DE2722560A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen messung von gasdruecken - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen messung von gasdruecken

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Description

Akademie der Wissenschaften der DDR 1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 5
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein derartiges, nach neuem Verfahrensprinzip arbeitendes Manometer kann im Hochvakuum, im Vorvakuum, bei Atmosphärendruck und bei Überdruck zur Druckmessung verwendet werden. Das Hauptanwendungsgebiet ist die Vakuumtechnik.
Die bisher bekannten Manometer können eingeteilt werden in solche, die direkt den Druck messen und in solche, die druckabhängige Gasparameter messen. Der Vorteil von Manometern der erstgenannten Art liegt darin, daß sie gasartunabhängig sind, wenn die Zustandsgleichungen der zu messenden Gase übereinstimmen. Zu diesen Manometern sind diejenigen zu zählen, bei denen durch den Gasdruck eine Membran deformiert wird, deren Deformation gemessen wird (Membran- und Dosenmanometer) , und diejenigen, bei denen der Gasdruck eine Flüssigkeit gegen die Schwerkraft in die Höhe schiebt, wobei die Höhenverschiebung gemessen wird (Flüssigkeitsmanometer). [[Mönch, Günther Christian, "Neues und Bewährtes aus der Hochvakuumtechnik" 2., berichtigter Nachdruck - VEB Verlag Technik Berlin 1961, S. 549; S. 473 ]
Zu den Manometern der zweiten Art gehören das Piranimanometer, bei dem die druckabhängige Wärmeleitfähigkeit von Gasen zur Druckmessung ausgenutzt wird
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[_ebenda, S. 496 J , das Penningmanometer, bei dem die Messung auf der Druckabhängigkeit der Stromstärke einer selbständigen Gasentladung beruht £ ebenda, S. 484 J das Reibungsmanometer, das die Druckabhängigkeit des Reibungskoeffizienten des zu messenden Gases auenutzt
[ebenda, S. 536J und das Ionisationsmanometer, in dem die Abhängigkeit des durch Elektronenetofl bewirkten Ionisationsgrades des Gases vom Druck zur Messung herangezogen wird [^ebenda, S. 510 J .
Membranmanometer haben eine komplizierte Herstellungstechnologie und sind deswegen kostspielig· Ein weiterer Nachteil ist die schlechte Reproduzierbarkeit der Nullpunkteineteilung.
Dosenmanometer sind für Genauigkeitsmessungen ungeeignet.
Flüssigkeitsmanometer haben den Nachteil, daß eich im Meßgefäß der Dampfdruck der MeßflUssigkeit einstellt und daß bei einer kontinuierlichen Messung der Meßbereich sehr klein ist.
Manometer, bei denen die Druckabhängigkeit von Gasparametern zur Druckmessung verwendet wird, haben die Nachteile der Gasartabhängigkeit und der Nichtlinearität des Zusammenhanges des zu messenden Parameters mit dem Druck.
Das Penningmanometer hat den zusätzlichen Nachteil der relativ großen Meßungenauigkeit.
Im Ionisationsmanometer kann sich das zu messende Gas zersetzen. Das Piranimanometer hat nur einen geringen Meßbereich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung
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anzugeben, die eine direkte, von der Gasart unabhängige Messung erlaubt.
Dabei sollen keine Flüssigkeiten verwendet werden. Ferner soll die Messung nicht die Gaszusanunensetzung verändern· Die absolute Meßgenauigkeit soll besser als 2 % sein bei Gasen, deren Zustandsgieichung um weniger als 2 % von der eines idealen Gases abweicht« Die Vorrichtung soll linear messen, damit ihre Eichung an einem Druckpunkt vollständig vorgenommen und für alle Meßbereiche die gleiche Meßskala verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der zu messende Gasdruck in einem kleinen Teilvolumen moduliert wird und die so erzeugten Druckschwankungen in elektrische Signale umgewandelt werden, die dem zu messenden Gasdruck proportional sind. Wenn das zu messende Gas in guter Näherung durch die Zustandegleichung für ideale Gase beschrieben werden kann, so gilt'
P · V = K, (1)
wobei ρ der zu messende Druck, K eine Konstante und V das Volumen ist, das moduliert werden soll. Wird das Volumen zwischen zwei Extremen V1 und V2 variiert, so ist die resultierende Druckdifferenz
AP=P1-P2 = K(J -J) . (2) Setzt man für K in (2) den Wert aus (1) ein, so folgt
A). ρ . (3)
V2
Bei konstanter Volumenmodulation ist deswegen die Druckvariation dem Absolutdruck proportional. Der
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-f.
Proportionalitätsfaktor wird durch die geometrischen Verhältnisse gegeben und enthält keine gasartabhängigen Größen.
.Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die in nachstehend beschriebener Weise aufgebaut ist.
In einem Gehäuse, das mit dem Volumen verbindbar ist, welches den zu messenden Gasdruck aufweist, ist eine Modulationskammer gebildet, die eine definierte öffnung hat. Eine Seite der Modulationskammer ist von einem an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Druckgeber, die andere Seite von einem Empfänger zur Umwandlung eines Druckes in ein elektrisches Signal begrenzt. Die Modulationskammer, in der der Druck moduliert wird, ist mit dem Volumen, in dem der zu messende Gasdruck herrscht, durch die genannte Öffnung im Druckgeber verbunden. Diese Öffnung ist derart bemessen, daß sich der Gasdruck in der Modulationskammer innerhalb einer Modulationsperiode nicht an den Gasdruck des übrigen Volumena angleichen kann. Die Öffnung ermöglicht eine kontinuierliche Druckmessung, da sich der Gasdruck in einer Zeit, die groß gegen die Modulationsperiode ist, an den äußeren Gasdruck angleicht. Der Abstand zwischen Druckgeber und Empfänger ist klein gehalten gegen die Schallwellenlänge bei der Modulationsfrequenz. Auf diese Weise wird der Gleichung für ideale Gase Rechnung getragen. Der Empfängerausgang der Vorrichtung ist an eine elektronische Auswertungsanordnung angeschlossen, die in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung hat der Abstand zwischen Druckgeber und Empfänger seinen Maximalwert in der Mitte der Modulationskammer und wird zum Rand hin Null, derart, daß das Verhältnis der Auslenkung des Druckgebers zu dessen Abstand vom Bnpfänger an allen Punkten gleich ist. Außerdem sind Mittel zur
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-a-
Kompensation des Rückstoßes des Druckgebers vorgesehen. Der Maximalwert des Abstandes zwischen Druckgeber und Empfänger beträgt «£ 1,0 mm.
Zweckmäßigerweise besteht der Druckgeber aus einem scheibenförmigen Piezoelement, das auf einer Metallmembran aufgebracht ist.
Der gegenüber dem Druckgeber die andere Seite der Modulationskammer abschließende Empfänger ist vorzugsweise ein Kondensatormikrofon.
Bei einer Ausführungsform des Kondensatormikrofons ist die Kondensatorplatte als Metallnetz ausgebildet. Anstelle des Kondensatormikrofons kann zur Messung von Drücken im Atmosphärenbereich auch ein Piezoelement als Empfänger verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung besteht der Druckgeber aus einem scheibenförmigen Piezoelement auf einer Metallmembran, auf der eine Kunststoffschicht aufgebracht ist, deren der Modulationskammer zugewandte Seite als Hohlfläche ausgebildet ist. Eine Möglichkeit, die Drift der Druckgeberamplitude zu kontrollieren, ist dann gegeben, wenn mechanisch mit dem Druckgeber verbundene metallische Teile, die gemeinsam mit dem Druckgeber schwingen, und die Membran des Empfängers einen Kondensator bilden.
Zur Kompensation des vom Druckgeber verursachten und auf den Empfänger einwirkenden Rückstoßes werden mehrere Maßnahmen vorgeschlagen, die einzeln oder in Kombination anwendbar sind.
Eine Verminderung des Rückstoßes läßt sich beispielsweise durch einen rückstoßunempfindlichen Aufbau des als Empfänger verwendeten Kondensatormikrofons erreichen, indem alle beim Druckempfang wirksamen Kondensatorplatten eine identische Struktur aufweisen und aus gleichem Material bestehen.
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Eine weitere Maßnahme zur mechanischen Kompensation des Rückstoßes des Druckgebers ist dadurch gegeben, daß außerhalb der Modulationskammer ein Körper angeordnet ist, der zum Druckgeber in Gegenphase schwingt. Die Gegenkopplung oder Regelung des phasengerechten Rückstoßes des zum Druckgeber in Gegenphase schwingenden Körpers kann durch ein Signal erfolgen, welches mit einem dem genannten Körper zugeordneten rückstoßempfindlichen Mikrofon empfangen wird. Dadurch wird der summare Rückstoß, den der Empfänger mißt, klein gegen das durch die Druckschwankungen verursachte Meßsignal·
Zur elektronischen Kompensation des Rückstoßsignals am als Empfänger verwendeten Kondensatormikrofon ist außerhalb der Modulationskammer ein zweites Kondensatormikrofon angeordnet, das nur den Rückstoß empfängt· Neben der mechanischen übertragung der Schwingungen des Druckgebers auf den Empfänger durch Rückstoß tritt eine mechanische Übertragung der Schwingungen durch elastische Deformation der Halterung des Druckgebers und des Empfängers auf. Als Maßnahme zur Unterdrückung solcher Deformation wird vorgeschlagen, die Metallmembran des Druckgebers topfförmig auszubilden und den Druckgeber am Rand dieser topfrdrmigen Membran zu haltern· Desgleichen kann die der Modulationskammer zugewandte Empfängermembran topfförmige Gestalt haben und ebenfalle an ihre« Rand gehaltert sein.
Die Druckmodulation in der Modulationskammer wird dadurch bewirkt, daß an den piezoelektrischen Druckgeber eine Wechselspannung angelegt wird, so daß dieser sich im Takt der Frequenz der Spannung bewegt· Die auf diese Weise in der Modulationskammer erzeugten Druckschwankungen werden von dem Kondensatormikrofon in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches an eine elek-
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tronische Auswertungsanordnung weitergeleitet wird. Bei einer läeßbandbreite von 1 Hz kann bei Verwendung eines Kondensatormikrofons als Empfänger und unter der Voraussetzung, daß sich Erschütterungen, die vom Druckgeber aus direkt über das Gehäuse an den Empfänger übertragen werden, kompensieren oder vermeiden lassen, in einem Druckbereich von mehr als 6 Größenordnungen der Druck mit der Genauigkeit, mit der die Zustandsgleichung des zu messenden Gases mit der Zustand8-gleichung für ideale Gase übereinstimmt, linear und gasartunabhängig gemessen werden. Durch Wahl der Größe der Modulationskaramer und der Empfindlichkeit der Membran des Kondensatormikrofons läßt sich der Eineatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung in weiten Grenzen verändern. Es lassen sich mehrere Vorrichtungen mit unterschiedlichem Einsatzbereich durch eine elektronische Auswertungsanordnung in einem Gerät zusammenfassen, wodurch der Meßbereich des Gerätes über alle mit dem vorgeschlagenen Meßverfahren erfaßbaren Druckbereiche ausgedehnt werden kann.
Die nach neuem Meßprinzip arbeitende erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber bekannten Vakuummeßgeräten wesentliche Vorteile auf.
Mit nur einem Meßkopf sind mit hoher Genauigkeit kontinuierliche Druckmessungen über einen mehrere Größenordnungen umfassenden Meßbereich linear und gasartunabhängig durchführbar.
Eine derartige Vorrichtung gestattet einen lageunabhängigen Betrieb. Sie ist sofort meßbereit und druckeinbruchsicher. Ihre Handhabung ist einfach.
Weitere Vorteile sind ihre geringe Masse, geringe räumliche Abmessungen und ihre einfache Bauweise, die sich günstig auf die Herstellungstechnologie auswirkt.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1: den Axialschnitt eines Gasdruck-Meßkopfes nach der Erfindung in schematischer, vergrößerter Darstellung,
Fig. 2: eine alternative Ausführungsform des Systems Druckgeber-Empfänger in einem Meßkopf nach Fig. 1.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist innerhalb eines Vakuumdichten Gehäuses 1, das mittels Vakuumschliff 2 mit dem Volumen verbindbar ist, welches den zu messenden Gasdruck aufweist, eine Modulationskammer 3 ausgebildet. Diese Modulationskammer 3 ist einerseits durch einen Druckgeber 4 und andererseits durch einen Empfänger 5 zur Umwandlung des Druckes in ein elektrisches Signal begrenzt. Der Abstand zwischen Druckgeber 4 und Empfänger 5 hat seinen Maximalwert am in der Kammermitte und wird zum Rand der Modulationskammer 3 hin Null. Der Abstand a χ soll 1mm nicht überschreiten. Er beträgt bei dem AusfUhrungsbeispiel 0,3 mm. Der Druckgeber 4 besteht hier aus einem scheibenförmigen Piezoelement 6 auf einer Metallmembran 7, auf der eine Kunststoffschicht 8, z. B. aus Epoxydharz bestehend, aufgebracht ist. Die der Modulationskammer 3 zugewandt· Seite der Kunststoffschicht 8 ist als Hohlfläche ausgebildet.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungshorn der Vorrichtung sind die Membranen des als Empfänger 5 verwendeten Kondensatormikrofons identisch aufgebaut und bestehen aus gleichem Material.
Zur mechanischen Kompensation des Rückstoßes des Druckgebers 4 ist außerhalb der Modulationekammer 3 ein Körper 9, hier eine Piezokeramik, angeordnet, der zum
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Druckgeber 4 in Gegenphase schwingt. Zur Gegenkopplung oder Regelung des phasengerechten Rückstoßes des Körpers 9 kann diesem ein rückstoßempfindliches Mikrofon 10 zugeordnet sein, das hier ebenfalls eine Piezokeramik ist. Um das Rückstoßsignal des Empfängers 5 elektronisch zu kompensieren, ist ein zweites Kondensatormikrofon 11 vorgesehen, das nur den Rückstoß empfängt. Der Gehäusedeckel 1a übernimmt hier die Punktion einer Kondensatorplatte·
In der die Modulationskammer 3 begrenzenden Membran des Fmpfängers 5 befindet sich eine definierte Abpumpöffnung 12, welche über weitere Abpumpöffnungen 13 in der Vorrichtung die Verbindung herstellt zwischen der Modulationskammer 3 und dem den zu messenden Gasdruck aufweisenden Volumen (in der Zeichnung nicht dargestellt). Andere Abpumpöffnungen 14 verbinden das genannte Volumen mit weiteren Zwischenräumen zwischen den einzelnen Funktionselementen des Meßsystems· Die Metallmembranen der Funktionselemente des Meßsystems sind gegeneinander und gegen ihre Aufnahmen durch Isolatoren 15 isoliert· Der Druckgeber 4 ist über die Leitung a an eine Wechselspannung squ eile angeschlossen und seine Metallmembran 7 über die Leitung b mit dem Gegenpol 16 der Wechselspannungsquellen verbunden, welche der Anregung des Druckgebers 4 und des zum Druckgeber 4 in Gegenphase schwingenden Körpers 9 dienen. Der Gegenpol 16 wird für die Kontrollmessung der Druckgeberamplitude an Masse gelegt. Der Körper 9 ist über die Leitung c an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen und seine Metallmembran über die Leitung d mit der Leitung b und damit ebenfalls mit dem Gegenpol 16 der Wechselspannungsquellen verbunden. Das Signal, welches das rückstoßempfindliche Mikrofon 10 abgibt, wird über die Leitung e aus dem Gehäuse 1 heraus-
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geführt. Die Metallmembran des Mikrofons 10 ist über die Leitung f mit der Metallmembran des Körpers 9 verbunden. Die die Modulationskammer 3 begrenzende Membran des Empfängers 5 ist über die Leitung g an Masse angeschlossen. Zur Kontrolle der Amplitude des Druckgebers 4 wird die Leitung g an eine Gleichspannungsquelle mit hohem dynamischen Innenwiderstand angeschlossen· Die der Modulationskammer 3 abgewandte Membran des Empfängers 5 ist über die Leitung h an eine Gleichspannungsquelle mit hohem dynamischen Innenwiderstand und an eine (hier nicht dargestellte) elektronische Auswertungsanordnung angeschlossen, die das über die Leitung h herausgeführte Meßsignal weiterverarbeitet· Die Membran des der Rücketoßkompensation dienenden Kondensatormikrofons 11 ist über die Leitung i an eine Gleichspannungsquelle mit hohem dynamischen Innenwiderstand angeschlossen· Der elektrische Schirm 17 dient der Abschirmung der anregenden Wechselspannung von den Membranen des Empfängers 5» des der Rückstoßkompensation dienenden Kondensatormikrofons 11 und von den Leitungen g, h, i. Fig. 2 zeigt eine alternative Gestaltung des Druckgebers und des Empfängers 5, die geeignet ist, die mechanische Übertragung der Schwingungen des Druckgebers 4 auf den Empfänger 5 infolge elastischer Deformation der Halterung des Druckgebers 4 und des Empfängers 5 zu unterdrücken. Dabei ist die Metallmembran 7 des Druckgebers 4 topfförmig ausgebildet und der Druckgeber 4 am Rand dieser topfförmigen Membran 7 gehaltert· Desgleichen hat die die Modulationskammer 3 begrenzende Membran des Empfängers topfförmige Gestalt und ist ebenfalls an ihrem Rand gehaltert ·
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1· Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Gasdruck in einem kleinen Teilvolumen moduliert wird und die so erzeugten Druckschwankungen in elektrische Signale umgewandelt werden, die dem zu messenden Gasdruck proportional sind.
    2. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (1), das mit dem Volumen verbindbar ist, welches den zu messenden Gasdruck aufweist, eine Modulationskanmer (3) gebildet ist, die eine definierte Öffnung (12) zum genannten Volumen hat, und die einerseits von einem an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Druckgeber (4) und andererseits von einem Empfänger (5) zur Umwandlung des Druckes in ein elektrisches Signal begrenzt ist, wobei der Abstand zwischen Druckgeber (4) und Empfänger (5) klein gegen die Schallwellenlänge bei der Modulationsfrequenz ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängerausgang an eine elektronische Auswertungsanordnung angeschlossen ist.
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    Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Druckgeber (4) und Empfänger (5) seinen Maximalwert in der Mitte der Modulationskammer (3) hat und zum Rand hin Null wird, derart, daß das Verhältnis der Auslenkung des Druckgebers (4) zu dessen Abstand vom Empfänger (5) an allen Punkten gleich ist, und daß Mittel zur Kompensation des Rückstoßes des Druckgebers (4) vorgesehen sind.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des Abstandes zwischen Druckgeber (4) und Empfänger (5) ^ 1,0 mm beträgt.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgeber (4) aus einem scheibenförmigen Piezoelement (6) besteht, das auf einer Metallmembran (7) aufgebracht ist·
    Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgeber (4) aus einem scheibenförmigen Piezoelement (6) auf einer Metallmembran (7) besteht, auf der eine Kunststoffschicht (8) aufgebracht ist, deren der Modulationskammer (3) zugewandte Seite als Hohlfläche ausgebildet ist.
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    8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fmpfanger (5) ein Kondensatormikrofon ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Modulationskanuner (3) abgewandte Membran des Empfängers (5) als Metallnetz ausgebildet ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (5) ein Piezoelement ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch mit dem Druckgeber (4) verbundene metallische Teile und die Membran des Empfängers (5) einen Kondensator bilden.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle beim Druckempfang wirksamen Kondensatorplatten des ale Empfänger (5) verwendeten Kondensatormikrofone identisch aufgebaut sind und aus gleichem Material bestehen.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur mechanischen Kompensation des Rückstoßes des Druckgebere (4) außerhalb der Modulationskammer (3) ein Körper (9) angeordnet ist, der zum Druckgeber (4) in Gegenphase schwingt,
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    14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gegenkopplung oder Regelung des phasengerechten Rückstoßes des zum Druckgeber (4) in Gegenphase schwingenden Körpers (9) ein rückstoßempfindlichea Mikrofon (10) vorgesehen ist.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektronischen Kompensation des Rückstoßsignals am als Empfänger (5) verwendeten Kondensatormikrofon außerhalb der Modulationskammer (3) ein zweites Kondensatormikrofon (11) angeordnet ist, das nur den Rückstoß empfängt.
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DE19772722560 1976-06-08 1977-05-18 Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen messung von gasdruecken Granted DE2722560A1 (de)

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