CN111982237A - 导电液液位的测量方法及其液位传感器水电装置和饮料机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导电液液位的测量方法及利用此方法设计的液位传感器及水电装置和饮料机。在待测液体的容器中根据需要设置若干个金属电极，对应于液体的不同液位深度，在容器内还设置一个公共电极，触及最低液位。在公共电极上通过一个隔直映射电容与一基于计算机的智能数字控制器的输出端相连，各金属电极分别与智能数字控制器的一个数字输入端相连，当智能数字控制器的输出端输出一个预定的变化信号时，浸入液体的所有电极都会收到映射的改变化信号而被控制器的计算机识别并计算出实时的液位。依据此方法构成的液位传感器可用于各种涉及导电液位测量的场所，尤其是水电装置，包括饮料机，具有电极不会或不容易因生锈、结垢而失灵，寿命长，电路极其简单、可靠、成本低的优点。

Description

导电液液位的测量方法及其液位传感器水电装置和饮料机
所属技术领域
本发明涉及导电液体液位的测量方法、液位传感器及使用该方案和传感器技术的水电装置和饮料机。
背景技术
液位检测有浮球式和电极式。前者不仅昂贵，生产加工工艺麻烦，生产工期长，而且由于磁铁的重量导致吃水线深，造成探不到液体底部而误测(液体浅了浮不起来，比如28mm厚的浮球需要至少15mm水深才可以浮起而被探测到)，造成尤其是长方体储液箱剩余很多液体抽不尽，造成大量浪费；由于加工工艺麻烦，订货生产周期长；不易清洗，中间塑胶管容易弯折而报废。
传统的电极式，多用于探测水位。由于电极可以触及液体底部，因此容易探及容器底部，液体容易被抽干而不留剩水。致命的缺点是：由于水中矿物质多，常规的电极通电测量由于电解作用会导致电极腐蚀，即便不锈钢材质也会因电解而生锈和结垢而失灵，寿命短，使用成本高。据说也有人试图通过让电极浮空容器不接地的办法测量水位，以缓解结垢，但电路非常复杂，且大多情况下因为容器不能接地，不安全，也过不了3C认证，而并无见到有实际产品面世。
扬长避短，发明一种电极可以触及液体底部即便不锈钢材质也不会或不容易因生锈、结垢而失灵，寿命长，电路极其简单、成本低的测导电液体液位的方法，并将其用于智能液位传感器及包含在内饮料机(含饮水机)的水电装置上十分有必要。
发明内容
本发明的首要任务是要克服上述缺陷，提供一种导电液液位的测量方法，并拓展其用途，尤其是基于此方法发明一种基于此原理的测量导电液体液位的液位传感器，以及一种需要对液体液位进行检测的水电装置和饮料机(含饮水机，功夫茶机、咖啡机、果汁机等)。
本发明的技术方案是：
一种导电液液位的测量方法，其特征在于包括以下措施：
步骤1：在一个容器内加入待测的导电液，设置一个金属公共电极，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极；
步骤2：设置一个基于计算机的智能控制器；
步骤3：在控制器的一个数字输出端上连接一个起到信号隔直映射作用的电容，将电容的输出端与公共电极相连；
步骤4：将各级液位电极分别与智能控制器的一个信号输入端相连；
步骤5：从智能控制器的上述数字输出端上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
步骤6：判断各信号输入端的哪一个或哪一些接收到与输出端对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，缺液或无液；
步骤7：智能控制器根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
进一步的改进在于：
在所述步骤5和步骤6之间还插入步骤51：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
一种水电装置，其特征在于包括容器，容器上设有水泵、水管、出水嘴和人机交互界面，这些物体均受控于所述智能控制器，在容器的底部设有一个金属公共电极，或者径直将容器用金属制成，将其与公共电极相连，在容器内自低至高，依照需要设置至少一个金属电极；将公共电极经电容与智能控制器的一个数字输出端相连，将各金属电极分别与控制器的一个信号输入端相连。
所述数字输出端上每间隔一段设定时间交错输出一段时间的高电平变低电平或低电平变高电平的信号，在所述信号输入端上根据液位状态产生相应的映射信号，供智能控制器实时采样、识别、计算液位状态，并发出加液、液位控制、液体加热、缺液的显示、报警和/或控制的指令。
在所述控制器上连接有物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送模块。
所述控制器(MCU)内包含如下控制时序：
a.在一个容器内加入待测的导电液，设置一个与导电液电气相通的金属公共电极，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极；
b.设置一个基于计算机的智能控制器；
c.在控制器的一个数字输出端上连接一个起到信号隔直映射作用的电容，将电容的输出端与公共电极相连；
d.将各级液位电极分别与智能控制器的一个信号输入端相连；
e.从智能控制器的上述数字输出端上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
f.判断各信号输入端的哪一个或哪一些接收到与输出端对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，缺液或无液；
g.智能控制器(MCU)根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
在所述步骤e和步骤f之间还插入以下步骤：
步骤e1：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
上述水电装置构成的饮水机，其特征在于所述导电液为饮用水或其它饮料，所述容器为圆柱水桶、长方体或正方体的饮料箱以及电热烧水壶、烧水桶或烧水箱，电热烧水壶、烧水桶或烧水箱内设有电加热器、温度传感器，这些物体均通过输入/输出接口与所述智能控制器相连。
一种液位传感器，其特征在于包括一个基于计算机的智能控制器，其某个数字输出端与一个电容的一端相连，与该电容的另一端相连有一个使用时与容器中的水相通的公共电极，在控制器的按所要探测的液位深度分级的至少一个信号输入端上，按照所需要探测的液位深度逐级连接有相应个金属液位电极；数字输出端上控制器在预定时间间隔内输出由低电平转高电平或高电平转低电平的探测激励信号，在液位触及的金属液位电极所连接的对应数字输出端上依时序同步收到映射的液位信号。
所述智能控制器上连接有物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送模块。
所述控制器内包含如下检测液位的时序：
a.在一个容器内加入待测的导电液，设置一个与导电液电气相通的金属公共电极，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极；
b.设置一个基于计算机的智能控制器；
c.在控制器的一个数字输出端上连接一个起到信号隔直映射作用的电容，将电容的输出端与公共电极相连；
d.将各级液位电极分别与智能控制器的一个信号输入端相连；
e.从智能控制器的上述数字输出端上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
f.判断各信号输入端
Figure BDA0002621903600000061
的哪一个或哪一些接收到与输出端(O1)对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，容器(1)内缺液或无液；
g.智能控制器(MCU)根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
在所述步骤e和步骤f之间还插入以下步骤：
步骤e1：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
用本发明方法制造的传感器及水电装置，包括饮料机，具有简单、实用、可靠，产品制造成本低、电极不容易腐蚀、不易结垢的特点。可广泛替代现有技术导电液体需要检测的场合，尤其是江河湖海防洪、游泳池、饮水机、饮料机、咖啡机、果汁机等物联网、智能家居、智慧城市是不可或缺的技术产品。
以下结合附图图本发明做更详细的说明。
附图说明
图1是本发明方法的步骤框图(高电平转低电平脉冲或方波)；
图2是本发明方法的步骤框图(低电平转高电平脉冲或方波，容器为导体，公共电极接容器)；
图3是本发明液位传感器的一种实施方式示意图(传感器内不含变送电路)；
图4是本发明液位传感器的另一种实施方式示意图(传感器内含基于MCU单片计算机及外设5的变送电路)；
图5是带有本发明液位传感器的一种示意图(与基于射频无线通讯SoC计算机MCU系统组合构成的智能传感器)；
图6是基于带有本发明液位传感器构成的一种水电装置的示意图(与基于射频无线通讯SoC计算机系统组合构成的智能水电装置)；
图7用本发明液位传感器基于射频无线通讯SoC计算机系统组合构成的一种净/饮水机示意图(省略滤芯和水泵等)；
图8用本发明液位传感器和MCU计算机构成的一种桶装水功夫茶机的示意图(电热烧水壶、水嘴、水泵等省略未示出)。
具体实施例方式
实施例1：一种导电液液位的测量方法，如图1、2所示，包括以下措施：
步骤1：在一个容器1内加入待测的导电液，如水或橙汁、凉茶。设置一个与导电液电气相通的金属公共电极2，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极L1......Ln)，比如高L3、中L2、低L1三级液位探测，液位可以换算为对应的容器的高度刻度，Ln中n表示最高级，如图3至图8所示，L3代表最高级；
步骤2：设置一个基于单片计算机的智能控制器MCU，比如以ARM系列单片机为核心构建；
步骤3：在控制器的一个数字输出端O1上连接一个起到信号隔直映射作用的电容C1，将电容C1的输出端与公共电极2相连；
步骤4：将液位电极L1、L2、L3分别与智能控制器MCU的信号输入端I1、I2、I3相连；
步骤5：从智能控制器的上述数字输出端O1上发射一个由低到高电平的变化信号或一个由高到低电平的变化信号，MCU读取由电容和液体隔直跳变映射在各电极上的对应的变化信号并加以识别，如：由低跳到高，持续50ms的脉冲方波；
步骤51：将由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让电容放电，或者反之；
步骤6：判断各信号输入端
Figure BDA0002621903600000081
的哪一个或哪一些接收到与输出端O1对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，缺液或无液；
步骤7：智能控制器根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
比如：液位低于最低液位电极L1，则高L3、中L2、低L1三级液位都因为断路而接收不到电容C1映射的输出端O1发出的探测信号，相应的各信号输入端I1、I2、I3也接收不到对应的映射信号，表明液体已被抽干、用尽或缺液。
当液位高于或等于中间液位电极L2但高于最低液位电极L1，则最高位电极L3因为断路而接收不到电容C1映射的输出端O1发出的探测信号，相应的信号输入端I3接收不到对应的映射信号，但信号输入端I1、I2会接收到对应的映射信号、表明液体位于中部高度液位。
当液位达到最高位电极L3，则最高位电极L3、中间液位电极L2、最低液位电极L1均接收到电容C1映射的输出端O1发出的探测信号，相应的信号输入端I1、I2、I3会接收到对应的映射信号、表明液体位于最高度液位，智能控制器MCU做出相应的控制。
实施例2：
本发明上述方法可以用在许多液位测量的场合，水电装置。比如：用于监控楼顶供水水箱的水电装置，构成自动加水装置。
水电装置，如图6-8所示。包括作为水箱的容器1，容器上设有水泵、水管、出水嘴和人机交互界面3，这些物体均受控于一智能控制器MCU，在容器1内设置一个直达容器底部的金属公共电极2，或者径直将容器1用金属制成，将公共电极2与其相连。在容器1内自低至高，依照需要设置不少于1个金属电极
Figure BDA0002621903600000091
如10个金属电极。将公共电极经电容C1与智能控制器的一个数字输出端相连O1，将各金属电极分别与控制器的各个对应的信号输入端(I1至I10)相连。
数字输出端O1上每间隔一段设定时间交错输出一段时间的高电平变低电平或低电平变高电平的信号，在每个信号输入端(I1至I10)上根据液位状态产生相应的映射信号，供智能控制器实时采样、识别、计算液位状态，并发出加液、液位控制、液体加热、缺液的显示、报警和/或控制的指令。
在控制器MCU上连接有物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送模块6，AT为其天线。
控制器MCU内包含如下控制时序，用以对液位进行防结垢、准确、可靠检测：
a.在容器1内加入待测的水，设置一个直达容器底部的金属公共电极2，在所需测量的水的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极L1至L10，每0.5米一个，最高水位5米；
b.设置一个基于计算机的智能控制器MCU；
c.在控制器的一个数字输出端O1上连接一个起到信号隔直映射作用的电容C1，将电容C1的输出端与公共电极2相连；
d.将各级液位电极L1至L10分别与智能控制器MCU的一个信号输入端
Figure BDA0002621903600000101
相连；
e.从智能控制器的上述数字输出端O1上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
e1：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
f.判断各信号输入端
Figure BDA0002621903600000111
的哪一个或哪一些接收到与输出端O1对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，缺液或无液；
g.智能控制器MCU根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
实施例3：
本发明在饮水机上的应用，如图6-8所示。这里导电液具体为饮用水，容器1做成圆柱状的饮水桶(如市场上卖的桶装水)、特制的长方体或正方体的饮用水储水盒，也可以同时用于开水器或功夫茶具的电热烧水桶、电热烧水箱或电热烧水壶。饮料机上通常还设有水泵、抽水管、出水嘴、电加热器、温度传感器和人机交互界面(包括显示器和键盘)，这些物体均受控于智能控制器MCU。
实施例4：
基于本发明方法制造的饮料机，导电液特指饮料，如凉茶、果汁等。容器1为圆柱状的饮水桶、长方体或正方体的饮料箱和/或电热烧水壶、烧水桶或烧水箱。饮料机上设有水泵、水管、出水嘴、电加热器、温度传感器和人机交互界面，这些物体均受控于所述智能控制器MCU，在饮水桶或饮料箱和烧水壶的底部设有一个金属公共电极，或者径直将饮水桶或饮料箱和/或烧水壶的壳体用金属制成，将金属壳体与公共电极2相连，在金属壳体内自低至高，依照需要设置至少3个金属电极L1、L2、L3；将公共电极2经电容C1与智能控制器的一个数字输出端相连O1，将各金属电极L1、L2、L3分别与控制器的一个信号输入端I1、I2、I3相连。
数字输出端O1上每间隔100ms-1s交错输出一段时间的低电平变高电平或高电平变低电平的信号，在信号输入端I1、I2、I3上根据液位状态产生相应的映射信号，供智能控制器实时采样、识别、计算液位状态，并发出加液、液位控制、液体加热、缺液的显示、报警和/或控制的指令。
在控制器MCU上连接物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送芯片，可以实现无线通讯。
实施例5：
一种液位的传感器，如图3、4、5所示。包括一个基于计算机的智能控制器MCU，其某个数字输出端O1与一个电容C1的一端相连，与该电容C1的另一端相连有一个使用时与容器中的水相通的公共电极2，在控制器MCU的按所要探测的液位深度分为3级的3个信号输入端I1、I2、I3上，按照所需要探测的液位深度逐级连接有3个金属液位电极L1、L2、L3；数字输出端O1上控制器在预定时间间隔内(如100mm-1000ms)输出由低电平转高电平或高电平转低电平的脉动方波探测激励信号，在液位触及的金属液位电极L1、L2、L3所连接的对应数字输出端I1、I2、I3上依时序同步收到映射的液位信号。
在控制器MCU上连接物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送芯片，可以实现无线通讯。

Claims (12)

1.一种导电液液位的测量方法，其特征在于包括以下措施：
步骤1：在一个容器(1)内加入待测的导电液，设置一个金属公共电极(2)，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极
Figure FDA0002621903590000011
步骤2：设置一个基于计算机的智能控制器(MCU)；
步骤3：在控制器的一个数字输出端(01)上连接一个起到信号隔直映射作用的电容(C1)，将电容(C1)的输出端与公共电极(2)相连；
步骤4：将各级液位电极
Figure FDA0002621903590000012
分别与智能控制器(MCU)的一个信号输入端
Figure FDA0002621903590000013
相连；
步骤5：从智能控制器的上述数字输出端(O1)上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
步骤6：判断各信号输入端
Figure FDA0002621903590000014
的哪一个或哪一些接收到与输出端(O1)对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，缺液或无液；
步骤7：智能控制器(MCU)根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
2.根据权利要求1所述的导电液液位的测量方法，其特征在于在所述步骤5和步骤6之间还插入以下步骤：
步骤51：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
3.一种水电装置，其特征在于包括容器(1)，容器上设有水泵、水管、出水嘴和人机交互界面(3)，这些物体均受控于所述智能控制器(MCU)，在容器(1)的底部设有一个金属公共电极(2)，或者径直将容器(1)用金属制成，将其与公共电极(2)相连，在容器(1)内自低至高，依照需要设置至少一个金属电极
Figure FDA0002621903590000021
将公共电极经电容(C1)与智能控制器的一个数字输出端相连(O1)，将各金属电极
Figure FDA0002621903590000022
分别与控制器的一个信号输入端
Figure FDA0002621903590000023
相连。
4.根据权利要求3所述的水电装置，其特征在于所述数字输出端(O1)上每间隔一段设定时间交错输出一段时间的高电平变低电平或低电平变高电平的信号，在所述信号输入端
Figure FDA0002621903590000024
上根据液位状态产生相应的映射信号，供智能控制器实时采样、识别、计算液位状态，并发出加液、液位控制、液体加热、缺液的显示、报警和/或控制的指令。
5.根据权利要求4所述的水电装置，其特征在于在所述控制器(MCU)上连接有物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送模块(RF)。
6.权利要求3、4或5所述的水电装置，其特征在于所述控制器MCU内包含如下控制时序：
a.在一个容器)内加入待测的导电液，设置一个与导电液电气相通的金属公共电极2，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极
Figure FDA0002621903590000031
b.设置一个基于计算机的智能控制器MCU；
c.在控制器的一个数字输出端(01)上连接一个起到信号隔直映射作用的电容(C1)，将电容(C1)的输出端与公共电极(4)相连；
d.将各级液位电极
Figure FDA0002621903590000032
分别与智能控制器(MCU)的一个信号输入端
Figure FDA0002621903590000033
相连；
e.从智能控制器的上述数字输出端(01)上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
f.判断各信号输入端
Figure FDA0002621903590000034
的哪一个或哪一些接收到与输出端(01)对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，缺液或无液；
g.智能控制器(MCU)根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
7.权利要求6所述的水电装置，其特征在于在所述步骤e和步骤f之间还插入以下步骤：
步骤e1：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
8.权利要求3至7中任一权利要求所述的水电装置构成的饮水机，其特征在于所述导电液为饮用水或其它饮料，所述容器1为圆柱水桶、长方体或正方体的饮料箱以及电热烧水壶、烧水桶或烧水箱，电热烧水壶、烧水桶或烧水箱内设有电加热器、温度传感器，这些物体均通过输入/输出接口(4)与所述智能控制器(MCU)相连。
9.一种液位传感器，其特征在于包括一个基于计算机的智能控制器(MCU)，其某个数字输出端(O1)与一个电容(C1)的一端相连，与该电容(C1)的另一端相连有一个使用时与容器中的水相通的公共电极(2)，在控制器(MCU)的按所要探测的液位深度分级的至少一个信号输入端
Figure FDA0002621903590000041
上，按照所需要探测的液位深度逐级连接有相应个金属液位电极
Figure FDA0002621903590000042
数字输出端(O1)上控制器在预定时间间隔内输出由低电平转高电平或高电平转低电平的探测激励信号，在液位触及的金属液位电极
Figure FDA0002621903590000043
所连接的对应数字输出端
Figure FDA0002621903590000044
上依时序同步收到映射的液位信号。
10.根据权利要求9所述的液位传感器，其特征在于所述智能控制器(MCU)上连接有物联网芯片或蓝牙、wifi等无线收发送模块(RF)。
11.根据权利要求9或10所述的液位传感器，其特征在于所述控制器(MCU)内包含如下检测液位的时序：
a.在一个容器(1)内加入待测的导电液，设置一个与导电液电气相通的金属公共电极(2)，在所需测量的导电液的各级液位的对应高度位置分别设置一个金属液位电极
Figure FDA0002621903590000045
b.设置一个基于计算机的智能控制器(MCU)；
c.在控制器的一个数字输出端(O1)上连接一个起到信号隔直映射作用的电容(C1)，将电容(C1)的输出端与公共电极(2)相连；
d.将各级液位电极
Figure FDA0002621903590000051
分别与智能控制器(MCU)的一个信号输入端
Figure FDA0002621903590000052
相连；
e.从智能控制器的上述数字输出端(O1)上发射一个由低到高的变化信号或一个由高到低的变化信号；
f.判断各信号输入端
Figure FDA0002621903590000053
的哪一个或哪一些接收到与输出端(O1)对应的映射信号？当前接收到响应的最高位电极代表液体实时平过最高液位，各电极均无接收到映射信号，表明液位低于最低电极液位，容器(1)内缺液或无液；
g.智能控制器(MCU)根据所接收到的映射信号计算判定液位的实时状态，发出预定的控制指令，显示、报警和/或输出动作，然后根据指令返回步骤1，周而复始巡回检测，或者退出。
12.权利要求11所述的液位传感器，其特征在于在所述步骤e和步骤f之间还插入以下步骤：
步骤e1：将所述由低变到高的高电平信号维持若干长时间后再由信号输出端输出一个由高到低的电平，让所述电容放电；或者反之，让电容充电。
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