DE3324184A1

DE3324184A1 - Schaltungsanordnung zur anregung von elektrodynamisch arbeitenden ultraschallwandlern

Info

Publication number: DE3324184A1
Application number: DE19833324184
Authority: DE
Inventors: Jörg Ing.(grad.) 6451 Neuberg Quittkat; Ursula Ing.(grad.) 6451 Ronneburg Ruth; Gerhard Ing.(grad.) 6463 Freigericht Thiel
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1983-07-05
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1985-01-17
Also published as: JPS6036953A; EP0130545A2

Description

Patentanwälte · ISuropoan. Patent Attorneys PJpI.-IiiK· Joachim. StraHHO, München . nipl.-l'hye. Dr. Hnns-Herbert Stoffrog'en, Honau

NUKEM GmbH
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Schaltungsanordnung zur Anregung von elektrodynamisch arbeitenden Ultraschailwandlern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Anregung von elektrodynamisch arbeitenden Ultraschallwandlern für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, wobei eine Spule im Ultraschallwandler über Leitungen mit ' einem Sender für hochfrequente Schwingungen verbunden ist.

Je nach dem Typ elektrodynamischer Wandler werden Longitudinal-,

Transversal-, Plattenwellen usw. erzeugt, die zur Fehlerprüfung und

Dickenmessung von Werkstücken verwendet werden.

Es sind Sender bekannt, die eine gasgefüllte Röhre bzw. ein Thyratron enthalten, mit denen jeweils .ein auf einige hundert bis tausend Volt aufgelandener Kondensator plötzlich entladen wird. Der Kondensator ist Teil eines Schwingkreises, der durch die plötzliche Entladung zum Schwingen angeregt wird. Die gedämpften Schwingungen werden als Sendeimpuls dem Ultraschallprüfkopf zugeführt. Statt des Thyratrons werden auch Thyristoren oder Avalanchetransistoren verwendet. Die Einstellung der Impulsspannung geschieht durch eine entsprechende Anodenspannung am Thyratron oder Thyristor. Die

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Impulsspannung kann auch durch Veränderung des Belastungswider- J stand.es am Senderausgang beeinflußt werden. Um aus einem gegebenen Sender die höchstmögliche Leistung auf den Ultraschallprüfkopf übertragen zu können, muß der Ultraschallprüfkopf an den Sender angepaßt sein. Hierfür ist es bei Bariumtitanat- und Quarzprüf köpf en bekannt, in den Prüfköpfen Autotransformatoren anzuordnen ("Werkstoffprüfung mit Ultraschall", von J.· & H. Krautkrämer, L,. Auflage, j Springer Verlag, Seiten 200 bis 203). i

Es ist auch bekannt, mit Sendern Spannungsimpulse mit möglichst großer Anstiegssteilheit und möglichst hohen Amplituden ^owie variabler Impulsbreite zu erzeugen, mit denen Ultraschallprüfköpfe angeregt werden (DE-AS 27 33 308).

Wenn die Sendeimpulse mit einem Koaxialkabel zum Ultraschallprüfkopf übertragen werden, sollte der Innonwiderstand des Senders an den Wellenwiderstand des Koaxialkabels angepaßt sein, damit störende Reflexionen vermieden werden. Handelsübliche Koaxialkabel haben zum Beispiel einen Wellenwiderstand von 50 Xl . Sendespulen sind vorwiegend niederohmig ausgebildet und haben einen komplexen Widerstand. Ein Abschluß des Koaxialkabels mit dem gleichen Innenwiderstand im Sender ist deshalb . zumindest nicht möglich. Der Strom in . der Sendespule wird deshalb im wesentlichen durch den Wellenwiderstand . begrenzt. Je nach dem Strombedarf des Ultraschallkopfes kann eine relativ hohe Leerlaufspannung im Sender benötigt werden.

Sender für höhere Spannungen sind relativ aufwendig. Bei rotierenden Prüfsystemen, mit denen der Prüfling bei gleichzeitigem Längsvorschub schraubenförmig abgetastet wird, ist die Übertragung der Sondeleistung über Schleifringe bzw. durch kapazitive oder induktive Kopplung bei hohen Spannungen gleichfalls schwierig und aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß

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miL einer relativ kleinen Leerlaufspannung im Sender, die für die Erzeugung der Ultraschallprüfimpulse erforderliche Energie zu der Spule im Ultraschallwandler übertragen werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sender als Stromquelle ausgebildet ist und daß der Sender über niederohmige Leitungen, die wesentlich kurzer als die Wellenlänge der hochfrequenten Schwingungen sind, mit der Spule verbunden ist.

Bei dieser Anordnung wird im Sender nur ein kleiner Spannungshub benötigt, um den . .Ultraschallwandler zu betreiben. Aufgrund des kleinen Spannungshubs kann der Sender einen einfachen Aufbau auf- " weisen. Einfach aufgebaute Sender benötigen nur sehr wenig Raum. Die Unterbringung nahe am Ultraschallwandler ist deshalb ohne Schwierigkeiten möglich.

Vorzugsweise ist die Frequenz der Schwingungen des Senders 100 KHz bis 5 MHz bei einer Länge der Leitungen von etwa 0,5 Meter oder weniger zwischen dem . Sender und der Spule im Ultraschallwandler. Die Reflexionen auf dieser Leitung sind trotz einer Fehlanpassung vernachlässigbar klein.

Zweckmäßigerweise ist der Strom am Ausgang des Senders ungefähr 30 Ampere. Die für. den Betrieb des Senders notwendigen Versorgungsspannungen können bei dieser Anordnung ohne großen Aufwand aus der 220 Volt-Netzspannung gewonnen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Sender mit einem Ausgang an Erdpolential und mit einem Ausgang über einen Kondensator an eine Leitung angekoppelt ist, die an ihrem Ende mit einem Anschluß der Spule verbunden ist, deren anderer Anschluß an Erdpotential gelegt ist. Durch die Induktivität wird der Sender von der VersorgungsspannungsqueLle entkoppelt. Die Spannung am Ausgang des Senders ist während des Stromflusses in der Spule des Ultraschallwandlers ungefähr gleich dom Produkt aus dem Ausgangsstrom des

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Senders und der Impedanz der Spule. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Impedanz des Koppeldondensators sehr viel kleiner als die Impedanz der Spule ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ■ besteht darin, daß der Sender mit einem Ausgang an Erdpotential und mit einem Ausgang

. über einen Kondensator an eine Leitung angekoppelt ist, die an ihrem Ende mit einem Anschluß der Spule verbunden ist, deren anderer

Anschluß an Erdpotential gelegt ist. .

Die Spannung am Ausgang des Senders ist bei dieser Anordnung gleich dem Produkt des Ausgangsstroms des Senders und dem ohms'chen Widerstand der Spule des Ultraschallwandlers, da die Spule mit der Koppelkapazität einen Resonanzkreis bildet.

. ■

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung

dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Anordnung zur Anregung eines elektrodynamisch arbeitenden Ultraschallwandlers,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anord- | nung zur Anregung eines elektrodynamisch arbeitenden Ultraschallwandlers,

Fig. 3 ein Schaltbild mit Einzelheiten der in Fig. 2 dargestellten Anordnung.

Ein elektrodynamisch arbeitender Ultraschallwandler 10 hat eine Spule 12, die in Fig. 1 als Impedanz dargestellt ist und die im folgenden mit -js bezeichnet wird. Die Spule 12 ist über ein Koaxialkabel U an einen Sender 16 angeschlossen. Das Koaxialkabel 14 hat einen 1 nnen-

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Leiter 18, der mit einem Ausgang 20 des Senders 16 und einem Anschluß 22 der Spule 12 verbunden ist. Der zweite Anschluß der Spule 12 und der zweite Ausgang des Senders 16 sind an Erdpotential gelegt. Der Außenleiter des Koaxialkabels 14 ist ebenfalls an Erdpotential gelegt. Der Sender 16 enthält eine Spannungsquelle 24. mit einem Innenwiderstand 26. Mit dem Sender 16 werden hochfrequente Signale erzeugt, mit denen der Ultraschallwandler 10 zur Erzeugung von Ultraschallwellen angeregt ■ wird, die für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung verwendet werden. Das Koaxialkabel 14 hat einen Wellenwiderstand von 5OjTl. . Der Innenwiderstand 26 des Senders 16 ist an den Wellenwiderstand des Koaxialkabels 14 angepaßt.

Die Spulen von elektrodynamisch arbeitenden Ultraschallwandlern 10 haben im allgemeinen sehr kleine ohmsche Widerstände, die häufig kleiner als 1XI sind. Die Impedanz der Spulen 12 ist induktiv und weicht erheblich vom Wellenwiderstand des Koaxialkabels 14 ab. Deshalb ist eine Anpassung zwischen Kabel 14 und Spule 12 nicht möglich. Der in das Koaxialkabel 14 eingespeiste Strom, der im

folgenden mit ψ" bezeichnet ist, wird deshalb im wesentlichen vom Wellenwiderstand des Koaxialkabels 14 begrenzt. Die Leerlaufspannung des Senders 16, im folgenden mit u_o bezeichnet, ist daher in etwa gleich dem Produkt aus dem Innenwiderstand, zum Beispiel von 500 , und dem Strom i . Es gilt somit die Beziehung:

^o - λ· . 50 V

Je nach dem Betriebsstrom der Spule 12. kann sich dabei eine ziemlich hohe Leerlaufspannung ergeben. Ist beispielsweise der zum Betrieb der Spule 12 notwendige Strom größer als 20 A, dann übersteigt die Leerlaufspannung 1000 Volt.

Ein Sender, der eine Leerlaufspannung in der Größenordnung von 1000 Volt oder eine noch höhere Spannung erzeugen muß, läßt sich nur mit großem Aufwand verwirklichen. Schwierigkeiten ergeben sich

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auch dann, wenn der Betriebsstrom für Ultraschallprüf köpfe, die um Prüflinge rotieren, über Schleifringe oder über induktive oder kapazitive Koppelglieder übertragen werden muß.

Mit einer Schaltungsanordnung der in Fig. 2 dargestellten Art lassen sich bei Sendern hohe Leerlauf spannungen vermeiden. Der Sender 28 ist gemäß Fig. 2 über eine kurze, niederohmige Leitung 30 mit dem Anschluß 22 der Spule 12 verbunden. Die Leitung 30 hat eine Länge, die sehr viel kürzer als die Wellenlänge der vom Sender 28 erzeugten Schwingungen ist. Der Sender 28 besteht aus einer vorzugsweise einen konstanten Strom erzeugenden Stromquelle 32, an welche pulsdauermodulierte Signale angelegt werden, mit denen die Stromquelle 32 zur Abgabe eines entsprechenden pulsdauermodulierten Stroms veranlaßt wird. Die Stromquelle 32 ist mit ihrem Ausgang 36 über eine Induktivität 38 an einen Pol 40 einer Betriebsspannungsquelle a.ngeschlossen, bei der es sich um eine Gleichspannungsquelle handelt. Der zweite, nicht näher dargestellte Pol der Betriebsspannungsquelle ist ebenso wie der zweite Ausgang der Stromquelle 32 an Masse gelegt. Der Ausgang 36 ist über einen Kondensator 42 an die Leitung 30 angekoppelt. Die Stromrückleitung zwischen der Spule 12 und der Stromquelle 32 erfolgt über die nicht näher bezeichnete Masseleitung, deren Länge u.U. kürzer als die der Leitung 30 sein kann. Es kann sich dabei aber auch um eine Leitung handeln, die die gleiche Länge wie die Leitung 30 hat. Zweckmäßigerweise wird als Leitung 30 eine Koaxialleitung mit einem Gleichstromwiderstand' von 50 mlZ/m verwendet.

Die Länge der Leitung 30 kann vorzugsweise etwa 0,5 m oder weniger bei einer Schwingungsfrequenz des Senders 28 von 100 KHz bis ['■> MHz betragen. In diesem Fall ist eine Fehlanpassung zwischen dem Sender 28 und der Leitung 30 hinnehmbar, da die auftretenden Reflexionen auf der Leitung 30 nicht ins Gewicht fallen. Zweckmäßigerweise ist der Strom am Ausgang 36 in etwa 30 A. Durch Variation der Sendeimpulsbreite ist es möglich, den Sendeimpuls an die Spule 12 anzupassen.

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Die Laufzeit der pulsdauermodulierten Signale auf der Leitung 30 ist etwa 5ns/m. Demgegenüber beträgt die Laufzeit der Ultraschallimpulse im Stahl ungefähr 200ns. Für eine Leitung 30 mit 0,5 m Länge erscheint am sendeseitigen Leitungsende das an der Spule 12 reflektierte Signal nach 5ns. Die Spulenimpedanz elektrodynamisch arbeitender Ultraschallwandler ist im allgemeinen kleiner als der Wellenwiderstand der Zuführleitungen. An der Spule 12 . tritt deshalb Stromreflexion auf, d.h. die Gesamtspannung an dem mit der Spule verbundenen Ende der Leitung 30 ist relativ klein. Die Impedanz des Senders 28 ist wesentlich größer als der Wellenwiderstand der Leitung 30. Deshalb tritt am sendeseitigen Leitungsende eine Spannungsreflexion auf, so daß an diesem Ende die Spannung ansteigt. In einer Leitung 30 von 0,5 m Länge entsteht daher eine gedämpfte Schwingung mit einer Periode von etwa LOns. Dies entspricht einer Frequenz von 100 MHz, die weit über der Meßfrequenz von 100 kHz bis 5 MHz liegt und deshalb nicht mehr störend ist. Bei sehr kleinen Spulenimpedanzen kann es zur Dämpfung der reflektierten Schwingungen günstig sein, die Leitung 30 an ihrem sendeseitigen Ende, d.h. vor dem Kondensator 42, mit ihrem Wellenwiderstand abzuschließen. Es wird dann ein dem Wellenwiderstand entsprechender ohm'scher Widerstand 44 zwischen dem Kondensator 42 und Erdpotential angeordnet. Damit werden die Spannungsreflexionen am sendeseitigen Leitungsende vermieden. Da dieser Widerstand sehr viel größer als die Spulenimpedanz ist, fließt über diesen Widerstand nur ein vernachlässigbar kleiner Strom. Zweckmäßigerweise wird das sendeseitige Ende der Leitung 30 bei größeren Leitungslängen verwendet. Der Widerstand 44, der bei kurzen Leitungslängen wegen der großen' Frequenzunterschiede zwischen der Sendeschwingung und den reflektierten Schwingungen entfallen kann, ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.

Bei einer kleinen Impedanz der Spule 12 wird der Kondensator 42 so ausgewählt, daß die kapazitive Reaktanz sehr viel kleiner als die Spulenimpedanz ist. Aufgrund der kurzen Länge der Leitung 30 und

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einem entsprechend hohen Leitungsquerschnitt ist auch der Widerstand der Leitung 30 wesentlich kleiner als die Spulenimpedanz. Hai die Spule 12 eine Impedanz von 1JT2.» dann wird· unter den vorstehend erläuterten Voraussetzungen am Ausgang 36 der folgende Spannungshub benötigt: /[^ = Ί/ > = Λ/ \

Für einen Ausgangsstrom von 30 A ergibt sich dabei ein Spannungshub von 30 Volt. Dieser Spannungshub ist gegenüber der · Leerlaufspannung, die der in Fig. 1 gezeigte Sender erzeugen muß, sehr gering. Daher kann der Sender 28 einen sehr einfachen Aufbau haben.

Je nach dem· Aufbau des Ultraschallprüfkopfes 10 kann die induktive Reaktanz der Spule 12 bei den verwendeten Frequenzen der Sendersignale auch höher sein, während der ohmsche Widerstand in fast allen Fällen relativ klein ist. In einem solchen Fall wird zweckmäßigerweise die Kapazität des Kondensators 42 so gewählt, daß die kapazitive Reaktanz des Kondensators 42 mit der induktiven Reaktanz der Spule 12 übereinstimmt. An den Ausgang 36 ist dann ein Reihenresonanzkreis angeschlossen. Die Spannung am Ausgang 36 hängt in diesem Fall vom reellen Widerstand der Leitung 30 und der Spule 12 ab. Deshalb ist diese Spannung zum Beispiel, viel kleiner als die an der Kapazität 42 oder der Spule 12 abfallende Spannung.

Der Ausgang 36 ist durch die Induktivität 38 vom Pol 40 der

Betriebsspannungsquelle entkoppelt. Aufgrund der Induktivität 38 ist

der Stromfluß über die Induktivität 38 und damit der von der Betriebsspannungsquelle gelieferte Strom stark geglättet.

In Fig. 3 ist die Ausgangsstufe des Senders 28 dargestelll. Es handelt sich um einen Leistungstransistor 46, dessen Emitter über einen niederohmigen Widerstand 48 an Erdpotential gelegt ist. Der Widerstand 48 hat vorzugsweise einen Wert von einigen Zehntel Ohm. Er verhindert, daß der Leistungstransistor 46 in der Sättigung arbeitet. Bei einem Kollektorstrom von 30 A und einem Kollektorwider-

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stand von 0,3 £X läßt sich mit einer Betriebsspannung von 200 V eine große Spannungsamplitude von beispielsweise 150 V erreichen. Die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 46 ist dabei so gering, daß keine Sättigung auftritt.
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Das für den Verstärker 34 benötigte Ansteuersignal hat einen wesentlich geringeren Pegel' als das Signal am Ausgang 36. Wenn der Ultraschallprüfkopf 10 auf einem um den Prüfling rotierenden Träger angebracht ist, wird der Sender 28 zweckmäßigerweise ebenfalls auf dem rotierenden Träger nahe am Ultraschallprüfkopf 10 angebracht. Die Einrichtung zur Übertragung der Steuersignale auf den rotierenden Ultraschallköpfen befindet sich vor dem Verstärker 34· Vor dem Eingang 35 des Verstärkers 34 können daher Schleifringe oder induktive bzw. kapazitive Koppelglieder angeordnet werden, mit denen Steuersignale, die ein niedriges Energieniveau haben, zum Verstärker 34 übertragen werden. Die für diese Ansteuersignale ausgelegten Koppeleinrichtungen können daher relativ einfach ausgebildet sein.

Die Betriebsspannung, die durch Gleichrichtung einer transformierten Netzspannung erzeugt wird, kann für die Übertragung auf rotierende Ultraschallprüfköpfe relativ niedrig gewählt werden, bevor sie über Schleifringe dem Ultraschallkopf zugeführt wird. Anschließend wird die niedrige Betriebsgleichspannung durch einen Gleichspannungs-Glei'chspannungswandler auf die gewünschte Länge von zum Beispiel 200 Volt heraufgesetzt.

Claims

Patentansprüche:

1. ) Schaltungsanordnung zur Anregung von elektrodynamisch arbeitenden Ultraschallwandlern für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, wobei eine Spule im Ultraschallwandler über Leitungen mit einem Sender für hochfrequente Schwingungen verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Sender (28) über niederohmige Leitungen (30), die wesentlich kürzer als die Wellenlänge der hochfrequenten Schwingungen sind, mit der Spule (12) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schwingungen des Senders (28) und/oder · die Länge der Leitungen (30) zwischen Sender (28) und Spule (12) so ausgewählt sind, daß die Reflexionen am Übergang von Sender (28) zur Leitung (30) und am Übergang von der Leitung (30) zur Spule I (12) gegenüber den Amplituden der zu der Spule (12) fließenden j Ströme gering sind.

3· Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Sender (28) als Konstantstromquelle ausgebildet ist.

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4· Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Frequenz der Schwingungen des Senders (28) 100 kHz bis 5 MHz bei einer Länge der Leitungen (30) von etwa 0,5 Meter oder weniger zwischen dem Sender (28) und der Spule (12) im Ultraschallwandler (10) ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Strom am Ausgang (36) des Senders (28) ungefähr 30 Ampere ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Sender (28) mit einem Ausgang an Erdpotential und mit einem Ausgang (36) über einen Kondensator (42) an eine Leitung (30) angekoppelt ist, die an ihrem Ende mit einem Anschluß (22) der Spule verbunden ist, deren anderer Anschluß an Erdpotential gelegt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Kapazität des Kondensators (42) derart ausgewählt ist, daß die kapazitive Reaktanz gleich der induktiven Reaktanz der Spule (12) ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Ausgang (36) des Senders (28) über eine Induktivität an einen Pol (40) einer BetrLebsstromquelle angeschlossen ist.

■ 9· Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Sender (28) nahe am Ultraschallwandler (10) auf einem

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rotierenden Träger angeordnet ist und daß stationär erzeugte Steuerspannungen für den Sender (28) über Schleifringe bzw. • kapazitive oder induktive Koppelglieder zum Sender (28) übertragen werden.
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10. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Leitungen (30) an ihren dem Sender (28) zugewandten Enden mit einem dem Wellenwiderstand entsprechenden Widerstand . (44) angeschlossen sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Sender (28) einen in Reihe mit einem Emitterwiderstand (48) angeordneten Leistungstransistor (46) aufweist, dessen Kollektor mit dem Kondensator (42) und der Induktität (38). verbunden ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine niedrige Betriebsgleichspannung über Schleifringe zum Träger mit dem rotierenden Ultraschallwandler übertragen und auf dem Träger mittels eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler erhöht wird.

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