CN103282744A - 用于检测可线性移动的引导元件的突出位置的位置测量系统及相关测量方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于检测引导棒(3)的极值位置(xmin,xmax)的位置测量系统(1),所述引导棒相对于引导系统(2)沿着直线路径(x)伸展并且能够沿着该直线路径(x)移动,该位置测量系统特别可靠地工作并且借助尽可能少量的电线路来实现。所述位置测量系统(1)配备有多个传感器元件(5)和至少一个磁性元件(7),其中磁性元件(7)设计用于形成磁场(H),磁性元件(7)与引导棒(3)连接,所述传感器元件(5)或者每个传感器元件(5)分别构建在检测区域内,用于检测其在传感器元件(5)的位置上的场强大于预先定义的阈值的磁场(H),并且至少一个传感器元件(5)与引导系统(2)连接并且布置在路径(x)的环境(Ux)中。此外提出了一种相应的测量方法。

Description

用于检测可线性移动的引导元件的突出位置的位置测量系统及相关测量方法
本发明涉及一种位置测量系统以及一种相关的测量方法,用于检测可线性移动的引导元件的突出位置、尤其是极大位置和极小位置。
在原子能技术设备中,例如在核电站设备中,使用可线性运动的控制棒,以便通过吸收辐射来控制在反应堆中的核裂变过程的链式反应,其中在核裂变过程中发射粒子辐射,尤其是中子辐射。这种控制棒在核燃料元件之间推移得越远,则继续驱动链式反应的粒子辐射的越大部分被吸收,使得链式反应相应更为缓慢地进行,并且在控制棒的完全伸出位置中理想地可以停止,其中所述控制棒典型被成组地集束布置。由此,链式反应的状态和过程取决于可线性移动的控制棒的伸出位置,并且通过其被确定。对于控制棒的位置的精确认知(尤其是分别最大伸出的位置)由此对于调节工作状态并且由此尤其是对于安全性是意义重大的。
控制棒的位置测量系统通常包括用于使用电磁感应测量方法的装置,其中分别利用的是,在电导体中磁场的时间变化感应电压。这种装置通常包括一个或者多个主线圈,用于提供这种磁场。通过在磁场区域中的控制棒,改变磁场,这导致在沿着线性移动路径布置的感应线圈中所感应的电压变化。基于感应电压的大小可以确定控制棒的位置。为了检测控制棒的下部和/或上部端部位置,通常设置有独立的线圈组,其测量信号分别通过独立的线路传输至分析单元。这些线圈的电压信号给出了关于控制棒是否到达了下部或者上部端部位置的说明。
上面给出的位置测量系统的缺点是,为了检测控制棒的位置需要多个次级线圈,其信号线路必须从内部反应堆区域(所谓的容器“Containment”)中引出。尤其是用于检测控制棒的端部位置的线圈需要附加的测量线路。此外不利的是,根据控制棒的实际位置,在控制棒的最小或者最大端侧伸出位置的环境区域中,电感线圈的电压信号连续地变化。由此,根据电压信号的大小虽然可以粗略地得出控制棒的最小或者最大伸出位置,然而当控制棒不再位于其最小或者最大伸出位置中时,例如当控制棒从反应堆抽出一定路径段时,该信号还以减弱的形式始终存在。因此,该感应测量方法对于精确的和清楚的端部位置探测而言通常太不准确。
本发明的第一任务是,提出一种用于检测可沿着直线路径移动的控制棒的突出位置、尤其是极值位置的位置测量系统,对于该位置测量系统需要尽可能少数目的测量线路,并且其尽可能准确和可靠。位置测量系统尤其是应当可以用简单的方式集成到现有的感应位置测量系统中。
本发明的第二任务是,提出一种用于确定可沿着直线路径移动的控制棒的突出位置、尤其是极值位置的方法,该方法尽可能准确和可靠。
根据本发明,第一任务通过权利要求1所述的特征来解决。于是设计了一种用于检测引导棒的极值位置的位置测量系统,所述引导棒相对于引导系统沿着直线路径伸展并且能够沿着该直线路径移动,所述位置测量系统带有多个传感器元件和至少一个磁性元件,其中磁性元件设计用于形成磁场,磁性元件与引导棒连接,所述传感器元件或者每个传感器元件分别构建在探测区域内,用于探测其在传感器元件的位置上的场强大于预先定义的阈值的磁场,并且至少一个传感器元件与引导系统连接并且布置在路径的环境中。
本发明所基于的考虑是,借助磁性元件将磁场与引导棒根据位置来耦合,并且借助通过与引导系统位置固定地连接的外部传感器元件对磁场的探测来检测引导棒相对于引导系统的相应位置。特别地,通过这种方式可以检测引导棒的离散的位置值,例如极值位置。
相对于引导棒固定的参考点的位置被定义为引导棒的位置,其中参考点相对于直线路径具有恰好一个位置坐标。优选的是,参考点选择在引导棒的如下位置上:在该位置上设置有任意的、但是固定选择的磁性元件。在仅仅一个磁性元件的情况下,该选择是明确的。最后提及的对于参考点的特定选择并未对一般性进行限制。在参考点的另一选择情况下,所测量的位置值相比于参考点的特定选择情况下的值推移恒定的长度,该长度通过在磁性元件和参考点之间的距离给出。
此外,位置检测是唯一的,因为传感器元件当且只有当在探测区域中是如下磁场时才作出检测到的反应:该磁场在传感器元件的位置处的场强大于阈值。在引导棒的大于传感器元件的空间分辨率(Trennungsschaerfe)的位置变化情况下,由此并不进行传感器元件的连续信号输出。更确切地说,能够实现“到达端部位置:是/否”的可靠的二进制消息。
如果在引导系统的同一位置安装有多个传感器元件,则相应地提高位置检测的冗余度。因此,根据本发明的位置测量系统原则上能够以高的冗余度来实施,并且相应地是可靠的。然而,在此由于系统而必须考虑较大数量的线路的缺点。
此外,根据本发明的位置测量系统可以与已知的用于位置测量的系统、尤其是与用于使用感应测量方法的系统组合,其中尤其是可以使用已有的信号线路(多次使用)。
优选的是,磁性元件构建为永磁体。对于一个永磁体(不同于在形成电磁铁的线圈情况下那样)不需要如下电导体:其必须作为附加的线路在引导棒上或者在引导棒中引导以及从容器中引出来。为了位置测量系统而要从容器中引出的可能的附加线路的数目由此仍然针对传感器元件来受到限制。
合乎目的的是,磁性元件与引导棒在端侧连接。在这种位置中,磁性元件可以特别简单地与引导棒连接,并且可以例如作为永磁体以磁性板或者磁性圆盘的形式单侧地附接到引导棒上。此外,由此可以对于在引导棒的相应端侧的相对于引导系统可能的极限偏移的位置处的传感器元件来检测引导棒的极值位置。
因此,服务于目的地,至少一个传感器元件的探测区域单侧地检测设置在极值位置中的引导棒。
在位置测量系统的一个合适的实施形式中,引导棒可以在最小伸出位置和最大伸出位置之间沿着直线路径移动。借助合适的局部化的传感器元件,由此可以检测引导棒的两个极值伸出位置。
更优选的是,至少一个传感器元件作为无接触传感器,尤其是作为簧片接触元件。簧片接触元件包括两个接触舌簧,其芯通常分别由铁磁性金属形成。在簧片接触元件的区域中的磁场(其通过在控制棒上的永磁体引起)导致两个接触舌簧的吸引。如果磁场的场强超过阈值,则在两个接触舌簧之间形成接触闭合,使得控制电流可以流过接触部。为了改善导电性以及为了减少过早的接触闭合,接触舌簧通常用贵金属涂覆,例如用铜或者银涂覆,或者包含有被排空的或者用保护气体填充的玻璃泡。簧片接触元件可以标度到宽广的值域上并且可以鲁棒地和成本低廉地使用。
在位置测量系统的一个优选的实施变形方案中,至少一个传感器元件与电路装置连接,该电路装置与分析单元和/或控制单元连接,以及包括多个电感线圈。电感线圈构建用于利用感应测量过程。通过电路技术上的连接,所述电感线圈或者每个电感线圈可以借助传感器元件通过同一控制单元激励和控制。通过这种方式,可以实现位置确定的高程度的冗余和/或高的局部分辨率,而不必将附加的电线路从容器中引出。
此外优选的是,电路装置包括至少一个欧姆电阻单元,其与至少一个电感线圈构建串联电路,并且其与至少一个接触传感器构建电路回路。因为电感线圈也具有欧姆电阻,所以在欧姆电阻单元和电感线圈构成的串联电路中的总电阻是两个电阻之和。因为接触传感器与欧姆电阻单元形成电路回路,所以欧姆电阻单元在闭合接触传感器的情况下被跨接并且由此被短路,使得在该情况中在可测量的总电阻中仅仅包括电感线圈的欧姆电阻。由此,电路装置的拓扑反映了接触传感器对于不连续的电阻变化的探测,使得例如可以借助电阻值的这种跳跃式的变化来识别出到达引导棒的极值位置,其可以借助简单的装置来测量。
在位置测量系统的一个特别合适的改进方案中,电路装置包括两个欧姆电阻单元,其与电感线圈构建串联电路,其中所述两个欧姆电阻的每个分别与电感线圈的一个端侧(连接端)连接,并且包括多个接触传感器,其中每个接触传感器都与欧姆电阻之一构建电路回路。特别地,有两个接触传感器,并且每个接触传感器与恰好一个欧姆电阻单元构建电路回路。这种电路拓扑是在最后一段中阐述的电路拓扑的一种特定情况,其适于识别两种不同的传感器信号,例如为了测引导棒的最小位置和最大位置。特别地,两个欧姆电阻单元具有不同的欧姆电阻值,使得可以根据总电阻值的变化大小识别出,两个接触传感器中的哪个形成闭合电接触。如果是超过两个接触传感器,则对于至少一个欧姆电阻单元存在多于一个电路回路。于是,当接触传感器的仅仅一个构建闭合电接触(elektrischen Kontaktschluss)时,实现了欧姆电阻单元的短路。当两个接触传感器的探测区域交迭时,这特别适于提高冗余度。
此外,合乎目的的是,控制单元包括电源用于将直流电流馈送到电路装置中,和/或包括第一测量单元,用于检测在电路装置中的总电压的直流电压部分,和/或包括第二测量单元,用于检测在电路装置中的总电压的交流电压部分。从借助第一测量单元检测的直流电压及其时间变化曲线中,以及从馈送到电路装置中的、其大小已知的直流电流中,可以确定电路装置的欧姆电阻值以及其时间变化曲线。尤其是一个或者每个接触传感器的不连续的变化曲线以及由此其探测由此被确定。第二测量单元尤其是检测被电感线圈从交变磁场中感应出的交流电压。由此,尤其是可以确定交流电压的幅度的时间变化曲线,并且由此可以推断出感应交变磁场的变化。后者是感应测量过程的主题。
优选的是,控制单元与第二电路装置连接,该电路装置包括电线圈,并且优选的是,控制单元构建用于形成和控制在第二电路装置中的电流。这种电路装置尤其是适于实施感应测量过程。为此,控制单元产生交流电流,其引导通过电线圈(初级线圈),并且在此感应交变磁场。
此外优选的是,电线圈与所述直线路径平行取向和设置。例如,线圈可以构建用于包围直线路径,由此通过线圈感应的磁场基本上完全包围所述路径。
在位置测量系统的一个合乎目的的实施形式中,引导棒作为原子能设备的控制棒给出,并且引导系统包括包围控制棒的耐压的引导管。这种位置测量系统用于控制棒的优选冗余的位置测量,尤其是用于测量和验证端部位置。合乎目的的是,在端部位置的区域中,多个簧片接触元件与引导管的外侧接触配合地连接,并且合乎目的的是,电线圈包围引导管。在引导管中可线性移动的控制棒的位置可以借助控制单元和电路装置以感应方式来检测。端部位置的到达和存在通过簧片接触元件来探测,借助第一电路装置来测量以及借助控制单元来分析。
开头所提及的第二任务根据本发明通过权利要求14所述的特征来解决。于是设计了一种用于检测引导棒的突出位置、尤其是极值位置的方法,所述引导棒相对于引导系统沿着直线路径伸展并且能够沿着该直线路径移动,其中借助单侧与引导棒连接的磁性元件产生磁场,并且借助与引导系统连接的传感器元件探测磁场,优选的是,借助根据本发明的第一任务的位置测量系统。
在所述方法的一个特别合乎目的的改进方案中,通过控制单元产生初级交流电压,该交流电压被馈送到电路装置中,在电感线圈中产生感应电压,借助控制单元确定电路装置的欧姆电阻,借助接触传感器通过在接触传感器位置处的磁场来将电路回路电接触配合地闭合,以及借助控制单元确定在电路装置中总电压的直流电压部分的变化。
借助本发明实现的优点尤其是,针对在核反应堆中的棒位置确定而提出不同于迄今常用的测量系统的一种测量系统,其通过重复使用现有的信号传输路径而以特别少量的线路和容器穿通部就够用,并且其尤其是在使用簧片接触部或者簧片传感器的情况下特别鲁棒并且同时准确和可靠地工作。
下面说明根据本发明的位置测量系统的实施例。
在此,分别在极为简化的示意图中:
图1示出了用于检测控制棒的极值位置xmin、xmax的位置测量系统;
图2示出了根据图1的带有绘出的、安装在控制棒上的永磁体的磁力线的位置测量系统;
图3示出了根据图1的位置测量系统的部分视图,其带有控制单元以及带有属于其的第一电路装置和第二电路装置;以及
图4示出了控制单元以及属于其的第一电路装置的部分区域的细节视图。
在图1至图4中相互对应的部件设置有相同的附图标记。
图1示出了用于检测控制棒3的极值位置xmin、xmax的位置测量系统1,所述控制棒能够在最小伸出位置xmin和最大伸出位置xmax之间相对于位置固定的引导系统2沿着直线路径x线性移动。控制棒3的位置在此借助相对于直线路径x的参考点x0的坐标来标识。参考点x0在控制棒3的端侧上并且对其进行标记。引导系统2包括耐压的引导管4,其包围控制棒3。在最小伸出位置xmin和最大伸出位置xmax的区域中分别设置有第一簧片接触元件5以及补充地设置有第二簧片接触元件6。两个簧片接触元件5和6在直线路径x的附近Ux中。在参考点x0的区域中,在控制棒3上设置有永磁体7。在控制棒3的最小伸出位置xmin中,参考点x0在xmin处,并且在控制棒3的最大伸出位置xmax中,参考点x0在xmax处。在两种情况中,簧片接触元件5和6都通过永磁体的磁场形成闭合电接触。此外可见的是与位置测量系统1连接的核反应堆的压力壁10。
与引导管4平行地设置有电线圈8,其设计用于形成交变磁场,其中交变磁场用于感应测量过程。线圈8也称为产生场的初级线圈。此外,也称为次级线圈的多个电感线圈9与引导管4平行设置,在其中从交变磁场中分别感应出电压信号。针对在极值位置xmin、xmax之间的多个中间位置以及必要时也针对极值位置xmin、xmax本身,线圈8和9的系统用已知的方式用于控制棒3在其x方向上的运动路径上的位置确定。沿着方向x相继布置的电感线圈9的数目在此确定了位置测量的空间分辨率。而端部位置监控以各种冗余方式或者单独地由簧片接触元件5或者主要由簧片接触元件5以及必要时通过冗余的簧片接触元件6来承担。为了将所需的线路最少化,簧片接触元件5在此以特定方式连接到电感线圈9的线圈电流回路中,并且与合适的分析单元和/或控制单元11连接,如从下面的描述中清楚的那样。为了简化描述,在此仅仅考虑一个唯一的电感线圈9。然而,推广到多个例如串联电连接的电感线圈,如图1或者图2中那样,是容易实现的。
图2示出了根据图1的位置测量系统1,其带有永磁体7的磁场H的磁力线走向。所有其他的细节与图1中的细节相同。
在图3中示出了根据图1的位置测量系统1的部分视图,其带有控制单元11和属于其的第一电路装置12和第二电路装置13。在两个电路装置12和13之间示出了控制棒3,其带有在端侧上与其连接的永磁体7,其中控制棒3的布置在此仅仅是说明性的,而并不对应于实际的几何布置。第一电路装置12包括电感线圈9,其与第一欧姆电阻单元R1以及与第二欧姆电阻单元R2串联,其中电阻单元R1、R2之一分别与电感线圈9的一个端侧连接。第一欧姆电阻单元R1和第二欧姆电阻单元R2分别与簧片接触元件5构建第一电路回路14或者第二电路回路15。根据簧片接触元件5的哪个断开或者闭合(这取决于控制棒3的位置,参见图1和图2),在第一情况中电路回路14断开而电路回路15闭合,在第二情况中电路回路14闭合而电路回路15断开,并且在第三情况中第一电路回路14断开并且电路回路15断开。
如果所示的簧片接触元件5对应于在图1和图2中的用于控制棒3的极端位置的接触元件,则可以在给定的时刻(根据控制棒3的位置)仅仅实现所述情况之一。在第一情况中,电阻单元R1电短路,在第二情况中,电阻单元R2电短路,并且在第三情况中,电阻单元R1、R2都没有被电短路,使得串联电路的欧姆总电阻ΣR根据情况由电感线圈9的欧姆电阻值以及第二电阻单元R2或者第一电阻单元R1的欧姆电阻值之和得到,或者由电感线圈9的欧姆电阻值以及第二电阻单元R2和第一电阻单元R1的欧姆电阻值之和得到。如果特别是两个欧姆电阻单元R1、R2的欧姆电阻值选择为彼此不同,则针对所有情况而言,电阻和ΣR的值彼此不同。控制单元11具有电路组16,用于确定电阻和ΣR的值,参见图4。
第二电路装置13包括电线圈8,其构建用于借助控制单元11形成的交流电流IAC来提供交变磁场。交变磁场在电感线圈9中感应交流电压,其可以在电路组16中被分析,参见图4。
图4示出了电路组16的细节视图,该电路组与控制单元11关联,并且与第一电路装置12连接,参见图3。电路组16包括:电源17,用于在电路装置12中提供直流电流IDC;第一测量单元18,用于检测在电路装置12中的总电压U的直流电压部分UDC;以及第二测量单元19,用于检测在电路装置12中的总电压U的交流电压部分UAC。其他细节对应于图3中的细节。电感线圈9的电感L被特别地标明。借助电源和第一测量单元18确定电路装置12的欧姆总电阻ΣR。由此,可以如上面所描述的那样可靠地探测到达端部位置xmin、xmax。借助第二测量单元19确定在电感L中所感应的交流电压UAC。由此,也可以监控通过电感线圈9的布置而确定的、在两个端部位置xmin、xmax之间的中间位置。
通过将簧片接触元件5连入到第一电路装置12的线圈电流回路中以及由此实现的对已经存在的信号传输路径的多次使用,节省了单独的、用于作为端部位置开关或者端部位置探测器的簧片接触元件5的线路。也可以说,本身已知的带有线圈8和9的感应位置确定系统通过这种方式没有增大线路数目地扩展了多样性,也即基于其他工作原理的端部位置测量系统。替代端部位置xmin、xmax,当然也可以借助簧片接触元件5来监控其他突出位置。替代簧片接触元件5、6,也可以使用其他端部位置开关或者端部位置传感器,其能够将电阻单元R1、R2根据需要地以及根据控制棒3的位置地电跨接。
可以理解的是,电路图本质上是示意性的,并且相应的电子设备在实践中会具有附加的部件,然而其对于这里所感兴趣的工作原理而言并不具有决定性的重要性。
附图标记表
1    位置测量系统
2    引导系统
3    引导棒,控制棒
4    引导管
5    传感器元件,接触元件,簧片接触元件
6    簧片接触元件
7    磁性元件,永磁体
8    电线圈
9    电感线圈
10   压力壁
11   控制单元
12   第一电路装置
13   第二电路装置
14   第一电路回路
15   第二电路回路
16   电路组
17   电源
18   第一测量单元
19   第二测量单元
x    直线路径
xmin 极值位置,最小伸出位置
xmax 极值位置,最大伸出位置
x0   参考点
Ux   直线路径的周围
H    磁场
R1   第一欧姆电阻单元
R2   第二欧姆电阻单元
ΣR  总电阻,电阻和
IAC  交流电流
IDC  直流电流
U    总电压
UAC  交流电压,交流电压部分
UDC  直流电压,直流电压部分
L    电感

Claims (15)

1.一种用于检测引导棒(3)的极值位置(xmin,xmax)的位置测量系统(1),所述引导棒相对于引导系统(2)沿着直线路径(x)伸展并且能够沿着该直线路径(x)移动,所述位置测量系统带有多个传感器元件(5)和至少一个磁性元件(7),其中:
-磁性元件(7)设计用于形成磁场(H),
-磁性元件(7)与引导棒(3)连接,
-所述传感器元件(5)或者每个传感器元件(5)分别构建在探测区域内,用于探测其在传感器元件(5)的位置上的场强大于预先定义的阈值的磁场(H),并且
-至少一个传感器元件(5)与引导系统(2)连接并且布置在路径(x)的环境(Ux)中。
2.根据权利要求1所述的位置测量系统(1),其中磁性元件(7)构建为永磁体。
3.根据权利要求1或2所述的位置测量系统(1),其中磁性元件(7)与引导棒(3)在端侧连接。
4.根据权利要求1至3之一所述的位置测量系统(1),其中至少一个传感器元件(5)的探测区域在端侧检测设置在极值位置(xmin,xmax)中的引导棒(3)。
5.根据权利要求1至4之一所述的位置测量系统(1),其中引导棒(3)能够在最小伸出位置(xmin)和最大伸出位置(xmax)之间移动。
6.根据权利要求1至5之一所述的位置测量系统(1),其中至少一个传感器元件(5)构建为无接触传感器(5),尤其是构建为簧片接触元件(5)。
7.根据权利要求1至6之一所述的位置测量系统(1),其中至少一个传感器元件(5)与电路装置(12)连接,该电路装置(12)
-与控制单元(11)连接,以及
-包括多个电感线圈(9)。
8.根据权利要求6和7所述的位置测量系统(1),其中该电路装置(12)包括至少一个欧姆电阻单元(R1,R2),
-其与至少一个电感线圈(9)构建串联电路(12),并且
-其与至少一个接触传感器(5)构建电路回路(14,15)。
9.根据权利要求6至8所述的位置测量系统(1),其中该电路装置(12):
-包括两个欧姆电阻单元(R1,R2),其与电感线圈(9)构建串联电路(12),其中所述两个欧姆电阻单元(R1,R2)的每个分别与电感线圈(9)的一个端侧连接,并且
-包括多个接触传感器(5),其中每个接触传感器(5)都与欧姆电阻(R1,R2)之一构建电路回路(14,15)。
10.根据权利要求9所述的位置测量系统(1),其中控制单元(11)包括:
-电源(17),用于将直流电流(IDC)馈送到电路装置(12)中,和/或
-第一测量单元(18),用于检测在电路装置(12)中的总电压(U)的直流电压部分(UDC),和
-第二测量单元(19),用于检测在电路装置(12)中的总电压(U)的交流电压部分(UAC)。
11.根据权利要求7至10之一所述的位置测量系统(1),其中
-控制单元(11)与第二电路装置(13)连接,该电路装置(13)包括电线圈(8),并且
-控制单元(11)构建用于形成和控制在电路装置(13)中的电流(IAC)。
12.根据权利要求11所述的位置测量系统(1),其中所述电线圈(8)与所述直线路径(x)平行取向和设置。
13.根据权利要求10至12所述的位置测量系统(1),其中
-所述引导棒(3)作为原子能设备的控制棒(3)给出,并且
-所述引导系统(2)包括包围控制棒(3)的耐压的引导管(4)。
14.一种用于检测引导棒(3)的极值位置(xmin,xmax)的方法,所述引导棒(3)相对于引导系统(2)沿着直线路径(x)伸展并且能够沿着该直线路径(x)移动,其中借助根据权利要求1至13之一所述的位置测量系统:
-借助在端侧与引导棒(3)连接的磁性元件(7)产生磁场(H),并且
-借助与引导系统(2)连接的传感器元件(5)探测磁场(H)。
15.根据权利要求14所述的方法(V),其中
-通过控制单元(11)产生交流电流(IAC),
-将该交流电流(IAC)馈送到第二电路装置(13)中,
-在电感线圈(9)中产生感应电压(UAC),
-借助控制单元(11)确定第一电路装置(12)的欧姆电阻(ΣR),
-借助簧片接触元件(5)通过在接触元件(5)位置处的磁场(H)来将电路回路(14,15)电接触配合地闭合,以及
-借助控制单元(11)确定在第一电路装置(12)中总电压(U)的直流电压部分(UDC)的变化。
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