DE3241815A1 - Zerstoerungsfreie ultraschall-pruefvorrichtung - Google Patents

Zerstoerungsfreie ultraschall-pruefvorrichtung

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Description

Zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung, die Änderungen in der Geschwindigkeit einer sich in einem Prüfling beziehungsweise Objekt ausbreitenden Ultraschallwelle durch Interferometrie erfaßt.
Die Ultraschallmeßmethode,, die auf dem Prinzip der Interferenz beruht, ist als Methode zum genauen Messen der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit oder einem Gas bekannt. Die Methode, mit der Interferenz hervorgerufen wird, wird grob in eine Methode zum Verändern der Frequenz der Ultraschallwellen und eine Methode zum Verändern der Länge eines Ausbreitungsweges der Ultraschallwellen eingeteilt. Eine übliche zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung verwendet diese Methode, bei der die Länge des Äusbreitungsweges der Ultraschallwellen verändert wird. Bei dieser Vorrichtung ist ein Ultraschallwellen-Sender-Empfänger auf dem Boden eines Behälters angeordnet. Ein kontinuierliches elektrisches Signal beziehungsweise Dauerstrichsignal,, das durch einen Hochfrequenzoszillator mit einer Schwingungsfrequenz f erzeugt ist„ wird durch einen Impulsmodulator in ein Hochfrequenz-Impulssignal moduliert„ Das so erhaltene Hochfrequenz-Impulssignal liegt am Sender-Empfanger ? um gepulste Ultraschallwellen in einer im Behälter als Prüfling untergebrachten Probenflüssigkeit zu erzeugen. Die gepulsten Ultraschallwellen werden durch eine Reflektionsfläche oder eine Flüssigkeitsoberfläche der Probenflüssigkeit reflektiert, die gegenüber und parallel zum Sender-Empfänger angeordnet ist, und dann zum Sender-Empfänger zurückgeführt.
In der oben beschriebenen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung wird die Probenflüssigkeit graduell oder schrittweise abgeführt, um so graduell oder schrittweise die Flüssigkeitsoberfläche der Probenflüssigkeit abzusenken, so daß sich die Länge des Ausbreitungsweges verändert und aufgrund der Interferenz Höchst- und Mindestwerte der Amplitude der reflektierten gepulsten Ultraschallwellen erhalten werden. Wenn demgemäß die Änderungen in der Länge des Ausbreitungsweges innerhalb der Probenflüssigkeit genau gemessen werden, dann kann die Schallgeschwindigkeit in der Probenflüssigkeit bestimmt werden, da die Schwingungsfrequenz f des Oszillators gegeben ist.
Es ist auch möglich, die Geschwindigkeit der sich in der Flüssigkeit ausbreitenden Ultraschallwellen zu messen, indem ein Sender und ein Empfänger im Abstand in der in einem Behälter untergebrachten Probenflüssigkeit angeordnet werden und der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger verändert wird.
Jedoch sind in den oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtungen die Änderungen im Abstand zwischen dem Sender-Empfänger und der Probenflüssigkeit oder zwischen dem Sender und dem Empfänger, d. h. , die Änderungen in der Länge des Ausbreitungsweges der Schallwellen klein. Daher erfordert eine genaue Messung von solchen kleinen Änderungen eine hohe Erfahrung und eine lange Meßzeit. Da weiterhin Ultraschall-Sender-Empfänger diese für ebene Wellen einschließen, können Messungen einer zweidimensionalen Verteilung der Schallgeschwindigkeit in einem Prüfling nicht durchgeführt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung zu schaffen, die genau und rasch die Schallgeschwindigkeit in einer Probenflüssigkeit messen kann.
Diese Aufgabe wird bei einer zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich insbesondere aus dem Patentanspruch 2„
Die Erfindung sieht also eine zerstörungsfreie Ultraschall" Prüfvorrichtung vor, bei der eine fokussierte Ultraschallwelle von einem Fokussier-Ultraschall-Sendeelement auf einen Prüfling abgestrahlt wird, bei der eine Änderung in der innerhalb des Prüflings empfangenen Ultraschallwellenenergie an einem feinen Teil von diesem durch ein Ultraschall-Empfangs element erfaßt wird, bei der das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement oder das Ultraschall-Empfangselement fein durch einen Schwinger oder Vibrator in Schwingungen versetzt wird, bei der ein Ausgangssignal des Ultraschall-Empfangselementes durch eine Elektronenstrahlröhre angezeigt wird, und bei der der horizontale Durchlauf der Elektronenstrahlröhre entsprechend einem Ausgangssignal von einem Niederfrequenzoszillator zum Schwingungsanregen des Schwingers erfolgt,
Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen;
Figuren 1 und 2 s Blockdiagramme herkömmlicher zerstörungsfreier Ultraschall-Prüfvorrichtungen,
Figur 3 s ein Blockdiagramm einer zerstö
rungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 s einen Signalverlauf mit periodi
schen Höchst- und Mindestwerten»
der auf einer Elektronenstrahlröhre angezeigt wird,
Figur 5 : eine Methode zum Messen der Ultra
schallenergie durch Zwischenfügen eines Prüflinges zwischen einen Sender und einen Empfänger,
Figur 6 : eine Darstellung einer anderen
Methode nach der Erfindung,
Figur 7 : ein auf der Elektronenstrahlröhre
angezeigtes Muster, das durch die anhand der Figur 6 erläuterte Methode erhalten ist, und
Figur 8 : ein Blockdiagramm einer zerstö
rungsfreien UItraschall-Prüfvorrichtung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine herkömmliche zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung wird zunächst anhand der Figur 1 näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm einer zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung (vergleiche Yoshimitsu Kikuchi und Daitaro Okuyama, "Transactions at the Japanese Society of Acoustics", Seite 181, Februar 1967), bei der die Länge des Ausbreitungsweges der Ultraschallwellen verändert wird. In Figur 1 sind gezeigt ein Hochfrequenzoszillator 1 ein Impulsmodulator 2, ein Sender-Empfänger 3, ein Dämpfungsglied 4, ein Mischer 5, ein Detektor (Gleichrichter) 6 und eine Elektronenstrahlröhre (CRT) 7. Der Sender-Empfänger 3 ist auf dem Boden eines Behälters 9 angebracht, der eine Probenflüssigkeit 8 enthält. Eine Auslaßöffnung befindet sich am Boden des Behälters 9. Ein Ablesemikroscop 11 zum Messen des Pegels 8' ist an der Mantelfläche des Behälters 9 angeordnet. Ein vom Hochfrequenzoszillator erzeugtes kontinuierliches elektrisches Signal einer Schwingungsfrequenz f wird durch den Impulsmodulator 2 in ein Hochfrequenz-Impulssignal moduliert. Das Hochfrequenz-Impulssignal wird dann
an den Sender-Empfänger 3 als ein Ultraschallwandler abgegeben, um gepulste Ultraschallwellen in der Probenflüssigkeit
8 als Prüfling beziehungsweise zu messendes Objekt zu erzeugen. Die gepulsten Ultraschallwellen werden durch eine Reflektionsflache, die zum Sender-Empfänger 3 gegenüber liegt und parallel zu diesem verläuft, oder die Flüssigkeitsoberfläche 81 der Probenflüssigkeit 8 reflektiert. Die reflektierten gepulsten Ultraschallwellen werden dann zurück zum Sender-Empfänger 3 geführt und in ein elektrisches Impulssignal umgesetzt. Das elektrische Impulssignal wird an den Mischer 5 abgegeben um mit einem Bezugssignalteil des durch den Hochfrequenzoszillator 1 erzeugten kontinuierlichen elektrischen Signales gemischt zu werden, das in seiner Amplitude durch das Dämpfungsglied 4 eingestellt wird. Das gemischte oder zusammengesetzte Signal vom Mischer 5 wird durch den Detektor 6 erfaßt und durch die Elektronenstrahlröhre 7 angezeigt. Wenn die Länge 2L des Ausbreitungsweges der Ultraschallwellen verändert wird, während die Schwingungsfrequenz f des Hochfrequenzoszillators 1 konstant gehalten ist, dann werden die Höchst- und Mindestwerte der Amplitude des reflektierten Impulssignales wiederholt abwechselnd auf der Elektronenstrahlröhre 7 bei jeder Änderung in der Länge des Ausbreitungsweges entsprechend jeder halben Wellenlänge angezeigt. Bei. dieser herkömmlichen Vorrichtung wird die Probenflüssigkeit 8 graduell oder schrittweise durch die Auslaßöffnung 10 entleert, die am Boden des Behälters
9 angeordnet ist, in welchem die Probenflüssigkeit 8 untergebracht ist, so daß der Pegel der Flüssigkeitsoberfläche 8" absinkt. Wenn die Größe der Minderung im Pegel der Flüssigkeitsoberfläche 8" abgelesen wird, während Änderungen in der Länge des Ausbreitungsweges, die die Höchst- und Mindestwerte der Amplitude der reflektierten Impulswellen liefern, genau gemessen werden, dann kann die Schallgeschwindigkeit in der Probenflüssigkeit ermittelt werden, da die Schwingungsfrequenz f bekannt ist.
Figur 2 ist ein Blockdiagramm einer anderen herkömmlichen
zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung, bei der einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind. Ein Sender 12 ist mit dem Impulsmodulator 2 verbunden, während ein Empfänger 13 an den Mischer 5 angeschlossen ist. Die Länge L des Ausbreitungsweges zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 13 wird verändert, während die Lage der unteren Oberfläche des Empfängers 13 durch das Ablesmikroskop 11 abgelesen wird. Die Geschwindigkeit der sich in der Flüssigkeit ausbreitenden Ultraschallwellen kann so in gleicher Weise wie bei der zuerst beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung gemessen werden. Jedoch können die bei dieser herkömmlichen Vorrichtung in eine Flüssigkeit eingestrahlten Ultraschallwellen kontinuierliche Wellen sein und brauchen nicht gepulste Ultraschallwellen zu sein.
In den oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtungen sind die Änderungen in der Länge L zwischen dem Sender-Empfänger 3 und der Flüssigkeitoberfläche 81 oder zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 13 oder die Änderungen in der Länge des Ausbreitungsweges gering. Daher ist es extrem schwierig, solche kleinen Änderungen zu messen. Eine Messung derart kleiner Änderungen erfordert Erfahrung und viel Zeit. Da weiterhin Ultraschallwandler für ebene Wellen als Sender und Empfänger verwendet werden, kann die zweidimensional Verteilung der Schallgeschwindigkeit im Prüfling oder Objekt nicht gemessen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung schließt die Nachteile der herkömmlichen Vorrichtungen aus und erlaubt eine genaue und rasche Messung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figur 3 näher erläutert. Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm einer zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 3 sind vorgesehen ein Hochfrequenz-
Ι» α f* Ι
oszillator 14, ein Impulsmodulator 15, ein Sender 16, der im oberen Bereich einer Probenflüssigkeit 8 befestigt ist, die in einem Behälter 17 untergebracht ist, ein Dämpfungsglied 19, ein Mischer 20, ein am Boden des Behälters 17 angeordneter Empfänger 21, eine Elektronenstrahlröhre 22, ein Niederfrequenzoszillator 23, ein Schwinger oder Vibrator 24, der den Sender 16 in Schwingungen versetzt, und ein Dämpfungsglied 25 zum Dämpfen des Niederfrequenzsignales, um den Sender 16 auf einem vorbestimmten Pegel in Schwingungen zu versetzen. Der Sender 16 und der Empfänger 21 umfassen Fokussier-ültraschallwandler, die große Brennweiten besitzen. Der Sender 16 und der Empfänger 21 sind so angeordnet, daß sie einen gemeinsamen Brennpunkt haben. Der Schwinger 24 ist mit dem Sender 16 verbunden, um fein mit hoher Genauigkeit den Abstand zwischen dem Sender 16 und dem Empfänger 21 zu verändern .
Die Betriebsweise dieser Vorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert. Es sei angenommen, daß der Sender 16 durch den Schwinger 24 in der Richtung Z verschoben wird und die Größe der Verschiebung &Z sinusförmig als Funktion der Zeit t schwingt. Do h.,
ΔΖ = A sin d)t
wobei A die Höchstamplitude von einer Bezugsstellung und U die Winkelfrequenz bedeuten.
Ein Horizontaldurchlauf der Elektronenstrahlröhre 22 wird für B sin O) t synchron mit der Größe der Verschiebung Δ Ζ des Senders 16 durchgeführt. Inzwischen wird das durch den Hochfrequenzoszillator 12 erzeugte kontinuierliche elektrische Signal durch den Impulsmodulator 15 in ein Hochfrequenz-Impulssignal moduliert, das dann an den Empfänger 16 abgegeben
wird. Dann werden die gepulsten Ultraschallwellen in die Probenflüssigkeit 17 abgestrahlt und zum Empfänger 21 übertragen. Das Bezugssignal vom Hochfrequenzoszillator 14 wird durch das Dämpfungsglied 19 in seiner Amplitude so eingestellt, daß es den gleichen Pegel wie das übertragene Signal hat, das durch den Empfänger 21 empfangen wird. Das Bezugssignal wird dann mit dem elektrischen Signal vom Empfänger 21 durch den Mischer 20 gemischt. Das vom Mischer 20 gemischte oder zusammengesetzte Signal, also das Interferenzsignal, wird an die Elektronenstrahlröhre 22 abgegeben.
Dann wird ein Signalverlauf mit periodischen Höchst- und Mindestwerten (vergleiche Figur 4) auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre 22 angezeigt. Da die Amplitude des Horizontaldurchlaufes der Elektronenstrahlröhre den Wert B hat, werden die periodischen Änderungen in der Länge des Ausbreitungsweges mit B/A multipliziert. Wenn der Abstand ΔΒ zwischen den benachbarten Mindestwerten auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre 22 gemessen wird, dann wird die Wellenlänge in der Probenflüssigkeit mit ΔΒ χ (A/B) gemessen. Es ist im Allgemeinen einfach, das Verhältnis B/A auf etwa einhundert einzustellen, indem A optisch gemessen oder eine Kalibrierung in einem Medium, wie beispielsweise Wasser, vorgenommen wird, in welchem die Schallgeschwindigkeit bekannt ist. Wenn auf diese Weise die Frequenz der Ultraschallwellen durch F bezeichnet wird, dann ist die Geschwindigkeit ν der Ultraschallwellen der Probenflüssigkeit 17 gegeben durch:
V = Fx ΔΒ χ (A/B) .
Ein Versuch wurde in der unten beschriebenen Weise durchgeführt:
Wasser wurde als Probenflüssigkeit verwendet, und die Frequenz F der Ultraschallwellen betrug 2 MHz. Die Amplitude A
der Ultraschallwellen betrug 1 nun, während deren Winkelfrequenz ω den Wert 2x χ 50 Hz hatte. Konkave Wandler mit einer Tiefe von 1 mm oder mehr als Sender und als Empfänger wurden gegenüber zueinander mit einem gemeinsamen Brennpunkt angeordnet. Da die Amplitude des Horizontaldurchlaufes auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre 22 den Wert 5 cm hatte, wurde für das Verhältnis B/A der Wert 50 erhalten. Der Wert ΔB wurde zu 37,7 mm aus dem in Figur 4 gezeigten Signalverlauf ermittelt. Daher wurde für die Schallgeschwindigkeit ν erhalten:
ν = F X AB χ (A/B) = 2 χ ΊΟ""6 χ 37,7 χ Ίθ"3 χ (1/50) = 1508 (m/s).
Wenn ein Prüfling oder Objekt 2β aoit der gleichen Schallgeschwindigkeit wie die Probenflüssigkeit 17 und einheitlicher Dicke in die Probenflüssigkeit 17 zwischen dem Sender und dem Empfänger 21 bei der zerstörungsfreien Ultrasehall-Prüfvorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 in der in Figur 5 gezeigten Weise eingefügt wird, dann ist der Abstand zwischen dem Sender 16 und dem Empfänger 21, der die auf der Elektronenstrahlröhre 22 angezeigten Höchst- und Mindestwerte der gemischten oder zusammengesetzten Welle liefert, geringfügig von demjenigen für die Probenflüssigkeit verschoben. Daher ist die Größe der Verschiebung AL gegeben durch:
AL " £(1 - V0Zv1)
mit Z « Dicke des eingefügten Prüflings oder Objektes 26, V1 = Schallgeschwindigkeit und
v_ = Schallgeschwindigkeit der Probenflüssigkeit 17, die zuvor durch die oben beschriebene Methode gemessen wurde«,
Wenn die DickeX des Objektes 26 gegeben ist, dann kann durch
Einsetzen die Geschwindigkeit v. berechnet werden:
V1 = V0/(1 - &L/1).
Es ist jedoch nicht einfach, genau den Wert AL zu messen.
Erfindungsgemäß wird der Wert Δ L einfach gemessen, indem auf dem Schirm der einzigen Elektronenstrahlröhre die Größen der Verschiebung vor und nach der Einfügung des Objektes gemessen werden. D. h., der Sender 16 und der Empfänger umfassen Fokussier-Ultraschallwandler und sind derart angeordnet, daß sich die Ultraschallwellen auf dem Ausbreitungsweg der Ultraschallwellen in der Probenflüssigkeit als einem Bezugsmedium ausbreiten, wie dies in Figur 6A gezeigt ist. Wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Signalverlauf auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre 22 angezeigt und durch einen Speicherbereich oder dergleichen aufgezeichnet. Sodann werden der Sender 16 und der Empfänger 21 bewegt, um dazwischen das Objekt 26 anzuordnen, wie dies in Figur 6B gezeigt ist, und ein Signalverlauf wird in ähnlicher Weise auf der Elektronenstrahlröhre angezeigt. In dem in Figur 7A gezeigten Signalverlauf, der mit dem Ausbreitungsweg erhalten ist, der nicht das Objekt 26 umfaßt, hat das zusammengesetzte oder gemischte Signal den Mindestwert bei einem Punkt X1 mit Δ Z =ΔΖ.. Jedoch hat in dem in Figur 7B dargestellten Signalverlauf, der mit dem Objekt 26 erhalten ist, das zusammengesetzte oder gemischte Signal nicht den Mindestwert im Punkt X1 sondern in einem Punkt X2· Falls die Anlage so aufgebaut ist, daß die Höchst- und Mindestwerte des Ausgangssignales auf der X-Achse (horizontale Achse) der Elektronenstrahlröhre 22 nach links in Figur 7 verschoben sind, wenn der Sender 16 enger zum Empfänger 21 gezogen wird,
α β β β
dann ist der Punkt χ, des Mindestwertes in Figur 7B nach ' links bezüglich des Punktes des Mindestwertes in Figur 7A bei rascher Geschwindigkeit der sich durch das Objekt 26 ausbreitenden Ultraschallwellen verschoben, während der
Punkt des Mindestwertes nach rechts bei langsamer Geschwindigkeit der Ultraschallwellen verschoben ist. Der Wert AL kann bestimmt werden, indem die Differenz Ax = x,. - x,
gemessen wird.
Figur 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 8 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 3 versehen. In Figur 8 ist der Schwinger 24 lediglich mit dem Empfänger 21 verbunden. Jedoch ist die Betriebsweise des Schwingers 24 die gleiche wie dies oben anhand der Figur 3 erläutert wurde, so daß von einer näheren Beschreibung abgesehen werden kann.
Bei der Erfindung wird also ein Sender oder ein Empfänger durch einen Schwinger oder Vibrator in Schwingungen versetzt. Der sich durch das zu messend© Medium ausbreitende Ultraschallstrahl wird entlang der X-Achse (horizontale Achse) einer Elektronenstrahlröhre gemäß einem den Schwinger ansteuernden Niederfrequenzsignal abgetastet. Demgemäß kann die Differenz in den Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien einfach von einer Anzeige auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre abgelesen werden, was eine genaue Messung wesentlich erleichtert.
Leerseite

Claims (2)

  1. 32 PATENTANWÄLTE*·:·· °^
    KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSE
    DIPL.-PHYSIKER
    Noriyoshi Chubachi Sendai-shi, Miyagi-ken, Japan
    Keisuke Honda
    Toyohashi-shi, Aichi-ken, Japan
    DIPL.-INGENIEUR
    ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPAISCHEN PATENTAMT
    HERZOG-WILHELM-STR. D-8 MÜNCHEN 2
    IHR ZEICHEN: VOUR REFERENCE:
    UNSERZE1CHEn: g OUR REFERENCE:
    DATUM: 11e November 1982
    Zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung
    Patentansprüche
    1«/ Zerstörungsfreie Ultras chall-Prüfvorrichtung mit einem Ultraschall-Sendeelement (16) zum Bestrahlen eines Prüflings (17) mit einer Ultraschallwelle, und mit einem Ultraschall-Empfangselement (21), das an einem feinen Teil des Prüflings (17) die Ultraschallenergie erfaßt, die einer Änderung innerhalb des Prüflings (17) ausgesetzt war,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Sendeelement ein Fokussier-Ultraschall-Sendeelement (16) ist, das auf den Prüfling (17) eine fokussierte Ultraschallwelle einstrahlt, daß ein Schwinger (24) das Ultraschall-Sendeelement (16) oder das Ultraschall-Empfangselement (21) in feine Schwingungen versetzt, und daß eine Elektronenstrahlröhre (22) das Ausgangssignal vom Ultraschall-Empfangselement (21) anzeigt, wobei ein Horizontaldurchlauf der Elektronenstrahlröhre (22) entsprechend einem Ausgangssignal und einem Niederfrequenz-
    oszillator (23) zum Schwingungsanregen des Schwingers (24) durchgeführt wird.
  2. 2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Prüfling (26) innerhalb des Prüflings (17) eingefügt wird, und daß die Differenz in den Geschwindigkeiten der fokussierten Ultraschallwelllen, die sich in den Prüflingen (17, 26) ausbreiten, auf der Elektronenstrahlröhre (22) angezeigt wird.
DE3241815A 1981-11-13 1982-11-11 Ultraschall-Prüfvorrichtung Expired DE3241815C2 (de)

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DE3241815A1 true DE3241815A1 (de) 1983-05-26
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