DE2619971B2 - Induktiver Durchflußmesser - Google Patents
Induktiver DurchflußmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Durchflußmesser mit einem Elektromagneten, der an eine
Erregerstrom mit periodisch wechselnder Polarität erzeugende Stromquelle angeschlossen ist, mit zwei
Spannungsabtastspeichern, die derart gesteuert sind, daß sie in jeder Periode des Magnetfeldes je einen Wert
der Elektrodenspannung innerhalb der positiven bzw. negativen Halbwelle kurzzeitig aufnehmen, und mit
einer Schaltung zur Bildung einer Differenz aus Werten der beiden Speicher.
Derartige DurchfJußmesser arbeiten nach dem Faradayschen Induktionsgesetz, wonach bei einer
Bewegung von Ladungsträgern in einem Magnetfeld eine elektrische Spannung erzeugt wird. In der Praxis
wird dies realisiert, indem in unmittelbarer Nähe eines Rohres, durch das die zu messende Flüssigkeit
hindurchfließt, ein Elektromagnet angeordnet wird« dessen Magnetfeld quer durch das Rohr hindurchgeht.
An dem Rohr sind zwei Elektroden angeordnet, die einander gegenüberliegen, und an denen die auszuwertende Spannung abgenommen wird. Diese Spannung
Unüu ist der magnetischen Flußdichte B, der Strömungsgeschwindigkeit ν und dem d proportional, was durch
folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:
Unuiz~B ■ v- d
Dabei ist vorausgesetzt, daß die Vektoren der Spannung UNuu, der Flußdichte Sund der Strömungsgeschwindigkeit »'jeweils senkrecht zueinander stehen.
Die praktische Durchführung derartiger Durchflußmengen verursacht trotz des einfachen physikalischen
Grundprinzips erhebliche Schwierigkeiten, da die Meßspannung UNw durch eine Reihe von Störspanniingen verfälscht wird. Wenn der Elektromagnet mit
Wechselstrom betrieben wird, ergeben sich folgende Arten von Störspannungen:
1. Induktive Störspannungen, die durch induktive Kopplung der Magnetspulen mit dem Elektrodenstromkreis entstehen,
2. Kapazitive Störströme, hervorgerufen durch die
Kapazitäten zwischen den Elektroden und dem Magnetsystem. Diese Störungen sind u. a. abhängig
vom Aufbau des Gebers und von der Leitfähigkeit zwischen den Elektroden (Leitfähigkeit der Flüssigkeit).
3. Polarisationsspannungen, hervorgerufen durch chemische Potentiale, die bei Berührung der
Flüssigkeit mit den Rohrwänden bzw. den Elektroden entstehen.
4. Vagabundierende Fremdströme, die z. B. durch die
Flüssigkeit nach Erde abfließen. Diese Fremdströme haben in der Regel die Frequenz des jeweiligen
Netzes von 50 Hz oder 1 &h Hz.
Diese Spannungen überlagern sich der Nutzspannung L'kou, so daß zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit
des Nutzsignals eine Eliminierung der verschiedenen Störspannungen unerläßlich ist
Neben den herkömmlichen, mit 50Hz betriebenen
Durchflußmessern, ist bereits ein induktiver Durchflußmesser bekannt, dessen Magnet ein mit niedriger
Frequenz getaktctes, d.h. periodisch ein- und ausgeschaltetes Gleichfeld erzeugt (DE-OS 24 10 407; DE-AS
20 52175; (ATM) Archiv für technisches Messen, Blatt V
1249—11 (Aug. 1971), S. 153-156). Die Verwendung
eines getakteten Gleichfeldes hat den Vorteil, daß jeweils nach Erreichen des stationären Magnetisierzustandes die induktiven und kapazitiven Störspannungen
Null sind. Da der zeitliche Verlauf des Magnetstromes annähernd einer Rechteckfunktion entspricht, erfolgen
jedoch bei jedem Schaltvorgang Einschwingvorgänge, deren Ausschwingen erst abgewartet werden muß,
bevor die Messung durchgeführt werden kann. Die
Messung der Nutzspannung erfqJgt kurzzeitig, und zwar
durch Differenzbildung der Augenblickswerte, die in den stationären Phasen der Einschalt- und Ausschaltzeit
des Magnetfeldes ermittelt und in Spannungsabtastspeichern gespeichert werden. Die Störgleichspannung, die
das Tausendfache der Nutzspannung betragen kann, wird von der Nutzspannung getrennt, indem die
Differenz zweier nahezu gleichgroßer Spannungsbeträge gebildet wird, was von einer genauen Auswertung
her schwierig ist Der Magnetisierungsstrom muß durch
geeignete Regdeinrichtungen von dem Netz und vom
ohmschen Widerstand der Magnetspulen unabhängig gemacht werden. Bei Durchflußrohren mit unterschied*
liehen Durchmessern ergeben sich unterschiedliche Anstiegszeiten bis zur Erreichung der stationären Phase
ss des Magnetisierungsstromes.
Ferner ist es bekannt, ein sinusförmiges Wechselfeld zu erzeugen und die induktive und kapazitive Störspannung von dem Nutzsignal dadurch zu trennen, daß die
Phasenverschiebung zwischen Nutz- und Störsignalen,
die ca. 90° beträgt, ausgenutzt wird. Bei Verwendung
eines Wechselfeldes werden außerdem die Polarisatiöfisspäflnungen eliminiert (DE-OS 2151381). Bei
diesen Verfahren ist jedoch die Kompensation der Störspannungen nicht mit ausreichender Genauigkeit
und Stabilität durchführbar.
Weiterhin ist ein induktiver Durchflußmesser bekannt (US-PS 35 50 446), bei dem eine Stromquelle abwechselnd zwischen den Enden der das Magnetfeld
erzeugenden Spule umgeschaltet wird. Die Elektroden sind an einen Differenzverstärker angeschlossen, dessen
Ausgang zeitlich verzögert gegenüber den Umschaltungen der Magnetspule mit einem ersten Speicher und
einem zweiten Speicher verbunden wird. Die Ausgänge der beiden Speicher sind an die Eingänge eines weiteren
Differenzverstärkers angeschlossen, der das strömungsabhängige Ausgangssignal erzeugt Auch bei diesem
Durchflußmesser wird die Richtung des Magnetfeldes periodisch unigekehrt, wobei nach jeder Umkehrung
erst der stationäre Zustand des Magneten einschließlich des Abklingens der Einschwingvorgänge abgewartet
werden muß, bevor Messungen mit statischem Magnetfeld durchgeführt werden können.
Schließlich ist ein induktiver Durchflußmesser bekannt (US-PS 33 16 762), bei dem der Msgnetisierungsstrom in Form von Impulsen unterschiedlicher Polaritäten erzeugt wird, zwischen denen sich jeweils eine
Impuislücke befindet Nachdem das Magnetfeld während der einzelnen Stromimpulse seinen stationären
Zustand erreicht hat, wird von den Elektroden eine Kombination aus Fehlersignai and Nutzsigna! abgenommen, von der eine dem Fehlersignal entsprechende
Spannung subtrahiert wird. Da hier ebenfalls rechteckförmige Magnetisierungsströme benutzt werden, treten
die gleichen Fehlerquellen und Nachteile auf, wie bei den zuvor beschriebenen Durchflußmessern.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Durchflußmesser
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem sich die vorgenannten Störspannungen auf einfache Weise
kompensieren bzw. beseitigen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Stromquelle einen mit der Zeit
abwechselnd linear ansteigenden und linear abfallenden Erregerstrom erzeugt
Der lineare zeitliche Verlauf des Erregerstromes hat den Vorteil, daß die induktive Störspannung L di/dt
konstant und bei geringer Frequenz des Erregerstromes auch sehr niedrig ist Der Eingangsverstärker der
Meßschaltung wird daher nicht bei jedem Aufbau des Magnetfe'des in die Sättigung getrieben und es ist keine
Ausblendung bestimmter Kurventeile der Meßspannung erforderlich. Darüber hinaus entstehen bei dieser
Art der Stromregelung keine Stromschwingungen, wie sie beim Anschalten einer Spule an eine Spannungswelle
auftreten. Es entstehen also auch keine durch Einschwingvorgänge eingeschränkten Bedingungen hinsichtlich des Meßzeitpunktes.
Da der Wert L di/dt über die gesamte ansteigende
Flanke bzw. die gesamte abfallende Flanke des Magnetisierungsstrofiiis konstant ist, ist eine Kompensation dieser Störspannungen mit verhältnismäßig
einfachen Mitteln möglich.
Der zeitlich linear ansteigende und linear abfallende Erregerstrom muß nicht notwendigerweise ein dreieckförmiger Strom sein, sondern es kann sich auch
beispielsweise um einen trapezförmigen Verlauf handeln. Bei einem trapezförmigen Verlauf des Erregersiromes werden die oberen und unteren Extremwerte
jeweils über einige Zeit aufrechterhalten. Die Abtastung kann hierbei während der Gleichstromphase erfolgen.
Die Signäläüsweflüng wird wegen gleichzeitiger
Kompensation der in dem Nutzsignal enthaltenen Störspannungen in vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung so vorgesehen, daß die in die Speicher eingegebenen Spannungen jeweils bis zur nächsten
Abtastung am Ausgang der Speicher anstehen und kontinuierlich einem Differenzverstärker zugeführt
sind, dessen Ausgang über einen Mittelwertbildner mit einem Anzeigegerät verbunden ist.
Da die induktiven und u. U. auch die kapazitiven Störspannungen der ersten Ableitung der Kurve des
Erregerstromes entsprechen, die linear ist, sind sie konstant Der Differenzverstärker bildet daher die
Differenz zwischen zwei Nutzspannungen mit jeweils überlagerten, einander entgegengesetzten Störspannungen, Hieraus kann durch Mittelwertbildung auf
iü einfache Weise die Nutzspannung ermittelt werden, die der Dui'chflußmenge entspricht
Der Durchflußmesser ermöglicht es, die Messung der Elektrodenspannung auch im ansteigenden oder im
abfallenden Ast des Erregerstromes auszuführen. Hierzu ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung vorgesehen, daß bei einem dreieckigen Verlauf des Erregerstromes die Punkte zum Abtasten
der Elektrodenspannung entweder nur auf dem ansteigenden oder nur auf dem abfallenden Ast des
Erregeirstromes in der Nähe der Spitzenwerte liegen.
Bei einer Differenzbildung zwischen den Werten der beiden Abiastpunkte wird dabei die konstante Stör-Summenspannung eliminiert'
Die Synchronisierung der Abtastzeitpunkte kann ebenso wie die Erzeugung der Wellenfomi des
Magnetfeldes durch Teilung der Netzfrequenz erfolgen. Da das Magnetfeld sehr niederfrequent sein soll, bietet
die Netzfrequenz, deren Halbwelle eine Zeitdauer von 10 ms hat, ein Zeitinkrement, das ausreichend fein für
die zeitliche Bestimmung des Abtastfeitpunktes ist Die Auswahl der Abtastinkremente kann durch geeignete
Zusammenfassung der Ausgänge der Frequenzteilerstufen in logischen Schaltgliedern erfolgen, die jeweils
ansprechen, wenn die Frequenzteilerstufen eine bestimmte Signalkombination annehmen.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren
näher erläutert
F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines induktiven Durchflußmessers bekannter Bauart
F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswertesrhaltung nach der Erfindung.
Fig.3 zeigt verschiedene Spannungsverlaufe und
veranschaulicht die Eliminierung des Einflusses einer Spannungsdrift, und
F i g. 4 zeigt verschiedene Spannungsdiagr&mme zur
Veranschaulichung der Eliminierung induktiver und kapazitiver Störspannungen.
Gemäß F i g. 1 ist an einem Meßrohr 10 aus so amagnetischem Material eine Magnetspule 11 angebracht die ein durch das Rohr 10 hindurchgehendes
Magnetfeld erzeugt Im Inneren des Rohres sind zwei Elektroden 12, 13 angeordnet, die einander diam&iral
gegenüberliegen und deren gedachte Verbindungslinie das Magnetfeld senkrecht schneidet Die Elektroden 12,
13 sind mit dem Eingang der Auswerteschaltung 14 verbunden. Die Meßspannung wird an dem an die
Auswerteschaltung 14 angeschlossenen Meßinstrument 15 abgelesen. Zur Erzeugung des Magnetfeldes ist d>e
Magnetspule i 1 mit einer Steuerschaltung 46 verbunden, die der Magnetwicklung einen Strom bestimmter
Küfvenföffn einprägt und nach der Etfiridüng darüber
hinaus auch die Abtastzeitpunkte in der Auswerteschaltung 14 steuert.
*>5 Ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung 14 und der
Steuerschaltung 40 ist in P i g. 2 abgebildet. Die von den
Elektroden 12, 13 kommenden Eingangsleitungen der Auswerteschaltung 14 sind über jeweils einen Blockkon-
densator 16 bzw. 17 mit einem EingangsanschltiQ des
Verstärkers 18 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 18 ist über einen Tiefpaß 19. dessen Grenzfrequenz
unterhalb 16 Hz liegt, mit den beiden Spannungsabtastspeichern
20 und 21 verbunden. Jedem der Spannungsabtastspeicher ist ein Haltekondensator 22 bzw. 23
vorgeschaltet und die Steuerung des Abtastzeitpunktes erfolgt über jeweils einen Schalter 24 und 25, der von
der Steuerschaltung 15 aus gesteuert wird. Die Schalter 24 und 25 sind aus Gründen der Einfachheit der
Darstellung als mechani«rhc Schalter angedeutet. Bei
der praktischen Realisierung der Schaltung wird man jedoch elektronische Schalter verwenden.
Die Ausgangsleitung der Spannungsabtastspeicher 20 und 21 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers
26 verbunden und diesem ist ein Mittelwertbildner 27 nachgeschaltet. Der Ausgang des Mittelwertbildners
27 bildet gleichzeitig den Ausgang der Auswerteschal-
am
ι λ J *
lung ■*▼ *** *JUv uuj v)it
Anzeigegerät 15 zugeführt wird.
Das Steuergerät 46 wird im Takt der 50 Hz-Netzfrequenz betrieben. Zu diesem Zweck ist der Eingang eines
mehrstufigen Frequenzteilers 28 an die Netzfrequenz angeschlossen. An einem Ausgang des binären Frequenzteilers
28 wird eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von 50/64 Hz = 0,78 Hz abgenommen. Diese
Rechteckspannung wird einem Integrator 30, bestehend aus einem kapazitiv rückgekoppelten Verstärker,
zugeführt, so daß am Ausgang des Integrators eine Dreieckspannung entsteht. Diese Dreieckspannung
wird dem Verstärker 31 zugeführt, der einen hohen Ausgangswiderstand aufweist und somit imstande ist,
der Spule des Elektromagneten 11 den Dreieckstrom mit einer Frequenz von 0,78 Hz einzuprägen.
Die Steuerung des Schalters 24 und 25 erfolgt über die UND-Tore 32 und 33. Sofern die Eingänge dieser Tore
mit einem Punkt versehen sind, handelt es sich um Negierungseingänge.
In den Eingängen der Tore 32 und 33 sind die Ausgänge der Stufen des Frequenzteilers 28 derart
zusammengefaßt, daß das Ausgangssignal jedes Tores 32, 33 nur in einem kurzen Intervall innerhalb einer
jeden Periode des dreieckförmigen Magnetisierungsstromes vorhanden ist.
Der Frequenzteiler 28 könnte auch als Zähler betrachtet werden und die Ausgangsleitungen der
verschiedenen Stufen könnten einem Digital/Analog-Umsetzer zugeführt werden, der dann die Funktion des
Integrators 30 wahrnehmen würde.
Zum besseren Verständnis und unter Bezugnahme auf F i g. 3 sei zunächst angenommen, daß der Schalter 24
durch das Tor 32 stets bei dem oberen Spitzenwert des Dreieckstromes kurzzeitig schließt, und daß der
Schalter 25 von dem Tor 33 bei dem unteren Spitzenwert der Dreieckspannung schließt Dabei ist zu
berücksichtigen, daß der zeitliche Verlauf der magnetischen Flußdichte B und der zeitliche Verlauf der an den
Elektroden 12 und 13 entstehenden Nutzspannung Unm?
gleich dem Verlauf des am Ausgang des Verstärkers 31 erzeugten Dreieckstromes ist.
Zur Erläuterung, wie die Störeinflüsse infolge langsamer Änderungen des Gleichspannungspotentials
eliminiert werden, sei für den Augenblick angenommen, daß induktive und kapazitive Kopplungen nicht
auftreten bzw. vernachlässigbar klein sind, und daß vagabundierende Fremdströme, die von außen eingestreut
werden, durch das Tiefpaßfilter 19 ferngehalten werden. Die somit noch verbleibenden Störeinflüsse
sind die Polansationsspannungen. die sich zeitlich sehr langsam verändern sowie die Drift des Eingangsverstärkers
18.
In Fig. 3 ist mit Kurve a) der Verlauf des Nutzspannungssignals (7\ϋν dargestellt. Diesem Nutzspannungssignal
überlagert sich die bei b) dargestellte Störspannung, die sich aus den Polarisationsspnnnungen
und der Verstärkerdrift zusammensetzt und sich zeitlich nur sehr langsam ändert. Das Kombinationssignal aus
Störspannung und Nutzspannung, so wie es am Ausgang des Verstärkers 18 auftritt, ist in F i g. Λ durch die Kurve
c) veranschaulicht. Bei d) sind diejenigen Abiasi/eitpunkte
angegeben, in denen die jeweiligen Schalter 24 und 25 kurzzeitig geschlossen werden, um den
betreffenden Amplitudenwert in den Spannungsabtastspeicher 20 bzw. 21 einzugeben, wo er bis zur nächsten
Schließung des betreffenden Schalters beibehalten wird. In Fig. 3 sind in der Darstellung e) die Spannungsver-
dsfcsieüt die sich απ
^v^'ii^n Sno
tastspeichern 20 und 21 ergeben, wenn das Eingangssignal den in Darstellung c) dargestellten Verlauf hat.
Man erkennt, daß an den Ausgängen der beiden Spannungsabtastspeicher 20 und 21 Treppenkurven
entstehen, die amplitudenmäßig und zeitmäßig gegeneinander versetzt sind. In der Darstellung f ist der
zeitliche Verlauf des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 26 dargestellt. Die Differenz zwischen den
Ausganrvspannungen der Verstärker 20 und 21
schwankt nach Art einer Rechteckkurve um den Mittelwert 39 herum. Dieser Mittelwert wird in dem
arithmetischen Mittelwertbildner 27 gewonnen, bei dem es sich beispielsweise um ein RC Glied handelt. Der
Mittelwert 39 ist der Nutzspannung Un11,, proportional.
Man erkennt leicht, daß die Rechteckkurve in Fig. 3f) verschwindet und direkt in die konstante Spannung 39
übergeht, wenn keine zeitlich veränderliche Störspannung, wie sie in b) dargestellt ist, vorhanden ist. In
diesem Falle ist nämlich die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Spitzenwert des auszuwertenden
Signals stets konstant.
Da wegen der zeitliehen Änderung der Störgleichspannung
die Frequenz des Magnetstromes nicht wesentlich unter den Wert von ca. 1 Hz gelegt werden
kann, können noch induktive und kapazitive Störspannungen vorhanden sein, die das Maßergebnis verfälschen.
Unter a) ist der zeitliche Verlauf des Magnetisierungsstromes angegeben, der dem zeitlichen Verlauf der
Flußdichte B und des Nutzsignals Unmi entspricht. Die
induktive Störspannung beträgt bekanntlich
r/ - / dl
V1n - L ^
und ist somit der zeitlichen Ableitung des Magnetisierungsstromes proportional. Da der Magnetisierungsstrom eine Dreiecksfunktion ist, wird die induktive
Störspannung zu einer Rechteckfunktion. Das gleiche gilt für den kapazitiven Störstrom ic, für den gilt:
/ cdu
Ic
Diese beiden Störgrößen, die einander phasengleich
und beide rechteckförmig sind, lassen sich zu der in
Fig.4 unter b) dargestellten Störspannung t/y,ör
zusammenfassen.
Unter c) ist das kombinierte Nutz-Störsigna! dargestellt das sich aus einer Oberlagerung der dreieckförmi
gen Nutzspannung
Uma
mit der rechteckförmigen
Siorspannung ίΛ,,,, ergibt. Um aus dein unter c)
dargestellten Konibinationssignal nur den Nutzanteil
auszuwerten, sind die Abtastzeitpunkte gemäß F i g. 4d) so gelegt, daß die Ajswertiing des Kombinationssignals
stets entweder nur auf dem ansteigenden Ast 40 oder nur auf dem abfallenden Ast 41 erfolgt. Im vorliegenden
Falle wurde der ansteigende Ast 40 gewählt. Die Eingang der Tore 32 und 33 (F i g. 2) sind so geschaltet,
daß die Absgangssignale 42 des Tores 32 stets um 50 ms
hinter dem Zeitpunkt des unteren Umkehrpunktes der Dreiecksspannung liegen, während die Eingänge des
Tores 33 so geschaltet sind, daß das Ausgangssignal 43 dieses Tores jeweils um 50 ms vor dem oberen
I rnkehrpunkt der Dreiecksspannung liegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Abtastung jeweils nur
auf dem ansteigenden Ast 40 des Gesamtsignals erfolgt. Man erkennt leicht, daß bei der anschließenden
Differenzbildung zwischen den Spannungen 44 und 45 die Störspannung herausfällt, da sie zu beiden
Zeitpunkten jeweils gleich groß ist.
Die Verwendung eines dreieckförmigen Magnetisierungsstromes hat den Vorteil, daß die induktiven und
kapazitiven Störeinflüsse rechteckförmig werden und sich durch eine geeignete Lage der Abtastzeitpunkte
eliminieren lassen. Ferner ist.wegen des eingeprägten Stromes sichergestellt, daß F.inschwingvorgänge bei der
Ummagnetisierung vermieden werden. Schließlich läßt sich die Dreiecksform des Magnetisierungsstroms
schaltungstcehniseh einfach realisieren und aus der
Netzfrequenz herleiten, wobei gleichzeitig noch die Zeitsteuerung der Schalter 24 und 25 mit der
Steuerschaltung 15 vorgenommen werden kann.
Hierzu λ ISIati Zeichnung!!
Claims (3)
1. Induktiver Durchilußmesser mit einem Elektromagneten, der an eine Erregsrstrom mit periodisch
wechselnder Polarität erzeugende Stromquelle angeschlossen ist, mit zwei Spannungsabtastspeichern,
die derart gesteuert sind, daß sie in jeder Periode des Magnetfeldes je einen Wert der Elektrodenspannung innerhalb der positiven bzw. negativen
Halbwelle kurzzeitig aufnehmen, und mit einer Schaltung zur Bildung einer Differenz aus Weiten
der beiden Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (46) einen mit der Zeit
abwechselnd linear ansteigenden und linear abfallenden Erregerstrom erzeugt
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die in die Speicher (20, 21) eingegebenen Spannungen jeweils bis zur nächsten
Abtastung am Ausgang der Speicher anstellen und kontinuierlich einem Differenzverstärker (26) zugeführt sind, dessen Ausgang über einen Mittelwertbildner (27) mit einem Anzeigegerät verbunden ist
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dreieckförmigen Verlauf des Erregerstroms die Punkte (42,43)
zum Abtasten der Elektrodenspannung entweder nur auf dem ansteigenden oder nur auf dem
abfallenden Ast des Erregerstromes in der Nähe der Spitzenwerte liegen.
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