DE102023102928A1 - Verfahren zur Kompensation eines Temperaturschocks an einer kapazitiven Druckmesszelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Temperaturschocks an einer kapazitiven Druckmesszelle (10), die einen Messkondensator (CM) und einen Referenzkondensator (CR) aufweist und in einer Auswerteeinheit ein Druckmesswert p durch Bildung des Quotienten Q aus den Kapazitätswerten des Referenzkondensators (CR) und des Messkondensators (CM) sowie einen Druckmesswert pMunter Verwendung des Messkondensators (CM) gewonnen wird, wobei der Temperaturschock dadurch erkannt wird, dass die Druckmesswerte p und pMmiteinander verglichen werden und der Gradient dD des Differenzwerts D beider Werte hinsichtlich eines Überschreitens eines vorgegebenen Schwellwerts hin überwacht wird. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:- in einer Abgleichprozedur ist ein erster Korrekturfaktor k1in einer Lookup-Tabelle abgelegt worden;- fortlaufende Erfassung und Auswertung der Differenz D;- der ermittelte Differenzwert D wird mit dem ersten Korrekturfaktor k1multipliziert und auf den Druckmesswert p aufaddiert;- Ausgabe dieses korrigierten Druckmesswerts zur weiteren Verarbeitung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Temperaturschocks an einer kapazitiven Druckmesszelle.
• Kapazitive Drucksensoren bzw. Druckmessgeräte werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.
• Kapazitive Druckmesszellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. Dieser Hohlraum wird daher auch als Messkammer bezeichnet. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat.
• Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
• Aus der DE 198 51 506 C1 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem der Druckmesswert aus dem Quotienten zweier Kapazitätswerte, eines Messkondensators und eines Referenzkondensators, ermittelt wird. In dieser Patentschrift ist eine Druckmesszelle zwar nicht speziell beschrieben, die dargestellte Schaltung und das beschriebene Verfahren ist aber für kapazitive Druckmesszellen geeignet. Das Besondere an diesem Druckmessgerät ist, dass für die Auswertung des Messsignals am Ausgang, als Maß für den erfassten Druckmesswert, lediglich die Amplitude des Rechtecksignals relevant ist, unabhängig von dessen Frequenz.
• Aus der EP 0 569 573 B1 ist eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Drucksensor bekannt, bei dem ebenfalls ein Quotientenverfahren zur Druckauswertung eingesetzt wird.
• Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus: $$p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}}\text{bzw}.p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}}-1\text{ oder }p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{M}}-{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}+{\text{C}}_{\text{R}}},$$

  

  wobei C_M die Kapazität des Messkondensators, C_R die Kapazität des Referenzkondensators und p den zu bestimmenden Prozessdruck bezeichnet. Denkbar ist auch die Möglichkeit, C_M und C_R im Quotienten zu vertauschen. Das angegebene Beispiel mit C_M im Nenner stellt allerdings zugunsten der Eigenlinearisierung die gebräuchlichste Form dar. Im Folgenden wird daher von dieser Ausführungsform ausgegangen, sofern nicht anders angegeben.
• Hinlänglich bekannt ist des Weiteren, bspw. aus DE 10 2011 005 705 B4 , dass die während der Druckmessung vorherrschende Temperatur, insbesondere die des zu messenden Mediums, einen ganz erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der ermittelten Messergebnisse haben kann. Aus diesem Grund wird mittels eines auf der Rückseite des Grundkörpers angeordneten Temperaturelements parallel zu der Druckmessung auch die Temperatur erfasst, so dass die Temperaturabhängigkeit der Druckmessung kompensiert werden kann.
• Eine Herausforderung stellt jedoch eine schnelle Temperaturänderung, d.h. ein sogenannter Thermoschock dar, wodurch es zu Verspannungen in der Membran der Druckmesszelle kommen kann. Die Verspannungen der Membran resultieren aus einem Temperaturunterschied zwischen einem auf die Membran der Druckmesszelle einwirkenden Medium und dem von dem Medium abgewandten, mit der Umgebung thermisch verbundenen, Grundkörper der Druckmesszelle.
• Vor diesem Hintergrund basiert die EP 2 189 774 A1 auf der Erkenntnis, dass sich eine druckbedingte Verformung der Membran im Vergleich zu einer thermoschockbedingten Membranverformung messtechnisch unterscheiden. Das dort offenbarte Verfahren zum Erkennen schneller Temperaturänderungen beruht darauf, dass für gemessene Werte der Messkapazität Cm die gemessenen Werte der Referenzkapazität Cr mit Erwartungswerten der Referenzkapazität Cr, die aus den gemessenen Werten der Messkapazität Cm folgen, verglichen werden, und wobei ein Temperatursprung festgestellt wird, wenn der Messwert der Referenzkapazität außerhalb eines Toleranzbereichs um einen Erwartungswert liegt. Allerdings geht dieses Verfahren davon aus, dass eine schnelle Temperaturänderung die alleinige Ursache für die festgestellte Diskrepanz zwischen den gemessenen Werten und den Erwartungswerten ist. Das ist aber in der Praxis nicht immer der Fall. Beispielsweise würde sich im Falle einer mechanischen Beschädigung der Druckmesszelle, insbesondere der Membran, ein vergleichbarer Effekt zwischen den Mess- und den Erwartungswerten einstellen, was dann jedoch zu der irrtümlichen Annahme führen würde, man müsse eine einwirkende Temperatur kompensieren, statt die Druckmesszelle oder letztlich das gesamte Druckmessgerät auszutauschen, da die ausgegebenen Druckmesswerte sehr wahrscheinlich nicht mehr den tatsächlich anliegenden Druckverhältnissen entsprechen.
• Auch die EP 2 726 833 B1 offenbart ein Verfahren, bei dem die Wertepaare der beiden Kapazitäten innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs dahingehend überwacht werden, ob sie dem Zusammenhang einer vorgegebenen Funktion entsprechen.
• Aus der EP 3 124 937 B1 ist ein Verfahren zur Temperaturkompensation bekannt, das auf der Temperaturdifferenz zwischen der Membran und dem Grundkörper der Druckmesszelle basiert. Zur Erfassung der Temperatur ist an der Membran und am Grundkörper jeweils ein Temperatursensor angeordnet. Nachteilig ist hier jedoch die enorme Verzögerung, die auf die natürliche Trägheit von Temperatursensoren zurückzuführen ist, was zu Folge hat, dass entsprechend auch das eigentliche Kompensationsverfahren erst verzögert startet. Allerdings ist der temperaturbedingte Fehlereinfluss auf das Messergebnis unmittelbar nach dem Eintreten eines Temperaturschocks am größten, wie aus der DE 10 2020 122 128 B3 der Anmelderin bekannt ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Temperaturkompensation sehr frühzeitig nach einem Temperaturschock zu starten und damit den temperaturbedingten Messfehler deutlich zu verringern.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung geht von dem in der DE 10 2020 122 128 B3 der Anmelderin offenbarten Verfahren aus, nach dem durch Vergleich der beiden Beträge des Quotienten Q sowie des Kapazitätswerts des Messkondensators C_M bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt in eine Art „Alarmzustand“ umgeschaltet wird, wenn dieser Vergleich von einem erwarteten Verhalten abweicht. Konkret wird bei diesem Vergleich der Gradient dD des Differenzwerts D zwischen dem durch den Quotienten gebildeten Druckmesswert p und dem durch Messkondensators C_M gebildeten Druckwert p_m hinsichtlich eines Überschreitens eines Schwellwerts hin überwacht. Vorteilhafterweise sind die Druckmesswert p und p_m zuvor linearisiert worden.
• Erfindungsgemäß ist zunächst in einer Abgleichprozedur ein erster Korrekturfaktor k₁ in einer Lookup-Tabelle abgelegt worden. Dieser Korrekturfaktor k₁ wurde empirisch ermittelt und ist maßgeblich von Aufbau und Geometrie der Druckmesszelle abhängig. Entsprechende Tests haben ergeben, dass dieser Korrekturfaktor k₁ trotz verschiedener Nenndruckbereiche und entsprechend geringfügig veränderten Aufbau über alle Druckmesszellen näherungsweise identisch ist, was das Verfahren deutlich erleichtert.
• Nach Aktivierung des „Alarmzustands“ wird die Differenz D zwischen den beiden Druckmesswerten p und p_M weiterhin fortlaufend erfasst und ausgewertet. Vorzugsweise wird außerdem sofort nach Aktivierung des „Alarmzustands“ die Differenz D als Bias gespeichert, um eventuell aufgetretene, schleichende Effekte zu egalisieren. Die permanent ermittelten, ggf. vorteilhafterweise Bias-bereinigten Differenzwerte D werden jeweils mit dem Korrekturfaktor k₁ aus der Lookup-Tabelle multipliziert und auf den Druckmesswert p aufaddiert. Dieser nun um den Temperatureinfluss kompensierte korrigierte Druckmesswert wird temporär statt dem eigentlichen Druckmesswert p zur weiteren Verarbeitung ausgegeben. Temporär bedeutet dabei bspw. solange der Gradient dD des Differenzwerts D zwischen den Druckmesswerten p und p_m den oben genannten Schwellwert überschreitet.
• Alternativ kann anstatt des ersten Korrekturfaktors k₁ auch eine in einer Abgleichprozedur erstellte und in einer Lookup-Table hinterlegte Korrekturkurve verwendet werden.
• Der Vorteil der Erfindung besteht somit darin, dass die Kompensation des Temperaturschocks zunächst ohne Mitwirken eines Temperaturelements erfolgt, da zu diesem frühen Zeitpunkt ein Temperaturelement aufgrund seiner natürlichen Trägheit noch nicht ansprechen kann. Dabei ist gerade der temperaturbedingte Fehlereinfluss auf das Messergebnis unmittelbar nach dem Eintreten eines Temperaturschocks am größten.
• Vorteilhafterweise weist die Druckmesszelle in einer Weiterbildung ein Temperaturelement auf und der Gradient dT dieses Temperaturelements wird erfasst und ausgewertet. Dadurch ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, eine Plausibilitätsprüfung dahingehend durchzuführen, ob tatsächlich ein temperaturbedingter Fehlereinfluss, d.h. ein Temperaturschock, vorliegt. Das Ausbleiben einer durch das Temperaturelement erfassten Temperaturänderung würde durch Erzeugung eines Fehlersignals eine Fehlerbehandlung triggern, da ein Fehler erkannt wurde, dessen Ursache zunächst unbekannt ist.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in eine zweite Temperaturkompensationsstufe gewechselt wird, sobald der Differenzwert D einen vorgegebenen Schwellwert nicht mehr überschreitet. In dieser zweiten Kompensationsstufe wird dann der vorliegende Gradient dT des Temperaturelements mit einem zweiten, in der Lookup-Tabelle abgespeicherten Korrekturfaktor k₂ multipliziert und auf den Druckmesswert p aufaddiert. Zur weiteren Verarbeitung wird dann dieser aktuell korrigierte Druckmesswert statt des vorherigen korrigierten Druckmesswerts.
• Vorteilhafterweise wird die Temperaturkompensation beendet und der ursprüngliche, durch den Quotienten Q gebildete Druckmesswert p ausgegeben, wenn der Temperaturgradient dT einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen schematisch:
• 1 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Druckmesszelle,
• 2 ein Diagramm zur Darstellung eines im Falle eines Temperaturschocks ohne äußeren Druckeinfluss beispielhaften Verlaufs des temperaturkompensierten Druckmesswerts, des Quotienten Q, des Differenzwerts D sowie eines differenzierten Temperatursignals über der Zeit.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine typische kapazitive Druckmesszelle 10, wie sie vielfältig bei kapazitiven Druckmessgeräten eingesetzt wird, in schematischer Darstellung. Die Druckmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 12 und einer Membran 14, die über einen Glaslotring 16 miteinander verbunden sind. Der Grundkörper 12 und die Membran 14 begrenzen einen Hohlraum 19, der - vorzugsweise nur bei niedrigen Druckbereichen bis 50 bar - über einen Entlüftungskanal 18 mit der Rückseite der Druckmesszelle 10 verbunden ist.
• Sowohl auf dem Grundkörper 12 als auch auf der Membran 14 sind mehrere Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator C_R und einen Messkondensator C_M bilden. Der Messkondensator C_M wird durch die Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator C_R durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode ME.
• Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran 14, die sich entsprechend der Druckbeaufschlagung mehr oder weniger durchbiegt, wobei sich im Wesentlichen der Abstand der Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators C_M. Der Einfluss auf den Referenzkondensator C_R ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode ME weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M.
• Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. C_M und C_R bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich als auch jeweils dessen Kapazität.
• 2 zeigt ein Diagramm, wie im Falle eines Temperaturschocks ohne äußeren Druckeinfluss die Verläufe des temperaturkompensierten Druckmesswerts, des Quotienten Q, des Differenzwerts D sowie des differenzierten Signals des Temperaturelements über der Zeit beispielhaft aussehen könnten. Dabei ist der Quotient Q, der dem Druckmesswert p entspricht und aus den Kapazitätswerten des Referenzkondensators C_R und des Messkondensators C_M gebildet wird, strichpunktiert und der Differenzwert D zwischen dem Druckmesswert p und dem nur aus dem Messkondensator C_M gewonnen Druckmesswert p_M gestrichelt dargestellt. Des Weiteren ist das differenzierte Signal des Temperaturelements punktiert und der mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur weiteren Bearbeitung bspw. an eine Steuereinrichtung ausgegebene temperaturkompensierte Druckmesswert als durchgehende Linie dargestellt.
• Der Temperaturschock setzt an der Stelle ein, wo die Signale des Quotienten Q, der Differenz D und des kompensierten Druckmesswerts sprunghaft nach unten bzw. oben ausschlagen. Zu erkennen ist, mit welcher deutlichen Verzögerung das Temperaturelement auf den Temperatureinfluss reagiert. Hingegen wird diese starke Temperaturänderung in den Kapazitätswerten des Mess- und Referenzkondensators sofort „bemerkt“, wobei der Referenzkondensator gegenüber dem Messkondensator einen deutlich stärkeren Signalausschlag zeigt. Dieses Phänomen ist aus der eingangs zitierten EP 2 189 774 B1 sowie der DE 10 2020 122 128 B3 bereits bekannt.
• Da es sich in 2 um eine Darstellung ohne äußeren Druckeinfluss handelt, müsste der Soll-Druckmesswert, also der Quotient Q, eigentlich konstant auf der Abszisse, sprich der Null-Linie liegen. Dies ist erkennbar nicht der Fall und verdeutlicht den enormen Einfluss der durch den Schock ausgelösten Temperaturänderung.
• Wenn man die Signalverläufe vor dem Hintergrund betrachtet, dass die Abszisse die Ideallinie für einen Druckmesswert darstellt, fällt des Weiteren Folgendes auf. Zum einen ist beim Vergleich des (unkompensierten) Quotienten Q mit dem durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensierten Druckmesswert der deutlich geringer ausfallende Signalausschlag erkennbar, wodurch der betragsmäßige Messfehler unmittelbar nach dem Temperaturschock durch das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend deutlich geringer ausfällt. Zum anderen ist zu erkennen, dass der durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensierte Druckmesswert sehr schnell wieder auf die Ideallinie zurückkehrt und damit richtigerweise den Wert Null annimmt, während der unkompensierte Quotientenwert bis zum Ende des Diagramms noch mit einem Messfehler behaftet ist.
• Auslöser des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts des Gradienten dD des Differenzwerts D zwischen dem Druckmesswert p, der durch den Quotienten Q aus den Kapazitätswerten des Referenzkondensators C_R und des Messkondensators C_M gebildet wird, und dem Druckwert p_M, der nur aus dem Messkondensator C_M gewonnen wird. Wenn dieser Schwellwert überschritten ist, wird ein „Alarmzustand“ aktiviert und das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren gestartet. Dabei ist es auch von Vorteil, den Signalverlauf eines vorteilhafterweise an der Druckmesszelle 10 befindlichen Temperaturelements genauer zu beobachten, ob sich der angenommene Temperaturschock durch einen signifikanten Anstieg des Gradienten dT des Temperaturelements bestätigt. Sollte dies nicht der Fall sein, kann durch diese Plausibilitätsprüfung zunächst ein Fehlersignal erzeugt und nach einer anderen Fehlerursache gesucht werden.
• Sobald das Temperaturelement den Temperaturschock bestätigt, kann in eine zweite Temperaturkompensationsstufe gewechselt werden. Der Umschaltpunkt wäre vorzugsweise an der Stelle, wenn der Differenzwert D einen vorgegebenen Schwellwert nicht mehr überschreitet. In dieser zweiten Kompensationsstufe wird dann statt des auf den Kapazitäten C_M und C_R basierenden Differenzwerts D der Gradient dT des Temperaturelements herangezogen. Das Kompensationsverfahren kann beendet und wieder der durch den Quotienten Q gebildete Druckmesswert p ausgegeben werden, wenn der Temperaturgradient dT einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
• Bezugszeichenliste

10

Druckmesszelle

12

Grundkörper

14

Membran

16

Glaslotring

18

Entlüftungskanal

19

Hohlraum

CM

Messkondensator

CR

Referenzkondensator

Q

Quotient

p

Druckmesswert, durch den Quotienten Q gebildet

pM

Druckmesswert, durch den Messkondensator C_M gebildet

D

Differenz zwischen Druckmesswert p und Druckmesswert p_m

M

Mittelelektrode

R

Ringelektrode

ME

Membranelektrode

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19851506 C1 [0005]
• EP 0569573 B1 [0006]
• DE 102011005705 B4 [0008]
• EP 2189774 A1 [0010]
• EP 2726833 B1 [0011]
• EP 3124937 B1 [0012]
• DE 102020122128 B3 [0012, 0015, 0031]
• EP 2189774 B1 [0031]

Claims (6)

1. Verfahren zur Kompensation eines Temperaturschocks an einer kapazitiven Druckmesszelle (10), die einen Messkondensator (C_M) und einen Referenzkondensator (C_R) aufweist und in einer Auswerteeinheit ein Druckmesswert p durch Bildung des Quotienten Q aus den Kapazitätswerten des Referenzkondensators (C_R) und des Messkondensators (C_M) sowie einen Druckmesswert p_M unter Verwendung des Messkondensators (C_M) gewonnen wird, wobei der Temperaturschock dadurch erkannt wird, dass die Druckmesswerte p und p_M miteinander verglichen werden und der Gradient dD des Differenzwerts D beider Werte hinsichtlich eines Überschreitens eines vorgegebenen Schwellwerts hin überwacht wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - in einer Abgleichprozedur ist ein erster Korrekturfaktor k₁ in einer Lookup-Tabelle abgelegt worden; - fortlaufende Erfassung und Auswertung der Differenz D; - der ermittelte Differenzwert D wird mit dem ersten Korrekturfaktor k₁ multipliziert und auf den Druckmesswert p aufaddiert; - Ausgabe dieses korrigierten Druckmesswerts zur weiteren Verarbeitung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckmesszelle (10) ein Temperaturelement aufweist und der Gradient dT des Temperaturelements erfasst und ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird, indem im Falle eines signifikanten Anstiegs des Gradienten dT des Temperaturelements der Temperaturschock bestätigt und im Falle eines unveränderten Gradienten des Temperaturelements ein Fehlersignal erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei in eine zweite Temperaturkompensationsstufe gewechselt wird, sobald der Differenzwert D einen vorgegebenen Schwellwert nicht mehr überschreitet, wobei dann der vorliegende Gradient dT des Temperaturelements mit einem zweiten abgespeicherten Korrekturfaktor k₂ multipliziert und auf den Druckmesswert p aufaddiert sowie anschließend dieser korrigierte Druckmesswert zur weiteren Verarbeitung ausgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kompensation beendet und der ursprüngliche, durch den Quotienten Q gebildete Druckmesswert p ausgegeben wird, wenn der Temperaturgradient dT einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Zeitpunkt der Erkennung des Temperaturschocks die derzeitige Differenz D als Bias gespeichert wird.

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