DE102004037135A1 - Verfahren und Vorrichtung zur synchronen Druck- und Temperaturbestimmung in einem Hochdruckbehälter mittels Ultraschalllaufzeitmessung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf die Druck- und Temperaturmessung innerhalb eines Hochdruckbehälters, insbesondere eines Common-Rails. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, mittels dem ein Ultraschallsender (5, 105, 205, 305, 405, 605) bzw. ein Ultraschallempfänger (6, 106, 206, 306, 406, 506, 606) aufgrund der Laufzeit eines Druckpulses den Druck innerhalb des Hochdruckbehälters (101, 201, 301, 401, 501, 601) in einem Medium erfassen kann. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, dass der Ultraschallempfänger den Druckpuls, der sich innerhalb eines zusätzlichen Elements, das zwischen dem Ultraschallsender (5, 105, 205, 305, 405, 605) bzw. -empfänger (6, 106, 206, 306, 406, 506, 606) und dem Medium (3, 103, 203, 303, 403, 503, 603) angeordnet ist, ausbreitet und diese Ausbreitung entsprechend festgestellt wird, um hieraus eine Temperatur zu errechnen.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Druckes und der Temperatur gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung zur synchronen Druck- und Temperaturbestimmung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
- Druckbestimmungen von Flüssigkeiten in Hochdruckbehältern sind vor allen Dingen notwendig bei der Messung des Dieseldrucks in Common-Rail-Systemen oder in der Benzineinspritztechnik, bei der Flüssigkeitsdrücke von bis zu 2000 bar auftreten. Auch in anderen Industriebereichen werden Flüssigkeitsdrücke in Hochdruckbehältern gemessen. Hierfür sind unterschiedliche Druckmesstechniken bekannt.
- Zum einen ist es möglich, als Drucksensor eine Membran oder einen anderen Verformkörper in die Wand des Hochdruckbehälters zu integrieren, deren bzw. dessen Auslenkung nach dem sogenannten piezoresistiven Prinzip mittels Drucksensor gemessen wird.
- Ein Drucksensor kann auch vollständig innerhalb des Hochdruckbehälters und damit direkt in dem zu messenden Medium angebracht sein, wie zum Beispiel beim Einsatz von piezoresistiven Materialien. Hierfür wird beispielsweise hochporöses RuO2 verwendet, das unter dem Einfluss hydrostatischer Drücke seine elektrischen Transporteigenschaften ändert.
- Ferner ist eine Vorrichtung zur Messung eines hydrostatischen Druckes innerhalb eines Common-Rails oder einer Benzindirekteinspritzung bekannt, die im Wesentlichen daraus besteht, dass außerhalb des Common-Rails oder der Benzindirekteinspritzung ein Ultraschallsender mit einem entsprechenden Ultraschallempfänger angeordnet ist, mittels dem die Laufzeit eines Impulses gemessen wird, der von dem Ultraschallsensor ausgegeben wird. Der Ultraschall pflanzt sich durch die Außenwandung des Druckbehälters und anschließend innerhalb der in dem Hochdruckbehälter enthaltenen Flüssigkeit fort und wird am Ende des Hochdruckbehälters reflektiert. Die Zeit wird nun gemessen, die der Ultraschallpuls zum Durchlaufen dieser definierten Streckte benötigt, wobei hieraus die Pulsgeschwindigkeit berechnet und daraus der Druck in der Flüssigkeit bestimmt wird.
- Nachteile des Standes der Technik
- Die Pulsgeschwindigkeit, die hier als Größe zur Bestimmung des Druckes notwendig ist, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Zum einen ist diese von dem Druck innerhalb des Hochdruckbehälters abhängig. Weit wesentlicher ist, dass die Pulsgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig ist. Deshalb ist es wichtig, um eine exakte Pulsgeschwindigkeit zu bestimmen, auch die tatsächliche Temperatur zu erfassen.
- Zwar ist es möglich, an der Außenwandung der entsprechenden Druckbehälter ein Thermoelement anzubringen, das die Temperatur der Außenwandung misst. Versuche haben jedoch festgestellt, dass die Temperatur der Außenwandung teilweise höher liegt als die Temperatur des tatsächlichen, innerhalb des Druckbehälters angeordneten Mediums. Dies hat wiederum zur Folge, dass der aus den Pulsgeschwindigkeiten errechnete Druck nicht dem tatsächlichen Zustand entspricht.
- Aufgabe der Erfindung
- Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels dem der Druck und synchron hierzu auch die Temperatur, die innerhalb eines Hochdruckbehälters vorhanden ist, durch eine Messeinrichtung, die außerhalb des Hochdruckbehälters angeordnet ist, festzustellen.
- Lösung der Aufgabe
- Die Lösung der Aufgabe besteht darin, synchron sowohl Druck als auch Temperatur zu bestimmen, wobei der von einem Ultraschallsensor ausgesendete Ultraschallimpuls ein weiteres Element anregt und ebenfalls die Zeit gemessen wird, die der Ultraschallpuls zurück legt, wobei diese Zeit wiederum bestimmt ist, um die tatsächliche innerhalb des Hochdruckbehälters herrschende Temperatur zu berechnen.
- Vorteile der Erfindung
- Das Messprinzip des Druckes basiert auf der bekannten Beziehung von Ultraschallgeschwindigkeit und Druck im Trägermedium.
- Wird die Laufzeit eines Ultraschallpulses gemessen, so kann auf die Schallgeschwindigkeit und damit auf den Druck des Trägermediums zurück geschlossen werden.
- Ein Common-Rail (Hochdruckbehälter) wird für Testzwecke beispielsweise mit Standardprüföl gemäß ISO 4113 gefüllt. Die notwendigen Messmittel sind Standardbauteile, so dass eine preiswerte Anschaffung möglich ist. Die Laufzeitmessung selbst wird implizit über eine Mittelungsmessung über die gesamte Laufstrecke des Druckpulses vorgenommen. Die Messung wird nicht durch lokale einzelne Druckspitzen, wie sie beispielsweise in Nähe von Injektorzuleitungen auftreten, gestört.
- Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, da der erzeugte Druckmesspuls neben dem in dem Hochdruckbehälter befindlichen Medium auch den übrigen Hochdruckbehälter mit einem Impuls durchläuft, die Reflexion dieses weiteren Impulses zu messen und diesen wiederum über eine festgestellte Temperaturbeziehung zum Druck und zur Schallgeschwindigkeit in Beziehung zu setzen, so dass aufgrund dieser Reflexionen, hervorgerufen durch das weitere Material, auf die Temperatur geschlossen werden kann.
- Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung liegt darin, dass synchron, d.h. zur gleichen Zeit, sowohl Temperatur als auch der Druck gemessen werden können. Damit ist ein Abgleich des Temperaturganges bezüglich der Laufzeit des Ultraschallimpulses möglich.
- Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ohne Eingriff in den Druckbehälter mit einfachsten Mitteln eine Messeinrichtung geschaffen worden ist, die eine exakte Druckmessung sowie Temperaturmessung zulässt.
- Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist derart ausgestaltet, dass der Ultraschallsensor nicht zentrisch, sondern außerhalb des Zentrums angeordnet ist. Der erzeugte Ultraschallpuls koppelt daher nicht nur in das Trägermedium, sondern zu einem bestimmten Anteil auch die Außenhülle des Common-Rails bzw. Hochdruckbehälters ein. Da die Schallgeschwindigkeit in Metallen um den Faktor 4–5 höher ist als die in der Flüssigkeit, lassen sich die beiden Antwortpulse eindeutig voneinander trennen.
- Hat nun die Schallgeschwindigkeit in der Rohrwand eine eindeutige Abhängigkeit von der Temperatur, so kann sie zu deren Bestimmung verwendet werden. Dagegen ist die Schallgeschwindigkeit nahezu druckunabhängig. Soweit lassen sich beide Effekte voneinander trennen. Der Vorteil ist, dass die Temperatur entlang der Länge des Hochdruckbehälters gemittelt wird und damit der mittleren Mediumtemperatur sehr nahe kommt. Analog lässt sich dieser Aufbau auch durch einen entsprechenden großen Ultraschallkopf erzielen, der genügend Leistung in die Wandung des Hochdruckbehälters einkoppelt. In diesem Fall kann der Ultraschallkopf auch zentrisch eingebaut sein. Die eingekoppelte Leistung kann auch über Fokussierungseigenschaften einer Ultraschalllinse eingestellt werden.
- Ferner ist eine weitere Lösungsmöglichkeit vorgesehen. Vorteilhafterweise wird vorgeschlagen, einen Zwischenraum zwischen der Oberfläche eines Ultraschallsenders und der Ankopplung an den Hochdruckbehälter mit einem weiteren Element zu füllen. Dies kann bezüglich seiner Abhängigkeit und der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur ideal gewählt werden. Somit koppelt der Schall zunächst in dieses weitere Element ein. Der Schall wird an der ersten Grenzfläche reflektiert. Dieser erste Antwortimpuls dient dann zur Temperaturmessung. Der zweite, deutlich spätere Antwortimpuls wird zur Druckmessung verwendet.
- In einer dritten Ausführung wird vorteilhafterweise vorgeschlagen, dass zwischen dem Ultraschallsender und dem Hochdruckbehälter ein Element angeordnet ist, das eine große und definierte Längenausdehnung aufweist, die abhängig ist von der tatsächlichen Temperatur. Vorteilhafterweise kann dies Kunststoff sein, der üblicherweise sehr große Längenausdehnungen in der Größenordnung von 50 ppm/K aufweist. Die Veränderung der Dicke dieses Elements verändert die Laufstrecke des Schalls. Damit kann die Temperatur bestimmt werden. Das Material des Elements muss in diesem Fall derart gewählt werden, dass für den genutzten Temperaturbereich die Schallgeschwindigkeit möglichst nicht oder nur wenig von der Temperatur abhängt. Die Längenausdehnung wird auf der Rückseite des Ultraschallkopfes mit einer Federaufhängung kompensiert, so dass keine großen mechanischen Spannungen auf das Element (verhindert Kompression des Dehnungselements) und auf den Ultraschallkopf einwirken.
- Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass als weiteres Element bereits die Grenzfläche zur Flüssigkeit ausgenutzt wird, an der der entsprechende Ultraschallpuls reflektiert wird. Hierzu ist es jedoch notwendig, einen stärker gedämpften Ultraschallimpulserzeuger zu verwenden, damit das entsprechende Signal nicht im Abklingverhalten des Anregungspulses untergeht.
- In einer sehr naheliegende Lösung ist vorgesehen, dass ein Thermoelement in dem Bereich unterhalb des Ultraschallsenders in das weitere Element eingegossen wird. Das Thermoelement ist derart angeordnet, dass möglichst wenig Wärme nach außen abgestrahlt werden kann. Die gemessene Temperatur entspricht damit in hoher Genauigkeit derjenigen des in dem Hochdruckbehälter angeordneten Mediums.
- Hierbei ist noch zu beachten, dass die Ankoppelstelle vorzugsweise die dünnste Wandstärke des Hochdruckbehälters aufweist. Somit ist die thermische Trägheit verglichen mit der Außenwandung deutlich reduziert.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Beschreibungen, der Zeichnungen sowie den Ansprüchen hervor.
- Zeichnungen
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Hochdruckbehälters in der Ausbildung eines Common-Rails mit einem Sensor zur Druckmessung gemäss dem Stand der Technik; -
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem Sensor zur Druck- und Temperaturmessung; -
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Sensor zur Druck- und Temperaturmessung; -
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem Sensor zur Druck- und Temperaturmessung; -
5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit einem Sensor zur Druck- und Temperaturmessung; -
6 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels mit einem Sensor zur Druck- und Temperaturmessung; -
7 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels mit einem Sensor zur Druck- und Temperaturmessung. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- In
1 ist ein Hochdruckbehälter1 dargestellt. Dieser Hochdruckbehälter1 ist in sich geschlossen und umfasst in seinem Hohlraum2 ein Medium3 . An seiner Stirnseite4 des Hochdruckbehälters1 ist ein Ultraschallsender5 sowie ein in dem Ultraschallsender5 integrierter Ultraschallempfänger6 – vorzugsweise als ein Bauteil ausgebildet – angeordnet. - Zur Druckmessung sendet der Ultraschallsender
5 einen Druckpuls7 in Pfeilrichtung8 von dem Ultraschallsender5 in das Medium3 aus. Dieser Druckpuls wird an der dem Ultraschallsender5 gegenüber liegenden Seite9 reflektiert und in Richtung des Pfeils10 und somit in Richtung des Ultraschallempfängers6 gesendet. Nach Erhalt des reflektierten Druckpulses7 kann aufgrund der definierten Länge L des Hochdruckbehälters1 der Druck innerhalb des Mediums3 errechnet werden. - In
2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung umfasst einen Hochdruckbehälter101 sowie einen innerhalb des Hochdruckbehälters101 angeordneten Hohlraum102 , der ein Medium103 beinhaltet. Ferner ist auf der Stirnseite104 des Hochdruckbehälters101 ein Ultraschallsender und -empfänger105 ,106 angeordnet, der sowohl Sender- als auch Empfängereigenschaften aufweist. Der Ultraschallsensor105 ,106 ist nicht symmetrisch zur Mittelachse111 des Hochdruckbehälters101 angeordnet, sondern versetzt. Durch die Erzeugung eines Druckpulses107 durch den Ultraschallsender105 pflanzt sich ein erster Druckpuls107a in Pfeilrichtung108a innerhalb des Mediums103 fort. Der Druckpuls107 teilt sich weiter in einen Druckpuls107b auf, der sich in dem Material des Hochdruckbehälters101 in Pfeilrichtung108b fortpflanzt. Der Ultraschallempfänger106 hat die Eigenschaft, dass er beide Druckpulse107a und107b empfangen kann, wobei aufgrund des Materials (der Druckpuls107b kann sich innerhalb des Metalls des Hochdruckbehälters101 schneller fortpflanzen) der Druckpuls107b zuerst von dem Ultraschallempfänger106 empfangen wird. Aufgrund dieses Zeitfensters kann die Laufzeit zur Temperaturberechnung herangezogen werden. - In
3 ist eine alternative Ausbildung einer Vorrichtung mit einem Hochdruckbehälter201 , einem Hohlraum202 sowie in dem Hohlraum202 befindlichen Medium203 dargestellt. Sie unterscheidet sich gegenüber der Vorrichtung gemäß2 dadurch, dass der Ultraschallempfänger205 und Ultraschallsender206 zentrisch, das heißt auf der Mittelachse211 des Hochdruckbehälters201 , angeordnet ist. Die Bemessung des Ultraschallsenders205 bzw. Ultraschallempfängers206 ist derart ausgelegt, dass dieser sich nahezu über die gesamte Stirnseite204 des Hochdruckbehälters201 erstreckt, so dass dieser Druckpulse207b und207c sowie den in dem Medium203 übertragenen Druckpuls207a in Richtungen der Pfeile208a ,208b und208c senden bzw. empfangen kann. - In
4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung umfasst einen Hochdruckbehälter301 sowie einen innerhalb des Hochdruckbehälters301 angeordneten Hohlraum302 , der ein Medium303 beinhaltet. Ferner ist auf der Stirnseite304 des Hochdruckbehälters310 ein Ultraschallsender und -empfänger305 ,306 angeordnet, der sowohl Sender- als auch Empfängereigenschaften aufweist, wobei zwischen dem Ultraschallsender305 bzw. dem Ultraschallempfänger306 ein Element313 ange ordnet ist, das die Eigenschaft aufweist, den von dem Ultraschallsender306 aus erzeugten Druckpuls307 diesen an das Medium303 in Richtung des Pfeils308a als Druckpuls307a weiter zu geben. An einer Grenzschicht314 , die zwischen dem Element313 und dem Hohlraum302 entsteht, wird ein Teil des Druckpulses307 , nämlich307b , der sich in Richtung des Pfeils308a ausbreitet, unmittelbar reflektiert, so dass der Antwortimpuls von dem erzeugten Druckpuls307b früher bei dem Ultraschallempfänger306 eintrifft, als der Antwortimpuls des weiteren Druckpulses307a . - Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in
5 dargestellt. Die dort dargestellte Vorrichtung umfasst ebenfalls einen Hochdruckbehälter401 , wobei der Hochdruckbehälter401 einen Hohlraum402 aufweist, in dem ein Medium403 angeordnet ist. Der Ultraschallsender405 bzw. -empfänger406 ist an der Stirnseite404 des Hochdruckbehälters401 angeordnet. Zwischen dem Ultraschallsender405 und dem -empfänger406 und dem Hochdruckbehälter401 ist ein Element413 angeordnet, das als Zwischenmaterial ausgelegt ist und mit einer großen und definierten Längenausdehnung zur Messung der Temperaturbestimmung definiert ist. Dies kann zum Beispiel Kunststoff sein, der üblicherweise sehr große Längenausdehnungen aufweist. Die Veränderung der räumlichen Abmessungen dieses Elements413 verändert die Laufstrecke des von dem Ultraschallsender405 ausgesendeten Druckpuls407 in Richtung408 . Dadurch kann die Temperatur bestimmt werden. Das Material des Elements413 muss derart ausgewählt sein, dass über den genutzten Temperaturbereich die Schallgeschwindigkeit möglichst nicht oder nur wenig von der Temperatur abhängt. Die Längenausdehnung ΔL (T) wird auf der Rückseite des Ultraschallsenders405 bzw. -empfänger406 mit einem Federelement415 kompensiert, so dass keine mechanischen Spannungen auf das Element413 noch auf den Ultraschallsender405 bzw. -empfänger406 wirken. - Bei dem in
6 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Hochdruckbehälter501 vorgesehen, der einen Hohlraum502 aufweist, in dem ein Medium503 angeordnet ist. An der Stirnseite504 des Hochdruckbehälters501 ist ein Ultraschallsender505 sowie ein -empfänger506 angeordnet. Der Ultraschallsender505 erzeugt einen Druckpuls507a , der sich in Pfeilrichtung508a innerhalb des Mediums503 fortbewegt. Zusätzlich wird der Druckpuls507 bzw. ein Anteil des Druckpuls507b an einer Grenzschicht514 wieder reflektiert. Das hier erzeugte zurück gesendete Signal des Druckpulses507b kann wiederum zur Berechnung der Temperatur verwendet werden. - In
7 ist einer alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die hier dargestellte Vorrichtung umfasst einen Druckbehälter601 , der einen Hohlraum602 bildet. In dem Hohlraum602 ist ein Medium603 bevorratet. - An der Stirnseite
604 des Hochdruckbehälters601 ist ein Ultraschallsender605 sowie ein entsprechender -empfänger606 dargestellt, der einen Druckpuls607 in Pfeilrichtung608 erzeugt. Zwischen dem Ultraschallsender605 bzw. -empfänger606 und dem Hohlraum603 ist ein Thermoelement620 angeordnet, das die Temperatur des Mediums603 misst. Es ist darauf zu achten, dass das Thermoelement einen sehr kurzen Abstand619 zum Medium aufweist, um die unmittelbare Temperatur zu messen.
Claims (7)
- Verfahren zur synchronen Bestimmung von Druck und Temperatur in einem Common-Rail-System oder in einer Benzindirekteinspritzung, wobei außerhalb eines Hochdruckbehälters (
1 ,101 ,201 ,301 ,401 ,501 ,601 ) ein Ultraschallsender (5 ,105 ,205 ,305 ,405 ,605 ) zur Erzeugung eines Druckpulses (7 ,107 ,207 ,307 ,407 ,507 ,607 ) erzeugt wird, die Zeit gemessen wird, die der Ultraschallpuls (7 ,107 ,207 ,307 ,407 ,507 ,607 ) zum Durchlaufen einer definierten Strecke L benötigt, die Pulsgeschwindigkeit berechnet und daraus der Druck in dem Medium (3 ,103 ,203 ,303 ,403 ,603 ,603 ) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallpuls (7 ,107 ,207 ,307 ,407 ,507 ,607 ,107a ,107b ,107c ,307a ,307b ) synchron ein weiteres Element anregt und diese Zeit ebenfalls gemessen wird und die Temperatur synchron zur Druckmessung ermittelt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallempfänger (
105 ) oder -sender (106 ) versetzt zur Mittellinie (111 ) des Hochdruckbehälters (101 ) angeordnet ist. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallempfänger (
205 ) oder -sender (206 ) flächig an der Stirnseite (204 ) angeordnet ist. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein Zwischenmaterial (
413 ) ist, das die Eigenschaft aufweist, bei entsprechender Temperatur eine Längenausdehnung (ΔL) vorzunehmen. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckbehälter (
601 ) und dem Ultraschallsender (605 ) bzw. Ultraschallempfänger (606 ) ein Temperatursensor (620 ) angeordnet ist. - Vorrichtung zum synchronen Bestimmen von Druck und Temperatur innerhalb eines Common-Rails oder eines Hochdruckbehälters einer Benzindirekteinspritzung, wobei außerhalb eines Hochdruckbehälters (
1 ,101 ,201 ,301 ,401 ,501 ,601 ) ein Ultraschallsender (5 ,105 ,205 ,305 ,405 ,605 ) zur Erzeugung eines Druckpulses (7 ,107 ,207 ,307 ,407 ,507 ,607 ) erzeugt wird, die Zeit gemessen wird, die der Ultraschallpuls (7 ,107 ,207 ,307 ,407 ,507 ,607 ) zum Durchlaufen einer definierten Strecke L benötigt, die Pulsgeschwindigkeit berechnet und daraus der Druck in dem Medium (3 ,103 ,203 ,303 ,403 ,603 ,603 ) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Ultraschallempfänger (6 ,106 ,206 ,306 ,406 ,506 ,606 ) die Eigenschaft aufweist, einen weiteren Druckpuls, hervorgerufen durch das weitere Material, empfängt. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (5 ,105 ,205 ,305 ,405 ,605 ) und der Ultraschallempfänger (6 ,106 ,206 ,306 ,406 ,506 ,606 ) über ein Ultraschall leitendes Medium angekoppelt sind. - Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hochdruckbehälters (
101 ,201 ,301 ,401 ,501 ,601 ) eine definierte Reflexionsfläche angebracht ist.
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