CN109655117A - 用于确定流体变量的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于确定与流体和/或流体流相关的流体变量的测量装置，具有：控制装置；测量管，其接收流体和/或流体流过该测量管；以及第一和第二振荡换能器，其彼此分开一定距离地布置在测量管上，振荡换能器能够由控制装置驱动，以便激励通过测量管的侧壁或者相应侧壁传导的波，其中，传导波激励流体的压缩振荡，该振荡能够通过流体传导至相应其它振荡换能器，并能够在那里由控制装置记录，以确定测量数据，流体变量能够由控制装置根据测量数据确定；其中，测量管的至少一个另外侧壁有至少一个凹口，该凹口沿流动方向延伸，并增加测量管的流动横截面。本申请还涉及一种用于通过测量装置来确定与流体和/或流体的流体流相关的流体变量的方法。

Description

用于确定流体变量的测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定与流体和/或流体流动相关的流体变量的测量装置，它有：控制装置；测量管，该测量管接收流体和/或流体流过该测量管；以及第一和第二振荡换能器，该第一和第二振荡换能器彼此分开一定距离地布置在测量管上，其中，第一和/或第二振荡换能器能够由控制装置驱动，以便激励波，该波传导通过测量管的侧壁或者相应侧壁，其中，传导波激励流体的压缩振荡，该振荡能够通过流体传导至相应其它振荡换能器，并能够在那里由控制装置记录，以便确定测量数据，流体变量能够由控制装置根据测量数据确定。本发明还涉及一种用于确定流体变量的方法。
背景技术
用于测量通过测量管的流体流的一种可能方式涉及超声波测量仪。在这些超声波测量仪中，使用至少一个超声波换能器，以便将超声波引入流过测量管的流体中，该波在直线通路或者在壁或特殊反射元件上多次反射之后传导至第二超声波换能器。通过测量管的流速能够根据超声波在超声波换能器之间的飞行时间(time of flight)来确定，或者根据在发射器和接收器的交换时的飞行时间差来确定。
在超声波直接耦合至流体中的情况下，入射的超声波通常只通过在超声波换能器之间流过的一小部分容积，因此只能够使用来自该子容积的信息。这可能导致测量变量强烈地依赖于流动型面，该流动型面容易受到流速或其它因素的影响。这种流动型面依赖性通常只可以部分补偿，因此可能由于流动型面不被完全考虑而导致测量误差。
当流体并不直接被激励，而是首先在测量管的侧壁中激励传导波(特别是兰姆(Lamb)波)，这些传导波再在压缩振荡中激励流体时，可以增加所考虑的在超声波换能器之间的容积区域。用于将传导波耦合至测量管壁中的方法为已知，例如由文献US4735097A和文章G.Lindner的“Sensors and actuators based on surface acoustic wavespropagating along solid-liquid interfaces”，J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)123002。
用于测量流体特性的流量计和其它测量装置通常应当能够在较宽范围流速下有较高测量精度。在低流量或流速的区域中，该测量精度通常受到信号飞行时间测量的时间分辨率的限制。尽管能够通过由相应的测量***件来减小测量管的内径而增加流速，并因此减轻时间分辨率的问题，但是这仍然导致测量装置的较大的结构费用和在测量装置处的较高压力损失。尽管通过改进测量装置的传感器或电子元件也可以潜在地提高时间分辨率，但是这仍然需要较高技术费用。
发明内容
因此，本发明的目的是以最小可能的技术费用来提高对于低流量的流体变量的测量精度，特别是用于与通过量(throughputs)相关的流体变量。
该目的通过引言中提到类型的测量装置来实现，其中，测量管的至少一个另外侧壁有至少一个凹口，该凹口沿流动方向延伸，并增加测量管的流动横截面。
通过凹口(该凹口也可以称为槽、沟槽或凸出部)，将形成一种辅助槽道，由测量管传送的一部分流体能够流过该辅助槽道。在凹口区域和位于凹口外部的区域之间的流体流分布取决于流速。因为凹口的尺寸与测量管的总体尺寸相比可能相对较小，因此，与在凹口外部传送的那部分流体相比(特别是靠近管的中心)，在凹口区域中传送的那部分流体与测量管的壁更强烈地相互作用。当通过测量管的流量较小时，该流量的大部分靠近管的中心来传送，因此在凹口外部。随着通过量增加，特别是在从层流转变成湍流范围的情况下，在管壁附近的流速相对于管中心的流速增加。这也特别适用于凹口区域，从而使得凹口对流体传输的贡献增加。因此，每单位时间通过凹口的流量与每单位时间通过凹口外部区域的流量的比率随着总流量的增加而增加。
当以这样的方式进行测量、以使得压缩波(特别是超声波)基本只通过位于凹口外部的测量管区域来传导时，几乎只考虑在凹口外部的区域中流动的那部分流量。在低流量的情况下，如上所述，几乎所有的流体传输都在该区域中发生。当流量大大增加时，一部分流体传送通过凹口，因此经过在测量范围内考虑的区域。这样的效果是每单位时间的流量不再与测量的流速成比例，但是在低流量的情况下，测量相对其提高的速率。这样，能够减少或避免在低流量的情况下的上述分辨率问题。
测量管可以由多个彼此成角度的侧壁来形成。特别是，测量管的基本形状可以是矩形。侧壁的内部面除了凹口区域之外可以基本为扁平，或具有恒定的曲率(而不会改变符号(sign))。凹口可以形成为使得内部面沿测量管的圆周方向的曲率改变它的符号至少两次，以便形成凹口。
可以对流过测量管的流体流进行测量，也可以对在测量管中静止的流体进行测量。测量装置还可以有超过两个振荡换能器。振荡换能器可以布置在相同的侧壁上或在不同的、特别是相对的侧壁上。例如，可以使用至少还一振荡换能器，从而由第一和/或第二振荡换能器发射的振荡将由该还一振荡换能器来另外记录，例如以便考虑不同的传播通路或者验证测量数据。
原则上从现有技术中已知使用振荡传输来记录流体性质。例如，在超声波测量仪中，通常记录第一和第二超声波换能器之间的振荡飞行时间以及相反的振荡飞行时间的飞行时间差异，并能够由此确定流速。不过，也能够获得其它测量数据，以便确定流体性质。例如，可以评估接收振荡换能器处的信号幅值，以便记录该振荡在通过流体传输过程中的衰减。还可以依赖于频率地评估幅值，并可以评估特定波谱范围的绝对或相对幅值，以便记录在流体中的不同波谱衰减性能。还可以评估不同频带的相位角，以便例如获得关于测量通路的分散性能的信息，特别是关于在流体和/或测量管中的分散性能的信息。也可选择或者另外，还可以评估波谱组分或幅值随时间(例如在测量脉冲内)的变化。
通过评估这些变量，例如流体的流速和/或流量和/或密度、温度和/或粘度可以确定为流体变量。另外或者也可选择，例如可以确定在流体中的声速和/或流体的组分，例如不同组分的混合比率。从上述测量变量获得这些流体变量的多种方法在现有技术中已知，因此不再详细介绍。例如，可以凭经验确定在一个或多个测量变量与流体变量之间的关系，且例如可以使用查找表或相应的公式，以便确定流体变量。
能够以多种方式来激励传导波，特别是基本纯模式激励兰姆波。例如，第一和/或第二振荡换能器可以是平面形(特别是压电)振荡换能器，其平行于侧壁布置。在这种情况下，为了获得激励的模式选择性，可以在分开的激励距离下进行激励。通过使激励结构适应所需波长来获得模式选择性。也可选择，例如振荡换能器能够是叉指形换能器，它有电极结构，其中，相反极性的电极以手指式方式彼此接合。通过调节彼此接合的电极的间隔，可以促进或抑制具有特殊波长的振荡的激励。
第一和第二振荡换能器可以布置在相同侧壁上，该侧壁和相对的侧壁可以至少在位于第一和第二振荡换能器之间的测量部分中具有平面和/或相互平行的内部面和/或恒定壁厚，或者第一和第二振荡换能器可以布置在彼此相对的侧壁上，该侧壁可以至少在测量部分中具有平面和/或相互平行的内部面和/或恒定壁厚。因此，上面布置了振荡换能器的侧壁可以设置成使得能够在相应的侧壁中实现传导波的无干扰激励或传导。凹口可以只设置在没有布置振荡换能器的侧壁上。
还一侧壁的内部面可以至少在位于第一和第二振荡换能器之间的测量部分中在该至少一个凹口的外部具有恒定的壁厚，和/或它的内部面可以在那里为平面形或者有恒定的曲率(而不改变符号)。因此，通过在凹口外部的侧壁部分，能够确定规则的主流动容积，它例如可以是矩形，测量在它内部进行，且在低流速情况下几乎全部流体流都通过该主流动容积来传送。
第一和第二振荡换能器可以布置在相同侧壁上，该侧壁和相对侧壁的内部面可以横跨主流动容积，和/或第一和第二振荡换能器可以布置在彼此相对的侧壁上，该相对侧壁的内部面横跨主流动容积，该至少一个凹口位于主流动容积的外部，并形成相应的辅助流动容积。如在引言中已经所述，在低流速的情况下，几乎全部流体流都通过主流动容积来传送，因为在凹口中的流速由于流体更靠近壁而明显减慢。随着流速增加，流体流在主流动容积和辅助流动容积之间分配。如前面已经所述，这样的效果是与没有相应凹口的测量管相比，测量的流速随着流动容积的减小而更慢地减小，因此在低流量的情况下测量精度能够增加。不过，由于在测量的流速和流动容积之间有独特的关系，且流速对流动容积的函数依赖性只通过设置凹口来变化，因此能够总体提高流量测量的精度。
上面布置了第一和/或第二振荡声换能器的侧壁可以与还一侧壁成一定角度，特别是垂直。测量管可以有矩形外部横截面和/或内部横截面，该内部横截面至少在位于第一和第二振荡换能器之间的测量部分中是矩形，除了该至少一个凹口之外。在这种情况下，内部和/或外部横截面的角部能够被倒圆(由于技术生产原因或者为了提高流动性能)。在矩形测量管的情况下，传导波能够可靠地在各个侧壁中传导，且测量管横截面的相对较大部分可以由超声波通过，用于测量目的，从而能够降低测量值对流动型面的依赖性。
凹口可以具有平面形或弯曲的(特别是圆形段形状)凹口底部和与该凹口底部成一定角度延伸的凹口壁。在与凹口外部的侧壁部分的过渡区域中以及在凹口底部和凹口壁之间产生的角部可以被倒圆。这可以用于更简单地制造测量管和/或为了提高测量管中的流动特性。
沿测量管的纵向方向，凹口可以至少在第一和第二振荡换能器之间的测量管部分上延伸。优选是，凹口沿纵向方向延伸超过第一和/或第二振荡换能器。凹口的横截面型面可以在凹口的整个长度上基本恒定。
还一侧壁可以有至少两个分开的凹口。如上所述，在根据本发明的测量装置中，在低流量的情况下，测量精度的提高基本基于沿着靠近测量管壁的凹口内部传送的流体流或者局部由具有相对较窄距离的壁包围的流体流。因此，凹口优选是并不选择为太大。不过同时，可能希望通过凹口来提供相对大的附加横截面面积。这可以通过在侧壁上设置多个凹口来实现。
另外或者也可选择，测量装置可以具有至少两个另外侧壁，该另外侧壁有至少一个相应凹口。同样，能够增加由凹口提供的附加流动横截面。
除了根据本发明的测量装置之外，本发明还涉及一种用于通过测量装置来确定与流体和/或流体的流体流相关的流体变量的方法，该测量装置包括：控制装置；测量管，该测量管接收流体和/或流体流过该测量管；以及第一和第二振荡换能器，该第一和第二振荡换能器彼此分开一定距离地布置在测量管上，其中，第一和/或第二振荡换能器由控制装置驱动，以便激励波，该波传导通过测量管的侧壁或相应侧壁，其中，传导波激励流体的压缩振荡，该振荡通过流体传导至相应的其它振荡换能器，并在那里由控制装置记录，以便确定测量数据，其中，流体变量由控制装置根据测量数据确定，测量管的至少一个另外侧壁有至少一个凹口，该凹口沿流动方向延伸，且测量管的流动横截面通过该凹口而增加。
根据本发明的方法可以利用关于根据本发明的测量装置所述的特征来进行改进，并有那里提到的优点，反之亦然。
附图说明
本发明的其它优点和细节可以从下面的示例实施例和相关附图中找到，附图中示意性地：
图1表示了根据本发明的测量装置的示例实施例的基本结构和测量原理，根据本发明的方法的示例实施例能够利用该测量装置来执行；
图2和3表示了图1中所示的测量装置的测量管的剖视图；以及
图4表示了对于图1至3中所示的示例实施例和比较测量管，确定的流速与整个测量区域中的平均流速的比率。
具体实施方式
图1表示了用于确定与流体和/或流体流相关的流体变量的测量装置1。在本例中，流体沿箭头7所示的方向传送通过测量管3的内部空间4。为了确定流体变量，特别是流量，在从第一振荡换能器5至第二振荡换能器6的飞行时间以及相反的飞行时间之间的飞行时间差可以通过控制装置2来确定。在本例中，利用这种情况，即该飞行时间取决于流体的速度分量，该速度分量平行于超声波射线8通过流体的传播方向。因此，根据该飞行时间差异，能够确定沿相应超声波射线8方向在相应超声波射线8的通路上确定的流速，并因此近似确定在该超声波束8经过的容积中的平均流速。
一方面，为了使得能够将超声波换能器5、6布置在测量管外部，另一方面，为了降低与在流动型面的不同位置处的不同流速相关的敏感性，超声波射线8(即压力波)并不由第一振荡换能器5直接在流体中引起。相反，传导波(即兰姆波)由超声波换能器5在侧壁9中激励。这样的波可以当侧壁的厚度与横波在固体中的波长相当时激励，横波的波长由横波在固体中的声速和激励频率的比率给出。
由振荡换能器5在侧壁9中激励的传导波由箭头11示意表示。流体的压缩振荡由传导波激励，且它们在传导波的整个传播通路中发射至流体中。这由沿流动方向相对彼此偏移的超声波射线8来示意表示。发射的超声波射线8在相对的侧壁12处反射，并通过流体传导回侧壁9。在那里，入射的超声波射线8再次在侧壁9中激励传导波，该传导波由箭头13示意表示，并能够通过振荡换能器6来记录，以便确定飞行时间。
也可选择，振荡的记录可以通过布置在侧壁12上的振荡换能器15来执行。
在所示示例中，超声波射线8在它们通向振荡换能器6、15的途中不反射或者只反射一次。当然，能够使用更长的测量通路，超声波射线8在侧壁9、12处反射多次。
为了简化测量数据的评估，超声波射线8应当优选是以单个瑞利角(Rayleighangle)14发射至流体中。这可以通过执行侧壁9的最大纯模式激励来实现，从而激励基本只有单模式的兰姆波。这例如可以通过振荡换能器5、6的自然模式、激励的距离和/或相位来实现，该自然模式调节至将要通过由振荡换能器5、6在多个激励区域中执行的激励而激励的模式，该距离和/或相位调节至将要通过使用叉指式换能器来激励的模式，该叉指式换能器有电极结构，该电极结构调节至要激励的模式等。
在流量非常低的情况下，在所述的测量中，可能出现这样的问题，即在超声波射线8通过的区域中的平均流速非常低，因此在从第一振荡换能器5至第二振荡换能器6的飞行时间以及相反的飞行时间之间的飞行时间差非常小，因此通常不再能够以足够的精确度进行测量。因此，为了测量相对较小流量，测量管的直径必须减小，或者测量管必须在测量区域中人工变窄，例如通过相应的***件而变窄。不过，这导致在测量装置处的压降增加，该压降增加通常是不希望的。
因此，利用这样的情况，即当测量管3相应成形时，流动型面可以根据流速、因此也可以根据流量而具有不同的形状。这将在下面参考图2和3介绍。
测量管3由侧壁9、12、16和17形成，该侧壁9、12、16和17基本上彼此正交，从而形成基本矩形的流动横截面。不过，这通过在侧壁16、17中设置凹口18-21而改变，即在没有布置振荡换能器5、6、15且不与这些壁相对的侧壁上设置，因此这些侧壁与超声波射线8的传导无关。为了清楚，这些凹口在图1中未示出。因此，测量管的容积由主流动容积和多个辅助流动容积组成，该主流动容积由侧壁9、12的内部面跨越，该辅助流动容积分别由凹口18-21形成。在辅助流动容积中，即在凹口18-21中，在低流速的情况下，流速明显比主流动容积中更小，因为在辅助流动容积中的流体由于靠近侧壁16、17而阻碍。因此，在低通过量的情况中，流体传送大部分发生在管中心周围的区域22中，在该区域中，流体具有相对高的速度并定位成相对远离侧壁9、12、16、17。区域22表示该流动截面部分，在该流动截面部分外部，流速小于在管中心处流速的至少20％。在增大的高通过量的情况下，该区域加宽至区域23，这也穿透至辅助流动容积中，因此穿透至凹口18-21中。如图所示，该区域的加宽可以对应于流量从例如16升/小时增加至4000升/小时。
如图2中可以看见，在低流量的情况中，大部分流体传输发生的区域22完全位于超声波射线8穿过的测量相关区域28内。不过，在高通过量的情况中，执行大部分流体传输的区域23局部位于测量相关区域28的外部，从而相对较大比例的流体传送通过测量相关区域28。因此，与没有凹口18-21的测量管相比，在相对较低通过量的情况中，近似测量相同的流速，而在高通过量的情况中，测量低流速，或者在测量管处有较低压降。因此，通过设置凹口18-21，测量区域能够相对于纯矩形形状的测量管3加宽，在该测量区域中，一方面，在低通过量的情况中获得足够的分辨率，另一方面，在高通过量的情况中在测量管3处没有过大的压降。
为了说明这种效果，图4表示了在测量相关区域28中的平均流速(该平均流速基本等于测量流速)与在整个管横截面中的平均流速(一方面是在上述示例实施例中使用的测量管3，另一方面是具有矩形流动横截面的比较测量管)之间的比率。在这种情况中，线26、27表示了测量管3的模拟，线24、25表示了比较测量管的模拟。线24、26涉及层流范围，线25、27涉及湍流范围。表示的系数对应于在测量相关区域28中的流速与在整个管横截面中的平均流速的比率。
从图4中可以清楚看见，对于其中设置有凹口的测量管3，特别是对于低流速，该系数明显高于比较测量管。不过，由于在整个管横截面中的平均流速与流量成比例，因此，对于相同的通过量，特别是在低流量的情况中，在侧壁16、17中设置有凹口18-21的测量管3中测量了更高流速。因此，对于使用的相同测量电子装置，不会到达时间分辨率的限制，因此不会到达测量装置的速度分辨率，直到明显更低的通过量，因此使用测量管3能够在更低通过量的情况中更精确地测量。
图4中绘制的系数朝向低流量的增加也可以称为测量流速的流体动力学升高H。这样的变量可以通过对于不同通过量确定图4中所示的系数比率来计算。当对于测量管3和对于比较测量管都确定在两个通过量之间的该流体动力学升高系数H(例如在16l/h和4000l/h的通过量之间)时，改进系数可以计算为流体动力学升高系数的比率，它描述了所提出的测量管3与矩形比较测量管相比流体动力学升高的改善程度。对于具有图2和图3中所示结构的测量管，与相应矩形比较测量管相比，模拟给出1.08的改进系数，即在低通过量的情况中，测量速率的明显升高，因此这些能够更准确地记录。
参考标号表
1 测量装置
2 控制装置
3 测量管
4 内部空间
5 振荡换能器
6 振荡换能器
7 箭头
8 超声波射线
9 侧壁
10 壁厚
11 箭头
12 侧壁
13 箭头
14 瑞利角
15 振荡换能器
16 侧壁
17 侧壁
18 凹口
19 凹口
20 凹口
21 凹口
22 区域
23 区域
24 线
25 线
26 线
27 线
28 区域

Claims (10)

1.一种用于确定与流体和/或流体的流体流相关的流体变量的测量装置，所述测量装置具有：控制装置(2)；测量管(3)，所述测量管(3)接收流体和/或流体流过所述测量管；以及第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6、15)，所述第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6、15)彼此分开一段距离地布置在测量管上，其中，第一振荡换能器和/或第二振荡换能器(5、6、15)能够由控制装置(2)驱动，以便激励通过测量管(3)的侧壁或者相应侧壁(9、12)传导的波，其中，传导的波激励流体的压缩振荡，所述压缩振荡能够通过流体被传导至相应的其它振荡换能器(5、6、15)，并能够在其它振荡换能器处由控制装置(2)记录，以便确定测量数据，流体变量能够由控制装置(2)根据测量数据确定；其特征在于：测量管(3)的至少一个另外侧壁(16、17)具有至少一个凹口(18-21)，所述凹口(18-21)沿流动方向延伸，并增加测量管(3)的流动横截面。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6)布置在相同侧壁(9)上，所述侧壁(9)和相对的侧壁(12)至少在位于第一振荡换能器和第二振荡换能器之间的测量部分中具有平面形和/或相互平行的内部面和/或恒定的壁厚(10)；或者第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、15)布置在彼此相对的侧壁(9、12)上，所述彼此相对的侧壁(9、12)至少在测量部分中具有平面形和/或相互平行的内部面和/或恒定的壁厚(10)。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：所述另外侧壁(16、17)至少在位于第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6、15)之间的测量部分中在所述至少一个凹口(18-21)的外部具有恒定的壁厚(10)，和/或它的内部面在那里是平面形，或者具有恒定的曲率，而不改变符号。
4.根据前述任意一项权利要求所述的测量装置，其特征在于：第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6)布置在相同侧壁(9)上，所述侧壁(9)的内部面和相对侧壁(12)的内部面横跨主流动容积，和/或第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、15)布置在彼此相对的侧壁(9、12)上，所述侧壁(9、12)的内部面横跨主流动容积，所述至少一个凹口(18-21)位于主流动容积的外部，并形成相应的辅助流动容积。
5.根据前述任意一项权利要求所述的测量装置，其特征在于：布置有所述第一振荡声换能器和/或第二振荡声换能器(5、6、15)的侧壁(9)或侧壁(9、12)与另外侧壁(16、17)成一角度。
6.根据前述任意一项权利要求所述的测量装置，其特征在于：测量管(3)具有矩形的外部横截面和/或内部横截面，除了所述至少一个凹口(18-21)之外，所述内部横截面至少在位于第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6、15)之间的测量部分中是矩形。
7.根据前述任意一项权利要求所述的测量装置，其特征在于：所述凹口(18-21)具有：平面形或弯曲的凹口底部，特别是圆形段形状的凹口底部；以及凹口壁，所述凹口壁与凹口底部成一角度延伸。
8.根据前述任意一项权利要求所述的测量装置，其特征在于：所述另外侧壁(16、17)具有至少两个分开的凹口(18-21)。
9.根据前述任意一项权利要求所述的测量装置，其特征在于：所述测量装置具有至少两个另外侧壁(16、17)，所述另外侧壁(16、17)具有至少一个相应凹口(18-21)。
10.用于通过测量装置(1)来确定与流体和/或流体的流体流相关的流体变量的方法，所述测量装置包括：控制装置(2)；测量管(3)，所述测量管(3)接收流体和/或流体流过所述测量管；以及第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6、15)，所述第一振荡换能器和第二振荡换能器(5、6、15)彼此分开一段距离地布置在测量管(3)上，其中，第一振荡换能器和/或第二振荡换能器(5、6、15)由控制装置(2)驱动，以便激励通过测量管(3)的侧壁或相应侧壁(9、12)传导的波，其中，传导的波激励流体的压缩振荡，所述压缩振荡通过流体被传导至相应的其它振荡换能器(5、6、15)，并在其它振荡换能器处由控制装置(2)记录，以便确定测量数据，其中，流体变量由控制装置(2)根据测量数据确定，其特征在于：测量管(3)的至少一个另外侧壁(16、17)具有至少一个凹口(18-21)，所述凹口(18-21)沿流动方向延伸，且测量管(3)的流动横截面通过所述凹口而增加。
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