CN112880800A - 具有冗余设计的数字称重传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有冗余设计的数字称重传感器，包括：至少一个测力元件，检测所述数字称重传感器的受载力，每个所述测力元件将所述受载力转换为一路模拟信号；以及一个或多个模数转换模块，每个所述测力元件与至少一个所述模数转换模块相连接，所述模数转换模块将所述模拟信号转换为数字信号。本发明的数字称重传感器至少为测力元件和模数转换模块都提供了冗余设计，可以有效地确保数字称重传感器的正常运做。

Description

具有冗余设计的数字称重传感器

技术领域

本发明主要涉及精密仪器领域，尤其涉及一种具有冗余设计的数字称重传感器。

背景技术

在现代化的工业生产流程中，重量信息是一种关键的信息来源和控制目标。例如在车辆衡系统中，重量信息是所需要获得的输出数据；在灌装生产线上，重量信息是灌装生产流程的控制目标。因此，称重的可靠性和精确性具有重大意义。

随着数字化和信息化技术的发展，称重设备从传统的机械系统向数字系统转变。数字称重传感器是在传感器中内置具有高精度模数转换功能和数字处理能力的电路，将传感器的受载力信息转化成数字信号，根据需要对该数字信号进行处理，并在用户终端显示。在由数字称重传感器为基础而构成的称重系统中，由数字称重传感器获得的称重数据的可靠性具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有高可靠性的多重冗余设计的数字称重传感器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有冗余设计的数字称重传感器，其特征在于，包括：至少一个测力元件，检测所述数字称重传感器的受载力，每个所述测力元件将所述受载力转换为一路模拟信号；以及一个或多个模数转换模块，每个所述测力元件与至少一个所述模数转换模块相连接，所述模数转换模块将所述模拟信号转换为数字信号。

在本发明的一实施例中，每个所述测力元件与至少两个所述模数转换模块相连接。

在本发明的一实施例中，还包括一个或多个处理器，每个所述模数转换模块与至少一个所述处理器相连接，所述处理器处理所述数字信号。

在本发明的一实施例中，还包括一个或多个存储单元，每个所述处理器与至少一个所述存储单元相连接。

在本发明的一实施例中，还包括一个或多个电源单元，每个所述处理器与至少一个所述电源单元相连接。

在本发明的一实施例中，还包括一个或多个通信单元，每个所述处理器与至少一个所述通信单元相连接，所述通信单元适于与外部设备进行通信。

在本发明的一实施例中，还包括警报单元，所述处理器比较所述数字信号和阈值获得比较结果，根据所述比较结果提示所述警报单元发出报警。

在本发明的一实施例中，所述处理器计算至少两路所述数字信号之间的差异，所述差异用于故障趋势分析。

在本发明的一实施例中，在所述数字称重传感器的加载过程中，所述处理器比较至少两路所述数字信号获得动态比较结果。

在本发明的一实施例中，还包括警报单元，所述处理器比较所述动态比较结果和动态阈值范围获得动态比较结果，根据所述动态比较结果提示所述警报单元发出报警。

在本发明的一实施例中，还包括一个或多个限位保护装置，所述限位保护装置将所述数字称重传感器限定在预定区域内。

本发明的数字称重传感器为测力元件和模数转换模块都提供了冗余设计，可以有效地确保数字称重传感器的正常运做。本发明的数字称重传感器还进一步的为检测电路相关的处理器、存储单元提供冗余设计，为电源单元、通信单元、警报单元等功能元件提供冗余设计，以及为包括限位保护装置在内的安全设施提供冗余设计，从多个角度为数字称重传感器提供多重安全保证，大大提高了数字称重传感器的可靠性。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是本发明一实施例的数字称重传感器的结构框图；

图2是本发明又一实施例的数字称重传感器的结构框图；

图3是本发明又一实施例的数字称重传感器的结构框图；

图4是本发明一实施例的数字称重传感器中的测力元件的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

图1是本发明一实施例的数字称重传感器的结构框图。参考图1所示，该实施例的数字称重传感器100包括至少一个测力元件，该至少一个测力元件110用于检测数字称重传感器100的受载力，每个测力元件110将其所测量到的受载力转换为一路模拟信号；以及一个或多个模数转换模块120，每个测力元件110与至少一个模数转换模块120相连接，模数转换模块120将模拟信号转换为数字信号。

参考图1所示，其中示出了三个测力元件111、112、113，以及三个模数转换模块121、122、123。该数字称重传感器100至少包括由实线框表示的测力元件111和模数转换模块121，该测力元件111和该模数转换模块121相互连接，在图1中用带箭头的实线表示。模数转换模块121从测力元件111接收模拟信号，并将该模拟信号转换为数字信号。该数字信号可以用于后续的处理、显示等。

参考图1所示，该数字称重传感器100还可以包括由虚线框表示的测力元件112、113和模数转换模块122、123。由于每个测力元件110与至少一个模数转换模块120相连接，则对于图1所示的实施例而言，测力元件111至少与模数转换模块120中的一个相连接，至多可以和每个模数转换模块都连接，如图1中带箭头的虚线所示；同理，测力元件112至少与模数转换模块120中的一个相连接，至多可以和每个模数转换模块都连接；测力元件113至少与模数转换模块120中的一个相连接，至多可以和每个模数转换模块都连接。

可以理解，当图1中所有带箭头的虚线都表示为实际连接时，则该数字称重传感器就形成了3个测力元件111、112、113和3个模数转换模块121、122、123之间的互连网络，每个模数转换模块120都可以接收和处理来自3个测力元件111、112、113的3路模拟信号。在这种情况下，只要有一个测力元件110和一个模数转换模块120处于正常工作状态，则该数字称重传感器100就可以正常使用，当具有加载时，可以正常输出称重结果，从而提高了数字称重传感器100的可靠性。

需要说明，图1所示仅为示例，不用于限定本发明的数字称重传感器中的测力元件和模数转换模块的数量以及连接关系。

在一些实施例中，每个测力元件与至少两个模数转换模块相连接。

图2是本发明又一实施例的数字称重传感器的结构框图。参考图2所示，该实施例的数字称重传感器200包括一个测力元件210和2个模数转换模块220。图2是本发明的一个优选实施例，在该实施例中，测力元件210将受载力转换为一路模拟信号S_a1，并将该模拟信号S_a1分别传递给2个模数转换模块221、222。该2个模数转换模块221、222可以同时将该路模拟信号S_a1转换为数字信号S_d1、S_d2，并将数字信号S_d1、S_d2发送至后续的处理模块进行处理、显示等操作。

根据图2所示的优选实施例，每个测力元件都和至少2个模数转换模块相连接，可以确保在一个模数转换模块出现故障时，还有一个冗余设计的模数转换模块用于接收测力元件的模拟信号，并且对该模拟信号进行处理，以保证数字称重传感器200可以获得有效的测量结果，提高了数字称重传感器200的可靠性。

在一些实施例中，本发明的数字称重传感器还包括一个或多个处理器，每个模数转换模块与至少一个处理器相连接，处理器处理该数字信号。

继续参考图2所示，该实施例中还包括2个处理器231、232。其中，模数转换模块221与处理器231相连接，模数转换模块222与处理器232相连接。可以理解，模数转换模块221可以同时与处理器231、232相连接，模数转换模块222可以同时与处理器231、232相连接。如果数字称重传感器中只包括一个处理器，则模数转换模块221、222可以都与该一个处理器相连接，该处理器可以一起处理模数转换模块221、222输出的数字信号S_d1、S_d2。

在一些实施例中，处理器计算至少两路数字信号之间的差异，该差异用于故障趋势分析。参考图2所示，处理器231、232从模数转换模块221、222获得数字信号S_d1、S_d2之后可以进行任意的处理。在这些实施例中，处理器231、232计算该两路数字信号S_d1、S_d2之间的差异Diff。对于处于正常状态的数字称重传感器来说，该两路数字信号S_d1、S_d2应具有一定的期望值，例如该两路数字信号S_d1、S_d2应相同、成比例、差异在一定的范围内、具有对称性等。则通过计算实际获得的两路数字信号S_d1、S_d2之间的差异Diff，并与期望的结果进行比较，可以作为该数字称重传感器的故障趋势分析，以提示用户可能会发生故障的风险。例如，两路数字信号S_d1、S_d2之间的差异Diff应在一差异范围Diff1内，若处理器231、232计算得到的差异Diff接近或超过该差异范围Diff1的边界值，则可以提示用户该数字称重传感器发生故障的风险较高。通过长期的计算和记录，可以绘制故障趋势分析曲线，更加便于用户对故障风险的预测。

在一些实施例中，在数字称重传感器的加载过程中，处理器还可以比较至少两路数字信号获得动态比较结果。所谓的加载过程是指向该数字称重传感器上增加负载的过程，负载指被称重的对象。在该过程中，数字称重传感器处于动态，其称量结果也处于动态，要等到加载完成之后经过一定的时间才能获得稳定的称量结果，作为该负载的称重结果。参考图2所示，处理器231、232可以在该加载过程中，对两路数字信号S_d1、S_d2进行比较，获得动态比较结果Diff_d，该动态比较结果Diff_d可以反映数字称重传感器的实时受载信息。存储单元可以存储该动态比较结果Diff_d，以便于用户查看或分析数字称重传感器的实时受载情况。当称重结果出现异常时，可以参考实时受载情况来分析异常的原因。

该实施例中的多个处理器实现了数字称重传感器中的处理器的冗余设计，当有个别处理器出现故障时，处于正常状态的处理器仍然可以接收模数转换模块输出的数字信号，并进一步的对数字称重传感器中的各个元件进行控制。

在一些实施例中，本发明的数字称重传感器还包括一个或多个存储单元，每个处理器与至少一个存储单元相连接。

继续参考图2所示，该实施例中还包括2个存储单元241、242。其中，存储单元241与处理器231相连接，存储单元242与处理器232相连接。可以理解，存储单元241可以同时与处理器231、232相连接，存储单元242可以同时与处理器231、232相连接。如果数字称重传感器中只包括一个存储单元，则处理器231、232可以都与该一个存储单元相连接，该存储单元可以同时存储模数转换模块221、222输出的数字信号S_d1、S_d2，以及处理器231、232发送或接收到的数据、指令等。

在一些实施例中，存储单元用于存储数字称重传感器的配置信息，对数字信号进行处理的过程中所需要用到的阈值、数据等信息。

该实施例中的多个存储单元实现了数字称重传感器中的存储单元的冗余设计，当有个别存储单元出现故障时，处于正常状态的存储单元仍然可以工作。

在一些实施例中，本发明的数字称重传感器还包括一个或多个电源单元，每个处理器至少与一个电源单元相连接。

继续参考图2所示，该实施例中还包括2个电源单元251、252。其中，电源单元251与处理器231相连接，电源单元252与处理器232相连接。参考图2所示，电源单元251、252还可以分别向该数字称重传感器200中的其他单元或模块供电，例如向模数转换模块221、222，存储单元241、242，通信单元261、262以及报警单元270等供电。

可以理解，电源单元251可以同时与处理器231、232相连接，电源单元252可以同时与处理器231、232相连接。如果数字称重传感器200中只包括一个电源单元，则处理器231、232可以都与该一个电源单元相连接。

该实施例中的多个电源单元实现了数字称重传感器中的电源单元的冗余设计，当有个别电源单元出现故障时，处于正常状态的电源单元仍然可以工作，以保证数字称重传感器200的正常工作。

在一些实施例中，本发明的数字称重传感器还包括一个或多个通信单元，每个处理器与至少一个通信单元相连接，通信单元适于与外部设备进行通信。

继续参考图2所示，该实施例中还包括2个通信单元261、262。其中，通信单元261与处理器231相连接，通信单元262与处理器232相连接。可以理解，通信单元261可以同时与处理器231、232相连接，通信单元262可以同时与处理器231、232相连接。如果数字称重传感器200中只包括一个通信单元，则处理器231、232可以都与该一个通信单元相连接，该通信单元可以根据处理器231、232的控制指令工作，可以将来自不同的模数转换模块221、222的数字信号S_d1、S_d2传输至显示器、用户界面等终端。

本发明对通信单元261、262的具体通信方式不做限制，可以采用有线、无线等本领域常用技术。所采用的通信网络0可包括电缆网络、有线网络、光纤网络、电信网络、内联网、无线局域网(WLAN)、城域网(MAN)、公共电话交换网(PSTN)、蓝牙^TM网络、ZigBee^TM网络、近场通信(NFC)网络等或者其任意组合。

该实施例中的多个通信单元实现了数字称重传感器中的通信单元的冗余设计，当有个别通信单元出现故障时，处于正常状态的通信单元仍然可以工作。

在一些实施例中，本发明的数字称重传感器还包括警报单元，处理器比较数字信号和阈值获得比较结果，根据比较结果提示警报单元发出报警。

参考图2所示，该实施例中还包括警报单元270，处理器231、232都与该警报单元270相连接，电源单元251、252也可以与警报单元270相连接，向其供电。本发明对警报单元270的数量不做限制，可以包括多个警报单元，作为警报单元的冗余设计，每个处理器分别与一个警报单元相连接。

在这些实施例中，阈值Th可以存储在存储单元241、242中，也可以存储在处理器231、232的缓存中。在数字称重传感器200的使用过程中，处理器231、232将从模数转换模块221、222获得的数字信号S_d1、S_d2与阈值Th进行比较，获得比较结果。本发明对于具体的比较方法不做限制，本领域技术人员可以采用任意的比较方法。例如：比较大小，则获得的比较结果可以包括：数字信号大于阈值Th、数字信号等于阈值Th、数字信号等于阈值Th。当具有多个数字信号时，可以针对不同的模数转换模块所获得的数字信号设置不同的阈值。例如，针对数字信号S_d1设置阈值Th1，针对数字信号S_d2设置阈值Th2，则在本实施例中，处理器231、232分别比较数字信号S_d1和阈值Th1，数字信号S_d2和阈值Th2，获得2个比较结果。

数字信号S_d1、S_d2可以是该数字称重传感器200处于稳定状态下的稳态数据，也可以是称重的动态过程中的动态数据。

在一些实施例中，处理器比较动态比较结果和动态阈值范围获得动态比较结果，根据动态比较结果提示警报单元发出报警。这里的动态比较结果指在数字称重传感器的加载过程中，处理器比较至少两路数字信号获得的动态比较结果Diff_d。参考图2所示，处理器231、232还可以将动态比较结果Diff_d与预设的动态阈值范围Diff_d1进行比较，根据动态比较结果提示警报单元270发出报警。例如，当动态比较结果Diff_d超出动态阈值范围Diff_d1时，警报单元270发出报警。

图3是本发明又一实施例的数字称重传感器的结构框图。参考图3所示，该实施例的数字称重传感器300包括2个测力元件310和2个模数转换模块320。图3是本发明的一个优选实施例，在该实施例中，测力元件311将受载力转换为一路模拟信号S_a1，并将该模拟信号S_a1传递给模数转换模块221，测力元件312将受载力转换为一路模拟信号S_a2，并将该模拟信号S_a2传递给模数转换模块222。模数转换模块221、222分别将路模拟信号S_a1、S_a2转换为数字信号S_d1、S_d2，并将数字信号S_d1、S_d2发送至后续的处理模块进行处理、显示等操作。

根据图3所示的实施例，数字称重传感器300中可以包括多个测力元件311、312，该多个测力元件311、312可以分布在数字称重传感器300中的各个位置，在正常情况，当加载时，每个测力元件都可以检测到受载力，并将该受载力转换为一路模拟信号。

图3所示实施例与图2所示实施例的区别在于，测力元件311、312互为冗余设计，当有一个测力元件出现故障时，另外一个测力元件可以正常工作，从而保证该数字称重传感器300可以正常输出称重结果。

图3所示实施例中同样可以包括与图2所示实施例类似的2个处理器331、332，2个存储单元341、342，2个电源单元351、352，2个通信单元361、362，以及警报单元370。这些元件的连接关系和功能都可以参考图2所对应的说明内容，在此不再重复。

图4是本发明一实施例的数字称重传感器中的测力元件的结构示意图。参考图4所示，其中示出了测力元件410的一种结构，即包括4个电阻的电桥结构。该电桥结构的两路输出与模数转换单元430相连接。当负载加载到测力元件410上时，测力元件410将受载力转换为模拟信号S_a，模数转换单元430将该模拟信号S_a转换为数字信号模拟信号S_d，以便于后续的处理和显示等操作。

在一些实施例中，测力元件410可以电阻式应变计或电容式应变计。

在一些实施例中，本发明的数字称重传感器还包括一个或多个限位保护装置，该限位保护装置将数字称重传感器限定在预定区域内。

参考图4所示，限位保护装置420可以将数字称重传感器限定在预定区域内，用于提供过载和冲击的冗余安全设计。图4中用一个三角形表示一个限位保护装置420。例如，当负载从测力元件410上方掉落至数字称重传感器上，限位保护装置420可以保证数字称重传感器不会向下移动。图4不用于限制限位保护装置420的数量、结构和具体位置。

本发明的数字称重传感器具有多重的冗余设计，包括但不限于对测力元件这样的称量元件的冗余设计，包括模数转换模块、处理器、存储单元等在内的检测电路的冗余设计，包括电源单元、通信单元、警报单元等功能元件的冗余设计，以及包括限位保护装置的安全设施的冗余设计，从多个角度为数字称重传感器提供多重安全保证，大大提高了数字称重传感器的可靠性。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

Claims (11)

1.一种具有冗余设计的数字称重传感器，其特征在于，包括：

至少一个测力元件，检测所述数字称重传感器的受载力，每个所述测力元件将所述受载力转换为一路模拟信号；以及

一个或多个模数转换模块，每个所述测力元件与至少一个所述模数转换模块相连接，所述模数转换模块将所述模拟信号转换为数字信号。

2.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，每个所述测力元件与至少两个所述模数转换模块相连接。

3.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括一个或多个处理器，每个所述模数转换模块与至少一个所述处理器相连接，所述处理器处理所述数字信号。

4.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括一个或多个存储单元，每个所述处理器与至少一个所述存储单元相连接。

5.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括一个或多个电源单元，每个所述处理器与至少一个所述电源单元相连接。

6.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括一个或多个通信单元，每个所述处理器与至少一个所述通信单元相连接，所述通信单元适于与外部设备进行通信。

7.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括警报单元，所述处理器比较所述数字信号和阈值获得比较结果，根据所述比较结果提示所述警报单元发出报警。

8.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，所述处理器计算至少两路所述数字信号之间的差异，所述差异用于故障趋势分析。

9.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，在所述数字称重传感器的加载过程中，所述处理器比较至少两路所述数字信号获得动态比较结果。

10.如权利要求9所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括警报单元，所述处理器比较所述动态比较结果和动态阈值范围获得动态比较结果，根据所述动态比较结果提示所述警报单元发出报警。

11.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括一个或多个限位保护装置，所述限位保护装置将所述数字称重传感器限定在预定区域内。

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