KR100736831B1 - 가스 경보 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원 공급부, 누출가스를 검출하는 가스 센서와 상기 가스 센서를 가열하는 히터를 포함하는 가스 검출부, 상기 가스 검출부의 내부 온도를 검출하여 보상하는 온도 검출부, 상기 가스 검출부로부터 수신된 검출신호에 따라 누출 가스량을 산출하고, 산출된 누출 가스량이 허용치를 벗어나는 경우 경보 제어신호를 출력하는 제어부, 상기 제어부에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 경보음을 발생하는 경보음 발생부 및 상기 제어부에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 이상 상태를 램프로 표시하는 상태 표시부를 포함하는 가스 경보 장치에 있어서, 상기 제어부는 ⅰ) 정상 동작전압(5V)보다 낮은 제 1 전압(3 ~ 4V)을 상기 히터에 인가하여 가스 유무 검출만을 위한 저전력 모드에서 동작시키고, ⅱ) 상기 가스 센서에서 가스 검출 신호가 수신된 경우 제 1 가열시간(3 ~ 20초) 동안 상기 제 1 전압에서 상기 정상 동작전압보다 높은 제 2 전압(6 ~ 7V)까지 인가 전압을 상승시키면서 상기 가스 센서의 저항값 변화 패턴을 도출하여 검출된 가스의 종류를 결정하고, ⅲ) 상기 제 1 가열 시간 경과 후 상기 제 2 전압을 제 2 가열시간(3 ~ 10초) 동안 상기 히터에 인가하여 상기 히터를 2차 가열한 후, ⅳ) 상기 정상 동작전압을 인가하여 상기 검출된 가스의 농도를 산출하는 것을 특징으로 한다

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전력 소모가 낮고 수명이 연장될 수 있으며, 가스가 감지되면 가스 센서를 신속하게 예열시킴과 아울러 전압 상승 동안 가스 센서의 저항값 변화를 측정하여 검출된 가스의 종류를 결정할 수 있도록 하는 효과가 있다.

가스, 경보, 센서, 예열, 종류, 검출.

Description

가스 경보 장치{An Apparatus For Detecting Gas}

도 1은 본 발명에 따른 가스 경보 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가스 경보 장치의 세부 회로 구성도이다.

도 3a 및 3b는 제어부에 의해 히터에 인가되는 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

도 4는 제어부에 의해 히터에 인가되는 전압의 변화에 따른 가스 센서 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

<주요도면부호에 관한 설명>

10 : 전원 공급부 20 : 가스 검출부

21 : 가스 센서 23 : 히터

30 : 온도 검출부 40 : 전원 감시부

50 : 제어부 60 : 메모리부

70 : 클럭 발생부 80 : 경보음 발생부

90 : 상태 표시부 100 : 출력 신호부

본 발명은 가스 누출 시 시각 및 청각적으로 가스 누출을 경고하는 가스 경보 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 감지 모드에서는 가스 센서가 저전력 상태에서 동작하고 가스가 감지되면 정상 동작전압보다 높은 전압까지 인가전압을 상승시키면서 가스 센서를 신속하게 예열시킴과 아울러 전압 상승 동안 가스 센서의 저항값 변화를 측정하여 검출된 가스의 종류를 결정할 수 있도록 하는 가스 경보 장치에 관한 것이다.

홈오토메이션 및 홈네트워크 시스템의 발달에 따라 가정에서 사용되는 가스가 누출되는 경우 이를 검출하여 검출된 가스량이 허용 기준을 초과한 경우 경보를 발생하거나 미리 저장된 전화번호로 경보음을 송출하는 가스 경보 장치들이 제안되고 있다.

이러한 가스 경보 장치들에는 가스의 농도를 검출하기 위한 가스 센서가 사용되는데 가스 센서에는 화학식 가스 센서와 반도체식 가스 센서가 주로 사용된다. 반도체식 가스 센서는 저가이면서도 정확한 가스 농도 계산이 가능하여 널리 사용되고 있다.

그러나, 반도체식 가스 센서는 통상 300 ~ 400℃의 고온에서 사용되므로 전력 소모가 많고 수명이 짧은 단점이 있다.

또한, 종래 가스 센서는 특정 가스를 검출하기 위해 특정 가스에 민감한 반 응을 보이는 물질을 이용하고 있으나, 농도가 높은 다른 가스가 유입되는 경우에도 반응이 이루어지므로 이러한 경우에 오동작을 일으키는 경우가 종종 발생하고 있다.

또한, 여러 종류의 가스를 검출하기 위해서는 검출하고자 하는 가스의 수와 같은 개수의 가스 센서를 구비하여 가스를 검출하도록 하고 있으나 단가가 높은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 감지 단계에서 정상 구동전압보다 낮은 전압으로 가스 센서를 구동하고 가스 농도 산출 단계에서는 정상 구동전압으로 가스 센서를 구동함으로써 전력 소모가 낮고 수명이 연장될 수 있는 가스 경보장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스가 감지되면 정상 동작전압보다 높은 전압까지 인가전압을 상승시키면서 가스 센서를 신속하게 예열시킴과 아울러 전압 상승 동안 가스 센서의 저항값 변화를 측정하여 검출된 가스의 종류를 결정할 수 있도록 하여 1개의 가스 센서로서 검출된 가스의 종류를 알아낼 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 전원 공급부, 누출가스를 검출하는 가스 센서와 상기 가스 센서를 가열하는 히터를 포함하는 가스 검출부, 상기 가스 검출부의 내부 온도를 검출하여 보상하는 온도 검출부, 상기 가스 검출부로부터 수신된 검출신호에 따라 누출 가스량을 산출하고, 산출된 누출 가스량이 허용치를 벗어나는 경우 경보 제어신호를 출력하는 제어부, 상기 제어부에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 경보음을 발생하는 경보음 발생부 및 상기 제어부에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 이상 상태를 램프로 표시하는 상태 표시부를 포함하는 가스 경보 장치에 있어서, 상기 제어부는 ⅰ) 정상 동작전압(5V)보다 낮은 제 1 전압(3 ~ 4V)을 상기 히터에 인가하여 가스 유무 검출만을 위한 저전력 모드에서 동작시키고, ⅱ) 상기 가스 센서에서 가스 검출 신호가 수신된 경우 제 1 가열시간(3 ~ 20초) 동안 상기 제 1 전압에서 상기 정상 동작전압보다 높은 제 2 전압(6 ~ 7V)까지 인가 전압을 상승시키면서 상기 가스 센서의 저항값 변화 패턴을 도출하여 검출된 가스의 종류를 결정하고, ⅲ) 상기 제 1 가열 시간 경과 후 상기 제 2 전압을 제 2 가열시간(3 ~ 10초) 동안 상기 히터에 인가하여 상기 히터를 2차 가열한 후, ⅳ) 상기 정상 동작전압을 인가하여 상기 검출된 가스의 농도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

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이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 경보 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스 경보 장치의 세부 회로 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가스 경보 장치는 외부에서 공급되는 전원을 변환하여 직류전원을 출력하는 전원 공급부(10)와, 누출가스를 검출하는 가스 센서(21)와 가스 센서(21)를 일정 온도로 가열하는 히터(23)를 포함하는 가스 검출부(20), 가스 검출부(20)의 내부 온도를 검출하여 보상하는 온도 검출부(30), 전원공급부(10)의 전원상태를 검출하여 비정상적으로 전원이 공급되는 경우 제어부(50)를 초기화시키는 전원 감시부(40), 가스 검출부(20)로부터 수신된 검출신호에 따라 누출 가스량을 산출하고, 산출된 누출 가스량이 허용치를 벗어나는 경우 경보 제어신호를 출력하는 제어부(50), 제어부(50)에서 경보를 발생하는 정보가 저장되어 있는 메모리부(60), 제어부(50)의 동작에 필요한 클럭을 발생시키는 클럭 발생부(70), 제어부(50)에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 경보음을 발생하는 경보음 발생부(80), 제어부(50)에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 이상 상태를 램프로 표시하는 상태 표시부(90) 및 경보와 동시에 외부로 신호를 보내어 외부의 다른 장치와 연동할 수 있는 출력 신호부(100)를 포함하여 구성된다.

제어부(50)는 가스 검출부(20)와 온도 검출부(30)에서 인가되는 신호를 비교/분석하여 누출 가스량을 검출하고, 누출된 가스량에 따라 이상상태, 위험상태 등을 시각적으로 표시하며, 위험상태일 경우에는 시각적 표시와 동시에 청각적으로 경고하고 버튼을 눌러 사용자가 수시로 사용자가 가스경보장치를 테스트하고 리셋하기 위기 위한 제어신호를 출력하며 운영하기 위한 프로그램 및 저전력 모드에서 가스가 검출되면 저전력 모드 전압에서 정상 동작전압보다 높은 이상 전압까지 인가 전압을 상승시키면서 가스 센서의 저항값 변화 패턴을 도출하여 검출된 가스의 종류를 결정한 후 정상 동작전압을 인가하여 검출된 가스의 농도를 산출하도록 하는 프로그램이 저장되어 있다.

가스 검출부(20)는 가스와 접촉하면 가스양에 따라 저항값이 낮아져 전압이 높아지는 원리를 이용한 것으로서 반도체식 가스 센서(21)와 가스 센서를 일정한 온도로 승온시키는 히터(23)를 포함하는 가스 센서부(GS)와, 가스 센서부(GS)의 일측과 연결되어 가스량에 따른 전압변화에 따라 전류를 낮추고 정류하여 제어부에 인가하는 저항(R12)과 콘덴서(C9), 센서의 특성을 보정하기 위한 저항(R13)과, 센 서의 온도를 일정하게 유지하기 위해 센서 내부의 히터 이상 유무를 제어부에 전달하기 위한 풀다운 저항(R16)으로 이루어져 있다.

온도 검출부(30)는 가스 센서부(GS)의 주변온도에 따라 일정하게 저항값이 변하는 써미스터(TH)에 저항(R9)을 병렬 연결하여 인가 전압을 낮추고 콘덴서(C8)로 정류한 전압이 온도에 따라 변화하는 전압을 제어부로 보내도록 이루어져 있다.

제어부(50)는 상기 가스 검출부(20)와 온도 검출부(30)에서 인가되는 신호를 비교/분석하여 온도 변화에 따라 변하는 센서특성을 프로그램으로 보정하여 가스량을 산출하고, 램프를 점등시키고, 경보음을 발생시키기 위한 제어신호를 출력하는 마이크로프로세스(IC1)와, 상기 마이크로프로세스(IC1)에는 가스경보장치를 제어하기위한 프로그램이 저장되어 있다. 상기 마이크로프로세스(IC1)의 일측단자와 연결되어 테스트 또는 재기동 시키기 위한 스위치(SW)와, 상기 스위치(SW)와 경보기의 경보조건을 저장하기 위한 단자(JP)와 스위치(SW)와 단자(JP)에 전압을 공급하기 위한 저항(R10,R11,R15)으로 이루어져 있다.

전원 감시부(40)는 입력전압을 부하변동에 관계없이 일정하게 출력하는 레규레이터(IC4)와, 레규레이터(IC4)와 병렬연결되어 입력전압을 분압하는 저항(R14)과, 레규레이터(IC4)와 병렬연결되어 입력전압을 충전 및 방전시키는 바이패스 콘덴서(C11)로 이루어져 있다.

메모리부(60)는 마이크로 프로세스(IC1)에서 가스와 온도를 분석한 경보조건 값을 보내면 롬(IC2)에 저장하고 있다가 제어부에서 비교할 수 있도록 하는 것으로서, 롬(IC2)과 롬(IC2)의 일측에 연결되어 입력전압을 정류하는 바이패스 콘덴 서(C8)로 이루어져 있다.

클럭 발생부(70)는 마이크로 프로세스(IC1)에서 모든 시간을 제어하기 위한 기준주파수를 발생한다. 예를 들면 약 4MHz로 발진하는 발진기(X1)로 이루어져 있다.

경보음 발생부(80)는 경보시 3.3M 거리에서 85db이상의 가청신호를 발생한다. 마이크로프로세스(IC1)에서 출력하는 제어신호에 따라 도통되는 제 1 트랜지스터(Q1)와, 부저(BZ)와, 부저소리를 제어하는 콘덴서(C16), 저항(R17,R18)와, 소리를 증폭하는 OP앰프(IC5)로 이루어져 있다. 제어부(50)에서 신호를 보내면 제 1 트랜지스터(Q1)가 도통되고 부저(BZ)에서 고음의 큰소리가 울린다.

상태 표시부(90)는 시각적으로 가스경보장치의 고장이나 가스검출에 위한 경보시 경보음과 함께 램프가 점등되어 볼 수 있도록 한다. 제어부(50)에서 신호를 보내면 조건에 따라 램프를 점등한다. 경보신호시 적색램프(L3R)가 점등되고 가스경보장치의 고장신호시 황색램프(L2Y)가 점등된다. 황색램프(L2Y)와 적색램프(L3R)와 램프에 전압을 공급하는 저항(R4,R5)이 각각 황색램프(L2Y)와 적색램프(L3R)에 직렬 연결되어 있다.

출력 신호부(10)는 가스경보 시 직류 12V를 외부의 다른 기기와 연동할 수 있도록 내보낸다. 가스검출시 제어부(50)에서 신호를 보내면 트랜지스터(Q2)가 도통되고 전원공급부(10)의 직류12V를 저항(R7,R8)을 이용하여 전류를 낮추고 콘덴서(C14)로 정류해서 내보낸다. 출력 신호부(10)는 트랜지스터(Q2)와 저항(R2,R7,R8)과 콘덴서(C14)로 이루어져 있다.

본 발명의 가스 경보기의 동작을 도 2를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 폭발성 및 유해성 가스가 누출되면, 가스검출부(20)의 가스 센서부(GS)는 가스와 접촉하여 전기 저항이 가변되어 그에 해당하는 전기적 신호를 제어부(50)의 마이크로프로세스(IC1)에 출력한다.

이때, 마이크로프로세스(IC1)는 상기 가스 센서부(GS)에서 인가되는 전기적 신호를 분석하여 누출 가스량을 산출한 다음, 누출 가스량과 내부에 설정되어 있는 기준 가스량을 비교하여 누출 가스량이 기준 가스량(메모리부(6))에 설정된 값 이상이면 위험한 상태를 경고하기 위한 제어신호를 경고음 발생부(80)와, 상태 표시부(90)와, 출력 신호부(100)에 보내어 위험을 경고하는 시각적과 청각적인 신호로 알리고 외부의 다른 장치에 신호를 보낸다.

예를 들어, 누출가스가 LNG이고, 내부에 설정되어 있는 기준 가스량이 5000ppm이면, 상기 누출 가스량이 5000ppm 이상이면 위험한 상황을 경고하기 위한 제어신호를 출력한다.

이어서, 상기 마이크로프로세서(IC1)에서 이상상태를 경고하기 위한 제어신호를 출력하면, 상태 표시부(90)는 적색램프(L3R)를 점등하여 사용자나 작업자에게 가스누출로 인한 이상상태임을 표시한다. 마이크로프로세스(IC1)에서 위험상태를 경고하기 위한 제어신호를 출력하면, 경고음 발생부(70)는 제1트랜지스터(Q1)를 제어신호에 따라 스위칭하여 “턴온” 시키고, 상기 제1트랜지스터(Q1)가 “턴온” 되면, OP앰프(IC5)에 전류가 흘러 부저(BZ)가 경보음을 발생한다.

따라서, 사용자 또는 작업자는 경고음 발생부(7)에서 발생하는 부저음과 상 태표시부(9)에서 점등되는 적색램프(L2Y)를 통해 시각적 또는 청각적으로 가스누출로 인한 위험한 상태임을 알 수 있다.

이하에서는 제어부의 히터 인가 전압 변화에 따른 저전력 모드, 예열 모드 및 정상 모드의 동작에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

도 3a 및 3b는 제어부에 의해 히터에 인가되는 전압의 변화를 도시한 그래프이고, 도 4는 제어부에 의해 히터에 인가되는 전압의 변화에 따른 가스 센서 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

우선, 도 3a를 참조하면, 초기에는 정상 동작전압보다 낮은 제 1 전압(V₁)이 히터(23)에 인가되어 가스 유무 검출만을 위한 저전력 모드에서 동작하게 된다. 일반적인 가스 센서는 정확한 가스량 검출을 위해 통상 5V의 전압으로 히터(23)를 가열시키게 되나 이보다 낮은 3 ~ 4V의 전압에서도 누출 가스 발생 여부는 검출할 수 있으므로 초기에는 정상 전압(5V)보다 낮은 제 1 전압(3 ~ 4V)으로 히터(23)를 가열시켜 전력 소모를 현저하게 저감시킬 수 있게 된다. 여기서, 제 1 전압이 3V 이하이면 가스 센서(21)를 충분하게 가열할 수 없게 되어 누출 가스의 검출이 곤란하며 제 1 전압이 4V 이상이면 전력 소모가 증가하게 된다.

저전력 모드의 상태에서 가스 검출부(20)로부터 가스 검출 신호가 수신되면 제어부는 제 1 가열시간(t₂ - t₁) 동안 히터(23)에 인가되는 전압을 제 1 전압에서 정상 동작전압보다 높은 제 2 전압까지 인가 전압을 상승시키면서 정확한 가스 농 도 검출에 적당한 온도까지 히터(23)를 가열한다. 이 때, 제 2 전압은 6 ~ 7V, 제 1 가열시간은 충분한 가열을 위해 3 ~ 20초인 것이 바람직하다. 여기서, 제 2 전압이 6V 이하이면 히터(23)의 예열 시간이 길어지게 되어 가스 농도 검출 시간이 증가되는 문제점이 있으며, 제 2 전압이 7V 이상이면 회로에 과부하가 걸려 회로가 손상될 수 있는 문제점이 있다.

상기 제 1 가열시간 동안에는 히터(23)를 예열시켜 가스 센서(21)의 온도를 적절한 온도(약 300 ~ 400℃)까지 가열하는 동작 외에 히터(23)에 인가되는 전압의 변화에 따라 가스 센서(21)의 출력전압을 측정하고, 이로부터 가스 센서(21)의 저항 변화를 산출하여 검출된 가스의 종류를 결정하는 동작이 동시에 수행된다.

도 4에는 히터(23)에 인가되는 전압의 변화에 따른 가스 센서(21) 전압의 변화가 도시되어 있다. 도 4의 그래프에서 가스 센서(21)로는 FIGARO사에서 생산된 LPG 검출용 센서인 TGS2610을 사용하여 실험한 것으로서, 실선은 LPG가 22,000ppm의 농도일 때 히터(23) 인가전압 변화에 따른 가스 센서(21) 출력값 변화를 도시한 것이고, 점선은 LNG가 22,000ppm의 농도일 때 인가전압 변화에 따른 가스 센서(21) 출력값 변화를 도시한 것이다.

다수의 실험 결과, 가스 누출 정도가 허용 기준을 초과하는 경우에는 LPG와 LNG의 히터 전압 변화에 따른 가스 센서 출력값은 도 4와 유사한 곡선의 형태를 나타내는 것으로 밝혀졌으며, LPG와 LNG 외의 가스들도 각각 다른 패턴의 그래프가 얻어지게 된다.

따라서, 메모리부(60)에 여러 가스의 히터(23)에 인가되는 전압의 변화에 따 른 가스 센서(21) 전압의 변화 패턴을 데이터베이스화하고, 측정된 가스의 가스 센서(21) 전압 변화 패턴과 기 저장된 패턴들을 비교하여 검출된 가스의 종류를 결정할 수 있게 된다.

이러한 방법에 의할 경우 단일의 가스 센서만을 이용하여 여러 종류의 가스의 검출이 가능해지는 장점이 있다.

제 1 시간 동안 히터(23)의 예열 및 가스 종류 결정이 완료되면, 정상 동작 전압인 5V를 인가하여 정확한 누출 가스의 농도 산출이 이루어지게 된다.

도 3b는 제 1 가열 시간 경과 후 상기 제 2 전압(V₂)을 제 2 가열시간(t₃ - t₂) 동안 히터(23)에 인가하여 히터(23)를 2차 가열하는 것 외에는 도 3a와 동일하다.

도 3b의 실시예는 제 1 가열 시간을 작게 하는 대신 정상 전압보다 높은 제 2 전압을 일정 시간 동안 히터(23)에 인가해 줌으로써 히터(23)의 예열 시간을 보다 단축시켜 가스 농도 검출 시간을 보다 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

상기에서 제 2 가열시간은 충분한 이상 가열을 위해 3 ~ 10초인 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 가스 감지 단계에서 정상 구동전압보다 낮은 전압으로 가스 센서를 구동하고 가스 농도 산출 단계에서는 정상 구동전압으로 가 스 센서를 구동함으로써 전력 소모가 낮고 수명이 연장될 수 있는 가스 경보장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 가스가 감지되면 정상 동작전압보다 높은 전압까지 인가전압을 상승시키면서 가스 센서를 신속하게 예열시킴과 아울러 전압 상승 동안 가스 센서의 저항값 변화를 측정하여 검출된 가스의 종류를 결정할 수 있도록 하여 1개의 가스 센서로서 검출된 여러 가지 가스의 종류를 알아낼 수 있도록 하는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (5)

1. 전원 공급부, 누출가스를 검출하는 가스 센서와 상기 가스 센서를 가열하는 히터를 포함하는 가스 검출부, 상기 가스 검출부의 내부 온도를 검출하여 보상하는 온도 검출부, 상기 가스 검출부로부터 수신된 검출신호에 따라 누출 가스량을 산출하고, 산출된 누출 가스량이 허용치를 벗어나는 경우 경보 제어신호를 출력하는 제어부, 상기 제어부에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 경보음을 발생하는 경보음 발생부 및 상기 제어부에서 인가되는 경보 제어신호에 따라 이상 상태를 램프로 표시하는 상태 표시부를 포함하는 가스 경보 장치에 있어서,

   상기 제어부는

   ⅰ) 정상 동작전압(5V)보다 낮은 제 1 전압(3 ~ 4V)을 상기 히터에 인가하여 가스 유무 검출만을 위한 저전력 모드에서 동작시키고,

   ⅱ) 상기 가스 센서에서 가스 검출 신호가 수신된 경우 제 1 가열시간(3 ~ 20초) 동안 상기 제 1 전압에서 상기 정상 동작전압보다 높은 제 2 전압(6 ~ 7V)까지 인가 전압을 상승시키면서 상기 가스 센서의 저항값 변화 패턴을 도출하여 검출된 가스의 종류를 결정하고,

   ⅲ) 상기 제 1 가열 시간 경과 후 상기 제 2 전압을 제 2 가열시간(3 ~ 10초) 동안 상기 히터에 인가하여 상기 히터를 2차 가열한 후,

   ⅳ) 상기 정상 동작전압을 인가하여 상기 검출된 가스의 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 경보 장치.
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