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第二章變送器和轉(zhuǎn)換器課內(nèi)講授的主要單元:差壓變送器、溫度變送器、電/氣轉(zhuǎn)換器等。第一節(jié)變送器的構(gòu)成作用:將各種工藝變量,如溫度、壓力(差壓)、流量、液位、成份等,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。一、構(gòu)成原理變送器通常由三部分組成:測(cè)量部分(輸入轉(zhuǎn)換部分)、放大器部分和反饋部分。此外,還設(shè)有調(diào)零及零點(diǎn)遷移機(jī)構(gòu)。1.構(gòu)成框圖:測(cè)量部分C反饋部分F放大器Kxziz0調(diào)零、零點(diǎn)遷移yC—轉(zhuǎn)換系數(shù)K—放大系數(shù)F—反饋系數(shù)2.輸入/輸出關(guān)系:即在滿足深度負(fù)反饋(KF>>1)的條件下,變送器的特性只與測(cè)量部分和反饋部分的特性有關(guān),而與放大器的特性無(wú)關(guān)。當(dāng)

KF>>1時(shí):二、量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移量程調(diào)整目的:使變送器輸出信號(hào)的上限值ymax與測(cè)量范 圍的上限值xmax相對(duì)應(yīng)。方法:通常通過(guò)改變反饋系數(shù)F的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。有時(shí)也可通過(guò)改變轉(zhuǎn)換系數(shù)C來(lái)調(diào)整。零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移目的:使變送器輸出信號(hào)的下限值ymin與測(cè)量范 圍的下限值xmin相對(duì)應(yīng)。方法:通過(guò)改變調(diào)零信號(hào)z0的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

零點(diǎn)遷移與量程調(diào)整同時(shí)進(jìn)行,可提高儀表的測(cè)量精度。第二節(jié)差壓變送器作用:將液體、氣體或蒸汽的壓力、流量、液位等工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。種類:力(力矩)平衡式電容式電感式電阻式一、電容式差壓變送器

(一)概述1.構(gòu)成及工作原理電容-電流轉(zhuǎn)換電路放大和輸出限制電路差動(dòng)電容感壓膜片反饋電路位移電容變化電流信號(hào)piIo反饋信號(hào)調(diào)零、零點(diǎn)遷移信號(hào)+-測(cè)量部分轉(zhuǎn)換放大部分工作原理簡(jiǎn)述:①差壓作用在感壓膜片上使其產(chǎn)生微小位移,從而使感壓膜片與固定電極構(gòu)成的兩個(gè)電容發(fā)生變化,其差動(dòng)電容的相對(duì)變化量與被測(cè)差壓成正比。②此差動(dòng)電容再由電容-電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為差動(dòng)電流,在振蕩控制放大器的控制下,可使差動(dòng)電流正比于差動(dòng)電容的相對(duì)變化量(即與被測(cè)差壓成正比)。③由放大電路將該差動(dòng)電流放大并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),其輸出也與被測(cè)差壓成正比。2.主要性能指標(biāo)基本誤差:±0.25%,±0.35%,±0.5%三種。負(fù)載電阻:0~600(24VDC供電時(shí))

0~1650(45VDC供電時(shí))。電源電壓:12~45VDC(一般為24VDC)確定具體型號(hào)時(shí),還有測(cè)量范圍,靜壓,溫度及材質(zhì)等指標(biāo)。(二)測(cè)量部件1.作用將被測(cè)差壓pi轉(zhuǎn)換成電容的變化量。2.構(gòu)成由正、負(fù)壓測(cè)量室 和差動(dòng)電容檢測(cè)元件 等組成。1~3—電極引線;4—膜盒座;5—差動(dòng)電容膜盒;6—副壓測(cè)導(dǎo)壓口;7—硅油;8—負(fù)壓側(cè)隔離膜片;9—負(fù)壓室基座;10—負(fù)壓側(cè)弧形電極;11—中心感壓膜片;12—正壓側(cè)弧形電極;13—正壓室基座;14—正壓側(cè)隔離膜片;15—正壓側(cè)導(dǎo)壓口;16—放氣排液螺釘;17—O型密封環(huán);18—插頭3.輸入/輸出關(guān)系SS1S2S0S0S=K1

pi即:差動(dòng)電容的相對(duì)變化量與輸入差壓成正比。(三)轉(zhuǎn)換放大電路作用:將差動(dòng)電容的相對(duì)變化量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出信號(hào)。構(gòu)成:由電容-電流轉(zhuǎn)換電路及放大電路組成。轉(zhuǎn)換放大電路原理框圖+量程調(diào)整(負(fù)反饋)IC3功放及輸出限制調(diào)零及零點(diǎn)遷移前置放大器穩(wěn)壓源基準(zhǔn)電壓解調(diào)器IC1振蕩控制放大器+-E-12~45V4~20mAIoRLCi2Ci1差動(dòng)信號(hào)共模信號(hào)電容—電流轉(zhuǎn)換器放大及輸出限制電路振蕩器1.電容-電流轉(zhuǎn)換電路作用:將差動(dòng)電容的相對(duì)變化值轉(zhuǎn)換為差動(dòng)電流的變化值。構(gòu)成:由振蕩器、解調(diào)和振蕩控制放大器、線性調(diào)整電路等組成。1)振蕩器作用:用于向差動(dòng)電容提供高頻電流。構(gòu)成:變壓器反饋型振蕩器。振蕩頻率:Uo1R29C20VT1C19LC2)解調(diào)和振蕩控制電路作用:實(shí)現(xiàn)電容變化到電流變化的轉(zhuǎn)換。構(gòu)成:由解調(diào)器和振蕩控制放大器組成。C8IC1+-振蕩器R9R8R7R6I1I1I2VD2VD6VD4VD8VD3VD7VD1VD5Ci1Ci2C17I2I1Ui1Ui2UR+-C11I2Ri121110123T1解調(diào)器工作原理:繞組2-11輸出的交流電流經(jīng)VD4、VD8和VD2、VD6整流后得到直流分量I1和I2。

I1流經(jīng)路線:

T1(11)→Ri→C17→Ci1→VD8、VD4→T1(2)

I2流經(jīng)路線:

T1(2)→VD2、VD6→Ci2→C17→Ri→T1(11)I1和I2均流經(jīng)Ri,但方向相反,Ri上的直流分量Ii=I2-I1

,即解調(diào)器輸出的差動(dòng)電流信號(hào)。該信號(hào)即為后續(xù)放大電路的輸入信號(hào)。又因Ci1和Ci2的容量非常小,所以電流的大小主要由Ci1和Ci2決定。繞組3-10輸出的交流電流經(jīng)VD3、VD7整流后可得到直流分量I1(電路設(shè)計(jì)時(shí),使流過(guò)VD3、VD7和流過(guò)VD4、VD8的電流相等)

。此I1流經(jīng)路線:

T1(3)→VD3、VD7→Ci1→C17

→R6‖R8→T1(10)繞組1-12輸出的交流電流經(jīng)VD5、VD1整流后可得到直流分量I2(電路設(shè)計(jì)時(shí),使流過(guò)VD5、VD1和流過(guò)VD2、VD6的電流相等)

。此I2流經(jīng)路線:

T1(12)→R7‖R9→C17→Ci2→VD5、VD1→T1(1)這里的I1和I2分別流經(jīng)R6‖R8

和R7‖R9

,且方向相同,從而形成解調(diào)器輸出的共模電流信號(hào)。I1與I2的值:即:(UP為峰值電壓,UPP為峰-峰電壓)由此可見(jiàn),只要保證I2+I1恒定,即可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電容的相對(duì)變化值與差動(dòng)電流Ii的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系。為此,電路中設(shè)置了振蕩控制放大器,以保證I2+I1恒定。振蕩控制放大器工作原理:由于R6

=R9

,R7=R8

,由此可得因Ui1

=Ui2

,所以式中的R6、R8、R9和UR均恒定不變,所以I1+I2為常數(shù)。令I(lǐng)1+I2=K3,則:即Ii與輸入差壓信號(hào)?Pi成線性轉(zhuǎn)換關(guān)系。2.放大及輸出限制電路IoVZ1RP21RP22R36C11SR20R21R34R37R10R13R14RP4UTR11UFR16IfRP3R31R33VT4C12RLC16R17R39R38VT2VT3VD11VD12RP31cdABIi24~45VIC3+R19R18-C22UiU0’Uf放大電路包括前置放大器IC3和VT3、VT4組成的功放。IC3的反相端輸入信號(hào)為UA,為恒定值。IC3的同相端輸入信號(hào)包括調(diào)零信號(hào)U0’、差動(dòng)電流Ii在B點(diǎn)產(chǎn)生的電壓Ui和反饋電流在B點(diǎn)產(chǎn)生的反饋電壓信號(hào)Uf

。這里:U0’=αUVZ1

Ui=-RiIi(C11上正、下負(fù))

Uf=RfIO/β由UB=Ui+U0’+Uf=UA可得:

IO=(βRi/Rf)Ii+(β/Rf)(UA-αUVZ1)設(shè):K4=βRi

/Rf,K5

=1/Ri則:IO=(β

Ri/Rf)Ii+(β

/Rf)(UA-αUVZ1)=K4Ii+K4K5(UA-αUVZ1)=K4K3K2K1?Pi+K4K5(UA-αUVZ1)可見(jiàn):

(1)變送器輸出信號(hào)IO與輸入差壓信號(hào)成正比;(2)式中第2項(xiàng)為調(diào)零信號(hào)。改變RP2及R20、R21接法,可調(diào)整零點(diǎn)。R20接通,U0’增加,實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)正遷移;R21接通,U0’減小,實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)負(fù)遷移;

(3)K4為電路放大倍數(shù),與β值有關(guān),改變RP3大小,可改變?chǔ)轮?即改變量程;

(4)兩項(xiàng)中均含有K4,所以調(diào)零與調(diào)量程相互影響。二、擴(kuò)散硅式差壓變送器由測(cè)量和放大轉(zhuǎn)換電路兩部分組成擴(kuò)散硅壓阻傳感器

前置放大器電壓-電流轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)調(diào)整電路

傳感器供電電路?pUsUo1UzIo測(cè)量部分放大轉(zhuǎn)換部分?jǐn)U散硅式差壓變送器構(gòu)成框圖工作原理簡(jiǎn)述:輸入差壓變化時(shí),由擴(kuò)散硅壓阻傳感器組成的不平衡電橋的輸出電壓Us發(fā)生變化,且Us與輸入差壓信號(hào)?Pi成正比。該電壓信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后,再由電壓-電流轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為4~20mADC的輸出電流信號(hào)。因采用線性放大及轉(zhuǎn)換電路,所以輸出電流信號(hào)IO與輸入差壓信號(hào)?Pi也呈線性關(guān)系。(一)測(cè)量部件1.過(guò)載保護(hù)裝置2.金屬隔離膜片3.硅油4.硅杯5.玻璃密封6.引出線測(cè)量部件簡(jiǎn)化原理圖傳感器未受壓時(shí):

RS1=RS2=RS3=RS4=R0傳感器受壓時(shí):

?R=K1?PiRS1=RS3=R0+?RRS2=RS4=R0-?RUS=RS3IS/2–RS4IS/2=

(R0+?R)IS/2-(R0-?R)IS/2=IS?R=ISK1?Pi即:

US與?Pi成線性關(guān)系。傳感器ISISRS1RS2RS4RS3US(二)電路原理I1R13C3RLVT3VD124VR11IC4-+IC1-IC2-+傳感器IC3+-VT1VT2R9R8R6W1R4R5R7R10R15R14VZ2C1C2R1R2W2R3VZ1R12IOUSISISUT1UF1UF2+UT2UF3UT2UT4UF4UO1UOIO’UVZ1UZR16R5=R6

,R7=R8=R10=R11,R9=R16RS1RS2RS3RS41、傳感器供電電路由運(yùn)放IC1、穩(wěn)壓管VZ1及R1、R2、R3等組成,其作用是為檢測(cè)橋路提供恒定工作電流(IS)。對(duì)于IC1:UF1

=UT1

=UVZ1

IS=UT1/R3=UVZ1/R3

UVZ1為VZ1穩(wěn)壓值,所以橋路工作電流(IS)恒定不變,約為1mA。橋路的輸出信號(hào)US與被測(cè)差壓成正比。2、前置放大器由運(yùn)放IC2、IC3、等組成的高輸入阻抗放大器,用于電壓放大。其輸出為兩個(gè)運(yùn)放輸出端之間的電壓UO1。因R5

=R6,故K2為前置放大器的放大倍數(shù),其大小可通過(guò)電位器W1調(diào)整。3.電壓/電流轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)放IC4、晶體管VT1、VT2等組成,其作用是將前置放大器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mADC的電流信號(hào)。其中,VT2用于電流放大,VT1用于輸出限幅。

IO

=IO’+I1?IO=?IO’=?UO/R13≈?UO1/R13

即:

?IO≈K2?US/R13=K1K2IS?Pi/R13?IO與被測(cè)差壓信號(hào)成正比。調(diào)整W1可改變轉(zhuǎn)換部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)K2,所以W1為量程調(diào)整電位器。W2為調(diào)零電位器,調(diào)零電壓加在IC4反向端。當(dāng)IO’過(guò)大時(shí),R13上的壓降使VT1飽和導(dǎo)通,使VT2基極電位保持恒定,從而使輸出電流保持恒定,起到限幅作用。簡(jiǎn)化型擴(kuò)散硅差壓變送器原理線路圖IC+-VTRS1RS4RS3RS2RfI1I2Io4~20mAIe3~19mA24VRL1mAI1=I2=Ib=0.5mARcAB

第三節(jié)溫度變送器

一、四線制溫度變送器

(一)概述構(gòu)成框圖直流-交流變換器整流濾波輸入回路反饋回路電壓放大功率放大隔離輸出量程單元放大單元Uz’Uf’UiEtIoUo(二)放大單元工作原理1.電壓放大電路采用低漂移集成運(yùn)算放大器2.功率放大電路作用:將集成運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有一定帶載能力的電流信號(hào)。同時(shí),通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)隔離輸出。R1R2R3R4C2VT1VT2T0VD1VD2Uf132453.隔離輸出采用隔離式輸出的目的是避免輸入與輸出之間存在直接電聯(lián)系,以便提高抗干擾能力及防爆能力。C6T0VD13

~VD1613452VD17VD18R14FUVZ07856R15Io4.直流-交流-直流(DC/AC/DC)變換器核心部件DC-AC部分為磁耦合式對(duì)稱推挽式多諧振蕩器。(三)直流毫伏變送器量程單元

由輸入電路和反饋電路組成。C101VZ101R101R102R103RP1R105R111RP2R114R116R115R106R107R109R104R110VZ102RP21RP22RP11上下R104+-Ui+-UfUZUFUTI1I2Uf’cdUz’IC1輸入電路:

(1)限流(R101、R102)、限壓(VZ101、VZ102)

(2)濾波(C101)

(3)調(diào)零和零點(diǎn)遷移(R103~R105、RP1)

(4)斷線報(bào)警(R109、R110、R140)反饋電路:由R106、R107、R111、R114~R116和RP2組成,為負(fù)反饋支路,實(shí)現(xiàn)線性轉(zhuǎn)換及量程調(diào)整。輸入/輸出之間關(guān)系:其中:線路設(shè)計(jì)時(shí),使

R105

?R104//(RP1+R103),

R107?R106R114?RP2+R106//R107+R115//R116

則有:而即視IC1為理想運(yùn)算放大器,則有UF=UT,即:設(shè):則:可見(jiàn),UO與Ui呈線性關(guān)系。(1)前式中(α-γ)UZ為調(diào)零信號(hào),改變?chǔ)林悼蓪?shí)現(xiàn)正向或負(fù)向遷移。更換R103可大幅度改變遷移量;改變R104和RP1,可小范圍改變調(diào)零信號(hào)。(2)β為輸出與輸入之間的比例系數(shù),由于UO的范圍為1~5VDC固定不變,所以比例系數(shù)越大,則輸入信號(hào)范圍即量程越小。改變R114可大范圍改變量程,而調(diào)整RP2,可小范圍改變量程。(3)改變量程影響零點(diǎn),調(diào)整零點(diǎn)同樣影響測(cè)量范圍。即調(diào)零和調(diào)量程相互有影響。(四)熱電偶溫度變送器量程單元與直流毫伏變送器的區(qū)別1)輸入回路中增加了冷端溫度補(bǔ)償電路,以便補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化對(duì)輸出熱電勢(shì)的影響。

2)反饋回路中增加了線性化電路,以便實(shí)現(xiàn)變送器輸出信號(hào)與被測(cè)溫度成線性關(guān)系。電路原理圖C101VZ101R101R102R124RP2R106R107R105R104VZ102+-Et+-UfUZUFUTUf’Uz’IC1RCu1RCu2R103R100R106R111RP1B1B2B3R108線性化電路1、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路原理通常使用銅電阻或PN結(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。本例中是采用銅電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹TO(shè)計(jì)時(shí),使R105

?R100+(R103+RCu1)//RCu2

,則:冷端溫度變化時(shí),銅電阻阻值發(fā)生變化,UZ’將發(fā)生變化,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。熱電偶在低溫段的特性為下凹形,而后一項(xiàng)也呈下凹形,所以具有較好的補(bǔ)償效果。2、線性化原理及線性化電路熱電偶溫度變送器線性化原理熱電偶非線性反饋回路放大器tUz’UOEttUf’t(UO)EttUOt兩者特性相同Uf’線性化電路VZ103R0R115VZ106Ua+-IC2UfR117R118R119R120R121R122VZ105VZ104Us4Us3Us2Us1UcUbRaR116R123Ua0Uf1Uf2Uf3Uf4Uf4UfUa5Ua4Ua3Ua1Ua2第一段,即Uf≤Uf2,斜率為γ1

,此段要求:UC≤UD+US1,UC<UD+US2,

UC<UD+US3Ua<UD+US4。此時(shí)VZ103~VZ106均未導(dǎo)通。R0R115Ua+-IC2UfR120R121R122UcUbRaγ1=?Ua/?Uf

即:所以:由于:?Uc與?Uf關(guān)系:?Ub與?Uf關(guān)系:由于:?Ua與?Uf關(guān)系:斜率γ1

第二段,即Uf2≤Uf≤Uf3,斜率為γ2

,此段要求:UD+US1

<UC≤UD+US2,UC<UD+US3Ua<UD+US4。此時(shí)VZ103~VZ105未導(dǎo)通,VZ106導(dǎo)通。R0R115Ua+-IC2UfR119R121R122UcUbRaR120第三段,即Uf3≤Uf≤Uf4,斜率為γ3

,此段要求:UD+US1

<UC≤UD+US2,UC<UD+US3Ua≥UD+US4。此時(shí)VZ104~VZ105未導(dǎo)通,VZ103、VZ106導(dǎo)通。R0R115Ua+-IC2UfR119R121R122UcUbRaR120R116拐點(diǎn)位置取決于UD和US

;要增加斜率時(shí)應(yīng)在R120旁并入電阻支路;要要減小斜率時(shí)應(yīng)在Ra旁并入電阻支路;斜率的具體值由對(duì)應(yīng)并入支路的電阻值確定。(五)熱電阻溫度變送器量程單元與豪伏變送器相比,增加了線性化電路和導(dǎo)線電阻補(bǔ)償電路。C101R16R27R24R23VZ101~104+-IC1RP1R26+-IC2R17R19R18r1r2r3RtR25R28R29R31R30ItIrUfR37R35R36Rp2R34R32UZUt’UrR33Uf’UZ’1、線性化原理和線性化電路線性化原理:

以鉑電阻為例,其特性呈上凸形(Rt—t),即放大倍數(shù)逐漸減小。線性化采用在前向輸入通道中引入正反饋的方法,使其工作電流It逐漸增大,以便使Ut與Rt呈下凹形,即放大倍數(shù)逐漸增大,并通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì),使整個(gè)輸入通道的特性為一直線特性(Ut—t),即放大倍數(shù)為常數(shù),從而實(shí)現(xiàn)線性化。熱電阻線性化電路RttRtUtUttUtRt線性化電路則:It=g1-gRtUZUt=

-ItRt=-gRtUZ1-gRtIt=R17R16

R19-R17

RtUZ令:g=R16R19R17若使gRt<1,即R17Rt<R16R19,則當(dāng)Rt增大時(shí),

It也增大。Ut的增量也隨被測(cè)溫度的升高而增大,即Ut與Rt間呈下凹函數(shù)關(guān)系。只要選擇恰當(dāng)?shù)脑?,則可使Ut與t之間呈近似線性關(guān)系。R16+-IC2R17R19R18RtItUtUZUo2,由UT=UF得:將代入后,而2、導(dǎo)線電阻補(bǔ)償電路Ut’=Ut+2Itr,使Ir=It,則Ur=2Itr,以此抵消Ut’

中的2Itr項(xiàng)影響。UZC101R16R27R24R23VZ101~104+-IC1RP1R26+-IC2R17R19R18r1r2r3RtR25R28R29R31R30ItIrUfR37R35R36Rp2R34R32Ut’UrR33二、兩線制溫度變送器1、組成1)輸入回路

R6~R11、RCu和RP1組成的橋路

C2~C5、R17~R20組成的濾波電路

VD1~VD10組成的限幅電路2)反饋回路

R13、R14、RP2等組成3)放大器

IC電壓放大和VT4、VT5組成的功放。4)穩(wěn)壓源

VZ1、VT1~VT3、VT6、VT7等組成。恒流源電壓調(diào)整輸入橋路(R6=R7=10k)溫度補(bǔ)償放大器反饋部分濾波和限幅電路abcdI3I2I1I5IfI4Io2、輸入/輸出關(guān)系(1-2端接Et,3-4端短接)

橋臂電流:I1=I2=Ib=0.5(mA)VZ1工作電流:I3=0.5(mA)IC工作電流:I4=0.2(mA)

反饋支路電流:If=I5*R14/(R10+RP2+R13+R14)=βI5

UT=Ib(RCu+R11+R9)

UF=Ib(Rb+R12+R10)+IfR10–Et=Ib(Rb+R12+R10)+βI5

R10–Et其中:Rb=R8RP12/(R8+RP1)視IC為理想IC,所以UT=UF

,則:

I5=Et/(βR10)+Ib(RCu+R11+R9–Rb-R12-R10)/(βR10)

IO=I5+I1+I2+I3+I4=Et/(βR10)+Ib(RCu+R11+R9-Rb-R12-R10)/(βR10)+1.7R6=R7=10kΩ,遠(yuǎn)大于其它電阻,為橋路平衡電阻。R11、R12為零點(diǎn)遷移電阻,R11用于負(fù)遷移調(diào)整,R12

用于正遷移調(diào)整。RP1為調(diào)零電阻。R13用于大范圍量程調(diào)整,RP2用于小范圍量程調(diào)整。調(diào)零和調(diào)量程相互有影響。第四節(jié)電/氣轉(zhuǎn)換器作用:將電動(dòng)儀表輸出的4~20mADC信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換為可被氣動(dòng)儀表接收的20~100kPa氣壓信號(hào)。一、氣動(dòng)儀表的基本元件和組件

主要包括氣阻、氣容、彈性元件、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)功率放大器

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