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儲(chǔ)油罐液位、溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)計(jì)小組名單: 任光輝 張晨睿 王資凱 徐夢(mèng)然 韓冬芳 朱晨 姓名班級(jí)學(xué)號(hào)具體負(fù)責(zé)的工作任光輝F04035025040309537原理設(shè)計(jì)和小組工作安排張晨睿F04035025030309677資料搜集整理與報(bào)告撰寫(xiě)王資凱F04035025040309756報(bào)告撰寫(xiě)與整體方案修改徐夢(mèng)然F04035025040309548圖表制作和方案討論韓冬芳F04035015040309094PPT制作與報(bào)告撰寫(xiě)朱晨F04035015040309066傳感器原理分析1. 系統(tǒng)總體說(shuō)明11.1 課題任務(wù)規(guī)定的設(shè)計(jì)要求11.2 設(shè)計(jì)方法比較11.3 設(shè)計(jì)特色12. 總體解決方案概述23. 所用傳感器簡(jiǎn)介4 533.1 光纖傳感器33.2 超聲波傳感器43.3 半導(dǎo)體熱敏電阻54. 系統(tǒng)描述64.1 溫度傳感器PPM電路1 664.2 超聲波測(cè)距2374.3 傳感器PPM電路894.4 復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路104.5 脈沖甄別電路8104.6 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理78115. 光推動(dòng)系統(tǒng)的功率與信號(hào)通道設(shè)計(jì)910135.1 光推動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介135.2 光推動(dòng)通道136. 附錄146.1 存在的問(wèn)題146.2 解決的辦法147. 致謝158. 參考資料16第16頁(yè)1. 系統(tǒng)總體說(shuō)明1.1 課題任務(wù)規(guī)定的設(shè)計(jì)要求我國(guó)石油資源豐富,采油煉油企業(yè)眾多,儲(chǔ)油罐是儲(chǔ)存油品的重要設(shè)備,儲(chǔ)油罐液位的精確計(jì)量對(duì)生產(chǎn)廠庫(kù)存管理及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大。但國(guó)內(nèi)許多反應(yīng)罐、大型儲(chǔ)油罐的液位計(jì)量仍采用人工檢尺和分析化驗(yàn)的方法,其他參數(shù)的測(cè)定也沒(méi)有實(shí)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,這樣易引發(fā)安全事故,無(wú)法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐液位、溫度等參數(shù),可以方便了解生產(chǎn)狀況,及時(shí)監(jiān)視、控制容器液位及溫度等,保障安全平穩(wěn)生產(chǎn)。試設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐(圓柱體型)液位、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1.2 設(shè)計(jì)方法比較液位測(cè)量方法溫度測(cè)量方法直接測(cè)量法間接測(cè)量法接觸測(cè)量非接觸測(cè)量目測(cè)式液位測(cè)量法接觸測(cè)量非接觸測(cè)量膨脹式溫度計(jì)輻射式溫度計(jì)電容式超聲波式 電阻式亮度溫度計(jì)電阻式紅外式熱電耦式比色溫度計(jì)靜壓式激光式壓力式光導(dǎo)纖維溫度計(jì)電感式光電式熱感式微波式表1 現(xiàn)有方法總結(jié)1.3 設(shè)計(jì)特色采用光纖傳輸,實(shí)現(xiàn)測(cè)量無(wú)電回路,避免電信號(hào)引起的危險(xiǎn),動(dòng)態(tài)效應(yīng)好,可以遠(yuǎn)端控制,實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖的傳輸,避免干擾。2. 總體解決方案概述本次設(shè)計(jì),我們采用光纖傳輸光推動(dòng)油罐多參數(shù)側(cè)量,系統(tǒng)的總體方案如圖2.1所示。它由三部分組成:(1)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的超聲波液位傳感器及其控制電路以及脈沖位置調(diào)制(PPM)電路,三只半導(dǎo)體熱敏電阻以及脈沖位置調(diào)制(PPM)電路,多個(gè)不同寬度窄脈沖信號(hào)復(fù)用電路,PPM信號(hào)發(fā)射電路和光電轉(zhuǎn)換供電電路。(2)二次儀表的脈寬鑒別、信號(hào)解調(diào)、信號(hào)處理以及LD光源驅(qū)動(dòng)電路。(3)探頭與二次儀表之間功率和信號(hào)雙向光纖傳輸通道部分。圖2.1 系統(tǒng)的總體方案圖2.2 系統(tǒng)中傳感器安裝位置3. 所用傳感器簡(jiǎn)介4 53.1 光纖傳感器在光通信研究中發(fā)現(xiàn),光纖受外界環(huán)境因素的影響,如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí),將引起光纖傳輸?shù)墓獠?,如光?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等改變。如果能測(cè)量出光波變化的信息,就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小,于是就出現(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。時(shí)至今日,光纖傳感器己成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)發(fā)展方向之一,各國(guó)在光纖傳感理論和應(yīng)用上進(jìn)行了大量的研究工作。尤其是近幾年,它的發(fā)展異常迅速,呈現(xiàn)出巨大的開(kāi)發(fā)潛力,受到一些工業(yè)先進(jìn)國(guó)家研究單位的高度重視 光纖傳感器的信號(hào)載體是在光纖中傳輸?shù)墓猓饫w本身是一種介質(zhì)材料,這就賦予了光纖傳感器具有一些常規(guī)傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),如靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、防電磁干擾、超高壓絕緣、無(wú)源性、防燃防爆、適用于遠(yuǎn)距離遙測(cè)、多路系統(tǒng)無(wú)地回路“串音”千擾、體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、成本低等。由光纖、光源和光探測(cè)器組成的典型光纖傳感器如圖3.1.1圖3.1.1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介光纖波導(dǎo)原理:光纖由折射率n1(光密介質(zhì))較大的纖芯,和折射率n2(光疏介質(zhì))較小的包層構(gòu)成。當(dāng)光線以較小的入射角1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(n1n2)時(shí),根據(jù)Snell定律有:圖3.1.2 光纖基本結(jié)構(gòu) 當(dāng)90時(shí),此時(shí)有: ,稱為臨界角。由圖可見(jiàn),當(dāng)時(shí),光纖再介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射。同理,由圖和Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n01)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角為:NA定義為“數(shù)值孔徑”。一般: NA = 0.20.4 對(duì)應(yīng)張角 11.523.63.2 超聲波傳感器總體上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào),其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 超聲波測(cè)距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來(lái),超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s),即:s=340t/2。每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差,在40KHz左右波動(dòng),而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在很大的發(fā)散角,從而導(dǎo)致方向性較差,而且隨著傳播距離的增加,在不同的發(fā)射角上信號(hào)衰減的程度也有變化。在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖3.2.1 SHIRLEY P A. An introduction to ultrasonic sensingJ.END,1989(11)。圖3.2.1超聲波在空氣中的發(fā)散角及耗散性3.3 半導(dǎo)體熱敏電阻信號(hào)通道探頭中的溫度敏感元件采用半導(dǎo)體熱敏電阻。選用半導(dǎo)體熱敏電阻做一次測(cè)溫元件的主要原因,一是半導(dǎo)體熱敏電阻阻值大,在實(shí)現(xiàn)電阻到脈寬的轉(zhuǎn)換時(shí),可減少RC轉(zhuǎn)換電路的動(dòng)態(tài)功耗;二是具有T-PWM變換的高靈敏度,響應(yīng)速度快(時(shí)間常數(shù)小)和小體積等優(yōu)點(diǎn)。但半導(dǎo)體熱敏電阻存在特性參數(shù)分散性大,互換性差,電阻一溫度 為非線性關(guān)系等缺點(diǎn)。近年來(lái)由于材料及工藝的不斷改進(jìn),其溫度敏感特性得到改善,在溫度測(cè)量與控制中得到廣泛應(yīng)用。 系統(tǒng)中采用高精度(誤差0. 05 0C)的熱敏電阻,其阻值與溫度的關(guān)系為式中:被測(cè)溫度為T時(shí)的電阻值,參考溫度為T0時(shí)的電阻值,B熱敏電阻的材料系數(shù)。 系數(shù)B除與材料有關(guān)之外,還與材料所處溫度有關(guān)。材料確定之后,近似為一常數(shù)。合理選擇B值對(duì)溫度值的靈敏度、測(cè)量范圍、線性處理精度有直接影響,B值在近似常規(guī)條件下,熱敏電阻一溫度為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。4. 系統(tǒng)描述4.1 溫度傳感器PPM電路1 6溫度傳感器的測(cè)量電路如圖4.1.1所示。由移位寄存器CC4015和或非門CD4002構(gòu)成的分時(shí)電路控制開(kāi)關(guān)CD4066,分別把三只半導(dǎo)體熱敏電阻和一只參考電阻接入振蕩器CD4047,使各電阻值轉(zhuǎn)換為多諧振蕩器的脈寬信號(hào)t1 t4,脈寬與電阻的關(guān)系為式中 x = 1、2、3、4,C=0.1uF。當(dāng)=0.5時(shí),此脈寬信號(hào)通過(guò)上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,用4uS脈沖位置信號(hào)來(lái)表征,如圖4.1.2所示。圖4.1.1溫度傳感器PPM電路圖4.1.2電路時(shí)序4.2 超聲波測(cè)距23超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動(dòng)電路振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對(duì)稱式多諧振蕩器,它產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖電路如圖4.2.1所示電路中第二級(jí)反相器輸出的電壓由Rf (3K電阻和滑動(dòng)變阻器)的調(diào)節(jié),可以改變輸入到第一級(jí)反相器輸入端的相位當(dāng)相位達(dá)到同相時(shí),實(shí)現(xiàn)正反饋,就成了穩(wěn)定的振蕩器振蕩周期公式為T=22RfC因?yàn)镃D4069為CMOS結(jié)構(gòu),所以邏輯門前的電阻Rp(100M)為第一級(jí)反相器的保護(hù)電阻當(dāng)Rp足夠大時(shí),第一級(jí)反相器的輸入電流可忽略不計(jì)由于超聲波換能器中心頻率都有偏差,所以RP采用電位計(jì),可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點(diǎn),這也是不用單片機(jī)產(chǎn)生方波的原因電路中IN1和IN2同時(shí)得到相位相反的2路控制脈沖,提供給驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)控制采用了L293型直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片,它內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖驅(qū)動(dòng)電路的直流電源電壓可以改變,以適應(yīng)不同傳感器對(duì)電壓的要求振蕩電路中產(chǎn)生方波的兩端,分別接到驅(qū)動(dòng)電路1A、4A端控制輸出電路中EN端為輸出使能端,它由CON1端口控制,由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào),通過(guò)光纖傳輸完成對(duì)其控制。圖4.2.1超聲波發(fā)射單元圖4.2.2 L293 結(jié)構(gòu) 超聲波接收單元中包括:模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路,如圖4.2.2所示模擬放大器選用高精度儀用放大器LM318作為信號(hào)放大與濾波之用,它的單位增益帶寬為15 MHz,超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。在放大電路的負(fù)反饋回路中接入電容C1構(gòu)成低通濾波器電容的選擇可由公式f=1(2piR1*C)求出,式中f為采用的超聲波頻率,R1為第一級(jí)的反饋電阻因?yàn)槎嘀C振蕩器中有高頻分量噪聲,所以通過(guò)低通濾波器將高頻噪聲濾掉經(jīng)過(guò)2極放大后,通過(guò)電容耦合,信號(hào)與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平,經(jīng)過(guò) 圖4.2.2超聲波接收單元控制部分由單片產(chǎn)生7-8個(gè)周期的高電平,經(jīng)過(guò)放大器驅(qū)動(dòng)后,經(jīng)GaAs發(fā)光二極管(LED)把信號(hào)發(fā)射出去,在信號(hào)控制端I/V轉(zhuǎn)換后,控制L293來(lái)產(chǎn)生40KHz的超聲波。圖4.2.3單片機(jī)控制電路超聲波的發(fā)生電路4.3 傳感器PPM電路8圖4.3.1為傳感器PPM電路,分別把輸出的超聲信號(hào)和溫度信號(hào)調(diào)制成1us和4us的脈沖。圖4.3.1傳感器PPM電路圖4.3.2 CD4098管腳分布圖其中周期T= RC,調(diào)節(jié)1、2和14、15腳上的電阻和電容使得產(chǎn)生4us和2us的脈沖4.4 復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路為了實(shí)現(xiàn)單光纖傳輸所有脈沖位置信號(hào),用或門把表征超聲波2uS脈位信號(hào)和表征溫度傳感器的4uS脈位信號(hào)進(jìn)行電復(fù)合,經(jīng)GaAs發(fā)光二極管(LED)把信號(hào)發(fā)射出去,圖4.4.1示出了電復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路。圖4.4.1電復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路4.5 脈沖甄別電路8圖4.5.1出2uS脈寬的PPM-PWM信號(hào)解調(diào)電路,其它幾路結(jié)構(gòu)與其相同,只是設(shè)定的參數(shù)不同。表示超聲波與溫度信號(hào)的2uS, 4uS光脈沖位置信號(hào),通過(guò)硅光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。脈寬甄別器只通過(guò)2uS脈寬的信號(hào),再由D觸發(fā)器恢復(fù)表征電容C1和C2的脈寬信號(hào)。圖4.5.1 PPM-PWM信號(hào)解調(diào)電路脈沖甄別電路由單穩(wěn)電路CD4047和與非門CD4093構(gòu)成。脈沖寬度的甄別上限Tu=TA + TB,甄別下限Ti=TA。TA為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(OSB)工作于上升沿觸發(fā)方式的定時(shí)周期,TB為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(OSB)下降沿觸發(fā)方式的定時(shí)周期,它們分別由時(shí)間常數(shù)RA, CA,和RB、CB確定。輸入脈沖寬度tM低于TA時(shí),與非門G3的兩個(gè)輸入不可能同時(shí)為高電平,故D3輸出一直處于高電平,此時(shí)電路無(wú)脈沖輸出。如果輸入脈沖寬度tM是在上、下甄別閾內(nèi),則/Qa回到高態(tài)瞬間,G3輸出為低電平,并觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(OSB),于是/Qa輸出為高電平,與非門G4輸出一個(gè)負(fù)脈沖,這說(shuō)明輸入脈沖寬度落在電路的甄別閾之內(nèi)。當(dāng)輸入脈沖寬度tM大于Tu時(shí),由于TB結(jié)束之后G1,的輸出仍為低態(tài),故G2無(wú)負(fù)脈沖輸出。輸入和G1之間的兩個(gè)與非門(G3,G4)用來(lái)對(duì)輸入脈沖延時(shí),以防輸入脈沖在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器OSA。觸發(fā)以前去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器OSB。脈沖甄別器各點(diǎn)的波形如圖4.5.2所示。圖4.5.2脈沖甄別器各點(diǎn)波形從選通的PPM信號(hào)到PWM變換為解調(diào)過(guò)程,各選通的窄脈沖位置信號(hào)通過(guò)CD4013觸發(fā)器即變成脈寬調(diào)制信號(hào)。4.6 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理78本系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)脈寬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和處理。通過(guò)接受到的超聲波的信號(hào)與發(fā)射控制信號(hào)的時(shí)間差值計(jì)算液位,通過(guò)測(cè)量溫度信號(hào)(4us的脈沖)脈沖的時(shí)間差值,來(lái)計(jì)算熱敏電阻溫度傳感器測(cè)量的溫度值。由于單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器精度較低,MCS-51系列單片機(jī)在選用12MHz晶振時(shí),定時(shí)精度僅達(dá)到1uS,不能滿足本系統(tǒng)的測(cè)量要求。為實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的精確測(cè)量,采用了由高速數(shù)字電路構(gòu)成的定時(shí)器和單片機(jī)組成脈寬測(cè)量系統(tǒng)。脈寬測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成如圖4.6.1所示。圖4.6.1脈寬測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成為滿足測(cè)量精度要求,測(cè)量電路選用50MHz的高速時(shí)鐘電路作為定時(shí)用計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘基準(zhǔn)。高速計(jì)數(shù)器由兩片4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(74F197)組成的8位計(jì)數(shù)器。用兩路計(jì)數(shù)器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)正脈沖和負(fù)脈沖的測(cè)量。計(jì)數(shù)器的溢出周期為5.12uS,單片機(jī)對(duì)其計(jì)數(shù),以實(shí)現(xiàn)較大范圍的測(cè)量。(單片機(jī)是對(duì)接受到的脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)時(shí),在答辯中老師認(rèn)為不需要高精度計(jì)數(shù)器是有所誤解的)5. 光推動(dòng)系統(tǒng)的功率與信號(hào)通道設(shè)計(jì)9105.1 光推動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介實(shí)現(xiàn)溫度,液位等參數(shù)的高精度檢側(cè),必須解決如下關(guān)鍵技術(shù):光推動(dòng)通道完成的高效率光/電變換,使之推動(dòng)探頭的電功率有一定裕度;RC轉(zhuǎn)換探頭的微功耗;被測(cè)參數(shù)的R. C-PWM-PPM變換,PPM信號(hào)的遠(yuǎn)距離光纖傳輸;二次儀表端PPM信號(hào)的辯識(shí),PPM-PWM恢復(fù),系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)整與改善。 為解決光推動(dòng)功率不穩(wěn)定造成的測(cè)量誤差,除了采用制冷與光反饋技術(shù)外,R,C轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)成熱敏電阻R與固定電阻互為參考,兩被測(cè)差動(dòng)電容互為參考工作方式,使系統(tǒng)的溫漂、時(shí)漂大為減少,抗機(jī)械和抗電磁干擾性得到改善,提高了探頭及整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度與工作穩(wěn)定性。 測(cè)量與傳輸信號(hào)采用R, C-PVYM-PPM調(diào)制技術(shù)且全CMOS電路實(shí)現(xiàn),不僅減少了探頭的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗,而且抑制了信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的光纖長(zhǎng)度、光源、光探測(cè)器和光禍合器等的特性參數(shù)變化對(duì)信號(hào)檢測(cè)精度的影響。 實(shí)用化功率與信號(hào)雙光纖傳輸油罐多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),成功地解決了電傳感與光傳輸?shù)南嗳菪?,擴(kuò)展了差動(dòng)電容式敏感元件在強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆場(chǎng)合的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了常規(guī)傳感器難以勝任的特殊環(huán)境下的油罐多參數(shù)測(cè)量。5.2 光推動(dòng)通道二次儀表端的LD驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制LD使其發(fā)光,光能耦合入功率光纖傳輸?shù)教筋^端,經(jīng)硅光電池再轉(zhuǎn)換成電能。用硅光電池獲得電壓主要有兩種方式,一是采用多個(gè)硅光電池串聯(lián)陣列的方式,這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但它存在電流不匹配的問(wèn)題,即串聯(lián)陣列中,任一硅光電池的轉(zhuǎn)換效率低,在回路中的總電流就受到了限制。本文采用另一種方式,即利用一個(gè)硅光電池,將其輸出幅值為0. 7V脈沖電壓,由變壓器升壓產(chǎn)生轉(zhuǎn)換探頭的工作電源,其原理如圖3.2.12所示。它包括方波驅(qū)動(dòng)電路、LD-光纖-PD耦合傳輸部分和光至直流電壓轉(zhuǎn)換部分。此方法提

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