DE2353812B2 - Temperaturmefischaltung - Google Patents
TemperaturmefischaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im allgemeinen weisen Schaltungen zum Messen von w>
Temperaturen elektrischer Einrichtungen die Form von
Brückenscheltungen auf, bei welchen ein Arm einen in den Wicklungen der Einrichtung angeordneten Temperatur-Fühlwiderstand aufweist. Dieser Fühlwiderstand
ändert '-einen Widerstandswert mit den Temperaturän- v,
clerungen in der Wicklung, und wenn der Fühlwider stand oder Sensor mit Strom gespeist wird, kann der
Spannungsabfall, welcher die Temperatur an der
Wicklung wiedergibt und dieser entspricht, ohne
weiteres an der Brückenschaltung gemessen werden. Der Temperatur-Fühlwiderstand kann entweder vier
oder drei Leitungen aufweisen; derzeit ist die Version mit drei Leitungen die bei der Elektroindustrie
eingeführte Normausfirorung. Da die Erfindung auch nur die Version for drei Leitungen betrifft, wird in der
folgenden Beschreibung nur auf diese Ausfflhrungsform Bezug genommen.
In Fig. 1 ist eine bekannte Brückenschaltung zum Messen von Temperaturen dargestellt Die Schaltung ·
weist drei Widerstände Rt, Ri und Rs, einen Temperatur-Fühlwiderstand RT, ein Meßinstrument 10 und eine
Stromquelle 11 auf. Die Quelle 11 kann, wie dargestellt,
eine Quelle konstanten Stroms oder eine Quelle konstanter Spannung sein. Zumindest einer der drei
Widerstände ist einstellbar; in der einfachsten Brückenausführung ist dies, wie dargestellt, der Widerstand Rs.
Der Temperatur-Fühlwiderstand A7-ISt ein Widerstand,
welcher seinen Widerstandswert bei Temperaturänderungen ändert; er ist in der Wicklung einer elektrischen
Einrichtung, beispielsweise eines Motors oder eines Generators, untergebracht und ist im allgemeinen in
einigem Abstand von den übrigen Bauelementen der Brückenschaltung angeordnet Er ist mit drei verhältnismäßig langen Leitungen 12 bis 14 in der Brückenschaltung an die AnscWässe A, B und C angeschaltet. Diese
Leitungen sind aus demselben Leitermaterial hergestellt, haben die gleiche Länge und denselben Widerstandswert Rl. wie in F i g. 1 dargestellt ist
In einer herkömmlichen Wheatstonesche Brücke wird der Widerstandswert des Widerstands Rt dadurch
erhalten, daß der Widerstand Rs so lange verstellt wird, bis das Meßinstrument 10 null anzeigt d. h. die Brücke
abgeglichen ist Hierauf wird dann der Wert des Widerstands Ar aus den Werten der übrigen Widerstände berechnet Sobald der Wert des Fühlwiderstandes Rt
bekannt ist, kann dessen unmittelbare Umgebungstemperatur ohne weiteres bestimmt, werden, da der
Widerstandswert des Fühlwiderstands Rt direkt auf dessen Temperatur bezogen ist Im Fall einer abgeglichenen Brücke ergibt sich kein Fehler bei der
Temperaturbestimmung, da der in der Leitung 14 fließende Strom null ist und derselbe Strom in den
Leitungen 12 undl3 fließt. In den meisten praktischen Anwendungsfällen der Brückenschaltung ist die Brücke
jedoch dann nicht abgeglichen, wenn eine Temperatur gemessen werden soll, sondern wird in einem nichi
abgeglichenen Zustand betrieben. Während des nicht abgeglichenen Betriebs der Brücke zeigt der Skalenwert auf dem Meßinstrument 10 die mittels des
Fühlwiderstands gefühlte Temperatur an. Wenn die brücke richtig geeicht ist, kann die Skala des Meßgeräts
in Temperaturwerte unterteilt sein, oder es kann ein Signal an dem Meßgerät zum Zweck der Temperatursteuerung abgenommen werden. Eine nichtabgegliche·
ne Brücke führt jedoch dazu, daß ein Strom in der Leitung 14 fließt, dessen Größe mit den festgestellten
Temperaturanstiegen zunimmt und der über den Widerstand Ri. fließt, welcher sich ebenfalls in Abhängigkeit von dem Strom und der Temperatur ändert.
Dieser Strom führt dann zu einem sich ändernden Fehler in dem abfließenden Temperaturwert. Bekanntlich ist jedoch eine Fehlerkompensation nicht leicht
durchzuführen, wenn der Fehler nicht konstant bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Temperaturmeßschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I
zu schaffen, mit welcher wirksam der vorerwähnte
Fehlerstrom beseitigt ist und ein linearer Anstieg
erhalten wird. Diese Aufgabe ist gemftß der Erfindung
durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung sind somit im wesentlichen die Fehler beseitigt, welche auf die drei
Leitungen an dem Temperatur-Fühlwiderstand oder -sensor zurückzuführen smd. Am Ausgang des Summierverstärkers
liegt ein Signal an, das die mittels des Temperatur-Fühlwiderstands gefühlte Temperatur
wiedergibt
Die Erfindung wird anhand von bevorzugten
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegende
Zeichnung im einzelnen erläutert Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bekannten
Brückenschaltung mit einem drei Leitungen aufweisenden Temperatur-Fühlwiderstand,
Fig.2 ein schematisches Schaltbild gemäß der
Erfindung, in welchem ein drei Leitungen aufweisender Temperatur-Fühlwiderstand verwendet ist, und
Fig, 3 ein schematisches Schaltbild einer praktischen
Ausführungsform der in F i g. 2 dargestellten Erfindung.
In F i g. 2 ist die Temperaturmeßschaltung gemäß der
Erfindung dargestellt In dieser Schaltung ist derselbe Widerstands-Temperatursensor Rt verwendet der in r,
Reihe mit einem einstellbaren Widerstand Ra geschaltet ist; die Reihenschaltung dieser beiden Widerstände ist
an den Ausgang der einen konstanten stromliefernden Quelle 11 geschaltet weiche unabhängig von dem
Widerstandswert der Schaltung einen konstanten m Gleichstrom aufrechterhält welcher durch die Schaltung
fließt die einen Anschlußpunkt D, den Widerstand Ra, den Anschluß A, eine Leitung 12, den Sensor Rt
einen Anschlußpunkt E, eine Leitung 13 und den Anschluß B aufweist Die Anschlüsse A, B und C r>
kennzeichnen die Enden der drei Leitungen 12,13 bzw. 14, durch welche der entfernt angeordnete Widerstands-Temperatursensor
mit der Meßschaltung verbunden ist. Ein Signalsummierverstärker ist ein wichtiges Bauelement in der den Fehler eliminierenden
Ausführung. In Fig.2 ist dieses Bauelement als ein
Operationsverstärker 15 dargestellt, welcher als Summierer und Verstärker gestaltet ist Der invertierende
Eingang (-) des Verstärkers ist über einen Rückkopplungswiderstand Rf an den Verstärkerausgang 16 und 4->
über Widerstände Vl bzw. 18 an dei Anschlußpunkt D bzw. den Anschluß C angeschaltet. Der Gleichspannungseingang
(+) des Verstärkers ist über Widerstände 19 bzw. 20 an die Anschlüsse A und B angeschaltet. Eine
Lsitung 21 verbindet den negativen Pol der Stromquelle ίο
11, den Anschluß B, das untere Ende des Widerstands 20 und einen Anschluß eines Meßinstruments 22 mit F.rde.
Der andere Anschluß des Meßinstruments ist mit dem Ausgang 16 des Verstärkers 15 verbunden, so daß das
Meßinstrument den Verstärkerausgang mißt, d. h. die ■»
Spannung am Ausgang 16 gegenüber Erde, welche die Temperatur an dem Temperatursensor RT darstellt. Da
der an dem Meßinstrument ablesbare Wert die gefühlte Temperatur darstellt, kann die Skala des Meßinstruments
in Temperatureinheiten aufgeteilt sein, so daß an mi dem Meßinstrument unmittelbar die Temperatur
abgelesen werden kann.
Wenn der Ausgang des Verstärkers 15 für andere Zwecke als eine Anzeige an dem Meßinstrument
verwendet werden soll, kann das für diesen anderen · > Zweck benötigte Signal an dem Meßinstrument
abgenommen werden, oder das Meßinstrument kann, außer für die Eichung, entfallen und das Signal kann
zwischen dem Ausgang 16 und Erde abgenommenX
werden. Die Widerstände 17 bis 19 sind Verstärkereingangswiderstände
mit verhältnismäßig hohen Wide?- standswerten, Der Wert des Widerstands 20 ist so
gewählt, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers sowohl für die direkten als auch die invertierenden
Eingangssignale gleich ist Obwohl bei täglicher Benutzung der Meßschaltung beispielsweise ein Meßinstrument
22 nicht erforderlich ist, ist es doch zur Eichung der Schaltung und zur Oberprüfung der
Eichung in regelmäßigen Abständen sehr vorteilhaft Ein zweckmäßiger Bezugswert für die Eichung ist ein
Ausgang von 0 Volt, an dem Operationsverstärker 15 für eine Spannung von 00C an dem Fühlwiderstand Rt.
Der Widerstand RA ist einstellbar, damit er zur Eichung
der Schaltung verwendet werden kann. Wenn die in F i g. 2 dargestellte Schaltung auf 0 Volt am Ausgang des
Operationsverstärkers bei einer gefühlten Temperatur von 00C geeicht ist dann führt ein Temperaturanstieg
über 00C zu einem positiven Verstärkerausgang und ein
Temperaturabfall unter 00C ergii/i einen negativen
Verstärkerausgang.
Die Gründe dafür, daß mit der in F i g. 2 dargestellten Meßschaltung die Fehler beseitigt sind, die aiif den
Widerstand der an den Temperatursensor angeschalteten Lesungen 12 bis 14 zurückzuführen sind, kann ohne
Schwierigkeit anhand der mathematischen Analyse der Schaltung erläutert werden. Bevor mit dieser Analyse
begonnen wird, sei darauf hingewiesen, daß der Widerstandswert der Reihenschaltung aus dem Widerstand
Ra, der Leitung 12, dem Sensor Ä7und der Leitung
13 im Vergleich zu den Widerstandswerten einer der Eingangswiderstände 17 bis 19 an dem Operationsverstärker
15 klein ist, und zwar so klein, daß der von der Serienschaltung aufgenommene Strom vernachlässigt
werden kann. Bei der Analyse soll daher der Strom /von der Stromquelle 11 der Strom sein, welcher durch jedes
Bauelement der Serienschaltungen fließt.
In der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform der
Erfindung weist die Serienschaltung aus dem Widerstand Ra, der Leitung 12 dem Sensor /?r und der Leitung
13 einen Widerstandswert auf, der etwas über 20 Ω liegt und die drei Widerstände 17 bis 19 an den Eingängen des
Operationsverstärkers haben Widerstandsvverte von 16 kn, 8 VD. bzw. 8 V.O.. Selbstverständlich sind auch die
Widerstandswprte der drei Leitungen 12 bis 14 jeweils gleich und sehr klein im Vergleich zu dem Widerstandswert
des Widerstands Ra oder des Sensors Rt-
Bei der Schaltungsanalyse der F i g. 2 werden bezüglich Erdpotential folgende Spannungen angenommen:
mit Vpist die Spannung an dem Anschlußpunkt D.
mit Va die Spannung an dem Anschluß A,
rr.it Vfdie Spannung an dem Schaltungspunkt E, und
mit Vo die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers
15 bezeichnet.
Die drei Spannungen Vd, Va und Vf werden als
Eingangsspannungen an den Operationsverstärker angelegt. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetz ergibt sich:
l„ = 1[R1 +R1 f 2R1.]: (I)
>, = /[Rr-t 2R,.|: (2)
V1, - 1R1.: (3)
aus der Openitior.sverstiirkertheorie er.mbt sii-h
_ Wert des Rückkopplungswiderstmids
Als t/v Wert des Eingangswiderstands
daraus folgt:
=
VARF _ V„Rf VERF
" R 2" R R
dies vereinfacht sich zu:
Vo = ,£ l2VA-V„-2Vt:]:
(4)
durch Rinsetzen von Gleichung (4) in die Gleichungen
(I) bis (3) ergibt sich:
Vn = ~ [2/(ΛΓ + 2Ät) - HRA + R1 >
2R1.) - 2IR1]
dies vereinfacht sich zu:
(5)
die Widerstandswerte Ri. der drei Leitungen zu dem
Temperatur-Fühlwiderstand Rt sind somit in der Gleichung (5) nicht mehr enthalten. Dies ist möglich,
wenn die drei Widerstände 17 bis 19 an den Eingängen des Operationsverstärkers 15 die Widerstandswerte
2 R, R bzw. R aufweisen. Mit anderen Worten, die Widerstände 18 und 19 haben denselben und der
Widerstand 17 den doppelten Widerstandswert. In der Praxis sind damit mit einer Schaltung der in F i g. 2
dargestellten Art die Fehler vermieden, die auf die Widerstände der drei Leitungen an dem Temperatursensor
zurückzuführen sind.
Bei der praktischen Anwendung der Temperaturmeßschaltung ist es vorteilhaft und zweckmäßig, daß der
Verstärkerausgang bei einer bestimmten, ausgewählten Bezugstemperatur auf null zurückgeht. Aus Gleichung
(5) ist zu ersehen, daß die Spannung Vo bei einer bestimmten Temperatur des Sensors durch Einstellen
des Widerstands Ra, bis dessen Widerstandswert gleich dem Widerstandswert des Sensors RT bei dieser
Temperatur ist, auf null gebracht werden kann. Für einen Verstärkerausgang null ist eine zweckmäßige
Bezugsspannung 0° C Wenn der Widerstand Ra einmal
richtig eingestellt ist, bleibt sein Widerstandswert eingestellt und wird nicht geändert, außer die Meßschaltung
wird wieder geeicht oder ein anderer Bezugswert eingestellt
In der Gleichung (5) sind die Größen /, Rf, Ra in Wirklichkeit Konstante, und für alle praktischen
Anwendungszwecke ändert sich der Widerstandswert des Temperatursensors RT linear mit der Temperatur.
Hierdurch ändert sich dann auch die von dem Operationsverstärker abgegebene Spannung linear mit
der Temperatur. Ein an den Verstärkerausgang angeschlossenes Meßinstrument 22 kann dann so
geeicht werden, daß die Temperatur und nicht Spannungen abgelesen werden. Wenn der Widerstand
Ra für einen Verstärkerausgang null auf 0°C eingestellt ist können an dem Meßinstrument bei Temperaturen
über 0°C positive Werte und bei Temperaturen unter 00C negative Werte abgelesen werden.
In F i g. 3 ist ein schematisches Schallbild einer einem
konstanten Strom liefernden Quelle 30, einer Temperaturmeßschaltung 31 und eines Temperatur-Fühlwiderstands
/?rdargestellt. Der Strom von der Quelle 30 fließt
über eine Leitung 32, einen veränderlichen Widerstand Ra und einen Temperatur-Fühlwiderstand Rt an Erde.
Wie dargestellt, weist der Temperatur-Fühlwiderstand drei Leitungen 33 bis 35 auf. Die Leitung 33 ist an eine
Seite des Temperatur-Fühlwiderstands Rt und die
Leitungen 34 und 35 sind an die andere Seite des Temperatur-Fühlwiderstands Rt angeschaltet. Die drei
Leitungen 33 bis 35 sind vollkommen identisch. Das heißt, die Leitungen sind aus demselben Material
hergestellt und haben denselben Querschnitt sowie dieselbe Länge. Ferner sind die drei Leitungen zu einer
Gruppe zusammengefaßt, wenn sie von dem Temperatur-Fühlwiderstand in dem Motor zu der außerhalb des
Motors angeordneten Temperaturmeßschaltung verlau
di? drei
**urh
Temperaturbedingungen ausgesetzt sind. Die Widerstandswerte der drei Leitungen sind somit hei allen
Temperaturen gleich.
Die Leitungen 33 bis 35 sind an die Anschlüsse A, C bzw. B der Temperaturmeßschaltung 31 angeschaltet.
Ein Widerstand 36 ist zwischen die Leitung 32 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 37
geschaliet. Ein Widerstand 38 ist zwischen den Anschluß C und Γ*;η invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers
37 geschaltet Ein weiterer Widerstand 39 ist zwischen den Anschluß A und den Gleichspannungseingang
des Operationsverstärkers 37 geschaltet, während der Widerstand 40 zwischen derp Gleichspannungseingang
des Operationsverstärkers 37 und Erde liegt. Ein Rückkopplungswiderstand 41 ist zwischen den Ausgang
und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 37 geschaltet Die Serienschaltung aus einem
Meßgerät 42 und einem Widerstand 43 ist zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 37 und Erde
geschaltet. Das Meßgerät 42 ist mit einer Temperaturskala versehen, und seine Skala reicht von 00C bis
200° C Die Anode einer Diode 44 ist an den invertierenden Eingang und deren Kathode an den
Ausgang des Operationsverstärkers 37 angeschaltet Die Diode 44 ist vorgesehen, um eine überhöhte
negative Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers zu unterbinden. Da der invertierende Eingang des
Operationsverstärkers immer sehr nahe bei Erdpotential liegt wird das Potential am Ausgang des
Operationsverstärkers daran gehindert, um mehr als den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Diode
(etwa ein halbes Volt) unter Erdpotential abzusinkf *
Da der Wert der Widerstände 36, 38 und 39 viel größer als der der Widerstände Ra und Rt ist, ist der
Strom in den Widerständen 36,38 und 39 verglichen mit dem Strom in den Widerständen Ra und Ar vernachlässigbar.
Das heißt im wesentlichen fließt der gesamte konstante Strom in der Leitung 32 über die Widerstände
Ra und Ärzur Erde ab. Wenn anfangs der Temperatur-Fühlwiderstand
Rt auf die Bezugstemperatur von 00C
eingestellt ist wird der veränderliche Widerstand Ra so eingestellt, daß eine Spannung null am Ausgang des
Operationsverstärkers 37 vorhanden ist Durch diese Einstellung ist der Widerstandswert des veränderlichen
Widerstands Ra dann gleich dem Widerstandswert des
Temperatur-Fühlwiderstands RT bei 00C (etwa 10Ω).
Der veränderliche Widerstand RA wird dann bei dieser
Einstellung belassen. Ein Temperaturanstieg an dem Fühlwiderstand Ar über 0°C hinaus hat zur Folge, daß
dessen Widerstandswert zunimmt und sich linear mit den Temperaturänderungen ändert. Eine Zunahme des
Widerstandswerts des Fühlwiderstands Rt über O0C
hinaus ergibt eine positive Anzeige an dem Meßgerät und eine Temperaturabnahme unter diesen Wert ergibt
eine negative Anzeige an dem Meßgerät. Die ablesbare Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers
and/ <"■<
sich linear mit den Temperaturänderungen an dem Fühlwiderstand Rr: das Meßinstrument 42 hat
daher eine Skala, die linear in Temperaturwerte unterteilt ist.
Wie oben bereits ausgeführt, ist mit diesen Anschlüssen am Eingang des Operationsverstärkers 37 und mit
Hilfe der entsprechenden Werte der Widerstände 36,38 und 39 die Wirkung des Spannungsabfalls an den
Leitungen 33 bis 35 des Fühlwiderstands beseitigt. Bei dieser Schaltungsanordnung bleibt sorrit der Einfluß der
Widerstandswerte der Leitungen am Ausgang des
\jy\.i ituuiiatvi um f\n 3 Ji »i/ni\*-Mtiiin-ii um *-* it njiini.
Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 37 ist proportional der Widerstandszunahme des
Fiihlwiderstands /?rüber den Wert der Bezugstemperatur
von 00C hinaus. Damit die Ausgangsspannung an dem Operationsverstärker 37 nur eine Funktion des
Wertes des Fühlwiderstands /?r ist, ist wichtig, daß der
Strom in dem Fühlwiderst:ind flrbei allen Temperaturer
konstant bleibt. Für den Ausgangsstrom der Quelle 30 muß daher eine sehr gute Stromregelung vorgesehen
Wie in I- i g. 3 dargestellt, ist bei der einen konstanten
Strom liefernden Quelle 30 die Stromregelung mit Hilfe des Emitter-Kollektorpfads eines Transistors 45 geschaffen,
der als Regelelement in der Leitung 32 in Reihe geschaltet ist. Ein Operationsverstärker 46 ist
zusammen mit dem Transistor 45 in einer negativen Rückkopplungsschleife vorgesehen, um den an die
Leitung 32 abgegebenen Strom auf einem konstanten Wert zu halten. Ferner stellt die Zenerdiode 47 ein
wichtiges F.lement bei der Regelung des Ausgangsstroms dar, da die Zenerdiode 47 eine feste Bezugsspannung
für den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 schafft. Die Zenerdiode 47 wurde nach
der geringen Abweichung ihrer Durchbruchsspannung bezüglich der Temperatur ausgewählt. Die Größe des
konstanten Stroms auf der Leitung 32 wird durch Einstellen des veränderlichen Widerstandes 48 ge-
lll/lltJ ULfI Vl Vl 1W ItUIIg
mittels des veränderlichen Widerstands 48 eingestellt
ist, bleibt der Strom aufgrund der vorbeschriebenen Rückkopplungsschleife auf diesem Wert konstant.
Wenn in F i g. 2 die Polarität der Quelle 11 umgekehrt
wird, d. h. der positive Pol der Quelle mit dem Anschluß B und der negative Pol mit dem Anschlußpunkt D
verbunden wird, wird auch der Ausgang des Operationsverstärkers 15 in seiner Polarität umgekehrt, aber sonst
nicht beeinflußt.
Hier/u I Blatt Zcidinurmcn
Claims (6)
1. eine Seite eines ersten Widerstands (Ra) mit dem ersten Anschluß (A) und dessen andere
Seite mit einem Schaltungspunkt (D) verbunden ι s ist;
Z die Pole einer einen konstanten Gleichstrom liefernden Quelle (11; 30) mit dem Schaltungspunkt (D) und dem zweiten Anschluß (B)
verbunden ist;
3. ein 'Sammierverstärker (15; 37) mit einem
Gleichspannungseingang (+) und einem invertierenden Eingang (—) vorgesehen ist;
4. ein zweiter Widerstand (17; 36) zwischen den Schaltungspunkt (D) und den invertierenden
Eingang des Summierverstärkers (15; 37) geschaltet ist;
5. ein Eingangswiderstand (18; 38) zwischen den dritten Anschluß (C) und den invertierenden
Eingang des Summierverstärkers (15; 37) und jo ein zweiter Eingangswiderstand (19; 39) zwischen ilen ersten Anschluß (A) und den
Gleichspannung?, eingang des Summierverstärkers (15; 37) geschaltet sind, wobei der zweite
Widerstand (17; 36) und > "e beiden Eingangs- 1-5
widerstände (18,19; 38,39) im Vergleich zu dem
Widerstandswert des ersten Widerstands (Ra) und dem Temperatur-Fühlwiderstand (Rt) hohe
Widerstandswerte aufweisen, die Widerstandswerte der beiden Eingangswiderstände (18,19; 4»
38, 39) gleich sind, und der zweite Widerstand (17; 36) den zweifachen Widerstandswert eines
der beiden Eingangswiderstände (18,19; 38,3d) aufweist; und
6. eine Einrichtung (22; 42) zur.1. Messen des <r>
Ausgangs des Summierverstärkers (15; 37) vorgesehen ist, wobei der Meßwert die an dem
Temperatur-Fühl widerstand (Rt) gefühlte Temperatur darstellt.
2. Temperaturmeßschaltung nach Anspruch 1, w dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand
(Ra)c\ti einstellbarer Widerstand ist.
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