Hallo zusammen, ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen. Das Problem ist, dass die Temperaturdifferenz sehr klein ist, und somit auch die zu messende Widerstandsdifferenz sehr klein ausfällt: Die Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm. Ich habe mir folgende stromgespeiste Messschaltung mit Differenzverstärkern (z. Bsp. INA116 oder AD8429) überlegt, um die Widerstandsdifferenz über eine Spannungsdifferenz zu messen: Siehe Bild im Anhang. Könnte das mit diesen Bausteinen gehen oder keine Chance? Beachtet bitte, dass die Widerstandsdifferenz sehr klein ist, und der Speisestrom auch sehr klein ist - darf wegen Eigenerwärmung der Widerstände nicht größer sein. Könnte man das auch mit nur einem Baustein machen (Ich hab hier zwei genommen, weil U1 nicht gegen Masse abfällt)? Welche Parameter der Instrumentierungsverstärker sind hier auschlaggebend? Irgendwelche Alternativen zur Messung solch minimaler Widerstandsdifferenzen (Brückenschaltung, etc)? Gruß Messknecht
>Das Problem ist, dass die Temperaturdifferenz sehr klein ist, und somit >auch die zu messende Widerstandsdifferenz sehr klein ausfällt: Die >Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die >Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm. Das wäre ja 23bit Genauigkeit. Kannste vergessen. Alleine die CMRR der INAs ist um Größenordnungen schlechter. Am ehesten geht das mit einer AC-Brücke und hochgenauen Referenzwiderständen, die aber selbst nicht mehr driften dürfen als 0,00001%. Also sag mal...
Hi, Messknecht, > ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei > Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer > Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen. Klassische Anwendung einer Brückenschaltung. Du brauchst "nur" zwei weitere gleiche Widerstände, die um mindestens eine Klasse präzises sind. Ciao Wolfgang Horn
Messknecht schrieb: > Hallo zusammen, > > ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei > Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer > Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen. > > Das Problem ist, dass die Temperaturdifferenz sehr klein ist, und somit > auch die zu messende Widerstandsdifferenz sehr klein ausfällt: Die > Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die > Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm. Aha, und wie gross ist die Widerstandsdifferenz Deiner Widerstände bei gleicher Temperatur? Gruss Harald
Messknecht schrieb: > Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die > Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm. Weisst Du, was Du da willst? 0.001ohm an 10k, das ist, als würdest Du dem 10k Widerstand einen 100Gohm Widerstand parallelschalten. Vergiss es. Einmal draufatmen oder Tür offenlassen verändert den Widerstandswert um Größenordnungen mehr. Von Drift, Alterung, Mikrofonie, Thermospannungen, Zuleitungen mal ganz zu schweigen. Was ist die Anwendung? Welche Messbedingungen (T absolut, delta T, Geschwindigkeit, Medium)? Welche Umgebungsbedingungen? Welcher Sensor ist geplant? Dann können wir vlt mal über ein geeignetes Messverfahren nachdenken.
Messknecht schrieb: > Hallo zusammen, > > ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei > Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer > Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen. Und wie gross ist diese Temperaturdifferenz? Gruss Harald
Wenn die Anforderungen bzw. die "Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen" nicht anders gemessen wird/werden kann, kann ich mich nur den Vorrednern anschließen: Das wird so absolut nichts (obwohl Spannungen im Bereich 0.1 Ohm * 0.4 mA = 40 uV bzw. 0.001 Ohm * 0.4 mA = 0.4 uV durchaus mit "Hausmitteln" messbar sind). Zum Vergleich: Ein PT100 ändert sich mit ~0.385 Ohm/K, ein PT10000 mit ~38.5 Ohm/K d.h. 0.001 Ohm entsprächen bei letzterem einer Temperaturänderung von ~0.000026 K (26 uK) beim PT100 ~2.6 mK. Ein paar Hinweise zum Messprinzip sind z.B. hier zu finden Beitrag "Re: Optimierung Sensorkette analog" (Die dort genannten Geräte haben Genauigkeiten <= 20 ppb)
Messknecht schrieb: > Irgendwelche Alternativen zur Messung solch minimaler > Widerstandsdifferenzen (Brückenschaltung, etc)? Wie Genaui schon gesagt hat: als AC-Meßbrücke. Ich würde irgendwas ähnlich AN96 (Figure 8) mit entsprechend rauscharmem ADC verwenden. Natürlich mit genügend stabilen Widerstandsteilern (DSMZ oder VHD200) für den anderen Zweig der Meßbrücke. http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an96fa.pdf Gruß Anja
Hmm, über 7 Größenordnungen! Da solltest du vieleicht mal bei der PTB in Braunschweig anfragen. Selbst wenn du genügend genaue Bauteile findest (Siehe Beitrag von Anja) wird wohl alleine der mechanische und thermische Aufbau ein langer schmerzvoller Weg. Viel Erfolg, und wenns klappt poste es doch bitte hier.
Naja. eigentlich sollte man's fast mit normalen Bauteilen schaffen, sie muessen nur thermostatisiert werden. Solange man nicht wie in einem anderen thread 10V und 300mA ueber die Bruecke verpuffen lassen will... Es ist nicht besonders abgehoben eine thermische Stabilitaet von 1mK zu erreichen. Das bedeutet ein Widerstand mit 100ppm/K wird 0.1ppm.
uii schrieb: > eine thermische Stabilitaet von 1mK zu erreichen. Ich weiß ja nicht, 1mK ist ein Pups im anderen Zimmer. Und das wäre nur ein Fehler. Die blöden Fehler haben die Eigenschaft sich zu addieren.
Hallo, Messknecht schrieb: > ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei > Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer > Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen. was soll die Anwendung denn in Wirklichkeit machen? Die Aufgabe erscheint schwer - manchmal ergeben sich einfachere Lösungen, wenn das Gesamtproblem klar ist. Viele Grüße Michael
Eine andere Möglichkeit wäre: 1 Referentwiderstand, man schaltet beide Widerstände abwechselnd dagegen und erfasst die Spannungsänderung, die man dann verstärken kann. Schwierigkeit ist hier das Schalten. Ron < 1mR, Roff >100GOhm
Jedenfalls muss man mit stochasischen Messmethoden ran. Als Ingenieur zu sagen, das geht nicht, ist zwar Kapitulation, aber eine besondere Herausforderung ist 1m Ohm bei 10000 Ohm schon. Eine anschauliche Darstellung zur stochasitischen Messung an einem DMS findes Du in: Praxiseinstieg LabVIEW, ISBN 3772340393, Franzis Verlag 2010 Mit einem Sigma-Delta Wandler (statt USB6008) und der stochasischen Messmethode kommt man nach meiner Einschätzung am weitesten.
Franz222 schrieb: > Jedenfalls muss man mit stochasischen Messmethoden ran. Das beträfe dann die tatsächliche Messung. WAS man dann misst ist allerdings fraglich, da schon das Husten im Nebenraum zu einer Veränderung im o.a. Bereich führen wird. Da nützt dann auch die beste Stochastik nix.
Hallo, danke für die Antworten, ich sehe schon, der angestrebte Messbereich ist mutig.. Die Widerstände sollen in Form von dünnschichtigen Platinbahnen Teil eines Mikrosystems auf einem Chip werden. Es liegt körperlich noch nix vor, mir geht es erstmal darum abzuschätzen, was machbar ist. Gemessen werden soll eigentlich die Temperaturdifferenz zwischen zwei verschiedenen Substanzen auf dem Chip, die mit den Widerständen in Kontakt stehen. Die Substanzen werden kontrolliert erwärmt (Temperatur-Zeit-Programm). Die Temperaturdifferenz ergibt sich einfach gesagt daher, dass die Substanzen unterschiedlich auf die Erwärmung reagieren. Man kann die Temperaturdifferenzmessung z.B. mit einer Thermopile machen, aber mir geht's um zusätzliche Alternativen. Die Temperaturdifferenzen werden vermutlich im Bereich 500 mK bis mikroK liegen. Je feiner ich auflösen kann, um so besser natürlich. Wenn ich's mal kurz überschlage, führt das zu Widerstandsdifferenzen von 20 Ohm bis 0.001 Ohm etwa, bei 10KOhm Platin-Widerständen. @Harald Ich geh davon aus, dass die Widerstände sehr präzise hergestellt werden können. Wie genau, weiss ich leider noch nicht. Aber selbst wenn die Widerstände bei gleicher Temperatur in ihrem Wert voneinander abweichen, so müsste das - wenn die Temperatur sich nur an einem Widerstand ändert und am anderen gleichbleibt - ein konstanter Offset sein, oder? Angenommen R2 weicht um +-Rx von R1 ab -> R1 = R R2 = R +-Rx Temperatur an R2 bleibt konstant, Temperaturerhöhung an R1 führt zur gesuchten Widerstandserhöhung um deltaR -> R1 = R + deltaR Dann ist R1 - R2 = R + deltaR - R +-Rx = deltaR +-Rx Wenn ich Rx kenne, kann ich's heraus kalibrieren. Werden beide Widerstände gleichmäßig erwärmt, ändert sich natürlich auch Rx mit der Temperatur. Wenn ich aber das Temperatur-Zeit-Programm, das die Erwärmung regelt, kenne und es für jede Messreihe reproduzierbar ist, könnte ich mir in einer Kalibrierungsphase eine Kennlinie aufnehmen und mir den Messfehler herausrechenen. Das mit der Brückenschaltung war auch mein erster Gedanke -> Wheatstone-Brücke im Ausschlagverfahren. Allerdings hätte ich auch da Messspannungen bis runter in den uV-Bereich. @Arc Net Arc Net schrieb: > obwohl > Spannungen im Bereich 0.1 Ohm * 0.4 mA = 40 uV bzw. 0.001 Ohm * 0.4 mA = > 0.4 uV durchaus mit "Hausmitteln" messbar sind Das würde mich in diesem Zusammenhang interessieren, ich hab keine Erfahrung mit so kleinen Spannungen. Hättest du einen Tip für eine Meßschaltung, Bauteile, etc.? Was wäre wenn ich die Brückendiagonalspannung einfach mit einem Instrumentenverstärker, wie dem AD8429 verstärke, TP-filtere (Nutzsignalbandbreite liegt im Bereich bis 10 Hz) und das mit einer PC-Messkarte messe? Was meint ihr mit AC-Messbrücke (ich hab praktisch Gleichspannungen)? Ich frage mich halt, welche Widerstandsdifferenzen noch realistisch messbar wären.
Lionel Messiknecht schrieb: > @Harald > Ich geh davon aus, dass die Widerstände sehr präzise hergestellt > werden können. Wie genau, weiss ich leider noch nicht. M.E. kannst Du die Widerstände nur einzeln messen, wobei Du vorher jeden einzeln kalbrieren musst. Wie das bei Deinem Aufbau gemacht werden kann, weiss ich nicht. Grundsätzlich brauchst Du dann erst einmal ein Thermometer mit mK-Genauigkeit. So etwas kann man kaufen, ist aber nicht ganz billig. Ich halte es für möglich, Abweichungen von einigen mK zu messen. Darunter wird es dann aber zunehmend schwieriger. Gruss Harald
Es geht also um Platinwiderstaende von 10k. Die machen 30 ohm aenderung pro Grad. Das kann man mit einer bruecke noch sehr gut aufloesen. Also eine Bruecke mit 3 10k Folienwiderstanden (Vishay)zB 0.01% 2ppm/K plus den zu messenden Platin. MmiliGrsad misst man schon mit einem Spannungsteiler aus Folienwiderstand und Platinwiderstand. Mit einer AC Bruecke sollte man auf mikroGrad runter kommen.
>Das Problem ist, dass die Temperaturdifferenz sehr klein ist, und somit >auch die zu messende Widerstandsdifferenz sehr klein ausfällt: Die >Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die >Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm. >Wenn ich's mal kurz überschlage, führt das zu Widerstandsdifferenzen >von 20 Ohm bis 0.001 Ohm etwa, bei 10KOhm Platin-Widerständen. Deine dünnschichtigen Platinbahnen unterliegen, so wie alle anderen Widerstände auch, einer Alterung. So rund 0,001% bis 0,01% pro Jahr, abhängig von den Umgebungsbedingungen, ist realistisch. 0,01% von 10k sind aber bereits 1 Ohm!
Zweieinhalb Oschi schrieb: > Es geht also um Platinwiderstaende von 10k. Die machen 30 ohm aenderung > pro Grad. Als Platindraht oder Metallschicht auf einer Folie. (ca 0.385 %/K) Auf einem Chip muß man zusätzlich noch Differenz der Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigen (Dehnungsmeßstreifen-Prinzip). Die Vishay-Widerstände sind nur deswegen so temperaturstabil weil das Aluminium-Substrat und die aufgebrachte Metallfolie sich gegenseitig über den Ausdehnungskoeffizienten kompensieren. Gruß Anja
So wie es aussieht kommt es gar nicht so sehr auf den Absolutwert der Differenz an, sondern nur auf Unterschiede in der Änderung. Das könnte man ggf. mit einer AC Messbrücke realisieren. Es sollten sich Transformatoren finden, die 2 genau gegenphasige Wechselspannungen (z.B. 70 Hz) herstellen können. Damit und den 2 PT Widerständen kann man dann ein Brücke Aufbauen mit dem Trafo (Mitte) an Erde und den Punkt zwischen den Pt Widerständen als Ausgang. Die verstärkte Spannung und die Speisespannung für die Brücke kann man dann per AD Wandler relativ unproblematisch abtasten - so hoch muss die Auflösung nicht mehr sein (selbst 16 Bit sind nicht mal nötig) - weil man nur die Differenz misst und auch deutlich mehr als 1 Abtastwert für die Amplitude bekommt. Wenn das kleine Widerstände auf einem Chip werden, wird 0,4 mA an Strom vermutlich viel zu viel sein. Ich würde lieber mit 1 µA an Strom oder einem niedrigeren Widerstand (eher 100 Ohm) rechnen. Die dünnen Filme für einen 10 K Widerstand altern schnell. Die Spannungen werden dann kleiner, aber AC massig sind auch 10 nV noch kein großes Problem. Für 1 nV braucht man ggf. etwas Geduld.
Hallo, zunächst eine Literaturempfehlung zu solchen Problemen: Das Keithley Handbuch für die Messung kleiner Größen www.if.tugraz.at/bibliothek/handleitung/HANDBOOK-Low-Level.pdf > Die Widerstände sollen in Form von dünnschichtigen Platinbahnen Teil > eines Mikrosystems auf einem Chip werden. Es liegt > körperlich noch nix vor, mir geht es erstmal darum abzuschätzen, was > machbar ist. Gemessen werden soll eigentlich die Temperaturdifferenz > zwischen zwei verschiedenen Substanzen auf dem Chip, die mit den > Widerständen in Kontakt stehen. Die Substanzen werden kontrolliert > erwärmt (Temperatur-Zeit-Programm). Die Temperaturdifferenz ergibt > sich einfach gesagt daher, dass die Substanzen unterschiedlich auf die > Erwärmung reagieren. Ist die Dauer der Messung von Wichtigkeit? In welchem Bereich liegen denn die Zeitkonstanten bei der Erwärmung der Flüssigkeit? Die Temperaturmessung soll ja vermutlich deutlich schneller sein. > Was meint ihr mit AC-Messbrücke (ich hab praktisch Gleichspannungen)? Der Hinweis auf AC-Messbrücke bedeutet folgendes: Wenn Du eine DC-Messung durchführen willst, so hast Du verschiedene Messprobleme wie - Drift und Offset (z. B. der Operationsverstärker) - Thermospannungen (zwischen verschiedenen Metallen) Solchen Problemen gehst Du recht elegant aus dem Weg, wenn Du die Brücke mit Wechselspannung betreibst und Dir anschließend nur die Ströme bei der eingespeisten Frequenz ansiehst. Mein Vorschlag geht in eine ähnliche Richtung. > Die Temperaturdifferenzen werden vermutlich im Bereich 500 mK bis > mikroK liegen. Je feiner ich auflösen kann, um so besser natürlich. > Wenn ich's mal kurz überschlage, führt das zu Widerstandsdifferenzen > von 20 Ohm bis 0.001 Ohm etwa, bei 10KOhm Platin-Widerständen. Die Wünsche sind immer recht groß. Die Realität relativiert das oft recht schnell. > Ich geh davon aus, dass die Widerstände sehr präzise hergestellt > werden können. Wie genau, weiss ich leider noch nicht. Die systematischen Fehler mußt Du ohnehin rausrechnen. > Das mit der Brückenschaltung war auch mein erster Gedanke > -> Wheatstone-Brücke im Ausschlagverfahren. Allerdings hätte ich auch > da Messspannungen bis runter in den uV-Bereich. Wenn Du eine Brücke verwenden willst - was ich als in diesem Fall als recht vernünftig ansehe - würde ich an eine Vollbrücke denken. In einer Vollbrücke hast Du zwei Widerstände mit der hohen und zwei Widerstände mit der tieferen Temperatur. (Ich kann mir kaum vorstellen, daß eine Viertelbrücke wie die Wheatstonebrücke sinnvoll ist. Ansonsten mußt Du ein gutes Konzept haben, um die übrigen Brückenwiderstände konstant zu halten.) Die Diagonalspannung beträgt dann Ud = Uv* Delta R/R Bei einer Versorgungsspannung von 5V und 1mOhm/10kOhm sprechen wir von einer Spannung von 0,5µV. Das ist nicht besonders viel. Ich würde eine Brückenschaltung wie in Abb. 15 von http://www.ti.com/lit/gpn/ads1231 www.ti.com/lit/gpn/ads1231 vorschlagen. Abweichend möchte ich jedoch vorschlagen, daß Du über eine getaktete Schaltung (ein µC muß ja eh zum Auslesen vorhanden sein) die Versorgungsspannung der Brücke regelmäßig umpolst. Konkret: VDD und VREFP bleiben ständig verbunden, VREFN und GND auch. Allerdings schließt Du VDD und GND abwechselnd mal oben und mal unten bei der Brücke an. Dadurch wechselt das Vorzeichen der Diagonalspannung regelmäßig, so daß Du evtl. Driftspannungen wegrechnen kannst. Zum Umschalten kannst Du m. E. relativ problemlos mit ein paar MOSFET realisieren. Die Brückenspannung ist mit dem vorgeschlagenen Chip eine sog. ratiometrische Messung (d. h. die Brückenspannung wird durch die Speisespannung dividiert). Gruß, Michael
Das Datenblatt des AD630 beschreibt auch die Messung kleiner Spannungen. Der AD630 ist das Herzstueck vieler Messbruecken.
10 Groessenordnungen schafft man auch mit Delta Signa Wandlern wie den LTC2440 und entsprechender Beschaltung.
Jungs, der TE will Widerstandsänderungen von 0,001R bei 10k messen. Das sind 0,1ppm! Er will nicht ein Gezuckel registrieren, sondern er will das MESSEN. Messen heißt, daß er eine Aparatur braucht, die noch eine Größenordnung genauer ist, also 0,01ppm. So, kein zusätzlicher Effekt, keine Drift, keine Bauteileroleranzen, nichts, garnichts, darf einen größeren Einfluß als 0,01ppm haben. Auf die Driften einer Platinschicht von +/-0,01% also +/-100ppm habe ich ja schon hingewiesen. Das ist schon 10000 mal größer als erlaubt. Selbst wenn er eine AC-Brücke verwendet, und ohne die geht es garnicht, dann man muß er die AC-Spannung genauer als 0,01ppm messen können. 0,01ppm sind 27bit Genauigkeit. Zum Vergleich, ein 24bit AD-Wandler liefert 24bit Auflösung bei 18bit Genauigkeit...
Kannst du auch Wheatstonsche Messbrücke nehmen (falls hier noch nicht erwähnt) oder eventuell den unterschied im thermischen Rauschen diskriminieren. guck mal hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke da ist die Wheatstonesche Messbrücke erklärt, ist ganz leicht aufzubauen und auszuwerten!
Dann muss man bei der AC bruecke vor der sysnchrongleichrichtung eben nochmals mit Faktor 1000 verstaerken.
>Die Temperaturdifferenz ergibt sich einfach gesagt daher, dass die >Substanzen unterschiedlich auf die Erwärmung reagieren. Du denkst bestimmt an Differenzialthermoanalyse. Das gab es schon vor über 15-20 Jahren. Wenn ich mich richtig erinnere, dann wurden damals AD-wandler mit 24Bit Auflösung verwendet und eine Temperaturauflösung im mK-Bereich war ausreichend. MfG
Vielleicht mit einem 6 Stelligen Multimeter z.B. Hersteller Agilent Herst. Teile-Nr. U3606A - EU ca. 880 Euro bei RS-Elektronik Denke mit einem eigenen Aufbau der Messung ist das HP Multimeter nur schwer zu übertreffen. 6 Stellen
Josef schrieb: > Denke mit einem eigenen Aufbau der Messung ist das HP Multimeter > nur schwer zu übertreffen. 6 Stellen Les dir mal alles durch, der TO will nur etwa 100 mal genauer messen als das Agilent. Ich frage mich gerade wie stark der Strom sein dürfte um die Messwiderstände nicht so zu erwärmen, daß die Genauigkeit flöten geht. Wieviel Masse haben denn die Platinwiderstände?
Möchte zumindest die Herausforderung mit einem Spitzenmessgerät von Agilent (HP) verdutlichen. Agilent 34410A and 34411A (Preiskalssa ca, 1500 Euro) Datenblatt Bei Messung mit RTD 600 Grad Genauigkeit +- 0,003 Grad Wer das um den Faktor 100 übertreffen kann, den empfehle ich nicht einen Versuch in einer Uni oder Industrie auszuwerten, sondern eine Messgerätefima zu gründen. Das würde eine Genauigkeit von 3 mikro Grad bedeuten. Meines Erachtens ist das unmöglich.
Josef schrieb: > Möchte zumindest die Herausforderung mit einem Spitzenmessgerät von > Agilent (HP) verdutlichen. > > Agilent 34410A and 34411A > (Preiskalssa ca, 1500 Euro) > > Datenblatt > > Bei Messung mit RTD 600 Grad > Genauigkeit +- 0,003 Grad [...] Lerne mal Spezifikationen zu lesen... 3441X hat günstigstenfalls +/-60mK OHNE Sensorunsicherheit (und Aufbau!). Und hier geht es um Differenzen, da ist schon etwas mehr Auflösung möglich, die Genauigkeit wird eher durch den Aufbau limitiert (IMHO). Zur AC Meßbrücke wurde schon genug geschrieben, sollte der OP mal durchrechnen, scheint mir der beste Ansatz. Ein hochwertiges (preisiges) Messgerät das auch 'echte' Ratiomessungen (ohne Brücke) bei zwei externen Widerständen kann, ist z.B. das Paar MKS von http://www.anton-paar.com Damit habe ich früher mal Widerstände und RTDs kalibriert, das ist schon was feines, könnte aber zu langsam sein.
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