DE69836002T2 - Akustischer Durchflussmesser - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Durchflussmesser und insbesondere einen Ultraschalldurchflussmesser, der bei der Überwachung des Gasflusses in Atemhilfgsgeräten, wie z. B. Ventilatoren und Respiratoren, einsetzbar ist.
  • Durchflussmesser, bei denen die Flugzeit eines akustischen Impulses (meist Ultraschallimpulses) dazu verwendet wird, die Geschwindigkeit (und folglich die Durchflussrate) des Fluids zu bestimmen, durch das hindurch der Impuls gesendet wurde, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Vorrichtungen, wie sie in der WO 94/28790 und in der US 5,247,826 beschrieben sind, verbessern diese grundlegende Methodik dahingehend, dass sie die Laufzeiten von Ultraschallimpulsen sowohl stromaufwärts (Tu) als auch stromabwärts (Td) des Fluidflusses messen. Diese Laufzeiten werden dann einem Mikroprozessor zugeführt, der so eingestellt ist, dass er die Fluiddurchflussrate unter Verwendung von Standard-Algorithmen berechnet. Ferner ist ein Thermometer in beiden Vorrichtungen enthalten, um die Umgebungstemperatur des Fluids zu messen. Da sich die Schallgeschwindigkeit in einem Medium mit dessen Temperatur ändert, kann bei Kenntnis der Umgebungstemperatur eine genauere Laufzeit abgeleitet werden.
  • In der WO 94/28790 ist ein Paar von Zellen, die jeweils einen piezoelektrischen Sender und Empfänger enthalten, so angeordnet, dass sich ein Ultraschallimpuls zwischen den Zellen in einem Winkel zur Richtung des Fluidflusses bewegen kann. Indem jede Zelle einen Ultraschallimpuls zum Empfang durch die andere aussendet, können sowohl Tu als auch Td gemessen werden. Die in der US 5,247,826 beschriebene Vorrichtung erzielt das gleiche Ergebnis, indem vorgesehen wird, dass ein Paar von Ultraschall-Sendern-Empfängern, die in einer langgestreckten gewickelten Rohrleitung, durch die Gas fließen kann, mit Abstand zueinander angeordnet sind, um abwechselnd als Sender und Empfänger zu arbeiten.
  • Ein piezoelektrischer Kristall gibt keinen Einzelimpuls ab, wenn er durch ein elektrischen Einzelimpuls erregt wird. Der Kristall wird vielmehr dazu gebracht, mit einer charakteristischen Resonanzfrequenz zu schwingen, um ein "Paket" auszusenden, das eine Vielzahl von Impulsen umfasst. Die Hüllkurve der Sendersignale fällt schnell mit der Zeit ab und erzeugt für gewöhnlich eine Folge von etwa sechs Zyklen. So kann es zu kleinen Fehlern bei der Bestimmung der Durchflussrate kommen, wenn die Bestimmung unter Verwendung unterschiedlicher Impulse aus dem Paket erfolgt.
  • Von daher kann ein Problem auftreten, wenn die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik in Situationen eingesetzt werden, in denen es entscheidend ist, die Durchflussraten innerhalb enger Toleranzen zu halten, wie beispielsweise im Falle medizinischer Anwendungen die Überwachung von Atemgasdurchflussraten in Ventilatoren und Respiratoren. Bei solchen Anwendungen müssen die Durchflussmesser in der Lage sein, kleine Veränderungen der Gas-Durchflussraten genau und zuverlässig zu erfassen. Möglicherweise zeichnen die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik jedoch kleine Veränderungen auf, die zwar auf den ersten Blick korrekt erscheinen, tatsächlich aber nicht auf Veränderungen der Durchflussrate zurückzuführen sind, sondern vielmehr auf ein Erfassen der Ankunftszeit des falschen Schallimpulses aus einem bestimmten Paket.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dieses Problem dadurch zu mindern, dass man einen akustischen Durchflussmesser vorsieht, in dem solche fehlerhaften Durchflussraten automatisch identifiziert werden können.
  • Dies kann durch einen Durchflussmesser erreicht werden, der gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet ist und in dem eine Fehlersignalanzeigevorrichtung die gemessenen Laufzeiten Tu und Td empfängt und eine Ableitung derselben (d.h. deren Summe oder deren Differenz) mit entsprechenden Kontrollwerten vergleicht und, falls deren Differenz einen entsprechenden vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, ein Fehlersignal ausgibt. Dieses Fehlersignal kann anschließend beispielsweise dazu verwendet werden, die Betriebsparameter des Durchflussmessers zu ändern, um derartige Fehler zu vermeiden, die Schaltung anzuweisen, die Anzeige zu ignorieren oder um einer Bedienperson eine deutliche Warnung zukommen zu lassen, so dass korrigierende Maßnahmen manuell vorgenommen werden können.
  • Insbesondere wenn der Durchflussmesser kontinuierliche Flüsse messen soll, enthält die Fehlersignalanzeigevorrichtung für gewöhnlich eine Schaltung, um die Summe der Laufzeiten Tu und Td zu bilden (wobei die Summe, da die Fluiddurchflussrate gleiche, aber entgegengesetzte Wirkungen auf die Laufzeiten hat, für jede beliebige Durchflussrate konstant sein sollte), um sie mit einem Kontrollwert, der von der erwarteten Summe abhängt, zu vergleichen, wobei der Kontrollwert ein gemessener Wert oder ein berechneter Wert sein kann (berechnet beispielsweise unter Verwendung der allgemein bekannten Gleichung für die Schallgeschwindigkeit in einem idealen Gas, vorausgesetzt, dass die Temperatur und die Zusammensetzung des Gases bekannt sind), um ein Fehlersignal auszugeben, für den Fall, dass die Differenz zwischen dem gebildeten Wert und dem Kontrollwert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, der Null sein kann. Auf diese Weise kann der Durchflussmesser kontinuierlich auf fehlerhafte Signale hin überwacht werden.
  • Die Schaltung kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass sie die Differenz zwischen der gebildeten Summe und einem Kontrollwert misst, der aus einer zuvor gebildeten Summe besteht, und kann zusätzlich so angepasst werden, dass sie den Kontrollwert durch die gebildete Summe ersetzt, falls die Differenz den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet, um dadurch den Kontrollwert zu aktualisieren.
  • Vorzugsweise bildet die Fehlersignalanzeigevorrichtung den Kontrollwert aus Laufzeiten, die während im Wesentlichen laminaren Fluidflussbedingungen, wie beispielsweise bei Nulldurchflussraten oder niedrigen Durchflussraten, gemessen wurden, wodurch die Verwendung eines sich selbst kalibrierenden Durchflussmessers ermöglicht wird.
  • Noch bevorzugter kann die Selbstkalibrierung periodisch während des Betriebs des Durchflussmessers erfolgen, um einen Selbstausgleich für Veränderungen der Geschwindigkeit des Ultraschalls vorzusehen, die durch Veränderungen der Umgebungsbedingungen, wie z. B. der Temperatur, oder des Zustandes der Zeitmessmittel verursacht werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Konstruktion des Durchflussmessers vereinfacht werden kann, da zusätzliche Komponenten, wie z. B. ein Thermometer, die verwendet werden, um die Umgebungsbedingungen zu überwachen, nicht in den Durchflussmesser aufgenommen werden müssen.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Fehlersignalanzeigevorrichtung eine Schaltung enthalten, um die Differenz der Laufzeiten Tu und Td zu bilden, diese Differenz mit einem Kontrollwert, der von der erwarteten oder einer gemessenen Differenz abhängt, zu vergleichen und ein Fehlersignal auszugeben, für den Fall, dass die Differenz zwischen dem Kontrollwert und dem gebildeten Wert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  • Wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein wird, werden gebildete Differenzwerte, im Gegensatz zu gebildeten Summenwerten von Veränderungen der Durchflussrate abhängen und sich mit denselben ändern. Eine solche Fehlerüberwachung kann jedoch gelegentlich eingesetzt werden, wenn ein bekannter Fluss bzw: ein Nullfluss vorhanden ist oder wenn man vorsieht, dass die Schaltung einen zuvor gebildeten Differenzwert als Kontrollwert verwendet und man den Kontrollwert durch neu gebildete Werte ersetzt, so dass die Zeit zwischen der Bestimmung der Kontrollwerte und der gebildeten Werte kürzer ist als die messbaren Änderungen der Durchflussrate.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen der folgenden Figuren beschrieben, in denen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Durchflussmessers,
  • 2 eine im Allgemeinen angewandte Betriebsart des Durchflussmessers der 1,
  • 3 einen Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • 4 ein Diagramm mit dem Logikablauf einer beispielhaften Betriebsart des Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein bekannter Durchflussmesser beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 1 umfasst ein Durchflussmesser 1 ein Rohr 2, durch das ein Fluid beispielsweise in Richtung der Pfeile fließen kann. Abzweigungen 3, 4 sind mit fluiddichten Enden an dem Rohr 2 ausgebildet, und in jeder der Abzweigungen 3, 4 ist ein piezoelektrischer Sender-Empfänger 7, 8 angeordnet, so dass Schallimpulse, die von einem Sender-Empfänger 7, 8 abgegeben werden, den Weg des Fluidflusses in einem Winkel durchqueren können, um an dem anderen Sender-Empfänger 8, 7 empfangen zu werden. Ein Generator 9 zum Erzeugen elektrischer Impulse und Zeitmessmittel 10, die einen entsprechend programmierten Mikroprozessor umfassen, der mit einer bekannten internen Taktfrequenz arbeitet, sind miteinander und mit jedem der piezoelektrischen Kristalle 7, 8 verbunden, so dass jeder Sender-Empfänger 7, 8 abwechselnd als Sender und als Empfänger betrieben werden kann. Die Verbindungen zwischen dem Impulsgenerator 9, den Zeitmessmitteln 10 und jedem der Sender-Empfänger 7, 8 können so geschaltet werden, dass dann, wenn der Impulsgenerator 9 derart geschaltet ist, dass er elektrische Impulse an den Sender-Empfänger 7 liefert, die Mittel 10 so geschaltet sind, dass sie elektrische Signale nur aus dem Sender-Empfänger 8 empfangen und umgekehrt.
  • Die weitere Beschreibung des Betriebs des Durchflussmessers 1 erfolgt aus Gründen der Einfachheit für einen Zustand, in dem der Sender-Empfänger 7 so eingestellt ist, dass er als Sender fungiert und der Sender-Empfänger 8 so eingestellt ist, dass er als Empfänger fungiert.
  • Der Impulsgenerator 9 liefert einen allgemein durch das Nebenbild der 2 gezeigten elektrischen Einzelimpuls 14 an den piezoelektrischen Sender 7 und liefert ein Signal an den Mikroprozessor 11 der Zeitmessmittel 10, um ein Zählen von Impulsen aus dessen internem Taktgeber zu starten. Dieser elektrische Impuls 14 veranlasst den Sender 7, einen Wellenzug 15 auszugeben, der Nulldurchgangspunkte bei P1-5 hat, wie dies in 2 gezeigt ist. Dieser Wellenzug 15 geht in einem Winkel zur Richtung des Fluidflusses durch das Fluid im Rohr 2 und wird am piezoelektrischen Empfänger 8 empfangen, wo es die Erzeugung eines elektrischen Wellenzuges 15 mit analogen Spannungs amplitudenveränderungen verursacht. Dieses elektrische Signal wird in die Zeitmessmittel 10 eingegeben.
  • Die Zeitmessmittel 10 umfassen ebenfalls eine Schaltung 12, die aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist; um Nulldurchgangspunkte P1-5 zu erfassen, und die so konfiguriert ist, dass sie immer den gleichen Nulldurchgangspunkt (z. B. P3) bestimmt, der mit dem elektrischen Impuls 14 in Verbindung steht. Bei Erfassen dieses einzelnen Nulldurchgangspunktes wird ein Signal an den Prozessor 11 gesendet, der die Taktimpulszählung unterbricht. Ausgehend von einer Kenntnis der internen Taktfrequenz des Prozessors 11 und der Anzahl an gezählten Taktimpulsen zwischen der Erzeugung und des Empfangs des Ultraschallsignals kann der Prozessor 11 so programmiert werden, dass er die Laufzeit der Ultraschallimpulse berechnet. Wenn Fluid durch das Rohr 2 in die in 1 gezeigte Richtung fließt, dann wird, wenn der Sender-Empfänger 7 als Sender fungiert und der Sender-Empfänger 8 als Empfänger fungiert, die stromabwärtige Laufzeit Td von den Zeitmessmitteln 10 bestimmt werden.
  • Wenn die Rollen der Sender-Empfänger 7, 8 vertauscht werden, dann kann die langsamere, stromaufwärtige Laufzeit Tu auf ähnliche Weise bestimmt werden. Der Prozessor 11 der Zeitmessmittel 10 ist ferner so programmiert, dass er die Fluiddurchflussrate aus Tu und Td unter Verwendung einer Gleichung bestimmt, die einem Fachmann auf dem Gebiet der Physik der Schallausbreitung allgemein bekannt und in der US 5,247,826 veranschaulicht ist und wie folgt ausgedrückt werden kann: V = K(Tu – Td)/(Tu + Td)2 (1)
  • V bezeichnet die Volumendurchflussrate und K ist eine Konstante, die inter alia von physikalischen Dimensionen des Durchflussmessers 1 abhängt und ohne übermäßigen Aufwand berechnet oder experimentell bestimmt werden kann.
  • Zweifelsohne liefert jeder elektrische Impuls 14 ein empfangenes Signal 15, das eine Vielzahl von Nulldurchgangspunkten P1-5 hat. Während beabsichtigt wird, dass nur ein einziger Durchgangspunkt, beispielsweise P3, für jeden elektrischen Impuls verwendet wird, könnte jeder der Durchgangspunkte P1-5 erfasst werden, was zu Fehlern bei der Bestimmung der Laufzeitwerte Td und Tu führen würde, und folglich können sich Fehlern in der berechneten Durchflussrate ergeben.
  • Beim Versuch dieses Problem zu lösen, ist es bekannt, in den Durchflussmesser 1 beispielsweise an der Eingangsstufe der Zeitmessmittel 10 eine Diskriminatorschaltung 13 aufzunehmen, um die Erfassung irgendeines anderen Durchgangspunktes außer beispielsweise P3 zu verhindern. Unter Bezugnahme auf die 2 arbeitet die Schaltung 13 im Allgemeinen so, dass sie nach einem Nulldurchgang sucht, bei dem das Signal 15 von negativ nach positiv (oder von positiv nach negativ) geht, aber erst nachdem das Signal 15 eine vorgegebene Schwellenspannung V unterschritten (überschritten) hat. Auf diese Weise können alle Durchgangspunkte außer der Durchgangspunkt P3 ausgeschlossen werden. Leider können immer noch Messfehler auftreten. Wenn beispielsweise die Schwellenspannung zu niedrig (V') eingestellt ist, kann es möglich sein, einen von mehreren Durchgangspunkten P2,3 zu erfassen. Selbst wenn die Spannung auf einen korrekten Pegel eingestellt wird, können V" entsprechende Änderungen 15' der Amplitude des Signals 15, beispielsweise verursacht durch Störsignale oder zeitabhängige Veränderungen der Be triebseigenschaften der Sender-Empfänger 7, 8 immer noch bedeuten, dass es möglich ist, einen von mehreren Durchgangspunkten P2-3 zu erfassen.
  • Ein Durchflussmesser 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt, und, indem er im Wesentlichen gleich dem bekannten Durchflussmesser der 1 ist, ist er mit den üblichen Bestandteilen gezeigt, die die gleiche Nummerierung wie in 1 haben. Eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Laufzeit, Tu bzw. Td werden wie zuvor beschrieben bestimmt und in den Mikroprozessor 11 der Zeitmessmittel 10 eingegeben. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen bekannten Durchflussmesser ist eine Fehlersignalanzeigevorrichtung 16 in den Zeitmessmitteln 10 als Teil des programmierten Mikroprozessors 11 enthalten, die nun gemäß dem Flussdiagramm mit Logikablauf, wie er in 4 gezeigt ist, arbeitet.
  • Im Gebrauch bestimmt die Fehlersignalanzeigevorrichtung 16 eine falsche Laufzeit-Anzeige basierend auf der Summe von Tu und Td, Tsum. Im Mikroprozessor ist ein Kontrollwert, Tc, gespeichert, der ein summierter Laufzeit-Wert ist, der bei einem Nullfluss (oder einem niedrigem Fluss, der einen laminaren Fluss erzeugt) gebildet wird. Dies kann beim Start erfolgen, ehe Fluid durch den Durchflussmesser 1 fließt, oder wenn ein Durchfluss-Steuerventil 17 (hier gezeigt als Teil des Durchflussmessers 1, wobei es jedoch auch außerhalb des Durchflussmessers 1 im Fluidsystem vorgesehen sein könnte) geschlossen wird, um zu verhindern, dass Fluid im Durchflussmesser 1 fließt, oder kann während solcher Zeiten erfolgen, in denen bekannt ist, dass kein Fluid durch den Durchflussmesser 1 fließen wird. Diese letzte Möglichkeit kann dann bevorzugt werden, wenn beispielsweise der Durchflussmesser 1 in Beatmungsunterstützungssystemen eingesetzt wird, wie z. B. in der Exspirationsseite oder der Inspirationsseite bekannter Ventilatorsysteme, wo es schon allein aufgrund der Natur des Atemvorgangs Zeiten geben wird, in denen kein Fluid in der einen oder der anderen Seite fließt. Darüber hinaus kann der Kontrollwert Tc anhand neuer Summen, die bei dem Nulldurchflusszustand gebildet werden, oder anhand von gemessenen Werten von Tsum, die erhalten werden, wenn die Fehlersignalanzeigevorrichtung 16 anzeigt, dass fehlerfreie Laufzeitwerte gesammelt wurden, aktualisiert werden.
  • Der Durchflussmesser 1 arbeitet auf eine Weise, die zuvor im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde, um Momentanwerte für Tu und Td zu erhalten. Die Fehlersignalanzeige 16 bildet unter Verwendung dieser Momentanwerte einen Wert Tsum und vergleicht ihn mit dem Kontrollwert Tc, um den absoluten Wert Tc-Tsum zu bestimmen. Wenn dieser absolute Wert größer als ein vorgegebener Schwellenwert Tt ist, der auf Null eingestellt sein kann, dann wird von der Fehlersignalanzeigevorrichtung 16 des Prozessors 11 ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Signal kann dann auf für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtliche Arten verwendet werden, beispielsweise um das Erstellen einer Durchflussratenanzeige zu verhindern und um Betriebsparameter der Vorrichtung zu ändern, an die der Durchflussmesser angeschlossen ist, um die Durchflussrate einzustellen oder um Korrekturalgorithmen in dem Durchflussmesser zu starten, um einen geschätzten Durchflusswert zu erzeugen, möglicherweise basierend auf Trends in der Durchflussrate aus zuvor "zuverlässig" berechneten Durchflussraten-Messungen. Wenn kein Fehlersignal erzeugt wird, berechnet der Prozessor 11 dann unter Verwendung der Gleichung (1) die Durchflussrate. Eine klare Darstellung dieser Durchflussrate kann dann erfolgen, beispielsweise in Form einer Ausgabe auf einem Computerbildschirm oder einer Skala.
  • Für einen Fachmann auf diesem Gebiet wird es offensichtlich sein, dass der Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er oben mit Hilfe der 4 beschrieben wurde, leicht modifiziert werden könnte, um Fehler- bestimmungen basierend auf der Differenz Tdiff zwischen Tu und Td durchzuführen. In diesem Falle wäre Tc beispielsweise Td-Tu, und der Fehlersignal-Generator 16 würde arbeiten, um zu bestimmen, ob |Tc-Tdiff| einen eingestellten Betrag überschreitet.

Claims (9)

  1. Akustischer Fluiddurchflussmesser, umfassend Zeitmessmittel (10) zum Ermitteln eines stromabwärtigen Laufzeitwertes (Td) und eines stromaufwärtigen Laufzeitwertes (Tu) akustischer Impulse, die zwischen Akustiksignalerzeugern (7, 8) und -empfängern (8, 7) in und entgegen der Fluidflussrichtung übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Fehlersignalanzeigevorichtung (16) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, das sie die ermittelten Laufzeitwerte (Td, Tu) empfängt und ein Fehlersignal ausgibt, das auf eine fehlerhafte Durchflussanzeige hindeutet, wenn die Summe (Tsum) aus oder die Differenz (Tdiff) zwischen dem stromabwärtigen und dem stromaufwärtigen Laufzeitwert von einem entsprechenden Steuerwert (Tc) um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  2. Fluiddurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlersignalanzeigevorrichtung (16) dazu geeignet ist, das Fehlersignal abhängig davon ausgegeben, ob die Summe (Tsum) aus dem stromaufwärtigen Laufzeitwert (Tu) und dem stromabwärtigen Laufzeitwert (Td) von dem entsprechenden Steuerwert (Tc) abweicht.
  3. Fluidurchflussmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Steuerwert (Tc) aus der Summe der Laufzeitwerte gebildet ist, die unter im Wesentlichen laminaren Strömungsbedingungen ermittelt wurden.
  4. Fluiddurchflussmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwert (Tc) erhalten wird, wenn die Durchflussrate im Wesentlichen Null beträgt.
  5. Fluiddurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlersignalanzeigevorrichtung (16) dazu geeignet ist, bei einer bekannten Durchflussrate zu arbeiten und das Fehlersignal abhängig davon auszugeben, ob die Differenz (Tdiff) zwischen dem stromabwärtigen Laufzeitwert (Td) und dem stromaufwärtigen Laufzeitwert (Tu) den entsprechenden Steuerwert überschreitet.
  6. Fluiddurchflussmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlersignalanzeigevorrichtung dazu geeignet ist, bei einer Durchflussrate von Null zu arbeiten.
  7. Fluiddurchflussmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Ventil (17) vorgesehen ist, das dazu geeignet ist, den Fluidfluss vorbei an den Akustiksignalerzeugern (7, 8) und -empfängern zu steuern.
  8. Fluiddurchflussmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Steuerwert (Tc) unter Verwendung ermittelter Laufzeitwerte (Tu, Td) periodisch aktualisiert wird.
  9. Fluiddurchflusssystem, umfassend eine Leitung, durch die Fluid fließen kann, sowie einen Durchflussmesser, der so angeordnet ist, dass er den Fluidfluss durch die Leitung misst, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluiddurchflussmesser einen Messer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
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