Radar-Füllstand Störechos: Phantompegel durch Stutzen und Einbauten beseitigen

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Ein Radar-Füllstandsensor kann elektrisch einwandfrei arbeiten und trotzdem einen falschen Füllstand anzeigen. Der Messwert bleibt beispielsweise auf einer bestimmten Höhe stehen, springt beim Rühren plötzlich nach oben oder zeigt auch im nahezu leeren Tank noch einen scheinbaren Restfüllstand.

Solche Phantompegel entstehen häufig, wenn der Sensor nicht das Echo der Produktoberfläche, sondern eine Reflexion von einem Montagestutzen, einer Leiter, einem Rührwerk, einer Heizschlange oder einer Schweißnaht auswertet. Auch Kondensat, Ablagerungen, Schaum und eine falsch eingestellte Behältergeometrie können die Echoauswahl beeinflussen.

Eine Störechoausblendung kann feste Reflexionen unterdrücken. Sie ersetzt jedoch keine geeignete Montage. Wird eine grundsätzlich ungünstige Einbausituation nur durch eine sehr weitreichende Echoausblendung überdeckt, kann der Sensor später auch einen realen hohen Füllstand nicht mehr zuverlässig erkennen.

Geeignete berührungslose und kontaktierende Messsysteme finden Sie im Bereich Kontinuierliche Füllstanderfassung. Eine Übersicht über Radar, Ultraschall, TDR, hydrostatische und weitere Verfahren bietet die Kategorie Füllstandmesstechnik.

Wie entsteht der Füllstandwert bei einer Radarmessung?

Ein freistrahlender Radarsensor sendet elektromagnetische Signale in Richtung der Produktoberfläche. Ein Teil der Energie wird dort reflektiert und vom Sensor wieder empfangen. Aus der Laufzeit beziehungsweise der Frequenzdifferenz bestimmt das Gerät den Abstand zwischen Antenne und Oberfläche.

Der Füllstand ergibt sich vereinfacht aus:

Füllstand = eingestellte Leer-Distanz − gemessene Distanz

Der Sensor empfängt jedoch nicht nur das Echo der Produktoberfläche. Auch feste metallische Bauteile, scharfe Kanten, Stutzenwände oder Behälterböden können Radarenergie reflektieren. Die Signalverarbeitung muss deshalb aus mehreren Echos dasjenige auswählen, das mit größter Wahrscheinlichkeit zur realen Oberfläche gehört.

Ein Phantompegel entsteht, wenn ein falsches Echo stärker, plausibler oder stabiler erscheint als das tatsächliche Produktecho. Der Sensor misst dann die Entfernung zu einem Einbauteil und rechnet diese Distanz in einen scheinbaren Füllstand um.

Woran lässt sich ein Phantompegel erkennen?

Ein falsches Echo zeigt häufig ein anderes Verhalten als eine echte Produktoberfläche. Typische Hinweise sind:

• Der Messwert bleibt trotz Befüllen oder Entleeren auf derselben Höhe stehen.
• Der Füllstand springt wiederholt auf einen bestimmten Wert.
• Der Fehler tritt nur bei laufendem Rührwerk auf.
• Bei leerem Tank wird weiterhin ein konstanter Restfüllstand angezeigt.
• Der Messwert ändert sich nach Kondensatbildung oder Reinigung der Antenne.
• Die lokale Distanzanzeige passt nicht zur tatsächlich gemessenen Tankhöhe.

Ein realer Oberflächenecho bewegt sich beim Befüllen und Entleeren. Das Echo eines festen Einbauteils bleibt dagegen an derselben Distanz. Dieser Unterschied ist bei der Auswertung des Echoprofils besonders hilfreich.

Zeigt der Sensor lokal eine plausible Distanz, während nur die Steuerung einen falschen Füllstand berechnet, liegt wahrscheinlich kein Störecho vor. In diesem Fall müssen Leer- und Vollpunkt, Tanklinearisierung und Skalierung der nachgeschalteten Auswertung geprüft werden.

Einbauposition und Antennenausrichtung prüfen

Die beste Störechoausblendung beginnt mit einer geeigneten Einbauposition. Der Radarstrahl sollte die relevante Produktoberfläche möglichst ungehindert erreichen.

Ungünstig sind insbesondere Montagepunkte:

• direkt über einem Zulauf oder Befüllstrahl,
• unmittelbar neben einer Behälterwand,
• über einem Rührwerksflügel oder einer Heizschlange,
• in der Nähe einer Leiter oder Verstrebung,
• im Zentrum eines stark gewölbten Behälterdaches,
• mit schräg zur Oberfläche ausgerichteter Antenne.

Bei Flüssigkeiten wird die Antenne normalerweise möglichst senkrecht auf die Oberfläche ausgerichtet. Bei Schüttgütern kann die geneigte Oberfläche des Schüttkegels eine angepasste Ausrichtung erfordern.

Ein Radarsensor mit engem Öffnungswinkel kann Einbauten leichter umgehen als ein breit abstrahlendes Gerät. Ein schmaler Messkegel löst jedoch keine Montageprobleme, wenn sich ein Hindernis direkt in der Strahlachse befindet.

Der erforderliche Abstand zur Tankwand und zu Einbauten ist gerätespezifisch. Maßgeblich sind Antennentyp, Radarfrequenz, Öffnungswinkel, Messbereich und Behälterform.

Warum Montagestutzen Störechos erzeugen

Ein langer und enger metallischer Stutzen kann die Radarenergie mehrfach reflektieren. Innenliegende Schweißnähte, scharfe Kanten, Reduzierungen oder hervorstehende Dichtungen verstärken diesen Effekt.

Besonders kritisch ist eine Antenne, die weit in einem ungeeigneten Stutzen zurückgesetzt ist. Das Signal trifft dann zunächst auf die Stutzenwand, bevor es in den Behälter gelangt. Dadurch können starke Nahbereichsechos und Mehrfachreflexionen entstehen.

Bei der Bewertung des Stutzens sind wichtig:

• Innendurchmesser,
• Stutzenlänge,
• Antennendurchmesser und Abstrahlwinkel,
• Position der Antenne innerhalb des Stutzens,
• innere Schweißnähte und Kanten,
• Dichtung und Flanschgeometrie,
• mögliche Kondensat- oder Produktablagerungen.

Ob die Antenne unterhalb des Stutzens enden muss oder innerhalb eines definierten Stutzens montiert werden darf, hängt von der konkreten Sensorbauform ab. Eine pauschale Verlängerung oder ein nachträglicher Adapter kann die Messung verschlechtern.

Ist der vorhandene Stutzen ungeeignet, sind ein kürzerer beziehungsweise breiterer Stutzen, ein anderer Antennentyp oder eine neue Einbauposition häufig zuverlässiger als eine umfangreiche Parametrierung.

Rührwerke, Leitern und weitere Einbauten

Feste Behältereinbauten erzeugen Reflexionen an einer konstanten Distanz. Dazu gehören beispielsweise:

• Leitern und Wartungsstege,
• Heiz- und Kühlschlangen,
• Verstrebungen und Träger,
• Rohrleitungen und Sprühköpfe,
• Schweißnähte und Flanschübergänge,
• Rührwerkswellen und feststehende Rührwerksteile.

Ein Rührwerk erzeugt zusätzlich zeitlich wechselnde Echos. Je nach Stellung des Flügels kann kurzzeitig eine starke Reflexion auftreten. Der Messwert springt dann möglicherweise in einem regelmäßigen Rhythmus oder wird nur während des Rührbetriebs instabil.

Bewegliche Echos sollten nicht durch eine großflächige statische Ausblendung über den gesamten Messbereich unterdrückt werden. Sinnvoller sind eine andere Einbauposition, ein engerer Messkegel, eine angepasste Echoverfolgung oder eine gezielt eingestellte Dämpfung.

Auch der Zulauf kann wie ein Einbauteil wirken. Ein dichter Flüssigkeitsstrahl, Staub oder herabfallendes Schüttgut erzeugt ein starkes bewegliches Echo. Der Sensor sollte deshalb möglichst nicht direkt auf den Befüllstrom ausgerichtet sein.

Nahbereich und maximalen Füllstand richtig einstellen

Im Bereich unmittelbar vor der Antenne können Stutzenreflexionen, Antennenabklingen, Ablagerungen oder Kondensat die Messung beeinflussen. Dieser Bereich wird je nach Hersteller als Nahbereich, Blockdistanz, Totzone oder Nahbereichsausblendung bezeichnet.

Moderne Sensoren können einen sehr kleinen Nahbereich besitzen oder bis nahe an die Antenne messen. Trotzdem muss die konkrete Geräteausführung geprüft werden. Der maximal mögliche Füllstand darf nicht unkontrolliert in einen Bereich gelangen, in dem das Oberflächenecho nicht mehr zuverlässig von Stutzen- oder Antennenechos getrennt werden kann.

Eine zu große Nahbereichsausblendung verhindert unter Umständen, dass ein realer hoher Füllstand erkannt wird. Eine zu kleine Ausblendung kann dazu führen, dass Kondensat oder ein Stutzenecho als Oberfläche ausgewertet wird.

Die Einstellung muss daher zum tatsächlichen maximalen Füllstand, zum Überfüllraum und zur Geometrie des Prozessanschlusses passen.

Tankhöhe und Behältergeometrie parametrieren

Bei der Inbetriebnahme werden normalerweise eine Referenzebene, die Leer-Distanz und der gewünschte Messbereich festgelegt. Fehler in diesen Grundparametern können wie ein Phantompegel wirken.

Typische Parametrierfehler sind:

• Tankhöhe ab Flansch statt ab Antennenreferenz gemessen,
• Stutzenhöhe nicht berücksichtigt,
• falscher Leerpunkt eingetragen,
• Vollpunkt innerhalb des Nahbereichs festgelegt,
• Distanz und Füllhöhe verwechselt,
• Tanklinearisierung mit falschen Abmessungen verwendet.

Bei einem zylindrischen Tank mit flachem Boden ist die Umrechnung vergleichsweise einfach. Konische Böden, liegende Zylindertanks oder unregelmäßige Behälter benötigen dagegen eine passende Linearisierung.

Eine fehlerhafte Volumenkennlinie verändert normalerweise nicht die gemessene Rohdistanz. Deshalb sollte bei der Diagnose zunächst die Distanz geprüft werden. Ist sie korrekt, liegt der Fehler eher in der Umrechnung als in der Echoauswahl.

Dielektrizitätszahl, Schaum und Kondensat bewerten

Die Stärke des reflektierten Radarsignals hängt unter anderem von den elektrischen Eigenschaften des Mediums ab. Medien mit geringer Dielektrizitätszahl erzeugen häufig ein schwächeres Oberflächenecho als Wasser oder andere stark reflektierende Flüssigkeiten.

Bei einem schwachen Produktecho können feste metallische Einbauten leichter dominieren. Besonders bei niedrigem Füllstand kann ein Teil der Radarenergie das Medium durchdringen und vom Behälterboden reflektiert werden.

Weitere Einflüsse sind:

• Schaum: kann das Signal dämpfen oder diffus reflektieren.
• Turbulenz: verbreitert das Oberflächenecho und macht die Echoverfolgung schwieriger.
• Kondensat: kann auf Antenne oder Prozessanschluss ein starkes Nahbereichsecho erzeugen.
• Ablagerungen: verändern die Antennengeometrie und schwächen das ausgesendete Signal.
• Staub: kann in Silos das Signal dämpfen und zusätzliche Reflexionen verursachen.

Bei wechselnden Prozessbedingungen sollte der Sensor nicht nur im ruhigen Zustand geprüft werden. Befüllen, Entleeren, Rühren, Reinigung und Temperaturwechsel müssen ebenfalls betrachtet werden.

Störechoausblendung richtig durchführen

Bei einer Störechoausblendung beziehungsweise Behälteraufnahme speichert der Sensor feste Reflexionen innerhalb eines definierten Distanzbereichs. Diese Echos werden bei der späteren Auswahl des Oberflächensignals geringer gewichtet oder unterdrückt.

Für eine zuverlässige Aufnahme sollte der Tank möglichst leer oder auf einem sicher bekannten niedrigen Füllstand sein. Der tatsächliche Produktecho darf nicht versehentlich als Störecho eingelernt werden.

Ein sinnvoller Ablauf ist:

1. Tatsächlichen Füllstand unabhängig bestimmen.
2. Echoprofil vor der Änderung speichern oder dokumentieren.
3. Störechos und Produktecho eindeutig zuordnen.
4. Ausblendungsbereich nur bis vor das reale Produktecho festlegen.
5. Behälteraufnahme durchführen.
6. Echoprofil erneut kontrollieren.
7. Messung bei mehreren Füllständen prüfen.

Die Echoausblendung sollte nicht unnötig über die komplette Tankhöhe durchgeführt werden. Ein später real auftretender Füllstand könnte sonst in einem ausgeblendeten Bereich liegen.

Nach Änderungen an Stutzen, Antenne, Behältereinbauten oder Sensorposition muss die vorhandene Störechoaufnahme überprüft und gegebenenfalls neu erstellt werden.

Echoprofil und Signalqualität auswerten

Das Echoprofil zeigt die empfangenen Reflexionen über der gemessenen Distanz. Für die Diagnose ist es wesentlich aussagekräftiger als ein einzelner Füllstandwert.

Geprüft werden sollten:

• Position des ausgewählten Echos,
• Stärke des Produktechos,
• Abstand zu benachbarten Störechos,
• Grundrauschen,
• Signalqualität beziehungsweise Vertrauenswert,
• Verhalten bei Befüllen, Entleeren und Rühren.

Ein festes Echo bleibt im Profil an derselben Distanz. Das Produktecho bewegt sich dagegen gemeinsam mit der Oberfläche. Durch Aufzeichnungen bei mehreren bekannten Füllständen lässt sich die Zuordnung meist eindeutig bestätigen.

Eine starke Echoamplitude allein beweist nicht, dass das richtige Signal ausgewählt wurde. Metallische Einbauten können wesentlich stärker reflektieren als die Produktoberfläche.

Messung im Schwall- oder Führungsrohr

Ein Schwall- oder Führungsrohr kann bei stark bewegten Oberflächen, Schaum oder Rührwerken einen ruhigeren Messraum schaffen. Es muss jedoch für die Radarmessung geeignet ausgeführt sein.

Wichtige Anforderungen sind:

• gerades und ausreichend großes Innenrohr,
• glatte Innenfläche ohne starke Schweißwülste,
• passende Antenne und Sensorfreigabe,
• geeignete Be- und Entlüftung,
• sicherer Flüssigkeitsaustausch mit dem Behälter,
• keine Ablagerungen oder zugesetzten Öffnungen.

Ungeeignete Bohrungen, Schlitze, Rohrverbinder oder Querschnittsänderungen können selbst Störechos erzeugen. Ein beliebiges vorhandenes Schutzrohr ist deshalb nicht automatisch als Radarmessrohr geeignet.

Bei sehr engen Behältern mit zahlreichen Einbauten kann eine geführte Mikrowelle eine Alternative sein. Das Radarsignal wird dabei entlang einer Stab- oder Seilsonde geführt und ist weniger von seitlichen Behältereinbauten abhängig.

Typische Fehlerbilder und Ursachen

Fehlerbild	Wahrscheinliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Konstanter Füllstand trotz Entleerung	Festes Echo von Leiter, Stutzen oder Behältereinbau	Echoprofil mit leerem Tank auswerten
Messwert springt beim Rühren	Reflexion vom Rührwerksflügel	Signal bei stehendem und laufendem Rührwerk vergleichen
Falscher hoher Wert bei Kondensat	Nahbereichsecho an Antenne oder Stutzen	Antenne prüfen und Nahbereich bewerten
Signal verschwindet bei Schaum	Produktecho wird stark gedämpft	Signalqualität unter realen Prozessbedingungen prüfen
Messwert springt bei niedrigem Füllstand	Bodenecho oder schwache Reflexion des Mediums	Echoprofil im unteren Messbereich aufzeichnen
Fehler nur beim Befüllen	Zulaufstrahl oder Staubwolke im Messkegel	Sensorposition relativ zum Einlauf prüfen
Lokale Distanz stimmt, Volumen ist falsch	Fehlerhafte Tanklinearisierung	Behälterabmessungen und Stützpunkte kontrollieren
Hoher Füllstand wird nicht erkannt	Nahbereich oder Störechoausblendung zu groß	Ausblendungsgrenzen und maximalen Füllstand prüfen

Praxisbeispiel: Fester Phantompegel im Lagertank

Ein Radarsensor wird auf einem Lagertank über einen langen, schmalen Montagestutzen installiert. Im Tank befinden sich eine seitliche Leiter und eine Heizschlange. Nach der Inbetriebnahme zeigt der Sensor beim Entleeren wiederholt denselben Restfüllstand an.

Die elektrische Verbindung und die eingestellte Tankhöhe sind korrekt. Im Echoprofil ist jedoch an einer festen Distanz ein starkes Signal erkennbar. Eine manuelle Kontrolle zeigt, dass sich dort die obere Befestigung der Tankleiter befindet.

Zusätzlich erzeugt der lange Stutzen mehrere Echos im Nahbereich. Der reale Produktecho ist bei niedrigem Füllstand schwächer als die Reflexion der Leiter.

Die Messstelle wird daraufhin angepasst:

• Der Sensor wird auf einen kürzeren und breiteren Stutzen umgesetzt.
• Die Antenne wird von der Leiter weg ausgerichtet.
• Eine innere Schweißkante am Stutzen wird fachgerecht geglättet.
• Die alte Störechoaufnahme wird gelöscht.
• Bei niedrigem, bekanntem Füllstand wird eine neue Ausblendung nur bis vor das Produktecho erstellt.

Nach der Anpassung bleibt das Produktecho über den gesamten Messbereich stärker als die festen Reflexionen. Der Phantompegel tritt beim Entleeren nicht mehr auf.

Das Beispiel zeigt, dass Störechoausblendung und mechanische Optimierung zusammengehören. Eine ungeeignete Einbauposition sollte nicht ausschließlich durch Parametrierung kompensiert werden.

Empfohlener Ablauf bei der Fehlersuche

1. Tatsächlichen Füllstand mit einer unabhängigen Referenz prüfen.
2. Lokale Distanzanzeige und berechneten Füllstand vergleichen.
3. Tankhöhe, Referenzebene, Leerpunkt und Vollpunkt kontrollieren.
4. Einbauposition, Antennenausrichtung und Öffnungswinkel bewerten.
5. Stutzenlänge, Innendurchmesser und innere Kanten prüfen.
6. Leitern, Rührwerke, Heizschlangen und Zuläufe im Messkegel erfassen.
7. Echoprofil bei bekanntem Füllstand speichern.
8. Feststehende und bewegliche Echos voneinander unterscheiden.
9. Kondensat, Ablagerungen, Schaum und Turbulenz berücksichtigen.
10. Nahbereich und bestehende Störechoausblendung kontrollieren.
11. Mechanische Einbausituation soweit möglich verbessern.
12. Störechoaufnahme mit korrekt begrenztem Bereich neu durchführen.
13. Messung beim Befüllen, Entleeren und im normalen Betrieb prüfen.
14. Funktionierende Parameter und Echoprofile dokumentieren.

Welche Produkte eignen sich?

Kontinuierliche Füllstanderfassung

Die Kategorie Kontinuierliche Füllstanderfassung umfasst Radar-, TDR-, Ultraschall- und weitere Messsysteme für Flüssigkeiten, Schlämme und Schüttgüter.

Bei der Auswahl eines Radarsensors müssen insbesondere Antennentyp, Öffnungswinkel, Messbereich, Prozessanschluss, Druck, Temperatur, Medium und Behältergeometrie gemeinsam betrachtet werden.

SITRANS LR100 Baureihe

Die SITRANS-LR100-Baureihe umfasst kompakte 80-GHz-Radarsensoren für Flüssigkeiten und Schüttgüter. Der eng gebündelte Radarstrahl ist besonders hilfreich, wenn vorhandene Behälteröffnungen genutzt und seitliche Einbauten möglichst vermieden werden sollen.

Je nach Geräteausführung unterscheiden sich Messbereich, Kommunikation, Zulassungen und Prozessanschluss. Trotz des schmalen Messkegels muss der Einbauort frei von direkt angestrahlten Hindernissen bleiben.

SITRANS LR510, LR530 und LR550

Für anspruchsvollere Tanks, Prozessbehälter und Silos stehen unterschiedliche Geräte der SITRANS-LR500-Baureihe zur Verfügung. Dazu gehören Ausführungen mit Gewinde-, Flansch-, gekapselten und Hornantennen.

Echoprofilanzeige, Diagnosefunktionen sowie automatische Nahbereichs- und Störechoausblendung unterstützen bei Inbetriebnahme und Anlagenüberwachung. Die passende Geräteausführung richtet sich nach Flüssigkeit oder Schüttgut, Prozessdaten, Einbausituation und erforderlichem Messbereich.

Alternative Füllstandmessverfahren

In der Kategorie Füllstandmesstechnik stehen ergänzend geführte Mikrowelle, Ultraschall, hydrostatische Sensoren, kapazitive Systeme und schwimmerbasierte Lösungen zur Verfügung.

Wenn ein Behälter keinen freien Radar-Messweg bietet, kann ein anderes Messprinzip zuverlässiger sein als eine immer umfangreichere Störechoausblendung.

Fazit: Störechos zuerst verstehen und dann gezielt ausblenden

Ein Phantompegel bedeutet nicht automatisch, dass der Radarsensor defekt ist. Häufig wertet das Gerät eine reale Reflexion aus, die jedoch nicht von der Produktoberfläche, sondern von einem Stutzen, einer Leiter, einem Rührwerk oder einem anderen Behältereinbau stammt.

Die wichtigste Maßnahme ist eine geeignete Einbauposition mit freiem Messweg. Stutzen, Antenne und Öffnungswinkel müssen zueinander passen. Kondensat, Ablagerungen, Schaum und geringe Reflexionseigenschaften des Mediums sind ebenfalls zu berücksichtigen.

Eine Störechoausblendung sollte erst nach der mechanischen Prüfung und anhand eines Echoprofils durchgeführt werden. Der reale Produktecho darf dabei nicht eingelernt oder durch eine zu große Nahbereichsausblendung unterdrückt werden.

Eine stabile Radarmessung entsteht, wenn Behältergeometrie, Antennenauswahl, Montage und Parametrierung gemeinsam betrachtet und unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen geprüft werden.

Häufige Fragen zu Phantompegeln bei Radar-Füllstandsensoren

Was ist ein Phantompegel?

Ein Phantompegel ist ein scheinbarer Füllstand, der durch die Auswertung eines falschen Radarechos entsteht. Das Echo stammt beispielsweise von einem Stutzen, einer Leiter oder einem Rührwerk statt von der Produktoberfläche.

Kann ein langer Stutzen die Radarmessung beeinflussen?

Ja. Ein langer oder zu schmaler metallischer Stutzen kann starke Nahbereichsechos und Mehrfachreflexionen erzeugen. Stutzengeometrie und Antennentyp müssen deshalb zusammenpassen.

Wann sollte eine Störechoausblendung durchgeführt werden?

Am besten bei leerem oder sicher bekanntem niedrigem Füllstand. Der tatsächliche Produktecho muss eindeutig bekannt sein und darf nicht in den auszublendenden Bereich fallen.

Kann die Störechoausblendung zu groß eingestellt werden?

Ja. Eine zu weitreichende Ausblendung kann einen realen hohen Füllstand unterdrücken. Der Bereich sollte deshalb nur so groß wie technisch notwendig gewählt werden.

Warum springt der Messwert nur bei laufendem Rührwerk?

Ein Rührwerksflügel kann zeitweise ein stärkeres Echo als die Produktoberfläche erzeugen. Mögliche Maßnahmen sind eine andere Sensorposition, ein engerer Messkegel oder eine angepasste Echoverfolgung.

Kann Schaum einen zu niedrigen Füllstand verursachen?

Ja. Schaum kann das Radarsignal dämpfen oder diffus reflektieren. Je nach Schaumstruktur erkennt der Sensor die Schaumoberfläche, die darunterliegende Flüssigkeit oder zeitweise kein ausreichend starkes Echo.

Warum wird bei leerem Tank noch ein Füllstand angezeigt?

Mögliche Ursachen sind ein Bodenecho, ein festes Einbauteil, ein Stutzenecho oder eine falsche Leer-Distanz. Das Echoprofil sollte bei nachweislich leerem Behälter geprüft werden.

Ist ein 80-GHz-Radarsensor grundsätzlich unempfindlich gegen Einbauten?

Nein. Der schmale Messkegel erleichtert die Montage zwischen Einbauten, kann aber ein direkt im Strahl liegendes Hindernis weiterhin erfassen. Eine freie Sicht auf die Produktoberfläche bleibt erforderlich.