DE2723999C2

DE2723999C2 - Einrichtung zum elektrischen Messen der Standhöhe von elektrisch leitenden Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2723999C2
Application number: DE19772723999
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Dr. 5100 Aachen Kankura; Jürgen 5170 Jülich Keck
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE2723999A1; BE867530A; GB1603793A

Description

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a) die Enden der Elektrode (1) sind über je eine von der Flüssigkeit und von dem Flüssigkeitsbehälter elektrisch getrennte Leitung (2) mit der Wechselstromquelle (3) verbunden;

b) der Eingangswiderstand der Elektrode (1) ist vemachlässigbar klein gegenüber dem Übergangswiderstand zwischen Elektrode und Flüssigkeit;

c) ein elektrischer Pegelmesser ist vorgesehen zur Messung der Potentialdifferenz zwischen einem Punkt (X) in der Flüssigkeit außerhalb des Streufeldes der Elektrode (1) im Vergleich zu einem Bezugspotential (Z) im Wechselstromkreis.

Z Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß das Bezugspotential an einem Abgriff eines parallel zur Wechselstromquelle geschalteten Widerstandes (Rn) mit verstellbarem Mittelabgriff abgeleitet ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellmotor (8) zum Verstellen des Mittelabgriffes des parallel zur Wechselstromquelle geschalteten Widerstandes (Rn) zum automatischen Nullpunktsabgleich der Potentialdifferenz vorgesehen ISL

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammen mit der Elektrode (1) in die Flüssigkeit getauchte Zuleitung (2) von einem Rohr (6) aus elektrisch isolierendem Material umgeben ist, an dem entlang die aus einem Widerstandsdraht bestehende Elektrode geführt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) aus einem Rohr mit einem relativ zum Widerstand der Zuleitungen (2) hohen, relativ zum Widerstand der ίο Flüssigkeit niedrigen elektrischen Widerstand besteht, in dem ein als eine der Zuleitungen (2) vorgesehener Metalldraht oder Metallstab gegenüber dem Rohr elektrisch isoliert angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) von einem mit Durchlaßöffnungen (10) für die Flüssigkeit versehenen Schutzrohr (9) umgeben ist, wobei der Abstand zwischen Schutzrohr und Elektrode (1) so bemessen ist, daß sich das wi Schutzrohr außerhalb des Bereichs der Streuströme befindet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (9) aus elektrisch leitendem Material besteht. h>

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (9) mit Erde verbunden ist.

9, Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem der Pole der Wechselspannungsquelle (3) und mit Erde in Verbindung stehender Abgleichskondensator vorgesehen ist

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß an dem in die Flüssigkeit hineinragenden Ende der Elektrode (1) eine Isolierscheibe (13) angebracht ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum elektrischen Messen der Standhöhe von elektrisch -'eitenden Flüssigkeiten mit einer an einer Wechselspannungsquelle angeschlossenen Eintauchelektrode als Fühler für die Standhöhe der Flüssigkeit die mit einem Teilstück in die Flüssigkeit eintaucht und aber die eingetauchte Oberfläche dieses Teilstückes mit der Flüssigkeit in elektrisch leitender Verbindung steht

Derartige Meßeinrichtungen sind im Prinzip bekannt (DE-PS 8 42 554). Sie werden beispielsweise dann benötigt wenn hoher Druck oder Unzugänglichkeit der Meßstelle keine unmittelbare Messung der Standhöhe zulassen.

Meßeinrichtungen, welche die Standhöhe elektrisch messen, werten im allgemeinen die Änderung einer Kapazität eines Widerstandes oder auch des Verhältnisses zweier Widerstände aus.

So ist beispielsweise aus der DE-PS 8 42 554 eine Meßeinrichtung bekannt die aus drei, zwei davon in Reihe geschalteten, in die Flüssigkeit eingetauchten Elektroden besteht und bei der die Meßgröße aus dem Verhältnis der Übergangswiderstände zwischen den in Reihe geschalteten Elektroden gebildet wird. Die bei dieser bekannten Meßeinrichtung ermittelte Meßgröße weist jedoch hinsichtlich der zu ermittelnden Standhöhe der Flüssigkeit eine sehr starke Nichtlinearität auf. Zwar ist versucht worden, durch eine beschere geometrische Gestaltung der Elektrodenoberflächen eine Linearisierung zu erreichen, jedoch ist eine solche Maßnahme nicht in allen Einsatzfällen anwendbar. Auch ist aus der DE-PS 22 15 950 ein Verfahren bekannt geworden, das zum Ziel hat, die bei der aus der DE-PS 8 42 554 bekannten Einrichtung auftretende Nichtlinearität der Meßgröße zu beseitigen. Durch dieses bekannte Verfahren wird jedoch lediglich erreicht, daß aus der Messung einer absoluten Größe eine von der Speisespannung unabhängige Verhältnismessung wird. Die Nichtlinearität der Meßgröße wird dabei nicht vollständigbeseitigt.

Aus der DE-PS 17 98 084 ist ferner eine Einrichtung bekannt, bei der das Streupotential gemessen wird, das sich an einer langgestreckten, in die Flüssigkeit getauchten Elektrode einstellt, die sich in geringem Abstand parallel zu einer von einem Gleichstrom durchflossenen Widerstandselektrode in der Flüssigkeit befindet. Bei dieser Anordnung ist jedoch von Nachteil, daß der die Widerstandselektrode begleitende Streustrom die als Potentialfühler wirkende Tauchelektrode nur teilweise durchfließt, wodurch auch bei dieser bekannten Einrichtung die Meßgröße hinsichtlich der Standhöhe der Flüssigkeit eine Nichtlinearität aufweist. Außerdem kann bei der bekannten Einrichtung eine Kennlinienkrümmung, die aus der Stromlinienverdrängung an der Oberfläche der Flüssigkeit und aus dem Nebenschluß des Behälterbodens resultiert und die vom

Verhältnis des Abstandes zur Länge der beiden Elektroden abhängt, nicht vermieden werden. Ferner bewirkt auch bei dieser bekannten Einrichtung die Anwendung von Gleichstrom, daß die Potentialschweüe zwischen den Elektrodenoberflächen und der Flüssigkeit unbekannte Werte aufweisen, die zeitlich instabil sind.

Eine weitere Einrichtung zur Messung der Standhöhe einer Flüssigkeit ist aus der DE-AS 19 08 921 bekannt Sie besteht aus zwei koaxial ineinander angeordneten Elektroden, von denen die eine aus einem niederohmschen Metall und die andere aus einem hochohmschen Metall besteht. Dieser Anordnung liegt der Gedanke zugrunde, den Widerstand der einen Elektrode so hoch zu machen, daß die Flüssigkeit als Kurzschlußschieber wirkt Bei dieser bekannten Einrichtung ist jedoch von Nachteil, daß Ungenauigkeiten, die durch Benetzung des ausgetauchten Teils der hochohmschen Elektrode auftreten, praktisch nicht zu vermeiden sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Messung der Standhöhe von elektrisch leitenden Flüssigkeiten der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, die in ihrem konstruktiven Aufbar: möglichst einfach ist und bei der eine weitgehende Linearität im Verhältnis zwischen Tauchtiefe des Meßfühlers, der Standhöhe der Flüssigkeit und der ermittelten Meßgröße erreicht wird, ohne daß eine komplizierte Elektrodenformgebung erforderlich wäre.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs bezeichneten Art rr.it den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung werden alio die Enden der Eintauchelektrode über je eine von der Flüssigkeit und von dem Flüssigkeitsbehälter elektrisch getrennte Leitung mit der Wechselstromquelle verbunden. Dabei ist der Eigenwiderstand der Elektrode vernachlässigbar klein gegenüber dem Obergangswiderstand zwischen Elektrode und Flüssigkeit gewählt. Ferner ist ein elektrischer Pegelmesser vorgesehen zur Messung der Potentialdifferenz zwischen einem Punkt in der Flüssigkeit außerhalb des Streufeldes der Elektrode im Vergleich zu einem Bezugspotential im Wechselstromkreis.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß das Potential in der Mitte des eingetauchten Teils der Elektrode dem Potential der Flüssigkeit außerhalb des Bereichs der den eingetauchten Feil der Elektrode umgebenden Streuströme entspricht, da bei hinreichend schlanker Elektrode die Streuströme exakt symmetrisch zur Mitte des eingetauchten Teils der Elektrode verlaufen. Die PotentiaiJifferenz zwischen dem Potential der Flüssigkeit — und damit dem Potential der Mitte des eingetauchten Teils der Elektrode — und dem Potential eines Punktes im Stromkreis außerhalb der Elektrode weist somit eine lineare Abhängigkeit von der Tauchtiefe der Elektrode auf. Dabei kann der Punkt im Stromkreis, an dem die Potentialdifferenz gegenüber dem Potential der Flüssigkeit abgegriffen wird, beispielsweise bei Verwendung eines Generators als Wechselstromquelle eine der Klemmen des Generators sein. In der Praxis wird die Wechselstromquelle vielfach aus der Sekundärwicklung eines kapazitätsarmen Transformators bestehen, an dem das Potential abgegriffen wird. Für den Abgriff des Potentials der Flüssigkeit kann die Behälterwandung oder auch eine Hilfselektrode dianlich sein. Für den Fall, daß die Flüssigkeit mit Erde in elektrisch leitender Verbindung steht, dient die Erde als F.ezugspotential.

Dadurch, daß die Frequenz des Wechselstroms so bemessen ist, daß der kapazitive Blindwiderstand der auf der Elektrode gegebenenfalls vorhandenen Trennschicht vernachlässigbar klein ist, wirkt die Trennschicht als dielektrischer Kurzschluß und beeinflußt somit den Meßwert — im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, in denen Gleichstrom angewendet wird — nicht Das ist im allgemeinen bei einer Frequenz der Wechselspannung oberhalb ca, 5000 Hz der Fall,

ίο Als Einrichtung zur Messung der Potentialdifferenz kann ein auf die Frequenz des Wechselstroms abgestimmter Anzeigeverstärker, bestehend aus Wechselspannungsverstärker, Meßgleichrichter und Anzeigeninstrument oder ein Synchrongleichrichter verwendet werden, der die V-förmige Kennlinie in bekannter Weise in eine stetige umwandelt. Dabei hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß für den Abgriff der Potentialdifferenz ein parallel zur Wechselstromquelle geschalteter Widerstand mit verstellbarem Mittelabgriff vorgesehen ist, wobei als Maßzahl für die Standhöhe der Flüssigkeit eine Spannung ermitte'i: wird, die sich von der Potentialdifferenz um einen durch die Einstellung des Mittelabgritfs vorgegebenen Betrag unterscheidet Durch diese Maßnahme kann der Nullpunkt an den Skdenanfang des Meßgerätes geschoben werde;:.

Eine vorteilhafte Weiterausgestaltung der Einrichtung gemäß der Erfindung besteht ferner darin, daß eine Einrichtung zum automatischen Nullpunktsabgleich der Potentialdifferenz vorgesehen ist, wobei der Mittelab-

jo griff mittels eines Stellmotors vei stellt wird und der Stellweg ein Maß für die Potentialdifferenz und somit die Standhöhe ist. Hierzu wird zweckmäßigerweise eine den Nullpunkt selbst abgleichende Brückenschaltung verwendet.

j-, Wie sich gezeigt hat sind bei der Einrichtung gemäß der Erfindung unterschiedliche Ausführungsformen der Elektrode verwendbar. So kann es vorteilhaft sein, wenn die zusammen mit der Elektrode in die Flüssigkeit getauchte Zuleitung von einem Rohr aus elektrisch isolierendem Material umgeben ist, an dem entlang die aus einem Widerstandsdraht bestehende Elektrode geführt ist. Eine weitere sehr zweckmäßige Ausführungsform der Elektrode kann beispielsweise darin bestehen, daß die Elektrode aus einem Rohr mit einem relativ zum Widerstand der Zuleitungen hohen, relativ zum Widerstand der Flüssigkeit niedrigen elektrischen Widerstand besteht, in dem ein als eine der Zuleitungen vorgesehener Metalldraht oder Metallstab gegenüber dem Rohr elektrisch isoliert angeordnet ist. Als Material für das Rohr kann beispielsweise Graphit oder auch, bei entsprechend dünnwandigem Rohr, ein medienbeständiges Metall vorgesehen werden.

Ferner besteht eine besonders vorteilhafte Austuhrunpsform der Elektrode darin, daß die Elektrode von einem mit Durchlaßöffnungen für die Flüssigkeit versehenen Schutzrohr umgeben ist, wobei der Abstand zwischen Schutzrohr und Elektrode so bemessen ist, da ß sich das Schutzrohr außerhalb des Bereichs der Streuströme befindet. Das Schutzrohr kann dabei ai<3 elektrisch leitenc'jm Material bestehen und, außer daß es die Elektrode vor Beschädigung schützt, zugleich zur Erdung der Flüssigkeit dienen.

Für den Fall, daß die Einrichtung gemäß der Erfindung zur Messung der Standhöhe von schlecht leitenden Flüssigkeiten eingesetzt werden soll, ist ferner ,zweckmäßig, daß ein ,iiit einem der Pols der Wechselspannungsquelle und mit Erde in Verbindung stehender Abgleichkondensator (auch Trimmer) vorge-

sehen ist. Dadurch ist auch bei schlecht leitenden Flüssigkeiten eine gute Nullpunktsschärfe gewährleistet. Außerdem kann dadurch die zulässige Länge der Zuleitungen, die je nach Leitfähigkeit der Flüssigkeit bis zu 20 m beträgt, erweitert werden. Dabei wird die Zuleitung zweckmäßigerweise in Doppelschirmtechnik ausgeführt, wobei der innere Schirm an eine Bootstrap-Spannung eine vom Verstärker gelieferte, der Verstärkereingangsspannung entsprechende Spannung, gelegt wird. Potential- und Stromzuleitungen sind dabei getrennt auszuführen, wie dies auch bei der Fernmessung von Widerständen gebräuchlich ist. Bei sehr gut leitenden Flüssigkeiten ist dagegen /u beachten, daß der Widerstandswert der Elektrode klein gegenüber dem Widerstandswert der Flüssigkeit bleibt. Auf diese Weise ist es möglich, die Einrichtung gemäß der Erfindung für Flüssigkeiten einzusetzen, deren elektrolytische Leitfähigkeit in einem Bereich liegt, der von der Leitfähigkeit von konzentrierten Säuren bis zur Leitfähigkeit von technisch reinem Wasser reicht.

Wie sich gezeigt hat. wird bei hinreichender Schlankheit der Elektrode eine genügende Linearität erzielt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Elektrode dick zu machen, wenn an dem in die Flüssigkeit hineinragenden Ende der Elektrode eine Isolierscheibe angebracht ist. Denn dadurch wird die an der Flüssigkeitsoberfläche entstehende Geometrieverzerrung durch eine genau entgegengesetzte Verzerrung am gegenüberliegenden Ende ausgeglichen und die Symmetrie im Verlauf der Streuströme wieder hergestellt.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist auch dann einsetzbar, wenn es darum geht, die S'andhöhe einer Flüssigkeit zu bestimmen, über der eine andere Flüssigkeit gelagert ist und die Trennfläche der beiden Flüssigkeiten zugleich der Flüssigkeitsspiegel der unteren Flüssigkeit ist. Auch ist der gleichzeitige Betrieb mehrerer in relativ geringem Absland voneinander angeordneter Elektroden möglich, wenn nur dafür gesorgt ist. daß sich die Elektroden außerhalb des Bereichs der Streuströme anderer Elektroden befinden.

Anstelle der vorzugsweise vertikalen Lage der von oben in die Flüssigkeit eingetauchten Elektrode ist es auch möglich, die Elektrode in schräger Lage in die Flüssigkeit einzutauchen. Auch kann die Elektrode von unten durch den Behälterboden in die Flüssigkeit eingeführt sein.

Anhand einer schematischen Zeichnung werden Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Einrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert:

Es zeigt

F i g. 1 die Anordnung einer Elektrode mit Einrichtung zur Messung der Potentialdifferenz

F i g. 2 die Anordnung nach Fig.) mit Brückenschaltung zur Nullpunktseinstellung

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 1 mit Einrichtung zur Messung der Potentialdifferenz mit automatischem Nullpunktsabgleich

F i g. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des aus Elektrode. Zuleitungen und Wechselstromquelle bestehenden Stromkreises nach F i g. 1

F i g. S eine einfache Ausführungsform einer Elek'rode

F i g. 6 eine Ausführungsform einer Elektrode nach F i g. 5 mit Schutzohr

F i g. 7 eine weitere Ausführungsform einer Elektrode

F i g. 8 die Ausführungsform einer Elektrode mit Isolierscheibe

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, besteht die Einrichtung zur Messung der Standhöhe einer Flüssigkeit aus einer Elektrode 1, die über Zuleitungen 2 mit einer Wechselstromquelle 3, einem Wechselstromgenerator, verbunden ist. Die Elektrode 1 ist in eine Flüssigkeit 4 getaucht, die sich in einem Behälter 5 aus elektrisch leitendem Material befindet. Im Bereich der Flüssigkeit 4 sind die Zuleitungen in einem Körper 6 aus elektrisch isolierendem Material geführt. Zur Messung der Potentialdifferenz zwischen dem Potential der Behälterwandung — und damit dem Potential des Punktes P in der Mitte des eingetauchten Teils der Elektrode — und dem Potential einer der Klemmen des Wechselstromgenerators 3, ist ferner eine Meßcinrichlung 7, bestehend aus Wechselspannungsverstärker, Meßgleichrichter und Anzeigeinstrument vorgesehen. In F i g. 2 ist zusätzlich für den Abgriff der Potentialdifferenz ein parallel zum Wechselstromgenerator 3 geschalteter Widerstand Rx mit Mittelabgriff vorgese hen. der zur Nullpunktseinstellung dient. Die als Maßzahl für die .Standhöhe der Flüssigkeit dienende Potentialdifferenz wird bei den in den F i g. 1 und 2 wiedergegebenen Anordnungen mittels des Anzeigeinstruments angegeben.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist der Meßeinrichtung 7, bei der gegebenenfalls auf das Anzeigeinstrument verzichtet werden kann, ein Stellmotor 8 nachgeschaltet, über den der Mittelabgriff des Brücken-Widerstandes R\ automatisch auf die Nullpunkt^stellung eingestellt wird. Infolgedessen ist der Stellweg des Mittelabgriffs des Widerstandes Rv ein Maß für die Potentialdifferenz und somit die Standhöhe der Flüssigkeit.

In dem in F i g. 4 wiedergegebenen Ersatzschaltbild, das der in F i g. 1 dargestellten Anordnung entspricht, ist der Widerstand der Elektrode 1 als Teilwiderstände /?, bis R--, zerlegt dargestellt. Davon ist R\ der Widerstand des oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Teilstücks der Elektrode, während das oberhalb des Punktes P befindliche, in die Flüssigkeit eingetauchte Teilstück der Elektrode 1 in die Widerstände R₂ und Ri und das unterhalb des Punktes P befindliche Teilstück der Elektrode in die Widerstände Rt und K₅ aufgeteilt ist. Die Übergangswiderstände der einzelnen Teilstücke gegen die Flüssigkeit in einem Punkt X der Flüssigkeit außerhalb des Bereiches der Streuströme sind als Widerstände R₂ bis R_e dargestellt. Die Widerstände der Zuleitungen 2 sind R·, und R_r. Für den Fall, daß die Widerstände R-. bis R^ gegenüber den Übergangswiderständen vernachlässigbar klein sind. gilt.

= Ur.

R_h + R₁ + R₂ + R₃ + R₄ + A₅ + R,

wobei

die an den Klemmen des Wechselstromgenerators anliegende Spannung

Upx: die Spannung zwischen den Punkten Pund X Uzx. die Spannung zwischen den Punkten Zund X Uzp' die Spannung zwischen den Punkten Zund P

Da bei symmetrisch verteilten Streuströme, beispielsweise bei einer schlanken, zylindrischen Elektrode mit einem gegenüber der Länge vernachlässigbar kleinen Durchmesser, praktisch R₃=R_r\ma Rt=RdISt wird R_c

stromlos und somit Upx-0 bzw. Upz= Uzx. Die mittels der Meßeinrichtung 6 gemessene Spannung weist daher eine lineare Abhängigkeit von der Tauchtiefe auf.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform der Elektrode 1 besteht diese aus einem einfachen Widerstandsdraht, der zugleich als Zuleitung 2 dient und zu diesem Zweck durch ein Isolierrohr 6 zentral durchgeführt ist. Der mit der Flüssigkeit in leitender Verbindung stehende Teil des Drahtes dient als Elektrook 1. Eine Ausführungsform der Elektrode gemäß Fig.5 mit zusätzlich die Elektrode 1 umhüllenden Schutzrohr 9 ist in Fig.6 dargestellt. Das mit Öffnungen 10 versehene Schutzrohr ist dabei mittels eines Verbindungskörpers 11 am Isolierrohr 6 angebracht. IS

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Elektrode I besteht diese aus einem schlecht leitendenden Rohr aus Graphit oder aus einem dünnwandigen Edelstahlrohr, zum Beispiel austenitischer Chrom-Nikkel-Stahl, in dem als Zuleitung 2 ein Metallstab, von dem Graphitrohr durch eine Isolierung 12 getrennt, angeordnet ist.

In Fig.8 ist eine Ausführungsform der Elektrode 1 dargestellt, deren Aufbau der in F i g. 7 dargestellten Elektrode weitgehend entspricht, an deren in die Flüssigkeit ragendem Ende jedoch zusätzlich eine Isolierscheibe 13 angebracht ist. Diese Ausführungsform der Elektrode ist dann vorzusehen, wenn infolge des relativ zu deren Länge großen Durchmessers der Elektrode R_e< R, würde. Da durch die Isolierscheibe 13 die Symmetrie des Verlaufs der Streuströme wieder hergestellt wird, ist somit bei Verwendung einer derartigen Isolierscheibe auch eine relativ dicke Elektrode verwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Einrichtung zum elektrischen Messen der Standhöhe von elektrisch leitenden Flüssigkeiten s mit einer an einer Wechselspannungsquelle angeschlossenen Eintauchelektrode als Fühler für die Standhöhe der Flüssigkeit, die mit einem Teilstück in die Flüssigkeit eintaucht und über die eingetauchte Oberfläche des Teilstückes mit der Flüssigkeit in ι ο elektrisch leitender Verbindung steht, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: