CN108732650B - 电控量筒式数字智能雨量器 - Google Patents

Abstract

电控量筒式数字智能雨量器属于雨量检测装置技术领域，尤其涉及一种电控量筒式数字智能雨量器。本发明提供一种可承受雨强范围大、故障可自动报警的电子雨量器：电控量筒式数字智能雨量器。本发明包括盛雨漏斗，其结构要点盛雨漏斗下端设置有缓冲盛水箱，缓冲盛水箱下端通过量筒上电磁阀与主测量管管体上端进口相连，主测量管管体下端出口设置有量筒下电磁阀；主测量管管体上的雨量测量电极、辅助电极、主测量管故障检测电极与电控量筒驱动板相连，电控量筒驱动板的控制信号输出端口分别与量筒上电磁阀的控制信号输入端口、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连，电控量筒驱动板与单片机单元相连。

Description

电控量筒式数字智能雨量器

技术领域

本发明属于雨量检测装置技术领域，尤其涉及一种电控量筒式数字智能雨量器。

背景技术

我国现在小型自动气象站大多使用的是翻斗式雨量器，而翻斗式雨量器因其测量结构设计上固有的缺陷，测量准确性受雨强影响较大。这不仅会使气象局的测量数据产生误差，而且在一些山洪预警系统所使用的就是翻斗式雨量器。

根据研究得知，翻斗式雨量器在以1mm/min雨强为调试点调试准确，再在2.5mm/min和4mm/min的雨强情况下得到的测量结果误差很大，而以4mm/min雨强为调试点调试准确的仪器，再在另外两个雨强情况下得到的测量结果虽然也有一定误差，但差距不是很大，符合国标：“当降雨强度在0.01mm/min～4.00mm/min范围内变化时，最大计量误差应≤±4%”的要求。但是当下大雨的时候它的误差就增大了，而且雨越大误差也越大，遇到暴雨，它的误差不再是技术要求的指标：≤±4%，而是有可能高达20%、50%。因此，工作人员为了弥补翻斗式雨量器的缺陷，常常要进行人工测量加以对比。

因为降雨量作为重要的水文观测项目，有效的雨量观测可带给人们诸多方便。但传统的人工雨量观测受到距离限制，测量不够及时，操作麻烦，耗费人力，为了测量夜间降雨甚至不能休息，频繁出入室内外，无法实现自动化。而且随着科技的进步，互联网的连接，已经使降雨量的测量和气象数据的采集进入了自动化阶段，人工测量虽准确，但在2000年前后,中国气象局开始在台站逐步布设地面自动气象观测系统。至今,我国气象部门约有600多个基准、基本站,1200个一般站已使用自动气象站进行地面气象观测。这些联网气象站都需要使用自动雨量器。但一些乡级站，甚至一些市级站由于条件限制没有安装准确度很高的自动雨量器，仍然安装的是翻斗式雨量器，甚至在一些乡镇，由于资金、技术限制，安装的山洪预警系统中配备的仍然是翻斗式雨量器，万一遇上大暴雨，就会漏测降雨数据。到了真正需要人员、物质撤离的时候，人们还被蒙在鼓里，就有可能造成生命财产损失的严重后果。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种可承受雨强范围大、故障可自动报警的电子雨量器：电控量筒式数字智能雨量器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括盛雨漏斗，其结构要点盛雨漏斗下端设置有缓冲盛水箱，缓冲盛水箱下端通过量筒上电磁阀与主测量管管体上端进口相连，主测量管管体下端出口设置有量筒下电磁阀；

主测量管管体上的雨量测量电极、辅助电极、主测量管故障检测电极与电控量筒驱动板相连，电控量筒驱动板的控制信号输出端口分别与量筒上电磁阀的控制信号输入端口、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连，电控量筒驱动板与单片机单元相连。

作为一种优选方案，本发明所述电控量筒驱动板的控制信号输出端口与加速泵控制信号输入端口相连，加速泵与量筒下电磁阀相连。

作为另一种优选方案，本发明所述单片机单元的检测信号输入端口与缓冲盛水箱上的测量结构故障检测电极相连。

作为另一种优选方案，本发明所述单片机单元的检测信号输入端口与盛雨漏斗上的漏斗阻塞检测电极相连。

作为另一种优选方案，本发明所述缓冲盛水箱下端通过连接软管与量筒上电磁阀相连。

作为另一种优选方案，本发明所述盛雨漏斗上端直径为200mm。

作为另一种优选方案，本发明所述雨量测量电极和辅助电极为多个横向电极，沿主测量管管体竖向均布。

作为另一种优选方案，本发明相邻所述雨量测量电极的间距为10mm；一个辅助电极对应按顺序排布的五个雨量测量电极组成一个测量组，每个测量组的辅助电极位于该组最下端雨量测量电极下方；辅助电极与雨量测量电极呈90°角。

作为另一种优选方案，本发明所述单片机单元采用STC90C516RD+芯片U1，U1的1～8脚分别与NPN三极管Q1、Q9、Q17、Q25、Q2、Q10、Q18、Q3的集电极对应相连，U1的28、27脚分别与NPN三极管Q11、Q19的集电极对应相连，U1的10～16脚分别与NPN三极管Q4、Q12、Q20、Q5、Q13、Q21、Q6的集电极对应相连，U1的26、25、24脚分别与NPN三极管Q14、Q22、Q7的集电极对应相连，U1的21脚与NPN三极管Q15的集电极对应相连，U1的35、34、33、32脚分别与NPN三极管Q23、Q8、Q16、Q24的集电极对应相连；NPN三极管Q1～Q25的基极分别与25个雨量测量电极对应相连，NPN三极管Q1～Q25的发射极接地；

U1的39、38脚分别与PNP三极管Q27、Q28的基极相连，PNP三极管Q27、Q28的发射极接+5V电源，PNP三极管Q27、Q28的集电极分别通过继电器与量筒上电磁阀、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连；

U1的36、23、22脚分别与NPN三极管Q29、Q30、Q31的集电极相连，NPN三极管Q29、Q30、Q31的发射极接地，NPN三极管Q29、Q30、Q31的基极分别与主测量管故障检测电极、测量结构故障检测电极、漏斗阻塞检测电极相连；

U1的17脚与PNP三极管Q26的基极相连，PNP三极管Q26的发射极与+5V电源相连，PNP三极管Q26的集电极蜂鸣器的正极相连，蜂鸣器的负极接地；

辅助电极与+5V电源相连。

作为另一种优选方案，本发明所述缓冲盛水箱、主测量管管体、电控量筒驱动板和单片机单元设置在雨量器外壳内，盛雨漏斗设置在雨量器外壳上端，盛雨漏斗下端和雨量器外壳内壁设置有加热片和温度传感器，加热板的加热控制器的控制信号输入端口与单片机单元的控制信号输出端口相连，温度传感器的检测信号输出端口与单片机单元的检测信号输入端口相连。

其次，本发明所述盛雨漏斗的出口处设置有筛网。

另外，本发明所述主测量管故障检测电极设置在最上端雨量测量电极上方5mm处，测量结构故障检测电极设置在缓冲盛水箱上端，漏斗阻塞检测电极设置在漏斗高度的三分之一处。

本发明有益效果。

本发明没有浮子，减小了出现故障的概率。雨强对设备影响极小，通过电磁阀实现自动加水测量，自动停止加水，自动放水；整个过程由单片机单元控制，循环测量，并且可以自动检测故障。

本发明成本低、信息可自动采集、可承受雨强范围大、故障可自动报警。

本发明设置缓冲盛水箱，可避免在主测量管放水过程中，雨水依然会流入主测量管中，此时主测量管正在放水，不能继续测量降雨数据，导致漏测现象，造成结果偏小的情况。

安装了缓冲盛水箱以后，在主测量管准备放水时，缓冲盛水箱下方电磁阀关闭，之后主测量管开始放水，此时降水暂时储存在缓冲盛水箱中，待主测量管放空里面水的时候，准备下一次开始测量，缓冲盛水箱下方电磁阀就会打开，把刚才主测量管放水过程中的降水导入到主测量管中，同时外界降水也会实时流入到主测量管中，这就保证了不会漏测降雨数据。

缓冲盛水箱的安装还有助于测量短时间高强度降水的测量。当遇到短时间高强度降水时，雨强非常大，可能超出主测量管能承受的最大雨强，这可能导致漏测数据甚至损毁量筒。通过安装缓冲盛水箱，就可以把高强度的降水储存在缓冲盛水箱中，通过限流软管，转换为主测量管能承受的雨强，这就起到了缓冲作用，并且不会漏测数据。

本发明设置盛雨漏斗，可减小降雨量测量误差，并能更好的防止树叶等杂物影响降雨的测量。

本发明采用单片机单元，能更好的应对复杂的故障，并及时报警，且单片机单元的故障率极低，整个雨量器设备生命周期内单片机单元无需维护，故障可自动复位，可用于野外无人看管自动的测量。并经过单片机单元把降雨量信息发送到上位机。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明主测量管管体结构示意图。

图3是本发明电路原理图。

图4、5是图3的局部放大图。

图1、2中，1为盛雨漏斗、2为缓冲盛水箱、3为量筒上电磁阀、4为主测量管管体、5为量筒下电磁阀、6为加速泵、7为电控量筒驱动板、8为单片机单元、9为PH传感器、10为漏斗阻塞检测电极、11为测量结构故障检测电极、12为GND总回路、13为电极信号线、14为信号线、15为数据输出线、16为连接软管、17为辅助电极、18为雨量测量电极、19为主测量管故障检测电极、20为与上电磁阀的连接口、21为与下电磁阀的连接口、22为主测量管管体。

具体实施方式

如图所示，本发明包括盛雨漏斗，盛雨漏斗下端设置有缓冲盛水箱，缓冲盛水箱下端通过量筒上电磁阀与主测量管管体上端进口相连，主测量管管体下端出口设置有量筒下电磁阀；

主测量管管体上的雨量测量电极、辅助电极、主测量管故障检测电极与电控量筒驱动板相连，电控量筒驱动板的控制信号输出端口分别与量筒上电磁阀的控制信号输入端口、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连，电控量筒驱动板与单片机单元相连。

所述电控量筒驱动板的控制信号输出端口与加速泵控制信号输入端口相连，加速泵与量筒下电磁阀相连。

所述单片机单元的检测信号输入端口与缓冲盛水箱上的测量结构故障检测电极相连。

所述单片机单元的检测信号输入端口与盛雨漏斗上的漏斗阻塞检测电极相连。

所述缓冲盛水箱下端通过连接软管与量筒上电磁阀相连。缓冲盛水箱下端可安装快丝与软管插接，软管另一端管口与量筒上电磁阀插接，量筒上电磁阀与主测量管管体硬接，主测量管管体下端与量筒下电磁阀硬接，量筒下电磁阀与另一根软管插接，这根软管的另一端与加速泵相连；加速泵的出水口与通过软管插接；最后PH测量筒的出水口导出降水。采用连接软管连接，节约空间，便于安装。

所述盛雨漏斗上端直径为200mm，主测量管管体的直径为20mm。

所述雨量测量电极和辅助电极为多个横向电极，沿主测量管管体竖向均布。

相邻所述雨量测量电极的间距为10mm；一个辅助电极对应按顺序排布的五个雨量测量电极组成一个测量组，每个测量组的辅助电极位于该组最下端雨量测量电极下方；辅助电极与雨量测量电极呈90°角。

当水进入主测量管管体，接通一组辅助电极和测量电极，电子就会由辅助电极通过外部电路流向测量电极，使被保护的测量电极电位高于周围环境，依据化学原理，这样就使得测量电极不容易被氧化，使测量电极得到了保护。测量电极就不容易被腐蚀，使测量电极得到了保护。阳极表面还可以涂刷阳极屏蔽层。另一方面，辅助电极表面可采取镀金属处理，使辅助电极的腐蚀率也大大降低，因为辅助电极数量相对少，所以节约了成本，提高了仪器长时间工作的稳定性，而且也方便后期的维护。

一个辅助电极对应五个雨量测量电极，而不是只设置一个辅助电极；可避免由于雨水的导电性较差，电阻较高，上方测量电极检测不到到信号的情况。另外，采用上述结构，其中一个辅助电极损坏，其他电极也可以继续工作。

相邻所述雨量测量电极的间距为10mm；经过体积换算后，分辨率可达0.1mm，达到国家雨量器行业的较先进水平，同时可避免电极距离太近，出现误报的情况。另外，配合加速泵，可承受的最大雨强达7mm/min以上。

所述单片机单元采用STC90C516RD+芯片U1，U1的1～8脚分别与NPN三极管Q1、Q9、Q17、Q25、Q2、Q10、Q18、Q3的集电极对应相连，U1的28、27脚分别与NPN三极管Q11、Q19的集电极对应相连，U1的10～16脚分别与NPN三极管Q4、Q12、Q20、Q5、Q13、Q21、Q6的集电极对应相连，U1的26、25、24脚分别与NPN三极管Q14、Q22、Q7的集电极对应相连，U1的21脚与NPN三极管Q15的集电极对应相连，U1的35、34、33、32脚分别与NPN三极管Q23、Q8、Q16、Q24的集电极对应相连；NPN三极管Q1～Q25的基极分别与25个雨量测量电极对应相连，NPN三极管Q1～Q25的发射极接地；

U1的39、38脚分别与PNP三极管Q27、Q28的基极相连，PNP三极管Q27、Q28的发射极接+5V电源，PNP三极管Q27、Q28的集电极分别通过继电器与量筒上电磁阀、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连；

U1的36、23、22脚分别与NPN三极管Q29、Q30、Q31的集电极相连，NPN三极管Q29、Q30、Q31的发射极接地，NPN三极管Q29、Q30、Q31的基极分别与主测量管故障检测电极、测量结构故障检测电极、漏斗阻塞检测电极相连；

U1的17脚与PNP三极管Q26的基极相连，PNP三极管Q26的发射极与+5V电源相连，PNP三极管Q26的集电极蜂鸣器的正极相连，蜂鸣器的负极接地；

辅助电极与+5V电源相连。

当器件Q1的01口为高电平时，三极管的发射极和集电极就会导通，电流通过保护电阻R35，又因为三极管的发射极与GND相连，所以此时单片机P1.0口为低电平。

通过单片机内部程序控制，当检测到P0.1口为低电平时，向外输出降雨0.1mm的信号。

蜂鸣器根据检测故障的不同，会发出不同的警报音，单片机会输出不同的RS485信号。

漏斗中安装有漏斗阻塞检测电极（与xx2口相连），如果在下雨时，检测到上端漏斗堵塞，设备就会发出蜂鸣报警，并且向上位机发出报警信号，让工作人员及时来维修。

所述缓冲盛水箱、主测量管管体、电控量筒驱动板和单片机单元设置在雨量器外壳内，盛雨漏斗设置在雨量器外壳上端，盛雨漏斗下端和雨量器外壳内壁设置有加热片和温度传感器，加热板的加热控制器的控制信号输入端口与单片机单元的控制信号输出端口相连，温度传感器的检测信号输出端口与单片机单元的检测信号输入端口相连。

有加热功能，不必储藏降雪等待融化测量，在不至于溅出降水的基础上把上端盛雨口深度变浅，当树叶落到其中时，被风可以轻易吹走。可设置使雪在熔点刚好融化，使蒸发量大大降低，保证了测量的准确性。

所述盛雨漏斗的出口处设置有筛网。漏斗中安装有筛网结构，增大了过水面积，即使杂物落入漏斗中，也不会堵在狭小的漏斗下水口处。

所述主测量管故障检测电极设置在最上端雨量测量电极上方5mm处，测量结构故障检测电极设置在缓冲盛水箱上端，漏斗阻塞检测电极设置在漏斗高度的三分之一处。

雨量器外壳内可设置部件安装支架，支架可采用PVC抗腐蚀环保材料，质量轻、耐腐蚀、寿命长、成本低。

由于长时间测量，主测量管内沉积了大量污垢，这必然会影响测量结果的准确性，甚至堵塞出水口。可通过程序控制的清洗程序在测量管工作过一段时间或次数后进行清洗。当一次降水来临时，主测量管工作了一定时间或达到预设循环次数达到后启动清洗程序。

下电磁阀打开，上电磁阀关闭，同时加速泵反向向测量管内泵入空气，一定时间后，再快速抽出管内降水。

达到清洗目地。

下面结合附图说明本发明的工作过程。

MCU检测到最上方测量电极浸入水中时，发送指令给电控量筒驱动板，关闭上电磁阀，打开下电磁阀放水，同时启动加速泵。

放水结束，继续测量，当MCU检测到放水完成时，发送指令关闭下电磁阀，同时对装置进行故障检测（通过三个检测电极检测），故障检测通过后，打开上电磁阀，向主测量管内注入主测量管放水过程中暂时保存在缓冲盛水箱中的雨水进行测量。如此，可保证主测量管在放水过程中，不会漏测数据。

可以人工设定，或由上位机控制，停止降雨2小时后，MCU控制驱动板，放出主测量管内的所有雨水。

上述的故障检测包括以下步骤：

检测类型1：上端漏斗被杂物堵塞。上端盛水漏斗被杂物堵塞，雨水被堵在漏斗中，漏斗阻塞检测电极浸入水中，单片机检测到信号，进行报警。

检测类型2：缓冲盛水箱满，而测量电极没有信号输出的错误。由于上端软管损坏、堵塞，上电磁阀未打开、损坏、降雨超过强度等会导致缓冲盛水箱过满，此时测量结构故障检测电极会浸入水中，单片机检测到信号，进行报警。

检测类型3：位于相对下方第一根电极传来信号后，其上方的电极没有信号，而与其间隔一个或多个电极后的某个电极传来信号的异常逻辑错误。故障范围：测量电极损坏，检测电路故障。

检测类型4：放水时未按规定时间放空主测量管里的水的错误。故障范围：下端电磁阀损坏或下端软管堵塞或后端设备有故障。

检测类型5：在上电磁阀关闭后，主测量管内水位升高的错误。故障范围：上电磁阀漏水或电路损坏。

测量时，当雨水注满主测量管后，应立即关闭上电磁阀，在最后一个电极处停止注水，如果不能及时停止，水就会接触主测量管故障检测电极，此时单片机就会检测到信号，并进行报警。

在下电磁阀关闭后，量筒内液面快速降低的错误。故障范围：下电磁阀漏水或电路损坏。

单片机检测到故障后通过RS485等信号进行报警。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.电控量筒式数字智能雨量器，包括盛雨漏斗，其特征在于盛雨漏斗下端设置有缓冲盛水箱，缓冲盛水箱下端通过量筒上电磁阀与主测量管管体上端进口相连，主测量管管体下端出口设置有量筒下电磁阀；

主测量管管体上的雨量测量电极、辅助电极、主测量管故障检测电极与电控量筒驱动板相连，电控量筒驱动板的控制信号输出端口分别与量筒上电磁阀的控制信号输入端口、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连，电控量筒驱动板与单片机单元相连；

所述电控量筒驱动板的控制信号输出端口与加速泵控制信号输入端口相连，加速泵与量筒下电磁阀相连；

所述单片机单元的检测信号输入端口与缓冲盛水箱上的测量结构故障检测电极相连；

所述单片机单元的检测信号输入端口与盛雨漏斗上的漏斗阻塞检测电极相连；

所述雨量测量电极和辅助电极为多个横向电极，沿主测量管管体竖向均布；

一个辅助电极对应按顺序排布的五个雨量测量电极组成一个测量组，每个测量组的辅助电极位于该组最下端雨量测量电极下方；

所述单片机单元采用STC90C516RD+芯片U1，U1的1～8脚分别与NPN三极管Q1、Q9、Q17、Q25、Q2、Q10、Q18、Q3的集电极对应相连，U1的28、27脚分别与NPN三极管Q11、Q19的集电极对应相连，U1的10～16脚分别与NPN三极管Q4、Q12、Q20、Q5、Q13、Q21、Q6的集电极对应相连，U1的26、25、24脚分别与NPN三极管Q14、Q22、Q7的集电极对应相连，U1的21脚与NPN三极管Q15的集电极对应相连，U1的35、34、33、32脚分别与NPN三极管Q23、Q8、Q16、Q24的集电极对应相连；NPN三极管Q1～Q25的基极分别与25个雨量测量电极对应相连，NPN三极管Q1～Q25的发射极接地；

U1的39、38脚分别与PNP三极管Q27、Q28的基极相连，PNP三极管Q27、Q28的发射极接+5V电源，PNP三极管Q27、Q28的集电极分别通过继电器与量筒上电磁阀、量筒下电磁阀的控制信号输入端口相连；

U1的36、23、22脚分别与NPN三极管Q29、Q30、Q31的集电极相连，NPN三极管Q29、Q30、Q31的发射极接地，NPN三极管Q29、Q30、Q31的基极分别与主测量管故障检测电极、测量结构故障检测电极、漏斗阻塞检测电极相连；

U1的17脚与PNP三极管Q26的基极相连，PNP三极管Q26的发射极与+5V电源相连，PNP三极管Q26的集电极蜂鸣器的正极相连，蜂鸣器的负极接地；

辅助电极与+5V电源相连；

所述主测量管故障检测电极设置在最上端雨量测量电极上方5mm处，测量结构故障检测电极设置在缓冲盛水箱上端，漏斗阻塞检测电极设置在漏斗高度的三分之一处；

在主测量管准备放水时，缓冲盛水箱下方电磁阀关闭，之后主测量管开始放水，此时降水暂时储存在缓冲盛水箱中，待主测量管放空里面水的时候，准备下一次开始测量，缓冲盛水箱下方电磁阀就会打开，把刚才主测量管放水过程中的降水导入到主测量管中，同时外界降水也会实时流入到主测量管中；

通过缓冲盛水箱把高强度的降水储存在缓冲盛水箱中，通过连接软管，转换为主测量管能承受的雨强；

MCU检测到最上方测量电极浸入水中时，发送指令给电控量筒驱动板，关闭上电磁阀，打开下电磁阀放水，同时启动加速泵；

放水结束，继续测量，当MCU检测到放水完成时，发送指令关闭下电磁阀，同时对装置进行故障检测，故障检测通过后，打开上电磁阀，向主测量管内注入主测量管放水过程中暂时保存在缓冲盛水箱中的雨水进行测量；

缓冲盛水箱下端通过连接软管与量筒上电磁阀相连；缓冲盛水箱下端可安装快丝与软管插接，软管另一端管口与量筒上电磁阀插接，量筒上电磁阀与主测量管管体硬接，主测量管管体下端与量筒下电磁阀硬接，量筒下电磁阀与另一根软管插接，这根软管的另一端与加速泵相连；加速泵的出水口与通过软管插接；最后PH测量筒的出水口导出降水；

相邻所述雨量测量电极的间距为10mm；一个辅助电极对应按顺序排布的五个雨量测量电极组成一个测量组，每个测量组的辅助电极位于该组最下端雨量测量电极下方；辅助电极与雨量测量电极呈90°角；当水进入主测量管管体，接通一组辅助电极和测量电极，电子由辅助电极通过外部电路流向测量电极，使被保护的测量电极电位高于周围环境，阳极表面涂刷阳极屏蔽层，辅助电极表面采取镀金属处理；

缓冲盛水箱、主测量管管体、电控量筒驱动板和单片机单元设置在雨量器外壳内，盛雨漏斗设置在雨量器外壳上端，盛雨漏斗下端和雨量器外壳内壁设置有加热片和温度传感器，加热板的加热控制器的控制信号输入端口与单片机单元的控制信号输出端口相连，温度传感器的检测信号输出端口与单片机单元的检测信号输入端口相连；

在测量管工作过一段时间或次数后进行清洗，当一次降水来临时，主测量管工作了一定时间或达到预设循环次数达到后启动清洗程序；下电磁阀打开，上电磁阀关闭，同时加速泵反向向测量管内泵入空气，一定时间后，再快速抽出管内降水，达到清洗目地。

2.根据权利要求1所述电控量筒式数字智能雨量器，其特征在于所述测量管管体上端为与上电磁阀的连接口，下端为与下电磁阀的连接口。

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