DE2544506A1

DE2544506A1 - Membran-anordnung fuer druckaufnehmer

Info

Publication number: DE2544506A1
Application number: DE19752544506
Authority: DE
Inventors: H U Dipl Phys Dr S Baumgartner; Hans Conrad Dipl I Sonderegger
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1974-11-08
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1976-05-13
Also published as: US4056009A; JPS5169744A; CH587478A5; GB1489962A; DK143668C; DE2544506C3; DK143668B; AT348793B; DE2544506B2; FR2290612A1; ATA764175A; FR2290612B1; DK493175A

Description

Anmelder in: Stuttgart, 2. Okt. 1975

Kistler Instrumente AG _.

Eulachstraße 22 ^V ^{3092 1}^ CH-8408 Winterthur

Membran -Anordnung flir Druckaufhehmer

Der Wichtigste und zugleich der den schwersten Anforderungen ausgesetzte Teil eines Druckauihehmers stellt dessen Membrane dar. Bekanntlich werden Druckaufhehmer zur Messung von Druckveränderungen in Brennkraftmaschinen, Turbinen, hydraulischen und ballistischen Systemen, in Raketen, Explosionsverformungsmaschrnen usw. verwendet. Dabei wirken die gasförmigen oder flüssigen

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Medien oft variierend in Τ« mperatur und Druck aus" die Membrane, welche die resultierende Kraft auf ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement übertragen muss. Dieses Element kann ein piezoelektrisches, ein induktives, ein widerstand- oder piezoreslstives oder ein kapazitiv wirkendes element sein. Anschhessend an dieses Element folgen, verbunden über Kabelleitung, elektronische Verstärker oder Messbrücken, deren Ausgangssignale Kathodenstrahl-Oszillographen, Magentbandaufnahmegeräten oder elektronischen Schreibgeräten zugeführt werden.

Infolge der oft gleichzeitigen Einwirkung rascher Druck- und TemperaturstÖsse auf die Membrane ist dieselbe bei Dauerbetrieb schwerster mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Zusätzlich treten, durch den Schwefelgehalt der Brennoder Explosivstoffe bedingt, stark korrodierende Gase auf. Durch die Notwendigkeit, dass bei üblichen Ausführungsformen die Membrane mit der Auflagefläche am Wandlerkörper verschweisst werden muss, besteht die zusätzliche Schwierigkeit, dass die Schweisspartie in der Nähe der höchst beanspruchten Stellen der Membrane liegt. Dadurch entstehen Dauerermüdungsbrüche, insbesondere in nächster Umgebung der Schweissstellen, teilweise gefördert durch Rekristallisationserscheinungen. Die„ schockartigen TemperaturstÖsse z.B. bei Ausbreitung der Flammfront in Explosionskammern bewirken interne Wärmedehnungen, die zu Fehlsignalen führen, die sich dem Drucksignal überlagern. Die Konstruktion der Membranpartie eines solchen Drückaufnehmertypes stellt somit vielfältige und schwer in sich zu vereinigende Anforderungen, und dies ist ein Grund, warum bis heute nur unbefriedigende Lösungen gefunden wurden.

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Die Erfindung bezweckt einen Druckaufnehmer zu bauen, der stabilen Kalibrationsfaktor besitzt und der erlaubt genaue Messungen über eine lange Zeitperiode durchzuführen. Insbesonder aber soll die erfindungsgemässe Membrane ermöglichen, dass der Druckverlauf ohne Verfälschung durch Temperaturstösse die während des Messvorganges auf die Membranpartie einwirken, gemessen wird. Ferner soll die neue Membrane auch bei Dauerbetrieb infolge Ablagerungen von Verbrennungsrückständen keine Veränderung der Empfindlichkeit des Druckaufnehmers ergeben. Durch die konstruktive Gestaltung der vorgeschlagenen Membrane sind die notwendigen Schweissverbindungen aus den gefährdeten Zonen, wo hohe Wechselbeanspruchungen auftreten, entfernt und in Zonen niedriger Festigkeitsanforderungen verlegt worden, sodass ein Druckaufnehmer entsteht der für Dauerbetrieb unter schwersten Bedingungen geeignet ist.

Der Gegenstand der Erfindung ist anhand folgender Figuren näher erklärt.

Es zeigen.

Fig. 1; Querschnitt durch einen Druckaufhehmer mit erfindungsgemässer

Membra., Anordnung.
Fig. 2: Querschnitt durch handelsübliche Membrananordnung unter Einfluss

eines sehr raschen Temperaturanstieges.
Fig. 3: Querschnitt durch erfindungsgemässe Membran Anordnung unter Einfluss eines

sehr raschen Temperaturanstieges.
Fig. 4; Querschnitt durch erfindungsgemässe Membran Anordnung unter Einfluss eines Mediumdruckes p.

Rg. 5: Querschnitt durch erfindungsgemässe Membran Anordnung unter Einfluss eines Mediumdruckes ρ bei sehr grosser Deformation.

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Fig. 6: Querschnitt durch erfindungsgemässe Membrane nach Korrektur des

inneren Wulstschenkels.
Fig. 7: Querschnitt durch erfindungsgemässe Membrane nach Korrektur des

äusseren Wulstschenkets.
Fig. 8: Wandlercharakteristik zu Fig. 6
Fig. 9: Wandlercharakteristik zu Fig. 7

Fig. 10: Querschnitt durch Variante einer erfindungsgemässen Membran Anordnung. Fig. 11: Querschnitt durch eine weitere Variante einer erfindungsgemässen

Membran Anordnung.
Fig. 12: Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemässe Membrananordnung

mit auf Zug beanspruchten elastischen Rohrelementen. Fig. 13: Querschnitt durch Variante von Fig. 12, jedoch mit sehr schmalem Aussenringspalt.

Fig. 14: Querschnitt durch Variante von Fig.l , jedoch mit sehr schmalen Ringnuten. Fig. 15: Querschnitt durch erfindungsgemäsie Doppelringwulst Membrananordnung mit sehr schmalen Ringnuten.

Nach Fig. 1 besteht ein erfindungsgemässer Druckaufnehmer aus dem Aufnehmerkörper 1, der mit Dichtflanschen 2 ausgerüstet ist. in der Körperwand 3 ist das Kraftmesselement 6 mit dem Kraftübertragungsstempel 5 über die elastische Spannhülse 8 und dem Montageflansch 9, nach bekanntea Mitteln unter Vorspannung befestigt. Die zentrale Signalableitung 7 führt vom Kraftmesselement 6 zu einem nicht gezeigten Stecker oder wird direkt als Messableitung benutzt. Das Kraft- messelement ό kann ein piezoelektrisches, piezoresistives, ohmsches, kapazitives oder induktives System sein, Bedingung ist der lineare Zusammenhang zwischen

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aufgegebener Kraft und dem Messrgnal und hohe Steifheit in Messrichtung. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Messung sehr hoher dynamischer Drücke in der Ballistik und Sprengstoffchemie. Die in solchen Anwendungen auftretenden Druckimpulse können 100 bis 10Ό00 bar Amplitude erreichen, ihre Dauer beträgt meist nur wenige Millisekunden. Für sehr hohe Druckamplituden wjrd der Druckmesser D] des Kraftübertragungsstempels 5 meist kleiner als derjenige des Kraftmesselementes 6 gewählt. Der Innendurchmesser der Körperwand 3 wird in solchen Fällen ebenfalls eingezogen zum Durchmesser D3 des Auflageflansches 4. Mit der Dimensionierung dieses Flansches kann die Elastizität der ringförmigen Körperwand 3 derjenigen der Kombination Kraftübertragungsstempel 5 - Kraftmesselement 6 weitgehend angepasst werden. Die erfindungsgemässe Membrane 15 besteht aus einem Stück und ist als beidseitig planbearbeitete Platte hergestellt. Sie kann aber auch aus Teilstücken, die nach bekannten Methoden der Verbindungstechnik zu einem StUck geformt werden, hergestellt sein. Sie wird an der ebenfalls in einer Ebene liegenden Membranauflagefläche 14 in bekannter Weise mit Auflageflansch und Kraftübertragungsstempel 5 verbunden. Die zentrale Ringnut U der Membrane 15 passt auf den Ringspalt 19 zwischen KraftUbertragungsstempel 5 und Auflageflansch 4. Die Dicke "h" der Membrane 15 steht in bestimmtem Verhältnis zum Durchmesser D der Körperwand 3 und ist ferner vom Maximaldruck ρ und dam Herstellungsverfahren abhängig. In den Zeichnungen ist ein Verhältnis von etwa 1:5 gewählt, was jedoch nicht bindend ist. Das Hauptmerkmal der erfindungsgemässen Membran Anordnung besteht nun in der Erreichung der nötigen Elastizität be! gleichzeitiger Wahrung der hohen Druckfestigkeit. Diese wird durch entsprechende Gestaltung der äusseren Ringnut 16, der zentralen Ringnut 17 und der inneren Ringnut 18 erreicht« Je nach Dimensionierung dieser 3 erfindungsgemüssen Nuten 16, \7, 18 entsteht eine Ringwulst 21 mit elastischen Rohrelementen 20, deren Dimensionen durch die Wandstärken S] und S2 genau definiert und leicht

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reproduzierbar sind. Die erfindungsgemassen 3 Ringnuten können sowohl durch mechanische, chemische, funkenerosionstechnische oder andere Bearbeitungsmethoden hergestellt werden. Je nach der Bearbeitungstiefe t] und t2 der Ringnuten kann die elastische Länge der Ringwulst 20 den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

Weitere Anpassung der Elastizität kann durch Abstimmung der Dicke S] und S2 der elastischen Rohrelemente geschehen. Die Wandstärken S] und S2 müssen nicht auf Fälle gleich gross sein. Bei Verwendung von besonderen Fertigungsrnt-fhoden können diese Ringnuten sehr schnell und tief gestaltet werden.

In Fig. 2 ist eine Membranpartie eines handelsüblichen Druckaufnehmers für ähnliche Zwecke gezeigt. Zwischen dem Aussenrlng 25 und dem zentral Teil ist die ringförmige Plattenmembrane 26 wie üblich parallel zur Membranoberfläche angeordnet. Unter dem Einfluss eines Temperaturstossus At versucht sich nun die Plattenmembrane 26 entgegen dem Messmedium aufzuwerfen, wodurch sich auf den Zentralteil 27 und damit auf das Kraftmesselement eine Entlastungskraft P auswirkt, was dem gleichzeitig auftretenden Drucksignal als Fehler überlagert wird. Der gemessene Druck ist also kleiner als der effektiv aufgetretene. Da solche Verwerfungen unter Umständen sich erheblich länger auswirken als der aufgetretene Druckvorgang, so werden dem Messignal unliebsame Nullpunkts-Drifterscheinungen

Überlagert.

In Fig. 3 ist der gleiche Vorgang wie in Fig. 2, Jedoch an erfindungsgemässer Membran-Anordnung gezeigt. Unter dem Temperaturstoss Ai" verwerfen sich die elastischen Schenkel 30 der Wulst 31 gegen das Messmedium. Die resultierenden

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Kräfte P halten sich jedoch im Gleichgewicht, sodass praktisch keine Störkraff in achsialer Richtung auf das Kraftmesselement wirkt. Ein Explosionsvorgang wird somit ohne Fehler durch einen gleichzeitig im Measmedium auftretenden Temperaturanstieg aufgenommen. Die doppeltschenkI ige Anordnung der rohrförmigen elastischen Glieder 3O₇ die senkrecht oder nahezu senkrecht zur Membranoberfläche sind, ergibt somit weitgehend Kompensation von Temperatureinflüssen vom Messmedium her.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemässe Membrananordnung unter Einfluss des Mediumsdruckes ρ gezeiyr.Die Längselastizität der Körperwand 43 ist ideal auf Uebertrugungsteil 45 und Kraftmesselement abgestimmt, sodass die Membranauflageflächen 44 in einer Ebene liegen. Als einzige Deformation biegen sich die elastischen Rohrelemente 40 der Wulst 41 gegeneinander etwas ein. Der Mediumdruck ρ wird in die Messkraft P und in die Sfützkraft T aufgeteilt. Ein lineares Verhältnis zv.ischen ρ und P ist gewährt, der Idealzustand erreicht.

In Fig. 5 ist eine Abweichung vom Idealzustand in starker Vergrößerung gezeigt. Die Abstimmung der Elastizitäten des Ringkörper 53 zum Uebertragungsstempel 55 und Kraftmesselement ist so,dass unter Betriebsdruck ρ die Einsenkung f einige pm beträgt. Eine solche Anpassung kann die Wulst 51 mit den elastischen Rohrelementen 50 ohne weiteres übernehmen. Wird diese Einsenkung "P jedoch grosser als z.B. Ϊ0 μιη, so ergibt sich durch die Auslenkung der Wulst 51 eine Verschiebung des relutierenden Auflagepuntkes,waseine Aenderung der linearen

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Bezeichnung zwischen ρ und P ergeben würde. Ein solcher Fehler kann jedoch mit einer am fertig montierten Aufnehmer durchführbaren Korrektur behoben werden, wie in den folgenden Figuren erklärt wird.

In Fig. 6 ist ein weiterer Tel !schnitt einer erfindungsgemässen Membrananordnung gezeigt, die unter Betriebsdruck ρ steht, ohne dass sich in der Membranauflagefläche 64 eine Einseknung ergeben hätte. Durch ungleiche Wanddickengestlatung der elastischen Rohrelemente 60, der Ringwulst 61, ist z.B. der Innenschenkel S4 wesentlich dünner als der Aussenschenkel S3 ausgebildet. Dadurch wird die Ringwulst 61 ganz wenig nach innen verbogen. Diese Veränderung bewirkt eine Verschiebung des Summenkraftvektors Pr von Durchmesser D5 nach innen auf Durchmesser D4. Dies bewirkt, dass die Messkraft P mit zunehmendem Druck ρ degressiv zunimmt.

In Fig. 7 ist die gegenseitige Korrektur wie Fig. 6 gezeigt. Hier wurde der äussere Schenkel der elastischen Rohrelemente 70 wesentlich dünner gestaltet, wodurch sich unter zunehmendem Druck ρ die Ringwulst 71 nach aussen verschiebt, womit der Summenkrafrvektor Pr ebenfalls nach aussen, also von Dz nach Dy verlegt wird. Dies bewirkt, dass die Messkraft P mit Zunehmendem Druck ρ progressiv zunimmt.

In Fig. 8 ist die zu Fig. 6 passende Wandlercharakteristik gezeigt. Korrektur des inneren Ringwulstschenkels bewirkt Verflachung der Kalibrierkurve, also

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Abnahme der Steigung von o<_l auf <2. Die Ordinate E stellt den Wert der Empfindlichkeit dar, z.B. pC/bar oder mV/bar, Jie Abszisse stellt den Druckbereich ρ z.B. in bar dar.

In Fig. 9 ist die zu Fig. 7 passende Wandlercharakteristik gezeigt. Korrektur des äusseren Ringwulstschenkels bewirkt Aufrichtung der Kalibrierkurve d.h. Zunahme der Steigung von ⁰Cl auf°(.2.

Fig. 10 zeigt eine Variante der Fig. 1, bei der die üblicherweise parallel ausgebildeten elastischen Rohrelemente unter einem Winkel/* stehen. Sonst ist die Ringwulst der Membrananordnung wie in Fig. 1 gestaltet.

Fig. 11 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemässen Membrananordnung bei der die zentrale Ringnut 112 mit einem Füllkörper so ausgefüllt ist, dass eine unerwünschte Durchbiegung der elastischen Rohrelemente 116 verhindert wird. Um die innere 110 und äussere Ringnut 113 vor dem Ansetzen von Verbrennungsrückständen zu schützen, können dieselben mit eiti-.m elastischen Metall, z.B. Blei oder Zinn oder mit geeignetem Kunststoff etc. ausgefüllt werden. Zusätzlich ist es aber auch möglich die Membranoberfläche mit einer dünnen Metallfolie 114 abzudecken, die direkt auf der Membranplatte oder mittels Ring 115 nach bekannten Methoden mit der Membrane verbunden wird.

Fig. 12 zeigf eine weitere erfindungsgemässe Anordnung, bei der die Membranplatte gegenüber Fig. 1 um 180° verdreht aufmontiert ist. Die Zentralnut öffnet sich damit gegen das Messmedium und die Ringwulst 121 ist nun gegen den Aufnehmer gerichtet. Die bereits beschriebenen Vorteile gelten auch für diese Variante.

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-ΙΟ-Fig. 13 zeigt eine crfindungsgemässe Variante von Fig. 12. Die gegen das Medium gerichtete Ringnut 130 der Ringwulst 131 ist hier als dünner Spalt ausgebildet. Herstellung solcher Formen geschieht vorteilhaft mittels chemischer, funkenerosiver oder schweisstechniscrK Gestaltung,wie allgemein bekannt. Solch schmale Nuten sind besonders geeignet zum Ausgiessen mit halbelastischen Massen.

Fig. 14 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Variante der Fig. 1. Alle 3 Nuten 141, 142 und 143 si*.J nach erwähnten Spezialverfahren sehr schmal und tief gestaltet. Auch hier können verschiedene Bearbeitunnstechniken eingesetzt werden, um zu einer einstückigen Membranplatte zu kommen.

Fig. 15 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemässen Membrananordnung, bei der mehrere im gezeigten Fall zwei Ringwulste 150 und 151 nebeneinander angeordnet sind. Eine solche Anordnung ergibt eine besonders grosse Biegeelastizität der Membrane bei hoher Druckfestigkeit. Die .uhr gedrängte öauart mit den schmalen Nuten erlaubt die Anordnung von zwei oder mehreren Ringwu'sten nebeneinander, wiederum nach erwähnten Methoden hergestellt.

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Die in den Figuren beschriebene erfindungsgemässe Membrananordnung ergibt neue Möglichkeifen, indem die biegeelastisten Partien nicht mehr wie "is anhin üblich parallel zur Membranoberfläche angeordnet sind, sondern annähernd bzw. rechtwinklig dazu. Durch die Anordnung von mindestsns zwei gegenüberden rohrförmigen elastischen Partien heben sich Temperatureinflüsse von der Mediumseite der Membrane her fast vollständig auf. Durch ungleiche Gestaltung der Dicken der elastischen Rohrelemente lassen sich die Kalibrierkurven der Druckaufnehmer beeinflussen, es ist somit möglich allfällige Korrekturen der Linearität an fertigen Aufnehmern durch schrittweise Nachbearbeitung zu erreichen. Durch Anwendung neuer Bearbeitungstechniken lassen sich schmale _υι j t;_ef_e Nuten von beiden Seiten der Membranfläche erzeugen, die genau repetierbar sind und einwandfrei definierte Auflagepunkte auf den Kraftübertragungsflächen haben. Es hat sich gezeigt, dass das Auffüllen der Aussen-Nuten durch Verbrennungsrückstände keine Veränderung der Messresultate ergibt. Andrerseits Ist es ohne Schwierigkeit möglich dies zu verhindern, indem die Nuten ausgegossen werden. Durch die grossen Haftoberflächen besteht geringe Gefahr, dass die Ausgussmassen, seien es Metalle oder kerarnikgebundene Kunststoffe, sich herauslösen. Es ist aber auch ohne weiteres möglich die Membranfront mit einer dünnen Metallfolie, die flach oder leicht gewellt sein kann zu decken. Durch die Anordnung mehrer Ringwulste in Harmoiiikaform kann fast jede gewünschte Elastizität erreicht werden. Die Erfindung ermöglicht somit völlig neue Möglichkeiten, Druckvorgänge hoher Amplituden mit gleichzeitig uuftretenden hohen Temperaturstössen genau und während langer Zeit repefierbar zu messen.

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Claims

Patentansprüche

Membrananordnung für Druckaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmig gebildete Membrane von beiden Planseiten her mit einer Reihe von Nuten (16), (17), (18), (152), (153), (154), (155), (156) versehen ist, die so angeordnet sind, dass sie auf die Aufnehmerseite angepasst und mindestens eine Ringwulst (21), (150), (-151) bilden, die jeweils mindestens zwei konzentrische elastische Rohrelemente aufweisen, die weitgehend senkrecht zur Membranoberfläche stehen.
2. Membrananordnung für Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rohrelemente (20), (60), (70) so angeordnet sind, dass sie am fertig montierten Aufnehmer nachbearbeitet werden können, um eine nachträgliche Korrektur der Aufnehmercharakteristik zu ermöglichen.
3. Membrananordnung für Druckaufnehmer nach Anspruch 1 ^{oder 2}> dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ringwulst (21), (150), (151) gegen das Druckmedium gerichtet ist.

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4. Membrananordnung für Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ringwulst (121) (131) gegen die Aufnehmerseite gerichtet ist.
5. Membrananordnung für Druckgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dauurch gekennzeichnet/ dass die elastischen Rohrelemente (100) der Ringwulst (101) annähernd parallel unter einem Winkel /2 stehen.
6. Membrananordnung für Druckgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mind, eine innere Ringnut (112), (156), (154) mit einem schwachelastischen Ausfüllkörper versehen ist, der verhindert, dass die elastischen Rohrelemente (116) unter dem Mediumdruck einknicken.
7. Membrananordnung für Druckgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Medium zugekehrten Ringnuten (110), (113), (152), (153), (155) mit einer elastischen temperaturfesten Masse vorzugsweise einem elastischen Metall oder einem Kunststoff ausgegossen sind.
8. Membrananordnung für Druckaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgegossenen Ringnuten (110, (113) mit einer dünnen Metallfolie (114) abgedeckt sind, wobei

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diese vorzugsweise über einen Ring (115) fest mit der Membrane verbunden ist.
9. Membrananordnung für Druckaufr- jhmer nach . einem der vorhergehenden Ansprüche.dadurch gekennzeichnet, dass diu Ringnuten nach den Bearbeitungsmövjlichkeiten gestaltet sind, wobei mechanische metaliverformungstechnische, chemische, funkenerosive und auch metallurgische Bearbeitungsmethoden vorgesehen werden, um zur Montage auf den Aufnehmer eine einstückige Membrane zu bekommen.
10. Membrananordnung für Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Jadurch gekennzeichnet, dass die Längselastizität des Kraftübertragungsstempels (5) und der Kraftmesszelle (6) mittels Dimensionierung des Auflageflansches (4) auf die Körperwand (3) so abgestimmt ist, dass die Einsenkung (f) des Stempels (5) von der Auflagefläche (14) höchstens 5 μηι beträgt.

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