DE60038306T2 - Differentialdruckströmungsmesser mit integrierten druckanschlüssen - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die Erfindung betrifft die Prozess- Mess- und Regelindustrie. Die Mess- und Regelindustrie verwendet Prozessvariablentransmitter zur Fernüberwachung von Prozessvariablen, die mit Fluiden verbunden sind, wie beispielsweise Schlämmen, Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen, Chemikalien, Brei, Erdöl, Pharmazeutika, Lebensmitteln sowie in anderen Lebensmittelverarbeitungsbetrieben. Zu den Prozessvariablen zählen Druck, Temperatur, Durchfluss, Pegel, Trübheit, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und weitere Eigenschaften.
-
1 ist eine Explosionsdarstellung einer Prozessfluss-Vorrichtung50 nach Stand der Technik zum Messen von Prozessvariablen wie zum Beispiel Differenzialdruck und Durchfluss. Wie in1 dargestellt, ist die Durchflussplatte52 zwischen Flansche54 ,56 in einen Durchflussweg geklemmt, um einen Differenzialdruck an einer Verengung zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit von Fluiden durch ein Rohr58 zu erzeugen. Der Differenzialdruck an der Durchflussverengung wird an den Druckanschlüssen60 ,62 gemessen. Wie in1 –2 dargestellt, sind die Druckanschlüsse60 ,62 separat von der Durchflussplatte52 zwischen Rohrflansche54 ,56 geklemmt, so dass die Druckanschlüsse60 ,62 getrennt von der Durchflussplatte52 eingefasst sind. Rohr58 fördert Prozessfluid bei einem hohen Druck. Ein solcher Druck ist eine Kombination aus dem Differenzialdruck, der als Reaktion auf die Verengung entsteht, und dem statischen Druck im Inneren des Rohrs, der 1.000 psi (6,9 MPa) oder mehr betragen kann. Der hohe Druck kann dazu führen, dass Fluid und Druck aus den Nahtstellen zwischen der Durchflussplatte52 und den Druckanschlüssen60 ,62 entweichen. Vibrationen und andere Bewegungen des Durchflussrohrs können die Verbindung zwischen der Durchflussplatte52 und den Druckanschlüssen60 ,62 lockern und dazu beitragen, dass Fluid und Druck an den Nahtstellen austreten. - In der Vorrichtung
50 wird die Durchflussgeschwindigkeit berechnet, basierend auf dem Differenzialdruck an einer Flussverengung, dem Rohrdurchmesser und dem Verengungsprofil. Druckverlust und Leckage an den Nahtstellen verändert den gemessenen Differenzialdruck an der Flussverengung und der Druckverlust oder die Änderung kann nicht zu der Durchflussgeschwindigkeit zugerechnet werden. Der nicht zurechenbare Druckverlust an den Nahtstellen verschlechtert die Durchflussberechnungen. Weiterhin erfordert die Vorrichtung50 eine erhebliche Montagezeit, da alle Kupplungsstücke miteinander verbunden und auf Leckage geprüft werden müssen. Außerdem ist gewöhnlich bei jeder notwendigen Wartung der Vorrichtung50 eine erhebliche Demontage-/Remontagezeit erforderlich, was die unerwünschte Ausfallzeit verlängert. Es ist somit also wünschenswert, eine Prozess-Durchflussmessungsvorrichtung bereitzustellen, die eine größere Genauigkeit bei reduzierter Montagezeit, Ausfallzeit und niedrigeren Kosten bietet. - Weitere Prozessfluss-Vorrichtungen sind in
EP-A-0,686,831 undGB-A-2,301,676 - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung stellt eine Prozessfluss-Vorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
- Ausführungen der Erfindung betreffen eine Durchflussplatte mit einer nahtlosen Schnittstelle zwischen ersten und zweiten Verengungs-Druckanschlüssen und der Durchflussverengung, um nicht zurechenbaren Druckverlust an Nahtstellen zwischen ersten und zweiten Druckanschlüssen und der Durchflussverengung zu reduzieren. Ein verringerter, nicht zurechenbarer Druckverlust verbessert die Messgenauigkeit, während die nahtlose Schnittstelle die Montagezeit reduziert.
- Optionale Merkmale sind in den angehängten Ansprüchen definiert.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Durchflussplatte nach Stand der Technik, eingefügt zwischen Rohrflansche. -
2 ist eine Querschnittdarstellung entlang der Linie 2-2 in1 . -
3 ist eine die Umgebung einbeziehende Darstellung einer Prozessflussvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. -
4 ist eine schematische Darstellung von Komponenten einer Prozessflussvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. -
5 ist eine Querschnittsdarstellung einer Prozessflussvorrichtung, angeordnet in einem Durchflussrohr zwischen Flanschen, die zum Verständnis der Erfindung beiträgt. -
6 ist eine detaillierte Darstellung des Abschnitts6 aus5 . -
7 ist eine Querschnittsdarstellung einer alternierenden Prozessflussvorrichtung, angeordnet in einem Durchflussrohr zwischen Flanschen. -
8 ist eine Querschnittsdarstellung noch einer weiteren alternierenden Prozessflussvorrichtung, angeordnet zwischen Flanschen mit einem lösbaren Kantenteil. -
9 ist eine detaillierte Darstellung des Abschnitts9 aus8 . -
10 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführung einer Prozessflussvorrichtung gemäß der Erfindung, angeordnet zwischen Flanschen, mit einer Explosionsdarstellung von Ringen, die einen Kanal der Durchflussplatte bilden. -
11 ist eine perspektivische Darstellung von Abschnitt11 der Durchflussplatte aus10 . -
12 ist eine Querschnittsdarstellung einer alternierenden Ausführung einer Prozessflussvorrichtung gemäß der Erfindung, angeordnet zwischen Flanschen, mit einer Explosionsdarstellung einer alternierenden Ausführung von Ringen, die einen Kanal der Durchflussplatte bilden. -
13 ist eine perspektivische Darstellung von Abschnitt13 der Durchflussplatte aus12 . - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
3 –4 sind die Umgebung einbeziehende Darstellungen einer Prozessflussvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassend eine Instrumentenbasis102 , erste und zweite Differenzialdruckdurchgänge104 ,106 und eine Differenzialflussplatte108 . Die Differenzialflussplatte108 umfasst einen Durchflusskanal110 , der eine Durchflussverengung112 stützt, und erste und zweite Druckanschlüsse114 ,116 , die sich zu dem Durchflusskanal110 öffnen (schematisch dargestellt in4 ). - Wie schematisch in
4 dargestellt, trägt die Instrumentenbasis102 die Prozessinstrumentierung120 . In3 –5 und7 umfasst die Prozessinstrumentierung120 ein Drucksensormodul122 zum Isolieren eines Differenzialdrucks und einen Transmitter124 zum Übertragen von Prozessdaten an einen Computer oder eine Lesevorrichtung126 (3 ). Der Transmitter124 oder eine beliebige andere geeignete Ablesevorrichtung kann Prozessvariablen erfassen und eine dies bezogene Ausgabe über eine Prozessschleife an einen Steuerstand oder Computer126 vermitteln, so dass der Prozess überwacht und gesteuert werden kann. Der Computer126 kann räumlich entfernt oder lokal integriert sein. Bei der Prozessschleife kann es sich um eine 4–20 mA Zweidraht-Prozesskontrollschleife handeln. Übergelagert auf der Zweidraht-Schleife können sich zudem digitale Signale befinden, gemäß einem Prozess-Industriestandardprotokoll wie beispielsweise dem digitalen Protokoll HART® ("Highway Addressable Remote Transducer"), beschrieben in HART® Communication Foundation, Austin, TX 78759-6450. Lokale Prozesssteuerungsvorrichtungen sind mit der Prozesssteuerung zum Beispiel über ein Feld busschnittstellen- und Netzwerksystem verbunden, wie beschrieben in "Fieldbus Technical Overview" Fisher-Rosemount Systems, Inc., Eden Prairie, MN. Prozesstransmitter124 können außerdem dazu konfiguriert sein, intrinsische Sicherheitsbedingungen zu erfüllen. - Die Instrumentenbasis
102 umfasst erste und zweite Differenzialdrucköffnungen130 ,132 , wie in4 dargestellt. Die Instrumentenbasis102 trägt die Prozessinstrumentierung120 für die Fluidverbindung zu den Differenzialdruckdurchgängen104 ,106 .5 stellt eine Instrumentenbasis102 dar, die einen Verteiler134 umfasst. Der Verteiler134 ist zwar für Ausführungen der Erfindung nicht erforderlich, bietet jedoch Vorteile bei der Kalibrierung und Wartung. Der Verteiler134 umfasst Ventilöffnungen136 , um einen Durchfluss durch den Verteiler während der Wartung selektiv zu versperren oder zu erlauben. Die Druckdurchgänge104 ,106 stehen mit den Verteilerkanälen in Fluidverbindung. Zwar sind drei Ventilöffnungen dargestellt, doch kann jede geeignete Anzahl an Ventilöffnungen136 eingesetzt werden. In7 umfasst die Instrumentenbasis102 einen Basisflansch138 , schematisch dargestellt mit Druckkanälen140 ,142 , die sich durch den Flansch138 erstrecken und zu den Druckdurchgängen104 ,106 hin geöffnet sind. - Die Druckdurchgänge
104 ,106 verbinden die Drucköffnungen130 ,132 der Instrumentenbasis102 fluid mit den Druckanschlüssen114 ,116 . In5 und7 werden die Druckdurchgänge104 ,106 von koaxialen Kanälen146 ,148 in einem massiven Führungsrohr150 gebildet. Die durch das Führungsrohr150 ausgebildeten Kanäle146 ,148 verlaufen gerade zum Reinigen der Durchgänge. In einer alternativen Konstruktion können Rohrleitungen zum Bilden der Durchgänge104 ,106 verwendet werden, und die Anwendung ist nicht auf das massive Führungsrohr150 , dargestellt in5 und7 , beschrankt. Das Führungsrohr150 kann mit der Instrumentenbasis102 verschraubt sein, wie in3 dargestellt, oder mit Hilfe anderer Befestigungsmittel verbunden sein. - In
5 kann der Verteiler134 nicht lösbar mit dem Führungsrohr150 verbunden sein, so dass eine nicht lösbare Schnittstelle zwischen Führungsrohr150 und Verteiler134 vorhanden ist. Eine nicht lösbare Schnittstelle verringert die Leckage an der Schnittstelle von Führungsrohr150 und Verteiler134 aufgrund von Montage und Demontage. - Die Differenzialflussplatte ist verbindbar zwischen den Rohrabschnitten
58-1 ,58-2 . In5 und7 fügt ein Dichtprofil152 die Durchflussplatte108 und die Flansche54 ,56 dichtend zusammen. Der Durchflusskanal110 stützt die Durchflussverengung112 , um den Durchflusskanal in zwei Seiten zu unterteilen. Der Durchflusskanal110 verläuft nahtlos zwischen der Durchflussverengung112 und den ersten und zweiten Druckanschlüssen114 ,116 , um eine nahtlose Schnittstelle154 (wie schematisch in4 dargestellt) in dem Durchflusskanal110 zwischen der Durchflussverengung112 und den ersten und zweiten Druckanschlüssen114 ,116 bereitzustellen. Somit werden die Nahtstellen, welche im Stand der Technik die Durchflussplatten von den Druckanschlüssen trennen, wie in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschrieben, eliminiert. Durch das Eliminieren der Nahtstellen zwischen der Durchflussverengung112 und den Druckanschlüssen114 ,116 wird der nicht zurechenbare Druckverlust an den Nahtstellen, welcher die Durchflussmessung verschlechtern kann, verringert. Zusätzlich reduziert eine solche Konfiguration die Wahrscheinlichkeit der Leckagebildung und der damit verbundenen unerwünschten flüchtigen Emissionen. Des Weiteren reduziert das Eliminieren der Nahtstellen Montagezeit und -kosten, da weniger Dichtungen erzeugt und geprüft werden müssen. - In
5 und7 ist die Durchflussplatte108 integral mit dem Führungsrohr150 ausgebildet, um eine einteilige Montageeinheit zu bilden. Die einteilige Montageeinheit reduziert Verbindungen zwischen den Druckanschlüssen114 ,116 und den Drucköffnungen130 ,132 , um nicht zurechenbaren Druckverlust zu verringern. - Bei der Durchflussverengung
112 kann es sich um eine Lochblende156 mit einer verengten Öffnung158 handeln, wie in5 dargestellt. In5 ist zwar eine konzentrische Lochblende156 mit konischem Rand dargestellt, doch können auch andere Lochblenden verwendet werden. Bei der Durchflussverengung112 kann es sich um eine Düsenplatte160 mit einer verengten Düsenöffnung162 handeln, wie in7 dargestellt. Detaillierte Beschreibungen verschiedener Lochblenden und Düsenplatten finden sich in Liptak, Beto, Instrument Engineer's Handbook: Process Measurement and Analysis, 3. Auflage, Chilton Book Company (1995) und Miller, Richard, Flow Measurement Engineering Handbook, 3. Auflage, McGraw-Rill, Inc. (1996). - In
8 –9 ist eine Durchflussverengung112 mit einem Hauptteil164 und einem entfernbaren Kantenteil166 dargestellt, umfassend einen verengten Durchflussdurchtritt168 . Der Hauptteil164 bildet eine Einheit mit der Durchflussplatte108 und der Kantenteil166 ist entfernbar mit dem Hauptteil164 verbindbar (wie dargestellt). Wenn der Kantenteil166 verschleißt, wird ein neuer Kantenteil166 für die weitere Verwendung der Durchflussplatte108 eingesetzt, was die Nutzungsdauer der Durchflussplatte108 erhöht. In der in8 –9 dargestellten Ausführung weist der Kantenteil166 ein externes Gewinde170 auf, um in ein internes Gewinde170 an dem Hauptteil164 einzugreifen. Ein Mechanismus zum Befestigen und Abdichten der Platte108 (nicht dargestellt) ist wünschenswert, um ein Absinken und/oder Herausfallen des Einsatzstücks zu verhindern. Für das lösbare Verbinden des Hauptteils164 mit dem Kantenteil166 ist zwar eine kämmende Gewindeanordnung dargestellt, doch können auch alternative Verbindungsverfahren eingesetzt werden, bei welchen zum Beispiel Schrauben, Bolzen, etc. zum Einsatz kommen. - Die Differenzialdruckanschlüsse
114 ,116 stehen in Fluidverbindung mit dem Durchflusskanal110 . Der erste Druckanschluss114 ist an einer ersten Seite der Durchflussverengung112 zu dem Durchflusskanal110 hin geöffnet und steht mit der ersten Differenzialdrucköffnung130 durch den ersten Differenzialdruckdurchgang104 in Verbindung, wie schematisch in4 dargestellt. Der zweite Druckanschluss116 ist an einer gegenüberliegenden Seite der Durchflussverengung112 zu dem Durchflusskanal110 hin geöffnet und steht mit der zweiten Differenzialdrucköffnung132 durch den zweiten Differenzialdruckdurchgang106 in Verbindung. - In
5 ,6 ,7 und8 bestehen die Druckanschlüsse114 ,116 aus einer Öffnung in dem Durchflusskanal110 , an gegenüberliegenden Seiten der Durchflussverengung112 . In10 –13 umfassen die Druckanschlüsse114 ,116 gemäß der Erfindung ringförmige Druckkanäle174 ,176 , die sich um einen Umfang des Durchflusskanals110 erstrecken und an gegenüberliegenden Seiten der Durchflussverengung112 mit dem Durchflusskanal110 in Fluidverbindung stehen, und Differenzialdruckdurchgänge104 ,106 , um eine durchschnittliche Druckmessung stromaufwärts und stromabwärts der Durchflussverengung112 bereitzustellen. - Gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung erstrecken sich in
10 –11 ringförmige Öffnungen178 ,180 an gegenüberliegenden Seiten der Durchflussverengung112 um den Umfang des Kanals110 . Die Öffnungen178 ,180 verbinden den Durchflusskanal110 fluid mit den ringförmigen Druckkanälen174 respektive176 . Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung ist in12 und13 eine Vielzahl von Öffnungen182 an gegenüberliegenden Seiten der Durchflussverengung112 in Abständen um den Umfang des Kanals110 angeordnet. Die Öffnungen182 verbinden den Durchflusskanal110 fluid mit den ringförmigen Druckkanälen174 ,176 für die Druckmessung. Die Öffnungen182 können in jeder geeigneten Form ausgeführt sein, einschließlich Löchern, Schlitzen und Halbkreisen. - In
5 –7 weist die Durchflussplatte108 eine einstückige Konstruktion auf. In10 –13 besteht die Durchflussplatte108 aus einem äußeren Block184 und inneren Ringen186 ,188 . Der äußere Block184 beinhaltet eine Durchflussverengung112 , die sich in eine zentrale Öffnung des äußeren Blocks184 erstreckt. Die Ringe186 ,188 sind zum Einschub in die zentrale Öffnung des äußeren Blocks184 auf gegenüberliegenden Seiten der Durchflussverengung112 dimensioniert, um die Kanalwand110 zu bilden. Der Innendurchmesser der Ringe186 ,188 kann variieren, um die Durchflussplatte108 für die verschiedenen Rohrinnendurchmesser zu dimensionieren. In einer Ausführung sind die Ringe186 ,188 an den äußeren Block184 geschweißt, um eine relativ fluid-dichte Verbindung für die Kanalwände110 bereitzustellen, doch können auch andere Verbindungen eingesetzt werden. - In
10 –11 beabstanden die Ränder der Ringe186-1 ,188-1 die Durchflussverengung112 , um die ringförmigen Öffnungen178 ,180 zu bilden, die sich um den Umfang des Durchflusskanals110 erstrecken, damit der Kanal110 mit den Druckkanälen174 ,176 in Fluidverbindung steht. In12 und13 umfassen die Ringe186-2 ,188-2 Öffnungen182 , die sich um den Umfang der Ringe186-2 ,188-2 erstrecken, um den Kanal110 und die ringförmigen Druckkanäle174 ,176 fluid zu verbinden. - Die Flussplatte
108 wird zur Prozessmess- und -regelung in den Durchflussweg eingeschoben. Der Durchfluss durch Rohr54 erzeugt einen Differenzialdruck an der Durchflussverengung112 . Der Differenzialdruck an der Durchflussverengung112 wird von ersten und zweiten Druckanschlüssen114 ,116 an gegenüberliegende Seiten der Durchflussverengung112 zu der Prozessinstrumentierung120 befördert, um den Differenzialdruck an den ersten und zweiten Druckanschlüssen114 ,116 zu messen und die Messdaten an einen Computer126 zu übertragen. Der Durchflusskanal110 der Durchflussplatte108 , welche die Durchflussverengung112 trägt, ist nahtlos und umfasst Druckanschlüsse114 ,116 , um eine nahtlose Schnittstelle zwischen den Druckanschlüssen114 ,116 und der Durchflussverengung112 für die Druckmessung bereitzustellen, wie zuvor beschrieben. - Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungen beschrieben, doch werden Fachleute erkennen, dass Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne dabei von dem Gültigkeitsbereich der angehängten Ansprüche abzuweichen.
Claims (10)
- Prozessfluss-Vorrichtung, umfassend: eine Instrumentenbasis (
102 ), verbindbar mit der Prozessinstrumentierung, wobei die Instrumentenbasis (102 ) erste und zweite Differenzialdrucköffnungen (130 ,132 ) umfasst; erste und zweite Differenzialdruckdurchgänge (104 ,106 ), verbunden mit der Instrumentenbasis (102 ) und in Verbindung mit den ersten und zweiten Differenzialdrucköffnungen (130 ,132 ); eine Differenzialflussplatte (108 ), verbindbar zwischen Rohrverbindungen (58-1 ,58-2 ), wobei die Differenzialflussplatte (108 ) umfasst: einen Durchflusskanal (110 ), der eine Durchflussverengung (112 ) stützt, welche den Durchflusskanal (110 ) in zwei Seiten unterteilt; ein erster Druckanschluss (114 ,116 ), der an einer ersten Seite der Durchflussverengung (112 ) zu dem Durchflusskanal (110 ) hin geöffnet ist und mit der ersten Differenzialdrucköffnung (130 ,132 ) durch den ersten Druckdurchgang (104 ,106 ) in Fluidverbindung steht; ein zweiter Druckanschluss (114 ,116 ), der an einer gegenüberliegenden Seite der Durchflussverengung (112 ) zu dem Durchflusskanal (110 ) hin geöffnet ist und mit der zweiten Differenzialdrucköffnung (130 ,132 ) durch den zweiten Druckdurchgang (104 ,106 ) in Fluidverbindung steht; wobei der Durchflusskanal (110 ) eine nahtlose Schnittstelle zwischen der Durchflussverengung (112 ) und den ersten und zweiten Druckanschlüssen (114 ,116 ) bereitstellt; und dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Druckanschlüsse (114 ,116 ) ringförmige Druckkanäle (174 ,176 ) umfassen; und dadurch, dass die ersten und zweiten Druckanschlüsse (114 ,116 ) eine ringförmige Öffnung (178 ,180 ) aufweisen, die mit den ringförmigen Druckkanälen (174 ,176 ) in Verbindung steht, oder eine Vielzahl von in Abstanden um den Umfang angeordneten Öffnungen (182 ), die mit den ringförmigen Druckkanälen in Verbindung stehen. - Prozessfluss-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Instrumentenbasis (
102 ) einen Verteiler (134 ) umfasst. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 umfassend einen Transmitter (
124 ), der mit der Instrumentenbasis (102 ) verbunden ist. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 umfassend einen Drucksensor (
122 ), der mit der Instrumentenbasis (102 ) verbunden ist. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein Führungsrohr (
150 ) mit zumindest zwei Kanälen (146 ,148 ), die sich durch das Führungsrohr (150 ) erstrecken, um erste und zweite Differenzialdruckdurchgänge (104 ,106 ) zu bilden, die mit Differenzialdrucköffnungen (130 ,132 ) und Druckanschlüssen (114 ,116 ) in Verbindung stehen. - Prozessfluss-Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Durchflussverengung (
112 ) und das Führungsrohr (150 ) in einer einzigen Einheit ausgebildet sind. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Durchflussverengung (
112 ) entweder eine Lochblende (150 ) mit einer verengten Öffnung (158 ) oder eine Düsenplatte (160 ) mit einer verengten Düsenöffnung (162 ) ist. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Kantenteil (
166 ) der Durchflussverengung (112 ) entfernbar mit einem Hauptteil (164 ) der Durchflussverengung (112 ) verbindbar ist. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Differenzialflussplatte (
108 ) einen äußeren Block und innere Ringe (186 ,188 ) umfasst, der äußere Block die Durchflussverengung (112 ) beinhaltet, die sich in eine zentrale Öffnung des äußeren Blocks erstreckt und die Ringe (186 ,188 ) zum Einschub in die zentrale Öffnung des äußeren Blocks dimensioniert sind, um den Durchflusskanal (110 ) zu bilden. - Prozessfluss-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Differenzialflussplatte (
108 ) flanschlose Dichtflächen zur Verbindung zwischen Rohrflanschen umfasst.
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