DE2538185A1

DE2538185A1 - Impulsratenmesser mit logarithmischer kennlinie

Info

Publication number: DE2538185A1
Application number: DE19752538185
Authority: DE
Inventors: Abutorab Dr Bayati
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-27
Filing date: 1975-08-27
Publication date: 1977-03-03
Also published as: IT1066892B; DE2538185C3; FR2322375B1; FR2322375A1; DE2538185B2; GB1509162A

Description

Impulsratenmesser mit logarithmischer Kennlinie

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Impulsratenmesser mit logarithmischer Kennlinie. In der deutschen Auslegeschrift 22 16 827 ist ein logaritlimischer Mittelwertmesser oder auch Ratemeter beschrieben, bei dem die logarithmische Kennlinie dadurch erzielt wird, daß sich in einer Gegenkopplungsschleife eines Verstärkers mehrere in Reihe geschaltete Dioden befinden, deren Kennlinien mindestens im Anlaufstrombereich ebenfalls logarithmisch sind. Bei dieser bekannten Technik müssen die logarithmischen Bauelemente, also die Halbleiterdioden ausgesucht werden. Ihre Kennlinie ist temperaturabhängig, so daß gewöhnlich auch eine thermostatische Regelung ihrer Umgebungstemperatur vorgesehen werden muß.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen logarithmischen Impulsratenmesser zu schaffen, der ohne die Verwendung von Halbleiterelementen mit logarithmischer Kennlinie auskommt. Es sollen bei dem vorliegenden Impulsratenmesser weitgehend Bauelemente der digitalen Halbleitertechnik verwendet werden.

Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird mit einem Impulsratenmesser mit logarithmischer Kennlinie gelöst, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch einen nach Erreichen einer festgesetzten Meßimpulszahl K ein Ausgangssignal abgebenden Meßimpulszähler, einen während des Auflaufens der Meßimpulszahl im Meßimpulszähler von dessen Ausgangssignal für Zeitimpulse eines Zeitimpulsgenerators zählbereit gehaltenen Zeitimpulszähler, ein an Bitausgänge des Zeitimpulszählers angeschlossenes, den Inhalt des Zeitimpulszählers auf Anreiz durch das Ausgangssignal des Meßimpulszählers übernehmendes Schieberegister, dessen Schiebeimpulseingang mit dem

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Li 23 Bz / 20. 8. 1975

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Ausgang des Zeitimpulsgenerators verbunden ist, einen Schiebeimpulszähler für die für eine Verschiebung des im Schieberegister befindlichen Inhalts des Zeitimpulszählers bis zum Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters erforderliche Anzahl Schiebeimpulse, einen mit den höherwertigen Bits des Schieberegisters verbundenen, digitalen, logarithmischen Funktionswandler und einen an die Ausgänge des Schiebeimpulszahlers und des logarithmischen Funktionswandlers angeschlossenen Ergebnisspeicher.

Das Schieberegister leistet dabei zusammen mit dem Schiebeimpulszähler die Logarithmierung des Stellenwertes der Zeitimpulszahl, d. h. die Lieferung der logarithmischen Kennziffer der Zeitimpulszahl. Die Mantisse der Zeitimpulszahl wird durch den digitalen logarithmischen Funktionswandler geliefert, der beispielsweise aus einer Funktionswandlermatrix bestehen kann. In diesem Impulsratenmesser werden zur Erzeugung einer logarithmischen Kennlinie keine Halbleiterelemente mit logarithmischen Charakteristiken benötigt. Die Logarithmierung findet nur mit Hilfe digitaler Methoden statt.

Obwohl zur Mantissenbildung nur die Bits höherer Wertigkeit des Schieberegisters herangezogen werden, kann mit dem neuen Impulsratenmesser eine bessere Genauigkeit und Dynamik erreicht werden als mit bekannten Impulsratenmessern.

Aufgrund des gewählten Meßprinzipes, einer Zeitmessung während des Auflaufens einer festgelegten Anzahl von Meßimpulsen, könnte nach einem Abfall der Impulsrate eine größere unerwünschte Totzeit in der Anzeige entstehen. Dieses Problem wird in einer Weiterbildung der Erfindung dadurch gelöst, daß für fallende Impulsraten eine zusätzliche, zeitgesteuerte Anreizschaltung für das Schieberegister zur Übernahme des Inhaltes des Zeitzählers und dessen Verschiebung bis zum Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters vorgesehen ist, die einen digitalen Vergleicher umfaßt, dessen Eingänge einerseits an Biteingängen und andererseits an Bitausgängen des Ergebnisspeichers angeschlossen sind, und dessen Ausgang über eine Lo-' gikschaltung mit dem Übernahmeeingang des Ergebnisspeichers verbunden ist.

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Eine Ausbildung des Impulsratenmessers als Differenzratenmesser wird zweckmäßig dadurch erzielt, daß an die Stelle des Meßirnpulszählers ein Addierwerk tritt, an dessen Eingängen zwei weitere Impulszähler liegen, die Impulse zweier Impulsquellen aufnehmen, deren Differenzrate bestimmt werden soll.

Am Ausgang des ErgebnisSpeichers wird zweckmäßig ein Digital-Analog-Konverter angeschlossen, der gegebenenfalls über einen Verstärker eine analoge Anzeige- oder Registriereinrichtung beaufschlagt .

Die Erfindung wird anhand von drei Figuren erläutert.

Figur 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild dar.

Figur 2 dient dem Verständnis der zusätzlichen, zeitgesteuerten Anreizschaltung.

In Figur 3 ist ein Diagramm gezeigt, das von einem Registriergerät am Ausgang des Impulsratenmessers aufgezeichnet wird, wenn, ausgehend von einer höheren Impulsrate, ein plötzlicher Abfall der Impulsrate auftritt und später die Impulsrate wieder ansteigt. Mit dieser Figur soll gezeigt werden, daß eine nach Abfallen der Impulsrate zu erwartende Totzeit in der Anzeige durch einen Einschwingvorgang ersetzt ist.

In Figur 1 sind zwei Meßimpulszähler Z1 und Z2, an deren Eingängen 1 und 2 nicht dargestellte Impulsquellen liegen, mit ihren Bitausgängen an entsprechende Biteingänge eines Addierwerkes ADD angeschlossen. Am_Ausgang des Addierwerkes liegt ein Impulswandler IW, der bei Erreichen einer im Addierwerk ADD anfallenden vorgegebenen Differenz K der von den Zählern Z1 und Z2 empfangenen Impulse einen Doppelimpuls abgibt. Ein Zeitimpulsgenerator TG, dessen Impulse den Impulswandler IW synchronisieren, ist mit seinem Ausgang an den Zähleingang eines Zeitimpulszählers ZZ angeschlossen. Bitausgänge des Zeitimpulszählers ZZ sind mit entsprechenden Biteingängen eines Schieberegisters SR verbunden. Der Ausgang des Zeitimpulsgenerators TG ist auch an einen Schiebeeingang des Schieberegisters SR angeschlossen. Ein Signalausgang für den ersten Aus-

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gangsimpuls des Impulswandlers IYJ ist über ein ODER-Gatter OR1 mit einem Übernahmeeingang des Schieberegisters SR verbunden. Ein Signalausgang für den zweiten Ausgangsimpuls des Impulswandlers IW ist an Rückstelleingänge der Meßimpulszähler Z1 und Z2 sowie des Zeitimpulszählers ZZ angeschlossen. Der Signalausgang des ODER-Gatters 0R1 ist außerdem mit einem Rückstelleingang eines Schiebeimpulszahlers Z3 verbunden, dessen Zähleingang ebenfalls an den Ausgang des Zeitimpulsgenerators TG angeschlossen ist. Ein Ausgang des Bits höchster Wertigkeit des Schieberegisters SR ist sowohl mit einem Freigabeeingang des Schieberegisters SR selbst als auch mit einem Preigabeeingang des Schiebeimpulszahlers Z3 verbunden. Beide Eingänge werden dann für Impulse des Zeitimpulsgenerators TG •freigegeben, wenn das Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters SR nicht markiert ist. Ist dieses Bit dagegen markiert, so wird durch eine über ein UND-Gatter UN1 und ein zweites ODER-Gatter 0R2 gleichfalls bestehende Verbindung des Bits höchster Wertigkeit des Schieberegisters SR mit einem Übernahmeeingang eines Ergebnisspeichers SP dieser Speicher dazu angeregt, den Zählerinhalt des Schiebeimpulszahlers Z3 und die Ausgangssignale eines logarithmischen Funktionswandlers FW zu übernehmen. Eingänge des logarithmischen Funktionswandlers FW sind mit Ausgängen der Bits höherer Wertigkeit des Schieberegisters SR verbunden. Die Biteingänge des Ergebnisspeichers SP sind an entsprechende Biteingänge eines digitalen Vergleichers VG angeschlossen. Vergleichsbiteingänge des Vergleichers VG sind mit Bitausgängen des Ergebnisspeichers SP verbunden. Der Ausgang des Vergleichers VG ist über ein UND-Gatter UN2 an einen zweiten Eingang des ODER-Gatters 0R2 angeschlossen. ■ Ein zweiter Eingang des UND-Gatters UN2 ist über ein Flip-Flop FF2 und ein Monoflop MF2 mit einem ausgewählten Bitausgang des Zeitzählers ZZ verbunden, der auch über das ODER-Gatter 0R1 an den Übernahmeeingang des Schieberegisters SR angeschlossen ist. Ein dritter Eingang des UND-Gatters UN2 liegt ebenfalls an dem Bitausgang höchster Wertigkeitdes Schieberegisters SR. Der mit dem ODER-Gatter 0R1 verbundene Ausgang des Impulswandlers IW ist auch an den Triggereingang eines Flip-Flops FF1 gelegt, dessen Q-Ausgang mit dem Setzeingang eines Monoflops MF1 verbunden ist. Der Q-Ausgang des Monoflops MF1 ist an einen zweiten Eingang des UND-Gatters UN1 angeschlossen. Der invertierende Q-Ausgang des Flip-Flops FF1 ist mit

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einem Vorbereitungseingang des Flip-Flops FF2 verbunden. Diese Schaltung gewährleistet die Priorität des ersten Ausgangsimpulses des Impulswandlers IW vor dem Signal des ausgewählten Bitausganges des Zeitimpulszählers ZZ, d. h. des zusätzlichen Zeitanreizes. Rückstelleingänge beider Flip-Flops sind an den Bitausgang größter Wertigkeit des Schieberegisters SR angeschlossen. Sie werden rückgesetzt, wenn dieses Bit gesetzt ist. Ein Monoflop wird getriggert, wenn das ihm vorgeschaltete Flip-Flop von "1" auf "0" rückgesetzt wird. Meistens wird nur eines der beiden Monoflops angesprochen. Ein Ausgangssignal steht am Ausgang des Vergleichers VG dann an, wenn die Biteingänge des ErgebnisSpeichers SP eine kleinere Zahl angeben als die Bitausgänge des Ergebnisspeichers SP. An den Bitausgängen des ErgebnisSpeichers SP liegen Biteingänge eines Digital-Analog-Konverters DAC, dessen Ausgang über einen Verstärker VS mit einer Ausgangsklemme verbunden ist, an der beispielsweise ein nicht dargestelltes Registriergerät angeschlossen werden kann.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 1 wird im folgenden erläutert : Die■über die Eingänge 1 und 2 der Meßimpulszähler Z1 und Z2 einfallenden Impulse werden durch das Addierwerk ADD laufend voneinander abgezogen. Wenn die Differenz der Zählerinhalte eine vorgewählte Anzahl K erreicht hat, spricht der Impulswandler IW an und liefert an seinem Ausgang zwei, einen gewissen zeitlichen Abstand voneinander aufweisende Steuerimpulse. Durch Wahl der Größe K kann die gewünschte Mittelwertgenauigkeit der Impulsraten besonders wichtig bei statistisch verteilten Impulsen - festgelegt werden. Mit dem ersten Ausgangsimpuls des Impulswandlers IW wird die Übernahme des Inhaltes des Zeitimpulszählers ZZ in das Schieberegister SR angeregt, sowie der Schiebeimpulszähler Z3 zurückgesetzt. Mit dem zweiten Ausgangsimpuls des Impulswandlers IW werden die Meßimpulszähler Z1 und Z2 und der Zeitimpulszähler ZZ rückgestellt. Der vom Schieberegister SR übernommene Inhalt des ZeitimpulsZählers ZZ entspricht einer Zeit t, in der die Differenz der in die Meßimpulszähler Z1 und Z2 aufgenommenen Impulse von 0 bis K anwächst. Die Differenz der Impulsraten ist also =·. Am Ausgang soll der logarithmierte Wert dieses Bruches ausgegeben

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- 6 werden, also

Ig £ = Ig K - Ig t

Vor ihrer Verschiebung kann die in das Schieberegister SR aufgenommene Zeitimpulszahl als Produkt aufgefaßt werden:

t = m - 2ⁿ

Infolge der Verwendung von Binärzählern kann für m gelten 1<.m<£2. Die Logarithmierung der Zeitimpulszahl t ergibt

Ig t = Ig m + η

Der erste Summand Ig m der rechten Seite dieser Gleichung wird im Funktionswandler FW gebildet. Der zweite Summand η wird nach der Verschiebung des Inhalts des Schieberegisters bis zur Markierung seines Bits höchster Wertigkeit nicht unmittelbar, jedoch in einer linearen Abhängigkeit von der Anzahl der zur Verschiebung notwendigen Schiebeimpulse ρ erhalten. Es gilt

η = K2 - ρ

wobei K2 eine Konstante darstellt. Aus der logarithmierten Impulsrate wird dann

Ig I = K1 - Ig m - K2 + ρ

wobei die Konstante K1 = Ig K ist. Die beiden Konstanten können zusammengefaßt werden. Der veränderliche Wert -Ig m, der im Funktionswandler FW anfällt, und der ebenfalls veränderliche Wert p, der im Zähler Z3 festgehalten ist, werden über den Ergebnisspeicher SP an den Digital-Analog-Wandler DAC weitergegeben und gelangen als Analogwert über den Verstärker VS an den Ausgang. Die Ermittlung des logarithmischen Kennwertes der Zeitimpulszahl t wird also mit Hilfe des Schieberegisters SR durchgeführt. Die Mantissen werden über den logarithmischen Funktionswandler FW gebildet. Es

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ist noch nachzutragen, daß der Beginn der Verschiebung der Zeitirnpulszahl im Schieberegister durch das nicht markierte Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters angeregt wird. Es wird der jeweilige Inhalt des Schieberegisters so weit nach rechts verschoben, bis das Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters SR markiert ist. Zur Bestimmung der Mantissen genügen bei einer vorgegebenen Meßgenauigkeit nur wenige Bits, beispielsweise in den meisten Fällen die vier Bits höchster Wertigkeit der Zeitimpulszahl t.

Es ist erklärlich, daß bei dem bisher geschilderten Ablauf einer Messung nach einem plötzlichen Abfall der Impulsrate das Schieberegister SR für längere Zeit nicht mehr zur Übernahme des Inhaltes des Zeitimpulszählers ZZ angeregt wird und damit das letzte Ergebnis am Ausgang so lange ansteht, bis mit der nun erheblich geringeren Impulsrate die Impulszahl K im Addierwerk ADD wieder erreicht ist. Um diese lange Totzeit der Anzeige zu vermeiden, ist ein zeitgesteuerter Anreiz für den Übernahmeeingang des Schieberegisters SR vorgesehen. Der Anreizimpuls geht von dem ausgewählten Bitausgang des Zeitimpulszählers ZZ aus und gelangt über das ODER-Gatter 0R1 zum Übernahmeeingang des Schieberegisters SR und gleichzeitig zum Rückstelleingang des Schxebeimpulszahlers Z3. Er wird in gleichen Zeitabständen so lange wiederholt, bis der immer weiter Zeitimpulse aufnehmende Zeitimpulszähler ZZ schließlich durch einen Impuls aus dem Impulswandler IW nach Auflaufen der vorgegebenen Ereignisimpulszahl im Addierwerk ADD rückgestellt wird. Der zeitgesteuerte Übernahmeanreiz bewirkt über das Flip-Flop FF2, das Monoflop MF2, das UND-Gatter UN2 sowie über das ODER-Gatter 0R2 auch, daß der Ergebnisspeicher SP jeweils den letzten logarithmierten Meßwert übernimmt, solange der zu übernehmende Meßwert kleiner ist als der vorhergehende im Ergebnisspeicher SP gespeicherte Wert. Über, das Vorliegen dieser Voraussetzung entscheidet der Vergleicher VG. Seine Entscheidung wirkt über das UND-Gatter UN2.

Mit Hilfe des zusätzlichen zeitgesteuerten Übernahmeanreizes für das Schieberegister SR tastet sich das Meßgerät bei einem plötzlichen Rückgang der Impulsrate selbsttätig an der Hyperbelfunktion entlang, als welche sich die Impulsrate in Abhängigkeit von der

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Meßzeit darstellt. Dies sei an der Figur 2 erläutert. In dem Diagramm der Figur 2 ist die Impulsrate als Funktion der Meßzeit aufgetragen. Die durch das Gerät bewirkte Logarithmierung ist dabei der Einfachheit halber nicht berücksichtigt, so daß sich die Impulsrate als dick ausgezogene Hyperbelfunktion darstellen läßt. Gleichzeitig ist in das Diagramm das angenommene Verhalten einer Impulsquelle mit einem plötzlichen Rückgang der abgegebenen Impulsrate als ein gestrichelter Linienzug dargestellt. Im Gerät angezeigt wird zunächst der Wert a, bei dem die vorhandene Impulsrate die Hyperbelkurve schneidet. Angenommen ist, daß zu diesem Zeitpunkt die Impulsrate steil abfällt und sich auf einen erheblich geringeren Wert einspielt. Ohne den zusätzlichen zeitlichen Anreiz würde vom Gerät so lange der Wert a angezeigt, bis sich nach einiger Zeit die vorhandene Impulsrate wieder im Punkte g mit der Hyperbelfunktion trifft. Auf der Abszisse des Diagramms sind Zeitabschnitte t_Q angetragen, die den zeitlichen Abstand der zusätzlichen Anreizimpulse darstellen. Nach Ablauf von t_Q entspricht der Inhalt des Zeitzählers ZZ einer Impulsrate b. Nach einem weiteren nach tp> erfolgenden Anreiz entspricht der Inhalt des Zeitzählers ZZ einer Impulsrate c. Diese Werte werden in- den Ergebnisspeicher SP übernommen und angezeigt, so daß das Gerät den wirklichen Abfall der Impulsrate als eine treppenstufenartige Annäherung an seine hyperbelförmige Charakteristik anzeigt. Fällt dann schließlich im Punkt g die vorhandene Impulsrate mit der Hyperbelkurve zusammen, so wird der Zeitzähler durch einen vom Impulswandler IW ausgehenden Impuls gelöscht. Weitere nach dem Verstreichen von t^ erfolgende Zeitanreize bleiben wirkungslos, weil der zu übernehmende Meßwert größer ist als der im Ergebnisspeicher SP gespeicherte Wert.

In Figur 3 ist die Aufzeichnung der logarithmierten Impulsrate eines Registriergerätes in ihrer Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die vom Gerät aufgezeichnete Kurve ist ausgezogen. Die dieser Aufzeichnung zugrundeliegende wahre Impulsrate ist gestrichelt gezeichnet. Es ist ersichtlich, daß während der Zeit zwischen plötzlichem Abfall der Impulsrate und späterem Wiederansteigen das Registriergerät eine Abklingfunktion darstellt. Die Zeitkonstante dieser Funktion beträgt dabei ·ψ - γ _t wobei I,_T die niedrigere und I„

¹N ¹H ^{w H}

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die höhere Impulsrate bedeutet. K ist, wie obenstehend schon erläutert, die Impulszahl, auf die das Addierwerk ADD eingestellt .ist. Steigt die Irapulsrate wieder, so wird durch den ersten Ausgangsimpuls des Impulswandlers IW das Schieberegister SR zur Übernahme des Inhaltes des Zeitimpulszählers ZZ angeregt, bevor ein weiterer zeitgesteuerter Anreiz stattfindet. Der zeitgesteuerte Anreiz wird durch die vom Impulswandler IW ausgehende Anregung so lange überspielt, bis wieder ein Abfall in der Impulsrate erfolgt.

4 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

2 5 3 8 Ί b ö - ίο - Patentansprüche

1./Impulsratenmesser mit logarithmischer Kennlinie, gekennzeichnet durch einen nach Erreichen einer festgesetzten Meßimpulszahl K ein Ausgangssignal abgebenden Meßimpulszähler (Z1, Z2), einen während des Auflaufens der Meßimpulszahl K in Meßimpulszähler (Z1, Z2), von dessen Ausgangssignal für Zeitimpulse eines Zeitimpulsgenerators (TG) zählbereit gehaltenen Zeitimpulszähler (ZZ), ein an Bitausgänge des Zeitimpulszahlers (ZZ) angeschlossenes, den Inhalt des Zeitimpulszählers (ZZ) auf Anreiz." durch das Ausgangs signal des Meßimpulszählers (Z1, Z2) übernehmendes Schieberegister (SR), dessen Schiebeimpulseingang mit dem Ausgang des Zeitimpulsgenerators (TG) verbunden ist, einen Schiebeimpulszähler (Z3) für die für eine Verschiebung des im Schieberegister (SR) befindlichen Inhalts des Zeitimpulszählers (ZZ) bis zum Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters (SR) erforderliche Anzahl Schiebeimpulse, einen mit den höherwertigen Bits des Schieberegisters (SR) verbundenen, digitalen, logarithmischen Funktionswandler (FW) und einen an die Ausgänge des Schiebeimpulszählers (Z3) und des logarithmischen Funktionswandlers (FW) angeschlossenen Ergebnisspeicher (SP).

2. Impulsratenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für fallende Impulsraten eine zusätzliche zeitgesteuerte Anreizschaltung für das Schieberegister (SR) zur Übernahme des Inhalts des Zeitimpulszählers (ZZ) und der Verschiebung dieses Inhalts bis zum Bit höchster Wertigkeit des Schieberegisters (SR) vorgesehen ist, die einen digitalen Vergleicher (VG) umfaßt, dessen Eingänge einerseits an den Biteingängen und andererseits an Bitausgängen des Ergebnisspeichers (SP) angeschlossen sind und dessen Ausgang über eine Logikschaltung (UN2, 0R2) mit dem Übernahmeeingang des Ergebnis Speichers (SP) verbunden ist.

3. Impulsratenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulswandler (IW) eingangsseitig mit dem Ausgang eines Addierwerkes (ADD) verbunden ist, an dessen Eingängen zwei Meßimpulszähler (Z1 bzw. Z2) liegen.

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Impulsratenmesser nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Ergebnisspeichers (SP) ein Digital-Analog-Konverter (DAC) liegt, der von einem Verstärker (VS) gefolgt ist.

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