JPH06503420A - 応力遮断用凹部付き圧力トランスミッタ - Google Patents
応力遮断用凹部付き圧力トランスミッタInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
発明の名称
応力遮断用四部付き圧力ドランスミッタ発明の背景
本発明は、ハウジングからその内部の圧力変換器への軸方向および半径方向締付
は力の伝達を減らすように設計されたハウジングを有する圧力ドランスミッタに
関するものである。
締付は力は、ハウジングに押しつけられたフランジによってもたらされるもので
、フランジ、ボルトおよびハウジング間の熱膨張差のせいで不均等、かつヒステ
レチックである場合がある。
圧力ドランスミッタハウジング内に配置された圧力変換器を歪ませる締付は力を
減らす必要性は、圧力ドランスミッタハウジングの改良および圧力変換器に流体
圧力を結合させる方法の改善をもたらしている。圧力変換器に対して流体圧力を
密封形式で結合させるフランジは、通常圧力ドランスミッタハウジングに対して
大きな締付は力を加え、予荷重として知られている前記締付は力は圧力変換器を
かなり歪ませて、測定誤差を生じる場合がある。
通常、大きな締付は力はフランジをトランスミッタハウジングに対して押圧する
ボルトによってもたらされる。これらのボルトは、通常、フランジを圧力ドラン
スミッタハウジングに予荷重するための3000ボンド以上の締付は力をつくり
だして、高い流体圧力を結合する際にフランジが遮断ダイアフラムに密封形態で
結合されたままに保持されるようにするために、回転トルクを加えられる。
さらにトランスミッタハウジング、フランジおよびボルトは通常異なった熱膨張
係数を有する異なった素材でつくられており、この互いに異なる熱膨張係数が一
定の温度範囲でのフランジ、ハウジング、およびボルトの異なった膨張、収縮に
より、締付は力の変化し、かつ不均等に分布された軸方向および半径方向の成分
をつくりだす。
さらに、フランジおよびハウジングの接触表面間の滑り作用が、摩擦による半径
方向の締付は力成分をつくりだす場合がある。この半径方向成分は、フランジが
ハウジングに沿って滑るので温度に対してヒステレティックである。
大きくて不均等に分布した軸方向および半径方向の締付は力の、ハウジングから
、その内部に配置された圧力変換器への伝達を大幅に減らす圧力ドランスミッタ
ハウジングが望まれている。さらに、フランジ、ハウジングおよびボルトの温度
変化によるハウジングとフランジの接触表面間の摩擦に起因するヒステレティッ
クは半径方向の締付は力の伝達を減らすトランスミッタハウジングが望まれてい
る。
発明の要約
本発明は、トランスミッタハウジングの外縁と内縁の間に配置されたたわみ手段
に関するものであり、前記外縁はたわみ手段を中心としてたわむことができ、フ
ランジによってその外縁に対して加えられるヒステレティックな半径方向および
軸方向の締付は力の、ハウジング内部に配置された圧力感知手段に対する前記外
縁からの伝達を低減させる。
本発明は、圧力源からの流体圧力を測定するための圧力変換器と、ハウジング内
縁を取り囲むハウジング外縁を有し、そのハウジング内縁がハウジング開口部を
定義しているハウジングとで構成されている。ハウジング内にある圧力感知手段
は感知出力を提供し、ハウジング開口部に結合された圧力センサ(感知器)を有
している。前記圧力センサに流体圧力を結合するためのフランジ手段は、対応す
るハウジング外縁に衝接するフランジ外縁を有している。前記フランジ手段は対
応するハウジング内縁に面しており、それらの間に四部を形成しているフランジ
内縁をも有している。前記フランジ手段はそのフランジ手段内に形成される第1
のフランジ開口部からの流体圧力をフランジ内縁によって規定される第2のフラ
ンジ開口部に伝達するための通路を有しており、この第2のフランジ開口部は流
体圧ツノを圧力感知手段に結合する。この凹部にはハウジング内縁をフランジ内
縁に対してシールするためのシール手段が配置されている。このフランジ手段に
対しては、ハウジング外縁がフランジ内縁から固定力を受け、ハウジング内縁が
シール手段を介してフランジ内縁からシール力を受けるように、フランジ外縁と
ハウジング外縁を一体に固定するためのフランジ手段が固定されている。少なく
とも一つの凹部によって規定されるたわみ手段が、l\ウジング外縁から圧力感
知手段への固定力の伝達を減らすために、ハウジング内でハウジング内縁とハウ
ジング外縁の間に配置されている。
本発明の好ましい実施例においては、ハウジング外縁は圧力感知手段の歪みを減
らすために、たわみ手段を中心にたわむことができる。本発明のさらに別の実施
例においては、たわみ手段はハウジング外縁に近接して形成された溝あるいは切
り込みで規定される。
差圧、絶対圧およびゲージ圧などの圧力ドランスミッタは、内部に配置された圧
力変換器に対する歪みを減らすために本発明を実施するのに適している。応力ゲ
ージ、光学的および導電電極板容量セルなどの種々のタイプの圧力変換器を用い
ることができる。
図面の簡単な説明
図IA、IBおよびICは本発明による圧力ドランスミッタの一部の断面図であ
る。
図2は圧力ドランスミッタの一部分の分解断面図である。
図3は図2のトランスミッタの一部分の組み立て断面図である。
図4は図2のトランスミッタの一部分の斜視図である。
図5は本発明による圧力ドランスミッタの第2実施例の分解断面図である。
図6は図5のトランスミッタの一部分の拡大断面図である。
図7は第2の実施例の一部分の分解斜視図である。
発明の詳細な説明
図IA、IBおよびICには、それぞれトランスミッタハウジング14内にある
感知変換器12で構成された圧力ドランスミッタ10のある一部分の幾つかの実
施例が示されている。以下により詳細に説明するように、感知変換器12はフラ
ンジ18から受けた流体圧力を、その圧力を示す電気出力に変換する。
溝あるいは切り込みなどの環状凹部20が、たわみ領域22と外縁(リム)24
を形成しているハウジング14内に形成されている。ボルト26はフランジ16
に予荷重を加えるためにフランジ16を外縁24に対【2て押し付けており、外
縁24に大きな軸方向締付は力F1をつくりだしている。熱膨張係数を異にする
材料で構成されたフランジ16とハウジング14の膨張、収縮は一定の温度範囲
でそれぞれ違っている。このそれぞれ異なる膨張と収縮とが、その温度範囲で、
締付は力Flの軸方向および半径方向成分を変化させ、ハウジング14に不均等
に分散させる。
それぞれ異なる膨張と収縮とは、以下に詳細に説明するように、ハウジング14
上で滑動するフランジ1Bの接触表面間の摩擦によって締付は力F1のヒステレ
ティックな半径方向成分をもつくりだす。外縁24はたわみ領域22を中心とし
て外側にたわみ、これによって、感知変換器の電気的出力が実際の差圧をより正
確に示すように、外縁24から感知変換器12への締付は力Flの軸方向および
半径方向成分両方の伝達を減らす。
図2には、米国特許3.1318.390に開示されているような、総括的に1
2で示されている、トランスミッタハウジング14内にある感知変換器で構成さ
れた差圧トランスミッタlOの一部分を示し、ている。感知変換器12は、フラ
ンジ16および28からそれぞれ偏向可能な遮断ダイアフラム18および30を
通じて印加される流体圧力の差を、その差圧を示す電気的出力に変換する。トラ
ンスミッタハウジング14内にある印刷回路基板32の回路が、感知変換器12
の電気的出力を、潜在的に爆発可能性のある環境から密封保護され、4〜20
mA直流、デジタル信号、あるいは1〜5ボルト直流電圧などの、感知された差
圧(P i P 2 )を示す圧力出力を提供する内部伝送回路(図示せず)に
伝える。
感知変換器12は、トランスミッタハウジング14に形成された開口部34内に
配置される。内縁(リム)36および38は、それぞれ凹部44および46を有
するハウジング・リング40および42を取り囲んでいる。ハウジング・リング
40は、開口部34によって形成された領域48でトランスミッタハウジング1
4に溶着されている。ハウジング・リング42は領域52でふた50に溶着され
ている。ふた50はさらに、領域56で内縁54に溶着されている。
フランジ16および28は、それぞれ開口部62と64から延びている通路(図
示せず)を介して、それぞれ開口部66および68に流体圧力P およびP2を
伝える。それぞれ開口部66と68を形成している内縁70および72はそれぞ
れ対応する凹部44および46に而しており、その間に対応する空隙を形成する
。シール・リング74と76はその対応する空隙内に配置され、それぞれ開口部
6Gおよび68からの流体圧力P1とP2をそれぞれ対応する遮断ダイアフラム
18および30に伝える。0−リングなどのシール・リング74および76は、
通常、以下に述べるように、外縁24および78よりかなり低い弾性係数を有す
る弾性材料でできている。
図示されているように、ナツト82および84と共にフランジ16および28の
周辺部を通じて配置されているボルト2Bおよび80を含む四つの締付はボルト
および四つのナツトは、それぞれフランジ外縁90と92に形成された凹部86
と88を、それぞれ対応する外縁24と78に押しつけ、外縁24および78に
対する大きな締付は力F1をつくりたしている。締付はボルト26と80は、ナ
ツト82および84と共に、通常はトルクを加えられ、予荷重として知られてい
る3000ポンド以上の締付は力をつくりだし、高いライン圧力あるいは差圧が
開口部62および64に加えられた時に、フランジ16および28のトランスミ
・ツタハウジング■4に対する結合が保持されるようにする。フランジの内縁7
0および72はシール力F2でシール・リング74および76を圧迫する。
シール・リング74および76は弾性があるから、シール力F2は固定力F2よ
りかなり小さく、そしてより予測可能であり、較正によって圧力測定から除去す
ることができる。
環状溝20および94はトランスミッタハウジング14において、それぞれ内縁
36と38をそれぞれ取り囲んでいるたわみ領域22および96をそれぞれ形成
しており、狭いウェブ状の外縁24および78をそれぞれ規定している半径方向
端縁のすぐ近くに形成される。外縁24および78は、ハウジングの内縁36.
3gによって規定される平面より外方へ突出しているのが望ましい。
たわみ領域22および96はそれぞれ外縁24および78と比較してより小さな
断面積を有している。溝2oおよび94は十分な深さを有しているので、外縁2
4および78はそれぞれたわみ領域22と96を中心としてたわみ、外縁24お
よび78内の応力を、遮断ダイアフラム18と30を含む感知変換器の感知部分
からはもちろん、内縁36および38からも、機械的に事実上遮断することがで
きる。この遮断効果を強めるために、同心円の溝、あるいは遮断ダイアフラムを
その端と端とで取り囲んでいる一連の溝など、複数の溝を用いることもできる。
締付は力Flの結果としての、変換器12あるいは、それぞれ遮断ダイアフラム
18および30に結合されたハウジング・リング40および42に隣接したハウ
ジング内縁36および38に対する歪みは基本的には生じない。締付は力F1に
よって変換器12の圧力測定にもたらされる誤差が大幅に減少されるので、感知
変換器12の圧力出力は実際の流体圧力差(Pl−P2)をより正確に示すこと
になる。こうして、より狭くなったたわみ領域22.96および外縁24.78
が実質的に感知変換器12を締付は力ptから遮断する。
トランスミッタハウジング14、フランジ1B、28およびボルト26.80は
通常、異なった熱膨張係数を有する材料でできている。熱膨張係数の差は26お
よび80を含む四つのボルトによるボルト締め力を、フランジ16.28、ハウ
ジング14およびボルト26.80の温度変化に応じて変化させる。変化するボ
ルト締め力は締付は力Flを変化させ、外縁24および78に不均等に分布させ
る。さらに、異なった熱膨張係数を有するフランジ16と28およびハウジング
14は温度に応じてその寸法を変化させ、外縁24と78での締付は力PLに半
径方向成分をつくりだす。
この半径方向の力は、フランジ16.28およびハウジング14の衝合表面の滑
動中の摩擦により、通常はヒステレティックである。
大きく、不均等で、ヒステレティックな軸方向および半径方向の締付は力F1に
よって引き起こされる感知変換器12の歪みは、上に述べたように、たわみ領域
22および96を中心として偏向する(たわむ)外縁24および78を設けるこ
とにより、大幅に減らされる。シール力F2が温度によってわずかに変化する場
合もあるが、シール力F2はかなり小さく、しかも変換器12の測定には実質上
向の影響も及ぼさない。したがって、フランジ16と28、ハウジング14およ
びボルト2Bと80のそれぞれ異なる熱膨張による圧力測定の誤差は大幅に減ら
される。
図3に、圧力ドランスミッタの第1の実施例の組み立て断面図を示しである。上
にも述べたように、フランジ16と28は外縁24と78を圧迫して、それらを
上述のように感知変換器12から外側にたわませる。分かり易くするために、図
3では外縁24と78のたわみが誇張して示しである。図にも示されているよう
に、温度によって変化する締付は力Flの大きな軸方向およびヒステレティック
な半径方向の成分は感知変換器から実質上遮断され、大幅に精度の高い圧力測定
を可能にしてくれる。
図4は、差圧トランスミッタ10の一部の斜視図を示している。伝送器ハウジン
グ14はおおむね円筒形で、それぞれ通常はトランスミッタハウジング14と同
軸状の外縁24、溝20、たわみ領域22、内縁3B、凹部44および遮断ダイ
アフラム18を有している。
図5に、差圧トランスミッタ100の第2の好ましい実施例を示す。感知変換器
102は、第1の好ましい実施例で述べた感知変換器12と同様、トランスミッ
タハウジング104内に配置されており、それぞれたわむことができる遮断ダイ
アフラム106および10gに加えられる差圧(Pl−P2)を感知する。
潜在的に爆発可能性のある周辺雰囲気から密封遮断されているトランスミッタ回
路11Oは感知変換器102に接続されており、感知変換器102によって感知
された差圧(P、−P2)を示す伝送器出力を発生する。変換器102の一部を
形成している遮断ダイアプラム106と108は、内縁11Bおよび117によ
って規定される開口部112と114を覆って密封形態で延びており、基本的に
は同一平面上にある。通路11gおよび120は圧力P1とP2をそれぞれ感知
変換器102に伝える。
フランジ122はそれぞれ通路124と126経由で開口部128と130から
伝達される流体圧力P1とP2を、それぞれ遮断ダイアフラム106と108に
対応する開口部132と134に伝える。ボルト13Bと138を含む四本の締
付はボルトはフランジ122の周辺部を貫通して延びており、フランジの外縁1
40を対応するハウジング外縁142に押しっけ、締付はカF1を外縁142に
かけている。PTFBなどの、弾性あるいは可塑性のシール・リング144と1
48は、フランジ内縁148および149と、参照例として組み入れられている
米国特許4,792,089に開示されているような、対応する凹部152およ
び154に溶着されている溶着リング150および151との間に形成される空
隙内にあり、それぞれ遮断ダイアフラムlo6と108を取り囲んでいる。フラ
ンジ内縁148および149はまた、シール・リング144と148を圧縮する
締付は力F2を提供し、開口部132と134をそれぞれ開口部112と114
に密封状態で結合している。
ハウジング104内の個別の溝15Bと158は、それぞれ遮断ダイアフラム1
06および108に隣接するハウジングの外縁142と内縁11Bおよび117
との間にたわみ領域16oおよび162を形成している。溝156と158は交
差させて、内縁116と117の両方を取り囲む−続きの溝を形成するようにし
てもよいし、あるいは、たわみ効果を強めるために複数の平行な溝を構成するよ
うにすることもできる。溝15Bと158は十分な深さを持っているので、締付
は力F1はたわみ領域160および182を中心に外縁142をたわませること
ができる。図1に関し2て述べたのと同様に、外縁142からそれぞれ遮断ダイ
アフラム106および108に隣接した内縁l18および117への、締付は力
F1の大きく、そして不均一に分布された軸方向および半径方向の成分の伝送は
大幅に減らされるので、遮断ダイアフラム106および10gの歪みは大幅に減
らされる。
さらに、ハウジング104とフランジ122は異なった熱膨張係数を有する材料
で構成することもできる。フランジ122は、温度が変化すると、ハウジング1
04とフランジ122の異なった膨張および収縮のせいでハウジング104に対
して滑動する。
この滑動はフランジ122とハウジング104の衝合表面間の摩擦のためにヒス
テレティックであり、ハウジング104の外縁142で締付は力F1のヒステレ
ティックな半径方向成分をつくりだす。このヒステレティックな半径方向の力は
、たわみ領域160および162を中心偏向できる外縁142の形状によって大
幅に減らされ、本発明の第1の実施例の場合と同様、それぞれ遮断ダイアフラム
106および108に対する歪みを大幅に減らすことができる。
シール力F2は、特にPTFEシール・リング144および146を用いた場合
、非常に大きくなり、それぞれ遮断ダイアフラム106と108に一定の変形を
引き起こす場合がある。しかしながら、このような変形に起因する圧力測定の誤
差は、第1には縁116および117とシール・リング144および148が外
縁142よりかなり小さな表面しか持っていないことにより、また第2には、P
TFEが潤滑効果を持っており、このためにシール・リング144と146およ
び内縁11Bと117を介してのフランジ122の滑動によるシール力F2のヒ
ステレティックな半径方向の力がかなり小さいことにより、較正を通じて除去す
ることができる。
図6は図5に示されている領域164の拡大断面図である。
図7は圧力ドランスミッタ100の斜視図である。溝156および158はそれ
ぞれ外縁142と内縁116および117の間に形成され、それらの内縁はそれ
ぞれ遮断ダイアフラム106およびlO8を取り囲んでいる。満158と158
は十分な深さを有しているので、外縁142はたわみ領域180および162(
図示せず)を中心にたわむことができ、その結果、フランジ122によって外縁
142に加えられる締付は力ptの大きくて不均等な軸方向およびヒステレティ
ックな半径方向成分による、それぞれ内縁tteと117および遮断ダイアプラ
ム10Bと108への歪みの影響を大幅に減らすことができる。溝156および
15gの深さは、理想的には、図7に示されている幅”A”の四分の−から部分
の−の間であり、遮断ダイアフラム106および108をできるたけ多く取り囲
むようにすべきである。
以−1−では、本発明を好ましい実施例を参照して説明したが、本発明の精神と
範囲を外れることなしに、その形態や詳細部分で変更を行うことができるのは当
業者には明らかであろう。
国際調査報告
フロントページの続き
(72)発明者 クロウス、テランス エフ。
アメリカ合衆国 55347 ミネソタ州、エデン ブレイリー、スタンレイ
トレイル
Claims (12)
- 1.ハウジングの開口部を規定するハウジング内縁を取り囲んでいるハウジング 外縁を有するハウジングと;ハウジング内に配置され、ハウジング開口部に結合 されて感知出力を提供する圧力感知手段と; 対応するハウジング外縁に衝合するフランジ外縁を有し、圧力感知手段に流体圧 力を伝えるフランジ手段であって、さらに、対応するハウジング内縁に面してお り、その間に凹部を形成するフランジ内縁、および該フランジ手段内に形成され た第1のフランジ開口部からの流体圧力を、フランジ内縁によって規定された第 2のフランジ開口部に伝える通路を有していて、前記第2のフランジ開口部が流 体圧力を前記圧力感知手段に伝えるようにされたフランジ手段と;ハウジング内 縁をフランジ内縁に対してシールするための、凹部に配置されたシール手段と; ハウジング外縁がフランジ外縁からの固定力を受け、ハウジング内縁がシール手 段を介してフランジ内縁から加えられるシールカを受けるように、フランジ外縁 とハウジング外縁を一体に固定するための、フランジ手段に結合された固定手段 と; ハウジング外縁から圧力感知手段への固定力の伝達を減らすように、ハウジング 内縁とハウジング外縁との間の少なくとも一つのハウジング内の凹部によって規 定されたたわみ手段とで構成された圧力源からの流体圧力を測定するための圧力 トランスミッタ。
- 2.凹部が、ハウジング外縁がたわみ手段を中心としてたわむことができるのに 十分な深さである請求の範囲第1項のトランスミッタ。
- 3.凹部がハウジング外縁に極く近接して形成された請求の範囲第2項のトラン スミッタ。
- 4.凹部がハウジング内縁を取り囲んでいる少なくとも一つの溝で規定されてい る請求の範囲第1〜3項いずれかのトランスミッタ。
- 5.凹部がハウジング内縁を取り囲んでいる少なくとも一つの切り込みで規定さ れている請求の範囲第3項のトランスミッタ。
- 6.シール手段が弾性を持っており、固定力がシールカより大きく、またフラン ジ手段が流体圧力を圧力感知手段に伝達する際、フランジ内縁がハウジング内縁 にシールされた状態に保持されるほど十分に大きい請求の範囲第4項のトランス ミッタ。
- 7.フランジ外縁が、ハウジング外縁を受け入れるフランジ凹部を取り囲んでい る請求の範囲第6項のトランスミッタ。
- 8.それぞれが第1および第2のハウジング開口部を規定する第1および第2の ハウジング内縁を取り囲んでいるハウジング外縁を有するハウジングと; それぞれ第1および第2のハウジング開口部を覆って密封状態で配置されている 第1および第2の遮断ダイアフラムと;ハウジング内に配置され、第1および第 2の遮断ダイアフラムに結合されて感知出力を提供する圧力感知手段と;対応す るハウジング外縁に衝接するフランジ外縁を有し、それぞれ第1および第2の遮 断ダイアフラムに第1と第2の流体圧力を伝達するフランジ手段であって、さら に、対応する第1および第2のハウジング内縁に面しており、それらの間に第1 および第2の凹部を形成する第1および第2のフランジ内縁、および該フランジ 手段内に形成された第1および第2のフランジ開口部からの第1および第2の流 体圧力を、それぞれ第1および第2のフランジ内縁によって規定された第3およ び第4のフランジ開口部に伝達する第1および第2の通路を有していて、前記第 3および第4のフランジ開口部が、前記第1および第2の流体圧力をそれぞれ前 記第1および第2の遮断ダイアフラムに伝達するようにされたフランジ手段と; 第1および第2のハウジング内縁をそれぞれ第1と第2のフランジ内縁に対して シールするための、第1および第2の凹部に配置されたシール手段と; ハウジング外縁がフランジ外縁からの固定力を受け、第1および第2のハウジン グ内縁が、それぞれシール手段を介して、第1および第2のフランジ内縁から加 えられる第1および第2のシールカを受けるように、フランジ外縁とハウジング 外縁を一体に固定するための、フランジ手段に結合された固定手段と; ハウジング外縁から第1の遮断ダイアフラム手段への固定力の伝達を減らすよう に、第1のハウジング開口部とハウジング外縁の間の少なくとも一つのハウジン グ内の凹部によって規定されたたわみ手段とで構成された、第1および第2の流 体圧力を有する第1および第2の圧力源間の差圧を測定するための圧力トランス ミッタ。
- 9.たわみ手段が、さらに、第1と第2の遮断ダイアフラム手段を取り囲んでい るハウジング内の少なくともひとつの凹部によって規定された請求の範囲第8項 のトランスミッタ。
- 10.ハウジング外縁の表面積が第1の内縁の表面積より大きい請求の範囲第9 項のトランスミッタ。
- 11.ハウジング開口部を規定する周辺内縁を有するハウジングと; ハウジング内で、ハウジング内縁の周辺部内部に配置され、感知出力を提供し、 ハウジング開口部に結合された圧力感知手段と; フランジ外部周辺縁部と、対応するハウジング内縁に面しているフランジ内縁と を有し、圧力感知手段に流体圧力を伝達するフランジ手段であって、該フランジ 手段内に形成された第1のフランジ開口部からの流体圧力を、フランジ内縁によ って規定された第2のフランジ開口部に伝達するための通路を有しているフラン ジ手段と; フランジがハウジングに固定されている時に、ハウジング内縁をフランジ内縁に 対してシールするシール手段と;第1の方向に作用する固定力でフランジとハウ ジングとを一体に固定する固定手段と; ハウジング内の、少なくとも一つの凹部によってハウジングの内縁から隔離され た狭い周辺縁部を形成するハウジング外縁で構成されたたわみ手段とで構成され 、さらに、前記第2のフランジ開口部が前記流体圧力を圧力感知手段に伝えると 共に、フランジの外側周辺縁部がハウジング外縁と接触し、固定手段によって第 1の方向に作用される固定力に反作用するようにハウジング外縁を係合させ、該 凹部がハウジング外縁から圧力感知手段への固定力の伝送を減らすように作用す る、圧力源からの流体圧力を測定するための圧力トランスミッタ。
- 12.圧力感知手段が静電容量セル圧力変換器で構成された前記請求の範囲第1 ないし第11項いずれかのトランスミッタ。
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