KR20020022876A - 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치에 관한 것이다. 특히, 광섬유 프로브로 자외선광을 유도하여 측정장치로 부터 이격되어 있는 오수에 유입한 후, 광선을 조사하며, 반사된 형광을 수집하여 분광계에서 오염도를 정량하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치에 관한 것이다.
종래의 수질오염측정장치는 오수 유입시, 상기 오수에 포함된 오염물질에 의해 노즐의 막힘으로 인하여 노즐의 세정 등의 주기적인 유지관리 및 오염정도가 낮은 오수의 경우, 정확한 오염도의 측정이 불가능한 반면에, 본 발명의 수질오염장치는 오수의 오염도 측정시만 오수와 접촉하고, 오수의 오염도 측정을 하지 않을 때에는 세정액 속에 위치하게 함으로써, 수질오염장치의 유지관리가 거의 필요 없고, 또한, 오수를 통과한 형광신호의 검출율이 높은 구면반사경을 구비하여 오염정도가 낮은 오수의 수질오염측정시에도 정확한 측정이 가능한 수질오염장치를 제시한다.
Description
본 발명은 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치에 관한 것이다. 특히, 광섬유 프로브로 자외선광을 유도하여 측정장치로 부터 이격되어 있는 오수에 담근 후, 광선을 조사하며, 반사된 형광을 수집하여 분광계에서 오염도를 정량하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치에 관한 것이다.
최근들어 환경오염의 관심도가 높아지면서, 상기 환경오염을 측정하는 장치도 예전에는 하수처리장과 같은 오수(汚水)가 존재하는데서 직접 채취하여 오염정도를 측정하였으나, 종래에는 광선을 오수에 조사하고, 상기 오수를 통과한 광선의 광량을 이용하여 오염정도를 측정하는 형식으로 발전되어가고 있는 추세이다.
상기 오수를 통과한 잔여광량을 이용하여 오염도를 측정하는 오염측정장치는 오염도 측정시, 오수의 오염농도의 고저(高低)에 관계 없이 정확한 오염도의 측정이 필요하며, 오염물질이 유입되는 유입관 및 노즐(Nozzle) 등에 오수가 흡착되지 않도록 해야 정확한 오염도의 측정이 가능하다.
종래기술을 도면을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술로서, 노즐을 통해 낙하 하는 오수에 광선을 조사하고, 광선을 조사하고, 상기 광선의 조사에 의해 오수를 투과한 광선의 광량을 이용하여 수질오염을 측정하는 장치를 나타낸 구성도이다.
먼저 도 1에 도시하지는 않았지만, 외부에서 유입되는 오수는 유체관(5)을 통하여 자유낙하시, 정확한 오염도를 측정하기 위해 일정압력을 유지하도록 오수의 수위조절을 수행하여 주는 압력조절 파이프, 배출파이프를 구비한다.
즉, 상기 압력조절 파이프로 일정압력을 조절하며, 상기 압력조절 파이프가 일정압력을 조절하지 못하고 압력이 상승하여 오수의 수위가 높아지게 되면, 상기 배출 파이프를 통하여 일부 오수가 배출이 되어지도록 하여 일정압력이 유지되도록 구성되어진다.
도 1에 도시한 것처럼 외부에서 유입된 오수가 유체관(5)을 통하여 자유낙하 하게 되면 램프(1a)에서는 일정량의 광선이 발생하여 낙하하는 오수의 방향으로 조사된다.
이때, 상기 램프(1a)에서 발광되는 광선의 량은 특정파장의 광선만을 통과시키는(여기서는 가시광선) 제 3광필터(6c)에 의해 걸러지고, 상기 걸러진 특정파장의 광선의 광량에 해당하는 신호는 제 3광검출기(7c)를 통하여 제어부(8)로 전송된다.
여기서 동시에, 제 4광필터(도면에 없음) 및 제 4광검출기(도면에 없음)에서도 상기 램프(1a)에서 발광되는 광선을 특정파장(여기서는 자외선)의 광선을 거르고, 상기 걸러진 광선의 광량에 해당하는 신호를 제어부(8)로 전송한다.
또한 램프(1a)의 전방에 설치된 집광렌즈(2)는 광선이 일정방향과 광속으로 자유낙하 하는 오수에 도달하도록, 산란되는 빛을 한곳으로 모아 조사한다.
상기 집광렌즈(2)에 의해 오수 쪽으로 조사된 광선은 오수를 통과한 후, 상기 집광렌즈(2)의 전방에 위치하는 제 1수광렌즈(3)로 입사된다.
여기서 입사되는 광선은 오염물질에 산란되지 않은 광선이며, 오염물질(주로 오일 성분)에 의해 산란된 광선(산란광)은 제 2수광렌즈(도면에 없음)로 입사가 된다.
상기 제 1수광렌즈(3) 및 제 2수광렌즈는 입사된 광선을 후방에 설치된 제 1광필터(6a) 및 제 4광필터(도면에 없음)로 유도한다.
여기서 제 1수광렌즈(3)에서 유도되는 광선은 제 1광필터(6a)에 유도되기 전에 광분배기(4)에 의해, 상기 유도되는 광선의 량 중, ½은 제 1광필터(3) 쪽으로 투과를 시키고, 나머지 ½은 45°각도로 반사시켜 제 2광필터(6b) 쪽으로 유도를 한다.
상기 광분배기(4)에 의해 제 1광필터(6a)로 투과된 광선은 상기 제 1광필터 (6a)가 요구하는 황색파장(여기서는 가시광선)만을 걸러서 제 1광검출기(7a)를 통하여 제어부(8)로 전송하며, 상기 광분배기(4)에 의해 제 2광필터(6b)로 투과된 광선은 상기 제 2광필터(9b)가 요구하는 자외선만을 걸러서 제 2광검출기(7b)를 통하여 제어부(8)로 전송한다.
여기서 황색파장인 가시광선은 탁도 측정에 쓰이고, 자외선은 오수의 질산염 농도, 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소 요구량(COD)의 측정에 사용한다.
또한 상기 제 2수광렌즈에 입사된 오수에 의해 산란된 광선은 제 4광필터(도면에 없음)에 의해 자외선만 걸러지게 되고, 제 4광검출기(도면에 없음)에 의해 제어부(8)로 전송한다.
상기 제어부(8)는 사전에 설정된 값(오염되지 않은 상태의 물)과 제 1, 제 2, 제 4광검출기(7a,7b,도면에 없음)에서 전송된 개개의 신호 값과 비교하여 오수의 오염도를 측정하는 실정이다.
그러나 상기 종래의 광선의 조사에 의해 오수를 투과한 광선의 광량을 이용하여 수질오염을 측정하는 장치는 오수 유입시, 상기 오수에 포함된 오염물질에 의해 발생되는 노즐의 막힘으로 인하여 일정한 압력으로 오수를 유입하기 어렵기 때문에 노즐의 세정을 위한 주기적인 유지관리가 필요한 문제점이 있다.
또한, 종래의 수광부는 단일 렌즈에 의한 포집 방법이므로 사방으로 방출되는 형광중에서 한 방향으로만 진행하는 형광만 포집하므로써, 오염정도가 낮은 오수의 경우, 형광량(형광량은 오염정도에 비례하여 발생)이 적어 정확한 오염도의 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 오수의 오염도 측정시, 오수와 접촉하는 부분인 광섬유 프로브(probe)를 실험을 수행하는 시간 동안만 오수에 위치하게 하고, 불사용시에는 세정액 속에서 위치하게 함으로써, 본 발명의 수질오염측정장치의 세정이 불필요 하므로, 유지관리가 종래기술의 수질오염장치에 비해 거의 필요 없는 수질오염장치를 제공하는데 있다.
또한, 오염정도가 낮은 오수의 경우, 수광렌즈에서 수집하는 오수를 통과한 광선의 양이 적어 정확한 오염도의 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명의 다른 목적은 오수를 통과한 형광신호의 검출율이 높은 구면반사경을 구비하여, 오염정도가 낮은 오수의 수질오염측정시에도 정확한 측정이 가능한 수질오염장치를 제공하는데 있다.
본 발명을 달성하기 위한 기술적 사상으로, 오염정도가 낮은 오수의 정확한 측정을 위해, 매회 수질오염측정 종료 후, 광섬유 프로브에 접촉되어 있는 오염물질을 솔벤트, 수산화나트륨 용액 등을 이용하여 세정하는 세정부와; 상기 세정된 광섬유 프로브를 오수의 입수면 아래의 일정 깊이 까지 선형모터등을 이용하여 입수를 시키는 구동부와; 자외선광의 광선을 발광하는 발광램프와; 상기 발광램프에서 발광된 자외선광의 광선은 광섬유 광분배기를 통하여 광섬유 프로브의 끝단에 접촉하고 있는 오수에 조사 및 상기 오수에 조사되어 발생한 형광신호를 최대한 포획하기 위해, 구면반사경을 이용하여 포획하는 광섬유 프로브와; 상기 광섬유에서 포획한 형광신호를 전송 받아 50%만 분광계로 전송하는 광섬유 광분배기와; 상기 광섬유 광분배기에서 전송받은 형광신호를 분광기에 의해 특정파장의 길이로 분산된 분석신호를 제어부로 전송하는 분광계와; 상기 분광계에서 전송된 분석신호 및 보정계수를 이용하여 연산작업 후, 생성되는 오염측정신호의 표시 및 상기 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치를 제시한다.
도 1은 종래기술로서, 노즐을 통해 낙하 하는 오수에 광선을 조사하고, 광선을 조사하고, 상기 광선의 조사에 의해 오수를 투과한 광선의 광량을 이용하여 수질오염을 측정하는 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 고효율 광섬유 프로브를 이용하여 수질오염을 측정하는 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3a, 3b는 본 발명의 실시예로써, 다양한 조건을 이용하여 수질오염측정을 실험한 것을 그래프로 나타낸 비교도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
1 : 램프 2 : 집광렌즈
3 : 제 1수광렌즈 4 : 광분배기
5 : 유체관 6a,6b,6c : 제 1, 제 2, 제 3광필터
7a,7b,7c : 제 1, 제 2, 제 3광검출기
8a,8b : 제어부 ; 9 : 광섬유 프로브
10 : 광섬유 광분배기 11 : 분광계
12 : 표시부 13 : 세정부
14 : 오수 15 : 발광램프
16 : 구면반사경 17 : 광섬유 클래드
18 : 광섬유 코아 19 : 프로브 지지대
20 : 프로브 홀더
이하에서는 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 고효율 광섬유 프로브를 이용하여 수질오염을 측정하는 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시한 것처럼, 오수(14)의 오염도 측정을 위해, 먼저 선형모터(도면에 도시하지 않음)를 포함하는 구동부(7)에 구비된 나선형의 프로브 지지대(19)를 이용하여 광섬유 프로브(9)를 오수(14)의 입수면 아래의 일정 깊이까지 입수를 시킨다.
오수(14)의 일정 깊이 까지 입수가 된 광섬유 프로브(9)는 구동부(7)에 연결된 나선형의 프로브 홀더(20)에 의해 고정이 되며, 또한 상기 프로브 홀더(20)는 상기 프로브 지지대(17)에 수직한 방향인 좌우로 움직이므로서, 광섬유 프로브를 오수(14)와 세정부(13)에 위치하도록 제어한다.
여기서 광섬유 프로브(9)와 광섬유 광분배기(10) 사이의 연결부분은 상기 광섬유 프로브(9)가 동작하기 쉽도록, 잘 휘어지는 고무소재 등으로 연결되어진다.
또한 상기 구동부(7)의 동작은 측정장치 전반을 제어하는 제어부(8b)에서 제어하도록 구성되어진다.
상기 오수(14)의 입수면 아래의 일정 깊이 까지 광섬유 프로브(9)를 입수시킨 후, 발광램프(15)에서 특정 파장의 광선(자외선광)을 광섬유 프로브(9)를 통해 오수(14)에 조사한다.
상기 오수(14)에 조사된 특정파장의 광선에 의해 형광이 발생되며, 상기 발생한 형광신호는 오수(14)를 투과하여 구면반사경(16)에 반사되며, 다시 광섬유 프로브(9)로 입사한다.
여기서 상기 발생된 형광신호의 최대광량을 포획하기 위한 구면반사경(16)의 곡률(R)을 구하면 다음과 같이 계산된다.
먼저 광섬유 프로브(9) 끝단의 광섬유의 개구수를 구하면, 수학식 1과 같다.
N.A. : 광섬유 프로브 끝단의 광섬유의 개구수(Numerical Aperture)
nu: 오수의 굴절율
nco: 광섬유 클래드(clad) 굴절율
ncl: 광섬유 코아(core) 굴절율
또한, 오수(14)에서 발생된 형광신호가 광섬유로 도파되기 위한 최대 각도(sinθmax)는 수학식 2와 같다.
여기서 상기 sinθmax를 광섬유 코아(18)의 직경과 구면반사경(16)의 곡률(R) 을 이용하여 표현하면 수학식 3과 같다.
dco: 광섬유 코아의 직경
nco: 광섬유 클래드(clad) 굴절율
ncl: 광섬유 코아(core) 굴절율
즉, 수학식 2와 수학식 3의 등식을 이용하여, 오수(14) 속에서 발생된 형광신호의 양을 최대로 포집하기 위한 구면반사경의 곡률(R)의 최종적인 식은 수학식 4와 같다.
R : 곡률
dco: 광섬유 코아의 직경
nu: 오수의 굴절율
nco: 광섬유 클래드(clad) 굴절율
ncl: 광섬유 코아(core) 굴절율
또한, 반사경에서 포획되는 형광신호의 양을 평면 반사경과 구면반사경(16)의 체적을 이용하여 비교할 경우, 본 발명의 구면반서경(16)의 부채꼴 면적을 회전하여 얻어지는 체적(V1)은 수학식 5와 같다.
R : 구면의 반사경
dco: 광섬유 코아의 직경
θ: 광섬유로 도파되기 위한 최대각도
또한, 종래의 평면반사경의 직사각형 면적이 회전하여 이루는 체적(V2)은 수학식 6과 같다
dco: 광섬유 코아의 직경
θ: 광섬유로 도파되기 위한 최대각도
여기서 반사량은 투과량의 2배정도가 차이가 나므로, 상기 수학식 2 및 수학식 3에 기술된 V1과 V2를 비교하면 포획되는 형광신호의 양이정도 더 향상되는 것을 알 수 있다.
상기 광섬유 프로브(9)에 입사된 형광신호는 광섬유 광분배기(10)로 전송이 되며, 상기 광섬유 광분배기(10)는 전송된 형광신호 중, 50%만 분광계(分光計)(11)로 입사시킨다.
상기 분광계(11)에 입사한 형광신호는 상기 분광계(11)가 구비한 분광기(도면에 도시되지 않음)에 의해, 특정 오염지표에 따른 특정 형광 파장이 분산 광학 소자(도면에 도시되지 않음)에 의해 파장별로 분산되고, 상기 파장별로 분산된 형광신호는 위치 민감 검출기(도면에 도시되지 않음)에 의해 각 파장별로 오염물질이 측정되어진다.
즉, 파장별로 측정되어진 오염물질 중, COD(Chemical Oxygen Demand)의 경우는 여기파장(Exciting wave length)(분광계에 입사되기 전 형광신호)이 266㎚ 이면 형광파장(Emission wave length)(분산 광학 소자에 의해 분산되어진 형광신호)은 345㎚ 부근이고, 부유물질의 경우는 여기파장이 633㎚ 이면 형광파장은 637㎚ 이며, 클로로필-a의 경우는 여기파장이 440㎚ 이면 형광파장은 685㎚가 측정되어진다.
또한, 상기 분산되어진 특정 파장의 길이의 분석신호들은 제어부(8b)로 전송한다.
제어부(8b)는 상기 전송된 분산되어진 특정 파장의 길이의 분석신호들과 비례하는 보정계수를 이용하여 연산작업을 수행한다.
상기 연산작업 후, 생성된 오염측정신호들은 제어부(8b)에서 표시부(12)로 전송되어 표시된다.
여기서, 상기 표시부(12)에 오염측정신호가 표시됨으로써, 일련의 과정인 오염측정실험이 종료된 후, 구동부(7)는 광섬유 프로브(9)를 동작하여 세정부(13)내에 주입된 세정액에 담그어 지도록 구성되어진다.
여기서, 상기 세정액에 광섬유 프로브(9)를 담그어 두는 것은 수질오염장치를 이용하여 수질오염 측정시, 계속적인 실험에 의해 오수(14)와 접촉하는 광섬유 프로브(9)가 오탁(汚濁)에 의해 상기 광섬유 프로브(9)의 접촉부분이 막히는 것을 방지하고, 정밀한 오염측정을 수행하기 위함이다.
상기 세정액에 사용되는 종류는 솔벤트(메탄올, 에탄올, 아세톤 등) 및 수산화나트륨 용액, 또는 차아염소산 용액 등과 같은 산화액이 사용되어진다.
도 3a, 3b는 본 발명의 실시예로써, 다양한 조건을 이용하여 수질오염측정을 실험한 것을 그래프로 나타낸 비교도이다.
도 3a, 3b에 도시한 것처럼, 도 3a는 하수처리장의 처리수(▲,△로 표시)와 늪, 또는 호수 등의 지표수(●,○로 표시)에서 세정액의 사용 유무에 따른 산란강도(Y축)을 시간(X축)의 변화에 따라 나타낸 비교도이다.
●,○로 표시되는 지표수인 경우, ●표시는 광섬유 프로브(9)를 수질오염 측정시에만 오수에 입수시키고, 수질오염 측정을 하지 않을 경우에는 세정액에 입수시키는 경우를 나타낸다.
○표시는 광섬유 프로브(9)를 수질오염 측정을 하지 않아도 계속적으로 오수에 입수 시킨 경우를 나타낸다.
즉, 광섬유 프로브(9)를 수질오염 측정을 하지 않을 경우, 세정액에 입수시키면 360시간이 경과하여도, 초기의 산란강도를 유지하는 반면에, 광섬유 프로브(9)를 계속적으로 오수에 입수시키면, 72시간이 경과하면서 산란강도가 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다.
특히, 하수처리장 처리수의 수질오염을 측정한 경우, ▲로 표시되는 광섬유 프로브(9)를 수질오염 측정시에만 오수에 입수시키고, 수질오염 측정을 하지 않을 경우에는 세정액에 입수시킨 경우는 360시간이 경과하여도 초기의 산란강도를 유지한 반면에, △로 표시되는 광섬유 프로브(9)를 수질오염 측정을 하지 않아도 계속적으로 오수에 입수 시킨 경우는 24시간만에 산란강도가 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다.
즉, 상기의 결과에서 보여지는 것처럼, 산란강도가 떨어진다는 것은 오수가 접촉하는 접촉부위(종래의 수질오염장치의 경우, 오수공급파이프, 노즐 등)에 오염물질이 흡착이 되므로, 정확한 오염정도의 측정을 하기 위하여, 상기 오수와 접촉하는 접촉부위는 잦은 세정이 필요한 반면에 본 발명의 수질오염측정장치의 경우, 세정이 거의 불필요 하므로 실시간 자동화된 수질오염측정장치를 사용할 때, 수질오염측정장치의 유지관리가 상대적으로 쉽도록 구현되어진다.
도 3b는 동일한 오수에 대하여 구면반사경을 사용하는 경우와 사용하지 않은 경우을 조사-검출되는 파장의 길이(여기서는 여기파장으로 280㎚, 340㎚, 430㎚)를 산란강도로 나타낸 비교도이다.
검정색(black)막대그래프는 곡률반사경을 적용하지 않고 광섬유 프로브(9)를 통하여 오수 쪽으로 광선을 조사하고, 상기 광섬유 프로브(9)가 광선의 조사에 의해 발생되는 형광신호를 검출한 것을 산란강도(Y축), 파장(X축)으로 표시하였다.
또한, 횐색(White)막대그래프는 구면반사경(14)을 적용하여 광섬유프로브(9)를 통하여 오수 쪽으로 광선을 조사하고, 상기 광섬유 프로브(9)가 광선의 조사에 의해 발생되는 형광신호를 검출한 것을 산란강도(Y축), 파장(X축)으로 표시하였다.
두 막대그래프를 비교하여 보면, 검출되는 파장의 길이에 따른 산란강도의 세기는 구면반사경(14)을 적용한 수질오염측정장치가 구면반사경(14)을 적용하지 않은 수질오염측정장치보다 평균적으로 로그스케일로 2-3(100-1000배) 정도 높은 산란강도가 검출되는 것을 알 수 있다.
즉, 구면반사경(14)이 적용된 경우, 광섬유 프로브(9) 상에서 오수의 투과에 의해 발생된 형광신호의 검출율이 100-1000배 이상 향상되므로써, 오염정도가 낮은 오수의 수질오염측정시에도 정확한 측정이 가능하도록 구현된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 수질오염측정시에만 오수와 접촉하는 부분인 광섬유 프로브를 오수에 입수하고, 불사용시에는 세정액 속에서 위치하게 함으로써, 본 발명의 수질오염측정장치의 세정이 불필요 하므로, 수질오염장치의 유지관리가 쉬운 효과가 있다.
또한, 오수를 통과한 형광신호의 검출율이 높은 구면반사경을 구비하여, 오염정도가 낮은 오수의 수질오염측정시에도 정확한 측정이 가능하도록 하는 효과가 있다.
Claims (4)
- 광선을 오수에 조사하여 상기 오수의 조사에 의해 발생하는 형광신호를 검출하여 오염정도를 측정하는 수질오염측정장치에 있어서,매회 수질오염측정 종료 후, 광섬유프로브를 세정하는 세정부와;상기 세정된 광섬유 프로브를 오수의 입수면 아래의 일정 깊이 까지 입수를 시키는 구동부와;특정파장의 광선을 발광하는 발광램프와;상기 발광램프에서 발광된 특정파장의 광선은 광섬유 광분배기를 통하여 광섬유 프로브의 끝단에 접촉하고 있는 오수에 조사 및 상기 오수에 조사되어 발생한 형광신호를 포획하는 광섬유 프로브와;상기 광섬유에서 포획한 형광신호를 전송 받아 50%만 분광계로 전송하는 광섬유 광분배기와;상기 광섬유 광분배기에서 전송받은 형광신호를 분광기에 의해 특정파장의 길이로 분산된 분석신호를 제어부로 전송하는 분광계와;상기 분광계에서 전송된 분석신호 및 보정계수를 이용하여 연산작업 후, 생성되는 오염측정신호의 표시 및 상기 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 발광램프에서 발광되는 특정광선은 자외선광 인것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광섬유 프로브에 구비된 반사경은 구면으로 이루어 진것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 광섬유 프로브에 구비된 구면반사경은 최대광량을 포획하기 위해 다음의 수식을 따르는 것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 프로브를 이용한 수질오염 측정장치.R : 곡률dco: 광섬유 코아의 직경nu: 오수의 굴절율nco: 광섬유 클래드(clad) 굴절율ncl: 광섬유 코아(core) 굴절율
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