DE4020502A1 - Extrapolation of time varying measurement parameter - by deriving steady state value from instantaneous value, time derivative and differential quotient - Google Patents

Extrapolation of time varying measurement parameter - by deriving steady state value from instantaneous value, time derivative and differential quotient

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Abstract

A method of extrapolating a time varying measurement parameter x(t) with the relationship of its first time derivative to a time invariant input parameter K y id defined by x(t)=(K y - x(t))/T, where T is a time constant, involves determining the steady state value xE. The steady state value is derived from an instantaneous value x/ of the parameter, its first derivative w.r.t. time and the differen-tial quotient of the first time derivative and the parameter, i.e.: xE=x1-x1(1/dx - dx). USE/ADVANTAGE - Rapid indication of steady state value, e.g. of temp . in heating process, irrespective of time constant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extrapolation einer sich zeitlich ändernden Meßgröße x an einer Regelstrecke mit Ausgleich, die näherungsweise von erster Ordnung ist und die dynamisch im wesentlichen durch eine Zeitkonstante T charakterisiert ist, an die eine zeitlich konstante Eingangsgröße K y angelegt wird und bei der zwischen der Ausgangsgröße x(t), der Eingangsgröße K y, der Zeitkonstante T und der ersten Ableitung der Ausgangsgröße nach der Zeit (t) der ZusammenhangThe invention relates to a method for extrapolation a time-varying measured variable x on a controlled system with compensation that is approximately of first order is and which is essentially dynamic through a Time constant T is characterized, to which a time constant input variable K y is applied and at between the output variable x (t), the input variable K y, the Time constant T and the first derivative of the output variable according to time (t) the relationship

besteht. consists.  

Der Anfahrvorgang eines Regel- oder Steuerprozesses ist häufig mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da entweder ein sehr vorsichtiges und langsames Annähern der Regelgröße an den Soll-Wert oder aber ein starkes Überschwingen in Kauf genommen werden muß. Derartige Probleme treten beispielsweise bei der Steuerung beziehungsweise Regelung elektrisch beheizter Durchlauferhitzer sowie auch bei Raumtemperaturreglern auf.The start-up process of a regulation or control process is often associated with considerable difficulty since either a very careful and slow approach to the Control variable to the target value or a strong overshoot must be accepted. Such problems occur, for example, in the control or Control of electrically heated water heater as well even with room temperature controllers.

Elektrisch beheizte Durchlauferhitzer sind im allgemeinen mit mindestens einem Heizwendel fester und bekannter Leistung ausgestattet. Die Schaltintervalle der Heizwendel, das heißt, die Zeiträume der Leistungsabgaben sind dabei sowohl von der zu erreichenden Aufheiztemperatur als auch von der pro Zeiteinheit durchfließenden Wassermenge abhängig. Es gilt:Electrically heated water heaters are generally with at least one heating coil of fixed and known power fitted. The switching intervals of the heating coil, that is, the periods of performance are included both of the heating temperature to be achieved as well depending on the amount of water flowing through per unit of time. The following applies:

wobei Dm die Durchflußmenge, Pm die Leistung, ϑd die Temperatur nach einem Teil der Heizstrecke, ϑe die Temperatur vor der ersten Heizwendel und c die spezifische Wärme bedeuten. Die dem Wasser bis zum Erreichen der Soll-Temperatur ϑSoll zuzuführende Leistung ergibt sich demnach zuwhere D m is the flow rate, P m is the power, ϑ d is the temperature after part of the heating section, ϑ e is the temperature before the first heating coil and c is the specific heat. The power to be supplied to the water until the target temperature ϑ target is reached therefore arises

P = c · DmSoll - ϑe).P = cD mtarget - ϑ e ).

Folglich istHence is

Unmittelbar nach dem Einschalten ist die Meßgröße ϑd jedoch noch viel kleiner als der Beharrungswert ϑdE so daß eine viel zu große Leistung P errechnet wird. Bei Zufuhr dieser Leistung kann es leicht zu einem Überschwingen der Temperatur kommen. Bekannt ist, daß die Änderungsgeschwindigkeit x des Meßwertes, bezogen auf die Zeitkonstante T der Meßwerterfassung unter Einbeziehung einer Konstanten K nach folgender Beziehung ermittelbar ist:Immediately after switching on, the measured variable ϑ d is still much smaller than the steady-state value ϑ dE so that a much too high power P is calculated. If this power is supplied, the temperature can easily overshoot. It is known that the rate of change x of the measured value, based on the time constant T of the measured value acquisition, including a constant K, can be determined according to the following relationship:

wobei y die Stellgröße ist.where y is the manipulated variable.

Diese Gleichung, die auch in der Form = f (x, y) geschrieben werden kann, ist für y = const. geometrisch als eine Gerade mit der Steigung darstellbar. Der Endpunkt dieser fallenden Geraden ist der Wert im Beharrungszustand, das heißt = 0. This equation, which is also written in the form = f (x, y) is for y = const. geometrically as a straight line can be represented with the slope. The end point this falling straight line is the steady state value, that is = 0.  

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Extrapolation eines sich zeitlich ändernden Meßwertes, insbesondere des Temperaturverlaufes bei einem elektrischen Durchlauferhitzer, anzugeben. Dadurch sollen frühzeitig und unabhängig von der Zeitkonstanten T des Temperaturfühlers verwertbare Aussagen über den Beharrungszustand ϑdE und damit letztlich über die Schaltintervalle der Leistungsabgabe möglich sein.The invention is based on the object of specifying a method for extrapolating a temporally changing measured value, in particular the temperature profile in an electric instantaneous water heater. This should enable us to make useful statements about the steady state ϑ dE early on and regardless of the time constant T of the temperature sensor and ultimately about the switching intervals of the power output.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Beharrungswert xE der Meßgröße x(t) aus einem Momentwert x₁ der Meßgröße, der zum gleichen Zeitpunkt bestehenden ersten Ableitung der Meßgröße nach der Zeit ₁ und dem Differentialquotienten der ersten Ableitung der Meßgröße x₁ und der Meßgröße ₁ gemäß folgender Gleichung ermittelt wird:According to the invention the object is achieved in that the steady-state value x E of the measured variable x (t) from a momentary value x 1 of the measured variable, the first derivative of the measured variable existing at the same time after the time 1 and the differential quotient of the first derivative of the measured variable x 1 and the measured variable ₁ is determined according to the following equation:

Wesentlich ist, daß durch Messung von K, x(t) und (x) aus der Steigerung der Wert im Beharrungszustand für x mit t→∞ und = 0 unabhängig von der Zeitkonstanten T zu einem sehr frühen Zeitpunkt errechnet werden kann. Es zeigt sich, daß eine verwertbare Aussage über den Beharrungswert xE bereits nach einer Zeitdauer zur Verfügung steht, die etwa 25% des Ausgleichsvorganges zuzüglich einer Totzeit beträgt.It is essential that by measuring K, x (t) and (x) from the increase in the steady state value for x with t → ∞ and = 0 can be calculated at a very early point in time regardless of the time constant T. It can be seen that a usable statement about the steady-state value x E is available after a period of time that is approximately 25% of the compensation process plus a dead time.

Entsprechend einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem elektrisch beheizten Durchlauferhitzer mit Steuerung der Leistungszufuhr in Abhängigkeit von der Einlauftemperatur ϑe, dem Soll-Wert der Auslauftemperatur und der Temperatur ϑd, die von einem Temperaturfühler nach einer ersten Teilstrecke des Heizkanals geliefert wird, der Beharrungswert ϑdE durch Bildung der ersten Ableitung der Temperatur d und des Differentialquotienten der ersten Ableitung der Temperatur d und der gemessenen Temperatur ϑd gemäß der GleichungAccording to a first advantageous embodiment of the method according to the invention, in an electrically heated instantaneous water heater with control of the power supply as a function of the inlet temperature ϑ e , the target value of the outlet temperature and the temperature ϑ d , which is supplied by a temperature sensor after a first section of the heating duct , the steady-state value ϑ dE by forming the first derivative of the temperature d and the differential quotient of the first derivative of the temperature d and the measured temperature ϑ d according to the equation

ermittelt.determined.

Dazu ist insbesondere ein Temperaturfühler innerhalb des Durchflußbereiches nach etwa ¼ bis ¹/₃ der Durchflußstrecke vorgesehen. Die an dieser Stelle erreichte Wassertemperatur ϑd ist von der pro Zeiteinheit durchfließenden Wassermenge, das heißt vom Durchfluß Dm abhängig und somit auch ein Maß für den Durchfluß Dm. Die einzustellende Auslauftemperatur ϑSoll ist bei konstanter an der Heizwendel anliegender Spannung U über die Veränderung der Leistung der nachfolgenden Heizwendeln einstellbar. Zur Erhöhung der Auslauftemperatur ist die Leistung entsprechend zu erhöhen, das heißt, es ist an nachfolgenden Heizwendeln Spannung anzulegen.For this purpose, in particular a temperature sensor is provided within the flow range after about ¼ to ¹ / ₃ of the flow path. The water temperature ϑ d reached at this point depends on the amount of water flowing through per unit of time, that is to say on the flow D m , and thus also a measure of the flow D m . The outlet temperature to be set ϑ target can be set by changing the output of the subsequent heating coils with constant voltage U applied to the heating coil. To increase the outlet temperature, the output must be increased accordingly, i.e. voltage must be applied to the subsequent heating coils.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet beziehungsweise werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung an Hand der Figuren näher dargestellt. Es zeigtAdvantageous developments of the invention are in the Subclaims are marked below along with the description of the preferred ones Execution of the invention shown in more detail with reference to the figures. It shows

Fig. 1 ein Funktionsschema eines elektrischen Durchlauferhitzers, Fig. 1 is a functional diagram of an electric continuous flow heater,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Temperatur, der elektrischen Spannung und des Durchflusses bei einem elektrischen Durchlauferhitzer, Fig. 2 shows the time course of the temperature, the electric voltage and the flow rate in an electric water heater,

Fig. 3 die Parameterabhängigkeit der zeitlichen Entwicklung einer Meßgröße, Fig. 3, the parameter dependence of the temporal development of a measured variable,

Fig. 4 die Abhängigkeit der Änderungsgeschwindigkeit einer Meßgröße von dieser Meßgröße, Fig. 4 shows the dependence of the rate of change of a measured parameter of this measured variable,

Fig. 5 wie Fig. 4 für die Meßgröße Temperatur bei einem elektrischen Durchlauferhitzer und Fig. 5 to Fig. 4 for the measured variable temperature in an electric water heater, and

Fig. 6 eine weitere Veranschaulichung des funktionalen Zusammenhanges zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur und dieser Temperatur. Fig. 6 is a further illustration of the functional relationship between the rate of change of temperature, and this temperature.

Das Kernstück eines in Fig. 1 stark schematisiert dargestellten elektrischen Durchlauferhitzers ist eine Vielzahl von Heizwendeln 1, 2 und 3 welche in einem Wasserströmungsbereich 4 eingesetzt sind. Das in Pfeilrichtung fließende Wasser hat zunächst die Einlauftemperatur ϑe. Bei an den Heizwendeln 1, 2 und 3 angelegter konstanter Spannung U₁, U₂ und U₃ wird das Wasser während des Passierens der Heizwendeln 1, 2 und 3 allmählich aufgeheizt. Nach einem Teil der Heizstrecke ist ein Temperaturfühler 6 zur Ermittlung einer Zwischentemperatur ϑd angeordnet. Ein weiterer Temperaturfühler 5 vor der Heizwendel 1 dient der Ermittlung der Einlauftemperatur ϑe. Zum Beispiel wird an die erste Heizwendel 1 eine konstante Spannung U₁ angelegt. Von dieser Heizwendel 1 wird dann die Leistung Pn abgegeben. Die Leistung der übrigen Heizwendeln wird durch eine hier nicht dargestellte elektrische Leistungssteuerung, zum Beispiel eine Schwingungspaketsteuerung, so eingestellt, daß die gewünschte Soll- Auslauftemperatur ϑSoll erreicht wird. Diese Leistung wird bestimmt aus . Wegen der großen Totzeiten innerhalb des Heizsystems wird die Auslauftemperatur nicht geregelt, sondern über eine Steuerung, bei der alle Störgrößen (Durchfluß, Einlauftemperatur, Netzspannung) erfaßt werden, bestimmt.The core of an electrical instantaneous water heater, shown in a highly schematic form in FIG. 1, is a multiplicity of heating coils 1, 2 and 3 which are used in a water flow region 4 . The water flowing in the direction of the arrow initially has the inlet temperature ϑ e . When applied to the heating coils 1, 2 and 3 constant voltage U₁, U₂ and U₃, the water is gradually heated as it passes through the heating coils 1, 2 and 3 . A temperature sensor 6 for determining an intermediate temperature ϑ d is arranged after part of the heating section. Another temperature sensor 5 in front of the heating coil 1 is used to determine the inlet temperature ϑ e . For example, a constant voltage U 1 is applied to the first heating coil 1 . The power P n is then output from this heating coil 1 . The output of the other heating coils is set by an electrical power control, not shown here, for example a vibration package control, so that the desired target outlet temperature ϑ target is reached. This performance is determined from. Because of the long idle times within the heating system, the outlet temperature is not regulated, but determined via a control system in which all disturbance variables (flow, inlet temperature, mains voltage) are determined.

Fig. 2 zeigt in einem ersten Diagramm zwei mögliche Kurvenverläufe für die gemessene Temperatur ϑd in Abhängigkeit von der Zeit. Um eine bestimmte Auslauftemperatur ϑSoll zu erreichen, muß die erforderliche Leistung nach obengenannter Gleichung ermittelt und den Heizwendeln zugeführt werden. Im Beharrungszustand gehört hierzu am Meßort des Temperaturfühlers 3 der Zwischentemperatur ein Wert ϑdE. Ziel ist, diesen Regelprozeß mit möglichst geringem Zeitaufwand und ohne starkes Überschwingen der einzustellenden Temperatur zu realisieren. Nach einer system- und trägheitsbedingten Totzeit tT steigt die gemessene Temperatur ϑd exponential an. Bis zum Erreichen des Beharrungswertes ϑdE wird dafür die Zeit t₄ benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren zielt nun aber darauf ab, den Beharrungswert ϑdE bereits vor Ablauf des Zeitraumes t₄ zu ermitteln, so daß bereits vor dem Erreichen dieser Temperatur ϑdE und damit der Auslauftemperatur ϑSoll die Energiezufuhr nach einem hier nicht beschriebenen Algorithmus so angepaßt werden, daß ein Überschwingen der Auslauftemperatur über den gewünschten Wert ϑSoll hinaus vermieden wird. Wie das ϑd/t-Diagramm zeigt, läßt sich durch Anlegen einer Tangente an die meßbare Temperaturverlaufskurve bereits nach einem bestimmten Zeitraum T eine Aussage über den Beharrungswert ϑdE extrapolieren. Der Zeitraum T ist wesentlich kleiner als t₄. Fig. 2 shows in a first diagram of two possible waveforms for the measured temperature θ d in function of time. In order to reach a certain outlet temperature ϑ target , the required power must be determined according to the above equation and supplied to the heating coils. In the steady state this includes a value ϑ dE at the measuring point of the temperature sensor 3 of the intermediate temperature. The aim is to implement this control process with as little time as possible and without excessive overshoot of the temperature to be set. After a dead time t T caused by the system and inertia, the measured temperature ϑ d increases exponentially. The time t₄ is required for this until the steady-state value ϑ dE is reached. The inventive method now aims but from thereon to determine the steady-state value θ dE before expiry of the period t₄ so that the power supply be adapted for a non described in this algorithm so θ target before reaching this temperature θ dE and thus the outlet temperature, that an overshoot of the outlet temperature beyond the desired value ϑ target is avoided. As the ϑ d / t diagram shows, by applying a tangent to the measurable temperature curve, a statement about the steady-state value ϑ dE can be extrapolated after a certain period T. The period T is significantly smaller than t₄.

Während des Anlaufprozesses liegt an der Heizwendel 1 eine konstante Spannung U₁ an. Die Spannung U₁ kann nur den Wert U₁ oder durch Abschaltung den Wert Null annehmen.During the start-up process, a constant voltage U 1 is applied to the heating coil 1 . The voltage U 1 can only assume the value U 1 or by switching off the value zero.

Aus den Meßwerten ϑd und ϑe des Temperaturfühlers ergibt sich ein Durchfluß Dm entsprechend dem dritten Diagramm. Das heißt, daß beim Anlaufen zunächst ein viel zu hoher Durchfluß ermittelt und für die Leistungsberechnung zugrunde gelegt wird. Damit wird dem Heizsystem eine zu hohe Leistung zugeführt, so daß mit einem erheblichen Überschwingen gerechnet werden muß.A flow D m according to the third diagram results from the measured values ϑ d and ϑ e of the temperature sensor. This means that when the start-up, a flow that is much too high is initially determined and used as the basis for the power calculation. Too much power is supplied to the heating system so that significant overshoot must be expected.

Weitere in der Fig. 3 dargestellte Diagramme zeigen den zeitlichen Verlauf der Regelgröße x bei unterschiedlichen, aber konstanten Stellgrößen Y₁ und Y₂. Der Beharrungswert XE1 hängt dabei von dem Y₁-Level und der Beharrungswert XE2 von dem Y₂-Level ab. Verschiedene Zeitkonstanten T₁ und T₂ beeinflussen nicht die Höhe des Beharrungswertes XE1 beziehungsweise XE2, wohl aber die bis zur Einstellung des Beharrungswertes XE1 beziehungsweise XE2 erforderliche Zeit.More diagrams shown in Fig. 3 show the time course of the controlled variable x at different but constant manipulated variables Y₁ and Y₂. The persistence value X E1 depends on the Y₁ level and the persistence value X E2 on the Y₂ level. Different time constants T 1 and T 2 do not influence the level of the steady-state value X E1 or X E2 , but do influence the time required to set the steady-state value X E1 or X E2 .

Um völlige Unabhängigkeit der Beharrungswertermittlung von der Zeitkonstanten zu erreichen, wird die Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße, das heißt des Meßwertes, in Abhängigkeit von diesem Meßwert dargestellt. Eine solche Kurvenschar für verschiedene Stellgrößen Y₁ und Y₂ sowie verschiedene Zeitkonstanten T₁ und T₂ ist in Fig. 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die zu Y₁ gehörenden Kurven sowohl für T₁ als auch für T₂ auf dem Beharrungswert XE1 gerichtet sind und die zu Y₂ gehörenden Kurven sowohl für T₁ als auch für T₂ den Beharrungswert XE2 ansteuern.In order to achieve complete independence of the determination of the steady-state value from the time constant, the rate of change of the controlled variable, that is to say of the measured value, is represented as a function of this measured value. Such a family of curves for different manipulated variables Y₁ and Y₂ and different time constants T₁ and T₂ is shown in Fig. 4. It can be seen that the curves belonging to Y₁ for both T₁ and T₂ are directed to the steady-state value X E1 and the curves belonging to Y₂ for both the T₁ and T₂ control the steady-state value X E2 .

Die Anwendung dieser Darstellungsweise auf die Meßgröße ϑd bei einem elektrischen Durchlauferhitzer zeigt Fig. 5. Die Änderungsgeschwindigkeit der gemessenen Temperatur ϑd in Abhängigkeit von dieser Temperatur ϑd nimmt, ausgehend von einem Maximum, linear ab. Bei ϑd = 0, das heißt am Kreuzungspunkt mit der Abszisse ist der Beharrungswert ϑdE1 für eine Heizwendelleistung P₁ beziehungsweise ϑdE2 für eine Heizwendelleistung P₂ erreicht. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, genügen zwei Meßwerte d1 und d2, um aus der Steigung der dd-Geraden den Beharrungswert ϑdE zu ermitteln. Fig. 5 shows the application of this representation to the measured variable ϑ d in an electric instantaneous water heater . The rate of change of the measured temperature ϑ d as a function of this temperature ϑ d decreases linearly, starting from a maximum. At ϑ d = 0, that is, at the point of intersection with the abscissa, the steady-state value ϑ dE1 for a heating coil power P₁ or ϑ dE2 for a heating coil power P₂ is reached. As can be seen from FIG. 6, two measured values d1 and d2 are sufficient to determine the steady-state value ϑ dE from the slope of the d / ϑ d straight line.

Entscheidend ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Beharrungswertes keine systeminternen und zeitlich in undefinierter Weise veränderliche Parameter, wie zum Beispiel Zeitkonstanten, zu berücksichtigen sind.It is crucial that in the method according to the invention to determine the persistence value, no system-internal and parameters that change over time in an undefined manner, such as time constants are.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The invention is not restricted in its implementation to the preferred embodiment described above. Rather, a number of variants are conceivable which of the solution shown also in principle make use of different types.

Claims (3)

1. Verfahren zur Extrapolation einer sich zeitlich ändernden Meßgröße x an einer Regelstrecke mit Ausgleich, die näherungsweise von erster Ordnung ist und die dynamisch im wesentlichen durch eine Zeitkonstante T charakterisiert ist, an die eine zeitlich konstante Eingangsgröße K y angelegt wird und bei der zwischen der Ausgangsgröße x(t), der Eingangsgröße K y, der Zeitkonstante T und der ersten Ableitung der Ausgangsgröße nach der Zeit (t) der Zusammenhang besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Beharrungswert xE der Meßgröße x(t) aus einem Momentwert x₁ der Meßgröße, der zum gleichen Zeitpunkt bestehenden ersten Ableitung der Meßgröße nach der Zeit ₁ und dem Differentialquotienten der ersten Ableitung der Meßgröße ₁ und der Meßgröße x₁ gemäß folgender Gleichung ermittelt wird: 1. Method for extrapolation of a time-changing measured variable x on a controlled system with compensation, which is approximately of first order and which is characterized dynamically essentially by a time constant T, to which a temporally constant input variable K y is applied and in which between the Output variable x (t), the input variable K y, the time constant T and the first derivative of the output variable after the time (t) of the relationship consists, characterized in that the steady-state value x E of the measured variable x (t) from a momentary value x₁ of the measured variable, the first derivative of the measured variable existing at the same time after the time ₁ and the differential quotient of the first derivative of the measured variable ₁ and the measured variable x₁ according the following equation is determined: 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem elektrisch beheizten Durchlauferhitzer mit Steuerung der Leistungszufuhr in Abhängigkeit von der Einlauftemperatur ϑe, dem Soll-Wert der Auslauftemperatur und der Temperatur ϑd, die von einem Temperaturfühler nach einer ersten Teilstrecke des Heizkanals geliefert wird, der Beharrungswert ϑdE durch Bildung der ersten Ableitung der Temperatur d und des Differentialquotienten der ersten Ableitung der Temperatur d und der gemessenen Temperatur ϑd gemäß der Gleichung ermittelt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that in an electrically heated water heater with control of the power supply as a function of the inlet temperature ϑ e , the target value of the outlet temperature and the temperature ϑ d by a temperature sensor after a first section of the heating duct is delivered, the steady-state value ϑ dE by forming the first derivative of the temperature d and the differential quotient of the first derivative of the temperature d and the measured temperature ϑ d according to the equation is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassertemperatur ϑd nach einer Teilstrecke ermittelt wird, die etwa ¼ bis ¹/₃ der Heizkanallänge beträgt.3. The method according to claim 2, characterized in that the water temperature ϑ d is determined after a partial distance which is approximately ¼ to ¹ / ₃ of the heating channel length.
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