CN101990603A - 用于启动或关闭泵的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于启动和/或关闭泵的传感器,具有:至少一个第一电极(2)和一个第二电极(4),该第一电极(2)和第二电极(4)构成可受待输送液体影响的电容(C);和与该电极(2,4)相连接的电子电路(40),其中,电子电路(40)具有:与所述第一电极(2)相连接的电压源(24),其被设计用于发出短电压脉冲,以使第一电极(2)充电;以及分析电路(20,26,34),其被设计为,在所述电极(2)充电的电压上升期间和/或放电的电压下降期间检测所述电极(2,4)之间的电流(IC),并根据检测到的电流(IC)发出启动和/或关闭信号;本发明还涉及一种具有这种传感器的泵。

Description

用于启动或关闭泵的传感器
技术领域
本发明涉及一种用于启动和/或关闭泵、特别是潜水泵或排水泵的传感器。
背景技术
类似污水泵这样的潜水泵通常具有传感器或开关,这些传感器或开关在超过预定水位时将启动泵,一般当水位低于第二低水位时再关闭泵。为此已知的例如有机械浮动开关。但是对于这些传感器或开关而言存在的危险是:它们在移动中会受到阻碍,而这会导致在启动和关闭泵时产生错误。
此外,公知的是,例如电容式传感器这样的电子传感器根据液位或水位来启动和关闭泵。在这些已知的电容式传感器中设置与水相连的高频振荡器。因此通过振荡器的耗电量就可以确定由水形成的电容的变化。这些电子电路需要高频信号发生器和非常灵敏的、用于检测耗电量的电路。这会使得这种电路成本高、费用大。
发明内容
因此,本发明的目的在于提出一种改进的传感器,用以启动和/或关闭泵,这种传感器根据电容测量原理工作,但构造简单,成本低廉。
本发明的目的通过一种用于启动和/或关闭泵的、具有如权利要求1所述特征的传感器以及一种具有如权利要求9所述特征的泵得以实现。优选的实施方式由从属权利要求、下面的描述以及附图给出。
根据本发明的传感器设计用于启动和/或关闭泵,尤其是潜水泵或排水泵,例如将其用于地下排水。传感器根据电容测量原理工作,并为此具有构成电容器的第一电极和第二电极。电容器被设置为,其电容受到待输送的液体的影响。也就是电容可以根据液位高度或水位高度改变。在这里,通过下述状态定义两种极端情况:一种状态是在两个电极之间没有水,另一种状态是两个电极完全浸入在液体中,即优选位于水面之下。此外,设置一种电子电路,该电子电路与电极相连并用于电极之间变化的电容的信号分析,以产生泵的启动和/或关闭信号。
根据本发明的电子电路具有连接第一电极的电压源。电压源用于为相对于外部环境的第一电极以及第二电极进行充电。为此,将电压源设计为,使得它们能够发出短电压脉冲,以为第一电极充电。优选将该电子电路设计为,可以发出大量的电极电压脉冲,例如3到40个脉冲,进一步优选为5到20个脉冲,用以为第一电极充电。通过这些短电压脉冲将防止电极之间的电解以及电极损耗。优选启动时间非常短,小于总充电时间的1%。
根据本发明的电子电路还具有分析电路,用于检测并分析电极之间发生的电容变化,以产生用于泵的启动和/或关闭信号。因此将该分析电路设计为,在电极充电的电压上升期间和/或电极放电的电压下降期间检测电极之间的电流,并根据检测到的电流发出启动和/或关闭信号。当充电和/或放电时,在电极之间流动的电流与电极之间的电容成正比。由此,根据电流就可以确定电极是否在水里。
由于根据本发明的电子电路不再使用高频信号发生器,因此明显比已知的电容式传感器更简单、更便宜。在充电和/或放电时对电流的检测非常容易进行,并且为了进行充电,只有用于产生电压脉冲的脉冲发生器是必需的,而非用于产生特定高频的信号发生器。
优选将电子电路设计为,在电极充电和/或电极放电时,电压U的时间信号波形至少在一个时间段内具有预先给定的坡度。也就是说,在这个给定坡度的范围内,dU/dt是已知的。如果坡度已知,在检测或测量放电电流IC时,根据下面的公式可以确定电容C:
I C = C · dU dt .
电容取决于在电极之间是否存在液体。因此,通过这种方式,可以在已知充电或放电曲线的情况下,通过电流测量来确定电容。
此外优选的是,预定的坡度为陡峭的,优选坡度大于5V/μs。通过对这种由电极构成的电容器进行快速充电或放电,可以减少或排除位于电极之间的电阻对充电或放电过程的影响。在进行较慢的充电或放电时,如果在电极之间有水存在,则在电极之间会有限制放电的电流流动。因此在这种状态下,不能由预知的坡度来实现所定义的充电或放电曲线。通过非常快速地充电,或者优选通过电子电路中相应的元件进行放电,可以很大程度地减少或排除通过存在于电极之间的液体的电极放电。为了能够对已充电的电极进行有限制地放电,优选电子电路具有放电装置,该装置利用上述定义的坡度来影响放电过程。此外,优选电压波形在充电时的坡度或者在放电时的负坡度大于100V/μs,特别是大于500V/μs。
根据一种优选的实施方式,将电子电路设计为,可以对电极进行循环重复充电和放电,并在充电和/或放电时检测电流。通过这种方式可以实现连续监测,以确定在电极之间是否存在液体。通过这种方式,可以将电容传感器用作启动泵的传感器。这种传感器还可用于关闭泵,在此,将关闭时间点认定在,当电极之间只有极少的液体或没有液体时,即泵将周围环境中的液体抽空或抽干到一个必须关闭的水平上。
接下来优选将电子电路设计为,首先利用电压源的多个电压脉冲为电极充电,而后接着放电,其中,在放电时通过分析电路检测电流,并根据检测到的电流发出启动和/或关闭信号。在这里,所检测到的电流代表电极之间的电容,或与电极之间的电容成正比,而电容又取决于电极之间是否有液体。因此,优选在所定义的放电过程中测量电流以及确定此处的电容。正如前面所描述的那样,放电可以由电子电路中的放电装置来操纵并实施,从而以非常陡峭的放电曲线实现放电过程。在执行电流测量的区域内,特别优选放电曲线是线性的。如上所述,利用非常短的电压脉冲对电极充电,从而防止在液体中的电解。通过快速放电可以减少或排除电阻的影响。
利用在放电时测得的电流还可以计算出由电极形成的电容器的电容。如果在电极之间存在待输送的液体,则电容明显大于电极之间没有液体时、即只有空气时的电容。由于与空气(ER=1)相比,水具有相对更大的介电常数(ER=80),因此如果将水作为液体,则电容比在空气中大约高80倍。电极的这种设置决定了,是否可以通过电极确定启动点和/或切断点。基本上,利用一个传感器就足以确定启动点和/或切断点。因此,当分析电路基于更大的电容而探测到电极之间的液体时,就可以发出启动信号使泵启动。如果分析电路基于更小的放电电流而再次探测到更低的电容,则由此可得出在电极之间不再有液体存在的结论,并发出关闭信号以关闭泵。另外,还有可能在垂直的不同高度上设置两个传感器,并通过上面的传感器所发出的启动信号以启动泵,其中,当上面的传感器的电极探测到水时,则由分析电路产生这些启动信号。当探测到在电极之间没有水,即探测到空气时,可以利用下面的第二个传感器的关闭信号来关闭泵,在此,关闭信号是由该传感器的分析电路发出的。
根据另一种优选的实施方式,将电子电路设计为,利用分析电路附加地确定两个电极之间的电阻,并根据检测到的电流和电阻发出启动和/或关闭信号。因为,如果在电极之间存在例如水这样的导电性液体,则这些电极就不能构成理想的电容器,因此,通过额外考虑电极之间的介质,也就是水的电阻,可以获得更高的测量准确性。
电压源优选包括具有后置串联电阻和并联电容器的电源。通过这种布置可防止电路短路。
为了产生具有定义的信号波形的充电和/或放电电压,电压源优选具有信号发生器。在充电时,特别是在放电时,信号发生器可以产生定义的且至少部分是非常陡峭的电压曲线。因此,由电极构成的电容器会随定义的电压波形在该段时间放电。这种在放电时的电压波形由信号发生器预先给出。
本发明还涉及一种用于输送液体的泵,其具有电驱动电机以及用于启动和关闭驱动电机的控制装置。根据本发明该泵设计为,其控制装置具有至少一个如前面所述的传感器,该传感器根据流体高度启动和/或关闭泵。传感器与分析装置共同作用产生启动信号,将传感器设置在垂直的高度上,这个高度称为启动高度。也就是说,如果液面(Fluidspiegel)达到启动高度,则启动泵。传感器设置为,当达到液面高度时,传感器的电容会发生变化,分析装置根据放电电流确定电容,并相应地发出启动信号。为了关闭泵,在某个高度上设置相同的或者其他的传感器,当该高度低于液面时应该再次将泵关闭。在此,如果电容发生变化,使其等于电极之间为空气时的电容,则将泵关闭。然而,同样通过这样的传感器,根据先前描述的那样关闭泵并不是绝对必要的。
优选由泵的壳体形成一个电极,并相对于壳体绝缘地设置第二电极。特别是当泵的壳体由金属制成时更是如此。替代地,还可以在壳体的外侧设置两个相互隔开且彼此相对绝缘的电极。优选电极直接接触周围的流体,即电极相对于泵的外侧没有覆盖其他的材料层。
正如所描述的那样,为了在给定的流体高度上产生用于驱动电机的启动信号,需设置至少一个传感器。该传感器优选垂直设置在泵的上部区域。
根据一种优选的实施方式,为泵设置停机装置,该停机装置具有至少一个检测装置,用于检测驱动电机的至少一个电气参数,将该停机装置设计为,可以在该电气参数的基础上检测泵的干运转(Trockenlauf),并在检测到干运转时产生用于驱动电机的关闭信号。例如,可以根据提供给驱动电机的工作电压的相移来探测干运转。优选为驱动电机设置用于速度控制的变频器。为了检测相移以及由此而来的干运转,可以使用现有的变频器的方法和功能。但是还可以使用其他的参数,如电流,以检测干运转。然后可以相应地实现检测装置。
根据一种优选的实施方式,在泵上设置保护电极,用于在泵的内部相对于电气部件屏蔽传感器的第一电极。为此,将保护电极在壳体中或壳体上尽量向里地设置在第一电极的后面,以便使保护电极位于壳体内部的电子元件和第一电极之间。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施例做示例性的描述。在附图中:
图1示出了传感器放电时的电压波形,
图2示出了传感器放电时的电流波形,
图3示出了在待输送的流体中的两个电极的模型电路图,
图4示出了具有本发明传感器的泵的电路方框图,
图5示出了根据本发明的传感器的电路方框图,
图6概要示出了在泵的壳体上传感器电极的设置,
图7概要示出了在使用保护电极的情况下,在泵的壳体内传感器电极的设置,
图8概要示出了在泵壳体上传感器电极的设置,
图9概要示出了具有根据本发明的传感器的泵的设置,
图10概要示出了在另一种实施方式中,具有根据本发明的传感器的泵的设置,
图11示出了与图9中的设置相似的、具有两个传感器的设置,
图12示出了传感器电路(Sensorelektronik)的示例结构。
具体实施方式
根据本发明的传感器是一种电容式传感器,即,泵的依赖于流体高度的启动和/或关闭时刻可以根据两个电极2和4之间变化的电容来确定。为此,将电极2和4相互隔开且彼此绝缘地设置,使得(其高度要被检测的)待输送的流体能够影响由电极2和4形成的电容器的电容。因此,如果有流体(例如水)位于电极2和4之间,那么面对下述情况,即当在两个电极之间有空气出现时,电容就会发生明显的变化。这是由水和空气之间相差极大的介电常数引起的。图3示出了设置在或是有空气存在或是有待输送的流体存在的环境中的电极2和4的模型电路图或等效电路图。特别是,如果待输送的流体是水,而且水与两个电极2和4相接触,则电极2和4的设置就不再表现得如同理想的电容器一样。在图3的等效电路图中已经考虑到了这一点,其中示出了与电容C并联的电阻R。在这里,将位于电极2和4之间的介质视为电阻R。如果电极2和4之间是空气,则电阻R非常大。如果电极2和4之间是水,则电阻R非常小。
但是仅仅根据电阻检测流体是有问题的,因为在壳体或传感器上已有的一层薄薄水膜,或者说如同一片覆盖两个电极的湿纸会降低电阻,就像是流体高度相对较高地上升似的。但是这样的短路不会影响到电容。
对电极2和4之间的电容的测量或检测可以这样来实现,即以较小的电流对电极2和4充电。为此可以对电极2和4之一进行充电。优选通过许多非常短的电压脉冲进行充电。其优点在于,在电极2和4之间不会出现或只出现较小的电流(Stromfluss),从而避免了电极2和4之间的电解,这种电解会对电极造成伤害。
图1示出了充电时的电压波形。充电过程将持续到时刻T,以实现最大充电。由图2可以看到,在这一过程中的充电电流I是较小的。
在时刻T,由电极2和4形成的电容器C将非常快速地放电,即,电压将陡峭的下落,如图1所示。这会产生较高的放电电流,如图2所示。在放电过程中将对放电电流进行测量。放电电流的大小与电极2和4之间的电容C成正比。
在放电过程中,对电极2和4的放电基本上按照预先定义的、非常陡的电压曲线进行。如图1所示,在区域10中,电压曲线的坡度dU/dt是固定不变的。另外,这个坡度是已知的,并在放电时由电子电路预先确定。如果坡度是已知的,根据关系式IC=C·dU/dt,由测量到的放电电流IC可以计算出电容C。这种测量原理的优点在于极其简单且费用不大,因为可以不再使用昂贵的频率发生器。
图4以电路方框图概要性示出了根据本发明的泵机组,其具有按照上面所述的测量原理工作的传感器。这种泵机组具有:电流源11,其以例如连接插头的形式连接到电网;以及电驱动电机M和负责启动和关闭驱动电机的控制装置12。在所示出的实施例中设置两个传感器14和16,如前所述,每个传感器都具有两个电极2和4。传感器14用于启动泵,第二个传感器16则用于关闭泵。为此将传感器14和16设置在两个彼此垂直隔开的位置上。如果流体高度到达传感器14,也就是上面的传感器,则泵被启动。如果流体高度低于下面的传感器16,并且下面的传感器16因此而在电极2和4之间探测到空气,则关闭泵或驱动电机M。
控制装置12具有用于该控制装置12的供电电源18、控制器20以及功率开关22。控制器20控制传感器14和16的电极2、4的以前面所描述的方式的充电和放电,控制器20还控制电流测量,并负责在放电时进行分析。如果电子电路检测到电动机应该被启动或关闭,则由控制器相应地控制功率开关22,以启动和关闭电动机。控制器20优选执行连续的监测过程,其中,对传感器14和16的电极周期性地进行充电,并接着再进行放电,在每次的放电过程中都进行所描述的电流测量,以检测电容。可以考虑使放电周期和下一个充电周期在时间上间隔开。但是这个时间间隔不应该太长,以便尽可能及时地检测到达流体的启动水位和关闭水位。特别是在关闭时这一点很重要,以避免泵的较长时间的干运转。
图5以电路方框图示出了具有传感器电极2和4以及相关的控制和分析电路的传感器装置的示意性结构,现在对控制和分析电路进行更详细地描述。除了电源18和负责传感器装置的整体运行以及传感器信号分析的控制器20之外,该电子电路还具有其他的主要元件:脉冲发生器24和电流传感器26。脉冲发生器24的输出端连接脉冲整形器28以及功率放大器30。功率放大器30用于缓冲信号,以便就是对于高导电性的流体也能够利用根据本发明的传感器来识别。功率放大器30通过电容器32连接第一电极2。脉冲发生器产生用于为电极2充电的多个或大量非常短的电压脉冲,利用这些电压脉冲可以为传感器电极充电。为了放电,脉冲发生器24连同脉冲整形器28一起产生出如上所述陡峭的、预先确定的放电曲线。在放电时由电流传感器26检测位于电极2和4之间的放电电流。电流传感器26的输出信号被输送到采样-保持电路34,采样-保持电路34用于存储放电电流的峰值并给出成正比的电压值作为输出信号。采样-保持电路34的输出信号输送到微控制器20,微控制器20由此根据已知的放电曲线确定电极2和4之间的电容,并进行分析,以确定在电极2和4之间是否存在流体或水。该微控制器还控制脉冲发生器24并预先给定充电和放电周期。
还可以通过电容器36与电极4耦合。通过电容器32和36耦合电极2和4使得电极2和4相对于电子设备绝缘,从而使操作人员与电极2和4的直接接触不会有危险。
图6示出了在泵机组中电极2和4的一种可能的设置。在该实施例中,电极4由金属的泵壳体和/或电动机壳体形成。电极2被隔开设置,并通过绝缘体38连接壳体4,从而使电机2和4相对于彼此电绝缘。如前所述,电极2和4通过电容器32和36连接分析电路40。如图5所示,分析电路40包括能量供应装置18、控制器20、脉冲发生器24、电流传感器26、脉冲整形器28、功率放大器30以及采样-保持电路34。但是,分析电路40还可以以其他合适的方式与此不同地构成,以实现根据本发明的测量原理。
图7示出了在泵机组中电极2和4的另一种可能的设置,其基本上与图6中的设置相同。其中,在构成第二电极4的壳体和第一电极2之间附加设置了保护电极42。保护电极42连接主动保护电路44。保护电极42和保护电路44用于对电极2屏蔽由设置在壳体内部的电子或电气元件在电极2的背部产生的电场,从而使电极2只检测到壳体外部的电场,正如由电场线46所表明的那样。
图8再次以俯视示意图示出了泵机组,其壳体作为第二电极4。将第一电极相对于壳体、从而也相对于第二电极电绝缘地设置,使得在电极2和4之间存在依赖于环境介质或流体的电容C。
图9示出了具有传感器50的泵机组48的一种可能的设置,传感器50的构造如图5所示。在这里,传感器50并没有一体化地设置在泵机组48中,而是设置在位于电流源11和泵机组48之间的电气供给线路中。如图10所示,传感器50具有两个传感器电极2和4,这两个传感器电极2和4以如前所述的方式与环境形成电容器。传感器50接近地面52设置。如果水平面或流体平面的上升达到使传感器50的电极2和4浸入水中的高度,则传感器检测到水平面,并接通泵48的电流源,从而使泵输送流体或水。如果流体平面下降到传感器电极2和4的高度以下,则电极2和4的电容变化明显,这可以利用如前所述的方式检测到,而后传感器50通过功率开关切断位于电流源11和泵机组48之间的线路,从而关闭泵机组。
图11示出了与图9中的设置相似的设置,其不同之处在于设置了两个传感器50和54。通过这两个传感器50和54,泵机组以下列方式运行:如果流体液位达到上面的传感器54,并由此使其电极2和4浸入水中,则启动泵48。如果下面的传感器50检测到在其电极2和4之间的空气,即流体液位下降至传感器50的垂直高度以下,则泵机组48关闭。
根据本发明还可以以其他方式来关闭泵机组。例如,用于泵机组的电动机控制装置可以探测泵的干运转。这种干运转可以由电动机的电气参数来识别,例如根据供给电压的相移。
在图12中举例示出了传感器电路的电路图,下面对其主要元件进行阐述。VCC是指用于电容式传感器的输入电压。C1是旁路电容器,C2是被充电以为传感器提供特定量的电能的电容器。当传感器被激活时,电压源VCC断开,仅通过输出A1由电容器向传感器电极2、4提供电压。在这里,存储在电容器C2中的电能根据电容或水的导电率给出。因此,通过电容器C2的剩余电压即可确定水的导电率。
U1是Schmitt-触发器形式的脉冲整形器。用以激活传感器的脉冲通过Schmitt-触发器的输入E2被输送到脉冲发生器U1
用于传感器的放电波形或放电速率dU/dt由电阻R2和电容器C5给出。晶体管Q1和Q2用于向传感器输出A1提供更高的电流。二极管D1和电阻R1用于保护晶体管Q1并降低充电速率dU/dt。电容器C4和C6是隔直流电容器,用于保护与电极2和4有接触的操作人员。
电阻R3用于检测此处在电极2、4和大地之间流动的电流,也就是与传感器电极2和4之间待测量的电容成正比的电流。
电容器C8是去耦电容器,其使得由二极管D3和电容器C9构成的峰值探测器能够与由电阻R4和R5构成的偏压电路结合在一起,使二极管D4具有接近于零的偏移误差。
电容器C9用于保持与检测到的电容相应的电压,并通过例如数字-模拟转换器在输出A2上使电压缓慢地数字化。
电容器C28用于消除干扰或干扰振动。
附图标记列表
2,4-电极
10-电压曲线的区域
11-电流源
12-控制装置
14,16-传感器
18-能源供应装置
20-控制器
22-功率开关
24-脉冲发生器
26-电流传感器
28-脉冲整形器
30-功率放大器
32-电容器
34-采样-保持电路
36-电容器
38-绝缘体
40-分析电路
42-保护电极
44-保护电路
46-电场线
48-泵机组
50-传感器
52-地面
54-传感器
R-电阻
C-电容
U-电压
t-时间
IC-电流
T-时刻
VCC-输入电压
E2-输入
A1,A2-输出
U1-脉冲整形器
C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C28-电容器
D1,D2,D3,D5-二极管
R1,R2,R3,R4,R5-电阻
Q1,Q2-晶体管

Claims (13)

1.一种用于启动和/或关闭泵的传感器,具有:至少一个第一电极(2)和一个第二电极(4),该第一电极(2)和第二电极(4)构成受到待输送的液体影响的电容(C);和与所述电极(2,4)相连接的电子电路(40),其特征在于,所述电子电路(40)具有:与所述第一电极(2)相连接的电压源(24),其被设计用于发出短电压脉冲,以使所述第一电极(2)充电;和分析电路(20,26,34),其被设计为,在所述电极(2)充电的电压上升期间和/或放电的电压下降期间检测位于所述电极(2,4)之间的电流(IC),并根据所检测到的电流(IC)发出启动和/或关闭信号。
2.如权利要求1所述的传感器,其特征在于,所述电子电路(40)设计为,在所述电极(2)充电和/或放电时,电压(U)的时间信号波形至少在一段内具有预先给定的坡度(dU/dt)。
3.如权利要求2所述的传感器,其特征在于,所述预先给定的坡度(dU/dt)是陡峭的,优选选择大于5V/μs的坡度。
4.如前面任一项权利要求所述的传感器,其特征在于,所述电子电路(40)设计为,对所述电极(2)进行周期性重复充电和放电,并在充电和/或放电时检测所述电流(IC)。
5.如前面任一项权利要求所述的传感器,其特征在于,所述电子电路(40)设计为,首先利用所述电压源(24)的多个电压脉冲为所述电极(2)充电,而后接着放电,其中,在放电期间通过所述分析电路(20,26,34)检测所述电流(IC),并根据检测到的电流(IC)发出启动和/或关闭信号。
6.如前面任一项权利要求所述的传感器,其特征在于,所述电子电路(40)设计为,利用所述分析电路(20,26,34)附加地确定所述两个电极(2,4)之间的电阻(R),并根据检测到的电流(IC)和电阻(R)发出启动和/或关闭信号。
7.如前面任一项权利要求所述的传感器,其特征在于,所述电压源具有电源(18),该电源(18)具有后置串联电阻和并联电容器。
8.如前面任一项权利要求所述的传感器,其特征在于,所述电压源具有信号发生器(24),用于产生具有特定信号波形的充电和/或放电电压。
9.一种用于输送液体的泵,其具有电驱动电机以及用于启动和关闭该驱动电机(M)的控制装置(12),其特征在于,所述控制装置(12)具有至少一个根据前面任一项权利要求所述的传感器(14,16,36),用于根据流体高度来启动和/或关闭该泵。
10.如权利要求9所述的泵,其特征在于,该泵的壳体构成一个电极(4),第二电极(2)与该壳体相对置地绝缘地设置。
11.如权利要求9或10所述的泵,其特征在于,设置传感器(14,16,36),以在预定的流体高度上产生用于驱动电机的启动信号。
12.如权利要求9到11所述的泵,其特征在于,为该泵设置停机装置,该停机装置具有至少一个检测装置,用于检测所述驱动电机(M)的至少一个电气参数,该停机装置设计为,能够根据该电气参数检测所述泵的干运转,并在检测到干运转时产生用于所述驱动电机(M)的关闭信号。
13.如权利要求9到12之一所述的泵,其特征在于,设置保护电极(42),用于在泵的内部相对于电气部件屏蔽所述传感器的第一电极(2)。
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