DE19930278A1 - Ultraschallzähler mit Schallumlenkung - Google Patents
Ultraschallzähler mit SchallumlenkungInfo
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Abstract
Ultraschallzähler zur Bestimmung des Strömungsvolumens einer strömenden Flüssigkeit durch eine Laufzeitmessung, insbesondere Differenzlaufzeitmessung, eines Ultraschallsignals, das in einer Messstrecke eines Strömungskanals zwischen zwei vorzugsweise umschaltbaren Ultraschallwandlern verläuft, die seitlich neben dem Strömungskanal der Messstrecke angeordnet sind, wobei die im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Messstrecke eingekoppelte Ultraschall-Strahlung über Reflektoren i. w. zur Achse der Messstrecke umgelenkt wird, wobei die Reflektoren mit einer oder mehreren Strömungs-Öffnungen zum direkten Durchleiten der Flüssigkeit in die Messstrecke zwischen den Reflektoren versehen sind.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallzähler zur Bestimmung des Strö
mungsvolumens einer strömenden Flüssigkeit durch eine Laufzeitmessung, ins
besondere Differenzlaufzeitmessung, eines Ultraschallsignals, das in einer Mess
strecke eines Strömungskanals zwischen zwei vorzugsweise umschaltbaren Ul
traschallwandlern verläuft, die seitlich neben dem Strömungskanal der Messstrec
ke angeordnet sind, wobei die i. w. senkrecht zur Achse der Messstrecke einge
koppelte Ultraschallstrahlung über Reflektoren i. w. senkrecht zum Strömungska
nal umgelenkt wird.
Will man einen idealen Ultraschallzähler mit Differenzlaufzeitmessung aufbauen,
wäre die Anordnung des schallabgebenden sowie des schallempfangenden Ele
ments so anzuordnen, dass
a) die Schallausbreitungsrichtung parallel zur Hauptströmung verläuft,
- a) die Strömung keine Ablenkung durch die Schallwandler erfährt,
- b) die Schallkeule genügend große Bereiche des Strömungsquerschnitts er fasst,
- c) ebene strömungsprofilunabhängige Schallwellenfronten ohne Reflexionen vorhanden sind (Kolbenprofil),
- d) der Schallpegel außerhalb des zu messenden Mediums gleich null und
- e) Schallmoden höherer Ordnung gleich null sind.
Die Forderungen a)-c) hätten aber zur Folge, dass durch die Ebene der Schall
wandler ungehindert das Medium durchströmen kann.
Die Forderungen d)-f) sind mit realen Bauelementen von Schallwandler und
Messrohr nie zu erreichen, da diese Forderung theoretische Randbedingungen
beschreiben (z. B. ideal schallharte Messstrecke, Kolbenschwinger ohne Radial
moden, etc.).
Im praktischen Aufbau eines Ultraschallzählers weicht man deutlich von der Ideal
form ab, indem man entweder die Schall-Laufrichtung nicht parallel zur Strömung
ausrichtet, oder Strömungsführungselemente benutzt, die die Strömung um den
Schallwandler leitet.
In beiden Fällen kommt es durch Strömungsprofiländerungen und Wirbelbildun
gen zu Änderungen des Differenzlaufzeitverhaltens.
Ultraschallzähler die keine zur Strömungsrichtung parallele Schallführung besit
zen, haben immer das Problem nur Teilbereiche des Strömungsquerschnittes zu
erfassen und sind nicht strömungsprofilunabhängig. Turbulenzen können zum Teil
erhebliche Messfehler verursachen.
Betrachtet man die Ultraschallzähler mit Strömungsumlenkung und direkt gegen
überliegende Schallwandlungselemente so ergibt sich Folgendes:
Innerhalb eines definierten Messabschnittes erfüllt dieser Zähler annähernd die Idealbedingungen. Schallrichtung ist parallel zur Strömungsrichtung und Schall welle kann grundsätzlich den gesamten Rohrquerschnitt erfassen. Im Ein- und Auslaufbereich entstehen aber Querströmungen und Wirbel die nicht mehr parallel zur Schallwellenausbreitung strömen. Diese Störungen können eine Verfälschung des Schallsignals erzeugen und das Reziprozitätsprinzip wird durch das unter schiedliche Strömungsverhalten von Ein- und Auslassbereich verletzt. Außerdem entsteht durch die Umlenkung ein hoher Strömungswiderstand, der die Messdy namik stark eingrenzt.
Innerhalb eines definierten Messabschnittes erfüllt dieser Zähler annähernd die Idealbedingungen. Schallrichtung ist parallel zur Strömungsrichtung und Schall welle kann grundsätzlich den gesamten Rohrquerschnitt erfassen. Im Ein- und Auslaufbereich entstehen aber Querströmungen und Wirbel die nicht mehr parallel zur Schallwellenausbreitung strömen. Diese Störungen können eine Verfälschung des Schallsignals erzeugen und das Reziprozitätsprinzip wird durch das unter schiedliche Strömungsverhalten von Ein- und Auslassbereich verletzt. Außerdem entsteht durch die Umlenkung ein hoher Strömungswiderstand, der die Messdy namik stark eingrenzt.
Verbesserungen kann man erreichen, indem nicht die Schallwandler sich gegen
überstehen, sondern Reflexionselemente eingesetzt werden, die den Schall übli
cherweise im 90°-Winkel auf parallel zur Strömung stehende. Wandler umlenkt.
Aber auch hier entsteht durch das schräg stehende Reflexionselement eine Stö
rung des Strömungsprofils. Insbesondere durch die Anhaftung der Strömung am
Reflexionselement durch den Coanda-Effekt mit schwer beherrschbarem Wir
belabriss im Umschlagpunkt von laminar zu turbulenter Strömung lässt sich eine
zuverlässige reproduzierbare Strömungsführung nicht erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallzähler der ein
gangs genannten Art so auszugestalten, dass eine höhere Messgenauigkeit er
reicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Reflekto
ren mit Strömungsöffnungen zum direkten Durchleiten der Flüssigkeit in die
Messstrecke zwischen den Reflektoren versehen sind. Um die Schallverluste,
welche durch die Strömungsöffnungen entstehen, zu minimieren, sind die Reflek
toren bevorzugt so ausgebildet, dass sie einerseits den gesamten Querschnitt des
Strömungskanals ausfüllen, dass aber Strömungsöffnungen verstärkt in Randbe
reichen und in Totschallbereichen der auf die Reflektoren auftreffenden Schallkeu
len der Ultraschallwandler angeordnet sind.
In der Mitte, welche üblicherweise den Kernbereich darstellt, benötigt man nur
sehr kleine Öffnungen. Mit den zusätzlichen Strömungsöffnungen in Rand- und
Totschallbereichen lässt sich mit einer hohen Annäherung ein Zustand erreichen,
bei dem ohne Querströmungskomponenten die Flüssigkeit vom einen Reflektor
bis zum anderen Reflektor gleichmäßig stark verläuft, so dass die gesamte
Messstrecke zwischen diesen Reflektoren optimal ausgenutzt ist. Die Strö
mungsöffnungen, die i. w. zylindrische Kanäle, aber auch langgestreckte Schlitze
sein können, können dabei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung im Bereich
von senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Stufen der Reflektoren ange
ordnet sein. Durch diese Ausbildung der Öffnungen in im Wesentlichen senkrecht
zur Längsachse der Messstrecke angeordneten Stufenflächen wird die Refle
xionsfläche des Reflektors für die Schallwellen überhaupt nicht unterbrochen, da
das Ende der oben liegenden Schrägfläche mit dem Anfang der darunter liegen
den Schrägfläche zusammenfällt und somit die Strömungsöffnungen für die von
den Ultraschallwandlern kommenden Schallwellen quasi unsichtbar sind.
Neben der angesprochenen Ausbildung der Strömungsöffnungen speziell in den
Randbereichen oder Totschallbereichen kann aber umgekehrt auch eine Anord
nung der Strömungsöffnungen derart vorgesehen sein, dass sie - unmittelbar in
der Mitte der Ultraschallkeule liegend - die Schallkeule der Ultraschallwandler
durch gezielte Verluste in Richtung einer Rechteckfunktion verzerren. Prinzipiell
sendet nämlich ein Kolbenschwinger bezüglich seiner Hauptkeule eine parabe
lähnliche Schallkeule aus. Die Forderung für die Schallkeule für die ideale Lauf
zeitdifferenzmessung ist aber eine Rechteckfunktion. Mit den Öffnungen im Re
flexionselement kann man nun gezielte Schallverluste so einbauen, dass die re
flektierte Welle einer Rechteckwelle nahekommt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Ultraschallzählers mit Strö
mungsöffnungen in den Reflektoren ergibt sich ein derartiger Strömungsverlauf,
dass keine Strömungsabschnitte entstehen, die undefinierte Strömungsverläufe
beinhalten. Man verliert zwar auf der anderen Seite durch die Strömungsöffnun
gen Schallanteile, die sich als erhöhte Dämpfung des Empfangssignals auswir
ken. Bleiben diese Dämpfungsverluste aber in einem vertretbaren Rahmen, was
in der Praxis problemlos möglich ist, ergibt sich daraus keine Erhöhung der Mes
sunsicherheit. Bei der Dimensionierung der Öffnungen derart, dass man die Rand-
und Totschallbereiche mit größeren Öffnungen versieht als den Kernbereich,
brauchen die Strömungsöffnungen im Kernbereich nur sehr klein ausgebildet zu
sein. Diese dienen dabei in erster Linie dazu, Haftströmungen, die an der schräg
liegenden Platte auftreten, zu unterbinden. Die durch die Strömungsöffnungen
gebildeten Strömungsdüsen wirken als Freistrahler und richten die Strömung
gleich.
Die erfindungsgemäße Ausbildung hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen ist
keine Strömungsumlenkung erforderlich und zum anderen reduzieren sich die
Totwasserräume mit induzierten Sekundärströmungen auf die Wandlermulde. Das
Gehäuse kann gegenüber den mit rechteckigen Zu- und Abläufen im Bereich der
einander gegenüberstehenden Wandler ausgebildeten Konstruktionen sehr viel
einfacher gestaltet werden. Der die eigentlichen Messeffekte der Ultraschalllauf
zeit erzeugende Strömungsabschnitt beginnt direkt an der Reflexionsebene, wo
durch sich eine sehr kompakte Bauweise ergibt.
Darüber hinaus gibt die erfindungsgemäße Ausbildung auch noch die Möglichkeit
durch die besondere Gestaltung der Strömungsöffnungen Störungen des Strö
mungsprofils in der Reflexionsebene zusätzlich zu bereinigen. Zu diesem Zweck
können die Strömungsöffnungen mit Strömungsabrisskanten versehen sein, bei
spielsweise dadurch, dass man die Enden der Öffnungen auf der Reflexionsseite
erweitert, wobei der Effekt noch weiter verbessert werden kann, wenn man die
Strömungsöffnungen konisch zulaufend ausbildet.
Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung die Neigung der Reflek
torabschnitte derart unterschiedlich zu wählen, dass die einzelnen von den Ab
schnitten reflektierten Teilschallbündel zur Strömungsrichtung geneigt reflektiert
werden und auf im Querschnitt der Messstrecke versetzte Reflektorabschnitte
auftreffen. Dadurch ergibt sich eine Schallführung, bei der das Gleichheitsprinzip
für die Schallausbreitung in und gegen die Strömungsrichtung wesentlich verbes
sert und symmetrisiert wird, so dass Signalstörungen, die durch induzierte Sekun
därströmungen in den Totwasserbereichen entstehen, kompensiert werden. Diese
unterschiedliche Ausbildung der Neigung einzelner Reflektorabschnitte wird dabei
bevorzugt wiederum mit der bereits angesprochenen Konstruktion kombiniert, bei
der die Strömungsöffnungen im Bereich von senkrecht zur Strömungsrichtung
verlaufenden Stufen also zwischen zwei unterschiedlich geneigten Reflektorab
schnitten angeordnet sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der
Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Ultraschallzählers mit
einander gegenüberstehenden Wandlern und Strömungsumlenkung
vor diesen Wandlern,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Ultraschallzählers bei dem die Ul
traschallstrahlung der seitlich neben der Messstrecke angeordneten
Ultraschallzähler durch im Strömungskanal angeordnete Reflektoren
umgelenkt wird,
Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt durch die eine Hälfte eines entspre
chend Fig. 2 ausgebildeten Ultraschallzählers mit erfindungsgemäß
ausgebildeten mit Strömungsöffnungen versehenen Reflektoren,
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Ultraschallzähler bei dem die Reflektoren
unterschiedlich geneigte Reflektorabschnitte aufweisen, um in beide
Laufrichtungen möglichst symmetrische Ultraschalllaufzeiten zu er
reichen,
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt eines gestuften Reflektorabschnitts
entsprechend dem Ausschnitt in Fig. 5 in Fig. 4 zur Bildung von
Strömungsabrisskanten und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verzerrung der Ultraschallkeulen
im Bereich von Strömungsöffnungen zur Erzielung einer möglichst
rechteckförmigen Schallabstrahlungscharakteristik im Bereich der
Messstrecke.
Die Fig. 1 und 2 zeigen den grundsätzlichen Aufbau bekannter Ultraschallzähler.
In Fig. 1 ist dabei ein typischer Ultraschallzähler gezeichnet, bei dem das Gehäu
se 1 mit den beiden einander gegenüberliegenden Ultraschallwandlern 2 und 3
mit abgewinkelten Zufluss- und Abflussstutzen 4 und 5 versehen ist. Im Einlaufbe
reich 13 und Auslaufbereich 14 entstehen dabei Querströmungen und Wirbel die
nicht mehr parallel zur Schallwellenausbreitung in der Verbindungsrichtung der
Ultraschallwandler 2 und 3 strömen.
Bei dem Aufbauschema eines Ultraschallzählers gemäß Fig. 2 sind die Ultra
schallwandler 2 und 3 seitlich neben der eigentlichen Messstrecke 6 des Gehäu
ses 1 angeordnet. Die Schallein- und -ausstrahlung erfolgt im Wesentlichen senk
recht zur Achse der Messstrecke 6, wobei Reflektoren 7 und 8 für die notwendige
Umlenkung der Ultraschallstrahlung parallel zur Strömungsrichtung sorgen. Auch
hier entstehen durch die schräg stehenden Reflektoren 7 und 8 Störungen des
Strömungsprofils 13', 14', insbesondere durch die Anhaftung der Strömung am
Reflektor durch den sogenannten Coanda-Effekt mit schwer beherrschbarem Wir
belabriss.
Erfindungsgemäß ist bei einem Ultraschallzähler mit dem Aufbauprinzip gemäß
Fig. 2 - wie dies in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 bis 6 im Einzelnen
dargestellt ist - eine besondere Ausbildung der Reflektoren 7', 8' bzw. 7", 8" vor
gesehen, wobei in den i. w. den gesamten Querschnitt des Messgehäuses 1
durchsetzenden Reflektoren Strömungsöffnungen 9, 9', 9" ausgebildet sind. Diese
Strömungsöffnungen zum direkten Durchleiten der Flüssigkeit in die Messstrecke
6 zwischen den Reflektoren 7', 8' bzw. 7", 8" haben eine Reihe von Vorteilen. So
ist zum einen keine Strömungsumlenkung erforderlich und Totwasserräume mit
induzierten Sekundärströmungen reduzieren sich auf die Wandlermulde. Man hat
eine einfache Konstruktion des Gehäuses ohne die seitlichen Zu- und Ablaufstut
zen wie bei dem Ultraschallzähler gemäß Fig. 1. Durch die Gestaltung der Öff
nungen können Störungen des Strömungsprofils zusätzlich bereinigt werden. Der
die eigentlichen Messeffekte erzeugende Strömungsabschnitt also der Bereich in
der Messstrecke 6 beginnt direkt an den Reflexionsebenen woraus eine sehr
kompakte Bauweise resultiert.
Während bei dem einfachsten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die als runde zy
lindrische Bohrungen oder auch als Schlitze ausgebildeten Strömungsöffnungen 9
im Wesentlichen gleichmäßig groß ausgebildet und gleichmäßig verteilt angeord
net sind, wird man in der Praxis mehr dazu neigen die Öffnungen so zu verteilen,
dass sie in Rand- und Totschallbereichen größer oder zahlreicher sind als im
Kernbereich der auf die Reflektoren auftreffenden Schallkeulen. Dies ist in den
Figuren aber nicht dargestellt, da je nach der Art der Wandler und der Ausbildung
der Schallkeulen die Anordnung insoweit unterschiedlich ausgebildet sein kann.
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Öffnungen 9 jeweils im Bereich von
Stufen der Reflektoren liegen, also im Bereich der senkrecht zur Längsachse des
Gehäuses 1 verlaufenden Wandungen dieser Stufen (wie etwa bei der Strö
mungsöffnungen 9' in Fig. 4). Auf diese Art und Weise grenzen von der Seite her
gesehen die Enden benachbarter Abschnitte der Reflektoren direkt aneinander
an, so dass überhaupt kein Schallverlust durch die Strömungsdurchtrittsöffnungen
beim Auftreffen der Schallkeule vom Wandler eintritt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 handelt es sich um eine Variante bei der
die Reflektoren 7" und 8" in zwei unterschiedlich geneigte Abschnitte derart unter
teilt sind, dass jeweils von einem Reflektorabschnitt die Teilschallkeulen 11a, 11b
bzw. 12a, 12b auf den jeweils anderen Reflektorabschnitt gelenkt werden, wie
dies im Einzelnen eingezeichnet ist. Dadurch, dass das Bündel, welches oberhalb
des Freistrahls reflektiert wird auf den zweiten Reflektor unten auftritt und umge
kehrt, ergibt sich der Vorteil, dass das Gleichheitsprinzip für die Schallausbreitung
in und gegen die Strömungsrichtung wesentlich verbessert wird und somit die Si
gnalstörungen, die durch induzierte Sekundärströmungen in den Totwasserberei
chen entstehen, kompensiert werden. Hierbei ist es auch möglich, nur die Öffnung
9' als Strömungsdurchtritt auszubilden.
In allen Fällen kann, wie in Fig. 5 angedeutet ist, die jeweilige Strömungsöffnung
9, 9', 9" im Strömungsaustrittsbereich mit einer eine Strömungsabrisskante bil
denden Fase 13 versehen sein. Die dadurch gebildete Strömungsabrisskante
bewirkt, dass der aus dem Spalt austretende Freistrahl durch die schräg ausgebil
dete Fläche des Reflexionselements nicht abgelenkt wird. Diesen Effekt kann man
noch dadurch verstärken, dass man die Strömungsöffnung 9' wie in Fig. 5 gezeigt
konisch ausbildet.
Abgesehen von dem einen Grundprinzip der Anordnung der Strömungsdurch
trittsöffnungen 9, 9', 9" derart, dass sie in Rand- und Totschallbereichen zahlrei
cher oder mit größeren Öffnungsweiten angeordnet sind als im Kernbereich, wo
bei man im Kernbereich ja nur sehr kleine Öffnungen braucht cjie dazu dienen, die
Haftströmungen die an den schräg stehenden Reflektoren auftreten zu unterbin
den, kann man die Anordnung und Verteilung der Strömungsdurchtrittsöffnungen
auch speziell dahingehend optimieren, dass durch die Strömungsdurchtrittsöff
nungen 9, 9' oder 9" - wie dies in Fig. 6 angedeutet ist - gezielte Schallverluste
erzielt werden, um ausgehend von den üblichen Ultraschallhauptkeulen eines
Kolbenschwingers mit parabelähnlicher Schallkeule der Forderung für die ideale
Laufzeitmessung nach einer mehr rechteckigen Funktion der Schalikeule eher
entsprechen zu können. Durch den eingebauten Schallverlust durch die in diesem
Fall nicht im Bereich einer Stufe angeordnete Strömungsöffnung 9, 9', 9" gemäß
Fig. 6 ergibt sich ein Schallverlust des abgestrahlten Schalls S in der Mitte der
parabelähnlichen Schallkeule die zu der mehr rechteckförmigen Verteilung S"
führt. S' ist der reflektierte Schall in der Reflexionsebene.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Wie
bereits ausgeführt, kann die Ausbildung der Strömungsöffnungen 9, 9', 9" und ihre
Verteilung über die Reflektoren in unterschiedlichster Weise erfolgen je nachdem
welche speziellen Vorteile man mit ihrer Hilfe besonders ansprechen und verstär
ken möchte.
Claims (9)
1. Ultraschallzähler zur Bestimmung des Strömungsvolumens einer strömen
den Flüssigkeit durch eine Laufzeitmessung, insbesondere Differenzlauf
zeitmessung, eines Ultraschallsignals, das in einer Messstrecke eines
Strömungskanals zwischen zwei vorzugsweise umschaltbaren Ultraschall
wandlern verläuft, die seitlich neben dem Strömungskanal der Messstrecke
angeordnet sind, wobei die i. w. senkrecht zur Achse der Messstrecke ein
gekoppelte Ultrschall-Strahlung über Reflektoren i. w. parallel zur Achse
der Messstrecke umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflek
toren (7', 8'; 7", 8") mit einer oder mehreren Strömungs-Öffnungen (9, 9',
9") zum direkten Durchleiten der Flüssigkeit in die Messstrecke (6) zwi
schen den Reflektoren versehen sind.
2. Ultraschallzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strömungsöffnungen (9, 9', 9") verstärkt in Rand- und Totschallbereichen
der auf die Reflektoren (7', 8'; 7", 8") auftreffenden Schallkeulen der Ultra
schallwandler (2, 3) angeordnet sind.
3. Ultraschallzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsöffnungen derart angeordnet sind, dass sie die Schallkeule
der Ultraschallwandler durch gezielte Verluste in Richtung einer Rechteck
funktion verzerren.
4. Ultraschallzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, dass die Strömungsöffnungen (9, 9', 9") i. w. zylindrische Kanäle sind.
5. Ultraschallzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, dass die Strömungsöffnungen (9, 9', 9") i. w. schlitzförmig ausgebildet
sind.
6. Ultraschallzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, dass die Strömungsöffnungen (9') im Bereich von senkrecht zur Strö
mungsrichtung verlaufenden Stufen (10) der Reflektoren (8") angeordnet
sind.
7. Ultraschallzähler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nei
gung der Reflektorabschnitte (7a, 7b, 8a, 8b) derart unterschiedlich gewählt
ist, dass die einzelnen Teilschallbündel (11a, 11b, 12a, 12b) zur Strö
mungsrichtung geneigt reflektiert werden und auf im Querschnitt der
Messstrecke versetzte Reflektorabschnitte auftreffen.
8. Ultraschallzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, dass die Strömungsöffnungen (9') mit Strömungsabrisskanten verse
hen sind.
9. Ultraschallzähler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strömungsöffnungen (9') im Austrittsbereich, vorzugsweise konisch, erwei
tert sind.
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