CN102859852B - 测量变换器的驱动电路及由该驱动电路形成的测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种驱动电路，包括：电压调节器（URT），在调节器输出端供应DC电压（UNT）；直流转换器（DC/DC），由所述电压调节器供应的DC电压（UNT）施加到该直流转换器（DC/DC）的初级侧，并且该直流转换器（DC/DC）把所述DC电压转换成可在次级侧上分接的DC电压（UˊNT）；以及输出级，用所述DC电压（UˊNT）来操作该输出级，并且该输出级把在信号输入端出现的控制信号（sinexc_A）转换成用于测量变换器的驱动信号（iexc）。在直流转换器（DC/DC）的次级侧上可分接的DC电压（UˊNT）的值总是小于电压调节器供应的DC电压（UNT）值，且驱动信号（iexc）的电功率（Pexc）高于控制信号（sinexc_A）的电功率（Psin）。

Description

测量变换器的驱动电路及由该驱动电路形成的测量系统
技术领域
本发明分别涉及用于致动器的驱动电路和以该驱动电路形成的发送器电子装置，尤其是本质安全的发送器电子装置，以及相应地涉及具有该发送器电子装置的测量系统，尤其是实施成双导体现场设备的测量系统。
背景技术
在工业测量和自动化技术中，为了产生模拟或数字形式的表示被测变量的测量值信号，应用安装在现场或接近过程、因此称之为现场设备的测量系统。所要记录的具体被测变量可以例如是可流动物的质量流量，例如质量流率、密度、粘度、料位或限制度、压力、温度等，可流动物例如是液体、粉末、蒸汽或气态介质，可流动物在诸如例如管线或罐的相应处理容器中输送或保持。本领域的技术人员已知的这种现场设备的其他示例在下面这些专利文件中详细而具体地描述：DE-A3934007、EP-A1058093、EP-A1158289、EP-A525920、EP-A984248、US-A3,764,880、US-A3,878,725、US-A4,308,754、US-A4,317,116、US-A4,468,971、US-A4,524,610、US-A4,574,328、US-A4,594,584、US-A4,617,607、US-A4,656,353、US-A4,768,384、US-A4,850,213、US-A4,926,340、US-A5,024,104、US-A5,052,230、US-A5,068,592、US-A5,131,279、US-A5,207,101、US-A5,231,884、US-A5,359,881、US-A5,363,341、US-A5,416,723、US-A5,469,748、US-A5,535,243、US-A5,604,685、US-A5,672,975、US-A5,687,100、US-A5,742,225、US-A5,742,225、US-A5,796,011、US-A5,959,372、US-A6,006,609、US-A6,014,100、US-A6,140,940、US-B6,236,322、US-B6,269,701、US-B6,285,094、US-B6,311,136、US-B6,397,683、US-B6,476,522、US-B6,480,131、US-B6,487,507、US-B6,512,358、US-B6,535,161、US-B6,574,515、US-B6,577,989、US-B6,662,120、US-B6,769,301、US-B6,776,053、US-B6,799,476、US-B7,200,503、US-B7,630,844、US-A2008/0015799、WO-A00/14485、WO-A00/26739、WO-A00/36379、WO-A00/48157、WO-A00/67087、WO-A01/02816、WO-A02/086426、WO-A02/103327、WO-A02/45045、WO-A2004/048905、WO-A2005/040735、WO-A2006/130087、WO-A2010/014102、WO-A88/02476、WO-A88/02853、以及WO-A95/16897。其中给出的测量系统在每种情形中具有记录具体的一个或多个被测变量的物理-电的测量变换器以及电连接到测量变换器的发送器电子装置，发送器电子装置多数经常外部地供应有电能并具有控制测量变换器的驱动电路；以及具有产生代表至少一个被测变量的测量值的测量和操作电路。
在每种情形中，设置测量变换器，以便于在各种情形中插入输送介质的容器的壁中，或在每种情形中插入输送介质的例如管线的线路的路线中，并用于产生表示至少一个被测变量的至少一个电测量信号。为此，特定的测量变换器以及因此设置在其中的致动器在测量系统的运行过程中由驱动信号操作，驱动信号例如是由设置在发送器电子装置中的驱动电路产生的双极和/或至少有时间周期性的，并以使得其可适于测量地作用在介质上，使得在对应于所要记录的被测变量处引起反应，并且被测变量相应地可转换成至少一个测量信号。在这种情形中，驱动信号可以例如是关于电流水平、电压水平和/或信号频率相应地控制的模拟信号或也可以是适当测时的（clocked）二进制信号。作为这种主动测量变换器的示例，所要特别提到的是根据回波原理工作的HF发送/接收测量变换器，或用于测量流动介质、具有由驱动信号驱动的至少一个线圈并产生磁场的流动测量变换器，以及也例如是具有至少一个振动测量管、和作用在测量管上的机电振荡激励器、或由驱动信号驱动的至少一个超声波发送器的振动类型测量变换器等，其中所谓主动测量变换器相应地通过（例如，主要感应的）致动器将电驱动信号转换成用于记录被测变量的可测量结果。为了产生代表所要由测量系统记录的一个或多个被测变量的测量值，该至少一个测量信号（在后面的处理过程中）被馈送到测量和操作电路，测量和操作电路设置在发送器电子装置中且例如还通过微控制器和/或通过数字信号处理器形成。为了容纳发送器电子装置，现场设备还包括电子装置壳体，电子装置壳体（例如在US-A6,397,683或WO-A00/36379中提供的）布置在离测量变换器一定距离处并可仅通过柔性线与测量变换器连接，或者，例如如EP-A903651或EP-A1008836中所示，电子装置壳体直接布置在测量变换器上或布置在单独容纳测量变换器的测量变换器壳体上。
所描述类型的测量变换器还与另一个和/或相应的处理控制计算机连接（通常通过连接到发送器电子装置的数据传输系统），测量到的有价值信号例如通过（4mA至20mA）电流回路和/或通过数字数据总线传送到该另一个和/或相应的处理控制计算机，和/或以相应的方式从该另一个和/或相应的处理控制计算机接收操作数据和/或控制命令。在这种情形中用作数据传输系统的是现场总线系统，尤其是串联现场总线系统，诸如例如PROFIBUS-PA、FOUNDATIONFIELDBUS，以及相应的传输协议。通过处理控制计算机，传送的测量到的有价值信号可被进一步处理，且作为相应的测量结果被例如在监视器上可视化或例如还转换成用于致动诸如用于过程控制的例如电磁阀、电动机等设备的控制信号，其。所讨论类型的测量系统还通常以满足本质防爆安全性的要求的方式实施。因此，现场设备以如此低的电源操作，不能实现点火条件，不能电触发火花或电弧。例如根据欧洲标准EN50014和EN50020提供本安防爆保护，或者当以使得在任何情形中其中出现的最大电流、电压和功率都不超过预定的电流、电压和功率限值的方式实施电子设备且因此现场设备时，满足其中定义的点火保护类型“本质安全性（Ex-i）”。即，在每种情形中，以使得在每种故障情形中（例如短路），最大释放能量不足以产生能够点火电火花且对应地最大转换电功率不超过1W（瓦特）的方式来选择限值。可例如通过Z二极管来将电压保持在预定限值以下，例如通过电阻器将电流保持在预定限值以下，且通过电压限制和电流限制部件的相应组合将功率保持在预定限值以下。所讨论类型的现代测量系统通常还称为双导体现场设备，即在这种现场设备的每种情形中，发送器电子装置仅通过单对电线与外部电源电连接，由此形成电流传导回路，并被由电源馈送的供电电流流过，且在此情形中，发送器电子装置还通过相同对的电线把即时测量到的值传送到设置在外部电源中和/或与其电联接的评估单元。在该情形中，发送器电子装置包括具有由供电电流流过的串联电流控制器以根据即时测量到的值设定和/或调制（尤其是定时）供电电流的所谓的双导体连接电路，以及用于设定用作发送器电子装置的内部电源电压的稳定的输入电压或用于导走供电电流的对于产生测量值来说不即时要求的过量部分的并联电流控制器。在给定情形中，而且本质安全的实施为双导体现场设备的这种测量系统的示例可从下面的专利中得到：WO-A05/040735、WO-A04/048905、WO-A02/45045、WO-A02/103327、WO-A00/48157、WO-A00/26739、WO-A94/20940、US-B6,799,476、US-B6,577,989、US-B6,662,120、US-B6,574,515、US-B6,535,161、US-B6,512,358、US-B6,480,131、US-B6,311,136、US-B6,285,094、US-B6,269,701、US-A6,140,940、US-A6,014,100、US-A5,959,372、US-A5,742,225、US-A5,672,975、US-A5,535,243、US-A5,416,723、US-A5,207,101、US-A5,068,592、US-A4,926,340、US-A4,656,353、US-A4,317,116、US-A3,764,880、US-A2008/0015799、US-B7,200,503、US-B7,630,844、WO-A00/67087、WO-A2010/014102、EP-A1147841、EP-A1058093、EP-A525920或DE-A3934007。在给定情形中，如例如在US-A3,764,880、US-A2008/0015799、US-B7,630,844或WO-A2004/048905中描述的，在发送器电子装置的内部例如在内部驱动电路与串联电流控制器之间设置电隔离以防止可能的不总是安全地可防止的应用现场设备的工厂与可控地移除的外部电源之间的电势差。通常，设计这种双导体现场设备，主要是使得在用作电流回路的部分的单对电线中即时流动的供电电流的即时电流水平（设置到4mA至20mA（毫安）之间的水平）也同时代表由测量系统即时产生的测量值。因此，这种双导体现场设备的具体问题还在于名义上至少可由或将要由发送器电子装置转换的电源（在下文中，简称为“可用功率”）在运行过程中可以以实际上不可预测方式在宽范围上波动的事实。考虑到此，实施为双导体现场设备（以及因此具有（4mA至20mA）的电流回路）的这种测量系统中，可采取合适的措施以最优地（因此尽可能低损失地）匹配即时测量和操作条件以将可用功率（其有时甚至总计为明显地小于100mW）分配到各个部件，或分配到测量系统的电子组件，从而分配到驱动电路以及测量和操作电路。在设计为具有主动测量变换器的双导体现场设备的测量系统的情形中，在测量系统中即时转换的总电功率，诸如US-B6,799,476、US-A6,014,100、US-A2008/0015799、US-B7,200,503、US-B7,630,844、WO-A2010/014102或WO-A02/103327中所讨论的，可以例如优化地用在测量系统中，从而在测量系统中转换的电功率例如通过驱动信号的相应地适配的测时和/或通过减少驱动信号的最大电流水平和/或最大电压水平得以（即席地或预测地）匹配即时可用功率。
对于测量系统中可用电功率的最优分配，例如在US-A2008/0015799、US-B7,200,503、US-B7,630,844中提供了双电压控制器的应用，双电压控制器中第一电压控制器将可变直接电压递送到控制器输出以运行驱动电路，而第二电压控制器将独立于上述的驱动电路的操作电压的直接电压递送到控制器输出，并因此基本上恒定地控制到运行测量和操作电路的可预定的电压水平。通过直接电压或从其分支的副电压来运行端级（endstage），该端级把信号输入中提供的且尤其是双极和/或至少是有时间周期性的控制信号转换成测量变换器或其致动器的驱动信号，并因此充当控制信号的功率放大器，其中，尤其对于之前提到的振动类型测量变换器，考虑到电流水平，通常尽可能精确地设定驱动信号。
尤其对于上述情形，其中，在所讨论类型的测量系统的操作过程中，由于所要记录的被测变量的小幅值，可用电功率同样也小，例如小于100mW，所要求的电流水平有时候可不再通过端级来设定，且在这方面，驱动信号不能再以要求的信号质量来递送，或者，由于电压控制器的装配中的回馈，控制信号转换成具有所述电流水平的驱动信号，可导致整个内部电压供应过载或不稳定，以及仅针对测量系统且因此驱动电路和测量变换器的返回到稳定操作点或操作状态的、有时增加的功率或能量要求。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种驱动电路，适于上述类型的测量系统——因此是具有主动测量变换器的双导体现场设备，其中，即使在测量系统中相对小的可用功率的情形，这种驱动电路也能够就其电流水平尽可能有效能地产生具有足够高信号质量的可调节驱动信号。
为实现该目的，本发明提供致动器的驱动电路，例如物理-电测量变换器的电-机、电-声、或电-磁激励器的驱动电路，其中该驱动电路具有：电压控制器，用于将第一直流电压递送到控制器输出，第一直流电压例如被控制到可预订的要求值和/或总是在大于1.5V（伏特）且小于20V的范围；直流电压转换器，第一直流电压（由电压控制器递送且例如有时在小于预定电压阈值的范围和/或在预定电压区间内是可变的）在初级侧上被施加到该直流电压转换器，且直流电压转换器将第一直流电压转换成第二直流电压，第二直流电压可在次级侧上获取且例如是可变的和/或总是在小于3V的范围；以及通过第二直流电压操作的端级，该端级将例如是双极和/或至少有时是周期性的且在信号输入端的控制信号（其例如是高阻抗和/或具有大于10kΩ（千欧姆）的输入阻抗）转换成测量变换器的驱动信号，驱动信号例如是双极和/或至少有时是周期性的；其中，第二直流电压具有总是小于第一直流电压的幅值的幅值，且其中驱动信号具有高于控制信号的电功率的电功率。
另外，本发明还提供具有这样的驱动电路以及测量和操作电路的发送器电子装置，测量和操作电路用于由物理-电测量变换器例如是振动型测量变换器或HF发送/接收测量变换器的物理-电测量变换器递送的至少一个测量信号，所述物理-电测量变换器具有例如是电-机、电-声、或电-磁激励器的（例如感应的）致动器。
此外，本发明还提供具有例如本质安全的发送器电子装置并具有同时与发送器电子装置的驱动电路以及其测量和操作电路电连接的物理-电测量变换器的测量系统，测量和操作电路例如是具有至少一个振动测量管的振动型测量变换器，用于产生依赖于或对应于物理的被测变量的至少一个测量信号，所述物理的被测变量例如是可变和/或波动的，所述物理的被测变量例如是在管线中传输的流体的质量流率和/或密度和/或粘度或保持在容器中的散装货物的料位。
根据本发明的驱动电路的第一实施例，电压控制器在其输出端供应波动电功率，例如使得直流电压转换器的电功率需求有时高于在电压控制器的输出端即时可用的电功率；和/或使得它递送幅值有时在预定电压阈值以下的直流电压。
根据本发明的驱动电路的第二实施例，驱动电路还包括记录电压控制器的过载状况和产生负载信号的过载检测器，例如通过将在电压控制器的输出端递送的第一直流电压与其预定的电压阈值比较，和/或通过将在电压控制器的输出端输出的电功率与其预定的功率阈值比较来记录电压控制器的过载状况，所述负载信号例如也是运行直流电压转换器的和/或是二进制的负载信号，且负载信号以第一信号水平信号通知：电压控制器过载和/或直流电压转换器的电功率需求即时高于在电压控制器的输出端即时可用的电功率，或者，负载信号以不同于第一信号水平的第二信号水平信号通知：电压控制器不过载和/或电压控制器的输出端即时可用的电功率足以满足直流电压转换器的电功率需求。本发明的该实施例还进一步提供了直流电压转换器具有导通和断开直流电压转换器的控制输入，其中，由过载检测器产生的负载信号被馈送到控制输入。另外，直流电压转换器被布置以使得当负载信号已采用第一信号水平时，直流电压转换器被断开，例如使得直流电压转换器递送具有小于1V的幅值的第二直流电压和/或使得由小于100μA（微安）的第一直流电压驱动的有效电输入电流可流过，以及当负载信号已采用第二信号水平时，直流电压转换器被导通，例如使得直流电压转换器递送具有大于1V的幅值的第二直流电压和/或使得由大于0.5mA的第一直流电压驱动的有效电输入电流可流过。替代地或者补充地，还提供了负载信号至少有时实施成具有可变脉冲长度和/或具有可变间歇长度和/或具有可变脉冲-间歇比率的非周期性时钟信号，例如使得负载信号的即时脉冲长度和/或即时间歇长度和/或即时脉冲-间歇长度比率依赖于在电压控制器的输出端即时可用的电功率。
根据本发明的驱动电路的第三实施例，直流电压转换器实施成开关控制器，该开关控制器例如仅以脉冲频率调制模式运行。
根据本发明的驱动电路的第四实施例，直流电压转换器实施成降压转换器，该降压转换器例如是用在其周期持续时间中调制的矩形信号测时的降压转换器。
根据本发明的驱动电路的第五实施例，驱动电路还包括产生控制信号的数字-模拟转换器，数字-模拟转换器例如通过第二直流电压操作。本发明的该实施例还进一步提供了通过第二直流电压形成数字-模拟转换器的与该第二直流电压成比例的基准电压。
根据本发明的发送器电子装置的第一实施例，测量和操作电路包括信号发生器，所述信号发生器产生数字信号，所述数字信号用于产生控制信号。
根据本发明的发送器电子装置的第二实施例，提供了发送器电子装置还包括将发送器电子装置连接到与其远离的测量和电源单元的双导体连接电路。根据本发明的该实施例，双导体连接电路还布置成从测量和电源单元获得驱动电路运行所需要的电功率，例如通过（4mA至20mA）电流回路获得，和/或将通过测量和操作电路产生的测量数据发送到测量和电源单元，例如通过在双导体连接电路中流动的电流的调制和/或用于为驱动电路和/或测量和操作电路供应电功率的电流的调制。
根据本发明的发送器电子装置的第三实施例，测量和操作电路具有电压控制器，电压控制器将第三直流电压递送到控制输出，第三直流电压例如控制到预定的要求值和/或在大于1V的范围，以及测量和操作电路还具有微计算机，微计算机例如通过第三直流电压操作和/或实施成数字信号处理器。
根据本发明的测量系统的第一实施例，在操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率依赖于通过测量变换器记录的被测变量的即时幅值，例如使得在增加被测变量的幅值的情形中，最大即时可用电功率提高，和/或在降低被测变量的幅值时，最大即时可用电功率降低。
根据本发明的测量系统的第二实施例，在操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率依赖于通过测量变换器记录的被测变量的即时幅值，例如使得较之在测量系统的预定的被测变量的最大幅值的情形，在测量系统预定的所述被测变量的最小幅值的情形中，最大即时可用电功率较小。
根据本发明的测量系统的第三实施例，驱动电路还包括记录电压控制器的过载状况和产生负载信号的过载检测器，例如通过将在电压控制器的输出端递送的第一直流电压与其预定的电压阈值比较，和/或通过将在电压控制器的输出端输出的电功率与其预定的功率阈值比较来记录电压控制器的过载状况，所述负载信号例如也是二进制的和/或运行直流电压转换器的负载信号，且负载信号以第一信号水平信号通知：电压控制器过载和/或直流电压转换器需求的电功率即时高于在电压控制器的输出端即时可用的电功率，或者，负载信号以不同于第一信号水平的第二信号水平信号通知：电压控制器不过载和/或电压控制器的输出端即时可用的电功率足以满足直流电压转换器的电功率需求。还提供了负载信号的即时脉冲长度和/或即时间歇长度和/或即时脉冲-间歇比率依赖于通过测量变换器记录的被测变量的即时幅值，例如使得在所述被测变量相对较大的幅值的情形，在测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中所述脉冲长度较小，或者使得较之在所述被测变量的相对较大的幅值的情形，在测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中间歇长度较大，和/或使得较之在所述被测变量的相对较大的幅值的情形，在测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中所述脉冲-间歇比率较小。
根据本发明的测量系统的第四实施例，由测量和操作电路的电压控制器即时递送的直流电压的幅值独立于通过测量变换器记录的被测变量的即时幅值；和/或在测量和操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率独立于通过测量变换器记录的被测变量的即时幅值。
根据本发明的测量系统的第五实施例，测量变换器具有被激励以通过致动器执行机械振荡的至少一个测量管，所述致动器例如实施成电力学振荡激励器和/或通过跳进电枢（plungingarmature）、线圈装置形成。
根据本发明的测量系统的第六实施例，发送器电子装置连接到与其远离的测量和电源单元。本发明的该实施例还进一步提供了发送器电子装置从测量和电源单元获取驱动电路操作所需的电功率，和/或发送器电子装置将通过测量和操作电路产生的测量数据——例如在每种情形中代表在管线中流动的介质的质量流率的质量流测量值、在每种情形中代表介质的密度的密度测量值、或者在每种情形中代表介质的粘度的粘度测量值——发送到测量和电源单元，例如通过在设置于发送器电子装置内的双导体连接电路中流动的电流的调制来进行发送。
本发明的基本思想是通过实施成以非常高的效率且跨越宽的电压和电流范围来转换电功率的降压转换器的直流电压转换器的应用，而从受控的（且因此由于运行原因其电压水平波动的）直流电压尽可能有效地或尽可能低损失地获得主动测量变换器（例如振动型的测量变换器）的致动器所需的驱动信号，其中，该信号通常在宽的电流和电压范围内保持可变；以及最大可能地实施这样的思想而在递送直流电压的供应电路上无明显影响并在测量系统的整个工作范围内具有高的和尽可能恒定的信号质量。
附图说明
现将基于附图更详细地解释本发明以及其他有利实施例，附图中各图示出实施例的示例。所有附图中等同的部分采用相同的附图标记，当出于简明的原因或处于其他合理原因，在随后的附图中省略已经提到的附图标记。从附图以及权利要求书中，本发明的其他有利实施例或其他开发，尤其是本发明的先前仅单独地解释的各方面的组合将更明显。其中
图1示出测量系统，这里实施为用于管线中介质流动的紧凑测量设备；
图2以框图方式示意性示出发送器电子装置，尤其是适于根据图1的测量系统的具有连接到其的主动测量变换器的发送器电子装置；以及
图3以框图的方式示意性示出驱动电路，尤其是适于根据图2的发送器电子装置和因此适于根据图1的测量系统、适于主动测量变换器以及因此适于具有至少一个振荡测量管的振动型测量变换器的驱动电路。
具体实施方式
图1示出可流动物，尤其是流体、介质的测量系统，可插入处理线路（例如工厂中的管线）并通过例如科里奥利质量流量测量设备、密度测量设备、粘度测量设备等形成，实施例的示例中示出的该测量系统用于测量和/或监视在管线中传输的介质的至少一个另外的物理的被测变量，诸如质量流率、密度、粘度等。这里通过紧凑构造的内嵌式测量设备实施的测量系统包括经由入口端#111以及出口端#112连接到处理线路的物理-电测量变换器MT，其连接到测量系统的发送器电子装置ME，在操作过程中，从外部经由连接线缆和/或通过内部储能器供应电能。测量变换器到前述发送器电子装置的电连接可通过相应的连接线来发生，该连接线从电子装置壳体200例如通过电缆馈通延伸出。在这种情形中，连接线至少可部分地实施成至少部分被包裹在电绝缘中的电线例如“双绞”线、扁平电缆和/或同轴电缆的形式。替代地或补充地，连接线还可至少部分地通过电路板，尤其是柔性的且在给定情形中涂漆的电路板的导电迹线形成。
测量变换器MT包括主动（active）测量变换器，这种主动测量变换器通过例如电-机、电-声或电-磁激励器的致动器5相应地将驱动信号iexc且因此将其电信号功率Pexc转换成对记录被测变量（例如介质中的科里奥利力或感应电压）有用的测量结果，驱动信号是电的且例如是双极和/或至少有时周期性的，且这里由发送器电子装置ME递送。测量变换器MT相应地可以例如是在操作过程中由待测量的介质（诸如例如液体和/或气体）相应流过的流动测量变换器，尤其也可以是至少一个振动测量管和作用在振动测量管上的机电振荡激励器的振动类型测量变换器、用于导电液体的磁感应测量变换器、或者用于流体的具有至少一个声发送器的超声测量变换器，或者例如也可以是根据回波原理工作的用于电磁微波的HF传送/接收测量变换器。对于已提到的情形，根据本发明的另一实施例，其中测量变换器MT是用于流动介质的一种振动类型的，该测量变换器具有至少一个测量管，测量管通过致动器（其例如实施成电力学的振荡激励器和/或通过跳进电枢、线圈装置形成且因此感应）来激励以执行机械振荡且因此由于流过测量变换器的介质中的科里奥利力，该振荡具有依赖于即时质量流率的振荡形式和/或依赖于输送入测量变换器的介质的即时密度的共振频率和/或依赖于在测量变换器中传输的介质的即时粘度的衰减。
如在图2中以框图方式示意性示出的，例如本质安全和/或通常以1W或更低的最大功率操作的发送器电子装置ME包括：驱动电路Exc，驱动电路Exc用于激活测量变换器且尤其还产生前述的驱动信号；以及测量和操作电路μC，其中，1）测量和操作电路μC处理从测量变换器MT递送的，或在可能的情形中更具体地从设置在测量和操作电路μC中并通过例如电力学的振荡传感器形成的传感器装置19递送的测量信号usens1、usens2，2）测量和操作电路μC例如通过数字信号处理器DSP形成，和/或3）测量和操作电路μC在操作中与驱动电路Exc通信。在操作过程中，该测量和操作电路μC递送代表至少一个被测变量的测量值，诸如例如即时质量流量或总质量流量。由测量变换器产生的测量信号（其例如在每种情形中形成为振荡测量信号，且其在振动类型的测量变换器的情形中，在每种情形中具有信号分量，具有对应于该至少一个振荡测量管的即时振荡频率fexc的信号频率）因此被馈送到发送器电子装置ME（也如图2所示），并馈送到设置在发送器电子装置ME内的测量和评估电路μC，在那里，通过相对应的输入电路IC，它们首先被预处理，尤其是前置放大、滤波和数字化，使得能够被适当的评估。根据本发明的另一实施例，测量和操作电路μC通过设置在发送器电子装置中的微计算机并通过在微计算机中实施和运行的程序代码来实施，其中例如，微计算机通过数字信号处理器DSP来实施。程序代码可例如永久地存储在微计算机中的非易失性数据存储器EEPROM中，且在启动代码的情形中可加载到例如集成在微计算机中的易失性数据存储器RAM中。当然，与例如先前提到的US-B6,311,136相对比，为了在微计算机中处理，测量信号（如已经指出的）将通过发送器电子装置ME的相对应的模拟-数字测量变换器A/D转换成相对应的数字信号。
驱动电路Exc以及测量和操作电路μC，以及发送器电子装置的用于测量系统的操作的其他电子部件，例如提供内部供应直流电压的内部能量供应电路、用于连接到上级测量数据处理系统的连接电路MAU或外部现场总线和/或用于测量系统的内部运行控制的测量和操作电路μC的控制电子装置COM/CNTRL，被容纳在对应的电子装置壳体200中，电子装置壳体200尤其以抗冲击和/或抗爆炸和/或密闭密封的方式来实施。为了测量系统内部产生的测量值，和/或在给定情形中，测量系统内部产生的状态报告（例如错误报告或警报）的可视化，在现场，测量系统还可具有至少有时与发送器电子装置通信的显示器和操作元件HMI，例如放置在电子装置壳体内相应设置在壳体中窗口后的LCD、OLED或TFT显示器，以及相应的输入键盘和/或触摸显示屏。
以有利的方式，还可以设计发送器电子装置ME，尤其是可编程和/或远程可参数化的发送器电子装置，使得在测量系统的操作过程中，发送器电子装置可通过数据传输系统（例如现场总线系统和/或通过无线电的无线地）与上级电子数据处理系统（例如可编程逻辑控制器控件（PLC）、个人计算机和/或工作站）交换测量数据和/或其他运行数据，例如用于控制测量系统的电流测量值或设定值和/或诊断值。在这种情形中，发送器电子装置ME可以例如具有这种类别的连接电路，即在操作过程中，该连接电路由设置在远离测量系统的数据处理系统中的测量和电源单元馈送。在这种情形中，发送器电子装置还可尤其被实施以使得通过可与外部电子数据处理系统电连接并因此与前述测量和电源单元连接的双导体连接2L（例如构造成4-20mA电流回路），并经由此供应电能且可将测量值发送到数据处理系统。
在本发明的实施例中，发送器电子装置因此还包括双导体连接电路MAU，双导体连接电路MAU用于将发送器电子装置连接到与其远离的测量和电源单元。另外，在这种情形中发送器电子装置在双导体连接单元MAU的输入端从测量和电源单元获取其运行且因此也是驱动电路的运行所需要的电功率，例如是由测量和电源单元经由（4mA至20mA）电流回路馈送的供应直流电流Ii以及与之相对应的端子电压UT的形式。此外，发送器电子装置且因此双导体连接电路MAU被布置成将通过测量和操作电路产生的测量数据（例如代表在管线中流动的介质的质量流率的质量流量测量值、代表介质的密度的密度测量值、或代表介质的粘度的粘度测量值）例如经由设置于发送器电子装置中的双导体连接电路MAU中流动的电流的调制发送到测量和电源单元，该电流尤其还用于为发送器电子装置供电，且因此用于为驱动电路和/或测量和操作电路提供电功率。为形成双导体连接电路MAU（尤其在前述情形中，其中所述双导体连接电路MAU是（4mA至20mA）电流回路的一部分），常规串联电流控制器和/或并联电流控制器例如可尤其还用于提供至少在测量系统的稳定工作点内非常稳定的内部输入电压Ui的目的。
如已经提到的，所讨论类型（例如双导体现场设备）的测量系统把可用电功率转换成测量值的有效性不仅仅依赖于驱动电路高效能地工作的这一个方面，而是在另一方面，还很大程度上不激起任何扰乱测量电路的操作的测量系统内部能量供应的电压波动。对于图3中示意性示出的下面基本构造并从其推导出，本发明的驱动电路包括下面的操作方式：电压控制器UCD将第一直流电压UPD递送到控制器输出，第一直流电压UPD例如被控制到可预订的要求值和/或总是在大于1.5V（伏特）且小于10V的范围。由电压控制器递送的例如有时在小于（尤其是致动器或测量变换器）预订电压阈值的范围和/或在预定电压区间内可变的直流电压UPD在后面的过程中在初级侧被施加到直流电压转换器DC/DC，直流电压转换器DC/DC将该电压转换成第二直流电压U'PD，尤其还由于发送器电子装置中总可用电功率的波动，第二直流电压U'PD是可变的且可在次级侧上可用。在本发明的驱动电路情形中，可以设计直流电压转换器DC/DC，使得第二直流电压U'PD具有总是小于第一直流电压UPD幅值的幅值，即直流电压转换器DC/DC实施成所谓的降压转换器。对于其实施，可例如使用德州仪器公司的TPS62xxx，因此使用TPS62240或TPS6205x。
另外，驱动电路包括通过位于直流电压转换器DC/DC的次级侧处的直流电压U'PD来运行的端级，该端级一部分用于将控制信号sinexc_A（其例如是在信号输入端，尤其是高阻抗信号输入和/或具有超过0.5MΩ的输入阻抗的信号输入端的双极的和/或至少有时是周期的）转换成测量变换器的驱动信号iexc，且因此用于加强控制信号sinexc_A，使得相对应于控制信号sinexc_A或在给定情形中仅相对应于其调幅的驱动信号iexc具有电功率Pexc，电功率Pexc由此高于控制信号sinexc_A的电功率Psin。
如已经提到的，电压控制器UCD在其输出端供应电功率（当在特定运行时间范围内考虑时，电功率波动），且因此还供应电功率，使得直流电压转换器DC/DC电功率的需求有时高于电压控制器的输出端即时可用的电功率，或者电压控制器UCD递送幅值有时在预定电压阈值以下的直流电压。由此，在电压控制器处有时出现过载状况，例如由于测量系统中非常小的即时可用功率，在该情形中，驱动电路关于实际所要通过驱动信号iexc即时供应到测量变换器的致动器的电功率供应不足。在所讨论类型的测量系统中，这种过载状况可例如在一方面所要记录的被测变量（由此例如质量流率或密度）具有低幅值，且另一方面在振动型测量变换器情形中，由于至少一个测量管的相对高的振荡衰减，在驱动信号同时需要较高电功率时出现。
为记录电压控制器的这种过载状况，尤其还为了对所述状况发送信号和/或直流电压转换器DC/DC的负载独立控制的目的，根据本发明的另一实施例，驱动电路还包括过载检测器，例如，通过在电压控制器的输出端递送的第一直流电压UPD与预订的电压阈值的比较器形成的过载检测器。过载检测器尤其设计成产生（例如通过将在输出端的由电压控制器递送的第一直流电压UPD与预订的电压阈值比较，或者也通过将在电压控制器的输出端输出的电功率与预订的功率阈值比较）过载信号en（例如二进制的），该过载信号以第一信号水平（L）信号通知：电压控制器过载或直流电压转换器DC/DC对电功率的即时需求高于在电压控制器的输出端即时可用的电功率，或者该过载信号以与第一信号水平不同的第二信号水平（H）信号通知：电压控制器不过载或在电压控制器的输出端即时可用的电功率足以满足直流电压转换器DC/DC对电功率的需求。由此，负载信号至少有时（这里指这种偶然出现的过载状况期间）实施成具有可变脉冲长度和/或可变间歇长度和/或可变脉冲-间歇比率的非周期时钟信号。在这种情形中，负载信号的即时脉冲长度且因此间歇长度或脉冲-间歇比率依赖于电压控制器的输出端即时可用的电功率，即使得较之在相比较大电功率的情形，在为驱动电路预定的最小电功率的情形中所述脉冲长度较小，或者在增加电功率的情形中，所述脉冲长度更大，或使得在相比较大电功率的情形，在为驱动电路预定的最小电功率的情形中所述间歇长度较大，或者在增加电功率的情形中，所述间歇长度更小。与此相关，较之相比较大电功率的情形，在为驱动电路预定的最小电功率的情形中所述脉冲-间歇长度比率也较小，或者在增加电功率的情形中，所述脉冲-间歇长度比率更大。
根据本发明的另一实施例，直流电压转换器DC/DC包括导通和断开直流电压转换器DC/DC的控制输入EN。如图3所示意性呈现的，所述控制输入EN被馈送由过载检测器产生的过载信号en。直流电压转换器DC/DC还适于以下面的方式匹配过载信号en，即当负载信号已经采用第一信号水平（L）时，直流电压转换器DC/DC断开，而当负载信号已经采用第二信号水平（H）时，直流电压转换器DC/DC导通。另外，根据本发明的另一实施例，直流电压转换器DC/DC以下面这样的方式加以适配，即在断开状态，直流电压转换器DC/DC递送具有在任何情况下小于1V幅值的第二直流电压U'PD，或允许流过小于100μA的有效输入电流IPD（由第一直流电压UPD驱动，且由此直流电压转换器DC/DC的残留电流驱动），在导通状态，直流电压转换器DC/DC递送具有大于1V的幅值的第二直流电压U'PD，或允许流过由第一直流电压UPD驱动的大于0.5mA的有效输入电流IPD。根据本发明的另一实施例，直流电压转换器DC/DC（尤其还为了实现驱动电路作为整体的尽可能高程度的效率的目的）实施成开关控制器（例如，仅在脉冲频率调制模式中运行的控制器）和/或降压转换器（buckconverter），例如为了用在其周期持续时间中调制的矩形信号（PFM）降低前述残留电流目的而测时的降压转换器。对于前述情形，其中直流电压转换器DC/DC通过TPS62xxx形成，TPS62xxx可相应地例如在所谓的“功率节省模式”中运行。
根据本发明的另一实施例，控制信号sinexc_A由先前的数字信号sinexc_D推导出，先前的数字信号sinexc_D例如通过测量和操作电路μC形成。为此，根据本发明的另一实施例，驱动电路包括产生控制信号sinexc_A的相应的数字-模拟转换器D/A。为了防止端级的可能过驱动，还提供了第二直流电压U'PD用作数字-模拟转换器D/A的操作电压，但至少通过所述直流电压U'PD形成数字-模拟转换器D/A的与直流电压U'PD成比例的基准电压，由此可容易地确保在过载状况中，控制信号sinexc_A也具有合适地匹配于端级的即时操作电压且因此也匹配于其即时控制范围的信号幅度。为了产生数字信号sinexc_D，相应的信号发生器（例如也是通过前述数字信号处理器实施的信号发生器）可布置在测量和操作电路中，例如使得所述信号发生器在相应地与数字-模拟转换器D/A的数字输入连接的信号输出端输出具有依赖于相应幅度设定输入端的数字致动值的幅值的数字信号sinexc_D。
如图2所示意性地示出的，测量和操作电路包括电压控制器UCM，电压控制器UCM在控制器输出端递送第三直流电压UPM，第三直流电压UPM例如控制到预定要求的值和/或大于1V的数值。在这种情形中，测量和操作电路的电压控制器UCM和驱动电路的电压控制器UCD还可有利地彼此匹配以使得在驱动电路的电压控制器UCD的输出端即时可用的最大电功率依赖于通过测量变换器MT记录的被测变量的即时幅值（例如使得在增加被测变量的幅值的情形中电功率提高，和/或在降低被测变量的幅值的情形中功率降低），而在测量和操作电路的电压控制器UCM的输出端即时可用的最大电功率且因此由测量和操作电路的电压控制器UCM即时递送的直流电压UPM的幅值独立于通过测量变换器记录的被测变量的即时幅值。如图2所指示的，由测量和操作电路的电压控制器即时递送的直流电压UPM可例如（尤其也由于相对高的稳定性）用作前述内部控制电子装置COM/CNTRL和/或数字信号处理器DSP的操作电压。

Claims (43)

1.用于物理-电测量变换器的致动器的驱动电路，该驱动电路包括：
电压控制器(UCD)，所述电压控制器(UCD)向控制器输出端递送第一直流电压(UPD)；
直流电压转换器(DC/DC)，从所述电压控制器递送的所述第一直流电压(UPD)在初级侧被施加到所述直流电压转换器(DC/DC)，其中，所述直流电压转换器把所述第一直流电压转换成在次级侧上可用的第二直流电压(U'PD)；
端级，用所述第二直流电压(U'PD)操作所述端级，使得把位于信号输入上的控制信号(sinexc_A)转换成用于所述测量变换器的驱动信号(iexc)；以及
过载检测器，该过载检测器用于记录所述电压控制器的过载状况并用于产生负载信号(en)，
其中，所述第二直流电压(U'PD)的幅值总是小于所述第一直流电压(UPD)的幅值，
其中，所述驱动信号(iexc)的电功率(Pexc)高于所述控制信号(sinexc_A)的电功率(Psin)，
其中，所述过载检测器适于产生第一信号水平的负载信号来信号通知：所述电压控制器过载，和/或所述直流电压转换器(DC/DC)的电功率需求即时高于所述电压控制器的输出端即时可用的电功率，
其中，所述过载检测器适于产生不同于所述第一信号水平的第二信号水平的负载信号来信号通知：所述电压控制器不过载，和/或在所述电压控制器的输出端的即时可用的电功率足以满足所述直流电压转换器(DC/DC)的电功率需求，
其中，所述直流电压转换器(DC/DC)具有控制输入端(EN)，用于使所述直流电压转换器(DC/DC)导通和断开，其中由所述过载检测器产生的所述负载信号(en)被馈送到所述控制输入端(EN)，
其中，所述直流电压转换器(DC/DC)被适配为：当所述负载信号已采用所述第一信号水平时，所述直流电压转换器(DC/DC)被断开，以及当所述负载信号已采用第二信号水平时，所述直流电压转换器(DC/DC)被导通。
2.如权利要求1所述的驱动电路，
其中所述电压控制器在其输出端供应波动电功率；和/或
其中所述电压控制器递送幅值有时低于预定电压阈值的直流电压。
3.如权利要求1所述的驱动电路，其中，所述过载检测器通过把在所述电压控制器的输出端递送的所述第一直流电压(UPD)与其预定的电压阈值比较、和/或通过把在所述电压控制器的输出端递送的电功率与其预定的功率阈值比较来记录所述电压控制器的过载状况。
4.如权利要求1所述的驱动电路，其中由所述过载检测器产生的所述负载信号(en)是二进制的负载信号。
5.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述直流电压转换器(DC/DC)被适配为：
当所述负载信号已采用所述第一信号水平时，所述直流电压转换器(DC/DC)被断开，使得所述直流电压转换器(DC/DC)递送具有小于1V的幅值的所述第二直流电压(U'PD)和/或使得由小于100μA的第一直流电压(UPD)驱动的有效电输入电流(IPD)可流过，和/或
当所述负载信号已采用第二信号水平时，所述直流电压转换器(DC/DC)被导通，使得所述直流电压转换器(DC/DC)递送具有大于1V的幅值的所述第二直流电压(U'PD)和/或使得由大于0.5mA的第一直流电压(UPD)驱动的有效电输入电流(IPD)可流过。
6.如权利要求1所述的驱动电路，其中，所述负载信号至少有时实施成具有可变脉冲长度和/或具有可变间歇长度和/或具有可变脉冲-间歇比率的非周期性时钟信号。
7.如权利要求6所述的驱动电路，
其中，所述负载信号的即时脉冲长度依赖于在所述电压控制器的输出端即时可用的电功率；和/或
其中，所述负载信号的即时间歇长度依赖于在所述电压控制器的输出端即时可用的电功率；和/或
其中，所述负载信号的即时脉冲-间歇长度比率依赖于在所述电压控制器的输出端即时可用的电功率。
8.如权利要求1所述的驱动电路，
其中，所述直流电压转换器(DC/DC)被实施成开关控制器；和/或
其中，所述直流电压转换器(DC/DC)被实施成降压转换器。
9.如权利要求1所述的驱动电路，还包括：用于产生所述控制信号(sinexc_A)的数字-模拟转换器(D/A)。
10.如权利要求9所述的驱动电路，其中用所述第二直流电压(U'PD)形成所述数字-模拟转换器(D/A)的与所述第二直流电压成比例的基准电压。
11.发送器电子装置，具有前述权利要求中的一项所述的驱动电路和用于至少一个测量信号的测量和操作电路，所述至少一个测量信号是从具有致动器的物理-电测量变换器递送的。
12.如权利要求11所述的发送器电子装置，其中所述测量和操作电路包括信号发生器，所述信号发生器产生数字信号(sinexc_D)，所述数字信号(sinexc_D)用于产生控制信号(sinexc_A)。
13.如权利要求11所述的发送器电子装置，还包括：双导体连接电路(MAU)，所述双导体连接电路(MAU)用于将所述发送器电子装置连接到与其远离的测量和电源单元。
14.如权利要求13所述的发送器电子装置，
其中，所述双导体连接电路(MAU)适于从所述测量和电源单元获取所述驱动电路运行所需要的电功率；和/或
其中，所述双导体连接单元(MAU)适于把用所述测量和操作电路产生的测量数据发送到所述测量和电源单元。
15.如权利要求11所述的发送器电子装置，其中，所述测量和操作电路包括：
电压控制器(UCM)，所述电压控制器(UCM)将第三直流电压(UPM)递送到控制器输出端，以及
微计算机(DSP)。
16.测量系统，包括：如权利要求11至15中的一项所述的发送器电子装置和同时与所述发送器电子装置的驱动电路以及所述发送器电子装置的测量和操作电路电连接的物理-电测量变换器。
17.如权利要求16所述的测量系统，其中，在操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值。
18.如权利要求16所述的测量系统，
其中，所述负载信号的即时脉冲长度依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值；和/或
其中，所述负载信号的即时间歇长度依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值；和/或
其中，所述负载信号的即时脉冲-间歇比率依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值。
19.如权利要求16所述的测量系统，
其中由所述测量和操作电路的电压控制器即时递送的直流电压(UPM)的幅值独立于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值；和/或
其中在所述测量和操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率独立于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，和/或
其中所述测量变换器具有被激励以使得用致动器执行机械振荡的至少一个测量管。
20.如权利要求16所述的测量系统，其中所述发送器电子装置连接到与其远离的测量和电源单元。
21.如权利要求20所述的测量系统，其中，所述发送器电子装置从所述测量和电源单元获取所述驱动电路的操作所需的电功率。
22.如权利要求中21所述的测量系统，其中，所述发送器电子装置把用所述测量和操作电路产生的测量数据发送到所述测量和电源单元。
23.如权利要求6所述的驱动电路，
其中，所述负载信号的即时脉冲长度依赖于在所述电压控制器的输出端即时可用的电功率，使得较之在相比较大的电功率的情形，在所述驱动电路的预定的最小电功率的情形中所述脉冲长度较小，或者使得在增加电功率的情形中，所述脉冲长度更大。
24.如权利要求6所述的驱动电路，
其中，所述负载信号的即时间歇长度依赖于在所述电压控制器的输出端即时可用的电功率，使得较之在相比较大的电功率的情形，在所述驱动电路的预定的最小电功率的情形中所述间歇长度较大，或者使得在增加电功率的情形中，所述间歇长度更小。
25.如权利要求6所述的驱动电路，
其中，所述负载信号的即时脉冲-间歇长度比率依赖于在所述电压控制器的输出端即时可用的电功率，使得较之在相比较大的电功率的情形，在所述驱动电路的预定的最小电功率的情形中所述脉冲-间歇长度比率也较小，或者使得在增加电功率的情形中，所述脉冲-间歇长度比率更大。
26.如权利要求1所述的驱动电路，
其中，所述直流电压转换器(DC/DC)被实施成仅以脉冲频率调制模式运行的开关控制器。
27.如权利要求1所述的驱动电路，
其中，所述直流电压转换器(DC/DC)被实施成用其周期持续时间中调制的矩形信号(PFM)测时的降压转换器。
28.如权利要求9所述的驱动电路，其中所述数字-模拟转换器(D/A)用所述第二直流电压(U'PD)来操作。
29.如权利要求11所述的发送器电子装置，所述物理-电测量变换器是振动型测量变换器或HF发送/接收变换器。
30.如权利要求11所述的发送器电子装置，所述测量变换器的致动器是电-机、电-声或电-磁激励器。
31.如权利要求14所述的发送器电子装置，
其中，所述双导体连接电路(MAU)适于通过4mA至20mA电流回路从所述测量和电源单元获取所述驱动电路运行所需要的电功率。
32.如权利要求14所述的发送器电子装置，
其中，所述双导体连接单元(MAU)适于通过在所述双导体连接电路(MAU)中流动的电流的调制把所述测量数据发送到所述测量和电源单元。
33.如权利要求14所述的发送器电子装置，
其中，所述双导体连接单元(MAU)适于通过分别为所述驱动电路和所述测量和操作电路供应电功率的电流的调制把所述测量数据发送到所述测量和电源单元。
34.如权利要求15所述的发送器电子装置，
所述第三直流电压(UPM)受控在预订要求值。
35.如权利要求15所述的发送器电子装置
所述第三直流电压(UPM)受控在大于1V的范围。
36.如权利要求15所述的发送器电子装置，其中，所述微计算机(DSP)是用所述第三直流电压(UPM)操作。
37.如权利要求17所述的测量系统，其中，在操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，使得在增加被测变量的幅值的情形中最大的即时可用电功率提高。
38.如权利要求17所述的测量系统，其中，在操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，使得在降低被测变量的幅值的情形中最大即时可用电功率降低。
39.如权利要求17所述的测量系统，其中，在操作电路的电压控制器的输出端即时可用的最大电功率依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，使得较之在所述测量系统的预定的被测变量的最大幅值的情形，在测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中最大即时可用电功率较小。
40.如权利要求16所述的测量系统，
其中，所述负载信号的即时脉冲长度依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，使得较之在所述被测变量的相对较大的幅值的情形，在所述测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中所述脉冲长度较小。
41.如权利要求16所述的测量系统，
其中，所述负载信号的即时间歇长度依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，使得较之在所述被测变量的相对较大的幅值的情形，在所述测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中所述间歇长度较大。
42.如权利要求16所述的测量系统，
其中，所述负载信号的即时脉冲-间歇比率依赖于用所述测量变换器记录的被测变量的即时幅值，使得较之在所述被测变量的相对较大的幅值的情形，在所述测量系统的预定的被测变量的最小幅值的情形中所述脉冲-间歇比率较小。
43.如权利要求16所述的测量系统，
其中所述测量变换器具有被激励以使得用致动器执行机械振荡的至少一个测量管，所述致动器实施成电力学振荡激励器和/或用跳进电枢、线圈装置形成。
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