DE1124735B - Vorrichtung zur Sauerstoffmessung - Google Patents

Vorrichtung zur Sauerstoffmessung

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DE1124735B
DE1124735B DEL37282A DEL0037282A DE1124735B DE 1124735 B DE1124735 B DE 1124735B DE L37282 A DEL37282 A DE L37282A DE L0037282 A DEL0037282 A DE L0037282A DE 1124735 B DE1124735 B DE 1124735B
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DE
Germany
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magnetic
measuring
ferromagnetic body
diagonal
branches
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DEL37282A
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Dipl-Ing Ragnar Eggers
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids

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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Description

  • Vorrichtung zur Sauerstoffmessung Für die Messung paramagnetischer Gase ist ein Analysegerät bekanntgeworden, dessen Wirkung auf der Änderung des magnetischen Widerstandes durch das zu messende Gasgemisch beruht. Dieses insbesondere für die Sauerstoffmessung entwickelte Gerät weist einen Dauermagneten auf, zwischen dessen Polen ein mit einer Spule bewickelter ferromagnetischer Körper angeordnet ist. Zwischen diesem Körper und den Magnetpolen verbleiben zwei Luftspalte, die mit dem zu messenden Gasgemisch gefüllt sind und einen von der Gaszusammensetzung abhängigen magnetischen Widerstand darstellen. Die Spule auf dem ferromagnetischen Körper zwischen den Magnetpolen wird von einer Wechselspannungsquelle gespeist. In ihr entsteht zusätzlich ein Wechselstrom mit der doppelten Frequenz der Grundwelle. Die Amplitude und Phasenlage dieser zweiten Harmonischen hängt wesentlich von dem magnetischen Widerstand in den Luftspalten und damit von der Gaszusammensetzung ab. Die zweite Harmonische wird durch ein Filter von der Grundwelle getrennt und einer weiteren Spannung von doppelter Frequenz entgegengeschaltet, die mit Hilfe eines Frequenzverdopplers gewonnen wird. Die Amplitudendifferenz der beiden Oberwellenspannungen steuert einen Verstärker aus, der über einen Nachführmotor ein Potentiometer so lange verstellt, bis die beiden Amplituden gleich groß sind.
  • Die Stellung des Potentiometers ist sodann ein Maß für den Sauerstoffgehalt. Diese Meßanordnung, die den veränderlichen magnetischen Widerstand mit einem Modulator erfaßt, hat erstens den Nachteil, daß kein Vergleich mit einem Gas von bekannter Zusammensetzung möglich ist, da nur eine einzige Meßkammer mit zwei Luftspalten vorhanden ist.
  • Außerdem ist die Anzeige stark temperaturabhängig, weil jede Änderung des Magnetflusses infolge der Temperaturabhängigkeit des Dauermagneten fehlerhaft in die Messung eingeht.
  • Um den Einfluß der erwähnten Fehler abzuschwächen, wurde bereits eine auf dem gleichen Prinzip beruhende Gasanalyseeinrichtung beschrieben, die zwei Dauermagneten aufweist. Die beiden Magneten sind so angeordnet, daß sich die Nordpole und Südpole diagonal gegenüberstehen. Zwischen dem Nord- und Südpol des einen Magneten sind zwei Meßkammern und ein ferromagnetischer Körper vorgesehen. Dieser ferromagnetische Körper hat einen solchen Durchmesser, daß er gleichzeitig in den Luftspalt zwischen dem Nord- und Südpol des zweiten Magneten hineinragt. Der Körper wird also von den beiden Magnetflüssen in entgegengesetzter Richtung durchsetzt. Auf den ferromagnetischen Körper ist wiederum eine Spule aufgewickelt, die die gleiche Aufgabe hat wie die Spule in dem eingangs beschriebenen Gerät. Solange die magnetischen Widerstände der beiden Magnetkreise genau gleich groß sind, heben sich die entgegengesetzt gerichteten Flüsse in dem ferromagnetischen Körper auf. Sobald nun der Sauerstoffgehalt des zu messenden Gases von dem Sauerstoffgehalt der Luft abweicht, die sich zwischen den Polen des zweiten Magneten befindet, ergibt sich in dem ferromagnetischen Körper ein Differenzfluß, der in der bereits eingangs beschriebenen Weise zur Anzeige gebracht wird. Da diese Flußänderung bei kleinen Sauerstoffänderungen nur Bruchteile eines Promilles beträgt, ergeben sich sehr große Fehler, wenn sich das eine Magnetsystem gegenüber dem anderen durch Temperatureinflüsse oder räumliche Verschiebungen geringfügig ändert. Auch ungleichmäßige Alterungserscheinungen der Magnetsysteme verursachen starke Wanderungen des Nullpunktes.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sauerstoffmesser nach dem erwähnten Prinzip wesentlich dadurch zu verbessern, daß eine Anordnung gefunden wird, bei der Änderungen im Magnetsystem keine Meßfehler verursachen.
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauerstoffmessung, deren Wirkung auf der Änderung des magnetischen Widerstandes durch das zu messende Gasgemisch beruht. Diese Vorrichtung weist eine magnetische Anordnung auf, die aus einem Magnetfelderzeuger, mindestens einer mit dem sauerstoffhaltigen Gas gefüllten Meßkammer und mindestens einem mit einer Spule versehenen ferromagnetischen Körper besteht, der von dem magnetischen Fluß oder einer Fluß differenz durchsetzt wird. Gemäß der Erfindung sind ein einziger oder mehrere in Reihe geschaltete Magnetfelderzeuger vorgesehen, deren Magnetfluß auf zwei parallele magnetische Zweige aufgeteilt ist, die Meß- und Vergleichskammern sowie entsprechende Detektoren oder Wicklungen zur Bestimmung der magnetischen Widerstandsänderungen aufweisen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Fig. 1 bis 3 der Zeichnung erläutert.
  • Der magnetische Sauerstoffmesser gemäß Fig. 1 weist einen Wechselstrommagneten 1 auf, dessen Fluß in zwei parallele Zweige 2 und 3 aufgeteilt wird. In dem einen Zweig ist die Meßkammer 4 angeordnet, die von dem zu untersuchenden Gasgemisch durchströmt wird. Die Vergleichskammer 5 in dem anderen Zweig ist mit Luft oder irgendeinem anderen Gas bekannter Zusammensetzung gefüllt. Die ferromagnetischen Kreise der Meßanordnung sind so ausgebildet, daß die beiden Zweige bei gleicher Gaszusammensetzung in den Kammern 4 und 5 genau die gleichen magnetischen Widerstände aufweisen. Um diese Symmetrie zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Wechselstrommagneten abweichend von der Darstellung genau symmetrisch zu beiden Zweigen anzuordnen. Der die Meßkammer enthaltende magnetische Zweig ist mit einer Wicklung 6 versehen. Der Zweig, in dem die Vergleichskammer angeordnet ist, trägt eine Wicklung 7. Beide Wicklungen haben gleiche Windungszahlen und sind einander entgegengeschaltet.
  • Solange nun die beiden Kammern 4 und 5 mit einem Gas gleicher Zusammensetzung gefüllt sind, heben sich die in den Wicklungen 6 und 7 induzierten Wechselspannungen gegenseitig auf. An den Klemmen 8 und 9 kann daher nur eine Ausgangswechselspannung Ua auftreten, wenn der magnetische Widerstand der Meßkammer von dem der Vergleichskammer abweicht. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Vergleichskammer mit Stickstoff und die Meßkammer mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt ist.
  • Wenn man Sauerstoffkonzentrationen messen will, deren Sauerstoffgehalt in der Nähe des Sauerstoffgehaltes der Luft liegt, so wird man zweckmäßig die Vergleichskammer mit Luft füllen. Sollen dagegen sehr geringe Sauerstoffkonzentrationen erfaßt werden, so erscheint eine Füllung der Vergleichskammer mit einem nicht paramagnetischen Gas, beispielsweise Stickstoff, angebracht. Da die beiden Zweige 2 und 3 von einem einzigen Magnetfeld erzeuger gespeist werden, können Schwankungen des Magnetfeldes, die beispielsweise durch Speisespannungsschwankungen verursacht sein können, das Meßergebnis nur gering fehlerhaft beeinflussen, da sich diese Schwankungen auf beide Zweige in etwa gleichmäßig auswirken.
  • Trotzdem ist es zweckmäßig, die Speisespannungs quelle zu stabilisieren. Durch die Aufteilung des Magnetflusses in zwei gleich große Anteile ist somit eine wesentliche Fehlerquelle ausgeschaltet.
  • Wenn man in der Anordnung gemäß Fig. 1 an Stelle des Wechselstrommagneten 1 einen Dauermagneten verwendet, so muß man einen magnetischen Modulator zur Gewinnung einer Anzeige verwenden.
  • Die beiden Spulen 6 und 7 sind dabei Bestandteile eines solchen magnetischen Modulators. Sie werden von einem Wechselstrom erregt und erzeugen im Zusammenwirken mit dem gleichgerichteten Magnetfluß eine zweite Harmonische, deren Größe und Phasenlage von der Differenz der magnetischen Widerstände in den beiden Zweigen und damit vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängt.
  • Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann noch wesentlich verbessert werden, wenn man die beiden Meßzweige zu einer magnetischen Brücke erweitert. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Wechselstrommagnet ist mit 10 bezeichnet. Sein Magnetfluß teilt sich auf die beiden Zweige 11 und 12 auf. In dem Zweig 11 sind eine Meßkammer 13 und eine Vergleichskammer 14 vorgesehen. Der Zweig 12 enthält eine Vergleichskammer 15 und eine Meßkammer 16. Die beiden Meßkammern liegen sich ebenso wie die beiden Vergleichskammern diametral gegenüber.
  • Ihre Funktion ist mit den Widerständen einer Wheatstoneschen Brücke zu vergleichen, die am oberen und unteren Diagonalpunkt eingespeist wird. In der Nulldiagonale ist ein ferromagnetischer Körper 17 vorgesehen, der mit seinem linken Ende zwischen der Meßkammer 13 und der Vergleichskammer 14 und mit seinem rechten Ende zwischen der Vergleichskammer 15 und der Meßkammer 16 liegt. Auf diesen Körper ist eine Spule 18 aufgewickelt, die mit Anschlußklemmen 19 und 20 versehen ist. Unter der Voraussetzung, daß die ferromagnetischen Teile der gesamten Anordnung genau symmetrisch aufgebaut sind, erhält man in dem ferromagnetischen Körper 17 keinen resultierenden Fluß, wenn die Meßkammern und Vergleichskammern gleich große magnetische Widerstände aufweisen. Wenn dagegen die magnetischen Widerstände der beiden hintereinandergeschalteten Meßkammern 13 und 16 geringer sind als die Widerstände der Vergleichskammern 14 und 15, so erhält man einen resultierenden Fluß in Richtung des mit durchgehender Linie gezeichneten Pfeiles. Sind die Widerstände der Meßkammern größer als die der Vergleichskammern, so fließt ein Differenzfluß in Richtung des unterbrochen gezeichneten Pfeiles. In der Wicklung 18 wird eine Wechselspannung Ua induziert, deren Größe und Phasenlage von der Größe und Richtung des resultierenden Magnetfeldes in dem ferromagnetischen Körper 17 abhängt. Wenn man beispielsweise die Vergleichskammern mit Luft und die Meßkammern mit einem Gas von wechselndem Sauerstoffanteil füllt, so erhält man bei Sauerstoffkonzentrationen unter 20 01o eine Ausgangsspannung, deren Phasenlage gegenüber der Ausgangs spannung bei Sauerstoffkonzentrationen über 20 (wo um 1800 verdreht ist. Die Ausgangsspannung Ua kann auf Null abgeglichen werden, indem man einen ferromagnetischen Körper 21, der in der Nähe der Vergleichskammer 15 und der Meßkammer 16 angeordnet ist, in Pfeilrichtung nach oben oder unten verschiebt. Wie leicht einzusehen ist, wird durch eine solche Verschiebung parallel zu dem magnetischen Widerstand der Vergleichskammer 15 oder dem der Meßkammer 16 ein mehr oder weniger großer Nebenschluß geschaffen, der die Anderungen des magnetischen Widerstandes infolge der Änderungen des Meßgases ausgleichen kann. Dieser Nullabgleich kann automatisch durchgeführt werden, indem man die Spannung Ua nach eventueller Verstärkung einem phasenabhängigen Nullmotor zuführt, der den ferromagnetischen Körper 21 bis zum Abgleich verstellt. Die Stellung des Körpers ist somit ein Maß für den Sauerstoffgehalt und kann entsprechend angezeigt werden, indem man mit der Welle des Nullmotors ein anzeigendes oder schreibendes Meßgerät kuppelt.
  • Auch die Meßanordnung gemäß Fig. 2 sollte abweichend von der gezeichneten Darstellung symmetrisch aufgebaut werden. Zu diesem Zweck kann man den Elektromagneten und den dazugehörigen Eisenkern in einer zweiten Ebene über dem ferromagnetischen Körper 17 anordnen.
  • In Fig. 3 ist ein magnetischer Sauerstoffmesser dargestellt, der zur Erzeugung des Magnetfeldes Dauermagneten besitzt. Mit 22 ist ein Rückschlußring bezeichnet, der gleichzeitig als Halter für die übrigen Teile dienen kann. Symmetrisch zu diesem Rückschlußring sind die Dauermagneten 23 und 24 vorgesehen, die hintereinandergeschaltet sind. Die Polschuhe 25 und 26 teilen den magnetischen Fluß in zwei gleiche Hälften auf. Die eine Hälfte dieses Flusses durchdringt die Meßkammer 27, den ferromagnetischen Körper 28 und die Vergleichskammer 29. Die andere Hälfte des Flusses ist über die Vergleichskammer 30 und den ferromagnetischen Körper 28 zur Meßkammer 31 und dem Polschuh 25 geführt. Ebenso wie in Fig. 2 liegen sich hier die Meßkammern und die Vergleichskammern diametral gegenüber. Sie stellen die eigentlichen Widerstände der Brückenschaltung dar, während die Polschuhe 25 und 26 sowie der ferromagnetische Körper 28 nur als Leiter für den magnetischen Fluß anzusehen sind.
  • Der ferromagnetische Körper 28 in der Brückendiagonalen ist in der Mitte geschlitzt, um mehrere Wicklungen auf den beiden durch den Schlitz gebildeten Pfaden aufbringen zu können. Die Wicklungen 32 und 33 werden durch einen Halbwellenstrom erregt. An den Klemmen der Wicklungen 34 und 35 sind Spannungen abgreifbar, deren Größe und Phasenlage durch die Größe und Richtung des Differenzflusses in dem ferromagnetischen Körper 28 bestimmt wird. Wenn beispielsweise der magnetische Widerstand der Meßkammern 27 und 31 geringer ist als der Widerstand der Vergleichskammern 29 und 30, so ergibt sich ein resultierender Fluß in Richtung der ausgezogenen Pfeile. Ist der magnetische Widerstand der Meßkammern größer als der der Vergleichskammern, so erhält man einen Differenzfluß in Richtung der unterbrochenen Pfeile. Der für den Sauerstoffgehalt charakteristische Ausgangsstrom der Spulen 34 und 35 kann zum Abgleich der Brückenschaltung benutzt werden. Hierfür ist zusätzlich der ferromagnetische Körper 36 vorgesehen, der, ähnlich wie in Fig. 2, durch einen Nullmotor so lange in Pfeilrichtung bewegt werden kann, bis die Brücke auf Null abgeglichen ist.
  • Ein Nullabgleich der Brücke ist auch dadurch möglich, daß man an Stelle des ferromagnetischen Körpers 36 auf einem der beiden Zweige eine weitere Wicklung 37 (mit unterbrochenen Linien angedeutet) vorsieht und diese Wicklung mit einem kompensierenden Gleichstrom beaufschlagt. Dieser Gleichstrom wird durch die Differenzströme der Wicklungen 34, 35 so lange verändert, bis diese Differenzströme auf Null zurückgehen und die Brücke abgeglichen ist.
  • Der in der Wicklung 37 fließende Gleichstrom ist im Abgleichzustand ein Maß für den Sauerstoffgehalt und kann daher zur Betätigung eines Anzeigegerätes benutzt werden.

Claims (12)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Sauerstoffmessung, deren Wirkung auf der Änderung des magnetischen Widerstandes durch das zu messende Gasgemisch beruht, mit einer magnetischen Anordnung, die aus einem Magnetfelderzeuger, mindestens einer mit dem sauerstoffhaltigen Gas gefüllten Meßkammer und mindestens einem mit einer Spule versehenen ferromagnetischen Körper besteht, der von dem magnetischen Fluß oder einer Flußdifferenz durchsetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger oder mehrere in Reihe geschaltete Magnetfelderzeuger (1) vorgesehen sind, deren Magnetfluß auf zwei parallele magnetische Zweige (2, 3) aufgeteilt ist, die Meß- und Vergleichskammern (4, 5) sowie entsprechende Detektoren oder Wicklungen (6, 7) zur Bestimmung der magnetischen Widerstandsänderungen aufweisen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetischen Zweige (2, 3) einander entgegengeschaltete Wicklungen (6, 7) aufweisen und daß in dem einen Zweig (2) eine Meßkammer (4) und in dem anderen eine mit Luft oder einem nicht magnetischen Stoff gefüllte Vergleichskammer (5) untergebracht ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelderzeuger ein Wechselstrommagnet (1) vorgesehen ist, dessen Wechselfluß je nach Gaszusammensetzung in dem einen Zweig mehr oder weniger geschwächt wird, wodurch in den beiden Wicklungen (6, 7) unterschiedliche Wechselspannungen induziert werden, deren Differenz (Ua) nach Größe und Phasenlage ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelderzeuger ein Dauermagnet vorgesehen ist und daß die beiden Wicklungen Bestandteile eines magnetischen Modulators sind, in welcher Eigenschaft sie von einem Wechselstrom erregt werden und dabei einen Wechselstrom mit der zweiten Harmonischen erzeugen, dessen Größe und Phasenlage von der Differenz der magnetischen Widerstände in den beiden Zweigen und damit vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelderzeuger ein Wechselstrommagnet (10) benutzt wird und daß die parallelen Zweige (11, 12) zu einer magnetischen Brücke erweitert sind, die zwei diametral gegenüberliegende Meßkammern (13, 16) sowie zwei diametral gegenüberliegende Vergleichskammern (14, 15) besitzt und in der Anzeigediagonalen einen ferromagnetischen Körper (17) aufweist, der eine Spule (18) trägt, in welcher je nach Richtung und Größe des in der Diagonalen auftretenden Magnetflusses eine meßgrößenabhängige Wechselspannung (Ua) induziert wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Diagonalspule (18) auftretende Wechselspannung (Ua) zur Verstellung eines den Abgleich bewirkenden ferromagnetischen Körpers (21) dient, dessen Verstellung aus der Nullage ein Maß für den Sauerstoffgehalt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelderzeuger ein oder mehrere in Reihe geschaltete Dauermagneten (23, 24) vorgesehen sind und daß die beiden parallelen magnetischen Zweige zu einer magnetischen Brücke erweitert sind, die aus zwei diametral gegenüberliegenden Meßkammern (27,31), zwei diametral gegenüberliegenden Vergleichskammern (29, 30) und einem in der Diagonalen liegenden ferromagnetischen Körper (28) besteht, der mit Wicklungen (32, 33, 34, 35) versehen ist, die die Bestimmung eines in der Brückendiagonalen auftretenden magnetischen Flusses nach Größe und Richtung ermöglichen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Diagonalen angeordnete ferromagnetische Körper (28) in der Mitte in zwei parallele Pfade aufgeteilt ist, auf denen je zwei Spulen angeordnet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Spule (32 und 33) auf jedem Pfad von einem Halbwellengleichstrom erregt wird, während in den zweiten Spulen (34, 35) der beiden Pfade Ströme induziert werden, deren Differenz nach Größe und Phase von der Sauerstoffkonzentration abhängig ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der induzierten Ströme einen kompensierenden Gleichstrom steuert, der eine weitere Wicklung (37) auf einem der Seitenzweige und ein Anzeigegerät durchfließt und der selbsttätig so lange verändert wird, bis der Fluß im Diagonalzweig gleich Null ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Sauerstoffgehalt charakteristische Ausgangsstrom zur Verstellung eines zusätzlichen ferromagnetischen Körpers (36) benutzt wird, der in der Brücken anordnung als Nebenschluß wirkt und die Flußverteilung so lange beeinflußt, bis die Brücke auf Null abgeglichen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des zusätzlichen ferromagnetischen Körpers (36) aus der Nullage als Maß für den Sauerstoffgehalt dient.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4808921A (en) * 1986-05-27 1989-02-28 Aktieselskabet Bruel & Kjar Paramagnetic gas analyzer using DC and AC magnetic fields

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US4808921A (en) * 1986-05-27 1989-02-28 Aktieselskabet Bruel & Kjar Paramagnetic gas analyzer using DC and AC magnetic fields

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