DE4219178A1 - Einspanneinheit für einen Drucksensor - Google Patents

Einspanneinheit für einen Drucksensor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einspanneinheit für einen Drucksensor, der aus einer Membranplatte und mindestens einer mit der Membranplatte verbundenen Trägerplatte besteht, welche jeweils mit der Membranplatte konstruktiv eine geschlossene, mit Druckmittel beaufschlagbare Innenkammer bildet.
Drucksensoren dieser Art weisen mindestens eine Trägerplatte, häufiger jedoch zwei Trägerplatten auf, zwischen denen dann die Membranplatte angeordnet ist. Jeweils zwischen jeder Trägerplatte und der Membranplatte ist eine konstruktiv geschlossene, mit Druck beaufschlagbare Innenkammer gebildet. Konstruktiv geschlossen heißt dabei, daß lediglich je eine Druckzuleitungsöffnung in die jeweilige Innenkammer hinein existiert, dieselbe jedoch ansonsten nach außen druckdicht abgeschlossen ist. Drucksensoren, bestehend aus zwei Trägerplatten, zwischen denen die Membranplatte angeordnet ist, werden zumeist als Differenzdrucksensoren verwendet. Durch die Druckzuleitungen zu den beiden Innenkammern bewirkt ein Druckunterschied zwischen beiden Innenkammern eine Durchbiegung der Membran immer in Richtung des kleineren Druckes. Die Durchbiegung der Membran wird dabei üblicherweise auf kapazitivem Wege meßbar gemacht. Dabei kann beispielsweise die Membran aufgedampfte dünne Elektrodenschichten aufweisen, wobei die entsprechenden, gegenüberliegenden Innenseiten der Trägerplatten, die die Innenkammern abschließen, mit entsprechenden Referenzelektroden versehen sind, so daß eine Abstandsänderung hier zu einer Kapazitätsänderung führt, die nach außen elektrisch abgreifbar und ein Maß für die Durchbiegung ist.
Des weiteren sind bereits Drucksensoren in Silizium-Glas- bzw. Silizium-Keramik-Technik bekannt. Das Prinzip ist hierbei das gleiche, bis auf die Tatsache, daß Silizium ein halbleitendes Material ist, so daß auf die Aufbringung separater Elektroden auf das Silizium zumeist verzichtet werden kann. Solche aus verschiedenen Platten aufgebaute Drucksensoren können jedoch zur Ermittlung der Differenzdruckabhängigen Membrandurchbiegung auch resistiv arbeiten. Hierzu sind dann auf der Membran Widerstände aufgedampft, die nach dem Prinzip der Dehnungsmeßstreifen arbeiten. Weitere Möglichkeiten bietet die Verwendung von piezoresistiven Widerständen.
Solche Systeme sind jedoch gegenüber den bereits erwähnten kapazitiven Drucksensoren in kleinen Differenzdruckbereichen ungenauer. Für präzise Druckmessungen sind dabei kapazitive Drucksensoren meist vorzuziehen. Bei der Anwendung kapazitiver Drucksensoren entsteht jedoch häufig das Problem, daß kleine Differenzdrücke bei hohen statischen Drücken gemessen werden sollen und der Drucksensor aus diesem Grund die entsprechend nötige Statik aufweisen muß. Beispielsweise lautet die Anwendung häufig: Man messe bei einem Absolutdruck von 100 bar einen Differenzdruck von 0,1 bis 1 bar. Dies ist mit solchen kapazitive Drucksensoren der genannten Art grundsätzlich sehr gut möglich. Jedoch erscheint hierbei das Problem, daß es nicht immer gelingt, unter der Einwirkung der Druckbeaufschlagung die Durchbiegung einzig auf die Membran zu beschränken. Unter dem Einfluß dieser hohen statischen Drücke biegen nämlich die zumeist sehr viel dicker als die Membranplatte ausgebildeten Trägerplatten auch. Da die Trägerplatten jedoch für sich in kapazitiver Hinsicht die Referenz darstellen und die Durchbiegung der Membran bezogen auf die feststehende Trägerplatte das Maß für den anliegenden Druck bzw. Differenzdruck sein soll, führt jede Durchbiegung der Referenz zu einem Meßfehler.
Des weiteren erscheint hier, daß besonders für den Anwendungsbereich in der Mikromechanik die Trägerplatten nur begrenzte endliche Dicken aufweisen können.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einspanneinheit für Drucksensoren zu schaffen, mit denen mit konstruktiv einfachen, aber sehr wirkungsvollen Mitteln zur Vermeidung von Meßfehlern eine durch den statischen Druck bewirkte Rufblähung des Drucksensors und damit eine Biegung der Trägerplatten kompensiert wird.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.
Eines der wesentlichen Merkmale besteht darin, daß der Dichtring, bezogen auf die zentrische Achse senkrecht zur Membranfläche und bezüglich seiner neutralen Faser einen Radius aufweist, der im Betrag zwischen dem Radius der Innenkammer und dem Außenradius der Membranplatte liegt. Des weiteren wirkt der Dichtring hierbei gleichzeitig als Stützring und muß daher auch die für die vorgesehene Belastung nötige Festigkeit aufweisen.
Konstruktiv ergibt sich, daß die Biegebeanspruchung auf die Trägerplatte bei Druckmittelbeaufschlagung der Innenkammern nur im Bereich der Erstreckung der Innenkammern erfolgt. Zwischen dem Erstreckungsradius der jeweiligen Innenkammer und dem Pußenradius der Membranplatte verbleibt jedoch eine Fläche, die starr mit der Trägerplatte verbunden ist und auf der der in der Innenkammer anliegende Druck nicht wirksam ist. Wichtig ist also hierbei, daß der Dichtring, der hierbei gleichzeitig als Abstützring dient, nicht im biegbaren Bereich, d. h. im Erstreckungsbereich der Innenkammer liegt, sondern in dem beschriebenen massiven Bereich. Das heißt, der zu wählende Radius des Dichtringes liegt auf alle Fälle zwischen dem Radius der Innenkammer und dem Außenradius der Membranplatte.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß es anhand von durchgeführten Simulationsrechnungen über die "Finite-Elemente-Methode" eine Abhängigkeit der Spaltabstandsänderung, also der Durchbiegung der Trägerplatte aufgrund des statischen Druckes in Abhängigkeit zum gewählten Dichtringradius gibt. Dabei wurde gefunden, daß es einen definierbaren und bezüglich der gewählten Sensordimensionen genau ermittelbaren Dichtungsradius gibt, bei dem es ein Gleichgewicht zwischen nach außen bewirktem Biegemoment durch die Druckmittelbeaufschlagung und entgegengerichtetem gleichgroßen Moment in Gegenrichtung dieses Biegemomentes gibt, wodurch eine Aufblähung bzw. Aufweitung vollständig zu Null kompensiert wird.
Dabei fällt immer wieder auf, daß bei jeder gewählten Dimension des Drucksensors der gewählte Dichtungsradius grundsätzlich immer im Bereich zwischen Radius der Innenkammer und Außenradium der Membranplatte liegen muß.
Der Punkt, an dem die Spaltänderung in Abhängigkeit zum Dichtungsradius zu Null kompensiert wird, läßt sich aus der oben gewonnenen Erkenntnis reproduzierbar und zuverlässig aus dem nachfolgend beschriebenen formalen Zusammenhang ermitteln, der gestützt durch die Darstellungen von Fig. 1 und 2 näher erläutert wird. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch Drucksensor und Spannelemente,
Fig. 1a einen Teilausschnitt x gemäß Fig. 1,
Fig. 2 eine Spaltänderung in ym/100 bar in Abhängigkeit zum Dichtungsradius in mm, für einen Anwendungsfall.
Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch eine Anordnung von Drucksensor und Spannelemente. Der Drucksensor besteht im wesentlichen aus einer biegbaren Membran 1 und zweier, darauf angebrachter Trägerplatten 2, 3, wobei in diesem Fall durch die vorteilhafte Kompensationswirkung des Dichtringes 4 mit bestimmtem Radius eine Trägerplattendicke gewählt werden kann, die kaum dicker ist als die Dicke der zur Durchbiegung bestimmten Membran.
Zwischen Trägerplatten 2, 3 und Membranplatte 1 ist jeweils eine Meßkammer 5, 6 gebildet, die von außen jeweils über einen Druckzuleitungskanal 7, 8 mit Druckmittel beaufschlagbar ist, dessen Druckdifferenz zu bestimmen ist. Ansonsten sind die Innenkammern 5, 6 druckmitteldicht abgeschlossen. Die Höhe der Innenkammern sind bei solchen kapazitiven Drucksensoren in den meisten Fällen weitaus kleiner als 1 mm, zumeist sogar im Bereich einiger Mikrometer, um die entsprechende Grundkapazität aufzuweisen.
Die Höhe der Innenkammern begrenzen außerdem den Durchbiegungsgrad der Membran, da diese nur bis zum Anlegen an die Trägerplatte durchbiegen kann. Die gesamte Druckmeßzelle ist zwischen den Spannelementen 9, 10 über die beiden Dichtringe 4 eingespannt.
Fig. 1a zeigt nun einen Teilausschnitt aus der Fig. 1. Hierbei ist nun der Querschnitt des Dichtringes 4 deutlich hervorgehoben, der zwischen Spannelement 9 und Trägerplatte 2 angeordnet ist. Der durch die Erfindung bewirkte Effekt kann nun wie folgt erklärt werden:
Der Sensor erfährt infolge der Druckmittelbeaufschlagung eine Bestrebung zur Aufweitung. Die als Referenz dienende Trägerplatte 2 "biegt"; in dieser Darstellung kann man sagen "dreht" nach außen. Die Klemm- bzw. Spanndruck tragende Fläche X zwischen Dichtring 4 und Erstreckungsradius der Innenkammer, die keinen Gegendruck von innen durch das Druckmittel erfährt, erzeugt entgegen der bestrebten Aufblähung, d. h. entgegen diesem bewirkten Biegemoment ein entgegengesetzt drehendes Moment, welches bei geeigneter Wahl des Dichtungsradius rd - für den Fall, daß der Dichtring rund ist - diese Neigung zur Aufblähung bzw. Aufweitung kompensiert. Es konnte dabei ein linearer Zusammenhang zwischen dem Radius rd der Dichtung 4 und der Änderung des Spaltes zwischen den Kondensatorflächen nachgewiesen werden. Bei genau dimensionierten Teilen kann somit eine Optimierung der Lage der Dichtung erfolgen, die auf einer mathematisch linearen Funktion basiert. Dieselbe wird in der Beschreibung zu Fig. 2 noch näher ausgeführt.
Voraussetzungen für den Erhalt dieser Kompensation sind zwei Bedingungen:
  • a) Die Vorspannkraft F, mit der die Spannelemente über den bzw. über die Dichtringe auf den Drucksensor pressen bzw. denselben einspannen bleibt konstant,
  • b) die Flächenpressung der Dichtung bleibt ebenfalls konstant.
Fig. 2 zeigt nun den funktionalen Zusammenhang der Änderung des Spaltes in Einwirkung des statischen Druckes durch Druckmittelbeaufschlagung in Abhängigkeit vom gewählten Dichtungsradius. Hierbei spiegelt der sich oben erwähnte mathematisch lineare Zusammenhang wieder.
Des weiteren ist erkennbar, daß es einen definier- und ermittelbaren Dichtungsradius gibt, bei dem die ansonsten durch Aufblähung bewirkte Spaltänderung durch den entsprechend eingestellten Dichtungsradius und das damit bewirkte Moment in entgegengesetzter Richtung vollständig zu Null kompensiert wird. Auffällig ist hierbei, daß diese Kompensation über einen relativ großen Varianzbereich des Dichtungsradius extrem feinfühlig, nämlich im Bereich von kleiner als 0,01 mikrometer kompensiert werden kann. Die Funktion des Dichtringes gleichzeitig als Abstützring, sowie der die Kompensation bewirkende Dichtungsradius, der für jeden Anwendungsfall ermittelt werden kann, stellen hierbei das Wesen der Erfindung dar. Die große Wirksamkeit der Erfindung wird, wie bereits gesagt, dadurch deutlich, daß durch Änderungen im Dichtungsradius im Bereich von einigen Zehnteln eines Millimeters Spaltänderungen von kleiner als einem Hundertstel eines mikrometers kompensiert werden können. Hieran wird deutlich, in welch wirkungsvoller Weise die Erfindung besonders im Bereich der Mikromechanik einsetzbar ist.
Der genaue formale Zusammenhang, aus dem heraus der genaue Dichtungsradius bestimmt werden kann, ist nachfolgend hergeleitet und für ein Beispiel errechnet.
Für die Anwendung der Differenzdrucksensoren im Bereich der Mikromechanik wurde, wie oben bereits erwähnt, die Finite-Elemente- Methode herangezogen, um bessere Erkenntnisse über die druckabhängige sowie kraftabhängige Verformung zu gewinnen. Bei Differenzdrucksensoren im Bereich der Mikromechanik handelt es sich oftmals um Silizium-Glas-Schichtverbunde. Durch Versuche war bekannt, das das verwendete Bor-Silikat-Glas eine sehr geringe Zugfestigkeit besitzt. Um den Werkstoff jedoch besser ausnutzen zu können, wird eine Vorspannkraft dauerhaft auf den Sensor ausgeübt, um die bei Innendruck auftretenden hohen Zugspannungen zu kompensieren. Druckspannungen werden von Glas wesentlich besser ausgehalten als Zugspannungen. Bei einer Belastung mit einer Druckkraft von außen entstanden große Verformungen, relativ zum Meßhub der Membran von beispielsweise 0,3 mikrometer, so daß durch die Finite-Elemente-Methode ein sehr schlechtes druck- und kraftabhängiges Verhalten des Sensors ermittelt wurde. Deutlich wird dieses nun am konkreten Beispiel, bei dem von außen eine Vorspannkraft von 1500 Newton über die Spannelemente auf den Drucksensor angewandt wurde. Bei einem gewählten Dichtungsradius von rd = 2,7 mm führte dies zu einer Lageänderung der Referenzplatte von -0,66 mikrometer. Durch die Krafteinwirkung und einer dadurch bewirkten Längung der Membran in Membranebene wurde im Bereich der Membran eine Lageänderung von -0,0026 mikrometer ermittelt. Die Lageänderung der Referenz von -0,66 mikrometer ist im Vergleich zum Meßhub der Membran von 0,3 mikrometer gewaltig und führt zu einem entsprechend großen Meßfehler. Die resultierende Spaltänderung ergibt sich aus der Differenz der Lageänderung LR der Referenzplatte und der Lageänderung LM der Membran zu:
D = LR-LM
Für das obige Beispiel ergibt sich also für:
rd1 =2,7 mm
F1 = 1500 N
P1 = 0 bar
D1 = LR1-LM1
D1 = -0,66 ym - (-0,0026 ym)/[ym mikrometer]
Die resultierende Spaltänderung ergibt sich somit in diesem Fall zu:
D1 = -0,6574 ym
In einem zweiten Fall sei nun bei gleicher Vorspannkraft (F2 = 15mm N) von außen und gleichem Dichtungsradius, jedoch bei einem Druck von
P2 = 600 bar
das Verhalten betrachtet.
Es ergibt sich
D2 = LR2 - LM2
D2 = -0,58657 ym - (-0,08979 ym)
Daraus ergibt sich:
D2 = -0,49678 ym.
Die effektive Spaltänderung durch Druckbeaufschlagung der Innenkammern mit 600 bar ergibt sich nun zu:
dA1* = D2 - D1
dA1 * = 0,1606 ym.
Bezieht man diese Größe nun auf 100 bar, so ergibt sich
Die abgeleitete Einheit von ym/100 bar ist gewählt worden, um ein Gefühl für die Größenordnung im Verhältnis zum Meßhub von 0,3 ym zu vermitteln. Fehler bei Differenzdruckmeßgeräten werden üblicherweise in %/100 bar angegeben. Die Umrechnung von 600 bar auf 100 bar kann, wie oben dargestellt, einfach linear erfolgen.
Eine weitere Rechnung ist mit einem Dichtungsradius von 3,0 mm durchgeführt worden. Dabei ergab sich bei:
rd2 = 3,0 mm
F2 = 1500 N
P2 = 600 bar
D1 = -0,2645 ym - (-0,00266 ym)
= -0,26184 ym
D2 = -0,6 ym - (-0,0897 ym)
= -0,5103 ym Die effektive Spaltänderung ergibt wie oben aus:
dA2 * = D2 - D1
= -0,5103 ym - (-0,26184 ym) Wiederum bezogen auf 100 bar ergibt sich nun:
dA2 = -0,0414 ym/100 bar.
Legt man einen mathematisch stetigen Zusammenhang zwischen der effektiven Spaltänderung und dem Dichtungsradius zugrunde, so erkennt man, daß zwischen dem positiven Wert von dA1 und dem negativen Wert von dA2 ein Null-Durchgang existieren muß. Konkret bedeutet dieser Null-Durchgang, daß es einen definierbaren Dichtungsradius rd geben muß, bei dem die effektive Spaltänderung gleich Null ist. In diesem Fall ist dann genau erreicht, daß die Aufweitung oder Aufbiegung der Innenkammer infolge der Druckmittelbeaufschlagung durch die von außen wirkenden Kräfte zu Null kompensiert wird. Setzt man einen mathematisch linearen Zusammenhang voraus, so ergibt sich die Funktion:
dA = K1 + K2 × rd
Dies entspricht einer Geraden-Gleichung. Nun gilt es, die Koeffizienten K1 und K2 zu ermitteln. Durch Umformen der beiden Gleichungen:
dA1 = K1 + K2 × rd1
dA2 = K1 + K2 ×r d2
so erhält man die Gleichung für K1
Mit den aus dem obigen Beispiel bekannten Werten für die beiden Dichtungsradien läßt sich K1 berechnen:
K1 = 0,6404 ym/100 bar
Durch Umformen der Grundgleichung erhält man eine Gleichung für den Koeffizienten K2:
und damit den Wert für K2:
K2 = -0,2272 ym/100 bar/mm
An dieser Stelle fließt nun die Idee ein, die bekannte druckabhängige Dielektrizitätänderung bei der Optimierung des Dichtungsradius mit zu berücksichtigen. Hierzu mußte die Kapazität der Meßkondensatoren in gleicher Größe beeinflußt werden wie die Änderung der Dielektrizitätskonstanten. Die Dielektrizitätskonstante erhöht sich mit zunehmendem Druck nach folgender Gleichung:
Er = Er0 (1 + K3 × P)
Für Silikonöl gilt:
K3 = 0,97 × 10-4 bar1
K3 = 0,97 × 10-2/100 bar
Die Kondensatorgleichung ist
Verändert man nun den Plattenabstand l, so ändert sich auch die Kapazität C. Da sich die Dielektrizitätskonstante mit zunehmendem Druck erhöht, muß sich der Plattenabstand ebenfalls bei zunehmendem Druck erhöhen, denn E steht auf und l unter dem Bruchstrich. Das heißt, um die Kapazität C konstant zu halten, muß die relative Änderung des Spaltes in gleicher Größe und mit gleichem Vorzeichen vorliegen. Daraus läßt sich ableiten, daß die Spaltänderung dA im Verhältnis zum Plattenabstand l im Spalt gleich der Änderung der Dielektrizitätskonstanten zur Dielektrizitätskonstanten im Ausgangszustand ist. Formal heißt dies:
Mit l = 1,5 ym und K3 = dEr/Er = 0,97 × 10-2/100 bar
ergibt sich die gesuchte Spaltänderung zu:
dA = : L × dEr/Er = l × K3
dA = 1,5 ym × 0,97 × 10-2/100 bar
= 0,0147 ym/100 bar
Der oben bereits erwähnte mathematisch lineare Zusammenhang zwischen Spaltänderung und Dichtungsradius ergab sich zu:
dA = K1 + K2 × rd
nach rd umgestellt ergibt sich
Die ermittelten Werte nun eingesetzt ergeben:
rd = 2,753 mm
Der Dichtungsradius rd = 2,753 mm ist für dieses Beispiel der gesuchte Radius, bei dem die Lageänderung der Referenzelektrode die druckabhängige Änderung der Dielektrizitätskonstanten kompensiert.
An diesem Rechenbeispiel ist für einen Anwendungsfall beispielhaft erläutert, wie der zur vollständigen Kompensation fähige Dichtungsradius des zwischen Spannelement und Drucksensor einzubringenden Dichtringes zu ermitteln ist.
Bei diesem ermittelten Dichtungsradius ergibt sich dann das bereits dargestellte Gleichgewicht von Biegemoment durch Druckmittelbeaufschlagung und entgegengesetzt wirkendem Moment durch die Einspannung des Drucksensors über eine Dichtung mit dem entsprechend ermittelten Radius und eine Kompensation der druckabhängigen Dielektrizitätsänderung.
Das oben dargestellte Beispiel betrifft dabei einen Dichtring, der bezüglich seiner Auflagelinie zwischen Spannelement und Trägerplatte kreisförmig ausgebildet ist. Hierbei ergibt sich gemäß der oben per Rechnung angegebenen Vorgabe, daß bei entsprechend symmetrischer Ausrichtung des Dichtringes ein stets konstanter Abstandsradius des Dichtringes bzw. der neutralen Faser des Dichtringes zur zentrischen Achse R gegeben ist.
In einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit kann der Dichtring jedoch bezüglich seiner. Auflagelinie zwischen Spannelement und Trägerplatte auch eine quadratische Kontur aufweisen, d. h. die durch den Dichtring umrahmte Fläche ist dann quadratisch. Hierbei geht man bei der Ermittlung des Abstandes rd so vor, daß die Größe r stets parallel zu zweien der Seitenflächen des quadratischen Dichtringes liegt. Eine Berücksichtigung des Abstandes zwischen zentrischer Achse R über die Diagonale des Dichtringes ist hierbei nur zweitrangig. Jedoch ist bei der quadratischen Dichtringanordnung ebenfalls der Dichtring so zu orientieren, daß die zentrische Achse durch das Zentrum des durch den Dichtring eingeschlossenen Quadrates verläuft. Die einzige Unterscheidung, die sich apriori bei der Dichtungs-Radius-Ermittlung zwischen einem kreisringförmigen und einem quadratischen Dichtring ergibt, ist einzig, daß bei dem Modellaufbau des Drucksensors aus Finiten Elementen die Geometrie der Kreisform oder der quadratischen Form berücksichtigt wird. Im übrigen bleiben die oben bereits per Rechnung dargestellten Zusammenhänge, insbesondere dem mathematisch linearen Zusammenhang vollständig erhalten.

Claims (3)

1. Einspanneinheit für einen Drucksensor, der aus einer Membranplatte und mindestens einer mit der Membranplatte verbundenen Trägerplatte besteht, welche jeweils mit der Membranplatte konstruktiv eine geschlossene, mit Druckmittel beaufschlagbare Innenkammer bildet, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf der zur Membran (1) parallelen freien Tragplatten-Außenfläche ein Spannelement (3, 10) über einen Dichtring (4), der gleichzeitig als Abstützring dient, aufliegt, daß bezogen auf eine zentrische Achse (A) senkrecht zur Membranfläche der Dichtring (4) bezüglich seiner neutralen Faser einen Abstand (rd) aufweist, der im Betrag |rd| derart zwischen dem Radius bzw. der Erstreckung der Innenkammer und dem Außenradius bzw. Außenmaß der Membranplatte (1) liegt, daß im Falle der bei Druckbeaufschlagung des Drucksensors bewirkten Biegemomentes der Trägerplatte (2, 3) nach außen ein im Betrag gleich großes Moment in entgegengesetzter Richtung über den Dichtring (4) auf die Trägerplatte (2, 3) zur Verhinderung einer Aufblähung des Drucksensors bewirkt wird.
2. Einspanneinheit für einen Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (4) bezüglich seiner Auflagelinie zwischen Spannelement (3, 10) und Trägerplatte (2, 3) kreisförmig ausgebildet ist.
3. Einspanneinheit für einen Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (4) bezüglich seiner Auflagelinie zwischen Spannelement (8, 10) und Trägerplatte (2, 3) quadratisch ausgebildet ist.
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