第31卷增刊中因電機(jī)工程學(xué)報(bào)Vol 31 Supplement Dec 31, 20112011年12月31日Proceedings of the CSeeC2011 Chin. Soc. for Elec Eng. 181章編號(hào):02588013(2011)S018106中圖分類號(hào):TK31文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A學(xué)科分類號(hào):47020超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究呼劍,蘇明旭,蔡小舒(上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測(cè)量研究所,上海市楊浦區(qū)200093)Characterization of Particle Size Distribution of Coal-waterSlurries With Non-destructive Ultrasonic MethodHU Jian, SU Mingxu, CAl Xiaoshu(Institute of Particle Two-phase Flow Measurement, University of Shanghai for Science TechnologyYangpu District, Shanghai 200093, China)ABSTRACT: For studying the on-line measurement of particle號(hào)處理方法:基于超聲衰減系數(shù)的指數(shù)擬合譜。由該方法得size distribution(PSD) in coal- water slurries, theoretical and到的非接觸式測(cè)量結(jié)果與接觸式測(cè)量結(jié)果基本吻合,將測(cè)量experimental investigations were implemented based on結(jié)果與光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較證實(shí)了非接觸式超聲ultrasonic attenuation spectrum approach (UAS. ECAH and衰減譜法粒度表征技術(shù)的可行性multiple scattering models were combined to describe thetransmission process in highly concentrated slurries, and then關(guān)鍵詞:超聲;水煤漿;非接觸測(cè)量:粒度分布;衰減譜the inverse algorithm of particle size distributions was put 0 3IEforward using optimum regularization technique (ORT). Inexperiment, a couple of 5MHz broad-frequency ultrasonic水煤漿作為一種代油潔凈燃料,已越來越受到transducers were employed in the destructive and nor重視。水煤漿粒度對(duì)最大制漿濃度及煤漿的流變特destructive testing (NDT, in which an novel data processing性以及燃燒過程均有重要影響,因此在線監(jiān)測(cè)水煤method based on exponential fit was developed in NDT.The漿粒度分布對(duì)水煤漿制備質(zhì)量監(jiān)控十分重要。目measurement and analysis illustrate that the destructive method前,測(cè)量水煤漿粒度分布的主要方法包括顯微鏡觀can be completely replaced by NDT. Moreover, the UAS察、激光粒度儀分析等,但是這些方法都是離線取approach has revealed a good consistence with opticalmicroscope analysis, which indicates that the measured PSD of樣測(cè)量,不能滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的要求。coal-water slurries by UAS is feasible and reliable超聲波衰減譜法粒度表征技術(shù)具有測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)非接觸式快速在線測(cè)量以及可測(cè)KEY WORDS: ultrasound; water-coal slurries; non-量濃度高等優(yōu)點(diǎn),得到了越來越多的關(guān)注12destructive testing (NDT); particle size distribution(PSD);本文研究了采用超聲波衰減譜法粒度表征技術(shù)非attenuation spectrum接觸式測(cè)量水煤漿粒度分布摘要:為研究在線監(jiān)測(cè)水煤漿粒度分布,進(jìn)行了基于超聲衰減譜法的理論與實(shí)驗(yàn)研究,將ECAH模型疊加復(fù)散射效應(yīng)1超聲衰減譜法測(cè)量原理描述超聲波在高濃度漿料中的傳播,得出聲衰減計(jì)算方法,1.1EcAH模型與復(fù)散射模型結(jié)合最優(yōu)正則化算法進(jìn)行粒度分布的反演計(jì)算。實(shí)驗(yàn)研究中超聲衰減譜法是利用超聲波在通過含有顆粒使用一對(duì)中心頻率為5MHz的寬頻超聲換能器進(jìn)行了接觸的連續(xù)介質(zhì)時(shí)所引起的依賴頻率變化的衰減譜來式和非接觸式測(cè)量,發(fā)展了一種用于非接觸式測(cè)量的超聲信測(cè)量顆粒粒度。 Epstein, Carhart, Allegra和Haw基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S080,106100上海市等人1314通過對(duì)聲衰減機(jī)制的理論研究建立了聲科委國(guó)際合作項(xiàng)目(09520709400)衰減理論模型中國(guó)煤化工量高濃度水煤Project Supported by National Natral Science Foundation of China0836003, 51076106): Shanghai International Cooperation Program漿時(shí),由于CNMHG通過水煤漿時(shí)(09520709400必然會(huì)產(chǎn)生復(fù)散射效應(yīng),因此在應(yīng)用ECAH模型中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第31卷時(shí)需考慮復(fù)散射效應(yīng)的修正。均有關(guān),隨著顆粒濃度的增加,中項(xiàng)會(huì)明顯增加。ECAH模型中的顆粒群聲衰減系數(shù)與顆粒數(shù)目但與此同時(shí),由于更高階的A項(xiàng)互相乘積或者自濃度成正比,即單個(gè)顆粒的聲衰減與單位體積內(nèi)顆身平方數(shù)值非常小,因此復(fù)散射的影響很大程度上粒數(shù)目的乘積即為顆粒群聲衰減系數(shù):依賴于顆粒與連續(xù)相間的物性參數(shù)差異,它與波C.=2kRP∑((2n+1)A(1)動(dòng)、顆粒以及連續(xù)相的作用是密切相關(guān)的。12反演計(jì)算式中:a為顆粒群聲衰減系數(shù);小為顆粒群體積濃粒度分布結(jié)果需要通過反演計(jì)算得到,其基本度;k為波數(shù):R為顆粒半徑;A為n階散射系數(shù)思想是采用理論模型預(yù)測(cè)出依賴于聲頻率和顆粒矩陣。如果進(jìn)一步考慮到液相本身的吸收,可以給粒徑變化的超聲衰減譜,并將其與實(shí)驗(yàn)中的實(shí)測(cè)超出聲波通過液固兩相介質(zhì)時(shí)總的聲衰減系數(shù)為聲衰減譜進(jìn)行比較。例如,定義二者誤差的平方和ar=a,+(1-9)aa( the sum of the square of the difference SSD)2式中:ar為總聲衰減系數(shù);a為液相聲衰減系數(shù)。es=∑[a1()-af按照 P.C. Waterman等人對(duì)隨機(jī)介質(zhì)中的波動(dòng)理式中:下角標(biāo)T和E分別代表理論值和實(shí)測(cè)值;f論研究,考慮前向散射場(chǎng)的波動(dòng)散射,可得顆粒兩表示不同的頻率。顯然該值越小,則表明實(shí)際的顆相介質(zhì)的復(fù)波數(shù)表達(dá)式(該式同樣可由Lody的波粒系與理論值越吻合?？梢圆捎没谧钚《俗顑?yōu)動(dòng)理論推導(dǎo)得出)化方法來處理這一問題k2之(2n+1)4實(shí)際測(cè)量中均采用多頻率測(cè)量,因此可將公式(6進(jìn)一步離散化,改寫為矩陣形式式中k即為復(fù)波數(shù),根據(jù)其定義:AF=x=@/c@)+ja,o)(4)式中;A為系數(shù)矩陣(其中任意元素通過假設(shè)的粒度式中c3表示兩相介質(zhì)中的聲速。分布和濃度由模型計(jì)算)F為離散化的顆粒尺寸頻考慮高濃度時(shí)顆粒間相互散射的復(fù)散射效應(yīng),度分布,是待求值:G為實(shí)際測(cè)量所得到的不同頻可得率下的超聲衰減系數(shù)構(gòu)成的向量。式(8是高度病態(tài)方程組,條件數(shù)很高,不能按=n+2xBO)2_2B(?()矩陣求逆直接求解,因此實(shí)際反演中需要結(jié)合最優(yōu)k2式中:B(O)和B(π)為前向和后向散射振幅正則化反演算法( optimum regularization technique,n=344R3是指單位體積內(nèi)的散射顆粒數(shù)。將上式ORT)進(jìn)行求解同時(shí)考慮到復(fù)散射條件下濃度對(duì)進(jìn)行一系列的推導(dǎo)和論證,可得到各階散射系數(shù)聲衰減的復(fù)雜影響,因此本文均通過事先配置的方An為簡(jiǎn)便起見此處僅給出考慮了零階和一階散射式確定樣品濃度,之后由式()求解顆粒尺寸分布。系數(shù)(即Ao和A1)的表達(dá)式:2實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理(4+3A1+5A2)2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備jk r實(shí)驗(yàn)樣品是原始質(zhì)量濃度為65%的水煤漿。為27kF(4+544)使超聲理論和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果盡可能一致,實(shí)驗(yàn)樣品應(yīng)均勻分散且不含氣泡(氣泡會(huì)造成額外的聲衰54(A2+12+342+n4)(減)在進(jìn)行接觸式測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避免氣泡附著在換kR能器表面。實(shí)驗(yàn)中加純水配置了質(zhì)量濃度分別為式(6)等號(hào)右端第1行為單散射項(xiàng),第2行為65%原漿)、60%、55%、50%45%40%、35%Waterman和 Truell給出的復(fù)散射修正,第3行為的樣品。中國(guó)煤化工Lloyd Berry給出的復(fù)散射額外修正。22實(shí)驗(yàn)CNMHG由式(6可見,聲衰減與顆粒系中的粒度和濃度實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)見圖1,主要包括:水浸式寬頻呼劍等:超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究直探頭一對(duì)( Panametrics-NDT,中心標(biāo)稱頻率5MHz)、脈沖超聲發(fā)射接收儀( Panametrics800R,最高超聲激勵(lì)頻率40MHz)、雙通道高速8位AD卡(N公司PCI-5114型,最高采樣率為250Ms,單通道存儲(chǔ)容量為8MB)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。測(cè)量區(qū)超聲探頭圖3FFT變換得到的超聲頻譜計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集射接收儀Fig 3 Ultrasonic frequency spectrum obtained y FFTinconcentrations圖1測(cè)量系統(tǒng)示意圖在通過水煤漿后,高頻信號(hào)成分被嚴(yán)重衰減。另外,Fig 1 Sketch map of the measurement system從圖中可以看出,隨著頻率的升高,不同頻率超聲23測(cè)量方法信號(hào)的衰減也明顯增加,而在低于2MH的范圍內(nèi),23.1信號(hào)獲得超聲信號(hào)無法很好分辨,因此在進(jìn)行衰減譜測(cè)量時(shí)聲衰減系數(shù)的測(cè)量需通過比較法獲得。將窄脈使用的有效超聲衰減譜起始頻率為1.953MH沖超聲時(shí)域信號(hào)做快速傅里葉變換( fast fourier按照公式(9)計(jì)算得到不同濃度下的超聲衰減transfom,FT獲得寬頻域內(nèi)的超聲頻域信號(hào)。再譜(見圖4近似呈線性變化由下式計(jì)算得到超聲衰減系數(shù):In(A,/A,L式中:A為不同濃度時(shí)接收到的聲波頻率幅值;A為參考樣品(水)的聲波頻率幅值;a對(duì)實(shí)驗(yàn)中多個(gè)頻率下的超聲信號(hào)幅值做線性回歸獲得,從而得到1.52.030354.0超聲衰減譜分別進(jìn)行了接觸式和非接觸式測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在接圖4不同濃度下的實(shí)測(cè)水煤漿超聲衰減譜觸式測(cè)量中超聲換能器表面直接與水煤漿接觸,在Fig 4 Measured ultrasonic attenuation spectrum in非接觸式測(cè)量中超聲換能器安裝在水煤漿管道外,different concentrations不與水煤漿直接接觸。233非接觸式測(cè)量23,2接觸式測(cè)量圖5是非接觸式測(cè)量段的剖面示意圖,非接圖2所示是接觸式測(cè)量質(zhì)量濃度為35%的水煤觸式測(cè)量段的中部是一段外徑為2500mm的完整漿超聲時(shí)域信號(hào),圖3是經(jīng)FFT變換后得到的頻有機(jī)玻璃圓管,設(shè)計(jì)了一段阻抗匹配套套裝在有譜信號(hào),從圖中可見透射信號(hào)中心頻率在2MHz附機(jī)玻璃圓管上,超聲換能器插入到阻抗匹配套中,近,而換能器發(fā)射中心頻率為MHz,這說明超聲在換能器傳播路徑上的所有連接處都使用丙醇進(jìn)行聲耦合。利用非接觸式方法測(cè)量質(zhì)量濃度為35%的水煤漿得到如圖6所示的超聲信號(hào)。由圖中可以看出信號(hào)非常雜亂,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)消除干擾信號(hào)并獲得有效超聲信號(hào)是本研究的重點(diǎn)將非接觸式測(cè)得的超聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換108001090011000數(shù)據(jù)點(diǎn)得到各個(gè)濃度下的超聲波頻譜(見圖7)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),與V凵中國(guó)煤化工接觸式測(cè)量的圖2接觸式測(cè)得的超聲信號(hào)CNMHG在一些極大值Fig 2 Ultrasonic signal measured信號(hào)不隨頻和極小值。在某些頻率,透射信號(hào)很強(qiáng)且明顯隨濃中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第31卷式中:下角標(biāo)c表示匹配層 couple);下角標(biāo)b表示阻抗層(bock);下角標(biāo)p表示管壁pipe)下角標(biāo)s表示漿料sumy);△a表示其他形式的微小衰減量實(shí)際需要求得的就是a中即在某個(gè)頻率下隨漿料濃度變化的衰減系數(shù)。因此公式(10可改寫成a, =a+a圖5非接觸式測(cè)量段剖面圖FIg 5 Profile of non-destruct其中a'就是其他形式衰減之和,此值只與非接觸式ting NDt)measurement section測(cè)量段結(jié)構(gòu)有關(guān),在實(shí)際測(cè)量中可以通過測(cè)量參考樣品(水來獲得該值,然后通過比較法消去根據(jù)式(9)可以得到實(shí)測(cè)超聲信號(hào)的衰減譜,但是非接觸式測(cè)量結(jié)果若直接以譜的形式給出則無法正確表示超聲衰減,這是由于某些頻率下的信號(hào)幅值非常小,會(huì)產(chǎn)生很大誤差。為獲得有效的超聲衰減譜,提出了一種新的非接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)處理方590060006100620063006400數(shù)據(jù)點(diǎn)法一“基于超聲衰減系數(shù)的指數(shù)擬合衰減譜”。圖是略去信號(hào)幅值非常小頻率點(diǎn)信號(hào)后其他頻率的圖6非接觸式測(cè)得的超聲時(shí)域信號(hào)超聲衰減系數(shù)。由圖可見,衰減系數(shù)大致呈指數(shù)Fig 6 Measured Ultrasonie signal by NDt變化。80f/MHz圖7不同濃度下非接觸式超聲信號(hào)的FFT變換結(jié)果圖8不同濃度下水煤漿實(shí)測(cè)超聲衰減系數(shù)Fig 7 Ultrasonic frequency spectrum converted by FFTFig8 Measured ultrasonic attenuation coefficients ofin different concentrationsater coal slurries in different concentra度發(fā)生變化,而在另一些頻率,透射信號(hào)強(qiáng)度幾乎與濃度無關(guān)。將實(shí)測(cè)衰減點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)歸一化處理,得到各個(gè)濃度下超聲衰減譜的指數(shù)趨勢(shì)線(見圖9)。與圖4觀察圖5可知,當(dāng)發(fā)射換能器發(fā)射出一列脈沖的接觸式測(cè)量信號(hào)比較可見二者比較相近,在頻率超聲波時(shí),超聲會(huì)通過阻抗層、管壁、漿料、管壁、阻抗層,然后到達(dá)接收換能器在這一傳播過程中低于2MHz的范圍內(nèi)超聲信號(hào)不隨水煤漿濃度變換能器與阻抗層間的耦合、阻抗層與管壁的耦合、化而變化,在頻率高于2MHz后,衰減越來越明顯。環(huán)狀阻抗塊(與管壁接觸的表面)和圓形管壁對(duì)超聲24實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論的散射作用、以及朗姆波(在管壁中傳播的超聲241接觸式測(cè)量結(jié)果波等都會(huì)干擾信號(hào)。利用ECAH模型,考慮到復(fù)散射效應(yīng)影響,結(jié)非接觸測(cè)量中總超聲衰減系數(shù)a可分解成各合最優(yōu)正則化算法,將實(shí)測(cè)超聲衰減譜進(jìn)行反演計(jì)個(gè)超聲衰減系數(shù)之和算,得到了各個(gè)濃度下的水煤漿顆粒粒度分布(見圖10)。從圖中國(guó)煤化工布在515ma,=acl +abl +ac2 +apI +as,+之間,且各CNMHG咬接近,只有12+aa+a2+a4+△a(10)質(zhì)量濃度60%的水煤漿粒度分布較寬在5-20m增刊呼劍等:超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究一55/MHz圖12水煤漿顆粒的光學(xué)顯微鏡照片(100倍)圖9基于超聲衰減系數(shù)的擬合衰減譜Fig 12 Photograph of water-coal particles shot by LMig. 9 Fitting UAS based on ultrasonic attenuation邊長(zhǎng)為58615μm。顆粒的粒度大約在3-25μm之coefficients間,此結(jié)果與超聲法測(cè)得結(jié)果相近。100圖12是光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果與接觸法和非接觸法測(cè)量結(jié)果的匯總。最60表1超聲法和光學(xué)顯微鏡的測(cè)量結(jié)果比較Tab. 1 Measuring results comparison between20ultrasonic and light microscope(Lm)1030質(zhì)量方法D顆粒粒度m分?jǐn)?shù)%圖10接觸式測(cè)得的顆粒粒度累積曲線356.069.6913.7311.5912.19Fig. 10 PSD curve measured by destructive method4052584812.12103211.022.42非接觸式測(cè)量結(jié)果455.258.881292109211.63將非接觸式測(cè)量測(cè)得的擬合超聲衰減譜進(jìn)行405.2584812.1210.3211.02接觸式超聲反演計(jì)算,得到了如圖11所示測(cè)量結(jié)果,其中質(zhì)05.6588813.3311.111.82量濃度65%原漿的測(cè)量結(jié)果偏大。分析其原因應(yīng)該5560610.114.14120812.826068611.71169714.231504是透射信號(hào)造成的衰減譜測(cè)量偏差。6556592913731164124960610.1013.7311.5912.19453.6368611.719951084非接觸式3637.67129210112.06魯45%超聲5564610.101454124013.1665133161618581670169120與光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),超聲法測(cè)得10的粒度分布較窄,其原因可能是水煤漿顆粒的非球形幾何特征和測(cè)量狀態(tài)的不同(在超聲測(cè)量是以均圖11非接觸式測(cè)得的顆粒粒度累積曲線勻懸浮的形式,而在光學(xué)顯微鏡中則是以重心最低比較圖10和圖11可知在大部分濃度下二者的的平躺狀態(tài)觀測(cè)顆粒二維特征,同時(shí)超聲法反演過Fig 11 PSD curve measured by NDT程中為增加病態(tài)方程的求解穩(wěn)定性,約束因子的增測(cè)量結(jié)果吻合較好。這意味著完全可以用非接觸測(cè)大減小了得到的粒度分布范圍。量方法在線測(cè)量水煤漿的粒度。由于在接觸式測(cè)量中換能器直接與流動(dòng)的水煤漿接觸很容易損壞,無3結(jié)論法應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。而非接觸測(cè)量中超聲換能器不本實(shí)驗(yàn)研究中,使用一對(duì)中心頻率為SMHz的與水煤漿接觸,不易損壞,可以用于生產(chǎn)實(shí)際中。寬帶超聲換能器進(jìn)行超聲波的發(fā)射接收,對(duì)多個(gè)濃24.3超聲法與光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果對(duì)比度下的水煤中國(guó)煤化工考慮了復(fù)散射圖12是利用光學(xué)顯微鏡拍攝得到的水煤漿顆效應(yīng)修正的HCNMH〔減過程進(jìn)行描粒圖像,放大倍數(shù)為100倍,圖中每個(gè)方格的相對(duì)述,并結(jié)合最優(yōu)正則化算法得到了比較可信的測(cè)量186中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第31卷結(jié)果。從該研究得到如下結(jié)論。[9]蔡小舒,蘇明旭,沈建琪,等.顆粒粒度測(cè)量技術(shù)及應(yīng)1)鑒于非接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)的信噪比較小,提用M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:171-215出的“基于衰減系數(shù)的指數(shù)擬合衰減譜”數(shù)據(jù)處理Cai Xiaoshu, Su Mingxu, Shen Jiangqi, et alMeasurement techniques for particle size and applications方法在對(duì)高濃度水煤漿的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中可以獲得較4. Beijing: Chemical Industry Press, 2010: 171-215(in好的測(cè)量結(jié)果,并與接觸式測(cè)量結(jié)果吻合。但在質(zhì)Chinese)量濃度大于55%以后非接觸式測(cè)量結(jié)果誤差增大。[0 Wang X Z, Liu Lande,RuFL,etal. Online2)接觸式和非接觸式超聲測(cè)量水煤漿的結(jié)果characterisation of nanoparticle suspensions using與光學(xué)顯微鏡粒度圖像分析儀的測(cè)量結(jié)果基本一dynamic light scattering, ultrasound spectroscopy andphy[J]. Chemical Engineering Research致,但超聲法測(cè)得的粒度分布略窄and Design,2009(87):874884.3)非接觸式超聲測(cè)量高濃度水煤漿是可行的。[] Hu Jian, Su Mingxu, Cai xiaoshu,etal. a broad該方法可以簡(jiǎn)化在線測(cè)量裝置和減少被測(cè)對(duì)象對(duì)frequency ultrasonic attenuation spectrum investigation超聲探頭的損害。method for ultrasonic process tomography[C)/6th WorldCongress on Processing Tomograph, Beijing, 2010參考文獻(xiàn)[12]呼劍,蘇明旭,蔡小舒,等.高頻寬帶超聲衰減譜表征納米顆粒的方法[化工學(xué)報(bào),2010,61(11):2985-2991.[]薛明華,蘇明旭,蔡小舒.超聲波多次回波反射法測(cè)量Hu Jian, Su Mingxu, Cai Xiaoshu, et al. High-frequency兩相流密度實(shí)驗(yàn)研究[叮工程熱物理學(xué)報(bào),2008,298):ultrasonic attenuation spectrum method for measuring1343-1346.nanoparticle size distribution]. CIESC Joumal, 2010Xue Minghua, Su Mingxu, Cai Xiaoshu. The experimental61(11):2985-2991( in Chinesestudy on measurement of density of two phase flow win [13] Epstein P S, Carhart RR. The absorption of sound inultrasonic multiple echo reflection method[J]. Jourmal offog in air[J]. JournalEngineering Thermophysics, 2008, 29(8): 1343-1346(inof the Acoustical Society of America, 1953(25): 553-565Chinese)[14] Allegra J R, Hawley S A. Attenuation of sound in[2] Norbert Herrmann, David J McClements. Ultrasonicsuspensions and emulsions theory and experimentspropagation in highly concentrated oil-in-water emulsions[]. Joumal of the Acoustical Society of AmericaLangmuir,199915):7937-79391972(51):1545-1564.[3] He Guichun, Mao Yiping, Ni Wen. A new fra[15] Waterman P C. Truell R. 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