DE102018200363B3 - Measuring device for level monitoring and differential measurement of the optical refractive index - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Messvorrichtung zur Überwachung eines Flüssigkeitstandes in einem Flüssigkeitstank beschrieben, mit einer Lasereinheit, einer drehbaren Ablenkeinheit, einer festen Ablenkeinheit und einem Reflektorelement, wobei das Reflektorelement vollständig in der Flüssigkeit angeordnet ist und eine erste Reflektorfläche und eine zweite Reflektorfläche aufweist, wobei die Lasereinheit zur Messung einer optischen Weglänge eines abgestrahlten und zumindest teilweise zurückgeworfenen Laserstrahls konfiguriert ist, wobei eine Mehrzahl von Einstellungen der drehbaren Ablenkeinheit einer Mehrzahl von optischen Pfaden des abgestrahlten und zumindest teilweise zurückgeworfenen Laserstrahls entspricht, wobei mindestens ein erster Pfad aus der Mehrzahl von optischen Pfaden über die feste Ablenkeinheit und die erste Reflektorfläche führt und mindestens ein zweiter Pfad aus der Mehrzahl von optischen Pfaden über die feste Ablenkeinheit und die zweite Reflektorfläche führt.The invention relates to a measuring device for monitoring a liquid level in a liquid tank, comprising a laser unit, a rotatable deflection unit, a fixed deflection unit and a reflector element, wherein the reflector element is arranged completely in the liquid and has a first reflector surface and a second reflector surface, wherein the laser unit configured to measure an optical path length of a radiated and at least partially reflected laser beam, wherein a plurality of settings of the rotatable deflection unit corresponds to a plurality of optical paths of the emitted and at least partially reflected laser beam, wherein at least a first path of the plurality of optical paths over the leads solid deflection unit and the first reflector surface and at least a second path of the plurality of optical paths on the fixed deflection and the second reflector surface leads.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung zur Überwachung eines Flüssigkeitstandes in einem Flüssigkeitstank.The invention relates to a measuring device for monitoring a liquid level in a liquid tank.
Aus dem Stand der Technik sind Messvorrichtungen zur Messung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitstank, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Ein gängiges Messprinzip beruht dabei zum Beispiel auf Ultraschallsensoren, welche akustische Impulse aussenden, die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden. Andere Messvorrichtungen nutzen dagegen Lichtwellen, die in ähnlicher Weise an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Luft und an den Wänden des Tanks reflektiert werden und darüber einen Rückschluss auf den Füllstand ermöglichen.Measuring devices for measuring the level of a liquid in a liquid tank, for example in motor vehicles, in a large number of embodiments are known from the prior art. A common measuring principle is based for example on ultrasonic sensors, which emit acoustic pulses that are reflected at the liquid surface. On the other hand, other measuring devices use light waves, which are reflected in a similar way at the interfaces between liquid and air and on the walls of the tank and allow a conclusion about the level.
Um eine falsche Befüllung eines Tanks zu detektieren, sind ferner Messvorrichtungen und -verfahren bekannt, über die sich bestimmte Eigenschaften, wie z. B. die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Viskosität, die Dichte oder die elektrische Permeabilität messen lassen. Lässt sich eine solche Flüssigkeitseigenschaft ebenfalls über Wellenausbreitung ermitteln, kann diese Messung unter Umständen mit der Füllstandmessung zusammen durch eine einzige Vorrichtung realisiert werden. So lässt sich zum Beispiel die vom optischen Brechungsindex der Flüssigkeit abhängige Geschwindigkeit eines optischen Signals über eine Laufzeitmessung ermitteln, sofern das Signal dabei einen Weg von bekannter Länge durchläuft. Zum einen ergibt sich daraus die Notwendigkeit, dass eine solche definierte Wegstrecke im Flüssigkeitstank vorhanden sein muss, zum anderen entsteht dabei zusätzlich die technische Schwierigkeit, dass sich derartige Referenzlängen durch Temperaturschwankungen verändern und dadurch die Messung verfälschen.In order to detect a wrong filling of a tank, measuring devices and methods are also known over which certain properties, such. B. can measure the speed of sound in the liquid, the thermal conductivity, the viscosity, the density or the electrical permeability. If such a liquid property can also be determined by wave propagation, this measurement can possibly be realized together with the level measurement by a single device. Thus, for example, the speed of an optical signal, which is dependent on the optical refractive index of the fluid, can be determined over a transit time measurement, provided that the signal thereby traverses a path of known length. On the one hand, this results in the necessity that such a defined distance must be present in the liquid tank, on the other hand there is the additional technical difficulty that such reference lengths change due to temperature fluctuations and thereby falsify the measurement.
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Füllstandüberwachung mit einer präzisen Messung des Brechungsindex zu verbinden.Against this background, the invention has the object to connect a level monitoring with a precise measurement of the refractive index.
Unter der optischen Weglänge wird im Folgenden die geometrische Weglänge multipliziert mit dem Brechungsindex des jeweiligen Mediums verstanden. Sie ist proportional zur Zeit, die das Licht benötigt um den entsprechenden Weg zur durchlaufen.In the following, the optical path length is understood as the geometric path length multiplied by the refractive index of the respective medium. It is proportional to the time it takes the light to go through the appropriate path.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die zur Messung des Brechungsindex notwendige Referenzstrecke von der Reflektoreinheit bereitgestellt wird und damit integraler Bestandteil der Messvorrichtung ist. Die Messvorrichtung lässt sich daher in einer beliebigen Messumgebung einsetzen ohne auf im Flüssigkeitstank vorhandene geometrische Gegebenheiten eingeschränkt zu sein. Darüber hinaus lässt sich bei bekanntem Temperaturverhalten der Reflektoreinheit die temperaturbedingte Veränderung der Referenzstrecke bei der Auswertung der optischen Weglängen zumindest teilweise kompensieren.The measuring device according to the invention has the advantage over the prior art that the reference distance necessary for measuring the refractive index is provided by the reflector unit and is therefore an integral part of the measuring device. The measuring device can therefore be used in any measuring environment without being limited to existing in the liquid tank geometric conditions. In addition, can be at least partially compensate for the temperature-induced change in the reference distance in the evaluation of the optical path lengths with known temperature behavior of the reflector unit.
Zur Kombination der Füllstandüberwachung mit der Brechungsindexmessung wird der Laserstrahl erfindungsgemäß durch eine drehbare Ablenkeinheit über verschiedene Drehwinkel auf verschiedene optische Pfade gelenkt. Ein Teil dieser Pfade durchläuft den Innenraum des Tanks und wird dabei unter Umständen mehrmals gebrochen und reflektiert. Die optische Weglänge ist durch den geometrischen Verlauf des entsprechenden Lichtpfads und durch den Brechungsindex des jeweils durchlaufenen Mediums bestimmt. In einer einfachen Ausführungsform wird der Laserstrahl lediglich an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert, so dass sich bei Kenntnis des Brechungsindex der Flüssigkeit der Abstand der Messvorrichtung zur Flüssigkeitsoberfläche bestimmen lässt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform lässt sich die gemessene optische Weglänge zum Beispiel mit einem Berechnungsmodell vergleichen, das den Winkel der drehbaren Ablenkeinheit mit der optischen Weglänge in Zusammenhang bringt. Ein solches Modell kann zum Beispiel den Flüssigkeitsspiegel als einen freien Parameter enthalten und aus dem Winkel der drehbaren Ablenkeinheit den Verlauf eines an der Flüssigkeitsoberfläche gebrochenen und an der Tankwand reflektierten Strahls berechnen und bei Kenntnis des Brechungsindex der Flüssigkeit daraus die zugehörige optische Weglänge bestimmen. Durch Kurvenanpassung dieses Modells an den gemessenen Zusammenhang zwischen Winkel und Weglänge lässt sich so der Flüssigkeitsstand ermitteln. Denkbar sind auch andere Berechnungsmodelle die komplexere optische Pfade berücksichtigen.For combining the level monitoring with the refractive index measurement, the laser beam according to the invention is directed by a rotatable deflection unit over different angles of rotation on different optical paths. Part of these paths pass through the interior of the tank and may be broken and reflected several times. The optical path length is determined by the geometric shape of the corresponding light path and by the refractive index of the respective medium passed through. In a simple embodiment, the laser beam is reflected only at the liquid surface, so that the distance of the measuring device to the liquid surface can be determined with knowledge of the refractive index of the liquid. For example, in another embodiment, the measured optical path length may be compared to a computational model that relates the angle of the rotatable deflector to the optical path length. Such a model may, for example, contain the liquid level as a free parameter and calculate from the angle of the rotatable deflection unit the course of a beam refracted on the liquid surface and reflected on the tank wall and, if the refractive index of the liquid is known, determine the associated optical path length therefrom. By Curve fitting of this model to the measured relationship between angle and path length can thus determine the liquid level. Also conceivable are other calculation models that take into account more complex optical paths.
Voraussetzung für die Durchführbarkeit eines solchen Verfahrens ist demnach die Kenntnis des Brechungsindex. Dieser lässt sich erfindungsgemäß dadurch bestimmen, dass ein weiterer Teil der optischen Pfade über die drehbare Ablenkeinheit und anschließend über die feste Ablenkeinheit auf die beiden Reflektorflächen des Reflektorelements gelenkt wird. Das Reflektorelement befindet sich in der Flüssigkeit und indem mindestens einer der auf das Reflektorelement gelenkten Pfade an der ersten Reflektorfläche zurückgeworfen wird und mindestens ein weiterer an der zweiten Reflektorfläche zurückgeworfen wird, lässt sich beispielsweise der (bekannte) Abstand der beiden Reflektorflächen mit der Differenz der Weglängen der beiden Pfade in Verbindung bringen und so der Brechungsindex der Flüssigkeit bestimmten. Vorteilhafterweise wird auf diese Weise eine definierte Referenzstrecke als Teil der Messvorrichtung realisiert. Ist darüber hinaus die Temperaturabhängigkeit der Referenzstrecke bekannt, lassen sich die Temperatureffekte bei der Auswertung der Weglängendaten berücksichtigen und so zumindest teilweise kompensieren.Prerequisite for the feasibility of such a method is therefore the knowledge of the refractive index. This can be determined according to the invention by directing a further part of the optical paths via the rotatable deflection unit and then via the fixed deflection unit onto the two reflector surfaces of the reflector element. The reflector element is located in the liquid and by at least one of the guided on the reflector element paths at the first reflector surface is reflected and at least one further reflected at the second reflector surface, for example, the (known) distance of the two reflector surfaces with the difference of the path lengths of the two paths and thus determine the refractive index of the liquid. Advantageously, a defined reference distance is realized as part of the measuring device in this way. Moreover, if the temperature dependence of the reference distance is known, the temperature effects can be taken into account in the evaluation of the path length data and thus at least partially compensated.
Um zu gewährleisten, dass der emittierte Strahl zumindest teilweise zur Lasereinheit zurück reflektiert wird, sind die optischen Pfade vorzugsweise so beschaffen, dass es bei der Reflexion des Laserlichts zu einer diffusen Aufweitung des Strahls kommt, der Strahl also in verschiedene Richtungen aufgefächert wird. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil des reflektierten Lichts in die einfallende Richtung zurückgeworfen, so dass der Lichtpfad nach der Reflexion in entgegengesetzter Richtung durchlaufen wird und zur Lasereinheit zurückführt.In order to ensure that the emitted beam is at least partially reflected back to the laser unit, the optical paths are preferably such that, upon reflection of the laser light, the beam diffuses diffusely, ie the beam is fanned out in different directions. In this way, at least a part of the reflected light is reflected in the incident direction, so that the light path is traversed in the opposite direction after the reflection and returns to the laser unit.
Die Lasereinheit ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die optische Weglänge durch Selbstmischung des von der Lasereinheit emittierten Laserstrahls mit dem Laserlicht, welches an den Reflexionsflächen des Tanks oder des Reflektorelements reflektiert wurde, messbar ist (Self-Mixing Interferometrie, SMI). Der reflektierte Laserstrahl fällt dabei in den Resonator des Lasers ein und interferiert mit den dort gebildeten Lasermoden, wodurch sich die optischen und elektrischen Eigenschaften des Lasers verändern und der Einfluss des reflektierten Laserlichts auf diese Weise einer Messung zugänglich wird. Zur Messung einer absoluten Objektentfernung ist es vorteilhaft bei gleichzeitiger Messung der Ausgangsleistung des Lasers die Emissionswellenlänge kontinuierlich zu verändern. Die Lasereinheit ist bevorzugt als Halbleiterlaser, insbesondere als vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), ausgebildet. Der Halbleiterlaser weist bevorzugt eine integrierte Photodiode auf, über welche eine optische oder elektrische Größe gemessen werden kann. Ferner kann die drehbare Ablenkeinheit durch einen drehbaren Spiegel gegeben sein, welcher bevorzugt als MEMS (microelectromechanical system) ausgebildeten ist. Über die drehbare Ablenkeinheit ist der Laserstrahl bevorzugt derart ablenkbar, dass er auf den Reflexionsflächen des Tanks, der Flüssigkeitsoberfläche oder des Reflektorelements eine Linie beschreibt. Optional kann die der Laserstrahl über die Ablenkeinheit in zwei Dimensionen ablenkbar sein, beispielsweise derart, dass der Laserstrahl auf der Reflexionsfläche eine Fläche oder zwei gekreuzte Linien oder eine Lissajous-Figur beschreibt.The laser unit is preferably designed such that the optical path length can be measured by self-mixing of the laser beam emitted by the laser unit with the laser light which has been reflected at the reflection surfaces of the tank or the reflector element (self-mixing interferometry, SMI). The reflected laser beam falls into the resonator of the laser and interferes with the laser modes formed there, whereby the optical and electrical properties of the laser change and the influence of the reflected laser light in this way a measurement is accessible. To measure an absolute object distance, it is advantageous to continuously change the emission wavelength while simultaneously measuring the output power of the laser. The laser unit is preferably designed as a semiconductor laser, in particular as a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The semiconductor laser preferably has an integrated photodiode, via which an optical or electrical variable can be measured. Furthermore, the rotatable deflection unit may be provided by a rotatable mirror, which is preferably designed as a MEMS (microelectromechanical system). About the rotatable deflection of the laser beam is preferably deflected so that it describes a line on the reflection surfaces of the tank, the liquid surface or the reflector element. Optionally, the laser beam can be deflected via the deflection unit in two dimensions, for example such that the laser beam on the reflection surface describes an area or two crossed lines or a Lissajous figure.
Eine alternativ bevorzugte Ausgestaltung der Lasereinheit sieht vor, dass diese zur Messung einer Laufzeit eines von der Lasereinheit emittierten und zu dieser zurück reflektierten Laserpulses konfiguriert ist (Time-Of-Flight-Verfahren). Die Lasereinheit kann auch einen Laser zur Emission eines Laserstrahls, einen Detektor zur Detektion von reflektiertem Laserlicht und eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts aufweisen.An alternative preferred embodiment of the laser unit provides that it is configured to measure a transit time of a laser pulse emitted by the laser unit and reflected back to it (time-of-flight method). The laser unit can also have a laser for emitting a laser beam, a detector for detecting reflected laser light and an evaluation circuit for determining the transit time of the laser light.
Eine weitere alternativ bevorzugte Ausgestaltung der Lasereinheit sieht vor, dass eine kontinuierliche Veränderung der optischen Weglänge des emittierten und zurück reflektierten Lichts durch den Wechsel zwischen destruktiver und konstruktiver Interferenz im Laserresonator zu einem oszillierenden Ausgangssignal der SMI-Komponente führt und so über die Anzahl der Oszillationen die Änderung der optischen Weglänge gemessen werden kann. Dadurch kann über ein gleichmäßiges Abtasten einer Reflexionsfläche die damit einhergehende Veränderung der optischen Weglänge präzise vermessen werden und so die geometrische Form der Reflexionsfläche erfasst werden.Another alternative preferred embodiment of the laser unit provides that a continuous change in the optical path length of the emitted and reflected back light by the change between destructive and constructive interference in the laser resonator leads to an oscillating output of the SMI component and so on the number of oscillations Change in the optical path length can be measured. As a result, the associated change in the optical path length can be precisely measured via a uniform scanning of a reflection surface and thus the geometric shape of the reflection surface can be detected.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der anhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments of the invention are subject matters of the appended claims.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Reflektorelement einstückig ausgebildet, d.h. die beiden Reflektorflächen sind Teile eines einzigen Bauteils, zum Beispiel eines entsprechend geformten Metallstücks. Dadurch bestimmt sich der Abstand der beiden Reflektorflächen durch die Länge des sie verbindenden Teilstücks des Reflektorelements. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, dass sich die Temperaturabhängigkeit des Abstandes sehr einfach aus dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials bestimmen lässt, aus dem das Reflektorelement gefertigt ist. Alternativ kann ein Material mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten gewählt werden, so dass sich der Abstand bei Temperaturänderung nicht wesentlich ändert. Weiterhin verringert sich bei einer einstückigen Bauform der Fertigungsaufwand für das Reflektorelement.According to a preferred embodiment of the present invention, the reflector element is integrally formed, that is, the two reflector surfaces are parts of a single component, for example a correspondingly shaped piece of metal. As a result, the distance of the two reflector surfaces determined by the length of the connecting portion of the reflector element. Thereby, it is advantageously possible that the temperature dependence of the distance can be very easily determined from the thermal expansion coefficient of the material from which the reflector element is made. Alternatively, a material with a low coefficient of expansion may be chosen so that the distance does not change significantly with temperature change. Further decreases in a one-piece design of the manufacturing cost of the reflector element.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Messvorrichtung in der Flüssigkeit zum Beispiel an einer Wand des Flüssigkeitstanks angebracht. Im Gegensatz zu anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen, bei denen das Licht durch ein Fenster in den Flüssigkeitstank einfällt, lässt sich auf diese Weise nicht nur das Fenster, sondern auch die damit verbundene zusätzliche Wegstrecke vermeiden, die das von der Lasereinheit abgestrahlte Licht zurücklegen muss. Insbesondere werden so zusätzliche Brechungen und Reflexionen am Fenster vermieden.According to a preferred embodiment of the invention, the measuring device is mounted in the liquid, for example, on a wall of the liquid tank. In contrast to other known from the prior art embodiments in which the light is incident through a window in the liquid tank, can be avoided in this way not only the window, but also the associated additional distance that radiated from the laser unit Has to travel light. In particular, this way additional refractions and reflections at the window are avoided.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Lasereinheit, die drehbare Ablenkeinheit und die feste Ablenkeinheit von einem Gehäuse umgeben. Dadurch sind diese Komponenten vorteilhafterweise von der Flüssigkeit abgetrennt und so vor deren Einflüssen und vor Verschmutzung geschützt. Dazu ist es notwendig, dass das Gehäuse transparent ist oder für den austretenden Laserstrahl transparente Bereiche aufweist.According to one embodiment of the invention, the laser unit, the rotatable deflection unit and the fixed deflection unit are surrounded by a housing. As a result, these components are advantageously separated from the liquid and thus protected from their influence and from contamination. For this it is necessary that the housing is transparent or has transparent areas for the emerging laser beam.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Lasereinheit, die drehbare Ablenkeinheit und die feste Ablenkeinheit in ein festes, lichtleitendes Material eingebettet. Dadurch lassen sich ähnliche Vorteile erreichen, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform mit Gehäuse. Zusätzlich ist durch die Einbettung sichergestellt, dass die Abstände und die geometrische Anordnung der verschiedenen Komponenten durch die Einbettung fixiert sind. Zusätzlich kommt es beim Austritt des Laserstrahls in die Flüssigkeit nur zur Wechselwirkung mit einer Grenzfläche, während beim Durchqueren einer transparenten Schicht Brechung und Reflexion auf beiden Seiten der Schicht stattfinden. Für diese Ausführungsform ist es notwendig, dass für die drehbare Ablenkeinheit ein Hohlraum im lichtleitenden Material ausgebildet ist, um die Beweglichkeit der drehbaren Ablenkeinheit zu ermöglichen.According to another embodiment of the invention, the laser unit, the rotatable deflection unit and the fixed deflection unit are embedded in a solid, light-conducting material. As a result, similar advantages can be achieved as in the embodiment described above with housing. In addition, it is ensured by the embedding that the distances and the geometric arrangement of the various components are fixed by the embedding. In addition, when the laser beam exits the liquid, it only interacts with an interface, while when passing through a transparent layer, refraction and reflection occur on both sides of the layer. For this embodiment, it is necessary that a cavity is formed in the photoconductive material for the rotatable deflection unit to allow the mobility of the rotatable deflection unit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Reflektorelement einen reflektierenden, kontinuierlichen Übergang zwischen der ersten und zweiten Reflektorfläche auf. Dadurch können die über die feste Ablenkeinheit führenden Lichtpfade so gestaltet werden, dass sich der Reflexionspunkt am Reflektorelement auf einer konintuierlichen Linie oder Kurve von der ersten zur zweiten Reflektorfläche bewegt. Dadurch ändert sich auch die optische Weglänge vorteilhafterweise auf kontinuierliche Weise, so dass sich mittels des weiter oben beschriebenen Wechsels zwischen destruktiver und konstruktiver Interferenz in der SMI-Komponente die Änderung der optischen Weglänge präzise bestimmen lässt.According to one embodiment of the invention, the reflector element has a reflective, continuous transition between the first and second reflector surfaces. Thereby, the light paths passing over the fixed deflection unit can be designed so that the reflection point on the reflector element moves on a consequent line or curve from the first to the second reflector surface. As a result, the optical path length also advantageously changes in a continuous manner, so that the change in the optical path length can be determined precisely by means of the above-described change between destructive and constructive interference in the SMI component.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist das Reflektorelement einen stufenförmigen Übergang zwischen der ersten und zweiten Reflektorfläche auf. Auf diese Weise ergibt sich beim Abtasten der Stufenkante vorteilhafterweise eine abrupte Änderung der optischen Weglänge, wodurch die Position der Stufenkante im Messsignal eine klar identifizierbare Signatur hinterlässt.According to a further preferred embodiment of the invention, the reflector element has a stepped transition between the first and second reflector surface. In this way, when scanning the step edge advantageously results in an abrupt change in the optical path length, whereby the position of the step edge in the measurement signal leaves a clearly identifiable signature.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform näher erläutert werden.Further details and advantages of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the drawing.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung.1 shows an embodiment of a measuring device according to the invention in a schematic representation.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Claims (8)
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