DE10016540C1 - Induktiver Messaufnehmer und Verfahren zu seiner Kalibrierung - Google Patents

Induktiver Messaufnehmer und Verfahren zu seiner Kalibrierung

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Abstract

Ein induktiver Messaufnehmer mit einem verschieblichen Messkopf (40), mit wenigstens einer Messschleife (30), deren geometrische Gestalt sich in Abhängigkeit vom Verschiebungsweg des Messkopfes (40) ändert, und mit wenigstens einer Referenzschleife (20), deren geometrische Gestalt sich über den Verschiebungsweg nicht ändert, wobei der Messkopf (40) wenigstens ein induktives Element (42, 43) aufweist, das Bestandteil eines extern anregbaren Schwingkreises oder am Ausgang eines Generators angeordnet ist, der in der wenigstens einen Messschleife (30) eine Messspannung und in der wenigstens einen Referenzschleife (20) eine Referenzspannung induziert, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal der Quotient aus Messspannung und Referenzspannung ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Messaufnehmer gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 sowie ein Verfahren zu seiner Kalibrierung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 16 und 28.
Ein induktiver Messaufnehmer mit einem verschieblichen Messkopf und mit Messschleifen, deren geometrische Ge­ stalt sich in Abhängigkeit vom Verschiebungsweg des Messkopfes ändern, geht aus der DE 25 11 683 C3 hervor.
Ein induktiver Messaufnehmer geht beispielsweise auch aus der DE 39 13 861 A1 hervor.
Bei diesem induktiven Messaufnehmer dient die Referenz­ schleife zur Beobachtung der Steuerspannung des Schwingkreises. Hierdurch werden Änderungen in der Flussdichte, beispielsweise aufgrund einer Spannungsänderung einer Wechselspannungsquelle oder Änderungen der Umgebungstemperatur erfassen zu können, um so die Flussdichte des durch das induktive Element erzeugten Flusses konstant zu halten.
Hierdurch lassen sich zwar bereits recht gute Messer­ gebnisse erzielen, die insbesondere auch unabhängig von Temperaturschwankungen sind. Problematisch bei einem solchen Messaufnehmer sind aber Lageänderungen des Messkopfes, die zu nicht unerheblichen Messwertschwan­ kungen führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen kontaktlosen, verschleissfreien induktiven Messaufnehmer und ein Ver­ fahren zu seiner Kalibrierung so weiterzubilden, dass die durch ihn erzielten Messergebnisse nicht nur unab­ hängig von Temperatureinflüssen, sondern insbesondere auch unabhängig von Schwankungen der Lage des Messkop­ fes sind. Darüber hinaus soll er bei einem sehr guten Kosten-Nutzen-Verhältnis eine hohe Linearität und Auf­ lösung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Messaufnehmer und bei einem Verfahren zu seiner Kalibrierung der ein­ gangs beschriebenen Art gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 2, 16 und 18.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Ge­ genstand der Unteransprüche.
Dadurch, dass bei einer erfindungsgemäßen Lösung sowohl die Referenzschleife als auch die Messschleife prak­ tisch beide als Auswerteschleifen verwendet werden und der Quotient aus Messspannung und Referenzspannung, d. h. aus der Spannung, die in der Messschleife indu­ ziert wird, und der Spannung, die in der Referenz­ schleife induziert wird, gebildet wird, können jegliche Temperaturdrifts, Lageänderungen des Messkopfs und der­ gleichen berücksichtigt werden, da sie sich sowohl in der Messspannung als auch in der Referenzspannung glei­ chermaßen auswirken und durch die Quotientenbildung dieser beiden Messgrößen eliminiert werden können.
Durch die Anregung des Schwingkreises bei einer anderen Lösung des erfindungsgemäßen Problems so, dass die in­ duzierte Referenzspannung konstant ist, wobei das Mess­ signal die Messspannung ist, wird gewissermaßen eben­ falls eine Quotientenbildung ermöglicht. In diesem Fal­ le wird der Divisor gewissermaßen auf einen konstanten Wert eingestellt, so dass eine Bildung der Quotienten der Messspannung und der Referenzspannung entfallen und die Messspannung direkt ausgewertet werden kann.
Der aktive Messkopf weist zumindest das induktive Ele­ ment auf, bei einer anderen vorteilhaften Ausführungs­ form ist vorgesehen, dass er neben dem induktiven Ele­ ment auch ein kapazitives Element und gegebenenfalls auch eine Steuerelektronik aufweist.
Die Messschleife kann beispielsweise die geometrische Gestalt eines gleichschenkligen Dreiecks aufweisen.
Die Referenzschleife weist dagegen vorteilhafterweise die geometrische Gestalt eines Rechtecks auf.
Das induktive Element ist vorzugsweise eine Kernspule mit magnetisch weichem Kern von im wesentlich E- förmiger Gestalt, dessen Mittelschenkel über der Mess- und Referenzschleife liegend angeordnet ist. Hierdurch lässt sich ein sehr homogenes, die Messschleife und die Referenzschleife durchsetzendes magnetisches Feld er­ zielen.
Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das induktive Element eine ring­ förmig gekrümmte Kernspule mit magnetisch weichem Kern und einem Luftspalt ist, in deren Luftspalt die Mess- und Referenzschleife angeordnet sind. Eine solche Kern­ spule weist ein ausserordentlich homogenes Magnetfeld auf.
Der Messkopf ist bei einer Ausführungsform mit einer externen Auswerteschaltung über eine leitergebundene Zuführung, insbesondere eine Filmleiterzuführung ver­ bunden.
Bei einer anderen Ausführungsform, bei der auf Leiter vollständig verzichtet wird, ist vorgesehen, dass der Messkopf mit einer externen Auswerteschaltung über elektromagnetische Wellen, insbesondere optische oder Funkwellen, verbunden ist. Die bidirektionale Übertra­ gung von Energie durch elektromagnetische Wellen kann dabei zur Energieversorgung wie auch zur Übertragung von Informationen dienen.
Die Steuer- und Auswerteschaltung kann für die Auswer­ tung der Messspannung und der Referenzspannung jeweils eigene, voneinander unabhängige Schaltelemente umfas­ sen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteschaltung Schaltelemente aufweist, durch welche jeweils durch Um­ schalten sowohl die Mess- als auch die Referenzspannung durch die gleichen Schaltelemente auswertbar sind. Auf diese Weise reduzieren sich der Aufwand an Bauteilen und die Kosten zur Herstellung derartiger induktiver Messaufnehmer erheblich.
Die Schaltelemente, welche sowohl die Mess- als auch die Referenzspannung auswerten, umfassen vorteilhafter­ weise einen Umschalter, einen Vorverstärker, einen Gleichrichter sowie eine Sample & Hold-Schaltung.
Rein prinzipiell können die Referenz- und die Mess­ schleife auf beliebigen Körpern oder sogar frei tragend angeordnet werden, solange eine berührungslose Abta­ stung durch den Messkopf möglich ist. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Mess- und die Refe­ renzschleife auf einer Trägerplatte, insbesondere einer gedruckte Platine, angeordnet sind, über der der Mess­ kopf verschieblich geführt ist.
Die Trägerplatte kann dabei geradlinig, sie kann aber auch gekrümmt, vorzugsweise kreisförmig ausgebildet sein. Auf diese Weise lassen sich sehr einfach lineare und rotative Messaufnehmer realisieren.
Zur Konstanthaltung der Referenzspannung ist vorteiel­ hafterweise vorgesehen, dass eine den Schwingkreis an­ regende bzw. den Generator ansteuernde Wechselspannung in Abhängigkeit von der Referenzspannung durch einen P- oder PI-Regler auf eine vorgebbare Schwellenspannung regelbar ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch perspektivisch ein Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Messaufneh­ mers;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Auswer­ teschaltung des in Fig. 1 dargestellten Mess­ aufnehmers;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Aus­ werteschaltung des in Fig. 1 dargestellten Messaufnehmers;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer als induktives Element wirkenden E-förmige Kernspule mit ma­ gnetisch weichem Kern;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer als induktives Element wirkenden ringförmig gekrümmten Kernspule mit magnetisch weichem Kern und Luftspalt;
Fig. 6 schematisch das wegabhängige Ausgangssignal und der wegabhängige Fehler eines in Fig. 1 dargestellten Messaufnehmers mit einem induk­ tiven Element in Form der in Fig. 3 darge­ stellten E-förmigen Kernspule und
Fig. 7 schematisch eine Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens zur Kalibrierung eines von der Erfindung Gebrauch machenden Messaufneh­ mers.
Ein induktiver Messaufnehmer, dargestellt in Fig. 1, umfasst eine Trägerplatte 10, beispielsweise eine ge­ druckte Platine, auf der eine Referenzschleife 20 in Form eines Rechtecks und eine Messschleife 30 in Form eines Dreiecks angeordnet sind. Über der Referenz­ schleife 20 und der Messschleife 30 ist ein aktiver Messkopf 40 verschieblich geführt, dessen Position x bezogen auf einen Bezugspunkt erfasst werden soll. Der Messkopf 40 weist zumindest das induktive Element eines Schwingkreises, beispielsweise in Form einer Kernspule mit magnetisch weichem Kern 42 mit einer Spule 43 auf. Er kann darüber hinaus auch das kapazitive Element und weitere Auswerteelektronik des Schwingkreises tragen.
Der Messkopf 40 ist beispielsweise durch eine (nicht dargestellte) Flexprint-Zuführung, die eine praktisch verschleissfreie Verbindung über mehrere Millionen Zy­ klen ermöglicht, mit einer externen Schaltung (nicht dargestellt) verbunden.
Neben einer leitergebundenen Zuführung ist es auch mög­ lich, Energie und/oder Daten durch elektromagnetische Wellen, beispielsweise auf optischem Weg oder durch Funkwellen bidirektional zuzuführen.
Ein Beispiel einer Kernspule mit magnetisch weichem Kern ist in Fig. 4 dargestellt. Die in Fig. 4 darge­ stellte Kernspule mit magnetisch weichem Kern 42' weist eine E-förmige Gestalt auf mit drei Schenkeln 410, 420, 430. Um den mittleren Schenkel 420 ist eine Spule 43' gewickelt, durch die ein elektromagnetisches Feld 460 erzeugt wird, das im Bereich der Messschleife 30 und der Referenzschleife 20 sehr homogen ist. Die Kernspule mit magnetisch weichem Kern 42' wird mit einer Wech­ selspannung beaufschlagt. Die von der Referenzschleife 20 und der Messschleife 30 erfasste Spannung URef bzw. UMess wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, jeweils durch Verstärker 31, 21 verstärkt, durch Gleichrichter 32, 22 gleichgerichtet und sodann einem dividierenden Analog-Digital-Wandler 70 zugeführt, der den Quotienten aus der Messspannung UMess und der Referenzspannung URef bildet. Das Ausgangssignal des dividierenden Analog- Digital-Wandlers wird durch einen Digital-Analog- Wandler 72 in ein analoges Ausgangssignal Ua umgewan­ delt. Das analoge Ausgangssignal Ua stellt den Quotien­ ten aus UMess und URef UMess/URef dar.
Durch Erfassung sowohl der Referenzspannung URef als auch der Messspannung UMess, können das Messergebnis störende Einflüsse, wie Temperaturdrifts oder Schwankungen der Position des Messkopfes 40 eliminiert wer­ den, da sich derartige Schwankungen sowohl auf die Messspannung UMess als auch auf die Referenzspannung URef, die beide auf der Trägerplatte 10 benachbart zu­ einander angeordnet sind, gleichermaßen auswirken.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wechselspannung des aus der Kernspule mit magne­ tisch weichem Kern 42, 43, der Kapazität 46 und des Os­ zillators 47 gebildeten Schwingkreises in Abhängigkeit von der Referenzspannung URef durch einen beispielsweise P- oder PI-Regler auf einen voreinstellbaren Wert gere­ gelt wird. Eine solche Schaltung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 sind diejenigen Elemente, die mit denen in Fig. 2 dargestellten identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zu dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel voll inhaltlich Be­ zug genommen wird.
Statt einer Quotientenbildung wird bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung die Referenzspannung URef durch einen Regler 25 auf einen vorgebbaren Schwellenwert USchwelle, d. h. auf einen konstanten Spannungswert, gere­ gelt durch Ansteuern des Oszillators 47, welcher sei­ nerseits wiederum den Schwingkreis umfassend Kapazität 46 und Induktivität 43 zu Schwingungen anregt. In die­ sem Falle erübrigt sich eine Bildung des Quotienten UMess/URef, da URef einen konstanten Wert aufweist und so nur einen Offset darstellt. Die Referenzspannung URef wird so nach einer Konditionierung in einem Schaltelement 78 direkt als Ausgangssignal Ua ausgegeben. Auch in diesem Falle werden durch Temperaturdrifts oder La­ geänderungen hervorgerufene Störungen eliminiert.
In Fig. 6 ist die Ausgangsspannung Ua sowie der Fehler dieses Signals in Abhängigkeit von der Stellung des Messkopfes x dargestellt. Der vorbeschriebene Messauf­ nehmer zeigt sich eine ausserordentlich hohe Linearität mit praktisch verschwindendem Fehler.
Diese Linearität wird weder durch Temperaturdrifts noch durch Änderungen der Position des Messkopfs 40 beein­ flusst.
Eine andere Ausführungsform eines als induktives Ele­ ment des Schwingkreises wirkende Kernspule mit magne­ tisch weichem Kern ist in Fig. 5 dargestellt. Die in Fig. 5 dargestellte Kernspule mit magnetisch weichem Kern 42" weist eine ringförmig geschlossene Gestalt und einen Luftspalt 480 auf, in deren Luftspalt 480 die Leiterplatte 10 angeordnet ist. Eine solche Kernspule erzeugt in ihrem Spalt ein ausserordentlich homogenes und starkes magnetisches Feld, das zusammen mit der oben beschriebenen Auswertung zu einer ausserordentlich hohen Linearität und Störfestigkeit des Messsignals Ua führt.
Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele wurden im Zu­ sammenhang mit einem extern anregbaren Schwingkreis be­ schrieben. Es versteht sich, dass statt eines extern anregbaren Schwingkreises auch ein ansteuerbarer Gene­ rator vorgesehen sein kann (nicht dargestellt).
Zum Kalibrieren eines oben beschriebenen induktiven Messaufnehmers, insbesondere zur Linearisierung des Messaufnehmers kann man einerseits die Kontur der Mess- und/oder Referenzschleife 30, 20 mechanisch beispiels­ weise durch eine Fräse oder mittels eines Laserstrahls korrigieren, wobei man die innere Kontur der als Lei­ terbahn gedruckten Messschleife 30 und/oder Referenz­ schleife 20 durch geringfügiges teilweises Entfernen der leitenden Fläche und dadurch der von dem Magnetfeld durchflossenen Fläche (in Fig. 1 schraffiert) so verän­ dert, dass ein lineares Ausgangssignal entsteht.
Darüber hinaus kann man aber auch zur Kalibrierung ein sogenanntes Look-up-table-Verfahren anwenden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Zwischenspan­ nung durch zuvor in einer Tabelle oder einem Speicher eines Mikrocontrollers gespeicherten Werten vergleicht und gegebenenfalls korrigiert.
Ein solches Verfahren ist schematisch in Verbindung mit Fig. 7a, 7b dargestellt.
Die in Fig. 7a dargestellte Schaltung ist beispielswei­ se direkt hinter dem dividierenden Analog-Digital- Wandler 70 und dem Digital-Analog-Wandler 72 angeord­ net, sie umfasst einen Mikrocontroller mit analog- digital-wandelndem Eingang, in dem das Signal einen in einer Tabelle 75a zuvor gespeicherten Wert adressiert, dadurch aktiviert und gegebenenfalls dadurch korri­ giert, dass der Mikrocontroller 75 über seinen digital- analog-wandelnden Ausgang einen Differenzwert ΔU aus­ gibt, der in einem Summierer 76 zu dem Wert U1 den er­ forderlichen Differenzwert ΔU addiert, so dass ein li­ nearer Ausgangsspannungswert Ua über den Verschiebungs­ weg x entsteht.
Die Vorteile des vorbeschriebenen Messaufnehmers sind insbesondere darin zu sehen, dass er berührungslos ar­ beitet, eine sehr hohe Linearität aufgrund der geome­ trischen Gegebenheiten aufweist und insbesondere tole­ rant ist gegenüber Abweichungen in Querrichtung. Er weist ein sehr hohes Nutzsignal-Rauschen-Verhältnis und damit eine sehr hohe EMV-Verträglichkeit auf. Er ist im wesentlichen unempfindlich gegen Schmutz und kann durch vorhandene Bauteile realisiert werden.
Die Auswerteschaltung ist auf einfache Weise realisier­ bar.

Claims (18)

1. Induktiver Messaufnehmer mit einem verschieblichen Messkopf (40), mit wenigstens einer Messschleife (30), deren geometrische Gestalt sich in Abhängig­ keit vom Verschiebungsweg des Messkopfes (40) än­ dert, und mit wenigstens einer Referenzschleife (20), deren geometrische Gestalt sich über den Verschiebungsweg nicht ändert, wobei der Messkopf (40) wenigstens ein induktives Element (42, 43) aufweist, das Bestandteil eines extern anregbaren Schwingkreises oder am Ausgang eines Generators angeordnet ist, der in der wenigstens einen Mess­ schleife (30) eine Messspannung und in der wenig­ stens einen Referenzschleife (20) eine Referenz­ spannung induziert, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal der Quotient aus Messspannung und Referenzspannung ist.
2. Induktiver Messaufnehmer mit einem verschieblichen Messkopf (40), mit wenigstens einer auf einer Trä­ gerplatte (10) angeordneten Messschleife (30), de­ ren geometrische Gestalt sich in Abhängigkeit vom Verschiebungsweg des Messkopfes ändert, und mit wenigstens einer Referenzschleife (20), deren geo­ metrische Gestalt sich über den Verschiebungsweg nicht ändert, wobei der Messkopf (40) wenigstens ein induktives Element (42, 43) aufweist, das Be­ standteil eines extern anregbaren Schwingkreises oder am Ausgang eines Generators angeordnet ist, der in der wenigstens einen Messschleife (30) eine Messspannung und in der wenigstens einen Referenz­ schleife (20) eine Referenzspannung induziert, da­ durch gekennzeichnet, dass die Anregung des Schwingkreises bzw. die Ansteuerung des Generators so erfolgt, dass die induzierte Referenzspannung konstant ist, und dass das Messsignal die Mess­ spannung ist.
3. Induktiver Messaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Messkopf (40) neben dem induktiven Element (42, 43) auch ein ka­ pazitives Element (46) und eine Auswerteelektronik (47) angeordnet sind.
4. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess­ schleife (30) die geometrische Gestalt eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist.
5. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Refe­ renzschleife (20) die geometrische Gestalt eines Recktecks aufweist.
6. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das indukti­ ve Element eine Kernspule mit magnetisch weichem Kern (42') von im wesentlichen E-förmiger Gestalt ist, dessen Mittelsteg (420) über der Mess- und Referenzschleife (30, 20) liegend angeordnet ist.
7. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das indukti­ ve Element eine ringförmig gekrümmte Kernspule mit magnetisch weichem Kern (42") und einem Luftspalt ist, in deren Luftspalt (480) die Mess- und Refe­ renzschleife (30, 40) angeordnet sind.
8. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) mit einer externen Steuer- und Auswerteschal­ tung über eine leitergebundene Zuführung, insbe­ sondere über eine Filmleiterzuführung, verbunden ist.
9. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) mit einer externen Steuer- und Auswerteschal­ tung über elektromagnetische Wellen, insbesondere optische oder Funkwellen, bidirektional verbunden ist.
10. Induktiver Messaufnehmer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Aus­ werteschaltung Schaltelemente aufweist, durch wel­ che jeweils durch Umschalten sowohl die Mess- als auch die Referenzspannung durch die gleichen Schaltelemente auswertbar sind.
11. Induktiver Messaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente umfassen:
  • - einen Umschalter, einen Vorverstärker, einen Gleichrichter sowie eine Sample & Hold- Schaltung.
12. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Referenzschleife (30, 20) auf einer Träger­ platte (10), insbesondere einer gedruckten Plati­ ne, angeordnet sind.
13. Induktiver Messaufnehmer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (10) gerad­ linig ausgebildet ist.
14. Induktiver Messaufnehmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte gekrümmt, vorzugsweise kreisförmig, ausgebildet ist.
15. Induktiver Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Schwingkreis anregende oder den Generator ansteu­ ernde Wechselspannung in Abhängigkeit von der Re­ ferenzspannung durch einen P- oder PI-Regler auf eine vorgebbare Schwellenspannung regelbar ist.
16. Verfahren zur Kalibrierung eines induktiven Mess­ aufnehmers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, dass man die innere Kontur der Mess- und/oder Referenzschleife (30, 20) me­ chanisch korrigiert.
17. Verfahren zur Kalibrierung eines induktiven Mess­ aufnehmers nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, dass man die Mess- und/oder Referenzschleife (30, 20) mittels einer Fräse und/oder mittels ei­ nes Laserstrahls bearbeitet.
18. Verfahren zur Kalibrierung eines induktiven Mess­ aufnehmers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, dass man die Mess- und/oder Referenzspannung durch Vergleich mit zuvor gespei­ cherten Werten in einem Mikrocontroller korrigiert (Look-up-table-Verfahren).
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