CN113390475A - 一种多功能计量模块及旋转计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能计量模块，包括：前端采集电路，用于采集和/或修正介质的流动信息，并将采集和/或修正后的流动信息转换成前端电信号；所述的前端电信号包括采样电信号和/或采样修正电信号；信号处理电路，连接前端采集电路，用于对前端电信号进行处理；驱动电路，分别与前端采集电路和信号处理电路连接，一次或多次驱动，用于将弱信号转化为具有驱动能力的强信号，并且调节信号处理电路上的电容电压；控制器，与信号处理电路连接。该多功能计量模块，通过增加基准线圈，以及连接于基准线圈的信号处理电路，并通过采样修正电信号补偿修正感应线圈得到的采样值，抑制器件老化或温度漂移带来的误差，并能准确判断模块是否脱离。

Description

一种多功能计量模块及旋转计量装置

技术领域

本发明涉及计量检测装置技术领域，特别涉及一种多功能计量模块及旋转计量装置。

背景技术

现有的计量模块，一般采用激励线圈和感应线圈配合来实现计量，但是在实际使用过程中，当模块与旋转托盘两者之间的距离设置的较远时，无法可靠地检测模块与旋转托盘是否脱离； 同时，当模块上元器件老化，或温度漂移时，会产生采样值偏差，进一步地，可能无法正常计量。更有甚者在使用过程中人为将检测模块拆除，导致计量装置不能够正常计量。

例如，中国专利文献（公告日：2019年3月8日，公告号：CN 109443462A）公开了一种防磁计量检测装置，包括绕轴线旋转的托盘和位于托盘上方且固定不动的旋转检测模块，所述托盘上表面呈部分金属化状态，所述旋转检测模块包括依次相连的激励电路、PCB线圈和信号处理电路，所述PCB线圈包括与托盘上平面相平行且圆心位于所述轴线上的激励线圈和在激励线圈内部等角度周向排列的多个感应线圈，且相邻连个感应线圈两两配对，其特征在于，所述信号处理电路包括开关放大电路和连接于所述开关放大电路采样端的采样电路，且每个感应线圈的一端分别连接至开关放大电路的输入端。

中国专利文献（公告日：2019年10月15日，公告号：CN209495737U）公开了一种计量装置和计量仪，包括采样电路，用于采集流体的流动信息，并将所述流动信息转换成第一电信号；信号处理电路，连接所述采样电路，用于根据所述第一电信号生成第二电信号，所述第二电信号包括所述信号处理电路对所述第一电信号的处理结果信息；处理器，连接所述信号处理电路，用于根据所述第二电信号确定所述流体的流量信息。

但是上述技术方案在实际使用过程中也存在无法可靠地检测模块是否脱离、产生采样值偏差，无法正常计量等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的无法可靠地检测模块是否脱离、产生采样值偏差，无法正常计量等问题，而提供一种能够修正感应线圈得到的采样值，抑制器件老化或温度漂移带来的误差，并能准确判断模块是否脱离的多功能计量模块及旋转计量装置。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种多功能计量模块，包括：

前端采集电路，用于采集和/或修正介质的流动信息，并将采集和/或修正后的流动信息转换成前端电信号；所述的前端电信号包括采样电信号和/或采样修正电信号；

信号处理电路，连接前端采集电路，用于对前端电信号进行处理；

驱动电路，分别与前端采集电路和信号处理电路连接，一次或多次驱动，用于将弱信号转化为具有驱动能力的强信号，并且调节信号处理电路上的电容电压；

控制器，与信号处理电路连接。

该多功能计量模块，通过对整个模块进行全新设计，在原有采集的基础上，增加设计具有对介质流动信息进行采集补偿修正的功能，通过该功能电路产生的采样修正电信号对采集电路采集的流动信息即采样电信号进行来补偿修正，用以抑制器件老化或温度漂移等带来的误差，在使用时，当该多功能计量模块与配套使用部件之间处于正常设计间距时，无论是对采集信号的采样值还是对采集补偿修正信号的采样值没有影响，能够正常体现采样值，当由于外界因素变化，如器件老化或温度漂移带来误差时，采集补偿修正信号输出的电压差会发生变化，通过该变化可以得知采样值发生了变化，产生一定的偏差，然后根据该偏差的大小，将该偏差补偿到采样电路上去，对内部软件预先设定的参考值进行修正，使得参考值始终处于整个采样波形（正弦波）的中间位置，有利于精确计量，从而能够保证得到的采样值的准确性和稳定性，以抵消器件不一致或高低温对器件的影响，提升稳定性。如果当该多功能计量模块与配套使用部件脱离时，采样修正电信号值会产生很大的变化，如果该变化持续一段时间不变，则说明存在距离或者拆除故障，可以此来判断模块脱离。

作为优选，所述的前端采集电路包括激励线圈、多个感应线圈和基准线圈。激励线圈在使用过程中与驱动电路中的激励电路连接，并通过激励电路输出的激励信号产生电磁场，感应线圈在使用过程中与由介质流动带动的旋转部件非接触式感应连接，将介质流动产生的流动信息转化为电信号，实现了无磁化非接触式将介质的流动信息转换为电信号，实现了信息采集的稳定性和精确性。在前端采集电路中增加基准线圈，基准线圈与感应线圈一样，可得到采样修正电信号，并以此采样修正电信号来补偿修正感应线圈得到的采样值，用以抑制器件老化或温度漂移带来的误差。

作为优选，所述的基准线圈与激励线圈同轴设置，所述的基准线圈为圆形。

作为优选，所述的激励线圈、基准线圈、感应线圈三者设置在同一PCB层上。

作为优选，所述的激励线圈、基准线圈、感应线圈三者分层设置在不同的PCB层上。

作为优选，所述的信号处理电路采用电阻、三极管和电容的组合方式实现。信号处理电路对应感应线圈和基准线圈进行布设，每个感应线圈以及基准线圈分别对应至少一组电阻、三极管和电容组成的信号处理电路，通过基准线圈对应的电容的电压差来体现基准线圈采集的结果，如果该电压差始终保持一基本恒定值，则说明装置正常，如果该电压差发生较大变化，则说明外部环境发生了变化，并通过内部软件将该变化补偿到感应线圈的采样值中，使得得到的采样值稳定和准确。同时，还能够通过基准线圈电压差的变化来判断该多功能计量模块与装置是否脱离。

作为优选，所述的驱动电路包括：

激励电路，用于激励激励线圈；

信号负电压电路，用于控制信号处理电路中三极管的导通；

脉宽控制电路；用于控制前端采集电路的工作时间；

逻辑门电路，分别与激励电路、信号负电压电路和脉宽控制电路的一端连接；其中，

所述的激励电路的另一端与前端采集电路连接，所述的信号负电压电路另一端与信号处理电路连接，所述的脉宽控制电路的另一端与控制器连接。

驱动电路包括信号负电压电路，逻辑门电路，激励电路，脉宽控制电路，用于一次或多次驱动，以调节采样电容上剩余电压趋于中间状态，以抵消器件不一致或高低温对器件的影响，提升稳定性；驱动电路实现了将弱信号转化为具有驱动能力的强信号。驱动电路中设置的激励电路，通过激励电路输出激励信号，从而实现对激励线圈的激励；设置信号负电压电路，则是用于控制信号处理电路中三极管的导通；脉宽控制电路，用于控制采集电路的工作时间。设置逻辑门电路用于将脉宽控制电路输出的信号分两路分别输出至信号负电压电路和激励电路。

作为优选，所述的控制器内含有AD采样模块，所述的控制器为低功耗处理器，休眠电流小于10微安；所述的控制器还连接有接口电路和用以抵消外部电源波动的电源电路；所述的电源电路还连接驱动电路。采用控制器可以实现低功耗，控制器休眠电流小于10UA以内，控制器含10位或12位AD采样模块。而电源电路的设置是为了用于抵消外部电源波动，从而保证该模块在使用过程中的电流的稳定性，实现采样值的准确性。

本发明实现其第二个发明目的所采用的技术方案是：一种旋转计量仪，包括：所述的多功能计量模块，以及，

旋转部件，通过介质流动驱动旋转的部件；

感应片，设置在旋转部件上且与旋转部件同步旋转；

其中，所述的多功能计量模块设置在感应片的上方且与感应片配合对介质流量信息进行采集和修正。

作为优选，所述的旋转部件包括驱动件和旋转件，所述的感应片在旋转件表面上的投影面积小于旋转件的表面积。

本发明的有益效果是：该多功能计量模块，通过增加基准线圈，以及连接于基准线圈的信号处理电路，并通过采样修正电信号补偿修正感应线圈得到的采样值，抑制器件老化或温度漂移带来的误差，并能准确判断模块是否脱离。有效解决了现有技术存在的无法可靠地检测模块是否脱离、产生采样值偏差，无法正常计量等问题。

附图说明

图1是本发明多功能计量模块的一种结构示意图；

图2是本发明中前端采集电路的一种结构示意图;

图3是本发明旋转计量装置的一种结构示意图；

图4是本发明多功能计量模块的电路图；

图中：100、多功能计量模块，200、旋转部件，300、感应片，400、驱动件，500、旋转件，1、前端采集电路，2、信号处理电路，3、驱动电路，4、控制器，5、激励线圈，6、感应线圈，7、基准线圈，8、激励电路，9、信号负电压电路，10、脉宽控制电路，11、逻辑门电路，12、接口电路，13、电源电路。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1：

在图1、图2所示的实施例中，一种多功能计量模块，包括：

前端采集电路1，用于采集和/或修正介质的流动信息，并将采集和/或修正后的流动信息转换成前端电信号；所述的前端电信号包括采样电信号和/或采样修正电信号；

信号处理电路2，连接前端采集电路1，用于对前端电信号进行处理；

驱动电路3，分别与前端采集电路1和信号处理电路2连接，一次或多次驱动，用于将弱信号转化为具有驱动能力的强信号，并且调节信号处理电路上的电容电压；

控制器4，与信号处理电路2连接，所述的控制器内含有AD采样模块，所述的控制器为低功耗处理器，休眠电流小于10微安；

所述的前端采集电路1包括激励线圈5、用于采样的多个感应线圈6和采样并对感应线圈采样值进行修正的基准线圈7。

所述的基准线圈7与激励线圈5同轴设置，所述的基准线圈7为圆形。

所述的激励线圈5、基准线圈7、感应线圈6三者设置在同一PCB层上。本实施例中采用设置在同一PCB板上。

所述的激励线圈5、基准线圈7、感应线圈6三者分层设置在不同的PCB层上。

所述的信号处理电路2采用电阻、三级管和电容的组合方式实现。

所述的驱动电路3包括：

激励电路8，用于激励激励线圈5；

信号负电压电路9，用于控制信号处理电路2中三极管的导通；

脉宽控制电路10；用于控制前端采集电路1的工作时间；

逻辑门电路11，分别与激励电路8、信号负电压电路9和脉宽控制电路10的一端连接；其中，

所述的激励电路8的另一端与前端采集电路1连接，所述的信号负电压电路9另一端与信号处理电路2连接，所述的脉宽控制电路10的另一端与控制器4连接。

所述的控制器4还连接有接口电路12和用以抵消外部电源波动的电源电路13；所述的电源电路13还连接驱动电路3。具体的电源电路13与逻辑门电路11连接。

本实施例中，控制器4含10位或12位AD采样模块，其具有低功耗的特点，休眠电流小于10UA以内。设置电源电路用于抵消外部电源波动对装置带来的影响。设置信号负电压电路，用于控制信号处理电路中三极管的导通。设置脉宽控制电路，用于控制采集电路的工作时间，有效降低功耗和减少外部干扰。设置逻辑门电路用于将脉宽控制电路输出的信号分两路分别输出至信号负电压电路和激励电路。

本实施例中，以三个感应线圈及一个基准线圈为例进行说明。每个感应线圈6均设置一路三极管，对应的，三极管上连接有电阻和电容，具体的：

如图4所示，三个感应线:6分别为感应线圈L1、感应线圈L2、感应线圈L3，对应于感应线圈L1设置有三极管Q1、电阻R1、电容C1，对应于感应线圈L2设置有三极管Q2、电阻R2、电容C2，对应于感应线圈L3设置有三极管Q3、电阻R3、电容C3。其中，三个感应线圈的一端相互连接，感应线圈L1的另一端分别连接电阻R1的一端和三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极分别连接电容C1和控制器；感应线圈L2的另一端分别连接电阻R2的一端和三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极分别连接电容C2和控制器；感应线圈L3的另一端分别连接电阻R3的一端和三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极分别连接电容C3和控制器；三极管Q1、Q2、Q3的发射极相互连接并且连接到信号负电压电路。三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3的基极对应连接感应线圈，用于接收并放大感应线圈的弱电流信号。

一个基准线圈7为L4，对应于基准线圈L4设置有三极管Q4、电阻R4、电容C4和三极管Q5、电阻R5、电容C5，其中，基准线圈L4的一端分别与电阻R4一端和三极管Q4基极连接，基准线圈的另一端分别与电阻R5一端和三极管Q5基极连接，三极管Q4的集电极分别与电容C4和控制器连接，三极管Q5的集电极分别与电容C5和控制器连接，三极管Q4、Q5的发射极相互连接且与驱动电路中的信号负电压电路连接。基准线圈采集的结果体现为C4、C5两电容上的电压差，并以此来修正感应线圈得到的采样值，用以抑制器件老化或温度漂移带来的误差。基准线圈采用圆形时，感应片旋转对基准线圈的采样值没有影响，当计量模块与感应片脱离时，基准线圈的采样值变化很大，可以此来判断模块脱离。

如图3所示，一种旋转计量装置，包括所述的多功能计量模块100，以及，

旋转部件200，通过介质流动驱动旋转的部件；

感应片300，设置在旋转部件300上且与旋转部件300同步旋转；

其中，所述的多功能计量模块100设置在感应片300的上方且与感应片300配合对介质流量信息进行采集和修正。

所述的旋转部件200包括与介质接触的驱动件400和与介质隔离的旋转件500，所述的感应片300在旋转件500表面上的投影面积小于旋转件的表面积。或者，旋转部件200包括分别与介质隔离设置的驱动件400和旋转件500，该方案应用于干式计量装置。

该旋转计量装置使用时，液体或气体等介质流动时，旋转部件在介质的驱动下会带动感应片同步转动，根据实际液体或气体等介质的流向，按顺时针或者逆时针方向转动，旋转件可以根据实际设计需要设置成圆形，以及多边形等非圆形，本实施例采用圆形，旋转件上设置有感应片，感应片可以是镶嵌在旋转件上表面，也可以是通过涂敷的方式形成在旋转件上表面，还可以是通过连接件连接在旋转件的上方，而多功能计量模块100设置在旋转件的上方且为不接触式设置，比如，多功能计量模块100可以单独设置在计量仪的外部，在使用时只需要将多功能计量模块卡在计量仪上，就能够实现对介质的流量进行计量，这也使得组装更加方便，维护更加快捷。

本实施例中多功能计量模块100为一印刷电路板，可以为双层板或多层板，一般情况下层数的设计是以2的倍数进行设计的，且最少包括线圈层和位于线圈层上方的屏蔽层，本实施例选择四层结构，从上至下依次为：第一层为元器件层，第二层为屏蔽层，第三层为空层，第四层为线圈层；当模块运行起来后屏蔽层很好的隔离了线圈层对元器件层的干扰，同时也很好的隔离了其他电磁波对线圈层的干扰。

本实施例中，多功能计量模块100包括印制在印刷电路板上的一个激励线圈、一个与激励线圈同轴设置的圆形基准线圈和三个感应线圈，三个感应线圈大小一致，三个感应线圈均布在基准线圈包围的圆形内。

检测转动圈数至少需要一个感应线圈，如需判断转动方向则至少需要两个感应线圈。本实施例采用三个感应线圈，三个感应线圈独立采样。

图4为本实施例中包括一个激励线圈、一个基准线圈和三个感应线圈的电路图。前端电信号包括采样电信号和/或采样修正电信号。

激励线圈连接激励电路，激励电路可以输出周期性激励信号，激励线圈可以根据激励信号产生周期性变化的电磁场。三个感应线圈中每个感应线圈之间相互连接，每个感应线圈与激励线圈耦合连接，每个感应线圈独立采样，得到采样电信号，而基准线圈与激励线圈耦合，得到采样修正电信号，正常情况下，采样电信号与采样修正电信号基本相符，如器件老化或温度漂移带来误差时，采样修正电信号输出的电压差会发生变化，通过该变化可以得知采样值发生了变化，产生一定的偏差，然后根据该偏差的大小，将该偏差补偿到采样电路上去，对内部软件的设定的参考值进行修正，使得参考值始终处于整个采样波形（正弦波）的中间位置，有利于精确计量。

基准线圈与激励线圈耦合连接，基准线圈采集的结果体现为C4、C5两电容上的电压差，基准线圈与感应线圈一样，在介质流动过程中可得到采样值，并以此采样值来修正感应线圈得到的采样值，用以抑制器件老化或温度漂移带来的误差。基准线圈采用圆形时，感应片旋转对基准线圈的采样值没有影响，当计量模块与感应片脱离时，基准线圈的采样值变化很大，可以此来判断模块脱离。

在旋转计量装置工作时， 激励电路输出周期性的激励脉冲给激励线圈，激励线圈L0产生变化的电磁场，三个感应线圈(L1、L2和L3)产生相应的感应电流，激励电路输出激励脉冲的同时，信号负电压电路产生负电压至三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3，以使每个三极管均处于导通状态。电容C1、C2、C3分别电连接于控制器的端口，该端口既可作为AD采样功能，也可作为普通IO口输出电平，正常情况下， IO口为高电平，此时电容C1、电容C2、电容C3开始充电，充电至电源电压。激励电路输出激励脉冲的前一刻，该端口切换为AD采样功能，当激励电路输出激励脉冲、且同时信号负电压电路产生了负电压时，三极管Q1、Q2、Q3导通，电容C1、电容C2、电容C3通过各自连接的三极管开始放电。

三个感应线圈与激励线圈耦合产生的感应电流会影响三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3的基极电流。由于三个感应线圈在转动过程中与激励线圈耦合产生的电流不同，因此，其对电容C1、C2、C3放电的电流也不同，得到三个电容电压值也不相同，可以根据感应线圈感应电流的大小来判断感应片所处的位置，当哪个感应线圈感应的电流大时，则可以推断该感应线圈与感应片距离较远，当感应线圈的感应电流最小则可以推断该感应线圈处于感应片的正上方。这是正常的测量状态。

对于基准线圈L4，其工作时序与感应线圈类似，激励电路输出激励脉冲至激励线圈L0时，信号负电压电路产生负电压，使三极管Q4、Q5导通，根据基准线圈L4与激励线圈L0的耦合关系，产生的感应电流可能是从Q4的基极经过L4再流向Q5的基极，也可能是反方向的，现以感应电流方向从Q4的基极经过L4再流向Q5的基极为例来说明，此种情况下电流从Q4基极流向基准线圈L4，因此Q4的基极电流比Q5的基极电流要小，通过Q4放电的电容C4的放电电流更小，C5的放电电流更大，因此最终C4上的电压要大于C5的电压，C4的电压值减去C5的电压值得到的差值，与基准线圈L4上的感应电流呈对应关系，即基准线圈上的感应电流越大，C4、C5两个电容的压差越大。

现以120度的感应片为例，作进一步描述。随着感应片周期性旋转，采样电容C1、C2、C3上的电压呈类似正弦波的不规则波形，高低周期性变化，软件处理时，设一初始参考值Vref处于正弦波峰峰值的中间值，若采样值大于Vref，则认为感应片接近于当前感应线圈下方，若采样值小于Vref，则认为感应片远离当前感应线圈。因此Vref的值很重要，若该值取值不当，会导致无法计量。运行过程中，由于外界环境因素，或器件老化，会使实际电容上采样波形慢慢漂移，使得整个波形向上或向上远离Vref，直至完全无法计量。

为了保证测量的准确性，本申请通过一基准线圈实现对采样值进行修正补偿，从而保证采样值的准确性和稳定性。基准线圈由于采用与激励线圈同轴设置的圆形结构，在介质流动过程中，介质带动感应片旋转，感应片与基准线圈交叠的面积大小保持稳定，激励线圈与基准线圈之间耦合的磁场能量也保持稳定，例如将该恒定磁场之间输出在电容C4、C5上的电压差设定一定值a，正常情况下a值不发生变化，而且为了降低功耗，基准线圈的采样频率远远低于感应线圈的采样频率。当由于外界因素变化，如器件老化或温度漂移带来误差时，C4、C5上的输出的电压差会发生变化，通过该变化可以得知采样值发生了变化，产生一定的偏差，然后根据该偏差的大小，补偿到前述参考值Vref中，使得Vref能一直保持在整个采样波形的中间，进而能够保证计量的准确性和稳定性。

同时，该基准线圈还能够检测多功能计量模块与旋转计量装置是否被拆离。当该多功能模块正常应用到旋转计量装置上时，采样值会相对恒定。而当电容C4、C5上的电压差突然变化很大，如果变化至另一个稳定值b，且该稳定值b持续较长一段时间，则说明该多功能计量模块与旋转计量装置上的感应片距离过大或者是被从旋转计量装置上拆除。

以上所述之具体实施例仅为本发明较佳的实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化理应均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能计量模块，其特征在于包括：

前端采集电路（1），用于采集和/或修正介质的流动信息，并将采集和/或修正后的流动信息转换成前端电信号；所述的前端电信号包括采样电信号和/或采样修正电信号；

信号处理电路（2），连接前端采集电路，用于对前端电信号进行处理；

驱动电路（3），分别与前端采集电路和信号处理电路连接，一次或多次驱动，用于将弱信号转化为具有驱动能力的强信号，并且调节信号处理电路上的电容电压；

控制器（4），与信号处理电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的前端采集电路（1）包括激励线圈（5）、多个感应线圈（6）和基准线圈（7）。

3.根据权利要求2所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的基准线圈（7）与激励线圈（5）同轴设置，所述的基准线圈为圆形。

4.根据权利要求2所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的激励线圈（5）、基准线圈（7）、感应线圈（6）三者设置在同一PCB层上。

5.根据权利要求2所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的激励线圈（5）、基准线圈（7）、感应线圈（6）三者分层设置在不同的PCB层上。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的信号处理电路（2）采用电阻、三极管和电容的组合方式实现。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的驱动电路（3）包括：

激励电路（8），用于激励激励线圈；

信号负电压电路（9），用于控制信号处理电路中三极管的导通；

脉宽控制电路（10）；用于控制前端采集电路的工作时间；

逻辑门电路（11），分别与激励电路（8）、信号负电压电路（9）和脉宽控制电路（10）的一端连接；其中，

所述的激励电路（8）的另一端与前端采集电路（1）连接，所述的信号负电压电路（9）另一端与信号处理电路（2）连接，所述的脉宽控制电路（10）的另一端与控制器（4）连接。

8.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多功能计量模块，其特征在于：所述的控制器内含有AD采样模块，所述的控制器为低功耗处理器，休眠电流小于10微安；所述的控制器（4）还连接有接口电路（12）和用以抵消外部电源波动的电源电路（13）；所述的电源电路（13）还连接驱动电路（3）。

9.一种旋转计量装置，其特征在于：包括权利要求1至8任意一项所述的多功能计量模块，以及，

旋转部件（200），通过介质流动驱动旋转的部件；

感应片（300），设置在旋转部件上且与旋转部件同步旋转；

其中，所述的多功能计量模块设置在感应片（300）的上方且与感应片（300）配合对介质流量信息进行采集和修正。

10.根据权利要求9所述的一种旋转计量装置，其特征在于：所述的旋转部件（200）包括驱动件（400）和旋转件（500），所述的感应片（300）在旋转件（500）表面上的投影面积小于旋转件（500）的表面积。

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