DE3604439A1 - Elektro-akustischer wandler, insbesondere fuer eine sonareinrichtung - Google Patents
Elektro-akustischer wandler, insbesondere fuer eine sonareinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektro-akustischen Wandler,
insbesondere ein Hydrophon für eine Sonareinrichtung,
mit wenigstens einem im wesentlichen freischwingend
angeordneten piezoelektrischen Wandlerelement, dessen
an seiner Oberfläche verlaufende positive und negative
Elektrode jeweils an einer Anschlußstelle mit einer
Anschlußleitung verbunden sind.
Mit einem elektro-akustischen Wandler sind bekanntlich
bei aktiver Betriebsweise elektrische Signale in abzustrahlende
Schallsignale umzuwandeln und bei passiver
Betriebsweise auf den Wandler treffende Schallwellen in
auszuwertende elektrische Signale. Derartige Wandler finden
für verschiedenartigste Einsatzfälle in der Schiffahrt,
der Medizintechnik etc. Verwendung, und zwar werden sie
in der Schiffahrt für Echolot-Einrichtungen ebenso eingesetzt
wie für Sonareinrichtungen, mit denen von einem
Schiff aus größere Fischschwärme, andere Schiffe od. dgl.
zu orten sind.
Ein derartiger Wandler enthält wenigstens ein heutzutage
im allgemeinen im wesentlichen aus Keramik (z. B. Bariumtitanat,
Zirkontitanat od. dgl.) bestehendes Wandlerelement,
welches scheibenförmig, buchsenförmig oder auch anders
ausgebildet sein kann, an dessen Oberfläche die aus
Metall bestehenden positiven und negativen Elektroden
verlaufen, die im allgemeinen auf das Keramikmaterial
aufgedampft werden. Dabei besteht eine (positive oder
negative) Elektrode häufig aus mehreren Einzelelektroden,
die dann durch Verbindungsleitungen untereinander verbunden
sind. Weist ein derartiger Wandler mehrere (in der Praxis
häufig auch als "Wandlerkeramik" bezeichnete) Wandlerelemente
auf, so sind selbstverständlich jeweils deren positive
Elektroden untereinander verbunden und desgleichen ihre
negativen Elektroden, so daß im allgemeinen lediglich zwei
Anschlußleitungen zu der entsprechenden Auswerteeinrichtung
führen.
Wird ein derartiges Wandlerelement mit Schallwellen beaufschlagt,
so erzeugt es aufgrund seiner piezoelektrischen
Eigenschaften entsprechende elektrische Spannungssignale,
die von den Elektroden des Wandlerelementes aufgenommen und
über die Anschlußleitungen weitergeführt werden. Eine wesentliche
Voraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten eines
derartigen Wandlers besteht darin, daß die Elektroden hochohmig
gegeneinander isoliert sind (erforderlicher Isolationswiderstand
beispielsweise 102-106 MΩ). Wird nämlich
ein entsprechend hoher Isolationswiderstand zwischen den
Elektroden nicht erreicht oder geht er während des Betriebes
verloren, so ist ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht mehr
möglich. Dieses Erfordernis führt insbesondere bei Hydrophonen
häufig zu Schwierigkeiten bzw. Ausfällen, die im
eingebauten Betriebszustand notwendigerweise mehr oder
weniger ständig mit Wasser beaufschlagt werden, wobei sich
gezeigt hat, daß es trotz eines Eingießens der Wandlerelemente
in eine als Feuchtigkeitsschutz vorgesehene,
in sich völlig geschlossene Kunststoffummantelung im
Verlaufe längerer Betriebszeit zu einem Eindringen von
Feuchtigkeit bis zum Wandlerelement/zu den Wandlerelementen
kommt, was zu einem Zusammenbruch des erforderlichen hochohmigen
Isolationswiderstandes zwischen den Elektroden führt.
Es ist zwar grundsätzlich möglich, die Wandlerelemente
derartiger Wandler mit Kunststoffen zu umgießen, die zumindest
einen sehr langen, ggf. sogar dauerhaften Feuchtigkeitsschutz
bieten. Hierbei handelt es sich jedoch um Kunststoffe,
die nur unter relativ hohem Druck und hohen Temperaturen
zu verarbeiten sind, was bereits in der Entwicklungsphase und
nicht zuletzt bei der laufenden Produktion zu unvertretbar
hohen Kosten führt. Drucklos verarbeitende Kunststoffe
wie Polyurethan, die mit vertretbarem Kostenaufwand zu
verarbeiten sind, bieten indes keinen dauerhaften Feuchtigkeitsschutz,
so daß es bei derartigen Hydrophonen insbesondere
nach längerer Betriebszeit zu einer relativ großen Anzahl
von Ausfällen durch eingedrungene Feuchtigkeit kommt.
Dieses dürfte u. a. daran liegen, daß leicht verarbeitbare
Kunststoffe wie Polyurethan bei ständiger Beaufschlagung
mit Wasser feuchtigkeitsdurchlässig werden, so daß Feuchtigkeit
durch die Kunststoffummantelung bis zum Wandlerelement
vordringen kann, und/oder daß an den ebenfalls in die
Kunststoffummantelung eingegossenen Anschlußleitungen (vermutlich
insbesondere zwischen dem eigentlichen Metalleiter
und der diesen umhüllenden, an ihrer Außenseite umgossenen
Isolierung) im Verlaufe längerer Betriebszeit Feuchtigkeit
bis zu dem betreffenden Wandlerelement gelangen und demgemäß
den erforderlichen hohen Isolationswiderstand zusammenbrechen
lassen kann.
Um trotz der Kunststoffummantelung zu den Wandlerelementen
vordringende Feuchtigkeit aufnehmen und möglichst von den
Elektroden fernhalten zu können, hat man im Bereich der
Wandlerelemente feuchtigkeitsabsorbierendes Material angeordnet,
doch hat auch diese Maßnahme nicht verhindern können,
daß Hydrophone nach längerer Betriebszeit in größerem Umfange
ausfallen. Auch eine Beschichtung der Elektroden mit üblichen
Isolierlacken hat auf Dauer nicht zu einer Abhilfe geführt,
da sich gezeigt hat, daß Isolierlacke auf Dauer nicht völlig
wasserundurchlässig sind.
Andererseits ist man bisher davon ausgegangen, daß eine
völlig feuchtigkeitsdichte Einkapselung der Wandlerelemente
mit einem vertretbaren Fertigungsaufwand nicht möglich ist,
zumal die Oberfläche eines Wandlerelementes mit der Kunststoffummantelung
in Verbindung stehen muß, um die die
Außenfläche der Kunststoffummantelung beaufschlagenden Schallwellen
auf die Wandlerelemente übertragen zu können, und ist
weiterhin davon ausgegangen, daß eine Einbettung der Wandlerelektroden
in ein absolut wasserundurchlässiges Isolationsmaterial
schon deshalb ausscheidet, weil dieses die erforderlichen
Schwingungseigenschaften des Wandlerelementes
zu stark beeinträchtigen würde, so daß man bisher trotz
zahlreicher intensiver Bemühungen nicht zu einer befriedigenden
Lösung für das hier angesprochene Problem einer
dauerhaften hochohmigen Isolierung der Wandlerelektroden
gekommen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Wandler der eingangs beschriebenen Gattung so zu
verbessern, daß trotz einer Kunststoffummantelung aus
einem auf Dauer nicht völlig feuchtigkeitsundurchlässigen,
leicht verarbeitbaren Kunststoff wie Polyurethan die
erforderliche Isolierung der Wandlerelektroden auf einfache
Weise dauerhaft zu erreichen ist, ohne daß hierdurch die
Wandlereigenschaften in einem beachtlichen Ausmaße nachteilig
beeinflußt werden.
Als Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß wenigstens an jedem beide Elektroden aufweisenden
Oberflächenabschnitt des Wandlerelementes wenigstens eine
Elektrode mit einer Asphaltschicht beschichtet ist.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei einer
erfindungsgemäßen Ausbildung eines Wandlers nicht nur eine
dauerhafte hochohmige Isolierung zu erreichen bzw. aufrechtzuerhalten
ist, sondern daß die erfindungsgemäß vorgesehene
Beschichtung der wenigstens einen Elektrode mit Asphalt
überraschenderweise nicht zu einer beachtlichen Dämpfung
und demgemäß nicht zu einer Herabsetzung des Wandlerwirkungsgrades
bzgl. der Aufnahme und Umsetzung der
Schallenergie in elektrische Energie führt. Vielmehr sind
bei einer entsprechenden Beschichtung mit Asphalt praktisch
die gleichen entsprechenden Werte zu erreichen wie ohne
Beschichtung, wobei sich diese Werte auch nach langer Betriebszeit
nicht verändern. Letzteres liegt vermutlich daran, daß
der Asphalt - im Gegensatz zu Luft - absolut trocken ist und
auch während längerer Betriebszeit nicht aushärtet, und
im übrigen daran, daß Asphalt offenbar überraschenderweise
praktisch schwingungsneutral ist.
Wird an einem sowohl die positive als auch die negative
Elektrode aufweisenden Oberflächenabschnitt eines Wandlerelementes
wenigstens eine Elektrode erfindungsgemäß mit
Asphalt beschichtet und sollte es dennoch zu einem Eindringen
von Feuchtigkeit bis zum Wandlerelement kommen,
so kann diese Feuchtigkeit nicht zu einem Zusammenbrechen
des Isolationswiderstandes führen. Im übrigen wird bei
einer Beschichtung der Anschlußstelle einer Anschlußleitung
an eine Elektrode mit Asphalt ersichtlich bereits von
vorherein verhindert, daß längs der Anschlußleitung von
außen her eingedrungene Feuchtigkeit aus der Anschlußleitung
austreten kann.
Schon aus diesem Grunde besteht eine bevorzugte Ausgestaltung
darin, daß jeweils an einem beide Elektroden aufweisenden
Oberflächenabschnitt eines Wandlerelementes beide Elektroden
einschließlich ihrer Anschlußstellen mit Asphalt
beschichtet sind.
Da die Elektroden üblicherweise Wandlerelemente häufig jeweils
aus mehreren mit gegenseitigem Abstand angeordneten Elektrodenabschnitten bestehen, die ring- oder stabförmig an der
Oberfläche angeordnet bzw. in diese eingebettet sind, so
daß eine Mehrzahl kritischer Stellen vorliegt, an denen
der erforderliche hohe Isolationswiderstand zwischen den
Elektroden bei einem Auftreten von Feuchtigkeit zusammenbrechen
kann, besteht eine höchst bevorzugte Ausbildung
der vorliegenden Erfindung darin, daß ein beide Elektroden
aufweisender Oberflächenabschnitt im wesentlichen vollständig
mit Asphalt beschichtet ist. Auch bei dieser bevorzugten
Ausbildung hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das
Schwingungsverhalten des Wandlers hierdurch nicht nachteilig
beeinflußt wird.
In Fällen, in denen der Anschluß der Anschlußleitungen an
eine Elektrode nicht an einem Oberflächenabschnitt des
Wandlerelementes erfolgt, an dem beide Elektroden vorhanden
sind, kann es zur Verhinderung eines Eindringens
von Feuchtigkeit durch die Anschlußleitung zweckmäßig
sein, wenigstens die Anschlußstelle der betreffenden
Anschlußleitung ebenfalls mit Asphalt zu beschichten.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Elektrode ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen etwas vereinfachten bzw. schematisierten
Längsquerschnitt durch ein
Hydrophon;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Wandlers für
das Hydrophon gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine stirnseitige Draufsicht auf den
Wandler gemäß Fig. 2 in Richtung des
Pfeiles III in Fig. 2 gesehen; und
Fig. 4 eine teilweise Abwicklung des Wandlers
gemäß den Fig. 2 und 3 in einer Draufsicht
auf die Wandlerinnenseite.
Fig. 1 zeigt in einer etwas vereinfachten bzw. schematisierten
Darstellung einen Längsschnitt durch den wesentlichen Teil
eines im ganzen mit 1 bezeichneten Hydrophons für eine Sonareinrichtung
mit einem hohlzylindrischen Wandlerelement 2,
welches aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial besteht.
Das Wandlerelement 2 ist an seinen beiden ringförmigen
Stirnseiten jeweils mit einem elastischen Dichtring 3
im wesentlichen freischwingend an einem Kopfflansch 4 und
einem Fußflansch 5 abgestützt, die durch ein mit radialem
Abstand zur inneren Mantelfläche 6 des Wandlerelementes 2
angeordnetes, stempelförmiges Mittelteil 7 miteinander
verbunden sind.
An der Oberfläche des Wandlerelementes 2 verlaufen sieben
positive Elektroden 8 und sieben negative Elektroden 9. Die
Elektroden 8, 9 verlaufen jeweils parallel zur Längsachse 10
des Wandlerelementes 2 bzw. des Hydrophons 1, wobei die
positiven Elektroden 8 jeweils ringförmig ausgebildet sind
und mithin über die innere Mantelfläche 6, die beiden
Stirnseiten11 und die äußere Mantelfläche 12 des Wandlerelementes 2
verlaufen, während die negativen Elektroden 9
gleichsam stabförmig ausgebildet sind und nur an der
inneren Mantelfläche 6 des Wandlerelementes 2 verlaufen
(s. Fig. 4). Positive Elektroden 8 und negative Elektroden 9
wechseln jeweils miteinander ab und weisen jeweils zueinander
den gleichen Abstand auf. Die positiven Elektroden 8
sind untereinander mit einer Verbindungsleitung 13 verbunden,
während die negativen Elektroden 9 untereinander
mit einer Verbindungsleitung 14 verbunden sind. Von den
Verbindungsleitungen 13 und 14 zweigt jeweils eine Anschlußleitung
15 bzw. 17 ab, die zu einer Auswerteeinrichtung
führen.
Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist die im wesentlichen aus
dem Wandlerelement 2, den Flanschen 4, 5 und dem Mittelteil 7
bestehende, im wesentlichen topfförmige Einheit vollständig
in eine in Fig. 1 kreuzschraffiert dargestellte
Kunststoffummantelung 19 eingegossen, die einen Feuchtigkeitsschutz
bildet und aus Polyurethan besteht. Das gleiche
gilt für die Anschlußleitungen 15 und 17.
Da es sich gezeigt hat, daß es im Verlaufe längerer
Betriebszeit trotz der Kunststoffummantelung 19 zu einem
Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Wandlers 2
kommt, was zu einem Zusammenbrechen des erforderlichen
hohen Isolationswiderstandes zwischen einander benachbarten
positiven Elektroden 8 und negativen Elektroden 9
führt, ist die innere Mantelfläche 6 des Wandlerelementes 2
vollständig mit einer dünnen Asphaltschicht 20 beschichtet,
die im mittleren rechten Teil von Fig. 1 kreuzschraffiert
angedeutet und im entsprechenden linken Teil von Fig. 1
der besseren Darstellung halber fortgelassen ist, um dort
den unterhalb der Asphaltbeschichtung 20 vorhandenen
Elektrodenverlauf zu zeigen.
Dringt während des Betriebes - bei dem die Außenseite 19′
der Kunststoffummantelung 19 mit Wasser beaufschlagt wird,
um Schallsignale auffangen und mittels des Wandlerelementes 2
in elektrische Spannungssignale umwandeln zu können -
Feuchtigkeit entweder durch den Kunststoff der Kunststoffummantelung
19 oder längs der Anschlußleitungen 15, 17 in
das Innere des Wandlerelementes 2 ein, so kann diese Feuchtigkeit
den ordnungsgemäßen Betrieb des Hydrophons nicht in
nachteiliger Weise beeinflussen, da eingedrungene
Feuchtigkeit keine Möglichkeit hat, eine Verbindung zwischen
zwei Elektroden 8, 9 herzustellen.
Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß es trotz der
erfindungsgemäß vorgesehenen Asphaltbeschichtung an der inneren
Mantelfläche 6 des Wandlers 2 nicht zu einer irgendwie
gearteten nachteiligen Beeinflussung des Schwingungsverhaltens
des Wandlerelementes 2 und damit des Betriebsverhaltens
des Hydrophons 1 kommt, da sich der den erforderlichen
hohen Isolationswiderstand auf Dauer sicherstellende
Asphalt überraschenderweise schwingungsmäßig
neutral verhält und selbst über lange Betriebszeiten
für stabile Betriebsbedingungen sorgt. Dieses liegt u. a.
offenbar daran, daß der Asphalt für Wasser undurchdringlich
ist und auch während längerer Betriebszeit nicht nennenswert
aushärtet, so daß er seine anfänglichen Betriebseigenschaften
auch nach langer Betriebszeit praktisch unverändert
beibehält.
Zur Erzielung des Effektes würde es zwar gundsätzlich
ausreichen, nur eine der beiden Elektroden 8 bzw. 9 an
der inneren Mantelfläche 6 des Wandler 2 mit Asphalt zu
beschichten, doch gibt die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
vorgesehene vollständige Beschichtung der inneren
Mantelfläche 6 eine noch größere Sicherheit und ist zudem
noch einfacher herzustellen, wobei sich gezeigt hat, daß
bereits eine relativ dünne Asphaltsicht hierfür ausreicht,
obwohl sich auch eine dickere Asphaltschicht schwingungsneutral
verhält.
Wenn vor- oder nachstehend von Asphalt die Rede ist, so
ist es für den Fachmann erkennbar, daß er statt dessen ggf.
auch ein Material mit im wesentlichen den gleichen Eigenschaften
wie beispielsweise Epoxy-Teer verwenden kann, wobei
jedoch darauf hingewiesen wird, daß mit Asphalt bei allen
Anwendungsfällen auch in Langzeit-Dauerversuchen besonders
gute Ergebnisse erzielt wurden.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers liegt
mithin u. a. darin, daß sich trotz einer aus Fertigungs -
und damit aus Kostengründen erwünschten Verwendung leicht
verarbeitbarer, weitgehend schwingungsneutralen Kunststoffe
mit einfachsten Mitteln eine dauerhafte hochohmige
Isolierung der Wandlerelektroden erzielen läßt,
welche die Wandlereigenschaften, insbesondere seinen
Wirkungsgrad, praktisch nicht beeinträchtigt.
- Bezugszeichenliste
(List of Reference Numerals) 1 Hydrophon
2 Wandlerelement
3 Dichtringe
4 Kopfflansch
5 Fußflansch
6 innere Mantelfläche (von 2)
7 Mittelteil
8 (positive) Elektroden
9 (negative) Elektroden
10 Längsachse
11 Stirnseiten (von 2)
12 äußere Mantelfläche (von 2)
13 Verbindungsleitung (für 8)
14 Verbindungsleitung (für 9)
15 Anschlußleitung (für 8)
17 Anschlußleitung (für 9)
19 Kunststoffummantelung19′ Außenseite (von 19)
20 Asphaltschicht
Claims (5)
1. Elektro-akustischer Wandler, insbesondere Hydrophon
für eine Sonareinrichtung, mit wenigstens einem im wesentlichen
freischwingend angeordneten piezoelektrischen Wandlerelement,
dessen an seiner Oberfläche verlaufende positive
und negative Elektrode jeweils an einer Anschlußstelle mit
einer Anschlußleitung verbunden sind, wobei das Wandlerelement
sowie die von ihm abzweigenden Anschlußleitungen in eine
einen Feuchtigkeitsschutz bildende, in sich geschlossene
Kunststoffummantelung eingegossen sind, die mit dem Wandlerelement
wenigstens an einem Oberflächenabschnitt in Verbindung
steht, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an jedem beide
Elektroden (8, 9) aufweisenden Oberflächenabschnitt (6) des
Wandlerelementes (2) wenigstens eine Elektrode (8 und/oder
9) mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
jeweils an einem beide Elektroden (8, 9) aufweisenden Oberflächenabschnitt
(6) des Wandlerelementes (2) beide Elektroden
(8, 9) mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet sind.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
beide Elektroden (8, 9) aufweisender Oberflächenabschnitt (6)
des Wandlerelementes (2) im wesentlichen vollständig mit
Asphalt (20) beschichtet ist.
4. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an einem nur eine Elektrode (8
oder 9) aufweisenden Oberflächenabschnitt (12) des Wandlerelementes
(2), an welche eine Anschlußleitung (15 bzw. 17)
angeschlossen ist, wenigstens die Anschlußstelle der Anschlußleitung
(15 bzw. 17) mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet
ist.
5. Hydrophon nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, mit einem hohlzylindrischen Wandlerelement, dessen
eine Elektrode ausschließlich und dessen andere Elektrode
teilweise an der inneren Mantelfläche des Wandlerelementes
verläuft, wobei die Anschlußleitungen an der inneren Mantelfläche
des Wandlerelementes mit den Elektroden verbunden sind
und die Kunststoffummantelung an die äußere Mantelfläche des
Wandlerelementes angegossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die innere Mantelfläche (6) des Wandlerelementes (2)
einschließlich der Anschlußstellen der Anschlußleitungen
(15, 17) und ggf. gleiche Elektroden (8 bzw. 9) verbindender
Verbindungsleitungen (13 bzw. 14) vollständig mit einer
Asphaltschicht (20) beschichtet ist.
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DE19863604439 DE3604439A1 (de) | 1986-02-13 | 1986-02-13 | Elektro-akustischer wandler, insbesondere fuer eine sonareinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19863604439 DE3604439A1 (de) | 1986-02-13 | 1986-02-13 | Elektro-akustischer wandler, insbesondere fuer eine sonareinrichtung |
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DE3604439A1 true DE3604439A1 (de) | 1987-08-20 |
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ID=6293964
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DE19863604439 Withdrawn DE3604439A1 (de) | 1986-02-13 | 1986-02-13 | Elektro-akustischer wandler, insbesondere fuer eine sonareinrichtung |
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Country | Link |
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DE (1) | DE3604439A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4329055A1 (de) * | 1993-08-28 | 1995-03-02 | Teves Gmbh Alfred | Druckdichter Wandler für Kraftfahrzeuge |
-
1986
- 1986-02-13 DE DE19863604439 patent/DE3604439A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4329055A1 (de) * | 1993-08-28 | 1995-03-02 | Teves Gmbh Alfred | Druckdichter Wandler für Kraftfahrzeuge |
US5648697A (en) * | 1993-08-28 | 1997-07-15 | Itt Automotive Europe Gmbh | Pressure sealed transducer for automotive vehicles |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |