CN106545957B - 一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法，包括步骤：根据室内室外环境温度，确定检测程序采用制冷或制热模式；在一个预设的速度区间内，对空调系统的电参数和温度参数进行测量，测量压缩机在每个频率节点下运行稳定时的压缩机电压和电流参数、室内和室外环境温度、室内和室外换热器温度；获取预设速度区间内压缩机功率曲线；获取预设速度区间内室内换热器温度变化曲线；判断压缩机是否正常运行；如压缩机正常运行，则判断实测温度变化曲线的有效性；判定冷媒是否泄漏。本发明通过在一个预设的速度区间内，对空调系统的室内换热器温度参数进行测量，通过温度的变化规律来判断冷媒是否泄露，检测的准确性大大提高。

Description

一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机应用领域及变频空调领域，尤其涉及一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法。
背景技术
空调器由于具有制冷/制热功能得到了广泛应用，在空调器使用过程中，可能会出现冷媒泄漏，从而影响空调的制冷/制热效果。常用的空调器中很大一部分都没有冷媒泄漏检测和报警显示功能，因此当出现冷媒泄漏而影响制冷/制热效果时，用户无法对故障进行判断。
少数空调器具有冷媒泄漏检测功能：专利201410623887.X公开了一种空调冷媒泄漏的检测方法及系统：通过检测空调系统中的冷媒质量流量，并将检测到的冷媒质量流量与正常冷媒质量流量作对比，实现对冷媒是否泄漏的判断，这种方法需要增加冷媒质量流量检测模块，会带来硬件成本的增加；专利201410851559.5公开了另一种空调冷媒泄漏的检测方法：当空调压缩机持续工作时长达到第一预设时长时，获取室内的环境温度和所述空调的室内换热器温度，根据所述环境温度与所述室内换热器温度，确认所述空调的冷媒是否出现泄漏；专利201410606729.3公开了一种基于某一个速度节点通过将室内换热器温度前后差值检测和压缩机实际功率与理论值差值检测结合起来的冷媒泄露检测方法。后两种方法不会带来硬件成本的增加，但是在某些场合，如变频空调中冷媒泄漏缓慢导致冷媒量偏少时(例如比标称值少20％)，控制程序会自动提高的压缩机运行频率，使室内换热器温度达到预期的温度，这时专利201410851559.5和专利201410606729.3两种基于室内换热器温度检测方法的条件并不满足，无法检测冷媒是否泄漏。基于室内换热器温度的冷媒泄漏检测方法更适应于冷媒泄漏已经引起冷媒量严重不足的情况，不利于冷媒缓慢泄漏初期的故障诊断。
还假设另一种情况，空调在制冷模式，室内换热器落满灰尘导致制冷效果变差，但这时室内换热器温度依然很低，专利201410851559.5和专利201410606729.3两种基于室内换热器温度检测方法的条件不满足，用户关心的空调制冷效果变差的原因无法找出。
关于空调冷媒泄露检测，上述已经公开的方法都是基于某一个速度节点通过系统参数测量来进行分析判断，而本发明基于速度区间获取系统参数，通过室内换热器温度变化规律来判断冷媒是否泄露，检测准确性大大提高。
发明内容
为克服现有技术中，空调冷媒泄露检测基于某一个速度节点通过系统参数测量来进行分析判断的不足，本发明提出一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法，基于速度区间获取系统参数，通过室内换热器温度变化规律来判断冷媒是否泄露。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法，包括步骤
S1：根据室内室外环境温度，确定检测程序采用制冷或制热模式；
S2：在一个预设的速度区间内，在室内风机转速和室外风机转速不变的情况下，对空调系统的电参数和温度参数进行测量，测量压缩机在每个频率节点下运行稳定时的压缩机电压和电流参数、室内和室外环境温度、室内和室外换热器温度；
S3：获取预设速度区间内压缩机功率曲线；
S4：获取预设速度区间内室内换热器温度变化曲线；
S5：判断压缩机是否正常运行；
S6：如压缩机正常运行，则判断实测温度变化曲线的有效性；
S7：判定冷媒是否泄漏。
进一步地，步骤S1前还包括步骤：当用户感知变频空调的制冷或制热效果变差时，通过遥控器专用功能启动变频空调冷媒泄露检测程序。
进一步地，步骤S3包括步骤
S31：根据每个频率节点下压缩机电压和电流参数，计算压缩机的功率，通过对各频率节点压缩机功率的逐一计算，获得一组压缩机实测功率曲线；
S32：根据室内和室外环境温度，并根据空调运行模式，调取对应的压缩机预设标称功率曲线。
进一步地，步骤S4包括步骤
S41：根据每个频率节点值下测量的室内换热器的温度，获得一组室内换热器实测温度变化曲线；
S42：根据室内和室外环境温度，并根据空调运行模式，调取对应的室内换热器预设标称温度变化曲线。
进一步地，步骤S5包括步骤：
S51：在每一个频率节点下压缩机的功率与预设标称功率的误差在该频率节点预设的功率阈值范围内时，则判定压缩机正常运行，冷媒泄露检测继续进行；
S52：在每一个频率节点下压缩机的功率与预设标称功率误差超出该频率节点预设的功率阈值范围内时，则判定压缩机不正常运行，给出压缩机不正常运行的报警信号，退出冷媒泄露检测程序。
进一步地，步骤S6包括步骤
S61：在空调制冷模式下，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度降低，则判定实测温度变化曲线有效；如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度反而上升，则直接判定空调冷媒严重泄露；
S62：在空调制热模式下，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度升高，则判定实测温度变化曲线有效。如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度反而降低，则判定系统存在其他故障。
进一步地，步骤S7包括步骤
S71：根据室内室外环境温度，根据最小频率节点室内换热器预设标称温度、最大频率节点室内换热器预设标称温度，计算两者之间的温差幅值，进一步计算预设温差阈值；
S72：根据最小频率节点室内换热器实测温度、最大频率节点室内换热器实测温度计算两者之间的温差幅值；
S73：如果所述温差幅值小于所述预设温差阈值，不论空调在制冷或制热模式下，都判定空调冷媒泄露；如果所述温差幅值大于所述预设温差阈值，不论空调在制冷或制热模式下，都判定空调不存在空调冷媒泄露。
更进一步地，所述预设功率误差阈值取值范围为该频率节点预设标称功率的20％-30％，预设温度误差阈值取值范围为2～3℃。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过在一个预设的速度区间内，对空调系统的室内换热器温度参数进行测量，通过温度的变化规律来判断冷媒是否泄露，检测的准确性大大提高。
附图说明
图1是本发明基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法流程图。
图2不同情况下空调样机压缩机输入功率曲线。
图3不同情况下空调样机制冷能力曲线。
图4不同情况下室内换热器实测温度变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明包括如下步骤：
当用户感知变频空调的制冷/制热效果变差时，通过遥控器专用功能启动变频空调冷媒泄露检测程序；
S1：当前室内室外环境温度决定检测程序采用制冷或制热模式；
步骤S2：在一个预设的速度区间内，在室内风机转速、室外风机转速不变的情况下，对空调系统的电参数和温度参数进行测量，当压缩机在每个频率节点下运行稳定时测量：1)压缩机电压和电流参数；2)室内、室外环境温度；3)室内、室外换热器温度；
步骤S3：预设速度区间内压缩机功率曲线获取：
S31：根据每个频率节点下压缩机电压和电流参数，计算压缩机的功率，通过对各频率节点压缩机功率的逐一计算，获得一组“压缩机实测功率曲线”；
S32：根据室内、室外环境温度，并根据空调运行模式(制冷/制热)，调取对应的“压缩机预设标称功率曲线”。
步骤S:4：预设速度区间内室内换热器温度变化曲线获取：
S41：根据每个频率节点值下测量的室内换热器的温度，获得一组“室内换热器实测温度变化曲线”；
S42：根据室内、室外环境温度，并根据空调运行模式(制冷/制热)，调取对应的“室内换热器预设标称温度变化曲线”。
步骤S:5：压缩机是否正常运行判断：
S51：在每一个频率节点下压缩机的功率Pn_measured与预设标称功率Pn_desired的误差在该频率节点预设的功率阈值ΔPthreshold范围内时，即满足|Pn_measured-Pn_desired|＜ΔPthreshold时，则判定压缩机正常运行，冷媒泄露检测继续进行；
S52：在每一个频率节点下压缩机的功率Pn_measured与预设标称功率Pn_desired的误差超出该频率节点预设的功率阈值ΔPthreshold范围内时，即满足|Pn_measured-Pn_desired|＞ΔPthreshold时，则判定压缩机不正常运行，给出压缩机不正常运行的报警信号，退出冷媒泄露检测程序。
步骤S6：在压缩机正常运行的前提下“实测温度变化曲线”的有效性判断：
S61：在空调制冷模式下，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度降低，则判定“实测温度变化曲线”有效；如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度反而上升，则直接判定：空调冷媒严重泄露。
S62：在空调制热模式下，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度升高，则判定“实测温度变化曲线”有效。如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度反而降低，则判定：系统其他故障(如四通阈故障)；
无论是空调制冷还是制热模式下，随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度不变化，则直接判定：空调冷媒严重泄露。
步骤S7：冷媒泄露的判定：
S71：根据室内室外环境温度，从预设的表格中取出最小频率节点室内换热器预设标称温度Tfreq_min_desired、最大频率节点室内换热器预设标称温度Tfreq_max_desired，并计算两者之间的温差幅值ΔTmax(desired)(绝对值)
ΔTmax(desired)＝|Tfreq_min_desired-Tfreq_max_desired| (1)
进一步计算预先设定温差阈值ΔTthreshold：
ΔTthreshold＝(70％～80％)ΔTmax(desired) (2)
S72：根据最小频率节点室内换热器实测温度Tfreq_min_measured、最大频率节点室内换热器实测温度Tfreq_max_measured计算两者之间的温差幅值ΔTmax(measured)(绝对值)：
ΔTmax(measured)＝|Tfreq_min_measured-Tfreq_max_measured| (3)
S73：如果ΔTmax(measured)＜ΔTthreshold时，如果在空调制冷模式下，表明压缩机运行频率的上升并没有带来室内换热器预期的温度下降，判定空调冷媒泄露；如果在空调制热模式下，表明压缩机运行频率的上升并没有带来室内换热器预期的温度上升，同样判定空调冷媒泄露；
当ΔTmax(measured)＞ΔTthreshold时,不论在空调制冷或者在制热模式下，压缩机运行频率的上升带来了室内换热器预期幅度的温度变化，判定空调不存在空调冷媒泄露。
本发明只有在先判断压缩机是正常运行的前提下，才继续进行空调器冷媒泄露检测。在检测过程中，室内风机转速、室外风机转速各自的取值对于不同的频率节点都是相同的。
本发明在一个预设的速度区间内，对空调系统的室内换热器温度参数进行测量，通过温度的变化规律来判断冷媒是否泄露，检测的准确性大大提高。
本发明所述预设功率误差阈值ΔPthreshold的取值范围为该频率节点预设标称功率Pn_desired的20％～30％：
ΔPthreshold＝(20％～30％)Pn_desired (4)
所述预设温度误差阈值ΔTthreshold的取值范围为2～3℃。
下面将以一个实施例详细描述本发明的工作流程。
在本实施例中，该空调器样机冷媒泄漏分析包括如下几个主要步骤：
1、按变频空调设置室内外工况条件：室外(干球温度35°，湿球温度24°)，室内(干球温度27°，干球温度19°)。具体实施方案所用空调样机涉及压缩机功率计算的参数如下：极对数pn＝3；定子电阻Rs＝1.7Ω；定子直轴电感Ld＝8.9mH；交轴电感Lq＝12.7mH；反电势系数ke＝46.8V/krpm。在参数测量方面，变频空调产品内已安装了四个温度传感器，可以测量室内、室外环境温度，室内、室外换热器温度，同时还安装了与压缩机输入功率计算相关的压缩机相电流、相电压检测传感器，本发明并不需要增加其他硬件成本。
2、变频空调样机标准工况的运行参数测量：
变频空调样机工作模式设置为制冷模式，室内风机转速设为高风档(风量为720.0m3/h，电功率33.6W)，室外风机转速设为高风档(755.6rpm，电功率68.3W)，压缩机的频率由外部控制。将压缩机的频率分别设置为40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz、65Hz六个节点，在每个频率节点分别测量出空调系统的输入功率、室内换热器温度、空调的制冷量输出，室内风机的实际风量，如表1所示。
频率节点最低点取40Hz的原因是，当变频空调进入低速运行区域时，会进行低频转矩前馈补偿控制，这时压缩机的功率除与实际的负载大小相关外，还与补偿控制策略相关，这样不利于本发明检测方案的推广应用。频率节点最高点取65Hz则是考虑到电控系统的安全性问题，65Hz运行时系统输入功率已经达到空调的额定运行功率，不需要继续升高频率。
表1样机标准工况的运行参数
运行频率(Hz) 40 45 50 55 60 65
系统输入功率(W) 610.3 700.2 779.5 878.4 995.3 1105.6
压缩机输入功率(W) 508.4 598.3 677.6 776.5 898.4 1003.7
输出制冷量(W) 2740 2810 3077 3357 3702 3769
室内换热器温度(℃) 18.6 17.8 17.3 16.7 16.1 15.2
室内风量(m<sup>3</sup>/h) 724 729 728 724 722 719
3、模拟换热器落满尖埃的运行参数测量
换热器落满尖埃是空调制冷/制热效果变差的常见原因，同时也常常被误诊断为冷媒泄漏。为了模拟换热器落满尖埃对空调制冷能力的影响，在制冷模式下用塑料纸将空调室内机的风道封住，这时实测室内风机风量降为307.0m3/h，室内风机输入功率也下降到21.7W，而室外风机转速和功率不变(755.6rpm，电功率68.3W)。
表2样机模拟换热器落满尖埃的运行参数
运行频率(Hz) 40 45 50 55 60 65
系统输入功率(W) 583.2 649.8 733.3 820.5 916.0 1008.2
压缩机输入功率(W) 493.2 559.8 643.3 730.5 826.0 918.2
输出制冷量(W) 2159 2313 2460 2548 2684 2729
室内换热器温度(℃) 15.6 15.0 14.3 13.7 13.1 12.3
室内风量(m<sup>3</sup>/h) 307 307 308 309 308 307
将压缩机的频率分别设置为如表1的频率节点，测量出空调系统的输入功率、室内换热器温度、空调的制冷量，室内风机的实际风量，如表2所示。
4、冷媒泄漏的运行参数测量
为了模拟冷媒泄漏对空调制冷能力的影响，在制冷模式下将样机的冷媒人为泄放掉一部分(大约25％)，使得40Hz处压缩机的输入功率与表2模拟换热器落满尖埃40Hz处压缩机输入功率基本相等(约495W)。此时的室内、室外风机工作状态和表1对应的样机标准工况相同。将压缩机的频率分别设置为如表1的频率节点，测量出空调系统的输入功率、室内换热器温度、空调的制冷量输出，室内风机的实际风量，如表3所示。
表3样机冷媒泄漏的运行参数
运行频率(Hz) 40 45 50 55 60 65
系统输入功率(W) 598.3 662.0 741.6 815.2 887.0 977.8
压缩机输入功率(W) 496.4 560.1 639.7 713.3 785.1 875.9
输出制冷量(W) 2310 2523 2701 2767 2825 2868
室内换热器温度(℃) 20.8 20.3 20.0 19.7 19.5 19.4
室内风量(m<sup>3</sup>/h) 730 727 726 719 730 729
5、运行参数的分析
表1和表3中各频率节点压缩机输入功率为空调系统的输入功率减去室内风机功率33.6W和室外风机功率68.3W，而表2中各频率节点压缩机输入功率为空调系统的输入功率减去室内风机功率21.7W和室外风机功率68.3W。同时为了分析参数的变化规律，将三种不同工况下各频率节点压缩机输入功率、系统的制冷输出、室内换热器温度绘成图，分别如图2、3、4所示。
表1中空调样机在57Hz处达到额定标称制冷量3500W，系统输入功率约为950W，这表明样机空调制冷效果良好，是一台合格的产品。
图2空调样机制冷能力曲线可见，当换热器落满尘埃或冷媒泄漏时系统的制冷能力显著下降，但是空调制冷/制热输出能力的检测需要专用的实验室并配备专用的设备，如何利用空调产品现有的硬件传感器检测分析系统的能力下降问题正是提出本发明的意义所在。
图3中最小检测频率节点40Hz处，落满尘埃工况和冷媒泄漏工况压缩机的输入功率很接近(分别为493.2W,496.4W)，与标准工况压缩机输入功率的误差为2.6％；在最大检测频率节点65Hz处，落满尘埃工况和冷媒泄漏工况压缩机的输入功率有较大的差距(分别为918.2W,875.9W)，与标准工况压缩机输入功率的误差显著增大到8.5％、12.7％。同时从图3中可以看出，落满尘埃工况和冷媒泄漏工况压缩机输入功率都会减小，且与标准工况压缩机输入功率的误差会随检测频率节点的不同而不同，因此按照专利201410606729.3公开的通过在某一给定频率下检测压缩机实际功率与理论值差值来进行冷媒泄露检测的方案存在误判可能性。
在本实施例中，检测图3的压缩机输入功率数据是为了在冷媒泄露检测之前，先确认被测样机的电控系统是正常工作的，从图3可见，不论哪种情况导致空调系统输出能力下降，压缩机的输入功率都会随工作频率的上升而上升，更进一步的不论哪种情况只要系统正常运行，在每个频率节点压缩机输入功率与预设功率的误差就不会超过功率阈值ΔPthreshold。本实施例中将功率阈值ΔPthreshold设为30％，当被测样机压缩机输入功率与标准工况预设输入功率的误差小于30％时，则判定被测样机的系统是正常工作的。
图4换热器实测温度变化曲线可见，样机输出能力正常时压缩机频率从40Hz升到65Hz，换热器温度从18.6℃下降到15.2℃，下降温差幅值ΔTmax(measured)为3.4℃；当换热器落满尘埃时压缩机频率从40Hz升到65Hz，换热器温度从15.6℃下降到12.3℃，温差幅值ΔTmax(measured)为3.3℃，温差幅值与样机输出能力正常时基本相当，这表明换热器落满尘埃并不能从换热器温度变化来进行推断；当空调样机冷媒泄漏时从40Hz升到65Hz，换热器温度从20.8℃下降到19.4℃，温差幅值ΔTmax(measured)只有1.2℃，比前两种情况的下降幅度大大减小。在本实施例中，预设温度误差阈值ΔTthreshold取2.5℃，这时满足关系式ΔTmax(measured)＜ΔTthreshold，表明在空调制冷模式下压缩机运行频率的上升并没有带来室内换热器预期的温度下降(2.5℃)，判定空调冷媒泄露。
6、关于电功率的计算方法
在本实施例中，压缩机转速ω的获取具体可以通过以下途径实现：通过基于转子磁场定向的矢量控制技术(Field-Oriented Control，FOC)，根据压缩机的参数，按照永磁同步电机d轴和q轴电压方程式，利用扩展反电动势转子位置估算法，计算转子的位置θ和转速ω，并根据转子位置输出U、V、W三相电压矢量，控制压缩机运转。在本实施例中，压缩机电流检测具体可以通过以下途径实现：首先通过压缩机电流检测单元检测压缩机三相电流中的两相Iu和Iv，然后通过以下公式计算压缩机d轴电流Id和q轴电流Iq：
其中θ为压缩机转子的位置角。
在获得压缩机d轴电流Id和q轴电流Iq后，压缩机d轴电压Ud和q轴电压Uq由以下公式计算：
其中，R为电阻，Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ω为转速，p为微分算子，e0为空载电动势。
在获得压缩机d轴电流Id和q轴电流Iq，d轴电压Ud和q轴电压Uq后，通过如下公式计算压缩机的输入功率：
P＝UdId+UqIq (7)
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法，其特征在于，包括步骤
S1：根据室内室外环境温度，确定检测程序采用制冷或制热模式；
S2：在一个预设的速度区间内，在室内风机转速和室外风机转速不变的情况下，对空调系统的电参数和温度参数进行测量，测量压缩机在每个频率节点下运行稳定时的压缩机电压和电流参数、室内和室外环境温度、室内和室外换热器温度；
S3：获取预设速度区间内压缩机功率曲线；
S4：获取预设速度区间内室内换热器温度变化曲线；
S5：判断压缩机是否正常运行；
S6：如压缩机正常运行，则判断实测温度变化曲线的有效性；
S7：判定冷媒是否泄漏；
步骤S1前还包括步骤：当用户感知变频空调的制冷或制热效果变差时，通过遥控器专用功能启动变频空调冷媒泄露检测程序；
步骤S3包括步骤
S31：根据每个频率节点下压缩机电压和电流参数，计算压缩机的功率，通过对各频率节点压缩机功率的逐一计算，获得一组压缩机实测功率曲线；
S32：根据室内和室外环境温度，并根据空调运行模式，调取对应的压缩机预设标称功率曲线；
步骤S4包括步骤
S41：根据每个频率节点值下测量的室内换热器的温度，获得一组室内换热器实测温度变化曲线；
S42：根据室内和室外环境温度，并根据空调运行模式，调取对应的室内换热器预设标称温度变化曲线；
步骤S5包括步骤：
S51：在每一个频率节点下压缩机的功率与预设标称功率的误差在该频率节点预设的功率阈值范围内时，则判定压缩机正常运行，冷媒泄露检测继续进行；
S52：在每一个频率节点下压缩机的功率与预设标称功率误差超出该频率节点预设的功率阈值范围内时，则判定压缩机不正常运行，给出压缩机不正常运行的报警信号，退出冷媒泄露检测程序；
步骤S6包括步骤
S61：在空调制冷模式下，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度降低，则判定实测温度变化曲线有效；如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度反而上升，则直接判定空调冷媒严重泄露；
S62：在空调制热模式下，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度升高，则判定实测温度变化曲线有效，如果随着压缩机运行频率的上升，室内换热器的温度反而降低，则判定系统存在其他故障；
步骤S7包括步骤
S71：根据室内室外环境温度，根据最小频率节点室内换热器预设标称温度、最大频率节点室内换热器预设标称温度，计算两者之间的温差幅值，进一步计算预设温差阈值；
S72：根据最小频率节点室内换热器实测温度、最大频率节点室内换热器实测温度计算两者之间的温差幅值；
S73：如果所述温差幅值小于所述预设温差阈值，不论空调在制冷或制热模式下，都判定空调冷媒泄露；如果所述温差幅值大于所述预设温差阈值，不论空调在制冷或制热模式下，都判定空调不存在空调冷媒泄露。
2.如权利要求1所述的基于速度区间参数的变频空调冷媒泄露检测方法，其特征在于，预设功率误差阈值取值范围为该频率节点预设标称功率的20％-30％，预设温度误差阈值取值范围为2～3℃。
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