JP2021099332A - 高精度非接触式温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度非接触式温度測定装置を提供する。【解決手段】高精度非接触式温度測定装置１００は、断熱材料で製造され、内部に収容空間を備えた断熱ボックス１２０と、収容空間の温度制御に用いる動態恒温フィードバック制御モジュール１３０と、収容空間に設置された非温度測定型熱画像装置１４０を含み、本発明の構造により、非接触式温度測定装置の内部全体でシステムの断熱保温を行い、かつシステム全体の温度を動態で一定条件にして、温度測定システム全体を上述の全体封鎖システムで動態温度を一定に調整し、内部チップの自己加熱効果と視野背景の温度変化に起因する影響を補償して、最後に熱画像型非接触式温度測定で常用される温度校正演算法を組み合わせ、画像型非接触式温度測定装置を用いて被測定物表面の正確な平均温度値を取得することができる。【選択図】図１

Description

本発明は温度測定装置に関し、特に、非温度測定型熱画像装置の校正を利用して高精度の非接触式測定を達成する、高精度非接触式温度測定装置に関する。

近年、赤外線センサーの発展は徐々に国防武器システムから軍民両用システムでの応用に移行しており、さらに民生工業での応用にも発展している。例えば、赤外線センサーは温度測定に用いることができる。現在赤外線温度センサーはその構造上、金属サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）式センサー、焦電型赤外線センサー（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ，ＰＩＳ）、マイクロボロメータ（Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）式センサーに大きく分けることができ、そのうち、マイクロボロメータ（Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）センサーの材料は主に酸化バナジウム（ＶＯｘ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、ＢＳＴである。

現在の非接触式温度測定技術は構造上、上述の３つのセンサー構造を主としており、このような構造で開発された非接触式温度測定装置は現在最も常用される設備となっているが、高解像度の熱画像機能を備え、かつ軽く小型で、低騒音、低消費電力特性を有する非接触式温度測定装置は、いずれもマイクロボロメータ式センサー構造を採用している。このマイクロボロメータ式センサーの構造は上述の利点があるが、マイクロボロメータ式のセンサーは非接触での温度測定を行うとき、マイクロボロメータ式センサー自体の動作に一定の操作電圧または電流を提供する必要があり、またその構造の真下にある読み出しＩＣを長時間動作させると、その熱画像温度センサーチップの自己加熱効果（Ｓｅｌｆ−ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）が常に発生し、チップの直接出力電圧またはトランスインピーダンス電圧のレベル変動が引き起こされ、温度測定の精度が低下する。

このため、一般的な非接触式温度測定装置では、チップ内に基板温度参照センサーユニット（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｉｘｅｌ）が設計されるほか、センサーチップに最も近い周辺に接触式のサーミスタ温度センサーユニットが貼付され、センサーチップ前方の校正シャッター（Ｓｈｕｔｔｅｒ）横にもこのセンサーユニットが貼付され、隨時レベル変動用ソフトウェアが接触式サーミスタ温度センサーユニットの数値を組み合わせ、動作温度補償、環境温度補償等の数値の演算を行い、直接出力電圧またはトランスインピーダンス電圧のレベル変動回帰補償演算を構築し、非接触式の高精度な温度測定機能を長時間維持している。

ほとんどの熱画像型非接触式温度測定装置内部のコア熱画像チップは、マイクロボロメータ（Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）式の焦点面アレイ（Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｃｅ Ａｒｒａｙ）により放射熱を吸収した後、読み出しＩＣ（ＲＯＩＣ）で電気信号を読み取る。このマイクロボロメータ（Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）上のＶＯｘ材料が結晶相の変化を発生して生じる電気抵抗の変化に基づき、ＲＯＩＣで電流（または電圧）値を取得する。続いて、測定された電流（または電圧）値を利用して、実際の測定温度を演算する。しかしながら、センサープロセスの変更及び焦点面アレイチップの動作温度の自己加熱効果と視野背景温度等の要因の影響を鑑みると、読み出し回路が取得する電流（または電圧）値に誤差がある状況では、温度測定が不正確になることがよくある。

このため、現在多くのメーカーが適切な校正方法の研究開発に取り組み、測定精度を高めようとしている。市場におけるほぼすべての熱画像型非接触式温度測定装置は、一定の動作温度の維持及び視野背景シャッター参照温度の正確なフィードバックのために、往々にして測定装置内部に上述のサーミスタ温度センサーユニットを組み込み、かつ複雑な校正法則を組み合わせる必要があり、システム統合製造及び校正演算実行ハードウェアの複雑さを増している。

一般の熱画像型非接触式温度測定装置の場合、実際に温度測定機能を使用するときは、電源投入後少なくとも３０分間待つ必要があり、好ましくはシステムを動態的に安定した動作温度に到達させて（ハウジング温度と熱画像装置センサーコアＦＰＡチップの温度差が相対的に一定になって）から、温度測定機能を実行することができ、かつ不均一度と一温度点の校正で一般的な測定精度±５℃または±５％を確保する。より正確（≦±１℃または±２％）にしたい場合、複雑な多項式回帰パラメーター演算法をＭＣＵまたはＰＣ上に導入して回帰演算を行う必要がある。その場所の環境温度が突然劇的に変化し（傍に高温または低温源がある）、システム全体の動態温度差が≧±３℃になると、温度測定装置の温度測定値の精度が低下し、より長い時間をかけてシステムと外部環境が温度熱平衡（温度動態が一定）を達成するのを待ってから、その時点の焦点面アレイチップの動作温度と視野背景温度を使用して、その後上述の温度測定校正手順を繰り返し、出力する強度信号値を正規化して、最後に全システムの自己適応的な選択的逆演算を行い、正確な標的測定温度値を得る必要がある。

以上の説明から分かるように、一般的な熱画像型非接触式温度測定装置は、温度測定の正確性を向上し、長時間にわたり維持するために、システムのソフトウェアとハードウェア上で多くの複雑なハードウェア設計と煩雑な演算法の導入を追加する必要があり、その主な欠点は次の通りである。１.システム温度を効果的に一定にすることができず、システムの受動的動態熱平衡メカニズムのみに依存しており、効率的に全システムを動作温度が一定の状態にして、標的物の温度を正確に測定することができない。２.熱画像チップ温度を監視するセンサーと視野背景シャッター温度のセンサーを追加設置する必要があり、システム設計と製造が複雑化する。一般的な商用熱画像装置はシステム温度のセンサーハードウェアがなく、校正演算法（温度測定機構の恒温フィードバック）のサポートがないため、熱画像のモニタリングに用いることができるだけで、より広範な温度測定に用いることができない。

上述の従来技術の欠点に鑑み、本発明の主な目的は、焦点面アレイチップの動作温度、視野背景シャッター参照温度を把握する必要なく、本発明の構造を使用するだけで、非接触式温度測定装置の内部全体にシステムの断熱保温を行い、かつシステム全体の温度が動態的に一定の条件下で、温度測定システム全体に上述の全体封鎖システムで動態温度を一定に調整させ、内部のチップの自己加熱効果と視野背景の温度変化による影響を補償し、最後に熱画像型非接触式温度測定でよく使用される温度校正の演算法を組み合わせることで、画像型非接触式温度測定装置を用いて被測定物表面の正確な平均温度値を得ることができる、高精度非接触式温度測定装置を提供することにある。

上述の目的を達するため、本発明に基づく高精度非接触式温度測定装置は、断熱材料で製造され、内部に収容空間を備えた断熱ボックスと、該収容空間の温度を制御するために用いる動的恒温フィードバック制御モジュールと、該収容空間に設置された非温度測定型熱画像装置を含む。

本発明の高精度非接触式温度測定装置において、該断熱材料はＰＥとすることができる。
本 発明の高精度非接触式温度測定装置において、該動態恒温フィードバック制御モジュールは、温度センサーと、温度制御モジュールと、温度フィードバック制御ユニットと、電源モジュールを含むことができ、該温度センサーが該収容空間に設置され、該温度センサーが該収容空間の温度を測定した後フィードバック信号を生成し、該温度フィードバック制御ユニットが該フィードバック信号を受信した後、制御信号を生成し、該温度制御モジュールが該制御信号を受信した後該収容空間の温度を制御し、該電源モジュールが該温度センサー、該温度制御モジュール、該温度フィードバック制御ユニットを駆動するための電力を供給する。

本発明の高精度非接触式温度測定装置において、該温度制御モジュールはＴＥＣ冷却チップとすることができる。

本発明の高精度非接触式温度測定装置において、該温度フィードバック制御ユニットはＭＣＵ、ＡＳＩＣまたはＰＣとすることができる。

本発明の高精度非接触式温度測定装置において、該高精度非接触式温度測定装置はさらに、放熱構造体を含むことができ、該放熱構造体は該断熱ボックスの外層表面に設置することができる。

本発明の高精度非接触式温度測定装置において、該高精度非接触式温度測定装置はさらに、フロントカバーを含み、該フロントカバーは該断熱ボックスの一側面に設置することができ、該側面及び該フロントカバーがそれぞれ孔を備え、該非温度測定型熱画像装置は該複数の孔を介して被測定物を観測することができる。

以上の概述と以下の詳細な説明及び図面はいずれも本発明の予定する目的を達するために採る方法、手段、効果を説明するためのものである。本発明のその他目的及び利点については、後続の説明と図面で述べる。

本発明の高精度非接触式温度測定装置の構造を示す立体分解図である。 動態恒温フィードバック制御モジュールのブロック図である。 熱画像型非接触式温度測定装置の測定結果のグラフである。

以下、特定の具体的な実施例を挙げて本発明の実施方法を説明する。この技術分野を熟知した者であれば本明細書に開示された内容から本発明の利点と効果を容易に理解できるであろう。

本発明は主に、一般的な商用の非温度測定型熱画像モジュールで断熱保温の封鎖システムを形成し、モジュール機構全体を動態恒温状態にさせる。即ち、熱電冷却（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｉｎｇ、ＴＥＣ）モジュールと温度センサーユニット（ブリッジ式増幅回路、ＰＩＤ温度制御ユニット：市販のＭＣＵに温度制御ＡＳＩＣチップを組み合わせて代替できる）等を組み合わせて運用し、システムの動態恒温フィードバックを行い、機構の恒温状態を構築する。システムが断熱保温システムであるため、外部の環境温度が変化（≧±３℃）しても、システム温度の大幅な変化は生じない（システムは一般に≦±１℃を維持できる）。これにより非温度測定型熱画像システム内には、温度測定型熱画像システムのように熱画像アレイチップと視野背景シャッターディスクの横に温度センサーを配置して、リアルタイムの温度パラメーターを取得し、複雑な温度補償数値の演算を実行する必要がなく、熱画像温度測定装置の設計と製造の複雑さを簡素化でき、また長時間高精度で測定標的温度の値を得ることができる。

図１の本発明の高精度非接触式温度測定装置の構造を示す立体図を参照する。本発明の一実施例の高精度非接触式温度測定装置１００は、断熱ボックス１２０と、動態恒温フィードバック制御モジュール１３０と、非温度測定型熱画像装置１４０と、放熱構造体１１０と、フロントカバー１５０と、を含み、該断熱ボックス１２０が断熱材料で製造され、該断熱材料がＰＥ保温材料とすることができ、該断熱ボックス１２０内部に収容空間が設けられ、該動態恒温フィードバック制御モジュール１３０が、温度センサーと、温度制御モジュールと、温度フィードバック制御ユニットと、電源モジュールを含むことができ、該温度センサーが該収容空間に設置され、該温度センサーが該収容空間の温度を測定した後フィードバック信号を生成し、該温度フィードバック制御ユニットが該フィードバック信号を受信した後、制御信号を生成し、該温度制御モジュールが該制御信号を受信した後該収容空間の温度を制御し、該電源モジュールが該温度センサー、該温度制御モジュール、該温度フィードバック制御ユニットを駆動するための電力を供給し、該収容空間の温度を制御するために用いられ、該温度制御モジュールがＴＥＣ冷却チップとすることができ、該温度フィードバック制御ユニットが、ＭＣＵ、ＡＳＩＣまたはＰＣとすることができ、該非温度測定型熱画像装置１４０が該収容空間に設置され、該放熱構造体１１０が該断熱ボックス１２０の外層表面に設置され、該フロントカバー１５０が該断熱ボックス１２０の一側面に設置され、該側面及び該フロントカバー１５０がそれぞれ孔を有し、該非温度測定型熱画像装置１４０は該複数の孔を介して被測定物を観測することができる。

本発明は準断熱保温（ＰＥ保温材料）の封鎖システムを構築し、さらにモジュール機構全体に動態恒温を実現させる鍵となる熱電冷却（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｉｎｇ、ＴＥＣ）モジュールと、温度センサー、ブリッジ式増幅回路モジュールを組み合わせ、さらにＰＩＤ温度制御モジュールでネガティブフィードバック動態恒温制御を行い、最後にＰＣまたは商用ＭＣＵ或いは温度制御ＡＳＩＣチップ等で全システムの動態恒温フィードバック制御を行う。このため、システムは本発明の非温度測定型熱画像装置周辺に構築する断熱保温封鎖構造と動態恒温フィードバック制御機構の２つの部分で構成されるアクティブ型動態恒温制御の準断熱保温封鎖システムとなっている。

図２の動態恒温フィードバック制御モジュールのブロック図を参照する。一般的に市販されている非温度測定型熱画像装置内の熱画像チップ及び視野背景シャッター温度をシステム設定温度に迅速に到達させることができ、かつ動態恒温状態を維持できるため、温度測定の精度と実用性が大幅に向上される。

該動態恒温フィードバック制御モジュールは、温度センサーと、温度制御モジュールと、温度フィードバック制御ユニットと、電源モジュールを含むことができ、本実施例において、該動態恒温フィードバック制御モジュールは、交流電源モジュール２１０と、交流／直流電源モジュール２２０と、ブリッジ式増幅回路モジュール２３０と、冷却チップ與放熱構造体２４０と、温度センサー２５０と、温度制御モジュール２６０と、ＭＣＵまたはＡＳＩＣ制御ユニット２７０を含み、該交流電源モジュール２１０が該交流／直流電源モジュール２２０に電源を提供し、該交流／直流電源モジュール２２０が該ブリッジ式増幅回路モジュール２３０に電源を提供し、該ブリッジ式増幅回路モジュール２３０が冷却チップと放熱構造体２４０に電源を提供する。該温度センサー２５０が該温度制御モジュール２６０にフィードバック信号を送信し、該温度制御モジュール２６０が該ＭＣＵまたはＡＳＩＣ制御ユニット２７０にフィードバック信号を送信し、該ＭＣＵまたはＡＳＩＣ制御ユニット２７０が該温度制御モジュール２６０に制御信号を送信し、該温度制御モジュール２６０が該ブリッジ式増幅回路モジュール２３０に制御信号を送信する。該ブリッジ式増幅回路モジュール２３０が受信した制御信号により該冷却チップと放熱構造体２４０に供給する電力を調整し、温度制御の効果が達成される。このため、温度フィードバック制御ユニットは本実施例においてＭＣＵまたはＡＳＩＣ制御ユニットであり、電源モジュールは交流電源モジュール、交流／直流電源モジュール及びブリッジ式増幅回路モジュールである。

図３の熱画像型非接触式温度測定装置の測定結果のグラフを参照する。アクティブ型動態恒温制御断熱保温封鎖システムの使用は、ＰＩＤ温度制御モジュール（本発明を例とする：動態アクティブ恒温制御機構が構成する熱画像型非接触式温度測定装置）を運用しており、外部ＰＩＤを使用して焦点面アレイ（ＦＰＡ）チップと視野背景シャッター温度を制御しておらず（一般的な商用温度測定熱画像装置の例）、一定出力制御を運用する商用温度測定熱画像装置内の焦点面アレイチップの動作時間及び温度と比較したグラフを図３に示す。本発明の動態アクティブ恒温制御機構で構成した熱画像型非接触式温度測定装置内の焦点面アレイチップと視野背景シャッター温度は５分以内に動態温度の恒常値に迅速に到達しており、この例から、少なくとも温度を８０分間以上一定にできることが分かり、長時間にわたり動態温度を一定に維持することができ、この温度のばらつきは≦±１℃であることが分かる。一般的な商用温度測定熱画像装置（外部ＰＩＤ制御モジュールを使用していない）は、少なくとも３０分間以上を経て、やっと温度のばらつきを≦±３℃にすることができ、その後はＦＰＡとシャッター温度の上昇幅が緩慢であるため、８０分後になってやっと温度のばらつきを≦±１℃にすることができる。一定出力制御を運用する商用温度測定熱画像装置内の焦点面アレイチップの動作時間と温度のグラフは、一定出力での動作であるため、開始してからの５分間、出力が大きすぎてＦＰＡとシャッター温度が急速に低下し、５分後やっと自己加熱効果で徐々にその温度が上昇し始め、４０分後に温度のばらつきが≦±１℃になる。まとめると、ＰＩＤ温度制御の条件を備えた温度測定熱画像か否か（ＰＩＤ制御ありまたは一定出力条件）に関わらず、本発明の動態温度の恒常値到達は一般的な商用温度測定熱画像装置よりも優れている。１５分後には安定した状態に到達でき、熱画像装置の温度測定での運用時にシステムの温度が一定になるまで待つ時間が大幅に短縮され、温度測定の精度も効果的に向上できる。

商用型温度測定熱画像装置（一般型温度測定熱画像装置とも呼ばれる）で、起動してから約１８分後に（ＦＰＡチップ及びシャッター温度が約３３℃）、不均一度と一温度点の校正を１回実行し、同時に約２時間３０℃及び８０℃の距離１ｍにある平板式標準黒体放射源に対して連続温度測定（測定サイクル＝１回／秒）を記録した。関連温度データ（平均温度、最高温度、最低温度の値）を下表に示す。

その温度測定精度は一般に製造業者が設定する温度測定精度規格±５℃または±５％の範囲内、温度のばらつき（標準差）がそれぞれ０.５１と０.３４℃で、いずれも≦０.６℃を満たしていた。

動態アクティブ恒温制御構で構成した熱画像型非接触式温度測定装置（これは本発明の構造：略して恒温型温度測定熱画像装置）は、起動してから約１８分後に（ＦＰＡチップ及びシャッター温度が約３３℃）、不均一度と一温度点の校正を１回実行し、同時に約２時間３０℃及び８０℃の平板式標準黒体放射源に対する温度測定状況を記録した（測定条件は一般型温度測定熱画像装置で設定した標的温度と同じ）。その関連データを下表に示す。

標準低温及び高温の平板標的を測定し、その平均温度、最高温度、最低温度の値はそれぞれ３０.５７℃；２９.７１℃；３１.５４℃（標的物の温度３０℃）；８０.５０℃；７９.７７℃；８１.１５℃（標的物の温度８０℃）であった。その温度測定精度は±０.５℃内、温度のばらつき（標準差）がそれぞれ０.２８と０.２１℃で、いずれも≦０.３℃を達成した。

上述の比較結果で示されるように、温度測定精度と測定温度のばらつきはいずれも商用型温度測定熱画像装置の温度測定データより優れており、本発明の高精度非接触式温度測定機能を備えた機構は、主に焦点面アレイチップの動作温度、視野背景シャッター参照温度を把握する必要なく、本発明の構造を使用するだけで、非接触式温度測定装置の内部全体にシステムの断熱保温を行い、かつシステム全体の温度が動態的に一定の条件下で、温度測定システム全体に上述の全体封鎖システムで動態温度を一定に調整させ、内部のチップの自己加熱効果と視野背景の温度変化による影響を補償し、最後に熱画像型非接触式温度測定でよく使用される温度校正の演算法を組み合わせることで、画像型非接触式温度測定装置を用いて本発明の開示するシステムの動態恒温フィードバック方法でＲＯＩＣ集積回路チップにより強度信号（この数値はシステム出荷時の正規の恒常値に近い）を取得し、一温度点の値でレベルを補正した後、すぐに全システムの自己適応的な選択的逆演算を行い、温度の熱放射（Ｒ、Ｂ、Ｆ、Ｏ）校正回帰係数を求め、被測定物表面の正確な平均温度値を得ることができる。まとめると、本発明の高精度非接触式温度測定機構は、温度測定機能を備えていない一般の商用型熱画像装置を組み合わせ、市販の高精度非接触熱画像装置と同じ温度測定精度を達成でき、さらに短時間で温度が急激に変化する背景動作温度下で長時間正確な温度測定ができる。温度測定熱画像システムのハードウェア製造の複雑さとソフトウェア演算の負荷を大幅に軽減することができ、長時間標的物の温度を制御する能力を備え、業界の温度測定熱画像装置の調達コストを大幅に抑制できる。将来的には産業の異常温度モニタリングの大規模な自動化、患者の生理温度警告、公共場所の異常な高温の警告などのアプリケーションに用いることができ、温度測定熱画像装置システムコストを大幅に抑えられるため、工業民生における幅広いニーズに対して大きなプラスの影響をもたらすことができるであろう。

上述の実施例は例示的に本発明の特徴と効果を説明したのみであり、本発明の実質的技術内容の範囲を限定するものではない。関連技術を熟知する者であれば本発明の要旨と範疇を逸脱せずに、上述の実施例に対して修飾と変更が可能であろう。したがって、本発明の権利保護範囲は、後述の特許請求の範囲に記載されたとおりである。

１００ 高精度非接触式温度測定装置
１１０ 放熱構造体
１２０ 断熱ボックス
１３０ 動態恒温フィードバック制御モジュール
１４０ 非温度測定型熱画像装置
１５０ フロントカバー
２１０ 交流電源モジュール
２２０ 交流/直流電源モジュール
２３０ ブリッジ式増幅回路モジュール
２４０ 冷却チップと放熱構造体
２５０ 温度センサー
２６０ 温度制御モジュール
２７０ ＭＣＵまたはＡＳＩＣ制御ユニット

Claims (7)

1. 高精度非接触式温度測定装置であって、
   断熱材料で製造され、内部に収容空間を備えた断熱ボックスと、
   前記収容空間の温度を制御するために用いる動的恒温フィードバック制御モジュールと、
   前記収容空間に設置された非温度測定型熱画像装置と、
   を含むことを特徴とする、高精度非接触式温度測定装置。
2. 前記断熱材料がＰＥである、ことを特徴とする、請求項１に記載の高精度非接触式温度測定装置。
3. 前記動態恒温フィードバック制御モジュールが、温度センサーと、温度制御モジュールと、温度フィードバック制御ユニットと、電源モジュールを含み、前記温度センサーが前記収容空間に設置され、前記温度センサーが前記収容空間の温度を測定した後フィードバック信号を生成し、前記温度フィードバック制御ユニットが前記フィードバック信号を受信した後、制御信号を生成し、前記温度制御モジュールが前記制御信号を受信した後前記収容空間の温度を制御し、前記電源モジュールが前記温度センサー、前記温度制御モジュール、前記温度フィードバック制御ユニットを駆動するための電力を供給する、ことを特徴とする、請求項１に記載の高精度非接触式温度測定装置。
4. 前記温度制御モジュールがＴＥＣ冷却チップである、ことを特徴とする、請求項３に記載の高精度非接触式温度測定装置。
5. 前記温度フィードバック制御ユニットがＭＣＵ、ＡＳＩＣまたはＰＣである、ことを特徴とする、請求項３に記載の高精度非接触式温度測定装置。
6. さらに放熱構造体を含み、前記放熱構造体が前記断熱ボックスの外層表面に設置される、ことを特徴とする、請求項１に記載の高精度非接触式温度測定装置。
7. さらにフロントカバーを含み、前記フロントカバーが前記断熱ボックスの一側面に設置され、前記側面及び前記フロントカバーがそれぞれ孔を備え、前記非温度測定型熱画像装置が前記複数の孔を介して被測定物を観測する、ことを特徴とする、請求項１に記載の高精度非接触式温度測定装置。

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