DE2315806A1

DE2315806A1 - Vorrichtung zur analyse des betriebsverhaltens rotierender maschinen

Info

Publication number: DE2315806A1
Application number: DE2315806A
Authority: DE
Inventors: Lyle Vance Rennick
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1972-04-03
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1973-10-18
Also published as: JPS4910778A; GB1355944A; US3733892A; FR2178881A1

Description

PATENTANWALTS öipl.-hg. M A RTI N LICHT

Dr. REINHOLD SCHMIDT

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN

s Dipl.-Wirtsch.-lng. AXEL HANSMANN

Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

München, den

Ihr Zeichen Unser Zeichen

NORTHROP CORPORATION

Los Angeles j Kalifornien 9OO67

Century City

1800 Century Park East

V₀ St. A.

Vorrichtung zur Analyse des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf eine Vorrichtung zum Analysieren des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen und insbesondere auf eine Vorrichtung der genannten Art, welche die Analyse durch synchrone Messungen der Amplituden von Schwingungskomponenten auf der Maschinenrotationsfrequenz und deren Harmonischen durchführt .

Zur Analyse der kennzeichnenden Größen des Betriebs— Verhaltens rotierender Maschinen sind Verfahren entwickelt worden, welche die Messung der Schwingungen der zu prüfenden Maschine und deren Vergleich mit den Schwingungen eines Modells einbeziehen. Im allgemeinen werden bei dieser Analyse Schwingungen aus einem bestimmten Frequenzspektrum in einer Spektralanalysiereinrichtung beobachtet und das

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

8 MÖNCHEN 2, THERESI ENSTRASSE 33 · Telefon ι 2812 02 · Telegramm-Adresse: Lipatli/ München Bayer. Vereinsbank Mönchen, Zweigst Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882495 · Postscheck-Konto: Mönchen Nr. 1633 97

Oppenauer Bora: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

Spektralbild mit dem eines Modells verglichen. Bei Verwendung dieses Verfahrens kann nach einer Reihe von Versuchen festgestellt werden, daß bestimmte Mangel oder Fehler einer speziellen Maschinenkonfiguration "Spuren" im Spektralbild hinterlassen, die mit Hilfe elektrischer Filter gefunden werden können. Daraufhin kann nun ein Diagnosesystem konstruiert werden, das spezielle Filter zum Erfassen der interessierenden Schwingungskomponenten enthält. Die Amplitude dieser Schwingungskomponenten wird bestimmt und mit Bezugsamplituden verglichen, wodurch das Vorhandensein verschiedener Fehler oder Mangel festgestellt werden kann. Bei dieser dem Stand der Technik entsprechenden, näherungsweisen Lösung des Problems ist es wichtig, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Maschinenkonfiguration exakt kontrolliert wird, weil die erzeugten Schwingungen sich mit der Rotationsgeschwindigkeit ändern. Die Verwendung eines festen Satzes von Filtern beschränkt ferner im allgemeinen die Anwendung einer solchen Vorrichtung auf eine ganz bestimmte Maschinenkonfiguration. Eine universelle Anwendbarkeit scheidet damit praktisch aus.

Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Vorrichtung sieht vor, daß die in einer Maschine erzeugten Schwingungen, die in einem harmonischen Zusammenhang mit der Rotationsgeschwindigkeit der Maschine stehen, gemessen werden, wobei die Frequenz der gemessenen Schwingungen automatisch mit der Rotationsfrequenz der Maschine synchronisiert wird. Da die gemessenen Schwingungskomponenten automatisch in einem harmonischen Zusammenhang mit der Rotationsgeschwindigkeit der Maschine stehen, kann deshalb die Vorrichtung auf viele verschiedene Maschinenkonfigurationen angewendet werden. Eine spezielle Anpassung an eine bestimmte Maschine entfällt also_o Die dieser Erfindung zugrundeliegende Vorrichtung ist in der Lage, äußerst genaue

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Messungen der interessierenden Schwingungskomponenten vorzunehmen. Trotzdem ist sie relativ einfach und wirtschaftlich aufgebaut.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der das Betriebsverhalten rotierender Maschinen leichter analysiert werden kann.

Außerdem soll die zur Analyse des Betriebsverhaltens von rotierenden Maschinen vorgesehene Vorrichtung ihre Schwingungsmessungen an die Rotationsfrequenz der Maschine selbst anpassen.

Ferner soll der Anwendbarkeitsbereich der Vorrichtung im Vergleich zu den dem Stand der Technik entsprechenden Geräten dieser Art vergrößert werden.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Es wird ein Impulssignal erzeugt, das ein genaues Vielfaches der Rotationsfrequenz einer zu prüfenden Maschine darstellt. Ein Sensor erzeugt ein elektrisches Signal, und zwar in Übereinstimmung mit Schwingungen, die in der Maschine aufgrund ihrer Rotation erzeugt werden. Niederfrequente Anteile dieses Signals werden herausgefiltert und zu zwei Schalterein— richtungen geleitet. Die in Übereinstimmung mit der Rotation in der Maschine gelieferten Impulssignale fließen zu einem Schaltsignalgenerator, wo Signale erzeugt werden, die in der Phase um 90 verschoben und mit der Rotationsfrequenz der Maschine synchronisiert sind. Diese um 90 in der Phase verschobenen Signale gelangen zu den Schaltereinrichtungen und dienen dort zur Schaltersteuerung, um ein Abtasten der SchwingungsSignaIe mit einer Phasenverschiebung um 90 vorzusehen. Die Ausgangs—

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signale der Schaltereinrichtungen werden integriert und in eine Rechteckform gebracht. Die rechteckförmigen Signale werden summiert und zu einer Indikatoreinrichtung geleitet, welche eine Anzeige über die Amplitude der Schwingungskomponenten bei der Maschinen— rotationsfrequenz oder deren Harmonischen liefert»

Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein FunktionsblockscJialtbild einer bevorzugten

Ausführungsform dieser Erfindung; Fig. 2 verschiedene Signalformen, wie sie in der in Fig.

gezeigten AusfUhrungsform auftreten können; und Fig. 3 das Funktionsschema eines Schaltsignalgenerators, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Vorrichtung enthält, zusammenfassend betrachtet, einen Schwi_ngungssensor zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Übereinstimmung mit den Schwingungen einer zu prüfenden, rotierenden Maschine_o Niederfrequente Anteile des Schwingungssignals werden herausgefiltert und zu zwei Schaltereinrichtungen gesendet. Das Schalt— signal für jede dieser Schaltereinrichtungen wird von einem Schaltsignalgenerator geliefert. Die zu den beiden Schalterein·^· richtungen fließenden Schaltsignale sind in der Phase um 90° gegeneinander verschoben. In Übereinstimmung mit der Rotationsfrequenz der zu prüfenden Maschine wird ein elektrisches Signal erzeugt und der Schaltsignalgenerator und damit das Schaltsignal für jede der Schaltereinriehtungen werden mit dem Ausgangssignal des Rotationssensors oder einem genauen Vielfachen seiner Frequenz

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synchronisiert. Die Ausgangssignale jeder der Schaltereinrichtungen werden getrennt voneinander integriert und in eine ßetfateckform
gebracht. Schließlieh werden die beiden rechteckförmigen Signale
in einer Summierungsschaltung addiert. Das Ausgangssignal der
Summierungsschaltung, das die Größe des sich aus der Addition der beiden um 90° in der Phase verschobenen Signale ergebenden Vektors darstellt, fließt zu einer Indikatorschaltung. Ihre Anzeige gibt
die Größe einer Maschinenschwingungskomponente, die von Interesse ist, wieder.

Es soll nun auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen werden, wo eine bevorzugte AusfUhrungsform dieser Erfindung und die dabei entstehenden Signale dargestellt sind. Die Schwingungen einer zu prüfenden Maschine 11 werden durch einen Schwingungssensor 13 festgestellt. Der Sehwingungssensor kann aus einem auf der Maschine angebrachten Beschleunigungsmesser bestehen. Das elektrische Ausgangssignal des Schwingungssensors 13 fließt zu einem Tiefpaßfilter 15, welches
alle hochfrequenten Komponenten herausfiltert. Nur die Grundfrequenz und Harmonische niedriger Ordnung, die von Interesse

sind (typischerweise die Grundfrequenz und die zweite Harmonische), werden hindurchgelassen. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 15 wird in einem Verstärker 17 verstärkt, um das Verhältnis zwischen Nutzsignalpegel und Rauschpegel zu verbessern. Das Ausgangssignal 17 fließt zu jeder der Schaltereinrichtungen 19 und 21. Die
Schaltereinrichtungen 19 und 21 können elektronische Gatterschaltungen oder herkömmliche Schalter enthalten.

Der Rotationsmesser 24 ist in der Nähe der Ausgangswelle lla der Maschine angebracht und liefert bei jeder Umdrehung der Welle einen Ausgangsimpuls. Der Rotationssensor 2h kann ein photoelektrischer Sensor sein, welcher mit einer Lichtreflexionsmarke 12 auf
der Welle lla zusammenwirkt. Er kann aber auch aus einem magnetischen Sensor bestehen, wobei die Marke 12 eine Nut in der Welle

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ist. Mit jeder Wellenumdrehung wird dabei aufgrund der verursachten Änderung des Magnetfeldes ein Signal im Sensor ausgelöst. Das Ausgangssignal des Rotationssensors 24 fließt zum Impulsformer 26, welcher das Signal in eine Rechteckform bringt, so wie in Zeile A von Fig. 2 gezeigte Das Ausgangssignal des Impulsformers 26 fließt zu einem Frequenzvervielfacher 28, der das Impulssignal um einen bestimmten Faktor vervielfacht. In dem zur Erläuterung dienenden Beispiel der Zeile B von Fig. 2 hat dieser Vervielfachungsfaktor den ¥ert k_a Dieser spezielle Faktor wird zur Analyse von Schwingungskomponenten synchron zur Grund— rotationsfrequenz der Maschine benutzt. Bei der Analyse von Schwingungen synchron zur doppelten Rotationsfrequenz würde der Multiplikationsfaktor den Wert 8 haben, zur Analyse von Komponenten mit der dritten Harmonischen den ¥ert 12, usw.

Das Ausgangssignal des Frequenzvervielfachers 28 fließt zum Schaltsignalgenerator 30. Aus diesen Signalen entwickelt der Schaltsignalgenerator zwei um 90° in der Phase verschobene Schaltsignale (in Zeile C und D von Fig. 2 dargestellt). Diese Signale in dem zur Erläuterung dienenden Beispiel liegen auf der Grundrotationsfrequenz der Maschine. Der Schaltsignalgenerator 30 kann logische Gatterschaltungen enthalten, welche mit Flip-Flop-Schaltungen der in Fig. 3 gezeigten Art zusammenarbeiten. Die Flip-Flop-Schaltungen werden unten noch näher beschrieben. Jedes Ausgangssignal des Schaltsignalgenerators 30 wird als Schaltsignal für eine der Schaltereinrichtungen 19 und 21 benutzt, so daß die Ausgangssignale des Verstärkers 17 durch jeden dieser Schalter während derjenigen Zeitintervalle geschleust werden, in welchen die Schaltsignale, wie sie in Zeile C und D von Fig. 2 gezeigt sind, gegenwärtig sind. Die Signale fließen von den Schaltern 19 und 21 zu entsprechenden Integratorschaltungen 37 und 38» wo sie jeweils integriert und dann zu eigenen Schaltungen kO und k2 geleitet werden, wo. die Signa!spannungen in

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eine Reehteekform gebracht werden *

Die Ausgangssignale der Schaltungen 40 und 42 fließen zur Sumniierungsschaltungen 45, wo sie addiert werden. Das Summensignal gelangt zum Verstärker 47, der es in geeigneter Weise skaliert und verstärkte Das Ausgangssignal des Verstärkers 47 fließt zur Anzeigeeinrichtung 49, die ein Voltmeter enthalten kann, welches eine Anzeige über den Amplitudenwert der gemessenen Schwingungskomponente liefert. Die Integrationszeit für die Signale wird über einen Integrationszeitgeber 51 gesteuert, der das Schließen der Schalter 19 und 21 eine bestimmte Zeit lang unterbindet, wenn der Schalter 62 in die "Start"-Position gebracht worden ist. Vor jeder Messung wird der Schalter 53 in die "Rücksetz"~Position gebracht, um die Ihtegratorschaltungen auf Null zu setzen„

Es soll nun auf Fig. 3 Bezug genommen werden, wo ein Schaltsignalgenerator sehematisch abgebildet ist, der in der dieser Erfindung zugrunde liegenden Vorrichtung verwendet werden kann. Die Schaltung besteht aus zwei Flip-Flop-Einheiten, die "über Kreuz" miteinander verbunden sind. Nach Fig. 2 arbeitet die Schaltung in der folgenden Weise: Angenommen, beide Flip—Flop-Einheiten befinden sich anfangs im RUcksetzzustand, d.h. beide Ausgänge im Zustand eines logischen "NEIN" und die Signale auf den Zeilen C und D von Fig. 2 im logischen Zustand "0". Der nächste auf der Leitung 62 ankommende Impuls bewirkt, daß die Flip-Flop—Einheit 60 ihren Ausgang auf das logische "JA" setzt. Dieser Impuls hat keinen Einfluß auf die Flip-Flop-Einheit 6l. Ihr Ausgang bleibt auf"NEIN"» Der nächste Impuls auf der Leitung 62 ändert den Zustand der Flip—Flop—Schaltung 60, bringt aber die Flip-Flop-Schaltung 6l in den Setz—Zustand, so daß ihr Ausgang den logischen Wert "JA" ariimmt. Der folgende Impuls auf der Leitung 62 bewirkt, daß die Flip-Flop-Schaltung 60 rückgesetzt wird (wegen des "JA"—Eingangssignals auf ihrem Rücksetz— eingang, der mit dem Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 6l verbunden

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ist), der Zustand der Flip-Plop-Schaltung 6l ändert sich aber nicht. Zur Vervollständigung dieses Zyklus setzt der nächste Impuls auf der Leitung 62 die Flip-Flop-Schaltung 6l zurück_s wobei die Schaltung in den Ausgangszustand zurückkehrt.

Es soll nun auf Zeile E von Figo 2 Bezug genommen werden» Das Signal i stellt eine Schwingungskomponente auf der Rotationsfrequenz der Maschine dar, die sich mit dem Ausgangsimpuls des Impulsformers 26 (Zeile A von Fig. 2) in Phase befindet«, Für eine solche Schwingungskomponente liefert die Integratorschaltung 37 ein positives Ausgangssignal, weil das Schaltsignal (Zeile G) nur während der positiven Teile des Schwingungseingangssignals auftritto Die Integratorschaltung 38 andererseits liefert ein Aus— gangssignal "Null" ₉ weil das zum Schalter 21 fließende Schaltsignal während positiver und negativer Abschnitte des Signals erscheint.

Für das Signal 2 auf der Zeile E liefert jede der Integratorschaltungen ein Ausgangssignal, das in jedem Fall die Differenz zwischen der Fläche unter den positiven und negativen Abschnitten des Signals angibt«, Die Summierungsschaltung 45 liefert ein Aus— gangssignal in Übereinstimmung mit der Amplitude der Vektorsumme der beiden Ausgangssignale der Integratorschaltungen, Dieses Aus— gangssignal gibt genau die Amplitude der Schwingungskomponente an. Durch Verwendung der beiden um 90° in der Phase verschobenen Schaltsignale erhält man daher stets ein Ergebnis, das dem .Amplitudenwert der Schwingungskomponente entspricht, und zwar unabhängig von der Phasenbeziehung zur Maschinenumdrehung. Es ist leicht einzusehen, daß irgendeine Schwingungsenergie, die nicht im Gleichlauf mit den Schaltvorgängen der Schalter 19 und 21 und damit nicht auf der Grundrotationsfrequenz der zu prüfenden Maschxnenkonfigura— tion ist, genau so oft während positiver und negativer Auslenkungen abgetastet wird«, Das Integrationsergebnls ist damit, unabhängig von der Größe, NuIl₀ Es ist ferner einzusehen, daß die Vorrichtung auch für Harmonische der Maschinenrotationsfrequenz verwendet

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werden kann, indem man den Multiplikationsfaktor des Frequenzvervielfachers 28 ändert· Zur Messung etwa der zweiten Harmonischen sollte der Multiplikationsfaktor des Vervielfachers verdoppelt werden, usw. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die effektive Bandbreite der Vorrichtung in umgekehrter Beziehung zur Integrationszeit steht, die vom Integrationszeitgeber 5i geliefert wird_o Die Bandbreite der Analyse kann also verringert und das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Rauschpegel erhöht werden, indem man die Integrationszeit steigert.

Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Vorrichtung stellt also ein einfaches aber hochwirksames Mittel zur genauen Messung von Schwingungskomponenten in einem Element einer rotierenden Maschinenkonfiguration, etwa eines Motors, Triebwerkes od.dglo, dar, wobei die Schwingungskomponenten, die von Interesse sind, genau bestimmt werden können«

Die detaillierte Beschreibung und Darstellung der dieser Erfindung entsprechenden Vorrichtung soll nur als Beispiel und zur Erläuterung gedacht sein und keine irgendwie geartete Beschränkung des Erfindungsbereiches darstellen«

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Claims

-JO-

PATENTANSPRÜCHE

VlJ Vorrichtung zur Analyse des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, wobei die Amplituden von in der Maschinenkonfigurätion erzeugten Schwingungen gemessen werden und die Frequenz dieser Schwingungen in einem bestimmten harmonischen Verhältnis zur Rotationsfrequenz der Maschine steht, gekennzeichnet durch Einrichtungen (24) zum Erzeugen eines Impulssignals in Übereinstimmung mit der Rotationsfrequenz der Maschine; Einrichtungen (13) zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Übereinstimmung mit den Maschinenschwingungen während ihrer Rotation, wobei das elektrische Signal die zu messende Schwingungsenergie beinhaltet; einen Frequenzvervielfacher (28) zum Vervielfachen des Impulssignals um einen Faktor und in Übereinstimmung mit der harmonischen Beziehung zwischen der zu messenden Komponente und der Maschinenrotationsfrequenz; einen Schaltsignalgenerator (30), der auf das vervielfachte Impulssignal anspricht und Signale erzeugt, die in der Phase um 90° gegeneinander verschoben sind und deren Frequenz der zu messenden Signalkomponente entspricht; getrennte Schaltereinrichtunhen (19, 2l)_? welche jeweils eines der um 90 phasenverschobenen Signale als Schaltersteuersignale empfangen, und zwar in Übereinstimmung mit der Maschinenschwingung; Einrichtungen (37» 38) zum Integrieren der Ausgangssignale der Schaltereinrichtungen; Einrichtungen (4Q₉ 42), welche die Ausgangssignale der Integrationseinrichtungen in eine Rechteckform bringen; Einrichtungen (45) zum Summieren der Ausgangssignale der Signalformungseinrichtungen (40, 42); und Einrichtungen (49) zum Anzeigen des Ausgangssignals der Summierungseinrichtung (45).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Komponente auf der Rotationsfrequenz der Maschinenkonfiguration liegt und der Multiplikationsfaktor der Vervielfachungseinrichtung (28) den Wert 4 besitzt.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Integrationszeitgeher (5i) zum Steuern der Zeitintervalle, in welchen die Signale in den Integrationseinrichtungen (37, 38) integriert werden«
4«, Vorrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ein Tiefpaßfilter (l5), welches nur Komponenten des Schwingungssignals hindurchläßt, deren Frequenz nicht größer als die der zweiten Harmonischen der Rotationsfrequenz der Maschine ist·
5· Vorrichtung zum Messen der Größe einer Schwingungskomponente, die in der von einer rotierenden Maschine erzeugten Schwingungsenergie enthalten ist und deren Frequenz in harmonischem Zusammenhang mit der Rotationsfrequenz der Maschine steht, gekennzeichnet durch Einrichtungen (24) zum Erzeugen eines Impulssignals in Übereinstimmung mit der Rotationsfrequenz der Maschine; Einrichtungen (30), welche auf das Impulssignal ansprechen und zwei in der Phase um 90° verschobene Signale erzeugen, die auf der Rotationsfrequenz der Maschine liegen; Einrichtungen (13) zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das die von der Maschine während ihrer Rotation erzeugte Schwingungenergie wiedergibt; getrennte Schaltereinrichtungen (19, 21), welche jeweils auf eines der um 90° in der Phase verschobenen Signale ansprechen, um das Signal, das die Schwingungsenergie darstellt, zu schalten; Einrichtungen (37, 38) zum Integrieren der Ausgangssignale jeder der Schaltereinrichtungen; Einrichtungen (40, 42), welche die Ausgangssignale jeder der Integrationseinrichtungen in eine Rechteckform bringen; Einrichtungen (45) zum Summieren der Ausgangs— signale der Signalformungseinrichtungen (40, 42); und Anzeigeeinrichtungen (149), welche das Aus gangs signal der Summierungsschaltung (45) empfangen und eine Anzeige über seine Größe liefern, wobei Schwingungsenergie j die nicht auf der Frequenz der Schwingung ekompon ent e liegt, in den Integratoreinrichtungen eliminiert wirdo

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch einen Integrationszeitgeber (51)» welcher die Zeitdauer der Integration steuert.
7· Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch Einrichtungen (24) zum Erzeugen eines Impulssignals_s wobei diese Signale auf der Rotationsfrequenz liegen; und Frequenzvervielfaehereinrichtungen (28) zum Vervielfachen der Ausgangsimpulse um einen Paktor und in Übereinstimmung mit der harmonischen Beziehung zwischen der zu messenden Komponente und der Maschinenrotationsfrequenz.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Signalkomponente auf der Rotationsfrequenz der Maschine liegt und der Vervielfachungsfaktor der Frequenzvervielfacherschaltung den Wert h besitzt,,

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