JP6820425B2 - 粒子密度検出のためのレーザセンサモジュール - Google Patents
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Description
国際公開第2017/198699号パンフレットは、第1の測定ビームを放出するように適合されている少なくとも第1のレーザと、第2の測定ビームを放出するように適合されている少なくとも第2のレーザとを備えるレーザセンサモジュールを開示している。レーザセンサモジュールは、第1の測定ビームおよび第2の測定ビームを方向転換するように構成されている光学デバイスをさらに備える。レーザセンサモジュールは、第1のレーザの第1のレーザキャビティ内の第1の光波の少なくとも第1の自己混合干渉信号、および、第2のレーザの第2のレーザキャビティ内の第2の光波の少なくとも第2の自己混合干渉信号を決定するように構成されている1つの検出器を備える。この構成は、速度ベクトルの成分を決定することが可能ではない場合があるという事実にもかかわらず、粒子の平均速度の決定を可能にする。本開示は、そのようなレーザセンサモジュールを備える粒子センサ、ならびに対応する方法およびコンピュータプログラム製品をさらに説明する。
第1の測定ビームを放出するように適合されている少なくとも第1のレーザと、
少なくとも第1の測定ビームを第1の測定ボリュームに集束させるように構成されている光学構成であって、光学構成は、第1の測定ビームに対する第1の開口数を特徴とする、光学構成と、
第1のレーザの第1のレーザキャビティ内の第1の光波の第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号を決定するように適合されている少なくとも第1の検出器と、
決定されている第1の干渉または第1の自己混合干渉信号に応答して少なくとも第1の検出器によって生成されている検出信号を受信するように適合されており、粒子によって生成されている第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号の持続時間に基づく所定の期間内に第1の測定ボリュームを通過する粒子の平均遷移時間を決定するようにさらに適合されており、所定の期間内に第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号に基づいて粒子の数を決定するようにさらに適合されており、平均遷移時間および粒子の数に基づいて第1の粒子密度を決定するようにさらに適合されている評価器と
を備える。
[数3]
t=tmeascos(α)
基準時間に対する時間差の尺度に対応する係数をその差に乗算することによって、分布内の小さい粒子に対する補正が行われる。係数c2は較正実験によって適合させることができる。異なる閾値は、光学的手段(例えば、第2の開口数と異なる第1の開口数)、検出器の異なる感度(物理的にまたは評価器によって設定される異なる感度によって)、または例えば自己混合干渉信号に対して適用される電子フィルタによって生成され得る。
第2の測定ビームを放出するように適合されている少なくとも第2のレーザと、
少なくとも第2の測定ビームを第2の測定ボリュームに集束させるようにさらに構成されている光学構成であって、光学構成は、第2の測定ビームに対する第2の開口数を特徴とし、第2の開口数は、基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成されており、第1の測定ビームおよび第2の測定ビームは相互に10°〜160°の角度φを成す、光学構成と、
第2のレーザの第2のレーザキャビティ内の第2の光波の第2の干渉または第2の干渉信号または第2の自己混合干渉信号を決定するように適合されている少なくとも第2の検出器と、
決定されている第2の自己混合干渉信号に応答して第2の検出器によって生成される検出信号を受信するように適合されている評価器であって、評価器は、所定の期間内に受信されている検出信号によって、第1の検出器によって検出される粒子の少なくとも第1の平均速度、および、第2の検出器によって検出される粒子の少なくとも第2の平均速度を決定するようにさらに適合されており、評価器は、所定の期間内に第2の検出器によって提供される検出信号に基づいて第2の粒子数を決定するようにさらに適合されており、評価器は、少なくとも、第1の平均速度および第2の平均速度、少なくとも第1の粒子数ならびに少なくとも第2の粒子数によって決定される平均粒子速度に基づいて第2の粒子密度を決定するようにさらに適合されており、評価器は、第1の粒子密度および第2の粒子密度に基づいて第3の粒子密度を決定するようにさらに適合されている、評価器と
をさらに備えることができる。
[数5]
v=f*λ/(2*sin(α))
式中、λは測定ビームの波長(例えば850nm)であり、角度90−αは速度ベクトルおよびそれぞれの測定ビームの間で成される角度であり、これは(少なくとも近似的に)第1の自己混合干渉信号および第2の自己混合干渉信号に基づいて決定することができる。粒子流が検出面(例えば携帯電話の表面)と平行であり、かつ両方の測定ビームが検出面と45°の角度を成し、かつ測定ビームの検出表面上の投影が90°の角度γを成す場合、角度90−αは45°(固定)である。流れが完全に平行ではない場合でも、わずかな誤差しかない。
[数6]
vav1=Σv(j)/N およびvav2 =Σv(k)/M),
vav=sqrt(vav1 2+vav2 2)
式中、v(j)、v(k)は第1の測定ボリュームおよび第2の測定ボリューム内で測定されている速度であり、Nは第1の測定ボリュームで検出されている総粒子数であり、Mはそれぞれの測定時間間隔内で第2の測定ボリューム内で検出されている総粒子数である。平均速度の式は、測定ビームが(窓に平行な平面内で90度とは)異なる角度を有する場合に容易に適合させることができる。
PM2.5値は、公式(式8)によって計算することができる。
第1の測定ビームを放出するように適合されている少なくとも第1のレーザと、
第1の測定ビームを第1の測定ボリュームに集束させるように構成されている光学構成であって、光学構成は、第1の測定ビームに対する第1の開口数が0.02〜0.1であることを特徴とする、光学構成と、
第1の干渉信号または自己混合干渉信号を決定するように適合されている少なくとも第1の検出器と、
決定されている第1の干渉信号または自己混合干渉信号に応答して少なくとも第1の検出器によって生成されている第1の検出信号を受信するように適合されており、第1の検出信号によって、所定の検出範囲内の物体の存在と第1の測定ボリューム内の粒子の存在との間で区別するようにさらに適合されている評価器と
を備える。
第2の測定ビームを放出するように適合されている少なくとも第2のレーザと、
少なくとも第2の測定ビームを第2の測定ボリュームに集束させるようにさらに構成されている光学構成であって、光学構成は、第2の測定ビームに対する第1の開口数を特徴とし、第1の測定ビームおよび第2の測定ビームは相互に5°〜70°、より好ましくは7°〜50°、最も好ましくは10°〜35°の角度を成す、光学構成と、
第2の干渉信号または自己混合干渉信号を決定するように構成された少なくとも第2の検出器と、
決定されている第2の干渉信号または自己混合干渉信号に応答して第2の検出器によって生成されている第2の検出信号を受信するようにさらに適合されている評価器であって、評価器は、第1の検出器信号および第2の検出信号に基づいて粒子密度を決定するようにさらに適合されている、評価器と
を備える。
1.レーザセンサモジュールの窓が完全に遮蔽されている(すなわち、光がセンサモジュールから出ることができない)。
a.粒子が検出され得る前に光が遮蔽される。
b.ビームの焦点が合った後、光が遮蔽物体によって遮蔽/反射され、粒子は依然として検出ビームを通過することができる。
2.測定ビームのうちの1つの光路が部分的に遮蔽される。
a.窓上の大きい粒子による。
b.レーザ光線の中の物体による。
すべての場合において、センサは受信した信号の処理に基づいて不正確な結果を与える。
完全遮蔽(1a):干渉信号または自己混合干渉信号は、物体を干渉計内に効果的に配置することから生じる。一般に、物体は動いていることになり、検出ビームの光軸に対する物体の移動速度に応じてより高いまたはより低い周波数をもたらす。これらの信号の振幅、持続時間、ノイズフロアレベル、および周波数の組み合わせは、粒子信号とは異なり、これらの特性を使用して、粒子を遮蔽されたセンサと区別することができる。これは、永続的にブロックされたセンサ(例えば、スマートフォンのカバーでレーザセンサモジュールが遮蔽されているかまたはポケットに入れられている間の測定)、または、センサが短い間遮蔽される状況(例えば手がセンサを通り過ぎているとき)にも当てはまる。
第1のレーザによって少なくとも第1の測定ビームを放出するステップと、
第1の開口数を用いて第1の測定ビームを集束させるステップであって、第1の開口数は、好ましくは基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成され、基準速度は所定の速度範囲内である、集束させるステップと、
第1のレーザの第1のレーザキャビティ内で第1の光波の第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号を決定するステップと、
粒子によって生成されている第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号の持続時間に基づいて、所定の期間内に第1の測定ボリュームを通過する粒子の平均遷移時間を決定するステップと、
任意選択的に、第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号(ドップラー周波数および遷移時間)、第1のレーザによって放出されるレーザ光の波長、および基準ビーム直径に基づいて、第1の測定ビームと粒子の速度ベクトルとの間に成される角度を決定するステップと、
所定の期間内に第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号に基づいて粒子の数を決定するステップと、
平均持続時間、粒子数、および任意選択的に角度に基づいて第1の粒子密度を決定するステップと
を含む。
第1のレーザによって少なくとも第1の測定ビームを放出するステップと、
第2のレーザによって少なくとも第2の測定ビームを放出するステップと、
第1の開口数を用いて第1の測定ビームを集束させるステップであって、第1の開口数は、好ましくは基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成され、基準速度は所定の速度範囲内である、第1の測定ビームを集束させるステップと、
第2の開口数を用いて第2の測定ビームを集束させるステップであって、第2の開口数は、好ましくは基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成され、基準速度は所定の速度範囲内である、第2の測定ビームを集束させるステップと、
第1のレーザの第1のレーザキャビティ内で第1の光波の第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号を決定するステップと、
第2レーザの第2レーザキャビティ内で第2の光波の第2の干渉信号または第2の自己混合干渉信号を決定するステップと、
所定の期間内に決定されている第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号に基づいて第1の平均速度を決定するステップと、
所定の期間内に決定されている第2の干渉信号または第2の自己混合干渉信号に基づいて第2の平均速度を決定するステップと、
所定の期間内に決定されている第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号によって第1の粒子数を決定するステップと、
所定の期間内に決定されている第2の干渉信号または第2の自己混合干渉信号によって第2の粒子数を決定するステップと、
少なくとも第1の平均速度および第2の平均速度に基づいて平均粒子速度を決定するステップと、
少なくとも決定されている平均速度、第1の粒子数および第2の粒子数に基づいて粒子密度を決定するステップと
を含む。
第1のレーザによって少なくとも第1の測定ビームを放出するステップと、
0.02〜0.1の第1の開口数を用いて第1の測定ビームを集束させるステップと、
第1の干渉信号または自己混合干渉信号を決定するステップと、
所定の検出範囲内の物体の存在と、第1の測定ボリューム内の粒子の存在とを区別するステップであって、物体のサイズは、好ましくは最長の延長線に沿って少なくとも0.5mm、より好ましくは少なくとも1mmである、区別するステップと
を含む。
10 粒子サイズ[μm]
11 平坦
12 典型的な浮遊粒子分布
13 香
14 上海スモッグ
20 粒子カウント/(分*μg/m3)
21 0.05m/s
22 0.6m/s
23 7m/s
25 物体
30 粒子速度[m/s]
31 0.05m/sにおける導出されるPM 2.5値
32 0.6m/sにおける導出されるPM 2.5値
33 7m/sにおける導出されるPM 2.5値
35 0.1μmビンあたりの導出されるPM 2.5値μg/m3
41 任意単位における自己混合干渉信号強度
42 時間[μs]
45 粒子流に垂直な受信粒子信号測定ビーム
46 粒子流に対して傾斜した受信粒子信号測定ビーム
48 測定結果
50 異なる信号対雑音比閾値レベルにおける粒子カウント
51 0.05m/sにおける粒子計数率
52 0.6m/sにおける粒子計数率
53 7m/sにおける粒子計数率
61 検出距離[m]
62 開口数
63 最小粒子サイズ[μm]
65 開口数の関数としての検出距離
66 0.02m/sにおける開口数の関数としての最小検出粒子サイズ
67 6m/sにおける開口数の関数としての最小検出粒子サイズ
100 レーザセンサモジュール
102 基準面
111 第1のレーザ
111’ 第1の測定ビーム
111’’ 第1の測定ビームの第1の投影
112 第2のレーザ
112’ 第2の測定ビーム
112’’ 第2の測定ビームの第2の投影
113 第3のレーザ
113’ 第3の測定ビーム
121 第1の検出器
122 第2の検出器
130 電気駆動装置
135 インターフェース
140 評価器
150 光学構成
151a マイクロ光学部品
151b 集束素子
152 ビームスプリッタ
153 4分の1波長板
155 光学フィルタデバイス
157 集束デバイス
161 第1の測定ボリューム
162 第2の測定ボリューム
163 第3の測定ボリューム
190 移動通信デバイス
191 ユーザインターフェース
192 主処理デバイス
193 主記憶デバイス
310 角度を決定する
320 感度補正を決定する
330 有効平均遷移時間を決定する
340 第1の粒子密度を決定する
410 速度値を決定する
420 平均粒子速度を決定する
430 検出の相対尤度を決定する
440 第2の粒子密度を決定する
90−α 測定ビームと粒子流との間に成される角度
β1 第1の測定ビームと第1の投影との間に成される角度
β2 第2の測定ビームと第2の投影との間に成される角度
γ 基準面上の第1の投影と第2の投影の間に成される角度
Claims (19)
- 小さい粒子の粒子密度を検出するためのレーザセンサモジュール(100)であって、
第1の測定ビーム(111’)を放出するように適合されている少なくとも第1のレーザ(111)と、
前記少なくとも第1の測定ビーム(111’)を第1の測定ボリューム(161)に集束させるように構成されている光学構成(150)であって、前記第1の測定ビーム(111’)に対する第1の開口数が基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成されている、光学構成(150)と、
前記第1のレーザ(111)の第1のレーザキャビティ内の第1の光波の第1の自己混合干渉信号を決定するように適合されている少なくとも第1の検出器(121)と、
評価器(140)であって、前記評価器(140)は、前記決定されている第1の自己混合干渉信号に応答して少なくとも前記第1の検出器(121)によって生成されている検出信号を受信するように適合されている評価器において、前記評価器(140)が、前記粒子によって生成されている前記第1の自己混合干渉信号の持続時間に基づく所定の期間内に前記第1の測定ボリューム(161)を通過する前記粒子の平均遷移時間を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)が、前記所定の期間内に前記第1の自己混合干渉信号に基づいて粒子の数を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)が、前記平均遷移時間および前記粒子の数に基づいて第1の粒子密度を決定するようにさらに適合されていることを特徴とする、評価器(140)と
を備える、レーザセンサモジュール(100)。 - 前記小さい粒子は、20μm未満の粒子サイズを特徴とし、前記評価器(140)は、前記第1の自己混合干渉信号および前記平均遷移時間に基づいて、前記第1の測定ビーム(111’)と前記粒子の速度ベクトルとの間に成される角度を決定するようにさらに適合されており、前記基準速度は、前記基準速度を含む0.01m/s〜7m/sの所定の速度範囲内で選択され、前記第1の粒子密度は、前記第1の測定ビーム(111’)の基準速度および基準ビーム直径に基づいてさらに決定され、前記基準速度および前記基準ビーム直径は、基準粒子サイズを有する基準粒子が前記第1の測定ビーム(111’)を通過する基準時間を規定し、前記基準粒子の速度ベクトルは前記第1の測定ビーム(111’)に対して垂直である、請求項1に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記小さい粒子は、0.05μm〜10μmの粒子サイズを特徴とする、請求項2に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記光学構成(150)は、前記第1の測定ビーム(111’)に対して0.01〜0.06の開口数を特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記光学構成(150)は、前記第1の測定ビーム(111’)に対して0.02〜0.04の開口数を特徴とする、請求項4に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記評価器(140)は、前記決定されている第1の粒子密度を、前記平均遷移時間と前記基準時間との間の比の4乗根を含む係数によって補正するようにさらに適合されている、請求項2〜5のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記評価器(140)が、第1の信号対雑音比閾値レベルにおける第1の粒子計数率、および前記第1の信号対雑音比閾値レベルとは異なる第2の信号対雑音比閾値レベルにおける第2の粒子計数率を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)は、前記決定された第1の粒子密度を前記第1の粒子計数率および前記第2の粒子計数率によって補正するようにさらに適合されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記レーザセンサモジュール(100)は、前記第1の測定ビーム(111’)が通って前記第1の測定ボリューム(151)に放出される出射窓を備え、前記光学構成(150)は、前記レーザセンサモジュール(100)の前記出射窓に垂直な前記第1のレーザ(111)および前記光学構成の構築高さが1mmより小さくなるように、前記第1の測定ビーム(111’)を折り畳むように構成されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記レーザセンサモジュール(100)は、
第2の測定ビーム(112’)を放出するように適合されている少なくとも第2のレーザ(112)と、
前記少なくとも第2の測定ビーム(112’)を第2の測定ボリューム(162)に集束させるようにさらに構成されている前記光学構成であって、前記光学構成は、前記第2の測定ビーム(112’)に対する第2の開口数を特徴とし、前記第2の開口数は、前記基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成されており、前記第1の測定ビーム(111’)および前記第2の測定ビーム(112’)は相互に10°〜160°の角度を成す、前記光学構成と、
前記第2のレーザ(112)の第2のレーザキャビティ内の第2の光波の第2の自己混合干渉信号を決定するように適合されている少なくとも第2の検出器(122)と、
前記決定されている第2の自己混合干渉信号に応答して前記第2の検出器(122)によって生成される検出信号を受信するように適合されている評価器(140)であって、前記評価器(140)は、前記所定の期間内に受信されている前記検出信号によって、前記第1の検出器(121)によって検出される粒子の少なくとも第1の平均速度、および、前記第2の検出器(122)によって検出される粒子の少なくとも第2の平均速度を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)は、前記所定の期間内に前記第2の検出器(122)によって提供される前記検出信号に基づいて第2の粒子数を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)は、少なくとも、前記第1の平均速度および前記第2の平均速度、少なくとも前記第1の粒子数ならびに少なくとも前記第2の粒子数によって決定される平均粒子速度に基づいて第2の粒子密度を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)は、前記第1の粒子密度および前記第2の粒子密度に基づいて第3の粒子密度を決定するようにさらに適合されている、評価器(140)と
をさらに備える、請求項2〜8のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール。 - 前記第1の測定ビーム(111’)の基準面(102)上への投影(111’’)および前記第2(112’)の測定ビームの前記基準面(102)上への投影(112’’)は、20°〜160°の角度γを成す、請求項9に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記第1の測定ビームの前記基準面(102)上への投影(111’’)および前記第2の測定ビームの前記基準面(102)上への投影(112’’)は、60°〜120°の角度γを成す、請求項10に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記第1の測定ビームの前記基準面(102)上への投影(111’’)および前記第2の測定ビームの前記基準面(102)上への投影(112’’)は、80°〜100°の角度γを成す、請求項11に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記評価器(140)は、前記決定されている第2の粒子密度を、前記基準速度と前記決定されている平均粒子速度との間の比の3乗根を含む係数によって補正するようにさらに適合されている、請求項9〜12のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記第1の測定ボリューム(161)は、前記第1の測定ビーム(111’)の方向に直線的に延伸し、前記第2の測定ボリューム(162)は、前記第2の測定ビーム(112’)の方向に直線的に延伸し、前記評価器(140)は、前記第1の測定ボリューム(161)内の粒子の検出の第1の相対尤度を決定するように適合されており、前記評価器(140)は、前記第2の測定ボリューム(162)内の粒子の検出の第2の相対尤度を決定するように適合されており、前記評価器(140)は、前記決定されている第2の粒子密度を前記第1の相対尤度および前記第2の相対尤度によって補正するようにさらに適合されている、請求項9〜13のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)。
- 前記レーザセンサモジュール(100)は、第1のモードにおいて前記粒子密度を検出するように構成され、前記レーザセンサモジュール(100)は、第2のモードにおいて少なくとも1mmのサイズを有する物体の近接を検出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レーザセンサモジュール(100)。
- 小さい粒子の粒子密度を検出するためのレーザセンサモジュール(100)であって、
第1の測定ビーム(111’)を放出するように適合されている少なくとも第1のレーザ(111)と、
前記少なくとも第1の測定ビーム(111’)を第1の測定ボリューム(161)に集束させるように構成されている光学構成(150)であって、前記第1の測定ビーム(111’)に対する第1の開口数が基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成されている、光学構成(150)と、
第1の干渉信号を決定するように適合されている少なくとも第1の検出器(121)と、
評価器(140)であって、前記評価器(140)は、前記決定されている第1の干渉信号に応答して少なくとも前記第1の検出器(121)によって生成されている検出信号を受信するように適合されている評価器において、前記評価器(140)が、粒子によって生成されている前記第1の干渉信号の持続時間に基づく所定の期間内に前記第1の測定ボリューム(161)を通過する前記粒子の平均遷移時間を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)が、前記所定の期間内に前記第1の干渉信号に基づいて粒子の数を決定するようにさらに適合されており、前記評価器(140)が、前記平均遷移時間および前記粒子の数に基づいて第1の粒子密度を決定するようにさらに適合されていることを特徴とする、評価器(140)と
を備える、レーザセンサモジュール(100)。 - 請求項1〜16のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)を備える移動通信デバイス(300)であって、前記移動通信デバイスは、前記レーザセンサモジュール(100)によって提供される測定結果を提示するように構成されている、移動通信デバイス(300)。
- 粒子検出方法であって、
第1のレーザ(111)によって少なくとも第1の測定ビーム(111’)を放出するステップと、
前記第1の測定ビーム(111’)に対して、基準速度において所定の最小粒子サイズを検出するように構成されている第1の開口数を用いて、前記第1の測定ビーム(111’)を集束させるステップと、
前記第1のレーザ(111)の第1のレーザキャビティ内の第1の光波の第1の干渉信号または第1の自己混合干渉信号を決定するステップと、
前記粒子によって生成されている前記第1の干渉信号または前記第1の自己混合干渉信号の持続時間に基づいて、所定の期間内に前記第1の測定ボリューム(161)を通過する粒子の平均遷移時間を決定するステップと、
前記所定の期間内に前記第1の干渉信号または前記第1の自己混合干渉信号に基づいて粒子の数を決定するステップと、
前記平均遷移時間および前記粒子数に基づいて第1の粒子密度を決定するステップと
を含む、粒子検出方法。 - 請求項1から16のいずれか一項に記載のレーザセンサモジュール(100)が備える少なくとも1つのメモリデバイス、または、前記レーザセンサモジュール(100)を備えるデバイスの少なくとも1つのメモリデバイスに保存することができるコード手段を備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コード手段は、前記レーザセンサモジュール(100)が備える少なくとも1つの処理デバイスによって、または、前記レーザセンサモジュール(100)を備える前記デバイスの少なくとも1つの処理デバイスによって、請求項18に記載の方法を実行することができるように構成されている、コンピュータプログラム製品。
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