DE69015364T2 - Regelvorrichtung und -verfahren für kochgerät. - Google Patents
Regelvorrichtung und -verfahren für kochgerät.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung insbesondere der Temperatur und/oder der Leistung eines Kochgeräts.
- Es ist bekannt, in elektrischen Kochgeräten eine Temperaturmeßvorrichtung einer Regelvorrichtung zuzuordnen.
- Diese Geräte haben zum Ziel, nach einer einleitenden Vorheizperiode die Temperatur eines Heizbehälters im wesentlichen konstant zu halten. Man regelt jedoch die Temperatur der Sonde oder im besten Fall die des Behälters, nicht aber die seines Inhalts. Um die Temperatur des Inhalts ausgehend von der Temperatur der Sonde abzuleiten, müßte man aber die Entwicklung der Temperatur kennen. Die Korrelation zwischen der Temperatur der Sonde und der des Inhalts des Kochbehälters ändert sich jedoch von einem Kochvorgang zum anderen und manchmal sogar während eines einzigen Kochvorgangs. Diese Beziehung ändert sich zum Beispiel zwischen einer Pfanne mit einem Liter Öl und einer Gußeisen-Schmorpfanne mit drei Litern Öl oder einem gußeisernen Grill. Das Hinzufügen von z.B. 800 g Pommes Frites während des Kochens verändert die Temperatur des Inhalts des Behälters völlig und beeinflußt erst mit einer gewissen Verspätung und in abgeschwächter Weise die Temperaturveränderung der Sonde.
- Es wurde bereits in der Druckschrift FR-A-2 577 740 vorgeschlagen, eine Regelung durch Ausarbeitung einer Regelungskurve in der Temperatur-Zeit-Ebene durchzuführen. Die Regelungskurve trennt die Ebene in zwei getrennte Oberflächen. Solange die Kurve nicht erreicht ist, heizt man mit voller Leistung. Sobald die Kurve überschritten ist, verringert oder stoppt man die Heizleistung. Wenn die Temperatursonde im Phasendiagramm den Übergang zur anderen Seite der Regelkurve erfaßt hat, heizt man von neuem mit voller Leistung oder man erhöht die Leistung.
- Diese Art Vorrichtung hat zum Ziel, die Temperatur des Behälters zu begrenzen, um
- - die Beschädigung der Herdplatte zu vermeiden,
- - zu vermeiden, daß das Öl sich entzündet und einen Brand hervorrufen könnte,
- - die Beschädigung des Behälters zu vermeiden.
- Die Erfindung hat zum Ziel, indem sie die bekannte Vorrichtung verbessert, den Inhalt eines Behälters so schnell wie möglich auf eine Solltemperatur, zum Beispiel 180ºC im Fall von Öl, zu bringen, und dies, ohne jemals eine maximale Temperatur von beispielsweise 400ºC im Fall eines Ölfilms zu überschreiten.
- Die Erfindung hat ein Gerät zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kontrollvorrichtung eine Regelkurve ausarbeitet, deren Punkte als Abszisse die Temperatur Θ und als Ordinate die zeitliche Ableitung der Temperatur dΘ/dt haben, und daß es Mittel aufweist, die es ermöglichen, jedesmal dann die Stromzufuhr des Heizelements zu stoppen oder zu verringern, wenn der Wert von dΘ/dt den Wert der Ordinate der Kurve für eine Abszisse übersteigt, die der erreichten Temperatur entspricht.
- Die Erfindung hat weiter ein Gerät zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollvorrichtung eine Kurve ausarbeitet, deren Punkte als Abszisse die Temperatur Θ und als Ordinate die zeitliche Ableitung dΘ/dt der Temperatur Θ haben, deren Überschreitung angibt, daß ein leerer Kochbehälter vorliegt oder daß gar kein Kochbehälter auf dem Heizelement vorliegt, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Stromzufuhr des Heizelements zu unterbrechen, wenn die Kurve überschritten wird.
- Die Erfindung hat weiter ein Gerät zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Kochplatte ist.
- Die Erfindung hat weiter ein Gerät zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Herd ist.
- Die Erfindung hat weiter ein Gerät zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Glaskeramikplatte aufweist.
- Die Erfindung hat weiter ein Gerät zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Induktor ist.
- Die Erfindung hat auch ein Heizverfahren für einen Behälter zum Gegenstand, um ihn auf eine vorbestimmte Temperatur Θ zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Verfahrensschritte aufweist:
- - Aufheizen mit einem elektrischen Heizelement,
- - Messungen der erreichten Temperatur Θ,
- - Berechnung der zeitlichen Ableitung dΘ/dt der Temperatur und
- - Abschalten oder Verringern der Leistung der Stromversorgung jedesmal, wenn der Wert von dΘ/dt einen vorbestimmten Wert für den erreichten Wert von Θ überschreitet.
- Die Erfindung hat auch ein Verfahren zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Verfahrensschritte aufweist:
- - Erfassung der Abwesenheit eines aufzuheizenden Behälters oder des Vorhandenseins eines leeren Behälter auf dem Heizelement durch Vergleich des Werts von dΘ/dt in Bezug auf den maximalen Wert, der einem Behälter einschließlich Inhalt für den Wert Θ der erreichten Temperatur entspricht,
- - Abschalten der Stromversorgung des Heizelements, wenn das Vorhandensein eines Behälters mit Inhalt nicht erfaßt wurde.
- Die Erfindung wird besser verstanden werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der beiliegenden Figuren, die als nicht einschränkendes Beispiel zu verstehen sind.
- Figur 1 ist ein Schema einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- Figur 2 ist ein Schema einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- Figur 3 ist ein Diagramm, das die räumliche Veränderung der Temperatur für einen mit Öl gefüllten Kochtopf auf einer Glaskeramikplatte darstellt.
- Figur 4 ist ein erklärendes Diagramm des gemäß der Erfindung verwendeten Prinzips.
- Figur 5 ist ein Diagramm, das die Entwicklung des Systems bei der Verwendung der maximalen Leistung zeigt.
- Figur 6 ist ein Diagramm, das die Entwicklung des Systems ohne Heizung zeigt.
- Figur 7 zeigt die Entwicklung der Temperatur bis zum Erreichen der Solltemperatur Θ&sub0;.
- Figur 8 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Wärmeträgheit zeigt.
- Figur 9 ist ein Schema, das das Prinzip des Erfassens eines leeren Kochtopfs oder eines nicht auf die Kochvorrichtung aufgesetzten Kochtopfs zeigt.
- Figur 10 ist das Beispiel eines Flußdiagramms von Programmen, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden.
- Figur 11 zeigt zwei Entwicklungskurven der Temperatur und eine Entwicklungskurve der Leistung.
- Figur 12 zeigt die Regelkurve sowie die Zustandskurve bei Regulierungen einer Herdplatte mit Induktor großen Durchmessers.
- Figur 13 enthält eine Regelkurve sowie eine Zustandskurve, die die Entwicklung der Temperatur in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
- In den Figuren 1 bis 13 werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.
- In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält die Steuervorrichtung 23, die mit einer Regelvorrichtung 20 verbunden ist. Die Regelvorrichtung 20 ist mit einer Wärmequelle 4 verbunden. Die Wärmequelle 4 soll die Temperatur eines Behälters 11 und seines Inhalts erhöhen. Eine Temperatursonde 1 ist mit der Regelvorrichtung 20 verbunden. Vorteilhafterweise ist die Regelvorrichtung 20 mit einer Anzeigevorrichtung 21 verbunden. Vorteilhafterweise ist die Steuervorrichtung 23 mit einer Anzeigevorrichtung 22 verbunden.
- Die Heizvorrichtung 4 ist zum Beispiel ein Gasbrenner, vorteilhafterweise der sequentiellen Art.
- Vorteilhafterweise ist die Heizvorrichtung 4 eine elektrische Heizvorrichtung.
- Vorteilhafterweise ist die Heizvorrichtung 4 ein Induktor, der elektrische Ströme in den Behälter 11 induzieren soll.
- Vorteilhafterweise ist eine Glaskeramikplatte zwischen die Heizvorrichtung 4 und/oder die Temperatursonde 1 und den Behälter 11 eingefügt.
- Im in diesem Patent gezeigten Beispiel wurden Herdplatten beschrieben. Natürlich liegt die Verwendung von Küchenherden oder Kochbereichen wie einem Bratofen nicht außerhalb des Rahmens der Erfindung.
- Die Steuervorrichtung 23 erlaubt es, einen Heizverlauf, eine Temperatur oder ein Kochprogramm auszuwählen. Die Anzeige 22 zeigt die Temperatur oder das gewählte Programm an. Die Anzeige erfolgt digital, alphanumerisch oder durch Symbole. Die Regelvorrichtung steuert die Heizvorrichtung 4, um das gewählte Programm durchzuführen oder um zur gewünschten Temperatur zu gelangen. Zu diesem Zweck verwendet die Regelvorrichtung 20 die Sollinformation, die von der Steuervorrichtung 23 übertragen wird, sowie die Daten der von der Sonde 1 gemessenen Temperatur. Die Anzeigevorrichtung 21 zeigt die Uhrzeit, die verbleibende Kochzeit, die aktuelle Temperatur oder Betriebsnachrichten an.
- In Figur 2 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtung der Figur 2 enthält einen Induktor 4, der von einem Leistungsgenerator 12 gespeist wird. Der Leistungsgenerator 12 wird von einem Mikroprozessor 13 in Abhängigkeit von Anweisungen gesteuert, die er von der Steuervorrichtung 23 erhält, und von der Temperaturinformation 3, die von der Temperatursonde 1 kommt. Der Mikroprozessor 13 verwendet Programme, die es erlauben, so schnell wie möglich die Solltemperatur zu erreichen, ohne den Behälter 11 oder die Kochplatte zu beschädigen.
- Man verwendet zum Beispiel den Mikroprozessor 63705, der von der Firma HITACHI verkauft wird.
- In Figur 3 sieht man die verschiedenen Temperaturen, die an verschiedenen Punkten eines mit Öl H gefüllten Kochtopfes 11 erreicht werden. Die Temperatur an der Oberfläche des Öls ist eine andere als die Temperatur der Luft ΘN. Die Temperatur steigt im Inneren des Öls rasch an, um dann bis zum Boden des Kochtopfs relativ stabil zu bleiben. Dort steigt sie dann stärker an und durch den Topfboden hindurch dann weniger stark, um das Maximum Θc am Außenboden des Kochtopfs zu erreichen. Die Temperatur fällt in der Glaskeramikplatte 24 wieder ab, um die Temperatur Θλ der Temperatursonde 1 zu erreichen.
- Der in Figur 3 gezeigte Temperaturverlauf entspricht der Vorrichtung der Figur 2. Sie kann im Test für jede Art von Kochtopf für eine bestimmte Kochgeräteart bestimmt werden. Figur 3 entspricht der maximalen Leistung. Der Abstand zwischen Θc und ΘL steigt mit der Leistung an. Wenn man die Erwärmung beendet, kann es sein, daß ΘL größer als Θc wird. Außerdem ändern sich die Temperaturabstände während des Kochens und in Abhängigkeit vom Inhalt (Art, Menge) des Kochtopfs 11.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung regelt die Temperatur ΘL des Inhalts des Kochtopfs 11 und nicht Θλd der Sonde 1.
- In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Regelkurve 5 gezeigt, die gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Die Kurve 5 stellt die Temperatur Θ in Abhängigkeit von der zeitlichen Ableitung dΘ/dt dar. Die Kurve 5 trennt einen Bereich 6 von einem Bereich 7 der Ebene. Um ein wirksames Kochgerät zu erhalten, muß man, wie in Figur 5 gezeigt, so schnell wie möglich die Regelkurve 5 der Figur 4 erreichen. Der Pfeil 8 zeigt die Entwicklung in einem Phasendiagramm z.B. unter Verwendung der vollen Leistung. Der Pfeil 81 zeigt die Entwicklung in einem Phasendiagramm um dΘ/dt = 0 herum. Der Pfeil 80 zeigt die Entwicklung in einem Phasendiagramm für negative Werte von dΘ/dt.
- Es geht aber darum, die Übergriffe in den Bereich 7 des Phasendiagramms möglichst zu vermeiden. Zu diesem Zweck verringert man die elektrische Leistung oder man schaltet die elektrische Leistung ab, wenn die Kurve 5 überschritten wurde. Der Pfeil 9 der Figur 6 zeigt die Entwicklung im Fall einer Leistung gleich Null. Die Kurve 5 wird dann in der Gegenrichtung überschritten. Von diesem Moment an kann man entweder wieder die volle Leistung einschalten oder eine reduzierte Leistung, um dieser Kurve zu folgen. Der Pfeil 91 zeigt die Entwicklung in einem Phasendiagrammm um dΘ/dt = 0 herum. Der Pfeil 90 zeigt die Entwicklung in einem Phasendiagramm für negative Werte von dΘ/dt.
- In einer besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Leistungsveränderung abhängig von dem Abstand zur Regelkurve 5. So begrenzt man die Schwingungen. Die Reduzierung der Leistung in Abhängigkeit vom Abstand von der Regelkurve 5 ist nicht unbedingt linear.
- Natürlich liegt die Benutzung andere Regelkurven 5 wie z.B. Geradenabschnitte, Ellipsen oder Hyperbeln nicht außerhalb des Rahmens der Erfindung.
- Die Regelkurven 5 werden zum Beispiel experimentell für verschiedene Kochgeräte und für die verschiedenen gewünschten Behälter oder Kochprogramme bestimmt.
- Figur 7 zeigt ein Entwicklungsbeispiel 10 des Zustands eines Kochgeräts bis zum Erreichen der Solltemperatur Θ&sub0;.
- Es ist jedoch unbedingt notwendig, die thermische Trägheit zu beachten, zum Beispiel im Fall des Erhitzens durch Induktion die Zeit, in der sich die Hitze vom Boden des Kochtopfs 11 zur Temperatursonde 1 ausbreitet.
- Figur 8 zeigt die Kurve 14, die die Entwicklung der Leistung in Abhängigkeit von der Zeit darstellt. Diese Kurve entspricht Regelungen, die für Testzwecke Temperatursonden verwenden, die tatsächlich im Inneren eines Kochtopfs angeordnet sind.
- Um eine ideale Regelkurve zu bestimmen, zeichnet man die Entwicklung des Zustands der Sonde für verschiedene leere Kochtöpfe und man zeichnet jedesmal in einem Diagramm den Punkt 103 der Figur 8b ein, an dem die elektrische Leistung verringert oder abgeschaltet hätte werden sollen. Die Leistung muß unbedingt vor diesen Punkten 103 reduziert werden. Die Kurve 101 entspricht einem leeren Kochtopf, die Kurve 102 der gewünschten Verringerung er Leistung und der Punkt 104 der Entzündung des Öls.
- Wie man in Figur 8c sehen kann, führt man andererseits die gleiche Operation für verschiedenartige mit Öl gefüllte Kochtöpfe durch, wobei die Menge von 0,5 l bis 3 l geht. Man zeichnet auf dem Diagramm die Punkte 105 und 106 ein, die 150ºC im Öl bzw. 110ºC im Öl entsprechen. Man versucht, die Kurve zwischen den meisten einer Temperatur von isoac entsprechenden Punkten und den wenigsten einer Temperatur von 170ºC entsprechenden Punkten und selbstverständlich unterhalb der Punkte 103 hindurchzuführen. Der Punkt 108 entspricht einer Öltemperatur von 180ºC.
- Sobald die Kurve 5' überschritten wurde, schaltet man die Heizleistung für diesen Kochvorgang völlig ab, um den Kochtopf oder die Glaskeramikplatte abkühlen zu lassen. Das Überschreiten der Kurve 5 ist ein Versehen der Hausfrau. Diese Vorrichtung erlaubt eine Energieeinsparung und verhindert insbesondere Unfälle, die bei einem überhitzten Kochtopf passieren können. Außerdem ist man sicher, daß der überhitzte Kochtopf die Glaskeramikplatte 24, den Induktor 4 oder die Temperatursonde 1 nicht beschädigen wird.
- In Figur 10 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das vom Mikroprozessor 13 der Figur 2 verwendet wird.
- Bei 31 wird die Temperatur gemessen.
- Man geht über auf 32.
- Bei 32 erfolgt die Berechnung der Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zeit.
- Man geht über auf 33.
- Bei 33 erfolgt die Berechnung des Abstands d der Temperatur zur Kurve gemäß der Zeitachse, die zum Beispiel durch die Formel d = Θ - (dΘ/dt-D&sub0;)/A&sub0; + 110x10&sup6;/((dΘ/dt-25)&sup6;+0,1) gegeben ist.
- Für eine Solltemperatur Θ&sub0; = 236º gilt beispielsweise D&sub0; = 26 und A&sub0; = D&sub0;/Θ&sub0;.
- Man geht auf 34 über.
- Bei 34 wird der Test durchgeführt, um zu erfahren, ob der Abstand zur Kurve weniger oder gleich 0 ist.
- Im negativen Fall geht man auf 31 über.
- Im positiven Fall geht man auf 35.
- Bei 35 wird bestimmt, ob der Abstand zur Kurve 5 gering ist.
- Im negativen Fall geht man auf 36.
- Bei 36 wird die Leistung p auf 0 reduziert.
- Man geht auf 31 über.
- Im positiven Fall geht man auf 37.
- Bei 37 wird die an den Induktor anzulegende verringerte Leistung bestimmt. Die Leistung wird zum Beispiel durch die Formel
- p = (d / 7,5) x p&sub0; bestimmt, wobei p&sub0; die ursprüngliche Leistung ist.
- Man geht auf 31 über.
- Das Programm wird weitergeführt bis zum Ende des Kochvorgangs.
- In Figur 11 sieht man ein Beispiel einer experimentellen Kurve der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit. Die Kurve 44 entspricht der Temperatur des Öls, während die Kurve 43 der Temperatur der Sonde entspricht. In eine Zeitskala ist die Leistung eingetragen, die die Heizvorrichtung speist.
- In Figur 12 sieht man die Regelkurve 47, die weit von einer Zustandskurve 46 überschritten wird im Fall einer Verwendung eines leeren Gußeisengrills, indem ein Programm zum Backen von Pommes Frites verwendet wird. Die Bedingungen des Tests entsprechen einem Gußeisengrill, wie er von der Firma LE CREUSET verkauft wird, mit einem Durchmesser von 230 mm und einer Höhe von 17 cm. Die Temperatursonde war ein Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizient, der direkt an einer Glaskeramikplatte angeordnet ist. Die Temperaturveränderung sowie die Temperatur der Sonde sind in Grad Celsius ausgedrückt.
- Natürlich ist es vorteilhaft, sobald die Kurve 47 weit von der Kurve 46 übertroffen wird, die elektrische Leistung abzuschalten, wenn man festgestellt hat, daß ein leerer Kochtopf vorhanden ist, und die Erhöhung der Temperatur zu verhindern, die man in Figur 12 sehen kann.
- In Figur 13 sieht man eine Regelkurve 42 und eine Zustandskurve 41, die einem vollen Kochtopf entspricht und eine Temperatursonde, die eine Diode mit negativer Temperaturkonstante enthält und elektrisch durch Glimmer gegen die Glaskeramikplatte isoliert ist.
- Die vorliegende Erfindung ist hauptsächlich anwendbar auf die Durchführung der Kontrolle der Heizvorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet für Herdplatten und insbesondere Induktionsherdplatten.
Claims (10)
1. Kochgerät mit einer Regelvorrichtung (13, 230), einem
Heizelement (4) und einer Temperatursonde (1), dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (13, 20) eine Regelkurve
(5) ausarbeitet, deren Punkte als Abszisse die Temperatur Θ
und als Ordinate die zeitliche Ableitung der Temperatur dΘ/dt
haben, und daß es Mittel (12) aufweist, die es ermöglichen,
jedesmal dann die Stromzufuhr des Heizelements zu unterbrechen
oder zu verringern, wenn der Wert von dΘ/dt den Wert der
Ordinate der Kurve für eine Abszisse übersteigt, die der
erreichten Temperatur entspricht.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelvorrichtung (13, 20) eine Kurve (5') ausarbeitet, deren
Punkte als Abszisse die Temperatur Θ und als Ordinate die
zeitliche Ableitung d9/dt der Temperatur Θ haben, deren
Überschreitung angibt, daß ein leerer Kochbehälter (11) vorliegt
oder daß sich gar kein Kochbehälter auf dem Heizelement (4)
befindet, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Stromzufuhr
des Heizelements (4) abzustellen, wenn die Kurve (5')
überschritten ist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungsänderung vom Abstand zur Regelkurve abhängt.
4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungsänderung von der Zeit abhängt, die das Gerät sich
in einem von der Regelkurve begrenzten Bereich der Ebene
befunden hat.
5. Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß es eine Kochplatte ist.
6. Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es ein Herd ist.
7. Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es eine Glaskeramikplatte (24) aufweist.
8. Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) ein Induktor ist.
9. Heizverfahren für einen Behälter (11), um ihn auf eine
vorbestimmte Temperatur 9 zu bringen, dadurch gekennzeichnet,
daß es folgende Verfahrensschritte aufweist:
- Aufheizen mit einem elektrischen Heizelement (4),
- Messungen der erreichten Temperatur Θ,
- Berechnung der zeitlichen Ableitung dΘ/dt der
Temperatur, und
- Abschalten oder Verringern der Leistung der
Stromversorgung jedesmal, wenn der Wert von dΘ/dt einen
vorbestimmten Wert für den erreichten Wert von Θ überschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es
folgende Verfahrensschritte aufweist:
- Erfassung der Abwesenheit eines aufzuheizenden
Behälters (11) oder des Vorhandenseins eines leeren Behälter auf
dem Heizelement (4) durch Vergleich des Werts von dΘ/dt in
Bezug auf den maximalen Wert, der einem Behälter
einschließlich Inhalt für den Wert Θ der erreichten Temperatur
entspricht,
- Abschalten der Stromversorgung des Heizelements,
wenn das Vorhandensein eines Behälters mit Inhalt nicht erfaßt
wurde.
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