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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmeßvorrichtung, die zur
Messung der Strömungsgeschwindigkeit und der
Massendurchsätze geeignet ist.
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Die Messung von Gasströmen mit darin enthaltenen
Feststoffteilchen und gewisser Fluide, die sich ähnlich
verhalten, ist ein erhebliches und ungelöstes Problem auf
verschiedenen industriellen Gebieten wie beispielsweise der
chemischen Verarbeitung, der Handhabung, des Transportes und
des Ladens und Löschens von Nahrungsmitteln, dem Gebiet der
Filtration, dem Gebiet der Aeronautik und der
Brennstoffversorgung. Der Stand der Technik beschränkt sich auf das
komplizierte Wiegen von Stichproben, das in-line mit hohen
Kosten verbunden ist, und auf
Echtzeit-Schwingungsenergie-Abtasteinrichtungen (Ionisation, Röntgenstrahlen,
Ultraschall, Rückstreuung, Einimpfen von nuklearen oder optischen
Emissionsspuren und Auslesen durch entsprechende Abtaster).
Der Stand der Technik verwendet auch
Standard-Fluidströmungsmesser mit Dichtekorrektur wegen der
enthaltenen Feststoffe.
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Die GB-A-2 096 323 beschreibt somit einen
Korona-Entlade-Gasströmungsmesser mit einer Entladeelektrode und
aufgeteilten Sammelelektroden, die mit Eingangsverstärkern
verbunden sind, die als Stromspannungswandler arbeiten, die ein
Bezugssignal von einem Integrator empfangen, der so
arbeitet, daß er die Summe der Ausgangssignale der
Eingangsverstärker integriert. Das Integratorausgangssignal dient dazu,
eine Höchstspannungsversorgung für die Entladung zu steuern.
Ein Ausgangsverstärker liefert ein Strömungssignal dadurch,
daß er das Signal von einem Eingangsverstärker, ein
Nullabgleichssignal mit variabler Versetzung, das über einen
Verstärker vom Integrator erhalten wird, und ein
Nullabgleichssignal
mit fester Versetzung von einem Potentiometer
addiert.
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Die GB-A-2 096 323 beschreibt somit eine
Strömungsmeßvorrichtung, die eine Sensorelektrodeneinrichtung, die in
eine Strömungsleitung einsetzbar ist, eine Ausleseschaltung
mit einer Stromspannungswandlereinrichtung und ein Endgerät
umfaßt.
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Es ist das Hauptziel der Erfindung, einen relativ
einfachen, mit geringem Aufwand verbundenen (kapital- und
bedienungsmäßig), mit niedriger Wartung behafteten
Strömungssensor zu schaffen, der ein im wesentlichen lineares
analoges Eingangssignal liefert, das genau ist und in Echtzeit
zur Verfügung steht.
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Die Erfindung liefert dementsprechend eine
Strömungsmeßvorrichtung mit einer Sensorelektrodeneinrichtung, die in
eine Strömungsleitung einsetzbar ist, einer Ausleseschaltung
mit einer Stromspannungswandlereinrichtung und einem
Endgerät, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Sensorelektrodeneinrichtung eine triboelektrische Sensorelektrode umfaßt,
die in eine Strömungsleitung für den Strom von
Feststoffteilchen (FP) in einem Suspensionsfluid einsetzbar und für
eine Ladungsübertragungswechselwirkung mit den Teilchen
angeordnet und ausgebildet ist, und daß die Ausleseschaltung
die Elektrode über die Stromspannungswandlereinrichtung an
Masse legt, wobei die Wandlereinrichtung einen
Umwandlungsfaktor hat, der von 1*108 V/A bis 1*1012 V/A einstellbar
ist, und eine Absolutwerteinrichtung und eine
Einstelleinrichtung umfaßt, um die Stromspannungswandlereinrichtung im
wesentlichen kontinuierlich so nachzustellen, daß
Nullpunktverschiebungen entgegengewirkt wird, die darin durch
Änderungen in der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden.
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Die Ladung, die auf die Sensorelektrode, nämlich eine
Metallsonde übertragen wird, wird über die Ausleseschaltung
zur Masse zurückgeführt und bildet den Eingangsstrom für die
Schaltung. Das Maß an Ladungsübertragung ist annähernd
proportional zur Strömungsrate der Feststoffe, die auf die
Sonde treffen.
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Die triboelektrische Überwachung ist im US-Patent 3359 796
beschrieben, das R.C. Dimick erteilt wurde. Die
industrielle Technik wird durch diese Offenbarung nicht
weitergebracht, da eine triboelektrische Sonde in einem
Gas-Feststoffstrom auf verschiedenste ungewöhnliche Verhältnisse und
Probleme trifft, die erkannt und durch die vorliegende
Erfindung überwunden werden.
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Die Stromspannungswandlereinrichtung hat vorzugsweise
eine Wandlungsverstärkung, die in Zehnerschritten bei einer
fortlaufenden 10:1 Einstellung einstellbar ist.
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Die Absolutwertschaltung dient dazu, ein unipolares
Signal zu liefern, da eine Ladungsübertragung in einer von
beiden Polaritäten an der Sonde auftreten kann. Ein
einstellbares Tiefpaßfilter kann der Absolutwertschaltung
nachgeschaltet sein, um die hochfrequenten Signalanteile zu
dämpfen.
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Aufgrund der versetzten Spannungs- und
Stromcharakteristik der Stromspannungswandlereinrichtung wird sich das
Ausgangssignal der Einrichtung mit der Umgebungstemperatur
ändern, wobei die Einstelleinrichtung diesen
Temperatureffekt beseitigt. Die Einstelleinrichtung kann eine
automatisch auf Null stellende Schaltung umfassen, die so
geschaltet ist, daß sie die Einrichtung periodisch (etwa einmal pro
Minute) auf Null zurückstellt. Eine asymmetrische
Zeitsteuerschaltung trennt den Verstärkereingang ab, indem sie ein
Eingangsrelais erregt, und schließt eine Integratorschaltung
an, um für eine negative Rückkopplung der
Stromspannungswandlerschaltung auf Null zu sorgen. Der Integrator hält den
Nullabgleichspegel. Eine Tastspeicherschaltung wird dazu
verwandt, das vorliegende Ausgangssignal während des
Nullabgleichszyklus zu halten. Eine Zeitverzögerungsschaltung
bewirkt, daß das Ausgangssignal so lange gehalten wird, bis
der Wandler sich nach dem Nullabgleichszyklus beruhigt hat.
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Das Stromsignal von der Sensorelektrode wird über ein
Koaxialkabel mit ultraniedrigem Rauschen der
Ausleseschaltung zugeführt. Ein Überspannungsschutz ist an der Elektrode
installiert, um einen Spannungsaufbau bei gelöstem Kabel zu
vermeiden, und ein Strombegrenzungssperrwiderstand ist
zwischen einem Eingangsadditionsverbindungspunkt und dem Rest
der Schaltung angeordnet, um sicherzustellen, daß die
Sensorelektrode und das Kabel tatsächlich sicher sind, so daß
die Sonde in gefährlichen Bereichen installiert werden kann.
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Das Endgerät kann ein Meßgerät zum Anzeigen des
Strömungssignals und zum Unterstützen der Einstellung des
Instrumentes umfassen. Das Ausgangssignal bei 0-8 Volt kann
in 4-20 mA umgewandelt werden, um ein
Standardinstrumentenausgangssignal zu liefern.
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Ein einstellbares Sollwertrelaisausgangssignal kann
auch geliefert werden, so daß ein Alarm oder eine
Kontrollfunktion bei einem gewählten Strömungspegel ausgelöst werden
kann. Das Meßgerät kann auch dazu benutzt werden, den
Relaissollwert festzulegen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die zugehörige Zeichnung
näher beschrieben, in der
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Fig. 1 schematisch eine Strömungsmeßvorrichtung gemäß
der Erfindung zeigt,
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Fig. 1A eine Schwellenwertschaltung zeigt, die in der
Vorrichtung von Fig. 1 enthalten ist,
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Fig. 2 eine Absolutwertschaltung zeigt, die in der
Vorrichtung von Fig. 1 enthalten ist, und
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Fig. 3 eine Spannungsstromwandlerschaltung zeigt, die
in der Vorrichtung von Fig. 1 enthalten ist.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der
elektronischen Schaltung der gezeigten Strömungsmeßvorrichtung,
die ein Signal von einer triboelektrischen Sonde 1 verstärkt
und konditioniert, die in eine Strömungsrohrleitung Fp
eingesetzt ist. Die Schaltung liefert einen
Standardinstrumentenausgangsstrom bei 19 auf einer Ausgangsspannung von 0-8
Volt. Sie betreibt auch ein Meßgerät 20 und gibt ein Signal
einer Schwellenwertschaltung ein, die einen Komparator 22
und einen Funktionsverstärker in zwei Stufen 21A, 21B mit
Differentialeinstellung (Fig. 1A) umfaßt, die ein Relais 24
betätigt.
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Das einseitige Signal von der Sonde 1 liegt über ein
Koaxialkabel 2 mit niedrigem Rauschen, einen rauscharmen
Strombegrenzungswiderstand 3 und die geschlossenen Kontakte
eines Relais 5 an einem Additionsverbindungspunkt 9 eines
Operationsverstärkers 10, der als Stromspannungswandler
geschaltete ist. Eine Überspannungsschutzeinrichtung 4
schützt vor übermäßigen Spannungen und liefert zusammen mit
dem Strombegrenzungswiderstand 3 ein Netzwerk mit
Eigensicherheit, was es erlaubt, die Sonde 1 in Gefahrenbereichen
zu benutzen. Überspannungseinrichtungen 1A und 1B sind dazu
vorgesehen, die maximale Spannung in der Sonde selbst zu
begrenzen, sollte das Kabel abgetrennt werden.
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Der Operationsverstärker 10 ist ein rauscharmer
Verstärker mit niedriger Drift und führt das Signal von der
Sonde 1 über die Widerstände 6 und 7. Die
Widerstandsanordnung liefert eine Signalspannung mit niedriger
Ausgangsimpedanz am Verstärkerausgang 8. Die Signalspannung ist gleich
dem Signalstrom multipliziert mit dem effektiven
Widerstandswert des Widerstandes 6, dessen Spannungsabfall durch
einen Spannungsteiler modifiziert ist, der eine nicht
dargestellte abgestufte Übertragungsfaktoreinstelleinrichtung
aufweist.
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Da der Signalstrom eine der beiden Polaritäten haben
kann, kann das Spannungssignal am Ausgang 8 entweder eine
positive oder eine negative Spannung sein. Der Ausgang 8 ist
daher mit einer Absolutwertschaltung 12 verbunden, die eine
positive Spannung an ihrem Ausgang 12A erzeugt, deren
Amplitude der Amplitude der positiven oder negativen Spannung
an ihrem Eingang 12B gleich ist. Fig. 2 zeigt schematisch
diese Schaltung 12 mehr im einzelnen.
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Wenn eine positive Spannung am Eingang 34 eines
Operationsverstärkers 35 liegt, der in der Schaltung enthalten
ist, dann bringt dieser Verstärker seinen Ausgang 35A auf
einen positiven Wert, so daß eine Diode 36 in
Durchlaßrichtung vorgespannt wird, eine Diode 41 in Sperrichtung
vorgespannt wird und der Eingang 38 eines zweiten
Operationsverstärkers 39 auf einen positiven Wert kommt. Dadurch wird
wiederum der Ausgang 40 des zweiten Verstärkers auf einen
positiven Wert gebracht. Die Diode 41 ist in Sperrichtung
vorgespannt. Widerstände 43 und 44 liefern eine Rückkopplung
zum Eingang 42 das Verstärkers 35, damit die gesamte
Absolutwertschaltung 12 als Folgerschaltung mit einem
Übertragungsfaktor von +1 arbeitet.
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Wenn das ankommende Signal eine negative Spannung ist,
führt das Anlegen dieser Spannung an den Eingang 34 dazu,
daß der Ausgang 35A negativ wird, wodurch die Diode 36 in
Sperrichtung vorgespannt wird und die Diode 41 in
Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Verstärker 35 bewirkt, daß
der Eingang 42 sich negativ bewegt, bis er gleich dem
negativen Eingangssignal ist. Die negative Spannung am Eingang
42 führt dazu, daß durch den Widerstand 43 ein Strom fließt.
Der Eingang 38 des Verstärkers 39 wird auf 0 Volt durch
einen Widerstand 37 gehalten und der Ausgang 40 wird
ausreichend positiv, so daß ein Strom durch den Widerstand 44
fließt, der dem Strom durch den Widerstand 43 gleichkommt,
und der Eingang 45 auf 0 Volt gehalten wird. Die Widerstände
43 und 44 sind gleich, um sicherzustellen, daß die positive
Spannung am Ausgang 40 gleich dem negativen Spannungswert am
Eingang 42 wird. Der Übertragungsfaktor beträgt -1.
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Die Schaltung 12 erzeugt somit eine positive
Ausgangsspannung, die in ihrer Amplitude gleich der Amplitude der
positiven oder negativen Eingangsspannung ist.
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Zurück zur Fig. 1 zeigt sich, daß die positive
Spannung an dem Ausgang 12A der Absolutwertschaltung über den
Schalter 13 zu einem einpoligen Tiefpaßfilter geführt wird,
das aus einem Kondensator 15 und einem einstellbaren
Widerstand 14 besteht, der es erlaubt, die Filterzeitkonstante
abzustimmen. Ein Spannungsfolger-Pufferfunktionsverstärker
16 empfängt das gefilterte Signal am Knotenpunkt 16A und
betreibt zunächst das Meßgerät 20, das ein mA-Meter sein
kann, dem der Maßstab zum geeigneten Ablesen durch einen
Widerstand 21 gegeben ist, steuert zum zweiten einen
Komparator 22, der für den Benutzer verfügbare Relaiskontakte
schließt und eine rote Leuchtdiode 23 zum Aufleuchten
bringt, wenn ein gewählter Schwellenwert überschritten ist,
und steuert drittens in der dargestellten Position eines
Schalters 17 eine Spannungsstromwandlerschaltung 18 an, die
das Instrumentenausgangssignal liefert.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Spannungsstromschaltung
18 mehr im einzelnen. Ein Spannungssignal von 0-8 Volt
liegt am Knotenpunkt 46 und erzeugt einen Strom durch einen
Widerstand 47 zum Eingang 49 eines Operationsverstärkers 51.
Dieser Strom wird durch den Strom durch die Widerstände 61
und 48 ausgeglichen, so daß der Eingang 49 auf 0 Volt
gehalten wird. Der Verstärker 51 bringt seinen Ausgang 50 auf die
Spannung, die notwendig ist, um den Ausgleich am Eingang 49
zu erzeugen. Die Spannung am Verstärkerausgang 50 liegt an
einem Spannungsteiler aus Widerständen 52 und 53 und die
geteilte Spannung liegt am Eingang 54 eines
Operationsverstärkers 55. Der Verstärker 55 spricht dadurch an, daß er
einen Feldeffekttransistor 59 durchschaltet, so daß ein
Strom durch einen Widerstand 57 und den Feldeffekttransistor
59 zu einem Anwendungspunkt oder dem Ausgang 60 fließt.
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Dieser Strom nimmt bis zu einem Wert zu, an dem die Spannung
über dem Widerstand 57 am Verstärkereingang 56 gleich der
Spannung am Eingang 54 ist. Der Wert des Widerstandes 57
bestimmt den Wert des Stromes, der über den
Feldeffekttransistor 59 kommt.
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Durch die Änderung eines Widerstandes 61 wird der
darüber fließende Strom geändert und ändert sich der Ausgang 50
des Verstärkers 51, so daß der Stromausgleich am Eingang 49
beibehalten wird. Durch diesen Mechanismus kann der folgende
Ausgangsstrom durch den Feldeffekttransistor 59 auf einen
angemessenen Pegel abgestimmt werden, um den Wert Null (4 mA)
oder das Vollskalensignal (20 mA) wiederzugeben. Wenn
das Signal am Knotenpunkt 46 positiv wird, dann steigt die
Spannung über dem Widerstand 57 an, wodurch der
Ausgangsstrom am Ausgang 60 auf bis zu 20 mA bei 8 Volt zunimmt.
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Zurück zur Fig. 1 zeigt sich, daß das Ausgangssignal
des Verstärkers 10, das die Eingangsspannung für die
Spannungsstromwandlerschaltung 18 in der anderen Position des
Schalters 17 bildet, temperaturempfindlich ist und
automatisch jede Minute auf Null gesetzt wird. Wie es in Fig. 1
dargestellt ist, treibt dann, wenn der Schalter 11
geschlossen ist, ein integrierender Verstärker 27 einen Strom durch
die Widerstände 26 und 25 zum Eingang 10A, was den Ausgang 8
zwangsweise auf 0 Volt bringt. Während dieser Zeit ist der
Eingangsstrom von der Sonde 1 durch das Eingangsrelais 5
abgekoppelt, so daß der integrierende Verstärker 27
temperaturbedingte Verschiebungen ausgleicht. Der integrierende
Verstärker 27 speichert die Spannung, die notwendig ist, um
den Ausgleichsstrom beizubehalten, wenn der Schalter 11
geöffnet wird und das Relais 5 schließt.
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Das Relais 5 legt das Eingangssignal auch an den
Eingang 10A während des Nullabgleichs, um den Aufbau einer
Ladung am Kabel 2 zu verhindern.
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Der automatische Nullabgleich würde dazu führen, daß
alle Ausgangssignale auf ihren Nullpegel gehen, es sei denn,
daß der Schalter 13, der Widerstand 14 und der Kondensator
15 als Nachlauf- und Halteschaltung arbeiten. Das letzte
Signal vor dem automatischen Nullabgleich wird durch die
Spannung am Kondensator 15 wiedergegeben und bevor der
automatische Nullabgleich diese Spannung ändern kann, öffnet der
Schalter 13. Dadurch wird die Spannung am Kondensator 15
gehalten und werden die Ausgangssignale auf ihren letzten
Werten gehalten, während der automatische Nullabgleich
erfolgt. Wenn der automatische Nullabgleich abgeschlossen ist,
öffnet der Schalter 11 und nach der Bildung neuer
Signalpegel über den Ausgang 12A der Absolutwertschaltung öffnet der
Schalter 13. Die erforderliche Verzögerung wird in der
Verzögerungsschaltung 33 gebildet. Eine Zeitsteuerschaltung 30
liefert Zeitsteuersignale, die notwendig sind, um den
automatischen Nullabgleich annähernd jede Minute zu bewirken,
und bringt eine gelbe Leuchtdiode 31 zum Aufleuchten, wenn
der automatische Nullabgleich aktiviert ist.
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Eine kapazitiv gekoppelte Sonde 1P mit einem
Überspannungsschutz, die ein Wechselspannungssignal erzeugt, kann
bei der oben beschriebenen Schaltung verwandt werden. Bei
einer derartigen Sonde 1P macht eine Schalteinrichtung mit
Schaltern 29, 32 und 17 die automatische
Nullabgleichsfunktion kontinuierlich und leitet diese Einrichtung das Signal
von Stromspannungswandlerverstärker 8 direkt zur
Stromspannungswandlerschaltung 18.
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Die aktiven Bauteile sind im typischen Fall:
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10 -- Burr, Brown OPA 104 CM
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11/13 -- Harris Halbleiter HII-200-5
16, 21, 27, 35, 39 -- RCA CA 3240 E
51, 55 -- NATIONAL SEMICONDUCTOR LM 1448
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Die passiven Bauteile sind im typischen Fall:
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3-150 kW (RL20)
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6-100 MW
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7-0 bis 10 kW
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26-1 MW
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25-100 W
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14-0 bis 1 MW
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15-22 mF
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37-4,7 kW
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43-10 kW
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44-10 kW
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47-10 kW
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48-10 kW
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61-5 kW
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52-4 kW
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53-1 kW.