JP2017156304A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のガスを精度よく検出する。【解決手段】ガス検知装置は、相互にピーク波長が異なる光を、検知対象となる気体が入ったガスセルへ出力する複数の光源と、前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を、順番に切り替える切替手段と、前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を特定する光源特定手段と、前記ガスセル内の前記気体を通過した光の強度と、前記光源特定手段によって特定された特定結果と、に基づいて、前記気体に含まれるガスを検知するガス検出手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検知装置に関する。

赤外線式のガス検知装置では、ガスによって赤外線の吸収特性が異なることを利用して、ガスの検知が行われる。複数種類のガスを検知するためには、検出するガスに応じた波長の赤外線を用いる必要がある。そのため、この種のガス検知装置には、ＱＣＬ（Quantum Cascade Lase）などの半導体レーザが用いられる。

ＱＣＬは、発振波長帯域が広く、狭帯域でのレーザ光を出力することができる。そのため、ＱＣＬをガス検知装置に用いることで、小型ながら複数種類のガスの検知が可能な装置を実現することができる。

特開２００９−２２２５２７号公報

一般に半導体レーザの発振波長は、半導体レーザの温度と、駆動電流の大きさに依存して変化する。このため、ガスを正確に検知するためには、半導体レーザの発振波長を一定に維持する制御が必要となる。半導体レーザとしてＱＣＬを用いた場合には、発振波長を切り替えると駆動電流の違いにより、半導体レーザに温度変化が生じる。このため、特定の波長のレーザ光を安定して出力するのが困難になる。

また、ＱＣＬでは、発振波長を変えることができるが、発振波長が可変な帯域は限られている。グレーティングを用いて、ＱＣＬの発信帯域を拡大する技術も提案されているが、発振波長の帯域幅を十分に拡大するのは困難である。

以上の理由から、１つのガス検知装置を用いて、複数種類のガスを精度よく検出するのは困難であった。特に、検知対象となるガスの間で、吸収度が最大となるときの波長に大きな差がある場合には、それぞれのガスを検知するために、複数のガス検知装置が必要となる場合もあった。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、複数のガスを精度よく検出することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係るガス検知装置は、相互にピーク波長が異なる光を、検知対象となる気体が入ったガスセルへ出力する複数の光源と、前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を、順番に切り替える切替手段と、前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を特定する光源特定手段と、前記ガスセル内の前記気体を通過した光の強度と、前記光源特定手段によって特定された特定結果と、に基づいて、前記気体に含まれるガスを検知するガス検出手段と、を備える。

本実施形態に係るガス検知装置のブロック図である。 赤外線の周波数特性を示す図である。 赤外線の周波数特性を示す図である。 赤外線の周波数特性を示す図である。 回転板の平面図である。 光源、回転板、及び光学系の配置を示す斜視図である。 処理装置のブロック図である。 検知対象となるガスの吸収度特性を示す図である。 変形例に係るガス検知装置のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の説明にあたっては、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を適宜用いる。

図１は、本実施形態に係るガス検知装置１０のブロック図である。ガス検知装置１０は、空気中などに含まれるガスを検知するための装置である。

図１に示されるように、ガス検知装置１０は、３つの光源２１，２２，２３、光源切替ユニット３０、ガスセル４０．赤外線検知器５１、駆動ユニット５２、処理装置６０を備えている。

光源２１〜２３は、赤外線を出力する半導体レーザである。光源２１〜２３は、例えば、波長領域が８〜１５μｍの赤外線を出力する。

図２乃至図４は、それぞれ赤外線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の周波数特性を示す図である。図２乃至図４を参照するとわかるように、ガス検知装置１０では、光源２１，２２，２３から出力される赤外線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のピーク波長は、相互に異なっている。本実施形態では、光源２１からの赤外線Ｌ１のピーク波長はλ１である。また、光源２２からの赤外線Ｌ２のピーク波長はλ２であり、光源２３からの赤外線Ｌ３のピーク波長はλ３である。

図１に戻り、光源切替ユニット３０は、回転板３１、回転ユニット３２、反射ミラーＭ１〜Ｍ４、ハーフミラーＨＭ１，ＨＭ２を有している。

図５は、回転板３１の平面図である。回転板３１は、点Ｏを中心とする円形板状の部材である。回転板３１は、例えば金属や樹脂など、赤外線に対する遮光性を有する素材からなる。回転板３１には、点Ｏを中心とする円Ｃ１に沿って、開口３１ａが形成されている。開口３１ａは、中心角θが１２０度の扇状に整形されている。回転板３１は、回転ユニット３２によって、点Ｏを通りＹ軸に平行な回転軸を中心に回動可能に支持される。

図５に示されるように、上述した光源２１，２２，２３は、光軸がＹ軸と平行になった状態で、ＹＸ面内での位置が円Ｃ１に沿って等間隔になるように配置されている。そのため、光源２１〜２３からの赤外線は、Ｙ軸に平行な方向へ射出される。

図１に戻り、回転ユニット３２は、軸３２ａと、軸３２ａを回転させるモータと、軸３２ａの回転角度を検出するエンコーダなどを有している。回転ユニット３２は、駆動ユニット５２の指示に基づいて、回転板３１を回転させる。そして、回転板３１の回転角度を示す回転信号を駆動ユニット５２へ出力する。

図６は、光源２１〜２３、回転板３１、及び光学系３５の配置を示す斜視図である。図６に示されるように、反射ミラーＭ１〜Ｍ４、ハーフミラーＨＭ１，ＨＭ２は、光源２１〜２３からの赤外線Ｌ１〜Ｌ３を、ガスセル４０へ導くための光学系３５を構成する。反射ミラーＭ１〜Ｍ４、ハーフミラーＨＭ１，ＨＭ２は、回転板３１の＋Ｙ側にそれぞれ配置されている。

反射ミラーＭ１〜Ｍ３は、光源２１〜２３の光軸上にそれぞれ配置されている。そして、反射ミラーＭ１〜Ｍ３それぞれは、＋Ｙ方向へ進む赤外線Ｌ１〜Ｌ３を、回転板３１の回転軸３１０に直交する方向へ反射する。また、反射ミラーＭ４は、回転板３１の回転軸３１０上に配置されている。反射ミラーＭ４は、反射ミラーＭ１に反射された赤外線Ｌ１を、回転軸３１０と平行な方向へ反射させる。反射ミラーＭ４に反射された赤外線Ｌ１は、回転軸３１０上を＋Ｙ方向へ進む。

ハーフミラーＨＭ１は、反射ミラーＭ４の＋Ｙ側に配置されている。ハーフミラーＨＭ１は、赤外線Ｌ１〜Ｌ３に対する透過率及び反射率がほぼ５０％のミラーである。ハーフミラーＨＭ１は、回転軸３１０上を＋Ｙ方向へ進む赤外線Ｌ１を透過する。また、ハーフミラーＨＭ１は、反射ミラーＭ２に反射された赤外線Ｌ２を、回転軸３１０と平行な方向へ反射させる。ハーフミラーＨＭ１に反射された赤外線Ｌ２は、回転軸３１０上を＋Ｙ方向へ進む。

ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１の＋Ｙ側に配置されている。ハーフミラーＨＭ２は、赤外線Ｌ１〜Ｌ３に対する透過率及び反射率がほぼ５０％のミラーである。ハーフミラーＨＭ２は、回転軸３１０上を＋Ｙ方向へ進む赤外線Ｌ１，Ｌ２を透過する。また、ハーフミラーＨＭ２は、反射ミラーＭ３に反射された赤外線Ｌ３を、回転軸と平行な方向へ反射させる。ハーフミラーＨＭ１に反射された赤外線Ｌ３は、回転軸３１０上を＋Ｙ方向へ進む。

図１に戻り、ガスセル４０は、多重反射型のガスセルである。ガスセル４０は、検知対象となるガスを含む気体が循環するケーシング４１と、ケーシング４１の内部に配置される一対の反射ミラー４２，４３を備えている。

ケーシング４１には、気体を内部へ流入させるための流入口４１ａと、気体を外部へ流出させるための流出口４１ｂが形成されている。ケーシング４１の流出口４１ｂには、ケーシング４１の内部の気体を排出するための排気装置などが接続される。排気装置によって、ケーシング４１の内部の気体が排出されることで、検知対象となる室内や作業空間などの空気やガスなどの気体が、流入口４１ａからケーシング４１の内部へ流入する。また、ケーシング４１は、少なくとも一部が例えば、赤外線に対して透過性を有するガラスからなる窓４１ｃ，４１ｄとなっている。

反射ミラー４２，４３は、反射面が凹面となったミラーである。反射ミラー４２，４３は、反射面が対向した状態で、ケーシング４１の内部に支持されている。

ガスセル４０では、赤外線が、窓４１ｃを介してケーシング４１内部に入射すると、この赤外線が反射ミラー４２と反射ミラー４３の間で多重反射する。そして、窓４１ｄから外部へ射出する。

赤外線検知器５１は、例えば量子型の赤外線センサや、制御回路などから構成される。赤外線検知器５１は、ガスセル４０から射出された赤外線を受光する。そして、受光した赤外線の強度に応じた値の光電変換信号を処理装置６０へ出力する。

駆動ユニット５２は、回転ユニット３２を駆動して、回転板３１を回転させる。図５を参照するとわかるように、駆動ユニット５２によって、矢印に示される方向へ回転板３１が回転すると、開口３１ａは円Ｃ１に沿って移動する。これにより、回転板３１の−Ｙ側にある光源２１〜２３は、順番に開口３１ａから＋Ｙ側へ露出する。これにより、光源２１〜２３からの赤外線Ｌ１〜Ｌ３のうちのいずれかの赤外線が、回転板３１を順番に通過する。

また、駆動ユニット５２は、回転ユニット３２から出力される回転信号に基づいて、回転板３１の開口３１ａから露出する光源２１〜２３を特定する。そして、特定した結果を処理装置６０へ通知する。

図７は、処理装置６０のブロック図である。図７に示されるように、処理装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０ａ、主記憶部６０ｂ、補助記憶部６０ｃ、入力部６０ｄ、表示部６０ｅ、インタフェース部６０ｆ、及び上記各部を接続するシステムバス６０ｇを有するコンピュータである。

ＣＰＵ６０ａは、補助記憶部６０ｃに記憶されたプログラムを読み出して実行する。ＣＰＵ６０ａは、ガス検知装置１０を構成する各部を統括的に制御する。

主記憶部６０ｂは、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリを有している。主記憶部６０ｂは、ＣＰＵ６０ａの作業領域として用いられる。

補助記憶部６０ｃは、半導体メモリなどの不揮発性メモリを有している。補助記憶部６０ｃには、ＣＰＵ６０ａが実行するプログラムが記憶されている。また、光源２１〜２３から出力される赤外線Ｌ１〜Ｌ３に関する情報や、各種パラメータなどが記憶されている。

入力部６０ｄは、ユーザからの指示を受け付けるためのスイッチや押しボタン等から構成されている。ユーザの指示は、入力部６０ｄを介して入力され、システムバス６０ｇを経由してＣＰＵ６０ａに通知される。

表示部６０ｅは、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示ユニットを有している。表示部６０ｅは、例えば、ガス検知装置１０のステータスや、検出結果などを表示する。

インタフェース部６０ｆは、ＬＡＮインタフェース、シリアルインタフェース、パラレルインタフェースなどを備えている。赤外線検知器５１、駆動ユニット５２、及び外部機器１００などは、インタフェース部６０ｆを介して、処理装置６０に接続される。

次に、上述のように構成されるガス検知装置１０の動作について説明する。ガス検知装置１０の電源がオンになると、光源２１〜２３から赤外線Ｌ１〜Ｌ３が回転板３１へ向かって射出される。また、駆動ユニット５２は、回転ユニット３２を駆動する。これにより、回転板３１が回転を開始する。

図６を参照するとわかるように、回転板３１が矢印に示される向きに回転すると、赤外線Ｌ１〜Ｌ３が順番に回転板３１を通過して、光学系３５へ入射し、ガスセル４０に導かれる。図１に示されるように、ガスセル４０に導かれた赤外線Ｌ１〜Ｌ３は、ガスセル４０の内部に充填される気体の中を通り抜けて、赤外線検知器５１に入射する。

赤外線検知器５１に赤外線Ｌ１〜Ｌ３が入射すると、赤外線検知器５１からは、赤外線Ｌ１〜Ｌ３の強度に応じた値の光電変換信号が、処理装置６０へ出力される。

処理装置６０は、光電変換信号を受信すると、駆動ユニット５２から通知される特定結果に基づいて、赤外線の出力元となる光源２１〜２３を特定する。そして、処理装置６０は、光源２１〜２３から出力される赤外線Ｌ１〜Ｌ３の強度と、光電変換信号に示される赤外線Ｌ１〜Ｌ３の強度とに基づいて、ガスセル４０に充填された気体に含まれるガスを特定する。

ガスの特定は、真空状態のガスセル４０を通過した赤外線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３からそれぞれ得られる光電変換信号の値ａ１，ａ２，ａ３と、検知対象となる気体が充填されたガスセル４０を通過した赤外線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３からそれぞれ得られる光電変換信号の値ｂ１，ｂ２，ｂ３とを比較することにより行う。

光電変換信号の値ａ１，ａ２，ａ３は、気体中での吸収がない赤外線Ｌ１〜Ｌ３の強度を示す。値ａ１〜ａ３としては、予めサンプリングされたデータや、設計値などを用いることができる。一方、光電変換信号の値ｂ１，ｂ２，ｂ３は、ガスセル４０を通過することで減衰した赤外線Ｌ１〜Ｌ３の強度を示す。

例えば、ガスセル４０に充填された気体に、検知対象となるガスが含まれていないようなときには、光電変換信号の値ａ１，ａ２，ａ３と、光電変換信号ｂ１，ｂ２，ｂ３の値の比（ｂ１／ａ１，ｂ２／ａ２，ｂ３／ａ３）は、ほぼ「１」になる。一方で、ガスセル４０に充填された気体に、検知対象となるガスが含まれているときには、比（ｂ１／ａ１，ｂ２／ａ２，ｂ３／ａ３）が、「１」を下回り、閾値Ｔｈ以下になる。

処理装置６０は、光電変換信号の受信結果に基づいて、比（ｂ１／ａ１，ｂ２／ａ２，ｂ３／ａ３）をそれぞれ算出する。そして、処理装置６０は、算出した比（ｂ１／ａ１，ｂ２／ａ２，ｂ３／ａ３）と閾値Ｔｈとを比較する。比（ｂ１／ａ１，ｂ２／ａ２，ｂ３／ａ３）のいずれかが閾値Ｔｈ以下であったときには、処理装置６０は、比（ｂ１／ａ１，ｂ２／ａ２，ｂ３／ａ３）の値から、気体に含まれるガスを特定する。

例えば、図８は、ガスセル４０に充填された気体に含まれるガスの、赤外線に対する吸収度特性を示す図である。図８の吸収度特性を示す曲線ｆ１に示されるように、ガスの吸収度特性が最大になるときの赤外線波長がλ２程度である場合には、赤外線Ｌ１〜Ｌ３のうちでもっとも吸収されるものは、波長がλ２の赤外線Ｌ２となる。

この場合には、比ｂ１／ａ１、及び比ｂ３／ａ３は、ほぼ「１」となるが、比ｂ２／ａ２は、「１」を下回り閾値Ｔｈ以下となる。この場合には、処理装置６０は、図８に示される吸収特性を有するガスが気体中に含まれると判断する。そして、判断結果を表示部６０ｅに表示するとともに、判断結果を示す情報を外部機器１００などに出力する。

以上説明したように、本実施形態に係るガス検知装置１０は、発振波長が相互に異なる光源２１〜２３を備え、各光源２１〜２３から出力される赤外線Ｌ１〜Ｌ３を、光源切替ユニット３０によって切り替えながら用いることで、ガスセル４０の気体に含まれるガスの検知を行う。したがって、複数のガスを精度よく検出することができる。

本実施形態では、光源２１〜２３からの赤外線Ｌ１〜Ｌ３が、順番にガスセル４０に入射する。このため、光源２１〜２３ごとにガスセル４０を設ける必要がなく、ガス検知装置１０の小型化、及び低コスト化を図ることが可能となる。

本実施形態では、図６に示されるように、光源２１〜２３からの赤外線Ｌ１〜Ｌ３は、回転板３１の回転軸３１０上を進んでガスセル４０へ入射する。これにより、光源２１〜２３からガスセル４０までの光路長が、光源２１〜２３相互間で等しくなる。このため、ガスの検知を精度よく行うことが可能となる。

以上、本実施形態について説明したが、本実施形態は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、３つの光源２１〜２３を備えるガス検知装置１０について説明した。これに限らず、ガス検知装置１０は、２つ或いは、４つ以上の光源を備えていてもよい。この場合には、検知するガスに応じて、光源から出力される光の波長を適宜選択することができる。

上記実施形態では、光源２１〜２３から出力される赤外線Ｌ１〜Ｌ３の波長領域が８〜１５μｍであることとした。赤外線Ｌ１〜Ｌ３の波長領域はこれに限られるものではない。また、光源２１〜２３として、赤外線以外の光を出力する光源を用いてもよい。

上記実施形態では、回転板３１が回転することにより、ガスの検知に用いる光源２１〜２３が選択されることとしたが、これに限らず、回転板３１に対して、光源２１〜２３を相対的に回転させることにより、ガスの検知に用いる光源２１〜２３を選択してもよい。

上記実施形態では、扇状の開口３１ａが形成された回転板３１を備えるガス検知装置１０について説明した。回転板３１の開口３１ａの形状は扇状に限られるものではなく、例えば、円形や矩形であってもよい。要するに、複数の光源のうちのいずれか１つからの赤外線が、ガスセル４０へ入射する構成であればよい。

上記実施形態では、光源２１〜２３からの赤外線Ｌ１〜Ｌ３が、回転板３１の回転軸上を進む場合について説明した。これに限らず、赤外線Ｌ１〜Ｌ３は、例えばいずれかの光源２１〜２３の光軸上を進み、ガスセル４０に入射することとしてもよい。このようにすると、反射ミラーの数を少なくすることができる。

上記実施形態では、回転板３１を用いて、ガスの検知に使用する光源２１〜２３を切り替えることとした。本実施形態はこれに限定されるものではない。以下、変形例に係るガス検知装置１０について説明する。

《変形例》
図９は、変形例に係るガス検知装置１０Ａのブロック図である。ガス検知装置１０Ａは、回転板３１及び光学系３５に代えて、導光部材８０を有している点で、ガス検知装置１０と相違している。

導光部材８０は、ケーシング８１と、反射ミラーＭ１１，Ｍ１２を有している。

ケーシング８１は、例えば内部が空洞の角柱状、或いは円柱状の部材である。ケーシング８１の両端部には、開口部８１ａ，８１ｂが形成されている。反射ミラーＭ１１，Ｍ１２は、ケーシング８１の内部に配置されている。反射ミラーＭ１１，Ｍ１２は、導光部材８０の光学系を構成する。

導光部材８０は、回転ユニット３２によって、開口部８１ｂの中心を通り、光源２１〜２３の光軸と平行な回転軸回りに回転可能に支持されている。

回転ユニット３２によって、導光部材８０が回転すると、開口部８１ａは、光源２１〜２３の光軸を順番に横切る。これによって、光源２１〜２３から出力される赤外線Ｌ１〜Ｌ３は、順番に開口部８１ａを介して導光部材８０の内部に導かれる。

導光部材８０の内部に導かれた赤外線Ｌ１〜Ｌ３は、反射ミラーＭ１１，Ｍ１２に反射された後に、導光部材８０の開口部８１ｂから射出する。開口部８１ｂから射出した赤外線Ｌ１〜Ｌ３は、導光部材８０の回転軸に沿って進み、ガスセル４０を経由して、赤外線検知器５１へ入射する。これにより、赤外線検知器５１から出力される光電変換信号を用いたガスの検知が可能になる。

以上説明したように、変形例に係るガス検知装置１０Ａでは、光源２１〜２３からの赤外線Ｌ１，Ｌ２がハーフミラーを透過することがないので、ガスの検知精度を向上させることが可能となる。

なお、上記変形例に係るガス検知装置１０Ａでは、導光部材８０が回転軸回りに回転することとした。これに限らず、導光部材８０の回転軸回りに、光源２１〜２３が回転することとしてもよい

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１０Ａ ガス検知装置
２１〜２３ 光源
３０ 光源切替ユニット
３１ 回転板
３１ａ 開口
３２ 回転ユニット
３２ａ 軸
３５ 光学系
４０ ガスセル
４１ ケーシング
４１ａ 流入口
４１ｂ 流出口
４１ｃ，４１ｄ 窓
４２，４３ 反射ミラー
５１ 赤外線検知器
５２ 駆動ユニット
６０ 処理装置
６０ａ ＣＰＵ
６０ｂ 主記憶部
６０ｃ 補助記憶部
６０ｄ 入力部
６０ｅ 表示部
６０ｆ インタフェース部
６０ｇ システムバス
８０ 導光部材
８１ ケーシング
８１ａ，８１ｂ 開口部
１００ 外部機器
３１０ 回転軸
Ｃ１ 円
Ｍ１〜Ｍ４，Ｍ１１，Ｍ１２ 反射ミラー
ＨＭ１，ＨＭ２ ハーフミラー
Ｌ１〜Ｌ３ 赤外線

Claims (8)

1. 相互にピーク波長が異なる光を、検知対象となる気体が入ったガスセルへ出力する複数の光源と、
   前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を、順番に切り替える切替手段と、
   前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を特定する光源特定手段と、
   前記ガスセル内の前記気体を通過した光の強度と、前記光源特定手段によって特定された特定結果と、に基づいて、前記気体に含まれるガスを検知するガス検出手段と、
   を備えるガス検知装置。
2. 前記光源は、所定の円に沿って配置され、
   前記切替手段は、前記円の中心を通る軸回りに回転し、前記円に沿って移動する開口が形成される回転部材を有する請求項１に記載のガス検知装置。
3. 前記光源は、所定の円に沿って配置され、
   前記切替手段は、前記円の中心を通る軸回りに前記光源に対して相対回転し、前記光源に対して前記円に沿って相対移動する開口が形成される回転部材を有する請求項１に記載のガス検知装置。
4. 前記光源特定手段は、前記光源に対する前記回転部材の角度に基づいて、前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を特定する請求項２又は３に記載のガス検出装置。
5. 前記光源は、所定の円に沿って配置され、
   前記切替手段は、前記円の中心を通る軸回りに回転し、前記円に沿って移動する受光部と、前記光源から射出され、前記受光部によって受光された光を、前記ガスセルに導く光学系と、を有する請求項１に記載のガス検知装置。
6. 前記光源は、所定の円に沿って配置され、
   前記切替手段は、前記光源に対して前記円の中心を通る軸回りに相対回転し、前記光源に対して前記円に沿って相対移動する受光部と、前記光源から射出され、前記受光部によって受光された光を、前記ガスセルに導く光学系と、を有する請求項１に記載のガス検知装置。
7. 前記光源特定手段は、前記光源に対する前記切替手段の角度に基づいて、前記ガスセルに入射する光を出力する前記光源を特定する請求項５又は６に記載のガス検出装置。
8. 前記光源は赤外線を出力する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガス検知装置。

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