CN105371906A - 具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,该电磁式流量计包含第一微处理器、传感器、激磁电流装置、流量感测装置、变频式导电度测量装置及开关组件,传感器包含线圈及感应电极。开关组件电连接于第一微处理器,并依据第一微处理器的控制使感应电极与流量感测装置或变频式导电度测量装置形成电性连接,当感应电极与流量感测装置形成电连接时,第一微处理器使激磁电流装置产生激磁电流以进行液体流量的计算,当感应电极与变频式导电度测量装置形成电连接时,变频式导电度测量装置输出方波信号,第一微处理器依据方波信号的频率进行液体导电度运算。借此,本发明能够测量低导电度的液体,且整体制作简便。
Description
技术领域
本发明有关一种流量计,尤指一种具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计。
背景技术
电导是指物质让电流通过的能力。在固体中,电流借由电子传导,而在液体中,电流则借由阴阳离子的移动而产生电流。导电度为物质传送电流的能力,液体的导电度与溶解离子的浓度相关,导电度计为测量水溶液传导电流能力的仪器。
传统的导电度计多半采用微安培级的恒流源或惠斯登电桥架构测量,因输出电流小,易受到电路中涟波和杂讯的影响,且可测量的量程(measuringrange)无法过大,使得测量精度不高且不稳定。
其次,传统的导电度计主要通过恒定的感应电流以感测待测液体的导电度,然而,当待测液体的导电度极低时,用以感测待测液体的感应电流也相对的减小。由于小感应电流产生不易,因此增加导电度计制作的困难度。
发明内容
本发明的公开内容在于提供一种具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,所述具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计可与液体配合产生方波信号,电磁式流量计的微处理器借由方波信号的频率运算待测液体的导电度;相较于传统使用恒定电流以侦测液体导电度的导电度计,本发明的导电度计能够测量低导电度的液体,且整体制作简便。
为达到上述目的,本发明提供一种具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,该电磁式流量计包含第一微处理器、传感器、激磁电流装置、流量感测装置、变频式导电度测量装置及开关组件;所述传感器包含两个线圈及两个感应电极,所述激磁电流装置电连接于所述第一微处理器及所述线圈,所述流量感测装置电连接于所述第一微处理器,所述变频式导电度测量装置电连接于所述第一微处理器,所述开关组件电连接于所述感应电极、所述第一微处理器、所述流量感测装置及所述变频式导电度测量装置。
其中,所述开关组件依据所述第一微处理器发出的信号使所述感应电极与所述流量感测装置或所述变频式导电度测量装置形成电性连接,当所述感应电极与所述流量感测装置形成电性连接时,所述第一微处理器驱使所述激磁电流装置产生激磁电流以进行液体流量的计算;当所述感应电极与所述变频式导电度测量装置形成电性连接时,所述第一微处理器停止所述激磁电流装置产生所述激磁电流,同时,当所述感应电极置入液体中时,所述变频式导电度测量装置输出方波信号,所述第一微处理器依据该方波信号的频率进行所述液体导电度运算。
较佳地,所述变频式导电度测量装置包含方波振荡器及准位转换器,所述方波振荡器电连接于所述开关组件,所述准位转换器电连接于所述方波振荡器及所述第一微处理器;当所述感应电极供置入所述液体中,所述感应电极及所述液体配合产生感应阻抗,所述方波振荡器及所述感应阻抗配合产生所述方波信号,该方波信号经所述准位转换器进行准位转换后传递至所述第一处理器,该第一微处理器经运算以得到所述液体的导电度。
较佳地,所述方波振荡器包含运算放大器、电容器、第一电阻器及第二电阻器,所述第一电阻器及所述第二电阻器呈串联连接,所述运算放大器包含反向输入端、非反向输入端及输出端,所述电容器电连接于所述非反向输入端,所述运算放大器的所述反向输入端电连接于所述第一电阻器及所述第二电阻器,所述运算放大器的所述输出端电连接于所述第一电阻器。
较佳地,所述准位转换器包含光耦合器、限流电阻器及下拉电阻器,所述光耦合器包含发光组件及感光组件,所述发光组件电连接于所述限流电阻器,所述感光组件电连接于所述下拉电阻器及所述第一微处理器。
在本发明的一个实施方式中,发光组件为发光二极管,限流电阻器电连接于发光组件的阳极;感光组件为光敏晶体管,该感光组件的集极电连接于直流电源,该感光组件的射极电连接于所述下拉电阻器及所述第一微处理器。
较佳地,所述激磁电流装置包含电流调整单元、第一切换组件、第二切换组件、第三切换组件及第四切换组件,所述电流调整单元电连接于所述第一微处理器、所述第一切换单元、所述第二切换单元、所述第三切换单元及所述第四切换单元,所述第一微处理器控制所述电流调整单元输出恒定电流,并控制所述第一切换组件、所述第二切换组件、所述第三切换组件及所述第四切换组件的切换状态以决定是否将所述电流调整单元产生的恒定电流传递至所述线圈。
较佳地,所述激磁电流装置还包含线圈异常侦测单元,该线圈异常侦测单元电连接于所述第一微处理器、所述电流调整单元、所述第三切换组件及所述第四切换组件,以对所述线圈是否异常进行侦测。
此外,电磁式流量计还包含第二微处理器,该第二微处理器电连接于所述第一微处理器,该第二微处理器可以将所述第一微处理器输出的信号向外部传递,也可以将外部信号传递至所述第一微处理器,换句话说第二微处理器主要是用于通信处理。
附图说明
图1为本发明的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计在第一状态操作下的电路方框图;
图2为本发明的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计在第二状态操作下的电路方框图;
图3为本发明的激磁电流装置的电路图;
图4为本发明的变频式导电度测量装置的电路图;
图5为频率对感应阻抗的关系图;
图6为本发明的导电度及流量感测的流程图。
附图标记说明
1电磁式流量计2传感器
20线圈22感应电极
3开关组件4激磁电流装置
40电流调整单元42线圈异常侦测单元
44第一切换组件46第二切换组件
48第三切换组件50第四切换原件
5流量感测装置6第一微处理器
7第二微处理器8变频式导电度测量装置
80方波振荡器800运算放大器
82准位转换器820光耦合器
822发光组件824感光组件
C电容器NEG_EN第二信号输出端
POS_EN第一信号输出端RG_Ctrl检测信号输出端
Ro感应阻抗R1第一电阻器
R2第二电阻器R3限流电阻器
R4下拉电阻器VC电容电压
VD直流电源
S100~S112电磁式流量计的导电度及流量感测步骤
具体实施方式
请参考随附附图,本发明公开内容的以上及额外目的、特征及优点将通过本公开内容的较佳实施例的以下阐释性及非限制性详细描叙予以更好地理解。
配合参阅图1及图2,分别为本发明的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计在第一状态操作下及第二状态操作下的电路方框图。在第一状态操作时,电磁式流量计1主要用以侦测待测液体的流量,在第二状态操作时,电磁式流量计1主要用以测量待测液体的导电度,同时还可以借由待测液体的导电度判断感应电极22的磨耗情况,以及传输待测液体的管路是否为空管。
具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计1包含传感器2、开关组件3、激磁电流装置4、流量感测装置5、第一微处理器6、第二微处理器7及变频式导电度测量装置8。传感器2电连接于开关组件3及激磁电流装置4,传感器2包含两个线圈20及两个感应电极22,线圈20电连接于激磁电流装置4;感应电极22电连接于开关组件3,感应电极22可使用例如石墨、铜片、白金或其他金属制作而成,供置入待测液体中。
开关组件3电连接于流量感测装置5及变频式导电度测量装置8,第一微处理器6电连接于开关组件3、流量感测装置5及变频式导电度测量装置8,第二微处理器7电连接于第一微处理器6。
第一微处理器6负责控制开关组件3的切换状态,以及激磁电流装置4的操作状态,并接收及处理激磁电流装置4、流量感测装置5及变频式导电度测量装置8发送的信号。第二微处理器7主要负责显示、信号输入输出或通信传输界面等相关信号处理。换句话说,第一微处理器6负责电磁式流量计1内部信号的控制及传输,第二微处理器7负责电磁式流量计1对外的通信信号的传输,借此,可以避免在电磁式流量计1内部传递的信号与电磁式流量计1对外的通信信号产生干扰,并对信号资源做有效的分配。在此要说明的是,第一微处理器6及第二微处理器7可以电连接于外部的通信界面以进行数据的存储或传输。在实际实施时,第一微处理器6及第二微处理器7也可以整合成为单一处理器。
开关组件3依据第一微处理器6发出的控制信号决定电磁式流量计1的操作装置;在第一状态下(如图1所示),开关组件3使感应电极22与流量感测装置5形成电性连接,电磁式流量计1用来测量待测液体的流量;在第二状态下(如图2所示),开关组件3使感应电极22与变频式导电度测量装置8形成电性连接,电磁式流量计1用来测量待测液体的导电度。
配合参阅图3,激磁电流装置4包含电流调整单元40、线圈异常侦测单元42、第一切换组件44、第二切换组件46、第三切换组件48及第四切换组件50;第一微处理器6电连接于电流调整单元40及线圈异常侦测单元42。第一微处理器6的检测信号输出端RG_Ctrl输出的检测信号用以动态地调整电流调整单元40输出的恒定电流的数值;在此,恒定电流指的是不具有波动性的电流,然而恒定电流的电流数值可以被第一微处理器6输出的信号调整。
在本实施方式中,第一切换组件44及第二切换组件46分别为P型金属氧化物半导体电晶体(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,MOSFET),第三切换组件48及第四切换组件50为N型MOSFET。第一切换组件44的汲极电连接于电流调整单元40,第一切换组件44的闸极电连接于第一微处理器6的第一信号输出端POS_EN及第三切换组件48的闸极,第一切换组件44的源极电连接于第三切换组件48的源极及线圈20。第二切换组件46的汲极电连接于电流调整单元40,第二切换组件46的闸极电连接于第一微处理器6的第二信号输出端NEG_EN及第四切换组件50的闸极,第二切换组件46的源极电连接于第四切换组件50的源极及线圈20。第三切换组件48及第四切换组件50的汲极电连接于电流调整单元40及线圈异常侦测单元42。
电流调整单元40依据第一微处理器6的控制产生恒定电流。第一微处理器6借由控制第一切换组件44、第二切换组件46、第三切换组件48及第四切换组件50的切换状态,以决定是否将电流调整单元40产生的恒定电流传递至线圈20。
当第一微处理器6的第一信号输出端POS_EN及第二信号输出端NEG_EN同时输出高电位信号或低电位信号时,第一切换组件44、第二切换组件46、第三切换组件48及第四切换组件50截止,电流调整单元40产生的恒定电流无法传递至线圈20。
当第一信号输出端POS_EN输出低电位信号,第二信号输出端NEG_EN输出高电位信号时,第一切换组件44及第四切换组件50导通,第二切换组件46及第三切换组件48截止,电流调整单元40产生的恒定电流由图3所示位于上方的线圈20传递至位于下方的线圈20。
当第一信号输出端POS_EN输出高电位信号,第二信号输出端NEG_EN输出低电位信号时,第一切换组件44及第四切换组件50截止,第二切换组件46及第三切换组件48导通,电流调整单元40产生的恒定电流由图3所示位于下方的线圈20传递至位于上方的线圈20。换句话说,只要第一信号输出端POS_EN及第二信号输出端NEG_EN分别输出不同电位的信号,电流调整单元40产生的恒定电流就会流经线圈20。
配合参阅图4,为本发明的变频式导电度测量装置的电路图。为了方便说明,图4同时绘制出感应电极22、开关组件3及第一微处理器6。变频式导电度测量装置8包含方波振荡器80及准位转换器82,方波振荡器80电连接于开关组件3,当电磁式流量计1操作于第二状态时,开关组件3使变频式导电度测量装置8与感测电极22形成电性连接。方波振荡器80包含运算放大器800、电容器C、第一电阻器R1及第二电阻器R2;运算放大器800包含反向输入端、非反向输入端及输出端,反向输入端电连接于开关组件3及电容器C。第二电阻器R2及第一电阻器R1呈串联连接。第一电阻器R1非连接第二电阻器R2的一端电连接于开关组件3及运算放大器800的输出端,第一电阻器R1与第二电阻器R2相连接的一端电连接于运算放大器800的非反向输入端。
准位转换器82包含光耦合器820、限流电阻器R3及下拉电阻器R4,光耦合器820包含发光组件822及感光组件824。发光组件822例如(但不限制)是发光二极管,感光组件824例如(但不限制)是光敏晶体管。发光组件822的阳极电连接于限流电阻器R3,阴极接地。感光组件824的集极电连接于直流电源VD,射极电连接于下拉电阻器R4及第一微处理器6。下拉电阻器R4主要用以使通过的信号的低准位维持在接近0伏特的状态。
在电磁式流量计1操作于第二状态,且感应电极22置入于待测液体内时,待测液体与感应电极22间因待测液体的导电度的不同而产生不同的感应阻抗Ro。
在上述状态下,且运算放大器800电连接于电源的瞬间,电容器C未充电(即电容电压VC=0),即运算放大器800的反向输入端输入的电压为零,运算放大器800的输出端输出正饱和电压。当电容电压VC大于运算放大器800的非反向输入端的输入电压时,运算放大器800的输出端输出负饱和电压;同时,电容器C开始经由感应阻抗Ro向运算放大器800的输出端放电。当电容电压VC小于运算放大器800的非反向输入端的输入电压时,运算放大器800的输出端输出正饱和电压。换句话说,运算放大器800借由比较反向输入端及非反向输入端的输入电压值,决定输出端输出的电压是正饱和电压或负饱和电压,使运算放大器800输出端的输出信号为方波信号。
接着,由运算放大器800输出的方波信号通过限流电阻器R3传递至发光组件820,并隔离地传递至感光组件822。借此,由运算放大器800输出端输出的方波信号在通过准位转换器82后,其峰值将由正、负饱和电压限制为直流电源VD的峰值。此外,借由光耦合器82的使用,可以使变频式导电度测量装置8输出的信号不受输入变频式导电度测量装置8的信号的影响,使变频式导电度测量装置8的抗干扰能力提高、工作稳定,进而达到提升使用寿命及高传输效率等特点。
在此要说明的是,本发明的变频式导电度测量装置8与第一微处理器6主要配合利用频率转换阻抗机制(详见后述)以进行待测液体导电度的判别。
再次参阅图1,当电磁式流量计1操作于第一状态时,第一微处理器6发出控制信号切换开关组件3以使感应电极22与流量感测装置5形成电性连接,如此一来,电磁式流量计1就可以针对待测液体的流量进行感测。同时,第一微处理器6发出控制信号至激磁电流装置4以驱使激磁电流装置4产生激磁电流。
其中,使电流调整单元40产生的恒定电流传递至线圈20的方法包含:1.第一微处理器6的第一信号输出端POS_EN输出低电位信号,第一微处理器6的第二信号输出端NEG_EN输出高电位信号,如此一来,第一切换组件44及第四切换组件50导通,电流调整单元40产生的恒定电流可以传递至线圈20。2.第一微处理器6的第一信号输出端POS_EN输出高电位信号,第二信号输出端NEG_EN输出低电位信号,如此一来,第二切换组件46及第三切换组件48导通,电流调整单元40产生的恒定电流可以传递至线圈20。
第一微处理器6借由第一信号输出端POS_EN及第二信号输出端NEG_EN输出的信号使传递至线圈20电流为具有预定频率的恒电流脉冲信号,这个恒电流脉冲信号与线圈20产生激磁磁场。借由法拉第电磁感应定律,当导体在此磁场中切割磁力线运动时,感应电极22的两端会产生感应电动势。该感应电动势会通过流量感测装置5进行滤波(去除杂讯)、放大及信号转换(由模拟信号转换为数字信号)后传递至第一微处理器6,由于感应电动势会正比于待测流体的流量,因此第一微处理器6利用电压转换流量机制,就可以进行待测流体流量的计算。
线圈异常侦测单元42主要用以判断线圈20是否异常,线圈异常侦测单元42可例如(但不限定)是比较器,并用以侦测通过其上的电流值,若通过线圈异常侦测单元42的电流小于初始预定值,则线圈异常侦测单元42会发出高电位信号至第一微处理器6并驱使电磁式流量计1发出警示信号。
再次参阅图2,当电磁式流量计1操作于第二状态时,第一微处理器6切换开关组件3使感应电极22与变频式导电度测量装置8形成电性连接,以侦测待测液体的导电度。同时配合参阅图3,第一微处理器6的第一信号输出端POS_EN及第二信号输出端NEG_EN同时输出高电位信号或低电位信号,使第一切换组件44、第二切换组件46、第三切换组件48及第四切换组件50同时截止,电流调整单元40产生的恒定电流无法传递至线圈20。换句话说,当电磁式流量计1操作于第二状态时,不会产生激磁磁场。
当电磁式流量计1操作于第二状态时,电磁式流量计1除了可以用以测量待测液体的导电度,同时也可以利用待测液体的导电度判断感应电极的磨耗情况,以及用以传导待测液体的管路是否为空管。
再次参阅图4,当感应电极22置入待测液体中,待测液体与感应电极22间因待测液体的导电度的不同而产生不同的感应阻抗Ro。感应阻抗Ro、电容器C及运算放大器800配合产生方波信号,该方波信号传递至准位转换器82并由准位转换器82进行电压准位的转换后传递至第一微处理器6。
第一微处理器6借由感测经过准位转换后的方波信号的频率,并经图5所示的频率-感应阻抗的关系图得到感应阻抗Ro的阻抗值。最后,第一微处理器6会再通过导电度与感应阻抗Ro的关系式σ=d/(Ro·A),运算以得到待测液体的导电度;其中d为感应电极22之间的距离,A为感应电极22与液体接触的表面积。
综上所述,本发明的变频式导电度测量装置8在通电后,方波振荡器80产生方波信号,方波信号经准位转换后传递至第一微处理器6,第一微处理器6借由频率转换阻抗机制以判别待测液体的阻抗,再经由阻抗转换导电度机制以判别待测液体的导电度。
另外,本发明的变频式导电度测量装置8还可以借由待测液体的导电度判断电极的磨耗情况及传导待测液体的管路是否为空管。当在传导有特定待测液体的管路中,传递至第一微处理器6的方波信号的频率应为恒定值;而当方波信号的频率值改变,第一微处理器6在收到方波信号后进行频率转换阻抗机制,就可以判断为感应电极22的磨耗情况或传导待测液体的管路是否为空管。
配合参阅图6,为本发明的电磁式流量计的导电度及流量感测的流程图。首先,电磁式流量计会先针对待测液体的导电度进行测量,借以判断传导待测液体的管路是否为空管,若传导待测液体的管路不是空管,才进行待测液体的流体感测。
电磁式流量计的导电度及流量感测步骤如下:首先,使电磁式流量计操作于第二状态(即感应电极22与变频式导电度测量装置8形成电性连接),第一微处理器6会收到变频式导电度测量装置8产生的方波信号(步骤S100),并借由上述方波信号进行频率转换阻抗机制计算阻抗值,再经由阻抗转换导电度机制计算导电度(步骤S102)。
之后,第一微处理器6判别上述导电度是否为低导电度(步骤S104),若上述导电度被判定为低导电度,则进一步判断用以传导待测液体的管路是否为空管(步骤S106);在步骤S104后,若导电度被判定高于预定值,则进行待测液体流量的计算(步骤S112)。若第一微处理器6经由上述导电度判别传导待测液体的管路为空管,则发出警示信号(步骤S108)。
若第一微处理器6经由上述导电度判别传导待测液体的管路不为空管,代表此状态被判定为低导电度,则使电磁式流量计操作于第一状态(即感应电极22与流量感测装置5形成电性连接)。之后,第一微处理器6的检测信号输出端RG_Ctrl输出的检测信号用以动态地调整电流调整单元40输出的恒定电流的数值(步骤S110)。在此要说明的是,由于待测液体已被判定为低导电度,因此该第一微处理器6发出的检测信号主要是用来调高电流调整单元40输出的电流的数值。同一时间,第一微处理器6切换第一切换组件44、第二切换组件46、第三切换组件48及第四切换组件50的切换状态使感应电极22两端产生感应电动势;该感应电动势经流量感测装置5进行滤波、放大及信号转换后传回第一微处理器6,第一微处理器6借由电压转换流量机制以进行待测液体流量的计算(步骤S112)。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例的具体说明,并非用以局限本发明的保护范围,其它任何等效变换均应属于本申请的权利要求范围。
Claims (9)
1.一种具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,该电磁式流量计包含:
第一微处理器;
传感器,包含两个线圈及两个感应电极;
激磁电流装置,电连接于所述第一微处理器及所述线圈;
流量感测装置,电连接于所述第一微处理器;
变频式导电度测量装置,电连接于所述第一微处理器;以及
开关组件,电连接于所述感应电极、所述第一微处理器、所述流量感测装置及所述变频式导电度测量装置,
其中,所述开关组件依据所述第一微处理器发出的信号使所述感应电极与所述流量感测装置或所述变频式导电度测量装置形成电性连接,当所述感应电极与所述流量感测装置形成电性连接时,所述第一微处理器驱使所述激磁电流装置产生激磁电流以进行液体流量的计算,当所述感应电极与所述变频式导电度测量装置形成电性连接时,所述第一微处理器停止所述激磁电流装置产生所述激磁电流,同时,当所述感应电极置入液体中时,所述变频式导电度测量装置输出方波信号,所述第一微处理器依据该方波信号的频率进行所述液体导电度的运算。
2.如权利要求1所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述变频式导电度测量装置包含:
方波振荡器,电连接于所述开关组件;以及
准位转换器,电连接于所述方波振荡器及所述第一微处理器;
其中,所述感应电极供置入所述液体中,所述感应电极及所述液体配合产生感应阻抗,所述方波振荡器及所述感应阻抗配合产生所述方波信号,该方波信号经所述准位转换器进行准位转换后传递至所述第一微处理器,该第一微处理器经运算得到所述液体的导电度。
3.如权利要求2所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述方波振荡器包含运算放大器、电容器、第一电阻器及第二电阻器,所述第一电阻器及所述第二电阻器呈串联连接,所述运算放大器包含反向输入端、非反向输入端及输出端,所述电容器电连接于所述非反向输入端,所述运算放大器的所述反向输入端电连接于所述第一电阻器及所述第二电阻器,所述运算放大器的所述输出端电连接于所述第一电阻器。
4.如权利要求2所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述准位转换器包含光耦合器、限流电阻器及下拉电阻器,所述光耦合器包含发光组件及感光组件,所述发光组件电连接于所述限流电阻器,所述感光组件电连接于所述下拉电阻器。
5.如权利要求4所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述发光组件为发光二极管,所述限流电阻器电连接于所述发光组件的阳极。
6.如权利要求4所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述感光组件为光敏晶体管,该感光组件的集极电连接于直流电源,该感光组件的射极电连接于所述下拉电阻器及所述第一微处理器。
7.如权利要求1所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述激磁电流装置包含电流调整单元、第一切换组件、第二切换组件、第三切换组件及第四切换组件,所述电流调整单元电连接于所述第一微处理器、所述第一切换单元、所述第二切换单元、所述第三切换单元及所述第四切换单元。
8.如权利要求7所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,所述激磁电流装置还包含线圈异常侦测单元,该线圈异常侦测单元电连接于所述第一微处理器、所述电流调整单元、所述第三切换组件及所述第四切换组件。
9.如权利要求8所述的具有变频式液体导电度测量功能的电磁式流量计,其特征在于,该电磁式流量计还包含第二微处理器,该第二微处理器电连接于所述第一微处理器,该第二微处理器用于信号通信处理。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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