ich habe kürzlich ein bisschen mit 40kHz-Kapseln herumgebastelt, Entfernungsmessung nach dem Reflektionsprinzip. Damit komme ich aber kaum über 20 Meter. Beim Stöbern im Internet fand ich dann auch wahre Horrorkurven über die Ausbreitungsdämpfung von Ultraschall. Interessant war dabei, dass die Dämpfung bei 20 kHz schon ganz erheblich geringer ist als bei 40kHz. Leider habe ich bisher noch keine Ultraschallkapseln um 20kHz gefunden. Hat denn mal jemand Versuche in diesem Frequenzbereich angestellt? - Lässt sich vielleicht mit Piezo-Hochtönern was anfangen? Und wie sieht es denn so um z.B. 1kHz aus - die Ausbreitungsdämpfung bei dieser Frequenz ist ja fantastisch gering im Vergleich zu 40 kHz... Hat da schon mal jemand Versuche angestellt?
Aber ja, geht prima. Man kann damit auch eine wesentlich größere Sendeleistung realisieren, als Empfänger eignen sich Elektretmikros.
Kommerzielle Füllstandssensoren für Silos arbeiten z.T. bei solchen Frequenzen. Hat den Vorteil, dass über dem Füllgut auch eine hohe Staubkonzentration sein kann.
Es geht nicht nur um Frequenz, und um die Leistung, sondern auch um die Form des Ultraschallfeldes, das von dem Wandler emittiert und empfangen wird (Richtcharakteristik). Wahre Wunder lassen sich auch mit entsprechenden Empfängern erreichen.
Es ist sogar vorteilhafter mit weit höheren Frequenzen zu arbeiten, da damit bessere Richtcharakteristiken und kürzere Impulse zu erreichen sind (und somit bessere Genauigkeiten).
Sogar mit Frequenzen im Bereich 100 und mehr KHz lassen sich deutlich größere Entfernungen messen, als 20m. Es ist dann aber nicht mehr ls Hobbybeschäftigung zu bewältigen. Man muß schon etwas Kenntnisse erwerben, und ziemlich viel Arbeit hineinstecken, um ein wirklich gutes Gerät zu machen.
-- Wieslaw Bicz
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Hast Du die Aussteuerung der Kapseln denn ausgereizt? Die meisten Bastelapplikationen betreiben die ja bestenfalls aus ner 9V Batterie. In besseren Geräten steckt eine Spannungserzeugung, die kurze Pulse im Bereich 50-60 Volt erzeugt.
Von diesem Mega US Hersteller, ProWave, glaube ich, gibt es auch Kapseln mit anderen Frequenzen, die sind nichtmal teuer.
Da siehst Du was kommerziell angeboten wird. Wie auch bei anderen Anbietern sind die zu erreichenden Abstände im Medium Luft und Erfassungs-Öffnungswinkeln von. ca. 10-15 Grad und Auflösungen von 0.3mm bei extrem kurzen Abständen ( hohe Arbeitsfrequenzen )bzw. ca.> 3mm bei grossen Nutzabständen ( = tiefen Arbeitsfrequenzen ) wie folgt:
Arbeitsfrequenz erreichbarer max. Messabstand für kleine schlecht reflektierende Ziele
60 khz ca. 8-10m
80 khz ca. 5-6m
120 khz ca. 3m
200 khz ca. 1-2m
300 khz ca. 0.3-0.5m
500 khz ca. 0.1-0.3m
800 khz ca. 0.05-0.15m
alles ungefähre Werte. Die Art der Erregungsschaltung bzw. der Höhe der Sendeimpulse aber auch der Aufbau der Empfängerschaltung, die Wandlerkonstruktion beeinflussen naturgemäss die maximal erreichbare Nutzdistanz bei Monowandlersystemen ebenfalls stark. Obige Werte sind in der Industrie der Standard. Die Physik lässt sich leider nicht überlisten. Zudem sollen die Geräte EMV fest sein usw. Die Abstrahlcharakterisik ist bei der Erfassung von kleinen Zielen besonders zu beachten. Man will ja ein bestimmtes Ziel erfassen und nicht auch noch danebenstehende. Bei kleinen Öffnungswinkel steigt zwar die erreichbare Nutzdistanz an, bei Monowandlersystemen aber leider auch die Anzahl der Nebenkeulen, damit ist eine zuverlässige Abtastung von Zielen nicht mehr möglich. Bei 200 khz zum Beispiel sind allerhöchstens ca. 3m drin. Das Empfangssignal nimmt mehr als quadratisch ab !! 20 m ist eine Illusion. Im Medium Wasser sieht das anders aus. Hier ist die Streckendämpfung wesentlich kleiner.
Meine Angaben beruhen auf der praktischen Erfahrung, die wir mit Ultraschall in der Luft gesammelt haben. Die Schweizer Firma, die Du als Beispiel anführst bietet Sachen an, die in der Industrie eingesetzt werden, wo es meistens nicht um Spitzenwerte geht, sondern um Sicherheit der Funktion. Wir haben uns darauf spezialisiert, Sachen zu machen, die eher ins Extreme gehen. Dafür gibt es natürlich auch Bedarf.
Wenn man mit 100KHz, sowie einem großen Sender (wahrscheinlich mehr als 20cm Apertur sind notwendig, und mit gut korrigierter Richtcharakteristik), sowie ziemlich großer Spannung an dem Wandler arbeitet (500W im Impuls sind schon nötig), und beim Empfang z.B. lock-in Verfahren einsetzt (eventuell auch sehr gute Filter) sowie empfindliche Mikrofone mit Reflektoren oder Tuben, kann man mit Sicherheit Reflexionen aus größeren Entfernungen, als 20m von relativ kleinen Gegeneständen messen, und zwar ohne nennenswerte Probleme mit dem Empfang. Die Dämpfung bei dieser Frequenz in der Luft ist nicht so groß, aber die sonstigen Verluste schon.
Wir haben zwar die Geräte, die wir im Bereich Luftultraschall gemacht haben (schau Dir vielleicht unsere Seite an:
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nicht für die Entfernungsmessung genutzt, sondern für andere Zwecke (Messung der Fehler im Holz, Überprüfung der Kompositmaterialien, usw.), mit der Messung der Reflexe aus größeren Entfernungen haben wir nur gespielt. Ich kann das genauer rechnen, wenn es jemanden interessiert. Die praktische Erfahrung, die ich gesammelt habe, und die Kenntnisse, die ich besitze sagen mir jedoch, daß die industrielle Praxis weit von den Grenzen entfernt ist. Das ist auch gut begründet, da der klassische Bedarf zum Erreichen von Grenzen nicht zwingt.
Wenn jemand nach dem Sinn solcher Übungen fragt, kann ich leicht eine Antwort geben: es könnte sich lohnen, Ultraschallgeräte für die präzise Entfernungsmessung in der Luft zu nutzen. Die erreichbare Präzision ist gewaltig (da die Phasenmessung mit sehr großer Genauigkeit gemacht werden kann) - bei
200kHz kann man zum Beispiel relativ leicht eine Auflösung von 1 Mikrometer erreichen (das haben wir bei unseren Geräten für die Vibrationsmessung mit Ultraschall erreicht). Die Preise aber können deutlich niedriger als bei optischen Geräten sein. Auch die Größe und die Handhabbarkeit der Geräte kann viel besser sein, wie auch ihre Robustheit. Ultraschallgeräte können natürlich u.U. problematischer werden, da sie zum Beispiel durch Luftbewegungen gestört werden können (das ist auch einer der Gründe, warum sie in dem industriellen Bereich weit von den Grenzen entfernt eingesetzt werden). Ich kann mir durchaus vorstellen, daß man solche: präzise, preiswerte, handliche und ultraschallbetriebene Entfernungsmesser benutzen könnte. Ob der Markt dafür groß genug sein kann, um ihre Entwicklung zu begründen, ist natürlich eine andere Frage.
Wieslaw Bicz
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Dabei hast Du das Medium Luft noch nicht betrachtet: Wie verhält sich so ein System bei strömender Luft? Etwa infolge Wind oder auch Wirbel durch thermische Effekte bei Sonneneinstrahlung? Ich habe die Erfahrung gemacht, dass das Empfangssignal dadurch erheblich "verschmiert" bzw. sehr schnell nicht mehr kohärent ist, wodurch schmalbandige Empfänger oder Lock-In-Verfahren sinnlos werden. Wenn der Reflektor nicht eben ist, wird das Problem noch weiter verschärft.
... in ruhender Luft mit konstantem Temperaturgradienten, bekannter Gasgemischzusammensetzung und Luftfeuchtigkeit, exakt bekannter Temperatur sowie flachem und korrekt ausgerichtetem Reflektor.
Das ist richtig. Luftströmungen usw. sind ein Problem. Darüber habe ich auch gesprochen. Aber lviel äßt sich auch mit einigen Tricks bewältigen.
Das ist auch richtig, aber auch hier läßt sich einiges mit Tricks (genauer gesagt mit holographischer Auswertung) verbessern. Ich habe den Eindruck, daß sehr viel erreichbar wäre, wenn man sich bemühen würde. Solche Bemühungen kosten jedoch Geld und sind sinnvoll, wenn eine interessante Anwendung in Frage kommt.
Ich habe den Eindruck, daß die Möglichkeiten der Messungen mit Luftultraschall sehr weit von den erreichbaren Grenzen sind. ich selbst habe nur einige Sachen gemacht und hoffe auf interessante Projekte in der nahen Zukunft, die mich wahrscheinlich weiter bringen (zwie davon sind schon fast sicher). Dann kan ich auch mehr sagen.
Wieslaw Bicz
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Als Ergänzung meinem früheren Beitrag wäre noch folgendes zu sagen:
Die Physik gilt auch im Bastelbereich, gewisse Dinge sind auch da unabänderlich. Bei Ultraschallabstandssensoren wird eine möglichst hohe Arbeitsfrequenz auch deshalb gewählt um unerwünschte Fremdschallquellen beim Empfang der Echos zu eliminieren. Fremdschall wie er in der Industrie vorkommt und auch sehr leicht selbst produziert werden kann zb. durch Schütteln eine Schlüsselbundes, ist oberhalb 100 khz kaum mehr vorhanden . Heutige Ultraschallabstandssensoren arbeiten meistens mit nur einem Wandler. Er wird zum Senden und Empfangen eingesetzt. Bei allen Systemen ist der Wandler das Hauptproblem bei der Entwicklung. Viele Hersteller arbeiten mit proprietären Wandlern ( zb Composit-Piezo-Wandlern ) Dabei gilt, dass bei einer gegebenen Arbeitsfrequenz mit der Vergrösserung des Wandlerdurchmessers ( Apertur ) und anderen konstruktiven Massnahmen die Richtcharakterisik so verändert werden kann, das eine sehr schmale keulenförmige Abtastzone entsteht. Wenn dies übertrieben wird entstehen aber zusätzliche Nebenkeulen welche eine sichere definierte Abtastung von Objekten verunmöglichen. Optimal sind Öffnungswinkel von 8-15 Grad. Dies schliesst eine Konstruktion eines Luftwandlers in Compositbauweise bei einem Durchmesser von 200mm und 100 khz Arbeitsfrequenz aus. Bei sehr schmalen Abtastzonen hat man zudem das Problem , dass der zulässige Einstrahlwinkel auf die Oberfläche des abzutastenden Objektes ebenfalls sehr klein ist. Damit können kleine oder sehr glatte Objekte nicht mehr sicher abgetastet werden.
Andere Fremdeinflüsse sind u.a. die Umgebungstemperatur, dh. die Inhomogenität des Übertragungspfades. Tatsächlich sind Zonen von warmer Luft, thermische Blasen, Schlieren etc. ein grosses Problem. Wind mit derselben Temperatur in Quer-als auch in Längsrichtung ergibt nur geringe Messfehler. Mit höherer Arbeitsfrequenz werden obige Probleme erheblich entschärft.
Die Auflösung ist bei Systemen mit time of flight Messprinzip umgekehrt proportional zur Arbeitsfrequenz.
Der Nachteil einer hohen Arbeitsfrequenz liegt vor allem darin, dass mit höherer Frequenz die Dämpfung im Medium Luft massiv zunimmt. Im Sinne einer hohen Erfassungssicherheit bedeutet das, dass mit höheren Sendeleistungen ( Impulse von 300 Voltpp sind durchaus Praxis ) und hohen Empfängerverstärkungen gerechnet werden muss. Damit aber nehmen Probleme mit der EMV zu. Mit schaltungstechnischen Massnahmen ( auch mit PLL's etc. lässt sich hier etwas machen. Schmalbandige Empfänger eignen sich nicht sehr gut. Auch hier müssen Kompromisse eingegangen werden.
Die Codierung der Sendeimpulse ist nur begrenzt möglich weil die Sensoren auch noch eine brauchbare Erfassungsgeschwindigkeit haben sollten. Bereits die Schallgeschwindigkeit in Luft von 341m/s @ 20° setzt hier natürliche Schranken. Durch die Codierung würden die Systeme langsam.
Der Einsatz von phasenmessenden Systemen ist ebenfalls mit hohem Aufwand verbunden, dazu kommen die Einschränkungen , vorab bei langen Messtrecken, mit den Variationen durch Temperaturschwankungen, Feuchte etc.
Es hat bereits vor mehr als 30 Jahren Firmen gegeben welche Abstandssensoren auf den Markt gebracht welche Arbeitsfrequenzen um die
20 khz hatten. Beim rauen Einsatz in der Industrie konnten sie sich jedoch nicht durchsetzen. Allerdings können 20khz Geräte durchaus in geschlossenen Anlagen , zb. Tanks, Silos etc. eingesetzt werden. Derartige Sensoren findet man zuhauf auf dem Markt.
Systeme mit nur einem Wandler haben systembedingt eine sog. blinde Zone direkt vor dem Sensor. Sie rührt daher, dass nach dem Senden zuerst das totale Auschwingen des Wandlers abgewartet werden muss bis auf Empfang geschaltet werden kann. Durch den Einsatz von getrennten Sende-und Empfangswandlern lässt sich dies umgehen. Nachteil: Es entsteht eine Parallaxe welche gerade bei Sensoren mit kurzem Arbeitsbereich unerwünscht ist. Zudem kommen höhere Kosten ( ein Wandler mehr, Frequenzabgleich, Selektion etc. )
Weitere Einschränkungen gibt es in Hülle und Fülle. Es ist deshalb klar wieso die Industrie keine Universalsensoren anbieten kann. Auch wenn Bastler meinen sie hätten das Ei des Kolumbus erfunden, kommen sie spätesten bei der Realisation ihrer Idee zu anderen Ansichten. Es gibt gelegentlich Ausnahmen, aber sehr sehr selten.
Deine Anmerkungen finde ich sehr interessant. Du erklärst allerdings nur sehr vage, welche Fortschritte Du im Ultraschallbereich kommen siehst:
Sprichst Du von adaptiven Systemen (DSP?), die in Echtzeit in der Lage wären, die Umgebungseinflüsse herauszurechnen?
[Signalverfälschungen durch die Übertragungsstrecke]
Stichwort "Kohärenz des Empfangssignals herstellen durch Laufzeit- anpassungen der Empfänger untereinander"? Oder eher Umschaltung auf das jeweils stärkste (oder deutlichste) Signal?
["geht nicht"]
Eine interessante und witzige Beobachtung - klingt aber sehr plausibel. :-))
Nicht unbedingt, aber ein bißchen doch. Die Signale werden in folgender Weise verändert:
Durch Luftströmungen und Schichten mit veränderten Eigenschaften mitgetragen oder gebeugt. Sie lassen sich also "daneben" finden.
Durch die Übertragungsstrecke in der Form verändert (gedämpft, und zwar frequenzabhängig, Dispersion kann eventuell auch auftreten, aber eher durch Streuung).
Gestreut.
Alle oben genannten Einflüsse können dazu noch "flickern" der Signale verursachen, falls sie nicht stabil sind, sondern sich verändern.
Wenn man mehrere Empfangswandler nutzt (eine Matrix), können die "verschobenen" Signale entdeckt werden. Durch die Analyse der Form (komplette Signalerfassung) lassen sich andere Einflüsse auch berücksichtigen. Am schwierigsten wird es sein, die Einflüsse der unterschiedlichen Temperaturen oder Änderungen der Zusammensetzung der Luft auf der Übertragungsstrecke auszugleichen. Das kann auch gelingen, aber dafür wäre eine Kombination mit anderen Methoden nötig.
Empfängern) teilweise
der Empfänger
Es ist nicht besonders sinnvoll über die Herstellung der Koherenz zu sprechen. Sie kann bei einer Ultraschallwelle nie verloren gehen. Es geht mir um etwas, was ich als holographische Methode bezeichne: falls man über mehrere Sender oder Empfänger verfügt, die eine definierte Wellenfron emittieren (und empfangen) kann man die Deformation der Welle messen, die durch die Gegenstände, die sie reflektieren, oder auch durch die Übertragungsstrecke entsteht (und dadruch Aussagen über die Übertragungsstrecke oder die gegenstände machen). Das ist etwas, was heute in der Akustik kaum genutzt wird, da man praktisch überall nur sogenannte geometrische Annäherung berücksichtigt, eventuell noch einige Korrekturen macht, die die Phasen berücksichtigen (aber eher selten). Da ich mich seit Jahren mit der akustischen Holographie beschäftige und mit Sicherheit die einzige funktionierende holographische Kamera geschaffen habe, die nur Schallwellen nutzt und maximal mögliche Auflösung erreichen kann, da sie mit perfekt gestalteten Wellen arbeitet, kann ich einiges darüber sagen.
Ich bin der Meinung, daß in der Ultraschallakustik folgende große Veränderungen zu erwarten sind:
Vermehrte Nutzung der holographischen und tomographischen Methoden (u.A. in der Ultrasonographie). Beide kommen hier zwangsläufig zusammen, da die Beugung und Streuueng sich praktisch nie vernachlässigen läßt.
Deutliche Verbesserungen der Konstruktion der Wandler. Ich erwarte hier besonders in dem Bereich der Luftultraschallwandler sehr große Fortschritte (und versuche auch nach Möglichkeiten mitzumachen).
Eine sehr deutliche Verbilligung der notwendigen Elektronik. Die könnte schon längst stattfinden, da dafür eigentlich nur Geld nötig wäre. Die Voraussetzung wäre aber, daß die Geldbesitzer die potenziell schon heute existierenden Märkte entdecken und sich entscheiden, in die möglichen Produkte zu investieren. Das ist eigentlich nur die Frage der Zeit.
Aus meiner Sicht ist die heutige medizinische Ultrasonographie in einem sehr primitivem Stadium, gewaltige Verbesserungen sind erreichbar - und heute schon sichtbar. Das betrifft noch viel mehr die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall. Die aktuell eingesetzten Geräte sind aus der Sicht des heute schon Möglichen erschreckend primitiv. Diese Situation ist haupsächlich durch Monopolisierung der Industrie und der Forschung in diesen Bereichen entstanden. Es herrscht auch eine "traditionsbedingte Trägheit" bei den industriellen Verbrauchern (ich kenne diese Leute gut, aber staune immer wieder). Es ist aber auch nur eine Frage der Zeit, wann es nicht mehr so gehen wird.
Was die Möglichkeiten des Luftultraschalls betrifft, bleibe ich bei der Meinung, daß die Entfernungsmessung bei weitem nicht ausgereizt ist, aber auch die Messung der Luftströmungen, Temperatur, Eigenschaften der Gase, der Geometrie der Gegenstände, Detektion von Eindriglingen, usw. Es lassen sich auch noch viele Fortschritte im Bereich der Messung der internen Struktur der Gegenstände mit Luftultraschall erreichen.
und die Neuen nicht
dann einiges (...)
Das ist keine neue Beobachtung. Ich bin noch nicht sehr alt, habe es aber trotzdem oft erlebt, noch mehr Beispiele kann man in der Literatur finden: Ein Fachman ist einer, der weiß, wie es geht, aber vor allem, was nicht geht. Fachleute können durchaus Neuerungen vorschlagen, wirklich revolutionäre Neuerungen werden aber nur selten von Fachleuten gemacht. Es läßt sich auch leicht erklären: Um ein guter Fachmann zu sein, muß man bestimmte Bereiche beherrschen - Zusammenhänge kennen, Abläufe auswendig lernen usw. Das zwingt fast zu einer gewissen mentalen Trägheit. Um etwas wirklich Neues vorzuschlagen muß man möglichst viel in Frage stellen und mit eventuell sogar "verrückten" Möglichkeiten spielen können. Das ist nur dann möglich, wenn man eine mentale Trägheit möglichst nicht aufweist. Außerdem muß man natürlich auch daran glauben, daß das Neue wirklich funktioniert. Die Anfänge sind nämlich meistens nicht sehr ermutigend und werden auch oft genug von Fachleuten ausgelacht (sie wußten doch schon lange, daß es nicht geht). Wer es nicht selbst erlebt hat, kann sich in die Geschichte der Technik vertiefen. Dort lassen sich sehr viele gute Beispiele dieser Zusammenhänge finden.
[Zu meiner Zitierweise: Zitate aus vorhergehenden Postings sind zeilen- weise durch vorangestellte Größer-Zeichen kenntlich gemacht, Zitate aus älteren Postings haben 2 oder mehr hintereinander gestellte Größer- Zeichen; kumulativ.]
Eine solche Methode erfordert sicher einen signalverarbeitenden Prozessor, der mit adaptiven Algorithmen arbeiten muss, da sich die Ausbreitungseigenschaften ständig ändern (können).
Dabei handelt es sich offensichtlich nur um Auslöschungen infolge Mehrfachreflektionen (Mehrwegeausbreitung).
Was ich in Deiner Aufzählung vermisse, sind die nicht quasistationären Einflüsse, die zu einer Phasenänderung, Phasenmodulation und zeitweisen Frequenzverschiebungen führen.
Weiterhin wurden bisher nur ruhende Systeme betrachtet. Ein bewegtes Objekt (oder ein sich drehendes Opbjekt) wird aber ein reflektiertes Signal durch den Dopplereffekt verändern und es ist mit Mehrfach- reflektionen zu rechnen.
Sie werden aber stets von Leuten gemacht, die einmal Fachleute *sein* werden. Was ich damit sagen will, ist: Nicht jeder, der *kein* Fachmann ist, wäre prädistiniert für die Entdeckung "revolutionärer Neuerungen".
Wenn ein Nichtfachmann einmal eine solche Entdeckung macht, so ist sie ihm zu gönnen. Aber wie schon Fred Heim so treffend in schrieb: "Auch wenn Bastler meinen sie hätten das Ei des Kolumbus erfunden, kommen sie spätesten bei der Realisation ihrer Idee zu anderen Ansichten. Es gibt gelegentlich Ausnahmen, aber sehr sehr selten."
Hallo Thomas, sicher kannst Du auch mit einem PC-Lautsprecher und Mikrophon gute Ergebnisse bei einer Ultraschall-Messung erhalten. Wichtig ist, dass Du das Signal korrelierst und nicht einen Impuls aussendest. Man kann zB. einen Chirp (FM von niedriger Frequenz bis hoher Frequenz) aussenden und danach das Signal empfangen und korrelieren. (Die Fledermäuse erzeugen einen in der Korrelations beachenswerten Chirp.) Ich habe ein Beispiel in LabVIEW geschrieben, das auf jeden WIN
98/2000 Rechner mit Soundkarte funktioniert. Es wird ein Chirp ausgegeben und das Signal im Mirophon emfangen. Je weiter man mit dem Mikrophon weggeht, desto später die Korrelation. Übrigens mit Entfernungen von 20 m habe ich noch nicht experimentiert. Bei dem Programm tritt noch ein Problem auf: Ca. jede 2. Messung funktioniert nicht, da vermutlich der Task-Manager von Windows dazwischen eine Zeitscheibe einfügt. Eine Verbesserung kann man erreichen, falls man im Task-Manager bei "Prozesse" eine höhere Priorität vergibt (rechte Maustaste). Dieses Programm kann man von meine Homepage laden. Falls man kein LabVIEW hat ist der EXE-File zu laden. Man kann dann das Programm als EXE natürlich nicht mehr ändern. Mit LabVIEW ist der Source-Code besser. Als Chirp ist ein Fledermauston eingesetzt, der auf tiefere Frequenz umgesetzt ist.
Interessant! Auch Deine anderen LabView-Projekte. - Schade, dass ich kein LabView habe und mit dem downloadbaren "Sourcecode" (der aber anscheinend irgend ein LabView-spezifischer Binärcode ist) nichts anfangen kann.
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