CN102735645A - 一种原位式***体分析仪的在线标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位式***体分析仪的在线标定方法，装置包括：激光发射单元、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室；所述标定方法如下：选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定，首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元得到的气体吸收光谱。然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元得到的气体吸收光谱。所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，从而实现原位式***体分析仪的在线标定。

Description

一种原位式***体分析仪的在线标定方法

技术领域：

本发明涉及在线气体监测领域，尤其涉及一种原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法。 

背景技术：

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）是目前最先进的气体测量技术之一，近些年得到了迅猛的发展，已经开始应用在航空航天、石油、化工、天然气、冶金、环保等众多领域，被认为是具有革命性变革的全新测量方法。 

基于TDLAS技术的***体分析仪主要分为两类：原位式***体分析仪和采样式***体分析仪。原位式***体分析仪直接安装在测量管道上，它的优点是测量响应时间短，不需要待测气体采样及预处理的时间，也不需要额外的预处理***。采样式***体分析仪是将测量管道中的待测气体引出经预处理后，通入***体分析仪，它的优点是可以根据测量需要增加光程从而提高测量精度，可以将待测气体中的粉尘等杂物通过预处理***去除，从而降低其对测量精度的干扰，可以方便地通入标准气体对分析仪进行校准、标定及验证。 

通过对现有技术的研究，发明人发现，与采样式***体分析仪相比，原位式***体分析仪的校准、标定及验证方法比较复杂。现有技术无法实现原位式***体分析仪的在线标定，标定时需要将原位式***体分析仪从测量管道上拆下来，然后安装在特定的气室上进行标定，标定完成后，再将分析仪安装回管道上。这一过程太过繁琐，大大增加了原位式***体分析仪的运行及维护成本。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法，以在标定原位式***体分析仪时，不需要将其从测量管道上拆下，可以实现在线标定，从而大大降低原位式***体分析仪的运行及维护成本。 

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案： 

一种原位式***体分析仪的在线标定装置，包括：激光发射单元、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室； 

所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光发射单元向所述测量管道中的待测气体发射特定波长的激光； 

所述信号探测单元，用于获取通过被测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块； 

所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱； 

所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。 

所述测量管道，用于流过待测气体。 

所述在线标定气室，用于通入特定浓度的标准气体。 

优选的，所述信号处理模块包括： 

信号放大单元，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号； 

信号解调单元，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。 

优选的，所述装置还包括： 

锁相放大电路，用于从待测气体吸收光谱中获取倍频信号曲线； 

所述数据分析模块通过分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。 

优选的，所述装置还包括： 

显示模块，连接到所述数据分析模块，用于显示监测到的待测气体的信息。 

优选的，所述激光器为半导体分布反馈式激光器或半导体垂直腔面发射激光器。 

优选的，所述激光控制模块包括： 

温度控制单元，连接到所述激光发射单元，用于控制所述激光器的工作温度； 

电流控制单元，连接到所述激光发射单元，用于调制通过所述激光器的电流。 

相应于上述气体计量监测装置，本发明还提供了一种原位式***体分析仪的在线标定方法，包括： 

正常测量时，所述在线标定气室中通入氮气，不影响正常测量； 

优选的，选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定； 

首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱； 

然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱； 

所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，分析所述标准气体吸收光谱得到标准气体的浓度，对分析仪进行相应修正，从而实现原位式***体分析仪的在线标定； 

优选的，所述分析所述气体吸收光谱得到待测气体的信息之前，还包括： 

实时获取样品室的压力和温度值； 

根据所获取到的压力和温度值修正所述气体吸收光谱； 

应用本发明实施例所提供的原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法中，采用在线标定气室，可以通过依次通入氮气及标准气体的方式对原位式***体分析仪进行校准和标定。因此本发明提供的原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法无需将原位式***体分析仪拆下进行标定，大大简化了原位式***体分析仪的标定流程，降低了原位式***体分析仪的运行及维护成本。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明实施例中提供的标定装置的结构示意图； 

图2为本发明实施例中提供的标定方法采用波长调制光谱技术示意图； 

图3为本发明实施例中提供的标定方法采用直接吸收光谱技术示意图； 

具体实施方式

现有技术中所通常采用的是将原位式***体分析仪从测量管道上拆下，然后连接标定气室进行离线标定的方法，待离线标定完成后，再将***体分析仪重新安装在测量管道上，从而造成原位式***体分析仪的标定过程繁琐，提高了运行及维护成本。 

为解决本发明实施例提供了原位式***体分析仪的在线标定装置，其特征在于，包括：激光发射单元、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室；所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光发射单元发射特定波长的激光；所述信号探测单元，用于获取激光通过所述测量管道中被测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。所述测量管道为待测气体流经的管路。所述在线标定气室安装在所述激光发射单元及所述信号探测单元之间的光路中，用于所述原位式***体分析仪的在线标定。 

基于上述原位式***体分析仪的在线标定装置，本发明实施例还提供了一种原位式***体分析仪的在线标定方法，包括：正常测量时，所述在线标定气室中通入氮气，不影响正常测量。选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定，首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱。然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱。所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，从而实现原位式***体分析仪的在线标定。 

本发明具体实施例提供的标定装置和方法可以实现原位式***体分析仪的在线标定，标定时不必对原位式***体分析仪进行拆卸，大大简化了原位式***体分析仪的标定流程。 

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

实施例： 

图1为本发明实施例提供的原位式***体分析仪在线标定装置的一种结构示意图，该装置包括： 

激光发射单元101、信号探测单元102、激光器控制模块103、信号处理模块104、数据分析模块105，测量管道106，在线标定气室107和显示单元108。 

所述激光器控制模块103连接到所述激光发射单元101，用于驱动所述激光发射单元101向所述测量管道106中的待测气体发射特定波长的激光。 

所述激光发射单元101可以为可调谐二极管激光器，具体的可以为：半导体分布反馈式激光器或半导体垂直腔面发射激光器。 

所述激光器控制模块103，可以通过改变激光器的操作温度和通过电流，来驱动激光器调制发射特定波长、频率和波形的激光，其中通常所采用的波形可以为：锯齿波、三角波和正弦波。所述激光器控制模块具体可以包括：温度控制单元103a，连接到所述激光发射单元，用于控制所述激光器的工作温度；电流控制单元103b，连接到所述激光发射单元，用于调制通过所述激光器的电流，激光器输入电流的调制，不仅可以改变激光器的输出功率，同时调制激光器的输出波长扫描待测气体的吸收光谱谱线。通过激光器控制模块103控制激光发射单元101在特定的波长范围内连续调谐，使待测气体在该特定波长范围内具有吸收谱线。 

所述信号探测单元102，用于获取通过所述测量管道106待测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块104。所述信号探测单元102可以将所述透射信号由光信号转换为电信号。 

所述信号处理模块104，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱。为了提高计量监测结果的精准度，在将透射信号转换为待测气体吸收光谱之前，还可以放大所述透射信号，因此，所述信号处理模块具体可以包括：信号放大单元104a，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号；信号解调单元104b，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。 

所述数据分析模块105，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。 

所述测量管道106中通入待测气体。 

所述在线标定气室107，安装在激光器与探测器之间的光路中，用于通入氮气以及特定浓度的标准气体，用于原位式***体分析仪的在线标定。所述在线标定气室107既可以安装在激光发射单元一侧也可以安装在信号探测单元一侧。所述在线标定气室107包括但不局限于特定独立的气室，也包括激光器与探测器之间任意特定长度的空间。传统的原位式***体分析仪的结构与图1所示结构相似，但缺少本发明中实施例中所述在线标定气室107。传统的原位式***体分析仪在进行标定时，需要将分析仪的发射端及接收端从测量管道拆下来，然后连接标定气室进行相应的标定和校准。 

此外，如图1所示，本实施例提供的原位式***体分析仪在线标定装置还可以包括：显示模块108，连接到所述数据分析模块105，用于显示监测到的待测气体的信息。 

本发明实施例提供的原位式***体分析仪在线标定方法如下： 

当原位式***体分析仪进行正常测量时，所述在线标定气室107连续通入氮气，由于氮气对红外波长没有吸收谱线，因此不会影响原位式***体分析仪的正常工作与测量。 

对原位式***体分析仪进行标定时，按照如下步骤进行： 

选择所述测量管道106管道中的气体处于稳定的时刻，即在一段时间内，所述测量管道106中的待测气体浓度基本保持不变，压力和温度保持基本稳定。 

所述在线标定气室107中连续通入氮气，所述信号处理模块104记录该时刻的气体吸收光谱，当采用波长调制光谱技术时，该气体吸收谱线如图2中上图所示；当采用直接吸收光谱技术时，该气体吸收谱线如图3中上图所示。此时记录的气体吸收谱线为所述测量管道106中待测气体或背景气体中的吸收谱线。 

然后在所述在线标定气室107中连续通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块104记录这一时刻的气体吸收光谱，当采用波长调制光谱技术时，该气体吸收谱线如图2中图所示；当采用直接吸收光谱技术时，该气体吸收谱线如图3中图所示。此时记录的气体吸收谱线为所述测量管道106中待测气体或背景气体和所述在线标定气室107中标准气体的吸收谱线之和。 

由于标定时所述测量管道106中的气体处于稳定状态，当采用波长调制光谱技术时，将图2中图的气体吸收谱线减去图2上图的气体吸收谱线，就得到所述在线标定气室107中的标准气体吸收谱线，如图2下图所示；当采用直接吸收光谱技术时，将图3中图的气体吸收谱线减去图3上图的气体吸收谱线，就得到所述在线标定气室107中的标准气体吸收谱线，如图3下图所示。 

根据得到的标准气体吸收谱线，以及相应的压力和温度测量结果，原位式分析仪就可以进行相应的浓度校准。 

当采用直接吸收光谱技术和波长调制吸收光谱技术时，具体校准的理论公式如下：

当采用直接吸收光谱技术时，所述数据分析模块可基于如下方式对原位式***体分析仪进行修正： 

基于朗伯-比耳定律(Beer-Lambert’s law)的原理，朗伯-比耳定律描述了当单色光穿过均匀气体介质时透射光强和入射光强的关系。朗伯-比耳定律参见公式1： 

$\mathrm{\τ}\left(v\right)={\left(\frac{I_t}{I_0}\right)}_v=e^{-\mathrm{\α}\left(v\right)\·L},$ 公式1。 

其中，τ_ν为激光的透射率;I_t和I_o分别为激光的初始光强以及透射光强;α(ν)[cm^-1]为光谱的吸收系数;L[cm]为光程长度。α(ν)L代表光谱的吸收强度。初始光强I₀可以通过如下方式获得：1，选取透射光强中未被气体吸收的部分，进行多项式拟合，得到初始光强I₀。2，将激光器的输出激光分为两束，一束光通过样气室，另一束通过检测装置用于获取激光的初始光强。3，在激光器内部设置激光强度探测器，采用该探测器获取的激光强度信号作为初始光强信号。 

$A_i=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}-\ln \left(\frac{I}{I_0}\right)\mathrm{dv}=S_i\left(T\right)\·P\·X\·L,$ 公式2。 

其中P[atm]为总压，压力的数值可以通过压力传感器测量得到，L[cm]为光程长度，由在线标定气室的长度确定，X为标定气体的浓度待测气体的浓度，S(T)[cm^-2/atm]为吸收强度，A[cm^-1]为光谱积分面积。 

因积分面积正比于被测气体的分压，因此根据公式2，待测气体的浓度X可以由公式3得到： 

$X=\frac{A}{\∫\mathrm{PL}{\mathrm{\Φ}}_{v}S\left(T\right)\mathrm{dv}}=\frac{A}{P\·L\·S\left(T\right)},$ 公式3。 

其中P[atm]为总压，L[cm]为光程长度，S(T)[cm^-2/atm]为吸收强度，A[cm^-1]为光谱积分面积。 

由于校准时，在线标定气室中通入的标准气体浓度已知，可以将原位式***体分析仪的测量结果与已知标准气体浓度进行对比，从而进行相应的修正以保证测量结果与标准气体浓度一致，完成原位式***体分析仪的在线标定。 

当采用调制吸收光谱技术时，激光控制模块将低频锯齿波和高频正弦波叠加后驱动激光器向样品室发射特定激光束。 

所述气体计量监测装置还可以包括：锁相放大电路，用于从待测气体吸收光谱中获取倍频信号曲线；锁相放大器可以将测量域从低频区域转移到高频区域，可以明显降低噪音，提高检测精度。 

所述数据分析模块通过分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息，具体计算方式如下： 

激光器的输出频率如公式（4）所示： 

$v\left(t\right)=\stackrel{\‾}{v}\left(t\right)+a\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right),,$ 公式4。 

其中 

是激光器的中心频率，a[cm^-1]是调制幅值，f_m[Hz]为调制频率。光谱透射系数可以通过泰勒级数（公式5）展开： 

$\mathrm{\τ}(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right))=\underset{n=0}{\overset{n=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{H}_n(\stackrel{\‾}{v},a)\cos \left(n2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right),$ 公式5。 

其中 

是透射吸收的第n级傅里叶系数，如公式（6）和公式（7）所示： 

$H_0(\stackrel{\‾}{v},a)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{+\mathrm{\π}}\mathrm{\τ}(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \mathrm{\θ})\mathrm{d\θ},$ 公式6。 

$H_n(\stackrel{\‾}{v},a)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{+\mathrm{\π}}\mathrm{\τ}(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \mathrm{\θ})\·\cos \left(\mathrm{n\θ}\right)\·\mathrm{d\θ},$ 公式7。 

对气体吸收强度较弱时，参见公式8： 

S·P·X·φ(v)·L≤0.05    公式8。 

透射系数可以近似为公式9所示： 

$\mathrm{\τ}\left(v\right)=\frac{I\left(v\right)}{I_0\left(v\right)}=e^{-\mathrm{\α}\left(v\right)L}\≈[1-S\·P\·X\·\mathrm{\φ}\left(v\right)\·L],$ 公式9。 

N次谐波傅里叶系数可以简化为公式10所示： 

$H_n(\stackrel{\‾}{v},a)=-\frac{S\·P\·X\·L}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{+\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \mathrm{\θ})\·\cos \left(\mathrm{n\θ}\right)\·\mathrm{d\θ},$ 公式10。 

其中，二倍频（2f）信号是被最为广泛使用的信号。主要原因有两点：二倍频信号的线型对称并且峰值位于谱线的中心位置；二倍频是偶数谐波中最强的信号。二倍频信号不仅与谱线的光谱参数（例如吸收强度）有关，而且与调制幅度等参数有关。 

根据公式(10)，二次谐波的傅里叶系数如公式11所示： 

$H_2(\stackrel{\‾}{v},a)=-\frac{S\·P\·X\·L}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{+\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \mathrm{\θ})\·\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\·\mathrm{d\θ},$ 公式11。 

由上述公式，结合待测气体吸收光谱中获取倍频信号曲线的峰值或曲线线型，可以计算出待测气体在样品气体中的含量。将该计算结果与标准气体的浓度进行对比，从而进行相应的修正以保证测量结果与标准气体浓度一致，完成原位式***体分析仪的在线标定。 

本发明实施例所提供的原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法中，采用在线标定气室，可以通过依次通入氮气及标准气体的方式对原位式***体分析仪进行校准和标定。因此本发明提供的原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法无需将原位式***体分析仪拆下进行标定，大大简化了原位式***体分析仪的标定流程，降低了原位式***体分析仪的运行及维护成本。 

对于本发明的方法实施例而言，由于其基本相应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个设备上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。 

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，所述单元或子单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或多个子单元结合一起。另外，多个单元可以或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。 

另外，所描述装置和方法以及不同实施例的示意图，在不超出本申请的范围内，可以与其它***，模块，技术或方法结合或集成。另一点，所显示 或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。 

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 

Claims (7)

1.一种原位式***体分析仪的在线标定装置和标定方法，其特征在于，包括：激光发射单元、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室；

所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光发射单元向所述测量管道中的待测气体发射特定波长的激光；

所述信号探测单元，用于获取通过被测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块；

所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；

所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息；

所述测量管道，用于流过待测气体；

所述在线标定气室，用于通入特定浓度的标准气体；

所述标定方法，用于所述原位式***体分析仪的在线标定的信号计算及处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：

信号放大单元，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号；

信号解调单元，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

所述数据分析模块通过分析所述待测气体吸收光谱得到待测气体的信息。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光控制模块包括：

温度控制单元，连接到所述激光发射单元，用于控制所述激光器的工作温度；

电流控制单元，连接到所述激光发射单元，用于调制通过所述激光器的电流。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

所述在线标定气室安装在所述激光发射单元及所述信号探测单元之间的光路中；

所述在线标定气室可以安装在所述测量管道的任意一侧。.

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述在线标定气室包括但不局限于特定独立的气室，也包括激光器与探测器之间任意特定长度的空间。

7.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，包括：

正常测量时，所述在线标定气室中通入氮气，不影响正常测量；

选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定；

首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱；

然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱；

所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，分析所述标准气体吸收光谱得到标准气体的浓度，对分析仪进行相应修正，从而实现原位式***体分析仪的在线标定。 

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