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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstands in einem Behälter, mit einem Dämpfungsbecher, einer sich vertikal in dem Dämpfungsbecher erstreckenden Messstrecke, an deren unteren Endbereich ein Ultraschallwandler angeordnet ist, und mindestens einer Vorkammer, wobei mindestens in einem Teil mindestens einer Vorkammer eine Beruhigungsstruktur angeordnet ist, wobei der Teil der Vorkammer, der die Beruhigungsstruktur aufweist, großflächig nach oben offen ausgebildet ist und über einen Entlüftungskanal mit einer Entlüftung im oberen Bereich der Vorrichtung verbunden ist..
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Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 10 2007 014 540 A1 ,
DE 10 2010 011 492 A1 und
DE 10 2008 027 969 A1 bekannt. Um den Ölstand in Motoren zu ermitteln, werden überwiegend Ultraschallsensoren eingesetzt. Diese senden Schallwellen aus, die an der Grenzfläche zwischen zwei Medien, z. B. Luft und Öl, wobei statt Öl auch andere Flüssigkeiten gemessen werden können, reflektiert und vom Ultraschallsensor wieder empfangen werden. Aus der erfassten Laufzeit der Schallwellen kann dann der Füllstand in dem Behälter, der die Vorrichtung aufweist, ermittelt werden. Bei einem im Betrieb befindlichen Motor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ist der Füllstand des Öls jedoch nur schwer bis gar nicht zu ermitteln, da das Öl stark verschäumt ist und die Schallwellen an den Gasbläschen im Öl reflektiert werden.
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Für auswertbare Messungen ist eine eindeutige Grenzfläche zwischen den Medien Gas und Öl notwendig. Dazu werden sogenannte Dämpfungsbecher eingesetzt. Innerhalb dieser Dämpfungsbecher, in denen die Messstrecke des Ultraschallwandlers angeordnet ist, ist die zu messende Flüssigkeit beruhigt und nur durch eine kleine Öffnung des Dämpfungsbechers zum Behälter mit dem Öl oder der anderen zu messenden Flüssigkeit im Behälter verbunden. Durch die kleine Öffnung des Dämpfungsbechers zum Behälter gelangen nur wenige Gasblasen in den Dämpfungsbecher. Der Füllstand in dem Dämpfungsbecher entspricht dabei dem Flüssigkeitsstand außerhalb des Dämpfungsbechers. In einer Vorkammer die zwischen der Flüssigkeit im Behälter und der eigentlichen Messstrecke angeordnet ist, wird Öl aufgenommen, das zuvor durch einer Beruhigungsstruktur gelaufen ist und dabei weitgehend entgast ist. Bei einer Füllstandsänderung kann daher weitgehend blasenfreies Öl aus der Vorkammer in die Messstrecke strömen.
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Ein solcher Dämpfungsbecher mit einer Beruhigungsstruktur in zwei Ebene geht bspw. aus der
DE 10 2010 011 490 A1 hervor. Gemäß der
DE 10 2011 008 585 A1 oder der
DE 10 2010 011 490 A1 weist die Vorkammer zudem eine bis in einen oberen Endbereich der Vorrichtung geführte Entlüftung auf, wobei jeweils zuvor in der Vorrkammer zurückgehaltenes, geschäumtes Medium über eben diese Entlüftung der Vorkammer wieder in die Messkammer eintreten kann, welche ebenso eine Entlüftung aufweisen muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine noch weiter gehende Entgasung der Flüssigkeit, deren Füllstand gemessen wird, erreicht wird und das Eintreten von Schaum in die Messkammer verhindert wird. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstands in einem Behälter, mit einem Dämpfungsbecher, einer sich vertikal in dem Dämpfungsbecher erstreckenden Messstrecke, an deren unteren Endbereich ein Ultraschallwandler angeordnet ist, und mindestens einer Vorkammer, wobei mindestens in einem Teil mindestens einer Vorkammer eine Beruhigungsstruktur angeordnet ist, wobei der Teil der Vorkammer der die Beruhigungsstruktur aufweist, großflächig nach oben offen ausgebildet ist und über einen Entlüftungskanal mit einer Entlüftung im oberen Bereich der Vorrichtung verbunden ist, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die Messstrecke (4) seitlich durch eine Wand (24) mit einem oberen Endbereich (20) und nach oben hin durch einen oberen Abschluss (21) des oberen Endbereichs (20) der Wand (24) begrenzt ist, und der obere Abschluss der Wand der Messstrecke im Vergleich zu einem unteren Abschluss einer von oben nach unten geführten ringförmigen Abschirmung, die den oberen Endbereich der Wand der Messstrecke von der Entlüftung trennt, höher ist. Dadurch kann die Beruhigungsstruktur vollständig nach oben entlüften. Unter einer großflächigen Entlüftung wird verstanden, dass die Beruhigungsstruktur zu mehr als 50 % an ihrer Oberseite offen ist und in diesem gesamten Bereich austretende Gasblasen nach oben entweichen können. Durch den steigenden Fülldruck in der Beruhigungsstruktur können die leichteren Luftblasen nach oben gleichmäßig angehoben werden und entlüften. Unter einer Beruhigungsstruktur wird eine geometrische Struktur verstanden, die die Fließgeschwindigkeit in der Vorkammer verlangsamt. Insbesondere sind geometrische Strukturen vorhanden, die eine meanderförmige Fließstrecke mit einer Vielzahl von Windungen vorgeben. Diese Windungen sind um bevorzugt mindestens einen Faktor 3, bevorzugt um mindestens einen Faktor 5 kleiner als die Vorkammer selbst.
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Bevorzugt ist der Teil der Vorkammer, der die Beruhigungsstruktur aufweist, nach oben vollständig offen. Der Teil der Vorkammer weist daher im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Strukturen auf. Dies sind einerseits die Wende und andererseits die in diesem Teil der Vorkammer angeordneten Strukturen, die derart angeordnet sind, dass bevorzugt eine meanderförmige Fließstrecke für die Flüssigkeit in dem Behälter vorgegeben ist. Die einzige horizontal ausgerichtete Struktur ist daher bevorzugt der Bodenbereich. In der bevorzugten Ausgestaltung ist dieser Teil der Vorkammer daher „deckenfrei“, also vollständig nach oben offen.
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Bevorzug ist die Vorkammer derart ausgebildet, dass diese eine erste Vorkammer und eine zweite Vorkammer aufweist. Die erste Vorkammer weist eine Einströmöffnung und die Beruhigungsstruktur auf. Die zweite Vorkammer ist mit der ersten Vorkammer und der Messstrecke verbunden. Die zweite Vorkammer ist daher zwischen der ersten Vorkammer und der Messstrecke angeordnet und dient zur Aufnahme von ausgegaster Flüssigkeit, die dann bei Bedarf an die Messstrecke abgegeben wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umgibt die erste Vorkammer die Messstrecke ringförmig. Dabei ist auf einer Seite eine Einströmöffnung und auf der gegenüberliegenden Seite eine Ausströmöffnung vorhanden. Diese Ausströmöffnung ist bevorzugt zu der zweiten Vorkammer gerichtet. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, eine Vorrichtung nur mit der hier beschriebenen ersten Vorkammer zu bauen. Dann würde diese Ausströmöffnung unmittelbar zum unteren Bereich der Messstrecke führen. Die erste Vorkammer ist insofern symmetrisch aufgebaut und Einströmöffnung und Ausströmöffnung liegen sich genau gegenüber. Die Flüssigkeit hat daher keine Vorzugsrichtung. Das gesamte Volumen der ersten Vorkammer wird daher durchströmt. Die Beruhigungsstruktur hat dabei bevorzugt einen sternförmigen Innenbereich und von außen in die freien Bereiche des sternförmigen Innenbereichs hineinreichende Vorsprünge. Dadurch ergibt sich insgesamt eine meanderförmige Struktur. Die Flüssigkeit strömt dabei abwechselnd zum Zentrum der kreisförmigen Querschnittsfläche und wieder hinaus zum Umfang. Der sternförmige Innenbereich hat dabei bevorzugt fünf bis 10 nach außen ragende fingerartige Strukturen und jeweils in die Zwischenräume dazwischen ragende Vorsprünge. Bevorzugt ist die Ausströmöffnung in einem Bereich zwischen zwei nach außen ragenden Fingern angeordnet. In diesen Bereich ragt kein Vorsprung von außen hinein. Bevorzugt weist der sternförmige Innenbereich eine ungerade Zahl von nach außen gerichteten Fingern auf, wobei die Einströmöffnung genau auf einen dieser Finger gerichtet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Ausströmöffnung zwischen zwei Fingern angeordnet.
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Bevorzugt umgibt der Entlüftungskanal die Messstrecke oberhalb der ersten Vorkammer ringförmig. Um die Messstrecke herum ist dabei bevorzugt auf der gesamten Länge eine Außenwand vorgesehen, die in einem unteren Teil, der bevorzugt weniger als die Hälfte der Höhe ausmacht, die erste Vorkammer mit der Beruhigungsstruktur aufnimmt und im oberen Teil, der bevorzugt mehr als die Hälfte der Höhe der Messstrecke ausmacht, einen im Querschnitt ringförmigen Lüftungskanal umgibt. Im Querschnitt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher im oberen Teil bevorzugt nach Art eines doppelwandigen Rohres ausgebildet, wobei in dem inneren Rohr die Messstrecke angeordnet ist und zwischen den beiden Wänden der Entlüftungskanal ausgebildet ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die auch einen eigenständigen erfinderischen Charakter hat, d. h. ohne die oben beschriebene Erfindung im Hinblick auf die nach oben offene Beruhigungsstruktur einsetzbar ist, ist die besondere Ausbildung des oberen Endbereichs der Messstrecke des Dämpfungsbechers. Der obere Abschluss der Wandung der Messstrecke ist im Vergleich zu einem unteren Abschluss einer von oben nach unten geführten ringförmigen Abschirmung, die die Wandung der Messstrecke von der Entlüftung trennt, höher. Dadurch wird von außen in die Entlüftung eintretender Schaum zunächst durch die ringförmig von oben nach unten geführte Abschirmung nach außen abgeleitet und dringt nicht in die Messstrecke ein, deren Abschluss höher liegt.
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Bevorzugt weist die Vorrichtung im oberen Bereich eine lösbare Kappe auf, die die Entlüftung aufweist. Diese Kappe wird an der Messstrecke angeordnet, die bis in die Kappe hineinreicht. Bevorzugt ist die Messstrecke im oberen Bereich, also innerhalb der Kappe, schmaler werdend ausgebildet.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Lüftung direkt mit dem Entlüftungskanal verbunden. Durch die Entlüftung kann eindringender Ölschaum daher direkt nach unten fließen und von dort in den Entlüftungskanal, der aufgrund der oben beschriebenen Ausgestaltung ein vergleichsweise großes Volumen aufweist und so als Reservoir zur Aufnahme von eindringendem Ölschaum dient, sodass dieser nicht in die Messstrecke gelangt. Weiterhin ist bevorzugt unterhalb der Entlüftung ein Aufnahmeraum vorhanden, der die Wandung der Messstrecke umgibt. Der Aufnahmeraum ist insbesondere im Bereich der Kappe vorhanden.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Messstrecke an ihrem Fuß die Form eines Kegelstumpfes auf. Dadurch können sich im Bereich des Fußes der Messstrecke, also auch im Übergang zwischen Messstrecke und Vorkammer, keine Blasen sammeln oder dort anhaften. Durch die kegelstumpfartige Ausgestaltung ist dort eine nach oben zulaufende Ebene gebildet, an der Gasblasen nach oben ablaufen und dann durch die Messstrecke nach oben ausgasen. Es entsteht dadurch kein Lufteinschluss.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Motor, insbesondere einen Kraftfahrzeugmotor, und auch ein Kraftfahrzeug, die sich jeweils dadurch auszeichnen, dass sie die oben beschriebene Vorrichtung aufweisen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
- 1: einen grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2: eine perspektivische Ansicht eines Dämpfungsbechers
- 3: eine Geschnittene Seitenansicht eines Dämpfungsbechers
- 4: eine geschnittene Draufsicht des Dämpfungsbechers im Bereich der ersten Vorkammer; und
- 5: eine Geschnittene Seitenansicht des oberen Bereichs des Dämpfungsbechers mit der Kappe.
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In 1 sind die Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 grundsätzlich dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist in einem Behälter 2 angeordnet, um den Füllstand 3 einer Flüssigkeit in diesem Behälter 2 messen zu können. Die Vorrichtung 1 weist dabei eine Vorkammer 5 auf, die hier aus einer ersten Vorkammer 6 und einer zweiten Vorkammer 7 besteht. In der Vorkammer 5, hier in der zweiten Vorkammer 7, ist ein Ultraschallwandler 8 angeordnet, der unterhalb einer sich vertikal nach oben erstreckenden Messstrecke 4 angeordnet ist und Ultraschallwellen nach oben aussendet, die an der durch den Füllstand 3 gebildeten Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas reflektiert werden. Mit 9 ist ein Dämpfungsbecher bezeichnet, der hier den wesentlichen Teil der Vorrichtung 1 ausmacht. Auf dem Dämpfungsbecher 9 ist hier eine Kappe 10 aufgebracht, die den Dämpfungsbecher 9 nach oben abschließt und eine Entlüftung 12 aufweist.
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In 2 ist der Dämpfungsbecher 9 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Hier ist die zweite Vorkammer 7 nicht dargestellt, jedoch die Kappe 10. Im unteren Bereich des Dämpfungsbechers 9 ist die erste Vorkammer 6 als erweiterter Bereich zu erkennen. Dieser erstreckt sich hier über etwa ein Drittel der Höhe des Dämpfungsbechers 9. In den oberen zwei Dritteln ist der Dämpfungsbecher 9 verjüngt ausgebildet und in diesem Bereich ist unter der Außenwand 11 ein Entlüftungskanal 15 vorgesehen, der die erste Vorkammer 6 mit der Entlüftung 12 verbindet. Auf der Kappe 10 ist eine schräggestellte Membran 13 zu erkennen, die durchlässig für die Ultraschallstrahlung ist und dadurch eine Messung des Füllstands auch oberhalb des Dämpfungsbechers ermöglicht. Im unteren Bereich des Dämpfungsbechers 9 ist eine Einströmöffung 14 zu erkennen, durch die die Flüssigkeit, insbesondere Öl, aus dem Behälter in den Dämpfungsbecher 9 einströmt.
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In 3 ist der Dämpfungsbecher 9 im Querschnitt dargestellt. Der Dämpfungsbecher 9 weist eine Grundplatte 23 auf, die in der Mitte einen Kanal 17 aufweist, der eine Verbindung zwischen der hier nicht dargestellten zweiten Vorkammer 7 und der Messstrecke 4 bildet. Durch diesen Kanal 17 treten auch die von dem Ultraschallwandler 8 erzeugten Ultraschallwellen in die Messstrecke 4 ein. Auf der Grundplatte 23 aufgesetzt ist auch eine äußere Wand 11, die die Außenseite des Dämpfungsbechers bildet und im unteren Bereich die Einströmöffnung 14 aufweist. Die Einströmöffung 14 führt in den Bereich der ersten Vorkammer 6, in der eine Beruhigungsstruktur 30 ausgebildet ist. Diese ist hier durch die horizontalen Linien angedeutet. In der Beruhigungsstruktur 30 der ersten Vorkammer 6 ist eine Ausströmöffnung 16 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen der ersten Vorkammer 6 zweiten Vorkammer 7 schafft, die unterhalb der Grundplatte 23 angeordnet ist und hier nicht dargestellt ist. Die Messstrecke 4 baut unten auf einem Kegelstumpf 18 auf, der von einer schrägen Flanke in die Messstrecke 4 übergeht. Durch die Kegelstumpfform können sich dort keine Luftblasen festsetzen, so dass ein dauerhafter Betrieb der Vorrichtung 1 möglich ist. Der Kegelstumpf 18 ist nur an einer Stelle unterbrochen bzw. weist eine Aufnehmung aus, nämlich dort, wo die Ausströmöffnung 16 durch den Kegelstumpf 18 hindurch nach unten zur zweiten Vorkammer geführt ist. Auf dem Kegelstumpf 18 ist die erste Vorkammer 6 mit der Beruhigungsstruktur 30 angeordnet. Diese erstreckt sich über etwa 20 % bis 40 % der Höhe des Dämpfungsbechers 9. Im Endbereich, also im oberen Endbereich der ersten Vorkammer 6 verjüngt sich der Dämpfungsbecher 9. In einem Übergang 19 wird die äußere Wand 11 mit zwei gegenläufigen Abrundungen verjüngt und nach oben geführt. Im Inneren der Wand 11 befindet sich die Messstrecke 4, die von einer inneren Wand 24 abgeschlossen ist. Zwischen der innen Wand 24 und der äußeren Wand 11 verbleibt oberhalb der ersten Vorkammer 6 ein im Querschnitt ringförmiger Bereich oder ein sich von oben nach unten erstreckender Ringspalt, der den Entlüftungskanal 15 bildet. Dieser Entlüftungskanal 15 erstreckt sich bis zum oberen Endbereich des Dämpfungsbechers 9. Der Endbereich 20 der Messstrecke 4 ist sich verjüngend ausgebildet. Die innere Wand 24 ist in diesem oberen Bereich, der im Bereich der Kappe 10 liegt, nach innen geneigt. Die äußere Wand 11 weist in diesem oberen Bereich eine Auskragung 22 auf, die zur Aufnahme der Kappe 10 dient.
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In 4 ist eine geschnittene Draufsicht auf den unteren Teil des Dämpfungsbechers 9 dargestellt. In der Draufsicht ist insbesondere die Grundplatte 23 zu sehen, die auch als Flansch bezeichnet wird. Diese ist kreisförmig ausgebildet. In der äußeren Wand 11 ist die Einströmöffnung 14 vorgesehen, durch die Flüssigkeit, insbesondere Öl, in die Vorkammer 6 mit der Beruhigungsstruktur 30 einströmt. Die Beruhigungsstruktur 30 ist hier als sternförmiger Bereich 27 mit hier insgesamt sieben nach außen gerichteten Fingern 25 ausgebildet. Diese erstrecken sich ausgehend von der inneren Wand 11, die die Messstrecke 4 umgibt. In die Zwischenräume zwischen diesen Fingern 25 erstrecken sich von außen Vorsprünge 26. Dadurch wird ein meanderförmiger Weg jeweils um die Finger 25 und die Vorsprünge 26 herum geschaffen, der von der Flüssigkeit auf dem Weg von der Einströmöffnung 14 zur genau gegenüberliegenden Ausströmöffnung 16 durchlaufen werden muss. Die dabei entstehenden Meanderstruktur ist gegenläufig ausgebildet, so dass das gesamte Volumen als Beruhigungsstrecke ausgebildet ist und der steigende Fülldruck die leichteren Luftblasen nach oben gleichmäßig anheben kann. Die Einströmöffnung 14 hat hinsichtlich des Flüssigkeitsaustauschs keine Vorzugsrichtung. Bei einem fallenden Füllstand strömt also durch die Einströmöffnung 14 auch wieder Flüssigkeit, insbesondere Öl aus dem Dämpfungsbecher 9 in den Behälter 2 zurück.
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In 5 ist anschließend an 3 ein Querschnitt durch die Kappe 10 und den oberen Bereich des Dämpfungsbechers 9 dargestellt. Der obere Endbereich 20 der Wand 24 ist nach oben verjüngt und erstreckt sich bis in den Bereich der Kappe 10. In der Kappe 10 ist insbesondere die Entlüftung 12 angeordnet, durch die Gas aus der Messstrecke 4 und der Beruhigungsstruktur 30 nach oben austreten kann. Bei steigendem Ölstand besteht jedoch auch die Gefahr, dass durch die Entlüftung 12 Ölschaum in die Kappe 10 und damit in den Dämpfungsbecher 9 eintritt und in die Messstrecke 4 gelangen kann. Dies ist unerwünscht. Hierzu ist in der Kappe 10 eine umlaufende ringförmige Abschirmung 28 vorgesehen, die sich vom oberen Bereich der Kappe 10 nach unten erstreckt. Das untere Ende der ringförmigen Abschirmung 28 endet unterhalb des oberen Abschlusses 21 des oberen Endbereichs 20 der Wand 11. Dadurch wird durch die Entlüftung 12 eintretender Ölschaum durch die Abschirmung 28 zunächst in den darunter liegenden Aufnahmeraum 29 geleitet. Bevor dieser nun innen an dem oberen Endbereich 20 der Messstrecke 4 hochsteigt und in die Messstrecke 4 gelangt, kann dieser Ölschaum auch in den Entlüftungskanal 15 eintreten und dort aufgenommen werden. Dadurch wird ein Einströmen in die Messstrecke 4 verhindert.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.