DE2203927A1

DE2203927A1 -

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Publication number: DE2203927A1
Application number: DE19722203927
Authority: DE
Priority date: 1971-04-30
Filing date: 1972-01-28
Publication date: 1972-11-16
Also published as: US3717038A; IT946784B; JPS567181B1; IL38561A; GB1340635A; IL38561A0; CA942533A; FR2135951A5

Description

Druckverhältnisses

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbesserungen in elektrischen Schaltungen, die zur Abgabe einer Ausgangsgröße geeignet sind, die eine Anzeige für das Verhältnis von zwei Eingangsgrößen iät . Insbesondere betrifft die Erfindung Schaltungen, die eine Ausgangsgröße liefern können, die eine Anzeige für die Machzahl von durch einen Kanal strömenden Gasen ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in der elektrischen Schaltung des Typs, wie er in dem US-Patent 3 433 080 gezeigt ist. Wie dort beschrieben ist, ist ein Parameter des Leistungsvermögens eines Gasturbinentriebwerkes die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen durch das Triebwerk, die in Mach zahl größen gemessen wird. Es ist seit langem festgestellt worden, daß die Machzahl (M) an irgendeinem Punkt in einem Strömungsfeld durch die Differenz zwischen dem gesamten Gasdruck (P_t) und dem statischen Gasdruck (P ) ,dividiert durch den statischen Gasdruck wie folgt ausgedrückt werden kann:

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^i- μ²

2f- ι . ^pt -

P
s

Darin ist 2Γ (Gamma) gleich der spezifischen Wärme bei konstantem Druck ,dividiert durch die spezifische Wärme bei konstan- . tem Volumen. Durch Messung des gesamten und statischen Druckes kann die Machzahl somit berechnet und entweder bei der Triebwerksregelung oder der Instrumentierung des Triebwerkes verwendet werden.

Druckmessungen als solche stellen kein Problem dar und können auf vielen Wegen durchgeführt werden. Für die hier anstehenden Zwecke ist es erstrebenswert, daß diese Messungen durch Vorrichtungen erfolgen, die elektrische Signale entwickeln, welche dem abgetasteten Druck proportional bzw. verhältnis gleich sind. Tatsächlich und vorzugsweise werden Wandler verwendet, um zwei elektrische Signale zu erhalten, von denen das eine dem statischen Druck (P ) und das andere der Differenz zwischen dem gesamten und dem statischen Druck (P₄.-P₁,) proportional ist. Das Problem, das sich hier dem Planungsingenieur stellt, besteht darin, von den Wandlern gelieferte Eingangs signale zu nehmen und ein genaues elektrisches Signal zu liefern, das eine Punktion der Luftströmung in dem Gasturbinentriebwerk ist, oder in anderen Worten, ein genaues elektrisches Signal zu schaffen, das eine Funktion des Druckverhältnisses (P+.-P,, )/P„ ist.

Die in dem obigen Patent gezeigte Teilerschaltung liefert eine derartige Funktion, sie ist aber etwas kompliziert und kostspielig, da sie eine Anzahl genau gewickelter Transformatoren erfordert. Zusätzlich ist die Schaltung gemäß dem oben genannten Patent im Grunde eine mit Wechselstrom arbeitende Vorrichtung, wogegen die übrigen Teile der meisten Triebwerks-Regelsysteme primär Gleichstromvorrichtungen sind. Die Wechselstromerregung gemäß der bekannten Schaltung erfordert eine zusätzliche Leistungseinspeisung und die Ausgangsgröße davon muß demoduliert werden, da das Regelsystem mit Gleichstroirsignalen

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arbeitet.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache' und zuverlässige, gleichstrombetätigte elektrische Schaltung zu schaffen, die ein genaues elektrisches Signal liefert, das eine Funktion der Luftströmung in dem Kanal (Gasturbinentriebwerk) ist.

Diese Aufgabe wird, kurz gesagt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daP eine elektrische Schaltung' geschaffen wird, in der ein Druckwandler, der den statischen Druck abtastet, einen Teil einer Rückkopplungsschleife zu einem Operationsverstärker bildet. Die Ausgangsgröße aus einem zweiten Wandler, der den gesamten Druck minus dem statischen Druck abtastet, bildet die Haupteingangsgröße zu der Operationsverstärker-Schaltung. Zusätzlich ist eine nicht-lineare Kompensation vorgesehen, die die Nulldrift der Schaltung korrigiert.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines die Erfindung verkörpernden Gasturbinentriebwerkes.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltung.

Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Die hier beschriebene Schaltung hat eine breite Anwendbarkeit auf jede Umgebung, in der ein Verhältnis-Ausgangssignal erwünscht ist. Ohne dadurch in irgendeiner Weise eine Beschränkung vornehmen zu wollen, wird die Erfindung hier in Verbindung irit einer Applikation beschrieben, in der ein Ausgangssignal

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erzeugt wird, das eine Anzeige für die Machzahl der Strömung in einem Gasturbinentriebwerk ist.

In Figur 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 des Turbo-Gebläsetyps gezeigt, das ein Gehäuse 12, einen Kompressor 14, ein Verbrennungssystem 16, eine Turbine 18 und. eine Ausstoßdüse 20 aufweist. Der Kanal 12 bildet eine Nebenleitung 22, die den Kompressor lh, das Verb renn ungs system 16 und die Turbine 18 umgibt.

'Das Problem, das zur Entwicklung der hier beschriebenen elektrischen Schaltung, führte, besteht darin, elin genaues elektrisches Signal zu liefern, das eine Funktion der Luftströmung innerhalb des Kanals 22 ist. Diese Luftströmung ist ein wichtiger Regelparameter und wird zur Regelung der Fläche der Ausstoßdüse¹ 20 verwendet, um eine konstante Strömung für jede Gashebeleinstellung des Gasturbinentriebwerkes 10 aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck ist die Ausstoßdüse 20 mit zahlreichen Betätigungsgliedern 2h versehen, von denen nur eines dargestellt ist und die mechanisch mit der Ausstoßdüse 20 verbunden sind, um deren Austrittsfläche zu verändern.

Die Betätigungsglieder 2h können irgendeine bekannte Bauart besitzen, beispielsweise kann es sich um hydraulische Kolben handeln, und sie werden von einer elektro-mechanischen Steuerung gesteuert, die schematisch bei 26 dargestellt ist. Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, ist eine der Eingangsgrößen zu der Steuerung 26 die Machzahl der Strömung in der Nebenleitung 22.. Aus diesem Grunde ist ein Machsensor für den Gebläsekanal oder eine Druckverhältnisschaltung 28 in irgendeiner geeigneten Weise mit dem Gehäuse 12 verbunden und liefert eine Eingangsgröße zu der Steuerung 26, wie es schematisch durch die Linie 30 gezeigt ist. Wie bereits beschrieben wurde, ist die Machzahl an irgendeinem Punkt in einem Kanal eine eindeutige Funktion des Verhältnisses des Gesamtdruckes minus dem statischen Druck 'zum statischen Druck. Aus diesem Grunde ist der Machzahlsensor 28

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mit einem Ge samt druck fühler 32 und einem Fühler 34 für den statischen Druck versehen, die mittels der Leitungen 36 bzw. 38 mit dem Machzahlsensor 2 8 verbunden sind.

In Figur 2 ist die elektrische Schaltung gezeigt, die.einen Teil des Machzahlsensors 28 bildet. Die durch die Druckfühler 32 und 34 erzeugten Signale werden zwei Druckwandlern 40 bzw". 42 zugeführt. Die Druckwandler 40 und 42 können irgendeinen bekannten Aufbau besitzen und sind in Figur 2 als Wheatstone-Widerstandsbrücken mit vier Elementen dargestellt. Eine Versuchs durchführung mit der hier beschriebenen Schaltung hat gezeigt, daß dünnfilmige Dehnungsmesser gegenüber anderen Wandlertypen bevorzugt sind. Zusätzlich ist der Wandler 40 bevorzugt ein Differenzwandler, der die Differenz zwischen dem gesamten Druck und dem statischen Druck mißt, während der Wandler 42 bevorzugt ein Absiblutdruckwandler ist, der den statischen Druck mißt. Als eine Alternative könnte ein Absolutdruckmesser den Wandler 40 zur Messung des Ge samt» druckes ersetzen. Es wurde jedoch ein Differenzwandler gewählt, da somit ein Wandler mit einem kleineren Bereich, der den Fehler des Systems verkleinert, verwendet werden konnte.

Mit dem Wandler 40 ist eine Gleichstrom-Spannungsquelle 44 verbunden. Das durch den Wandler 40 erzeugte Signal bildet ein Eingangssignal (E.) für den Operationsverstärker 46. Das Eingangssignal wird dem Operationsverstärker 46 über ein angepaßtes Widerstandspaar 48 und 50 mittels, zweier Leitungen 52 und 54 zugeführt.

'. ■ Die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers 46 wird dazu verwen-

< det, den Wandler 42 über eine Leitung 56 zu erregen. Das Signal

wird dem Wandler 42 übe r einen Widerstand $8 zugeführt. Der

^ Ausgang des Wandlers 42 ist über Leitungen 60 bzw. 62 mit den

! Leitungen 52 und 54 verbunden. Die Leitungen 60 und 62 enthalten

{ zwei angepaßte Widerstände 64 und 66. Ein zweites Paar Wider-

stände 68 und 70 ist mit den Widerständen 64 und 66 in Reihe ge-

j schaltet. Der Wandler 42 bildet einen Teil einer Rü ckkopp lungs-

schleife (Elemente 56 - 70) für den Operationsverstärker 46.

ORIGINAL INSPECTED

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Wie ferner in Figur 2 gezeigt ist, bildet eine nicht-lineare Kompensationsschaltung, die insgesamt mit der Bezugszahl 72 bezeichnet ist, eine zusätzliche Eingangsgröße für den Operationsverstärker 46, die mittels der Leitungen 78 und 80 über Widerstände 74 und 76 zugeführt wird. Die nicht-lineare Kompensationsschaltung 72 ist mit ihren Einzelheiten in dem US-Patent 3 528 beschrieben. Wie dort angegeben ist, umfaßt die Schaltung 72 eine Brückeschaltung, die aus einer Kombination von Widerständen gebildet ist, die sich auf entsprechende Weise in einer nichtlinearen Funktion über einen gegebenen Temperaturbereich ändern und über dem Temperaturbereich einen konstanten Widerstandswert aufweisen. Die Ausgangsgröße dieser Widerstandsschaltung ist eine variable Ausgangsspannung, die den Basen von zwei Transistoren in dem Verstärker 46 zugeführt wird und eine Temperaturkompensation für den Verstärker 46 bildet, um die "Mulldrift" über einem gegebenen Temperaturbereich auf ein Minimum herabzusetzen. Mit anderen Worten hält die Schaltung 72 das NUngleichgewicht der Schaltung 28 bei P. = P über einem breiten Temperaturbereich aufrecht, beispielsweise von minus 5*1⁰C (-65⁰F) bis plus 121⁰C (+ 25O⁰F). Neben der Temperaturkompensationschaltung 72 ist dem Verstärker 46 über die Leitung 84 ein Kondensator 82 parallelgeschaltet, um für eine Frequenzkompensation des Verstärkers 46 zu sorgen.

Das in Figur 2 gezeigte angepaßte Paar der Ohmschen Widerstände 48 und 50 und das angepaßte Paar der Ohmschen Widerstände 64 und 66 stellen die Grundverstärkung des Gesamtsystemes ein, während die Ohmschen Widerstände 58 und 70 dazu ausgewählt sind, die gewünschte Systemverstärkung zu trimmen und eine Sk ale η en dw er t-Ausgangsgröße E_Q bei dem maximalen erwarteten Druckverhältnis von (P₊. - P_o)/P„ oder P₊VP₀ zu erzeugen. Der Ohmsche Widerstand 68 ist vorzugsweise temperaturempfindlich und sein Wert ist so gewählt, daß die beim Nulldruck abweichende Spannung des Wandlers 42 kompensiert und somit die Verstärkung des

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Systemes über dem erwarteten Temperaturbereich konstant gehaltenwird. Der Wert der Ohmschen Widerstände in der Kompensationsschaltung 72 ist mit der tatsächlichen Temper at ur-Nullpunktverschi.ebung des Verstärkers 46 als Basis für eine Berechnung gewählt, wie es in dem US-Patent 3 528 022 beschrieben ist.

Wie oben erwähnt wurde, ist ein Aus gangs signal E_Q erwünscht, das

die Größe (P, - P')/Ps darstellt · Dieses Aus gangs sign al wird da- \j s

durch erreicht, daß der P ~ Wandler 42 in der Rückkopp lungsschleife des Operationsverstärkers 46 angeordnet wird, wie es oben beschrieben ist. Die Beziehung kann mathematisch beschrieben werden, wobei mit der bekannten Gleichung für die Verstärkung des Verstärkers 46 begonnen wird:

° r wobei E_n ^v gleich der Ausgangsspannung,

^Ei 1 + GH °

E. gleich der Eingangs spannung, G gleich der offenen Verstärkung des Verstärkers und H gleich dem Rückkopplungsverhältnis ist.

Aus der obigen Gleichung ergibt sich in dem vorliegenden System E* G

Ε_Λ = -j—■ Darin ist H proportional zu dem in dem Rück-

U 1 + Ixti .

kopplungszweig verwendeten Druck, das heißt proportional zu P₀, und die offene Verstärkung G des Verstärkers ist sehr hoch im Vergleich zu 1. Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, ist E. proportional zu (P. - P₀ ). Deshalb besteht die folgende Beziehung:

(P -P) (G)

■ 1 + (G)(P₅)

Palls G groß ist im Vergleich zu 1, dann ist

(P₃) (G)

Somit ist die gewünschte Beziehung erzielt.

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In Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des Machsensors 28 gezeigt und insgesamt mit. der Bezugszahl 28^f bezeichnet. Der Machsensor 28¹ ist größtenteils mit dem Machsensor 2 8 identisch und den hierzu entsprechenden Elementen sind gleiche, mit einem Häkchen versehene Bezugszahlen gegeben. Die durch geeignete Druckfühler erzeugten Signale werden einem Paar Druckwandler 40¹ und 42.' zugeführt, die irgendeine bekannte Bauart besitzen können und hier als Wheats tone·¹ sche-Widerstandsbrücken mit vier Elementen dargestellt sind. Die Wandler 40' und 42^f ,werden durch eine positive und negative Spannung erregt, deren Größe durch die Temperaturkompensations-Widerstände 30 und die Vorwiderstände 92 gleich ist, welche die Belastung der Verstärker verkleinern und die eine Selbsterwärmung der Wandler 40* und 42' herabsetzen. Idealerweise sind die Wandler 40' und 42' so spezifiziert, daß ihre Brücken-Ausgangsspannungen dem Gesamtpotential der Schaltung nahekommen, so daß dadurch ein Gleichtaktsignal eliminiert wird.

Die Wandler 40' und 42' sind zusätzlich mit Temperaturkompensation· Widerständen 94 und Nullabgleichwiderständen 96 versehen, wie es in Figur 3 dargestellt ist.

Der Ausgang des Wandlers 40' ist über ein angepaßtes Paar Ohmscher Widerstände 48' und 50' mitteln Leitungen 52' bzw. 54' mit einem Operationsverstärker 46'verbunden. Wie in dem vorstehenden Fall wird die Null<-drift des Verstärkers 46' und eine res tIiehe Verschiebungsdrift des P₄. - P -Wandlers 40' durch eine Temperatur-

L· S

kompensationsschaltung 72· geregelt, die über zwei angepaßte Ohmsche Widerstände 74' und 76' mit den Leitungen 52' und 54' verbunden ist.

Wenn der Wandler 40' von einer konstanten Spannungsquelle gespeist und den Druckfühlern Drucke zugeführt werden, wird von dem Verstärker 46' ein Signal verstärkt, das der Differenz der Drucke (P₊. -P₁₅) proportional ist. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 46' wird durch eine Schaltung invertiert, die aus einem zweiten Ver-

ORfQINAL INSPECTED

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stärker 98 und Ohmsehen Widerständen 100, 102 und 104 loesteht, von denen die Ohmschen Widerstände 102 und 104 angepaßt sind.

Die Aus gangs größen der Verstärker 46' und 98 erregen somit den Wandler 42', damit dieser ein elektrisches Signal erzeugt, das dem Produkt der speisenden Spannung und des abgetasteten Druckes proportional ist. Dieses Signal wird über ein angepaßtes Paar Ohmseher Widerstände 106 und 108 zum Eingang des Verstärkers 46' rückgekoppelt so daß das -vom Verstärker 46' erzeugte Signal proportional zu (P₊. - P )/P_o ist.

Die kleine ilulldruek-Verschiebespannung des Wandlere 42' wird direkt mittels eines angepaßten Paares Ohmscher Widerstände 110 und 112 zusammen mit Ohmschen Widerständen 114 und 116 kompensiert, wie es in Figur 3 gezeigt ist. Bei Applikationen, wo die Verschiebespannung des Wandlers 42' schlecht mit der Temperatur driftet, können die Ohmschen Widerstände 114 und 116 durch eine zweite Temperaturkompensationsschaltung 72' ersetzt werden, wie es in Figur 3 gestrichelt dargestellt ist. In einem solchen Falle kann die Schaltung 72' je nach Erfordernis mit einer Klemme 118 und/oder 120 verbunden werden.

Da3 angepaßte Paar der Ohmschen Widerstände 48' und 50* zusammen mit dem angepaßten Paar der Widerstände 106 und 108 sind so ausgewählt, daß sie die elektrische Verstärkung des Gesamtsystems einstellen, während ein Ohmscher Widerstand 122 zwischen die Knotenpunkte 126 und 128 geschaltet ist, um eine Trimmfunktion für die Verstärkung zu übernehmen. Wie in dem vorstehenden Falle bilden die Kondensatoren 82' und 124 eine Frequenzkompensation für den Verstärker 46'.

Der signifikante Unterschied und der Vorteil des in Figur 3 gezeigten Ausfütirungsbeispiels gegenüber dem in Verbindung mit Pigur 2 beschriebenen besteht darin, daß der Inverter-Verstärker 98 die Gleichtakt-Ausgangsspannung des Wandlers 42* eliminiert. Dadurch können mögliche Ungenau!gkeiten ausgeschlossen werden, die infolge einer Fehlanpassung der in der Schaltung gezeigten

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angepaßten Widerstandspaare auftreten können. Zusätzlich wird die Nulldruck-Verschiebespannung des Wandlers 42' in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel direkt, kompensiert.

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Claims

- li -

Ansprüche' ..-.-"

1. Elektrische Schaltungsanordnung gekennzeichnet d u r cn einen Verstärker (46), der eine Verstärkung (G) aufweist und ein-Ausgangssignal (E_Q) liefert, eine Vorrichtung (40, 44) zur Abgabe eines Eingangssignals (E^), das durch den Verstärker (46) zu verstärken ist, und eine Vorrichtung. (42, 56 - 70) zur Lieferung eines Rückkopplungs sign als (H) zum Verstärker (46), von denen die das Eingangssignal (E^) erzeugende Vorrichtung (40, 44) einen ersten Druckwandler (40) der Art, daß das Eingangssignal (E.) proportional zu einem ersten Druckwert ist, und die das Rückkopplungssignal erzeugende Vorrichtung (42, 56 - 70) einen zweiten Druckwandler (42) der Art aufweist, daß das Rückkopplungssignal (H) proportional zu einem zweiten Druckwert ist, wobei das Aus gangssignal (E_Q) proportional zum Verhältnis des ersten Druckwertes dividiert durch den zweiten Druckwert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Rückkopplungssignal (H) erzeugende Vorrichtung ferner Mittel (98) zur Invertierung des Aus gangs sign a Is (E_Q) des Verstärkers (46) und zur Zuführung des invertierten Signals zu dem zweiten Druckwandler (42') aufweist .

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (68) zur Kompensierung der llulldruck- Verschiebe spannung des zweiten Druckwandlers (42) vorgesehen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 > dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druckwandler (40) ein Druckdifferenzsensor und der zweite Druckwandler (42) ein Absolutdruckwertsensor ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (72) zur Finimierung der

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Nulldrift des Verstärkers (46·) vorgesehen sind.

6.J Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche·

-5, da durch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der Machzahl der Strömung innerhalb eines Kanals (22) ein Verstärker (46)., der eine Verstärkung (G) aufweist und ein Aus gangs signal (E_Q) liefert, mit dem Verstärker verbundene Mittel (40, 44) zur Erzeugung eines durch den Verstärker zu verstärkenden Eingangssignal (E.), die ein Signal liefern, das der Differenz zwischen dem gesamten Druck (P₊.) und dem statischen Druck (P )

* Xr S

innerhalb des Kanales (22) proportional ist, und mit dem Verstärker (46) verbundene Mittel (42, 56 - 70) zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals (H) für den Verstärker vorgesehen ist, das proportional zu dem statischen Druck (P ) innerhalb des Kanales ist, wobei das Ausgangssignal (E ) proportional zum Verhältnis des Differenzsignals (P₄I-P.) dividiert durch das Signal (P ) des statischen Druckes ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch g e kennzei chnet , daß die das Eingangssignal (E.) erzeugende Vorrichtung einen Druckwandler (40), dem das Druckdifferenzsignal zugeführt ist, und die das Rückkopp lungs signal erzeugende Vorrichtung einen Druckwandler aufweist, dem das Signal des statischen Druckes zugeführt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Minimierung der Nulldrift des Verstärkers vorgesehen sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch g e kennzeichnet, daß die das Rückkopplungssignal erzeugende Vorrichtung Mittel zur Invertierung desAusgangssignals des Verstärkers und zum Anlegen des invertierten Signals an den zweiten Druckwandler aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (22) einen Teil des Gasturbinentriebwerkes (10) bildet.

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