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Vorrichtung zur Messung der Wärmemenge
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der in
einem Wärmetauscher übertragenen Wärmemenge, bei der der Vorlauftemperatur, der
Rücklauftemperatur und dem Durchfluß des Wärmeträgers entsprechende Analogsignale
erzeugt und die Temperaturdifferenz mit dem Durchfluß unter Berücksichtigung eines
dem temperaturabhängigen Wärmekoeffizienten entsprechenden Faktors multipliziert
und das Produkt integriert werden.
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Es ist bekannt, zur Messung der in einem Wärmetauscher abgegebenen
oder aufgenommenen Wärmemenge das Integral aus dem Produkt der Differenz der Temperaturen
vor und hinter dem Wärmetauscher, dem Volumen pro Zeiteinheit des den Wärmetauscher
durchströmenden Wärme trägers und einem Wärmekoeffizienten zu bilden. Dieser Wärmekoeffizient
muß sich für genauere Messungen mit den Temperaturen ändern, weil sowohl die spezifische
Wärmekapazität als auch das spezifische Volumen eines flüssigen Wärmeträgers sich
mit der Temperatur ändern.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird die Temperaturdifferenz
in einer Widerstandsbrücke gemessen, die in einem Zweig einen im Vorlauf liegenden
temperaturabhängigen Widerstand und in einem angrenzenden zweiten Zweig einen im
Rücklauf liegenden temperaturabhängigen Widerstand aufweist. Das
Produkt
zwischen Temperaturdifferenz und Durchfluß wird dadurch gebildet, daß die die Brückenschaltung
speisende Spannung mittels eines Widerstandes in Abhängigkeit vom Durchfluß geändert
wird. Das Integral wird mittels eines von der Brückendiagonalspannung gespeisten
Motors gebildet. Ein temperaturabhängiger Wärmekoeffizient wird dadurch eingeführt,
daß in die Zuleitung zur Brücke oder an einer anderen Stelle die Reihenschaltung
eines weiteren im Vorlauf liegenden und eines weiteren im Rücklauf liegenden temperaturabhängigen
Widerstandes angeordnet wird. Diese Meßvorrichtung arbeitet zwar genauer als eine
Meßvorrichtung mit konstantem Wärmekoeffizienten. Da die von den Widerstandskennlinien
der temperaturabhängigen Widerstände abhängigen Werte des Wärmekoeffizienten den
tatsächlichen Verhältnissen aber nur mit grober Annäherung entsprechen, ergeben
sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeträgers erhebliche Abweichungen
des Meßergebnisses von der tatsächlich übertragenen Wärmemenge.
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Es ist ferner eine Vorrichtung zur Messung der Wärmemenge bekannt,
bei der Jeweils für einen bestimmten Durchfluß die Temperaturdifferenz in eine äquivalente
Zahl von Impulsen umgesetzt wird, die einem Wärmemengenzähler zugeführt werden.
Die äquivalente Umsetzung erfolgt mittels eines durch einen Oszillator gespeisten
Impulszählers, dessen Inhalt über einen Digital-Analog-Wandler einem auch von der
Temperaturdifferenz gespeisten Vergleicher zugeführt wird, der bei Ubereinstimmung
die vom Oszillator abgegebenen Impulse sperrt. Auch diese Meßergebnisse sind ungenau,
insbesondere weil kein temperaturabhängiger Wärmekoeffizient berUcksichtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art anzugeben, welche die Wärmemenge mit höherer Genauigkeit im gesamten
Temperaturbereich zu messen gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Analog-Digital-Umsetzvorrichtung,
die die Vorlauftemperatur- Rücklauftemperatur- und Durchfluß-Analogsignale in Digitalsignale
umsetzt, durch je einen Digitalsignal-Speicher für diese Digitalsignale, durch einen
Festwertspeicher, in dem der Wärmekoeffizient in Abhängigkeit von wenigstens einem
der Temperatursignale digital gespeichert ist, und durch eine digitale Rechenschaltung
zur Bildung der Temperaturdifferenz und des Produkts.
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Bei dieser Schaltung ist der Wärmekoeffizient für den gesamten Temperaturbereich
in einer Art Tabellenspeicher festgelegt.
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Es gelten daher äußerst genaue Werte für diesen Wärmekoeffizienten
im gesamten Temperaturbereich. Er kann durch die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur
oder in Abhängigkeit von beiden Temperaturen abgerufen werden. Da sich diese genaue
Wertetabelle nur digital darstellen läßt, werden auch die übrigen analog ermittelten
Eingangssignale digital umgewandelt.
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Die digitale Rechenschaltung gibt dann recht genaue Ergebnisse, die
von einem Ergebnisteil in einen Integrator weitergeleitet werden können. Insgesamt
ergibt sich eine äußerst genaue Wärmemengenmessung.
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Günstig ist es ferner, eine zeitabhängig arbeitende Steuerschaltung
vorzusehen, die die Speichers bzw. Rechenarbeitsgänge nacheinander in einem Arbeitszyklus,
der in vorgegebenen Zeitabständen jeweils neu beginnt, ablaufen läßt. Die analogen
Eingangssignale werden daher automatisch abgerufen und verarbeitet. Außerdem ergibt
sich eine sehr einfache zeitliche Integration des Produkts, weil die Jeweils ermittelten
Produkte einfach addiert werden können.
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Mit besonderem Vorteil weist die Analog-Digital-Umsetzvorrichtung
einen Vergleicher auf, dessen erster Eingang mittels der Steuerschaltung nacheinander
mit den Temperatur- und
Durchfluß-Analogsignalen versorgt wird,
dessen zweiter Eingang mit dem Analogsignal-Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers
verbunden ist, dessen Eingang mittels der Steuervorridtung nacheinander mit den
Digitalsignalspeichern verbunden wird, und dessen vom Vergleichsergebnis abhängiges
Ausgangssignal den Inhalt der Digitalsignalspeicher mittels der Steuervorrichtung
nacheinander den Jeweils zugehörigen Analogsignalen nachführt. Hierbei kommt man
mit einer einzigen Digital-Analog -Umsetzvorrichtung aus, weil die Umsetzung der
verschiedenen Analogsignale nacheinander erfolgt. Außerdem ergibt sich ein sehr
einfacher Aufbau, weil die Analog-Digital-Umsetzvorrichtung von einem einfacher
darstellbaren Analog-Digital-Wandler nebst Vergleicher gebildet wird.
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Insbesondere kann der Aufbau so erfolgen, daß jeder Digitalsignal-Speicher
mehrere Speicherzellen aufweist und die Ausgänge verschiedener Digitalsignalspeicher
mittels der Steuervorrichtung nacheinander an gemeinsame Vergleichsausgänge legbar
sind, daß der Digital-Analog-Wandler ein Widerstands-Netzwerk aufweist, das zwischen
dem Analogsignalausgang und Nullpotential Längswiderstände und dazwischen abzweigende,
Je einem Vergleichsausgang zugeordnete Querwiderstände aufweist, die mittels einer
von der Steuervorrichtung zu betätigenden Schaltelementreihe nacheinander vom Nullpotential
an ein Bezugspotential legbar sind, und daß der Ausgang des Vergleichers in Abhängigkeit
vom Vergleichsergebnis 0 oder L abgibt, welcher Wert in dieJenige Speicherzelle
eingeschrieben wird, die dem zuletzt betätigten Schaltelement der Reihe entspricht,
und denaugehörigen Querwiderstand wieder an Nullpotential legt oder auf Bezugspotential
beläßt. In wenigen Takten der Steuervorrichtung läßt sich auf diese Weise in Jedem
Digitalsignalspeicher ein dem Analogsignal entsprechendes Signal nachbilden.
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Ein besonderer Vorteil der Meßvorrichtung liegt darin, daß alle wesentlichen
Digital-Bausteine in einem handelsüblichen Mikrocomputer untergebracht werden können,
der dann die Digitalsignalspeicher, den Festwertspeicher, die Rechenschaltung und
die Steuerschaltung aufweist. DarUber hinaus hat er einige Ein-und Ausgänge, z.
B. einen Taktimpulseingang, einen mit dem Ausgang des Vergleichers verbundenen Einschreibeingang,
einen Satz Vergleichsausgänge, einen Ergebnisausgang zum Anschließen eines Integrators
usw.
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Es kann auch eine Anzeigevorrichtung und ein willkürlich betätigbarer
Umschalter vorhanden sein, mit dem die Anzeigevorrichtung mit den einzelnen Digitalsignal-Speichern
bzw. mit einem der Rechenschaltung zugeordneten Ergebnisspeicher verbindbar ist,
so daß sowohl die einzelnen Meßwerte als auch das Gesamtergebnis angezeigt werden
können.
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In vielen Fällen empfiehlt sich ein weiterer Digitalsignalspeicher,
dem über die Analog-Digital-Umsetzvorrichtung ein analog einstellbares Eich-Digitalsignal
zuführbar ist, das als weiterer Faktor in das Produkt eingeht. Mit diesem Eich-Digitalsignal
kann eine Anpassung der Meßschaltung an örtliche Verhältnisse vorgenommen werden.
Beispielsweise können Durchflußmesser für unterschiedliche Durchflußmengen angeschlossen
werden, die für den vollen Durchfluß Jeweils 100% des Durchfluß-Analogsignals, z.
B. 20 mA, erzeugen.
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Die Steuerschaltung kann einen Zähler aufweisen, der mit äußeren Taktimpulsen
gespeist ist und Jeweils nach einer vorgegebenen Impulszahl den neuen Arbeitszyklus
beginnen läßt. Hierbei können die äußeren Taktimpulse aus den einzelnen Perioden
der Netzwechselspannung abgeleitet werden. Auf diese Art erhält man auf einfache
Weise 50 oder 100 Taktimpulse pro Sekunde. Insbesondere kann nach Jeweils 50 Taktitpulsen
ein neuer Arbeitszyklus beginnen. Das bedeutet, daß in Jeder Sekunde eine neue Messung
durchgeführt wird, das Produkt daher immer
den augenblicklichen
Verhältnissen entspricht und sehr leicht integriert werden kann.
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Insbesondere kann der Inhalt des Ergebnisspeichers in Impulse umgesetzt
und einem Zähler als Integrator zuführbar sein. Dem Zähler werden daher zur Integration
einfach die Ergebnisimpulse Jeder Zeiteinheit additiv zugeführt. Der Zählerinhalt
entspricht daher der übertragenen Wärmemenge.
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In ähnlicher Weise kann der Inhalt des DurchfluB-Digitalspeichers,
gegebenenfalls nach einer Eich-Rechenoperation, in Impulse umgesetzt und einem Zähler
als Integrator zufUhrbar sein. Man erhält dann die verbrauchte Wärmeträgermenge.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 eine schematische Darstellung der verwendeten
Analog-Digital-Umsetzvorrichtung.
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Die Meßvorrichtung der Fig. 1 hat drei Eingänge, nämlich einen Eingang
1 fur ein Stromsignal tv, das der Vorlauftemperatur entspricht, einen Eingang 2
für ein Stromsignal trt das der Rücklauftemperatur entspricht und einen Eingang
3 für ein Stromsignal d, das dem Durchfluß entspricht. Die entsprechenden Stromsignale
liegen in der Regel zwischen 4 und 20 mA. Sie werden an Meßwiderständen 4, 5 und
6 in entsprechende Spannungen Uv, ur und ud umgesetzt. Ferner ist ein Eichpotentiometer
7 vorhanden, an welchem eine Eichspannung ue eingestellt werden kann. Diese drei
Spannnungen können mittels einer elektronischen Umschaltvorrichtung 8 und deren
Ausgangsleitung 9 an den einen Eingang 10 eines Vergleichers 11 gelegt werden.
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Dieser Vergleicher ist Teil einer Analog-Digital-Umsetzvorrichtung
12, die außerdem einen Digital-Analog-Wandler 13 aufweist Dessen Analogausgang 14
ist mit dem anderen Eingang 15 des Vergleichers verbunden. Der Ausgang 16 des Vergleichers,
der je nach dem Vergleichsergebnis 0 oder L abgibt, ist über eine Leitung 17 mit
einem Einschreibeingang 18 eines Mikrocomputers 19 verbunden.
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Dieser Mikrocomputer 19 weist, wie es schematisch angedeutet ist,
eine Vielzahl von Funktionsabschnitten auf. Hierzu gehört eine Steuervorrichtung
20, die an einem Taktimpulseingang 21 mit Taktimpulsen t versorgt wird. Diese können
beispielsweise von den Perioden der normalen Netzwechselspannung abgeleitet sein,
also bei einem 50 Hz-Netz alle 20 ms auftreten. Die Steuervorrichtung 20 steuert
die Funktionsabläufe innerhalb des Mikrocomputers, wozu eine interne Umschaltvorrichtung
22 dient, und über eine äußere Leitung 23 die Funktion des Digital-Analog-Wandlers
13 und der elektronischen Umschaltvorrichtung 8. Ferner sind vier Digitalsignalspeicher
24, 25, 26 und 27 vorgesehen, die in dieser Reihenfolge ein Vorlauftemperatur-Digitalsignal,
ein Rücklauftemperatur-Digitalsignal, ein Durchfluß-Digitalsignal und ein Eich-Digitalsignal
aufnehmen. Ein weiterer Festspeicher 28 enthält den Wärmekoeffizienten als Funktion
der Vorlauf- und/oder Rücklauftemperatur. Eine Rechenschaltung 29 vermag das Produkt
aus der Differenz von Vorlauf- und Rücklauftemperatur, dem Durchfluß, dem Eichsignal
und dem Wärmekoeffizienten zu bilden.
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Das Produkt wird in einem Ergebnisspeicher 30 festgehalten.
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Die Ergebnisse können einer Umsetzvorrichtung 31 in Jeweils einem
bestimmten Wärmemengeneinheit entsprechende Impulse umgesetzt werden, die über einen
Ergebnisausgang 32 einem Zähler 33 zugeführt werden. Dieser Zähler zeigt dann die
im Wärmetauscher übertragene Wärmemenge an. Die Umsetzvorrichtung 31 kann auch an
den Durchfluß-Digitalsignal-Speicher 26 angeschlossen werden, so daß auf dem Ergebnisausgang
34 Jeweils einer bestimmten Volumeneinheit entsprechende Impulse auftreten, die
einem Zähler 35 zugeführt werden, der dann
das Volumen des Wärmeträgers
anzeigt. Der Mikrocomputer 19 umfaßt ferner Vergleichsausgänge 36, die mittels der
Unischatvorrichtung 22 nacheinander mit einem der Digitalsignalspeicher 24 - 27
verbindbar sind, wobei Jeder Speicherzelle dieser Speicher ein bestimmter Vergleichsausgang
zugeordnet ist.
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Eine entsprechende Anzahl von Leitungen 37 führt einerseits zum Digitaleingang
38 des Digital-Analog-Umsetzers 13 und andererseits zu einer Anzeigevorrichtung
39. Mit Hilfe eines Umschalters 40, der über eine Steuerleitung 41 mit der Steuervorrichtung
20 verbunden ist, kann wahlweise die im Speicher 24 enthaltene Vorlauftemperatur,
die im Speicher 25 enthaltene RUcklauftemperatur, die Differenz dieser beiden Temperaturen,
der im Speicher enthaltene Durchfluß, der im Speicher 27 enthaltene Eichwert und
das im Ergebnis speicher 30 enthaltene Produkt zur Anzeige gebracht werden.
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Fig. 2 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel der Analog-Digital-Umsetzvorrichtung
12. Zwischen Nullpotential 42 und dem Analogausgang 14 sind L0ngswiderstände R1
geschaltet.
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Zwischen diesen zweigen Querwiderstände Rq ab. Diese können mit Hilfe
von Schaltelementen 43 einer von der Steuervorrichtung 23 gesteuerten Schaltelementenreihe
44 an eine Nullpotential führende Leitung 45 oder an eine ein Bezugspotential führende
Leitung 46 gelegt werden. Liegen sämtliche Schaltelemente 43 an Bezugsspannung,
ergibt sich am Analogausgang 14 ein Signal von 100 96, liegen lediglich einzelne
Schaltelemente an Bezugspotential, ergibt sich ein entsprechend kleineres Analogsignal.
Wenn sämtliche Querwiderstände Rq und der erste Längswiderstand R1' gleich groß
sind, z. B. 20 Kiloohm betragen, und die übrigen Längswiderstände R1 halb so groß
sind, also beispielsweise 10 Kiloohm betragen, trägt das rechte Schaltelement 43
zu 50 s das näc Schaltelement zu 25 , und 8o weiter zum gesamten Analo zu gnal am
Ausgang 14 bei. Bei acht Schaltelementen kann nan durch die Stellung dieser Schaltelemente
256 knalogsignale eugen, die mit dem Uber den Eingang 10
des Vergleichers
11 zugeführten Analogsignal verglichen werden können. Ferner ist schematisch angedeutet,
daß leder Querwiderstand Rq in einer Arbeitsstellung der Schaltelemente 43 mit einem
der Vergleichsausgänge 36 verbunden werden kann, die hier als bO - b7 bezeichnet
sind und jeweils die Spannung des in einer Speicherzelle eingeschriebenen Bits führen.
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Entspricht das Bit der Bezugsspannung auf Leitung 46, bleibt die Wirksamkeit
des betreffenden Querwiderstandes unverändert, entspricht das Bit dem Nullpotential,
sind die Querwiderstände unwirksam.
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Zum Einschreiben eines Digitalsignals entsprechend dem am Eingang
10 zugeführten Analogsignal wird daher in folgender Weise vorgegangen: Zunächst
wird mittels der Steuervorrichtung 20 ein erster Digitalsignalspeicher, z. B. der
Speicher 24, wirksam gemacht. Seine Speicherzellen erhalten sämtlich das Bit L.
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Dann wird das rechte Schaltelement 43 mittels eines Steuersignals
auf der Leitung 23 in die veranschaulichte Stellung gebracht, während alle anderen
Schaltelemente 43 an Nullpotential liegen. Am Eingang 15 des Vergleichers 11 tritt
ein 50%-Signal auf. Ist dieses kleiner als das am Eingang 10 anstehende Analogsignal,
ist das Vergleicher-Ausgangssignal L. Der Zelleninhalt bleibt unverändert. Ist/dagegen
größer, entsteht das Ausgangssignal 0. In die Speicherzelle wird daher über den
Einschreibeingang 18 das Bit 0 eingeschrieben. Alsdann wird derzweite Schalter 43
über die Steuerleitung 23 betätigt, was einen zusätzlichen 25%-Einfluß am Ausgang
14 auslöst. Wiederum wird in Abhängigkeit vom Vergleich das Ergebnis über den Einschreibeingang
18 in die zweite Speicherzelle eingeschrieben. Dies Verfahren wird fortgesetzt.
Nach acht Takten ist der Speicher 24 mit einem Digitalsignal gefüllt, das dem Analogsignal
am Eingang 10 mit einer durch die Zahl der Speicherzellen gegebenen Genauigkeit
entspricht.
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In einem Ausführungsbeispiel erfolgt Jede Sekunde eine Messung.
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Nach Jeweils 50 äußeren Taktimpulsen t beginnt ein neuer Arbeitszyklus.
In Abhängigkeit von einem internen Taktgeber wird zunächst
das
Vorlauftemperatur-Analogsignal uv in ein entsprechendes Digitalsignal umgewandelt
und in den Digitalsignalspeicher 24 eingeschrieben. Anschließend erfolgt eine Umschaltung
in der elektronischen Umschaltvorrichtung 8 auf das Rücklauftemperatur-Analogsignal
ur. Danach werden die Speicher 25, 26 und 27 mit den entsprechenden Signalen in
digitaler Form gefüllt. In weiteren Takten erfolgen die weiteren Rechen- und Funktionsabläufe,
wie Bildung der Temperatursumme, Zugriff zum Wärmekoeffizienten im Festwertspeicher
28, Bildung der Temperaturdifferenz, Bildung des Produkts mit dem Durchfluß, Bildung
des Produkts mit dem Eichwert, Bildung des Produkts mit dem Wärmekoeffizienten.
Schließlich erfolgt die Umsetzung des Ergebnisses in der Impuls-Umsetzvorrichtung
31 und die Weitergabe an den Zähler 33. Wenn auch das Volumen des Wärmeträgers ermittel
werden soll, kann von einer Zwischenoperation, in der das Durchfluß-Digitalsignal
mit dem Eich-Digitalsignal multipliziert worden ist, ein Zwischenergebnis im Ergebnisspeicher
30 entnommen und über die Impuls-Umsetzvorrichtung 31 dem anderen Zähler 35 zugeführt
werden.
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Die verwendeten elektronischen Bauteile sind handelsüblich.
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Als Mikrocomputer kommt beispielsweise der Typ Intel 4040 und als
Vergleicher der Typ National Semiconductor LM 324 in Betracht.
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L e e r s e i t e