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超声波温度测量


这个项目, 超声波温度测量 from 1986年,显示了一种测量温度的极其不寻常的方法。

基本上振动超声波导向器末端的传感元件,并使用显示材料弹性模量的材料的物理依赖性的材料!



超声波温度测量执行摘要

该设计涉及远程超声波温度测量的布置。该装置采用传感器,其又包括机电换能器,传感元件和中空超声波波导,用于将传感元件耦合到换能器。换能器设计成在波导的内表面上传播扭转或径向剪切模式的表面波。

波导的壁是足够厚的,使得施加到波导外部的支撑夹对室内波传播没有不利影响。传感元件可以是使用内表面波传播的中空结构,用于保护感测元件的有源内表面或者可以暴露于环境的主动外表面的固体结构。

超声波温度测量的背景

1.设计领域

本设计涉及超声波温度测量,更具体地涉及一种新型远程超声波温度传感器。

2.现有技术的描述

众所周知,材料的弹性模量是温度依赖性的,通过测量材料中的声波传播的速度,可以通过测量温度来测量温度。最常见的测量方法是使用飞行时间或飞行时间测量的时间,其中在传感元件中的两个不同位置产生反射。

自从此以来"time of flight"应该以暴露于相同温度的材料测量,并且由于机电换能器通常不能暴露于高温,因此常规用于在正常环境中的换能器和高温环境中的耦合元件之间提供声学耦合装置。

遗憾的是,用于声学耦合的传统实心杆需要支撑夹具,其通过产生不需要的反射来干扰耦合功能。

超声波温度测量概述

因此,本发明的目的是提供改进的超声波温度传感器。

该设计的另一个目的是提供一种改进的远程超声波温度传感器,其中温度传感元件可以远程放置在机电换能器和电子器件上。

设计的另一个目的是提供一种远程超声波温度传感器,其具有改进的耦合元件,用于将温度传感元件耦合到机电换能器。

设计的这些和其他目的在包括超声波温度传感器和相关电气装置的超声波温度测量装置中实现。超声波温度传感器包括机电换能器,传感元件和用于将换能器耦合到传感元件的耦合元件。

联接元件具有第一端,第二端和在端部之间延伸的内圆柱表面,用于传播具有轴对称的声学内表面波。这些优选地是扭转或径向剪切波。选择耦合元件的壁厚比表面波的渗透深度更大,以允许外部机械支撑,而不会对内部波的传播产生显着影响。这决定了设计在外和内径之间至少提供约10到1的比率。

机电换能器机械地耦合到联接元件的第一端并具有一对电端子。当换能器电激励时,它在连接元件的内表面朝向第二端发动具有轴对称(例如扭转波)的声学波。

当换能器电不合形时,它响应于在耦合元件的内表面上传播并在第一端传播的声波提供电气输出。

感测元件是用于经受测量和声学耦合到联接元件的热条件的温度感测的第二声波传播元件。在实际结构中,传感元件具有第一和第二不连续性,波动传播的速度是温度相关的弹性模量的函数。

耦合到换能器的电端子的电路装置将电波施加到换能器以发射声波并响应当声波冲击在换能器上时反射的换能器输出电压。电路意味着确定从第一和第二不连续性的反射接收的次数的差异。

该时间差被用作传感元件中波传播的温度相关速度的量度,并且用于测量温度。

传播内表面波的耦合元件可以容易地与传感器一起使用,该传感器也传播以扭转模式操作的内表面波或传感器,并且暴露于所测量的温度条件。


图1A:是适用于实验室使用的超声波温度测量的装置的插图,根据本发明的第一实施例的利用远程超声波温度传感器进行超声波温度测量的装置



超声波温度测量的描述

用于超声波温度测量的布置,适用于实验室使用,并且使用使用内表面波传播的新型远程超声波温度传感器11在图2中示出。 1A。传感器11在应用中示出,其中设计成与超声波脉冲层13,示波器14和校准图(未具体示出)协作测量烤箱12的温度。

远程超声波温度传感器11由三个主要元素组成。这些元件包括温度传感元件15,其是用于在烤箱12内引入的声波传播元件,用于感测其温度,耦合元件16以中空波导的形式,用于耦合烤箱中的传感元件之间的声学​​内表面波在正态环境温度下的换能器17,以及发射和响应返回声波的换能器17。


图1BCD:示出了包括经受测量热条件的温度传感元件的传感器,该波导元件用于将敌对热环境中的传感元件耦合到相关的换能器和良性热环境中的电子设备,以及每个换能器硒。在图中。图1A,1B布置,波导耦合元件和传感元件均传播用于超声波温度测量的内表面波



传感器11的结构在图2中示出。 1BCD。传感器的主结构构件10具有管状构造,具有相对较小的中心开口21,其基本上延伸构件的长度并且提供内圆柱表面,其中具有轴对称的声学内表面波可以传播。

构件10的内径相对于外径小,使得壁厚将大于在内表面上传播的表面波的渗透深度,因此允许传感器的机械支撑而不会产生不利影响表面波在内部的传播。

在图中。 1实施例,连接元件16和感测元件15都形成在管状构件10上。

传感器11的换能器17在图1和图2中的传感器的最左端示出。 1a和1b。在这些图示中,换能器是类似于图1中所示的扭转机电换能器。 1C。换能器17机械地连接到构件10的最左端,并且包括一对电端子,当适当地通电时,在传感器的内表面上产生扭转声表面波,进入构件10的右端图。 1a插图。

当换能器17处于非电激励模式时,适于感测声波,从传感器的右端返回的声波,并在结构构件的内表面上传播,由换能器感测并转换成电气换能器出现的信号'S电气终端。

图1和2中采用的扭转机电换能器的构造。图1A和1B最佳地示出了图1中最佳示出。 1C。换能器30的主体是垫圈形圆偏振的(如箭头31所示)压电陶瓷,通常具有外径的PZT-5(引线锆酸盐钛),其略大于构件的中心腔室21 10。

如果中心室21为0.025",换能器的外径可以是0.040"。在换能器具有中心开口32的情况下,它可能的内径为0.010"。换能器的厚度可以是0.010"。换能器的近距和远面设置有电极33和34,电极33和34覆盖这些表面,并且是用于电气连接到换能器的点。

换能器通常通过焊料刚性地靠近其周边靠近其周边到左侧的面部。换能器17的外径应略大于开口21的内径,以在换能器的周边和腔室21的内壁之间提供足够的机械连接。

这将提供与气缸21的内壁的联接,用于在内表面上发射表面波。

换能器17以下面的方式在结构构件10中的内壁上产生扭转声波。当电极33和34连接到不同的电电位时,在整个换能器的身体上产生轴向场。然而,该主体以圆形的方式偏振,如图2中的箭头31所示。 1C。

因此,与圆偏振相互作的轴向电场将在压电体中产生旋转剪切应力,使得具有电极33的面将相对于电极34的相对面旋转。如果应力的旋转感会相反逆转施加到电极的电位的极性。

换能器17的中心没有刚性地支撑以防止换能器的整体旋转,而是在构件10的端部上施加在换能器17的周边处的应力,从惯性(例如旋转力矩)产生换能器本身。在换能器中产生的扭转应力诱导构件10中的相应菌株。

物理布置被设计成将这些应力转移到构件10中的圆柱形室21的内壁,以在壁的内表面上以扭转模式传播。

第一实施例中的耦合元件16形成管状构件10的主要部分,如图所示的括号与从构件16的左端延伸到右端附近的直径23中的不连续的支架。 (在图1中最佳地看到的不连续23. 1A限定了传感元件的开始。)管状构件的横截面的直径,即耦合元件16假设内径为0.025", is typically 0.25",以便提供大于表面波穿透的深度的壁厚。

如前所述,这种壁厚的选择允许外部机械支撑到联接元件,而不会对内部波的传播显着影响。管状构件10,即耦合元件的内表面或腔室是圆柱形的,优选地是光滑的,并且具有适当的尺寸以将从换能器17发射的扭转模式内表面波朝向传感元件16传播。

为了从换能器17到联接元件的高效耦合,应对换能器的外径进行规定的尺寸选择(0.040")和内径(0.025")管状构件。由耦合元件提供的路径优选地通过使用合适的(高Q)材料来低损耗。

在较长的距离(例如,1.00英尺),当使用扭转模式以避免由于与封闭的气体交换而避免损失时,圆柱形开口不需要抽空。如将解释的,耦合元件16还必须适合于从感测元件15反射的耦合模式内表面波回到耦合元件15的右端并朝向换能器17进行。

第一实施例中的传感元件15在右端形成管状构件10的短部分。传感元件的位置由与附图标记15相关联的小支架表示,并且延伸到管状构件10的外末端。作为波传播结构的一部分的端盖24是螺纹的管状构件10的外表面并用作防止感测元件的内部的屏障。如图所示如图1B所示,帽24从管状构件10的端部处的开口间隔开。

在第一实施例中,传感元件15是在第一不连续23之间限定的管状构件10的部分,其设置在管状构件10内的传播路径中和在管状构件的右端的第二不连续之间。在第一实施例中,存在传播路径 - 在联接元件16和传感元件15的联轴器处,在23处具有导致不连续的反射。

公共传播路径为从耦合元件16到感测元件15的扭转内表面波和传感元件15到耦合元件的传播。

继续对感测元件15的描述,传感元件方便地是管状构件10的一部分并且具有如图1和2中所示的表面波的穿透深度的壁厚。 1a和1b。由于不需要对此结束的支持,因此这种尺寸是不可禁令的,但在操作中提供了很少的优点。

从联接元件16传播并耦合到感测元件15的内表面波通过该实施例中的不连续23耦合。不连续性23表示在联接元件中的圆柱形室21的直径上的感测元件内的圆柱形室29的直径的小幅增加。

不连续23处的内径的增加应向入射能量的略微下面的换能器和非反射率传递到感测元件15中的略微超过一半的入射能量的反射。这可以通过在传感元件内增加围绕圆柱形室29的整个圆周的内径。

在内部表面波的传播中,增加通常小于物质的深度的一半。将该划分带来的第二种方法是将一个或两个偏心放置的孔朝向管状构件10的末端倒入管状构件10.以这种方式,将提供一个或两个略微在能量的一半略微下方的小步骤略微小于腔室29的内部周边的一半。

传感器15,16和17与超声波脉冲/接收器13,示波器14和校准图(未示出)配合以执行超声波温度测量。在实验室应用中,合适的超声波脉冲/接收器是PANRAMETRIC型号5052 PR。示波器是HP 1743A。

脉冲/接收器13被设计成在20伏水平下产生短持续时间正脉冲(例如,10纳秒),其在适于激励扭转换能器17的阻抗处。同时,脉冲脉冲/接收器13包含一个接收器,该接收器被设计为将通常为10μVolts的回波信号放大到10毫伏,这是足够的水平,以实现示波器14的全垢偏转。

从元件13输出的脉冲输出耦合到示波器以进行同步显示,并且回声响应可以被门控到公共显示器中。

示波器14用于较粗糙的温度测量(。+ - 。2%),以测量收到回波的时间差异。这可以通过在公共示波器迹线上进行回声比较来完成。在人类观察者进行温度测量的情况下,必须识别回声波形,并且必须在确定中确定人力判断的情况下,该显示事件发生的事件用于测量温度的精确次数。

如前所述,本文考虑的温度测量值取决于在传感器15内设置在传感器15内的波传播路径的内表面上使用的扭转波的温度系数,并且在23和25处的不连续之间限定。

从脉冲/接收器13产生的波形在26处指示,而回声ε1 从第一种不连续性将近似于27所示的波形,其在稍后出现在换能器17的电端子的形式中。该波形在理想模型中,可以被认为是最初的正面(和略微圆形)三角形波浪后跟负面(和略微圆形)三角波。

不反映的波的部分并经由第一不连续23传播的波在旋转模式下以旋转模式继续,该速度取决于传感元件的弹性模量,这又取决于所在的温度感测元素暴露。

通过不连续23通过的扭转波继续在传感元件15内继续,直到它在管状元件10的端部处达到25处的第二不连续性。在内部腔室29到达端部的位置处存在第二个不连续性构件10并打开到外部。

第二个不连续性导致反射ε2 基本上所有的撞击能量。

反射ε2 来自第二个不连续性在28处示出。该波形也在稍后出现在换能器17的电端子的形式中。在理想模型中的该波形可以被视为最初的正面(和略微圆形)三角波然后是负面的(和略微圆形)三角波。

反射ε2 然后通过不连续23(其将反射一部分能量反射)进入左侧,并允许另一部分进入耦合元件16,然后进入换能器17。

ε的波形的数学依据1 和 ε2, 假设换能器产生的脉冲产生速度(f)在速度V上传播到右侧。在第一不连续23处,腔室21的内径增加到腔室26的第一不连续23,在持续波上发生力减小,23的能量平衡要求回声ε1 代表逆转的力量。

在第二不连续25处,腔室29的内径增加到基本上无限度,发生进一步减小的力。这里的能量平衡还决定了反射波在力的感觉中代表逆转。 ε的传播2 通过第一种不连续性,在不改变感应的情况下减少稍微不连续,并且到达换能器的应力波在换能器的电输出中产生波形,理想化为27和28。

(具有第一或第二(但不是两者)的前型产生的直径减小,如从换能器17传播的波,那么在换能器13的电输出处看到的另一个反射将是相反的感觉。)

在第一实施例中使用的换能器可以采用图2中所示的形式。图1C是已经描述的扭转装置,或者图1所示的形式。图1D通常称为径向剪切换能器。径向剪切换能器的直径优选地大于腔室21中的开口,通常为0.060" vs.

0.025"。该规定是以径向剪切模式确保与耦合元件16的良好耦合。径向剪切模式是具有轴对称性的模式,并且易于在腔室21或23的内表面上易传播。在一个感觉中的激发下的换能器可以被视为产生倾斜的应力以增加内部腔室21的直径。在连接到联接元件16的附接点均匀地围绕其圆周。

如果电激励逆转,则应力倾向于将内腔21的直径均匀地围绕其围绕其致各向围绕其围绕其致各向耦合元件16来降低。

图2中所示的换能器。可以描述如下。它具有压电体40,如箭头41以传统的厚度方向所示偏振。它可以通过非导电装置(例如环氧树脂)在耦合元件16的左端上附着。

通过短路在换能器中短路,右表面上的任何电极可能不利地进入机电操作。点电极的直径小于联接元件16的基部直径,使得施加到电极的电势产生径向电场。

If the coupling element 16 is an electrical conductor, its potential is made equal to that of the outer ring electrode, so that radial field is created to at least the inner diameter耦合元件。 The operative electrodes are the circumferential electrode 42 on the left surface of the transducer and a central dot-shaped electrode 43 centrally located on the left face of the transducer.

通常,两个电极的区域近似相等,使外电极径向更薄但周向长于中心电极。这两个电极在上表面上的定位允许通过换能器的主体的高百分比施加径向电场。

图。 1D换能器以下列方式起作用。在电激励下,施加到电极42,43的电场径向地操作,并且正交地呈轴向偏振箭头操作。随后的机械运动是通过换能器的横截面剪切失真。

More particularly, the diameter of the left face will momentarily increase while the diameter of the right face, which bears the load耦合元件16, momentarily decreases, and then the reverse will occur.

径向剪切模式易于沿腔室21的内圆柱16以及经由不连续23的耦合元件16传播,以及沿着第二腔室29的内表面。在传播的传播方程存在差异径向剪切模式和扭转模式,但是两个指示的不连续性在电极42,43的输出处产生反射,该电极42,43的波形是相对于扭转换能器的27,28所示的一般形式。

所示的波形是当电路电路比换能器的阻抗更高的阻抗时存在的波形。如果电路阻抗不高于换能器的电路,则波形将稍微改变,以趋于稍微改变以显示额外的波纹。

当传播径向剪切模式时,可以遇到对腔室21和29中封闭在腔室21和29中的空气中的一些损耗。这决定了长线(例如100英尺)被疏散。


图2是应用于商业实施的超声波温度测量装置的简化框图,并利用图2中所示的远程传感器。 1A用于超声波温度测量



图。 1A布置涉及通过操作员解释波形和事件的定时。在图中。图2是利用图2中所示的相同远程传感器的自动布置的框图。描绘了图1A。该图示包含获得温度读数所必需的功能块51-58。

从功能块53-56响应于电路中感测的开始停止数字计数器58以数字方式获得温度。

自动超声波温度测量系统采用脉冲发生器51,该脉冲发生器51在控制逻辑52的控制下操作。控制逻辑52要求脉冲发生器51产生短持续时间脉冲的时间,该时间耦合到换能器17远程温度传感器(15,16,17)。

从传感元件15中的不连续获得的反射被转换为换能器17的电端子处的电输出(例如27,28)。这些反射通过在控制逻辑52的控制下通过发送/接收门53耦合到放大器54。

控制逻辑52在存在在信号发生器的输出中的脉冲期间的信号期间,以及在不期望反射信号时的次数期间,用于操作发送/接收门53.发送/接收门设计因为在发生换能器电激励的时段期间由脉冲发生器产生的高压(20伏)所必需的,在脉冲发生器期间产生的放大器54所必需的。

放大器54是低噪声线性放大器,其旨在使回波反射能够达到几个微伏的顺序,以便随后处理所需的1伏等级。放大器54的线性输出被施加到阈值检测器57,其在假设放大的反射在附带噪声不会越过特定阈值时操作。

阈值检测器还可以具有符号灵敏度,使得它仅将输出指示产生到与对应于反射的预期感测的放大器的正面或负输出。当阈值检测器57产生输出时,可能是在反射波形的正升高上的输出时,检测器扶手栅极55是导电的,允许从放大器55的输出耦合到零交叉检测器56。

假设回声响应是在27,28处注明的形式的三角波形,零交叉检测器产生第一脉冲,该第一脉冲耦合到控制逻辑以表示第一反射ε的到达1. 片刻之后,产生第二脉冲,表示对应于ε的第二反射的到达2. 然后,控制逻辑52利用两个过零信号开始和停止数字计数器。然后可以在合适的ROM查找表中转换实际计数以获得实际温度。

通常,电子设备可用于产生2%的时间精度,假设短暂(1/4".times.1/2")传感元件中不连续之间的距离。在需要更高的精度的情况下,应增加传感元件的长度。假设等效电子器件,精度大致比例地增加到传感元件的长度。

通过在获得输出指示时占据大量读数,可以进一步降低噪声灵敏度。脉冲26可以以1K赫兹间隔重复,并且例如可以在获得输出指示时平均100个成对的反射。

到目前为止所描述的远程传感器各自包括换能器,远程耦合元件和传感元件。在先前的情况下,耦合和传感元件的形式形成声学内表面波的传播的路径。如上所述,使用内表面波传播路径在电子器件(在正常环境温度)和传感器(在敌对温度中)之间的耦合时的优点是可以在沿耦合元件方便而不影响的情况下提供外部支撑件它内部的波传播。

在其短路的情况下,传感元件可以在联接元件的末端机械地支撑(例如,作为第一实施例中的公共结构的整体部分)。然而,如果传感元件具有显着长度,则支持重新出现的问题,以及当需要时,与内表面波传播的优势一起。

在内部的波传播中的中空结构的另一个优点,并且适用于联接元件和传感元件的波传播,是它保护可能影响温度测量精度的污染。当传感元件基于封闭表面的温度时,热时间常数可以略长于传感元件的外表面暴露于正在测量的热环境的情况。

用于耦合元件的内表面波传播的使用可以与任何一种感测元件同样有利。


图3:是第二新颖的远程超声波温度传感器的图示,其中感测单元在利用用于将用于将传感元件耦合到相关联的换能器和电子器件的声学内表面波,使用通常操作的传感元件超声波温度测量的延伸或扭转模式



图。图3实施例示出了传感元件15的布置'是具有暴露于环境外表面的固体。传感元件机械地连接到腔室21的内部'耦合元件16'并响应室内表面波。

传感元件15'本身包括短的固体圆柱形构件,除了其与腔室内部的耦合之外,包括两个不连续性。圆柱形构件具有圆柱形部分,该圆柱形部分具有基本上等于腔室21的内径的外径',它附着在腔室21的内部'通过焊接或焊接连接。

成员15.'然后在恒定的半径上继续到第一个不连续性23',这构成直径的减小,并且结束构成第二个不连续性。传感器的终端部分的初始部分之间的直径的变化通常不得小于所示,并且足以从传感元件反射到腔室21的内表面中向后反射的大部分能量'耦合元件。

通常,如果在传感器的周边围绕传感器的周长继续,则直径的降低只需要几分钟英寸。可选地,如第一实施例中的不连续性所建议的,传感器的第一个不连续性可以围绕感测元件的周边的仅一半。

这可以通过加工两个径向相对的扁平表面来实现,每个扁平表面各为90°中央角度。

在机电换能器以扭转模式下操作的情况下,前述传感器将以传统的扭转模式和来自不连续23的反射振动' and 25'会发生。在换能器产生径向剪切模式激励的情况下,传感元件将在传统上称为扩展模式的内容中操作。

换能器具有暴露的外表面的换能器的优点是可以减少热时间常数。暴露配置的缺点是它受到污染。

精确的超声波温度测量仅限于弹性性质的连续性,线性度和再现性设定的限制,作为用于制造传感元件15的材料的温度的函数。更具体地,用于传感元件的材料的弹性模量图15适用于振动模式是对精确温度测量至关重要的参数。

用于超声波温度测量的材料具有实际较低的温度限制,实际的上温度限制,并且在禁止地区的场合通常,但不一定在上层和较低的温度范围内。当材料经历内部结构变化,例如去除内部菌株,退火,晶界的位移等时,可能对弹性模量产生不利影响。

假设传感器熔合石英,温度约为16°K。似乎表示实际下限,温度约为1770°至1870°K.实际上限。熔融石英在较低温度下进行弹性变化,在最大温度下的温度下液化,但在这些限制之间的弹性模量方面不含非线性,使得在整个温度限制中非常适合于超声波温度测量。

经常用于温度测量范围不超过11​​00℃的两种材料是含有商品名的两种镍铁合金"Hastelloy"并包含额外的下标"s" or "x"。适用于较高温度应用的材料是钨,其熔点为3640°K。

精确的温度测量取决于元件15和16的正确选择材料。虽然感测在传感元件15中进行,但是从换能器和传感元件向传感器传送到感测元件的声学能量要求耦合元件还保持足够的良好的弹性特性,足以用于声学传播的任务。因此,对于高温测量,耦合元件和传感元件都必须具有足够高的熔点。

对超声波表面波传播有用的频谱确实非常宽。上限高达10兆赫兹,下限是数十千赫兹。上部频率限制通常由尺寸非常小的换能器和非常小的传感器的不便建立。

由于材料的内部结构也存在噪声的增加。较低频率限制由换能器的可容许尺​​寸和传感器的可容忍尺寸设定,该传感器通常在较低频率下较大。

温度的测量来自超声传输时间的测量。温度测量的准确性取决于可以测量两个反射点之间的飞行时间的精度。随着飞行时间增加,因此,传感元件的长度倾向于提高测量的准确性。

自从此以来sound velocity in the sensing element is determined at each point by temperature, the time of flight over the length of the sensing element represents the average temperature. A sensing element length should be chosen to represent the longest distance for which average temperature suitably represents the desired measurement.

相反,可以通过确定飞行时间的时间测量误差来建立实际的最小长度。绝对最低限度发生在四分之一波长的元素长度中,其中两个反射合并。

参考要测量烤箱12的温度的布置,已经解释了用于超声波温度测量的内表面波传播的优点。图2的烤箱12.例如,如图1A所示,具有绝缘外壳和壁开口7,通常大于传感器的直径。

传感器11通过该开口插入烤箱的加热区域中。可以在联接器16周围插入松动的高温填料8,以防止热量从烤箱中逸出,并因此的温度升高。传感器11另外支撑在图1所示的位置。如图1A所示,两个机械支撑件19和20。

These are placed at convenient locations along the length耦合元件16, and engage the outer surface耦合元件。 As has been explained, neither the packing 18 nor the external supports 19 and 20 adversely affect the propagation of surface waves within the interior of the coupling element when the wall thickness is suitably great.

The reason for this non-interference is that the acoustic energy involved in temperature measurement propagates on the interior wall of the coupling element to a definite depth. If the wall thickness of the coupling element is great enough to exceed this depth, a surface wave propagating on the interior surface耦合元件16 will have no perceptible effect at the outer surface 22耦合元件。

壁厚度尺寸尺寸并不重要,当足够大时。实际上,内部波传播室的内径应至少约为耦合元件的外径的大约1/10,以提供可接受的去耦程度。不管频率如何,该比率往往保持恒定。

实际应用中的耦合元件可以短至英寸,只要有100英尺,没有异步的声信号损失。一些应用中的耦合元件的直径可能非常小,小于1/8",但更实际的范围是1/8" to 1/4" in outer diameter.


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