DE10361769B4 - Druckaufnehmer mit einteiligem Gehäuse - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einem Druckaufnehmer (1), eine Druckmesszelle (30) mit druckbeaufschlagbarer Membran (14) sowie einen Aufnehmerkörper (2) umfassend, wobei der Aufnehmerkörper (2) einstückig durch ein Spritzgussverfahren mit anschließendem Sinterprozess gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussverfahren ein Metallpulverspritzgussverfahren ist, bei dem ein Einsatzteil (3) zur Aufnahme der Druckmesszelle (30) druckdicht umspritzt und eingesintert wird.
Description
- Technisches Gebiet
- Zur Steuerung bzw. Regelung einer Vielzahl technischer Prozesse ist es erforderlich, den Druck zu messen. Dies erfolgt in vielen Fällen mittels Drucksensoren. Ein solcher Drucksensor umfasst einen Druckaufnehmer, der mit einer Membran versehen ist, die sich abhängig vom Druck verformt. Um eine Leckage an den Druckaufnehmern zu vermeiden, ist es erforderlich, dass das Druckaufnehmergehäuse druckdicht ausgebildet sind.
- Stand der Technik
- Bei Drucksensoren, wie sie nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, ist das Gehäuse des Druckaufnehmers mehrteilig ausgeführt. Die einzelnen Gehäuseteile werden vorzugsweise spanend gefertigt. Anschließend werden die Gehäuseteile druckdicht verschweißt. Hierbei ist insbesondere bei Anwendung im Hochdruckbereich eine druckstabile Verbindung der Einzelteile erforderlich. Bereits kleinste Fehler in der Schweißnaht führen zu Leckageverlusten und Fehlern bei der Druckmessung.
- Eine Sensoranordnung zur Druckmessung ist aus
DE 100 14 992 A1 bekannt. Hierzu umfasst die Sensoranordnung eine Druckmesszelle, die eine Messmembran aufweist, welche von dem druckbeaufschlagten Messmedium auslenkbar ist. Als Sensorschaltung ist eine Messbrücke vorhanden, die direkt an der Messmembran angebracht ist. Eine Auswertschaltung ist als Hybridschaltung ausgebildet und an der Messmembran unter Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen der Hybridschaltung und der Sensorschaltung und einer Messverbindung zum Gehäuse der Sensoranordnung direkt befestigbar. Das Gehäuse der Sensoranordnung ist mehrteilig ausgeführt und die Kontaktierung der Anschlüsse der Hybridschaltung mit Steckerstiften des Gerätesteckers kann mittels Druckkontakten bewirkt werden. - Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusen ist insbesondere, dass die einzelnen Gehäuseteile sehr präzise gefertigt werden müssen, damit diese druckdicht miteinander verbunden werden können. Eine entsprechend präzise spanende Fertigung ist mit hohen Kosten verbunden. Auch ist ein hoher Aufwand zur Qualitätskontrolle erforderlich, da jedes einzelne Teil einer manuellen Sichtprüfung unterzogen werden muss.
- Aus der
EP 0 471 355 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einem Druckaufnehmer bekannt, der eine Druckmesszelle mit Membran und einen Einsatz aufweist, die aus keramischen Material gebildet sind und in ungesintertem Zustand zusammengesetzt und anschließend zu einem einstückigen Bauteil gebrannt werden. - Aus der
DE 107 36 306 A1 und derDE 198 44 556 A1 sind Drucksensoren mit Druckaufnehmern bekannt, bei denen eine Druckmesszelle mit Membran durch ein Metallspritzgussverfahren und anschließendes Sintern hergestellt wird. - Darstellung der Erfindung
- Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eine Drucksensors mit einem Druckaufnehmer, der eine Druckmesszelle mit druckbeaufschlagbarer Membran sowie einen Aufnehmerkörper umfasst, wobei der Aufnehmerkörper einstückig durch ein Spritzgussverfahren mit anschließendem Sinterprozess gefertigt wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Aufnehmerkörper durch ein Metallpulverspritzgussverfahren gefertigt wird, bei dem ein Einsatzteil zur Aufnahme der Druckmesszelle druckdicht umspritzt und eingesintert wird. Hierdurch wird eine druckdichte, feste Verbindung des Einsatzteils mit dem Gehäuse des Druckaufnehmers erzielt. Durch das Umspritzen und Einsintern des Einsatzteils in das Gehäuse des Druckaufnehmers wird erreicht, dass an der Verbindungsstelle zwischen dem Einsatzteil und dem Gehäuse keine Leckage auftreten kann. Ferner betrifft die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestellten Drucksensor.
- In dem erfindungsgemäß ausgebildeten Aufnehmerkörper ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet, welche zu dem unter Druck stehenden Medium hin offen ist, so dass das unter Druck stehende Medium in die Durchgangsbohrung einströmen kann. Die andere Seite der Durchgangsbohrung wird durch die Messmembran verschlossen. Hierdurch wird die Messmembran einseitig von dem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt. Die einseitige Beaufschlagung der Messmembran durch das unter Druck stehende Medium führt dazu, dass sich die Messmembran elastisch verformt. Zur Messung des Druckes wird die elastische Verformung der Messmembran bestimmt. Anhand der Verformung lässt sich auf den Druck des Mediums zurückschließen.
- Mit einem Außengewinde am Aufnehmerkörper kann der Druckaufnehmer in eine Wand eines mit unter Druck stehenden Medium gefüllten Körpers befestigt werden. Der mit unter Druck stehendem Medium gefüllte Körper kann dabei z. B. ein Rohr sein, welches von dem unter Druck stehenden Medium durchströmt wird oder ein Behälter, welcher mit dem Medium gefüllt ist.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist am Aufnehmerkörper ein Sechskantflansch ausgebildet, welcher dazu dient, den Druckaufnehmer mit Hilfe eines Maulschlüssels oder einer einem Maulschlüssel entsprechenden Vorrichtung, wie sie dem Fachmann bekannt ist, in die Wand des mit unter Druck stehenden Medium gefüllten Körpers einzuschrauben.
- Zeichnung
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
- Hierin zeigt:
-
1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Druckaufnehmer mit Einsatzteil, -
2 eine Draufsicht auf den Druckaufnehmer gemäß1 , -
3 einen Schnitt durch einen Druckaufnehmer mit im Gehäuse aufgenommener Messzelle, -
4 eine Draufsicht auf den Druckaufnehmer aus3 , -
5 Einzelheit X des Druckaufnehmers aus3 , -
6 Einzelheit Y des Druckaufnehmers aus3 , -
7 Einzelheit Z des Druckaufnehmers aus3 . - Ausführungsvarianten
- In
1 ist ein Druckaufnehmer mit Einsatzteil dargestellt, wie er für Drucksensoren mit einem Messbereich bis 300 bar eingesetzt werden kann. - Ein Druckaufnehmer
1 , wie er in1 dargestellt ist, umfasst einen Aufnehmerkörper2 und ein Einsatzteil3 . Der Aufnehmerkörper2 des Druckaufnehmers1 wird vorzugsweise durch ein Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt. Am Einsatzteil3 ist in der in1 dargestellten Ausführungsform eine Erweiterung9 angeordnet, welche vorzugsweise konisch ausgebildet ist. Oberhalb der Erweiterung9 ist im Einsatzteil3 eine Nut10 angebracht. Mit Hilfe der Erweiterung9 und der Nut10 wird das Einsatzteil3 im Aufnehmerkörper2 fixiert. - Zur Herstellung des Druckaufnehmers
1 wird das bereits fertig produzierte Einsatzteil3 , welches vorzugsweise aus Invar, einer Eisen/Nickel-Legierung mit niedrigem Wärmeausdehnungswert oder Messing gefertigt ist, in die Spritzgussform zur Herstellung des Aufnehmerkörpers2 eingelegt. In die Spritzgussform wird eine Mischung aus einem Metallpulver, Bindemittel und Plastifizierer spritzgegossen. Nach dem Spritzgießen wird das Bindemittel vorzugsweise durch Spülen mit Aceton aus dem Aufnehmerkörper2 ausgetrieben. - Nach dem Austreiben des Bindemittels wird der Aufnehmerkörper
2 gesintert. Hierbei wird auch noch restliches enthaltenes Bindemittel verdampft. Durch den Sinterprozess wird eine reduzierbare Fertigungsqualität des im Metallpulverspritzgussverfahren hergestellten Aufnehmerkörpers2 erreicht. Schließlich können sich dem Sinterprozess noch weitere Veredelungsprozesse, zum Beispiel eine Wärmebehandlung, anschließen. - Am Aufnehmerkörper
2 ist ein Außengewinde5 angebracht, mit welchem der Druckaufnehmer1 z. B. in einer Wand eines Rohres, durch welches ein unter Druck stehendes Medium strömt, oder in eine Wand eines Behälters, welche mit unter Druck stehendem Medium gefüllt ist, befestigt werden kann. Durch einen ebenfalls am Aufnehmerkörper2 ausgebildeten Sechskantflansch4 lässt sich der Druckaufnehmer1 z. B. mit Hilfe eines Maulschlüssels in die Wand einschrauben. Das Außengewinde5 wird vorzugsweise während des Spritzgussprozesses mit ausgeformt. - Im Aufnehmerkörper
2 ist eine Bohrung8 ausgebildet, welche über eine konische Verengung7 in eine Durchgangsbohrung6 übergeht. Die Geometrie der Bohrung8 , der konischen Verengung7 und der Durchgangsbohrung6 ist abhängig vom Einsatz des Druckaufnehmers1 . So ist zum Beispiel bei Verwendung des Druckaufnehmers1 an einem Hochdruckspeicher von Verbrennungskraftmaschinen die Bohrung8 zum Anschluss und Abdichten des Druckaufnehmers1 am Hochdruckspeicher in einem größeren Durchmesser ausgebildet als die Durchgangsbohrung6 . - Die Durchgangsbohrung
6 durchbricht ebenfalls das Einsatzteil3 . Zur Druckmessung wird auf einer oberen Stirnseite12 des Einsatzteils3 eine hier nicht dargestellte Druckmesszelle, welche eine Druckmessmembran enthält, montiert. Die Verbindung der Druckmesszelle mit dem Einsatzteil3 erfolgt dabei vorzugsweise formschlüssig, zum Beispiel durch Schweißen, anodiertes Bonden, Löten oder Kleben. - An der dem Einsatzteil
3 gegenüber liegenden Seite ist der Aufnehmerkörper2 mit einem Konus11 versehen. Durch den Konus11 erfolgt bei Druckbeaufschlagung eine bessere Spannungsverteilung im Aufnehmerkörper2 . Auf diese Weise werden Spannungsspitzen im Aufnehmerkörper2 vermieden. Hierdurch wird die Stabilität des Aufnehmerkörpers2 verbessert. -
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Druckaufnehmer nach1 . - Das Einsatzteil
3 mit der Durchgangsbohrung6 ist vorzugsweise konzentrisch zum Sechskantflansch4 angeordnet. Hierdurch wird das Einschrauben des Druckaufnehmers1 mit Hilfe eines Schraubwerkzeugs erleichtert. Zur Verbesserung der Spannungsverteilung beim Einschrauben des Druckaufnehmers1 sind die Ecken des Sechskantflansches4 vorzugsweise in Form von abgerundeten Kanten23 ausgebildet. Das maximale Anzugsdrehmoment, mit welchem der Druckaufnehmer1 eingeschraubt wird, beträgt beispielsweise 100 Nm bei einem als M12 oder M18 ausgebildeten Außengewinde5 . -
3 ist ein Druckaufnehmer mit integrierter Druckmesszelle für Anwendungen bis 2000 bar entnehmbar. - Bei der in
3 dargestellten Ausführungsform ist der Druckaufnehmer1 einteilig mit einer Druckmesszelle30 ausgebildet. Wesentliches Merkmal der Druckmesszelle30 ist eine Membran14 , die eine Bohrung13 , welche zentriert im Aufnehmerkörper2 aufgenommen ist, verschließt. An der der Membran14 gegenüberliegenden Seite ist die Bohrung13 offen. Über die offene Seite der Bohrung13 strömt unter Druck stehendes Medium in die Bohrung13 . Hierdurch wird eine Bohrung13 zugewandte Membranfläche33 der Membran14 mit dem Druck des Mediums beaufschlagt. Eine der Membranfläche gegenüberliegende Membranaußenfläche34 der Membran14 weist zur Umgebung hin und ist somit konstant von Umgebungsdruck beaufschlagt, der vorzugsweise niedriger ist als der Druck des Mediums in der Bohrung13 . Aufgrund der unterschiedlichen Druckbeaufschlagung der Membran14 sich die Membran14 verformt. Anhand der Verformung der Membran14 wird der Druck des Mediums in der Bohrung13 bestimmt. Zur Vermeidung von Spannungen im Aufnehmerkörper2 ist an der offenen Seite der Bohrung13 eine Fase15 ausgebildet. - Die Befestigung des Druckaufnehmers
1 erfolgt durch Einschrauben des Aufnehmerkörpers2 in eine Wand eines Rohres, durch welches ein unter Druck stehendes Medium strömt, oder in die Wand eines Behälters, welcher mit unter Druck stehendem Medium befüllt ist. Das Einschrauben des Aufnehmerkörpers2 in die Wand erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Maulschlüssels oder eines entsprechenden, dem Fachmann bekannten Werkzeugs. Hierzu ist am Aufnehmerkörper2 ein Sechskantflansch4 ausgebildet. Auf der der Membran14 zugewandten Seite ist auf dem Sechskantflansch4 eine erste Ringnut16 ausgebildet, welche von einer ersten Ringrippe17 begrenzt ist. An die erste Ringrippe17 schließt sich eine zweite Ringnut18 und eine zweite Ringrippe19 an. Die erste Ringrippe17 ist mit einer zur zweiten Ringnut18 weisenden Stufe21 versehen. Die zweite Ringnut18 dient zur Aufnahme eines hier nicht dargestellten Gerätesteckers. Zur Abdichtung der Verbindung zwischen dem Aufnehmerkörper2 und dem hier nicht dargestellten Gerätestecker wird vorzugsweise ein Dichtring auf der Stufe21 positioniert. Der Dichtring wird so zwischen dem Gerätestecker und der ersten Ringrippe17 verklemmt. - Neben der Membran
14 umfasst die Druckmesszelle30 eine Seitenwand31 , die die Bohrung13 umschließt. Entlang eines Radius24 geht die Seitenwand31 in die orthogonal zur Seitenwand31 angeordnete Membran14 über. Die Wandstärke h der Seitenwand31 ist so gewählt, dass eine Druckbeaufschlagung der Seitenwand31 durch die Bohrung14 keine Verformung der Seitenwand31 nach sich zieht. Hierzu ist die Wandstärke vorzugsweise größer 2 mm. - Neben der Ausführungsform wie in
3 dargestellt, bei der am Druckaufnehmer1 kein Konus an der Unterseite27 ausgebildet ist, kann abhängig von der Einbauart des Druckaufnehmers und dem damit zusammenhängenden Dichtmechanismus auch ein Konus11 an der Unterseite27 ausgebildet sein, wie er in1 dargestellt ist. - An der Unterseite des Sechskantflansches
4 ist vorzugsweise eine Ringnut20 ausgebildet. Hierdurch bildet sich eine Auflage35 , die am Rand des Sechskantflansches4 verläuft. Beim Einsetzen des Druckaufnehmers1 in eine Wand bildet die Auflage35 mit der Wand eine umlaufende, durchgehende Berührungslinie, die als zusätzliche Abdichtung wirkt. - Der Aufnehmerkörper
2 des Druckaufnehmers1 , wie er in3 dargestellt ist, wird vorzugsweise durch ein Metallspritzgussverfahren gefertigt. Hierzu wird zunächst ein Metallpulver mit Bindemittel und Plastifizierer gemischt. Diese Mischung wird in einer Spritzgussmaschine, wie sie dem Fachmann bekannt ist, unter hohem Druck in eine Form gespritzt. Aus dem so mittels Metallpulverspritzgussverfahren hergestellten Aufnehmerkörper2 wird das Bindemittel vorzugsweise durch Spülen mit Aceton ausgetrieben. Anschließend wird der durch Metallpulverspritzgussverfahren hergestellte Aufnehmerkörper2 im Sinterverfahren in die Endform mit entsprechender Qualität gebracht. Als Werkstoffe für das Metallpulverspritzgussverfahren eignen sich insbesondere hochfester Edelstahl bzw. eisenhaltige Metalllegierungen. - Eine Draufsicht auf den in
3 dargestellten Druckaufnehmer zeigt4 . Auch in dieser Ausführungsform sind die Kanten23 des Sechskantflansches4 zur Vermeidung von Spannungen abgerundet. Aus4 ist zu entnehmen, dass die Membran14 , die erste Ringnut16 , die erste Ringrippe17 , die zweite Ringnut18 und die zweite Ringrippe19 konzentrisch angeordnet sind. An die erste Ringrippe17 schließt sich die Stufe21 in Richtung der zweiten Ringnut18 an. -
5 zeigt die in3 mit X gekennzeichnete Einzelheit. - Hier ist zu entnehmen, dass der Übergang von der Seitenwand
31 der Druckmesszelle30 zur Membran14 als Radius24 ausgebildet ist. Auch hier wird durch den Radius24 eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Aufnehmerkörper2 bei einseitiger Druckbeaufschlagung vom Inneren durch die Bohrung13 erreicht. Die gleichmäßige Spannungsverteilung führt zu einer geringeren Werkstoffbeanspruchung des Aufnehmerkörpers2 . Hierdurch kann die Lebensdauer des Druckaufnehmers1 erhöht werden. Unterhalb des Radius24 ist in der Bohrung13 eine Fase22 ausgebildet. Die Fase22 markiert den Übergangsbereich zur maßgenauen Fertigung der Druckmesszelle30 . - Die in
3 mit Y gekennzeichnete Einzelheit ist in6 dargestellt. Auch hier ist zur Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung bei Belastung des Druckaufnehmers1 sowohl an der ersten Ringnut16 ein Übergangsradius25 als auch an der zweiten Ringnut18 ein Übergangsradius26 ausgebildet. An der zwischen der ersten Ringnut16 und der zweiten Ringnut18 ausgebildeten ersten Ringrippe17 ist eine Stufe21 in Richtung der zweiten Ringnut18 angeordnet. Die zweite Ringnut18 wird durch die erste Ringrippe17 und die zweite Ringrippe19 gebildet. Die durch die erste Ringrippe17 und die zweite Ringrippe19 begrenzte zweite Ringnut18 dient zur Aufnahme eines Gehäusesteckers. Eine Abdichtung des Gehäusesteckers und eine zusätzliche Sicherung bei der Befestigung des Gehäusesteckers erfolgt durch eine Dichtung, welche zwischen dem Gehäusestecker und der ersten Ringrippe17 auf der Stufe21 angebracht wird. Um die Montage der vorzugsweise als O-Ring ausgebildeten Dichtung zu erleichtern, ist die erste Ringrippe17 auf der der Stufe21 zuweisenden Seite mit einem Radius32 versehen. -
7 zeigt die in3 mit Z bezeichnete Einzelheit. An der unteren Stirnfläche27 des Aufnehmerkörpers2 ist ein Vorsprung28 ausgebildet. Der Vorsprung28 umgibt die Öffnung zur Bohrung13 (vgl.3 ). Am Übergang vom Vorsprung28 zur unteren Stirnfläche27 ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Ringnut29 zur Aufnahme eines Dichtringes ausgebildet. Die Ringnut29 weist vorzugsweise einen Querschnitt in Form eines Kreisabschnittes auf. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckaufnehmer
- 2
- Aufnehmerkörper
- 3
- Einsatzteil
- 4
- Sechskantflansch
- 5
- Außengewinde
- 6
- Durchgangsbohrung
- 7
- konische Verengung
- 8
- Bohrung
- 9
- Erweiterung
- 10
- Nut
- 11
- Konus
- 12
- obere Stirnseite
- 13
- Bohrung
- 14
- Membran
- 15
- Phase
- 16
- erste Ringnut
- 17
- erste Ringrippe
- 18
- zweite Ringnut
- 19
- zweite Ringrippe
- 20
- dritte Ringnut
- 21
- Stufe
- 22
- obere Phase
- 23
- abgerundete Kanten
- 24
- Radius
- 25
- Übergangsradius
- 26
- Übergangsradius
- 27
- untere Stirnfläche
- 28
- Vorsprung
- 29
- Ringnut
- 30
- Druckmesszelle
- 31
- Seitenwand
- 32
- Radius
- 33
- Membranfläche
- 34
- Membranaußenfläche
- 35
- Auflage
- 36
- Wandstärke
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einem Druckaufnehmer (
1 ), eine Druckmesszelle (30 ) mit druckbeaufschlagbarer Membran (14 ) sowie einen Aufnehmerkörper (2 ) umfassend, wobei der Aufnehmerkörper (2 ) einstückig durch ein Spritzgussverfahren mit anschließendem Sinterprozess gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussverfahren ein Metallpulverspritzgussverfahren ist, bei dem ein Einsatzteil (3 ) zur Aufnahme der Druckmesszelle (30 ) druckdicht umspritzt und eingesintert wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulverspritzgießen bei einem Druck im Bereich von 150 bis 1000 bar und einer Temperatur im Bereich von 140 bis 190°C erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400°C und Umgebungsdruck durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Aufnehmerkörper (
2 ) ein Außengewinde (5 ) zur Befestigung des Druckaufnehmers (1 ) an einer Wand eines druckbeaufschlagten Bauteils gefertigt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Aufnehmerkörper (
2 ) ein Sechskantflansch (4 ) ausgebildet ist. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Sechskantflansch (
4 ) eine erste Nut (16 ) und/oder eine zweite Nut (18 ) ausgebildet ist. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge vom Nutgrund zur Nutwand der ersten Nut (
16 ) und zweiten Nut (18 ) als Radien (25 ,26 ) ausgebildet sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Seite des Sechskantflansches (
4 ), die zur Wand eines Bauteils weist, in welches der Druckaufnehmer (1 ) eingeschraubt wird, eine Nut (20 ) ausgebildet wird, wodurch eine Auflage (35 ) ausgebildet wird, die als zusätzliche Abdichtung bei Montage des Druckaufnehmers (1 ) in einem druckbeaufschlagten Bauteil wirkt. - Drucksensor, hergestellt gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor einen einstückigen Aufnehmerkörper (
2 ) umfasst und im Aufnehmerkörper (2 ) ein Einsatzteil (2 ) zur Aufnahme der Druckmesszelle (30 ) aufgenommen ist. - Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessstelle (
30 ) formschlüssig mit dem Einsatzteil (3 ) verbunden ist.
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