BR112014011837B1 - dispositivo para a detecção rápida de vazamento em embalagens de forma rígida/ mole sem adição de gás de teste - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO PARA A DETECÇÃO RÁPIDA DE VAZAMENTO EM EMBALAGENS DE FORMA RÍGIDA/ MOLE SEM ADIÇÃO DE GÁS DE TESTE". A presente invenção refere-se a um dispositivo para a detecção de um vazamento em um corpo de prova (12), com uma câmara de teste (14) que pode ser evacuada para o corpo de prova (12). A câmara de teste (14) apresenta uma câmara de filme com, pelo menos, uma área de parede de um material flexível, em particular, elástico. Para uma detecção de vazamento mais precisa, o decurso do aumento de pressão total é medido dentro da câmara de teste.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para a detecção de vazamento em um corpo de prova.
[002] De forma convencional, os vazamentos em um corpo de prova, como por exemplo, em uma embalagem de alimento são medidos pelo fato de que, o corpo de prova é colocado em uma câmara de teste rígida. A câmara de teste é evacuada, em seguida, e o decurso de pressão na câmara é medido depois da separação entre a câmara e a bomba. Se o corpo de prova apresentar um vazamento, o gás escapa do corpo de prova para a câmara, pelo que a pressão aumenta na câmara de teste. O aumento de pressão é medido e serve como indicação sobre um vazamento do corpo de prova.
[003] No caso do processo de detecção de vazamento conhecido, uma dificuldade consiste no fato de que, a pressão dentro da câmara de teste é influenciada não exclusivamente por um vazamento no corpo de prova, mas também por mudanças de temperatura na câmara de teste, ou por desadsorção de gases nas superfícies no lado interno da câmara de teste, pelo que resultam falhas de medição na detecção de vazamento. Essas influências interferentes são tanto maiores quanto maior é o volume da câmara de teste, e quanto maior for a pressão durante a medição dentro da câmara de teste. Por motivos práticos o volume da câmara de teste não pode ser reduzido arbitrariamente, porque a forma, o tamanho e o número dos corpos de prova exigem um certo volume da câmara. Durante a medição dentro da câmara de teste, além disso, a pressão não pode ser reduzida arbitrariamente, porque existe o perigo de uma deformação, de um dano ou até mesmo de um estouro do corpo de prova, em particular, em corpos de prova moles, de forma fraca como, por exemplo, em embalagens.
[004] Além disso, são conhecidas câmaras de teste, nas quais, pelo menos, uma área de parede e, de preferência, a câmara de teste toda é constituída de um material flexível, de preferência, elástico deformável como, por exemplo, de um filme. A área de parede flexível é formada na área da câmara, na qual o corpo de prova se encontra durante a medição do vazamento. Ao reduzir a pressão dentro da câmara de teste, a parede flexível da câmara se ajusta ao corpo de prova, pelo que o volume da câmara é reduzido. Deste modo são reduzidas as influências, em particular, as alterações de pressão que perturbam a medição devido às oscilações de temperatura. Além disso, a área de parede flexível que se ajusta ao corpo de prova apoia o corpo de prova e impede uma deformação ou até mesmo um estouro do corpo de prova. Isto é de vantagem, em particular, em corpos de prova de forma fraca, feitos de um material mole como, por exemplo, embalagens.
[005] As câmaras de teste de filme desse tipo são descritas, por exemplo, nas patentes JP-A 62-112027, EP 0 152 981 A1 e EP 0 741 288 B1. Na patente JP-A 62-112027 é descrito registrar o gás que sai com um detector de gás. Na patente EP 0 152 981 A1 é descrita uma evacuação da câmara de filme, sendo que, a diferença de pressão é observada entre a pressão na câmara de filme e uma pressão de referência dentro de um volume de referência. Quando essa diferença de pressão desvia de zero, vale como detectado um vazamento. Na patente EP 0 741 288 B1 uma câmara de filme é admitida com pressão, e para o teste de vazamento, a pressão é medida em um determinado instante. No caso de ultrapassagem de um valor limite vale como detectado um vazamento.
[006] À invenção cabe a tarefa de criar um dispositivo para a detecção de vazamento em um corpo de prova, que possibilite uma rápida detecção de vazamento.
[007] O dispositivo de acordo com a invenção é definido pelas características da reivindicação de patente 1.
[008] Assim, a detecção de vazamento é realizada pelo fato de que, o aumento da pressão total da pressão é medido dentro da câmara de pressão. O teste para possíveis vazamentos, neste caso, ocorre sem auxílio de gás de teste. Uma troca de gás direta entre a câmara de teste e o sensor de pressão total não é necessária, de tal modo que, nenhum gás precisa fluir do vazamento para o sensor de pressão.
[009] Como pressão total, neste caso, é designada a pressão absoluta dentro da câmara de teste de filme. A designação pressão total, neste caso, serve para a demarcação em relação às detecções de vazamentos conhecidas do estado da técnica, através de avaliação de uma pressão diferencial. De acordo com a invenção, o decurso do aumento de pressão total durante o intervalo de medição total, isto é, durante a duração da medição é avaliado. Neste caso, a forma do decurso do aumento de pressão serve para uma estimativa rápida, se existe um vazamento. O decurso do aumento de pressão é mais exato do que um simples monitoramento de valores limite, ou uma medição de pressões diferenciais. A avaliação rápida do decurso do aumento de pressão total possibilita um ciclo de medição totalmente automatizado e particularmente rápido para o emprego em testes de vazamento totalmente automatizados.
[0010] De preferência, a câmara de teste é constituída de um filme ou de vários filmes flexíveis, nos quais ou entre os quais é colocado o corpo de prova. O filme ou os filmes podem ser ligados entre si e fechados por elementos de aperto como, por exemplo, grampos.
[0011] Um material permeável a gases ou uma estrutura permeável a gases em uma área de parede interna da câmara de teste na área do corpo de prova permite um fluxo de gás em torno do corpo de prova, também após o ajuste à parede da câmara de teste flexível ao corpo de prova, pelo que é possibilitada uma continuação da evacuação de todo o volume da câmara para uma pressão total baixa.
[0012] De preferência, o decurso de pressão, isto é, o decurso da pressão total e eventualmente também o decurso da pressão parcial de componentes de gás individuais é avaliado já durante a fase de bombeamento do decurso da medição, a fim de possibilitar um reconhecimento de vazamento grave.
[0013] É de vantagem se, a câmara de teste estiver envolvida por uma câmara de sobrepressão externa. Para a remoção prévia de gás da câmara de teste, a pressão dentro da câmara externa pode ser aumentada em relação à pressão dentro da câmara de teste, de tal modo que, um efeito de força externo é exercido sobre a câmara de teste flexível, e a área flexível da câmara de teste é ajustada ao produto. Deste modo, uma grande parte do gás proveniente da câmara de teste é pressionada independente da capacidade de sucção de uma bomba empregada. O ciclo de medição, com isso, é consideravelmente mais rápido.
[0014] De preferência, um material seletivo de ligação de gás como absorvedor é colocado na câmara de teste ou em um volume ligado com o volume da câmara de teste. O material absorvedor liga gás reativo, o qual influencia o aumento de pressão na câmara através de desadsorção, e poderia adulterar a medição da taxa de vazamento. A desadsorção de gases nas superfícies dos lados internos da câmara de teste causa tipicamente um aumento de pressão adicional, e leva a falhas de medição durante a medição de taxa de vazamento. Em particular, a água em uma área de pressão de menos que 1 KPa (10 mbar) efetua uma contribuição essencial para o aumento de pressão total através de desadsorção. O aumento de pressão causado pela desadsorção de água na câmara de teste não pode ser diferenciado do aumento de pressão devido a um vazamento do corpo de prova durante uma medição de pressão total. O material absorvedor pode reduzir essa falha de medição.
[0015] De preferência, o material absorvedor é abrigado em um canal de ligação entre a câmara de teste e um sensor de pressão, por exemplo, o sensor de pressão total. Neste caso, o volume dentro do canal de ligação, no qual se encontra o material absorvedor deveria poder ser separado do volume da câmara de teste através de uma válvula de fechamento. Durante a ventilação e durante a fase de evacuação, por exemplo, para a detecção de vazamento grave, o material absorvedor com a válvula fechada não é exposto ao gás atmosférico, e a capacidade do material absorvedor é poupada para a ligação de gás seletiva.
[0016] A seguir serão esclarecidos em detalhes exemplos de execução da invenção com auxílio das figuras. São mostrados:
[0017] Na Fig. 1 um primeiro exemplo de execução,
[0018] Na Fig. 2 uma representação esquemática da câmara de teste do primeiro exemplo de execução, no estado aberto,
[0019] Na Fig. 3 a vista de acordo com a fig. 2, de um segundo exemplo de execução,
[0020] Na Fig. 4 a vista de acordo com a fig. 2, de um terceiro exemplo de execução,
[0021] Na Fig. 5 a vista de acordo com a fig. 2, de um quarto exemplo de execução,
[0022] Na Fig- 6 um decurso da pressão medida a título de exemplo e
[0023] Na Fig. 7 um exemplo para uma avaliação do aumento de pressão em instantes especificados.
[0024] O corpo de prova 12 é colocado na câmara 14. Depois a câmara 14 é fechada e evacuada através da válvula 26. Devido à queda de pressão na câmara 14 e da força relacionada com ela, que é exercida pela pressão do ar, a parede da câmara 16 flexível se ajusta completamente à parede da câmara 16 flexível em torno do corpo de prova 12, e se adapta à sua forma externa.
[0025] Entre o filme da câmara 16 e o corpo de prova 12 encontra- se um material de um velo 20 permeável ao gás. De modo alternativo, a superfície dos filmes 16 pode ser estruturada. Isso permite o fluxo de gás em torno do corpo de prova 12, também depois do ajuste da câmara de filme 14 ao corpo de prova 12, e permite assim, uma ampla evacuação de todo o volume da câmara a pressão total baixa.
[0026] Entre o filme 16 e o corpo de prova 12 surge um vácuo, tipicamente na faixa de 0,1 a 5 KPa (1 a 50 mbar) de pressão absoluta, o qual corresponde à pressão da câmara de uma câmara de teste rígida. Apesar do vácuo em torno da embalagem 12, não atua nenhuma força efetiva sobre essa embalagem, uma vez que a pressão interna do corpo de prova 12 e a pressão externa sobre o material da câmara flexível são idênticas. O filme 16 apoia, portanto, a embalagem de maneira uniforme por todos os lados e impede um inchamento ou uma destruição dos mesmos.
[0027] O espaço intermediário preenchido com velo 20 forma o volume livre, o qual tipicamente tem apenas alguns cm3. Em virtude da adaptação de forma da câmara de filme 14 ao corpo de prova 12 é obtido o volume de câmara mínimo, mesmo no caso de corpos de prova alternados.
[0028] Um vazamento no corpo de prova 12 leva, então, a um aumento contínuo de pressão total na câmara de filme 14, depois que essa câmara foi separada da bomba 24 pela válvula 26. Esse aumento de pressão é determinado pela medição de pressão total com um dispositivo de medição de pressão total sensível (medidor de vácuo).
[0029] O decurso de pressão durante a fase de acumulação é avaliado, e comparado com valores teóricos. Se surgir um desvio correspondente de valores teóricos, é detectado um vazamento do corpo de prova 12. ΔpKammerem câmara ; mr-.- ΔpKammer.alteração de pressão de teste Δt por período de tempo Δt VKammer. volume da câmara [I] qP : taxa de vazamento [mbar l/(s)] pKammer, pprüfling: pressão na câmara ou corpo de prova [mbar]
[0030] Tanto o aumento de pressão total como também o aumento de pressão parcial na câmara de medição dependem de duas grandezas: da pressão na câmara e do volume de medição existentes.
[0031] Em relação a uma detecção de gás de teste do gás de teste adicionado à embalagem, a medição de pressão total tem duas vantagens esclarecidas a seguir: - Em primeiro lugar não existe nenhuma dependência do tipo de gás, isto é, ao produto não precisa ser adicionado nenhum gás de teste especial para a detecção de vazamento. - Em segundo lugar a alteração de pressão total pode ser detectada imediatamente em toda parte no volume de teste. Um sistema de sensores especializado em determinado gás de teste tem um tempo de resposta dependente da difusão, condicionado ao princípio, uma vez que o gás de teste a ser detectado precisa conseguir sair do vazamento para o sensor, a fim de ser detectado. Dependendo da distância e da pressão total, o tempo de difusão pode ser inaceitável para os tempos de ciclo almejados.
[0032] Devido a esses contextos é vantajoso medir o aumento de pressão com um volume livre da câmara muito pequeno, baixa pressão da câmara e sem gás de teste.
[0033] Erros de medição que surgem devido a mudanças de temperatura:
[0034] Quanto menor é a pressão total na câmara de teste, tanto maior é a taxa de vazamento do corpo de prova e, com isso, o aumento de pressão a ser esperado. Além disso, a pressão total na câmara de teste é dependente da temperatura média TKammer do gás. Como primeira aproximação vale:
[0035] Disso resulta através de uma estimativa de erro: |ΔpKammer| é a alteração da pressão em virtude de alterações da temperatura e do volume da câmara. Essa alteração de pressão não deve ser diferenciada daquela que resulta de vazamentos do corpo de prova. A alteração de pressão \ΔpKammer| provocada por uma alteração de temperatura é proporcional à pressão da câmara PKammer. Quanto menor for a pressão da câmara, tanto menor será essa influência perturbadora.
[0036] Exemplo: no caso de uma pressão da câmara de 70 KPa (700 mbar), uma alteração de temperatura em torno de 0,1 K com uma temperatura da câmara de 25° C (298,15 K) leva a uma alteração de pressão de
[0037] Para a comparação: um vazamento de q = 1x10'3 mbar l/s com um tempo de medição de 10 s e um volume de câmara livre de 0,11 leva a um aumento de pressão de:
[0038] Neste caso, portanto, o aumento de pressão devido à alteração de temperatura teria o dobro do tamanho que o causado pelo vazamento. Se ao invés disso se fosse trabalhar com 0,7 KPa (7 mbar), então a alteração de pressão em virtude da alteração de temperatura seria somente 0,001 KPa (0,01 mbar), o que corresponde a uma parte de somente ~5 % do sinal de medição sempre igual. Isto é, o mesmo vazamento, que é coberto em 70 KPa (700 mbar) de pressão total pela alteração de temperatura pode ser medida em 0,7 KPa (7 mbar). A dilatação térmica causada por um desvio de temperatura e, a alteração relacionada com isso, do volume da câmara, em relação à influência direta de uma alteração de temperatura sobre a pressão da câmara pode ser negligenciada.
[0039] Durante uma medição de vazamento devem ser esperadas mudanças de temperatura, uma vez que, por um lado, a alteração de pressão e a compressão/ expansão do gás relacionada com isso levam a mudanças de temperatura, e por outro lado, os corpos de prova frequentemente possuem uma temperatura desviando comparada com a câmara de medição.
[0040] A influência do volume sobre a medição:
[0041] A alteração de pressão que é causada por vazamentos do corpo de prova é ainda maior quanto menorfor o volume da câmara livre - e com isso o volume de medição. Neste caso, o volume da câmara livre é aquele volume, que no estado da câmara evacuada não é tomado pelo corpo de prova.
[0042] Exemplo: um vazamento do tamanho q = 1x10’3 mbar l/s, dentro de 10 s em uma câmara típica com um volume livre de um litro causa um aumento de pressão de cerca de 0,001 KPa (0,01 mbar). Em um volume livre da câmara de 10 cm3 esse aumento é de aproximadamente 0,1 KPa (1 mbar).
[0043] Também a desadsorção de, por exemplo, água influencia a pressão total dentro da câmara de teste. Levando em consideração a desadsorção resulta o contexto seguinte para o aumento da pressão total dentro da câmara de teste: dp/dt = dpi/dt + dpr/dt + dpo/dt dpi/dt = qi/VR dpo/dt = AR/VR . ÇA dp/dt: aumento de pressão total [mbar/s] dpi/dt : aumento de pressão total devido a vazamento [mbar/s] dpr/dt : alteração de pressão total devido ao desvio de temperatura [mbar/s] dpo/dt: aumento de pressão total devido a desadsorção VR: volume do recipiente [I] AR', superfície do recipiente + corpo de prova [cm2] qi_: taxa de vazamento do corpo de prova [mbar l/s] qA: taxa de desadsorção câmara/ corpo de prova [mbar l/(s cm2)]
[0044] Para a medição da taxa de vazamento sensível, através do decurso temporal da pressão total em uma câmara de acumulação deve ser almejado um volume da câmara menor possível. Quanto menor for o volume da câmara, tanto mais rápido aumenta a pressão total com taxas de vazamento dadas fixas.
[0045] A fim de obter um aumento de pressão total menor possível, causado por desadsorção em uma câmara deve ser almejada uma grande relação de volume para superfície. Quanto maior for o volume com superfície dada, tanto menor é o aumento de pressão total por unidade de tempo.
[0046] Deste modo é dada uma contradição. Essa contradição pode ser resolvida por eliminação da influência da pressão parcial da água, pelo que um material do absorvedor é colocado, em particular, em um canal de ligação entre a câmara de teste e o dispositivo de medição da pressão total.
[0047] O particular na invenção é que, é empregada uma câmara constituída de um material deformável e flexível, por exemplo, elástico, sendo que, o aumento de pressão total é empregado em uma câmara fechada desse tipo, para a medição do vazamento. A medição da pressão total ocorre por meio da medição da força que atua por superfície, por exemplo, com um sensor de pressão total capacitivo. O teste pata eventuais vazamentos, neste caso, ocorre sem auxílio de gás de teste. Do mesmo modo, não é necessária uma troca de gás direta entre a câmara de filme e o sensor de pressão total. Com isso, o gás do vazamento não precisa fluir para o sensor de pressão total.
[0048] Neste caso, a câmara de teste propriamente dita pode ser constituída de um único filme ou de vários filmes. O particular nesse método de medição é que a contradição entre o volume mínimo e a mínima pressão de trabalho é obtida com proteção simultânea do corpo de prova. Além disso, em virtude da detecção através da medição da pressão total não é necessário um transporte de gás do vazamento para o sensor.
[0049] Com isso, resumindo são solucionados os problemas seguintes:
[0050] A contradição entre a baixa pressão de trabalho e a proteção simultânea do corpo de prova é resolvida.
[0051] A baixa pressão de trabalho que pode ser obtida com isso reduz o desvio de temperatura consideravelmente e aumenta a taxa de vazamento que pode ser medida.
[0052] O aumento de pressão na câmara devido a um vazamento torna-se máximo devido ao pequeno volume e, com isso, também o sinal de medição.
[0053] Em virtude do volume autominimizando a câmara é evacuada de modo consideravelmente rápido.
[0054] Não é preciso estar disponível nenhuma corrente de gás do vazamento para o sensor de pressão total.
[0055] Como representado na fig. 1, um corpo de prova 12 em forma de uma embalagem de alimento macia é colocado em uma câmara de teste 14, que é constituída de um filme 16. Como representado na fig. 2, o filme 16 é constituído de duas seções de filme separadas, entre as quais o corpo de prova 12 é colocado, de tal modo que, o corpo de prova 12 é envolvido completamente pelas duas partes de filme.
[0056] A fig. 1 mostra que, as áreas de borda das duas seções de filme sobrepostas com grampos 18 são pressionadas uma sobre a outra, de tal modo que, entre as seções de filme não pode escapar nenhum gás da câmara de teste 14.
[0057] No lado interno do filme 16 encontra-se uma camada envolvendo o corpo de prova 12 de um velo, que possibilita um fluxo de gás entre o corpo de prova 12 e o filme 16, a fim de poder obter uma evacuação completa da câmara de teste 14 também no caso de filme 16 bem adjacente ao corpo de prova 12.
[0058] A câmara de teste 14 está ligada com uma bomba de vácuo 24 através de um canal de ligação 22. No canal de ligação 22 encontra- se uma válvula de fechamento 26 entre a bomba de vácuo 24 e a câmara de teste 14, para a separação do volume da câmara de teste da bomba de vácuo 24. Entre a válvula de fechamento 26 e a bomba de vácuo 24 está prevista uma válvula de ventilação 28, para a ventilação da câmara de teste 14.
[0059] Entre a câmara de teste 14 e a válvula de fechamento 26, do canal de ligação 22 ramifica-se um outro canal de ligação 30, o qual liga o volume da câmara de teste com o sensor de pressão de um dispositivo de medição da pressão total 32. No canal de ligação 30 está previsto um absorvedor 34 e entre o absorvedor 34 e a câmara de teste 14 está prevista uma válvula de fechamento 36. No caso da válvula de fechamento 36 aberta o material do absorvedor, do absorvedor 34 está ligado com o volume da câmara de teste. De preferência, o material do absorvedor é constituído de zeólito absorvente de água, a fim de reduzir o efeito da desadsorção de água nas áreas da parede interna da câmara de teste 14. Durante a evacuação da câmara de teste 14 e/ ou durante a ventilação da câmara de teste 14 a válvula de fechamento 36 é fechada, a fim de poupar a capacidade de absorção do absorvedor 34.
[0060] A fig. 3 mostra um exemplo de execução, no qual a câmara de teste 14 é formada de um filme dobrado. A câmara de teste 14 é fechada por dobramento do filme 16 em torno do corpo de prova 12.
[0061] No exemplo de execução de acordo com a fig. 4, o filme 16 é um tubo, que é fechado em extremidades que ficam uma contra a outra, a fim de formar a câmara de teste 14.
[0062] No exemplo de execução de acordo com a fig. 5 a câmara de teste 14 é formada de um filme 16 em forma de um balão em forma de saco, no qual está contido o corpo de prova 12. A extremidade aberta do balão, para o fechamento da câmara de teste 14, por exemplo, pode ser fechada com grampos 18 como na fig. 1.
[0063] Na fig. 6 estão representados dois decursos de um decurso de pressão na câmara de teste durante um intervalo de medição de 10 s. Neste caso, o decurso tracejado é aquele de um corpo de prova, e o decurso cheio é de um corpo de prova não vedado. Como mostrado na fig. 6, o aumento de pressão através de todo o intervalo de tempo para corpos de prova vedados pode ser maior do que para corpos de prova não vedados. Também o aumento de pressão em um determinado instante, isto é, portanto, o primeiro desvio do decurso de pressão após o tempo, para corpos de prova vedados pode ser maior do que para os não vedados. A causa para isso é uma desadsorção de gases de diferente intensidade do material de filme ou do velo. Sob essas condições prévias é possível que, um valor individual como, por exemplo, o aumento de pressão ou a diferença de pressão total entre o início e o fim do intervalo de medição não forneça uma coordenação inequívoca para corpos de prova vedados e não vedados. Esse problema pode ser solucionado por um reconhecimento de teste padrão, que é atribuído a diversas propriedades de curvas como, por exemplo, o aumento ou a curvatura de determinados instantes.
[0064] Na fig. 7 são aplicados valores para o aumento de pressão depois de 10 s (final do intervalo de medição) e para o aumento de pressão depois de 5 s (metade do intervalo de medição). Sobre o eixo x são colocados valores do aumento de pressão depois da metade do intervalo de medição (5 s representados) e sobre o eixo y são colocados valores do aumento de pressão no final do intervalo de medição (10 s). Um reconhecimento de teste padrão deve reconhecer grupos dos valores de medição. Neste caso, um primeiro grupo é reconhecido para os valores de medição como cruzes para o corpo de prova não vedado, e um segundo grupo é reconhecido para os valores de medição representados pontilhados do corpo de prova vedado. A linha tracejada na fig. 7 representa os valores de um corpo de prova classificado como vedado. A linha cheia representa o grupo de um corpo de prova classificado como não vedado. Para a coordenação ou classificação de corpos de prova vedados e não vedados pode ser recorrido a métodos matemáticos do reconhecimento de teste padrão como, por exemplo, a LDA (Linear Discriminant Analysis).
Claims (2)
1. Método para a detecção de vazamento em um corpo de prova (12), com o uso de uma câmara de filme que pode ser evacuada como a câmara de teste que tem pelo menos, uma área de parede de um material flexível, em particular, elástico, caracterizado pelas etapas de: medir um aumento de pressão dentro da câmara de teste (14) com um meio de medição de pressão (32), e avaliar o formato da curva que representa a progressão do aumento de pressão total ao longo do tempo pelo meio de medição de pressão (32) por meio de um reconhecimento de padrão que visa propriedades da dita curva, tais como a inclinação ou a curvatura em momentos definidos.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a existência de um vazamento é detectada a partir da progressão do aumento de pressão total ao longo de todo o intervalo de medição.
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