DE1949829A1

DE1949829A1 - Elektrische Mess- bzw. Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE1949829A1
Application number: DE19691949829
Authority: DE
Inventors: Crouchman Alan John
Original assignee: Advance Electronics Ltd
Current assignee: Advance Electronics Ltd
Priority date: 1968-10-02
Filing date: 1969-10-02
Publication date: 1970-05-06
Also published as: GB1273988A; FR2019693A1

Description

ADVANCE ELEGTRONIGd LIMITED, Hainault, Ilford, Essex, (England)

Elektrische Meß- bzw. Steuereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Meß- bzw. Steuereinrichtung mit einem Fühler oder Wandler, der mit einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom erregt ist. Ein solcher Fühler, auf den die Erfindung besonders vorteilhaft anwendbar ist, ist ein Widerstandsfühler, z.B. ein Widerstandsthermometer oder ein Dehnungsmesser.

Wenn eine Einrichtung dieser Art mit hoher Empfindlichkeit betrieben wird, liegt das Ausgangs- bzw. Nutzsignal des Fühlers in derselben Größenordnung wie die Änderungen des Ausgangssignals aufgrund anderer Parameter als derjenige, auf welchen der Fühler anspricht. So kann beispielsweise das Fühlerausgangssignal in dieselbe Größenordnung kommen wie der Stör- bzw. Rauschpegel, und in einigen Fällen kann das Fühler-Ausgangssignal aufgrund des an ihm angelegten Stroms oder der Spannung Änderungen unterworfen sein. Wiederum kann das Ausgangssignal des Fühlers von derselben

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Größenordnung wie die sich aufgrund langzeitiger Änderungen der Spannungs- oder Stromversorgung oder der Schaltungscharakteristiken einstellenden Ausgangssignaländerungen sein.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, Anordnungen von Fühlern und insbesondere von Widerstandsfühlern anzugeben, deren Betriebsweise insbesondere in bezug auf Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung bzw. Steuerung verbessert ist.

, Zu diesem Zweck sollen erfindungsgemäß bei der elektrischen Meß- oder Steuereinrichtung, die einen mit einer Glaichspannung oder einem Gleichstrom erregten Fühler aufweist, eine Vorrichtung zum periodischen Unterbrechen der Zuführung der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms des Fühlers, eine Differentialvorrichtung, ferner eine Vorrichtung, v/elche die Differentialvorrichtung mit den Ausgangssignalen des Fühlers bei ein- und ausgeschalteter Erregersrjannung bzw. Erregerstrom entsprechenden Eingangssignalen beaufschlagt, und eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche von der Differentialvorrichtung ein der Differenz der Eingangssignale der Differentialvorrichtung entsprechendes Ausgangssignal

ableitet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhend von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen naher erläutort. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung mit einem Widerstandsfühler;

Fig. 2 ein genaueres und vervollständigtes Schaltbild einer Ausführungsform eines auf dem Prinzip der Widerstandsmessung arbeitenden Meßgeräts;

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Fig. 3 -.-in Schaltbild einer Schalt steuervorrichtung zum periodischen Betätigen der in Fig. 2 gezeigten Schalter; und

Fig. 4 ein genaueres Schaltbild einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung unter Verwendung eines auf dem Ρίίηζΐχτ der Widerstandsmessung arbeitenden Fühlers.

Fig. 1 z-ijt eine Schaltung mit einer Widerstandsbrücke 10, v; el ehe aus den Widerständen 1 , 12, 13 und 14- aufgebaut ist. Ec wird ir. folgenden davon ausgegangen, daß diese Brücke als Widerstandsthermometer Verwendung findet und wenigstens twiner der Brückenzweige, beispielsweise der Widerstand 12, ein WM-rstand ist, welcher der· zu me~o-_-nden Temperatur ausgesetzt ist. Der Erregerstrom für die 3 -ücke v/ird von einer viloichstroia-iuello 15 über einen Schalter 16 abgeleitet, und dns B •iic¹K':-¹''-Aus3ar.gssignal wird an eine ihr zugeordnete Schaltung gegeben, welche im vorliegenden Ausführungsboi-3ρΐ·:-1 als alcichstromverstärker ^7 ausgebili-t ist.

Bei ier B aessung üines derart aufgvb?vten Widerstandsther-'licmetei¹? sehr h^her Empfindlichkeit ist zu beachten, daß die höchste Ausgangsenpfinilichkeit dar.n erreicht wird, wenn Ii? Änderungen des Ausgangssignals aufgrund dsr Wid^rstandsunderung-n d^:s c?nperature.:ipfinilichen B"..-ückenzv;eiges in derselben 5-r3fianordnung liegen wie der in der Schaltung hervorgerufen-? ^»tör- bz\f. Geräuschj'esc-i. ^s ist bei Ie:„ vorgesehenen 3 haitungf=aufbau nicht mrgiich, iie 3 -ückenexr.findlichkeit uliein durch Vergrößerung der von ier ^,uelic- "¹^ an die B ückc angelegten ö_p:m,ung su eriichen, da der bei einer sol^iun Ilaßnahme durch dix~ Brückenzvreige fließende Stro~ die Vi der stände in den Sv:-irigen erwärmt und eine Ten^rraturnni.rrung hervorruft, welche von den au messenden T.mperaturänderungen nicht mehr zn unterscheiden ist. Ldes:r Sff-ki begrenzt f.iv r.?ocimai durch die Wi derer and e aufnehifbare L---i.stun.tC.

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Bei der Bemessung eines derart aufgebauten Widerstandsthermometers in bezug auf eine große Langzeitgenauigkeit ist zu beachten, daß einer der die größte Genauigkeit beeinflussenden Faktoren die Stabilität der als konstant angenommenen Größen, wie die Versorgungsspannung oder der Versorgungsstrom der Brücke oder der zugehörigen Bauelemente ist. Die Langzeitgenauigkeit kann nicht besser als die entsprechende LangzeitStabilität sein.

Eine Verbesserung der Empfindlichkeit oder der Langzeitgenauigkeit der Einrichtung oder auch beider Größen kann, wie die Erfindung erkannt hat, durch wiederholtes Unterbrechen der Spannungs- oder Stromversorgung zur Brücke mittels geeigneter Betätigung des Schalters 16 erreicht werden. Das Ansprechen der Brücke auf die Temperatur oder eine andere Meßgröße wird dann durch Vergleich des Ausgangssignals bei angelegter Spannung mit dem Ausgangssignal bei abgeschalteter Spannung bestimmt.

Diese Betriebsweise hat zwei Wirkungen: Einerseits wird der Meßwiderstand bei einem bestinmten angelegten Strom weniger erwärmt, wenn der Erregerstrom zur Brücke in jedem Arbeitszyklus nur eine im Vergleich zur Abschaltzeit kurze Periode angelegt ist, so daß bei einer vorgegebenen zulässigen Erhitzung des Meßwiderstandes ein höherer Erregerstrom und demgemäß eine größere Empfindlichkeit möglich ist. Auf diese Weise kann die Meßgröße am Brückenausgang bei vorgegebener mittlerer Leistungsaufnahme in den Widerständen der Brücke um einen Faktor vergrößert werden, welcher angenähert gleich der Wurzel des Verhältnisses der Ein- und Ausschaltzeiten des Eontakts des Schalters 16 ist. Wenn andererseits eine Änderung der als konstant vorgesehenen Komponenten oder der Schaltungsvariablen zu einem erhöhten Störanteil im Brückenausgangssignal führt, wird ein solcher Effekt

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im Ausgangssignal verringert oder vermieden, da das Ausgangssignal als Differenz zwischen dem Störpegel bei abgetrennter Brücke und dem Stör- und Signalpegel bei erregter Brücke bestimmt wird.

Für die Ableitung des die Meßgröße kennzeichnenden Brücken-Aus gangs signals während der Einschaltzeit des Schalters 16 sind verschiedene Wege möglich. Ein Weg ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal des Gleichstromverstärkers 17 durch zwei weitere Schalter 18 und 19 gesteuert, welche synchron mit dem Schalter 16 betätigt werden. Der Schalter 18 ist angenähert zur selben Zeit geschlossen wie der Schalter 16, und während dieser Zeit lädt das Ausgangssignal des Verstärkers 17 über, den Schalter 18 einen Kondensator 20 auf. Während der Ausschaltzeit des Schalters 16 wird ein weiterer Kondensator 21 durch das Ausgangssignal des Verstärkers über den Schalter 19 aufgeladen; das sich dabei einstellende. Ausgangssignal entspricht dem Störsignal des Verstärkers. Die sich aus den Ladungszuständen der Kondensatoen 20 und 21 ergebenden Spannungen werden an zwei Eingänge eines Differentialverstärkers 22 gelegt", dessen Aus gangs signals bei 23 die Unterschiede der Brücken-Ausgangsspannungen darstellen. Wenn das · Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit des Schalters 16 etwa 1:3 ist, wird die Empfindlichkeit der Einrichtung angenähert verdoppelt; jedoch kann eine noch weiter vergrösserte Empfindlichkeit durch eine relativ kurze Einschaltzeit und eine demgegenüber bedeutend längere Ausschaltzeit erreicht werden.

Da die Spannung über den Kondensatoren 20 und 21 die Brücken-Aus gangs signale kennzeichnet und da zweckmäßigerweise ein© relativ geringe Meß-Folgefrequenz verwendet wird, ist es erforderlich, daß der Differentialverstärker 22 einen hohen

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Eingangswiderstand besitzt. Im Falle der Verwendung von Halb leiterbauelementen kann ein hoher Eingangswiderstand durch Verwendung von Feldeffekttransistoren oder dgl. erreicht werden.

Eine mehr ins Einzelne gehende Schaltungsanordnung der neuen Einrichtung, die in mancher Hinsicht derjenigen nach Fig. 1 ähnelt, ist in den Fig. 2 und 3 angegeben. Die Brücke 11, 12, 13, 14 wird von den Versorgungsklemmen 25, 26 über die Kontakte 27 eines Zungenrelais und einen Begrenzungswider-

™ stand 28 gespeist. Eine epannungsstabilisierende Zenerdiode 29 ist zur Brücke parallel geschaltet. Die Zungenrelaiskontakte 27 entsprechen dem Schalter 16 gemäß Fig. 1. Das Ausgangssignal der Brücke wird über die Kontakte 30 und 31 von zwei weiteren Zungenrelais geleitet; diese Kontakte entsprechen den Schaltern 18 und 19 in Fig. 1, In der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist der Signalpegel infolge der Verwendung der Unterbrecherschaltung so hoch, daß ein Signalverstärker nicht erforderlich ist. Die Kontakte 30 und 3I steuern die Aufladung der Kondensatoren 20 und 21, welche in den beiden Eingangs schaltungen eines symmetrischen bzw. abgeglichenen DifferentialVerstärkers 22 eingeschaltet sind. Dieser Verstärker weist zwei Feldeffekttransistoren 32, 33 auf, denen- sich zwei weitere Transistoren 34 und 35 anschließen. In dieser Transistorschaltung sind ferner geeignete Ankopplungs- und Vorwiderstände 36, 37, 38, 39 und 40 vorgesehen. Das Differenz-Ausgangssignal kann von den beiden Lastwiderständen 39 und 40 abgenommen werden.

Die drei Zungenrelais 27, 30 und 31 v/erden durch die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung gesteuert. Die Erregerwicklungen der Zungenrelais 30 und 3I sind in Eeihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung parallel zur Wicklung des Zungenrelais 27 liegt. Die so gebildete Schaltung ist mit

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einem Speicherkondensator 41 und einem Thyristor 42 in Reihe geschaltet, dessen Steuerelektrode mit den von einem Schaltsignalgenerator oder Oszillator 43 gelieferten Schaltimpulsen "beaufschlagt ist. Eine geeignete Schalt zeit beträgt beispielsweise 10 Millisekunden pro Sekunde. Die Schaltfolge der Zungenschalter ist für die vorliegende Betriebsweise

wesentlich, während die Zeitintervalle ohne wesentlichen Einfluß sind. Daher kann sich die Einschaltzeit für die Brücke zwischen 8 Millisekunden und 20 Millisekunden ohne großen Einfluß auf die Betriebsweise der Einrichtung ändern. Die beiden Relais 30 und 31 sollten während der Einschaltzeit des Brücken-Zungenrelais 27 erregt sein, während das Intervall zwischen der Betätigung der Kontakte des Zungenschalters 27 und der Kontakte der Zungenschalter 30 und nicht wesentlich ist. Auch dann, wenn die Zungenschalter 30 und 31 vor dem Z«gensehalter 27 abfallen, ist das Intervall ohne wesentliche Bedeutung. Der Kondensator 41 wird durch eine Vorrichtung entladen, welche einen Transistor aufweist, an dessen Basis die vom Schaltsignalgenerator erzeugten Signale über einen Widerstand 46 angelegt werden. Am Kollektor des Transistors liegt ein Lastwiderstand 47; außerdem ist der Kollektor über eine Diode 48 an die Basis eines weiteren Transistors 49 angeschaltet. Die Emitter-Kollektorstrecke dieses Transistors bildet zusammen mit einem Begrenzungswiderstand 5^ einen Parallelzweig zum Kondensator 41. Die Anordnugn ist dabei so getroffen, daß die beiden Transistoren gegenläufig nach Maßgabe der vom Generator 43 gelieferten Signale durchgeschaltet und gesperrt sind, so daß der Kondensator 41 periodisch aufgeladen und entladen werden kann. In einer alternativen Ausführung kann die den Kondensator 41 entladende Vorrichtung einschließlich der Transistoren 45 und 49 durch einen weiteren Zungenkontakt ersetzt werden, welcher den Kondensator 41 überbrückt.

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Eine andere Ausführungsform der neuen Vorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden die wech-• selnden Halbperioden einer üblichen 50 Hz-Wechselstromquelle zur Betätigung der Schaltfolgen der Schalter' verwendet.

Die Brücke 10 wird von den Klemmen 25 und 26 über eine aus einem Transistor 52, einem Emitter-Widerstand 53 und einer Zenerdiode 54- bestehende KonstantStromvorrichtung gespeist. Der Transistor 52 kann durch einen über die Leitung 55 zugeführten Schaltimpuls geschaltet werden. Der Schaltimpuls wird von einer Wicklung eines Takt- bzw. Zeitgabetransforma- * tors 56 abgeleitet, der über einen Reihenwiderstand 57 die Basis eines Transistors 58 steuert, und eine zur Basisemitterstrecke des Transistors parallel geschaltete Diode 59 unterdrückt die alternierenden Halbwellen des angelegten Wechselstroms. Der Kollektorstrom des Transistors wird über den Reihenwiderstand 60 auf die Basis des Transistors 52 gegeben. Auf diese Weise wird der Transistor 52 für angenähert 10 Millisekunden von jeweils 20 Millisekunden eingeschaltet.

Das Brücken-Ausgangssignal wird an einen mit 62 bezeichneten Differentialverstärker gegeben. Der Differentialverstärker 62 liegt zwischen der positiven Klemme 25 und der negativen Klemme 63 der Speisespannungsquelle. Der Differentialausgang des Verstärkers 62 wird an die zugehörigen Elektroden der beiden Feldeffektransistoren 64 und.65 gelegt, welche als Schalter verwendet werden. Die Torelektroden der beiden Transistoren 64 und 65 werden durch die an ihnen anliegende Wechselspannung abwechselnd geschaltet, wobei die beiden an den Torelektroden anliegenden Spannungen gegenphasig sind. Die Wicklung des Transformators 56 weist daher einen Mittelabgriff auf, welcher über die Leitung 67 mit der negativen Klemme 63 verbunden ist. Die beiden Torelektroden sind mit den entgegengesetzten Enden der Transformatorwicklung über Reihenwiderstände 68 bzw. 69 verbunden. Dioden 70 bzw. 71 unterdrücken abwechselnd die Halbwellen des Wechselstroms. Auf diese Weise werden die beiden Feldeffekttransistoren 64

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und 65 abwechselnd leitend, und zwar synchron mit der Betätigung des Schalttransistors 52.

Die beiden Feldeffekttransistoren steuern das Aufladen der beiden Kondensatoren 19 und 20, wobei die Ladung des Kondensators 19 das Signal (Nutzsignal) zusammen mit dem Rauschen und dem entsprechenden unerwünschten Ausgangssignal darstellt, während die Spannung am Kondensator 20 allein das Kauschen und das unerwünschte Ausgangssignal darstellt. Die Spannungen über den beiden Kondensatoren werden Jeweils einem der beiden Eingänge eines symmetrisehen DifferentialVerstärkers zugeführt, zu dem Transistoren 72 und 73 gehören. Transistor 64 ist mit dem Transistor 72 und Transistor 65 mit dem Transistor 73 verbunden. Die Verstärker sind durch Transistoren 74- und 75 auf der einen Seite und 76 und 77 stuf der anderen Seite ergänzt, wobei ferner Vor- bzw. Lastwiderstände 78, 79,80 und 81 vorgesehen sind. Eine Zenerdiode 82bildet eine gemeinsame Last für die Emitter der Transistoren 74 und 76, und der Widerstand 78 weist, einen Abgriff zum Abgleichen des Verstärkers auf. Das Ausgangssignal wird von der gemeinsamen Kollektorverbindung der Transistoren 74 und 75 und von der entsprechenden Verbindung der Transistoren 76 und 77 an den Klemmen 83 abgenommen.

Ein Differential-Ausgangssignal von der Brücke entsteht als Gleicitekt-Ausgangssignal am Verstärker, und wie oben beschrieben wurde, wird das Ausgangssignal auf den Signal-Speicherkondensator 19 geschaltet, wenn die Brücke erregt bzw. eingeschaltet ist, und es wird auf den Null-Speieherkondensator 20 gegeben, wenn die Brücke abgetrennt bzw. ausgeschaltet ist. Da das zu verwertende Ausgangssignal als Differenz zwischen den beiden Kondensator-Speicherspannungen abgeleitet wird, wird jede Langzeit-Trift des Verstärkers ausgeschieden» Das System kann durch Verwendung einer geeignet hohen Verstärkung des Verstärkers so bemessen sein,

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daß ein starkes Ausgangssignal entsteht; es hat sich in der Praxis gezeigt, daß es möglich ist, eine Empfindlichkeit zu erreichen, die einer Temperaturänderung eines Teil der Brücke bildenden Platin-Widerstandsthermometerelements von 2,5 Milligrad Celsius entspricht; auch höhere Empfindlichkeiten sind erreichbar.

Bei der oben beschriebenen synchronen Schaltweise können Schwierigkeiten aufgrund des bei 50 Hz induzierten Signals entstehen, da das Signal und die Null-Pegel bei verschiedenen Halbwellen des Wechselstroms entstehen. Um diese Schwierigkeit auszuräumen, kann man die Schaltperiode halbieren, so daß beide Schalter mit abwechselnden Schaltzyklen bei derselben Polarität betrieben werden, wodurch das 50 Hz-Störgeräusch zum Verschwinden gebracht wird.

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Claims

Patentansprüche

1./ Elektrische Meß- oder Steuereinrichtung mit einem "fühler, der mit einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom erregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (16}27i52) zum periodischen Unterbrechen der Zuführung der Erregerspannung bzw. des Erregerstroms zum Fühler (10) vorgesehen ist, die so gesteuert ist, daß die Zeit, während der die Erregerspannung bzw. der Erreger-Strom am Fühler anliegt, wesentlich geringer ist als die Zeit, während welcher der Fühler nicht erregt ist; daß ferner eine Ausgangsschaltung und eine Vorrichtung, welche von der Ausgangsschaltung ein dem Ausgangssignal des erregten Fühlers entsprechendes Ausgangssignal ableitet, vorgesehen sind.

2. Elektrische Meß- oder Steuereinrichtung mit einem Fühler, der nit einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom erregt ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung ^16;27;52) zum periodischen Unterbrechen der Zuführung der Erregerspannung oder des ErregerStroms zum Fühler (10); durch eine Differentialvorrichtung (22); eine Vorrichtung (18 bis 21i2O,21,3O,31), welche den Ausgangs-

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Signalen des erregten und des unerregten Fühl.ers entsprechende Signale an die Differentialvorrichtung anlegt; und durch eine Vorrichtung, welche von der Differentialvorrichtung ein der Differenz von deren Eingangssignalen entsprechendes Ausgangssignal ableitet.

3. Elektrische Meß- oder Steuereinrichtung mit einem Fühler, der mit einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom erregt ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (16j27;52) zum periodischen Unterbrechen der Zufübung der Erregerspannung oder des Erregerstroms zum Fühler (10 ); ferner durch einen ersten Kondensator (19>20) und einen zweiten Kondensator (20;21) und eine die Ladung des ersten Kondensators während der Erregungsphase des ' Fühlers ändernde Vorrichtung (18;30j64) sowie eine die Ladung des zweiten Kondensators während der Phase der Nichterregung des Fühlers ändernde Vorrichtung (19;3i;65)i durch eine Differentialvorrichtung (22); ferner durch eine an die Differentialvorrichtung Eingangssignale jeweils entsprechend den Kondensatorspannungen anlegende Vorrichtung; und durch eine Vorrichtung, welche von der Differentialvorrichtung ein der Differenz von deren Eingangssignalen entsprechendes Ausgangssignal ableitet.

4. Einrichtung nach. Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, während der die Erregerspannung bzw. der Erregerstrom am Fühler (10) anliegt, wesentlich geringer ist als die Zeit, während der der Fühler nicht erregt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (10) ein Widerstandsfühler ist.

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6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des Fühlers (10) mittels einer in Abhängigkeit von den Halbwellen einer Wechselstromquelle (56) betriebenen Schaltvorrichtung (57 bis 60) gesteuert ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialvorrichtung wenigstens zwei Feldeffekttransistoren (32,33564,65) aufweist, an welche die Eingangssignale der Differentialvorrichtung Jeweils angelegt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Feldeffekttransistoren (64,65) ein symmetrischer Differential-Transistorverstärker nachgeschaltet ist.

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