DE2500406A1

DE2500406A1 - Verfahren und vorrichtung zum anzeigen und messen von rissen und sonstigen fehlern in einem metallstab

Info

Publication number: DE2500406A1
Application number: DE19752500406
Authority: DE
Inventors: Jun Louis Kimball Bigelow
Original assignee: Kennecott Copper Corp
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1974-01-07
Filing date: 1975-01-07
Publication date: 1975-08-07
Also published as: JPS50102381A; US3881151A; FR2303288B1; SE7415777L; GB1476773A; CA1011816A; JPS5748738B2; FR2303288A1; BE824114A; SE411150B

Description

KENKECOTT COPPER CORPORATION,
161 East 42nd Street,
New York, N.Y. /V.St.A.

Patentanmeldung

Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen und Messen von Rissen und sonstigen Fehlern in einem Metallstab

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anzeigen von Rissen oder sonstigen Fehlern in einem sich bewegenden Metallstab und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Messen von Fehlern durch Anzeigen von Änderungen im Wirbelstrom, der in dem sich Metallstab beim~Hin4^i"chsehen durch ein festgelegtes .Magnetfeldgefälle induziert wire

Herstellun

Auf dem allgemeinen Gebiet der zerstörungsfreien Material-'

ist insbesondej?e_^ür_-kontinuierliche verfahren eih^Verf^^^Q^ zum Anzeigen von UnregelT keiten in Abmessung oder^u^^^^Sg^^^f^wegten Metallstäben bekannt, das darin bestlf-fb^ den in dem Stab durch Anwendung eines äusseren Hoc^fr^uenz-Wechselmagnet- ~ feldes induzierten Wirbelstrom zv_x _messen. Hierbeä^wifä^"--^ der Wirbelstrom gewöhnlich durc¹ _A _ein SpulenpaanTgemessen, das den Stab konzentrisch umgj _btm _{Venn sich άβΓ} Wirbelstrom von einer Stelle des Stabes - _zur Ochsten Stelle infolge einer Änderung der physika] _ischen Eigenschaften oder einer .sonstigen Ungleichmässigk' _A±t _ändert, _{s0 ze}igen die

»MSPECTED

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nahmespulen diese Änderung an und geben ein entsprechendes Signal. Ein Gerät zum Anzeigen von Rissen in dieser Weise ist z. B. in der US-PS 5 617 874 beschrieben.

Bei Vorrichtungen dieser Art müssen bei grosser Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes oder der Stange zunehmend höhere Frequenzen des Magnetfeldes angewendet werden, um dem Feld eine solch grosse Zahl von Frequenzen zu vermitteln, dass auch Fehler geringer Länge festgestellt werden können. Die Notwendigkeit einer hohen Frequenz zum Feststellen von Fehlern ist jedoch mit unerwünschten Beschränkungen verbunden, die auf den Skineffekt bei Material hoher Leitfähigkeit und Permeabilität zurückzuführen sind. Bei relativ hohen Frequenzen wird die Hauttiefe, die durch das äusaere Magnetfeld durchdrungen werden kann, zunehmend geringer, so dass es schwierig, wenn nicht gar unmöglich wird, in dieser Weise Fehler in einem Metallstab, die in grösserer Tiefe unter der Oberfläche vorhanden sind, anzuzeigen.

Der Erfind^;ung_liegt die Aufgabe zugrunde, die Tiefenbegrenzung von Wechs el strom-Wirbelstrom-Anwendungen bei Materialien höhe-

Leitfähigteeit und Permeabilität^ insbesondere bei grosser Bewegungsgeschwindigkeit des Materiales, zu beseitigen. Die Erfindung ist jedoch nidat auf mit grosser Geschwindigkeit bejwegt^I^teri^-BBB^rSnI^niA<iJtaim.^aui^ zlusl-Feststellen von FehiesPiferwendet-werden, wenn zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung überhaupt eine Relativbewegung besteht*—- ~ -_-■——-

Die TiÖsung der Aufgabe bje^tehif~gemäss den Erfindung darin, dass der Metall stab"durch, ein Magnetfeldgefälle hindurchbewegt wird, das zeitlich konstant bleibt^-und dass Wirbelstromanderungen in dem Metall&tab^ die' durch Unregelmässigkeiten der Abmessung oder der- Eigenschaften des Stabmateriales hervorgerufen werden, angezeigt werden. Durch axiales Hindurchbewegen eines Metallstabes durch ein Magnetfeld, das in der Bewegungsrichtung des Stabes ein Gefälle aufweist, wird ein Inderungszeitmass des Magnetflusses durch einen Stabquerschnitt erzeugt, das propor-

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ORlGKW^L. ,USPECTED

tional ist zu dem Produkt aus dem konstanten Feldgefälle, der ebenfalls konstanten Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes und der Querschnittsfläche desselben.

Da das äussere Feld sich nur in einer Richtung ändert, ist die in dem Stab erzeugte elektromotorische Kraft in nur einer Richtung wirksam. Infolgedessen erzeugt ein Fehler in oder an dem Metallstab, der entweder die Querschnittsfläche desselben verringert oder den spezifischen Widerstand des den Stab bildenden Metalles ändert, eine Änderung des in der Querschnitt sf lache umlaufenden Wirbelstromes. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind an einer Stelle der in dem Feld verlaufenden Achse zwei Aufnahmespulen in entgegengesetzter Richtung konzentrisch um den Metallstab herumgewickelt und in Reihe geschaltet. Hierbei werden elektrische Störungen von äusseren Quellen durch die entgegengesetzt gewickelten Spulen aufgehoeben, jedoch gehen mit Fehlern des Metallstabes verbundene Signale durch die beiden Spulen aufeinanderfolgend hindurch und werden daher nicht aufgehoben. Das erforderliche Magnetfeldgefälle kann entweder durch einen entspr^chend^g&stalteten Dauermagnet„oder durch einen Elektromagnet-erzeugt werden. Bei einer BewegungsgescEwindigkeit des Metallstabes ^θεν43-^Β«___^^. 1100 ι je Minute kann das Magnetfeldgefalle so gewählt werden, dass Unregelmässigkeiten im gesamten Querschnitt eines 0,7 cm Stabes festges1?e±±t~ntf^r^ä^ar4£änn^5n-*ir^

dab~ei- in üblicher Weise ausgebildet= und einem MJferBnrtialverstärker verbunden sein, dessen Leistung einem RegistriergerätöEes^einem Oszilloskop z"ugef^hrt wird.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung'"an Hand der Zeichnung beschrieben. In d±e&ar. zeigen:-.

Fig. 1 eine der Erfindung entsprechende Einrichtung zBmAnzeigen von Fehlern in schaubildlicher Ansicht, teirwei.se in Schnittdarstellung,

Fig.1a eine graphische Darstellung des Magnetfeldes entlang der Achse der Einrichtung nach Fig. 1,

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!ig. 2 das Übersiclrtsschema einer Schaltung für die Einrichtung, Pig. J eine andere Ausführungsform eines Dauermagneten für die Einrichtung in schaubildlicher Ansicht,

Pig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4a-4a der Pig. 3i und Pig. 5 das Schaubild einer Oszilloskop-Spur vom Ausgangsende der Schaltung nach Pig. 2.

Gemäss Pig. 1 wird ein Metallstab 14 mittels eines Antriebs- ι rollenpaares 14 durch ein Führungsrohr 12 der Anzeigeeinrichtung 10 hindurc hbewegt, Das Führungsrohr 12 besteht aus ' Phenolmaterial oder aus einem Nichteisenmetall und hat bei der dargestellten Ausführungsform einen Aussendurchmesser von 1,9 cm und einen Innendurchmesser von 1,75 cm. Es ist durch den Mittelpunkt eines zylindrischen, axial magnetisieren Dauermagnetes 16 hindurchgeführt, der z. B. eine Länge von 7,6 cm und einen Aussendurchmesser von 7>6 cm hat. In Berührung mit dem Dauermagnet 16 ist ein das Führungsrohr 12 ' ebenfalls konzentrisch umgebender, innen konischer Zylinder 17 aus ferromagnetischem Material, z. B. Stahl, angeordnet, dessen Aussendurchmesser ebenfalls 7>6 cm beträgt und der 10,8 cm lang ist. Um das Führungsrohr 12 herum sind an einer etwa 5 cm von dem freien Ende des Zylinders 17 gelegenen Stelle zwei Aufnahme-j bzw. Anzeigespulen 19 in Gegenschaltung angeordnet, so dass ein sich in einer gegebenen Richtung änderndes Magnetfeld entgegengesetzt gerichtete Ströme in den beiden Aufnahmespulen erzeugt» Zur Weiterleitung von Signalen von den beiden Spulen 19 sind zwei Leitungen 20 angeordnet, die zu einem Verstärker 21 führen.

Fig. 1a zeigt die Feldstärke entlang der Achse des inneren Zylinders 17· Wie ersichtlich, ist das axiale Feldgefälle linear und wird vom offenen Ende des Zylinders nach dessen engem Ende hin grosser. Ein geeigneter Wert für das Feldgefälle ist 2000 Gauß je Zentimeter. Die genaue Anordnungsstelle der Aufnahmespulen 19 ist nicht kritisch, jedoch sollte sie weit genug vom Ende des sich verjüngenden Abschnittes des Magnetfeldes weg sein. Wenn die Aufnahme spul en in einem linearen Feldgefälle

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angeordnet werden, so hat eine Schwingung oder ein Stcss, der die Aufnahmespulen längs bewegt, keine Änderung des erzeugten Signales zur Folge. Es ist erwünscht, wenn an jeder Stelle entlang der Achse das IPeId im wesentlichen gleichmässig auf der Innenseite eines die Achse konzentrisch umgebenden Kreisringes ist und einen genügend grossen Radius hat, um das Führungsrohr 12 zu umschliessen.

Der zu prüfende Stab 14- wird durch das Führungsrohr 12 mit einer Geschwindigkeit von z. B. 1100 m/Minute hindurchbewegt. Dabei werden Fehlersignale auf Grund der nachstehenden physikalischen Grundsätze erzeugt.

Nach dem Gesetz von Maxwell ist

χ ε ⁼ - τ %

Hierbei ist c gleich der Lichtgeschwindigkeit. In Integralform geschrieben ergibt Gleichung (1)

= elektromotorische Kraft = ό E . 3^= - i -Ar J B .d S, (2)

Diese Gleichung besagt, dass die elektromotorische Kraft um jede Schleife herum im .Raum T^ gleich dem negativen Zeitmass der Änderung des gesamten Magnetflusses ist, der den von der Schleife begrenzten Bereich durchdringt. Die elektromotorische Kraft, die an der Oberfläche eines durch ein axiale^ Magnetfeldgefälle hindurchgehenden Stabes er-zeugt wird, kann durch Vereinfajbmg der Gleichungen wie folgt berechnet werden:

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-τ—— das axiale Magnetfeldgefälle ist, wenn vorausgesetzt wird, dass das Gefälle über den Stabquerschnitt konstant ist,

-Tr· die axiale Geschwindigkeit des Metallstabes, und

A_r,. , die Querschnittsfläche des Metallstabes ist.

Die Wirkung der gemäss Gleichung (3) erzeugten elektromotorischen Kraft besteht darin, in Umfangsrichtung um den Stab herum strömende Wirbelströme hervorzurufen. Die in verschiedenen Tiefen in dem Stab erzeugte elektromotorische Kraft ist dabei proportional zu der Querschnittsfläche, die dem Radius von der Stabmitte zu der jeweiligen Tiefe entspricht.

Wenn das PeId ein lineares Gefälle hat und die Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes festgelegt ist, so ist die elektromotorische Kraft für einen gegebenen Querschnitt gleich, unabhängig davon, wo in dem linearen Teil des Feldes der Querschnitt liegt. Die konstante elektromotorische Kraft induziert einen Wirbelstrom-Dauerzustand, wobei der Wirbelstrom in dem gegebenen Querschnitt immer in derselben Richtung fliesst, weil sich das äussere Feld immer in derselben Richtung ändert, wie der Stab 14 entlang der Zylinderachse vorwärtsbewegt wird.

Der umlaufende Wirbelstrom erzeugt in dem gegebenen Querschnittsbereich ein lokales Magnetfeld in einer ähnlichen Weise wie ein Solenoid. Gemäss dem Gesetz von Lenz arbeitet das mit den lokalen Wirbelströmen verbundene axiale Feld in einer Richtung, die der Änderung in dem äusseren angelegten Magnetfeld, durch das der Stab hindurchgeht, entgegengesetzt ist und diese teilweise aufhebt.

Die Anzeige von Fehlern in dem Stab erfolgt durch die Spulen 19, durch die der Stab hindurchgeht. Diese Spulen erfahren einen Magnetfluss aus zwei Quellen, nämlich dem magnetisierten, sich innen verjüngenden Zylinder 17 und. dem sich bewegenden Stab 14. Das von dem Zylinder 17 erzeugte Feld ist an

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jeder Stelle entlang der Achse konstant. Die Spulen 19 werden daher einem konstanten Fluss aus der ersten Quelle ausgesetzt. Wenn der hindurchgehende Stab 14 fehler- oder rissefrei ist, so hat jeder Querschnitt identische Grosse und identischen spezifischen Widerstand. Es ist aber nicht nur die von einem gegebenen Querschnitt aufgenommene elektromotorische Kraft auf dem linearen Teil des äusseren Feldes die gleiche, sondern es erhält auch jeder gleichgrosse Querschnitt dieselbe elektromotorische Kraft. Infolgedessen zirkuliert in den das gleiche Magnetfeldgefälle aufweisenden Bereichen jedes Querschnittes derselbe Dauerzustands-Wirbelstrom. Die Spulen 19 nehmen auch dieses zweite Magnetfeld auf, das nach dem Gesetz von Lenz dem äusseren Feld entgegengerichtet ist und dessen Grosse so lange konstant ist, als der Stab fehlerfrei ist. Das aus den beiden Quellen resultierende Feld ist ebenfalls konstant, und ohne Änderung im Magnet- bzw. Kraftfluss wird keine elektromotorische Kraft in den Aufnahmespulen 19 induziert. Wenn jedoch in dem Metallstab 14 ein Riss oder sonstiger Fehler vorhanden ist, so wird hierdurch das durch die Wirbelströme erzeugte Feld geändert.

Wenn der Fehler in einer Bemessungsabweichung besteht, so kann er die Querschnittsfläche des Stabes verkleinern oder vergrössern. Da die elektromotorische Kraft entsprechend Gleichung (5) sich mit der Querschnittsfläche ändert, ist die elektromotorische Kraft in dem fehlerhaften Querschnitt von derjenigen in einem fehlerfreien Querschnitt verschieden. Wenn die Querschnittsfläche z. B. kleiner ist, so verringert die kleiner gewordene elektromotorische Kraft den in dem fehlerhaften Querschnitt zirkulierenden Wirbelstrom, so dass das durch diesen induzierte Magnetfeld entsprechend abfällt. Die Aufnahmespulen geben keine Anzeige, wenn der normale Querschnitt durch sie hindurchgeht, da das durch Wirbelströme erzeugte Feld bei normalem Querschnitt dasselbe ist, wie das durch Wirbelströme in den anderen identischen, fehlerfreien Querschnitten, die durch die Spulen hindurchgehen. Wenn jedoch ein fehlerhafter Querschnitt durch die Spulen

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hindurchgeht, so ändert sich der gesamte Magnetfluss durch die Spulen infolge des durch die Wirbelströme erzeugten reduzierten Feldes, und es wird in den Spulen eine elektromotorische Kraft erzeugt. Wenn der Fehler ein solcher ist, dass er den spezifischen Widerstand in einem Querschnitt des Stabes 14 ändert, so wird die Querschnittsfläche und die elektromotorische Kraft nicht geändert, «jedoch ändert sich die Grosse des Wirbelstromes mit der Änderung des spezifischen Widerstandes. Z. B. kann eine Überlappung oder eine Naht den spezifischen Widerstand erhöhen und den gesamten, in dem Querschnitt zirkulierenden Wirbelstrom verringern. Das induzierte Feld ändert sich entsprechend dieser Verringerung, und die Spulen 19 zeigen dies an.

Zum Erzeugen und Weiterleiten eines Signales von den Aufnahmespulen dient die in Fig. 2 gezeigte Schaltung. Die Aufnahmespulen 19 sind hierbei mit den Eingangsklemmen eines Differentialverstärkers 21 üblicher Art verbunden, der einen Spannungsgewinn von 50 bis 73 dB erbringt und ein von dem Unterschied zwischen an seinen Eingangsklemmen auftretenden Signalen abhängiges Ausgangssignal gibt. Dieses wird einer Entfaltungs-"Worrichtung 22 zugeführt, die aus einem üblichen Oszilloskop oder ein em.Bandschreiber bestehen kann. Zugleich wird das Ausgangssignal einem Digitalzähler 23 zugeführt, der eine Schaltung zur Bestimmung einer Schwelle und einen Stromkreis zum Zählen von über diese Schwelle hinausgehenden Impulsen aufweist. Die Leistung dieses Zählers 23 wird von einer Datenspeichervorrichtung 24 aufgenommen, die beliebiger Art sein kann und z. B. durch einen Digitalcomputer gebildet ist.

Die Form des an der Ausgangsklemme des Verstärkers 21 erscheinenden Signales ist in Fig. 5 gezeigt, in der der mittlere Impuls den durch die Ungleichmässigkeit des in den Spulen 19 induzierten Stromes als Ergebnis eines Fehlers in der Oberfläche eines durch ein Magnetfeldgefälle hindurchgehenden Metallstabes darstellt, wie er in Verbindung mit der Einrichtung nach Fig. 1 gezeigt ist.Die Impulse an jedem Ende der Spur sind Impulse, die beim Durchgang des vorderen Endes und des

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hinteren Endes des Stabes erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt einen etwa zylindrischen Magnet 30, bei dem die Aufnahmespulen 19 in der Mittelöffnung nahe an dem einen Ende angeordnet sind. Der Magnet hat dabei vorzugsweise eine Länge von 17»5 cm und einen Aussendurchmesser von 3,8 cm. Wie aus den schematisch angedeuteten Kraftlinien ersichtlich ist, besteht hierbei dicht am Einlass des Magneten eine Feldumkehr, so dass in diesem Bereich ein sehr starkes Magnetfeldgefälle vorhanden ist. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Metallstabes erheblich grosser als 1100 m je Minute ist, oder wenn das Werkstück einen grossen Durchmesser hat, so könnte die Anzeigetiefe flacher als erwünscht werden, weil zum Eindringen des Feldes eine bestimmte Zeit erforderlich ist. Eine längere Zeitdauer in dem Feldgefälle vor dem Eintritt in die Spulen kann in diesem Fall erwünscht sein. Bei einem zylindrischen Magnet, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, könnten die Aufnahmespulen näher an dem Mittelpunkt des Magneten angeordnet sein, wo das Feldgefälle weniger steil ist und sich über eine grössere Entfernung erstreckt. Bei Anwendung dieses Grundsatzes kann die erwünschte Eindringtiefe des Feldes leicht erreicht werden. Wirbelströme, die in verschiedenen Bereichen des Feldes erzeugt werden, fallen im allgemeinen sehr rasch ab. Z. B. verschwinden Wirbelströme in einem Kupferstab von 0,8 cm Durchmesser bei 20° C und einer Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes von 1100 m je Minute im wesentlichen schon bevor sie 0,7 cm von der Stelle entfernt sind, an der sie erzeugt wurden.

Patentansprüche:

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Claims

P at ent an sp rü ehe

1. Verfahren zum Anzeigen und Messen von Fehlern in einem Metallstab, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstab in einer ersten Richtung durch ein in dieser Richtung ein konstantes Gefälle aufweisendes Magnetfeld hindurchbewegt wird und an einer bestimmten Stelle dieses Gefälles Änderungen des in dem Stab umlaufenden Wirbelstromes als Punktion der Zeit aufgenommen werden, von denen eine Leistungsanzeige als Hinweis auf Änderungen in der Zusammensetzung oder Abmessungen des MetalHsbabes gegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldgefälle einen Wert von im wesentlichen 2000 Gauß je Zentimeter hat und der Metallstab, in der genannten Richtung axial und mit einer linearen Geschwindigkeit von im wesentlichen 1100 m je Minute bewegt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldgefälles in einer Richtung dienenden Vorrichtung (16, 30) sowie mit einer Vorrichtung zur axialen Bewegung des zu prüfenden Metallstabes (14) entlang dem Magnetfeldgefälle und dicht neben : dem durch das Magnetfeldgefälle bewegten Metallstab in einem Bereich des Magnetfeldgefälles, in dem die Änderung dieses Gefälles im wesentlichen konstant ist, mit Aufnahmevorrichtungen (19) versehen ist, die ein sich in Abhängigkeit von Änderungen in dem Netto-Magnetfeld infolge von Änderungen des Wirbelstromes in dem Metallstab ändern- ; des Ausgangssignal erzeugen und zur Anzeige von Änderungen in ihrem Ausgangssignal und damit von Fehlern in dem Metallstab mit einer Auslassvorrichtung (21) verbunden sind. ·

4. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass ' die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldgefälles aus

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einem dauernd magnetisieren zylindrischen Magnet (16, 30) besteht.

5· ' Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes zusätzlich zu dem Dauermagnet (16) ein an diesem angrenzendes, sich axial in der ersten Richtung erstreckendes zylindrisches Glied (17) aufweist, das aus einem Material hoher Permeabilität besteht und in der ersten Richtung innen konisch ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung aus zwei die Längsachse der Einrichtung konzentrisch umgebenden Induktionsspulen (19) besteht, die elektrisch gegengeschaltet sind, so dass eine Änderung des Magnetfeldes in rur der ersten Richtung eine entgegengesetzt gerichtete elektromotorische Kraft in den Spulen erzeugt.

7- Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (19) in Reihe gegengeschaltet sind und die Auslassvorrichtung (21) durch einenDifferentialverstärker gebildet ist, der mit der Reihenkombination der Spulen verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialverstärker (21) mit einem Oszilloskop (22) verbunden ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,j dass der Differentialverstärker (21) mit einem Impuls- ' zähler (23) verbunden ist. . ;

Der Patentanwalt

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