CN110907062B - 提高分布式测温系统采样率的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供的提高分布式测温系统采样率的方法及系统中，本申请在修正测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差及标定损耗系数后，通过对接的1号光开关和2号光开关实现多路延时采集数据的方式，根据奈奎斯特定理，只有当采样频率大于2倍的信号最高频率才能完整的保留原始信号中的信息，若光电探测器的带宽是100MHz，至少需要200MM/s采样率的数据采集卡，而本申请采用多路延时的方法，可以达到(N‑1)*100MM/s的采样率，因此可以实现至少200MM/s的采样率，从而满足奈奎斯特采样定理，能更好的还原信号；因此本发明通过多路延时采集的方式，提高了分布式测温系统采样率，从而提高了系统的空间分辨率。

Description

提高分布式测温系统采样率的方法及系统

技术领域

本申请涉及油田测量技术领域，尤其涉及一种提高分布式测温系统采样率的方法及系统。

背景技术

在油田生产过程中，开采出的原油在计量站经计量后先对其进行加热沉降处理，之后经过分离脱水，在含水率达标的情况下被送入至成品油储罐内。由于开采出的原油中包含油、水和泥沙等多种成分，这些成分在沉降沉降罐中逐渐自然分离，形成由上至下油层、乳化层、水层和泥沙层。通过对油水分离界面进行测量，可以掌握原油在储罐内的沉降的情况。

现有储罐油水界面测量目前多是利用原油和水的密度差进行测定，常用的有电容式、电极式、浮球式、超声波探测及油份检测等技术。这些方法在实际应用时都存在一些缺陷：在某些有防爆要求的场合，不能使用需要通电的电容式、电极式检测方法；超声波探测及油分检测方法易受环境温度变化的影响，检测结果偏差较大；浮球式检测方法由于浮球体积较大，既难以对油水界面进行精确定位，也无法实时在线测量。

分布式测温技术利用原油和水的温度差测定分离界面，由于油和水的比热不同，在罐内的温度也不相同，通常水温会比油温高1-2℃，在油水之间乳化层，温度逐渐升高，利用分布式测温技术，测量罐内竖直方向上的温度分布，就可以推算出油层，乳化层和水层的位置分布。测量油水界面高度需要分布式测温系统具有较高的定位精度，系统中，与定位精度相关的变量包括激光器的脉冲宽度，光电探测器(Avalanche Photo Diode，APD)的带宽和系统的采样速率，激光器脉冲宽度越窄，APD的带宽越大，系统采样速率越高，系统的定位精度越高。但是，激光器脉冲变窄和APD带宽增大，都会降低系统的信噪比，因此不能无限制的缩窄脉冲宽度和增加APD的带宽，提高系统的采样速率不会带来信噪比降低的问题，但是高速率的采集卡成本高，研发难度大，因此亟需一种方案来提高分布式测温系统的定位精度进而提高沉降罐油水界面测量精度。

发明内容

本申请提供了一种提高分布式测温系统采样率的方法及系统，以解决在不改变激光器脉冲宽度、APD的带宽系统采样速率的前提下提高分布式测温系统的定位精度的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请提供了一种提高分布式测温系统采样率的方法，包括：

将测温光纤的首端和尾端分别连接至光开关的第N通道上，根据从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度，及从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差；

设定初始损失值Loss、初始损失补偿步长Step以及平均温度最大偏移量绝对值MaxShift，解调得到标定光纤各点温度分布数据，获取标定光纤的起始位置Ps和终止位置Pe之间的平均温度T，根据平均温度T计算温度偏移量Shift，当|Shift|<MaxShift结束损耗系数的标定；

将参考光纤的一端与1号光开关连接，标定光纤的一端与2号光开关连接，标定光纤的另一端与测温光纤相连，其中所述1号光开关和所述2号光开关均包含一个输入口和N个输出口，将两个光开关的第1至N-1个输出口配对熔接形成第1至N-1个通道，N≥3；

根据

计算1号光开关和2号光开关的第1至N-1个输出口之间连接的光纤长度差，其中c₀为真空中光速，Fs为采样频率，R为光纤折射率；

将所述1号光开关和2号光开关同时切换至第m个通道后计算温度，并将第m个通道的数据存储在存储区的第i*m+m-1的位置处，其中m＝1，2……N-1，i＝0，1，……n-1，n为待测的温度点数；

根据

计算第i*(N-1)+j个温度点的空间位置，其中，式中，i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1，D为螺纹管直径，s为螺距。

可选的，所述根据从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度，及从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差，包括：

根据

获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差，其中

LN_f(x)为光从测温光纤头部射入时，位置x处的信号比值：

N_af(T_x)，N_sf(T_x)为从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度；

LN_b(x)为光从测温光纤尾部射入时，位置x处的信号比值：

N_ab(T_x)，N_sb(T_x)为从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度。

可选的，未修正衰减系数差时，在测温光纤距离起点位置x处的温度为：

其中，h为普朗克常数；Δv为拉曼声子数；k为玻尔兹曼常数，C_hkv＝k/hΔv，T₀为参考光纤温度，N_a(T₀)，N_a(T_x)，N_s(T₀)，N_s(T_x)分别为反斯托克斯光在参考光纤和测温点x处的强度以及斯托克斯光在参考光纤和测温点处的强度；

修正衰减系数差之后，距离起点距离x处的温度T_x变为：

可选的，所述解调得到标定光纤各点温度分布数据，包括：

解调得到标定光纤各点温度分布数据为

可选的，所述根据平均温度T计算温度偏移量Shift，包括：

根据Shift＝T-T₀计算温度偏移量Shift，其中T₀为参考光纤温度。

可选的，所述根据平均温度T计算温度偏移量Shift后，还包括：

当last_Shift*Shift<0时，将初始损失补偿步长Step作缩小一倍处理；

当若Shift>0时，根据Loss＝Loss–Step计算Loss值，否则根据Loss＝Loss+Step计算Loss值；

获取标定光纤的起始位置Ps和终止位置Pe之间的平均温度T，根据平均温度T计算温度偏移量Shift，当|Shift|<MaxShift结束损耗系数的标定。

可选的，根据P_i*(N-1)+j＝(i*(N-1)+j)*d计算第i*(N-1)+j个温度点的空间位置，其中，式中，i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1。

第二方面，基于上述的一种提高分布式测温系统采样率的方法，本申请还提供了一种提高分布式测温系统采样率的系统，所述系统包括：

脉冲激光器、耦合器、光电探测器、数字采集卡、参考光纤、1号光开关、与所述1号光开关相对设置的2号光开关、标定光纤即测温光纤，其中：

所述脉冲激光器的一端与所述耦合器的一端连接；所述耦合器的另一端与所述光电探测器的一端连接；

所述光电探测器的另一端与所述数字采集卡连接；

所述耦合器的另一端与所述参考光纤的一端连接；所述参考光纤的另一端与所述1号光开关的输入端连接；

所述2号光开关的输入端与所述标定光纤的一端连接，所述标定光纤的另一端与所述测温光纤的一端连接，所述测温光纤的另一端与所述1号光开关的第N个输出端连接。

可选的，所述标定光纤和所述参考光纤的位置相同且温度相同。

可选的，所述1号光开关和2号光开关的第1至N-1个输出口配对熔接形成第1至N-1个通道。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

由上述技术方案可见，本申请提供的提高分布式测温系统采样率的方法及系统中，本申请在修正测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差及标定损耗系数后，通过对接的1号光开关和2号光开关实现多路延时采集数据的方式，根据奈奎斯特定理，只有当采样频率大于2倍的信号最高频率才能完整的保留原始信号中的信息，若光电探测器的带宽是100MHz，先要完整的还原探测器滤波后的信号，至少需要200MM/s采样率的数据采集卡，而本申请采用多路延时的方法，可以达到(N-1)*100MM/s的采样率，本申请中的N≥3，因此可以实现至少200MM/s的采样率，从而满足奈奎斯特采样定理，能更好的还原信号；因此本发明通过多路延时采集的方式，提高了分布式测温系统采样率，从而提高了系统的空间分辨率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种提高分布式测温系统采样率的方法的流程示意图；

图2为本申请提供的一种提高分布式测温系统采样率的系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见附图1，图1示出了本申请实施例提供的一种提高分布式测温系统采样率的方法的流程示意图。下面结合附图1对本申请实施例提供的提高分布式测温系统采样率的方法进行说明。

如图1所示，第一方面，本申请提供了一种提高分布式测温系统采样率的方法，包括：

S110：将测温光纤的首端和尾端分别连接至光开关的第N通道上，根据从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度，及从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差。

每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差都相不同，不同的衰减系数差会使系统使用不同光纤时测得的温度各不相同，因此需要在在测温前求得反斯托克斯光和斯托克斯光光衰减系数差，并在计算温度时补偿。计算该系数差，通需要整条测温光纤保持相同温度，避免温度不同带来的散射强度不同干扰计算结果，但是这样的条件，工程应用中几乎不可能提供，为解决该问题，可以使用双端标定的方法，即将测温光纤的首尾两端各自接到光开关的一路，在标定时，通过切换光开关通道，先将激光器的脉冲光打入光纤首端，记录每点的斯托克斯和反斯托克斯光强度，再将激光器脉冲光打入光纤尾端，同样记录每点的斯托克斯和反斯托克斯光强度，利用光纤任意一点的温度前后两次记录时相同的条件，可以得到一个衰减系数差补偿公式，据此公式可以算出光纤中反斯托克斯光和斯托克斯光拉曼散射的衰减系数差。

未修正衰减系数差时，在测温光纤距离起点位置x处的温度为：

式中h为普朗克常数；Δv为拉曼声子数；k为玻尔兹曼常数，为方便起见，以后令C_hkv＝k/hΔv，T₀为参考光纤温度，N_a(T₀)，N_a(T_x)，N_s(T₀)，N_s(T_x)分别为反斯托克斯光在参考光纤和测温点x处的强度以及斯托克斯光在参考光纤和测温点处的强度

反斯托克斯光和斯托克斯光光的衰减系数差可以由下式求得

其中

LN_f(x)为光从测温光纤头部射入时，位置x处的信号比值：

N_af(T_x)，N_sf(T_x)为从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度。

LN_b(x)为光从测温光纤尾部射入时，位置x处的信号比值：

N_ab(T_x)，N_sb(T_x)为从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度。

修正衰减系数差之后，距离起点距离x处的温度T_x变为：

基于上述原因，系统将1号光开关的最后一路空出，在标定时直接连接测温光纤的尾端，如图所示，因此本申请中两个光开关只有N-1个接口互连。

S120：设定初始损失值Loss、初始损失补偿步长Step以及平均温度最大偏移量绝对值MaxShift，解调得到标定光纤各点温度分布数据，获取标定光纤的起始位置Ps和终止位置Pe之间的平均温度T，根据平均温度T计算温度偏移量Shift，当|Shift|<MaxShift结束损耗系数的标定。

由于光开关每个输出口的损耗不一致，会导致每次切换之后，得到的温度不同，具体的形式是不同损耗下的测温曲线温度变化趋势一致，但是绝对温度并不相同，例如在25℃的环境温度下，1号通道的平均温度是23℃，2号通道的平均温度是31℃。因此通过标定损耗系数的方法来补偿偏移量，使各通道测温绝对值趋于一致。

具体地补偿方法的实施步骤如下：

在程序中记录标定光纤的起始位置P_s和终止位置P_e，记录参考温度传感器读数温T₀；

采集五次包含沿光纤各采样点斯托克斯和反斯托克斯散射强度的原始数据，并对每个数据点求平均值；

设定初始损失值Loss、初始损失补偿步长Step以及平均温度最大偏移量绝对值MaxShift将Loss值代入温度解调公式，解调得到各点温度分布数据：

计算P_s和P_e之间测量点的平均温度T，该平均温度与T₀之间的温度偏移量记为Shift；

如果平均温度偏移量绝对值|Shift|<MaxShift，说明在当前Loss值下，平均温度偏移量足够小，测温结果较为准确，结束标定；

如果|Shift|>MaxShift，则需要不断地通过调整Loss值来改变Shift，使之逐渐逼近MaxShift，直至满足|Shift|<MaxShif；

若last_Shift*Shift<0，Step＝Step/2；

若Shift>0，Loss＝Loss–Step，否则Loss＝Loss+Step；

获取标定光纤的起始位置Ps和终止位置Pe之间的平均温度T，根据平均温度T计算温度偏移量Shift，当|Shift|<MaxShift结束损耗系数的标定。

S130：将参考光纤的一端与1号光开关连接，标定光纤的一端与2号光开关连接，标定光纤的另一端与测温光纤相连，其中所述1号光开关和所述2号光开关均包含一个输入口和N个输出口，将两个光开关的第1至N-1个输出口配对熔接形成第1至N-1个通道。

本申请中增加了两个光开关对接的结构，与参考光纤相连的设为1号光开关，与标定光纤相连的设为2号光开关，两个光开关各有一个输入口和N个输出口，将两个光开关的第1至N-1个输出口配对熔接，2号光开关的输入口与测温光纤的一端连接，测温光纤的另一端与1号光开关的第N个输出口连接。

S140：根据

计算1号光开关和2号光开关的第1至N-1个输出口之间连接的光纤长度差，其中c₀为真空中光速，Fs为采样频率，R为光纤折射率。

将两个光开关的第1至N-1个输出口配对熔接，2号光开关的输入口与测温光纤的一端连接，测温光纤的另一端与1号光开关的第N个输出口连接。两个光开关第1至N-1个输出口之间连接的光纤长度各不相同，绝对的长度没有要求，但是每个输出口之间光纤长度的差值应该是固定的，具体地，根据

计算1号光开关和2号光开关的第1至N-1个输出口之间连接的光纤长度差，其中c₀为真空中光速，Fs为采样频率，R为光纤折射率。

S150：将所述1号光开关和2号光开关同时切换至第m个通道后计算温度，并将第m个通道的数据存储在存储区的第i*m+m-1的位置处，其中m＝1，2……N-1，i＝0，1，……n-1，n为待测的温度点数。

若每个通道需要计算的温度点数为n，则申请数据存储区长度为n*(N-1)，两个光开关同时切换第1个通道，采集卡开始采集，完成累加后，读取采集卡数据，解调并按照标定的补偿参数计算温度，第1个通道的数据存储在存储区第i*(N-1)的位置，0≤i<n，切换第2个通道，重复，第2个通道的数据存储在存储区第i*(N-1)+1的位置，0≤i<n，直到第N-1个通道，第N-1个通道的数据存储在存储区第(i)*(N-1)+N-1的位置，0≤i<n。

S160：根据

计算第i*(N-1)+j个温度点的空间位置，其中，式中，i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1，D为螺纹管直径，s为螺距。

当使用光纤直接测量时，第i*(N-1)+j个温度点的空间位置是

P_i*(N-1)+j＝(i*(N-1)+j)*d

式中，i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1。

当使用光纤缠绕螺纹管的方式测量以进一步提升定位精度时，第i*N+j个温度点的空间位置是

式中i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1，D为螺纹管直径，s为螺距。

由上述技术方案可见，本申请提供的提高分布式测温系统采样率的方法及系统中，本申请在修正测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差及标定损耗系数后，通过对接的1号光开关和2号光开关实现多路延时采集数据的方式，根据奈奎斯特定理，只有当采样频率大于2倍的信号最高频率才能完整的保留原始信号中的信息，若光电探测器的带宽是100MHz，先要完整的还原探测器滤波后的信号，至少需要200MM/s采样率的数据采集卡，而本申请采用多路延时的方法，可以达到(N-1)*100MM/s的采样率，本申请中的N≥3，因此可以实现至少200MM/s的采样率，从而满足奈奎斯特采样定理，能更好的还原信号；因此本发明通过多路延时采集的方式，提高了分布式测温系统采样率，从而提高了系统的空间分辨率。

第二方面，基于上述的一种提高分布式测温系统采样率的方法，本申请还提供了一种提高分布式测温系统采样率的系统，如图2所示，所述系统包括：

脉冲激光器、耦合器、光电探测器、数字采集卡、参考光纤、1号光开关、与所述1号光开关相对设置的的2号光开关、标定光纤即测温光纤，其中：

所述脉冲激光器的一端与所述耦合器的一端连接；所述耦合器的另一端与所述光电探测器的一端连接；

所述光电探测器的另一端与所述数字采集卡连接；

所述耦合器的另一端与所述参考光纤的一端连接；所述参考光纤的另一端与所述1号光开关的输入端连接；

所述2号光开关的输入端与所述标定光纤的一端连接，所述标定光纤的另一端与所述测温光纤的一端连接，所述测温光纤的另一端与所述1号光开关的第N个输出端连接。

可选的，所述标定光纤和所述参考光纤的位置相同且温度相同。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种提高分布式测温系统采样率的方法，其特征在于，包括：

将测温光纤的首端和尾端分别连接至光开关的第N通道上，根据从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度，及从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差；

设定初始损失值Loss、初始损失补偿步长Step以及平均温度最大偏移量绝对值MaxShift，解调得到标定光纤各点温度分布数据，获取标定光纤的起始位置Ps和终止位置Pe之间的平均温度T，根据平均温度T计算温度偏移量Shift，当|Shift|<MaxShift结束损耗系数的标定；

将参考光纤的一端与1号光开关连接，标定光纤的一端与2号光开关连接，标定光纤的另一端与测温光纤相连，其中所述1号光开关和所述2号光开关均包含一个输入口和N个输出口，将两个光开关的第1至N-1个输出口配对熔接形成第1至N-1个通道，其中N≥3；

根据

计算1号光开关和2号光开关的第1至N-1个输出口之间连接的光纤长度差，其中c₀为真空中光速，Fs为采样频率，R为光纤折射率；

将所述1号光开关和2号光开关同时切换至第m个通道后计算温度，并将第m个通道的数据存储在存储区的第i*m+m-1的位置处，其中m＝1，2……N-1，i＝0，1，……n-1，n为待测的温度点数；

当测温光纤缠绕螺纹管时，根据

计算第i*(N-1)+j个温度点的空间位置，其中，式中，i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1，D为螺纹管直径，s为螺距；其中：

所述根据平均温度T计算温度偏移量Shift，包括：

根据Shift＝T-T₀计算温度偏移量Shift，其中T₀为参考光纤温度。

2.根据权利要求1所述的提高分布式测温系统采样率的方法，其特征在于，所述根据从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度，及从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差，包括：

根据

获取每条测温光缆中反斯托克斯光和斯托克斯光衰减系数差，其中

LN_f(x)为光从测温光纤头部射入时，位置x处的信号比值：

N_af(T_x)，N_sf(T_x)为从测温光纤头部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度；

LN_b(x)为光从测温光纤尾部射入时，位置x处的信号比值：

N_ab(T_x)，N_sb(T_x)为从测温光纤尾部射入时在位置x的反斯托克斯和斯托克斯光的强度。

3.根据权利要求1所述的提高分布式测温系统采样率的方法，其特征在于，未修正衰减系数差时，在测温光纤距离起点位置x处的温度为：

其中，h为普朗克常数；Δv为拉曼声子数；k为玻尔兹曼常数，C_hkv＝k/hΔv，T₀为参考光纤温度，N_a(T₀)，N_a(T_x)，N_s(T₀)，N_s(T_x)分别为反斯托克斯光在参考光纤和测温点x处的强度以及斯托克斯光在参考光纤和测温点处的强度；

修正衰减系数差之后，在测温光纤距离起点位置x处的温度为：

4.根据权利要求1所述的提高分布式测温系统采样率的方法，其特征在于，所述解调得到标定光纤各点温度分布数据，包括：

解调得到标定光纤各点温度分布数据为

5.根据权利要求1所述的提高分布式测温系统采样率的方法，其特征在于，所述根据平均温度T计算温度偏移量Shift后，还包括：

当last_Shift*Shift<0时，将初始损失补偿步长Step作缩小一倍处理；

当若Shift>0时，根据Loss＝Loss–Step计算Loss值，否则根据Loss＝Loss+Step计算Loss值；

获取标定光纤的起始位置Ps和终止位置Pe之间的平均温度T，根据平均温度T计算温度偏移量Shift，直至|Shift|<MaxShift结束损耗系数的标定。

6.根据权利要求1所述的提高分布式测温系统采样率的方法，其特征在于：当测温光纤未缠绕螺纹管时，根据P_i*(N-1)+j＝(i*(N-1)+j)*d计算第i*(N-1)+j个温度点的空间位置，其中，式中，i＝0，1，……n-1，j＝0，1，……N-1。

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