messen mit elspec

Warum hochwertige Kabel, abgestimmte Adaptoren und das

richtige Drehmoment präzisere Ergebnisse ermöglichen.

Dipl. Ing. Thomas Weber Dipl. Ing. Stefan Burger

Einfachbessermessen.

edition

Warum man mit hochwertigen Kabeln, abgestimmten

Adaptoren und dem richtigen Drehmoment einfach

bessere Ergebnisse bekommt.


Perfekt messen mit elspec®











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Fotografie | Satz &

Gestaltung ©

2013kpr-kom

munikation

.de

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Inhalt

Vorwort ...........................................................................................5

1. Koaxiale Verbindungen ........................................................7

2. Der Messaufbau .................................................................. 13

3. Die Kalibrierung ...................................................................19

4. Die Anpassung optimieren ................................................21

5. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) ............................ 22

6. Der Reflektionsfaktor ........................................................ 22

7. Die Einheit „Bel“ ................................................................. 23

8. Das Koaxial-Kabel ............................................................... 24

9. Verschiedene Steckertypen ............................................. 26

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Der Autor Stefan Burger

erhielt 1986 sein Diplom als Ingenieur (FH) von der Uni-versity of Applied Science, Offenburg. Bis 1990 blieb er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität und wech-selte dann in die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Endress + Hauser in Maulburg.

Dort war er bis 2001 in die Entwicklung der Füllstandmess-geräte auf RADAR Basis eingebunden und unter anderem für die Betreuung der RADAR Module, die Entwicklung von An-tennen und druckfesten HF-Durchführungen verantwortlich.

Dannach arbeitete er von 2001 bis 2011 bei Panasonic Elec-tronic Devices in Lüneburg an Filtern und Duplexern für Basis Stationen, SAW Filtern und war für die Life Time und Power Durability Simulation zuständig.

Im Jahr 2012 gründete er in Hampton, Australien, sein eige-nes Unternehmen Delta Gamma Consultant.

www.delta-gamma.com

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Vorwort

Im Labor stehen die empfindlichsten Testgeräte bereit.

Mitarbeiter wurden in vielen Mannstunden auf die Beson-

derheiten geschult und gewissenhaft auf vielfältige, neue

Testmöglichkeiten vorbereitet. Präzision und äußerste Ge-

nauigkeit sind selbstverständlich für jeden der involvier-

ten Messingenieure.

Die Erwartungen sind hoch, denn ein nicht unerhebli-

ches Budget wurde bereits eingesetzt. Umso wichtiger ist

jetzt, dass die Qualitätskette auch mit den besten Kabeln,

Adaptoren und Steckverbindern fortgeführt wird.

Daher haben wir von elspec für Sie unseren Premi-

um Messkoffer entwickelt. Er enthält alle gängigen An-

schlussteile wie Microwave Cable Assembly 18 GHz, Ad-

aptoren N/SMA und SUCOFORM® 86 Jumperkabel mit

Schutzkappen und passendem Drehmomentschlüssel –

gut aufgeräumt und doch stets griffbereit. Damit, und mit

diesem kleinen Booklet, das Sie gerade in den Händen hal-

ten, wollen wir Ihnen helfen, dass Sie einfach, schnell und

präzise (z.B. ohne ständiges Nachkalibrieren) die exaktest

möglichen Messergebnisse dokumentieren können.

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1. Koaxiale Verbindungen

Koaxiale Verbindungen werden über einfaches Zusam-

menstecken von hochpräzise gefertigten Steckern (m) und

Buchsen (w) hergestellt. Beim Zusammenführen der Ver-

bindung, insbesondere bei der Anbringung eines Adapters

oder Kalibrierwiderstandes, ist unbedingt darauf zu ach-

ten, dass nicht der Stecker in die Buchse hinein gedreht,

sondern die Verbindung nur durch die Überwurfmutter

hergestellt wird. Denn schon durch eine geringe Drehbe-

wegung schleift der Federkörper der Buchse auf dem zen-

tralen Stift des Steckers und kann feinsten Metallabrieb

erzeugen. Dieser führt zu Kontaktschwierigkeiten und ver-

fälscht die Messergebnisse.

1.01 Verschrauben der Überwurfmutter des Koaxial-Kabels an einen Ad-

aptor.

Vor dem Herstellen einer Verbindung muss sichergestellt

sein, dass beide Teile, Stecker (m) wie auch Buchse (f), kom-

plett unversehrt und sauber sind. Auch nur leicht beschädigt

kann sonst das jeweilige Gegenstück ebenfalls geschädigt

werden. Die defekten Komponenten müssen unbedingt aus-

getauscht werden.

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Besondere Aufmerksamkeit verlangt auch die Position

des Innenleiters, der absolut gerade sein muss. Sollte am

Federkörper der Buchse ein Teil verbogen oder gar ab-

gebrochen sein, muss die Buchse komplett ausgetauscht

werden.

Eine Verschmutzung durch Staub und Metallpartikel

kann am einfachsten mit Fett- und Öl-freier Druckluft aus-

geblasen werden. Entsprechende Druckluftdosen sind im

Handel erhältlich.

1.02 Druckluftspray und fusselfreie Reinigungstücher zur Reinigung.

Bei festsitzendem Schmutz empfiehlt sich die sorgsame

Reinigung mit einem fusselfreien, mit Isopropanol benetz-

ten, Papiertuch. Bitte achten Sie darauf, die Kunststofftei-

le nicht zu stark zu befeuchten und trocknen Sie diese vor

Verwendung sorgfältig, am besten mittels Druckluft, ab.

Ungeeignet ist einfacher Brennspiritus, da dieser nicht

rückstandsfrei verdunstet. Verwenden Sie zur Reinigung

von schwer zugänglichen Stellen z.B. einen Zahnstocher,

um den Sie das Papiertuch wickeln. Lösen Sie den Schmutz

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mit leichtem Druck und entsorgen Sie Tuch und Zahnsto-

cher nach jeder Reinigung komplett.

Um Verschmutzungen oder Beschädigungen von vorn-

herein zu vermeiden, sollten Stecker, wie auch Präzisions-

adapter oder Kalibriernormale, niemals ohne Schutzkappe

lose aufbewahrt werden. Stellen Sie diese auch keines-

falls offen auf die Kontaktseite. Verwenden Sie unbedingt

die mitgelieferten/separat erhältlichen Kunststoffkap-

pen, um die wesentlichen Teile von Stecker und Buchse

zu schützen, die, je nach Typ unterschiedlich, sonst offen

liegen und sonst sehr leicht beschädigt werden könnten.

1.03 Adapter mit Schutzkappe

Besondere Umsicht ist bei der Verwendung der weit ver-

breiteten SMA-Stecker notwendig. Es kommt immer wie-

der vor, dass dieser durch sein spezielles Design nicht ge-

rade, sondern schräg aufgesetzt wird. Der stabile Stift des

Steckers beschädigt dabei den Federköper in der Buchse.

Experten Tipp

• Verwenden Sie bei den Kabelgruppen Semi-Rigid

immer Steckverbinder, bei denen die Überwurf-

mutter durch einen Sprengring fixiert ist.

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Achten sie unbedingt darauf, dass der Stecker exakt gera-

de eingesteckt ist und sich die Mutter leicht drehen lässt. Bei

den aktuellen Versionen, z.B. beim PC 3.50 wurde dies be-

reits berücksichtigt.

Läuft sie schwer, beginnen Sie bitte von Neuem und ach-

ten Sie darauf, dass Sie den Stecker tatsächlich zu 100%

gerade angesetzt haben. Eine andere Ursache für eine

schwergängige Mutter kann sein, dass ein steifes Koaxi-

al-Kabel die Verbindung einseitig belastet. Ertasten Sie

durch vorsichtiges Bewegen, in welcher Position die Mut-

ter leicht zu drehen ist, und nutzen Sie diese, um eine si-

chere und feste Verbindung ohne Beschädigung der emp-

findlichen Teile herzustellen.

Experten Tipp:

• Wichtig: Für alle Stecker wurde ein maximales

Drehmoment festgelegt. Im Anhang finden Sie eini-

ge Typen mit den dazugehörigen Werten.

• Vorsicht: Von einigen Steckertypen gibt es auch

Low Cost Versionen, z.B. SMA, die nur deutlich

geringere Werte vertragen.

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1.04 Schräg eingesteckte SMA

1.05 Schräg eingesteckter PC 3.50

Alle Stecker unterhalb der TNC Version (Schraubvarian-

te des Typs BNC) sollten ausschließlich per Drehmoment-

schlüssel angezogen werden. Festeingestellte Drehmo-

mentschlüssel können Sie für die wichtigsten Typen bei

elspec bestellen.

Bitte ziehen Sie im Zweifelsfall die Datenblätter zu Rate,

in denen die maximalen Drehmomente spezifiziert sind.

Das Expertenteam von elspec steht Ihnen gerne für weite-

re Auskünfte zur Verfügung.

1.06 Drehmomentschlüssel

• Beachten Sie bitte, dass auch sehr gute Kabel und

Adapter keine unbegrenzte Genauigkeit besitzen

und eine Messung verschlechtern können.

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2. Der Messaufbau

Koaxialkabel verbinden verschiedene Komponenten des

Messaufbaus miteinander. Idealerweise haben sie nur ge-

ringen Einfluss auf die Signalübermittlung. Gute Messkabel

weisen geringe Dämpfung, sehr kleine Reflektionsfaktoren

und eine stabile Phase auf. Prüfen Sie bitte vor Anwendung,

ob die eingesetzten Kabel Ihrem Aufbau genügen. Die Da-

tenblätter weisen auch auf die Stabilität der Amplitude bei

Bewegung hin.

Moderne Vektoranalyzer zeichnen sich durch eine hohe

Fertigungsqualität und einer dementsprechenden Mess-

genauigkeit aus. Einige sind ab Werk bereits kalibriert.

Nach Erreichen konstanter Temperatur im Messraum sind

diese sofort einsatzbereit. Für die Messung eines Two Port

Device wird nur noch ein Satz Verbindungskabel benötigt.

2.01 Legende Messkabel/Analyzer

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Wie signifikant sich auch kleinste Fehler am Equipment

auswirken können, veranschaulicht das folgende Beispiel:

Angenommen, der VNA hat bei der Return-Loss Messung

eine Genauigkeit von 50 dB. Die Leitung hat an einer Sei-

te 40dB Anpassung und an der anderen, weiter entfern-

ten Seite 31dB. Die Phase dreht sich proportional zur Fre-

quenz nach folgender Gleichung:

Der Winkel des ersten Reflexionsfaktors Γ1 dreht sich

mit α1, sobald sich die Frequenz verändert. Der Winkel des

zweiten Reflexionsfaktors ist α2. Durch die zusätzlich ein-

zubeziehende Leitungslänge lek

ändert sich der Winkel im

Vergleich zu α1 wesentlich schneller.

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Stellt man die Reflektionsfaktoren als Vektor dar und

zeichnet Γ2 ans Ende von Γ1 ergibt sich die nebenste-

hende Darstellung.

Da Γ2 aber schneller rotiert, kommt es zu einer Über-

lagerung zwischen dem blauen und dem roten Pfeil mit

wechselnder Amplitude. Sie stellen die Extremwerte

dar und ergeben im schlechtesten Fall nur noch ein Re-

turn-Loss von 28db. Weitere Adapter verschlechtern die

Situation zusätzlich.

Daraus folgt, dass alles, was nicht zum Messobjekt ge-

hört, unbedingt in die Kalibrierung mit einbezogen wer-

den muss.

Experten Tipp:

• Nach Erreichen einer konstanten Arbeitstemperatur

im VNA ist der Messaufbau „Ready to measure“.

• Eine stabile Arbeitstemperatur im Prüffeld/

Prüfraum (Klimaanlage) ist von großem Vorteil.

• Damit entfällt die Bewertung der Signalstabilität

und des Phaseneingangs gegenüber der Tempera-

turdrift.

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Natürlich sollte man bei den Verbindungskabeln eben-

falls auf gute Werte achten, auch wenn hier im Allgemei-

nen die Anforderungen nicht so hoch sind.

Werden die Leitungen aber direkt für Messungen einge-

setzt – auch mit VNA und inklusive Kalibrierung – werden

deutlich höhere Anforderungen an die Kabel gestellt.

Der Einfluss von Kabeln mit geringer Qualität kann auch

durch eine genaue Kalibrierung nicht herausgerechnet wer-

den, da die Werte niemals eindeutig bleiben. So haben ein-

fache Kabel beispielsweise keine stabile Phase, sobald sie

bewegt werden. Entsprechend des obigen Beispiels passen

dann die ermittelten Korrekturwerte der sich überlagern-

den Signale zum Reflektionssignal nicht mehr.

Sobald sich der Messaufbau nicht mehr verändert, las-

sen sich hochwertige Semi-Rigid Kabel so verlegen, dass

sie nach der Kalibrierung nicht mehr bewegt werden müs-

sen. Damit bleibt eine Phasenänderung minimal.

Die empfindlichste Stelle am Kabel ist der Übergang zum

Stecker. Gute Stecker besitzen daher einen schützenden

Knickschutz. Aber auch dieser kann nicht alle Belastungen

vom Kabel fernhalten. Daher sollten die Kabel nur sehr

moderat gebogen werden und auch nur in entsprechen-

dem Abstand vom Stecker.

Vermeiden Sie Quetschungen durch schwere Gegenstän-

de und knicken Sie die Kabel nicht. Dadurch könnten sie

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massiv beschädigt werden. Verwenden Sie die Steckver-

binder sehr vorsichtig und schützen Sie die empfindlichen

Teile bei Nichtgebrauch durch Schutzkappen.

Experten Tipp:

• Vermeiden Sie Torsionsbewegungen im Bereich

der Knickschutzstelle. Die Folienkonstruktion im

Kabelinneren kann dadurch belastet werden und es

entstehen makrofeine Bruchstellen.

Der Masseanschluß ist dadurch brüchig und Sie

können fehlerhafte Meßsignale erhalten. Ihre Mes-

sung befindet sich in einem kritischen Zustand.

• Sichten Sie Ihre Kabel alle drei Monate. Nach der

zunächst äußerlichen Kontrolle von Kabel und

Stecker vermessen Sie die Kabel. Vergleichen Sie

die aktuellen Werte mit der letzten Messung. Je

nach Ergebnis können Sie nachkalibrieren oder die

Berechnung anpassen. Im Zweifelsfall sollten Sie

die Kabel immer austauschen.

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3. Die Kalibrierung

Die am weitesten verbreitete Kalibriermethode ist

„Open“, „Short“, „Load and Through“. Achten Sie bitte un-

bedingt auf eine feste Verbindung der Messkabel mit dem

VNA, da sich ansonsten später die Werte verändern und

die Kalibrierung hinfällig wird.

Bei gleichen Steckern identischen Geschlechts benöti-

gen Sie ein Kalibrierkit mit spezifiziertem Adapter (Durch-

verbinder).

Verschiedene Steckertypen hingegen erfordern für je-

den Typ den Einsatz eines Kalibrierkits mit einem entspre-

chenden Adapter (Durchverbinder). Idealerweise nutzt Ihr

Aufbau Stecker mit gegensätzlichem oder neutralem Ge-

schlecht. So können Sie bei der „Through“-Kalibrierung

beide Messkabel einfach miteinander verbinden.

Niedrige Messpegel werden zusätzlich auch durch das

Systemrauschen beeinflusst. Falls möglich sollten Sie da-

her beim VNA den Average zuschalten, um die Genauigkeit

zu erhöhen.

Nach jeder Kalibrierung lässt sich das Ergebnis schnell

überprüfen, wenn man einseitig den „Load“ anschließt

und der RL in Ordnung ist. Zum Testen der Einfügungs-

dämpfung: beide Messports miteinander verbinden. Hier

sollte das IL=0 dB ± der Systemgenauigkeit sein.

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Experten Tipp:

• Da eine präzise durchgeführte Kalibrierung lange

Zeit stabil bleibt, lohnt sich die Abspeicherung

der Werte, um sie zukünftig erneut verwenden zu

können.

• Auch beim Kalibrier-Kit bedeutet geringere Nut-

zung eine längere Lebensdauer

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4. Die Anpassung optimieren

Bei skalarer Messung ist es notwendig Quelle und Last

gut anzupassen, um Überlagerungen von reflektierenden

Wellen zu vermeiden, die das Ergebnis verfälschen können.

Leistungsmesser sind meist gut angepasst, nicht jedoch

jede Quelle. Das Vorschalten eines Dämpfungsgliedes kann

die Wellen beim Durchlauf weitgehend abdämpfen.

In unserem Beispiel ist Γ1= -10dB und die Dämpfung α= 6dB.

Pr = Pi * α · Γ1 * α = 1W * 0,2512 * 0,1 * 0,2512 = 0,00631WΓ2 = 0,07944 => 20 *log(0,07944) = -22dB

und etwas einfacher im logarithmischen Maßstab:Γ2 = 2 * -α + Γ1 = 2 * -6dB - 10dB = -22dB

Durch das Dämpfungsglied wurde aus der schlechten

Anpassung von -10dB eine gute mit -22dB. Dies kann man

nicht unendlich fortführen, da auch das Dämpfungsglied

eine endliche Genauigkeit hat, und sich diese im Gesam-

tergebnis niederschlägt.

VSWR=U max

U min

VSWR= 1+r1− r

VSWR= RZ 0

r=R− Z0

R+Z 0

r= VSWR− 1VSWR+1

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5. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR steht für „voltage standing wave ratio“ und gibt

das Verhältnis der maximalen zur minimalen Spannung auf

einer Leitung an. Ist auf einer Leitung nicht nur eine vor-

laufende Welle, sondern auch eine rücklaufende, so über-

lagern sich beide Spannungen und es kommt zu Addition

und Subtraktion beider Anteile. Dies wird mit dem VSWR

ausgedrückt.

Maximale Spannung: Umax

Minimale Spannung: Umin

VSWR=Z/R für R<Z

für R>Z0

für R<Z0

6. Der Reflektionsfaktor

Der Reflektionsfaktor gibt an, wie viel Energie an einem

angeschlossenen Port (Abschluss) reflektiert wird.

Abschlusswiderstand: R

Bezugswiderstand: Z0

P=U 2

R

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7. Die Einheit „Bel“

Es ist in Nachrichtensystemen meist einfacher in logaritmi-

schen Einheiten zu rechnen, als in linearen. Nach Alexander

Graham Bell wurde deshalb die entsprechende Hilfsmaß-

einheit „Bel“ benannt. Da eine Verdoppelung der Leistung

0,3 Bel entsprechen, hat sich die Handhabung mit deci (ein

Zehntel) Bel [dB] als praktischer erwiesen, da hiermit die

Kommazahlen vermieden werden.

Leistung 1: P1

Leistung 2: P2

Werden Spannungen verwendet, errechnet sich der dB-

Wert folgendermaßen:

a x D2= +

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8. Das Koaxial-Kabel

D : Durchmesser Außenleiter

d : Durchmesser Innenleiter

εr : relative Permittivität

Z0 : Wellenwiderstand Ω

Ist der Innenleiter ex zent-

risch positioniert, verändert

sich der Wellenwiderstand.

Es ist wichtig zu wissen, bis zu welcher Frequenz ein

Koaxial-Kabel verwendet werden kann, bevor der nächst

höhere Mode, TE11, ausbreitungsfähig ist. Dazu muss die

erste Nullstelle folgender Gleichung für x gelöst werden:

dr 2=

R D2=

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Bessel-Funktionen der ersten Gattung: J0, J1

Bessel-Funktionen der zweiten Gattung: Y0, Y1

Die cutoff Frequenz ergibt sich zu:

Für den Koeffizient x erhält man in Abhängigkeit von den

Durchmesser-Verhältnissen folgenden Verlauf:

Wenn man die Gleichung nicht lösen möchte, kann man

mit dem aus der Kurve ermittelten Wert eine erste Ab-

schätzung errechnen.

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9. Verschiedene Steckertypen

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Frequenzbereich DC – 8,3 GHz

Leistungsbelastung 1800W @ 1 GHz

800W @ 4 GHz

Steckzyklen ≥ 500

Anzugsdrehmoment 25 – 30 Nm

(abhängig vom Hersteller)

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N

Frequenzbereich DC – 11 GHz

Leistungsbelastung 1000W @ 1 GHz

700W @ 2 GHz

Steckzyklen ≥ 500

Anzugsdrehmoment 1,7 Nm

(abhängig vom HerHersteller)

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SMA


Leistungsbelastung 200W @ 2,2 GHz

Steckzyklen ≥ 100 - 500

(abhängig vom Material)

Anzugsdrehmoment 0,8 - 1,1 Nm

(abhängig vom Hersteller)

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PC 7


Steckzyklen ≥ 5000

Anzugsdrehmoment 1,36 Nm

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PC 3.50

Frequenzbereich DC – 26,5 GHz

Steckzyklen ≥ 500

Anzugsdrehmoment 0,80 Nm … 1,10 Nm

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10. Der elspec Premium Messkoffer 18GHz

Inhalt:

1. Drehmomentschlüssel SMA

2. SMA Winkel (m/f), 2 Stück

3. SMA (f) / SMA (f), 4 Stück

4. Microwave Cable Assembly 18GHz, SB142 - SMA (m) / SMA (m) - 1000, 2 Stück

5. N (m) / SMA (f), 2 Stück

6. N (f) / SMA (f), 2 Stück

7. Jumper-Kabel Sucoform 86, Semi-Rigid flexibel, SRF SMA (m) / SMA (m) - 0250, 4 Stück

Sowie im Deckel (o.Abb.)

1. VSWR-Tabelle, 1 Stück

2. Schreibblock, 1 Stück

3. Kugelschreiber, 1 Stück

4. Visitenkarte Ihres Ansprechpartners

5. Zwei Kofferschlüssel

1 2 3 4 5 6 7

el-spec GmbHBrunnenfeldweg 5aD-82538 Geretsried-Gelting, GermanyTel. +49 (0)8171-4357-0Fax +49 (0)8171-4357-99E-Mail: [email protected]://www.elspec.de

Fotografie | Satz &

Gestaltung ©

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messen mit elspec

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