CN106199205B - 基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，由交流激励源、激励电极、绝缘测量管道、检测电极、单边虚拟电感、电流电压转换电路、信号处理模块依次相连。单边虚拟电感输出端通过电流电压转换电路中的运放虚地。本发明利用单边虚拟电感代替实际电感，利用串联谐振原理，用单边虚拟电感的感抗消除传感器中耦合电容的容抗对测量的不利影响。相较浮置虚拟电感，单边虚拟电感虚地，结构紧凑，稳定性高；相较实际电感，单边虚拟电感体积小易集成，电感值可调，降低了对激励源的要求。本发明通过测量检测通路的输出电流，经计算得到待测流体等效电导值，为实现非接触测量绝缘管道内部导电流体的电导提供了一种有效方法。

Description

基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法。

背景技术

现代，化工行业及其他制造业生产过程中，液体扮演着重要的角色，而液体的电导率由于其可根据其数值及变化反映出液体的一些物理化学特性，如液体流动状态、液体组分及化学反应状态等，因此研究液体电导率的检测技术对工业检测技术的发展及生产效率的提高都具有重要意义。

当前常用的液体电导率检测技术是接触式电导检测技术，其方法主要是将检测电极探入待测液体中获得液体电导率信息，因具有使用便捷、精度高等优势得到广泛使用。但是这种方法由于电极与液体直接接触，存在电极极化和电化学腐蚀等问题，因此需要研究非接触的电导率检测技术。

电容耦合式非接触电导检测(C⁴D)技术是一种新式电导检测技术，该技术具有非接触式测量的特点，可有效解决接触式电导检测技术中电极极化和电化学腐蚀的问题。然而，由于电极和导电液体会通过绝缘管壁形成耦合电容，而这个电容在测量通路中加入了一个不可忽视的背景信号，因此会严重影响测量范围和灵敏度。

为解决这个耦合电容的不利影响，已有以下两个专利：专利(基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法，专利公开号：CN103941099A)及专利(一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，专利公开号：CN105353223A)结合串联谐振原理和虚拟电感技术，利用虚拟电感代替实际电感，利用串联谐振消除了耦合电容对测量结果造成的不利影响；同时虚拟电感可有效克服实际电感存在的不足。然而，以上两个专利中，专利(基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法，专利公开号：CN103941099A)中所涉及的虚拟电感为浮置电感，结构较为复杂，并且由于采用了对称的电路结构，对元器件提出较高的要求，电导测量过程中具有一定的不稳定性。另外，该专利涉及的电导测量方法中，虚拟电感电路串联在C⁴D传感器的激励电极与交流激励源之间，而本专利中的单边虚拟电感是在C⁴D传感器之后直接与后续电路相连的。至于专利(一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，专利公开号：CN105353223A)则采用的是电压法，通过去一个定值电阻上的分压得到信号，而此电阻在测量电路中实际会引入一个较大背景干扰，使得传感器的灵敏度降低。

针对以上情况，设计了一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法。本发明具备已有专利(一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，专利公开号：CN105353223A)及专利(基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法，专利公开号：CN103941099A)的技术优点；不同于已有专利(一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，专利公开号：CN105353223A)采用的差压法，本发明通过测量检测通路的输出电流得到被测导电流体等效电导值，由于不需要在电路中添加一个取压的量程电阻，减少了背景信号，因而在一定程度上提高了灵敏度；相较于已有专利(基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法，专利公开号：CN103941099A)中的虚拟电感，本发明涉及的单边虚拟电感通过虚地的办法解决了单边虚拟电感输出端需接地的问题，相较浮置虚拟电感，电路得到简化，结构更为简单，性能更为稳定；利用运放虚地的思路解决单边虚拟电感输出端需接地的问题也为类似问题提供了新的思路和有益借鉴。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种有效的基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法。具体技术方案如下：

一种电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于包括交流激励源、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、单边虚拟电感、电流电压转换电路、信号处理模块；激励电极和检测电极依次安装在绝缘测量管道上，交流激励源与激励电极相连，检测电极、单边虚拟电感、电流电压转换电路顺次相连，单边虚拟电感的一端通过电流电压转换电路的同相端虚地，以满足单边虚拟电感接地的要求，电流电压转换电路的输出与信号处理模块相连。

所述的单边虚拟电感结构为：第一运算放大器(A₁)的正相输入端为单边虚拟电感(5)的输入端，检测电极(4)及第三电阻(R₃)的一端与第一运算放大器(A₁)的正相输入端相连，第一电阻(R₁)的一端、第一电容(C₁)及第六电阻(R₆)的一端与第一运算放大器(A₁)的反相输入端相连，第一电容(C₁)的另一端、第二电阻(R₂)的一端、第六电阻(R₆)的另一端分别与第一运算放大器(A₁)的输出端相连，第二运算放大器(A₂)的正相输入端与第一运算放大器(A₁)的正相输入端相连，第二电阻(R₂)的另一端、第五电阻(R₅)的一端与第二运算放大器(A₂)的反相输入端相连，第二运算放大器(A₂)的输出端通过串联的第四电阻(R₄)、第三电阻(R₃)与第二运算放大器(A₂)的正相输入端相连，第五电阻(R₅)的另一端与第二运算放大器(A₂)的输出端相连，第一电阻(R₁)的另一端与电流电压转换电路(6)中运算放大器(A₃)的反相端相连，作为单边虚拟电感(5)的输出端。利用运算放大电路深度负反馈情况下同相端反相端电位相等的性质，通过运算放大器的同相端虚地。所述单边虚拟电感5为经典Riordan电路的改进电路，具体改动为：在电容C₁两端并联大电阻R₆，如此，则单边虚拟电感5的等效内阻值R_eq的表达式为

其中R₆的阻值为R₁的200倍以上，可以保证内阻非常小且不受其余参数调整的影响从而几乎不影响测量，并且不影响单边虚拟电感实现电感功能及其等效电感值；R₆还起到稳定运算放大器工作状态的功能，保证当电路进入正反馈导致自激振荡时，电容C₁可通过其放电，从而恢复稳态；在可调电阻R₃前串联一个定值电阻R₄，可以保证单边虚拟电感不会由于R₃、R₄串联值过小，引起运算放大器A₂产生自激振荡，导致电路不稳定；等效电感值

若其中R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中一个或多个可调，则L值可通过调节R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中任意一个或多个的值进行改变。

优选的，所述R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中仅R₃可调，用于仅调节R₃对等效电感值L值的进行调节。

激励电极与绝缘测量管道内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，检测电极(4)与绝缘测量管道内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，缘测量管道中两电极间待测导电流体的等效电阻，单边虚拟电感及其等效内阻串联构成电容耦合式非接触电导检测电路，所述电容耦合式非接触电导检测电路的总阻抗为：

令等式中虚部为零，经计算可知当测量电路的激励频率

此时电容耦合式非接触电导检测电路谐振，记此时的f＝f₀，因此设置若交流激励源的激励频率为f₀可使检测电路处于谐振状态，此时电容耦合式非接触电导检测电路的等效阻抗Z₀的虚部为零，呈现纯阻性，表达式为Z₀＝R_x+R_eq；实际操作中可以依据

先设定交流激励源的输出U_i的激励频率f为谐振频率f₀，而后改变单边虚拟电感中可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感的电感值L，使得电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点；或者改变单边虚拟电感中可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感的电感值L，再根据电感值L和耦合电容值C_x1、C_x2来设定激励源的输出U_i的激励频率f，为计算得到的谐振频率，从而使得电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点；以上叙述中，j为复数阻抗的虚部单位，f为交流激励源输出U_i的频率，f₀为检测电路的谐振频率，C_x1、C_x2分别为激励电极与检测电极与绝缘测量管道内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，L、R_eq分别为单边虚拟电感等效电感值及等效内阻值，R_x为绝缘测量管道中两电极间待测导电流体的等效电阻值。

当电容耦合式非接触电导检测电路处于谐振状态时，测量电路为纯阻性阻抗为Z₀＝R_x+R_eq，此时单边虚拟电感的输出电流

经过电流电压转换电路后输出电压

其中，R₇为电流电压转换电路的放大倍数控制电阻的阻值，

为输入的被测导电流体的等效电导值，经信号处理模块对电压信号U_out进行处理和输出，再通过计算得到待测导电流体的等效电导。由于单边虚拟电感可实现等效电感值的调节，从而相较于实际电感降低了对激励源频率的要求。

本发明通过检测测量通路的电流值得到被测导电流体等效电导值，即在电容耦合式非接触电导检测电路处于谐振状态时测量电路为纯阻性，此时单边虚拟电感的输出电流为I_out，经过电流电压转换电路后输出电压U_out，利用信号处理模块获取电流电压转换电路输出电压U_out后，进行输出，进而得到导电流体等效电导值。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)利用串联谐振的原理消除了电极与导电液体通过管壁产生耦合电容，改善了测量灵敏度，增大了测量范围；

2)检测电路中，需要交流激励源的激励频率f为谐振频率

检测电路便可处于谐振状态，而由于利用单边虚拟电感技术代替实际电感，实现了电感值可调节，故可通过调节电感值使检测电路谐振，降低了对激励源的要求。

3)与已有专利(基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法，专利公开号：CN103941099A)中的虚拟电感相比，本发明涉及的虚拟电感是单边虚拟电感，相比于浮置电感具有结构简单、性能稳定的优点。

4)已有专利(一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，专利公开号：CN105353223A)采用的电压法，本发明通过检测测量通路的电流值得到被测导电流体等效电导值，由于不需要在测量通路中串入一个较大的电阻，因此具有更高的灵敏度。

5)本专利中利用运算放大器深度负反馈时，同相端反相端电位相等的特性，将单边虚拟电感电路输出端通过电流转电压电路中运算放大器的同相端实现虚地，为类似电路部分需接地的问题，提供了新解决方案与借鉴。

附图说明

图1是基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置的结构示意图；

图2是本发明的单边虚拟电感电路图；

图3是本发明的电容耦合式非接触电导测量等效电路图。

图中：交流激励源1、激励电极2、绝缘测量管道3、检测电极4、单边虚拟电感5、电流转电压模块6和信号处理模块7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于包括交流激励源1、激励电极2、绝缘测量管道3、检测电极4、单边虚拟电感5、电流电压转换电路6、信号处理模块7；激励电极2和检测电极4依次安装在绝缘测量管道3外壁上，交流激励源1与激励电极2相连，检测电极4、单边虚拟电感5、电流电压转换电路6、信号处理模块7顺次相连，其中单边虚拟电感5的一端通过电流电压转换电路6中的运算放大器虚地，以满足单边虚拟电感接地的要求，电流电压转换电路6的输出与信号处理模块7相连。

如图2所示，所述的单边虚拟电感5电路结构为：

第一运算放大器A1(AD817)的正相输入端为单边虚拟电感5的输入端，检测电极4及第三电阻R₃的一端与第一运算放大器A1(AD817)的正相输入端相连，第一电阻R₁的一端、第一电容C₁及第六电阻R₆的一端与第一运算放大器A1(AD817)的反相输入端相连，第一电容C₁的另一端、第二电阻R₂的一端、第六电阻R₆的另一端分别与第一运算放大器A1(AD817)的输出端相连，第二运算放大器A2(AD817)的正相输入端与第一运算放大器A1(AD817)的正相输入端相连，第二电阻R₂的另一端、第五电阻R₅的一端与第二运算放大器A2(AD817)的反相输入端相连，第二运算放大器A2(AD817)的输出端通过串联的第四电阻R₄、第三电阻R₃与第二运算放大器A2(AD817)的正相输入端相连，第五电阻R₅的另一端与第二运算放大器A2(AD817)的输出端相连，第一电阻R₁的另一端与电流电压转换电路6中运算放大器A₃的反相端相连，作为单边虚拟电感5的输出端。

利用运算放大电路深度负反馈情况下同相端反相端电位相等的性质，通过电流电压转换电路中运算放大器的同相端虚地。

所述单边虚拟电感5为经典Riordan电路的改进电路，具体改动为：在电容C₁两端并联大电阻R₆，如此，则单边虚拟电感5的等效内阻值R_eq的表达式为

其中R₆的阻值为R₁的200倍以上，可以保证内阻非常小且不受其余参数调整的影响从而几乎不影响测量，并且不影响单边虚拟电感实现电感功能及其等效电感值；R₆还起到稳定运算放大器工作状态的功能，保证当电路进入正反馈导致自激振荡时，电容C₁可通过其放电，从而恢复稳态；在可调电阻R₃前串联一个定值电阻R₄，可以保证单边虚拟电感不会由于R₃、R₄串联值过小，引起运算放大器A₂产生自激振荡，导致电路不稳定；等效电感值

若其中R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中一个或多个可调，则L值可通过调节R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中任意一个或多个的值进行改变。

作为上述调节方式中的一种，本发明R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中仅R₃可调，用于仅通过调节R₃实现等效电感值L值的调节。即单边虚拟电感5的等效电感值的调节方法为：根据单边虚拟电感5的等效电感值L的表达式

其中，R₁、R₂、R₄、R₅和C₁的值设为定值，通过调节单边虚拟电感5中的第三电阻R₃的电阻值大小，实现单边虚拟电感5等效电感值L的调节。

一种使用上述装置的电容耦合式非接触电导测量方法，具体方法如下：

激励电极2、检测电极4分别与绝缘测量管道3内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，缘测量管道3中两电极间待测导电流体的等效电阻，单边虚拟电感5及其等效内阻串联构成电容耦合式非接触电导检测电路，所述电容耦合式非接触电导检测电路的总阻抗为：

令等式中虚部为零，经计算可知当测量电路的激励频率

此时电容耦合式非接触电导检测电路谐振，记此时的f＝f₀，因此若设置交流激励源1的激励频率f为f₀，则可使检测电路处于谐振状态，此时检测电路的等效阻抗Z₀的虚部为零，呈现纯阻性，表达式为Z₀＝R_x+R_eq；实际操作中可以依据

先设定交流激励源1的输出U_i的激励频率f为谐振频率f₀，而后改变单边虚拟电感5中可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感5的电感值L，使得电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点；或者9改变单边虚拟电感5中可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感5的电感值L，再根据电感值L和耦合电容值C_x1、C_x2来设定交流激励源1的输出U_i的激励频率f为计算得到的谐振频率，从而使得电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点；以上叙述中，j为复数阻抗的虚部单位,f为交流激励源1输出U_i的频率，f₀为检测电路的谐振频率，C_x1、C_x2分别为激励电极2与检测电极4与绝缘测量管道3内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，L、R_eq分别为单边虚拟电感5等效电感值及等效内阻值，R_x为绝缘测量管道3中两电极间待测导电流体的等效电阻值；

当电容耦合式非接触电导检测电路处于谐振状态时，测量电路为纯阻性阻抗为Z₀＝R_x+R_eq，此时单边虚拟电感5输出电流

经过电流电压转换电路后输出电压

其中，R₇为电流电压转换电路的放大倍数控制电阻的阻值，

为输入的被测导电流体的等效电导值，经信号处理模块对电流电压转换电路输出电压信号进行处理和输出，进一步计算后得到导电流体等效电导值。由于单边虚拟电感5可实现等效电感值的调节，从而相较于实际电感降低了对激励源频率的要求。

在测量电路中单边虚拟电感5的等效电阻R_eq可以设置的比较小，从而不会产生较大的背景信号而导致灵敏度降低。实际测量过程中，为了适应不同电导率的流体，可以适当的改变电流电压转换电路中R₇的阻值，改变电流电压转换电路的放大倍数为适当的值，防止该运算放大器的输出饱和失真或由于放大倍数过小影响灵敏度。

如图3所示，电容耦合式非接触电导测量等效电路为：激励电极2与管道内导电流体通过绝缘测量管道3的管壁形成第一耦合电容C_x1，交流激励源1与第一耦合电容C_x1的一端相连，第一耦合电容C_x1的另一端和绝缘测量管道3内两个电极间的导电流体等效电阻R_x的一端相连；检测电极4与管道内导电流体通过绝缘测量管道3的管壁形成的第二耦合电容C_x2，导电流体等效电阻R_x的另一端与的第二耦合电容C_x2一端相连，第二耦合电容C_x2的另一端与单边虚拟电感5的一端相连；单边虚拟电感5的另一端与电流电压转换电路6中运算放大器A₃的反相端相连并通过运算放大器A₃的同相端虚地。

本发明测量导电流体等效电导的流程为：首先将交流激励源的输出频率设定为f，随后调节单边虚拟电感5中的可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感的等效电感值L直到测量电路达到谐振；或者先通过改变单边虚拟电感5中的可调电阻R₃的以改变单边虚拟电感5等效电感值L，根据传感器耦合电容和电感值来调节谐振频率，使测量电路达到谐振。在谐振状态下通过电流电压转换电路6将测量电路的输出电流I_out转化为电压信号U_out，最后经信号处理模块7对电压信号进行处理和输出，进一步计算后得到导电流体等效电导值。

Claims (6)

1.一种电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于包括交流激励源(1)、激励电极(2)、绝缘测量管道(3)、检测电极(4)、单边虚拟电感(5)、电流电压转换电路(6)、信号处理模块(7)；激励电极(2)和检测电极(4)安装在绝缘测量管道(3)外壁上，交流激励源(1)与激励电极(2)相连，检测电极(4)、单边虚拟电感(5)、电流电压转换电路(6)、信号处理模块(7)顺次相连，其中单边虚拟电感(5)的一端通过电流电压转换电路(6)中的运算放大器虚地，以满足单边虚拟电感接地的要求；

所述的单边虚拟电感(5)结构为：第一运算放大器A₁的正相输入端为单边虚拟电感(5)的输入端，检测电极(4)及第三电阻R₃的一端与第一运算放大器A₁的正相输入端相连，第一电阻R₁的一端、第一电容C₁及第六电阻R₆的一端与第一运算放大器A₁的反相输入端相连，第一电容C₁的另一端、第二电阻R₂的一端、第六电阻R₆的另一端分别与第一运算放大器A₁的输出端相连，第二运算放大器A₂的正相输入端与第一运算放大器A₁的正相输入端相连，第二电阻R₂的另一端、第五电阻R₅的一端与第二运算放大器A₂的反相输入端相连，第二运算放大器A₂的输出端通过串联的第四电阻R₄、第三电阻R₃与第二运算放大器A₂的正相输入端相连，第五电阻R₅的另一端与第二运算放大器A₂的输出端相连，第一电阻R₁的另一端与电流电压转换电路(6)中运算放大器A₃的反相端相连，作为单边虚拟电感(5)的输出端；

所述单边虚拟电感(5)的等效电感值

L值可通过调节R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、C₁中任意一个或多个的值进行改变；单边虚拟电感(5)的等效内阻值R_eq的表达式为

其中R₆的阻值为R₁的200倍以上，第六电阻R₆起到稳定运算放大器工作状态的功能，保证当电路进入正反馈导致自激振荡时，电容C₁可通过其放电，从而使单边虚拟电感(5)恢复稳态；定值电阻R₄保证电路稳定；

所述的单边虚拟电感(5)，利用运算放大电路深度负反馈情况下同相端反相端电位相等的性质，通过电流电压转换电路(6)的运算放大器A₃的同相端虚地，从而满足单边虚拟电感一端需接地的特性。

2.根据权利要求1所述的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于所述单边虚拟电感(5)的第三电阻R₃阻值可调，R₁、R₂、R₄、R₅、C₁的值固定。

3.一种使用如权利要求1所述装置的一种电容耦合式非接触电导测量方法，其特征在于，具体方法如下：

激励电极(2)与绝缘测量管道(3)内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，检测电极(4)与绝缘测量管道(3)内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，缘测量管道(3)中两电极间待测导电流体的等效电阻，单边虚拟电感(5)及其等效内阻串联构成电容耦合式非接触电导检测电路，其总阻抗为：

设置交流激励源(1)的激励频率

此时电容耦合式非接触电导检测电路谐振，等效阻抗Z₀的虚部为零，呈现纯阻性，表达式为Z₀＝R_x+R_eq；其中，j为复数阻抗的虚部单位,f为交流激励源(1)输出U_i的频率，f₀为检测电路的谐振频率，C_x1、C_x2分别为激励电极(2)、检测电极(4)与绝缘测量管道(3)内的待测导电流体通过管壁形成的耦合电容，L、R_eq分别为单边虚拟电感(5)等效电感值及等效内阻值，R_x为绝缘测量管道(3)中两电极间待测导电流体的等效电阻值；

当电容耦合式非接触电导检测电路处于谐振状态时，测量电路为纯阻性，阻抗为Z₀＝R_x+R_eq，此时单边虚拟电感(5)的输出电流

经过电流电压转换电路(6)后输出电压

其中，R₇为电流电压转换电路的放大倍数控制电阻的阻值，

为输入的被测导电流体的等效电导值，经信号处理模块(7)对电压信号U_out进行输出，进而得到待测导电流体的等效电导。

4.如权利要求3所述的一种电容耦合式非接触电导测量方法，其特征在于：在电容耦合式非接触电导检测电路处于谐振状态时，测量电路为纯阻性，此时单边虚拟电感(5)的输出电流为I_out，经过电流电压转换电路(6)后输出电压U_out，利用信号处理模块(7)获取电流电压转换电路(6)输出电压U_out后，进行处理和输出，进一步计算后得到导电流体等效电导值。

5.如权利要求3所述的一种电容耦合式非接触电导测量方法，其特征在于：所述的使电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点的方法为：

设定交流激励源(1)的输出U_i的激励频率

而后改变单边虚拟电感(5)中可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感(5)的电感值L，使得电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点。

6.如权利要求3所述的一种电容耦合式非接触电导测量方法，其特征在于：所述的使电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点的方法为：

改变单边虚拟电感(5)中可调电阻R₃，以改变单边虚拟电感(5)的电感值L，再根据电感值L和耦合电容值C_x1、C_x2来设定激励源(1)的输出U_i的激励频率

从而使得电容耦合式非接触电导检测电路达到谐振点。

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