JP2004520573A - 流量計 - Google Patents
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- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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Abstract
本発明の目的は、計測管(1)においてらせん状超音波を発信する超音波流量計であって、簡素化された構造を有するものを提供することである。本目的のため、本発明は超音波トランスデューサ(14;15)の射出軸(20;21)を同一平面内に含めず、一の超音波トランスデューサ(14または15)から他の超音波トランスデューサ(15または14)への超音波の伝播経路(22)は、計測管(1)の内壁(5)上に少なくとも2つの反射点を有している。本流量計に備わっている特徴には、超音波トランスデューサ(14;15)の射出軸(20;21)が同一平面に含まれないこと、および、内壁が、超音波を射出または受信する超音波トランスデューサ(14;15)の筐体部のための開口部を除いて、完全にフラットであることが含まれている。
Description
【0001】
本発明は請求項1の前文に記載の超音波を用いる流量計に関する。
【0002】
このような流量計は媒体に満たされた管系に取り付けられ、超音波を用いて液体または気体媒体の流速を計測する。これら流量計は、媒体にさらされた計測系の可動部を用いずに、引き出される媒体の量を記録している。
【0003】
超音波を発生および受信するトランスデューサ構成体を備え、管系に取り付けられた計測管の様々な構成は独国実用新案DEG8900110.9に開示されている。トランスデューサは回転対称に構成され、送波軸方向に超音波の波束を射出する。
【0004】
超音波自体が計測軸と平行に伝播する、軸方向へ射出している流量計の構成はトランスデューサ筐体回りでの流れの分岐のために、流れに対する比較的高い抵抗性を有する。さらに、完全に装置を分解した後でのみ、計測管内部を洗浄可能である。定常流が流れている特定の計測管において、流速はその断面に沿って変化し、それにより計測管の内部表面上において流速はゼロになる。断面領域のどこかの場所で流れは極大である。計測管軸上の極大に関し、攪乱されていない流れは回転対称である。
【0005】
流れとともに流れのコンターは変化し、それは媒体の粘性、管系のデザイン、および、計測管の内壁の特性に依存する。従い、軸方向への射出を行う装置は計測管内の流れのプロファイルによる誤差を示す可能性がある。この計測誤差はEP0565851B1に開示の構造測定により最小化可能である。
【0006】
超音波が流れの全プロファイルから影響を被るように流れの断面の外側、例えば計測管の隆起部にトランスデューサ構成体を備える計測管の構成により、計測管における計測部分は斜めになった射出をし、それによって流れの全プロファイルがその影響を受ける。トランスデューサの射出軸は計測管軸を含んだ長手方向断面平面内にある。媒体は、途中で偏向部またはその他の障害物と衝突することなく計測管内を流れる。この有利性は計測値がより小さくなるという代償を払うだけで得られる。なぜならば、超音波の計測管軸と平行な成分のみが記録されるからである。受ける側のトランスデューサは、射出する側のトランスデューサに対して計測管壁の反対側に配される。
【0007】
低い流速で流れる小さな流れをより正確に記録するには、計測部分を長くするべきである。これは、計測管の特定の断面において、計測管内部で超音波を複数回反射させることで可能である。例えば超音波の経路を計測管によって「V」または「W」字に折り曲げれば可能である。より厳密に流れプロファイルを記録すること、流れに対する抵抗性が低いこと、および、媒体から沈積する粒子によって計測管汚染から影響されにくいことは、反射により受信信号が減少するという不利性にも優ることである。
【0008】
流れのプロファイルの記録は、DE4336370C1に基づく流量計によってさらに改善されている。超音波は、射出トランスデューサより計測管軸に垂直に照射、または、受信機へガイドされながら照射され、それによりトランスデューサの射出軸は計測管軸を有する平面に存在する。流れに対して斜めに配置されている2つの鏡面がトランスデューサとは反対の計測管内壁に構成されており、超音波の進路を計測軸に対して斜め方向に変える。第1の鏡面反射の後、超音波の方向は計測管軸に垂直な2つの直交成分および計測管軸と平行な1成分を有する。従い超音波は内壁で数回にわたり反射し、超音波の経路は螺旋形状線分群を形成する。
【0009】
螺旋形状線分群の端部において第2鏡面は到来した超音波を受信機として機能する第2トランスデューサの射出軸の方向へ進路づける。より厳密な流れを記録するという有利性のために、内壁に2つの鏡面のための支持ブリスタ成形のため計測管が高価になるという代償が生じ、さらに流れのプロファイルを損傷し、ブリスタに関連して異物の沈積が多くなる。
【0010】
本発明は高精度で流速を記録し、汚染されにくい、経済的な流量計をつくることを基本としている。
【0011】
本目的は請求項1に記載の流量計に関する発明により達成される。本発明の有利な改良は従属クレームにより提供される。
【0012】
本発明にかかるデザイン、さらなる有利性、および、詳細を図面に基づいて以下に説明する。
【0013】
図1において、1は計測管であり、2および3は計測管1を図示しない管系に取り付けるための管フランジであり、4は計測管軸、5は計測管1の内壁であり、6ないし12は超音波を偏向させる鏡面であり、13は断面A−A’に対応する平面であり、計測管軸4は平面13に向かって下げ振り(Lot)である。14および15は超音波トランスデューサまたはショートトランスデューサ(kurzWandler)を指し、また16および17は超音波トランスデューサ14または15と計測管1とを連結するためのアダプタまたは連絡管(Uebergangsstuecke)である。
【0014】
トランスデューサ14または15はトランスデューサフランジ18により連絡管16または17と、計測管1内を流れる媒体19が開放系に流出しないように締結される。別の構造においては、連絡管16、17はトランスデューサ14、15の筐体の部分である。例えば温水、もしくは、冷水、ベンゼン、オイル、または、メタン、天然もしくは都市ガス等といった、液体または気体を媒体19と称する。代わりに、トランスデューサ16、17は、特にネジ切りされたアダプタを用いたり、または、用いずに、計測管1の壁部を形成するプレート5aに締結可能である。プレート5aは図1および図2において線5cによりその境界が示されている。その結果、トランスデューサ16、17は共に、それらが作り付けであっても、簡単に計測管から外すことができる。標準サイズDN50による寸法形状をプレート5aの構造が有することが望ましい。
【0015】
図1は切断して開かれている管1を示し、長手方向段面が図の面と一致している。鏡面6および10、第2トランスデューサ15、ならびに、連絡管17の部分は長手方向断面平面に配置されており、よって切断されている。これらは、理解を助ける目的で点線で示している。
【0016】
鏡面6、8、10、および、12の中心は、計測管軸4を含み、長手方向断面C−C’(図2)と直交するアジマス面B−B’(図2)の横断線上に配される。第1および第5の鏡面6および10は計測管1の切り落とされている部分に配置され、第3および第7の鏡面8および12が内壁5上に見られる。第2、第4、および、第7の鏡面7、9、および、11の中心は長手方向断面C−C’に含まれる内壁5上の横断線上に位置する。
【0017】
トランスデューサ14、15は、例えば回転対称性の容器のような筐体を有し、射出軸20、21方向に超音波を射出または受け取る。連絡管16、17は射出軸20、21との位置が調整され、超音波が経路22を通り第1鏡6に達するようにされる。射出軸20、21の傾きにより、長手方向断面C−C’の横断面は例えば連絡管のみを横切ることになる。
【0018】
第1トランスデューサ14の射出軸20は始点23において、内壁5の延長上、長手方向断面C−C’を貫き、長手方向断面C−C’の上に伸びて第1鏡面6に達する。射出軸20または21が計測管1の内壁5を貫く点が、鏡面6または12、および、トランスデューサ14または15に最近のアジマス面B−B’を定める。
【0019】
第1トランスデューサ14の射出した超音波は第1鏡面6に当り、反射の法則に従って第2鏡面7に向かう。第2鏡面7における反射の後、長手方向面C−C’の下方に位置する第3鏡面に当る。第3鏡面が超音波を、長手方向断面C−C’の高さにある第4鏡面9に向かわせるので、その後、経路22は第2トランスデューサ15の送り軸21と平行に走る。
【0020】
第4鏡面9における反射の後、超音波の方向は再び第1トランスデューサ14の射出軸20と平行になる。さらなる反射面10、11、および、12において反射が繰り返され、第7すなわち最後の鏡面12が超音波を第2トランスデューサ15の射出軸21と位置合わせする。超音波は再び長手方向断面C−C’を下方より終点24において貫き、第2トランスデューサ15に達する。
【0021】
経路22は計測管1において、計測管軸4に関し2回回転した螺旋形線分群を形成する。従い、経路22の長手方向断面C−C’への射影は文字「W」を形成し、始点23および終点24は「W」形状の端点である。始点23および終点24の間の距離dは、流れを記録するための、計測管1の有効長である。
【0022】
第2トランスデューサ15が超音波を射出すれば、超音波は経路22を反対方向に進み、先ず最近の鏡面12に当り、鏡面11ないし6を通って、超音波を受ける第1トランスデューサに向かう。媒体19は所定の方向25に流れるので、媒体19を通ってなされる伝達への影響のために、流れの方向25に沿った、または、反対の方向への超音波の進行にかかる時間は異なる。これは流れの平均流速に比例し、例えば、図示されていない評価ユニットにおいて位相差として計測可能である。
【0023】
従来の技術とは対称的に、射出軸20および21は長手方向断面C−C’上に無い。計測管1の外側では、第1トランスデューサ14の射出軸20は長手方向断面C−C’の下方に位置し、第2トランスデューサ15の射出軸は長手方向断面C−C’の上方にある。
【0024】
計測管の別の構造においては、第2トランスデューサ15が第4の鏡面9に代わって配置されており、射出軸21は第3鏡面8の中心に向かっている。螺旋形線分群は完全に360度回転した後終了する。経路22の長手方向断面C−C’への射影は文字「V」の形をしている。端点24はこの構造における第4鏡面9の中心点に位置する。「V」形状の始点23と終点24との間の距離が流れの速度を計測する上での計測管1の有効長を定める。
【0025】
計測管1の別の構造においては、第2トランスデューサ15が第2鏡面7に続く鏡面8、9、10、11、12のうちの1つの代わりに配置されている。例えば、第3鏡面8の代わりに配されて第2トランスデューサ15の射出軸21は最近の鏡面、ここでは鏡面7の中心を通るように方向付けられる。だが、これらの構造においては流れのプロファイルは最適に記録されない。少なくとも、超音波は2回の反射が必要であり、それにより射出軸20、21は一平面内に位置しない。
【0026】
断面A−A’の例を図2、図3、および、図5に示すが、面13(図1)が描画面である。平面13は長手方向面C−C’およびアジマス面B−B’と垂直に交差する。図2においては、計測管1は方形の中空部を有しており、例えばそれは市販の引き抜き加工された金属部材である。超音波は数回にわたって内壁5で反射する。
【0027】
周波数1MHzの超音波に関し、水中での波長はおよそ1.5mmであり、引き抜き加工された管に関しては、内壁5自体が波長1.5mmの超音波に対して鏡となるだけの質を有している。内壁5の再処理または個々の鏡面6ないし12の取り付けは不要となる。平面13から流れ25の方向(図1)を見れば、超音波は鏡面9で反射し、(図2において切り取られている)第1トランスデューサの射出方向20に平行なサブセグメント26の方向に向けられて、鏡部10に向かう。
【0028】
超音波は27、28、および、29と称するサブセグメントにしたがって次々と下流に伝播し、鏡面11および12は必ず超音波を終点24(図1)の方向へ向け、第2トランスデューサ15に射出方向21より到達する。鏡面9のみが断面に示されている。他の鏡面10、11、および、12は平面13の下方にあるため、ただ記号的に示されている。平面に射影された経路22(図1)は螺旋形状の線分群であり、完全な360度回転には、4つのサブセグメント26ないし29を有する。
【0029】
螺旋形の線分群は計測管軸4周りに螺旋を描き、経路22が長手方向断面C−C’上への射影において文字「W」(図1)を形成する場合、各360度回転において、計測管軸4と平行な方向に距離d(図1)の半分をカバーする。しかし、経路が「V」形状であれば、線分群は1回の回転の後、第2トランスデューサ15に到達してしまう。方形断面を有する計測管1において、図示されている射影では超音波は鏡面6ないし12(図1)上で角度45度以下であるが、超音波は各鏡面6ないし12(図1)において、角度90度で偏向されている。2つの射出軸20および21はそれ故、射影において角度90度を同様に有する。
【0030】
方形断面に代えて、矩形断面を計測管1に採用することもできる。この構造では、鏡面上の経路22は、鏡面に対して鋭角をなして計測管1の狭い方の側部へ向かい、また鈍角をなして計測管1の広い方の側部へ向かう。相応じて射出軸20および21のなす角度も変化する。サブセグメント26ないし29は、平面13上への射影においては正方形の代わりに、長斜方形を形成する。
【0031】
別の構造において、計測管1は円形断面を有する。計測管1に通っている経路22は図2に示される平面13上への射影が正方形を採用している。
【0032】
図3に示す構造において、計測管1は円形断面A−A’(図1)を有する。螺旋形状線分群は例えば、平面13(図1)上への射影において正三角形形状を有する経路22を描く。超音波は内壁5で反射する。サブセグメント26は(図2の)第1トランスデューサ(図示せず)の射出軸20(図2)の方向と平行に鏡面9を出発する。経路22は反射の法則に従って平面13の下方にある鏡面10および11で方向を変え、サブセグメント28は射出軸21と平行に第2トランスデューサ15に導かれる。
【0033】
螺旋形状線分群は、1回の360度回転につき、3つのサブセグメント26、27、および、28を有する。1回回転につき、サブセグメント26上の線分群始点23とサブセグメント28上の終点24とは計測管軸4と平行な方向に距離d(図1)だけ離れている。2回回転の螺旋形状線分群では、始点23と終点24との間に、サブセグメント26、27、および、28からなる2つのグループが経路22を形成している。射出軸20(図1)および21は、よって、正三角形の2つの側部と方向を同じくし、平面13上への射影において角度60度をなす。
【0034】
図4は、線分群が360度回転につき3つのサブセグメント26(図3)、27(図3)、および、28(図3)を有する場合の、長手方向断面C−C’(図3)上への射影で、計測管1の経路22の螺旋形状線分群を示している。図4において、1回回転のみの螺旋形状線分群からなる経路22は始点23から終点24の間で破線にて示されており、2回回転の螺旋形状線分群からなる経路22は点線にて示している。始点23と終点24とは計測管軸4と平行に距離dだけ離れている。経路22は少なくとも2回、内壁5(図1)で反射する。
【0035】
図5に示す別の構造においては、計測管1は正六角形の断面を有する。計測管1の全ての1つの側部を隔てた側部(Jede zweite Seite)は入射超音波に対して適切な角度を有し、そのため、超音波は内壁5(図3)において進路を変え、経路22のなす螺旋形状線分群(図4)の方向に向かう。平面13(図1)上への射影において、螺旋形状線分群は計測管軸4を正三角形の中心とする、サブセグメント26、27、および、28からなる正三角形を形成する。
【0036】
図3および5に示すような整った管形状の代わりに、幅の歪んだ断面を有する計測管1を用いることも可能である。平面13への射影において、3つのサブセグメント26、27、28は正三角形の代わりに底辺がアジマス面B−B’と平行な二等辺三角形を形成する。二等辺三角形の底辺からの全高は、計測管軸4を通り、長手方向断面C−C’に存在する。
【0037】
超音波の内壁における反射の回数zは螺旋形状線分群の回転あたりのサブセグメント26、27、28、および、29(図2)の数s、および、始点23(図4)と終点(図4)との距離dが経路22上でカバーされるまでの螺旋形状線分群の計測管軸4周りの回転数nによって規定される。従って、z=s×n−1であり、ここで、sは1よりも大きい自然数であり、nはゼロよりも大きい自然数である。
【0038】
図6においては、サブセグメント26ないし29を有する螺旋形状線分群を一視点で示すために、矩形断面を有する「透明な」計測管1において経路22(図1)を示している。参照数字30、31、32、および、33は、視点23から来る超音波が反射する順番に、計測管1の内壁(図5)の4つの内部表面を示している。
【0039】
高さhは第1および第3内部表面30および32を横切る方向の計測であり、幅bは第2および第4内部表面31および33を横切る方向の計測である。計測部分の長さは距離dに一致する。経路22の射影は、破線のセグメント34によって表されている長手方向断面C−C’と平行な内部表面上に「V」形状を形成する。
【0040】
図6において、本図には図示していないトランスデューサ14(図1)、15(図1)は計測管1の外側表面(図示せず)上に配置され、第4の内側表面33に属している。計測管軸4に平行な、第1および第3内部表面30、32上の点線はアジマス平面B−B’との交線である。第2内部31および第4内部33は、計測管軸4と平行な、点線にて示す中央線35、36で長手方向に分割されている。中央線35、36は長手方向断面C−C’と第2および第4内部表面31、33との交線である。
【0041】
アジマス軸37または38は、始点23または終点24が位置する第4内部表面への重錘線であり、射出軸20または21の第4表面への射影はアジマス角Ψだけ回転している。
【0042】
第1トランスデューサ14が、射出方向20へ超音波を発する。超音波は始点23より計測部分へひろがり、経路22に沿って進む。サブセグメント26は始点23より仰角を持って上昇し、射出軸20が第1内部表面30を貫く点に達する。この貫通点とは第1鏡面6の中心点である。第1鏡面6により、超音波は第2セグメント27に送られ、第2内壁31上の鏡面7へ向かう。第3鏡面8は超音波を第4セグメント29へと偏向する。この第4セグメント29は終点24へと続いており、第2トランスデューサの射出軸である。
【0043】
サブセグメント26の第4内部表面33に含まれる成分39は、第4内部表面33において中央線36とアジマス角Ψをなす。
【0044】
アジマス角Ψは次の式により算出される。
tangent(Ψ) = s n b / 2 d [1]
ここで、s n b は、計測管1の幅b、計測管軸4周りに螺旋形状線分群の360度回転の数n、および、一回転あたりのサブセグメント26ないし29の数sの積である。分母における、2dは距離dの2倍を表す。仰角εは次式により決定される。
tangent(ε) = s n h / cos(Ψ) / 2 d [2]
ここで、分子のbは、計測管1の高さhと置き換えられ、積s n h はcos(Ψ)倍される。一回転につき、螺旋形状線分群が3つのサブセグメントを有するならば、式[1]、式[2]においてs=3が選択され、サブセグメント26、27、および、28の平面13(図1)への射影が形成する三角形の底辺をbとし、この三角形の高さをhとする。
【0045】
各サブセグメント26ないし29は長さが等しく、長手断面C−C’上への射影において長さd/sを有する。サブセグメント26ないし29に沿った経路22は、結果として長さL = d・[cos(Ψ)・cos(ε)]−1を有する。距離dに等しい経路22の流れの方向と平行な成分のみが、流れる媒体中の超音波に作用する伝達効果(Mitfuehreffekt)に関して有効である。
【0046】
アジマス角および仰角εの幾つかの値を例示的に表1に示す。ここで、計測管1は距離dおよび高さhは幅bを単位として規定し、経路22は前述の意味を有する数sおよびnによって規定される。
【表1】
【0047】
図7はトランスデューサ14、15(図1)の計測管1への導入部を示している。本図は第1トランスデューサ14の一例である。計測管1は各トランスデューサ14、15に対し、環状連結フランジ40を備える。環状連結フランジ40は計測管1の壁部における円形開口部41の周りに設けられている。2つの連結フランジ40のシーリング面はアジマス面B−B’(図6)と平行に配されることが好ましい。トランスデューサ14または15(図1)は媒体19(図1)内へ開口部41により導入される。
【0048】
連絡管16または17(図1)の連絡フランジ42は、例えば連結フランジ40と同一の外寸を有する。連絡フランジ42は、そのシーリング面を連結フランジ40のシーリング面に対して曝しており、そうすることにより計測管1の開口部は媒体19の損失を封じている。連結フランジ40、開口部41、および、連絡フランジ42は、アジマス軸の方向に向かって、その中心を同じくするように配されている。トランスデューサ14または15の射出軸20または21(図1)はアジマス軸に関して(90度 − ε)なる角をなす。2つの軸20と37または21と38は、始点23または終点24(図6)において交差する。
【0049】
射出軸20は始点23において経路22の第1部分26に通じている。第4部分29(図6)は終点24において第2射出軸21になる。超音波トランスデューサ14、15の射出軸20、21が同一の平面内に配置されず、また、内壁5は、超音波を射出または受信している筐体要素45のための開口部41まで完全になめらかである点が、本流量計の特徴である。
【0050】
ある構造においては、射出軸20または21を有するトランスデューサ14または15は、アジマス軸37または38に関して回転可能であり、それによって、アジマス角Ψは調整可能であり、射出軸20または21はあらゆる所望のアジマス角Ψをなす位置に固定可能である。さらに別の構成においては、連結フランジ40および連絡フランジ42と係合して形態を固定するガイドボルトを用いてアジマス角Ψが所定角に固定される。ガイドボルトにより、計測管1上のトランスデューサ14もしくは15および連絡管16もしくは17の再現性のある取り付けが可能となる。
【0051】
トランスデューサ14、15は、超音波にとって透明な窓44を備えた筐体要素45を有する。筐体要素45は、筐体要素45が流れている媒体19の妨げにならない程度に、開口部41を満たしている媒体19内に窓44前面を浸す。別のさらなる補機なしで、射出トランスデューサ14または15から容易に発散する性質の放射波として媒体19中に超音波が放射される。有利なことには、超音波のための窓44前面のレンズにより、この発散性を補償している。なぜならば、この構造において、受信トランスデューサ15または14において信号は大きいほうが有用であるからである。
【0052】
図8は窓44の媒体19(図1)に面した側にある超音波用フレネルレンズ46を示す。これは、スチール、ブラス、銅、アルミニウム等のように、媒体19の音速と比較して高速な音速を有する材料からなる、射出軸20または21の同心の環状リング47を備える。環状リング47の幅、および、媒体19に満たされている環状リング47の隙間は、媒体19における超音波の波長と比較して小さい。それは例えば、波長の0.05から0.5の範囲の値である。環状リング47の材料および媒体19における音速の相違により、送り軸20または21に向かう超音波の屈折が生じる。窓44の表面上の環状リング47の厚さがレンズの焦点距離46を決定する。
【0053】
ステンレス鋼、スチール、銅、ブラス、アルミニウム等からなる引き抜き加工による金属形材の代わりに、計測管1はこれらの材料の鋳造またはプレス加工品でもよい。ガンメタルまたはプラスチック、特に、ABS、PPS、PBT等グラスファイバ補強されたタイプを材料として用いることができる。
【0054】
再度、この新しいアイデアの基本的な考え方の一部分を図9および図10にて概略的に示す。トランスデューサ16、17が、計測管1上のプレート5a上に斜めに配置され、計測管1にはネジ形状で射出されるような方向を向けられている。このようにして、簡素な構造、簡便な互換性、および、メンテナンス実施可能性を備える。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】計測管の長手方向断面図である。
【図2】計測管の断面図である。
【図3】計測管の第2の構造の断面図である。
【図4】計測管の長手方向断面図である。
【図5】計測管の別の構造の断面図である。
【図6】計測管における超音波トランスデューサの配置図である。
【図7】計測管における音響路(Schallweg)の図である。
【図8】超音波集束装置の断面図である。
【図9】流量計の概略的図である。
【図10】流量計の概略的図である。
【符号の説明】
【0056】
本発明は請求項1の前文に記載の超音波を用いる流量計に関する。
【0002】
このような流量計は媒体に満たされた管系に取り付けられ、超音波を用いて液体または気体媒体の流速を計測する。これら流量計は、媒体にさらされた計測系の可動部を用いずに、引き出される媒体の量を記録している。
【0003】
超音波を発生および受信するトランスデューサ構成体を備え、管系に取り付けられた計測管の様々な構成は独国実用新案DEG8900110.9に開示されている。トランスデューサは回転対称に構成され、送波軸方向に超音波の波束を射出する。
【0004】
超音波自体が計測軸と平行に伝播する、軸方向へ射出している流量計の構成はトランスデューサ筐体回りでの流れの分岐のために、流れに対する比較的高い抵抗性を有する。さらに、完全に装置を分解した後でのみ、計測管内部を洗浄可能である。定常流が流れている特定の計測管において、流速はその断面に沿って変化し、それにより計測管の内部表面上において流速はゼロになる。断面領域のどこかの場所で流れは極大である。計測管軸上の極大に関し、攪乱されていない流れは回転対称である。
【0005】
流れとともに流れのコンターは変化し、それは媒体の粘性、管系のデザイン、および、計測管の内壁の特性に依存する。従い、軸方向への射出を行う装置は計測管内の流れのプロファイルによる誤差を示す可能性がある。この計測誤差はEP0565851B1に開示の構造測定により最小化可能である。
【0006】
超音波が流れの全プロファイルから影響を被るように流れの断面の外側、例えば計測管の隆起部にトランスデューサ構成体を備える計測管の構成により、計測管における計測部分は斜めになった射出をし、それによって流れの全プロファイルがその影響を受ける。トランスデューサの射出軸は計測管軸を含んだ長手方向断面平面内にある。媒体は、途中で偏向部またはその他の障害物と衝突することなく計測管内を流れる。この有利性は計測値がより小さくなるという代償を払うだけで得られる。なぜならば、超音波の計測管軸と平行な成分のみが記録されるからである。受ける側のトランスデューサは、射出する側のトランスデューサに対して計測管壁の反対側に配される。
【0007】
低い流速で流れる小さな流れをより正確に記録するには、計測部分を長くするべきである。これは、計測管の特定の断面において、計測管内部で超音波を複数回反射させることで可能である。例えば超音波の経路を計測管によって「V」または「W」字に折り曲げれば可能である。より厳密に流れプロファイルを記録すること、流れに対する抵抗性が低いこと、および、媒体から沈積する粒子によって計測管汚染から影響されにくいことは、反射により受信信号が減少するという不利性にも優ることである。
【0008】
流れのプロファイルの記録は、DE4336370C1に基づく流量計によってさらに改善されている。超音波は、射出トランスデューサより計測管軸に垂直に照射、または、受信機へガイドされながら照射され、それによりトランスデューサの射出軸は計測管軸を有する平面に存在する。流れに対して斜めに配置されている2つの鏡面がトランスデューサとは反対の計測管内壁に構成されており、超音波の進路を計測軸に対して斜め方向に変える。第1の鏡面反射の後、超音波の方向は計測管軸に垂直な2つの直交成分および計測管軸と平行な1成分を有する。従い超音波は内壁で数回にわたり反射し、超音波の経路は螺旋形状線分群を形成する。
【0009】
螺旋形状線分群の端部において第2鏡面は到来した超音波を受信機として機能する第2トランスデューサの射出軸の方向へ進路づける。より厳密な流れを記録するという有利性のために、内壁に2つの鏡面のための支持ブリスタ成形のため計測管が高価になるという代償が生じ、さらに流れのプロファイルを損傷し、ブリスタに関連して異物の沈積が多くなる。
【0010】
本発明は高精度で流速を記録し、汚染されにくい、経済的な流量計をつくることを基本としている。
【0011】
本目的は請求項1に記載の流量計に関する発明により達成される。本発明の有利な改良は従属クレームにより提供される。
【0012】
本発明にかかるデザイン、さらなる有利性、および、詳細を図面に基づいて以下に説明する。
【0013】
図1において、1は計測管であり、2および3は計測管1を図示しない管系に取り付けるための管フランジであり、4は計測管軸、5は計測管1の内壁であり、6ないし12は超音波を偏向させる鏡面であり、13は断面A−A’に対応する平面であり、計測管軸4は平面13に向かって下げ振り(Lot)である。14および15は超音波トランスデューサまたはショートトランスデューサ(kurzWandler)を指し、また16および17は超音波トランスデューサ14または15と計測管1とを連結するためのアダプタまたは連絡管(Uebergangsstuecke)である。
【0014】
トランスデューサ14または15はトランスデューサフランジ18により連絡管16または17と、計測管1内を流れる媒体19が開放系に流出しないように締結される。別の構造においては、連絡管16、17はトランスデューサ14、15の筐体の部分である。例えば温水、もしくは、冷水、ベンゼン、オイル、または、メタン、天然もしくは都市ガス等といった、液体または気体を媒体19と称する。代わりに、トランスデューサ16、17は、特にネジ切りされたアダプタを用いたり、または、用いずに、計測管1の壁部を形成するプレート5aに締結可能である。プレート5aは図1および図2において線5cによりその境界が示されている。その結果、トランスデューサ16、17は共に、それらが作り付けであっても、簡単に計測管から外すことができる。標準サイズDN50による寸法形状をプレート5aの構造が有することが望ましい。
【0015】
図1は切断して開かれている管1を示し、長手方向段面が図の面と一致している。鏡面6および10、第2トランスデューサ15、ならびに、連絡管17の部分は長手方向断面平面に配置されており、よって切断されている。これらは、理解を助ける目的で点線で示している。
【0016】
鏡面6、8、10、および、12の中心は、計測管軸4を含み、長手方向断面C−C’(図2)と直交するアジマス面B−B’(図2)の横断線上に配される。第1および第5の鏡面6および10は計測管1の切り落とされている部分に配置され、第3および第7の鏡面8および12が内壁5上に見られる。第2、第4、および、第7の鏡面7、9、および、11の中心は長手方向断面C−C’に含まれる内壁5上の横断線上に位置する。
【0017】
トランスデューサ14、15は、例えば回転対称性の容器のような筐体を有し、射出軸20、21方向に超音波を射出または受け取る。連絡管16、17は射出軸20、21との位置が調整され、超音波が経路22を通り第1鏡6に達するようにされる。射出軸20、21の傾きにより、長手方向断面C−C’の横断面は例えば連絡管のみを横切ることになる。
【0018】
第1トランスデューサ14の射出軸20は始点23において、内壁5の延長上、長手方向断面C−C’を貫き、長手方向断面C−C’の上に伸びて第1鏡面6に達する。射出軸20または21が計測管1の内壁5を貫く点が、鏡面6または12、および、トランスデューサ14または15に最近のアジマス面B−B’を定める。
【0019】
第1トランスデューサ14の射出した超音波は第1鏡面6に当り、反射の法則に従って第2鏡面7に向かう。第2鏡面7における反射の後、長手方向面C−C’の下方に位置する第3鏡面に当る。第3鏡面が超音波を、長手方向断面C−C’の高さにある第4鏡面9に向かわせるので、その後、経路22は第2トランスデューサ15の送り軸21と平行に走る。
【0020】
第4鏡面9における反射の後、超音波の方向は再び第1トランスデューサ14の射出軸20と平行になる。さらなる反射面10、11、および、12において反射が繰り返され、第7すなわち最後の鏡面12が超音波を第2トランスデューサ15の射出軸21と位置合わせする。超音波は再び長手方向断面C−C’を下方より終点24において貫き、第2トランスデューサ15に達する。
【0021】
経路22は計測管1において、計測管軸4に関し2回回転した螺旋形線分群を形成する。従い、経路22の長手方向断面C−C’への射影は文字「W」を形成し、始点23および終点24は「W」形状の端点である。始点23および終点24の間の距離dは、流れを記録するための、計測管1の有効長である。
【0022】
第2トランスデューサ15が超音波を射出すれば、超音波は経路22を反対方向に進み、先ず最近の鏡面12に当り、鏡面11ないし6を通って、超音波を受ける第1トランスデューサに向かう。媒体19は所定の方向25に流れるので、媒体19を通ってなされる伝達への影響のために、流れの方向25に沿った、または、反対の方向への超音波の進行にかかる時間は異なる。これは流れの平均流速に比例し、例えば、図示されていない評価ユニットにおいて位相差として計測可能である。
【0023】
従来の技術とは対称的に、射出軸20および21は長手方向断面C−C’上に無い。計測管1の外側では、第1トランスデューサ14の射出軸20は長手方向断面C−C’の下方に位置し、第2トランスデューサ15の射出軸は長手方向断面C−C’の上方にある。
【0024】
計測管の別の構造においては、第2トランスデューサ15が第4の鏡面9に代わって配置されており、射出軸21は第3鏡面8の中心に向かっている。螺旋形線分群は完全に360度回転した後終了する。経路22の長手方向断面C−C’への射影は文字「V」の形をしている。端点24はこの構造における第4鏡面9の中心点に位置する。「V」形状の始点23と終点24との間の距離が流れの速度を計測する上での計測管1の有効長を定める。
【0025】
計測管1の別の構造においては、第2トランスデューサ15が第2鏡面7に続く鏡面8、9、10、11、12のうちの1つの代わりに配置されている。例えば、第3鏡面8の代わりに配されて第2トランスデューサ15の射出軸21は最近の鏡面、ここでは鏡面7の中心を通るように方向付けられる。だが、これらの構造においては流れのプロファイルは最適に記録されない。少なくとも、超音波は2回の反射が必要であり、それにより射出軸20、21は一平面内に位置しない。
【0026】
断面A−A’の例を図2、図3、および、図5に示すが、面13(図1)が描画面である。平面13は長手方向面C−C’およびアジマス面B−B’と垂直に交差する。図2においては、計測管1は方形の中空部を有しており、例えばそれは市販の引き抜き加工された金属部材である。超音波は数回にわたって内壁5で反射する。
【0027】
周波数1MHzの超音波に関し、水中での波長はおよそ1.5mmであり、引き抜き加工された管に関しては、内壁5自体が波長1.5mmの超音波に対して鏡となるだけの質を有している。内壁5の再処理または個々の鏡面6ないし12の取り付けは不要となる。平面13から流れ25の方向(図1)を見れば、超音波は鏡面9で反射し、(図2において切り取られている)第1トランスデューサの射出方向20に平行なサブセグメント26の方向に向けられて、鏡部10に向かう。
【0028】
超音波は27、28、および、29と称するサブセグメントにしたがって次々と下流に伝播し、鏡面11および12は必ず超音波を終点24(図1)の方向へ向け、第2トランスデューサ15に射出方向21より到達する。鏡面9のみが断面に示されている。他の鏡面10、11、および、12は平面13の下方にあるため、ただ記号的に示されている。平面に射影された経路22(図1)は螺旋形状の線分群であり、完全な360度回転には、4つのサブセグメント26ないし29を有する。
【0029】
螺旋形の線分群は計測管軸4周りに螺旋を描き、経路22が長手方向断面C−C’上への射影において文字「W」(図1)を形成する場合、各360度回転において、計測管軸4と平行な方向に距離d(図1)の半分をカバーする。しかし、経路が「V」形状であれば、線分群は1回の回転の後、第2トランスデューサ15に到達してしまう。方形断面を有する計測管1において、図示されている射影では超音波は鏡面6ないし12(図1)上で角度45度以下であるが、超音波は各鏡面6ないし12(図1)において、角度90度で偏向されている。2つの射出軸20および21はそれ故、射影において角度90度を同様に有する。
【0030】
方形断面に代えて、矩形断面を計測管1に採用することもできる。この構造では、鏡面上の経路22は、鏡面に対して鋭角をなして計測管1の狭い方の側部へ向かい、また鈍角をなして計測管1の広い方の側部へ向かう。相応じて射出軸20および21のなす角度も変化する。サブセグメント26ないし29は、平面13上への射影においては正方形の代わりに、長斜方形を形成する。
【0031】
別の構造において、計測管1は円形断面を有する。計測管1に通っている経路22は図2に示される平面13上への射影が正方形を採用している。
【0032】
図3に示す構造において、計測管1は円形断面A−A’(図1)を有する。螺旋形状線分群は例えば、平面13(図1)上への射影において正三角形形状を有する経路22を描く。超音波は内壁5で反射する。サブセグメント26は(図2の)第1トランスデューサ(図示せず)の射出軸20(図2)の方向と平行に鏡面9を出発する。経路22は反射の法則に従って平面13の下方にある鏡面10および11で方向を変え、サブセグメント28は射出軸21と平行に第2トランスデューサ15に導かれる。
【0033】
螺旋形状線分群は、1回の360度回転につき、3つのサブセグメント26、27、および、28を有する。1回回転につき、サブセグメント26上の線分群始点23とサブセグメント28上の終点24とは計測管軸4と平行な方向に距離d(図1)だけ離れている。2回回転の螺旋形状線分群では、始点23と終点24との間に、サブセグメント26、27、および、28からなる2つのグループが経路22を形成している。射出軸20(図1)および21は、よって、正三角形の2つの側部と方向を同じくし、平面13上への射影において角度60度をなす。
【0034】
図4は、線分群が360度回転につき3つのサブセグメント26(図3)、27(図3)、および、28(図3)を有する場合の、長手方向断面C−C’(図3)上への射影で、計測管1の経路22の螺旋形状線分群を示している。図4において、1回回転のみの螺旋形状線分群からなる経路22は始点23から終点24の間で破線にて示されており、2回回転の螺旋形状線分群からなる経路22は点線にて示している。始点23と終点24とは計測管軸4と平行に距離dだけ離れている。経路22は少なくとも2回、内壁5(図1)で反射する。
【0035】
図5に示す別の構造においては、計測管1は正六角形の断面を有する。計測管1の全ての1つの側部を隔てた側部(Jede zweite Seite)は入射超音波に対して適切な角度を有し、そのため、超音波は内壁5(図3)において進路を変え、経路22のなす螺旋形状線分群(図4)の方向に向かう。平面13(図1)上への射影において、螺旋形状線分群は計測管軸4を正三角形の中心とする、サブセグメント26、27、および、28からなる正三角形を形成する。
【0036】
図3および5に示すような整った管形状の代わりに、幅の歪んだ断面を有する計測管1を用いることも可能である。平面13への射影において、3つのサブセグメント26、27、28は正三角形の代わりに底辺がアジマス面B−B’と平行な二等辺三角形を形成する。二等辺三角形の底辺からの全高は、計測管軸4を通り、長手方向断面C−C’に存在する。
【0037】
超音波の内壁における反射の回数zは螺旋形状線分群の回転あたりのサブセグメント26、27、28、および、29(図2)の数s、および、始点23(図4)と終点(図4)との距離dが経路22上でカバーされるまでの螺旋形状線分群の計測管軸4周りの回転数nによって規定される。従って、z=s×n−1であり、ここで、sは1よりも大きい自然数であり、nはゼロよりも大きい自然数である。
【0038】
図6においては、サブセグメント26ないし29を有する螺旋形状線分群を一視点で示すために、矩形断面を有する「透明な」計測管1において経路22(図1)を示している。参照数字30、31、32、および、33は、視点23から来る超音波が反射する順番に、計測管1の内壁(図5)の4つの内部表面を示している。
【0039】
高さhは第1および第3内部表面30および32を横切る方向の計測であり、幅bは第2および第4内部表面31および33を横切る方向の計測である。計測部分の長さは距離dに一致する。経路22の射影は、破線のセグメント34によって表されている長手方向断面C−C’と平行な内部表面上に「V」形状を形成する。
【0040】
図6において、本図には図示していないトランスデューサ14(図1)、15(図1)は計測管1の外側表面(図示せず)上に配置され、第4の内側表面33に属している。計測管軸4に平行な、第1および第3内部表面30、32上の点線はアジマス平面B−B’との交線である。第2内部31および第4内部33は、計測管軸4と平行な、点線にて示す中央線35、36で長手方向に分割されている。中央線35、36は長手方向断面C−C’と第2および第4内部表面31、33との交線である。
【0041】
アジマス軸37または38は、始点23または終点24が位置する第4内部表面への重錘線であり、射出軸20または21の第4表面への射影はアジマス角Ψだけ回転している。
【0042】
第1トランスデューサ14が、射出方向20へ超音波を発する。超音波は始点23より計測部分へひろがり、経路22に沿って進む。サブセグメント26は始点23より仰角を持って上昇し、射出軸20が第1内部表面30を貫く点に達する。この貫通点とは第1鏡面6の中心点である。第1鏡面6により、超音波は第2セグメント27に送られ、第2内壁31上の鏡面7へ向かう。第3鏡面8は超音波を第4セグメント29へと偏向する。この第4セグメント29は終点24へと続いており、第2トランスデューサの射出軸である。
【0043】
サブセグメント26の第4内部表面33に含まれる成分39は、第4内部表面33において中央線36とアジマス角Ψをなす。
【0044】
アジマス角Ψは次の式により算出される。
tangent(Ψ) = s n b / 2 d [1]
ここで、s n b は、計測管1の幅b、計測管軸4周りに螺旋形状線分群の360度回転の数n、および、一回転あたりのサブセグメント26ないし29の数sの積である。分母における、2dは距離dの2倍を表す。仰角εは次式により決定される。
tangent(ε) = s n h / cos(Ψ) / 2 d [2]
ここで、分子のbは、計測管1の高さhと置き換えられ、積s n h はcos(Ψ)倍される。一回転につき、螺旋形状線分群が3つのサブセグメントを有するならば、式[1]、式[2]においてs=3が選択され、サブセグメント26、27、および、28の平面13(図1)への射影が形成する三角形の底辺をbとし、この三角形の高さをhとする。
【0045】
各サブセグメント26ないし29は長さが等しく、長手断面C−C’上への射影において長さd/sを有する。サブセグメント26ないし29に沿った経路22は、結果として長さL = d・[cos(Ψ)・cos(ε)]−1を有する。距離dに等しい経路22の流れの方向と平行な成分のみが、流れる媒体中の超音波に作用する伝達効果(Mitfuehreffekt)に関して有効である。
【0046】
アジマス角および仰角εの幾つかの値を例示的に表1に示す。ここで、計測管1は距離dおよび高さhは幅bを単位として規定し、経路22は前述の意味を有する数sおよびnによって規定される。
【表1】
【0047】
図7はトランスデューサ14、15(図1)の計測管1への導入部を示している。本図は第1トランスデューサ14の一例である。計測管1は各トランスデューサ14、15に対し、環状連結フランジ40を備える。環状連結フランジ40は計測管1の壁部における円形開口部41の周りに設けられている。2つの連結フランジ40のシーリング面はアジマス面B−B’(図6)と平行に配されることが好ましい。トランスデューサ14または15(図1)は媒体19(図1)内へ開口部41により導入される。
【0048】
連絡管16または17(図1)の連絡フランジ42は、例えば連結フランジ40と同一の外寸を有する。連絡フランジ42は、そのシーリング面を連結フランジ40のシーリング面に対して曝しており、そうすることにより計測管1の開口部は媒体19の損失を封じている。連結フランジ40、開口部41、および、連絡フランジ42は、アジマス軸の方向に向かって、その中心を同じくするように配されている。トランスデューサ14または15の射出軸20または21(図1)はアジマス軸に関して(90度 − ε)なる角をなす。2つの軸20と37または21と38は、始点23または終点24(図6)において交差する。
【0049】
射出軸20は始点23において経路22の第1部分26に通じている。第4部分29(図6)は終点24において第2射出軸21になる。超音波トランスデューサ14、15の射出軸20、21が同一の平面内に配置されず、また、内壁5は、超音波を射出または受信している筐体要素45のための開口部41まで完全になめらかである点が、本流量計の特徴である。
【0050】
ある構造においては、射出軸20または21を有するトランスデューサ14または15は、アジマス軸37または38に関して回転可能であり、それによって、アジマス角Ψは調整可能であり、射出軸20または21はあらゆる所望のアジマス角Ψをなす位置に固定可能である。さらに別の構成においては、連結フランジ40および連絡フランジ42と係合して形態を固定するガイドボルトを用いてアジマス角Ψが所定角に固定される。ガイドボルトにより、計測管1上のトランスデューサ14もしくは15および連絡管16もしくは17の再現性のある取り付けが可能となる。
【0051】
トランスデューサ14、15は、超音波にとって透明な窓44を備えた筐体要素45を有する。筐体要素45は、筐体要素45が流れている媒体19の妨げにならない程度に、開口部41を満たしている媒体19内に窓44前面を浸す。別のさらなる補機なしで、射出トランスデューサ14または15から容易に発散する性質の放射波として媒体19中に超音波が放射される。有利なことには、超音波のための窓44前面のレンズにより、この発散性を補償している。なぜならば、この構造において、受信トランスデューサ15または14において信号は大きいほうが有用であるからである。
【0052】
図8は窓44の媒体19(図1)に面した側にある超音波用フレネルレンズ46を示す。これは、スチール、ブラス、銅、アルミニウム等のように、媒体19の音速と比較して高速な音速を有する材料からなる、射出軸20または21の同心の環状リング47を備える。環状リング47の幅、および、媒体19に満たされている環状リング47の隙間は、媒体19における超音波の波長と比較して小さい。それは例えば、波長の0.05から0.5の範囲の値である。環状リング47の材料および媒体19における音速の相違により、送り軸20または21に向かう超音波の屈折が生じる。窓44の表面上の環状リング47の厚さがレンズの焦点距離46を決定する。
【0053】
ステンレス鋼、スチール、銅、ブラス、アルミニウム等からなる引き抜き加工による金属形材の代わりに、計測管1はこれらの材料の鋳造またはプレス加工品でもよい。ガンメタルまたはプラスチック、特に、ABS、PPS、PBT等グラスファイバ補強されたタイプを材料として用いることができる。
【0054】
再度、この新しいアイデアの基本的な考え方の一部分を図9および図10にて概略的に示す。トランスデューサ16、17が、計測管1上のプレート5a上に斜めに配置され、計測管1にはネジ形状で射出されるような方向を向けられている。このようにして、簡素な構造、簡便な互換性、および、メンテナンス実施可能性を備える。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】計測管の長手方向断面図である。
【図2】計測管の断面図である。
【図3】計測管の第2の構造の断面図である。
【図4】計測管の長手方向断面図である。
【図5】計測管の別の構造の断面図である。
【図6】計測管における超音波トランスデューサの配置図である。
【図7】計測管における音響路(Schallweg)の図である。
【図8】超音波集束装置の断面図である。
【図9】流量計の概略的図である。
【図10】流量計の概略的図である。
【符号の説明】
【0056】
Claims (9)
- 計測管(1)を有する流量計で、前記計測管には気体または液体の媒体(19)が流れ、超音波変換機(14;15)が媒体(19)に浸されながら超音波を射出し、さらに媒体(19)から超音波を受信し、前記超音波は超音波変換機(14;15)の射出軸(20または21)に沿って伝播している、流量計であって、
超音波変換機(14;15)の射出軸(20;21)は同一平面内には含まれず、前記超音波の、一の超音波変換機(14または15)から他の超音波変換機(14または15)への、一の経路(22)が計測管(1)内壁(5)において少なくとも2つの反射点を有することを特徴とする流量計。 - 経路(22)は部分(26;27;28;29)を有しており、螺旋形状線分群形態で計測管軸(4)の周りにコイル状となっていること、および、
z=s・n−1なるzは内壁(5)における超音波の反射回数であることを特徴とし、ここでsおよびnは整数であって、s>1なるsは前記螺旋形状線分群の一回回転を形成する部分(26;27;28;29)の数であり、また、n>0なるnは前記螺旋形状線分群の、経路(22)における計測管軸(4)周りの回転数である、請求項1に記載の流量計。 - 超音波変換機(14;15)が変換機フランジ(18)によりアダプタ(16;17)に着脱可能に連結されていること、
アダプタ(16;17)が連絡フランジ(42)により計測管(1)の連結フランジ(40)に着脱可能に連結されていること、および、
超音波透過性の窓(44)を備えた超音波変換機(14;15)の筐体部(45)がアダプタ(16;17)を通して媒体(19)に浸され、アジマス軸(37;38)が連結フランジ(40)の環の中心を経て計測管軸と90度をなして交差していることを特徴とする請求項1に記載の流量計。 - 2つのアジマス軸(37;38)が、計測管軸(4)を含んでいる同一の長手方向断面(C−C’)に含まれていることを特徴とする請求項3に記載の流量計。
- 超音波変換機(14;15)およびアダプタ(16;17)はアジマス軸(37;38)周りに旋回可能であり、かつ、計測管軸(1)の連結フランジ(40)上の所定の位置に固定可能であることを特徴とする請求項3または4に記載の流量計。
- 連絡フランジ(42)および連結フランジ(40)が形態固定ガイドボルト(43)により、計測管(1)上において、予定されている通りに超音波変換機(14;15)の位置を調整することを特徴とする請求項3または4に記載の流量計。
- 超音波変換機(14;15)の超音波透過性の窓(44)の媒体側に集束レンズ(46)が配置されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の流量計。
- 前記レンズ(46)は超音波用のフレネルレンズであること、および、
前記レンズ(46)はスチール、ブラス、銅、アルミニウム、および、同等材からつくられた環状体であり、射出軸(20または21)に関して同心であり、また、媒体(19)で満たされた間隙空間(48)を有し、前記空間が射出軸(20または21)に関して同心であることを特徴とする請求項7に記載の流量計。 - 超音波変換機(14、15)が、必要に応じてそれぞれのアダプタ(16、17)とともに同一のプレート(5a)に配置されており、前記プレートは計測管(1)の壁部を形成し、取り外し可能に計測管に取り付けられていることを特徴とする、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の流量計。
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