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Regler mit thermischer Rückführung für Temperaturen Regler mit elastischer
Rückführung sind an sich bekannt. Die mit den bisher bekannten Anordnungen dieser
Art gemachten Erfahr rangen haben aber ergeben, daß man in vielen Fällen die Kennlinie
der Zeitabhängigkeit der Rückführung nicht ausreichend .der Zeitabhänggkeit,des
Regelvorganges anpassen kann. Als Beispiel sei auf die bisher bekannten elastischen
Rückführungen bei Temperaturreglern für Ofen o., dgl. hingewiesen. Bei diesen Reglern
.dauert es je nach .den Betriebsverhältnissen eine längere oder kürzere Zeit, bis
sich die durch eine Impulsgabe .des Reglers. bewirkte Änderung der Zufuhr der Heizenergie
im Ofen ausgewirkt hat. Andererseits würde aber auch eben diese durch die Wärmeträgheit
des Ofens bedingte Verzögerung bewirken, daß die Solltemperatur über-oder unterschritten
wird, wenn nicht der Regler vor völligem Ablauf des Regelvorganges entsprechend
der Zeitabhängigkeit der Temperaturänderung wieder ;durch die sogenannte Rückführungsvorrichtung
in .den Normalzustand gebracht würde. Mathematisch betrachtet stellt .die Kennlinie
der Zeitabhängigkeit des Regelvorganges eines solchen Reglers eine Kurve dar, die
meistens durch eine Exponenti.älfunktion ausgedrückt werden kann. Bei den bisherigen
Rückführungen war es außerordentlich schwierig, eine derartige Kennlinie nachzubilden.
Infolgedessen entstanden in der Praxis unerwünschte ständige Schwankungen um den
angestrebten Regelsollwert.
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Es darf auch nicht übersehen werden, daß für die Aufheizung und die
Abkühlung beim gleichen Ofen verschiedene Kennlinien der Zeitabhängigkeit .des Regelvorganges
in Betracht gezogen werden müssen. Eine wirkliche, auf völlige Kompensation aller
Schwant,zungen um den Sollwert abzielende, mit Rückführung ausgestattete Regelvorrichtung
wird dementsprechend eine zweiseitig wirkende Rückführungsvorrichtung benötigen,
wobei der eine Teil auf die Kennlinie des Aufheizvorganges, der andere auf <Pli-e
:der Abkühlung abgestimmt ist.
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Es ist ein Verfahren bekanntgeworden, unter Benutzung mechanischer
Steuerung und einer elektrischen Heizeinrichtung eine thermische Rückführufi:g für
indirekte Regler anzuwenden. Im Gegensatz zu der Erfindung ist es bisher jedoch
nur gelungen, derartige thermische
Rückführungen in dem Sinne zu
verwenden, daß durch die mehr oder minder starke Einschaltung der Heizung ein bleibender
Ungleichförmigkcitsgrad entsteht, wodurch die*Regelu.ng ungünstig beeinfiußt wird.
hie Tatsache, daß eine derartige Rückführung eine gewisse thermische Trägheit nach
einer Neueinstellung aufweist, ändert nichts an ihrem der starren Rückführung vergleichbaren
Verhalten. Das Kennzeichnende ist, (aß eine bleibende Fälschung des Regelwertes
auftritt, wobei die Größe dieses Fehlers durch die jeweilige Stellung des Regelgliedes
(Ventil) gegeben ist. Bei dieser bekannten therinischen Rückführung ist auch bekannt,
der Hilfswärmequelle ein Thermoelement auszusetzen, das die Rückführ3pannung liefert,
die der der zu regelnden Temperatur entsprechenden Maßspannung entgegengeschaltet
ist.
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Die Einwirkung dieser bekannten Rückführung ist jedoch bei Vergrößerung
oder Verkleinerung der Energiezufuhr die gleiche. Das hat zur Folge, daß iin günstigsten
Falle die Rückführung in der einen Richtung dem zu regelnden System angemessen ist,
.d. h. zur Ausschaltung von Pendelurigen führt. Bei Störuti-en in der anderen Richtung
werden diese Pendelurigen dagegen nicht völlig verlundert. Es ist nun zwar bekannt,
elastische Rückführungen rein mechanischer Art derart auszubilden, daß die Rückführungskenttlinien
in den beiden Richtungen der Energ;it°ab,iveichung zwischen Ist- und Sollwert einstellbar
sind und auch verschieden eingestellt werden können. Diese bekannte Anordnung hat
aber mit den übrigen bekannten mechanischen Rückführungen den Mangel .gegenüber
iber dein Erfindungsgegenstand, daß die Herstellung des exponentiellen Verlaufes
der Abklingkennlinie schwierig, wenn nicht sogar praktisch unmöglich ist. Außerdem
ze'_gen inechan:sche Ausführungen wegen der bei der asymptotischen Annäherung der
Rückführgröße an den Wert h,TUll notwendigerweise äußerst kleine Einstellmomente
und weisen eine sehr störende Reibung auf. Dies führt zu erheblichen Unregelmäßigkeiten
bei der. Regelung.
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Demgegenüber löst die Erfindung die gekennzeichnete Aufgabe in betriebssicherer
Weise mit einfach, -n Mitteln und hoher Geliauigkeit. Dies wird bei einem Regler
mit thermischer Rückführung für Temperaturen oder solche Regelgrößen, bei denen
nach einer Störung des Gleicligew:clitsr_ustan.des der Ausgleichsvorgang ähnlich
einem Wärmea-usgleichsvorgang verläuft, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß
die thermische Rückführung ohne bleibenden t_'ngle:chförmigIeitsgrad in die Regelung
eingreift, daß die Heizeinrichtung der Rückführung für positive und negative Abweichung
des Istwertes der Regelgröße vom Regelsollwert unterteilt isl und daß durch d?e
Wahl der Wärmeausgleichsbedingungen für die beheizten Glieder die Kennlinien für
positive und negative Ab-
weichungen dein Zeitverlauf des ztl regelnden Vorganges
angepaßt sind. Dabei arbeitet die Rückführung also derart, daß die Heizeinrichtung
zum Herstellen von Rückführinipulsen beim Heraufregeln in der einen Richtung und
beim Herabregeln der Energie in der anderen Richtung auf ein den Regelimpuls geüelides
'Meßgerät o. d.gl. wirkt, und die %Llckführung ist vorzugsweise so ausgebildet,
dala man die Kennlinien ihrer beilenTeile beliebig un.d auch voneinander abweichend
einstellen kann.
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Der Erfindungsgegenstand ist nur dann gegeben, wenn die obengenannten
und 1111 Hauptanspruch wiederholten drei Wesensmerkmale ohne Ausnahme gegeben sind.
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Die Vorteile des neuen Reglers sind besonders deutlich erkennbar,
wenn man seine "Anwendung für das obenerwähnte Beispiel der Temperaturregelung eines
Ofens betrachtet. In diesem Beispiel ist es möglich, die beheizten Teile der thermis@lien
Rückfültrunl; des neuen Reglers gewissermaßen als thermisches Abbild des Ofens auszubilden,
illsbesondere hinsichtlich der Geschwindigkeit des Wärmeüberganges, um dadureli
die -11i>glichkeit zu schaffen, den Betriebsverliältnissen des Ofens durch entsprechende
Ausbildung der beiden Teile der thermischen Rückführung in vollem-LTmfatige Rechnung
zu tragen.
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Wenn man eineu Regler benutzt, der die Verstellung des Regelgli:@des,
z. B. eines Ventils, nach Maßgabe der Störung beziiglicli Richtung und Größe bewirkt
(ausschlagabhängiger Regler), so ist es zweckmäßig, auch die Zeitdauer der Aufheizung
der thermischen Rückführung von der Größe der St(5rung abhängig zu machen. Dies
kann z. B. dadurch geschehen, daß an den zum Beheizen der Rückführung dienenden
Widerständen eile zllsätzlicher temperaturempfindlicher Widerstand oder ein Therinoelement
angeordnet wird und dieser zusätzliche Widerstand oder das Thermäelement zur Beeinflussung
des Nullpunktes des Impulsgebers dient. Weiterhin können zur genauen Anpassung der
Rücklaufkennlinie der thermischen Rückführung sowohl die der thermischen Rückführung
zugeführte Heizenergie als auch deren Abkülilungsgeschwindigkeit einstellbar sein,
zweckinäß:g von Hand. Die Einstellung der der thermischen Rückführung -zugeführten
Heizenergie kann insbesondere mit Hilfe von verstellbaren Widerständen erfolgen,
die an die über die Regelkontakte des Impulsgebers geführten
Heizstromkreise
für die thermische Rückführung angeschlossen sinid. Zum Einstellen der Abkü!hlun@gsgeschwind:glzeit
.der beheizten Teile der thermischen Rückführung empfiehlt es sich, z. B. einen
den Wärmeaustausch dieser Teile mit der Umgebung erschwerenden Schirm verstellbar
anzuordnen.
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Dadurch kann also sowohl der zeitliche Verlauf der Anheizung als auch
.der zeitlich:--Verlauf der Abkühlung der einzelnen Teile dieser thermischen Rückführung
den Bedürftiissen des Regelvorganges entsprechend eingestellt werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
.dargestellt.
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Fi:g. i zeigt eiri schematisches Gesamtbild einer ersten Ausführungsform,
deren Arbeiten durch das Kurvenbild nach Fig.2 erläutert wird. Fig. 3 veran:schauMcht
eine zweite Ausführungsform der Erfindung, von der ein Teil in Fig. q. näher dargestellt
ist, und Fig. 5 eine weitere Ausführungsform.
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In Fig. i ist ein elektrischer Temperaturregler als Beispiel gewählt,
der die Temperatur eines Ofens i auf einem bes:limmten vorgeschriebenen Sollwert
hält. Zu diesem Zweck ist in .den Ofen i ein Widerstandsthermometer 2 eingebaut,
das in einem Zweig einer Brückenschaltung 3 liegt. Das. als Impulsgeber dienende
Brückengalvanometer .I ist mit einem Fallbügel 5 ausgerüstet, der durch einen. Kurvenscheibenantrieb
7 absatzweise gehoben und gesenkt wird. Weicht der Zeiger 6 des d. von der Lücke
8 zwischen zwei treppenförmig abgestuften . Kontaktstücken g und io nach links oder
rechts ab, so@ wird er durch den Fallbügels auf eine der Stufen des Kontaktstückes
9 oder io gedrückt, so daß das betreffende Kontaktstück dien zugehörigen Regelkontakt
i i oder 12 schließt. Durch die Regelkontakte i i und 12 wird ein Verstellrnotor
13 für Rechts-oder Linkslauf eingeschaltet, der ein in, der Brennstoffzuführungsleitung
zum Ofen: i liegendes Ventil 14 je mach dem Umlaufsinn entweder öffnet oder
schließt. Die --bisher beschriebene Einrichtung berücksichtigt . nicht die Wärmeträgheit
des Ofens i mit seiner Füllung,. die bewirkt, daß eine Erhöhung oder Verminderung
der Brennstoff7ufuli.r durch Verstellung ,dies Ventils 14 sich erst nach einer gewissen
Zeit als Temperaturänderung im Ofen. auswirkt.
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Um dieses Nachsinken für die Regelung zu erfassen, ist die im folgenden
beschriebene elastische Rückführung vorgesehen.
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In die Brückenschaltung 3 ist noch ein zusätzlicher potentiometrischer
Regelwiderstand 15 eingeschaltet, der in dem Beispiel in ein etwa zur Hälfte mit
Quecksilber gefülltes (J-Rohr 16 eingebaut ist. Die beiden Enden des Widerstandsdrahtes
17 sind mit zwei Brü ckenzweigwiderständen verbünden, während die Mitte des Widerstandsdrahtes
mittels einer Zuleitung 18 an das Galvanometer 4 angeschlossen ist. Nach oben hin
stehen die beiden Schenkel des (J-Rohres r6 mit zwei gasgefüllten Räumen ig und
20 in Verbindung. In die beiden Gasräume ig und 20 ist je ein 21 und 22 eingebaut,
dessen Heizstromkreis über die Regelkontakte 11, 12 am Impulsgeber 5, 6 geführt
ist. In den Stromkreisen .der beiden Heizwiderstände 21 und 22 sind einstellbare
Widerstände 23 und 2.1 zum Einstellen der Heizstromstärken vorgesehen. Außerdem
ist zwischen den beiden Gasräumen i g und 2o noch ein keilförmiger Schirm 25 einschiebbar
angeordnet, .der je nach seiner Stellung den Wärmeaustausch zwischen den Kammern
mehr oder weniger erschwert.
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Die dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt: Die Kontaktstücke
g und io mit .den. Regelkontakten i i und 12 werden auf den "jeweils gewünschten
Sollwert eingestellt. Die Tenipera.tur des Ofens sei zunächst auf .dem Sollwert.
Tritt nun eine Temperaturänderung im Ofen i auf, z. B'. eine Temperaturerniedrigung,
etwa infolge einer Gasdruckänderung vor dem Ventil i-., so macht -der Zeiger 6 einen
Ausschlag, .dessen Größe von dem Ausmaß der Temperaturerniedrigung abhängt. Er wird
sich beisp'_elsweise über die zweite Stufe des Kontaktstuckes io einstellen. Beim
nächstfolgenden Abwärtsgehen - des Fallbügels -5 wird der Zeiger 6 dann auf die
zweite Stufe :des Kontaktstückes io niedergedrückt und dabei der Regelkontakt 12
geschlossen. Infolgedessen wird einerseits der Regelmotor 13 in solchtem Umlaufsinn
ehigeschaltet, daß er in dem Beispiel das Ventil 14 öffnet, und andererseits wird
der Stromkreis für den Heizwiderstand 21 geschlossen und damit der eine- Teil der
Rückführung wirksam gemacht. Die eitdauer der Einschaltung .des Klotors 13 und des'
Heizwiderstandes 21 hängt von der Größe .des Zeigerausschlages ab. Sie kann z. B.
zwischen 2 und io Sekunden betragen. Infolge der Öffnung des Ventils 14 wird- mehr
Brennstoff als vorher zur Beheizun.g des Ofens i verwendet, und außerdem wird sich
das. Gas in dem Raum i9 ausdehnen, und damit wird die O_uecksilbersäule in dem U-Rohr
16 im linken Schenkel sinken und im rechten Schenkel steigen. Durch die Verschiebung
der Ouecksilbersäule ward, wie ersichtlich, der Nullpunkt -des GaIvanometers d.,
d. h. die Stellung, in welcher der Galvanometerzeger 6 über der Lücke spielt, geändert.
Geht der Fallbügel 5 wieder nach oben, so wird der Regelkontakt 12 unterbrochen
und
.damit einerseits der Verstellmo'tor i3 stilgesetzt und andererseits der Heizwiderstand
21 abgeschaltet. Der Gasraum ig wird sich infolgedessen durch Wärmeaustausch mit
seiner Umgebung, insbesondere mit dem benachbarten Gasraum 2o, wieder abkühlen.
Die Abkühlungsgeschwindigkeit hängt im wesentlichen ab von der Stellung des Schirmes
25. Diese Abkühlung des Raumes: ig hat ein Rückgehen der Ouecksälbersäule im [)-Rohr
16 zur Folge, wodurch wiederum, ein Rückgängigmachen der Nullpunktsverschiebung
des Galvanometers q. bedingt ist. Die Rücklaufbewebung des Quecksilbers bis zum
Erreichen der bezeichneten Stellung verläuft nun, zeitlich betrachtet, nach einer
Exponentialfunktio:n, also nach einer Kurve, die mit der Temperaturänderung im Ofen
i bei Änderung der Brennstoffzufuhr übereinstimmt. Die Erwärmung im Ofen und die
Abkühlung in den Gasräumen. i9 und 2o geht dabei im wesentlichen nachdem gleichen
Gesetz vor sich und ist gegebenenfalls durch Verschieben des Schirmes 25 einstellbar.
Mittels der Regelwiderstände 23 und 2.I kann man außerdem die Heizung der Widerstände
21 und 22 unabhängig voneinander regeln und damit das Arbeiten des Reglers den Betriebsverhältnissen
in besonders vollkommener Weise anpassen. Der Regler spricht also mir dann an, wenn
es wirklich notwendig ist, und die Änderung der :dem Ofen zugeführten Energie ist
:daher, unabhängig von der Wärmeträgheit des Ofens, der. Temperaturänderung proportional.
Das hat zur Folge, daß der gewünschte Sollwert :der '1'eniperatur ini Ofen durchaus
pendelfrei iilne2-ehalten wird. Zum Erläutern des Arbeitens der Rückführeinrichtung
15...25 dient Fig.2. In dieser ist auf .der Or.dinatenachse nach unten und nach
oben hin. der Widerstands-,vert der in den beiden Schenkeln des [)-Rohres 16 liegenden
Hälfteil des Drahtes 17 aufgetragen. Die Kurven ca und b stellen die Kennlinie
der Zeitabhängigkeit des Rückführungsvorganges, d. lt. die Änderung des Rückführungswiderstandes
mit der Zeit 'für verschiedene Kontaktzeiten dar, wenn die eine Seite der Rückführung,
z. B. die für die Heraufregelung, eingeschaltet ist. Die kurven c und d geben die
Kennlinie der Zeitabhängigkeit des Rückführun:gsvorganges für zwei andere Kontakt=
zeiten beim Einschalten der arideren Seite :der Rückführung wieder. Die Kurven a
und b können z. B. Kontaktgaben des Regelkontaktes 12 für d. und für io Sekunden
-und die kurven c und (1 Kontaktgabeil des Regelkontaktes i i von 2 -und
von 8 Sekunden entsprechen. Wie ersichtlich, verlaufen sämtliche vi.A-Kurven entsprechend
einer Expolientialfiniktion. Der Schnittpunkt der Kurven mit der Abszissenachse
bedeutet den Augenblick, in dem die von der Rückführungsvorrichtung bewirkte Nullpunktsänderung
des Galvanometers d. gerade wieder rüclzgängig gemacht ist.
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Dias Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem in
Fig. i .dargestellten im wesentlichen nur dadurch, daß statt des in einem Quecksilber-U-Rohr
16 befindlichen Widerstandsdrahtes 17 zwei temperaturempfindliche Widerstände 26
und 27 in die Brükkenschaltung 3 eingeschaltet sind. Die beiden temperaturempfindlichen
Widerstände 26 und 27 sind in diesem Falle von einer Heizwicklung 28 und
29 umgeben, wie aus Fig..4. näher ersichtlich ist. Über jeden der Widerstände 26
und 27 kann ein Rohr 3o, das: nach einem Ende hin keilförmig zugespitzt ist, mehr
oder weniger hin.weg@eschoben werden. Dadurch. läßt sich die Aufhe iz- und die Abkühlungsgaschwindigkeit
der temperaturempfindlichen Widerstände 26 und 27 einstellen. Durch die temperaturempfindlichen
Widerstände 26 und 27 wird beim abs-atzweisenEinschalten ihrer Heizwicklungen 28
und 29 wiederum eine Nullpunktsverschiebung des in den Diagonalzweig der Brückenschaltung
eingeschalteten Galvanometers hervorgerufen, die dann wieder rückgängig gemacht
wird, Man kann gewünschtetifalls auch jeden der beiden temperaturempfindlichen Widerstände
26 und 27 mit seiner Heizwicklung 28, 29 in Form von Drähten zu zwei Spulen wickeln
und .diese Spulen in einem mit Wasserstoffgefüllten Behälter anordnen, z. B. einer
Glasbirne.
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Außer der Einfachheit des Autolaues und der Möglichkeit der Einstellung
weitgehend beliebiger Kennlinien für die beiden Rückführungen weist die Anordnung
nach der Erfindung auch noch den Vorteil auf, daß ihr Arbeiten praktisch von der
Außentemperatur unabhängig ist im Gegensatz zu den bekannten Rückführungen mit U)ldäinpfungen
ti. dgldie eine oft recht störende Teinperatui-.il>llingigkeit der Rücklaufzeit
aufweisen.
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Die Einstellung verschiedener Rücklaufgeschwindigkeiten mittels der
Teile 25 (.Fig. 1) und 30 (Fig..:l) ist im allgemeinen nur notwendig, wenn das Objekt
der Regelung, in den Beispielen das in den Ofen eingebrachte Gut, geändert wird,
sei es, daß inan andre S'offe oder verschieden groiae :Mengen ein und -desselben
Stoffes in dein Ofen beliandelil w `l1. # Die neue Einrichtujig- kaiiii auch Aii\%(-n-'hing
finden für solche Regler, die illit a.,-@)der dainpfg,-fiillten lonenröhren, sogenannten
Stromtüren, arbeiten. In diesem Falle wird das Gitter des Stromtors sowohl durch
den
Impulsgeber .als auch durch die Rückführung beeinflußt, wie
es in Fig. 5 an einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist. An Stelle des Fallbügels
und der Schaltkontakte für den Motor treten hier die Ionenrohre 31 und 32, deren
Gitter über die Wicklungen 34 bzw. 35 eines Transformators 33 gesteuert werden,
der an die Stelle des Drehspulmeßwerlces 4 der Ausführungsform nach Fig. i tritt.
36 und 37 sind Batterien, die dem Gitter eine konstant:c Vorspannung erteilen. Zum
Speisen der Brücke 3 und des Kreises, in .dem die Ionen rotere liegen, ist hier
Wechselstrom erforderlich. Es ist aus der Fig. 5 ohne weiteres zu entnehmen, dä.ß
in dem Augenblick, wo, die Brücke 3 aus .dem Gleichgewicht kommt, das eine oder
das andere Ionenrohr zündet und so den Motor 3, dessen Feld mit Gleichstrom gespeist
ist, in der einen oder in der anderen Richtung anlaufen läßt.
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Die Erfindung ist in ihrer Anwendung selbstverständlich nicht nur
auf die Regelung von Temperaturen beschränkt, sondern kann auch zum Regeln anderer,
z. B. temperaturabhängiger Größen dienen,'sofern die Verwendung einer Rückführung
mit zwei voneinander unabhängig einstellbaren Kennlinien gemäß der Erfindung erwünscht
ist oder besonderen Vorteil bietet. Maßgeblich hierfür ist lediglich, daß die Regelgröße-Zeit-Kurve
des Ausgleichsvorganges, also beispielsweise die Dampfdruck-Zeit-Kurve, durch eine
Temperatur-Zeit-Kurve nacbbildbar und sotnit ersetzbar ist. Das Gerät ist also zum
Regeln beliebiger Größen geeignet, deren zeitliche Änderung nach einer Störung ähnlich
einer Exponentialfunktion verläuft. Gerade in dieser vielseitigen Anwendungsmöglichkeit
liegt der große Vorteil der thermischen Rückführung. Als Beispiel derartiger Regelungen
seien hier genannt die Regelung des Feuchtigkeitsgehaltes von Papierbahnen, die
mittels geheizter Walzen getrocknet werden, sowie die Regelung von Mengen und Flüssigkeitsstandhöhen.
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