CN114993396A - 一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计 - Google Patents

一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计 Download PDF

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CN114993396A CN202210822864.6A CN202210822864A CN114993396A CN 114993396 A CN114993396 A CN 114993396A CN 202210822864 A CN202210822864 A CN 202210822864A CN 114993396 A CN114993396 A CN 114993396A
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Abstract

本发明公开一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，涉及流量测量技术领域，包括：流量测量组件和流量处理组件；所述流量测量组件包括承压管段，以及设于承压管段上的超声波换能器、压力测试元件和温度测试元件；所述承压管段的两端与被测管道连接，在承压管段的两个正交平面上通过正交四声道的安装方式设置超声波换能器，且在每个正交平面上设有温度测试元件；所述流量处理组件基于回波信号得到顺逆流时间差，基于顺逆流时间差得到液体流量，且基于压力信号和温度信号对液体流量进行温压补偿后显示。提高了流量测量的精度。

Description

一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计
技术领域
本发明涉及流量测量技术领域，特别是涉及一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计。
背景技术
在核电厂和化工厂中，流体流量是保障工厂稳定运行的重要参数，因此对管道流量的准确测量至关重要，但高温、高压工况下管道流量测量的精度一直是难点。目前国内工业厂家中高温、高压管道所用的液体超声波流量计大都为国外产品，国外产品技术不向国内开放，一旦出现问题，产品故障排查、解决困难。
而目前国内对工况下流量测量的产品，大多为文丘里流量计，文丘里流量计用于测量封闭管道中单相稳定流体的流量，常用于测量空气、天然气、煤气、水等流体的流量。文丘里流量计的喉管和进口、出口是一样材质，流体对喉管的冲刷和磨损严重，无法保证长期测量精度，且结构长度必须按规定制造，否则达不到所需精度，由于对经典文丘里的严格结构规定，使得流量测量范围最大、最小流量比很小，这使得文丘里流量计很难满足流量变化幅度大的流量测量，存在精度低、老化效果差、漂移等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，具体是一种适用于高温、高压工况下的高精度、多声道液体超声波流量计，流量测量组件和流量处理组件采用分体式设计，超声波换能器在承压管段的两个正交平面上采用正交四声道的安装方式，通过其位置的特殊布点设计，配合对流量的智能运算和温压补偿，提高流量测量的精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，包括：流量测量组件和流量处理组件；所述流量测量组件包括承压管段，以及设于承压管段上的超声波换能器、压力测试元件和温度测试元件；所述承压管段的两端与被测管道连接，在承压管段的两个正交平面上通过正交四声道的安装方式设置超声波换能器，且在每个正交平面上设有温度测试元件；
所述流量处理组件接收超声波换能器采集的回波信号、压力测试元件采集的压力信号和温度测试元件采集的温度信号，基于回波信号得到顺逆流时间差，基于顺逆流时间差得到液体流量，且基于压力信号和温度信号对液体流量进行温压补偿后显示。
作为可选择的实施方式，所述流量测量组件还包括取压阀，所述取压阀通过取压管与所述压力测试元件连接。
作为可选择的实施方式，在所述承压管段的四周对称设置超声波换能器，组成2个正交平面，每个正交平面中相对射的两个超声波换能器组成一个声道，每个声道与被测管道轴中心线呈45度角。
作为可选择的实施方式，所述超声波换能器的安装位置基于公式r i /R进行布点设计，其中R为承压管段的半径，r i 为第i个超声波换能器的位置到承压管段圆心的距离；以承压管段的水平直径为0基准线，r i /R的数值为正时表示位于0基准线的上方，r i /R的数值为负时表示位于0基准线的下方。
作为可选择的实施方式，所述流量处理组件包括超声波处理模块，所述超声波处理模块接收超声波换能器采集的回波信号，对回波信号经滤波放大后进行模数转换，对得到的流量数字信号还原有效信号包络，获取有效信号包络中的有效波峰点，基于有效波峰点进行波形还原，得到顺逆流波形，以此得到顺逆流时间差。
作为可选择的实施方式，对还原后的顺逆流波形进行插值细分。
作为可选择的实施方式，被测管道内的液体以流速V流动时，上游超声波换能器发出的超声波，被下游超声波换能器接收的过程为顺流，此时传输时间为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
下游超声波换能器发出的超声波，被上游超声波换能器接收的过程为逆流，此时传输时间为：
Figure 576631DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为声程夹角；C为超声波在液体中的声速；L i 为第i个超声波换能器的声程；
Figure 789437DEST_PATH_IMAGE004
为被测管道内的液体为静止时，上游超声波换能器发出的超声波，被下游超声波换能器接收时的传输时间；
则所述顺逆流时间差为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 370591DEST_PATH_IMAGE006
间存在的时间差。
作为可选择的实施方式，基于顺逆流时间差采用流量公式得到液体流量，所述流量公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
其中，Q为体积流量；MF为体积流量修正系数；
Figure 643441DEST_PATH_IMAGE008
为温压修正系数；D为管道内径；K Re 为对流场雷诺数的修正系数；K r 为管壁粗糙度对流体流速影响的修正系数；K pr 为对流速剖面的修正系数；w i 为权重系数；L i 为第i个超声波换能器的声程；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为第i个超声波换能器的声程夹角；K T 为对时间差的补偿系数；
Figure 310046DEST_PATH_IMAGE010
为顺逆流时间差；t di 为逆流传输时间；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
为电信号在电缆中传输的时间；N为超声波换能器的总数量。
作为可选择的实施方式，所述管道液体流量测量装置还包括接线组件，所述流量测量组件、压力测试元件、流量处理组件通过电缆与接线组件连接。
作为可选择的实施方式，在所述承压管段的两端设有法兰，通过法兰与被测管道连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的一种管道液体流量测量装置，具体是一种适用于高温、高压工况下的高精度、多声道液体超声波流量计，流量测量组件和流量处理组件采用分体式设计、分布式安装，提高液体超声波流量仪表的可观测性和可维护性。
本发明提出的一种管道液体流量测量装置，超声波换能器在承压管段的两个正交平面上采用正交四声道的安装方式，共设有16个超声波换能器，其位置的特殊布点设计，配合对流量的智能运算和温压补偿，提高了流量测量的精度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的管道液体流量测量装置示意图；
图2为本发明实施例1提供的流量测量组件示意图；
图3为本发明实施例1提供的流量处理组件示意图；
图4为本发明实施例1提供的插值细分示意图；
图5为本发明实施例1提供的超声波处理模块示意图；
其中，1、流量测量组件，2、取压阀，3、压力测试元件，4、接线组件，5、流量处理组件，6、电缆，7、取压管，8、承压管段，9、超声波换能器，10、超声波处理模块，11、温度测试元件，12、吊耳，13、网络接口模块，14、电源电路板，15、超声波收发电路板，16、通讯电路板，17、背板，18、显示器，19、控制模块，20、电源模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，包括：流量测量组件和流量处理组件；所述流量测量组件包括承压管段，以及设于承压管段上的超声波换能器、压力测试元件和温度测试元件；所述承压管段的两端与被测管道连接，在承压管段的两个正交平面上通过正交四声道的安装方式设置超声波换能器，且在每个正交平面上设有温度测试元件；
所述流量处理组件接收超声波换能器采集的回波信号、压力测试元件采集的压力信号和温度测试元件采集的温度信号，基于回波信号得到顺逆流时间差，基于顺逆流时间差得到液体流量，且基于压力信号和温度信号对液体流量进行温压补偿后显示。
在本实施例中，所述管道液体流量测量装置还包括接线组件4，所述流量测量组件1、压力测试元件3、流量处理组件5通过电缆6与接线组件4连接。
在本实施例中，所述流量测量组件1包括承压管段8、吊耳12、超声波换能器9、温度测试元件11、压力测试元件3和取压阀2；
所述流量测量组件1的两端通过法兰与被测量管道连接；具体地，在所述承压管段8的两端设有法兰，通过法兰与被测量管道连接；
所述取压阀2与流量测量组件1的根阀连接，所述根阀焊接在承压管段8上，再焊接取压阀2；
所述取压阀2通过取压管7与所述压力测试元件3连接，以通过压力测试元件3对被测量管道内液体的压力进行实时测量。
优选地，所述取压阀2通过承插焊管连接到流量测量组件1的根阀和取压管7。
优选地，所述压力测试元件3采用压力变送器，安装在墙壁上。
在本实施例中，在承压管段8的四周对称设置四列超声波换能器9，如图2所示，每列设置4个，共设16个超声波换能器9，组成2个正交平面，每个正交平面中相对射的两个超声波换能器9组成一个声道，共8个声道，每个声道与管道轴中心线呈45度角，即正交4声道的安装方式。
优选地，所述超声波换能器9通过螺纹安装在承压管段8上，然后进一步焊接固定。
优选地，所述超声波换能器9安装到焊接在管道上的保护套管中，发生故障时，支持在线更换。
由于流场在各个轴向剖面上的分布是不均匀的，本实施例中16个超声波换能器位置的特殊布点设计，可以有效提高测量精度，减小误差，将测量不确定度控制在±0.3%以内，各项不确定度的典型数值如表1所示；
表1 不确定度的典型数值
Figure 323613DEST_PATH_IMAGE012
本实施例通过超声波换能器位置的特殊布点设计，配合对流量的智能运算，以及基于温度信号和压力信号的温压补偿，提高设备的测量精度。
在本实施例中，温压补偿过程采用现有技术实现即可，参考IAPWS-IF97水和水蒸气热力学性质标准。
在本实施例中，超声波换能器的安装位置不是随意的，超声波换能器位置的特殊布点设计指基于高斯积分方案规定超声波换能器的安装位置；
超声波换能器的布置位置就是依据公式r i /R，其中R为承压管段的半径，r i 为第i个超声波换能器的位置到承压管段圆心的距离；以承压管段的水平直径为0基准线，r i /R的数值的正负表示相对于水平直径的位置，正表示0基准线的上方，负表示0基准线的下方。
在本实施例中，如图2所示，在每个正交平面上各安装有1个温度测试元件11，温度测试元件11通过螺纹安装固定在承压管段8上。
优选地，所述温度测试元件11采用热电阻。
优选地，所述热电阻采用压簧式铠装RTD热电阻（Resistance TemperatureDetector）。
在本实施例中，所述流量测量组件1的顶部设有4个吊耳12，流量测量组件1通过法兰安装在被测量管道上的同时，也可以通过吊耳12与房间顶部墙壁连接，提高安装稳定性。
在本实施例中，所述流量处理组件5包括机柜，和设于机柜内的超声波处理模块10、控制模块19、显示器18、网络接口模块13和电源模块20；上述各模块安装在机柜壳体内，通过各模块对各种信号进行采集、数据处理、数据分析、数据运算、数据存储、数据显示和数据远传等；
如图3所示，所述流量处理组件5的机柜正面包括显示器18、网络接口模块13和电源模块20；
所述显示器18用于对超声波处理模块10处理过的数据、报警事件、参数趋势等信息进行显示，在机柜内采用嵌入式安装；
所述网络接口模块13用于与工厂仪表监控系统之间的网络连接，在机柜内采用导轨式安装；通过网络接口模块13将流量数据传输至工厂仪表监控系统，以使工厂仪表监控系统进行监控，如果数据出现错误，则发出报警信号。
所述电源模块20包括开关电源、线性电源、浪涌保护器等部件，负责对柜内各电气组件的安全供电，在机柜内采用壁挂式安装。
如图3所示，所述流量处理组件5的反面包括超声波处理模块10和控制模块19；
在本实施例中，所述超声波处理模块10获取超声波换能器9的回波信号后，对回波信号进行滤波放大，并采用互相关算法识别流量回波波形，计算顺流与逆流传输时间的顺逆流时间差，并基于流量公式得到流量，将流量数据上传至控制模块19进行存储，并控制传输至显示器18进行显示。
在本实施例中，回波信号基于差分放大电路去除差模干扰后放大信号，再针对干扰信号和有效信号频率不同，设置对应带通滤除干扰，经过放大滤波后的回波信号，使用高速AD转换为流量数字信号，对流量数字信号再次进行数字滤波，去除干扰，还原有效信号包络，获取有效信号包络中的有效波峰点，对有效波峰点进行波形还原，得到顺逆流波形；
对还原后的顺逆流波形再次进行对比分析，去除干扰，然后通过插值细分，提高计算精度，得出顺逆流时间差；
插值细分理解为：还原后的顺逆流波形的周期是
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，然后对其进行插值后，使其一个周期的波形变成2个波形，这样周期为
Figure 759274DEST_PATH_IMAGE013
的一个波形分为2个周期为
Figure 530921DEST_PATH_IMAGE014
的波形，如图4所示，使得顺逆流波形变密，提高顺逆流时间差计算的精确性。
在本实施例中，当被测管道内的流体为静止时，上游超声波换能器发出超声波，下游超声波换能器接收，这段时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；其中，C为超声波在液体中的声速；L i 为第i个超声波换能器的声程；
当被测管道内的流体以流速V开始流动时，流体会给声速一定的作用，对于从上游超声波换能器传输到下游超声波换能器的过程，流速对声速起到加成作用，这一过程称为顺流；此时，上游超声波换能器发出超声波，被下游超声波换能器接收，此时传输时间为：
Figure 419242DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 239431DEST_PATH_IMAGE003
为声程夹角；
当下游超声波换能器发出超声波，被上游超声波换能器接收，流速对声速起到衰减作用，这一过程称为逆流，此时传输时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
顺流再逆流之后，
Figure 529598DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 472146DEST_PATH_IMAGE006
间存在时间差
Figure 582185DEST_PATH_IMAGE018
，这个时间差和流速的大小呈正比关系，将时间差
Figure 2802DEST_PATH_IMAGE018
带入流量公式就可以得到流速V及流量。
在本实施例中，流量公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，Q为体积流量；MF为体积流量修正系数；
Figure 678634DEST_PATH_IMAGE008
为温压修正系数；D为管道内径；K Re 为对流场雷诺数的修正系数；K r 为管壁粗糙度对流体流速影响的修正系数；K pr 为对流速剖面的修正系数；w i 为权重系数；L i 为第i个超声波换能器的声程；
Figure 729766DEST_PATH_IMAGE009
为第i个超声波换能器的声程夹角；K T 为对时间差的补偿系数；
Figure 654997DEST_PATH_IMAGE010
为顺逆流时间差；t di 为逆流传输时间；
Figure 814058DEST_PATH_IMAGE011
为电信号在电缆中传输的时间；N为超声波换能器的总数量。
现有进行流量计算时，只考虑对流速的权重分解，而本实施例增加对面积的权重分解，考虑多种因素的影响，得到更为准确的流量值。
在本实施例中，采用冗余的控制模块19，在机柜内采用壁挂式安装；若读取的其中一个控制模块19的数据有误，则读取另一个冗余的控制模块19的数据，如果均有误，则工厂仪表监控系统发出报警信号。
在本实施例中，如图5所示，所述超声波处理模块10包括壳体、电源电路板14、超声波收发电路板15、通讯电路板16和背板17；电源电路板14、超声波收发电路板15和通讯电路板16通过插槽方式与背板17连接。
所述电源电路板14用于提供超声波处理模块10所需要的各种工作电压。
所述超声波收发电路板15用于对超声波换能器9进行高压驱动、对接收到的回波信号进行滤波预处理以及声道之间的切换；
具体地，高压驱动指使用高电压对超声波换能器9进行驱动；这是因为在高温的工况下，超声波换能器9如果想保持长时间的稳定工作，超声波换能器9的压电常数就会下降，无法振动，因此需要施加高电压驱动超声波换能器9振动，才能发出信号强度大的超声波。
所述滤波预处理目的是优化回波信号的波形，有利于使用互相关算法对回波信号的识别。
所述通讯电路板16用于实现对温度测试元件11及压力测试元件3信号的采集和低压高频脉冲的产生，同时将计算的结果及采集的信息通过网口或RS485接口传送至控制模块19。对采集到温度和压力的模拟信号进行模数处理，将温度值和压力值（此时的温度值和压力值是实际值）传输给超声波处理模块10。
所述背板17用于实现电源与信号的转接功能。
在本实施例中，所述超声波换能器9、温度测试元件11和压力测试元件3的电信号，通过电缆6连接到接线组件4内；经接线组件4转接后，传输给超声波处理模块10进行处理，并将处理后的数据传递给上位机，通过显示器18进行显示。
优选地，所述接线组件4包括接线箱壳体和接线端子。
优选地，所述接线组件4采用壁挂式，以安装到墙壁上。
在本实施例中，超声波换能器和温度测试元件对管道内的流量和温度信号进行检测，将流量信号、温度信号和压力测试元件的压力信号通过接线组件和电缆传输到流量处理组件中，在流量处理组件中进行信号处理、显示和存储。
相比传统设计，本实施例的液体流量测量装置，将流量处理组件与流量测量组件进行分体式设计，在现场可分布式安装，各个组件之间采用信号电缆连接，方便观测与维护维修，基于温度信号和压力信号的稳压补偿，保证流量测量的精度；
另外，由于电磁干扰会导致接收到的顺逆流波形信号出现大的电压尖峰，也可能会导致在接收波形时出现数据丢失，造成波形不完整的问题；所以本实施例在设计电路板卡时考虑抗电磁干扰的设计，减少电磁干扰的影响，然后在软件上通过对波形信号的幅值和信噪比的判断，对较大的幅值或信噪比很低的信号，进行滤波处理。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，包括：流量测量组件和流量处理组件；所述流量测量组件包括承压管段，以及设于承压管段上的超声波换能器、压力测试元件和温度测试元件；所述承压管段的两端与被测管道连接，在承压管段的两个正交平面上通过正交四声道的安装方式设置超声波换能器，且在每个正交平面上设有温度测试元件；
所述流量处理组件接收超声波换能器采集的回波信号、压力测试元件采集的压力信号和温度测试元件采集的温度信号，基于回波信号得到顺逆流时间差，基于顺逆流时间差得到液体流量，且基于压力信号和温度信号对液体流量进行温压补偿后显示。
2.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，所述流量测量组件还包括取压阀，所述取压阀通过取压管与所述压力测试元件连接。
3.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，在所述承压管段的四周对称设置超声波换能器，组成2个正交平面，每个正交平面中相对射的两个超声波换能器组成一个声道，每个声道与被测管道轴中心线呈45度角。
4.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，所述超声波换能器的安装位置基于公式r i /R进行布点设计，其中R为承压管段的半径，r i 为第i个超声波换能器的位置到承压管段圆心的距离；以承压管段的水平直径为0基准线，r i /R的数值为正时表示位于0基准线的上方，r i /R的数值为负时表示位于0基准线的下方。
5.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，所述流量处理组件包括超声波处理模块，所述超声波处理模块接收超声波换能器采集的回波信号，对回波信号经滤波放大后进行模数转换，对得到的流量数字信号还原有效信号包络，获取有效信号包络中的有效波峰点，基于有效波峰点进行波形还原，得到顺逆流波形，以此得到顺逆流时间差。
6.如权利要求5所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，对还原后的顺逆流波形进行插值细分。
7.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，被测管道内的液体以流速V流动时，上游超声波换能器发出的超声波，被下游超声波换能器接收的过程为顺流，此时传输时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
下游超声波换能器发出的超声波，被上游超声波换能器接收的过程为逆流，此时传输时间为：
Figure 550102DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为声程夹角；C为超声波在液体中的声速；L i 为第i个超声波换能器的声程；
Figure 304432DEST_PATH_IMAGE004
为被测管道内的液体为静止时，上游超声波换能器发出的超声波，被下游超声波换能器接收时的传输时间；
则所述顺逆流时间差为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 979127DEST_PATH_IMAGE006
间存在的时间差。
8.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，基于顺逆流时间差采用流量公式得到液体流量，所述流量公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，Q为体积流量；MF为体积流量修正系数；
Figure 377878DEST_PATH_IMAGE008
为温压修正系数；D为管道内径；K Re 为对流场雷诺数的修正系数；K r 为管壁粗糙度对流体流速影响的修正系数；K pr 为对流速剖面的修正系数；w i 为权重系数；L i 为第i个超声波换能器的声程；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为第i个超声波换能器的声程夹角；K T 为对时间差的补偿系数；
Figure 680159DEST_PATH_IMAGE010
为顺逆流时间差；t di 为逆流传输时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为电信号在电缆中传输的时间；N为超声波换能器的总数量。
9.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，所述管道液体流量测量装置还包括接线组件，所述流量测量组件、压力测试元件、流量处理组件通过电缆与接线组件连接。
10.如权利要求1所述的一种适用于高温介质的高精度多声道液体超声波流量计，其特征在于，在所述承压管段的两端设有法兰，通过法兰与被测管道连接。
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