DE3346633C1 - Method for pump limit regulation of axial fans - Google Patents
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Abstract
Description
2020th
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pumpengrenzregelung von Axialventilatoren mit verstellbaren Laufradschaufeln im stabilen Betriebsbereich unter Berücksichtigung des Hysteresebereichs mittels einer Regeleinrichtung unter Erfassung der Regelgrößen Druckerhöhung und Volumenstrom.The invention relates to a method for the pump limit control of axial fans with adjustable Impeller blades in the stable operating range, taking into account the hysteresis range by means of a control device while recording the control variables pressure increase and volume flow.
Axialventilatoren haben einen stabilen und einen instabilen Betriebsbereich, die beide unter unstetigem Verlauf der Ventilatorkennlinie (bei einem Ventilator mit festen Laufradschaufeln) oder des Kennlinienfeldes (bei einem Ventilator mit verstellbaren Laufradschaufeln) ineinander übergehen.Axial fans have a stable and an unstable operating range, both under discontinuous Course of the fan characteristic curve (for a fan with fixed impeller blades) or the characteristic curve field (in the case of a fan with adjustable impeller blades) merge into one another.
In F i g. 1 ist eine Kennlinie der erstgenannten Ventilatorbauform im Druckerhöhung Apges-Volumenstrom V- Diagramm bei konstanter Ventilatordrehzahl π und konstantem Laufradschaufelwinkel ßs dargestellt. Wenn an den Ventilator nur eine Rohrleitung und eine variable Drossel einer Anlage angeschlossen ist, so kann der Betriebspunkt des Ventilators entlang der gesamten Kennlinie gefahren werden.In Fig. 1 shows a characteristic curve of the first-mentioned fan design in the pressure increase Ap ges - volume flow V diagram with a constant fan speed π and a constant impeller blade angle ß s . If only one pipe and a variable throttle of a system are connected to the fan, the operating point of the fan can be run along the entire characteristic curve.
Bei weit geöffneter Drossel liefert der Ventilator einen großen Volumenstrom V bei geringer Druckerhöhung Apges (Betriebspunkt 1). Mit zunehmender Drosselung wird der Volumenstrom ständig kleiner (Betriebspunkt 2,3 und 4). Im Betriebspunkt 5 liefert der Ventilator seine maximal mögliche Druckerhöhung im stabilen Kennlinienbereich a. Bei weiterer Drosselung reißt die Strömung an den Laufradschaufeln ab und die Druckerhöhung des Ventilators geht plötzlich zurück (Betriebspunkt 6). Schließt man die Drossel noch weiter, so steigt die Druckerhöhung des Ventilators zwar wieder an (Betriebspunkt 7), die Strömung an den Schaufeln bleibt jedoch abgerissen. Der Ventilator arbeitet (»pumpt«) nun im instabilen Betriebsbereich b seiner Kennlinie. Dieser Betriebsbereich ist möglichst zu vermeiden, daWhen the throttle is wide open, the fan delivers a large volume flow V with a low pressure increase Apges (operating point 1). With increasing throttling, the volume flow becomes smaller and smaller (operating points 2, 3 and 4). At operating point 5, the fan delivers its maximum possible pressure increase in the stable characteristic curve range a. With further throttling, the flow breaks off at the impeller blades and the pressure increase of the fan suddenly decreases (operating point 6). If the throttle is closed further, the pressure increase of the fan increases again (operating point 7), but the flow at the blades remains interrupted. The fan now works ("pumps") in the unstable operating range b of its characteristic curve. This operating range is to be avoided as far as possible because
— hohe,Biege- und Wechselkräfte an den Laufradschaufeln auftreten,- high bending and alternating forces on the impeller blades appear,
— die Lager hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind,- the bearings are exposed to high dynamic loads,
— das gesamte angeschlossene Kanalsystem durch ständige Druckschwankungen schwingungsmäßig belastet wird,- the entire connected sewer system vibrates due to constant pressure fluctuations is charged,
— der Ventilator erheblich lauter wird,- the fan becomes considerably louder,
— das Überspringen in den instabilen Bereich im normalen Ventilatorregelkreis Probleme mit sich bringt und- Skipping into the unstable area in the normal fan control circuit causes problems brings and
— im Extremfall mit Schaden am Ventilator und an der Anlage gerechnet werden muß.- In extreme cases, damage to the fan and the system must be expected.
Wird die Drossel wieder geöffnet, so arbeitet der Ventilator in vielen Fällen nach Erreichen des Betriebspunktes 6 nicht gleich wieder auf dem stabilen Zweig der Kennlinie. Erst nach Überschreiten des Betriebspunktes 8 erfolgt bei 9 eine Rückführung auf den Betriebspunkt 3 im stabilen Bereich. Es entsteht also ein Hysteresebereich c (schraffiert in F i g. 1), der vom stabilen Kennlinienbereich her durch den Punkt 3 begrenzt ist (Hysteresegrenze). Der Übergang von Betriebspunkt 5 auf 6 oder von Betriebspunkt 9 auf 3 geschieht plötzlich; Zwischenpunkte können dabei nicht erreicht werden. Außerdem können im stabilen Abschnitt a der Kennlinie zwischen den Punkten 3 und 5 bereits geringfügige Störeinflüsse den Ventilator dazu veranlassen, auf den instabilen Kennlinienzweig b überzuwechseln.If the throttle is opened again, then in many cases the fan does not immediately work again on the stable branch of the characteristic curve after reaching operating point 6. Only after operating point 8 has been exceeded is a return to operating point 3 in the stable range at 9. A hysteresis area c thus arises (hatched in FIG. 1), which is delimited by point 3 in terms of the stable characteristic range (hysteresis limit). The transition from operating point 5 to 6 or from operating point 9 to 3 happens suddenly; Intermediate points cannot be reached. In addition, in the stable section a of the characteristic curve between points 3 and 5, even slight disturbances can cause the fan to switch to the unstable characteristic curve branch b .
Bei der zweitgenannten Bauform von Ventilatoren, deren Laufradschaufelwinkel in Betrieb verändert werden kann, wird als Druckerhöhung-Volumenstrom-Diagramm ein Kennlinienfeld dargestellt (Fig.2). Unter Zugrundelegung wiederum konstanter Ventilatordrehzahl π sind im Diagramm die Kennlinien eines Ventilators bei unterschiedlichen Laufradschaufeln ßs aufgenommen. In the second-mentioned design of fans, the impeller blade angle of which can be changed during operation, a family of characteristics is shown as a pressure increase-volume flow diagram (Fig. 2). Again based on a constant fan speed π , the diagram shows the characteristics of a fan with different impeller blades ß s .
In das Diagramm gemäß F i g. 2 ist als Abreißgrenze d die Verbindung sämtlicher Punkte 5 (siehe F i g. 1) der einzelnen Kennlinien eingezeichnet. Die durch die Verbindung der Punkte 3 gegebene Hysteresegrenze ist mit e bezeichnet. Des weiteren ist eine Grenzlinie / eingetragen, welche durch die Punkte 9 der Kennlinien verläuft. Durch Projektion des jeweiligen Punktes 9 in Richtung der Ordinate ist der Punkt 10 gefunden. Die Verbindungslinie dieses Punktes 10 sämtlicher Kennlinien ist als Grenzlinie g bezeichnet. Schließlich ist im Diagramm der F i g. 2 eine Anlagenkennlinie h mit parabolischem Verlauf eingezeichnet, die gegeben ist, wenn dem Ventilator mehrere, ihren Drosselzustand nicht ändernde Verbraucher einer Anlage nachgeschaltet sind. Durch Störeinflüsse in der Anlage kann sich die Anlagenkennlinie jedoch verändern und der bisher im stabilen Bereich seiner Kennlinie sowie im Bereich optimalen Ventilatorwirkungsgrades liegende Betriebspunkt B die Grenzlinie / in Richtung auf die Abreißgrenze d überschreiten.In the diagram according to FIG. 2, the connection of all points 5 (see FIG. 1) of the individual characteristic curves is shown as the tear-off limit d. The hysteresis limit given by connecting the points 3 is denoted by e. In addition, a boundary line / is entered, which runs through points 9 of the characteristic curves. Point 10 is found by projecting the respective point 9 in the direction of the ordinate. The line connecting this point 10 of all the characteristic lines is designated as boundary line g . Finally, in the diagram of FIG. 2 shows a system characteristic curve h with a parabolic course, which is given when the fan is followed by several consumers of a system that do not change their throttling state. However, interference in the system can change the system characteristic and the operating point B, which was previously in the stable range of its characteristic curve and in the range of optimal fan efficiency, can exceed the limit line / in the direction of the breakaway limit d.
Um nun das Arbeiten (»Pumpen«) des Ventilators im instabilen Betriebsbereich zu verhindern, hat man bisher anhand der Parameter Volumenstrom Vund Druckerhöhung Apges den Betriebspunkt B überwacht und mittels eines Pumpgrenzreglers aus den folgenden Gründen unter Berücksichtigung der auftretenden Hysteresis im stabilen Betriebsbereich nur unterhalb der Grenzlinie /in F i g. 2 halten können.In order to prevent the fan from working ("pumping") in the unstable operating range, operating point B has previously been monitored using the parameters volume flow V and pressure increase Apges and, for the following reasons, only below the operating point B using a surge limit controller, taking into account the hysteresis that occurs in the stable operating range Border line / in fig. 2 can hold.
Wie F i g. 3 als Ausschnitt aus einem Kennlinienfeld entsprechend F i g. 2 zeigt, liegt hier ein Betriebspunkt C sowohl auf dem instabilen Zweig b\ einer Ventilatorkennlinie mit dem Laufradschaufelwinkel ßs 1 als auch auf dem stabilen Zweig a2 einer Kennlinie mit dem Schaufelwinkel ßs 2. Das bisher angewandte Regelverfahren vermag anhand der erfaßten Parameter V und Jpges nicht zu unterscheiden, ob der Ventilator auf der Kennlinie $ 1 oder der Kennlinie ßs 2 gefahren wird. Erst unterhalb der Betriebspunkte 9 und der durch diese Punkte verlaufenden Grenzlinie /ist eine eindeutige Zuordnung eines Betriebspunktes durch die Parameter Ϋ und Apges zum stabilen Betriebsbereich des Ventilators gegeben. Bei dem bekannten Regelverfahren, welchesLike F i g. 3 as an excerpt from a family of characteristics corresponding to FIG. 2 shows, an operating point C lies here both on the unstable branch b \ of a fan characteristic curve with the impeller blade angle ßs 1 and on the stable branch a2 of a characteristic curve with the blade angle ß s 2. The control method used so far is capable of using the recorded parameters V and Jpges It is not possible to distinguish whether the fan is operated on the characteristic curve $ 1 or the characteristic curve ß s 2 . Only below the operating points 9 and the plane passing through these points boundary line / is given of an operating point by the parameters Ap and Ϋ ges to the stable operating region of the fan is a unique assignment. With the known control method, which
ein Überschreiten der Regelgrenzlinie /verhindert, wird zwar ein sicherer Betrieb und Schutz des Ventilators im stabilen Betriebsbereich erzielt, jedoch bleibt ein relativ weiter Bereich oberhalb dieser Grenzlinie /für den Ventilatorbetrieb bei hohem Wirkungsgrad ungenutzt. Dies gilt insbesondere für mehrstufige Axialventilatoren, bei denen der Hysteresebereich größer ist als bei einstufigen Ventilatoren.exceeding the control limit line / is prevented, safe operation and protection of the fan in the stable operating range is achieved, but a relatively wide range remains above this limit line / for fan operation unused at high efficiency. This is especially true for multi-stage axial fans, at where the hysteresis range is larger than with single-stage fans.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren für Axialventilatoren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen sich der Betriebsbereich bis nahe oder unmittelbar an die Abreißgrenze erstreckt und eine sichere Zuordnung des Betriebspunktes zum stabilen Zweig der Ventilatorenkennlinie erzielt wird.The invention is based on the object of a control method for axial fans of the type mentioned at the beginning To create a type in which the operating area extends close to or directly to the tear-off limit and a reliable assignment of the operating point to the stable branch of the fan characteristic is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Betriebspunkt des Ventilators bis zur Grenzlinie g, unterhalb der dem erzeugten Volumenstrom bei einem bestimmten Schaufelwinkel eine eindeutige Druckerhöhung zugeordnet ist, anhand der Regelgrößen Laufradschaufelwinkel ßs sowie Volumenstrom V und über die Grenzlinie # hinaus bis zur Abreißgrenze d zusätzlich mittels der Regelgröße Druckerhöhung Apges erfaßt wird.This object is achieved according to the invention in that the operating point of the fan up to the limit line g, below which the generated volume flow is assigned a clear pressure increase at a certain blade angle, using the control variables impeller blade angle ß s and volume flow V and beyond the limit line # up to the breakaway limit d is additionally detected by means of the controlled variable pressure increase Ap tot .
Bereits durch die Erfassung der Regelgröße Laufradschaufelwinkel ßs ist es möglich, den Betriebspunkt B bis an die Grenzlinie g zu legen. Wie F i g. 3 zeigt, wird durch vertikale Projektion des Punktes 9 der Kennlinie ßs 1 auf dem stabilen Kennlinienzweig a\ bei einem minimalen Volumenstrom Vm,-„ 1 der Punkt 10 gefunden, durch den die Grenzlinie g gelegt ist. Bei einem unterhalb dieser Grenzlinie g betriebenen Ventilator kann der Pumpgrenzregler anhand der gemessenen Regelgröße ßs und V den Betriebspunkt B sicher erfassen, da bis zur Grenzlinie feinem bei einem bestimmten Schaufelwinkel ßs geförderten Volumenstrom T^eine eindeutige Druckerhöhung Apges zuzuordnen ist. Bereits durch die Anwendung dieses Verfahrensschrittes der Erfindung, für die Teilschutz beansprucht wird, ist eine erhebliche Vergrößerung des nutzbaren Kennlinienfeldes (von Grenzlinie /nach Grenzlinie gin F i g. 2) bei stabiler Betriebsweise des Ventilators erzielt.By detecting the controlled variable impeller blade angle ß s , it is possible to place the operating point B up to the limit line g . Like F i g. 3 shows, by vertical projection of point 9 of characteristic line β s 1 on the stable characteristic branch a \ at a minimum volume flow V m , - " 1, point 10 is found through which boundary line g is placed. In a below this boundary line g-driven fan of the surge limit controller can be based on the measured control variable s SS and V the operating point B securely detect, as far as the border line fine at a certain blade angle ß delivered volume flow T ^ a clear increase in pressure Ap ges is assigned. By using this method step of the invention, for which partial protection is claimed, a considerable increase in the usable family of characteristics (from borderline / to borderline g in FIG. 2) is achieved with the fan operating in a stable manner.
Mit dem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, auch die Druckerhöhung Apges als zusätzliche Regelgröße zu erfassen, wird erreicht, daß der dem Ventilator zugeordnete Regler den Betriebspunkt B bzw. C auch sicher im Kennlinienfeld (F i g. 2 und 3) zwischen der Grenzlinie g und der Abreißgrenze d überwachen kann. Wird mit dem Regler beispielsweise festgestellt, daß der Ventilator anstelle der Druckerhöhung Apges, wie sie beim Betrieb auf den stabilen Zweig a\ der Kennlinie ßs 1 bei den Volumenströmen V zwischen den Punkten 5 und 10 erzielt wird, eine geringere Druckerhöhung liefert, so liegt ein Abriß der Strömung und Betrieb im instabilen Kennlinienbereich vor. Es wird also außer den bisher benötigten Regelgrößen ßs und Ϋ noch zusätzlich eine Entscheidung verlangt, ob die Druckerhöhung Apges die Größe hat, die zu einem Ventilatorbetrieb im stabilen Bereich des Kennlinienfeldes notwendig ist.With the further step of the method according to the invention, also to detect the pressure increase Ap tot as an additional control variable, it is achieved that the controller assigned to the fan also reliably sets the operating point B or C in the characteristic field (FIGS. 2 and 3) between the boundary line g and the tear-off limit d can monitor. If, for example, the controller determines that the fan delivers a lower pressure increase instead of the pressure increase Apges, as is achieved when operating on the stable branch a \ of the characteristic curve ß s 1 at the volume flows V between points 5 and 10, then lies a break in the flow and operation in the unstable range of characteristics. In addition to the previously required control variables ß s and Ϋ , a decision is also required as to whether the pressure increase Ap ges has the size that is necessary for fan operation in the stable range of the characteristic field.
Wird durch schnelle Druckänderungen in der Anlage trotzdem die Grenzlinie g (bei Regelung anhand der Regelgrößen ßs und V) oder die Abreißgrenze d (bei Regelung mit der zusätzlichen Regelgröße Apges) überschritten, so kann der Ventilator in den stabilen Betriebsbereich zurückgeführt werden, indem vom Regler der Laufradschaufelwinkel zuerst zurückgenommen wird, bis der Betriebspunkt B bzw. C unterhalb der Hysteresegrenze e auf dem stabilen Zweig der entsprechenden Kennlinie ßs liegt. Anschließend wird der Schaufelwinkel wieder langsam vergrößert, um den Betriebspunkt B bzw. C auf dem stabilen Kennlinienzweig der Grenzlinie g bzw. der Abreißgrenze dzn nähern.If, due to rapid pressure changes in the system, the limit line g (when controlled using the controlled variables ß s and V) or the breakaway limit d (when controlled using the additional controlled variable Ap ges ) , the fan can be returned to the stable operating range by the impeller blade angle is first withdrawn by the controller until the operating point B or C is below the hysteresis limit e on the stable branch of the corresponding characteristic curve ß s . The blade angle is then slowly increased again in order to approach the operating point B or C on the stable characteristic branch of the limit line g or the tear-off limit dzn.
Nachfolgend ist anhand eines Blockschaltbildes in F i g. 4 der Aufbau des Regelsystems bei einem Axialventilator mit verstellbaren Laufradschaufeln beschrieben. The following is based on a block diagram in FIG. 4 the structure of the control system for an axial fan described with adjustable impeller blades.
An den zur Förderung von Luft vorgesehenen Ventilator 20 ist eine Rohrleitung 21 angeschlossen. An zwei Meßorten 22 und 23 der Rohrleitung wird über eine Druckdifferenzmessung der Istwert des Volumenstroms Vist gemessen, im Meßumformer 24 in einen dem Volumenstrom proportionalen elektrischen Strom / umgeformt und einem externen Volumenstromregler 25 zugeführt. Dieser vergleicht den umgeformten Istwert mit einem gleichfalls umgeformten Sollwert des Volumenstroms Vsoii- Sobald eine Abweichung auftritt, wird vom Volumenstromregler 25 ein Stellsignal Yan über die Leitung 26, 27 an ein Stellgerät 28 für die Verstellung der Laufradschaufeln abgegeben, welche der Abweichung entgegenwirkt.A pipe 21 is connected to the fan 20 provided for conveying air. At two measuring points 22 and 23 of the pipeline, the actual value of the volume flow Vist is measured by means of a pressure difference measurement, converted in the transducer 24 into an electrical current proportional to the volume flow and fed to an external volume flow controller 25. This compares the transformed actual value with a likewise transformed nominal value of the volume flow Vsoii- As soon as a deviation occurs, the volume flow controller 25 sends an actuating signal Y on via the line 26, 27 to an actuator 28 for adjusting the impeller blades, which counteracts the deviation.
In der Leitung 26,27 ist außerdem ein Pumpgrenzregler 29 angeordnet. Diesem wird vom Meßumformer 24 ebenfalls das dem Istwert des Volumenstroms V;st proportionale Signal zugeführt. Weitere in einen proportionalen Strom umgeformte Signale erhält der Pumpengrenzregler 29 von den Meßumformern 30, 31 und 32. Mit dem Meßumformer 30 wird an den Meßorten 22 und 33 die Druckerhöhung Aßpges erfaßt. Dem Meßumformer 31 wird als Signal die am Meßort 34 der Rohrleitung 21 ermittelte Temperatur f der geförderten Luft zugeführt. Mit dieser Meßgröße wird im Pumpgrenzregister 29 die Druckdifferenzmessung korrigiert, um eine eindeutige Bestimmung des Istwerts des Volumenstroms Vist zu erzielen. Der Meßumformer 32 erhält als Meßsignal den Laufradschaufelwinkel ßs, der am Meßort 35 mittels eines Stellungsrückmelders am Stellgerät 28 für die Verstellung der Laufradschaufeln gemessen wird.A surge limit controller 29 is also arranged in the line 26, 27. The transducer 24 also sends this to the actual value of the volume flow V; st proportional signal supplied. More in a proportional current transformed signals received by the pumping limit regulator 29 of the transmitters 30, 31 and 32. With the transmitter 30, the pressure increase is detected ASSP saturated at the measuring points 22 and 33rd The temperature f of the conveyed air determined at the measuring location 34 of the pipeline 21 is fed to the transducer 31 as a signal. With this measured variable, the pressure difference measurement is corrected in the surge limit register 29 in order to achieve an unambiguous determination of the actual value of the volume flow Vist . The transducer 32 receives the impeller blade angle ß s as a measurement signal, which is measured at the measuring point 35 by means of a position feedback on the actuator 28 for the adjustment of the impeller blades.
Anhand der dem Pumpengrenzregler 29 zugeführten proportionalen Signale für Volumenstrom Y[St, Druckerhöhung Apges und Laufradschaufelwinkel ßs überwacht dieser die Lage des Betriebspunktes B bzw. C im Kennlinienfeld des Ventilators 20 (vgl. F i g. 2 und 3). Solange der Betriebspunkt B bzw. C unterhalb der Grenzlinie g (bei Regelung anhand der Größen Laufradschaufelwinkel ßs und Volumenstrom V) bzw. der Abreißgrenze d (bei Regelung zusätzlich anhand der Größe Druckerhöhung Apges) liegt, wird das Stellglied Yei„ des Volumenstromreglers 25 unverändert wieder aus dem Pumpgrenzregler 29 als Signal Yaus herausgeführt und an das Stellgerät 28 für die Verstellung der Laufradschaufeln weitergeleitet. Wird jedoch vom Volumenstromregler 25 eine Schaufelverstellung verlangt, aufgrund welcher der Betriebspunkt B bzw. C über der Grenzlinie g bzw. der Abreißgrenze d liegen würde, so wird das Stellsignal vom Pumpgrenzregler 29 korrigiert, d.h. verkleinert. Außerdem wird bei einem unvorhergesehenen Abriß der Strömung an den Laufradschaufeln der Betriebspunkt 5 bzw. Cvom Pumpgrenzregler 29 durch Verkleinerung des Laufradschaufelwinkels wieder in den stabilen Betriebsbereich zurückgeführt.Using the proportional signals for volume flow Y [ St , pressure increase Apges and impeller blade angle ß s supplied to the pump limit controller 29, the latter monitors the position of the operating point B or C in the characteristic field of the fan 20 (see FIGS. 2 and 3). As long as the operating point B or C is below the limit line g (with control based on the impeller blade angle ß s and volume flow V) or the breakaway limit d (with control also based on the pressure increase Apges) , the actuator Y e i "of the volume flow controller 25 again led out unchanged from surge limit controller 29 as signal Y from and passed on to actuator 28 for adjusting the impeller blades. However, if the volume flow controller 25 requires a blade adjustment, on the basis of which the operating point B or C would lie above the limit line g or the tear-off limit d , the control signal is corrected by the surge limit controller 29, ie reduced. In addition, in the event of an unforeseen break in the flow at the impeller blades, the operating point 5 or C is returned to the stable operating range by the surge limit controller 29 by reducing the impeller blade angle.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Claims (1)
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| Z.: "Stahl & Eisen" 84, 1964, 23. Apr. S.557-562 * |
| Z.: Power Engineering, Jan. 1979,S.50-53 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ZA8410051B (en) | 1985-08-28 |
| IT8468263A1 (en) | 1986-06-19 |
| FR2557216B1 (en) | 1987-12-18 |
| ES8605618A1 (en) | 1986-03-16 |
| AU3712884A (en) | 1985-07-04 |
| CH666941A5 (en) | 1988-08-31 |
| IT1182329B (en) | 1987-10-05 |
| IT8468263A0 (en) | 1984-12-19 |
| ES538928A0 (en) | 1986-03-16 |
| FR2557216A1 (en) | 1985-06-28 |
| BE901291A (en) | 1985-04-16 |
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Legal Events
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| 8331 | Complete revocation |