DE3035608C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfüh ler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger Meßfühler ist bereits bekannt aus der DE-OS 29 42 494; dieser Meßfühler besitzt ein Heizelement, das mit gerin gem Abstand um ein rohrförmiges Sensorelement angeord net ist, welches auf seiner Außenseite eine mit einer gasdurchlässigen Schicht bedeckte Elektrode hat. Das Heizelement dieses nach dem potentiometrischen oder polarografischen Meßprinzip arbeitenden Meßfühlers, der auch ohne separaten Bezugsstoff zu arbeiten vermag, bedarf jedoch eines zusätzlichen Trägers.The invention is based on an electrochemical measuring probe according to the genus of the main claim. Such one Sensor is already known from DE-OS 29 42 494; this sensor has a heating element with low arranged according to the distance around a tubular sensor element net, which is on the outside one with a gas-permeable layer covered electrode. The Heating element this according to the potentiometric or polarographic measuring principle of working probe, who can work without a separate cover fabric, however requires an additional carrier.
Weiterhin ist bekannt, bei Abgassensoren von Brenn kraftmaschinen auf der Außenseite ein drahtförmiges Heizelement anzuordnen, welches gegenüber der Meßelek trode durch eine mit Löchern versehene Isolierhülse getrennt ist (US-PS 40 33 170); auch dieser Meßfühler be darf eines separaten Trägers für das Heizelement.It is also known in the case of exhaust gas sensors from Brenn engines on the outside a wire-shaped Arrange heating element, which is opposite the Meßelek trode through an insulating sleeve with holes is separated (US-PS 40 33 170); also this sensor be may have a separate support for the heating element.
Als zusätzlicher Stand der Technik sind die folgenden Veröffentlichungen zu nennen, deren Offenbarungen aber dem Anmeldegegenstand nicht näher stehen als die vorgenannten Veröffentlichungen:As additional prior art, the following are To name publications, their revelations but are not closer to the subject of registration than the aforementioned publications:
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DE-OS 25 47 683 (= US-PS 41 57 282)
DE-OS 27 11 880
DE-PS 19 54 663 (= US-PS 36 91 023)
US-PS 33 47 767
US-PS 36 07 701
JP-OS/PS 15 66 692/77DE-OS 25 47 683 (= US-PS 41 57 282)
DE-OS 27 11 880
DE-PS 19 54 663 (= US-PS 36 91 023)
U.S. Patent 3,347,767
U.S. Patent 36 07 701
JP-OS / PS 15 66 692/77
Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß er keinen separaten Träger für das Heizelement benötigt, einfach montierbar ist und die Beibehaltung des Aufbaus, der Gestaltung, der Fertigungsvorrichtungen und/oder Maschinen herkömmlicher Gassensoren gemäß der DE-OS 29 42 494 erlaubt.The electrochemical sensor according to the invention with the characteristic features of the main claim has the compared to the advantage that it does not have a separate carrier required for the heating element, is easy to assemble and maintaining the structure, the design, the Manufacturing devices and / or machines more conventional Gas sensors allowed according to DE-OS 29 42 494.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich; beson ders vorteilhaft ist die Anwendung der Heizelementanord nung bei Gassensoren, die nach dem polarografischen Meßprinzip arbeiten und bei denen die Außenelektrode mittels einer elektrisch isolierenden Diffusionsschicht für Sauerstoffmoleküle bedeckt ist, weil die relativ dicke, vorzugsweise an verschiedenen Bereichen unterschied lich dicke Diffusionsschicht eine zusätzlich aufzuheizende Wärmekapazität besitzt.By the measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements of sensor specified in the main claim possible; especially it is advantageous to use the heating element arrangement for gas sensors based on the polarographic Measuring principle work and where the outer electrode by means of an electrically insulating diffusion layer is covered for oxygen molecules because the relative thickness, preferably in different areas diffusion layer an additional one to be heated Possesses heat capacity.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; es zeigtAn embodiment of the invention is in the drawing shown and in the description below explained; it shows
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das wesentlich vergrößert dargestellte Sensorelement des elektrochemischen Meßfühlers und Fig. 1 shows a longitudinal section through the sensor element of the electrochemical sensor and shown substantially enlarged
Fig. 2 einen Quer schnitt durch das Sensorelement gemäß Fig. 1 nach der Linie II-II. Fig. 2 shows a cross section through the sensor element of FIG. 1 along the line II-II.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Sensorelement 10 ist beispielsweise einbaubar in einen Meßfühler, wie er in der DE-OS 29 42 494 dargestellt und beschrieben ist; bei dem in der genannten DE-OS beschriebenen Meß fühler entfällt nur das darin enthaltene Heizelement mit seinen Anschlüssen.The sensor element 10 shown in FIGS . 1 and 2 can be installed, for example, in a measuring sensor as shown and described in DE-OS 29 42 494; in the measuring sensor described in the aforementioned DE-OS, only the heating element contained therein with its connections is omitted.
Das Sensorelement 10 hat ein sauerstoffionenleitendes Festelektrolytrohr 11, das aus stabilisiertem Zirkon dyoxid besteht, an der Außenseite seines meßgasfernen Endabschnitts einen angeformten Flansch 12, eine mit 13 bezeichnete Längsbohrung mit einer anschlußseitigen Erweiterung 14 und einen vom meßgasseitigen Ende des Festelektrolytrohres 11 ausgehenden, bis in die Fest elektrolytrohr-Längsbohrung 13 durchgehenden und in Richtung Anschlußseite des Sensorelementes 10 füh renden Längsschlitz 15, der jedoch noch im vom Meß gas umströmten Bereich des Sensorelementes 10 endet. Die Längsbohrung 13 und die Außenseite 16 des Fest elektrolyts 11 laufen verjüngend zum meßgasnahen Ende des Festelektrolytrohres 11 zu. Die die Festelektrolytrohr- Außenseite 16 mit dem Festelektrolytrohr-Flansch 12 ver bindende Schulter 17 dient zur Auflage im nicht darge stellten Gehäuse des Meßfühlers; außerdem ist der in der Längsbohrungs-Erweiterung 14 befindliche Absatz mit 18 und die anschlußseitige Stirnfläche des Festelektrolyt rohres 11 mit 19 bezeichnet.The sensor element 10 has an oxygen-ion-conducting solid electrolyte tube 11 , which consists of stabilized zirconia, on the outside of its end portion remote from the measuring gas, a molded flange 12 , a longitudinal bore designated 13 with a connection-side extension 14 and an outgoing from the measuring gas end of the solid electrolyte tube 11 , into the Fixed electrolytic tube longitudinal bore 13 and in the direction of the connection side of the sensor element 10 leading longitudinal slot 15 , which, however, still ends in the area of the sensor element 10 around which the measurement gas flows. The longitudinal bore 13 and the outside 16 of the solid electrolyte 11 taper towards the end of the solid electrolyte tube 11 near the measuring gas. The solid electrolyte tube outside 16 with the solid electrolyte tube flange 12 ver binding shoulder 17 serves to rest in the sensor housing not Darge presented; in addition, the paragraph located in the longitudinal bore extension 14 with 18 and the connection-side end face of the solid electrolyte tube 11 with 19 .
Ein solches Festelektrolytrohr 11 ist in der Praxis etwa 30 mm lang und hat im Bereich der Erweiterung 14 einen Durchmesser von 12 mm; die 4 am 8 mm hohen Fest elektrolytrohr-Flansch 12 beginnende und bis zum meß gasseitigen Ende reichende Längsbohrung 13 hat einen maximalen Durchmesser von 4 mm und einen Durchmesser von 2 mm am meßgasnahen Ende.In practice, such a solid electrolyte tube 11 is about 30 mm long and has a diameter of 12 mm in the area of the extension 14 ; The 4 longitudinal bore 13 beginning at the 8 mm high fixed electrolyte tube flange 12 and reaching to the measuring gas end has a maximum diameter of 4 mm and a diameter of 2 mm at the end near the measuring gas.
In der Längsbohrung 13 des Festelektrolytrohres 11 be findet sich eine erste Elektrode 20, die als dünne Schicht ringförmig angeordnet ist, aus porösem Platin besteht und mittels einer Leiterbahn 20/1 mit der Festelektrolyt-Stirnfläche 19 als Kontaktbereich ver bunden ist. Diese erste Elektrode 20 dient zumeist als Bezugselektrode und ist dem Meßgas durch die Festelektro lytrohr-Längsbohrung 13 zugänglich.In the longitudinal bore 13 of the solid electrolyte tube 11 there is a first electrode 20 , which is arranged in a ring as a thin layer, consists of porous platinum and is connected by means of a conductor 20/1 with the solid electrolyte end face 19 as a contact area. This first electrode 20 mostly serves as a reference electrode and is accessible to the measuring gas through the solid electrolyte lytrohr longitudinal bore 13 .
Auf der Außenseite 16 des Festelektrolytrohres 11 ist koaxial zur ersten Elektrode 20 eine zweite Elektrode 21 schichtförmig aufgebracht; diese zweite Elektrode 21 besteht aus einer gasdurchlässigen Platinschicht, ist zumeist etwas breiter als die erste Elektrode 20, ist mit einer Leiterbahn 21/1 über der als Kontakt fläche mit dem nicht dargestellten Meßfühler-Gehäuse dienenden Festelektrolytrohr-Schulter 17 verbunden und dient zumeist als Meßelektrode.On the outside 16 of the solid electrolyte tube 11 , a second electrode 21 is applied in the form of a layer coaxially to the first electrode 20 ; this second electrode 21 consists of a gas-permeable platinum layer, is usually somewhat wider than the first electrode 20 , is connected to a conductor track 21/1 over the surface serving as a contact with the sensor housing (not shown) solid electrolyte tube shoulder 17 and mostly serves as a measuring electrode .
Der dem Meßgas ausgesetzte Bereich der Festelektrolytrohr- Außenseite 16 einschließlich der zweiten Elektrode 21 und der zugehörigen Leiterbahn 21/1 ist mit einer Isolierung 22 bedeckt, die aus einem gasdurchlässigen, elektrisch isolierenden Material wie z. B. Magnesium- Spindel besteht und je nach Meßprinzip des Sensor elementes 10 unterschiedlich ausgebildet sein kann:The area exposed to the measuring gas of the solid electrolyte tube outside 16 including the second electrode 21 and the associated conductor track 21/1 is covered with an insulation 22 , which is made of a gas-permeable, electrically insulating material such as. B. Magnesium spindle and can be designed differently depending on the measuring principle of the sensor element 10 :
Während die gasdurchlässige Isolierung 22 bei einem nach dem potentiometrischen Meßprinzip arbeitenden Sensorelement 10 nur als Schutzschicht gegenüber dem Meßgas dienen soll und eine Dicke im µm-Bereich hat, ist die hier im Beispiel für ein nach dem pola rografischen Meßprinzip arbeitenden Sensorelement 10 vorzugsweise durch Plasmaspritzen aufgebrachte Isolierung 22 im Meßbereich etwa 0,5 mm dick; in diesem Falle findet die Isolierung 22 als Diffusions barriere für Sauerstoffmoleküle Anwendung. Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Isolierung 22 so ge staltet, daß sie sich vom meßgasseitigen Ende des Fest elektrolytrohres 11 in Richtung auf die Festelektro lytrohr-Schulter 17 sich erstreckt und dabei in ihrer Dicke abnimmt; insgesamt verjüngt sich jedoch das mit der Isolierung 22 überzogene Festelektrolyt rohr 11 zum meßgasnahen Ende des Festelektrolyt rohres 11 hin.While the gas-permeable insulation 22 in a sensor element 10 working according to the potentiometric measuring principle is only intended to serve as a protective layer against the measuring gas and has a thickness in the μm range, the sensor element 10 working here according to the polar measuring principle is preferably applied by plasma spraying Insulation 22 in the measuring range about 0.5 mm thick; in this case, the insulation 22 is used as a diffusion barrier for oxygen molecules. To carry out the present invention, the insulation 22 is designed so that it extends from the measuring gas-side end of the solid electrolyte tube 11 in the direction of the solid electrolyte shoulder 17 and thereby decreases in thickness; overall, however, the solid electrolyte tube 11 coated with the insulation 22 tapers toward the end of the solid electrolyte tube 11 near the measuring gas.
Damit die zweite Elektrode 21 im Bereich des Fest elektrolytrohr-Längsschlitzes 15 nicht direkt dem Meßgas ausgesetzt ist, ist der diesbezügliche Bereich mittels einer gasdichten Deckschicht 23 überzogen; diese Deckschicht 23 besteht aus Glas oder Glaskeramik; auf eine solche Deckschicht 23 kann verzichtet werden, sofern die zweite Elektrode 21 nicht bis zum Festelektro lytrohr-Längsschlitz 15 reicht.So that the second electrode 21 in the area of the solid electrolyte tube longitudinal slot 15 is not directly exposed to the measurement gas, the area in question is covered by a gas-tight cover layer 23 ; this cover layer 23 consists of glass or glass ceramic; Such a cover layer 23 can be dispensed with, provided that the second electrode 21 does not extend as far as the solid electrolyte longitudinal slot 15 .
Da elektrochemische Meßfühler, die nach dem polarogra fischen Meßprinzip arbeiten, temperaturabhängig sind, ist es zweckmäßig und bekannt, sie mit einem Heizelement 24 zu versehen; ein solches Heizelement 24 ist besonders dann wichtig, wenn es in Brennkraftmaschinen von Kraft fahrzeugen oder ähnlichem eingesetzt ist: Mittels eines Heizelementes 24 ist nicht nur eine Erhöhung der Meß genauigkeit zu erzielen, weil der Meßfühler auf der not wendigen Betriebstemperatur von 600 bis 700°C gehalten werden kann, sondern es kann auch einen solchen Sensor bereits vor dem Kaltstart von Brennkraftmaschinen be triebsbereit machen, es kann die Lebensdauer derar tiger Sensorelemente 10 in bleihaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen verbessern und es erlaubt außer dem das Anbringen derartiger Meßfühler an solchen Stellen des Brennkraftmaschinen-Abgasrohres, an denen sich die Abgase bereits abgekühlt haben. Das erfin dungsgemäße Heizelement 24 besteht aus einem wendel förmig, direkt auf der Isolierung 22 angeordneten Draht aus einer bekannten Heizleiterlegierung wie sie z. B. unter dem Warenzeichen "Kanthal" bekannt ist. Die zumeist im Querschnitt größeren Endabschnitte 24/1 und 24/2 des Heizelementes 24 führen dabei durch die Längsbohrung 13 bzw. die Erweiterung 14 des Festelek trolytrohres 11; während ein Endabschnitt 24/1 in etwa zentral durch die Festelektrolytrohr-Längsbohrung 13 führt und etwa im Bereich des meßgasnahen End abschnitts vom Festelektrolytrohr 11 mit dem eigent lichen, direkt auf der Isolierung 22 liegenden Heiz element 24 verbunden ist, führt der andere Endabschnitt 24/2 durch den anschlußseitigen Endabschnitt des Fest elektrolytrohr-Längsschlitzes 15, dann durch einen Teil der Festelektrolytrohr-Längsbohrung 13 und an schließend durch die Festelektrolytrohr-Erweiterung 14. Diese erfindungsgemäße Gestaltung des Heizelementes 24 mit seinen Endabschnitten 24/1 und 24/2 ermöglicht ein Montieren des Heizelementes 24 auf dem Sensorelement 10 durch einfaches Einführen der Endabschnitte 24/1 und 24/2 in die Längsbohrung 13, wobei das Heizelement 24 im Bereich der Übergangsstelle zum Endabschnitt 24/2 im Festelektrolyt-Längsschlitz 15 entlang geführt werden muß. Die beiden Heizelement-Endabschnitte 24/1 und 24/2 sind im anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 mittels eines keramischen Führungsteils 25 fixiert und gegeneinander elektrisch isoliert; dieses Führungsteil 25 liegt mit einer Schulter 26 auf dem Bohrungsabsatz 18 des Festelektrolyt rohres 11 auf, ragt jedoch auch noch ein kleines Stück in die Festelektrolyt-Längsbohrung 13 hinein. Die Heizelement-Endabschnitte 24/1 und 24/2 können (nicht dargestellt) mit ihren anschlußseitigen Enden direkt bis in den Anschlußbereich des nicht vollständig dargestellten Meßfühlers reichen, sie können aber auch (nicht dargestellt) als Kontaktflächen auf der Festelektrolyt-Stirn fläche 19 enden, müssen dann jedoch gegenüber der Elektroden-Leiterbahnen 20/1 isoliert werden und erst von dort aus mit nicht dargestellten Anschlußelementen in Kontakt gebracht werden. Das Führungsteil 25 kann nach dem beschriebenen Aufschieben des Heizelementes 24 auf das Festelektrolytrohr 11 von der anschlußsei tigen Seite her auf die Heizelement-Endabschnitte 24/1 und 24/2 aufgeschoben werden. Since electrochemical sensors, which work according to the polarographic principle of measurement, are temperature-dependent, it is expedient and known to provide them with a heating element 24 ; Such a heating element 24 is particularly important when it is used in internal combustion engines of motor vehicles or the like: by means of a heating element 24 it is not only possible to achieve an increase in measuring accuracy, because the sensor on the necessary operating temperature of 600 to 700 ° C. can be kept, but it can also make such a sensor ready for operation even before the cold start of internal combustion engines, it can improve the life of such sensor elements 10 in lead-containing exhaust gases from internal combustion engines and it also allows the attachment of such sensors at such points of the internal combustion engine. Exhaust pipe on which the exhaust gases have already cooled. The invented heating element 24 according to the invention consists of a helical, directly on the insulation 22 arranged wire made of a known heat conductor alloy as z. B. is known under the trademark "Kanthal". The mostly larger cross-section end portions 24/1 and 24/2 of the heating element 24 lead through the longitudinal bore 13 or the extension 14 of the Festelek trolytrohres 11 ; while one end section 24/1 runs approximately centrally through the solid electrolyte tube longitudinal bore 13 and is connected approximately in the region of the measurement gas-near end section of the solid electrolyte tube 11 to the actual union element 24 lying directly on the insulation 22 , the other end section 24 / 2 through the connection-side end section of the solid electrolyte tube longitudinal slot 15 , then through part of the solid electrolyte tube longitudinal bore 13 and then through the solid electrolyte tube extension 14 . This inventive design of the heating element 24 with its end sections 24/1 and 24/2 enables the heating element 24 to be mounted on the sensor element 10 by simply inserting the end sections 24/1 and 24/2 into the longitudinal bore 13 , the heating element 24 being in the region of the Transition point to the end section 24/2 in the solid electrolyte longitudinal slot 15 must be guided along. The two heating element end sections 24/1 and 24/2 are fixed in the connection-side end section of the solid electrolyte tube 11 by means of a ceramic guide part 25 and are electrically insulated from one another; this guide part 25 rests with a shoulder 26 on the bore shoulder 18 of the solid electrolyte tube 11 , but also protrudes a little bit into the solid electrolyte longitudinal bore 13 . The heating element end portions 24/1 and 24/2 can (not shown) with their connection-side ends directly into the connection area of the sensor, not shown completely, but they can also (not shown) end as contact surfaces on the solid electrolyte end face 19 , however, must then be insulated from the electrode conductor tracks 20/1 and only brought into contact with connection elements (not shown) from there. The guide member 25 can be pushed onto the heating element end sections 24/1 and 24/2 after the described pushing of the heating element 24 onto the solid electrolyte tube 11 from the connection side side.
Während der Zutritt von Umgebungslunft in den Meßbereich des Sensorelementes 10 auf der Außenseite des Sensor elementes 10 mittels einer geeigneten Abdichtung (nicht dargestellt, Beispiel in der bereits zitierten DE-OS 29 42 494) verhindert wird, wird auf die meßgas seitige Stirnseite 27 des Führungsteils 25 eine Dichtung 28 aufgebracht, die elektrisch isolierend ist und bei spielsweise aus Glas oder Glaskeramik besteht; diese Dichtung 28 kann derart hergestellt werden, daß durch den Festelektrolyt-Längsschlitz 15 bei mit dem meß gasnahen Ende nach oben stehendem Festelektrolytrohr 11 Glaspulver eingeführt wird, welches anschließend beispiels weise in einem Durchlaufofen geschmolzen wird. Anstelle der Verwendung von derartig schmelzendem Glaspulver kann aber auch ein auf der Führungsteil-Stirnseite 27 ange ordnetes Glasformteil Verwendung finden, das dann an schließend ebenfalls geschmolzen wird.While the access of ambient air in the measuring range of the sensor element 10 on the outside of the sensor element 10 by means of a suitable seal (not shown, example in the already cited DE-OS 29 42 494) is prevented, on the measurement gas side end face 27 of the guide part 25 a seal 28 is applied, which is electrically insulating and consists, for example, of glass or glass ceramic; this seal 28 can be produced in such a way that 11 glass powder is introduced through the solid electrolyte longitudinal slot 15 with the solid electrolyte tube 11 with the measurement near the gas end, which is then melted, for example, in a continuous furnace. Instead of using such melting glass powder, however, a glass molded part arranged on the guide part end face 27 can also be used, which is then also melted at the closing.
Anstelle des einen Festelektrolytrohr-Längsschlitzes 15 können auch zwei, vorzugsweise gegenüberliegende derartige Längsschlitze Verwendung finden, sofern der Heizelement-Endabschnitt 24/1 an einer anderen Stelle aus der Festelektrolytrohr-Längsbohrung 13 heraustreten soll.Instead of one solid electrolyte tube longitudinal slot 15 , two, preferably opposite, such longitudinal slots can also be used, provided that the heating element end section 24/1 is to emerge from the solid electrolyte tube longitudinal bore 13 at another location.
Die unterschiedliche Dicke der als Diffusionsbarriere für Sauerstoffmoleküle wirkenden Isolierung 22 bietet zusätzlich den Vorteil, daß sie unempfindlicher gegen über Schichtdickenfehler beim Aufbringen dieser Schicht 22 ist, was auf eine günstigere Stromdichte-Verteilung zurückzuführen ist.The different thickness of the insulation 22 acting as a diffusion barrier for oxygen molecules additionally offers the advantage that it is less sensitive to layer thickness errors when applying this layer 22 , which is due to a more favorable current density distribution.
Claims (3)
- a) das Heizelement (24) auf der Isolierung (22) auf liegt und daß
- b) der in das Meßgas ragende Abschnitt des Festelektrolyt rohres (11) mindestens einen vom meßgasnahen Ende des Festelektrolytrohres (11) ausgehenden und bis in die Festelektrolytrohr-Längsbohrung (13) gehenden Längs schlitz (15) besitzt, durch welchen mindestens ein Endabschnitt (24/2) des Heizelementes (24) in die Festelektrolytrohr-Längsbohrung (13) und dann elek trisch isoliert mit dem zweiten Heizelement-Endab schnitt (24/1) zum anschlußseitigen Bereich des Fest elektrolytrohres (11) führt, und daß
- c) die Festelektrolytrohr-Längsbohrung (13) eine Dichtung (28) enthält, die den Zutritt von Luft in den Meß bereich des Sensorelementes (10) verhindert.
- a) the heating element ( 24 ) on the insulation ( 22 ) and that
- , b) projecting into the measurement gas portion having the solid electrolyte tube (11) at least one outgoing from meßgasnahen end of the solid electrolyte tube (11) and to the solid electrolyte tube longitudinal bore (13) continuous longitudinal slot (15) through which at least one end portion (24 / 2 ) of the heating element ( 24 ) in the solid electrolyte tube longitudinal bore ( 13 ) and then electrically isolated with the second heating element Endab section ( 24/1 ) leads to the connection-side region of the solid electrolyte tube ( 11 ), and that
- c) the solid electrolyte tube longitudinal bore ( 13 ) contains a seal ( 28 ) which prevents the entry of air into the measuring area of the sensor element ( 10 ).
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Legal Events
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