrostriktiven Wandler 4 und 4'. Zwischen den Resonanzkreisen V, 9' und V' liegt in den Querzweigen der Schaltung jeweils eine Koppelkapazität Ck, die die Wirkung des Koppeldrahtes 1 nachbildet.
j-, Dem Eingang und dem Ausgang des Vierpols ist jeweils eine Spule 10 bzw. 10' parallel geschaltet, deren Induktivität so gewählt ist, daß sie jeweils mit der Kapazität Cp 1 bzw. Cp 2 einen auf die Sollfrequenz des mittleren Resonators 9 abgestimmten, als Klemmkreis wirkenden Parallelresonanzkreis bilden, wie es aus der deutschen Patentschrift 12 45 507 bekannt ist. Es sind dann für die Sollfrequenz des mittleren Resonators 9 die Maschen I und Il von der restlichen Vierpolschaltung abgetrennt, da die Klemmkreise für diese Frequenz j hochohmig werden.
Bei entsprechend hochohmiger Einspeisung über den Generator C und den Widerstand R1, der im Ausführungsbeispiel einen Widerstandswert von etwa 100 V.O. aufweist, wird nunmehr der Resonator 2 infolge der Bedämpfung durch den Klemmkreis zu Schwingungen geringer Güte mit der Sollfrequenz des mittleren Resonators 9 angeregt. Wie aus der Schaltung zu ersehen ist, wird der innere Resonator über den Koppeldraht 1 bzw. im Ersatzschaltbild über die im Querzv/eig dargestellte Koppelkapazität Ck zu Schwingungen hoher Güte angeregt Der über den zweiten Koppelkondensator Ck an den Serienresonanzkreis 9' angekoppelte elektrisch geklemmte Serienresonanzkreis V" wird nun zu Schwingungen geringer Güte angeregt, deren Frequenz mit der Frequenz des Resonanzkreises 9' übereinstimmt und ausgangsseitig durch den hochohmigen Meßkreis gemessen wird.
Es kann auch, wie dies in Fig.3 gezeigt ist. die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators 9, falls der Ausgangswandler 4' für eine Meßvorrichtung beispielsweise nicht zugänglich ist über einen in den Speisekreis eingefügten Meßkreis gemessen werden. In der F i g. 3 ist ein für diesen FaI! geeigneter, zwischen
ilen Anschlüssen 5 und 8 angeschlossener Hingangskreis dargestellt, der den Hingangskreis nach den Fig. I und 2 ersetzen soll. Hs ist hier in den aus einer .Serienschaltung eines Generators G und eines Widerstandes R I bestehenden Spei.ekreis ein Meßkreis eingefügt, der aus einem in Serie zu dem Generator (7 geschalteten Widerstand R 2 und einem parallel zu diesem Widerstand R 2 geschalteten und mit einem Frequenzzähler /. verbundenen Meßempfänger /V/besteht.
Das ei'findungsgemäße Abgleichverfahrcn läßt sich auch auf Schwinger anwenden, deren Nachbarresonatoren nicht mit Waiidlerelementen versehen sind. Hs ergeben sich in diesem Fall in der Leitwertebene, wenn beispielsweise ein Nachbarresonator nicht mit Wandlerelemenlen versehen ist. /wischen zwei äußeren, den Resonanzfrequenzen der Klcmmkreise entsprechenden I.eitwertmaxima zwei innere, den Resonanzfrequenzen dieser nicht mit Wandlerelementen versehenen Resonatoren entsprechende I.eitwertmaxima. Diese benachbarte I.eitwertmaxima weisen einen bestimmten Mindestabstand J ^ au f.
Das erfindungsgemäße Abgleichverfahren eignet sich auch für mechanische Filter, die lediglich aus z.wei miteinander gekoppelten mechanischen Resonatoren bestehen und bei denen die Hingangs- und Ausgangswandlerelemcnte an einem dieser Resonatoren angebracht sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Frequenzabgleich eines elektromechanischen Filters, das zwei oder mehr mechanisch gekoppelte mechanische Resonatoren sowie zwei elektrostriktiv wirkende elektromechanische Wandler aufweist und der eine Wandler als Eingangs- und der andere Wandler als Ausgangswandler dient und diese Wandler einen oder zwei der mechanischen Resonatoren zu einem Verbundschwinger bzw. zu zwei Verbundschwingern ergänzen, und wenigstens ein Resonator des Filters keinen solchen Wandler enthält und bei dem jedem der elektromechanischen Wandler eine Spule mit einem solchen Induktivitätswert parallel geschaltet wird, daß diese zusammen mit der statischen Kapazität des jeweiligen elektromechanischen Wandlers jeweils einen auf die Sollfrequenz des abzugleichenden Resonators einschließlich der mit ihm verbundenen Koppelelemente abgestimmten Eingangs- bzw. Ausgangiperallelkreis (Eingangs- bzw. Ausgangskie.THTikreis) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß während des an einem ohne elektrostriktiven Wandler ausgebildeten Resonator (9) vorgenommenen Abgleichvorganges Ober einen Speisekreis dem Eingangswandier (4) elektrische Energie so hochohmig zugeführt wird, daß die Güte des Eingangsklemmkreises nur geringfügig geändert und auf diese Weise dem abzugleichenden Resonator (9) mechanische Schwingungsenergie zugeführt wird, und daß gleichzeitig an einem der elektrostriktiven Wand'er (4, 4') die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators (9) über einen hochohmigen Meßkreis gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators (9) am Ausgangswandler (4') gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des abzugleichenden Resonators (9) über einen in den Speisekreis eingefügten hochoitmigen Meßkreis gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den elektrostriktiven Wandlern (4, 4') parallel geschalteten Spulen (10, 10') als veränderbare Induktivität ausgebildet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den elektrostriktiven Wandlern (4, 4') parallel geschalteten Spulen (10, 10') durch jeweils einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt sind.
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