CN105928576B - 一种用于多普勒流量仪表的传感器结构及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多普勒流量仪表的传感器结构及其组装方法，属于工业流体的流量测量技术领域。技术方案是：信号电缆（5）端部的上双绞线（7）连接多普勒谐振晶片（3）；信号电缆（5）及屏蔽网（6）通过锁紧器（4）锁紧在主体壳体（1），使得信号电缆的屏蔽网（6）与主体外壳（1）形成一个等电位的金属腔体结构；通过注胶螺钉开孔（9）向主体壳体（1）的腔体结构内灌注填充软体硅胶，填充2/3腔体结构，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P‑8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P‑5系列。本发明的有益效果是：生产成本低廉、易于推广、传感器可以在复杂工况环境中，通过提高灵敏度方法使传感器稳定的工作。

Description

一种用于多普勒流量仪表的传感器结构及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种用于多普勒流量仪表的传感器结构及其组装方法，用于在工业两相流或多相流的流体测量中提高灵敏度，属于工业流体的流量测量技术领域。

背景技术

在工业两相流或多相流的流体测量中，例如：电厂、污水处理厂等，往往需要能够不停产不停水、在线安装超声波流量监测系统；但是，市场上的超声波监测系统大部分是测量单一纯净介质的时差法超声波流量仪表，由于流体的多相流特性，时差法超声波流量仪表很难满足要求。多普勒流量仪表适用于不停产不停水、在线安装，但是，背景技术的多普勒流量传感器大多灵敏度普遍不高，极易受周围环境的干扰。由于测量多相流介质的厂矿车间，大多使用变频节能设备，以及重型启动设备，现场的流量测量管道周围，存在着强电、弱电、静电等不同程度的干扰。由于受现场诸多以上因素的影响，影响了多普勒流量传感器测量精度，致使流量监测系统在调试生产过程中经常误动作。如果多普勒流量传感器参数选择不当，流体料浆在输送过程中易发生堵管、电机误停等诸多问题，给现场生产带来一定的损失。因此，现场迫切需要一种高灵敏度的多普勒流量仪表，而超声传感器是多普勒流量仪表中的重要组成部分，超声传感器的性能对超声检测的结果有着重要的影响，为了保证检测结果的一致性和可靠性，灵敏度特性是一个重要的特性参数。

发明内容

本发明目的是提供一种用于多普勒流量仪表的传感器结构及其组装方法，设备简单、易于操作，具有抗噪声强、灵敏度高的特点，适合复杂工况的现场使用，解决背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：

一种用于多普勒流量仪表的传感器结构，由两个结构相同的换能器构成，换能器包含主体壳体、声楔、多普勒谐振晶片、锁紧器、信号电缆、屏蔽网、双绞线、屏蔽紧固螺钉和注胶螺钉开孔，主体壳体为金属腔体结构，内设声楔，主体外壳上设有锁紧孔、紧固螺钉孔和注胶螺钉开孔，声楔上设有多普勒谐振晶片；信号电缆上设有屏蔽网，通过锁紧孔穿入主体壳体内，信号电缆端部的上双绞线连接多普勒谐振晶片；紧固螺钉孔内的屏蔽紧固螺钉压紧在信号电缆的屏蔽网，屏蔽紧固螺钉与屏蔽网紧密接触连接，信号电缆及屏蔽网通过锁紧器锁紧在主体壳体，使得信号电缆的屏蔽网与主体外壳形成一个等电位的金属腔体结构；通过注胶螺钉开孔向主体壳体的腔体结构内灌注填充软体硅胶，填充2/3腔体结构，不填满；灌注填充软体硅胶后，通过螺钉封闭注胶螺钉开孔；

所述两个换能器，一个为发射换能器，一个为接收换能器，相互匹配；发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列。

所述压电陶瓷晶片P-8系列: 发射型，机械品质因数Qm达1000，发射功率大，内部摩擦能量损失小；机械振幅的激励响应较大，因而提高了现场流体反射的多普勒信号的回波强度，提高信号的信噪比。陶瓷晶片P-8系列尤其适用于现场工况复杂环境。

所述压电陶瓷晶片P-5系列: 接收型，具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，机电参数具有优异的时间稳定性和温度稳定性。机械振幅的激励有较宽的频带和高的灵敏度及分辨率。由于接收的多普勒信号相对于发射信号已经发生多普勒频移（频差），压电陶瓷晶片P-5系列正好具有较宽的频带，有利于信号接收。

所述多普勒谐振晶片选用小于1MHZ的发射频率；声楔选用航空聚砜材料，同时声楔设计成斜角平面，也就是声楔上面设有带有倾斜角度的斜面，多普勒谐振晶片设置在斜面上。

所述锁紧器为锁紧螺母，设有外螺纹，锁紧孔上设有内螺纹，通过螺纹匹配锁紧。

本发明的传感器结构，具有如下四个创新点。

第一，传感器的换能器（探头）有别于背景技术的多普勒超声波传感器，背景技术的发射多普勒超声波探头与接收多普勒超声波探头均使用同一型号的压电陶瓷晶片，致使内部损耗大，发射效率不高。本发明发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，具有较大的输出功率和较高的能量转换效率；接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列,具有较宽的频带和高的灵敏度及分辨率。

第二，等电位的金属腔体设计，背景技术使用PVC壳体，没有等电位腔体的构造；使用的信号电缆，其屏蔽网通过紧固屏蔽紧固螺钉压紧，通过锁紧器锁紧，使得信号电缆的屏蔽网与主体外壳形成一个等电位的金属腔体，结构稳定可靠，腔体之中的多普勒谐振晶片可以免受周围现场复杂工况的影响；而信号电缆内部的双绞线分别连接多普勒谐振晶片的正负两极，由于采用信号电缆的双绞线连接，使得现场布线过程中，综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用,因而具有非常好的抗电磁干扰和抗电磁辐射功能。

第三，全新设计的低发射频率多普勒谐振晶片。结合水声学的传导及吸声最佳匹配原理，多普勒谐振晶片选用小于1MHZ的发射频率，适于在多相流流体中传播。这样多普勒超声波遇到流体中的杂质衰减较少（频率越高信号衰减越大），从而有利于多普勒谐振晶片的接收效率。声楔选用聚砜材料，可以耐高温。同时声楔设计成斜角平面，利于声波的发射和接收。

第四，全新设计的软填充吸波2/3腔体。为了防止超声波在主体壳体的腔体之中辐射波干扰发射与接收的效率，在多普勒谐振晶片的负极面，通过注胶螺钉开孔灌注填充软体硅胶以吸收腔体内部回波， 填充2/3腔体，不是填满，防止超声波回波振荡。

一种用于多普勒流量仪表的传感器结构的组装方法，分别组装发射换能器和接收换能器，发射换能器的组装包含如下步骤：

①首先使用万用表检测多普勒谐振晶片的电容值，保证电容值的一致性及传感器的互换性；多普勒谐振晶片由圆形的正极和圆形的负极构成；

②然后将金属的主体外壳和声楔四周用无水酒精擦拭干净，凉置2-3分钟；所述主体壳体为一封闭金属腔体结构，声楔上面设有带有倾斜角度的斜面；主体外壳上设有锁紧孔、紧固螺钉孔和注胶螺钉开孔；

③使用工业AB胶以1:1比例搅拌均匀，涂抹于声楔斜面和多普勒谐振晶片正极一面，用手指按压，使胶体充分粘合；放置于通风处，晾30-40分钟；

④然后使用砂纸打磨多普勒谐振晶片的负极，将多普勒谐振晶片的正极和负极焊接点，使用松香、焊锡进行处理；

⑤将信号电缆穿过锁紧器，透过锁紧孔进入主体外壳的腔体之中，剥去信号电缆外皮，裸露屏蔽网及两股双绞线的芯线，使用松香、焊锡处理双绞线的线芯；

⑥将两股双绞线的芯线分别焊接多普勒谐振晶片的正极和负极焊接点；

⑦将搅拌均匀的AB胶涂抹于声楔底面内侧，直接粘合于主体壳体的腔体结构内，晾30-40分钟；

⑧紧固紧固螺钉孔内的屏蔽紧固螺钉，压紧屏蔽网并锁紧锁紧器；

⑨通过注胶螺钉开孔向主体壳体内灌注填充软体硅胶，以吸收腔体内部的回波，填充2/3腔体，不填满，防止超声波回波振荡；

⑩静置24小时，拧紧螺钉密封注胶螺钉开孔，完成发射换能器的组装；

所述接收换能器，组装步骤与发射换能器相同；发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列。

本发明的有益效果是：生产成本低廉、易于推广、传感器可以在复杂工况环境中，通过提高灵敏度方法使传感器稳定的工作。

附图说明

图1为本发明传感器测量安装原理示意图；

图2为本发明传感器用于多普勒流量仪表整体系统示意图；

图3为本发明实施例传感器结构示意图；

图中：主体壳体1、声楔2、多普勒谐振晶片3、锁紧器4、专用信号电缆5、屏蔽网6、双绞线7、屏蔽紧固螺钉8、注胶螺钉开孔9。

具体实施方式

以下结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。

参照附图3，一种用于多普勒流量仪表的传感器结构，由两个结构相同的换能器构成，换能器包含主体壳体1、声楔2、多普勒谐振晶片3、锁紧器4、信号电缆5、屏蔽网6、双绞线7、屏蔽紧固螺钉8和注胶螺钉开孔9，主体壳体1为金属腔体结构，内设声楔2，主体外壳1上设有锁紧孔、紧固螺钉孔和注胶螺钉开孔9，声楔2上设有多普勒谐振晶片3；信号电缆5上设有屏蔽网6，通过锁紧孔穿入主体壳体1内，信号电缆5端部的上双绞线7连接多普勒谐振晶片3；紧固螺钉孔内的屏蔽紧固螺钉8压紧在信号电缆5的屏蔽网6，屏蔽紧固螺钉与屏蔽网紧密接触连接，信号电缆5及屏蔽网6通过锁紧器4锁紧在主体壳体1，使得信号电缆的屏蔽网6与主体外壳1形成一个等电位的金属腔体结构；通过注胶螺钉开孔9向主体壳体1的腔体结构内灌注填充软体硅胶，填充2/3腔体结构，不填满；灌注填充软体硅胶后，通过螺钉封闭注胶螺钉开孔9；

所述两个换能器，一个为发射换能器，一个为接收换能器，相互匹配；发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列。

所述压电陶瓷晶片P-8系列: 发射型，机械品质因数Qm达1000，发射功率大，内部摩擦能量损失小；机械振幅的激励响应较大，因而提高了现场流体反射的多普勒信号的回波强度，提高信号的信噪比。陶瓷晶片P-8系列尤其适用于现场工况复杂环境。

所述压电陶瓷晶片P-5系列: 接收型，具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，机电参数具有优异的时间稳定性和温度稳定性。机械振幅的激励有较宽的频带和高的灵敏度及分辨率。由于接收的多普勒信号相对于发射信号已经发生多普勒频移（频差），压电陶瓷晶片P-5系列正好具有较宽的频带，有利于信号接收。

所述多普勒谐振晶片3选用小于1MHZ的发射频率；声楔2选用航空聚砜材料，同时声楔2设计成斜角平面，也就是声楔2上面设有带有倾斜角度的斜面，多普勒谐振晶片3设置在斜面上。

所述锁紧器为锁紧螺母，设有外螺纹，锁紧孔上设有内螺纹，通过螺纹匹配锁紧。

本发明多普勒谐振晶片3采用了锆钛酸铅(PZT) 压电陶瓷晶片，主体壳体1背向流体的声腔采用吸声材料，符合声学吸声最佳匹配方式，避免了传统换能器灵敏度低的问题。

本发明的传感器结构，具有如下四个创新点。

第一，传感器的换能器（探头）有别于背景技术的多普勒超声波传感器，背景技术的发射多普勒超声波探头与接收多普勒超声波探头均使用同一型号的压电陶瓷晶片，致使内部损耗大，发射效率不高。本发明发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，具有较大的输出功率和较高的能量转换效率；接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列,具有较宽的频带和高的灵敏度及分辨率。

第二，等电位的金属腔体设计，背景技术使用PVC壳体，没有等电位腔体的构造；使用的信号电缆5，其屏蔽网6通过紧固屏蔽紧固螺钉8压紧，通过锁紧器4锁紧，使得信号电缆的屏蔽网6与主体外壳1形成一个等电位的金属腔体，结构稳定可靠，腔体之中的多普勒谐振晶片3可以免受周围现场复杂工况的影响；而信号电缆5内部的双绞线7分别连接多普勒谐振晶片3的正负两极，由于采用信号电缆的双绞线连接，使得现场布线过程中，综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用,因而具有非常好的抗电磁干扰和抗电磁辐射功能。

第三，全新设计的低发射频率多普勒谐振晶片。结合水声学的传导及吸声最佳匹配原理，多普勒谐振晶片3选用小于1MHZ的发射频率，适于在多相流流体中传播。这样多普勒超声波遇到流体中的杂质衰减较少（频率越高信号衰减越大），从而有利于多普勒谐振晶片3的接收效率。声楔2选用聚砜材料，可以耐高温。同时声楔2设计成斜角平面，利于声波的发射和接收。

第四，全新设计的软填充吸波2/3腔体。为了防止超声波在主体壳体1的腔体之中辐射波干扰发射与接收的效率，在多普勒谐振晶片3的负极面，通过注胶螺钉开孔9灌注填充软体硅胶以吸收腔体内部回波， 填充2/3腔体，不是填满，防止超声波回波振荡。

一种用于多普勒流量仪表的传感器结构的组装方法，分别组装发射换能器和接收换能器，发射换能器的组装包含如下步骤：

①首先使用万用表检测多普勒谐振晶片3的电容值，保证电容值的一致性及传感器的互换性；多普勒谐振晶片由圆形的正极和圆形的负极构成；

②然后将金属的主体外壳1和声楔2四周用无水酒精擦拭干净，凉置2-3分钟；所述主体壳体1为一封闭金属腔体结构，声楔2上面设有带有倾斜角度的斜面；主体外壳1上设有锁紧孔、紧固螺钉孔和注胶螺钉开孔9；

③使用工业AB胶以1:1比例搅拌均匀，涂抹于声楔2斜面和多普勒谐振晶片3正极一面，用手指按压，使胶体充分粘合；放置于通风处，晾30-40分钟；

④然后使用砂纸打磨多普勒谐振晶片3的负极，将多普勒谐振晶片3的正极和负极焊接点，使用松香、焊锡进行处理；

⑤将信号电缆5穿过锁紧器4，透过锁紧孔进入主体外壳1的腔体之中，剥去信号电缆5外皮，裸露屏蔽网6及两股双绞线7的芯线，使用松香、焊锡处理双绞线7的线芯；

⑥将两股双绞线7的芯线分别焊接多普勒谐振晶片3的正极和负极焊接点；

⑦将搅拌均匀的AB胶涂抹于声楔2底面内侧，直接粘合于主体壳体1的腔体结构内，晾30-40分钟；

⑧紧固紧固螺钉孔内的屏蔽紧固螺钉8，压紧屏蔽网6并锁紧锁紧器4；

⑨通过注胶螺钉开孔9向主体壳体内灌注填充软体硅胶，以吸收腔体内部的回波，填充2/3腔体，不填满，防止超声波回波振荡；

⑩静置24小时，拧紧螺钉密封注胶螺钉开孔，完成发射换能器的组装；

所述接收换能器，组装步骤与发射换能器相同；发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列。

本发明工作原理：

多普勒流量仪表是一种高性能非接触式流量仪表。该仪表是以超声波传播原理测量圆管内液体流量的仪表，换能器（探头）只需贴装在管外侧，不与流体直接接触，其测量过程对管路系统无任何影响，使用非常方便，主要适用于含有固体颗粒或杂质的多相流体的计量。

多普勒流量仪表以多普勒效应为其工作原理，即反射声源被一个相对运动的介质反射时，反射信号与发射信号的频率出现差异，这种现象称之为多普勒效应，而这种频差称之为多普勒频差。

如图1所示，两个专门设计的超声波换能器（探头）安装于管道外壁。换能器T连续发射超声波Ft, 超声波以声速C穿过管壁进入流体流速为v的流体之中，部分超声波遇到流体中的颗粒杂质等介质而发生反射，频率为Fr的超声波，由换能器R 接收。

接收频率Fr发生多普勒频移Fd,与流体流速成正比。其理论公式为：Fr/Ft=(C-V×COSθ)/(C+V×COSθ)---式中θ为流体流向与超声波声束夹角

Fd=Ft-Fr=(2V×COSθ/C) ×Ft

整理得V=(C/2COSθ) ×(Fd/Ft)

从上式可知通过测量Fd便可以得出流速v，而流量Q通过管道截面积S得出:Q=V×S

本发明采用了锆钛酸铅(PZT)圆形压电超声换能器，超声换能器背向流体的声腔采用吸声材料，符合声学吸声最佳匹配方式，避免了传统换能器灵敏度低的问题，因此本方法具有简单、易行的特点。

超声换能器所接收的来自流体超声波信号往往很弱，本发明使用专用的射频信号电缆连接。

超声波流量仪表分超声换能器（探头）与主机两部分。参照附图2。

超声波探头是一种可逆的换能器,发射换能器可将电振荡转换成机械振荡，形成超声波； 相反，接收换能器也可以将从流体中接收超声波信号转换成电信号。该电路的换能器为单发单收超声波换能器，该发射电路产生对振元的激励脉冲，其电路性能的优劣，不仅影响到超声波发射的功率，还关系到接收信号的灵敏度，因此，对于超声波流量仪表而言占有较为重要的位置。主机电路是一种处理接收超声波信号的电路，它将发射电路的频率，与经过AGC调节的接收波一同输入差频电路，经过差频电路检出频率差Fd，然后经过专有的信号处理电路，最后将多普勒流量信号给CPU采集。

本发明整机体积小重量轻，使用时将换能器贴装在被测管路上，通过电缆与主机相连。使用本机键盘将管道参数输入主机，仪表即可工作。多普勒流量仪表采用了先进的“差频”技术及可编程数字信号处理器，以微电脑单片计算机为控制电路核心，高精度地完成对电信号的处理，电路设计上充分考虑了复杂的工业现场，采用了专用的抗干扰集成电路，从而保证了仪表的精度与可靠性。

Claims (5)

1.一种用于多普勒流量仪表的传感器结构，其特征在于：由两个结构相同的换能器构成，换能器包含主体壳体（1）、声楔（2）、多普勒谐振晶片（3）、锁紧器（4）、信号电缆（5）、屏蔽网（6）、双绞线（7）、屏蔽紧固螺钉（8）和注胶螺钉开孔（9），主体壳体（1）为金属腔体结构，内设声楔（2），主体外壳（1）上设有锁紧孔、紧固螺钉孔和注胶螺钉开孔（9），声楔（2）上设有多普勒谐振晶片（3）；信号电缆（5）上设有屏蔽网（6），通过锁紧孔穿入主体壳体（1）内，信号电缆（5）端部的上双绞线（7）连接多普勒谐振晶片（3）；紧固螺钉孔内的屏蔽紧固螺钉（8）压紧在信号电缆（5）的屏蔽网（6），屏蔽紧固螺钉与屏蔽网紧密接触连接，信号电缆（5）及屏蔽网（6）通过锁紧器（4）锁紧在主体壳体（1），使得信号电缆的屏蔽网（6）与主体外壳（1）形成一个等电位的金属腔体结构；通过注胶螺钉开孔（9）向主体壳体（1）的腔体结构内灌注填充软体硅胶，填充2/3腔体结构，不填满；灌注填充软体硅胶后，通过螺钉封闭注胶螺钉开孔（9）；

所述两个换能器，一个为发射换能器，一个为接收换能器，相互匹配；发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列。

2.根据权利要求1所述的一种用于多普勒流量仪表的传感器结构，其特征在于：所述多普勒谐振晶片（3）选用小于1MHZ的发射频率；声楔（2）选用航空聚砜材料，同时声楔（2）设计成斜角平面，也就是声楔（2）上面设有带有倾斜角度的斜面，多普勒谐振晶片（3）设置在斜面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于多普勒流量仪表的传感器结构，其特征在于：所述锁紧器为锁紧螺母，设有外螺纹，锁紧孔上设有内螺纹，通过螺纹匹配锁紧。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于多普勒流量仪表的传感器结构，其特征在于：多普勒谐振晶片（3）采用锆钛酸铅压电陶瓷晶片，主体壳体（1）背向流体的声腔采用吸声材料。

5.一种用于多普勒流量仪表的传感器结构的组装方法，其特征在于分别组装发射换能器和接收换能器，发射换能器的组装包含如下步骤：

①首先使用万用表检测多普勒谐振晶片（3）的电容值，保证电容值的一致性及传感器的互换性；多普勒谐振晶片由圆形的正极和圆形的负极构成；

②然后将金属的主体外壳（1）和声楔（2）四周用无水酒精擦拭干净，凉置2-3分钟；所述主体壳体（1）为一封闭金属腔体结构，声楔（2）上面设有带有倾斜角度的斜面；主体外壳（1）上设有锁紧孔、紧固螺钉孔和注胶螺钉开孔（9）；

③使用工业AB胶以1:1比例搅拌均匀，涂抹于声楔（2）斜面和多普勒谐振晶片（3）正极一面，用手指按压，使胶体充分粘合；放置于通风处，晾30-40分钟；

④然后使用砂纸打磨多普勒谐振晶片（3）的负极，将多普勒谐振晶片（3）的正极和负极焊接点，使用松香、焊锡进行处理；

⑤将信号电缆（5）穿过锁紧器（4），透过锁紧孔进入主体外壳（1）的腔体之中，剥去信号电缆（5）外皮，裸露屏蔽网（6）及两股双绞线（7）的芯线，使用松香、焊锡处理双绞线（7）的线芯；

⑥将两股双绞线（7）的芯线分别焊接多普勒谐振晶片（3）的正极和负极焊接点；

⑦将搅拌均匀的AB胶涂抹于声楔（2）底面内侧，直接粘合于主体壳体（1）的腔体结构内，晾30-40分钟；

⑧紧固紧固螺钉孔内的屏蔽紧固螺钉（8），压紧屏蔽网（6）并锁紧锁紧器（4）；

⑨通过注胶螺钉开孔（9）向主体壳体内灌注填充软体硅胶，以吸收腔体内部的回波，填充2/3腔体，不填满，防止超声波回波振荡；

⑩静置24小时，拧紧螺钉密封注胶螺钉开孔，完成发射换能器的组装；

所述接收换能器，组装步骤与发射换能器相同；发射换能器与接收换能器上的多普勒谐振晶片型号不同，发射换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-8系列，接收换能器上的多普勒谐振晶片为压电陶瓷晶片P-5系列。

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