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Messfehler

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Ungewöhnliche und unerwartete Messfehler beim Messen elektrischer Größen

Ungewöhnliche und unerwartete Messfehler beim Messen elektrischer Größen

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  • 1. Wer viel misst, misst Mist? Ungewöhnliche und unerwartete Messfehler Stefan Fassbinder Deutsches Kupferinstitut Am Bonneshof 5 D-40474 Düsseldorf Tel.: +49 211 4796-323 Fax: +49 211 4796-310 sfassbinder@kupferinstitut.de stf@eurocopper.org www.kupferinstitut.de
  • 2. Das Deutsche Kupferinstitut, die Auskunfts- und Beratungsstelle für die Anwendung von Kupfer und dessen Legierungen, informiert und berät:  Handel  Handwerk  Industrie  Forschung  Hochschulen  Künstler  Studenten  Privatpersonen Mittels  Post  Telefon  Telefax  E-Mail  Web-Seite  Online-Datenbank  oder persönlich
  • 3. Dreheisen-Messwerk: Echt-Effektivwert-Anzeige Drehspul-Messwerk: Mittelwert-Anzeige, unter Verwendung einer Gleichrichterbrücke Betragsmittelwert Analoge Mess-Systeme: Unbedeutender Preis-Unterschied zwischen Mittelwert- und Echt-Effektivwert-Anzeige, aber nicht mehr gebräuchlich Digitale Mess-Systeme: Echt-Effektivwert-Anzeige erheblich teurer! 1. Echt effektiv oder frisierter Mittelwert? Der Effektivwert eines Wechsel- oder Mischstroms ist der Wert, den ein glatter Gleichstrom haben müsste, um die gleiche thermische Wirkung zu erzielen
  • 4. 1. Böse Falle: Strom ungleich Strom î = 1A, R = 1, ûR = R*î = 1V  UR = 1V,  I = 1A pR = uR*i = uR²/R = 1W, WR = 20ms*1W = 20mJ pR = uR*i = uR²/R = 1W, WR = 20ms*1W = 20mJ -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  p -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  p î = 2A, R = 1, ûR = R*î = 2V  UR = 1,414V,  I = 1,414A 1A 1Ω 1V I U -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  i -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  i q = 2*10ms*1A = 20mAs je Periode q = 2*5ms*2A = 20mAs je Periode pR = uR*i = ûR²/R = 4W WR = 2*5ms*4W = 40mJ ī = 1A (6,25*1018 Elektronen/Sekunde) ī = 1A (6,25*1018 Elektronen/Sekunde) PMittel = 2W P = 1W 0A 1Ω 0V I U 2A 1Ω 2V I U
  • 5. 0A 0V 2A 2V 1. Böse Falle: Strom ungleich Strom î = 1A, UBatt = 1V,  I = 1A -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  p -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  p î = 2A ī = 1A uBatt = const = 1V P = uBatt * ī = 1W -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  i -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  i q = 2*10ms*1A = 20mAs je Periode pBatt = UBatt*i = 1W, WBatt = 20ms*1W = 20mJ q = 2*5ms*2A = 20mAs je Periode pBatt = UBatt*i = 2W WBatt = 2*5ms*2W = 20mJ ī = 1A (6,25*1018 Elektronen/Sekunde) ī = 1A (6,25*1018 Elektronen/Sekunde) P = 1W PMittel = 1W 1A 1V I U I U
  • 6. 0V 50V 100V 150V 200V 250V 300V 350V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  u 0A 1A 2A 3A i 0V 50V 100V 150V 200V 250V 300V 350V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  u 0A 1A 2A 3A i 0V 50V 100V 150V 200V 250V 300V 350V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  u 0A 1A 2A 3A i gleichgerichtete Netzspannung Kondensator- spannung gleichgerichteter Netzstrom Netzspannung: 230 V Netzfrequenz: 50 Hz Netz-Reaktanz: 500 mΩ Netz-Längsinduktivität: 904 µH Netz-Impedanz : 575 mΩ Strom-Betragsmittelwert: 180 mA Glättungskapazität: 220 µF Das Ende der Sinusströme
  • 7. Oder zumindest nicht die ganze Wahrheit Alles Lüge!
  • 8. Messung desselben Stroms mit einem »Effektivwert-Messgerät« und einem Echt-Effektivwert-Messgerät:
  • 9. Was ist eigentlich THD? Zum Beispiel eines Dreieckstroms von 1 A und Tast-Verhältnis 1/7: THDr (root mean square) = 863mA/1000mA (Klirrfaktor) = 86 % THDf (fundamental) = 863mA/502mA = 172 % -6A -5A -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 5A 6A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  i  Quadratwerte  Ohne Grundschwingung: 502 mA 251986 mA² Grundschwingung 3. Harmonische: -479 mA 229000 mA² 229000 mA² 5. Harmonische: 434 mA 188595 mA² 188595 mA² 7. Harmonische: -374 mA 139903 mA² 139903 mA² 9. Harmonische: 304 mA 92527 mA² 92527 mA² 11. Harmonische: -232 mA 53671 mA² 53671 mA² 13. Harmonische: 163 mA 26600 mA² 26600 mA² 15. Harmonische: -104 mA 10780 mA² 10780 mA² 17. Harmonische: 57 mA 3299 mA² 3299 mA² Summe der Quadrate: 996362 mA² 744377 mA² Wurzel hieraus:  998 mA (eff.) 863 mA
  • 10. 2. Messfehler der Strom-Ober- schwingungen auf Grund von Spannungs-Oberschwingungen Z. B. beim Betrieb von 1000 Kompakt- Leuchtstoff- lampen zu je 11 W (15 VA) an einem 15- kVA Trans- formator
  • 11. Unterschiedliche Auswirkungen einer Gleichrichterlast auf Strang- und Leiterspannung
  • 12. Messungen an einer Quecksilberdampflampe
  • 13. Versuch der gegenseitigen Kompensation der dritten Oberschwingung zwischen Außenleiter und Neutralleiter gegen diejenige zwischen zwei Außenleitern
  • 14. Dies trifft nur zu, solange die Außen- leiter an- nähernd gleich- mäßig belastet sind Warum überwiegt im Strom immer die 3., in der Spannung aber die 5. Oberschwingung?
  • 15. Z. B. durch Einsatz des falschen Trans- formators 3. Selbst verschuldete zusätz- liche Spannungs-Ober- schwingungen im Messkreis
  • 16. 3. Selbst verschuldete zusätz- liche Spannungs-Ober- schwingungen im Messkreis Ohne Einfluss des Trans- formators Mit Einfluss des Trans- formators
  • 17. 4. Kompatibilität von Messgeräten und Zubehör Wenn eine Glühbirne induktiv wird, ist Skepsis angebracht
  • 18. Nützliches Messgeräte-Zubehör, aber… 4. Kompatibilität von Messgeräten und Zubehör
  • 19. 5. Parallele Leiter Was die Hogeschool West-Vlaanderen, Kortrijk, herausfand… Leiter L1 L2 L3 Leiter 1 330 A 206 A 72 A Leiter 2 145 A 147 A 141 A Leiter 3 109 A 166 A 136 A Leiter 4 109 A 173 A 236 A Leiter 5 153 A 128 A 135 A Leiter 6 104 A 119 A 33 A Leiter 7 115 A 205 A 289 A Leiter 8 181 A 307 A 170 A Summe 1246 A 1451 A 1212 A *>47,7°C *<27,3°C 28,0 30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 42,0 44,0 46,0 *>47,7°C 30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 42,0 44,0 46,0
  • 20. 5. Parallele Leiter …was ein einfacher Versuch zeigte… ohne mit Kabelkanal um Leiter 1 Leiter 1: 249,1 A 242,6 A Leiter 2: 240,2 A 240,4 A Leiter 3: 247,0 A 246,2 A
  • 21. 5. Parallele Leiter • Fertigungs-Toleranzen • Unterschiedliche Leitungslängen auf Grund unterschiedlicher Biegeradien • Unterschiedliche Erwärmung …und wie eine Fachzeitschrift den Unterschied erklärte:
  • 22. 6. Fußangeln beim Erden und beim Erdungs-Widerstand 6.1 Die Hilfserder zum Messen des Erdungs-Widerstands haben selbst einen erheblich höheren Erdungs-Widerstand als das zu messende Objekt! 6.2 Fremdspannungen können sich durch galvanische Wirkungen oder Betriebsströme im Erdungssystem bilden und die Funktion stören. 6.3 Die Strombelastbarkeit ist wichtig, wird aber von üblichen Messmethoden nicht erfasst. 6.4 Z enthält R und X Eine Blitzstoßspannung zählt mit Steilheiten um 100 kV/µs als hoch- frequenter Vorgang, der von Reaktanzen entsprechend beeinflusst wird. 6.5 Unlinearitäten Andererseits erhöht der Einschlag die Leitfähigkeit des Erdreichs. 6.6 Geerdet oder nur verbunden? Den Widerstand des PA mit dem Erdungs-Widerstand verwechselt.
  • 23. 6.1. Die Hilfserder beim Messen haben einen erheblich höheren Erdungs- Widerstand als das zu messende Objekt! Hilfserder 2, z. B. RE2 = 93 Messobjekt, z. B. RE0 = 2 Hilfserder 1, z. B. RE1 = 87
  • 24. 6.2 Fremdspannungen Wenn so viel Strom auf Grund falscher Netzform schon im Erdungs- system fließt, gibt’s Störungen in der EDV
  • 25. 6.3 Die Strom-Belastbarkeit ist mindestens so wichtig wie der Erdungs-Widerstand! Also keine Messmittel mit Prüfströmen im Milliampere-Bereich verwenden! Manche Sachverständige empfehlen gleich den Einsatz eines Schweißtrafos!
  • 26. 6.4 Das Erdungssystem hat mehrere Aufgaben: Große netzfrequente Fehlerströme ableiten Kleine hochfrequente Leckströme ableiten Große »hochfrequente« Blitzströme ableiten  22 2 fLRZ 
  • 27. 6.4 Das Erdungssystem hat mehrere Aufgaben: Große netzfrequente Fehlerströme ableiten 100Aeff bei 50Hz  44A/ms
  • 28. 0kA 10kA 20kA 30kA 40kA 50kA 60kA 70kA 80kA 90kA 100kA 110kA 0µs 1µs 2µs 3µs 4µs 5µs 6µs 7µs 8µs 9µs 10µs t  i tR tS 6.4 Das Erdungssystem hat mehrere Aufgaben: Große hochfrequente Blitzströme ableiten 60kA in 1,2µs  50kA/µs Ausbreitungs- Geschwindigkeit der Stoßwelle: 299.792,5 km/s!
  • 29. 1 Kupferatom hat 29 Elektronen. Davon ist eines beweglich. 1 Mol Kupfer (63,546g entsprechend 7,108cm³) enthält L = 6,02*1022 Atome (Loschmidtsche Zahl). 1 g Kupfer enthält somit 9,47345*1021 Elektronen. Je Gramm sind also 3,26671*1020 beweglich, das macht 3,654*1019 je Kubikzentimeter. Eine Stromstärke von 1 A bedeutet, dass an jeder Stelle des Leiters pro Sekunde 6,25*1018 Elektronen vorbei fließen (denn jedes Elektron führt eine Ladung von e = 1,9*10-19 As mit sich). Das ergibt bei 16 A in einer Installationsleitung mit 1,5 mm² etwa 0,8 mm/s. Im Kurzschlussfall können es auch mal 50 mm/s werden! Ach übrigens, wie schnell fließt der Strom eigentlich wirklich?
  • 30. 6.5 Unlinearitäten Netzfrequenz und Oberschwingungen [A; Hz]: Lineare Verhältnisse, R dominiert HF-Ableitströme [mA; MHz]: Lineare Verhältnisse, X dominiert Blitzströme [kA; MHz]: Keine linearen Verhältnisse, X dominiert
  • 31. 6.6 Nicht Metall statt Erde messen! Haben die zu messenden Objekte auch keine metallene Verbindung untereinander? 
  • 32. 7. Trickreich: Blindleistungszähler Merkwürdig: Blindleistung ist per Definition das Produkt aus der im Netz vorhandenen Spannung und dem Teil des Stroms, der nichts zur Über- tragung von Wirkleistung und Energie bei- trägt. Dennoch gibt es Blindleistungs-Messgeräte und Blindarbeitszähler, und die zeigen tat- sächlich etwas an!
  • 33. 7.1 Blindleistung klassisch: Induktiv oder kapazitiv
  • 34. Und doch die Frage: Was ist das eigentlich? Blindleistung ist der Teil der Leistung, der nicht zur Übertragung von Energie (Arbeit) beiträgt Erzeugung kapazitiver Blindleistung = Verbrauch induktiver Blindleistung Erzeugung induktiver Blindleistung = Verbrauch kapazitiver Blindleistung
  • 35. Und was ist dann Blindarbeit? Ein Phantom?Ein schwarzer Schimmel?Ein weißer Rappe?Eine Verkaufslüge?Ein Missverständnis?Mangel an sprachlicher Präzision?
  • 36. 7.2 Blindleistung der dritten Art: Oberschwingungen
  • 37. Voltage Current -350V -250V -150V -50V 50V 150V 250V 350V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms t  u -100mA -75mA -50mA -25mA 0mA 25mA 50mA 75mA 100mA i Spannung Strom 7.3 Blindleistung in einer Glühlampe Ist die denn auch nicht linear?
  • 38. 7.4 Blindleistung beim Dimmen? Eine Frage des Standpunkts. Oder aber des Messpunkts.
  • 39. 8. Statistik – Wahrheit, Lüge oder Irrtum? »Es gibt drei Arten der Lüge: Die gewöhnliche Lüge, den Meineid und die Statistik.« »Ich glaube nur Statistiken, die ich selbst gefälscht habe.« »So lügt man mit Statistik« (Buchtitel) Dabei ist Datenflut der beste Datenschutz! 
  • 40. Oberschwingungen im Lauf einer Woche 228V 229V 230V 231V 232V 233V 234V 235V Freitag, 23.8.020:00 Samstag, 24.8.020:00 Sonntag, 25.8.020:00 Montag, 26.8.020:00 Dienstag, 27.8.020:00 Mittwoch, 28.8.020:00 Donnerstag, 29.8.020:00 Freitag, 30.8.020:00 t  U 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% 4,5% 5,0% THDU U(eff.) THD
  • 41. Oberschwingungen am Samstag 227V 228V 229V 230V 231V 232V 233V 234V 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 t  U 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% 4,5% 5,0% THDU U(eff.) THD
  • 42. Oberschwingungen am Sonntag 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V 11V 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 t  U U2 100Hz U3 150Hz U5 250Hz U7 350Hz U9 450Hz U11 550Hz U13 650Hz U15 750Hz
  • 43. blind blind An der Grenze der Auflösung
  • 44. Über die Grenze der Auflösung: Elektronischer Transformator mit Halogenlampen 4 * 20 W 4*20W+PV=74,8W? h=14,0W / 74,8W?
  • 45. 9. Extrapolation vom Betriebs- strom zum Kurzschluss-Strom Aus einer Prüfungsfrage für künftige Gutachter: »Drei Stromwandler gleicher Ausführung sind als Schutz- wandler … in einen Verbraucher-Abzweig eines 50-Hz-Dreh- stromnetzes eingeschaltet, der durch einen dreipoligen Kurz- schluss einen Kurzschlussstrom von IK3P = 1 kA führt. … Im vorliegenden symmetrischen Fehler-fall … spricht das [in den Neutralleiter geschaltete] Relais RZ durch einen Fehlerstrom mit f3 = 150 Hz an. Wie erklären Sie sich diesen Effekt? Welche Maßnahmen können getroffen werden, um den … beobachteten Effekt zu verhindern?« Ich komme mit der Fragestellung nicht klar. Können Sie mir helfen?
  • 46. M 3 Oberschwingungen Energie (Wirkleistung) L1 L2 L3 N PE 9. Extrapolation vom Betriebs- strom zum Kurzschluss-Strom Oberschwingungen entstehen im Verbraucher und breiten sich von dort »stromaufwärts« aus! Energie (Wirkleistung) Ober- schwingungen
  • 47. 10. Schleifen-Impedanzmessung an einer USV-Anlage Impedanzmessung im laufenden Betrieb: Mit impulsartig aufgeschalteter zusätzlicher Last. Anders geht‘s derzeit noch nicht! Wird die Anlage ganz oder teilweise über eine Doppelwandler-USV gespeist, so führt diese Messung zu keinen oder völlig falschen Ergebnissen!
  • 48. 10. Schleifen-Impedanzmessung an einer USV-Anlage USV-Anlagen sind nicht linear! Comparison of linear sources to a UPS 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100%I /I K   U /U 0 ohmic source inductive source UPS Vergleich linearer Quellen mit USV 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100%I /I K   U /U 0 ohmsche Quelle induktive Quelle USV
  • 49. Light switch 11. »Echter« Transientenrekorder oder Netzanalysator als »nebenberuflicher« Transientenrekorder Z. B. beim Versuch, Start-Versuche an einer Leuchtstofflampe aufzuzeichnen Starter
  • 50. 11. »Echter« Transientenrekorder oder Netzanalysator als »nebenberuflicher« Transientenrekorder Dieser »Hobby«-Transientenrekorder hat keine manuelle Bereichswahl
  • 51. 11. »Echter« Transientenrekorder oder Netzanalysator als »nebenberuflicher« Transientenrekorder Ein Trick muss helfen: Hilfsschalter Ergebnis z. B. mit elektro- nischem Starter Ergebnis z. B. mit Gimm- starter Hilfs- schalter
  • 52. Vielleicht doch besser geeignete Messmittel besorgen und messen! Fazit: Wer viel misst, misst Mist, doch wer nicht misst, vermisst nachher möglicherweise viel!
  • 53. Elektrotechnik-Schriften des DKI zu bestellen bei: www.kupferinstitut.de 1. Installations-Bereich (Kabel, Leitungen, Netzqualität):  s181 »Brandsichere Kabel und Leitungen«  s183 »Energie sparen mit Spartransformatoren«  s184 »Fehlauslösungen von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen«  s185 »Wechselwirkungen von Blindstrom-Kompensations-Anlagen mit Oberschwingungen«  s186 »Vom Umgang mit Blitzschäden und anderen Betriebsstörungen«  Broschüre »Kupfer in der Elektrotechnik: Drähte, Kabel und Leitungen« 2. Andere Bereiche:  s180 »Drehstrom, Gleichstrom, Supraleitung – Energie-Übertragung heute und morgen«  s192 »Sparen mit dem Sparmotor«  Broschüre »Geld sparen mit Hochwirkungsgrad-Motoren«  i1 »Energiesparpotentiale bei Motoren und Transformatoren«
  • 54. Weitere Literatur zum Thema  Stefan Fassbinder: Netzstörungen durch passive und aktive Bauelemente  Anton Kohling: EMV von Gebäuden, Anlagen und Geräten  Wilhelm Rudolph, Otmar Winter: EMV nach VDE 0100  Wilhelm Rudolph: EMV-Fibel für Elektroinstallateure und Planer alle VDE Verlag, Offenbach www.vde-verlag.de
  • 55. Die Europäische Union förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programms durch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 Millionen Euro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität! Gehen Sie von Zeit zu Zeit auf www.leonardo-energy.org oder http://leonardo-web.org/de und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen! Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV- Problemen entwickeln und verfügbar machen! Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker, Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende und Ausbilder. Wir sind bisher 165 Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute. Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht. Klicken Sie rein! hat im Dezember 2004 drei Projekte von etwa 4000 ausgezeichnet – eines davon war die Leonardo Power Quality Initiative
  • 56. Deutsche Leonardo Schriften  1.1 Leitfaden Netzqualität – Einführung  1.2 Selbsthilfe-Leitfaden zur Beurteilung der Netzqualität  2.1 Kosten schlechter Netzqualität  3.1 Oberschwingungen – Ursachen und Auswirkungen  3.2.2 Echt effektiv – die einzig wahre Messung  3.3.1 Passive Filter  3.3.3 Aktive Filter  3.5.1 Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen  4.1 Ausfallsicherheit, Zuverlässigkeit und Redundanz  4.3.1 Verbesserung der Ausfallsicherheit durch Notstrom-Versorgung  4.5.1 Ausfallsichere und zuverlässige Stromversorgung eines modernen Bürogebäudes  5.1 Spannungseinbrüche – Einführung  5.1.3 Einführung in die Unsymmetrie  5.2.1 Vorbeugende Wartung – der Schlüssel zur Netzqualität  5.3.2 Maßnahmen gegen Spannungseinbrüche  5.5.1 Vom Umgang mit Spannungseinbrüchen – eine Fallstudie  6.1 Erdung mit System  6.3.1 »Erdungssysteme – Grundlagen der Berechnung und Auslegung
  • 57. Die Europäische Union förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programms durch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 Millionen Euro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität! Gehen Sie von Zeit zu Zeit auf www.leonardo-energy.org oder http://leonardo-web.org/de und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen! Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV- Problemen entwickeln und verfügbar machen! Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker, Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende und Ausbilder. Wir sind bisher 165 Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute. Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht. Klicken Sie rein!

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