DE4206576B4 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer Kolbendickstoffpumpe transportiertem Fördergut - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer Kolbendickstoffpumpe transportiertem Fördergut Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder aufweisenden Kolbendickstoffpumpe durch eine Förderleitung transportiertem Fördergut, bei welchem die Hubzahl oder Hubfrequenz sowie das Fördervolumen der einzelnen Druckhübe ermittelt und zur rechnerischen Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms ausgewertet werden, wobei bei jedem Druckhub der Zeitpunkt des Strömungsbeginns (ta) und des Strömungsendes (te) des Förderguts in der Förderleitung gemessen und daraus der Füllgrad (r) des Förderzylinders zur Bestimmung des Fördervolumens V = r·Vz je Druckhub ermittelt wird, wobei Vz den Hubraum des Förderzylinders bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsbeginn (ta) und/oder das Strömungsende (te) mittels eines in der Förderleitung angeordneten, vom Fördergut umströmten und in dessen Strömung begrenzt mitbewegten Meßkörpers sowie einer auf die Lage des Meßkörpers innerhalb der Förderleitung ansprechenden Meßsonde bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder aufweisenden Kolbendickstoffpumpe durch eine Förderleitung transportiertem Fördergut, bei welchem die Hubzahl oder Hubfrequenz sowie das Fördervolumen der einzelnen Druckhübe ermittelt und zur rechnerischen Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms ausgewertet werden, wobei bei jedem Druckhub der Zeitpunkt des Strömungsbeginns und des Strömungsendes des Förderguts in der Förderleitung gemessen und daraus der Füllgrad r des Förderzylinders zur Bestimmung des Fördervolumens V = r·Vz je Druckhub ermittelt wird, wobei Vz den Hubraum des Förderzylinders bedeutet.
  • Unter Dickstoffen sollen im folgenden Feststoff-Flüssiggemische mit mehr oder weniger hohem Feststoffanteil verstanden werden, wie sie beispielsweise bei teilentwässerten Klärschlämmen, bei Kohlestaub-Flüssiggemischen oder bei Beton auftreten.
  • Es ist bekannt, den Volumenstrom einer Kolbenpumpe aus dem Produkt der zeitlichen Häufigkeit der Hübe (Hubfrequenz) n mit dem Inhalt des Förderzylinders Vz zu bestimmen: q = nVz (1)
  • Hierbei ist noch nicht berücksichtigt, dass das Fördergut aufgrund von Luftansaugung und Lufteinschlüssen nicht das gesamte Zylindervolumen ausfüllt und zunächst auf den Förderdruck komprimiert werden muss, bevor die För dergutsäule in der Förderleitung in Bewegung gesetzt wird. Dieser Effekt kann in (1) durch Hinzunahme eines weiteren, den Füllgrad definierenden Faktors r ≤ 1 berücksichtigt werden: q = nVzr (2)
  • Üblicherweise wird der Füllgrad r als konstanter Faktor angenommen. Dabei wird nicht berücksichtigt, dass der Füllgrad dadurch beeinflusst werden kann, dass der absolute Druck in der Förderleitung von Störgrößen, wie Länge, Beschaffenheit, Form und Querschnitt der Förderleitung sowie der Viskosität des Förderguts abhängig ist und dass die angesaugte Luftmenge je nach Konsistenz und Vorpressung des im Saughub aus einem Einfülltrichter angesaugten Förderguts und je nach Füllstand im Einfülltrichter in weiten Grenzen variieren kann. Die Annahme eines konstanten Füllgrades führt daher bei der Bestimmung des Volumenstroms von Dickstoffen häufig zu nicht tolerierbaren Fehlern.
  • Ausgehend hiervon ist es bereits bekannt (DE-4035518A1), ein Verfahren und eine Anordnung zur Förderstrommessung von Dickstoffen zu entwickeln, womit einem variablen Füllgrad des Förderzylinders unabhängig von dessen Ursache Rechnung getragen werden kann. Maßgeblich ist dabei die Kenntnis des Füllgrads r der Förderzylinder bei jedem Druckhub. Bei dem bekannten Verfahren wird der Füllgrad r ausschließlich aus dem Druckverlauf in der Förderleitung unter Verwendung eines Drucksensors 54 abgeleitet. Dazu mussten einige Annahmen hinsichtlich der aus dem Amplitudenverlauf des gemessenen Förderdrucks abgeleiteten Druckwerte (Druckschwellenwert, Tiefdruckpegel, Hochdruckpegel) unter zusätzlicher Verwendung empirischer Größen getroffen werden. Da die Druckmessung relativ großen Schwankungen unterliegt, war eine komplizierte statistische Auswertung der ermittelten Druckamplituden anhand eines Häufigkeitsspektrums erforderlich. Die damit erzielbare Genauigkeit bei der Bestimmung des Volumenstroms lässt daher zu wünschen übrig.
    •
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Fördervolumens zu erhöhen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe werden gemäß der Erfindung die in den Ansprüchen 1, 2, 9 und 13 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das der erfindungsgemäßen Lösung zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass anstelle des Amplitudenverlaufs des Förderdrucks unmittelbar auf die Strömung in der Förderleitung ansprechende Messgrößen verwendet werden. Dabei wird ein Strömungsmelder eingesetzt, der unmittelbar auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Strömung anspricht, nämlich
    • – Verwendung eines vom Fördergut umströmten, in dessen Strömung begrenzt mitbewegten Messkörpers sowie einer auf die Lage des Messkörpers innerhalb der Förderleitung ansprechenden Messsonde (Ansprüche 1 und 9)
    • – Verwendung eines am Fördergut reflektierten Ultraschallsignals mit Hilfe eines Ultraschallsenders und -empfängers (Ansprüche 2 und 13).
  • Dementsprechend wird gemäß einer ersten Ausführungsvariante vorgeschlagen, dass der Strömungsbeginn ta und/oder das Strömungsende te mittels eines in der Förderleitung angeordneten, vom Fördergut umströmten und in dessen Strömung begrenzt mitbewegten Messkörpers sowie einer auf die Lage des Messkörpers innerhalb der Förderleitung ansprechenden Messsonde bestimmt wird.
  • Alternativ dazu wird das in der Förderleitung befindliche Fördergut mit Ultraschall beaufschlagt, wobei ein am Fördergut reflektiertes oder durch dieses hindurchtretendes Ultraschallsignal zur Bestimmung des Zeitpunkts des Strömungsbeginns ta und/oder des Strömungsendes te ausgewertet wird.
  • Vorteilhafterweise wird außerdem der zwischen den Zeitpunkten ta und te zurückgelegte Kolbenweg h1 des Förderzylinders gemessen und der Füllgrad des Förderzylinders aus der Beziehung r = h1/h0 (3)bestimmt, wobei h0 den Kolbenhub des Förderzylinders bedeutet.
  • Für den Fall, dass die Kolbengeschwindigkeit während des Förderhubs annähernd gleich ist, kann der Füllgrad des Förderzylinders bei jedem Druckhub auch aus der Beziehung r = T1/T0 (4)bestimmt werden, wobei T1 = te – ta (5)die effektive Förderzeit und T0 die Hubzeit des Druckhubs bedeuten.
  • Zur Erzielung möglichst genauer Messwerte sollte nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Strömungsbeginn ta und/oder das Strömungsende te im Fördergut in der Nähe des dem Förderzylinder abgewandten Endes der Förderleitung gemessen werden.
  • Um Rückströmungsverluste zu vermeiden, kann die Förderleitung am Ende eines jeden Druckhubs für den Durchtritt von Fördergut gesperrt werden, so dass der Zeitpunkt des Strömungsendes te mit dem Zeitpunkt des Druckhubendes zusammen fällt.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der ermittelte Volumenstrom mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und die Sollwertabweichung zur Bildung einer Stellgröße für die Ansteuerung eines vorzugsweise die Hubfrequenz variierenden Stellglieds zum Zwecke der Volumenstromregelung verwendet wird. Der gemessene Volumenstrom kann dabei an einer Anzeige oder einem Bildschirm laufend angezeigt und/oder über einen Drucker protokolliert werden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge und/oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder aufweisenden Kolbendickstoffpumpe durch eine Förderleitung transportiertem Fördergut umfasst zweckmäßig einen auf die Strömung oder Nichtströmung des Förderguts in der Förderleitung ansprechenden Strömungsmelder und eine mit dem Ausgang des Strömungsmelders verbundene Zähl- oder Recheneinrichtung zur Bestimmung der Strömungszeit des Förderguts und des daraus abgeleiteten Füllgrads des Förderzylinders und/oder des Fördervolumens oder Förderstroms. In einer ersten Ausführungsvariante umfasst der Strömungsmelder ein in der Förderleitung angeordnetes, ein unter der Einwirkung des strömenden Förderguts von einem Sitz abhebbares Schließorgan aufweisendes Rückschlagventil sowie einen auf die Öffnungs- oder Schließstellung oder Bewegung des Schließorgans ansprechenden Sensor. Der Sensor kann dabei als Näherungsschalter ausgebildet sein, während das Rückschlagventil als Klappenventil, Kugelventil oder Tellersitzventil ausgebildet sein kann. Das Schließorgan wird über ein am Ende des Kolbenhubs auslösbares Signal geschlossen.
  • Eine zweite Ausführungsvariante sieht vor, dass der Strömungsmelder einen im Bereich der Förderleitung angeordneten Ultraschallsender oder -empfänger umfasst.
  • Weiter kann bei beiden Ausführungsvarianten eine Wegmess-Einrichtung zur Messung des Kolbenwegs vorgesehen sein, deren Ausgang mit der Zähl- und Recheneinrichtung zur Ermittlung des Füllgrads r und/oder des Fördervolumens oder Förderstroms verbunden ist. Der Strömungsmelder ist dabei zweckmäßig in der Nähe des vom Förderzylinder abgewandten Endes der Förderleitung angeordnet.
    •
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Prinzip der Förderstrommessung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Schema einer Anordnung zur Messung, Steuerung und Regelung des Volumenstroms von Fördergut einer Dickstoffpumpe;
  • 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Förderdrucks in der Förderleitung der Dickstoffpumpe nach 1;
  • 3 ein Schema eines in der Förderleitung nach 1 angeordneten Strömungssensors.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Dickstoffkolbenpumpe 1 besteht im Wesentlichen aus zwei Förderzylindern 10, 12, deren stirnseitige Öffnungen 14, 16 in einen über eine Vorpresseinrichtung 17 beschickbaren Materialaufgabebehälter 18 münden und abwechselnd während des Druckhubs über eine Rohrweiche 20 mit einer Förderleitung 22 verbindbar und während des Saughubs unter Ansaugen des Förderguts 24 zum Materialaufgabebehälter 18 hin offen sind. Die Förderzylinder 10, 12 werden über hydraulische Antriebszylinder 26, 28 über ein symbolisch angedeutetes Wegeventil 29 im Gegentakt angetrieben. Zu diesem Zweck sind die Förderkolben 30, 32 über eine gemeinsame Kolbenstange 34, 36 mit den Kolben 38, 30 der Antriebszylinder 26, 28 verbunden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Antriebszylinder 26, 28 bodenseitig über Druckleitungen 44, 46 mit Hilfe einer nicht dargestellten Hydropumpe abwechselnd mit Drucköl beaufschlagt. An ihrem stangenseitigen Ende sind die Antriebszylinder 26, 28 durch eine Verbindungsleitung 48 hydraulisch miteinander gekoppelt. Die Beaufschlagung der Antriebszylinder mit Druckflüssigkeit erfolgt über das über einen Schalter 49 elektromagnetisch betätigbare Pumpe-Ein-Ventil 50, während das Fördervolumen der Antriebszylinder und damit auch der Förderzylinder über ein Proportionalventil 52 gesteuert und/oder geregelt werden kann.
  • Mit der Förderleitung 22 kommuniziert ein Drucksensor 54, dessen Ausgang über die Signalleitung 55 und einen nicht dargestellten Analog/Digital-Wandler mit dem Eingang einer mikroprozessorgesteuerten Auswerteelektronik 56, die vorzugsweise einen Einplatinenrechner mit Digitalanzeige 58 enthält, verbunden ist. Über einen Anschluss 60 der Auswerteelektronik 56 kann das Pumpe-Ein-Ventil 50 angesteuert und/oder dessen Zustand überwacht werden. Ein weiterer Anschluss 62 der Auswerteelektronik 56 ist zur Hubzeit-Überwachung und damit zur Funktionskontrolle der Pumpe mit einer Signallampe 64 verbunden. Schließlich enthält die Auswerteelektronik 56 noch zwei Regelanschlüsse 66, 68, die über Umschalter 67, 69 und einen Regelverstärker 70 mit dem Proportionalventil 52 verbindbar sind. Alternativ hierzu kann das Magnetventil 52 auch über ein von Hand verstellbares Potentiometer 74 angesteuert werden.
  • Der mit dem Drucksensor 54 gemessene Amplitudenverlauf des Förderdrucks in der Förderleitung 22 ergibt sich aus dem Diagramm nach 2. Jeder Pumpzyklus ist erkennbar in eine Kompressions- oder Tiefdruckphase und eine Förder- oder Hochdruckphase unterteilt, die über eine schräge Anstiegsflanke ineinander übergehen. Der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Druckhübe wird am besten aus der Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden abfallenden Amplitudenflanken des Förderdrucks ermittelt. Beim kontinuierlichen Betrieb entspricht der zeitliche Hubabstand der Hubzeit T0, während beim diskontinuierlichen Betrieb sich der zeitliche Hubabstand T2 aus der Hubzeit T0 und einer vorgegebenen oder gemessenen Auszeit TA additiv zusammensetzt. Die effektive Förderzeit T1 ist definiert durch die Zeit innerhalb eines Druckhubes, in der der Förderdruck p größer als ein Druckschwellenwert ps ist.
  • In 3 ist schematisch angedeutet, dass in der Nähe des Förderleitungsendes 22' ein Strömungsmelder 80 angeordnet ist, der aus einem Rückschlagventil mit Ventilsitz 82 und kugelförmigem Schließkörper 84 sowie einem auf die Lage der Ventilkugel 84 ansprechenden Näherungsschalter 86 besteht. Die Signalleitung 88 des Näherungsschalters 86 ist mit der Auswerteelektronik 56 verbunden. Weiter ist mit den Kolbenstangen 34, 36 der Förderzylinder 10, 12 ein Wegmesser 90 gekoppelt, der bei jedem Druckhub der Förderzylinder ein Wegsignal an die Auswerteelektronik 56 überträgt. Sobald beim Druckhub der Schließkörper 84 vom Ventilsitz 82 des Strömungsmelders 80 unter der Einwirkung des in der Förderleitung 22 strömenden Förderguts 24 abhebt, wird über die Signalleitung 88 des Näherungsschalters 86 ein Signal an die Auswerteelektronik 56 abgegeben und die augenblickliche Lage des Förderkolbens 30, 32 im Förderzylinder 10, 12 bestimmt. Die von hier aus vom Kolben noch zurückzulegende Hubstrecke h1 bezogen auf die gesamte Hubstrecke h0 ist ein Maß für den Füllgrad r des Förderzylinders und bestimmt die bei dem betreffenden Druckhub durch die Förderleitung 22 transportierte Fördermenge. Am Ende eines Druckhubs wird der Schließkörper 84 beispielsweise über eine Feder 92 gegen den Ventilsitz 82 gedrückt und eine unerwünschte Rückströmung verhindert. Nach Umsteuerung der Rohrweiche und Auslösung eines Druckhubs am anderen Förderzylinder wiederholt sich dieser Vorgang. Die gemessenen Fördermengen eines jeden Druckhubs werden mittels einer Zähl- oder Recheneinrichtung in der Auswerteelektronik 56 aufaddiert und im Display 58 zur Anzeige gebracht. Weiter ist damit eine Fördermengenregelung im Sinne der vorstehenden Ausführungen möglich.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder aufweisenden Kolbendickstoffpumpe durch eine Förderleitung transportiertem Fördergut, bei welchem die Hubzahl oder Hubfrequenz sowie das Fördervolumen der einzelnen Druckhübe ermittelt und zur rechnerischen Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms ausgewertet werden, wobei bei jedem Druckhub der Zeitpunkt des Strömungsbeginns (ta) und des Strömungsendes (te) des Förderguts in der Förderleitung gemessen und daraus der Füllgrad (r) des Förderzylinders zur Bestimmung des Fördervolumens V = r·Vz je Druckhub ermittelt wird, wobei Vz den Hubraum des Förderzylinders bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsbeginn (ta) und/oder das Strömungsende (te) mittels eines in der Förderleitung angeordneten, vom Fördergut umströmten und in dessen Strömung begrenzt mitbewegten Meßkörpers sowie einer auf die Lage des Meßkörpers innerhalb der Förderleitung ansprechenden Meßsonde bestimmt wird.
  2. Verfahren zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder aufweisenden Kolbendickstoffpumpe durch eine Förderleitung transportiertem Fördergut, bei welchem die Hubzahl oder Hubfrequenz sowie das Fördervolumen der einzelnen Druckhübe ermittelt und zur rechnerischen Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms ausgewertet werden, wobei bei jedem Druckhub der Zeitpunkt des Strömungsbeginns (ta) und des Strömungsendes (te) des Förderguts in der Förderleitung gemessen und daraus der Füllgrad (r) des Förderzylinders zur Bestimmung des Fördervolumens V = r·Vz je Druckhub ermittelt wird, wobei Vz den Hubraum des Förderzylinders bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Förderleitung befindliche Fördergut mit Ultraschall beaufschlagt wird, und daß ein am Fördergut reflektiertes oder durch dieses hindurchtretendes Ultraschallsignal zur Bestimmung des Zeitpunkts des Strömungsbeginns (ta) und/oder des Strömungsendes (te) ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Zeitpunkten des Strömungsbeginns (ta) und des Strömungsendes (te) zurückgelegte Kolbenweg (h1) des Förderzylinders gemessen und der Füllgrad des Förderzylinders aus der Beziehung r = h1/h0 bestimmt wird, wobei h0 den Kolbenhub des Förderzylinders bedeutet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllgrad des Förderzylinders bei jedem Druckhub aus der Beziehung r = T1/T0 bestimmt wird, wobei T1 = te – ta die effektive Förderzeit und T0 die Hubzeit des Druckhubs bedeutet.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsbeginn (ta) und/oder das Strömungsende (te) im Fördergut in der Nähe des dem Förderzylinder abgewandten Endes der Förderleitung gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleitung am Ende eines jeden Druckhubs für den Durchtritt von Fördergut gesperrt wird, und daß der Zeitpunkt des Strömungsendes (te) mit dem Zeitpunkt des Druckhubendes zusammenfällt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Volumenstrom mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und die Sollwertabweichung zur Bildung einer Stellgröße für die Ansteuerung eines vorzugsweise die Hubfrequenz variierenden Stellglieds zum Zwecke der Volumenstromregelung verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Volumenstrom an einer Anzeige oder einem Bildschirm laufend angezeigt und/oder über einen Drucker protokolliert wird.
  9. Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder (10, 12) aufweisenden Kolbendickstoffpumpe (1) durch eine Förderleitung (22) transportiertem Fördergut (24) mit einem auf die Strömung oder Nichtströmung des Förderguts in der Förderleitung ansprechenden Strömungsmelder und einer mit dem Ausgang des Strömungsmelders verbundenen Zähl- oder Recheneinrichtung zur Bestimmung der Strömungszeit des Förderguts und des daraus abgeleiteten Füllgrades des Förderzylinders und/oder des Fördervolumens oder Förderstroms, wobei der Strömungsmelder ein in der Förderleitung angeordnetes, ein unter der Einwirkung des strömenden Förderguts von einem Sitz abhebbares Schließorgan aufweisendes Rückschlagventil sowie einen auf die Öffnungs- oder Schließstellung oder -bewegung des Schließorgans ansprechenden Sensor umfaßt.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Näherungsschalter ausgebildet ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil als Klappenventil, Kugelventil oder Tellersitzventil ausgebildet ist.
  12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließorgan über ein am Ende eines Kolbenhubs auslösbares Signal schließbar ist.
  13. Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstroms von mittels einer mindestens einen Förderzylinder (10, 12) aufweisenden Kolbendickstoffpumpe (1) durch eine Förderleitung (22) transportiertem Fördergut (24) mit einem auf die Strömung oder Nichtströmung des Förderguts in der Förderleitung ansprechenden Strömungsmelder und einer mit dem Ausgang des Strömungsmelders verbundenen Zähl- oder Recheneinrichtung zur Bestimmung der Strömungszeit des Förderguts und des daraus abgeleiteten Füllgrades des Förderzylinders und/oder des Fördervolumens oder Förderstroms, wobei der Strömungsmelder einen im Bereich der Förderleitung angeordneten Ultraschallsender und -empfänger umfaßt.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Wegmeß-Einrichtung zur Messung des Kolbenwegs, deren Ausgang mit der Zähl- und Recheneinrichtung zur Ermittlung des Füllgrads (r) und/oder des Fördervolumens oder Förderstroms verbunden ist.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmelder in der Nähe des vom Förderzylinder abgewandten Endes der Förderleitung angeordnet ist.
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