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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impedanzanalyse elektrischer Bauteile.
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Zur tieferen Analyse des Zustandes elektrischer Bauteile, ist unter anderem das Verfahren der Impedanzspektroskopie bekannt. Angewendet wird das Verfahren beispielsweise für elektrochemische Elemente (z.B. Li-Ionen Batterien, Brennstoffzellen oder elektrochemische Elektrolysezellen).
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Bei der Impedanzspektroskopie wird das Bauteil während des Betriebs von außen periodisch angeregt. Diese Anregung kann eine zyklische Anhebung- und Senkung des Ausgangsstromes (z.B. über eine frequenzmodulierte Last) oder auch eine der Betriebsspannung überlagerte Anregungsspannung sein.
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Typischerweise wird hierfür ein Frequenzgenerator genutzt, der ein vollsymmetrisches Signal erzeugt (z.B. eine Sinuswelle), welches per Spannungsquelle (genannt „potentiostatisch“) oder elektrischer Quelle oder Senke (genannt „galvanostatisch“) auf das Bauteil übertragen wird. Das entstehende Antwortsignal (Spannungs-Fluktuation im Falle galvanostatischer Anregung, bzw. Stromsignal-Schwankung im Falle potentiostatischer Anregung) wird an dem untersuchten Bauteil gemessen. Eine Fourier-Analyse der entstandenen Phasenverschiebung von Anregungs- zu Antwortsignal bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen gibt Aufschluss über Real- und Imaginärteil der Impedanz. Die grundlegende Funktion bzw. Ablauf der Impedanzspektroskopie kann z.B. in zahlreichen Büchern und Veröffentlichungen nachgelesen werden.
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Technisch ist dieses Verfahren aus mehreren Gründen aufwändig und störanfällig: Die Erzeugung der periodischen Anregungssignale erfordert in der Regel einen Frequenzgenerator, welcher ein großes Spektrum verschiedener Frequenzen erzeugen kann. Üblicherweise werden viele Frequenzen pro Messung durchfahren, um ein komplexes, frequenzabhängiges Impedanz-Bild abbilden zu können. Weiterhin müssen die Signale mittels geeigneter Spannungsquellen/Stromsenken etc. sauber und Signal-treu auf das Bauteil übertragen werden. Störende Einflüsse durch Kabel und Leitungen oder den Messaufbau bezüglich Induktivitäten und Kapazitäten müssen aufwändig umgangen oder mittels Kalibrierung herausgemessen werden, um aus der Analyse eine „saubere“ Diagnose des untersuchten Bauteils ableiten zu können.
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Idealerweise muss ein Aufbau für alle (Wiederholungs-)Messungen (z.B. zeitliche Alterungsmessungen oder nach Schädigung des Bauteils durch Temperatureinfluß etc.) identisch sein, d.h. orts- und/oder aufbaugetreu wiederholbar sein. Ebenso sind äußere Störgrößen auf dem zu untersuchenden/anzuregenden Signalpfad zu vermeiden (z.B. Lastsprünge während eines Messzyklus). Die zu untersuchenden Signale müssen sehr präzise aufgelöst werden (sowohl die Signalstärke wie auch die zeitliche Korrelation zur Anregung). Die Prozedur - insbesondere für ein breites Frequenzspektrum (je nach beobachteter Charakteristik des untersuchten Bauteils) - benötigt eine gewisse Messzeit. Diese ist - insbesondere im Fahrbetrieb mobiler Anwendung (z.B. bei einer online Analyse im Fahrzeug) schwer umsetzbar. Die beschriebenen Restriktionen hinsichtlich benötigter Hardware schränken die Umsetzung in mobilen oder zeitlich nicht stationär betreibbaren Anwendungen stark ein. Zudem sind benötigte Geräte und Aufbauvarianten vergleichsweise kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein vereinfachtes Verfahren für eine Diagnostik von elektrischen Bauteilen anzugeben, welches die oben genannten Schwierigkeiten vermeidet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Impedanzanalyse eines elektrischen Bauteils wird das Bauteil mittels eines elektrischen Anregungssignals mit einer vorgewählten Signalform und mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenz periodisch angeregt. Der Verlauf des elektrischen Stroms und der elektrischen Spannung am Bauteil wird in Abhängigkeit von der Zeit (ggf. mit einer vorgewählten Abtastrate) über mindestens eine Wiederholungsperiode gemessen. Theoretisch ist die Messung über eine einzelne Wiederholungsperiode ausreichend. Tatsächlich ist es aber sinnvoll, die Messung über mindestens 2 Wiederholungsperioden durchzuführen. Als vorteilhaft haben sich für die Messung insbesondere drei oder vier Wiederholungsperioden herausgestellt. Es kann aber auch über 5 oder 10 Wiederholungsperioden gemessen werden. Nach oben besteht hier grundsätzlich keine Beschränkung, Mehrere Wiederholungsperioden verlängern aber die Dauer der Messung.
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Die gemessenen zeitabhängigen Strom- und Spannungsverläufe werden anschließend mittels eines mathematischen Verfahrens in ein frequenzabhängiges Strom- und Spannungsspektrum transformiert. Der Frequenzbereich, über welchen sich das Strom- und Spannungsspektrum erstreckt, umfasst mindestens die Wiederholungsfrequenz und mindestens ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederholungsfrequenz. Vorzugsweise umfasst der Frequenzbereich mehrere ganzzahlige Vielfache der Wiederholungsfrequenz, beispielsweise 10, 20, 30, 50 oder mehr ganzzahlige Vielfache der Wiederholungsfrequenz.
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Anhand der somit erhaltenen Strom- und Spannungsspektren werden anschließend erfindungsgemäß frequenzabhängige Impedanzwerte berechnet. Anhand der frequenzabhängigen Impedanzwerte können dann vorteilhaft Informationen über Eigenschaften bzw. den Zustand des elektrischen Bauteils erhalten werden.
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Das elektrische Anregungssignal kann ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein, was einer oben beschriebenen potentiostatischen oder einer galvanostatischen Anregung entspricht. Entsprechend wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der zeitabhängige Verlauf des Stroms und der Spannung am Bauteil gemessen. Je nachdem, ob das Anregungssignal ein Stromsignal oder ein Spannungssignal ist, ist das Antwortsignal ein Spannungssignal oder eine Stromsignal. Es werden also erfindungsgemäß immer ein Anregungssignal und ein entsprechendes Antwortsignal in Form eines Stromsignals und Spannungssignals gemessen.
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Das Anregungssignal ist selbst nicht zwingend periodisch, wie beispielsweise ein Sinussignal, sondern wird lediglich mit einer vorgewählten Wiederholungsfrequenz periodisch wiederholt aufgeprägt. Beispielsweise kann die Signalform des Anregungssignals zumindest näherungsweise einem Puls-, Stufen- oder Sprung-signal entsprechen. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere verschiedene Pulsformen bzw. Signalformen vorteilhaft, die sich jeweils durch Überlagerung verschiedener Frequenzen darstellen lassen. Diese können beispielsweise einer Pulsanregung, Stufen- oder Sprung-funktion oder -Störung entsprechen. Ein Rechteckpuls ist beispielsweise darstellbar als Überlagerung von unendlich vielen Sinuswellen. Die Signalstruktur (Verlauf des Anregungspulses) ist hierbei aber nicht als periodische Anregung zu sehen.
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Dagegen wird die Anregung selbst (also zum Beispiel der Puls/ die Störung) zyklisch in bestimmten zeitlichen Abständen aufgeprägt und deren zeitlicher Verlauf gemessen. Dies kann wiederum genutzt werden, um das Anregungs- und Antwortsignal einer Fourieranalyse zuzuführen.
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Die Anregung mittels Puls-Funktion, Stufen-, Sprung- oder anderer Stör-Signale lässt sich deutlich einfacher in Anwendungen realisieren, als die Erzeugung symmetrischer, in sich periodischer Sinus- oder Stufenfunktionen welche im allgemeinen mittels Signal-Generatoren, erzeugt werden müssen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Anregungssignal durch ein passives Bauelement erzeugt werden. Ein solches passives Bauelement kann beispielsweise ein Kondensator oder eine Spule, oder auch ein elektrischer Widerstand sein. Das Anregungssignal ist dann beispielsweise ein Lade- oder Entladesignal bzw. ein Abklingpuls des passiven Bauelementes. Die Signalform wird dann durch das spezifische Lade- oder Entladesignal des passiven Bauelementes bestimmt.
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Insbesondere vorteilhaft ist die Erzeugung des Anregungssignals mittels eines Kondensators, welcher im elektrischen Stromkreis dem Bauteil vorgeschaltet wird. Dieser kann periodisch aufgeladen und entladen werden, und somit ein Anregungssignal periodisch auf das elektrische Bauteil aufprägen. In diesem Fall ist das elektrische Anregungssignal ein Strompuls. Das entsprechende Antwortsignal ist dann ein Spannungssignal. Ein entsprechendes Anregungsverfahren mittels eines passiven Bauelements ist beispielsweise in der zum Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht offengelegten Deutschen Patentanmeldung
DE 102023204236.3 beschrieben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Impedanzwerte nicht für ein kontinuierliches Spektrum über den gesamten Frequenzbereich berechnet sondern es werden vorteilhaft geeignete Frequenzen ausgewählt. Hierbei werden insbesondere Frequenzen ausgewählt, welche ganzzahligen Vielfachen der Wiederholungsfrequenz entsprechen. Die Auswahl solcher geeigneten Frequenzen erfolgt beispielsweise mittels einer Fensterfunktion.
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Vorzugsweise kann zusätzlich eine Filterfunktion angewendet werden. Somit können beispielsweise nur Bereiche des Strom- und Spannungsspektrums ausgewählt werden, deren Amplitude oberhalb eines Schwellenwertes liegen. Frequenzen deren Strom- bzw. Spannungsamplitude unterhalb des Schwellwerts liegen, werden vorzugsweise nicht berücksichtigt. Somit werden vorteilhaft nur Messwerte berücksichtigt, die signifikant oberhalb eines Rauschens liegen. Die Berechnung der Impedanzwerte kann dann vorteilhaft lediglich für die ausgewählten Frequenzen des Strom- und Spannungsspektrums erfolgen. Somit kann Rechenaufwand gespart werden. Grundsätzlich kann die Auswahl der geeigneten Frequenzen auch nach der Berechnung der Impedanzwerte erfolgen.
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Die Transformation der gemessenen zeitabhängigen Strom- und Spannungswerte erfolgt in bekannter Weise durch ein mathematisches Verfahren, beispielsweise einer Fouriertransformation oder eine Laplace Transformation. Vorteilhaft können insbesondere eine Dynamische Fourier Transformation (DFT), oder eine schnelle Fourier-Transformation (FFT), angewendet werden.
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Für die Anwendung der schnellen Fourier Transformation (FFT) ist es insbesondere wichtig, dass bei der zeitabhängigen Messung von Strom und Spannung ausreichend Messpunkte pro Anregungssignalpuls erfasst werden. Daher ist vorzugsweise eine Abtastrate zu wählen, welche ausreichend Messpunkte pro Wiederholungsperiode gewährleistet. Demnach ist die Abtastrate vorzugsweise in Abhängigkeit der Wiederholungsfrequenz zu wählen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Impedanzberechnung möglich, die jedoch nicht bezogen auf eine bestimmte Anregungsfrequenz des Störsignals ist, sondern lediglich die Abtastrate und die Wiederholungsrate bzw. Wiederholungsfrequenz in Betracht zieht. Die bei der Fourier-Auswertung aufgefundenen Nebenfrequenz-Amplituden (auch Spiegelfrequenzen oder spektrale Frequenzen genannt) können einem Filter unterzogen werden und ein Impedanz-Wert für eine Vielzahl dieser Nebenfrequenzen ausgewertet werden. Hierdurch ergibt sich ein Impedanz-Spektrum, welches sich einem herkömmlich erzeugten Impedanz-Spektrum überlagern lässt. Mess-Intervalle und Signaleigenschaften können so abgestimmt werden, dass eine hohe Übereinstimmung der Spektren gewährt werden kann. Damit lässt sich gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Impedanzanalyse sowohl die Anregungs-/Messzeit signifikant reduzieren als auch die zur Anregung benötigte Leistung und die Kosten für benötigte Bauteile/Hardware deutlich verringern.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich (unabhängig von der Signal-Struktur) Impedanz-Spektren erzeugen, die eine Vielzahl von Frequenzen untersuchen, obwohl die Wiederholungsfrequenz der Anregung um Faktoren kleiner ist. Prinzipiell könnte man also mit einer beispielhaften Frequenz von 2 Hz eine Anregung durch eine Pulsfunktion aufprägen, jedoch ein Impedanzspektrum für 100, 1000 oder gar 10.000 Hz aufarbeiten. Gegenüber den bekannten Verfahren zur Impedanzanalyse von elektrischen Bauteilen ermöglicht die Erfindung somit ein vereinfachtes Verfahren, bei welchem keine Anregung über einem großen Frequenzbereich durchgeführt werden muss, sondern eine periodische Wiederholung eines einfachen Anregungssignals ausreicht um eine Impedanzanalyse über ein breites Frequenzspektrum zu erhalten.
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Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen 1-3 näher erläutert werden.
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Es zeigen schematisch:
- 1: eine Reihe von Strom-Anregungspulsen mit einer Wiederholungsfrequenz von etwa 10 Hz;
- 2: eine Reihe von entsprechenden Spannungs-Antwortsignalen auf das Anregungssignal gemäß 1; und
- 3: ein frequenzabhängiges Stromspektrum, welches durch mathematische Transformation aus den Anregungspulsen gemäß 1 erzeugt wurde;
- 4: gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte frequenzabhängige Impedanzwerte im Vergleich zu mittels einem herkömmlichen Verfahren zur Impedanzanalyse ermittelten Impedanzwerten; und
- 5: eine beispielhafte Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante.
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1 zeigt beispielhaft eine Reihe von Anregungspulsen, welche gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Wiederholungsfrequenz 12 von 10 Hz auf ein zu analysierendes elektrisches Bauteil 20 aufgeprägt werden können. In 1 sind beispielhaft Strompulse gezeigt, die beispielsweise Entladepulse eines elektrischen Kondensators darstellen. Der Kondensator wird hierbei mit einer Wiederholungsfrequenz 12 von 10 Hz geladen und wieder entladen. Die Wiederholungsperiode 15 beträgt entsprechend 0,1 s. Erfindungsgemäß wird dieses periodische Anregungssignal 13 von asymmetrischen Strompulsen und das entsprechende Antwortsignal 14 in Form eines Spannungssignals am Bauteil 20 gemessen. Ein entsprechendes Spannungssignal 14 ist beispielhaft in 2 dargestellt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch die Anregung mittels periodisch ausgeführten Spannungspulsen möglich. In diesem Fall wäre als Antwortsignal ein Stromsignal 13 zu messen. In jedem Fall bilden das Anregungssignal und das Antwortsignal jeweils zusammen ein periodisches Stromsignal 13 und ein periodisches Spannungssignal 14 mit der gleichen Wiederholungsfrequenz 12. Das Strom- 13 und das Spannungssignal 14 werden jeweils mit einer Abtastrate gemessen, die ausreichend Messpunkte pro Periodendauer gewährleistet, um eine mathematische Transformation, etwa eine schnelle Fouriertransformation (FFT) durchzuführen.
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Durch die mathematische Transformation werden die gemessenen zeitabhängigen Strom- 13 und Spannungssignale 14 erfindungsgemäß jeweils in ein frequenzabhängiges Strom- bzw. Spannungs-spektrum 16 umgewandelt. 3 zeigt beispielhaft ein frequenzabhängiges Stromspektrum 16. Dargestellt sind die Absolutwerte der transformierten komplexen Stromwerte. Die Anregungsfrequenz gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 beträgt 10 Hz. Folglich sind in dem Frequenzspektrum aus 3 jeweils Stromspitzen, oder allgemein Amplitudenspitzen bei der Wiederholungsfrequenz 12 von 10 Hz sowie bei den ganzzahligen Vielfachen der Wiederholungsfrequenz 12 zu erkennen. Das berechnete Spektrum umfasst hier einen Frequenzbereich von der Wiederholungsfrequenz (10 Hz) bis über das 60-fachen (600 Hz) der Wiederholungsfrequenz. Die ganzzahligen Vielfachen der Wiederholungsfrequenz 12 werden auch Nebenfrequenzen oder Spiegelfrequenzen genannt. Zur Auswertung des Amplitudenspektrums werden vorzugsweise jeweils die Amplitudenspitzen an der Wiederholungsfrequenz 12 sowie an den Neben- oder Spiegelfrequenzen berücksichtigt. Dies kann durch Anwendung einer Fensterfunktion auf die erhaltenen Amplitudenspektren 16 (Strom- und Spannungsspektrum) erfolgen. Nebenfrequenzen mit einer geringen Amplitude unterhalb des Rauschens sollen vorzugsweise nicht berücksichtig werden. Amplitudenwerte unterhalb eines Schwellenwertes 18, in 3 dargestellt durch eine waagerechte durchgezogene Linie, werden beispielsweise durch Anwendung einer Filterfunktion ebenfalls nicht berücksichtigt. Damit kann sichergestellt werden, dass nur Messwerte, welche signifikant oberhalb eines Rauschens liegen für die Bestimmung der Impedanz herangezogen werden.
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Durch Anwendung der Filter- und/oder Fensterfunktion werden somit geeignete Frequenzen 19 aus den berechneten Amplitudenspektren ausgewählt. Für diese ausgewählten Frequenzen 19, welche z.B. jeweils ein Vielfaches der Wiederholungsfrequenz 12 darstellen, werden in bekannter Weise Impedanzwerte 17 aus den jeweiligen Strom- und Spannungswerten zu den jeweiligen Frequenzen 19 berechnet.
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Diese Impedanzwerte 17 sind exemplarisch für die Wiederholungsfrequenz 12 von 10 Hz sowie für ganzzahlige Vielfache bis zu dem 10-fachen der Wiederholungsfrequenz bei 100 Hz berechnet und in 4 als diskrete Punkte (Kreuze) aufgetragen. Die durchgezogene Linie entspricht einer Simulation von Impedanzwerten, welche sich mittels eines herkömmlichen, sinusförmigen Anregungssignals ergeben. Die gemeinsame Darstellung in 4 zeigt, dass die mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Impedanzwerte 17 gut mit einem, mit einem herkömmlichen Verfahren ermittelten, Impedanzverlauf übereinstimmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit ein gegenüber dem herkömmlichen Verfahren stark vereinfachtes Verfahren zur Impedanzanalyse.
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5 zeigt exemplarisch eine Messanordnung 21, mit welcher eine Anregung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden kann. Das zu untersuchende elektrische Bauteil 20 ist in einem Stromkreis 21 mit einer Last 36 verbunden. Ein erstes Messgerät 46 dient zur Messung der an dem zu untersuchende Bauteil 20 anliegenden, elektrischen Spannung. Ein zweites Messgerät 47 ist zur Messung des im Stromkreis fließenden, elektrischen Stromes vorgesehen. Ein erstes passives Bauelement 22, beispielsweise ein Kondensator, kann mittels eines ersten Schalters 40 dem zu untersuchenden Bauteil 20 parallel in den Stromkreis geschaltet werden. Über einen zweiten Schalter 44 kann das erste passive Bauelement 22, mit einer (weiteren) Spannungsquelle 45 verbunden werden, um so mit einer Spannung aufgeladen zu werden. Somit kann das passive Bauelement periodisch mit der Spannungsquelle 45 verbunden und auf ein definiertes Potential gebracht werden, bevor es seinen Lade- oder Entladestrom als Anregungssignal auf das elektrische Bauteil 20 aufprägt. Dieser Vorgang wird mit der Wiederholungsfrequenz periodisch wiederholt durchgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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