CN115144617B - 一种极低风速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低风速标定方法，将热线风速仪的探头连接在支杆一端，并使支杆该端穿过软密封进入密闭室内；通过压力调节系统调节密闭室内压力，使其与密闭室外部、与软密封相邻区域的压力相等；通过温度调节系统、湿度调节系统调节密闭室内的温度、湿度至所需状态；此过程中压力调节系统始终保持工作；由驱动机构驱动支杆在指定速度下、沿软密封移动指定的直线距离，记录探头数据。本发明提供一种极低风速标定方法，以解决现有技术不具有同时在给定速度、给定温度和湿度下对风速仪进行标定的能力，且对于极低风速的标定精度较低的问题，实现能在不同的指定温度、湿度下、在极低风速范围内对热线风速仪进行精确标定的目的。

Description

一种极低风速标定方法

技术领域

本发明涉及风速测量领域，具体涉及一种极低风速标定方法。

背景技术

风速是指空气相对于某一固定物体运动的速度，既有大小，也有方向，风速测量在航空航天、车辆工程、精密制造、气象预测等领域有着广泛的需求与应用，根据流动速度的大小一般可将空气流动分为低速、亚声速、跨声速、超声速、高超声速等各种流动，其流动特性及测量方式都有显著的不同。在日常工作生活中常伴随着各种不同的空气流动现象，其中如家用空调内的空气循环流动，一台计算机内的有限空间的循环散热流动等速度很低的空气流动，被称作极低风速(微风速)流动。极低风速流动广泛存在于农田小气候、气象学、大气有害排放物生态监测、飞机制造与飞行、采矿、高海拔设备安全保障建设、精细化工、医药和其它很多领域中，室内自然空气对流流动的典型值为0.05m/s。随着现代科技的发展和人们对工作、生活环境、生态环境要求的不断提高，环境问题已经成为同样重要的领域，需要对空气速度进行量化，因为空气是最常见的流体之一，它为污染物提供了对流介质，极低风速流动的重要意义也越来越突出。

在流体测量中，因为热线风速仪具有响应快、测速范围宽、灵敏度高、使用简单方便等特点，早已成为测量风速和湍流度的主要仪器。对于低至0.1m/s的极低风速流动，用热线风速仪进行精确测量仍然是目前的一个难点。这是因为，极低速情形下，自然对流的效应会显现出来，而热线的原理是采用的强迫对流。另外，极低风速情形下热线的标定曲线与中高速时规律会有显著差别，此时热线要进行专门标定。

在极低速情形下采用低速风洞、射流风洞辅以测压手段控制速度的传统方法不能获得准确的速度，无法对热线做出可信的标定。此外，由于速度极低，热损失还受到来自自由对流和热线叉杆热传导的强烈影响，它取决于几个因素，如重力、热线的过热比、热线长径比，材料和热线表面热传导等，这些因素都加剧了极低风速标定的难度。

现有的低风速标定技术中，大部分风洞不能标定0.1～0.5m/s这样的极低风速，且大部分风洞不能进行温湿度控制，且标定精度大都超过4％，因此现有的低速标定技术都不具有同时在给定速度、给定温度和湿度下对风速仪进行标定的能力，且对于极低风速的标定精度较低。

发明内容

本发明提供一种极低风速标定方法，以解决现有技术不具有同时在给定速度、给定温度和湿度下对风速仪进行标定的能力，且对于极低风速的标定精度较低的问题，实现能在不同的指定温度、湿度下、在极低风速范围内对热线风速仪进行精确标定的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种极低风速标定方法，包括：

将热线风速仪的探头连接在支杆一端，并使支杆该端穿过软密封进入密闭室内；

通过压力调节系统调节密闭室内压力，使其与密闭室外部、与软密封相邻区域的压力相等；

通过温度调节系统、湿度调节系统调节密闭室内的温度、湿度至所需状态；此过程中压力调节系统始终保持工作；

由驱动机构驱动支杆在指定速度下、沿软密封移动指定的直线距离，记录探头数据。

针对现有技术中不具有同时在给定速度、给定温度和湿度下对风速仪进行标定的能力，且对于极低风速的标定精度较低的问题，本发明提出一种极低风速标定方法，

本方法将热线风速仪的探头连接在支杆一端，并使支杆该端穿过软密封进入密闭室内，然后先调节密闭室内的压力，使其与密闭室外部、与软密封外侧相邻区域的压力相等，再调节温度和湿度至想要的实验状态。在调节温度和湿度的过程中，始终保持压力调节系统工作，使得密闭室内外之间不具有压差。在温度、湿度调节到位后，由驱动机构驱动支杆在指定速度下、沿软密封移动指定的直线距离，记录探头数据。

本方法中密闭室与支杆之间软密封连接，以尽量提高密闭室的密闭能力、又保证支杆能够进行移动。本方法为了消除热线探头之外其他物体对前方空气的扰动，将各种钝头物体用与探头运动区域隔离开，使探头运动区域形成密闭室，密闭室内只有支杆和探头本身，避免支杆探头运动空间的静止空气受到人、物等外界干扰气流等因素的影响，也消除了其余物体前表面对热线探头前方(上游)静止空气造成的扰动。

并且，在支杆与软密封的配合处，由于支杆需要进行运动，运动过程中有可能将软密封材料挤出漏气孔，导致明显的漏气、漏热、漏湿现象。并且当密闭室内外有压差时，会诱发局部空气流动、加剧密闭室的漏气、漏热、漏湿，严重时甚至还会破坏密闭室内空气的应有的状态。为此，本方法的软密封连接需要保证密闭室内外的空气不会在软密封连接处产生对流，所以本申请具有压力调节系统，在工作时，通过压力调节系统使得密闭室内外压力相等，进而即使软密封连接处由于支杆的运动出现漏气孔，但是由于两边不具有压差、因此不会出现空气的快速相对流动，进而保证密闭室内空气静止、有利于保证温湿度保持指定值，从而才可以保证探头在给定温度、湿度下在静止空气中以指定速度运动，对其进行标定。

发明人对本方法进行仿真验证，模拟结果表明，本系统的标定速度控制精度可达0.005mm/s(不包括温度变化带来的误差，因为这是系统误差，可以进行修正)。相较于现有技术中标定精度普遍超过4％的精度而言，本方法能够提供出极高精度的标定结果，对极低风速的标定具有显著意义。

进一步的，使支杆穿过软密封进入密闭室内的方法包括：在密闭室表面开设用于支杆穿过的槽缝，在所述槽缝处设置柔性密封材料，支杆一端由外向内撑开柔性密封材料进入密闭室内。

槽缝用于为支杆提供运动空间，在槽缝处通过柔性密封材料进行密封，并且支杆可撑开处于密封状态的柔性密封材料进行移动，支杆经过后柔性密封材料又能够自动合拢封闭，以此实现既允许支杆运动，又最大程度地减小漏温漏湿量的目的。

进一步的，驱动机构驱动支杆的方法包括：由动力组件驱动刚性连接件做直线运动，由刚性连接件带动运动平台同步运动，由运动平台带动支杆同步运动；其中动力组件、刚性连接件、运动平台均位于密闭室外。

所述直线距离通过如下方法测量：由光栅尺测量运动平台或刚性连接件的位移。通过光栅尺测量运动平台或刚性连接件的移动距离，避免了需要在密闭室内直接测量探头的运动距离所导致的空气扰动以及对温度湿度等的干扰。

进一步的，压力调节系统调节密闭室内压力的方法包括：采用压差变送器采集密闭室内外的压力差，将采集信号传输至调节阀控制器，由调节阀控制器控制压力调节阀动作。

在一个或多个实施方式中，温度调节系统通过如下方法调节密闭室内的温度：

上位机设定所需的工作环境温度，温度传感器测量密闭室内当前温度，得到当前温度与设定温度之差，并反馈至温度决策控制系统：

若温差大于或等于设定阈值，采用恒温水箱对密闭室进行温度调节，直至温差小于设定阈值；

若温差小于设定阈值，采用加热制冷循环机对密闭室进行温度调节，直至密闭室内温度等于设定温度。

在一个或多个实施方式中，湿度调节系统通过如下方法调节密闭室内的湿度：

上位机设定所需的工作环境湿度，湿度传感器测量密闭室内当前湿度，得到当前湿度与设定湿度之差，并反馈至湿度决策控制系统：

若当前湿度大于设定湿度，采用除湿机对密闭室内进行循环除湿，直至当前湿度等于设定湿度；

若当前湿度小于设定湿度，采用加湿器对密闭室内进行加湿，直至当前湿度等于设定湿度。

在一个或多个实施方式中，调节密闭室内的温度、湿度的方法包括：

启动压力调节系统；

启动温度调节系统直至密闭室内温度达到所需状态；

保持温度调节系统开启，启动湿度调节系统；随着湿度逐渐接近所需状态，减小加湿量/除湿量，同时逐渐减小压力调节系统中压力调节阀的开启大小，直至温度达到所需状态时，完全关闭所述压力调节阀。

本方法中先调节密闭室的温度，在温度达到要求后再调节湿度(这时调温系统还在工作，但温度变化很小)。随着温湿度逐步接近要求值，加湿量逐步减小，平衡压力的调节阀门也逐步关小。在温湿度达到要求值时，同时关闭加湿设备和压力调节阀，密闭室的压力为大气压，湿度不会流失，温度由调温系统保持在设定值。由于密闭室的压力始终与大气压一致，支杆运动槽缝处没有内外压差，就不会形成漏气，从而不会引起温度和湿度流失。

进一步的，记录探头数据的方法包括：

关闭温度调节系统、湿度调节系统，等待密闭室内气流稳定；

由驱动机构驱动支杆在指定速度下沿软密封做直线移动，在主控机上显示速度和时间曲线；

当速度达到设定要求后，主控机向探头发出采集指令，记录密闭室内的当前温度、湿度、支杆运行速度，同时采集当前的大气压力、密闭室外的温度和湿度。

进一步的，所述驱动机构以伺服电机作为动力源，所述支杆运行速度通过伺服电机的编码器获得。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种极低风速标定方法，解决了现有技术不具有同时在给定速度、给定温度和湿度下对风速仪进行标定的能力，且对于极低风速的标定精度较低的问题，能够在给定速度、给定温度和湿度下对极低风速进行标定，且标定速度控制精度可达0.005mm/s，填补了现有技术的空白。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的流程示意图；

图2为本发明具体实施例的连接示意图；

图3为本发明具体实施例的示意图；

图4为本发明具体实施例的示意图；

图5为本发明具体实施例的示意图；

图6为本发明具体实施例中支杆的结构示意图；

图7为本发明具体实施例中软密封的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-伺服电机驱动器；2-光栅尺驱动器；3-运动控制器；4-主控计算机；5-控制台；6-硬盘录像机；7-监控机显示器；8-主控机显示器；9-空气混合风机；10-高温摄像头；11-同步带支持轮；12-光栅尺；13-光栅尺读数头；14-密闭室；15-LED灯；16-压力平衡管；17-温度控制系统；18-温湿度控制柜；19-湿度控制系统；20-压力调节阀；21-阀门控制器；22-差压变送器；23-温度变送器；24-探头；25-湿度变送器；26-热线风速仪主机；27-笔记本电脑；28-从动同步轮；29-滚珠滑块；30-滚珠导轨；31-运动平台；32-同步带；33-主动同步轮；34-减速器；35-伺服电机；36-第一限位开关；37-第二限位开关；38-大气压力计；39-大气温度变送器；40-大气湿度变送器，41-支杆，411-加粗部，412-翼型部，413-细杆部，42-刚性连接件，43-驻室，44-软密封，45-外壳，46-张紧轮，47-齿轮，48-齿条，49-橡塑板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

实施例1：

如图1所示的一种极低风速标定方法，包括：

将热线风速仪的探头连接在支杆一端，并使支杆该端穿过软密封进入密闭室内；

通过压力调节系统调节密闭室内压力，使其与密闭室外部、与软密封相邻区域的压力相等；

通过温度调节系统、湿度调节系统调节密闭室内的温度、湿度至所需状态；此过程中压力调节系统始终保持工作；

由驱动机构驱动支杆在指定速度下、沿软密封移动指定的直线距离，记录探头数据。

在更为优选的实施方式中，使支杆穿过软密封进入密闭室内的方法包括：在密闭室表面开设用于支杆穿过的槽缝，在所述槽缝处设置柔性密封材料，支杆一端由外向内撑开柔性密封材料进入密闭室内。

在更为优选的实施方式中，驱动机构驱动支杆的方法包括：由动力组件驱动刚性连接件做直线运动，由刚性连接件带动运动平台同步运动，由运动平台带动支杆同步运动；其中动力组件、刚性连接件、运动平台均位于密闭室外。

在更为优选的实施方式中，所述直线距离通过如下方法测量：由光栅尺测量运动平台或刚性连接件的位移。

在更为优选的实施方式中，压力调节系统调节密闭室内压力的方法包括：采用压差变送器采集密闭室内外的压力差，将采集信号传输至调节阀控制器，由调节阀控制器控制压力调节阀动作。

在更为优选的实施方式中，温度调节系统通过如下方法调节密闭室内的温度：

上位机设定所需的工作环境温度，温度传感器测量密闭室内当前温度，得到当前温度与设定温度之差，并反馈至温度决策控制系统：

若温差大于或等于设定阈值，采用恒温水箱对密闭室进行温度调节，直至温差小于设定阈值；

若温差小于设定阈值，采用加热制冷循环机对密闭室进行温度调节，直至密闭室内温度等于设定温度。

在更为优选的实施方式中，湿度调节系统通过如下方法调节密闭室内的湿度：

上位机设定所需的工作环境湿度，湿度传感器测量密闭室内当前湿度，得到当前湿度与设定湿度之差，并反馈至湿度决策控制系统：

若当前湿度大于设定湿度，采用除湿机对密闭室内进行循环除湿，直至当前湿度等于设定湿度；

若当前湿度小于设定湿度，采用加湿器对密闭室内进行加湿，直至当前湿度等于设定湿度。

在更为优选的实施方式中，调节密闭室内的温度、湿度的方法包括：

启动压力调节系统；

启动温度调节系统直至密闭室内温度达到所需状态；

保持温度调节系统开启，启动湿度调节系统；随着湿度逐渐接近所需状态，减小加湿量/除湿量，同时逐渐减小压力调节系统中压力调节阀的开启大小，直至温度达到所需状态时，完全关闭所述压力调节阀。

在更为优选的实施方式中，记录探头数据的方法包括：

关闭温度调节系统、湿度调节系统，等待密闭室内气流稳定；

由驱动机构驱动支杆在指定速度下沿软密封做直线移动，在主控机上显示速度和时间曲线；

当速度达到设定要求后，主控机向探头发出采集指令，记录密闭室内的当前温度、湿度、支杆运行速度，同时采集当前的大气压力、密闭室外的温度和湿度。

需要说明的是，本实施例中运动平台的移动由同步带实现，而最终的位置检测是由光栅尺测量的，另外由于速度匹配的限制，驱动的伺服电机不能与主动同步带轮直接连接，要通过行星减速机连接，这样就造成了由于传动链传动和同步带误差而带来的运动精度和运动稳定性之间的矛盾。因此为满足探针移动的精度和稳定性，本实施例采用双闭环控制，即位置的测量由光栅尺得到，而速度的测量由伺服电机自带的编码器获得，经验证达到了1.2μm的控制精度。

实施例2：

一种极低风速标定系统，用于执行如实施例1所记载的标定方法，包括探头24，还包括密闭室14、穿入至密闭室14内的支杆41、用于驱动所述支杆41在密闭室内运动的驱动机构；所述探头24连接在支杆41上且探头24位于密闭室14内，所述支杆41与密闭室14之间软密封连接；

还包括分别用于调节密闭室14内温度、压力、湿度的温度调节系统、压力调节系统、湿度调节系统。

所述驱动机构包括与支杆41固定连接的运动平台31、与运动平台31固定连接的刚性连接件42、用于驱动所述刚性连接件42做直线运动的动力组件；还包括用于测量运动平台31的移动距离的光栅尺12。

其中，动力组件可采用现有任意驱动方式，优选的采用振动较小的同步带传动方式。

在更为优选的实施方式中，可为运动平台配备导轨以保证其稳定运动。

如图7所示，所述密闭室14表面开设用于支杆41穿过的槽缝，所述槽缝由柔性密封材料进行软密封。

优选的，柔性密封材料为橡塑板49，可采用单块橡塑板设一切口的方式，或两块橡塑板搭接而成，以保证支杆能够将其顶开。

本实施例的支杆41如图6所示，包括依次分布的加粗部411、翼型部412、细杆部413；所述加粗部411位于密闭室14外，所述细杆部413位于密闭室14内，所述翼型部412位于所述槽缝处。

实施例3：

一种极低风速标定系统，在实施例2的基础上，如图4所示，其中支杆41穿过密闭室14底部，所述运动平台31、动力组件、光栅尺12均位于密闭室14下方。

本实施例中整个标定系统的原理如图2所示。

所述密闭室14还包括照明系统、视频监控系统、混合系统。

所述密闭室14由外向内依次包括钢板、隔热层、导热层，所述导热层上设置若干热交换器。

所述温度调节系统包括加热制冷循环机、恒温水箱、循环管路、温度传感器，所述温度传感器用于监测密闭室14温度，所述循环管路位于密闭室14内壁和/或外壁和/或夹层内；

所述湿度调节系统包括加湿器、循环除湿器、湿度传感器，所述湿度传感器用于监测密闭室14湿度；

所述压力调节系统包括用于平衡密闭室14内外压力的压力平衡管16。

压力平衡管通过压差变送器采集压差，并由阀门控制器驱动压力调节阀，从而在需要时打开调节阀，对密闭室内外的压力进行平衡，保证使密闭室的压力在温湿度调节期间与室外的压力一致。

本实施例可给运动平台加盖流线型的隔温隔湿外壳，用于包裹住热线主机、数据采集电脑等。

经申请人实验证实，本实施例可适用于0.1～0.5m/s的极低风速的标定。

优选的，混合系统可采用风扇。

优选的，导热层为铝板，循环管路与其表面接触。

在更为优选的实施方式中，为了方便更换探头或者改变探头的角度，也便于安装和检查热交换器上的铜管排，在密闭室壁面开有相对应的密封窗门。

在更为优选的实施方式中，密闭室内表面铺设70mm厚的橡塑板，其传热系数为0.034W/m2·K，外壁面用4mm厚的钢板加筋组焊构成。

实施例4：

一种极低风速标定系统，如图3所示，本实施例与实施例3的区别在于，还包括位于密闭室14下方的驻室43，所述驻室43与密闭室14之间开设用于支杆41穿过的槽缝，所述槽缝由柔性密封材料进行软密封；

所述运动平台31位于驻室43内；所述刚性连接件42穿过驻室43侧壁，且刚性连接件42与驻室43侧壁之间动密封配合；所述动力组件、光栅尺12均位于驻室43外；

所述温度调节系统、压力调节系统、湿度调节系统分别用于调节密闭室14内温度、压力、湿度与驻室43内相同。

实施例5：

一种极低风速标定系统，如图5所示，本实施例与实施例3和实施例4的区别在于，所述支杆41穿过密闭室14侧壁，所述运动平台31、动力组件、光栅尺12均位于密闭室14侧面；还包括位于密闭室14内的导轨，所述支杆41与所述导轨滑动配合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (8)

1.一种极低风速标定方法，其特征在于，包括：

将热线风速仪的探头连接在支杆一端，并使支杆该端穿过软密封进入密闭室内；

通过压力调节系统调节密闭室内压力，使其与密闭室外部、与软密封相邻区域的压力相等；

通过温度调节系统、湿度调节系统调节密闭室内的温度、湿度至所需状态；此过程中压力调节系统始终保持工作；

由驱动机构驱动支杆在指定速度下、沿软密封移动指定的直线距离，记录探头数据；

使支杆穿过软密封进入密闭室内的方法包括：在密闭室表面开设用于支杆穿过的槽缝，在所述槽缝处设置柔性密封材料，支杆一端由外向内撑开柔性密封材料进入密闭室内；

驱动机构驱动支杆的方法包括：由动力组件驱动刚性连接件做直线运动，由刚性连接件带动运动平台同步运动，由运动平台带动支杆同步运动；其中动力组件、刚性连接件、运动平台均位于密闭室外。

2.根据权利要求1所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，所述直线距离通过如下方法测量：由光栅尺测量运动平台或刚性连接件的位移。

3.根据权利要求1所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，压力调节系统调节密闭室内压力的方法包括：采用压差变送器采集密闭室内外的压力差，将采集信号传输至调节阀控制器，由调节阀控制器控制压力调节阀动作。

4.根据权利要求1所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，温度调节系统通过如下方法调节密闭室内的温度：

上位机设定所需的工作环境温度，温度传感器测量密闭室内当前温度，得到当前温度与设定温度之差，并反馈至温度决策控制系统：

若温差大于或等于设定阈值，采用恒温水箱对密闭室进行温度调节，直至温差小于设定阈值；

若温差小于设定阈值，采用加热制冷循环机对密闭室进行温度调节，直至密闭室内温度等于设定温度。

5.根据权利要求1所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，湿度调节系统通过如下方法调节密闭室内的湿度：

上位机设定所需的工作环境湿度，湿度传感器测量密闭室内当前湿度，得到当前湿度与设定湿度之差，并反馈至湿度决策控制系统：

若当前湿度大于设定湿度，采用除湿机对密闭室内进行循环除湿，直至当前湿度等于设定湿度；

若当前湿度小于设定湿度，采用加湿器对密闭室内进行加湿，直至当前湿度等于设定湿度。

6.根据权利要求1所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，调节密闭室内的温度、湿度的方法包括：

启动压力调节系统；

启动温度调节系统直至密闭室内温度达到所需状态；

保持温度调节系统开启，启动湿度调节系统；随着湿度逐渐接近所需状态，减小加湿量/除湿量，同时逐渐减小压力调节系统中压力调节阀的开启大小，直至温度达到所需状态时，完全关闭所述压力调节阀。

7.根据权利要求1所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，记录探头数据的方法包括：

关闭温度调节系统、湿度调节系统，等待密闭室内气流稳定；

由驱动机构驱动支杆在指定速度下沿软密封做直线移动，在主控机上显示速度和时间曲线；

当速度达到设定要求后，主控机向探头发出采集指令，记录密闭室内的当前温度、湿度、支杆运行速度，同时采集当前的大气压力、密闭室外的温度和湿度。

8.根据权利要求7所述的一种极低风速标定方法，其特征在于，所述驱动机构以伺服电机作为动力源，所述支杆运行速度通过伺服电机的编码器获得。

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