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DE102007047500A1 - Method and device for in-situ determination of the operating states of working machines - Google Patents

Method and device for in-situ determination of the operating states of working machines Download PDF

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DE102007047500A1
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Eberhard Schlücker
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Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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Abstract

Bei einem Verfahren zur In-situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Pumpen einschließlich Exzenterschneckenpumpen, wird derart vorgegangen, dass die Erfassung und Überwachung der Betriebszustände an der Antriebswelle (1) der Arbeitsmaschine erfolgt und mittels Dehnungssensoren, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen (2, 3), durchgeführt wird, die so angeordnet und angebracht werden, dass sie die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (Fax) der Antriebswelle (1) ermöglichen. Bei einer zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung ist die Anordnung derart getroffen, dass sie als wenigstens zweiteilige Klemmschelle (4) zur lösbaren Anbringung an der Antriebswelle (1) ausgebildet ist, die innenseitig mit Dehungssensoren, insbesondere mit Dehnungsmessstreifen (2, 3), in einer solchen Anordnung und Anbringung versehen ist, dass diese die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (Fax) der Antriebswelle (1) ermöglichen.In a method for in-situ determination of the operating states of working machines, in particular of pumps, including progressing cavity pumps, the procedure is such that the detection and monitoring of the operating states takes place on the drive shaft (1) of the working machine and by means of strain sensors, in particular by means of strain gauges (2, 3), which are arranged and mounted so as to enable the detection of torque (M) and axial load (fax) of the drive shaft (1). In a device provided for carrying out this method, the arrangement is such that it is formed as at least two-part clamp (4) for releasable attachment to the drive shaft (1), the inside with strain sensors, in particular with strain gauges (2, 3), in such an arrangement and attachment is provided that they allow the detection of torque (M) and axial load (fax) of the drive shaft (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Pumpen einschließlich Exzenterschneckenpumpen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for in-situ determination of the operating states of Working machines, in particular pumps, including progressing cavity pumps, according to the generic term of claim 1.

Die Erfindung betrifft außerdem eine zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The Invention also relates one to carry This method provided device according to the preamble of the claim 7th

Arbeitsmaschinen der zur Rede stehenden Art, insbesondere Exzenterschneckenpumpen, werden seit geraumer Zeit als sog. Downhole-Pumpen in der Erdölförderung eingesetzt. Um deren Betrieb wirtschaftlich optimal zu gestalten und Störungen frühzeitig zu erkennen, sind bereits einige Überwachungsverfahren sowie -vorrichtungen zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände solcher Arbeitsmaschinen bekannt. Diese sind allerdings zu teuer oder nicht zuverlässig genug, so dass aus diesem Grund kaum eine praktische Anwendung erfolgte.machinery the type in question, in particular eccentric screw pumps, have been known for some time as so-called downhole pumps in oil production used. To make their operation economically optimal and disorders early There are already some surveillance procedures as well devices for in-situ determination of the operating conditions of such Work machines known. These are too expensive or not reliable enough, so that hardly any practical application was made for this reason.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Vermeidung der geschilderten Nachteile ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels denen auf einfa che und schnelle Weise die In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände der jeweiligen Arbeitsmaschine, insbesondere einer Pumpe einschließlich einer Exzenterschneckenpumpe, möglich ist, um dadurch einen optimalen Maschinenbetrieb zu erzielen, falsche Betriebszustände zu vermeiden sowie eine frühzeitige Erkenntnis über Verschleiß zur erreichen, so dass unvorhergesehene Pumpenausfälle verhindert werden können.Of the The invention is therefore based on the object to avoid the described Disadvantages of providing a method and a device by means of in a simple and rapid way, the in situ determination of the operating conditions the respective work machine, in particular a pump including a Eccentric screw pump, possible is to achieve optimal machine operation, wrong operating conditions to avoid as well as early Knowledge about Wear to so that unforeseen pump failures can be prevented.

Die Merkmale des zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Verfahrens der Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1, während die Merkmale der zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffenen Vorrichtung gemäß der Erfindung in Anspruch 7 beschrieben sind.The Features of the solution This task created method of the invention will become apparent from claim 1, while the characteristics of the implementation This method created device according to the invention in claim 7 are described.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.advantageous Embodiments of the method and the device according to the invention are listed in the respective subclaims.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, die Erfassung und Überwachung der Betriebszustände an der Antriebswelle der Arbeitsmaschine durchzuführen, und zwar mittels Dehnungssensoren, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen, die so angeordnet und angebracht werden, dass sie die Erfassung von Drehmoment und Axiallast der Antriebswelle ermöglichen.the inventive method The idea is based on the detection and monitoring of operating conditions at the Drive shaft of the working machine, by means of strain sensors, in particular by means of strain gauges arranged and be attached that they detect the torque and axial load allow the drive shaft.

Gemäß einer vorteilhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Dehnungssensoren direkt auf der Antriebswelle der Arbeitsmaschine angebracht.According to one Advantageous application of the method according to the invention are the strain sensors mounted directly on the drive shaft of the working machine.

Stattdessen und/oder zusätzlich hierzu ist es auch vorteilhaft, die Dehnungssensoren an einer gesonderten, die Antriebswelle lösbar umschließenden Vorrichtung anzubringen.Instead and / or additionally For this purpose, it is also advantageous, the strain sensors on a separate, the drive shaft detachable enclosing device to install.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die von den Dehnungssensoren erfassten Messsignale mittels eines Verstärkers verstärkt werden. Als Verstärker kann hierbei ein beliebiges System zur Anwendung kommen. Lediglich des Beispiels halber sei in diesem Zusammenhang das im Handel erhältliche V-Link-System von Microstrain erwähnt.It is within the scope of the invention, that of the strain sensors detected measuring signals are amplified by means of an amplifier. As an amplifier can Any system can be used here. Only the By way of example in this context is the commercially available V-link system mentioned by Microstrain.

In Ausgestaltung der Erfindung können die Messsignale sodann drahtlos an einen Empfänger übertragen werden.In Embodiment of the invention can the measurement signals are then transmitted wirelessly to a receiver.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Integration der Messsignalerfassung sowie deren Auswertung in einem Personalcomputer. Wenn dann die Gesamtheit der erfassten Daten um solche Parameter, wie Förderdruck, Fördertemperatur sowie Fördermenge, gemessen am Antriebskopf der Arbeitsmaschine, erweitert wird, ergibt sich hieraus eine umfassende Überwachung und In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände der Arbeitsmaschine.Conveniently, the integration of the measurement signal acquisition as well as its evaluation takes place in a personal computer. If then the entirety of the detected Data about such parameters as delivery pressure, Pumping temperature and flow rate, measured at the drive head of the working machine, is expanded, results from this a comprehensive monitoring and in-situ determination of the operating conditions of the working machine.

Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung gemäß der Erfindung ist als wenigstens zweiteilige Klemmschelle ausgebildet, die zur klemmenden, jedoch lösbaren Anbringung an der Antriebswelle der Arbeitsmaschine vorgesehen und innenseitig mit Dehnungssensoren, insbesondere mit Dehnungsmessstreifen, in einer solchen Anordnung und Anbringung versehen ist, dass diese die Erfassung von Drehmoment und Axiallast der Antriebswelle ermöglichen.The to carry out of the described method provided device according to the invention is designed as at least two-piece clamp, the clamping, but detachable attachment provided on the drive shaft of the machine and inside with strain sensors, in particular with strain gauges, in such an arrangement and attachment is provided that these allow the detection of torque and axial load of the drive shaft.

Zweckmäßigerweise sind die Dehnungssensoren in Vollbrückenschaltung an der Klemmschelle angeordnet. Eine besonders gute Handhabung ergibt sich, wenn die Klemmschelle dünnwandig ausgebildet ist.Conveniently, the strain sensors are arranged in full bridge circuit on the clamp. A particularly good handling results when the clamp thin-walled is trained.

Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Klemmschelle aus einem Material mit geringem spezifischen Gewicht, insbesondere aus Aluminium, besteht.in this connection It is within the scope of the invention that the clamp from a Low specific gravity material, especially aluminum, consists.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Klemmschelle als längliches Bauteil ausgebildet ist, dass eine axial verlaufende Taillierung aufweist. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise die Empfindlichkeit der als Messvorrichtung dienenden Klemmschelle nach Wunsch zu erhöhen.Further Benefits arise when the clamp as an elongated Component is formed, that an axially extending sidecut having. this makes possible it, in a simple way, the sensitivity of the as a measuring device to increase the serving clamp as desired.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Klemmschelle bei bestimmten Anwendungsfällen auszuwuchten, um dadurch unerwünschte Fremdeinflüsse bei den erfassten Messwerten auszuschließen.Farther it may be appropriate to balance the clamp in certain applications, thereby unwanted foreign influences at to exclude the measured values recorded.

Aus den auf diese Weise erzielten Messwerten sowie deren zeitlicher Änderung kann nun mit geringem Aufwand auf wesentliche Werte des Betriebszustandes der Arbeitsmaschine, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe, geschlossen werden, und zwar insbesondere auf den

  • – Pumpenwirkungsgrad,
  • – Veränderung des Fluidpegels im Wellengehäuse,
  • – Quellvorgänge in der Pumpe,
  • – Anstreifen der Antriebswelle im Wellengehäuse,
  • – Trockenlauf der Pumpe,
  • – Pumpenverschleiß usw.
From the measured values obtained in this way as well as their temporal change can now be concluded with little effort to essential values of the operating state of the working machine, in particular an eccentric screw pump, and in particular on the
  • - pump efficiency,
  • Change of the fluid level in the shaft housing,
  • - swelling processes in the pump,
  • - Stripping the drive shaft in the shaft housing,
  • - dry running of the pump,
  • - Pump wear, etc.

Insgesamt wird hierdurch ein optimaler Pumpenbetrieb ermöglicht. Außerdem lassen sich falsche Betriebszustände vermeiden. Nicht zuletzt lässt sich eine frühzeitige Erkenntnis über Pumpenverschleiß erzielen, so dass unvorhergesehene Pumpenausfälle vermieden werden können.All in all This allows optimal pump operation. In addition, incorrect operating conditions can be avoided. Last but not least an early one Knowledge about Achieve pump wear, so that unforeseen pump failures can be avoided.

Wie leicht erkennbar, kann die Erfindung mit Vorteil nicht nur bei den erwähnten Exzenterschneckenpumpen angewendet werden, sondern auch bei Pumpen allgemein, d. h. insbesondere bei solchen Arbeitsmaschinen, deren Wirkprinzip eine Axiallast an der Antriebswelle erzeugt. In diesem Zusammenhang seien lediglich des Beispiels halber Schraubenspindelpumpen, schräg verzahnte Drehkolbenpumpen usw., d. h. ganz allgemein rotierende Verdrängerpumpen genannt.As easily recognizable, the invention can be advantageous not only in the mentioned Progressing Cavity Pumps are applied, but also in pumps in general, d. H. especially in such machines, whose Operating principle generates an axial load on the drive shaft. In this Connection are only for the sake of example screw pumps, aslant geared rotary lobe pumps, etc., d. H. generally rotating displacement pumps called.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:The The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. in this connection demonstrate:

1 perspektivisch einen Teil der Antriebswelle einer Exzenterschneckenpumpe mit direkt auf die Antriebswelle applizierten Dehnungsmessstreifen zur Erfassung des Drehmomentes sowie der Axiallast der Antriebswelle; 1 in perspective, a part of the drive shaft of an eccentric screw with directly applied to the drive shaft strain gauges for detecting the torque and the axial load of the drive shaft;

2a eine Hälfte der Klemmschelle in Draufsicht bzw. Innenansicht; 2a one half of the clamp in top view and interior view;

2b in Seitenansicht; 2 B in side view;

2c in Stirnansicht und 2c in front view and

2d in perspektivischer Darstellung, 2d in perspective,

3 perspektivisch die auf der Antriebswelle angebrachte Klemmschelle einschließlich ihrer Verkabelung und 3 in perspective, the mounted on the drive shaft clamp, including its wiring and

4 schematisch im Diagramm die in einem Feldversuch erzielten Messwerte zur Darstellung des Verlaufs von Drehmoment und Axiallast der Antriebswelle über der Zeit. 4 schematically in the diagram the measured values obtained in a field test to show the course of torque and axial load of the drive shaft over time.

Wie aus der Zeichnung, insbesondere 1, ersichtlich, erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Erfassung der Betriebszustände an der Antriebswelle 1 einer nicht näher dargestellten Exzenterschneckenpumpe. Hierbei erfolgt die Erfassung mittels zweier Sätze von Dehnungsmessstreifen 2, 3. Diese sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel direkt auf der Antriebswelle 1 auf deren Außenumfang angebracht, und zwar auf der selben Höhe, derart, dass der Satz aus jeweils um 180 Grad versetzt angebrachten Dehnungsmessstreifen 2 das Drehmoment M der Antriebswelle erfassen kann, während der Satz aus gleichfalls um 180 Grad gegeneinander versetzt angebrachten Dehnungsmessstreifen 3 die Axiallast Fax der Antriebswelle 1 erfassen kann.As from the drawing, in particular 1 , it can be seen, in the illustrated embodiment, the detection of the operating conditions on the drive shaft 1 a not shown eccentric screw pump. Here, the detection takes place by means of two sets of strain gauges 2 . 3 , These are in the illustrated embodiment directly on the drive shaft 1 mounted on the outer circumference, and at the same height, such that the set of each offset by 180 degrees strain gauges attached 2 can detect the torque M of the drive shaft, while the set of equally offset by 180 degrees staggered strain gauges 3 the axial load F ax of the drive shaft 1 can capture.

Wie deutlich aus 1 ersichtlich, sind hierbei die jeweiligen Dehnungsmessstreifen 2, 3 selbst gegeneinander um 90 Grad versetzt an der Antriebswelle 1 angebracht.How clear 1 it can be seen here are the respective strain gauges 2 . 3 even offset from each other by 90 degrees on the drive shaft 1 appropriate.

Die eigentliche Messvorrichtung zur Erfassung des Drehmomentes M sowie der Axiallast Fax der Antriebswelle 1 ist schematisch in 2 und 3 dargestellt und besteht beim gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Klemmschelle 4. Diese dient zur lösbaren Anbringung an der Antriebswelle 1 und ist zu diesem Zweck aus zwei Teilen, einem Oberteil 5 sowie einem Unterteil 6, gebildet. Hierbei weist das Oberteil 5 der Klemmschelle 4 innenseitig Dehnungsmessstreifensätze 2 bzw. 3 in Vollbrückenschaltung in einer solchen Anordnung und Anbringung auf, dass diese Dehnungsmessstreifen 2, 3 die Erfassung des Drehmomentes M sowie der Axiallast Fax der Antriebswelle 1 ermöglichen.The actual measuring device for detecting the torque M and the axial load F ax of the drive shaft 1 is schematic in 2 and 3 shown and consists in the illustrated embodiment of a clamp 4 , This is used for releasable attachment to the drive shaft 1 and is for this purpose of two parts, a shell 5 as well as a lower part 6 , educated. Here, the upper part 5 the clamp 4 on the inside strain gauge sets 2 respectively. 3 in full bridge circuit in such an arrangement and attachment to that these strain gauges 2 . 3 the detection of the torque M and the axial load F ax of the drive shaft 1 enable.

Wie dargestellt, ist die Anbringung der Klemmschelle 4 an der Antriebswelle 1 leicht und schnell möglich, indem diese mit ihrem Oberteil 5 und Unterteil 6 um die Antriebswelle 1 gelegt und mittels Schrauben 7 lösbar miteinander verbunden werden.As shown, the attachment of the clamp 4 on the drive shaft 1 easily and quickly possible by placing these with their top 5 and lower part 6 around the drive shaft 1 placed and by means of screws 7 be releasably connected to each other.

Die konstruktive Ausbildung der Klemmschelle 4 ist im Einzelnen deutlich aus 2 ersichtlich. Hierbei ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Klemmschelle 4 dünnwandig ausgebildet ist und aus einem Material mit geringem spezifischem Gewicht, im vorliegenden Fall aus Aluminium besteht.The structural design of the clamp 4 is in detail clear 2 seen. This results in particular advantages when the clamp 4 is thin-walled and made of a material with low specific gravity, in the present case made of aluminum.

Die Klemmschelle 4 ist als lang gestrecktes Bauteil mit mittiger, axial verlaufender Taillierung ausgebildet, wobei die Dehnungsmessstreifensätze 2, 3 in der aus 2a ersichtlichen Weise auf der Höhe der Taillierung angebracht sind.The clamp 4 is designed as an elongated member with a central, axially extending waist, the strain gauge sets 2 . 3 in the out 2a apparent manner are mounted at the height of the sidecut.

Aus 4 ist im Diagramm ein typischer Signalverlauf der erfassten Messwerte im Anlaufbetrieb ersichtlich.Out 4 the diagram shows a typical signal curve of the acquired measured values during start-up operation.

Hinsichtlich vorstehend nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird ausdrücklich auf die Ansprüche sowie die Zeichnung verwiesen.Regarding not closer Illustrated Features of the invention is expressly to the claims as well the drawing referenced.

Claims (12)

Verfahren zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Pumpen einschließlich Exzenterschneckenpumpen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung und Überwachung der Betriebszustände an der Antriebswelle (1) der Arbeitsmaschine erfolgt und mittels Dehnungssensoren, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen (2, 3), durchgeführt wird, die so angeordnet und angebracht werden, dass sie die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (Fax) der Antriebswelle (1) ermöglichen.Method for in-situ determination of the operating states of working machines, in particular of pumps, including progressing cavity pumps, characterized in that the detection and monitoring of the operating states on the drive shaft ( 1 ) of the working machine and by means of strain sensors, in particular by means of strain gauges ( 2 . 3 ), which are arranged and mounted so that they the detection of torque (M) and axial load (F ax ) of the drive shaft ( 1 ) enable. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (2, 3) direkt auf der Antriebswelle (1) der Arbeitsmaschine angebracht werden.Method according to claim 1, characterized in that the strain sensors ( 2 . 3 ) directly on the drive shaft ( 1 ) of the working machine. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (2, 3) an einer gesonderten, die Antriebswelle (1) klemmend, jedoch lösbar umschließenden Vorrichtung (4) angebracht werden.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the strain sensors ( 2 . 3 ) on a separate, the drive shaft ( 1 ) clamping but releasably enclosing device ( 4 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Dehnungssensoren (2, 3) erfassten Messsignale mittels eines Verstärkers verstärkt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that that of the strain sensors ( 2 . 3 ) are amplified by means of an amplifier. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale drahtlos an einen Empfänger übertragen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring signals are transmitted wirelessly to a receiver become. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration der Messsignalerfassung sowie die Messsignalauswertung in einem Personalcomputer erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the integration of the measurement signal acquisition as well the measurement signal evaluation takes place in a personal computer. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als wenigstens zweiteilige Klemmschelle (4) zur klemmenden, jedoch lösbaren Anbringung an der Antriebswelle (1) ausgebildet ist, die innenseitig mit Dehnungssensoren, insbesondere mit Dehnungsmessstreifen (2, 3), in einer solchen Anordnung und Anbringung versehen ist, dass diese die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (Fax) der Antriebswelle (1) ermöglichen.Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is designed as at least two-part clamp ( 4 ) for clamping, but releasable attachment to the drive shaft ( 1 ) is formed on the inside with strain sensors, in particular with strain gauges ( 2 . 3 ), in such an arrangement and attachment is provided that this the detection of torque (M) and axial load (F ax ) of the drive shaft ( 1 ) enable. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (2, 3) in Vollbrückenschaltung an der Klemmschelle (4) angeordnet sind.Device according to claim 7, characterized in that the strain sensors ( 2 . 3 ) in full bridge connection at the clamp ( 4 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) dünnwandig ausgebildet ist.Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the clamp ( 4 ) is formed thin-walled. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) aus einem Material mit geringem spezifischen Gewicht, insbesondere aus Aluminium, besteht.Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the clamp ( 4 ) consists of a material with low specific gravity, in particular aluminum. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) als längliches Bauteil ausgebildet ist, das eine axial verlaufende Taillierung aufweist.Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the clamp ( 4 ) is formed as an elongate member having an axially extending waist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) ausgewuchtet ist.Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the clamp ( 4 ) is balanced.
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