KR20140106694A - 벌크 고형물의 중량 질량 계량 방법 및 차등 계량 저울 - Google Patents

벌크 고형물의 중량 질량 계량 방법 및 차등 계량 저울 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기(1) 및 상기 용기로부터 나오는 벌크 고형물이 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)을 일시적으로 따르는 질량 유동(F)에 의해 이송되게 하는 용적형 이송 장치(2)에 의한 벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법 및 이러한 목적에 적합한 차등 계량 저울에 관한 것이다. 이 방법은, 이송 장치(2)를 나간 후, 벌크 고형물이 질량 유동 측정 장치(11)를 통해 통과할 수 있고, 질량 유동 측정 장치(11)는 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm)를 계산하고, 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm) 및 제 1 제어 신호(Y)에 기초하여 제 2 제어 장치(12)가 제 2 신호(Y2)를 계산하며, 이송 장치(2)를 제어하기 위해 이송 장치(2)의 구동부(7)에 상기 신호를 전달한다.

Description

벌크 고형물의 중량 질량 계량 방법 및 차등 계량 저울 {METHOD FOR THE GRAVIMETRIC MASS METERING OF BULK SOLIDS AND DIFFERENTIAL METERING SCALE}
본 발명은 벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법 및 이에 적합한 차등 계량 저울에 관한 것이다.
일반적으로 공지된 바와 같이, 차등 계량 저울, 또한 감량식(loss-in-weight) 저울들이 벌크 고형물들의 중량 질량 계량을 위해 종종 사용되고 있다. 그의 원리(예컨대, 베터(Vetter): "Handbuch Dosieren" [Metering Handbook], ISBN 3-8027-2199-3; Chapter "Differential metering scales," 참조)는 물리적으로 매우 간단하며 이론적으로 에러가 없다.
그러나, 기존방식으로 설계된 차등 계량 저울들이 갖는 2 개의 주된 문제점들이 존재한다.
한편으로는, 용기는 얼마간의 시간이 지난 후에 재충전되어야 하는데, 이 시간은 통상적으로는 알려지지 않은 공급 속도로 발생한다. 이 시간 동안, 용기로부터의 공급 속도는 시간에 걸친 중량의 변화로부터 판정될 수 없으며, 배출 장치에서의 벌크 밀도의 변화들은 질량 유동에서의 에러들을 유발한다.
다른 한편으로, 용기 중량은 단지 측정 에러들과 함께 판정될 수 있다. 따라서, 이들 에러들이 억제되어야만 하므로, 이들 에러들은 계량 유닛에서의 부정확한 제어 신호를 유발하지 않는다. 이를 위해, 로우 패스 필터가 차등 필터로서 통상적으로 채용된다. 그러나, 벌크 고형물들 배출에 기인한 중량 손실(weight loss)과 관련한 간섭(interference)들이 더 클수록, 필터의 차단 주파수(cut-off frequency)는 더 낮게 설정되어야 한다. 이러한 설정은 용기로부터 나오는 벌크 고형물들을 멀리 배출 또는 이송하는 배출 또는 이송 장치에서의 벌크 밀도의 급속한 변화에 대해 보정 속도의 상당한 감소를 유발한다. 이 문제는 낮은 공급 속도(feed rate)를 갖는 부착 및 미세 결정립(adhering and fine-grained) 벌크 고형물들의 계량 및 게다가 높은 용기의 중량 하중(tare load)을 갖는 비교적 큰 차등 계량 저울들에서 훨씬 더 현저하게 발생한다.
언급된 문제들은, 특히 차등 계량 저울들의 경우에 특히 발생하는데, 여기서, 중량 측정 배출 또는 공급 출력은 유동 특징들 때문에 용적형(volumetric) 배출 출력에 대해 시간에 걸쳐 크게 변하는 관계를 갖는다. 이는 특히, 높은 부착 또는 미세 결정립 벌크 고형물들인 경우이며, 이는 용기로부터 다양한 성과에 의해 배출될 수 있다. 이러한 문제들은 차등 계량 저울들의 사용자들에게 공지되어 있으며 이 문제들에 대한 해법이 오랫동안 조사되고 있다. 차등 계량 저울들이 갖는 언급된 문제들 때문에, 벌크 고형물들의 유동 측정을 위해 시중에 나와 있는 매우 많은 다른 측정 기술들, 예컨대 벨트 저울들, 스크류 저울들, 코리올리 측정 시스템들, 벌크 재료 유동에서의 모멘텀의 변화들을 활용한 측정 시스템들, 및 중량을 판정하기 위한 다른 물리적 효과들을 활용한 측정 기술들, 예컨대, 전자기 기술들이 존재한다(예컨대, 또한 베터(Vetter): "Handbuch Dosieren," ISBN 3-8027-2199-3; Chapter "Flow Metering Devices for Bulk Solids" 참조). 공보들 DE 44 06 046 C2호, WO 2008/055485 A1호, US 3,635,082호, DE 20 18 618 A1호, DE 33 15 476 A1호, EP 0 669 522 A2호, 및 DE 10 2006 052 637 A1호는 또한 매체의 유동을 측정하는 상이한 장치들 및 방법들을 설명한다.
이들 측정 시스템들 전부는, 이들 시스템들이 단지 낮은 측정 에러들을 갖는 경우에 제조하는데 많은 비용이 들거나 채용된 물리적 효과 때문에 원칙적으로(as a matter of principle) 다른 파라미터들에 대해 교차 감도(cross-sensitivity)를 가지며; 이후에 이는 상당한 측정 에러들을 유발한다. 상당한 비용으로 그리고 일부의 제한적 성과를 갖는데 필요한 정도로 측정 에러들을 감소시키기 위해서 많은 기술들에서 이미 노력들이 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들이 감소되며, 바람직하게는 전체적으로 제거되는 접근법을 제시하는 것이다.
목적으로 하는 본 해법들은 독립항들의 특징들을 갖는 벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법들 및 이에 적합한 차등 계량 저울들에 의해 제공되며, 이에 의해 바람직한 그리고/또는 유리한 개량예들 및 실시예들은 종속항들의 요지이다.
이에 따라, 본 발명은, 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기 및 상기 용기로부터 나오는 벌크 고형물이 목표 공급 속도를 위한 목표 값을 일시적으로 따르는 질량 유동에 의해 이송되게 하는 용적형 이송 장치에 의한 벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법을 제안한다. 상기 질량 유동을 판정하기 위해서, 용기 및 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기 및 배출 장치 그리고 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량을 나타내는 신호가 판정된다. 다음으로, 상기 신호는 시스템 및/또는 벌크 고형물을 위해 명확하게 처리되어, 특히 구분(differentiated) 및 필터링되어(filtered), 질량 유동을 나타내는 제 1 신호를 계산하고 상기 제 1 신호로부터 목표 공급 속도를 위한 목표 값과 함께 제 1 제어 신호가 계산된다. 상기 질량 유동이 이송 장치를 나간 이후, 질량 유동을 나타내는 제 2 신호가 측정되고, 제 2 제어 신호가 질량 유동을 나타내는 제 2 신호 및 제 1 제어 신호에 기초하여 계산되고, 이송 장치를 제어하기 위해 이송 장치의 구동부에 공급된다.
본 발명에 따르면, 이에 적합한 차등 계량 저울은, 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기, 상기 용기로부터 나오는 벌크 고형물이 목표 공급 속도를 위한 목표 값을 일시적으로 따르는 질량 유동에 의해 이송되게 하는 용적형 이송 장치를 포함한다. 게다가, 본 발명에 따른 차등 계량 저울은, 중량 판정 유닛 및 제 1 조절 장치를 더 포함하는 차등 필터 장치를 갖는다. 상기 중량 판정 유닛은 용기 및 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기 및 배출 장치 그리고 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량을 판정하도록 설계되며, 상기 전체 중량을 나타내는 신호를 출력하여, 이를 차등 필터 장치에 전송한다. 상기 차등 필터 장치는 전체 중량을 나타내는 이 신호로부터 질량 유동을 나타내는 제 1 신호를 계산하도록 설계된다. 폐쇄형 루프 제어기들 중 하나는 질량 유동을 나타내는 신호 및 공급 속도를 위한 목표 값으로부터 제 1 제어 신호를 계산한다. 게다가, 차등 계량 저울은 제 2 조절 장치 및 질량 유동 측정 장치를 포함하며, 이에 의해 상기 질량 유동 측정장치는 이송 장치를 나간 후의 벌크 고형물이 상기 질량 유동 측정 장치를 통해 통과할 수 있고, 상기 질량 유동 측정 장치가 질량 유동을 나타내는 제 2 신호를 계산하도록 설계 및 배치된다. 상기 제 2 조절 장치는 질량 유동을 나타내는 제 2 신호 및 제 1 제어 신호에 기초하여 제 2 제어 신호를 계산하고, 이 신호를 이송 장치를 제어하기 위해 이송 장치의 구동부에 공급한다.
본 발명은 이에 따라 심지어 충전 단계 중, 용기로부터 실제 벌크 고형물이 조절될 수 있고(폐쇄형 루프) 그리고 뿐만 아니라 제어될 수 있는(개방형 루프) 것을 가능케 한다. 게다가, 또한, 차등 필터 장치가 간섭(interference)들 때문에 매우 낮은 차단 주파수(cut-off frequency)를 갖는 차등 필터를 가져야만 할 때, 급격한 폐쇄형 루프 조절이 발생한다.
따라서, 벌크 고형물들의 중량 질량 계량을 위한 본 발명의 방법 및 본 발명의 차등 계량 스케일이 질량 유동 측정 장치와 차등 칭량 원리(differential weighing principle)를 조합한다. 이는 본 발명의 차등 계량 저울에 대한 비용을 단지 무시해도 좋을 정도로 증가시키지만 사용자를 위해서 상당한 이익을 발생시킨다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 도면들을 참조로 하여 바람직한 실시예들의 하기 설명으로부터 발생한다. 도면들은 다음과 같다.
도 1은 중량 질량 계량(gravimetric mass metering)을 위한 본 발명의 방법을 실행하기 위해 본 발명의 차등 계량 저울의 바람직한 제 1 실시예의 개략적 스케치이다.
도 2는 중량 질량 계량을 위한 본 발명의 방법을 실행하기 위해 본 발명의 차등 계량 저울 내에서 질량 유동 측정 장치의 바람직한 제 1 실시예의 개략적 스케치이다.
도 3은 중량 질량 계량을 위한 본 발명의 방법을 실행하기 위해 본 발명의 차등 계량 저울의 바람직한 제 2 실시예의 개략적 스케치이다.
도 4는 중량 질량 계량을 위한 본 발명의 방법을 실행하기 위해 본 발명의 차등 계량 저울 내에서 질량 유동 측정 장치의 바람직한 제 3 실시예의 개략적 스케치이다.
도 5는 종래 기술에 따른 차등 계량 저울의 개략적 스케치이다.
먼저, 종래 기술에 따른 차등 계량 저울을 도 5를 이용하여 하기에서 논의될 것이며, 이에 기초하여 바람직한 실시예들이 설명되어 종래 기술과 비교하여 본 발명에 따른 차이들을 보다 단순하고 간결하게 명확화한다. 이를 위해서, 동일한 구성요소들 또는 유사한 기능을 갖는 구성요소들에는 도면들에서 동일한 도면부호가 할당되는 것으로 언급된다.
도 5에 도시된 바와 같이 벌크 고형물들의 연속 계량(continuous metering)을 위해 공지된 유형의 차등 계량 저울은 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기(1) 및 용적형 배출 또는 이송 장치(2)를 가지며, 이 장치에 의해, 벌크 고형물이 배출 유동(F)으로 배출되며, 이 유동은 일시적으로 목표 값(W)을 따르거나, 용기(1)로부터 유래하면서 멀리 이송된다. 따라서, 배출 장치는 또한 전체 명세서 및 청구항들에서의 이송 장치와 등가물이다. 배출 유동(F)(또한, 전체 명세서 및 청구항들에서 공급 유동(feed flow) 또는 질량 유동(mass flow)과 등가임)을 판정하기 위해서, 용기(1) 및 이에 의해 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기(1) 및 배출 장치(2) 그리고 이에 의해 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량은, 중량 판정 유닛(3)에 의해 판정된다. 이후, 상기 전체 중량을 나타내는 신호(M)가 중량 판정 유닛(3)으로부터 구분(differentiation) 유닛(4)으로 전송되며, 구분 유닛에 의해 구분된다. 구분 유닛(4)의 출력에 따라 제공되는 신호가 필터 유닛(5)에 전송되며, 여기서 구분 유닛(4)에 의해 전송된 신호가 하나 이상의 알고리즘에 따라, 편의상 다양한 알고리즘에 따라 필터링되어, 뿐만 아니라 가능한한 실제 공급 유동(F)에 대응하게 신호(P)를 계산한다. 이 신호(P)(하기에서 질량 유동을 나타내는 제 1 신호라 함) 및 공급 속도(feed rate)를 위한 목표 값(W)이 조절(regulating) 장치(6)에 공급된다. 상기 조절 장치(6)는 질량 유동을 나타내는 제 1 신호 및 목표 값(W)으로부터 제어 신호(Y)를 계산한다.
제어 신호(Y)가 배출 장치(2)의 구동부(drive)(7)에 공급된다. 배출 장치(2)의 용적 유동(volume flow)은, 중량 출력 유동(F)이 대응할 뿐만 아니라 가능한 목표 값(W)을 따르도록 그러한 방식으로 설정된다.
용기(1)가 하한 충전 레벨(bottom limit filling level)에 도달하는 경우, 충전 레벨이 상한 충전 레벨에 도달하거나 초과할 때까지 충전(R)(또한, 재충전(R)이라 함)이 개시된다. 재충전 주기 중, 폐쇄식 루프 제어기(6)가 용기에서 현재 판정된 전체 중량에 일치하는 제어 신호(Y)를 출력하도록 폐쇄식 루프 제어기(6)가 스위치된다. 이에 따라 공급 속도에 대한 폐쇄식 루프 제어가 재충전중 차단되며; 즉, 이러한 재충전 주기 중 배출 장치(2)에서의 벌크 밀도의 변화들이 목표 값(W)으로부터 공급 유동(F)의 편차들을 유발한다.
이하, 본 발명은 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기(1) 및 용적형 이송 장치(2)에 의해 벌크 고형물들의 중량 질량 계량을 위한 방법을 또한 제공하며, 이 이송 장치에 의해, 용기로부터 나오는 벌크 고형물이 질량 유동(F)으로 이송되며, 이 질량 유동은 일시적으로 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)을 따르며, 이에 의해, 예컨대 상기 질량 유동(F)을 판정하기 위한 도 1 및 도 3에 따른 실시예들에 따라 신호(M)가 판정되며, 이 신호는 용기(1) 및 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기(1) 및 배출 장치(2) 그리고 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량을 나타내며, 이후 신호(M)가 처리되고, 특히 구분되며, 시스템 및/또는 벌크 고형물을 위해 명확하게 필터링되어, 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P)를 계산하며, 이 신호로부터 제 1 제어 신호(Y)가 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)과 함께 계산된다.
편의상, 본 발명에 의해 제공되며 상기 방법을 실행하기에 적합한 차등 계량 저울은 이를 위해서 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기(1) 및 용적형 이송 장치(2)를 가지며, 이 이송 장치에 의해, 벌크 고형물은 질량 유동(F)을 갖는 용기로부터 유래한 채 이송될 수 있으며, 이 질량 유동은 일시적으로 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)을 따른다. 게다가, 차등 계량 저울은 중량 판정 유닛(3) 및 제 1 조절 장치(6)를 더 포함하는 필터 장치를 가지며, 이에 의해 중량 판정 유닛(3)이 용기(1) 및 이에 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기(1) 및 배출 장치(2) 및 이에 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량을 판정하도록 설계되며, 상기 총 중량을 나타내는 신호(M)를 출력하고, 차등 필터 장치에 이 신호를 전송하며, 이에 의해 차등 필터 장치는 시간에 걸친 중량 변화를 통해 신호(M)로부터 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P)를 계산하도록 설계된다. 폐쇄식 루프 제어기(6)는 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P) 및 공급 속도에 대한 목표 값(W)으로부터 제 1 제어 신호(Y)를 계산한다.
도 1 및 도 3에 따른 실시예들에 따라, 차등 필터 장치는, 편의상 구분 유닛(4) 및 필터 유닛(5)을 포함한다. 구분 유닛(4)은 중량 판정 유닛(3)에 의해 출력된 신호(M)를 구분하며, 이 차등 신호를 필터 유닛(5)으로 전송하고, 필터 유닛은 하나 이상의 알고리즘에 따라 전송된 신호를 필터링하여 공급 유동을 나타내는 제 1 신호(P)를 계산한다. 실제 공급 유동(F)에 이미 대응할 뿐만 아니라 가능한 계산된 신호(P)를 위해서, 필터 유닛(5)은 편의상 다양한 알고리즘들을 이용하여 필터링한다. 제 1 조절 장치(6)는 마지막으로 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P) 및 공급 속도를 위한 목표 값(W)으로부터 제 1 제어 신호(Y)를 계산한다. 제 1 조절 장치(6)는 PI 제어기로서 설계될 수 있지만, 다른 형태들에서는, 또한 특별한 차등 계량 저울에 적합한 제 1 제어 신호(Y)를 계산할 수 있는 폐쇄식 또는 개방식 루프 제어기들 중 임의의 유형을 기본적으로 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 당 분야에 대조적으로, 이 제 1 제어 신호(Y)는 배출 장치(2)의 구동부(7)에 직접 공급되지 않는다.
본 발명에 따르면, 대조적으로, 질량 유동(F)이 이송 장치(2)를 떠난 이후에, 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)가 측정되며, 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm) 및 제 1 제어 신호(Y)를 기반으로 하여, 제 2 제어 신호(Y2)가 계산되어 이송 장치(2)를 제어하기 위해 이송 장치(2)의 구동부(7)에 공급된다.
본 발명에 따르면, 이를 위해서 차등 계량 저울이 제 2 조절 장치(12) 및 질량 유동 측정 장치(11)에 의해 확대되며(expanded), 이 질량 유동 측정 장치는 또한 하기에서 공급 유동 측정 장치로 표시된다. 질량 유동 측정 장치(11)는 이송 장치(2)를 나간 이후의 벌크 고형물이 그리고 이에 따라 공급 유동 또는 질량 유동(F)이 이러한 질량 유동 측정 장치(11)를 통해 통과할 수 있어서 이에 의해 질량 유동 측정 장치(11)가 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm)를 계산하도록 설계 및 배치된다. 제 2 조절 장치(12)는 제 1 조절 장치(6)에 의해 판정된 제 1 제어 신호(Y)를 목표 값으로서 수용하며 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm) 및 제 1 제어 신호(Y)를 기반으로 하여 제 2 제어 신호(Y2)를 계산한다. 도 1의 실시예에 따르면, 이를 위해서, 질량 유동 측정 장치(11)가 제 2 조절 장치(12)에 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm)를 공급한다. 제 2 제어 신호(Y2)는 이송 장치(2)를 제어하고 그리고 이에 따라 이송될 질량 유동(F)을 설정하기 위해서 이송 장치(2)의 구동부(7)에 공급된다.
이에 따라, 편의상, 제 2 조절 장치(12)가 이송 장치(2)의 구동부(7)와 제 1 조절 장치(6) 사이에 배열된다. 그러나, 제 2 조절 장치(12)는 또한 제 1 조절 장치(6)의 출력측 구성요소일 수 있는 것으로 언급된다.
순수하게, 폐쇄식 루프 제어 기술의 관점에서 고려하면, 본 발명은 이에 따라 다른 기술 적용분야들로부터 공지된 2 개의 폐쇄식 루프 회로들의 캐스케이드(cascade)를 활용한다.
유리하게는, 공급 유동의 폐쇄식 루프 제어가 제 1 조절 장치(6)에 의해 보다 높은 수준으로 발생하기 때문에, 공급 유동 또는 질량 유동 측정 장치(11)에 정확도에 대한 보다 높은 요구조건들을 배치할 필요가 없다.
그러나, 편의상, 신호(Fm)가 제 2 조절 장치(12)에서의 불안정성을 유발할 수 있는 과도한 에러 변동(error fluctuation)을 받지 않게 되는 것이 보장되어야 한다.
예컨대, 온도 변화들 및/또는 습도 변화들에 의해 유발될 수 있는 질량 유동 측정 장치(11)의 느리게 변화하는 측정 에러들에 기초한 신호(Fm)에서의 신호 변화들이 중첩된(superimpose) 폐쇄식 루프 회로 및 폐쇄식 루프 제어기(6)를 통해 제거된다.
그러나, 질량 유동에서의 급속한 변화들은 도 1에 따른 변형 실시예의 제 2 조절 장치(12)에서 효과적이며 급속하게 보정될 수 있다.
측정된 신호(Fm)는 실제 질량 유동(F)에 의해 단조롭게 증가(increase monotonically)하거나 단조롭게 감소(decrease monotonically)해야 한다. 일정한 기울기(dFm/dF)가 반드시 필수는 아니지만, 조절 장치(6, 12)들의 작업을 용이하게 한다. 또한, 질량 유동 측정 장치(11)의 정교한 조정(adjustment)이 필수는 아니다.
측정된 신호(Fm)가 상기에 설명된 바와 같이 신호(P)보다 현저히 더 빠르게 실제(actual) 질량 유동(F)을 따른다면, 또한 전체 시스템의 역학들이 가속될 수 있으며, 그 결과 실제 질량 유동(F)이 훨씬 더 급속하게 목표 값(W)을 따른다. 일정한 목표 값(W)에서, 이에 따라 질량 유동(F)의 표준 편차(standard deviation)로서 계량 일관성(metering constancy)이 크게 감소되며, 이는 질량 유동(F)이 질량 유동에서의 변화들을 견딜 수 없는 후속 프로세스에 공급될 때, 장점을 나타낸다.
각각의 경우에, 따라서, 공급 속도가 또한 판정되며, 충전 또는 재충전(R) 중에 제어된다. 따라서, 배출 장치(2)에서의 벌크 밀도의 급속한 변화들은 중량 질량 유동(F)에서 에러들을 유발하지 않는다.
질량 유동 측정 장치(11)에 대해 감소된 정확도 요구 때문에, 따라서 상기 장치는 매우 단순하게 만들어질 수 있다. 물론, 증가된 정확도를 갖는 공지된 질량 유동 측정 장치들(예컨대, 또한 베터(Vetter): "Handbuch Dosieren," ISBN 3-8027-2199-3; Chapter "Flow Metering Devices for Bulk Solids 참조)이 또한 사용될 수 있다. 이는 재충전 단계(refill phase)가 비교적 길게 지속되어 이에 따라 질량 유동 측정 장치(11)의 측정 값들의 안정성에 대한 요구들이 증가할 때 특히 흥미있다.
또한, 이송 장치(2)의 질량 유동을 위해 제공된 드로핑 포인트 아래에 가능한한 근접하게 질량 유동 측정 장치(11)를 설치하는 것이 유리하여, 이송 장치(2)를 나가는 것으로부터 측정된 신호(Fm)의 판정까지 단지 짧은 시간이 경과한다. 그 결과, 폐쇄식 루프 제어의 동력학들이 제 2 조절 장치(12)를 통해 최적화되며; 즉, 여전히 더 높은 동력학들로 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극들 사이의 벌크 밀도에 의존하는 정전용량(C)으로부터 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)를 판정하도록 매우 단순한 질량 유동 측정 장치(11)가 설계될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 예컨대, 질량 유동(F)이 2 개의 전극(20a, 20b)들을 갖는 장치를 통해서 배출 장치(2)로부터 통과된다. 전극(20a, 20b)들은 예컨대, 판형(plate-like) 전극들로 구성된다. 2 개의 전극(20a, 20b)들에 의해 형성된 전기 커패시터(capacitor)의 정전용량(C)은 공지된 방법들을 사용하여 판정될 수 있고, 이에 의해 유리하게는, 고주파 신호들을 위해서 전극(20a, 20b)들에 의해 형성된 커패시터의 임피던스(impedance)는 이로부터 정전용량을 계산하기 위해서 판정된다. 정전용량이 전극(20a, 20b)들 사이 재료의 비유전율(relative permittivity)(εr)에 추가로 의존하기 때문에, 벌크 고형물이 위치되는 영역들은 단지 공기만 존재하는 영역들보다 더 높은 비유전율(εr)을 갖는다. 따라서, 정전용량(C)은 전극(20a)과 전극(20b) 사이의 벌크 고형물들의 양에 의존한다.
공급 유동 측정 장치(11) 내의 공급 유동(F)은 플레이트들 사이의 양과 벌크 고형물의 속도로부터 유발된다. 장치들이 일정한 공급 유동으로 작동되면, 낙하 속도(fall velocity)는 자유 낙하시 공급 유동 측정 장치의 지점에서 일정하다. 본 발명에 의해 교시되는 바와 같이 사용될 때 공급 유동 측정 장치가 절대적으로 정밀하게 측정된 값을 만들 필요가 없기 때문에, 공급 유동에 비례하는 신호(Fm)가 판정된 정전용량(C)으로부터 유발된다.
벌크 고형물의 유전율이 다양한 재료 특성들에 추가로 의존한다. 경험에 따르면, 이들 특성들은 단지 서서히 변하기 때문에, 이에 따라 이러한 변화들에 의한 정전용량(C)을 위한 신호(Fm)가 공급 유동을 위해 단기간 동안 충분히 안정적인 조치(measure)를 만든다.
게다가, 배출 장치(2)의 질량 유동 드로핑 지점에 근접하게 전극(20a 및 20b)들을 설치하는 것이 유리하며, 또한 이 때문에, 벌크 고형물의 여전히 낮은 유동 속도에 기인하여, 재료의 양 그리고 이에 따라 공기 중에서의 재료의 상대 밀도 그리고 이에 따라 정전용량(C)의 효과가 특히 높다.
전극들, 이에 따라 커패시터의 2 개의 전극(20a 및 20b)들은 또한 평면 또는 곡선형으로 구성될 수 있으며, 그리고 이에 따라 질량 유동 드로핑 지점에 인접한 구역에 적응되며, 이에 의해 이는 보통은 이송관이다. 벌크 고형물에 기인한 정전용량의 변화가 가능한한 커지도록, 전극들의 크기 및 위치는 편의상 당업자에게 공지된 방법들에 의해 유리하게 선택될 수 있다. 이와 동시에, 편의상, 벌크 고형물의 공급 유동(F)이 이송 구역에서 방해받지 않고 막힘(clogging)을 방지하도록 선택된다.
게다가, 추가의 전극 쌍들이 상이한 방향으로 질량 유동 측정 장치(11)를 가로지르는 질량 유동을 검출하도록 배열될 수 있다. 도 4는 예컨대, 이송관 내에서의 원통형 배열체의 예에서 배열 장치(2)의 질량 유동 드로핑 지점 뒤의 수평 섹션에서 즉, 질량 유동 드로핑 지점에 인접한 구역에 배치된 공급관(41)에서의 공급 유동(F) 이송을 위한, 적절한 배열의 바람직한 실시예를 도시한다. 전극 쌍(20a 및 20b) 및 추가의 전극(40a 및 40b) 쌍을 지지하는 유전관(dielectric tube)(42)이 도시된 공급관(41) 내로 도입된다. 전극 쌍들 사이의 전기장(electric field)이 2 개의 상이한 수평 방향들에서 공급 유동(F)을 검출한다. 전극 쌍(20a, 20b) 사이 정전용량(C)과 전극 쌍(40a, 40b) 사이 정전용량(C)의 측정은, 동일한 주파수로 일시적으로 번갈아(one after the other) 또는 상이한 주파수들로 동시에 발생할 수 있다. 이후, 신호(Fm)에 대한 측정 값이 예컨대, 2 개의 정전용량(C)들에 대한 측정 결과들의 선형(linear) 조합으로부터 유발되며, 이에 의해 편의상, 기준 상태에서의 정전용량 값에 대한 측정된 정전용량 값(C)의 차이가 사용된다.
전극 쌍(20a, 20b 및 40a, 40b)들은 수직으로 오프셋, 예컨대, 또한 유동 방향으로, 즉, 질량 유동 측정 장치(11)를 통한 질량 유동의 통과 방향으로 배열될 수 있다. 게다가, 복수 개의 전극 쌍들을 갖는, 예컨대 도 4에 따른 배열에 있어서, 이웃하는 전극 쌍들 사이 정전용량이 또한 측정될 수 있고 그리고 단층촬영 방법(tomographic method)들에 의해 전체 측정 값(Fm)을 판정하기 위해서 상응하게 사용될 수 있다. 전극들의 개수의 증가는 기본적으로 유량계(flow meter)로서 구성된 질량 유동 측정 장치 그리고 이에 따라 또한 질량 유동 측정 장치(11)의 절대적인 정확도를 향상시키지만, 또한 복잡도 및 비용을 증가시킨다. 상기에 언급된 바와 같이, 질량 유동 측정 장치(11)의 경우에 절대적인 정확도가 결정적으로 중요한 것이 아니기 때문에, 그러나, 전극들의 개수가 적은 것이 보다 최적일 가능성이 있다.
복수 개의 전극들에 의한 평가(evaluation)에 대한 대안으로서, 예컨대, 하나 또는 그리고 그 초과의 전극들, 특히 전극 쌍이 유동 방향(F)에 대해 중심에서 기계적으로 회전될 수 있어, 수개의 방향들에서 이를 검출한다.
본 발명에 의해 교시된 바와 같이 사용된 전극들은, 본 발명의 차등 계량 저울의 칭량식(weighed) 유닛, 즉 그의 전체 중량이 중량 판정 유닛(3)에 의해 판정되는 유닛에, 또는 공급 라인들을 통해 전환하는 힘(force shunting)을 최소화하기 위해서, 차등 계량 저울의 비칭량식(non-weighed) 유닛에 추가로 부착될 수 있다.
개선을 위한 추가의 가능성은, 측정 전극들 근처에서 측정 전극(20a 및 20b)들과 유사한 유형의 정전용량(C2)을 갖는 추가의 전극 쌍을 배열하는 것이며, 이에 의해 공급 유량(F)은 추가의 전극 쌍을 통해 유동하지 않는다. 이후, 이러한 추가 전극 쌍은 측정 전극 쌍(20a 및 20b)과 동일한 환경적 영향들에 노출된다. 이후, 정전용량(C 및 C2)들의 차이가, 공급 유량 측정 장치(11)를 통한 공급 유동을 위해서 환경적 영향들에 의해 감소되는 신호(Fm)를 공급한다.
본 발명에 따르면, 이들이 적어도 간략하게 벌크 고형물의 질량 또는 밀도에 대한 고정된 연결을 갖는 경우에, 단순한 공급 유동 측정 장치(11)는 또한 질량 유동의 다른 물리적 특성들을 판정할 수 있다. 가능성들은 예컨대 공급 유동의 벌크 고형물을 통해 소리 전도(sound conduction) 및/또는 광 투과(light transmission) 또는 광 흡수의 파라미터들의 평가, 및/또는 강자성(ferromagnetic) 벌크 고형물들에서의 자기 특성들의 평가 및/또는 전자기 마이크로파들 및/또는 소립자(atomic particle)들에 대한 전송 거동(transmission behavior)의 평가이다. 재료 특성들에 대한 이러한 많은 측정 방법들은 당업자, 특히 전문가에게 공지되어 있다. 벌크 고형물들의 다른 물리적 특성들을 측정하기 위해 필요한 적절한 센서들의 시스템들이 특히 당업자에게 공지되어 있다. 원칙적으로, 질량 유동들을 위해 도입부에서 설명된 모든 측정 장치들이 사용될 수 있으며, 이에 의해 단순한 장치들이 최적이다.
도 2 또는 도 4에 설명된 질량 유동 측정 장치(11)들의 경우에서와 같이, 센서들은 벌크 고형물 그리고 이에 따라 공급 유동(F)이 이들의 측정 범위를 통해 유동하도록 설치된다.
절대적으로 필수는 않을지라도, 상기에서 이미 언급한 바와 같이, 이는 특히 목표 값 변화들의 경우에, 질량 유동 측정 장치(11)가 너무 큰 용기의 중량(tare) 및 범위 에러들을 갖지 않는다면 더 유용하다. 따라서, 질량 유동 측정 장치(11)의 조절은 가변 목표 값(W)에서 공급 거동의 추가 개선을 유도한다.
종래 기술(예컨대, 베터(Vetter): "Handbuch Dosieren," ISBN 3-8027-2199-3; Chapter "Weigh belt feeders with automatic control and correction device," 참조)에 따르면, 유동 센서들은, 센서를 통해 통과된 벌크 고형물이 용기 내에 수집되는 것을 종종 캘리브레이트한다(calibrated). 이것이 본 발명에 적용되는 경우, 질량 유동 측정 장치(11)의 조정을 위해 질량 유동 측정 장치(11)를 통해 통과한 이후 추가의 용기에서 수집된 벌크 고형물과 질량 유동 측정 장치(11)에 의해 판정된 벌크 고형물 유동의 전체(integral) 사이의 중량 차이가 질량 유량계(11)의 측정 결과들을 보정하기 위해서 사용될 수 있다(도면들에서 도시 생략됨).
그러나, 질량 유동 측정 장치(11)의 조정을 위해서, 예컨대,용기(1)로부터 제거되어 질량 유동 측정 장치(11)를 통해 이송된 재료의 양은 또한 질량 유동 측정 장치(11)에 의해 판정된 양과 비교될 수 있으며 그리고 질량 유동 측정 장치(11)는 이에 대응하여 캘리브레이트될 수 있다(도면들에서 도시 생략됨).
그러나, 이러한 방법은 항상 충분히 대량의 벌크 고형물들을 필요로 하여, 용기(1)에서의 중량 차이로부터 양(amount)의 판정에 있어서의 측정 에러는 충분히 작다. 이에 따라, 질량 유동 측정 장치(11)가 상당히 긴 간격(interval)들에서 체크되고 리캘리브레이트(recalibrated)될 수 있다. 게다가, 이 방법은 측정 간격 당 단지 하나의 측정값만을 만들어, 하나의 측정으로부터 질량 유동 측정 장치(11)의 용기의 중량(tare)과 범위 에러들의 동시 보정이 원칙적으로 불가능하다. 따라서, 양자 모두의 값들을 보정하기 위해서, 상이한 공급 속도들로 적어도 2 개의 측정들이 필요하다.
그러나, 본 발명에 따라 우선되는 필적하는 조절은 또한 일정하게 발생할 수 있다. 이를 위해서, 예컨대 도 3에 도시된 발명의 실시예에 따르면, 차등 계량 저울의 신호(P) 및 질량 유동 측정 장치의 신호(Fm)가 차등 계량 저울의 추가의 식별 장치(30)에 공급될 수 있다. 식별 장치(30)는 예컨대, 당업자에게 공지된 식별 방법들에 의해 상이한 질량 유동들을 위해 2 개의 신호(P 및 Fm)들로부터의 정적 관계(static relationship)를 판정하며, 이에 의해 이는 편의상 특질(characteristic)로서 저장된다. 이렇게 판정된 관계는 이후, 차등 계량 저울의 추가의 보정 장치(31)에 공급될 수 있다. 게다가, 보정 장치(31)에는 질량 유동을 나타내는 현재 제 2 신호(Fm)가 공급되며, 이렇게 판정된 관계는 이후 보정 유닛(31)이 현재 신호(Fm)를 선형화하거나 조절하도록 사용될 수 있다. 그 후 즉시(thereupon), 조절(regulating) 장치(12)에는, 단지 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)의 선형화 또는 조절 이후에, 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 의 그러나 선형화되거나 조절된 신호(Fml)가 공급된다. 이로써, 제 2 조절 장치(12)는 질량 유동(F)을 나타내는 이러한 제 2 의 그러나 선형화되거나 조절된 신호(Fml) 및 제 1 제어 신호(Y)에 기초하여 제 2 제어 신호(Y2)를 계산한다.
도 3에 따른 본 발명의 방법의 일 실시예는 차등 계량 저울의 전체 중량 측정 계량 단계 중 작동하며, 이로써, 벌크 고형물 유동의 정확한 판정 및 계량의 일체성형 정밀도(integral accuracy)를 각각의 시점에서 보장한다. 보정 장치(31)에 의한 보정 이후 남아있는 질량 유동 측정 장치(11)의 용기의 중량 및 범위 에러들은 보다 높은 수준의 조절 장치(6)에 의해 자동으로 보정된다. 2 개의 에러 원인들에 의한 별도의 브레이크다운(separate breakdown)은 필요하지 않다.
1 : 용기
2 : 용적형 공급 또는 배출 장치
3 : 중량 판정 유닛
4 : 구분 유닛(Differentiation unit)
5 : 필터 유닛
6 : 제 1 조절 장치
7 : 구동부(Drive)
11 : 질량 유동 또는 공급 유동 측정 장치
12 : 제 2 조절 장치
20a, 20b : 전극
40a, 40b : 전극
30 : 식별 장치(Identification device)
31 : 보정 장치(Correction device)
41 : 공급관(Feed tube)
42 : 유전체관(Dielectric tube)
C, C2 : 정전용량(Capacitance)
F : 공급 유동/배출 유동/질량 유동
Fm : 질량 유동을 나타내는 제 2 신호
Fm1 : 질량 유동을 나타내는 제 2 의 그러나 선형화되거나(linearized) 조절된 신호
M : 전체 중량을 나타내는 신호
P : 질량 유동을 나타내는 제 1 신호
R : 충전/재충전
W : 목표 값
Y : 제 1 제어 신호
Y2 : 제 2 제어 신호
εr : 비유전율(relative permittivity)

Claims (13)

  1. 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기(1) 및 상기 용기로부터 나오는 벌크 고형물이 질량 유동(F)에 의해 이송되게 하는 용적형 이송 장치(2)에 의해 벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법으로서,
    상기 질량 유동은 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)을 일시적으로 따르며, 상기 질량 유동(F)을 판정하기 위해서, 용기(1) 및 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기(1) 및 이송 장치(2) 그리고 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량을 나타내는 신호(M)가 판정되며, 상기 신호(M)는 이후 시스템 및/또는 벌크 고형물을 위해 명확하게 처리되어 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P)를 계산하고 상기 제 1 신호로부터 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)과 함께 제 1 제어 신호(Y)가 계산되는 벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법에 있어서,
    상기 질량 유동(F)은 이송 장치(2)를 나가며, 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)가 측정되고,
    제 2 제어 신호(Y2)가 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm) 및 제 1 제어 신호(Y)에 기초하여 계산되고, 이송 장치(2)를 제어하기 위해 이송 장치(2)의 구동부(7)에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 유동(F)을 나타내는 신호(Fm)는 질량 유동(F)의 크기에 따라 단조롭게(monotonically) 증가하거나 단조롭게 감소하는 것을 특징으로 하는,
    벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)는 질량 유동을 나타내며 상기 신호(M)로부터 계산된 제 1 신호(P)보다 훨씬 급속하게 실제 질량 유동(F)을 후속하는 것을 특징으로 하는,
    벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)는 전극(20a, 20b, 40a, 40b)들 사이의 벌크 밀도에 따라 정전용량(capacitance; C)으로부터 판정되는 것을 특징으로 하는,
    벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호(M)로부터 계산되며 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P)와 질량 유동(F)을 나타내며 상이한 질량 유동을 위한 제 2 신호(Fm) 사이에서 정적 관계(static relationship)가 판정되며, 판정된 관계는 먼저, 제 2 신호(Fm)를 나타내는 제 2 신호(Fm)를 선형화하거나 조절하고, 그리고 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)의 선형화 또는 조절 이후에만, 상기 선형화되거나 조절된 신호(Fml) 및 제 1 제어 신호(Y)로부터 제 2 제어 신호(Y2)를 계산하도록 사용되는 것을 특징으로 하는,
    벌크 고형물들의 중량 질량 계량 방법.
  6. 계량될 벌크 고형물을 갖는 용기(1), 상기 용기로부터 나오는 벌크 고형물이 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)을 일시적으로 따르는 질량 유동(F)에 의해 이송되게 하는 용적형 이송 장치(2), 중량 판정 유닛(3) 및 제 1 조절 장치(6)를 포함하는 차등 필터 장치를 갖는 차등 계량 저울로서,
    상기 중량 판정 유닛(3)은 용기(1) 및 포함된 벌크 고형물에 의해 또는 용기(1) 및 이송 장치(2) 그리고 포함된 벌크 고형물에 의해 형성된 유닛의 전체 중량을 판정하도록 설계되며, 상기 전체 중량을 나타내는 신호(M)를 출력하여, 이를 차등 필터 장치에 전송하고,
    상기 차등 필터 장치는 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P)를 계산하고 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P) 및 목표 공급 속도를 위한 목표 값(W)으로부터 제 1 제어 신호(Y)를 계산하도록 설계되는 차등 계량 저울에 있어서,
    제 2 조절 장치(12) 및 질량 유동 측정 장치(11)를 포함하며,
    상기 질량 유동 측정장치(11)는 이송 장치(2)를 나간 후의 벌크 고형물이 상기 질량 유동 측정 장치(11)를 통해 통과하고, 상기 질량 유동 측정 장치(11)가 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm)를 계산하고,
    상기 제 2 조절 장치(12)는 질량 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm) 및 제 1 제어 신호(Y)에 기초하여 제 2 제어 신호(Y2)를 계산하고, 이 신호를 이송 장치(2)를 제어하기 위해 이송 장치(2)의 구동부(7)에 공급하는 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 차등 필터 장치는 구분 유닛(4) 및 필터 유닛(5)을 더 포함하고,
    상기 구분 유닛(4)은 중량 판정 유닛(3)에 의해 출력된 신호(M)를 구분하고,
    상기 필터 유닛(5)은 하나 이상의 알고리즘 필터에 따라 구분된 신호를 필터링하여, 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P)를 계산하고,
    상기 제 1 조절 장치(6)는 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P) 및 공급 속도에 대한 목표 값(W)으로부터 제 1 제어 신호(Y)를 계산하는 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 질량 유동 측정 장치(11)는 이송 장치(2)의 질량 유동 드로핑 지점 아래에 설치되며,
    질량 유동 측정 장치(11)와 질량 유동 드로핑 지점 사이의 간격에 따라서, 폐쇄형 루프 제어의 역학(dynamic)들이 제 2 조절 장치(12)를 통해 조작될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질량 유동 측정 장치(11)는 전극(20a, 20b, 40a, 40b)들 사이의 벌크 밀도에 따라 전기 정전용량(C)으로부터 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)를 판정하도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극(20a, 20b, 40a, 40b)들은 차등 계랑 저울의 웨이드 유닛(weighed unit)에 또는 논웨이드(non-weighed) 유닛에 부착되며,
    상기 전극(20a, 20b, 40a, 40b)들은 평면 또는 곡선형으로 만들어지며 그리고/또는 상이한 위치들에서 각각의 질량 유동을 검출하고 그리고/또는 질량 유동 측정 장치(11)를 통해 질량 유동의 패스 스루 방향으로 수직으로 오프셋 배열되며 그리고/또는 질량 유동(F)을 중심으로 기계적으로 회전가능한 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
  11. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질량 유동 측정 장치(11)는 종래 기술에 따른 벌크 고형물들의 유동 측정을 위한 장치인 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질량 유동 측정 장치(11)는 질량 유동의 벌크 고형물을 통한 소리 전도(sound conduction) 및/또는 광투과(light transmission) 또는 광흡수의 파라미터들을 평가하고 그리고/또는 강자성 벌크 고형물들의 경우에 자기 특징들을 평가하고 그리고/또는 전자기 마이크로파들 및/또는 소립자(atomic particle)들을 위한 전달 거동(transmission behavior)을 평가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
  13. 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식별 장치(30) 및 보정 장치(31)를 더 포함하며,
    상기 식별 장치(30)는 상이한 질량 유동들을 위해 질량 유동을 나타내는 제 1 신호(P) 및 공급 유동을 나타내는 제 2 신호(Fm)로부터의 정적 관계(static relationship)를 판정하도록 설계 및 배치되고,
    상기 보정 장치(31)는 상기 판정된 관계에 기초하여, 공급 유동을 나타내는제 2 신호(Fm)를 선형화하거나 조절하고, 단지 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 신호(Fm)의 선형화 또는 조절 이후에, 질량 유동(F)을 나타내는 제 2 의 그러나 선형화되거나 조절된 신호(Fml)를 제 2 조절 장치(12)에 공급하도록 설계 및 배치되어, 상기 제 2 조절 장치(12)는 공급 유동(F)을 나타내는 이러한 제 2 의 그러나 선형화되거나 조절된 신호(Fml) 및 제 1 제어 신호(Y)에 기초하여 제 2 제어 신호(Y2)를 계산하는 것을 특징으로 하는,
    차등 계량 저울.
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