DE1774770A1

DE1774770A1 - Fluidum-Verstaerkerelement mit logischer Schaltfunktion

Info

Publication number: DE1774770A1
Application number: DE19681774770
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Kinner
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1967-09-08
Filing date: 1968-09-02
Publication date: 1972-01-20
Also published as: GB1208338A; FR1582990A; NL6812777A; US3595258A

Description

^f I SER 1968

The Foxboro Company 177 A Poxboro, Mass,, V.St,A.

Pluidum-Yerstärkerelejiment mit logischer Schaltfunktion

Die Erfindung betrifft ein Fluidum-Verstärkerelement mit einem durch ein Steuersignal geschalteten Ausgangssignal.

Kurz gesagt, besteht die Erfindung aus zwei über eine erweiterte Kammer miteinander kommunizierenden Rohren, die auf einer gemeinsamen Achse miteinander fluchten und für sich zu kurz sind, um bei den infragekommenden Strömungsgeschwindigkeiten eine laminare Strömung durch sie hindurch zu erzeugen, während die Gesamtlänge der hintereinander angeordneten, durch die Kammer miteinander verbundenen Rohre so groß ist, daß sich insgesamt eine laminare Strömung auszubilden vermag. Wenn das eine Rohr von einer Quelle aus mit einem Pluidum beschickt wird, tritt aus dem anderen Rohr ein Fluidumstrahl aus, dessen Uruckcharakteristik durch ein stromab der aus der Kammer und den Rohren bestehenden Anordnung angeordnetes Empfängerrohr gemessen werden kann. Je nach dem in der erweiterten Kammer aufrechterhaltenen Betriebsdruck kann

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der im Empfängerrohr untersuchte Fluidumstrahl laminar oder turbulent sein. Der in der Kammer herrschende Druck läßt sich durch einen Zugang zu dieser Kammer einstellen, und zwar entweder durch eine durch ein Ventil bewirkte Drosselung des Zugangs oder mittels eines Überdrucks, der über diesen Zugang an die Kammer angelegt wird. .

Das erfindungsgemäße lluidum-Verstärkerelement liefert eine logische ODER-Funktion, bei welcher das Anlegen eines eine logische EINS bedeutenden Signals an den Steuerzugang zur Folge hat, daß am Empfängerrohr ein ebenfalls eine logische EINS darstellendes Ausgangssignal gemessen wird. Diese Schaltfunktion wird durch ein konstruktiv einfaches Fluidum-Verstärlcerelement erreicht, das sich ohne weiteres in Großserie fertigen läßt und das eine zweckmäßigerweise große Änderung des Ausgangssignals bei einer vergleichsweise kleinen Änderung des Steuersignals hervorbringt·

Im folgenden ist die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig, 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Fluidum-Teretärkereleinents mit logischer Schaltfunktion mit den Merkmalen der Erfindung,

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Fig. 2 einen längs der Zentralaciise geführten Schnitt durch einen Teil der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verhältnisses von Steuerdruck zu Ausgangsdruck bei einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung^welche in verschiedenen Kurven das Verhältnis von Speisedruck zu Ausgangsdruck "bei einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Figo 5 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Fluidum-Verstärkerelement mit logischer UKD-Sehaltfunktion.

Gemäß Fig. 1 weist das erfindungsgemäße Fluidum-Verstärkerelement 10 eine Basis 11 zur koaxialen Halterung eines Speiserohrs 12 und eines Empfängerrohrs 13 auf. Die gemeinsame Zentralachse ist mit 14 bezeichnet. Als eigentliche Halteorgane dienen zwei Endstücke 15 bzw. 16 der Basis 11. Das das Einlaßende 17 bildende Ende des Spei-

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serohrs 12 kann von einer nicht dargestellten Quelle aus mit einem Fluidunjoeschickt werden und am stromab gelegenen Ende 18 des Speiserohrs 12 ist ein Gehäuse 19 angeordnet, welches eine Kammer 20 umschließt, die mit dem Speiserohr 12 kommunizierte Am stromab gelegenen Ende 21 des Gehäuses 19 ist ein Ansatzrohr 22 befestigt, das mit der Zentralachse 14 fluchtet und mit der Kammer 20 kommuniziert. Der in das Einlaßende 17 der Speiseleitung 12 eintretende Pluidumstrom strömt durch die Speiseleitung 12, die im Gehäuse 19 ausgebildete Kammer'20 und das Ansatzrohr 22, um aus dessen Austrittsende 23 längs der Zentralachse 14 auszuströmen. Bas Austrittsende 23 des Ansatzrohrs 22 ist durch einen Zwischenraum vom Eintritts- bzw. Meßende 24 des Empfängerrohrs 13 getrennt, welcher eine Unterscheidung zwischen einem Laminarzustand und einem Turbulenzzustand des aus dem Ansatzrohr 22 ausströmenden Fluidumstrahls ermöglicht, indem der Laminarzustand einen höheren Meßdruck—Rüokgewinn am Empfängerrohr 13 als im Fall eines Turbulenzzustande gewährleistet. Das Meßsignal kann am Austrittsende 25 des Empfängerrohrs 13 abgenommen und einer nachgeschalteten Anordnung aufgeprägt werden. In die Kammer 20 mündet weiterhin ein Steuerzugang 26 ein, welcher bei 27 das Gehäuse 19 durchsetzt und an dessen AuSenende 28 eine Steuersignalquelle angeschlossen werden kann.

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Pig. 2 zeigt im Schnitt längs der Zentralachse 14 deutlicher die geometrische Zuordnung der im Gehäuse 19 ausgebildeten Kammer 20 zu den mit ihr kommunizierenden Rohren 12 und 22. Die Kammer 20 umschließt ein im Vergleich zu den Querschnittsflächen der Rohre 12 und 22 erweitertes Volumen. Das Speiserohr 12 und das stromabseitige Ansatzrohr 22 sind jeweils zu kurz, als daß sich in ihnen eine laminare Strömung mit einer Reynolds-Zahl ausbilden könnte, die im vorgesehenen Strömungs-Anwendungsfall liegt, während andererseits die Rohre 12 und 22 zwischen dem Einlaßende 17 des Speiserohrs 12 und dem Auslaßende 23 des Ansatzrohrs 22 im Hinblick auf die bei den vorgesehenen Anwendungsfällen angewandten Durchsatzmengen insgesamt eine solche Länge besitzen, daß am Auslaßende 23 unter entsprechenden Steuerbedingungen in der Kammer 20 eine laminare Strömung erzeugt werden kann.

Der Steuerzugang 26 kommuniziert mit der Kammer 20 an einer Stelle 27 des Gehäuses 19, die bei der dargestellten Ausführungsform etwas näher an der Stromauf-Seite der Kammer 20 als an der Stromab-Seite liegt. Es hat sich gezeigt, daß bei einigen Bauformen die Arbeitsweise des Fldidum-Verstärkerelements 10 dadurch verbessert werden kann, wenn der Steuerzugang 26 stromauf der Mitte der Kammer 20 angeordnet ist.

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Pig, 3 veranschaulicht in graphischer Darstellung das Verhältnis zwischen Steuerdruck und Aus'gangs&ruele . . bei einem "beispielhaften Betriebs^peisedruek von, 4Q6 miß Wassersäule, Ersichtlicherweise verbleibt der Ausgangs-» druck, entsprechend einem Turbulenzzustand des austretenden Fluidumstrahls vom Steuerdruck Null Ms zu einem verhältnismäßig niedrigen, einem Wert 30 entsprechenden Steuer-Überdruck auf einem geringen Wert, um dann bei, Erhöhung des Steuerdrucks vom Wert 30 aus um eineil kleinen Betrag auf einen Wert 31 plötzlich anzusteigen, was einem Übergang des austretenden Fluidumstrahls in den laminaren Zustand entspricht. Der austretende Fluidumstrahl bleibt sodann über einen bis zu einem Wert 32 reichenden weiteren Erhöhungsbereich des Steuerdrucks hinweg praktisch laminar, so daß der Ausgangsdruck auf einem erhöhten Wert verbleibt, während sich bei weiterer Erhöhung des Steuerdrucks über einen Wert 32 hinaus eine immer stärker werdende Turbulenz ausbildet, was bei Erreichen eines Werts 33 des Steuerdrucks ganz ausgeprägt in Erscheinung tritt. Bei weiterer Erhöhung des Steuerdrucks über den Viert 33 hinaus bis zu einem Wert 34 wird der betriebliche !Euröulenzzustand stromauf des Empfängerrohrs 13 noch verstärkt.

Ersichtlicherweise erzeugt also der Steuerdruck im Bereich zwischen den Werten 31 und 32 einen laminaren Strömung©-

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zustand und somit ein hohes Ausgangsdrucksignal, welches eine logische EINS darstellen kann, während außerhalb dieses Bereichs liegende Steuerdrucke einen Turbulenzzustand bedingen und mithin einen niedrigen Ausgangsdruck entsprechend einer logischen NULL erzeugen. Aus der graphischen Darstellung gemäß Fig. 3 ist ersichtlich, daß vergleichsweise kleine Änderungen des Steuerdrucks zur Unterscheidung zwischen dem niedrigen, einem Ttfbulenzzustand entsprechenden Ausgangsdruck und dem hohen, einem Laminarzustand entsprechenden Ausgangsdruck herangezogen werden können. Genauer gesagt, ist der Steuerdruckunterschied zwischen den Wert/30 und 31 sowie zwischen den Werten 32 und 33 jeweils ziemlich klein, so daß sich ein verhältnismäßig enger Übergangsbereich ergibt.

Anhand der Kurve 35 in Fig, 4, welche einen Betriebszustand des Fluidum-Verstärkerelements 10 veranschaulicht, bei welchem das Außenende 28 des Steuerzugangs 26 einfach zur Außenluft hin offen ist, ist ersichtlich, daß der Ausgangsdruck allgemein niedrig ist und sich in gewissem Maß mit einer Erhöhung des Speisedrucks erhöht, wie dies folgerichtig bei einem Turbulenzzustand der Fall ist. Wenn der Steuerzugang 26 durch Verschließen des Außenendes 28 geschlossen und somit die Kammer 20 gegenüber Außenlufteinflüssen abgedichtet ist, ergibt

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sich, wie durch die Kurve 36 in Pig· 4- angedeutet, bei vergleichsweise niedrigen Speisedrucken unterhalb eines Werts 37 ein laminarer Fluidumstrom, während bei höheren Speisedrucken Turbulenz eintritt. Dieser Zustand zeigt, daß der innerhalb der abgeschlossenen Kammer 20 herrschende Druck innerhalb des Steuerdruckbereichs lie,gt, bei welchem eine Laminarströmung.über einen bis zum Speisedruck 37 hinweg reichenden Bereich niedriger Speisedrucke hervorgebracht werden kann.

Wenn der an das Außenende 28 des Steuerzugangs 26 angelegte Steuerdruck beispielsweise bei etwa 40,6 ram Wassersäule konstant gehalten wird, ergibt sich ein in Pig. durch die Kurve 38 angedeuteter Verlauf des Ausgangsdrucks, wobei sich bei Speisedrucken bis zu einem verhältnismäßig hohen Wert 39 von beispielsweise etwa 483 mm Wassersäule eine laminare Strömung ausbildet, während nach Überschreiten dieses Werts Turbulenz auftritt und demgemäß der Ausgangsdruck abfällt. Hieraus kann gefolgert werden, daß der Bereich der für die Hervorbringung eines laminaren Betriebszustands geeigneten Steuerdrucke vom jeweils angewandten Speisedruck abhängt.

Fig. 5 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer aus geätzten Platten bestehenden Ausfüh-

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rungsform des erfindungsgemäßen Fluidum-Verstärkereleiaents. Bei dieser Ausführungsform besteht das Fluidum-Verstärkerelement aus vier übereinandergeschichten, fest miteinander Überbundenen Platten 40a, 40b, 40c und 4Od. An einen Speiseeinlaß 41a kann Druckfluidum angelegt v/erden, das durch eine Öffnung 41b hindurch, die in Verbindung mit einer Ausnehmung 41c eine Kammer bildet, in eine durch zusammengepaßte geätzte Kanäle 42a und 42b gebildete Speiseleitung einzutreten vermag, welche in eine durch zusammengepasste Ausnehmungen 43a und 43b gebildete Kammer einmündet, von der aus eine Ansatzleitung abgeht, die durch zusammengepaßte geätzte Kanäle 44a und 44b gebildet wird. Die Ansatzleitung 44a, 44b mündet in einen Zwisehenbereich ein, der durch eine Ausnehmung 45a mit in dar Platte 40b ausgebildeten Armen 45f und 45g sowie eine angepaßte Ausnehmung 45b mit in der Platte 40c ausgebildeten Armen 45h und 45i gebildet wird» Der auf diese ./eise gebildete Zwischenbereich weist einen Druckablaß zur Außenluft über in der Platte 40a vorgesehene Öffnungen 45c und 45d sowie in uer Platte 4Od vorgesehene Öffnungen 43e und 45f auf. Die durch geätzte Kanäle 46a und 46b gebildetö iJinpfäri_l7;oirleitung kommuniziert mit einer ■iurcn eine■Ausnehmung 47a und eine angepasste geätzte

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Eine Öffnung 48a kann mit einem Steuersignal beaufschlagt werden, das über eine durch eine öffnung 48b und eine angepaßte geätzte Ausnehmung 48c, die einen länglichen Kanal 48d zur Erzeugung eines Steuerstrahls aufweist, gebildete Kammer geleitet wird. Der Kanal 48d kommuniziert über eine über Öffnungen 4?a und 49d gegenüber der Außenluft offene, durch eine Öffnung 49b in Verbindung mit einer Öffnung 49c gebildete Verbindungskammer sowie über eine durch geätzte Kanäle 50a und 50b gebildete Steuerleitung mit der durch die Ausnehmungen 43a und 43b gebildeten Kammer. Der vom Kanal 48d abgegebene Steuerstrahl kreuzt die durch die Kanäle 50a und 50b gebildete Außenluft-Verbindungskammer zur Steuerleitung, wodurch das Steuersignal in, der Steuerkammer verstärkt wird.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion arbeitet auf ähnliche Weise wie das in Verbindung mit den, Fig. 1 bis 4 beschriebene Fluidum-Verstärkerelement. Darüberhinaus ist jedoch ein durch geätzte Kanäle 51a und 51 b gebildeter Verbindungskanal vorgesehen, welcher eine Verbindung zwischen der.durch die Ausnehmungen 47a und 47b gebildeten Empfanger-Ausgangskammer und der durch die öffnungen 49b und 49c gebildeten Verbindungskammer herstellt. Die Aufgabe dieses Verbindungskanals bestellt in der Lieferung des an der Empfänger-Ausgangskamuier 47a_r 47b

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erscheinenden Signaldrucks, wenn das Fluidum-Verstärkerelement einen Laminarstrom aus der durch die Kanäle 44a und 44b gebildeten Ansatzleitung liefert, zur Verbindungskammer 49b, 49c. Das Empfänger-Ausgangssignal wird unter einem durch die Ausrichtung des Endes 51c des Verbindung skanals 51a, 51b festgelegten Winkel an die Verbindungskammer 49b, 49c angelegt, wobei infolge dieses Winkels ein Empfänger-Drucksignal an einen Einlaß 50c der Steuerleitung 50a, 50b angelegt wird. Bei dieser Anordnung wird der laminare Betriebszustand des Fluidum-Verstärkerele^jnents aufrechterhalten, auch wenn das Hochdruck-Steuersignal am Steuerzugang 48a verschwindet.

Um diese Aufrechterhaltung des laminaren Betriebszustands wieder aufzulösen, icann einem von zwei Zugängen 52a und 52b ein Entkopplungssignals aufgeprägt werden. Diese Zugänge 52a, 52b kommunizieren über geätzte Ausnehmungen 52c bzw. 52d mit der durch die Kanäle 44a und 44b gebildeten Ansatzleitung, so daß der über diese Ausnehmungen 52c, 321 strömende Fluiiumstrahl auf den durch die Ansatzleitung strömenden laminaren Fluidumstrahl trifft und ihn unterbricht. Hierdurch wird das Empfänger-Ausgangssignal verkleinert, wodurch wiederum das Ende 51c der Verbindungsleitung 51a, 51b vom Fluidum entlastet und die Kopplung des Pluidum-Verstärkerelements an den laminaren Betriebzustand aufgehobon wird.

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In Fig. 6 ist eine A_Usführungsform des erfindungsgemäßen Fluidum-Verstärkerele-_ments mit UND-Schaltfunktion dargestellt, wobei zwei .Kammern 20 und 60 in Reihe hintereinandergesehaltet sind, von denen jede mit einem Steuerzugang 36 bzw» 66 versehen ist* Im Betrieb dieser Ausführungsform wird ein laminarzustand des aus dem Auslaßende 23 austretenden Fluidumstrahls hervorgebracht, wenn entsprechende Überdrucksignale an beide Außenenden 28 und 68 der Steuerzugänge 26 bzw. 66 angelegt werden, Genauer gesagt, muß an beide Steuerzugänge 26 und 66 jeweils .eine logische EINS angelegt werden, um einen laminaren EINS-Zustand zu erreichen. Wenn an einem der Steuerzugänge keine logische BINS vorhanden ist, ist das Ausgangssignal des Empfängerrohrs 13 infolge der Turbulenz des austretenden Fluidumstrahls klein. Die aus den beiden Kammern 20, 60 gebildete Doppel-Kombination arbeitet mithin als Vorrichtung mit logischer UND-Sohaltfunktion, bei welcher alle Steuereingänge den EINS-Zustahd besitzen müssen, damit das Empfänger-Ausgangssignal entsprechend EINS darstellt. Selbstverständlich können bei speziellen Fluidum-Verstärkerelementen mit logischer UND-Sehaltfunktion auch mehr als zwei Kammern 20, 60 in Reihe miteinander geschaltet sein, wobei die Anzahl von Kammern der Anzahl der gewünschten UND-Sehalteingängen entsprechen kann.

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Zusammenfassend schafft die Erfindung ein Fluidum— Verstärkerelement mit logischer 8ehaltfunktion, das eine über eine Kammer mit einer zweiten Strömungsleitung kommunizierende Strömungsleitung aufweist, wobei beide Leitungen auf einer gemeinsamen Zentralachse miteinander fluchten und jeweils einzeln eine kürzere Länge besitzen als die Länge, die bei den infragekommenden Strömungsgeschwindigkeiten für die Hervorbringung einer Laminarströmung durch die beiden Leitungen erforderlich ist, während beide Leitungen hintereinander angeordnet gemeinsam eine für die Erzeugung einer Laminarströmung ausreichende Länge besitzen. Diese "Vorrichtung weist weiterhin einen mit der Kammer kommunizierenden Steuerzugang und eine stromab der Kombination aus Kammer und Leitungen angeordnete und mit letzteren axial fluchtende Empfängerleitung auf, wobei bei den infrage kommenden Strömungsgeschwindigkeiten über den Steuerzugang ein Steuersignal an die Kammer anlegbar ist, durch welches der aus der Kammer-Leitungs-Kombination austretende Fluidumstrahl zwischen einem Laminar- und einem Turbulenzzustand umschaltbar ist, wodurch an der Empfängerleitung logische EIlTS- bzw. ITULL-Zustände registriert werden, und wobei im allgemeinen in einem bestimmten Bereich von Steuer-Überdrucken ein Laminarzustand des austretenden Pluidumstrahls erzeugb wird»

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Obgleich, vorstehend nur einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen und der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden_e Aus diesem Grund soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen und Abwandlungen mit einschließen,.

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Claims

Paten tansprüche

Fluidum-Verstärkerelement zur Durchführung einer logischen Schaltfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei in Reihe miteinander geschaltete, durch einen Kammerhohlraum miteinander verbundene Strömungsleitungen aufweist, die auf einer gemeinsamen Achse miteinander fluchten und die einzeln jeweils kürzer sind als die zur Hervorbringung einer bei den infragekommenden Strömungsgeschwindigkeiten laminar austretenden Strömung erforderliche Länge, während sie bei Hintereinanderanordnung unter Einschaltung der Kammer eine zur Hervorbringung einer laminar austretenden Strömung ausreichende Länge besitzen, daß an die erste Leitung eine Fluidumdruckquelle zur Lieferung eines unter solchem Druck stehenden Fluidums anschließbar ist, daß sich in den beiden Leitungen eine ihrer ausgewählten Länge entsprechende Strömungsgeschwindigkeit ausbildet, daß ein Steuerzugang vorgesehen ist, welcher mit einem in die Kammer einleitbaren Steuersignal beaufschlagbar ist, um den in der Kammer herrschenden Druck zu erhöhen, wodurch die beiden Leitungen gemeinsam in einen gesteuerten, eine

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Laminarströmung erzeugenden Betriebszustand versetzt werden, so daß aus der zweiten Leitung ein laminarer Fluidumstrahl austritt, und daß eine Einrichtung zur Feststellung des Zustande des aus der zeiten Leitung austretenden iTuidumstrahls vorgesehen ist*
2. Fluidum-Verstärkerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Feststellung des Zustande des Fluidumstrahls eine stromab der zweiten Strömungsleitung angeordnete Empfängerleitung aufweist.

3* Fluidum-Verstärkerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Feststellung des Zustande des Fluidumstrahls über eine Verbindungsleitung mit dem Steuerzugang gekoppelt ist, welche dem Steuerzugang einen erhöhten Druck aufprägt, wenn die Einrichtung zur Feststellung des Zustands des austretenden Fluidumstrahls einen Laminarzustand feststellt, so daß der austretende Fluidumstrahl auch beim Fehlen eines Steuersignals am Steuerzugang laminar verbleibt.

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4· Fluidum-Verstärkerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Kammer ein zweiter Kammerhohlraum vorgesehen ist und daß zur Hervorbringung einer laminar austretenden Steuerung gleichzeitig zwei Steuersignale an beide Kammern angelegt werden müssen.

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