CN108700900B - 比例阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种比例阀(1)，其具有通过控制信号能控制的预调阀(2)和借助所述预调阀(2)能操纵的增强阀(3)，其中，所述比例阀(1)具有用于连接压缩空气供应装置的压缩空气连接端(6)、工作连接端(5)和排气连接端(4)，其中，增强阀(3)具有三个相互串联的并且分别沿轴向抵抗弹簧力运动的阀元件。在所述比例阀(1)的基础位置中，第一阀元件(8)、第二阀元件(9)和第三阀元件(10)两两彼此远离并且在增强阀(3)内部有在第一阀元件(8)和第二阀元件(9)之间起作用的第一密封座(26)和在第三阀元件(10)和壳体(16)之间起作用的第二密封座(27)被这样地设计和布置，即在控制预调阀(2)的控制信号变化时和以此级联式导致的第一阀元件(8)、第二阀元件(9)和第三阀元件(10)的轴向位置的调节时，能设置用于工作连接端(5)的排气和通气的和用于保持存在于工作连接端(5)上的压力的不同的接通状态。此外还配设有检测第一阀元件(8)的轴向位置的位置传感器(31)，并且比例阀(1)的控制单元(36)被这样地设置，即为了计算为实现增强阀(2)的期望的接通状态所需的用于预调阀(2)的控制信号，分析位置传感器(31)的测量信号。

Description

比例阀
本发明涉及一种比例阀，其具有通过控制信号能控制的预调阀和借助预调阀能操纵的增强阀，其中，比例阀具有用于连接压缩空气供应装置的压缩空气连接端、工作连接端和排气连接端。
这种尤其用于操纵气动操作部件、气动驱动装置或者其他气动调节元件的比例阀在现有技术中以多种方式已知。
作为比例阀必须适用的是，在设计用于连接气动的操作部件的工作连接端上要提供尽可能可精确调节的(空气)压力。为此，通常通过借助预调阀对阀门合适的操纵形成不同的阀门位置，工作连接端以此有选择性地与压缩空气供应装置或者排气装置导流地耦连或者(为了保持存在于工作连接端上的压力而)与两者脱耦。在此，作为比例阀也应该能够实现连接在工作连接端上的操作部件的介于完全通气和完全排气之间的中间位置。
上文所述类型的比例阀在其构造方式和其运行方面是比较费事的。
在此，在现有技术中通常引用所谓的滑阀，其中，至少一个可线性滑动的阀元件根据其位置把在阀元件侧向布置的和影响空气流的开口(完全或部分地)要么露出，要么封闭。然而与中心阀相反的是，在此缺少有效封阻流体流的密封座，所以要始终考虑对精确的应用情况不利的泄露，这按照本发明有利地被保持得尽可能小或者说被完全避免。
由文献DE 10 2012 017 713 A1还已知位置调节器形式的这种类型的比例阀，其中，通过预调阀操纵的功率级(＝增强阀)包括两个弹簧式预紧的中心阀作为压力-位移转换器，从共同的控制腔对两个中心阀施加压力，并且在控制腔中存在的压力升高时两个中心阀被连续操纵，以便实现不同的连通状态。在文献DE 10 2012 017 713 A1中所述的位置调节器由于中心阀布置在共同的控制腔的不同侧面上而需要较大的结构空间，通过本发明应减小该结构空间。
在配备有中心阀的比例阀的调节技术的控制方面要考虑的是，在此根据阀的具体结构方式会形成比较复杂的特性曲线。在为操纵增强阀所需的控制压力取决于在阀的工作出口上的当前工作压力时尤其是这样。此外，在使用压电式预调阀的情况下，在控制信号和由预调阀产生的预调压力之间会产生具有迟滞作用的关联，这种具有迟滞作用的关联作用在总阀的特性曲线上。
由文献US 2 850 330已知规定在具有挂车的拖拉机的制动系统中使用的阀组，在阀组中在实现两个阀的情况下总共规定了三个相互串联的、分别沿轴向运动的和级联式可调节的阀元件。在此，借助第一个阀可以把用于挂车的制动系统的第一工作连接端选择性地排气或者与拖拉机侧的压缩气体连接端相连，而通过第二个阀可以把用于挂车的制动系统的第二个紧急工作连接端选择性地排气或者与拖拉机侧的第二紧急工作连接端相连。在该文献中，在第一阀元件的位置变化时，从各工作连接端被排气的第一接通状态分别向第二接通状态过渡，在第二接通状态中各工作连接端与拖拉机侧的压缩空气连接端相连。
在此背景下，本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的、开始所述类型的比例阀，该比例阀尤其需要尽可能小的(侧向的)结构空间并且在此同时能以特别简单的方式可靠地和精确地运行。
上述技术问题通过按照权利要求1的比例阀解决。这种阀的优选设计方案由从属权利要求和下面的说明得出。
除了开始所述的特征之外，按照本发明的比例阀的特点是，增强阀具有三个相互串联的并且分别沿轴向克服弹簧力运动的阀元件，即
-通过预调阀操纵的第一阀元件，
-通过第一阀元件操纵的第二阀元件，和
-通过第二阀元件操纵的第三阀元件，
其中，在比例阀的基础位置中，第一、第二和第三阀元件两两彼此间隔，并且在增强阀内部在第一阀元件和第二阀元件之间起作用的第一密封座和在第三阀元件和壳体之间起作用的第二密封座被这样地设计和布置，即在控制预调阀的控制信号(通过该控制信号可以改变预调阀的接通状态并且以此改变由预调阀产生的预调压力)变化时和以此级联式导致的第一、第二和第三阀元件的轴向位置的调节时，可以为工作连接端的排气和通气的和为保持存在于工作连接端上的压力而设置不同的接通状态。最后，在此按照本发明还规定，配设有检测第一阀元件的轴向位置的位置传感器，并且比例阀的控制单元被这样地设置，即为了计算为实现增强阀的期望的接通状态所需的用于预调阀控制信号，分析位置传感器的测量信号。
因而在本发明的范畴内与上文已述现有技术不同的是，不是两个中心阀作为每个压力-位移转换器的组成部件被共同的控制腔中的压力操纵，而是影响阀内部流体流的阀元件在此发生级联式调节，其中，第一阀元件通过预调阀操纵，并且在第一阀元件后连接的阀元件逐渐地(尤其纯机械地)通过各个在前的阀元件操纵。显然，由于用于所有三个阀元件的轴向的操纵方向，按照本发明的阀所需的结构空间(尤其沿相对于阀元件的轴向运动方向在侧向的方向)可以特别紧凑。
此外，由于在阀内部实现有两个相应地与至少一个阀元件共同作用的密封座的事实，可以保证泄露特别少或者说无泄漏的运行，这尤其对于保持存在于工作连接端上的压力是很大的优点，并且阀的气动的能量消耗保持最小。尽管由此产生了迟滞作用(这在下文中按照附图说明还会详细阐述)，但是在使用按照本发明规定的位置传感器的情况下按照本发明的阀还是能够以简单的方式以特别高的控制精度运行。
控制预调阀的控制信号例如可以是控制压，其中，当然也可以使用其他种类的控制信号(例如PWM信号的形式)。
为了计算为实现或者保持增强阀的期望的接通状态所需的用于预调阀的控制信号的变化，按照本发明分析位置传感器的测量信号，位置传感器检测第一阀元件的轴向位置或者说形态，即阀行程。在此已证实，尽管(在调节技术方面)具有至少三个弹簧预紧的阀元件的级联式调节的阀构造比较复杂，但是总阀可以以特别简单的方式控制。这是可行的，因为在按照本发明的阀中总阀的具体占据的接通状态最终(仅仅)通过第一阀元件的当前位置确定。因而随着第一阀元件的位置的确定就有了关于阀的当前接通状态的重要信息。
当然，根据各个所需控制信号(也就是说例如用于预调阀的新的待设置的控制压)的计算，比例阀的控制单元以优选方式利用适当地存储在存储单元中的值，通过这些值为第一阀元件的确定的轴向位置(或者说为位置传感器的与此对应的测量信号)分配增强阀的以此分别实现的阀状态。
原则上，按照本发明可以利用纯机械的位置传感器。然而被证明特别有利的是，位置传感器被设置用于第一阀元件的轴向位置的无接触的测量。在此，在特别适宜的设计方案中就可以规定，位置传感器基于光学的、电容的或者磁的测量原理。
在此，被证明特别有利的是使用磁场角度传感器作为位置传感器，可以有利地设计为AMR传感器、TMR传感器或者GMR传感器。
AMR传感器在此利用所谓的各向异性磁阻(＝AMR)效果。TMR传感器和GMR传感器利用隧道磁阻(英语：magnetic tunnel resistance＝TMR)或者所谓的巨磁阻(英语：giantmagnetoresistance＝GMR)。因为以这些原理工作的传感器根据实际情况由现有技术充分已知并且可在市场上购得，因此不再对不同测量原理详细阐述。重要的是，按照本发明，利用上述具有高能效的传感器类型尤其可以实现高精度的测量结果。
如上文已经开始讨论过的，在本发明的特别优选的设计方案中可以规定，比例阀的控制单元被这样地设置，即为了实现增强阀的期望的接通状态所需的用于预调阀的控制信号在仅利用位置传感器的测量信号的情况下被计算。换句话说，按照本发明的阀因此可以有利地这样运行，即为了阀的高精度控制不需要除了位置传感器的测量信号以外的其他测量信号。
对于阀的具体设计可以有利地规定，第一阀元件通过带有沿轴向延伸的和具有轴向孔的膜片杆的膜片构成。第二阀元件可以有利地通过弹簧式地向指向膜片的方向预紧的阀挺杆构成，阀挺杆在面向膜片杆的端侧上具有第一密封座，第一密封座作用于能贴靠在第一密封座上的膜片杆的自由端部。第三阀元件可以有利地通过底座元件构成，所述底座元件向指向阀挺杆的方向弹簧式相对第二密封座预紧并且通过贴靠在底座元件上的阀挺杆的轴向移动能从第二密封座上抬起。以此可以实现特别紧凑的阀构造，其在下文还会根据本发明实施例进一步阐述。
因为基于磁式测量原理的、用于测量第一阀元件的轴向位置的位置传感器当然必须与适宜地配设在第一阀元件上的磁元件共同作用，所以在本发明优选设计方案中规定，位置传感器与集成在膜片中的磁元件共同作用。
在本发明的又一个优选改进设计方案中规定，构成第一密封座和/或第二密封座的和/或以此共同作用的表面为了精密调节流体流而由聚合物材料构成，尤其具有与相应密封配合件必要时不同的弹性特性。以此可以在对于阀的比例运行所需的按照本发明的比例阀的中间位置方面实现特别精细的过渡。
在通连技术方面最后可以优选地规定，预调阀是3/2通路阀，其优选地是压电式预调阀。增强阀有利地可以设计为3/3通路阀。
下面根据附图进一步阐述按照本发明的阀的实施例。在附图中：
图1示出按照本发明的比例阀和其组件的示意图，
图2至图4示出按照本发明的阀的不同特性曲线的三个不同图表，以示出不同的阀参数之间复杂的关联。
图1示出按照本发明的比例阀1的实施例，比例阀1具有气动的、压电式预调阀2作为前置级，具有增强阀3作为功率级。
阀1还具有排气连接端4、用于连接要利用阀1操纵的气动的操作部件(未示出)的工作连接端5和用于具有规定气压例如8bar的压缩空气供应装置的连接端6。还配设有压力调节器7，利用压力调节器7可以从在连接端6上用于压缩空气供应而存在的压力获得相应较小的例如1.2bar的压力，作为用于为了操纵增强阀3而配设的气动的预调阀2的输入压力。阀1还具有三个相互串联的和分别沿轴向按照双向箭头R运动的阀元件8、9、10。
在此，(图1中最上方的)第一阀元件8包括膜片11和具有轴向孔13的膜片杆12。
膜片11与第一薄膜14(在此通过机械式耦连)作用连接，其中，在第一薄膜14和膜片11上方构成控制压力腔15。存在于控制压力腔15中的气压由预调阀2产生。
此外，(通过膜片11连同膜片杆12构成的)第一阀元件8沿(轴向的)指向控制压力腔15的方向弹簧式预紧。为此，在本实施例中总共配设三个支撑在阀1的壳体16上的弹簧元件(弹簧)17，在图1中仅有其中一个(中轴线左侧)位于剖切面中，而另两个弹簧元件17位于剖切面前或者后(图1中仅可看到其中一个)。这三个弹簧元件17分别相对于中轴线M等距离(也即以相同的径向距离)地布置并且在垂直于中轴线M设置的平面中相对彼此(就是说围绕中轴线M环绕地)以两两相同的120°的角度α错移，以构成第一阀元件8基于轴向的中轴线M向指向控制压力腔14的方向的完全对称的预紧。
第二阀元件9在此通过阀挺杆18构成，并且第三阀元件10通过底座元件19构成。在此，阀挺杆18借助支撑在底座元件19上的弹簧20沿指向第一阀元件8(＝膜片11和膜片杆12)的方向预紧，而底座元件19本身借助支撑在壳体16上的弹簧21预紧。
在图1中所示的阀1的基础位置中，增强阀3的所有三个轴向运动的阀元件8、9、10沿相同的方向预紧，然而在此是两两相互间隔的。
膜片杆12与第二薄膜22耦连，第二薄膜22环绕密封地包围膜片杆12，并且所述第二薄膜22将处于第一薄膜14和第二薄膜22之间(持续排气)的通向排气连接端4的排气腔23相对于通向工作连接端5的工作压力腔24分隔。第二薄膜22在此同时可以用于膜片杆12的径向的支承。由于在阀1的基础位置中形成的、在膜片杆12的自由端部和阀挺杆18之间的距离，在图1所示的阀位置中工作压力腔24(进而连接在工作连接端5上的气动的操作部件也)被排气。
阀挺杆18在其面向膜片杆12的顶侧上具有用作密封面25的聚合物的材料，膜片杆12的底边棱26在构成第一密封座的情况下能贴靠在密封面25上。在阀在接触区域附近调节时，这种软的密封面能够根据聚合物的硬度实现特别精确的按比例的精密调节。
也即当(借助本身能通过控制(电)压控制的预调阀2适宜地升高存在于控制压力腔15中的压力使得)第一阀元件8被这样远地移动，直至膜片杆12的底边棱26密封地贴靠在阀挺杆18的密封面25上时，通过膜片杆12的轴向孔13构成的在排气腔23和工作压力腔24之间的连接被封阻，以此使得工作压力腔24之前的排气被取消。
在按照本发明的比例阀1的所示实施例中，第二密封座通过固定在壳体上的和在图1中指向下的密封棱边27构成，作为第三阀元件10起作用的底座元件19借助弹簧21相对于密封棱边27预紧，其中，底座元件本身在此又配设有为了构成第二密封座而与密封棱边27共同作用的、由聚合物的材料制成的密封面28。与用于压力供应的连接端6相连的压力供应腔29处于第二密封座下方，压力供应腔29因而正好就在底座元件19以其顶侧密封地贴靠在密封棱边27上时与工作压力腔24流体式分离，正如在所示基础位置中的情况。
当(借助预调阀2适宜地操纵第一阀元件8使得)第一阀元件8被这样远地移动，即第一阀元件8贴靠在第二阀元件9上，第二阀元件9贴靠在第三阀元件10上，在控制压力腔15中的控制压力的进一步升高才导致第三阀元件10(＝底座元件19)从第二阀座上抬起，以此使得工作压力腔24与压力供应6在流体技术上连通，即在工作输出端5处的压力升高。在操纵第三阀元件10的范围内还有利的是，在阀挺杆18和底座元件19之间设计硬止挡。
此外，按照本发明的阀的特别好的调节特性也是由于在基础状态中在第一、第二和第三阀元件8、9、10之间形成的距离，因为以此可以特别好的区别和方便地控制阀1的不同的流体上的状态。在基础状态中阀的工作连接端5被排气。然后当第一阀元件8被移动这样地远，直至第一阀元件8在构成第一密封座26的情况下在与第二阀元件9的接触区域中密封地贴靠在第二阀元件上时，就实现了用于保持存在于工作输出端5处的压力的状态，因为在此位置中，第三阀元件10通过在第二密封座上的贴靠而把工作压力腔24与压力供应腔29分离。当通过继续移动使得第二阀元件9在第三阀元件10上构成贴靠并且第三阀元件10克服其弹簧预紧力地从第二密封座27上抬起时，才实现工作连接端5以通过压力供应6提供的压力排气的状态。
此外，按照本发明的阀1的调节已表明是特别简单的(尽管有级联式的设计)。为此，在第一阀元件8上(例如在膜片边缘区域中)可以配设磁元件30，使得在使用合适的磁的位置传感器31、尤其AMR、GMR或者TMR传感器的情况下，第一阀元件8的轴向的位置能有能效地和精确地确定。由此位置可以直接推定当前的阀状态，而不必为此确定其他的测量参数。在使用合适地精确的位置传感器的情况下在此尤其也可以进行在这种位置附近的阀1的精密调节，在所述这种位置上进行在阀的不同接通状态之间的转换。
由于三个阀元件8、9、10的纯机械式耦连和因为通过密封座的方位而固定地规定的、阀位置之间的行程，所以阀1的调节因而可以在(仅仅)利用借助位置传感器31确定的、第一阀元件8的(轴向)位置的情况下进行，这在下文中还会参照按照本发明的阀1的不同特性曲线阐述。
气动的预调阀2在此设计为按比例的3/2通路阀，而增强阀3是3/3通路阀。
预调阀2自身具有压力输入端33，其在此被供应由压力调节器7提供的气压。还规定有(必要时与阀1的排气连接端4连通的)预调阀排气连接端32以及预调阀工作输出端34，预调阀工作输出端34与阀1的控制压力腔15在流体技术上连通。
借助可电操纵的和由此在其自由端部的区域中按照双箭头B可枢转的压电弯曲转换器35可以把预调阀工作输出端34选择性地排气(就是说流体技术地与预调阀排气连接端32连通)或者部分地或者说完全地与存在于预调阀2的压力输入端33处的压力相连。预调阀2因此可以用于以特别高的调节能力和较低的能量需求通过调节存在于控制压力腔15中的压力来操纵按照本发明的阀1的第一阀元件8。
此外配设有控制单元36，通过信号线路37向控制单元36输送位置传感器31的测量信号。控制预调阀2(并且以此整体上控制比例阀1)的控制单元36被设置用于，计算为实现增强阀3的期望的接通状态所需的用于预调阀2的控制压，并且通过控制线路38相应地控制预调阀2，其中，在所述计算范围内分析位置传感器的测量信号(优选唯一的涉及阀状态的测量参数)。在此也即首先由代表第一阀元件8的位置的测量值(在与以合适的方式存储在控制单元36中的标准数据或者说校准数据比较的情况下)确定当前的阀状态，并且然后这样地调节用于预调阀2的控制压，使得第一阀元件8(根据期望的阀状态)保持其轴向位置或者改变其轴向位置以改变阀状态。
图2示出在工作连接端5上的增强阀3的流量特性与增强阀3的行程的关联(即与第一阀元件的可借助位置传感器确定的轴向位置的关联)。所示的是在压力供应装置处的压力p1＝8bar的情况下用于不同的、在工作连接端处的压力p2的示例性曲线。在此先后经过三个阀位置，其中依序对工作连接端排气(＝负流量)、保持压力(＝无流量)、以及对工作连接端通气(＝正流量)。在单个区域之间的过渡几乎与在工作连接端处的压力无关。(最小的)与压力的关联最多通过由聚合物的材料构成的阀座的与压力相关的压缩形成，使得在此对区域过渡仅存在不明显的影响。与通常在比例阀中使用的具有滑块构造的功率级相反的是，在此使用的阀形状在构成两个密封座的情况下能实现阀的明显改善的密封性，使得在保持区域中工作连接端处的压力也能被长时间保持。
图3示出在两个不同工作压力p2＝1bar和p1＝7bar情况下，按照本发明的比例阀的增强阀的行程特性曲线与存在于预调阀处的控制压的关联(分别以归一化的单位)，其中，p1＝8bar表示通过压力供应装置6提供的压力。在此，一方面示出在控制信号中清楚的迟滞，另一方面示出与工作压力的强烈的关联。
压力关联性由具体的阀形状引起，压力关联性导致与阀的操纵方向相逆的随工作压力升高的力。因而在工作压力较高的情况下，相应的比在工作压力较低情况下更高的控制压力是必要的，以便操纵增强阀。特性曲线的迟滞由预调阀的压电的和流体技术上的迟滞引起。
图4示出增强阀的流量与控制压的关联的总曲线，还是在压力供应装置处的压力p1＝8bar的情况下用于在工作连接端上的两个不同压力p2＝1bar和p1＝7bar。控制压的迟滞导致单个的阀位置不再能归因于调节信号中明确的控制区域。压力关联性还明显使其更困难。
因而，图3和图4的特性曲线表明，按照本发明的比例阀的取决于压力的调节会是特别有问题的。相反的是，图2的特性曲线示出，在利用位置传感器的表征阀行程的测量信号的情况下能实现特别简单的阀调节。

Claims (11)

1.一种比例阀(1)，其具有通过控制信号能控制的预调阀(2)和借助所述预调阀(2)能操纵的增强阀(3)，其中，所述比例阀(1)具有用于连接压缩空气供应装置的压缩空气连接端(6)、工作连接端(5)和排气连接端(4)，其中，增强阀(3)具有三个相互串联的并且分别沿轴向克服弹簧力运动的阀元件，即
-通过预调阀(2)操纵的第一阀元件(8)，
-通过所述第一阀元件(8)操纵的第二阀元件(9)，和
-通过所述第二阀元件(9)操纵的第三阀元件(10)，
其中，在所述比例阀(1)的基础位置中，第一阀元件(8)、第二阀元件(9)和第三阀元件(10)两两彼此间隔，并且在增强阀(3)内部在第一阀元件(8)与第二阀元件(9)之间起作用的第一密封座(26)和在第三阀元件(10)与壳体(16)之间起作用的第二密封座(27)设计和布置成在控制预调阀(2)的控制信号变化时和以此级联式导致的第一阀元件(8)、第二阀元件(9)和第三阀元件(10)的轴向位置的调节时，能够为工作连接端(5)的排气和通气并且为保持存在于工作连接端(5)上的压力而设置不同的接通状态，
其中，还配设有检测第一阀元件(8)的轴向位置的位置传感器(31)，并且比例阀(1)的控制单元(36)被设置成分析位置传感器(31)的测量信号，以便计算为实现增强阀(3)的期望的接通状态所需的用于预调阀(2)的控制信号。
2.按照权利要求1所述的比例阀，
其特征在于，
所述位置传感器(31)被设置用于无接触地测量第一阀元件的轴向位置。
3.按照权利要求2所述的比例阀，
其特征在于，
所述位置传感器(31)基于光学的、电容的或者磁的测量原理。
4.按照权利要求3所述的比例阀，
其特征在于，
所述位置传感器(31)是磁场角度传感器。
5.按照权利要求4所述的比例阀，
其特征在于，
所述位置传感器(31)是AMR传感器、TMR传感器或者GMR传感器。
6.按照上述权利要求之一所述的比例阀，
其特征在于，
所述比例阀(1)的控制单元(36)被设置为，在仅利用位置传感器(31)的测量信号的情况下计算为实现增强阀(3)的期望的接通状态所需的用于预调阀(2)的控制信号。
7.按照权利要求1至5之一所述的比例阀，
其特征在于，
所述第一阀元件(8)通过带有沿轴向延伸的和具有轴向孔(13)的膜片杆(12)的膜片(11)构成，第二阀元件(9)通过弹簧式地向指向膜片(11)的方向预紧的阀挺杆(18)构成，所述阀挺杆(18)在面向膜片杆(12)的端侧上具有第一密封座，第一密封座作用于能贴靠在第一密封座上的膜片杆(12)的自由端部，并且第三阀元件(10)通过底座元件(19)构成，所述底座元件向指向阀挺杆(18)的方向弹簧式相对第二密封座预紧，并且通过贴靠在所述底座元件(19)上的所述阀挺杆(18)的轴向移动能从第二密封座上抬起。
8.按照权利要求7所述的比例阀，
其特征在于，
所述位置传感器(31)与集成在膜片(11)中的磁元件(30)共同作用。
9.按照权利要求1至5之一所述的比例阀，
其特征在于，
构成第一密封座和/或第二密封座的和/或以此共同作用的表面(25、28)为了精密调节流体流而由聚合物材料构成。
10.按照权利要求1至5之一所述的比例阀，
其特征在于，
所述预调阀是3/2通路阀。
11.按照权利要求1至5之一所述的比例阀，
其特征在于，
所述增强阀为3/3通路阀。
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