DE29719730U1 - Durchflußmeßgerät - Google Patents
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Description
GR 97 G 4455 DE
Beschreibung
Durchflußmeßgerät
Durchflußmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein Durchflußmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 43 3 6 370 Cl ist eine Vorrichtung zur Durchflußmessung
bekannt, bei welcher auf einer Seite eines Meßrohres zwei Ultraschallwandler angebracht sind, die alternierend im
Sende-/Empfangsbetrieb arbeiten. Auf der den Ultraschallwandlern gegenüberliegenden Seite des Meßrohres sind zwei
Reflektoren befestigt, deren Geometrie so ausgelegt ist, daß ein vom aktuellen Sendewandler erzeugtes Ultraschallsignal
spiralförmig durch das Meßrohr geführt wird. Dadurch wird eine weitgehend vom vorherrschenden Strömungsprofil unabhängige
Durchflußmessung erreicht. Zur spiralförmigen Schallführung werden beispielsweise bei einem viereckigen Meßrohr
Sende- und Empfangswandler an der Oberseite in axialem Abstand zueinander angeordnet. Jeweils an der den Wandlern
gegenüberliegenden Unterseite des Meßrohrs befindet sich ein Reflektor, dessen Flächennormale drei Komponenten in einem
rechtwinkligen Koordinatensystem aufweist, dessen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist. Durch den
ersten Reflektor im Weg des Schallsignals wird dieses derart abgelenkt, daß es nacheinander an einer Seitenwand, an der
Oberseite, an der anderen Seitenwand und schließlich am zweiten Reflektor wieder zur Oberseite hin reflektiert wird,
an der sich der Empfangswandler befindet. Bezüglich weiterer konstruktiver Einzelheiten der Schallführung wird auf die
DE 43 36 370 Cl verwiesen.
GR 97 G 4455 DE
Das bekannte Durchflußmeßgerät erlaubt aufgrund der spiralförmigen
Schallführung eine gute Abtastung des Strömungsprofils, da der Schall den Querschnitt des Meßrohrs nahezu
vollständig durchläuft. Im Ergebnis wird damit eine Wirkung erzielt, die etwa einer Integration über den Querschnitt des
Meßrohrs gleichkommt.
In industriellen Anwendungen kann es vorkommen, daß durch Pumpen, Rohrkrümmer oder andere Einbauten das fließende
Medium in eine Drallbewegung versetzt wird. Ist der Drall innerhalb des Durchflußmeßgeräts nicht abgeklungen, so kann
durch die Drallbewegung des Mediums der Meßwert verfälscht werden. Insbesondere bei spiralförmiger Schallführung kann
dieser Fehler auftreten, da das Schallsignal eine Drehbewegung um die Meßrohrachse ausführt. Eine Möglichkeit zur
Verringerung dieser Effekte ist der Einbau eines Drallbrechers vor der Meßstrecke des Durchflußmeßgeräts oder einer
ausreichend langen Rohrvorlaufstrecke, in welcher eine unerwünschte Drallbewegung vor der Meßstrecke abklingen kann.
Eine andere Möglichkeit zur Abhilfe könnte das in der bereits erwähnten DE 43 36 370 Cl beschriebene Unterteilen der Reflektoren
in jeweils zwei Reflexionsflächen darstellen. Die Reflexionsflächen werden derart ausgerichtet, daß die Wellenfront
eines einfallenden Schallsignals in zwei in unterschiedlicher Richtung weiterlaufende Wellenfronten aufgespalten
wird, die sich nach Durchlaufen eines gleich langen Weges im Meßrohr, jedoch mit einander entgegengesetzter
Drehbewegung um die Meßrohrachse, im zweiten Reflektor rekombinieren. Als Nachteil dieser Möglichkeit wird jedoch
angeführt, daß bei der Rekombination der Wellenfronten Signalpegelverluste zu erwarten sind.
GR 97 G 4455 DE
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflußmeßgerät mit einer verbesserten Meßgenauigkeit zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Durchflußmeßgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sich die unabhängig voneinander
betreibbaren Meßstrecken in keiner Weise gegenseitig beeinflussen. Eine Reduzierung der Signalpegel, die bei der
bekannten Lösung mit geteilten Reflektoren.durch Interferenz bei der Rekombination der beiden Wellenfronten auftreten
kann, wird vermieden. Parasitäre Schallwege, die an den Kanten eines geteilten Reflektors entstehen könnten und sich
dem Meßsignal überlagern würden, treten bei dem neuen Durchflußmeßgerät ebenfalls nicht auf.
In vorteilhafter Weise kann das neue Durchflußmeßgerät bezüglich
einer die Meßrohrachse einschließenden Ebene symmetrisch aufgebaut werden. Durch eine derartige Symmetrie kann
eine Drallerzeugung im Meßrohr ausgeschlossen werden. Ist das Strömungsprofil im Meßrohr dennoch drallbehaftet, so kann der
Einfluß des Dralls auf das Meßergebnis anhand des Vergleichs zweier Messungen mit gegenläufiger Drehbewegung des Schallsignals
analytisch kompensiert werden. Aufwendige konstruktive Maßnahmen zur Verhinderung einer Drallbewegung im Meßrohr,
beispielsweise durch Drallbrecher vor dem Meßrohreinlauf, sind nicht erforderlich, da auch bei drallbehafteten
Strömungsprofilen eine gute Meßgenauigkeit erreicht wird. Das neue Durchflußmeßgerät zeichnet sich somit durch einen geringeren
Raumbedarf am Einbauort aus. Zudem wird die Anlagen-
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Planung vereinfacht, da Einflüsse des Einbauorts sich weniger auf das Meßergebnis auswirken.
Aufgrund der Durchflußmessung mit mehreren, voneinander unabhängigen
Meßstrecken wird ein Ausgleich verbleibender Unsymitietrien
in der Schallausbreitung und Schallführung im Meßrohr, die durch Komponententoleranzen des Aufbaus oder Übertragungsverhaltens
der Wandler, der Reflektoren oder der Meßgeometrie bedingt sein können, durch algorithmische Auswertung
der Einzelmessungen ermöglicht.
Bei Ausfall einer Meßstrecke, beispielsweise wegen eines Wandlerdefekts, kann das Durchflußmeßgerät mit den verbleibenden
Meßstrecken bei verringerter Meßgenauigkeit weiterbetrieben werden. Durch die unabhängig betreibbaren Meßstrecken
wird somit die Verfügbarkeit des Durchflußmeßgeräts erhöht.
Ein Aufbau, der bezüglich einer die Meßrohrachse einschließenden Ebene symmetrisch ist, wird in einfacher Weise dadurch
erreicht, daß die Schallwandler zweier Meßstrecken an benachbarten Seiten des Meßrohrs angebracht sind. Werden die
Schallwandler paarweise auf gleicher axialer Höhe angeordnet, so messen beide Meßstrecken über denselben axialen Abschnitt
des Meßrohrs. Ein eventuell in der Medienströmung vorhandener Drall ist somit für beide Meßstrecken gleich. Durch einfache
Mittelwertbildung kann aus den Ergebnissen der Einzelmessungen mit beiden Meßstrecken ein Dralleinfluß kompensiert
werden. Zudem ist der Aufbau des Meßrohrs mit Schallwandlern auf gleicher axialer Höhe besonders kompakt.
Werden die Schallwandler der einen und die Schallwandler der weiteren Meßstrecke axial gegeneinander versetzt, so wird
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auch das Strömungsprofil auf der einen Meßstrecke axial versetzt
zur weiteren Meßstrecke abgetastet. Bei der Unterbringung der Wandler und Reflektoren am Meßrohr gibt es in
diesem Fall keinerlei Raumprobleme. Werden die Wandler paarweise auf derselben Seite des Meßrohrs angebracht, so genügt
für jedes Wandlerpaar ein Gehäuse und die Reflektoren beider Meßstrecken können paarweise in einer Reflektorkomponente
zusammengefaßt werden. Das Meßrohr ist auf diese Weise mit geringerem Aufwand realisierbar.
Eine besonders hohe Meßgenauigkeit wegen einer weitgehend homogenen Abtastung des Strömungsprofils wird erreicht, wenn
die Schallwandler das Schallsignal senkrecht zur Strömungsrichtung in das Meßrohr einstrahlen und wenn jeweils ein
Reflektor im Meßrohr gegenüber den Schallwandlern angeordnet ist, dessen Flächennormale drei Komponenten in einem rechtwinkligen
Koordinatensystem aufweist, dessen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist.
Die beiden Meßstrecken müssen nicht zwangsläufig dieselbe axiale Länge haben, da auch bei unterschiedlicher axialer
Länge der Meßstrecken eine analytische Kompensation des Dralleinflusses möglich ist. Durch eine Anbringung der
Schallwandler der weiteren Meßstrecke axial zwischen den Schallwandlern der einen Meßstrecke kann ein besonders
kompakter Aufbau des Meßrohres erreicht werden.
Für eine schnelle Meßfolge können auf mehreren Meßstrecken gleichzeitig Messungen durchgeführt werden. Es genügt jedoch
eine einzige Ansteuer- und Auswerteeinheit, wenn diese für die verschiedenen Meßstrecken umschaltbar ist. Der zusätzliche
Aufwand für weitere Meßstrecken beschränkt sich dann auf die Schallwandler und Reflektoren der Meßstrecke sowie
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eine Einrichtung zur wahlweisen Ansteuerung der verschiedenen Meßstrecken.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung
sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Meßrohr mit zwei Meßstrecken auf axial gleicher Höhe,
Figur 2 ein Schnittbild durch das Meßrohr nach Figur 1 mit
einem angedeuteten Schallweg einer-Meßstrecke,
Figur 3 ein Schnittbild des Meßrohrs nach Figur 1 mit angedeutetem Schallweg einer weiteren Meßstrecke,
Figur 4 ein Meßrohr mit axial gegeneinander versetzten Meßstrecken,
Figur 5 ein Meßrohr mit Meßstrecken unterschiedlicher axialer Länge und
Figur 5 ein Meßrohr mit Meßstrecken unterschiedlicher axialer Länge und
Figur 6 ein Meßrohr mit axial gegeneinander versetzten Meßstrecken,
deren Schallwandler auf einer Seite des Meßrohrs paarweise zusammengefaßt sind.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Meßrohrs 1, dessen Achse horizontal in der Zeichenebene verläuft. Das Meßrohr 1
wird von einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmt, dessen Durchflußmenge erfaßt werden soll. Ein Schallwandler
WIl zum Senden eines Schallsignals in das Meßrohr 1 und ein Schallwandler W12 zum Empfangen des durch das Medium übertragenen
Schallsignals gehören zu einer Meßstrecke. Gegenüber diesen Schallwandlern WIl und W12 ist jeweils ein Reflektor
RIl bzw. R12 angeordnet. Durch den Reflektor RIl wird das
Schallsignal derart reflektiert, daß es nacheinander zur hinteren Seitenwand, zur Oberseite, zur vorderen Seitenwand
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und zum Reflektor R12 gelangt. Das von dem Medium übertragene Schallsignal wird durch den Reflektor R12 zum Wandler W12
abgelenkt. Auf seinem Weg zwischen den Reflektoren RIl und R12 führt das Schallsignal somit eine Drehbewegung um die
Meßrohrachse aus. Durch eine Ansteuer- und Auswerteeinheit 2 wird die Laufzeit des Schallsignals erfaßt. In einer weiteren
Messung wird nun der Schallwandler W12 als Sender und der Schallwandler WIl als Empfänger eines Schallsignals betrieben.
Aus der Differenz der beiden gemessenen Laufzeiten kann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Meßrohr 1 berechnet
werden. Zur Kompensation einer Drallbewegung, die bei dieser Messung aufgrund der Drehbewegung, die das Schallsignal
in seinem Verlauf um die Meßrohrachse ausführt, die gemessenen Laufzeiten direkt beeinflußt und somit die Messung
der Strömungsgeschwindigkeit verfälscht, sind zwei weitere Schallwandler W21 und W22 an den Seiten des Meßrohrs angebracht.
Diese gehören zusammen mit zwei ihnen gegenüberliegenden, an der hinteren Seitenwand des Meßrohrs 1 angeordneten
Reflektoren zu einer weiteren Meßstrecke, deren Schallsignal eine Drehbewegung in entgegengesetzter Drehrichtung
ausführt. Ein Drall des Mediums wirkt sich daher mit umgekehrtem Vorzeichen auf das Meßergebnis der weiteren Meßstrecke
aus. Die beiden weiteren Schallwandler W21 und W22 werden ebenfalls von der Ansteuer- und Auswerteeinheit 2
alternierend als Sende- oder Empfangswandler betrieben. Aus den Laufzeitmessungen stromauf und stromab wird ein Meßergebnis
für die drallbehaftete Strömungsgeschwindigkeit auf der weiteren Meßstrecke berechnet. Durch Mittelwertbildung
wird aus den Meßwerten der Strömungsgeschwindigkeit der einen Meßstrecke und der weiteren Meßstrecke die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit
berechnet, die nun frei von durch Drall verursachten Meßfehlern ist.
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Anhand der Figuren 2 und 3 soll im folgenden die Führung der Schallsignale im Meßrohr 1 weiter verdeutlicht werden. Gleiche
Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Wandler WIl und der Reflektor RIl, die zu der einen Meßstrecke
gehören und an der Führung des in Figur 2 dargestellten Schallsignals beteiligt sind, wurden mit durchgezogenen
Linien eingezeichnet, während der nicht beteiligte Wandler W21 und der Reflektor R21 der weiteren Meßstrecke mit gestrichelten
Linien eingezeichnet sind. Entsprechend einem Pfeil 3 wird ein Schallsignal von dem Schallwandler WIl auf
den diesem gegenüberliegenden Reflektor RIl gesendet, der das Schallsignal gemäß einem Pfeil 4 derart ablenkt, daß es mit
mehreren Reflexionen an den Wänden des Meßrohrs 1 spiralförmig umlaufend zu dem in Figur 2 nicht dargestellten Reflektor
R12 gelangt, der es entsprechend einem Pfeil 5 zu dem ebenfalls in Figur 2 nicht sichtbaren Schallwandler W12
lenkt. Dieser Schallwandler ist in axialer Richtung zum Schallwandler WIl nach hinten versetzt und durch diesen
verdeckt.
Obwohl dies bei der Darstellung eines Meßrohrquerschnitts gemäß den Figuren 2 und 3, bei denen der spiralförmige Verlauf
des Schallwegs in die Zeichnungsebene projiziert wurde, nicht deutlich wird, hat der Weg des Schallsignals im spiralförmigen
Bereich selbstverständlich eine senkrecht zur Zeichnungsebene gerichtete Komponente, damit aus den Differenzen
gemessener Laufzeiten des Schallsignals stromauf und stromab auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden kann.
Figur 3 zeigt noch einmal den bereits in Figur 2 dargestellten Querschnitt eines Meßrohrs 1, in dem nun der Verlauf
eines Schallsignals für die weitere Meßstrecke verdeutlicht wird. Wiederum sind die an der Schallübertragung beteiligten
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Komponenten, der Schallwandler W21 und der Reflektor R21, mit
durchgezogenen Linien, dagegen der Schallwandler WIl und der Reflektor RIl, die daran nicht beteiligt sind, mit gestrichelten
Linien eingezeichnet. Entsprechend einem Pfeil 6 wird das weitere Schallsignal von dem Schallwandler W21 auf den
diesem gegenüberliegenden Reflektor R21 gesendet, der das Schallsignal gemäß einem Pfeil 7 derart ablenkt, daß es mit
mehreren Reflexionen an den Wänden des Meßrohrs 1 spiralförmig umlaufend zu einem zweiten, in Figur 3 nicht dargestellten
Reflektor gelangt, der es entsprechend einem Pfeil 8 zu dem ebenfalls in Figur 3 nicht sichtbaren Schallwandler
W22 (Figur 1) lenkt, der durch den Schallwandler W21 verdeckt wird.
Aus dem Vergleich der Figuren 2 und 3 wird deutlich, daß das Schallsignal der weiteren Meßstrecke (Figur 3) eine Drehbewegung
ausführt, die entgegengesetzt ist zu derjenigen des ersten Schallsignals der einen Meßstrecke (Figur 2). Aus den
mit beiden Meßstrecken ermittelten Schallaufzeiten kann ohne weiteres ein Meßwert der Strömungsgeschwindigkeit berechnet
werden, der frei von Dralleinflüssen ist. Die beiden Meßstrecken sind unabhängig voneinander betreibbar und ein
wechselseitiges Übersprechen ist für die Meßgenauigkeit praktisch ohne Bedeutung.
Die in Figur 4 gezeigte Anordnung von Schallwandlern W31 und W32 sowie Reflektoren R31 und R32 der einen Meßstrecke zu
weiteren Schallwandlern W41 und W42 einer weiteren Meßstrecke unterscheidet sich dahingehend von der in Figur 1 dargestellten
Anordnung, daß die beiden Meßstrecken gegeneinander axial versetzt sind. Der Aufbau des Meßrohrs ist dadurch zwar weniger
kompakt, erlaubt aber bei besserem Raumangebot für die Unterbringung der Schallwandler und Reflektoren die Reali-
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sierung komplett gleichartiger Schallführungen mit entgegengesetztem
Drehsinn.
Entsprechend Figur 5 kann eine weitere Meßstrecke mit Schallwandlern
W51 und W52 kürzer als eine Meßstrecke mit Schallwandlern W61 und W62 sowie diesen gegenüberliegenden Reflektoren
R61 und R62 ausgeführt werden. Bei entsprechend angepaßter Berechnungsmethode ist auch mit dieser Art eines
kompakten Aufbaus eine Drallkompensation der Strömungsgeschwindigkeitsmessung zu erreichen.
Figur 6 zeigt eine Meßstrecke mit Schallwandlern W71 und W72 sowie Reflektoren R71 und R72, die gegenüber einer weiteren
Meßstrecke mit Schallwandlern W81 und W82 sowie Reflektoren R81 und R82 nur geringfügig axial versetzt ist. Zudem sind
die Komponenten beider Meßstrecken auf übereinstimmenden Seiten eines Meßrohrs 9 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Wandler W71 und W81, die Wandler W72 und W82, die Reflektoren R71 und R81 sowie die Reflektoren R72
und R82 paarweise in Gehäusen 10, 11, 12 bzw. 13 zusammengefaßt. Ein Mehraufwand, der für die weitere Meßstrecke
erforderlich ist, wird damit in bezug auf Gehäuse und Abdichtungen erheblich vermindert.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wurden Meßrohre mit quadratischem Querschnitt und zwei Meßstrecken beschrieben.
Es ist aber ohne weiteres ersichtlich, daß die Erfindung alternativ auch bei anderen vieleckigen oder runden Meßrohren
bzw. bei Meßrohren mit mehr als zwei Meßstrecken anwendbar ist.
Claims (6)
1. Durchflußmeßgerät mit einem vom einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmten Meßrohr (1) mit einer Meßstrecke
zur Messung der Laufzeit eines Schallsignals durch das Medium, die einen Schallwandler (WIl) zum Senden des
Schallsignals in das Meßrohr (1) und einen in Strömungsrichtung von diesem beabstandeten Schallwandler (W12) zum
Empfangen des durch das Medium übertragenen Schallsignals aufweist, wobei das Schallsignal derart im Medium geführt
wird, daß es zumindest eine Reflexion an einer Wandung des Meßrohrs (1) erfährt und dabei eine Drehbewegung um die
Meßrohrachse ausführt, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine weitere, von der einen Meßstrecke unabhängig betreibbare Meßstrecke vorhanden ist, die einen weiteren
Schallwandler (W21) zum Senden eines weiteren Schallsignals in das Meßrohr (1) und einen weiteren Schallwandler
(W22) zum Empfangen des durch das Medium übertragenen weiteren Schallsignals aufweist, wobei das weitere Schallsignal
0 derart im Medium geführt wird, daß es eine Drehbewegung um die Meßrohrachse ausführt, die entgegengesetzt zu derjenigen
des ersten Schallsignals ist, und daß aus den Meßergebnissen auf der einen und der weiteren Meßstrecke ein Durchflußwert
ermittelt wird.
2. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (WIl, W12) der einen und
die Schallwandler (W21, W22) der weiteren Meßstrecke an benachbarten Seiten des Meßrohrs (1) angebracht sind.
3. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallwandler (WlI, W12) der einen
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und die Schallwandler (W21, W22) der weiteren Meßstrecke paarweise auf gleicher axialer Höhe angebracht sind.
4. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallwandler (W31, W32) der einen und die Schallwandler (W41, W42) der weiteren Meßstrecke
axial gegeneinander versetzt angeordnet sind.
5. Durchflußmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüehe,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler
(WIl, W12, W21, W22) das Schallsignal senkrecht zur Strömungsrichtung
in das Meßrohr (1) einstrahlen und daß jeweils ein Reflektor (RIl, R12, R21) im Meßrohr (1) gegenüber den
Schallwandlern (WIl, W12, W21, W22) angeordnet ist, dessen Flächennormale drei Komponenten in einem rechtwinkligen
Koordinatensystem aufweist, dessen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist.
6. Durchflußmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Ansteuer- und
Auswerteeinheit (2) für die Meßstrecken vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
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DE29719730U DE29719730U1 (de) | 1997-11-06 | 1997-11-06 | Durchflußmeßgerät |
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DE29719730U DE29719730U1 (de) | 1997-11-06 | 1997-11-06 | Durchflußmeßgerät |
Publications (1)
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DE29719730U1 true DE29719730U1 (de) | 1998-12-03 |
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DE29719730U Expired - Lifetime DE29719730U1 (de) | 1997-11-06 | 1997-11-06 | Durchflußmeßgerät |
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