DE3620412A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR OPERATING A MAGNETOELASTIC SENSOR - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines magnetoelastischen Sensors nach der Gattung des Hauptan spruches. Ferromagnetische Materialien, insbesondere amorphe Metalle oder Nickeleisen-Legierungen, ändern ihre Permeabilität in der Rich tung, in der Zug- oder Druckkräfte auf sie einwirken. Dieser soge nannte magnetoelastische Effekt wird zum Messen von Kräften und Drehmomenten genutzt. Die Permeabilitätsänderung des Meßobjekts wird von einer Sensorspule erfaßt, die so nahe am Meßobjekt angebracht ist, daß eine magnetische Kopplung stattfindet.The invention is based on a circuit arrangement for operation a magnetoelastic sensor according to the genus Hauptan saying. Ferromagnetic materials, especially amorphous metals or nickel iron alloys, change their permeability in the rich in which tensile or compressive forces act on them. This so-called called magnetoelastic effect is used to measure forces and Torques used. The change in permeability of the measurement object is detected by a sensor coil that is attached so close to the measurement object is that there is magnetic coupling.
Aus der Patentanmeldung DE-P 35 34 460.1 ist eine Schaltungsan ordnung zum Betreiben eines solchen magnetoelastischen Sensors be kannt. Ein Wechselspannungsgenerator speist eine Spannungs teilerschaltung, die aus der Reihenschaltung von einem Widerstand und der Sensorspule besteht, mit einem Wechselstrom vorgegebener Frequenz. Die Spannung an der Sensorspule wird erfaßt und aus gewertet. Eine Permeabilitätsänderung des Materials des Meßobjektes hat eine Spannungsänderung an der Sensorspule zur Folge, die ein Maß für die mechanische Einwirkung auf das Meßobjekt darstellt. Die Spannung an der Sensorspule hängt nicht nur von der Permeabilität des Meßobjektes sondern auch vom Abstand zwischen der Sensorspule und dem Meßobjekt ab, da sich die magnetische Kopplung ändert. Eine eindeutige Kraftmessung setzt somit einen konstanten Abstand zwischen Sensorspule und Meßobjekt voraus. Bei der Konstruktion eines magnetoelastischen Sensors muß ein erheblicher Aufwand getrieben werden, um eine Abstandsänderung zwischen Sensorspule und Meßobjekt zu vermeiden oder sehr enge Toleranzen einzuhalten. Eine Sensorkonstruktion, die diesen Gesichtspunkt weitgehend berücksichtigt, ist beispielsweise aus der DE-OS 34 36 643 bekannt.From the patent application DE-P 35 34 460.1 is a circuit order to operate such a magnetoelastic sensor be knows. An AC voltage generator feeds a voltage divider circuit resulting from the series connection of a resistor and the sensor coil is made with an alternating current Frequency. The voltage at the sensor coil is detected and off rated. A change in the permeability of the material of the measurement object results in a voltage change on the sensor coil, which is a measure represents for the mechanical influence on the measurement object. The Voltage at the sensor coil depends not only on the permeability of the measurement object but also from the distance between the sensor coil and the test object, since the magnetic coupling changes. A clear force measurement therefore sets a constant distance between sensor coil and target. During construction a magnetoelastic sensor requires considerable effort be driven to change the distance between the sensor coil and Avoid measuring object or keep very tight tolerances. A Sensor design that largely respects this point of view considered, is known for example from DE-OS 34 36 643.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat demgegenüber den Vor teil, daß eine Abstandsänderung zwischen der Sensorspule und dem Meßobjekt nahezu keinen Einfluß mehr auf das Sensorsignal hat. Die Sensorspule ist mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis ergänzt, dessen Dämpfung von einem Dämpfungswiderstand festgelegt ist. Ein Wechselspannungsgenerator ist zur Energieversorgung des Schwing kreises vorgesehen. Der Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes, die Induktivität der Sensorspule, die Kapazität des Kondensators so wie die Frequenz des Wechselspannungsgenerators sind derart aufein ander abgestimmt, daß eine Abstandsänderung bei gegebenen Meßob jektmaterial nahezu keinen Einfluß mehr auf das Sensorsignal hat.The circuit arrangement according to the invention has the opposite part that a change in distance between the sensor coil and the DUT has almost no influence on the sensor signal. The Sensor coil is supplemented with a capacitor to form a resonant circuit, whose damping is determined by a damping resistor. A AC voltage generator is for the energy supply of the oscillation circle provided. The resistance value of the damping resistance, the inductance of the sensor coil, the capacitance of the capacitor so such as the frequency of the AC voltage generator are so on agreed otherwise that a change in distance given Given ob ject material has almost no influence on the sensor signal.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schal tungsanordnung möglich.The measures listed in the subclaims provide for partial further developments of the scarf specified in the main claim arrangement possible.
Der Schwingkreis kann als Serien- oder Parallelschwingkreis aus gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dämpfungs widerstand in Reihe zu einem Parallel-Schwingkreis, bestehend aus Kondensator und Sensorspule, geschaltet ist. Mit dieser Schaltungs variante wird ein gegebenenfalls erforderlicher Anpaßwiderstand zwi schen dem Schwingkreis und dem Wechselspannungsgenerator überflüs sig.The resonant circuit can be a series or parallel resonant circuit be educated. It when the damping is particularly advantageous resistive in series to a parallel resonant circuit consisting of Capacitor and sensor coil, is switched. With this circuit variant is a possibly required adaptation resistance between between the resonant circuit and the AC voltage generator sig.
Zweckmäßigerweise wird das an der Sensorspule anliegende Sensor signal gleichgerichtet und in einer nachfolgenden Siebschaltung in eine Gleichspannung umgewandelt, die in einem nachfolgenden Gleich spannungsverstärker auf passende Werte verstärkt wird.The sensor lying on the sensor coil is expediently signal rectified and in a subsequent sieve circuit in converted a DC voltage into a subsequent DC voltage amplifier is amplified to suitable values.
Günstig ist es, wenn zwischen dem Gleichspannungsverstärker und der Siebschaltung eine Tiefpaßanordnung vorgesehen ist.It is favorable if between the DC voltage amplifier and the Screening a low-pass arrangement is provided.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bringt eine große Ersparnis bei der Sensorkonstruktion, da präzisionsmechanische Teile entfal len. Auf einfache Weise wird die Drehmomenterfassung an rotierenden Teilen möglich. Bislang waren mehrere Sensoren zur Durchführung die ser Messung erforderlich.The circuit arrangement according to the invention brings great savings in the sensor design, since precision mechanical parts are omitted len. In a simple way, the torque detection is rotating Share possible. So far, several sensors were used to carry out the This measurement is required.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus der folgenden Be schreibung.Further details and advantageous developments of the inventions Invention circuit arrangement result from the following Be spelling.
Fig. 1 zeigt einen magnetoelastischen Sensor, bestehend aus einer Sensorspule und einem Meßobjekt, Fig. 1 shows a magneto-elastic sensor, comprising a sensor coil and an object to be measured,
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben des magnetoelastischen Sensors ge mäß Fig. 1, und Fig. 2 shows a circuit arrangement according to the invention for operating the magnetoelastic sensor according to FIG. 1, and
Fig. 3 zeigt Meßspannungen an der Sensorspule als Funktion der Frequenz eines in Fig. 2 gezeigten Wechselspannungs generators. Fig. 3 shows measuring voltages on the sensor coil as a function of the frequency of an AC voltage generator shown in Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Meßobjekt 10, das aus einem Material besteht, wel ches den magnetoelastischen Effekt zeigt. Auf das Meßobjekt 10 wird eine Zugkraft 12 ausgeübt. In einem Abstand 14 zu dem Meßobjekt 10 ist eine Sensorspule 16 angeordnet. Fig. 1 shows a measurement object 10 which consists of a material which shows the magnetoelastic effect. A tensile force 12 is exerted on the measurement object 10 . A sensor coil 16 is arranged at a distance 14 from the measurement object 10 .
Fig. 2 zeigt eine Wechselspannungs-Energiequelle 20, die aus einem Wechselspannungsgenerator 22 und einem Innenwiderstand 24 besteht. Die Wechselspannung steht an den beiden Anschlüssen 26, 28 zur Ver fügung. Eine Parallelschaltung, bestehend aus der Sensorspule 16 und einem Kondensator 30 ist über einen Dämpfungswiderstand 32 an die beiden Klemmen 26, 28 geschaltet. An der Sensorspule 16 ist ein Sen sorsignal 34 abnehmbar. Das Sensorsignal 34 wird über eine Diode 36 einer Siebschaltung 38, bestehend aus einem Siebkondensator 40 und einem Ableitwiderstand 42, zugeführt. Die gesiebte Signalspannung 44 gelangt über eine Tiefpaßanordnung 46, die aus einem Widerstand 48 und einem Tiefpaßkondensator 50 gebildet wird, an eine Verstärker anordnung 52. Die Verstärkeranordnung 52 ist als invertierende Ope rationsverstärker-Schaltung 54 ausgebildet, deren Verstärkungsfaktor mit den beiden Widerständen 56, 58 einstellbar ist. FIG. 2 shows an AC voltage energy source 20 , which consists of an AC voltage generator 22 and an internal resistor 24 . The AC voltage is available at the two connections 26 , 28 . A parallel circuit consisting of the sensor coil 16 and a capacitor 30 is connected to the two terminals 26 , 28 via a damping resistor 32 . On the sensor coil 16 , a sensor signal 34 can be removed. The sensor signal 34 is fed via a diode 36 to a filter circuit 38 consisting of a filter capacitor 40 and a bleeder resistor 42 . The sieved signal voltage 44 passes through a low-pass arrangement 46 , which is formed from a resistor 48 and a low-pass capacitor 50 , to an amplifier arrangement 52 . The amplifier arrangement 52 is designed as an inverting operational amplifier circuit 54 , the gain factor of which is adjustable with the two resistors 56 , 58 .
Fig. 3 zeigt einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators 22 und des Sensorsignals 34 (U). Als Parameter sind ein unterschiedlicher Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 sowie eine unterschiedliche Zug kraft 12 vorgesehen. Den beiden Kurven 60, 62 liegt ein unterschied licher Abstand 14 der Meßspule 16 von dem Meßobjekt 10 zugrunde, wo bei auf das Meßobjekt 10 jeweils keine Zugkraft 12 ausgeübt wird. Der Kurve 60 liegt ein größerer Abstand 14 zugrunde als der Kurve 62. Die beiden Kurven 60, 62 schneiden sich in einem Schnittpunkt 64. Die beiden Kurven 66, 68 werden erhalten, wenn auf das Meßobjekt 10 eine Zugkraft 12 ausgeübt wird. Der Kurve 66 liegt ein größerer Abstand 14 als der Kurve 68 zugrunde. Die beiden Kurven 66, 68 schneiden sich in einem Schnittpunkt 70. Die beiden Schnittpunkte 64, 70 liegen in Ordinatenrichtung nahezu übereinander. Sie liegen bei einer Frequenz F des Wechselspannungsgenerators 22. FIG. 3 shows a functional relationship between the frequency ( f ) of the alternating voltage generator 22 and the sensor signal 34 (U). A different distance 14 between the sensor coil 16 and the measurement object 10 and a different train force 12 are provided as parameters. The two curves 60 , 62 are based on a different distance 14 of the measuring coil 16 from the measuring object 10 , where no tensile force 12 is exerted on the measuring object 10 . The curve 60 is based on a greater distance 14 than the curve 62 . The two curves 60 , 62 intersect at an intersection 64. The two curves 66 , 68 are obtained when a tensile force 12 is exerted on the measurement object 10 . The curve 66 is based on a greater distance 14 than the curve 68 . The two curves 66, 68 intersect at an intersection 70 . The two intersection points 64 , 70 lie almost one above the other in the ordinate direction. They are at a frequency F of the alternating voltage generator 22 .
Anhand von Meßvorgängen, denen unterschiedliche Abstände 14 und ver schiedene Zugkräfte 12 zugrundeliegen, wird die Wirkung der Schal tungsanordnung nach Fig. 2 anhand der in Fig. 3 gezeigten Kurven näher erläutert:.On the basis of measurement processes, which are based on different distances 14 and different tensile forces 12 , the effect of the circuit arrangement according to FIG. 2 is explained in more detail using the curves shown in FIG. 3:
Die Wechselspannungs-Energiequelle 20 erzeugt in der Sensorspule 16 einen Stromfluß. Das von der stromdurchflossenen Wicklung der Sen sorspule 16 erzeugte magnetische Wechselfeld erfaßt das Meßobjekt 10, so daß die elektrischen Eigenschaften der Sensorspule 16 von dem Meßobjekt 10 beeinflußt werden. Zunächst bestimmt die Permeabilität des Meßobjektes 10 die Induktivität der Meßspule 16. Da sich die Permeabilität ferromagnetischer Stoffe unter Zug- oder Druckbe lastung sowie bei Torsionsbeanspruchung ändert, kann berührungsfrei der mechanische Spannungszustand des Meßobjektes 10 gemessen werden. Dabei kann das Meßobjekt 10 beispielsweise vollständig aus ferromag netischem Material hergestellt sein, es ist jedoch auch möglich, auf die Oberfläche eines nichtferromagnetischen Teiles eine dünne Schicht aus ferromagnetischem Material aufzubringen. Die Indukti vität der Sensorspule 16 ist weiterhin auch eine Funktion des Ab standes der Spule 16 von dem Meßobjekt 10. Ein geringerer Abstand hat eine höhere Induktivität zur Folge.The AC voltage energy source 20 generates a current flow in the sensor coil 16 . The magnetic alternating field generated by the current-carrying winding of the sensor coil 16 detects the measurement object 10 , so that the electrical properties of the sensor coil 16 are influenced by the measurement object 10 . First, the permeability of the measurement object 10 determines the inductance of the measurement coil 16 . Since the permeability of ferromagnetic materials changes under tensile or compressive load and under torsional stress, the mechanical stress state of the test object 10 can be measured without contact. In this case, the measurement object 10 can be made entirely of ferromagnetic material, for example, but it is also possible to apply a thin layer of ferromagnetic material to the surface of a non-ferromagnetic part. The Indukti tivity of the sensor coil 16 is also a function of the ex state of the coil 16 from the target 10th A smaller distance results in a higher inductance.
Die elektrischen Eigenschaften der Meßspule 16 werden von einem zweiten Effekt bestimmt. Das magnetische Wechselfeld induziert in die metallene Oberfläche des Meßobjektes 10 Wirbelströme, die ein Absinken der Induktivität bewirken. Auch der Einfluß der Wirbel ströme ist eine Funktion von dem Abstand der Sensorspule 16 von dem Meßobjekt 10. Beide Effekte vergrößern sich mit kleiner werdendem Abstand 14.The electrical properties of the measuring coil 16 are determined by a second effect. The alternating magnetic field induces eddy currents in the metal surface of the measurement object 10 , which cause the inductance to decrease. The influence of the eddy currents is also a function of the distance of the sensor coil 16 from the measurement object 10 . Both effects increase as the distance 14 decreases .
Die in Fig. 3 gezeigte Kurve 60 ist einem bestimmten Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 von beispielsweise 0,6 mm zugeordnet. Dargestellt ist die Amplitude des Wechselspan nungs-Sensorsignals 34 als Funktion der Frequenz f des Wechselspan nungsgenerators 22. Das Meßobjekt 10 sei zunächst entlastet, es wir ke keine Zugkraft 12. Beim Auftreten einer Zugkraft 12 geht die Kur ve 60 in die Kurve 66 über, wobei der Abstand 14 weiterhin 0,6 mm beträgt. Das Maximum der Kurve 66 ist gegenüber dem Maximum der Kur ve 60 zu einer höheren Frequenz f hin verschoben. Eine auf das Meß objekt 10 wirkende Zugkraft 12 bewirkt im gezeigten Beispiel eine Permeabilitätsabsenkung. Je nach Material kann sich auch eine Perme abilitätserhöhung ergeben.The curve 60 shown in FIG. 3 is associated with a certain distance 14 between the sensor coil 16 and the measurement object 10 of, for example, 0.6 mm. The amplitude of the alternating voltage sensor signal 34 is shown as a function of the frequency f of the alternating voltage generator 22 . The test object 10 is initially relieved, we ke no tensile force 12th When a tensile force 12 occurs , the curve 60 transitions into curve 66 , the distance 14 still being 0.6 mm. The maximum of curve 66 is shifted toward a higher frequency f compared to the maximum of curve 60 . A tensile force 12 acting on the measurement object 10 causes a reduction in permeability in the example shown. Depending on the material, an increase in permeability may also result.
Die beiden folgenden Meßvorgänge, deren Ergebnisse die beiden Kurven 62, 68 zeigen, werden bei einem kleineren Abstand 14 von beispiels weise 0,2 mm zwischen Spule 16 und Meßobjekt 10 durchgeführt. Der geringere Abstand 14 erhöht den Einfluß der Wirbelströme und erhöht gleichzeitig den Einfluß der Permeabilität des Meßobjektes 10 auf die Meßspule 16. Als Resultat ergebe sich die Kurve 62, deren Maxi mum gegenüber dem der Kurve 60 zu einer niedrigeren Frequenz f hin verschoben ist. Die beiden Kurven 60, 62 weisen bei einer bestimmten Frequenz F einen Schnittpunkt 64 auf. Die Einwirkung einer Zugkraft 12 führt, ausgehend von der Kurve 62, zu einem Resultat, das die Kurve 68 zeigt. Die Zugkraft 12 verringert die Permeabilität des Meßobjekts 10, wodurch sich das Maximum der Kurve 68 gegenüber dem Maximum der Kurve 62 zu einer höheren Frequenz f hin verschiebt. Die Kurve 68 schneidet die Kurve 66 in dem Schnittpunkt 70, der nahezu bei der Frequenz F liegt. The two following measurement processes, the results of which show the two curves 62 , 68 , are carried out at a smaller distance 14 of, for example, 0.2 mm between the coil 16 and the measurement object 10 . The smaller distance 14 increases the influence of the eddy currents and at the same time increases the influence of the permeability of the test object 10 on the measuring coil 16 . The result is curve 62 , the maximum of which is shifted towards a lower frequency f than that of curve 60 . The two curves 60 , 62 have an intersection 64 at a specific frequency F. The action of a tensile force 12 leads, starting from curve 62 , to a result which curve 68 shows. The tensile force 12 reduces the permeability of the measurement object 10 , as a result of which the maximum of curve 68 is shifted towards a higher frequency f compared to the maximum of curve 62 . The curve 68 intersects the curve 66 at the intersection 70 , which is almost at the frequency F.
Die Meßkurven 60, 62, 66, 68, die eine Funktion der Frequenz f sind, zeigen, daß bei einer bestimmten Frequenz F die Höhe des Sensor signals 34 nahezu nur vom mechanischen Spannungszustand des Meß objekts 10, nicht jedoch vom Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 abhängt. Die beiden Schnittpunkte 64 und 70 liegen nicht exakt sondern nur näherungsweise bei der bestimmten Frequenz F.The curves 60 , 62 , 66 , 68 , which are a function of the frequency f , show that at a certain frequency F, the height of the sensor signal 34 almost only from the mechanical stress state of the measuring object 10 , but not from the distance 14 between the sensor coil 16 and the measurement object 10 depends. The two intersection points 64 and 70 are not exactly, but only approximately at the determined frequency F.
Die Positionen der Schnittpunkte 64, 70 hängen von den Material eigenschaften des Meßobjektes 10 ab, die fest vorgegeben sind. Die geeignete Wahl der Meßfrequenz f, die zum Wert F wird, der Induk tivität der Meßspule 16, der Kapazität des Kondensators 30 sowie des Widerstandswertes des Dämpfungswiderstandes 32 eliminiert die Ab standsabhängigkeit des Meßergebnisses weitgehend. Die experimentell gefundenen Werte werden fest eingestellt und gelten für ein bestimm tes Material des Meßobjekts 10.The positions of the intersections 64 , 70 depend on the material properties of the measurement object 10 , which are predefined. The suitable choice of the measuring frequency f , which becomes the value F , the inductivity of the measuring coil 16 , the capacitance of the capacitor 30 and the resistance value of the damping resistor 32 largely eliminates the dependency on the measurement result. The experimentally found values are fixed and apply to a specific material of the measurement object 10 .
Das Sensorsignal 34, das als Wechselspannung mit der bestimmten Frequenz F vorliegt, wird mit der Diode 36 gleichgerichtet. Das Siebglied 38 glättet die gleichgerichtete, pulsierende Wechsel spannung. Der Siebkondensator 40 ist ergänzt durch den parallel ge schalteten Ableitwiderstand 42. Ohne Ableitwiderstand 42 wäre nur eine Spitzenwerterfassung möglich. Eine noch verbleibende Welligkeit des Signals beseitigt der Tiefpaß 46, der aus einer Widerstands- Kondensator-Kombination 48, 50 besteht. Die nach dem Tiefpaß auf tretende Gleichspannung wird in einer Verstärkeranordnung 52 auf einen gewünschten Signalpegel verstärkt, so daß die Signalspannung einen proportionalen oder nahezu proportionalen Wert zur Sensor spannung 34 annimmt. Verwendet wird eine invertierende Verstärker schaltung mit einem Operationsverstärker 54, deren Verstärkungs faktor in bekannter Weise mit den beiden Widerständen 56 und 58 ein gestellt wird.The sensor signal 34 , which is present as an AC voltage with the determined frequency F , is rectified with the diode 36 . The filter element 38 smoothes the rectified, pulsating AC voltage. The filter capacitor 40 is supplemented by the parallel ge bleeder 42nd Without leakage resistor 42 , only a peak value detection would be possible. A low ripple of the signal eliminates the low-pass filter 46 , which consists of a resistor-capacitor combination 48 , 50 . The DC voltage occurring after the low-pass filter is amplified in an amplifier arrangement 52 to a desired signal level, so that the signal voltage assumes a proportional or almost proportional value to the sensor voltage 34 . An inverting amplifier circuit with an operational amplifier 54 is used , the gain factor of which is set in a known manner with the two resistors 56 and 58 .
Anstelle des in Fig. 2 gezeigten Parallelschwingkreises, bestehend aus der Meßspule 16 und dem Kondensator 30, ist es auch möglich, einen Serienschwingkreis zu verwenden. Auch bei einem Serien schwingkreis wird das Sensorsignal 34 an der Meßspule 16 abgegriffen. Instead of the parallel resonant circuit shown in FIG. 2, consisting of the measuring coil 16 and the capacitor 30 , it is also possible to use a series resonant circuit. Even with a series resonant circuit, the sensor signal 34 is tapped at the measuring coil 16 .
Der Dämpfungswiderstand 32 kann bei dem in Fig. 2 gezeigten Paral lelschwingkreis auch parallel zur Meßspule 16 geschaltet werden, wenn die Wechselspannungs-Energiequelle 20 als Stromquelle aus gebildet ist. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsvariante, bei der der Dämpfungswiderstand 32 in Serie zum Parallelschwingkreis ge schaltet ist, weist den Vorteil auf, daß die Wechselspannungs- Energiequelle 20 als Wechselspannungsgenerator 32 mit einem Innen widerstand 24 ausgebildet sein kann. Diese Ausführung entspricht weitgehend den praktischen Gegebenheiten.The damping resistor 32 can also be connected in parallel to the measuring coil 16 in the parallel resonance circuit shown in FIG. 2 if the AC voltage energy source 20 is formed as a current source. The circuit variant shown in Fig. 2, in which the damping resistor 32 is connected in series with the parallel resonant circuit, has the advantage that the AC voltage energy source 20 can be designed as an AC generator 32 with an internal resistor 24 . This version largely corresponds to the practical circumstances.
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