EP3094954A1 - System zur ermittlung von betriebsparametern eines getriebeelementes - Google Patents

System zur ermittlung von betriebsparametern eines getriebeelementes

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EP3094954A1
EP3094954A1 EP15700677.6A EP15700677A EP3094954A1 EP 3094954 A1 EP3094954 A1 EP 3094954A1 EP 15700677 A EP15700677 A EP 15700677A EP 3094954 A1 EP3094954 A1 EP 3094954A1
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EP
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antenna
rfid
sensor unit
planetary gear
rfid reader
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EP15700677.6A
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Bernd Gross
Markus Klaus Becker
Andreas Nicola
Khalid KHALLAYOUNE
Steffen KÄMMERER
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/021—Gearings
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/40—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a wireless architecture
    • H04Q2209/47—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a wireless architecture using RFID associated with sensors

Definitions

  • the invention relates to a system for determining operating parameters of a transmission element, which is movable relative to a base, in particular a transmission element in a planetary gear, comprising at least one passive RFID sensor unit and an RFID reader.
  • FIG. 3 shows two embodiments of the RFID reader antenna 3a.
  • the antenna 3a In order to be able to construct an antenna field region by means of the antenna 3a, which ensures a substantially uninterrupted transmission of energy and / or data, the antenna 3a must be designed in such a way that a double-flow antenna is produced. This is achieved by the antenna wire is applied as a loop on a support body, so that an annular structure is formed.
  • a metal tube 23 may be used as the antenna wire, wherein the tube is then deformed such that an annular structure is formed in which the tube forms two concentric circles which enclose an annular surface.
  • the antenna 3a can be executed multi-core.
  • Each vein forms its own ring surface, that is, the individual wires are connected in parallel.
  • a field fluctuation can be well balanced.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine System zur Ermittlung von Betriebsparametern eines Getriebeelementes (8, 9, 10), welches relativ zu einer Basis bewegbar ist, insbesondere ein Getriebeelement (8, 9, 10) in einem Planetengetriebe (7), umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit (2) mit einem Sensor (6), einer Energieversorgungseinheit, einer Sendeeinheit sowie einer Antenne (3b) und einen RFID-Reader (1) mit einer Antenne (3a), wobei der RFID-Reader (1) an der Basis (13) und die RFID-Sensoreinheit (2) an einem Getriebeelement (8, 9, 10) angeordnet ist. Um eine kontinuierliche und sichere Erfassung von Daten zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Antenne (3a) des RFID-Readers (1) und die Antenne (3b) der RFID-Sensoreinheit (2) derart zueinander angeordnet sind, dass sich die Antenne (3b) der RFID-Sensoreinheit (2) während der Relativbewegung im Wesentlichen in dem Antennenfeldbereich der Antenne (3a) des RFID-Readers (1) bewegt, sodass eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Übertragung von Energie und/oder Daten gewährleitet ist.

Description

System zur Ermittlung von Betriebsparametern eines Getriebeelementes
Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung von Betriebsparametern eines Getriebeelementes, welches relativ zu einer Basis bewegbar ist, insbesondere ein Getriebeelement in einem Planetengetriebe, umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit und einen RFID-Reader.
Die Überwachung von Maschinen bzw. von Aggregaten, wie zum Beispiel Getrieben, wird immer wichtiger. Insbesondere die online Überwachung spielt eine immer größer werdende Rolle, da sie insbesondere dazu geeignet ist, Betriebszu- stände auszuwerten, um daraus Schlüsse für die nächste Inspektion oder In- standhaltung zu treffen, und insbesondere einem vorzeitigen Ausfall ohne Vorankündigung vorzubeugen. Allgemein wird die Überwachung als „Condition- Monitoring" bezeichnet.
So kommen zur Überwachung in Getrieben bereits Schwingungssensoren und Temperatursensoren zum Einsatz. Insbesondere an schwer zugänglichen Stellen, wie zum Beispiel an den Lagern, hat es sich als sinnvoll herausgestellt, Temperatursensoren für die Temperaturüberwachung einzusetzen. Ein Temperaturanstieg ist ein sicheres Indiz für einen erhöhten Verschleiß oder ein bevorstehendes Versagen.
So wird beispielsweise in der DE 10 2010 034 749 A1 eine Vorrichtung zur Über- wachung eines Planetenrades mittels einer Sensoreinheit beschrieben. Es wird vorgeschlagen, die mittels der Sensoreinheit ermittelten Messdaten z.B. per RFID Technologie an eine Empfangseinheit zu übermitteln. Die Energieversorgung der Sensoreinheit erfolgt mittels einer Energieversorgungseinheit wie z.B. einer Batterie. Weiterhin ist aus der WO 201 1/104433 ein Monitoring-System für ein Planetengetriebe bekannt, welches eine drahtlose Übertragung von Daten und Energie vorsieht. Beide vorgeschlagenen Systeme haben den Nachteil, dass die Messdaten bzw. die Energie nur dann übertragen werden kann, wenn die Feldverläufe der Antennen von Sender und Empfänger fluchten. Bei der Anordnung der Sensoreinheit auf dem Planetenträger also einmal je Umdrehung. Die bekannte RFID Technologie arbeitet im Allgemeinen vor allem in der 125 kHz Technologie die für das Auslesen von fixen Daten (IDs) bestens geeignet ist. Diese RFID-Chips, die die Daten tragen, betreten das Feld der Antenne, werden aktiviert und abgefragt und verlassen danach das Feld der Antenne wieder. Es sind nur sehr langsame Relativgeschwindigkeiten vorgesehen (bis 10m/s) und große Antennenflächen und Antenneniesebereiche (einige m2).
Je nach Betriebszustand des Planetengetriebes kann es aber vorkommen, dass der Planetenträger still steht, sodass die Feldverläufe der Antennen so weit auseinanderliegen, dass keine Übertragung von Daten und Energie stattfinden kann.
Die Überwachung von Planetengetrieben bzw. der Lager der Planetenräder ist bisher nur mit sehr großem Aufwand möglich, da der Planetenträger sowie die an diesem angeordneten Planetenräder je nach Betriebszustand des Planetengetriebes ihre Position zum stehenden Getriebegehäuse verändern.
Ein weiteres Problem der bekannten Messsysteme mit RFID Technologie ist die Positionierung der Antenne in dem Metallgehäuse eines Getriebes, da das Ge- häuse aus Metall auf das Antennenfeld stark dämpft, sodass es insbesondere bei hohen Relativgeschwindigkeiten zu Energieversorgungs- und/oder Datenübertragungsproblemen kommt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System vorzuschlagen mittels dem Betriebsparameter von Getriebeelementen, insbesondere Bauteile eines Plane- tengetriebes, kontinuierlich und sicher erfasst werden können.
Erfindungsgemäß wird ein System zur Ermittlung von Betriebsparametern eines Getriebeelementes, welches relativ zu einer Basis bewegbar ist, insbesondere ein Getriebeelement in einem Planetengetriebe, umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit mit einem Sensor, einer Energieversorgungseinheit, einer Sendeeinheit sowie einer Antenne und einen RFID-Reader mit einer Antenne, wo- - - bei der RFID-Reader an der Basis und die RFID-Sensoreinheit an einem Getriebeelement angeordnet ist.
Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne des RFID-Readers und die Antenne der RFID-Sensoreinheit derart zueinander angeordnet sind, dass sich die Antenne der RFID-Sensoreinheit während der Relativbewegung im Wesentlichen in dem Antennenfeldbereich der Antenne des RFID-Readers bewegt, sodass eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Übertragung von Energie und/oder Daten gewährleistet ist.
Dabei kann die Relativbewegung auch dadurch zustande kommen, dass ein Bau- teil sich relativ zu einer Basis bewegt und sich zudem noch um eine eigene Achse bewegt, wie beispielsweise das Planetenrad eines Planetengetriebes.
Unter einer passiven RFID-Sensoreinheit, auch als RFID-Transponder oder TAG bezeichnet, versteht man eine Einheit ohne eigene Energieeinheit wie eine Batterie. Die benötigte Energie wird über die Antenne induziert. RFID-Sensoreinheit bzw. TAG wie auch der Reader können an oder in einem Bauteil bzw. Getriebeelement angeordnet sein. Weiterhin kann der RFID-Reader mit einer Auswerteinheit, wie einem Computer, verbunden sein, die wiederum mit der Steuerung des Getriebes in Verbindung steht.
Die zum Messen von Betriebsparametern benötigte Energie wird vom RFID- Reader aus auf den TAG übertragen, wobei auf dem TAG alternativ auch eine Energiespeichereinheit angeordnet sein kann, zum kurzzeitigen speichern von Energie.
Die RFID-Sensoreinheit bzw. TAG ist mit mindestens einem Sensor verbunden. Dabei kann der Sensor auf dem TAG angeordnet oder mit diesem elektrisch ver- bunden sein.
In einer bevorzugten Ausführung wird vorgeschlagen die RFID-Sensoreinheit, Tag, am Planetenträger eines Planetengetriebes anzuordnen. Dabei kann vorgesehen werden, dass der Sensor Betriebsparameter eines Planetenrads erfasst. - -
Um eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Verbindung von RFID-Reader und TAG zu gewährleisten kann die Antenne als zweiflutige Antenne ausgeführt sein. Derartige Antennen werden schlaufenförmig geführt.
Die Reader-Antenne kann derart ausgeführt sein, dass sie auf dem Bewegungs- radius der rotierenden TAG-Antenne ein rotationssymmetrisches bzw. ringförmiges Antennenfeld ausbildet.
Zur weiteren Verbesserung des Antennenfeldbereichs kann die Reader-Antenne mehrere parallele Windungen umfassen, die zueinander versetzt angeordnet sind. So kann ein mehradriges Reader-Antennenkabel verwendet werden, dass bei- spielsweise an einer Getriebegehäuseinnenfläche positioniert ist. Alternativ kann das Antennenkabel auch in einer ringförmigen Rohrschleife oder in einen Kunststoffträger eingelegt positioniert sein. Dadurch wird erreicht, dass es im Antennenüberlappungsbereich zu einer geringeren Feldschwankung kommt, sodass auch bei hohen Drehzahlen eine nahezu unterbrechungsfreie Antennenfunktion ge- währleistet ist.
Die Reader-Antenne und die TAG-Antenne können in zwei wesentliche Ausrichtungen zueinander angeordnet sein, in axialer oder radialer Richtung. Aus Platzgründen ist in einem Planetengetriebe aber die axiale Ausrichtung zu bevorzugen.
Bei der radialen Ausrichtung ist die Antennenschlaufe derart ausgeführt, dass eine Zylinderfläche entsteht, wobei das gerichtete Antennenfeld senkrecht auf die Drehachse gerichtet ist.
Neben Temperatursensoren können auch Sensoren eingesetzt werden, mittels denen einer der folgenden Betriebsparameter Druck, Feuchte, Drehmomente und/oder Schwingungen erfassbar sind. Insbesondere kann die Temperatur eines Planetenradlagers erfasst werden.
Weiterhin kann die Überwachung auf alle Planetenradlager ausgeweitet werden, und dafür für jedes Planetenradlager eine RFID-Sensoreinheit an dem Planeten- radträger angeordnet sein.
Das Auslesen aller RFID-Sensoreinheiten kann mittels eines RFID-Reader's er- folgen, der während der Drehung des Planetenträgers bzw. im Stillstand mit den - - einzelnen RFID-Sensoreinheiten kommuniziert und diese mit Energie versorgt. Wobei zur Unterscheidung der Messstellen codierte Daten übermittelt werden können.
Mittels des erfindungsgemäßen Systems sind besonders vorteilhaft Messungen im Stillstand wie auch im Betrieb eines Getriebes, insbesondere Planetengetriebes möglich.
In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass jeder RFID- Sensoreinheit ein RFID-Reader zugeordnet ist. Dabei können die RFID- Sensoreinheiten sowie die zugeordneten RFID-Reader radial versetzt angeordnet werden, um eine eindeutige Zuordnung zu erhalten.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Systems und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 a/1 b Funktionsprinzip des RFID-Systems Figur 2 Planetengetriebe mit RFID-System
Figur 3 Antenne von RFID Reader
Figur 4 TAG
In Figur 1 a wird schematisch das aus dem Stand der Technik bekannte Funktionsprinzip eines RFID-Systems dargestellt. Das dargestellte System ermöglicht eine berührungslose Signal- und Energieübertragung. Im Wesentlichen besteht das System aus einem Sensor 6 der mit einer RFID-Sensoreinheit 2 verbunden ist und einem RFID-Reader 1 der mit einer Auswerteinheit 25 verbunden ist. Die Antennenfelder der Antennen 3a und 3b von Reader 1 und TAG 2 greifen ineinander. - -
Figur 1 b zeigt den genaueren Aufbau des RFI D-Systems. In dieser Darstellung sind alle Bauteile die auf einem Reader 1 und einen TAG 2 angeordnet sein können dargestellt.
Die Energieübertragung wie auch die Datenübertragung erfolgt über die Antennen 3a, 3b der beiden Bauteile 1 , 2. Dazu müssen RFI D-TAG 2 und RFID-Reader 1 in Funkreichweite bzw im Bereich des Nahfeldes zueinander positioniert werden bzw. die Antennen derart zueinander positioniert sein, dass die Feldverläufe der Antennen ineinandergreifen.
Der RFID-TAG 2 kann neben dem Schaltkreis zum Senden und Empfangen von Signalen und Energie eine Energieversorgungseinheit aufweisen, welche für die Stromversorgung der Schaltkreise sorgt. Zur Speicherung der Energie kann eine Energiespeichereinheit vorgesehen sein. Ein derartiger passiver RFID-TAG wird daher allgemein auch als Smartsensor bezeichnet.
In Figur 2 ist beispielhaft ein Planetengetriebe 7 mit einem RFID-System darge- stellt. Das dargestellte Planetengetriebe 7 ist in einem Getriebegehäuse 13 untergebracht, wobei das Hohlrad 12 des Planetengetriebes mit dem Gehäuse 13 drehfest verbunden ist. Der RFID-Reader 1 und die Antenne 3a ist an dem Getriebegehäuse 13 angebracht, wobei der RFID-Reader 1 und/oder die Antenne 3a auch an einem anderem Bauteil des Getriebes angeordnet sein kann bzw. in ei- nem Bauteil integriert sein kann.
Der RFID-TAG 2 sowie der Sensor 6 sind an dem Planetenträger 8 angebracht, wobei auch hier eine Integration in den Planetenträger 8 denkbar ist. Der Sensor 6 ist ein Temperatursensor, mit dem die Temperatur des Lagers 10 des Planetenrats 9 gemessen wird. Die Anordnung am Planetenträger 8 ist deshalb derart zu wählen, dass der Sensor 6 möglichst nah am Lager 10 positioniert ist.
Alternativ kann der RFID-TAG 2 auch an einem oder jedem Planetenrad angebracht sein. Weiterhin kann das Hohlrad 12 drehbar gelagert sein.
Weiterhin kann, wie hier dargestellt, an jedem Planetenträgerarm 8 ein RFID-TAG 2 mit einem Sensor 6 angebracht sein, sodass die Temperatur jedes Lagers 10 gemessen werden kann. - -
Bei der Anordnung ist zu beachten, dass der TAG sich immer im Antennenfeld bewegt.
In Figur 3 sind zwei Ausführungen der RFID-Reader-Antenne 3a dargestellt. Damit mittels der Antenne 3a ein Antennenfeldbereich aufgebaut werden kann, das eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Übertragung von Energie und/oder Daten gewährleistet, muss die Antenne 3a derart gestaltet sein, dass eine zweiflutige Antenne entsteht. Dies wird erreicht, indem der Antennendraht als Schlaufe auf einen Tragkörper aufgebracht wird, so dass ein ringförmiges Gebilde entsteht. Alternativ kann auch ein Metallrohr 23 als Antennendraht verwendet werden, wobei das Rohr dann derart verformt wird, dass ein ringförmiges Gebilde entsteht, bei dem das Rohr zwei konzentrische Kreise bildet, die eine Ringfläche einschließen.
Alternativ kann ein ein- oder mehradriger Antennendraht in das Rohr eingeführt werden.
Die Kreisringdurchmesser bzw. der Abstand der Schlaufe, also der Abstand zwi- sehen der Außenantenne und Innenantenne ist dabei von der Bewegung des RFID-TAG's bzw. der Antenne 3b abhängig. Das heißt, der Antennenring 3a muss derart ausgelegt sein, dass die Antenne 3b des RFID-TAG's während der Getriebebewegung immer im Bereich der Ringfläche bleibt. Je nach Anordnung des RFID-TAG's am Planetenradträger oder Planetenrad muss die Antenne entspre- chend gestaltet werden.
Eine derartig gestaltete Antenne erzeugt ein gerichtetes Antennenfeld senkrecht zur Ringfläche, wobei sich der Feldbereich vor der Antenne konzentriert und die Umgebung weniger beeinflusst wird, wodurch die EMV-Eigenschaften verbessert werden. Lediglich an der Nahtstelle bzw. dem Antennenüberlappungsbereich 17 kommt es, je nach Ausführung, zu einer Feldüberhöhung oder zu einer Feldschwächung, die aber nur eine kleinen Abschnittsbereich der Antennenringfläche beeinflusst, so dass im Wesentlichen eine unterbrechungsfreie Übertragung stattfinden kann.
Um die Beeinflussung an der Nahtstelle 24 möglichst gering zu halten, kann die Antenne 3a mehradrig ausgeführt werden. Dabei bildet jede Ader einen eigene Ringfläche, das heißt die einzelnen Adern sind parallel geschaltet. Durch die - - räumliche Versetzung der einzelnen Windungen zueinander kann eine Feldschwankung gut ausgeglichen werden.
In Figur 4 ist beispielhaft eine Ausführung eines TAG's 2 dargestellt. Insbesondere bei hohen Temperaturen ist es notwendig, dass die Tag-Platine vor zu großer Hit- ze geschützt ist. Das dargestellte Gehäuse 26 des TAG's 2 weist zwei Bereiche auf, wobei der Sensor 6 an der Spitze nahe an einen Temperaturbereich herangeführt werden kann und die TAG-Platine 2 gut gegenüber Hitze abgeschirmt ist. Zur Weiteren Isolierung gegenüber der Hitze und zur Befestigung ist der TAG mittels eines Isoliermaterials 24 in den Gehäuse 26 fixiert. Die Temperaturen der Lager 15, 16 können mit herkömmlichen Messmethoden gemessen werden, da diese stationär im Getriebegehäuse angeordnet sind.
- -
Bezugszeichenliste
1 RFID-Reader
2 RFI D-TAG
3a,b Antenne
4 Energieversorgung
5 Datenaustausch
6 Sensor
7 Planetengetriebe
8 Planetenträger
9 Planetenrad
10 Lager
1 1 Sonnenrad
12 Hohlrad
13 Getriebegehäuse
14 Welle
15, 16 Lager
17 Antennenüberlappungsbereich
18 Feldbereich
19 Antennenplatine
20 Antennenzuleitung
21 Antennenträger
22 Gehäuse
23 Metallrohre
24 Isoliermaterial
25 Auswerteinheit
26 TAG-Gehäuse

Claims

Patentansprüche
1 . System zur Ermittlung von Betriebsparametern eines Getriebeelementes (8, 9, 10), welches relativ zu einer Basis bewegbar ist, insbesondere ein Getriebeelement (8, 9, 10) in einem Planetengetriebe (7), umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit (2) mit einem Sensor (6), einer Energieversorgungseinheit, einer Sendeeinheit sowie einer Antenne (3b) und einen RFID- Reader (1 ) mit einer Antenne (3a), wobei der RFID-Reader (1 ) an der Basis (13) und die RFID-Sensoreinheit (2) an einem Getriebeelement (8, 9, 10) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antenne (3a) des RFID-Readers (1 ) und die Antenne (3b) der RFID- Sensoreinheit (2) derart zueinander angeordnet sind, dass sich die Antenne (3b) der RFID-Sensoreinheit (2) während der Relativbewegung im Wesentlichen in dem Antennenfeldbereich der Antenne (3a) des RFID-Readers (1 ) bewegt, sodass eine im Wesentlichen Unterbrechungsfreieübertragung von
Energie und/oder Daten gewährleitet ist.
2. System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die RFID-Sensoreinheit (1 ) am Planetenträger (8) und/oder am Plane- tenrad (9) des Planetengetriebes (7) angeordnet ist.
3. System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antenne (3a) als zweiflutige Antenne ausgeführt ist.
4. System nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antenne (3a) mehrere parallele Windungen umfasst, die zueinander versetzt angeordnet sind.
5. System nach einem der Ansprüchel bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3a) und die Antenne (3b) in axialer oder radialer Richtung zueinander angeordnet sind.
6. System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (6) Betriebsparameter erfasst, die an mind. einem Planetenrad (9) herrschen.
7. System nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels des Sensors (6) zumindest einer der folgenden Betriebsparame- ter Temperatur, Druck, Feuchte und/oder Schwingungen messbar ist.
8. System nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur des Planetenradlagers (10) gemessen wird.
9. System nach einem der Ansprüche 2 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass für jedes Planetenradlager (10) eine RFID-Sensoreinheit (1 ) am Planetenträger (8) angeordnet ist.
10. System nach Anspruch 1 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle RFID-Sensoreinheiten (2) mittels einem RFID-Reader (1 ) ausgelesen werden.
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Inventor name: NICOLA, ANDREAS

Inventor name: KHALLAYOUNE, KHALID

Inventor name: KAEMMERER, STEFFEN

Inventor name: BECKER, MARKUS KLAUS

Inventor name: GROSS, BERND

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