JP2009042064A - 信号処理回路、信号処理方法およびガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】測定値から被検知ガスの濃度を直接表示するといったことが可能な信号処理回路、信号処理方法およびガスセンサを提供する。
【解決手段】被検知ガスが存在していない状態の光信号を、フォトダイオード6で光電変換して得られる入力信号に応じて、予め、基準電圧源23の基準電圧を、可変抵抗VRで調整して参照電圧とし、被検知ガスの濃度測定時には、オペアンプ24によって、前記参照電圧と、被検知ガスが存在している状態の光信号を光電変換したフォトダイオード6からの入力信号とを差動増幅している。オペアンプ24の差動出力は、光信号の減衰率、すなわち、被検知ガスの濃度に対応したものとなる。
【選択図】図3
【解決手段】被検知ガスが存在していない状態の光信号を、フォトダイオード6で光電変換して得られる入力信号に応じて、予め、基準電圧源23の基準電圧を、可変抵抗VRで調整して参照電圧とし、被検知ガスの濃度測定時には、オペアンプ24によって、前記参照電圧と、被検知ガスが存在している状態の光信号を光電変換したフォトダイオード6からの入力信号とを差動増幅している。オペアンプ24の差動出力は、光信号の減衰率、すなわち、被検知ガスの濃度に対応したものとなる。
【選択図】図3
Description
本発明は、入力信号を処理する信号処理回路、信号処理方法およびそれを用いたガスセンサに関し、更に詳しくは、光電変換素子から与えられる入力信号を処理する信号処理回路、信号処理方法およびそれを用いたガスセンサに関する。
ガスセンサには、例えば、光導波路上に感応層を設けてガス検知素子を構成したものがある(例えば、特許文献1参照)。
図8は、かかるガスセンサの構成を示す図である。
同図において、基体30上に光導波路31、更にその上に、被検知ガスと反応して変色する感応層32を設けている。レーザー等の光源33からモニター光34を光導波路31に平行に入射させ、光導波路31を出た出射光35の出口光量を光ディテクター36により測定し、光導波路31に導光される光の減衰により、被検知ガスの濃度を検知するものである。
特開平7−243973号公報
しかしながら、かかるガスセンサでは、予め、出射光の出口光量と、被検知ガスの濃度との関係を示す検量線を求めておき、測定した出口光量から、前記検量線を参照して、被検知ガスの濃度を算出しなければならず、このため、測定値から被検知ガスの濃度を直接表示するといったことはできなかった。
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、測定値から被検知ガスの濃度を直接表示するといったことが可能な信号処理回路、信号処理方法およびガスセンサを提供することを目的とする。
本発明の信号処理回路は、光電変換素子からの入力信号を処理する信号処理回路であって、基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号を調整して参照信号とする調整部と、前記参照信号と前記入力信号との差に応じた差動出力を与える差動回路とを備え、前記基準信号は、参照すべき状態に対応する前記入力信号に応じて、調整される。
参照すべき状態とは、比べるべき状態、すなわち、比較すべき状態をいい、例えば、光電変換素子で光電変換される光信号を測定する場合において、光信号の測定の基準として比較すべき状態などをいう。
この光信号の測定の基準として比較すべき状態には、例えば、被検知ガスの濃度を測定する場合の被検知ガスが存在しない状態、あるいは、研磨や成膜などの処理が進むにつれて光信号が変化する場合の処理前の状態などを想定することができる。
参照信号は、基準信号を調整して得られるものであり、予め、参照すべき状態に対応する入力信号に応じて、基準信号を調整することにより得ることができる。
入力信号、基準信号および参照信号は、電流信号であってもよいし、電圧信号であってもよい。
本発明の信号処理回路によると、基準信号を、参照すべき状態、例えば、光電変換素子で光電変換される光信号が減衰していない状態で得られる入力信号に応じて予め調整し、参照信号としておくことにより、この参照信号と入力信号との差動出力は、光電変換素子で光電変換される光信号の減衰率に対応したものとなる。したがって、光電変換素子で光電変換される光信号の減衰率が、例えば、被検知ガスの濃度に対応したものであれば、差動出力は、被検知ガスの濃度に対応したものとなる。
本発明の一つの実施形態では、前記基準信号発生部を、安定した基準電圧源とし、前記調整部を、基準電圧を調整して参照電圧とする可変抵抗とし、前記差動回路を、前記参照電圧が与えられる非反転入力端子と、前記入力信号が与えられる反転入力端子とを有するオペアンプとしてもよい。
本発明の他の実施形態では、前記光電変換素子によって電気信号に変換される光信号を、光導波層上に形成された被検知ガスと反応する検知材を有するガス検知部からの導波光とし、前記参照すべき状態が、前記ガス検知部に被検知ガスが存在しない状態としてもよい。
前記基準電圧は、参照すべき状態に対応する入力信号と参照信号との差動出力がなくなるように、調整されるのが好ましい。
この実施形態によると、被検知ガスが存在していない状態で得られる入力信号に応じて、予め、基準電圧を調整して参照電圧としているので、入力信号の電圧と参照電圧との差動出力は、被検知ガスの濃度に応じた導波光の減衰率に対応させることができる。したがって、従来のように、予め求めた検量線を参照することなく、差動出力に基づいて、導波光の減衰率、すなわち、被検知ガスの濃度を得ることができる。
本発明の更に他の実施形態では、前記差動回路の前段に、前記入力信号を増幅する増幅回路を設けてもよい。
本発明の信号処理方法は、光信号を電気信号に変換する光電変換素子からの前記電気信号を入力信号として処理する信号処理方法であって、基準信号を調整して参照信号を生成する第1のステップと、前記参照信号と前記入力信号との差に応じた差動出力を得る第2のステップとを備え、前記第1のステップでは、前記基準信号は、参照すべき状態に対応する前記入力信号に応じて、調整される。
本発明の信号処理方法によると、基準信号を、参照すべき状態、例えば、光電変換素子で光電変換される光信号が減衰していない状態で得られる入力信号に応じて予め調整し、参照信号としておくことにより、この参照信号と入力信号との差動出力は、光電変換素子で光電変換される光信号の減衰率に対応したものとなる。したがって、光電変換素子で光電変換される光信号の減衰率が、例えば、被検知ガスの濃度に対応したものであれば、差動出力は、被検知ガスの濃度に対応したものとなる。
本発明の一つの実施形態では、前記第1ステップは、基準電圧源からの基準電圧を、可変抵抗によって調整して参照電圧を生成し、前記第2ステップは、前記参照電圧と前記入力信号の電圧との差に応じた差動出力を得るようにしてもよい。
本発明の他の実施形態では、前記光電変換素子によって電気信号に変換される光信号が、光導波層上に形成された被検知ガスと反応する検知材を有するガス検知部からの導波光であり、前記参照すべき状態が、前記ガス検知部に被検知ガスが存在しない状態である。
前記基準電圧は、参照すべき状態に対応する入力信号と参照信号との差動出力がなくなるように、調整されるのが好ましい。
この実施形態によると、被検知ガスが存在していない状態で得られる入力信号に応じて、予め、基準電圧を調整して参照電圧としているので、入力信号の電圧と参照電圧との差動出力は、被検知ガスの濃度に応じた導波光の減衰率に対応させることができる。したがって、従来のように、予め求めた検量線を参照することなく、差動出力に基づいて、導波光の減衰率、すなわち、被検知ガスの濃度を得ることができる。
本発明のガスセンサは、光導波層および光導波層上に設けられて被検知ガスと反応する検知材を有するガス検知部を備えるガスセンサであって、前記光導波層からの光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子からの電気信号を入力信号として処理する信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号を調整して参照信号とする調整部と、前記参照信号と前記入力信号との差に応じた差動出力を与える差動回路とを有し、前記基準信号は、前記ガス検知部に被検知ガスが存在しない状態に対応する前記入力信号に応じて、調整される。
本発明のガスセンサによると、被検知ガスが存在していない状態で得られる入力信号に応じて、予め、基準信号を調整して参照信号としているので、入力信号と参照信号との差動出力は、被検知ガスの濃度に応じた導波光の減衰率に対応させることができる。したがって、従来のように、予め求めた検量線を参照することなく、信号処理回路の差動出力に基づいて、導波光の減衰率、すなわち、被検知ガスの濃度を得ることができる。
本発明の一つの実施形態では、前記基準信号発生部を、基準電圧源とし、前記調整部を、基準電圧を調整して参照電圧とする可変抵抗とし、前記差動回路を、前記参照電圧が与えられる非反転入力端子と、前記入力信号が与えられる反転入力端子とを有するオペアンプとしてもよい。
前記基準電圧は、参照すべき状態に対応する入力信号と参照信号との差動出力がなくなるように、調整されるのが好ましい。
本発明の他の実施形態では、前記差動回路の前段に、前記入力信号を増幅する増幅回路を設けてもよい。
本発明の更に他の実施形態では、前記差動回路の差動出力に基づいて、被検知ガスの濃度を表示する表示器を備えるのが好ましい。
この実施形態によると、信号処理回路の差動出力に基づいて、被検知ガスの濃度を、直接表示器に表示することができる。
本発明によれば、基準信号を、参照すべき状態、例えば、光電変換素子で光電変換される光信号が減衰していない状態で得られる入力信号に応じて予め調整し、参照信号としておくことにより、この参照信号と入力信号との差動出力は、光電変換素子で光電変換される光信号の減衰率に対応したものとなる。したがって、光電変換素子で光電変換される光信号の減衰率が、例えば、被検知ガスの濃度に対応したものであれば、差動出力は、被検知ガスの濃度に対応したものとなる。
以下、図面によって本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る信号処理回路を備えるガスセンサの概略構成図である。
この実施形態のガスセンサ1は、アンモニア(NH3)ガスの濃度を測定できる小型のガスセンサである。
このガスセンサ1は、基本的には、ガスを感知するガス検知部としてのセンサチップ部2と、このセンサチップ部2が収納されたガスチャンバー3内にガスを導入するポンプ4と、レーザー光を出力するレーザーダイオード5と、センサチップ部2からの光を検出する光電変換素子としてのフォトダイオード6と、フォトダイオード6の出力に基づいて、アンモニアガスの濃度を算出する信号処理回路7と、検出結果であるガス濃度を表示する表示器8とを備えており、これらは、筐体9内に収納配置されている。この実施形態の筐体9のサイズは、例えば、160(幅)×160(奥行き)×70(高さ)mmである。
センサチップ部2は、図2の拡大図にも示すように、ガラス基板10上に導波層11を形成し、更に、導波層11上に、アンモニアガスと反応する検知材としての反応膜12が成膜されている。この反応膜12は、アンモニアガスと反応し、吸収スペクトルがシフトする材料で構成され、アンモニアガスの濃度に依存して、導波された光が減衰する。
ガラス基板10上には、導波層11への導光用および光の取り出し用の直角プリズム13,14がそれぞれ設けられており、導波光は、図2に示すように、全反射を繰り返しながら進行するが、その間導波層表面にエバネッセント波が染み出す。
センサチップ部2は、ガス濃度に応じて、反応膜12の色変化の程度が異なるため、エバネッセント波の吸収率が変化し、導波層11に導波する光の出力が弱くなる。したがって、導波光の出力強度を測定することによって、アンモニア濃度を検出することができる。
センサチップ部2が収納されているガスチャンバー3は、反応膜12を再生するための窒素(N2)ガスおよびアンモニアガスを個別に導入するための導入口15,16および導入したガスを排出する排出口17を備えるとともに、レーザー光を、センサチップ部2に導入および取り出すための光窓18,19を備えている。
反応膜12は、可逆性があり、窒素ガスあるいはアンモニアガスを含まない空気によって再生可能であり、アンモニアガス濃度の繰り返し測定が可能である。
また、窒素ガスおよびアンモニアガスが導入される各流路には、電磁弁20,21がそれぞれ設けられており、各電磁弁20,21によって、流路の開閉が制御される。窒素ガスの流路を開閉する電磁弁20は、ノーマリーオープンタイプが好ましく、アンモニアガスの流路を開閉する電磁弁21は、ノーマリークローズタイプが好ましい。
レーザーダイオード5からのレーザー光を、ガスチャンバー3の光窓18を介してセンサチップ部2に入射させるために、反射ミラー22が、あおり微調機構を有するミラーホルダー(図示せず)によって保持されている。
図3は、図1の信号処理回路7の要部の構成を示す図である。
この実施形態の信号処理回路7は、オペアンプ24を備えており、このオペアンプ24の反転入力端子には、上述のフォトダイオード6のアノードが、入力抵抗R1を介して接続され、非反転入力端子には、直流の基準電圧源23が、可変抵抗VRを介して接続される。また、オペアンプ24の出力端子と非反転入力端子との間には、帰還抵抗R2が接続されている。
この実施形態の信号処理回路7では、参照すべき状態として、アンモニアガスが存在しない状態で、オペアンプ24の出力電圧が、0になるように、可変抵抗VRを調整して基準電圧を分圧し、参照電圧としてオペアンプ24に与える。
すなわち、アンモニアガスが存在しておらず、導波光が減衰していない状態のフォトダイオード6の出力電圧に等しくなるように基準電圧を調整して参照電圧とする。
この信号処理回路7を用いて、レーザーダイオード5のレーザー出力とオペアンプ24の出力電圧との相関関係を測定した。
レーザーダイオード5は、自動パワー制御回路内蔵のものを使用した。レーザー光を安定させるために、安定化直流電源を使用し、レーザー光発振して3分を待って測定した。ガスチャンバー3内には、窒素ガスを導入し、アンモニアガスが存在しない状態で測定した。
フォトダイオード6へ入射するレーザー光強度を、NDフィルターを用いて調整した。
測定方法は、フォトダイオード6への初期光強度(I0)に対して、基準電圧源23の基準電圧が、可変抵抗VRを介して参照電圧としてオペアンプ24に入力される。このとき、信号処理回路7の出力電圧が、0になるように、可変抵抗VRで基準電圧を調整し、参照電圧とした。
測定方法は、フォトダイオード6への初期光強度(I0)に対して、基準電圧源23の基準電圧が、可変抵抗VRを介して参照電圧としてオペアンプ24に入力される。このとき、信号処理回路7の出力電圧が、0になるように、可変抵抗VRで基準電圧を調整し、参照電圧とした。
その後、レーザー光の強度を、上述のように、NDフィルターで調整し、そのレーザー光強度(I)に対する信号処理回路7の出力電圧を測定した。
初期入射光強度は、25μW、50μW、100μWの3種類に対して行い、入射光の減衰率(1−I/I0)と、信号処理回路7の出力電圧値の相関関係を、図4にプロットした。
この図4に示すように、入射光の減衰率(1−I/I0)が、約0〜0.5の範囲では、初期入射光強度が異なっても、出力電圧は、同一直線上に沿って変化していることが分かる。すなわち、初期入射光強度が異なっても、入射光の減衰率が同じであれば、同じ出力電圧が得られることが分かる。
図5に、アンモニアガス濃度0ppb、50ppb、100ppb、500ppbをガスチャンバーに導入し、2分間検知材と反応させた後に入射光の減衰率を測定した結果を示す。それぞれのアンモニアガス濃度において、同一条件で3回測定を行い、平均値をプロットした。入射光の減衰率は、図5に示されるように、アンモニアガスの濃度に比例する。したがって、図3に示すオペアンプ24の増幅率を調整し、図5に示す曲線の勾配と合わせることにより、図4における横軸が、アンモニアガスの濃度に対応することになり、アンモニアガスの濃度に応じた出力電圧が得られることが分かる。また、図3に示すアンプ24の回路の増幅率は、帰還抵抗R2と入力抵抗R1の比で決定される。たとえば、帰還抵抗R2は、固定抵抗及び可変抵抗を直列して構成すれば、可変抵抗を調整することで、増幅率の微調整ができる。
図9の従来例では、予め、出射光の出口光量と、被検知ガスの濃度との関係を示す検量線を求めておき、測定した出口光量から、前記検量線を参照して、被検知ガスの濃度を算出しなければならず、このため、測定値から被検知ガスの濃度を直接表示するといったことはできなかった。
これに対して、この実施形態では、信号処理回路7の出力電圧は、アンモニアガスの濃度に対応したものとなり、したがって、信号処理回路7の出力電圧に基づいて、アンモニアガスの濃度を、直接表示器8に表示することが可能となる。
なお、図4においては、入射光の減衰率(1−I/I0)が、0から0.5の領域について特に直線性が高い。従って、当該範囲を直線近似することにより、極低濃度のアンモニアガスを精度よく測定することが可能となる。
さらに、図4には図示しないが、前記回路7と表示器8間に、信号処理回路7の入射光の減衰率(1−I/I0)―出力電圧の曲線に合わせて演算回路、または演算モジュールを挿入すれば、入射光の減衰率(1−I/I0)が、0.5以上の領域および0.05から1の領域においても測定が可能となり、比較的高濃度領域や幅広い濃度にも対応することが可能である。
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
本実施例のセンサチップ部2を、次のようにして作製した。
(1)先ず、ソーダライムガラス基板(松浪ガラス社製、サイズは,13mm×53mm×1mm)をアンモニア水1%で超音波洗浄した後、400℃で溶融した硝酸カリウムの中に50分浸漬し、表層のナトリウムイオンとカリウムイオンを交換して、カリウムイオンリッチな導波層を形成した。基板の屈折率が1.512に対して、イオン交換された導波層の屈折率は1.518になった。
(2)次に、導波層表面に、真空蒸着機でアンモニアガスと反応して色変化をおこす反応膜として、pH指示薬であるBTB(ブロモチモールブルー)を成膜した。BTB膜は、基板の中心部に幅15mm,厚み100nm程度で形成した。
(3)導光および光の取り出し用として、36度の直角プリズム(屈折率1.67)を、UV(紫外線硬化)樹脂で、ガラス基板上に接着し、センサチップ部2とした。
以上のようにして作製されたセンサチップ部2を、 ガスチャンバー3に装着、固定した。
次に、アンモニアガスの濃度を下記の手順で測定した。
(1)先ず、窒素ガス用の電磁弁20を開いて、窒素ガスの導入口15からガスチャンバー3内に、ポンプ4によって窒素ガスを導入し、センサチップ部2の初期化を行う。信号処理回路7の出力電圧が安定したら、ポンプ4を止め、信号処理回路7の出力電圧が0になるように、基準電圧源23の基準電圧を可変抵抗VRで調整して参照電圧とする。
(2)次に、窒素ガス用の電磁弁20を閉じ、アンモニアガス用の電磁弁21を開く。低濃度アンモニアガスの合成は、標準アンモニアガス (100ppm)の窒素ガスによる希釈で行う。合成した低濃度ガスを1.5L/Minの流量で、アンモニアガスの導入口16からガスチャンバー3内に、ポンプ4で導入し、センサチップ部2と反応させる。2分間反応させた後、ポンプ4を止め、信号処理回路7の出力電圧に基づいて、ガス濃度を算出して表示する。測定終了後、上述と同様にして、窒素ガスによってセンサチップ部2の初期化を行う。
合成した200ppb、400ppb、600ppb、800ppb、1000ppb(1ppm)のアンモニアガスを、1.5L/minの流量で吸引し、120秒反応させた。また、センサチップ部2の再生には、同様の流量および時間で窒素ガスを用いた。異なる濃度のアンモニアガスをチップと反応させ、10回以上の繰り返し測定を行った。
図6は、その結果を示すものであり、横軸は経過時間を、縦軸は測定結果であるアンモニアガスの濃度を示している。
以上のように、比較簡単な回路構成の信号処理回路7の出力電圧に基づいて、アンモニアガスの濃度を、直接表示器8に表示することが可能となり、従来のように、予め求めた検量線を参照してガス濃度を算出するといった必要がない。
図7は、本発明の他の実施形態の信号処理回路7−1の構成図であり、上述の図3に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
この実施形態では、フォトダイオード6の出力を、第1のオペアンプ25によって、増幅した後、第2のオペアンプ26によって参照電圧との差を取るようにしている。
上述の実施形態では、アンモニアガスの濃度の測定に適用して説明したけれども、本発明は、検知材を被検知ガスに対応するものに換えれば、アンモニアガス以外のガスの測定にも適用できるのは勿論である。
1 ガスセンサ
2 センサチップ部
5 レーザーダイオード
6 フォトダイオード
7 信号処理回路
8 表示器
10 ガラス基板
11 導波層
12 反応膜
24 オペアンプ
2 センサチップ部
5 レーザーダイオード
6 フォトダイオード
7 信号処理回路
8 表示器
10 ガラス基板
11 導波層
12 反応膜
24 オペアンプ
Claims (14)
- 光電変換素子からの入力信号を処理する信号処理回路であって、
基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号を調整して参照信号とする調整部と、前記参照信号と前記入力信号との差に応じた差動出力を与える差動回路とを備え、
前記基準信号は、参照すべき状態に対応する前記入力信号に応じて、調整されることを特徴とする信号処理回路。 - 前記基準信号発生部が、基準電圧源であり、前記調整部が、基準電圧を調整して参照電圧とする可変抵抗であり、前記差動回路が、前記参照電圧が与えられる非反転入力端子と、前記入力信号が与えられる反転入力端子とを有するオペアンプである請求項1に記載の信号処理回路。
- 前記光電変換素子によって電気信号に変換される光信号が、光導波層上に形成された被検知ガスと反応する検知材を有するガス検知部からの導波光であり、
前記参照すべき状態が、前記ガス検知部に被検知ガスが存在しない状態である請求項2に記載の信号処理回路。 - 前記基準電圧は、前記参照すべき状態に対応する前記入力信号と前記参照信号との差動出力がなくなるように、調整される請求項3に記載の信号処理回路。
- 前記差動回路の前段に、前記入力信号を増幅する増幅回路を備える請求項1〜4のいずれか一項に記載の信号処理回路。
- 光信号を電気信号に変換する光電変換素子からの前記電気信号を入力信号として処理する信号処理方法であって、
基準信号を調整して参照信号を生成する第1のステップと、
前記参照信号と前記入力信号との差に応じた差動出力を得る第2のステップとを備え、
前記第1のステップでは、前記基準信号は、参照すべき状態に対応する前記入力信号に応じて、調整されることを特徴とする信号処理方法。 - 前記第1ステップは、基準電圧源からの基準電圧を、可変抵抗によって調整して参照電圧を生成するものであり、
前記第2ステップは、前記参照電圧と前記入力信号の電圧との差に応じた差動出力を得るものである請求項6に記載の信号処理方法。 - 前記光電変換素子によって電気信号に変換される光信号が、光導波層上に形成された被検知ガスと反応する検知材を有するガス検知部からの導波光であり、
前記参照すべき状態が、前記ガス検知部に被検知ガスが存在しない状態である請求項7に記載の信号処理方法。 - 前記基準電圧は、前記参照すべき状態に対応する前記入力信号の電圧と前記参照電圧との差動出力がなくなるように、調整される請求項8に記載の信号処理方法。
- 光導波層および光導波層上に設けられて被検知ガスと反応する検知材を有するガス検知部を備えるガスセンサであって、
前記光導波層からの光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの電気信号を入力信号として処理する信号処理回路とを備え、
前記信号処理回路は、基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号を調整して参照信号とする調整部と、前記参照信号と前記入力信号との差に応じた差動出力を与える差動回路とを有し、
前記基準信号は、前記ガス検知部に被検知ガスが存在しない状態に対応する前記入力信号に応じて、調整されることを特徴とするガスセンサ。 - 前記基準信号発生部が、基準電圧源であり、前記調整部が、基準電圧を調整して参照電圧とする可変抵抗であり、前記差動回路が、前記参照電圧が与えられる非反転入力端子と、前記入力信号が与えられる反転入力端子とを有するオペアンプである請求項10に記載のガスセンサ。
- 前記基準電圧は、前記参照すべき状態に対応する前記入力信号と前記参照信号との差動出力がなくなるように、調整される請求項11に記載のガスセンサ。
- 前記差動回路の前段に、前記入力信号を増幅する増幅回路を備える請求項10〜12のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記差動回路の差動出力に基づいて、被検知ガスの濃度を表示する表示器を備える請求項10〜13のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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