CN114186401B - 人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法 - Google Patents
人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,属于呼吸防护技术领域。包括如下步骤:S10、针对使用者,根据其吸气时口鼻处负压值变化与空间坐标的关系,建立三维负压图谱,并确定使用者的个体有效吸程区;S20、设定送风点,根据三维负压图谱,确定该送风点的最大负压点送风角度αM、最大送风距离送风角度αF、最高送风位置送风角度αH和最低送风位置送风角度αL四种送风角度;S30、建立送风量计算模型,计算各送风角度下的送风量。本发明能基于人体有效吸程区时变三维负压图谱精准量化多孔风束的最佳送风角度及最低送风量,并最终实现基于翼点动脉压监测的多孔风束送风角度及风量实时调控。
Description
技术领域
本发明属于呼吸防护技术领域,更具体地说,涉及人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法。
背景技术
在《职业性尘肺病的诊断标准》(GBZ70-2015)中将职业性尘肺病定义为:“在职业活动中长期吸入生产性矿物性粉尘并在肺内潴留而引起的以肺组织弥漫性纤维化为主的疾病”,由此可见,尘肺病是由口鼻吸入外部空气中浮游粉尘诱发,而由于人体口鼻吸气过程中产生的吸气流量大小有限,能够被人体口鼻吸入的含尘空气也仅局限于口鼻部的邻近区域,这也是现行国家职业卫生标准《工作场所空气中有害物质监测的采样规范》(GBZ159-2004)中规定在个体粉尘采样过程中,需将采样头进气口设置于口鼻附近的主要原因。
因此,从尘肺病预防的角度,仅需将口鼻附近可吸入区域内的含尘空气净化,从此角度出发,现有的预防尘肺举措大体可分为两大类:1)通过工程减、降、除尘技术措施降低整体作业场所内的粉尘浓度,然而,由于近年来产尘作业过程中机械化水平、生产效率的提高,导致作业场所产尘量、粉尘浓度飙升,工程措施难以取得理想的减、降、除尘效果,部分作业场所粉尘浓度仍呈成百上千倍的严重超标,这也是导致近十年来我国尘肺病患以每年近2万例激增的主因;2)通过佩戴个体防尘面罩,以面罩密封口鼻部,依靠过滤元件对含尘气流的过滤净化,在面罩内创造出一个洁净空气微环境,供给口鼻呼吸,就其过滤净化的动力源而言,可分为自吸式和动力式。
顾名思义,自吸式主要是依靠人体呼吸肌做功来克服滤料阻力、净化含尘气流,因此,其吸气阻力较高,佩戴过程中憋闷、不舒适,且其指定防护因数仅为10(即仅可将面罩内粉尘浓度降至外界的1/10),在高浓度粉尘环境中应用可靠性较差;而动力式通常将滤棉、风机、电池依次排布集成并捆于接尘工人腰间,风机在电池驱动下抽吸外界含尘空气流经滤棉,过滤净化后的空气经由腰间至面罩的长导气管被输送至面罩内供给呼吸;相比而言,动力式克服了自吸式高吸气阻力的弊端,但动力式的面罩大多为头戴式,难以与诸多工矿场所要求佩戴的安全头盔契合,且由于工矿产尘场所生产条件复杂,长柔性导气管会在一定程度上干扰工人日常作业。
除了上述缺陷外,现有个体防尘装备中存在的一个主要的共性问题是需在人体头面部密封一面罩以创造一清洁空气微环境,而现有研究表明,佩戴面罩会对接尘工人造成如下危害:1)面罩与人体头面部要达到良好的密封效果,需依靠头/耳带对面罩施加作用力,使其紧扣于面部皮肤,此长工时扣压作用力加之面部排汗等因素,极易导致面部挫伤、诱发毛囊炎等皮肤疾病;2)面罩就其本质是人为的创造出一微型洁净空间,但此空间内(即面罩内)不可避免的会存在死腔区间,导致人体呼出的CO2、湿热空气在此区间积聚,进而被人体二次吸入,诱发头痛、眩晕、憋闷等不适感,导致工作效率降低,危害呼吸健康;3)面罩会在一定程度上影响视野,使得接尘工人在本就粉尘飞扬、视线不清的作业环境中视物更加困难,影响工作效率,甚至诱发工伤事故,危及接尘工生命安全;4)面罩会模糊化佩戴者发音,阻碍工人之间的正常沟通交流,易造成指令的错误解读,降低生产效率,甚至引发安全事故。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一,根据本发明的一方面,提供了一种人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,包括如下步骤:
S10、针对使用者,根据其吸气时口鼻处负压值变化与空间坐标的关系,建立三维负压图谱,并确定使用者的个体有效吸程区;
S20、设定送风点,根据三维负压图谱,确定该送风点的最大负压点送风角度αM、最大送风距离送风角度αF、最高送风位置送风角度αH和最低送风位置送风角度αL四种送风角度;
S30、建立送风量计算模型,计算各送风角度下的送风量。
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,所述步骤S10具体包括:
S11、在使用者口鼻前方均匀分布i个空间网格节点,并以鼻中隔中点处为原点O,建立三维笛卡尔直角坐标系,并标定各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi);
S12、测量使用者在吸气过程中各空间网格节点产生的负压值ΔPi;
S13、将各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi)及各空间网格节点的负压值ΔPi代入有限元进行分析反演,获取三维负压图谱ΔP=h(xi,yi,zi,ti),其中负压为0的图谱边界即为使用者个体有效吸程区的边缘。
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,所述步骤S20具体包括:
S21、在三维负压图谱中设定送风点坐标(xs,ys,zs),记为点S;
S22、根据三维负压图谱,确定最大负压值ΔPmax所在的坐标(x1,y1,z1),记为点M;
根据三维负压图谱边界及送风点S,确定最大送风距离所在的坐标(x2,y2,z2),记为点F;
过送风点S作xOz平面的平行面,并将该平行面与三维负压图谱边界相交的最高位置处的切点坐标(x3,y3,zmax),记为点H,将该平行面与三维负压图谱边界相交的最低位置处的切点坐标(x4,y4,zmin),记为点L;
S23、过送风点S作xOy平面的平行面为辅助面,分别连接点S与点M、点F、点H以及点L,即SM、SF、SH以及SL,在辅助面上作SM、SF、SH及SL的投影,通过各点坐标值建立各线段与辅助面夹角的正切表达式tanα=g(x,y,z);
S24、通过反正切表达式获取送风点S的四种送风角度,
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,所述步骤S30中,送风量计算模型为:
其中,Qi为各送风角度αM、αF、αH或αL的送风量;r0为送风点的孔口半径;β为紊流系数;si为SM、SF、SH或SL的长度;ΔPi为在点M、点F、点H或点L处三维负压图谱的负压值;空气密度ρ取40℃条件下饱和空气密度1.097kg/m3。
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,紊流系数β的取值范围为0.066~0.240。
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,还包括步骤:
S14、监测使用者翼点动脉压随时间的变化,构建时变曲线t=f(R),其中t为时间,R为使用者翼点动脉压;
S15、根据时变曲线与三维负压图谱,构建基于翼点动脉压的三维负压图谱ΔP0=h(xi,yi,zi,f(R));
所述步骤S20和步骤S30根据步骤S15构建的基于翼点动脉压的三维负压图谱ΔP0进行。
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,所述步骤S14中翼点动脉压的测定,通过使用者佩戴卡扣式头带,在头带左右内侧紧贴人体翼点处各设置一高精度微压传感器实现。
根据本发明实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可选地,当实时翼点动脉压变化时,基于三维负压图谱ΔP0计算的送风量也进行相应的更新。
有益效果
相比于现有技术,本发明至少具备如下有益效果:
本发明的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,可用于同步获取个体翼点动脉压时变曲线及个体有效吸程区时变三维负压图谱,建立三维负压图谱基于翼点动脉压的数学表达,基于人体有效吸程区时变三维负压图谱精准量化多孔风束的最佳送风角度及最低送风量,并最终实现基于翼点动脉压监测的多孔风束送风角度及风量实时调控;本发明可为在有效吸程区内构建正压无尘区提供必要的基础参数,推进呼吸防护装置的基础研究,助力新型低能耗无面罩开放式多孔风束送风防尘呼吸器的研发,以期最终实现无面罩、零阻力、精准化人体眼、面、口、鼻部的高效舒适防尘,有效预防尘肺,保护呼吸健康。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例,而非对本发明的限制。
图1示出了空间网格节点负压值测定装置示意图;
图2示出了负压图谱示意图;
图3示出了个体翼点动脉压监测头带示意图;
图4示出了开放式送风呼吸器及S点设定位置示意图;
图5示出了实施例1的流程图;
图6示出了实施例2的流程图;
附图标记:
1、松紧发带;2、高精度微压传感器;3、空间网格节点;4、微压计。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
现行的尘肺预防举措中存在着诸多问题,如自吸式吸气阻力较高,佩戴过程中憋闷、不舒适,在高浓度粉尘环境中应用可靠性较差,动力式难以与诸多工矿场所要求佩戴的安全头盔契合,佩戴后易影响作业,舒适感差,可能存在一定身体损害;而开放式送风装置及送风方法能有效解决上述问题。
开放式送风装置以及送风方法是基于人体有效吸程区进行设计的,所述人体有效吸程区是指:人体吸气在口鼻附近产生的负压区,区内负压值随口鼻处向外部空间延伸逐渐递减,在此负压梯度的作用下,有效吸程区内的浮游粉尘会逐步向口鼻运移并最终被人体吸入,有效吸程区边界处负压值为0(即与外界大气压相同),边界以外无压力梯度/压差存在,则有效吸程区以外的浮游粉尘不会被人体吸入;
因此,从尘肺预防的角度,仅需以洁净风流冲刷的方式,将人体有效吸程区内的负压含尘区转变为正压无尘区,即可有效防止含尘空气被吸入,此洁净冲刷风流可由集成于颅后的空气过滤净化装置及布设于前额与下巴处的开放式多孔风束发生装置协同工作产生,如图4所示,此开放式多孔风束防尘技术克服了现行面罩式个体防尘的损伤皮肤/危害呼吸/妨碍视野/影响交流、自吸式的高阻低效、动力式的长导气管干扰作业及腰部负载过重等等一系列问题,可与安全头盔完美兼容,零呼吸阻力,高防尘效能,达到有效保护呼吸健康、预防尘肺的目的,具有广阔的应用前景。
在此基础上,为实现开放式多孔风束对人体有效吸程区的全方位无死角覆盖,需要根据个体有效吸程区的不同,及呼吸过程中有效吸程区的形态变化对各孔风束角度做出精准调整;要将负压含尘区转变为正压无尘区,需根据呼吸过程中有效吸程区内各处负压值变化精准调控各孔风束的送风量,而现有技术中未有人开展与此相关的基础研究,鉴于此,本发明提出人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,用于获取不同个体特征人群在不同作业强度下有效吸程区形态变化、区内各处负压值变化,并针对性确定不同有效吸程区形态时各孔风束角度、不同有效吸程区负压图谱状态下各孔风束送风量,从而为开放式多孔风束送风防尘呼吸器提供有效的控制方法,以期最终实现无面罩、零阻力、精准化个体防尘,有效预防尘肺,保护呼吸健康。
实施例1
本实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,如图5所示,包括如下步骤:
S10、针对使用者,根据其吸气时口鼻处负压值变化与空间坐标的关系,建立三维负压图谱,并确定使用者的个体有效吸程区。
S10的具体步骤为:
S11、在使用者口鼻前方均匀分布i个空间网格节点,可利用均匀布设于墙壁、地板上的纵横多排激光灯产生的光线在使用者口鼻前方呼吸带高度形成分布均匀的空间网格节点,并以鼻中隔中点处为原点O,建立三维笛卡尔直角坐标系,并标定各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi);
S12、通过高精度微压传感器2测量使用者在吸气过程中各空间网格节点产生的负压值ΔPi,如图1所示;
S13、将各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi)及各空间网格节点的负压值ΔPi代入有限元进行分析反演,获取三维负压图谱ΔP=h(xi,yi,zi,ti),如图2所示,其中负压为0的图谱边界即为使用者个体有效吸程区的边缘。
S20、设定送风点,根据三维负压图谱ΔP=h(xi,yi,zi,ti),确定该送风点的最大负压点送风角度αM、最大送风距离送风角度αF、最高送风位置送风角度αH和最低送风位置送风角度αL四种送风角度。
S20的具体步骤为:
S21、在三维负压图谱中设定送风点坐标(xs,ys,zs),记为点S,如图4所示,送风点即为开放式多孔风束送风防尘呼吸器各送风口在三维负压图谱的三维笛卡尔直角坐标系中的位置;
S22、根据三维负压图谱,确定最大负压值ΔPmax所在的坐标(x1,y1,z1),记为点M;
根据三维负压图谱边界及送风点S,确定最大送风距离所在的坐标(x2,y2,z2),记为点F;
过送风点S作xOz平面的平行面,并将该平行面与三维负压图谱边界相交的最高位置处的切点坐标(x3,y3,zmax),记为点H,将该平行面与三维负压图谱边界相交的最低位置处的切点坐标(x4,y4,zmin),记为点L;
S23、过送风点S作xOy平面的平行面为辅助面,分别连接点S与点M、点F、点H以及点L,即SM、SF、SH以及SL,在辅助面上作SM、SF、SH及SL的投影,通过各点坐标值建立各线段与辅助面夹角的正切表达式tanα=g(x,y,z);
S24、建立反正切表达式α=arctan(g(x,y,z)),通过反正切表达式获取送风点S的四种送风角度,
上述四种送风角度即为多孔风束送风防尘呼吸器在送风点S的四种需要调整的送风角度。
S30、建立送风量计算模型Q=Q(x,y,z,ΔP),计算各送风角度下的送风量。
所述步骤S30中,送风量计算模型为:
其中,Qi为各送风角度αM、αF、αH或αL的送风量,m3/s;r0为送风点的孔口半径,m;β为紊流系数;si为SM、SF、SH或SL的长度,m;ΔPi为在点M、点F、点H或点L处三维负压图谱的负压值,kPa,如,针对αM角度下的送风量计算,si为SM的长度,ΔPi为三维负压图谱中点M的负压值;空气密度ρ取40℃条件下饱和空气密度1.097kg/m3,在此参数设定下,计算出的送风量能够使风流冲抵负压后有一定冗余,即保持有效吸程区呈微正压状态,有效防止外界含尘空气逸散、渗入。
进一步地,紊流系数β的取值范围为0.066~0.240,紊流系数与送风口形状有关,本实施例示出几种常见送风口结构的紊流系数取值:对于带有收缩口的送风口结构,其紊流系数取0.066~0.071;对于圆柱形的送风口结构,其紊流系数取0.076~0.080;对于带导流板的直角弯管送风口结构,其紊流系数取0.12~0.20;对于带金属网格的轴流风机式送风口结构,其紊流系数取0.24;对收缩极好的平面喷口式送风结构,其紊流系数取0.108。
通过S20和S30,能够针对使用者的有效吸程区,确定出最佳的送风角度与送风量,在有效吸程区内构件正压无尘区。
实施例2
本实施例的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,如图6所示,包括如下步骤:
S10、针对使用者,根据其吸气时口鼻处负压值变化与空间坐标的关系,建立三维负压图谱,并确定使用者的个体有效吸程区。
S10的具体步骤为:
S11、在使用者口鼻前方均匀分布i个空间网格节点,可利用均匀布设于墙壁、地板上的纵横多排激光灯产生的光线在使用者口鼻前方呼吸带高度形成分布均匀的空间网格节点,并以鼻中隔中点处为原点O,建立三维笛卡尔直角坐标系,并标定各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi);
S12、通过高精度微压传感器2测量使用者在吸气过程中各空间网格节点产生的负压值ΔPi,如图1所示;
S13、将各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi)及各空间网格节点的负压值ΔPi代入有限元进行分析反演,获取三维负压图谱ΔP=h(xi,yi,zi,ti),如图2所示,其中负压为0的图谱边界即为使用者个体有效吸程区的边缘;
S14、如图3所示,设计一松紧发带1,在松紧发带1左右内侧紧贴紧贴人体翼点处各设置一高精度微压传感器2,监测使用者翼点动脉压随时间的变化,以个体翼点动脉压R为自变量、以时间t为因变量,构建时变曲线t=f(R),其中t为时间,R为使用者翼点动脉压;
S15、将t=f(R)代入ΔP=h(xi,yi,zi,ti),构建基于翼点动脉压的三维负压图谱ΔP0=h(xi,yi,zi,f(R))。
S20、设定送风点,根据三维负压图谱ΔP0=h(xi,yi,zi,f(R)),确定该送风点的最大负压点送风角度αM、最大送风距离送风角度αF、最高送风位置送风角度αH和最低送风位置送风角度αL四种送风角度。
S20的具体步骤为:
S21、在三维负压图谱ΔP0中设定送风点坐标(xs,ys,zs),记为点S,如图4所示,送风点即为开放式多孔风束送风防尘呼吸器各送风口在三维负压图谱的三维笛卡尔直角坐标系中的位置;
S22、根据三维负压图谱ΔP0,确定最大负压值ΔPmax所在的坐标(x1,y1,z1),记为点M;
根据三维负压图谱边界及送风点S,确定最大送风距离所在的坐标(x2,y2,z2),记为点F;
过送风点S作xOz平面的平行面,并将该平行面与三维负压图谱边界相交的最高位置处的切点坐标(x3,y3,zmax),记为点H,将该平行面与三维负压图谱边界相交的最低位置处的切点坐标(x4,y4,zmin),记为点L;
S23、过送风点S作xOy平面的平行面为辅助面,分别连接点S与点M、点F、点H以及点L,即SM、SF、SH以及SL,在辅助面上作SM、SF、SH及SL的投影,通过各点坐标值建立各线段与辅助面夹角的正切表达式tanα=g(x,y,z);
S24、建立反正切表达式α=arctan(g(x,y,z)),通过反正切表达式获取送风点S的四种送风角度,
上述四种送风角度即为多孔风束送风防尘呼吸器在送风点S的四种需要调整的送风角度。
S30、建立送风量计算模型Q=Q(x,y,z,ΔP0),计算各送风角度下的送风量。
所述步骤S30中,送风量计算模型为:
其中,Qi为各送风角度αM、αF、αH或αL的送风量;r0为送风点的孔口半径;β为紊流系数;si为SM、SF、SH或SL的长度;ΔPi为在点M、点F、点H或点L处三维负压图谱ΔP0的负压值;空气密度ρ取40℃条件下饱和空气密度1.097kg/m3;
由于翼点动脉压数据是实时变化的,可在开放式多孔风束送风防尘呼吸器上设置高精度微压传感器2实时监测使用者翼点动脉压数据R0,随着实时翼点动脉压的实时更新,通过基于基于翼点动脉压的三维负压图谱ΔP0,及送风量计算模型Q=Q(x,y,z,ΔP0),对各角度下的送风流量Qi进行实时更新。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于,包括如下步骤:
S10、针对使用者,根据其吸气时口鼻处负压值变化与空间坐标的关系,建立三维负压图谱,并确定使用者的个体有效吸程区;
S20、设定送风点,根据三维负压图谱,确定该送风点的最大负压点送风角度αM、最大送风距离送风角度αF、最高送风位置送风角度αH和最低送风位置送风角度αL四种送风角度;
S30、建立送风量计算模型,计算各送风角度下的送风量。
2.根据权利要求1所述的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于,所述步骤S10具体包括:
S11、在使用者口鼻前方均匀分布i个空间网格节点,并以鼻中隔中点处为原点O,建立三维笛卡尔直角坐标系,并标定各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi);
S12、测量使用者在吸气过程中各空间网格节点产生的负压值ΔPi;
S13、将各空间网格节点的坐标(xi,yi,zi)及各空间网格节点的负压值ΔPi代入有限元进行分析反演,获取三维负压图谱ΔP=h(xi,yi,zi,ti),其中负压为0的图谱边界即为使用者个体有效吸程区的边缘,t为时间。
3.根据权利要求2所述的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于,所述步骤S20具体包括:
S21、在三维负压图谱中设定送风点坐标(xs,ys,zs),记为点S;
S22、根据三维负压图谱,确定最大负压值ΔPmax所在的坐标(x1,y1,z1),记为点M;
根据三维负压图谱边界及送风点S,确定最大送风距离所在的坐标(x2,y2,z2),记为点F;
过送风点S作xOz平面的平行面,并将该平行面与三维负压图谱边界相交的最高位置处的切点坐标(x3,y3,zmax),记为点H,将该平行面与三维负压图谱边界相交的最低位置处的切点坐标(x4,y4,zmin),记为点L;
S23、过送风点S作xOy平面的平行面为辅助面,分别连接点S与点M、点F、点H以及点L,即SM、SF、SH以及SL,在辅助面上作SM、SF、SH及SL的投影,通过各点坐标值建立各线段与辅助面夹角的正切表达式tanα=g(x,y,z);
S24、通过反正切表达式获取送风点S的四种送风角度,
5.根据权利要求4所述的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于:紊流系数β的取值范围为0.066~0.240。
6.根据权利要求5所述的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于,还包括步骤:
S14、监测使用者翼点动脉压随时间的变化,构建时变曲线t=f(R),其中t为时间,R为使用者翼点动脉压;
S15、根据时变曲线与三维负压图谱,构建基于翼点动脉压的三维负压图谱ΔP0=h(xi,yi,zi,f(R));
所述步骤S20和步骤S30根据步骤S15构建的基于翼点动脉压的三维负压图谱ΔP0进行。
7.根据权利要求6所述的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于:所述步骤S14中翼点动脉压的测定,通过使用者佩戴卡扣式头带,在头带左右内侧紧贴人体翼点处各设置一高精度微压传感器实现。
8.根据权利要求7所述的人体有效吸程区开放式多孔风束送风角度与风量确定方法,其特征在于:当实时翼点动脉压变化时,基于三维负压图谱ΔP0计算的送风量也进行相应的更新。
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