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技術 ガス濃度測定装置

出願人 旭化成エレクトロニクス株式会社
発明者 櫻井允喜
出願日 2015年6月30日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2015-131349
公開日 2017年1月19日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2017-015508
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード アルミ加工 同一積層構造 濃度算出式 樹脂モールド材料 高温度環境 非分散赤外 乾燥環境下 樹脂筐体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年1月19日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能ガス濃度測定装置を提供すること。

解決手段

本実施形態1のガス濃度測定装置は、光源1と、光源1からの光を通過させるガスセル2と、ガスセル2中に配置されて光源2からの光を受光する光検出部3と、光検出部3の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部4と、光検出部3及び温度測定部4の少なくとも一部を封止する封止部7と、封止部7の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部5と、光検出部3の出力と温度情報と湿度情報とに基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部6とを備えている。

概要

背景

従来から大気中の測定対象ガス濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型(Non−Dispersive Infrared)ガス濃度測定装置が知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ透過部材)と赤外線センサを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものが挙げられる(特許文献1)。

概要

従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を提供すること。本実施形態1のガス濃度測定装置は、光源1と、光源1からの光を通過させるガスセル2と、ガスセル2中に配置されて光源2からの光を受光する光検出部3と、光検出部3の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部4と、光検出部3及び温度測定部4の少なくとも一部を封止する封止部7と、封止部7の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部5と、光検出部3の出力と温度情報と湿度情報とに基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部6とを備えている。

目的

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

光源と、ガスセルと、光検出部と、前記光検出部の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、前記光検出部及び前記温度測定部の少なくとも一部を封止する封止部と、前記封止部の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部と、前記光検出部の出力と、前記温度情報と、前記湿度情報と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるガス濃度測定装置

請求項2

前記光源は、LEDである請求項1に記載のガス濃度測定装置。

請求項3

前記温度測定部は、前記光検出部と同じ構造を持つ請求項1または請求項2に記載のガス濃度測定装置。

請求項4

前記光源の一部が、前記封止部に封止されている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

請求項5

前記湿度測定部が、前記光検出部の内部抵抗に基づいて前記封止部の湿度を算出する請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

請求項6

前記湿度測定部が、前記光源の内部抵抗に基づいて、前記封止部の湿度を算出する請求項2から請求項4のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

請求項7

前記温度測定部が、前記光源と同一基板上に形成される請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

請求項8

前記濃度測定用検出部が、InもしくはSbから形成される請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

技術分野

0001

本発明は、ガス濃度測定装置に関し、より詳細には、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置に関する。

背景技術

0002

従来から大気中の測定対象ガス濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型(Non−Dispersive Infrared)ガス濃度測定装置が知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ透過部材)と赤外線センサを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものが挙げられる(特許文献1)。

先行技術

0003

特開平9−33431号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、NDIR方式のガスセンサでは、ガスセンサ内部の温度や湿度の変化によって、光源からの発光量や赤外線センサの出力等が常に変動するため、ガス濃度を高精度に測定するためにはそれらの影響を補償する必要がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0005

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係るガス濃度測定装置は、光源と、ガスセルと、光検出部と、前記光検出部の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、前記光検出部及び前記温度測定部の少なくとも一部を封止する封止部と、前記封止部の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部と、前記光検出部の出力と、前記温度情報と、前記湿度情報と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるガス濃度測定装置である。

発明の効果

0006

本発明によれば、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を実現することができる。

図面の簡単な説明

0007

本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態1を説明するための構成図である。
本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態4を説明するための構成図である。
本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態5を説明するための構成図である。
本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態6を説明するための構成図である。
本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態7を説明するための構成図である。
実施例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。
比較例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。

0008

以下、本発明を実施するための形態(以下、本実施形態という)について説明する。なお、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

0009

<ガス濃度測定装置>
本実施形態のガス濃度測定装置は、光源と、ガスセルと、光検出部と、光検出部の温度を測定する温度測定部と、光検出部及び温度測定部の少なくとも一部を封止する封止部と、封止部の湿度を測定する湿度測定部と、温度測定部の出力と、光検出部の出力と、湿度測定部の出力と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるものである。
本実施形態に係るガス濃度測定装置によれば、温度及び湿度によって、光源及び光検出部の出力が変動することによる影響を補償することが可能となり、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を実現することができる。

0010

<光源>
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光源は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。具体的な例としては、MEMS光源やLEDが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯アクティブ層バンドギャップコントロールできるという観点から、LED構造は望ましい場合がある。LEDの光源を用いると、発光層に利用される材料のバンドギャップを被検出ガスの吸収波長チューニングすることにより、光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できる。光学フィルタ無しのガスセンサが実現できると、ガス濃度測定装置の構造が簡略化され、より好ましい形態となる。

0011

また、本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光源は、その一部が封止部に封止されていてもよい。光源の一部を封止材で封止することで、強度が強く且つ、小型のガスセンサが実現できるため、この観点から、好ましい場合はある。また光源の周囲を樹脂等で封止して固定することで、ガスセンサ内部への取り付け時に位置決めの精度が高まり、光源からより正確な方向に光を出射することができる。しかしながら、一般的に封止に使われる樹脂製の封止材は環境の水分を吸収し、光源や光検出部に応力を与える場合有り得る。この場合、光源やセンサ部の構造によって、発光特性及び・若しくは受光特性はその応力によって変動する可能性も有り得る。このような場合は特に、本発明の効果が発揮できる。光源を封止する封止部の湿度を湿度測定部が測定することで、湿度による光源の変動の影響を補償することが可能となる。

0012

<ガスセル>
本実施形態のガス濃度測定装置において、ガスセルは、被検出ガスを導入することが可能なものであれば特に制限されない。すなわち、被検出ガスの導入口を有していれば良い。被検出ガスのリアルタイム検出の精度向上の観点から、導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。ガスセルを構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラスセラミックスステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、第1の光源から出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀含む合金、もしくはこれらの積層体コーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。

0013

<光検出部>
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光検出部は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光の帯域感度を有するものであれば特に制限されない。光検出部には、焦電センサ(Pyroelectric sensor)、サーモパイル(Thermopile)、ボロメータ(Bolometer)等の熱型センサや、半導体材料を用いたPINダイオード構造からなる量子型センサ等が好適である。光検出部は、測定対象ガスに併せて所望の光学特性を有する光学フィルタをさらに備えていてもよい。例えば被検出ガスが炭酸ガスの場合、光検出部には炭酸ガスによる赤外線吸収が多く生じる波長帯(代表的には4.3μm付近)の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタを搭載する形態が例示される。

0014

また、本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光検出部は、封止部によって封止されており、封止部の吸湿による影響によって、光検出部に応力など外部から力が加わり、これによって光検出部の出力が変動することを今回新たに発見した。この現象の発見により、封止部の湿度を測定することで、封止部の吸湿による光検出部の変動の影響を補償できることが明らかとなった。
また、後述するように、湿度測定部が光検出部の内部抵抗に基づいて封止部の湿度を算出できることが新たに分かった。これにより光検出部の内部抵抗を測定することで、封止部の湿度に関する情報が得られ、これを用いて光検出部の出力を補償することが可能となる。

0015

<温度測定部>
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、温度測定部は、光検出部の温度を測定する。温度測定部は光検出部の温度を測定可能なものであれば特に限定されない。具体的には、サーミスタやPt測温帯、等を利用することができる。
また、製造方法の簡便化の観点から、温度測定部は光検出部と同じ構造を持ってもよい。ここで同じ構造とは、同一の膜構造や同一の素子形状をしていることを意味する。

0016

温度測定部は光源部と同じ基板に形成されても良い。また、LED構造の光源の場合、LEDと同一基板内に形成され、光源と同一積層構造、つまり、ダイオード構造を持っても良い。この場合、温度情報は基板内反射経由、ダイオードへの入射光による光起電力信号を利用しても良い。この信号は温度によって変化するため、温度情報源としても使用できる。温度測定部が光源と同一の構造にすると、部品数は低減され、簡略化した生産性の良いガスセンサが実現できるため、好ましい場合はある。

0017

<封止部>
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、封止部は、光検出部及び温度測定部の少なくとも一部を封止するものである。封止部の材料としては、例えば樹脂モールド材料等を用いることができる。

0018

<湿度測定部>
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、湿度測定部は、封止部の湿度を測定するものである。湿度測定部は封止部の湿度を算出可能なものであれば特に限定されない。具体的には、光検出部や光源の内部抵抗より湿度を算出するもの、または、乾湿剤の電気抵抗変化を測定し、湿度を測定する一般的な湿度計などを利用することができる。システムの簡略化の観点から、光検出部や光源の内部抵抗に基づき湿度を算出するこが好ましい場合はある。

0019

<演算部>
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、演算部は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログICディジタルIC及びCPU(Central Processing Unit)等が好適である。演算部には、光源を制御するための機能が含まれていても構わない。
次に、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。

0020

[実施形態1]
図1は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態1を説明するための構成図である。
本実施形態1のガス濃度測定装置は、光源1と、光源1からの光を通過させるガスセル2と、ガスセル2中に配置されて光源1からの光を受光する光検出部3と、光検出部3の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部4と、光検出部3及び温度測定部4の少なくとも一部を封止する封止部7と、封止部7の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部5と、光検出部3の出力と温度情報と湿度情報とに基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部6とを備えている。

0021

つまり、第1の実施形態のガス濃度測定装置は、図1に示すように、光源1と、封止部7に封止された温度測定部5と、封止部7に封止された光検出部3と、をガスセル2中に配置し、湿度測定部5を備えたガス濃度測定装置である。
このガス測定装置では、光源1より放出された光がガスセル2内を通過し、光検出部3へ到達する構造となっており、光がガスセル2内において被検出ガスにより吸収されることで生じる、光検出部3の出力変化に基づいて、被検出ガス濃度を算出するガス濃度測定装置である。

0022

本実施形態1のガス濃度測定装置は、以下に示す操作によりガス濃度算出式を求める。
まず、第1のガス濃度のガスをガスセル2中に充填し、低湿度環境下における光検出部3の出力(IoutD)と、湿度測定部5の出力(HD)と、高湿度環境下における光検出部3の出力(IoutW)と、湿度測定部5の出力(HW)から、光検出部3と、湿度測定部5の出力の間に成り立つ下記式(1)を導く。

0023

(式中、Ioutは光検出部3の出力、IoutDは低湿度環境下における光検出部3の出力、IoutWは高湿度環境下における光検出部3の出力、HDは低湿度環境下における湿度測定部5の出力、HWは高湿度環境下における湿度測定部5の出力、Hは湿度測定部5の出力である。)

0024

次いで、第2のガス濃度のガスをガスセル2中に充填し、低湿度低温度環境下における光検出部3の出力と、温度測定部4の出力を取得し、次いで、低湿度中温度環境下における光検出部3の出力と、温度測定部4の出力を取得し、次いで、低湿度高温度環境下における光検出部3の出力と、温度測定部4の出力を取得し、それぞれ得られた測定値から、光検出部3と、温度測定部4の出力の間に成り立つ関係を二次関数フィッティングすることで下記式(2)を導く。

0025

(式中、Ioutは光検出部3の出力、Irefは温度測定部4の出力、A、BおよびCは光検出部3と温度測定部4の出力の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで求まる定数である。)

0026

次いで、第1〜第3のガス濃度における、光検出部3の出力(Iout)を前記関数f(H)とh(Iref)で割り返し、温度と湿度によるIoutの変動を補償した値である{Iout/{f(H)×h(Iref)}と、第1〜第3のガス濃度の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで下記式(3)を導く。

0027

(式中、cは炭酸ガス濃度、Hは湿度測定部5の出力、Irefは温度測定部4の出力、DおよびEおよびFはガス濃度と{Iout/{f(H)×h(Iref)}の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで求まる定数である。)
以上の過程により得られた濃度算出式(3)および関数f(H)・h(Iref)と、光検出部3と、温度測定部4と湿度測定部5の出力と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出することで、従来と比較し高精度なガス濃度測定装置を実現する。

0028

[実施形態2]
本実施形態2のガス濃度測定装置は、上述した実施形態1において、光源1がLEDであるガス濃度測定装置である。
光源1がLEDであることで、光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できるといった利点を持つことを特徴とする。

0029

[実施形態3]
本実施形態3のガス濃度測定装置は、上述した実施形態1または実施形態2において、光検出部3と温度測定部4が同一構造(PINダイオード構造)であるガス濃度測定装置である。濃度測定用光検出部3と温度測定部4が同一構造であることで、製造方法が単純化するといった利点をもつことを特徴とする。

0030

[実施形態4]
図2は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態4を説明するための構成図である。
本実施形態4のガス濃度測定装置は、図2に示すように、上述した実施形態1または実施形態2または実施形態3において、光源1が封止部7に封止されているガス濃度測定装置である。光源1が封止されていることで、湿度により光源1の内部抵抗が変化することを利用し、光源1の内部抵抗測定結果を湿度測定部5の出力として利用できることを特徴とする。

0031

[実施形態5]
図3は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態5を説明するための構成図である。
本実施形態5のガス濃度測定装置は、図3に示すように、上述した実施形態1または実施形態2または実施形態3または実施形態4において、湿度測定部5が、光検出部3の内部抵抗に基づいて封止部7の湿度を算出するガス濃度測定装置である。光検出部3の内部抵抗より封止部7の湿度を算出するため、装置の小型化を実現できる点を特徴とする。

0032

[実施形態6]
図4は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態6を説明するための構成図である。
本実施形態6のガス濃度測定装置は、図4に示すように、上述した実施形態1または実施形態2または実施形態3または実施形態4において、湿度測定部5が、光源1の内部抵抗に基づいて封止部7の湿度を算出するガス濃度測定装置である。光源1の内部抵抗より封止部7の湿度を算出するため、装置の小型化を実現できる点を特徴とする。

0033

[実施形態7]
図5は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態7を説明するための構成図である。
本実施形態7のガス濃度測定装置は、図5に示すように、上述した実施形態1または実施形態2または実施形態3または実施形態4または実施形態5または実施形態6において、温度測定部4が光源1と同一基板上に形成されるガス濃度測定装置である。温度測定部4が光源1と同一基板上に形成されることで、装置のさらなる小型化を実現できることを特徴とする。
次に、本実施形態のガス濃度測定装置を実施例に基づき説明する。

0034

封止部7に封止されたIR−LED光源1と、IR−LED光源1と同一基板上に形成された温度測定部4としての量子型赤外線センサ(旭化成エレクトロニクス製)3と、温度測定部4と同一構造である光検出部3としての量子型赤外線センサ(旭化成エレクトロニクス製)を、高光沢加工アルミ加工により形成されたドーム型ガスセル中に配置し、湿度測定部5としてIR−LED光源1の内部抵抗測定器を接続した、炭酸ガス濃度測定装置を準備した。ここで、IR−LED光源1と量子型赤外線センサ3は同一の封止部7内に封止されており、IR−LED光源1の内部抵抗の代わりに量子型赤外線センサ3の内部抵抗測定器を湿度測定部5とする構成も可能である。

0035

<ダイオード構造の説明>
GaAs基板上に、n型で厚み1μmのAlInSb層、その上に、厚み2μmのi型のAlInSb層、その上に、厚み0.02μmのAlInSbバリ層、その上に厚み0.5μmのp型AlInSb層を設けた。この構造はMBE(Molecular Beam Epitaxy)法を利用して形成した。n型ドーピングにはSnを利用し、p型ドーピングにはZnを用いた。

0036

その後、2回エッチング工程(1回目は最上層からn層の途中までエッチングし、2回目はGaAs基板までエッチングした)を利用して、多段発光素子及び多段の受光部を形成してから、絶縁膜(Si3N4)によるパシベーションを施し、n層とp層とのコンタクト部用の穴を加工し、最後にAuを利用した配線層を形成した。
この構造を発光面(基板の裏面、つまり、ダイオードが形成された面の反対の面)及び電気接続用端子(図示しないリードフレーム)以外、封止部7を利用して封止した。

0037

図6は、実施例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。
次いで、各実施形態に記載の第1の炭酸ガス濃度として400ppm、第2の炭酸ガス濃度として1000ppm、第3の炭酸ガス濃度として2000ppmの炭酸ガスを選択し、各実施形態に記載の低温を10℃、中温度を25℃、高温を40℃として、各実施形態に基づいてガス濃度算出式を導き、得られた式を利用して、炭酸ガス濃度400ppm、1000ppm、2000ppmにおいて、温度10、25℃、40℃での乾燥環境下(封止部7の吸湿度0%に対応)におけるガス濃度算出、及び温度25℃での高湿度環境下(封止部7の吸湿度100%に対応)におけるガス濃度算出を試みた。

0038

<比較例>
図7は、比較例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。
従来の一般的なガス濃度算出式であるランバートベールの式(4)より、温度25℃、乾燥環境下、炭酸ガス濃度400ppmと2000ppmにおける、前記炭酸ガス濃度測定装置の濃度測定用光検出部と、温度測定部の出力と、炭酸ガス濃度の関係を下記ランバートベールの式(4)でフィッティングすることで定数AおよびBを求め、得られた式を利用して、炭酸ガス濃度400ppm、1000ppm、2000ppmにおいて、温度10、25℃、40℃での乾燥環境下(封止部の吸湿度0%に対応)におけるガス濃度算出、及び温度25℃での高湿度環境下(封止部の吸湿度100%に対応)におけるガス濃度算出を試みた。

0039

(式中、cは炭酸ガス濃度、Irefは温度測定部の出力、Ioutは濃度測定用光検出部の出力、A’およびB’は炭酸ガス濃度400ppmと1000ppmにおける、前記炭酸ガス濃度測定装置の濃度測定用光検出部と、温度測定部の出力と炭酸ガス濃度の関係から求まる定数)

0040

上述した図6の結果より、実施例により求めたガス濃度算出式を用いた場合、炭酸ガス濃度400ppmにおいて64ppm、1000ppmにおいて0ppm、2000ppmにおいて143ppm、の実炭酸ガス濃度からの誤差に収まった。
一方、比較例により求めたガス濃度算出式を用いた場合、炭酸ガス濃度400ppmにおいて1469ppm、1000ppmにおいて1473ppm、2000ppmにおいて1312ppm、の誤差が生じた。

実施例

0041

以上の結果より、実施形態のガス濃度測定装置によれば、従来の濃度測定装置よりも高精度な濃度算出が可能であることが理解される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

0042

1光源
2ガスセル
3光検出部
4温度測定部
5湿度測定部
6演算部
7封止部

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