JP2021525358A - 磁気センサを使用した非接触電流測定 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「CONTACTLESS CURRENT MEASUREMENT USING MAGNETIC SENSORS」と題する、2018年3月23日に出願された米国仮特許出願第62/647,044号の利益および優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、電流の測定に関し、より具体的には、磁気センサを使用して導体ワイヤを流れる電流の測定を伴うデバイスおよび方法に関する。
少なくとも1つのワイヤを通る電流の流れを測定する装置であって、
前記少なくとも1つのワイヤを受容するための開口部を含む筐体と、
前記筐体内に配列された複数の磁気センサペアであって、各磁気センサペアは、前記少なくとも1つのワイヤが前記開口部を通って延在するときに信号を生成するように構成されており、前記信号が
第1の方向の磁場を示す第1の信号と、
第2の方向の磁場を示す第2の信号と、を含む、複数の磁気センサペアと、
前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記少なくとも1つのワイヤ内の電流の測定値を導出するように構成されているハードウェアプロセッサと、を備える、装置を提供する。
<概要>
本開示のシステム、方法、およびデバイスは、各々いくつかの革新的な態様を有し、これらのうちの1つが、本明細書に開示される全ての所望される属性に単独で責任を負うものではない。本明細書で説明される主題の1つ以上の実施態様の詳細は、以下の説明および添付の図面に記述されている。
電流担持ワイヤは、電流の流れる方向に対する直交面内で磁場を生成する。磁場の測定は、ワイヤ内で流れる電流の大きさを推定するために使用され得る。例えば、ホール効果センサは、ロレンツ効果を使用して磁場を測定するために使用されることができ、異方性磁気抵抗性(AMR)センサは、垂直磁場に比例する抵抗率の変化に基づいて磁場を測定することができる。ホール効果センサおよび/またはAMRセンサなどの磁気センサを使用することによって、ワイヤを通る電流を測定することに関する特定の課題は、本開示の様々な態様に従って克服され得る。例えば、本明細書で説明される実施形態は、近傍電流担持ワイヤからの磁場干渉に関する課題を克服することができる。別の例として、本明細書で説明される実施形態は、固定されていない電流担持ワイヤの位置に関する課題を克服することができる。電流搬送ワイヤから距離で磁場強度が逆に下がるはずであるため、ワイヤから距離は、磁気センサを使用してワイヤを流れる電流を推定することに大きな影響を与える可能性がある。さらに、ホール効果および/またはAMRセンサなどの特定の磁気センサを使用して、本明細書に開示される装置は、ACおよびDCの両方の測定を正確に行うために使用され得る出力を生成することができる。
図2は、本開示のいくつかの実施形態による、1つ以上のワイヤ内の電流を測定するための例示的な装置200を図示するブロック図を提供する。電流測定装置200は、電流測定システム100の一部として含まれてもよい。例えば、装置200は、電流測定システム100の電流測定ユニット104を含んでもよく、またはその中に含まれてもよい。装置200は、複数のセンサペアを含んでもよく、それらの例示的な位置(複雑な点位置)は、図2の例では、8個のセンサペアs0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、およびs7として示され、それらの各々は、図1に示されるセンサペア106のインスタンスを表す。以下、Nは1以上の整数である、N個センサぺアs0〜sN−1(例えば、図の例について示される8個のセンサペアs0〜s7)は、センサペア106と呼ばれるが、図においては、個々のセンサペアを明確に区別するために、参照番号106でラベル付けされず、s0、s1などとしてのみ示されることがある。8個のセンサペア、すなわちN=8が、図2(および他の図)に図示されるが、装置200(および他の図のもの)は、任意の異なる数(2つ以上)のセンサペア106を含んでよいと理解されたい。例えば、装置200は、とりわけ、4、6、10、または12個のセンサペアを含んでよい。
センサペア配列の異なる例
図9は、本開示のいくつかの実施形態による、少なくとも1つの導体ワイヤを通る電流の流れを測定するための装置を動作させる例示的な方法900のフローチャートを示す。方法900は、1つ以上のワイヤを通って流れる電流の量を測定することができる任意の電流測定システムを使用して実施され得る。方法900は、例えば、移動電流測定装置102、電流測定ユニット104、1つ以上のプロセッサ108、センサペア106などを使用して、全体または部分的に実施され得る。
ここで、前のように
ここで、電流測定装置102の開口部内のワイヤの各々の電流および位置を決定するためにプロセッサ108によって実施されるアルゴリズムの背景を説明するのに役立ち得るいくつかの数学的導出を説明する。
z1(A1−z0A0)=A2−z0A1
z1(A2−z0A1)=A3−z0A2
方程式(5)におけるz0とz1の対称性により、それらを上記で交換することができる。
z0(A1−z1A0)=A2−z1A1
z0(A2−z1A1)=A3−z1A2
これらの対の結果を加算する
A1(z0+z1)−2A0z0z1=2A2−A1(z0+z1)
A2(z0+z1)−2A1z0z1=2A3−A2(z0+z1)
つまり、
A1(z0+z1)−A0z0z1=A2
A2(z0+z1)−A1z0z1=A3
さて、p1=zo+z1で、p2=−z0z1とする。すると、
z0およびz1は、二次多項式z2−p1z−p2の2つの根である。
方程式(4)は、
上述のように、本明細書に開示される実施形態は、磁気センサ、例えば、AMRセンサを使用して、例えば、マルチ導体ケーブル内の1つ以上の導体ワイヤにおける電流の流れを測定してもよい。このように限定されないが、マルチ導体ケーブルは、1つのワイヤが接地されている3ワイヤケーブルであると想定し、接地ワイヤが電流を搬送していないと想定すると、合計8つの決定すべき変数があり得る。例えば、ケーブルの損傷により接地ワイヤにおいても電流が測定されている状況では、8つより多い変数があり得る。
実施例1は、少なくとも1つの導体ワイヤを通る電流の流れを測定するための装置を提供する。装置は、少なくとも1つのワイヤを受容するための開口部を有する筐体を含み得る。開口部は、導体ワイヤが開口部内に位置付けられるときに、例えば、マルチ導体ケーブルにおいて、1つ以上の導体ワイヤを通って流れる電流を測定するためのターゲット測定ゾーンに対応し得る。装置は、複数の磁気センサペア、およびハードウェアプロセッサをさらに含み得る。複数の磁気センサペアは、筐体内に配列されてもよく(すなわち、筐体上または筐体内に少なくとも部分的に配列されてもよく)、例えば筐体の開口部の周りに位置付けられてもよい。1つ以上の導体ワイヤは、(開口部内に位置付けられるときに)z方向に延在してもよいが、複数の磁気センサペアは、3次元座標系の1つ以上のxy面内の位置であり得る。各磁気センサペアは、少なくとも1つのワイヤが開口部を通って延在するとき(例えば、ワイヤの少なくとも一部分が開口部内に位置付けられるとき)に、信号を生成するように構成されてもよく、信号は、第1の方向の磁場を示す第1の信号(例えば、第1の電圧または第1の電流)、および第2の方向の磁場を示す第2の信号(例えば、第2の電圧または第1の電流)を含む。ハードウェアプロセッサは、複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された信号に基づいて、少なくとも1つのワイヤ内の電流(ワイヤ通って流れていてもよい電流)の測定値を導出するように構成され得る。
本明細書で論じられる原理および利点は、1つ以上の導体ワイヤを通って流れる電流を測定するためにの任意のデバイスに使用され得る。さらに、本明細書に開示される実施形態は、導体ワイヤがワイヤを通って流れる電流の測定中に位置することができるゾーンまたは領域を増加させるために使用されてもよく、それによって、拙く位置付けられているか、または他の構成要素によって遮断されているワイヤ内の電流を測定することが可能となる。さらに、本明細書に開示される実施形態は、電流測定の正確性を向上させ、および/またはワイヤ(複数可)内の電流測定に対する迷走場干渉の影響を低減する。本明細書で論じられる実施形態は、住宅用電気システム、電気自動車、太陽光エネルギー、蓄電、または1つ以上の導体ワイヤ、例えば、マルチ導体ケーブル内の電流を非接触方式で測定することが望ましい他のシステムに関連するシステムを含む、様々なシステムにおける電流を測定するように実装され得る。
102 電流測定装置
104 電流測定ユニット
106 磁気センサペア
108 プロセッサ
110 メモリ
112 電源
114 出力デバイス
116 入力デバイス
118 ネットワークアダプタ
200 電流測定装置
202 筐体
204 開口部
206 中心
208 ライン
210 ワイヤ
212 インセット
214 インセット
216 第1のセンサ
218 第2のセンサ
220 センサ基準点
Claims (53)
- 少なくとも1つのワイヤを通る電流の流れを測定する装置であって、
前記少なくとも1つのワイヤを受容するための開口部を含む筐体と、
前記筐体内に配列された複数の磁気センサペアであって、各磁気センサペアは、前記少なくとも1つのワイヤが前記開口部を通って延在するときに信号を生成するように構成されており、前記信号が
第1の方向の磁場を示す第1の信号と、
第2の方向の磁場を示す第2の信号と、を含む、複数の磁気センサペアと、
前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記少なくとも1つのワイヤ内の電流の測定値を導出するように構成されているハードウェアプロセッサと、を備える、装置。 - 前記第1の方向が、前記第2の方向に垂直である、請求項1に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアの各々が、共通基準点に対して配列されて、各磁気センサペアについて、
前記第1の方向が、前記磁気センサペアのセンサ基準点と前記共通基準点とを接続する線に垂直であり、
前記第2の方向が、前記線に平行である、請求項1または2に記載の装置。 - 前記複数の磁気センサペアの全てについて、前記第1の方向と前記第2の方向との間の関係が同じである、請求項3に記載の装置。
- 前記第1の方向と前記第2の方向との間の前記関係は、前記第2の方向が、前記共通基準点から離れる方向を指し、前記第1の方向が、前記第2の方向の時計回り90度の回転である、請求項4に記載の装置。
- 前記第1の方向と前記第2の方向との間の前記関係は、前記第2の方向が、前記共通基準点から離れる方向を指し、前記第1の方向が、前記第2の方向の反時計回り90度の回転である、請求項4に記載の装置。
- 前記第1の方向と前記第2の方向との間の前記関係は、前記第2の方向が、前記共通基準点に向かう方向を指し、前記第1の方向が、前記第2の方向の時計回り90度の回転である、請求項4に記載の装置。
- 前記第1の方向と前記第2の方向との間の前記関係は、前記第2の方向が、前記共通基準点に向かう方向を指し、前記第1の方向が、前記第2の方向の反時計回り90度の回転である、請求項4に記載の装置。
- 前記少なくとも2つ以上の磁気センサペアが、第1の磁気センサおよび第2の磁気センサを含み、両方とも共通基準点に対して配列されて、
前記第1の磁気センサについて、前記第1の方向が、前記第1の磁気センサのセンサ基準点と前記共通基準点とを接続する線に対して第1の角度にあり、前記第2の方向が、前記第1の方向に対して垂直であり、前記第1の磁気センサの前記センサ基準点と前記共通基準点とを接続する前記線に対して第2の角度にあり、
前記第2の磁気センサについて、前記第1の方向が、前記第2の磁気センサのセンサ基準点と前記共通基準点とを接続する線に対して第3の角度にあり、前記第2の方向が、前記第1の方向に対して垂直であり、前記第2の磁気センサの前記センサ基準点と前記共通基準点とを接続する前記線に対して第4の角度にあるようにする、請求項1に記載の装置。 - 前記第1の角度が前記第3の角度に等しくなく、かつ前記第4の角度に等しくないときに、前記ハードウェアプロセッサが、前記第1の磁気センサと前記第2の磁気センサによって生成された前記信号に基づいて、前記少なくとも1つのワイヤ内の前記電流の前記測定値を導出する前または導出するときに、前記第1の角度と前記第3の角度との間の差を補償するか、または前記第1の角度と前記第4の角度との間の差を補償するように構成されている、請求項9に記載の装置。
- 前記第1の角度および前記第2の角度のいずれもゼロに等しくないときに、前記ハードウェアプロセッサが、前記第1の磁気センサによって生成された前記信号に基づいて、前記少なくとも1つのワイヤ内の前記電流の前記測定値を導出する前または導出するときに、前記第1の磁気センサの前記センサ基準点と前記共通基準点とを接続する前記線に対する平行状態からの前記第1の磁気センサの前記第1の方向または前記第2の方向のずれを補償するように構成されている、請求項9に記載の装置。
- 前記第3の角度および前記第4の角度のいずれもゼロに等しくないときに、前記ハードウェアプロセッサが、前記第2の磁気センサによって生成された前記信号に基づいて、前記少なくとも1つのワイヤ内の前記電流の前記測定値を導出する前または導出するときに、前記第2の磁気センサの前記センサ基準点と前記共通基準点とを接続する前記線に対する平行状態からの前記第2の磁気センサの前記第1の方向または前記第2の方向のずれを補償するように構成されている、請求項11に記載の装置。
- 前記磁気センサペアが、閉輪郭に沿って均一に配列されている、請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置。
- 前記閉輪郭が、円形、楕円形、または四辺形である、請求項13に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアのうちの1つ以上の各々が、第1および第2の磁気センサを含み、前記第1の磁気センサが、前記第1の信号を生成するように構成されており、前記第2の磁気センサが、前記第2の信号を生成するように構成されている、請求項1〜14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記筐体が、第1の面および反対の第2の面を有し、
前記複数の磁気センサペアのうちの1つ以上の各々の前記第1の磁気センサが、前記筐体の前記第1の面に設けられており、
前記複数の磁気センサペアのうちの1つ以上の各々の前記第2の磁気センサが、前記筐体の前記第2の面に設けられている、請求項15に記載の装置。 - 前記複数の磁気センサペアのうちの1つ以上の各々について、前記第1の磁気センサが、ギャップによって前記第2の磁気センサから分離している、請求項15に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアの前記第1の磁気センサが、前記複数の磁気センサペアの前記第2の磁気センサとインターリーブされている、請求項15に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアのうちの1つ以上の各々が、多軸磁気センサを含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアが、ホール効果センサを含む、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアが、異方性磁気抵抗センサ(AMR)を含む、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアが、巨大磁気抵抗センサ(GMR)を含む、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアが、トンネル磁気抵抗センサ(TMR)を含む、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアが、磁気光学センサを含む、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の磁気センサペアが、超伝導体電流センサを含む、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのワイヤが第1のワイヤであり、
前記複数の磁気センサペアの各磁気センサペアは、前記第1のワイヤおよび第2のワイヤの両方が前記開口部を通って延在するときに前記信号を生成するように構成されており、
前記ハードウェアプロセッサは、前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記第2のワイヤ内の電流の測定値を導出するようにさらに構成されている、請求項1〜25のいずれか一項に記載の装置。 - 前記データ処理システムによって導出された前記第2のワイヤ内の前記電流の前記測定値と、前記第1のワイヤ内の前記電流の前記測定値とのグラフィック表現を表示するように構成されている表示ユニットをさらに備える、請求項26に記載の装置。
- 前記表示ユニットが、前記第1のワイヤおよび前記第2のワイヤの相対位置を表示するようにさらに構成されている、請求項27に記載の装置。
- 前記ハードウェアプロセッサによって導出される前記少なくとも1つのワイヤ内の前記電流の前記測定値のグラフィック表現を表示するように構成されている出力デバイスをさらに備える、請求項1〜28のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも1つのワイヤを通る電流の流れを測定するための装置を動作させるための方法であって、
前記装置の筐体内の開口部内に前記ワイヤを囲んで、前記ワイヤが前記開口部を通って延在するようにし、前記開口部が、1つ以上のワイヤを受容するためのものであり、前記筐体が、その中またはその上に配列された複数の磁気センサペアを含む、囲むことと、
前記装置のハードウェアプロセッサを使用して、前記ワイヤが前記開口部内に囲まれている間に前記複数の磁気センサペアによって生成された信号を受信することであって、前記複数の磁気センサペアの各磁気センサペアによって生成された信号が、
第1の方向の磁場を示す第1の信号と、
第2の方向の磁場を示す第2の信号と、を含む、受信することと、
前記ハードウェアプロセッサを使用して、前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記ワイヤ内の電流の測定値を導出することと、を含む、方法。 - 前記ワイヤが、第1のワイヤであり、前記方法がさらに、第2のワイヤ内の電流を決定するためのものであり、前記方法が、
前記第2の導体を前記開口部で囲んで、前記第2のワイヤが前記開口部を通って延在するようにする、囲むことと、
前記ハードウェアプロセッサを使用して、前記第1のワイヤおよび前記第2のワイヤの両方が前記開口部内に囲まれている間に、前記複数の磁気センサペアによって生成された信号を受信することと、
前記ハードウェアプロセッサを使用して、前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記第2のワイヤ内の電流の測定値を導出することと、をさらに含む、請求項30に記載の方法。 - ワイヤ内の電流を決定するための方法であって、
1つ以上のワイヤを受容するための開口部を有する筐体内に配列された複数の磁気センサペアに、前記ワイヤが前記開口部を通って延在するときに、信号を生成させることであって、各磁気センサペアからの前記信号が、
第1の方向の磁場を示す第1の信号と、
第2の方向の磁場を示す第2の信号と、を含む、生成させることと、
ハードウェアプロセッサを使用して、前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記ワイヤ内の電流の測定値を導出することと、を含む、方法。 - ワイヤ内の電流を決定するための方法であって、
1つ以上のワイヤを受信するための開口部を有する筐体内に配列された複数の磁気センサペアによって生成された信号を受信することであって、前記信号が、前記ワイヤが前記開口部を通って延在している間に生成され、各磁気センサペアからの前記信号が、
第1の方向の磁場を示す第1の信号と、
第2の方向の磁場を示す第2の信号と、を含む、受信することと、
前記複数の磁気センサペアのうちの少なくとも2つ以上によって生成された前記信号に基づいて、前記ワイヤ内の電流の測定値を導出することと、を含む、方法。 - マルチ導体ケーブルを通る電流の流れを測定するための装置であって、
マルチ導体ケーブルを受容するように構成されている開口部を含む筐体と、
前記開口部の周囲に配列され、第1の方向の磁場強度を測定するように構成されている第1の磁気センサと、
前記開口部の周囲に配列され、第2の方向の磁場強度を測定するように構成されている第2の磁気センサと、
前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサからの出力に基づいて、前記マルチ導体ケーブルの単一の導体を通って流れる電流を決定するように構成されているプロセッサと、を備える、装置。 - 前記プロセッサが、前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサからの前記出力に基づいて、前記マルチ導体ケーブルの第2の個々の導体を通って流れる電流を決定するようにさらに構成されている、請求項34に記載の装置。
- 前記第1の磁気センサが、異方性磁気抵抗性センサを含む、請求項34に記載の装置。
- 前記プロセッサが、前記単一のワイヤを通って流れる前記電流を計算するための非線形演算に基づいて、前記単一の導体を通って流れる前記電流を決定するように構成されている、請求項34に記載の装置。
- 前記プロセッサが、最小二乗フィッティング演算に少なくとも部分的に基づいて、前記単一の導体を通って流れる前記電流を決定するように構成されている、請求項34に記載の装置。
- 前記第1の磁気センサのうちの磁気センサと前記プロセッサとの間の信号経路内にアナログフロントエンドおよびアナログデジタル変換器をさらに備える、請求項34に記載の装置。
- 前記第1の方向が、前記第2の方向に実質的に直交する、請求項34に記載の装置。
- 前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサが、前記筐体内に配設されている、請求項34に記載の装置。
- 前記第1の磁気センサが、4つの磁気センサを含む、請求項34に記載の装置。
- 前記4つの磁気センサが、ホイートストンブリッジ構成で配設されている、請求項42に記載の装置。
- 前記プロセッサが、前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサのうちの少なくともいくつかによって測定された1つ以上の磁場強度の決定、ならびにターゲット測定領域内の前記単一の導体の位置の決定に少なくとも部分的に基づいて、前記単一の導体を通って流れる前記電流を決定するように構成されている、請求項34に記載の装置。
- マルチ導体ケーブルを通って流れる電流を測定する方法であって、
ターゲット測定ゾーン内のマルチ導体ケーブルの第1のワイヤおよび第2のワイヤの投影位置を決定することと、
第1の投影電流値を前記第1のワイヤに、第2の投影電流値を前記第2のワイヤに割り当てることと、
前記第1のワイヤを通って流れる第1の電流および前記第2のワイヤを通って流れる第2の電流によって生成される磁場の磁場強度を測定することであって、前記磁場強度が、前記ターゲット測定ゾーンの周囲に配列された磁気センサのセットを使用して測定される、測定することと、
前記第1のワイヤの前記投影位置および前記第2のワイヤの前記投影位置に少なくとも部分的に基づいて、予想磁場強度を決定することと、
前記測定された磁場強度および前記予想磁場強度に少なくとも部分的に基づいて誤差値を決定することと、
前記誤差値が誤差閾値を満たさないと決定されたときに、前記第1のワイヤの前記投影位置を調整することと、
前記誤差値が確かに前記誤差閾値を満たすと決定されたときに、前記第1のワイヤの前記投影位置および前記磁場強度に少なくとも部分的に基づいて、前記第1のワイヤを流れる前記第1の電流の電流値を決定することと、を含む、方法。 - 前記マルチ導体ケーブルが、少なくとも2つのワイヤを含む、請求項45に記載の方法。
- 前記第1の投影電流値および前記第2の投影電流値が、同じ大きさであるが、反対の位相を有する、請求項45に記載の方法。
- 前記磁場が、前記第1のワイヤを通って流れる前記第1の電流によって生成された第1の磁場、および/または前記第2のワイヤを通って流れる前記第2の電流によって生成された第2の磁場の集約である、請求項45に記載の方法。
- 前記誤差値が前記誤差閾値を満たさないと決定されたときに、前記第2のワイヤの前記投影位置を調整することをさらに含む、請求項45に記載の方法。
- 前記誤差値が前記誤差閾値を満たすと決定されたときに、前記第2のワイヤの前記投影位置および前記磁場強度に少なくとも部分的に基づいて、前記第2のワイヤを通って流れる前記第2の電流の第2の電流値を決定することをさらに含む、請求項45に記載の方法。
- 前記磁気センサのセットが、第1の磁気センサおよび第2の磁気センサを含み、前記第1の磁気センサが、第1の方向の前記磁場強度を測定するように構成されており、前記第2の磁気センサが、第2の方向の前記磁場強度を測定するように構成されている、請求項45に記載の方法。
- 前記マルチ導体ケーブルの前記第1のワイヤおよび前記第2のワイヤの前記投影位置を決定することが、前記第1のワイヤに第1のデフォルト位置を割り当て、前記第2のワイヤに第2のデフォルト位置を割り当てることを含む、請求項45に記載の方法。
- 前記誤差値が前記誤差閾値を満たす点における前記第1のワイヤの前記投影位置を決定するために最小二乗フィッティング演算を行うことをさらに含む、請求項45に記載の方法。
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