摘要

南科十四廠六期儀表 攝影/洪湘寧
Facility General Meter Setup and Application

廠務常用儀表安裝與選用

關鍵詞/ 廠務儀表、儀表安裝、溫度感測器、壓力感測器、流量感測器
Keywords / Facility Instruement,Instruement Setup,Temperature Sensor,Pressure Sensor,Flow Sensor

製程儀控系統在工廠扮演著神經中樞與控制中心的地位,其中儀表擔負著各製程系統的眼睛,即時反應線上系統重要參數與品質數據,同時也肩負工廠系統安全與人員保護的重要任務。本文主旨在介紹廠內常用儀表,介紹溫度、壓力、液位與流量計等,統計歷年儀表異常故障原因分析,說明環境管理與標準施工法對於儀表穩定的重要性,列整各類儀表選用因素與安裝注意事項,再藉由工廠內實際案例分享,作為儀表工程師在製程儀表規劃與保養維護的參考。

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前言

隨著技術的演進,製程系統之複雜度與穩定性要求越來越高,需監視品質之控制點數目也越來越多, 圖一說明廠內控制系統常用監視儀表分析,主要包括溫度、壓力、液位與流量計等,本文後續將針對四類常用儀表,逐一進行分析與說明。

圖一、常用儀表比例

儀表形式與沿革

圖二為儀表之演進,從早期機械式指針儀表,以機械元件將壓力轉換為位移量以指針顯示,後續隨著電子技術進步並配合廠內監控系統的需求,採用類比式電子儀表將信號回傳控制系統,近年來應用Hart與FF(FOUNDATION fieldbus)等工業通訊協定的儀表,已逐步將類比電子儀表提升為智慧型電子傳送儀表,儼然成為目前儀控系統應用主力。隨著新一代無線傳輸技術(Wireless)發展,具備無線傳輸功能儀表問世,可大幅節省配線之施工人力成本與時間。廠內儀表目前仍使用機械式儀表做為現場巡檢與監控儀表比對使用,無線傳輸儀表則因無線通訊干擾疑慮直接影響製程控制生產,暫無導入廠內使用計畫,控制系統監控使用仍以智慧型電子傳送儀表為主。

圖二、儀表型式與沿革

圖三說明電子傳送器儀表之架構,主要由感應模組與傳送器模組組成。感應模組係利用感應元件偵測已知之製程變數,調變並輸出相對應之電子信號,例如電阻、微電壓、電容式感應…等;傳送器模組係將感應元件之輸出轉變成標準輸出信號,如4-20 mA、1-5 V dc或數位信號,一般儀表設定重要參數,如量測範圍、物理單位、工作特性曲線、調整校正,在傳送器模組中均可透過規劃器調整。

圖三、電子傳送器式儀表元件組成

案例分析-儀表干擾與選用安裝重要性

表一列整工廠內常見儀表安裝不佳案例分析,異常產生原因均為未依標準工法,如 圖四說明十四廠近年來儀器異常統計,同樣以未依標準工法施作造成所占之異常比最高。分析未依標準工法施作異常主因係以接地因素佔65%為大宗,這意味著,應落實標準工法的執行,其次是安裝與選用不佳也佔24%,強調儀表安裝與選用之正確性也是維護系統穩定的重要因素之一。

圖四、十四廠儀表異常事件分析統計

表一、常見儀表安裝與選用不佳案例

案例

問題

Case

處理改善說明

1

未依標準工法施作

WWT流量計干擾

儀器無抗干擾配置,應加裝接地環(Ground ring)

2

感測器選用錯誤

UPW流量讀值異常

感測器不同,比對校正測量結果誤差不同,應使用#301MHZ標準探頭

3

本體安裝配置不佳

PCW TT 感測器無法抽出,校正維護時困難

配置時應預留維修更換空間

4

儀表位置不佳

無塵室溫濕度計讀值不穩

實驗量測Sensor需置於FFU下方,且距離FFU邊緣約1/3邊長處

5

傳送器選用錯誤

AAS洗滌器(Scrubber)液位計讀值異常

傳送器與sesnor設備scale要相對應,避免讀值異常

6

線槽(Cable tray)與盤體接地線未搭接

RCW VFD控制訊號干擾,無法控速

利用電表量測確認線槽(Cable tray)接地搭接確實

7

訊號屏蔽(Shield)接地於TCV現場

TCV熱交換器溫控異常

改由DCS端儀表接地

8

隔離線雙邊接地造成環路電流

MAU VFD啟機,造成溫控不穩

改回單端接地,由DCS端儀表接地

9

訊號線接地接觸不良

AAS PDT訊號擾動(hunter),HART抓不到

接地線端子重新壓接後正常

10

儀表接地點未獨立

MAU VFD啟機,造成溫控不穩

AC/DC接地迴路分開後正常

常用儀表選用介紹

溫度計選用與安裝

一般溫度量測最普遍的方式為電阻式溫度量測RTD (Resistance Temperature Detector),係利用金屬溫度變化產生電阻值的變化當作感測器,業界最常用RTD材質為白金,在0°C時阻值為100Ohms,所以俗稱Pt100,RTD結線可分為兩線到四線三種型式,兩線式因無法補償線路電阻的誤差而極少使用;四線式可以補償連接線路電阻影響,為廠內最常用形式。

另一種常用溫度感測元件為熱電偶式,利用兩相異金屬在「熱」接面相結合,測量溫度所產生電位差,冷熱接面之間的溫度差與電壓差成正比,故熱電偶式之延伸導線必須選用與導線相同材質,否則會造成大誤差,原理說明如 圖五。兩者相較起來,RTD信號較不受雜訊影響,在一般環境下皆可使用RTD sensor。熱電偶主要應用於高溫(600度以上),如廠內VOC (Volatile Organic Compounds)系統燃燒室所需工作溫度點高達720度,需特別選用K-type熱電偶, 表二歸納與比較溫度量測範圍感測器之選用建議。

圖五、RTD 溫度與熱電偶感測原理

表二、溫度量測範圍感測器選用

量測範圍

建議

廠內應用

-200至500°C

RTD

全廠適用

< 1100°C

熱電偶式

Type K

VOC

>1100°C

特殊熱電偶式

R, S或B

NA

另一方面,在一般避免儀表受製程流體、壓力、震動,與腐蝕等影響,應用面係加裝測溫套(Well)用以保護儀表同樣增加維修與更換便利性,但缺點是反應時間會變慢(約五倍)。一般進行設計分析,所需資訊包含流速或流量、製程壓力、溫度、流體密度、黏度與製程管線尺寸等項目以作為測溫套選用因素,以決定測溫套型式、材質與尺寸(長度/材質)是否與製程需求相互匹配,如 圖六與 表三所示。

圖六、測溫套安裝形式與選用特性

圖七、溫度傳送器安裝注意事項

表三、溫度計選用

選用項目

說明

範例說明/廠內應用

量測範圍(Sensor Range)

溫度探棒可量測最大範圍

RTD : Pt 100 (-200 ~ 850'C) , Pt 1000 (-200~300'C)

Thermocouples : K type (-180 ~ 1372'C) , R type(0~1768'C)

探棒長度(Sensor length)

溫度探棒長度

 

量程比(Turndown rate)

1. 有效量測範圍、定義區間內10%~90%為工作區

2. 量程比大:量測範圍小,解析度高

ex : Pt 100量測範圍為-200~850 'C ,

量程比為1:10,則有效量測區間為105'C

校正最小量程範圍 (min. Span)

線性校正零點(Zero)/工作點(Span)之最小跨距

ex : min. Span : 10'C

則定義線性校正 Zero~Span最小區間為10'C

解析度 (Digital Accuracy)

1. 物理量解析之最小單位

2. 為校正最小量程範圍的百分比

ex : min. Span : 10'C

解析度為:10'C *±0.15% = 0.015'C

誤差 (D/A accuracy)

1. 物理量與實際差值(常數項)

2. Zero/Span工作區間之百分比

ex : Zero~Span : 0~50'C

誤差定義:±0.03% of span,則±0.015'C

探棒類型(Sensor type)

可接受RTD或Thermocouple trpe sensor

一般環境:RTD

VOC : Thermocouple

通訊 (Available Outputs)

傳送器可接受標準工業通訊規範

tsmc : HART、FOUNDATION fieldbus (FF)

others : Wireless、PC-Programmable

認證 (Licence)

依製程或現場環境需求,需要特殊安規或認證

防爆、防水、防火

IEC(美國:電器法規)

IEC 61508 : 電氣/電子/可程式電子功能安全標準

顯示器 (LCD Display)

儀表本體是否可於現場觀看溫度數值

 

分離型配置或整合型備置
(Display Integral & Remote type)

傳送器本體與探棒之配置

 

測溫套(Well)

避免感測器受製程流體、壓力、震動,與腐蝕影響的裝置

 

多點偵測(Sensor Inputs)

傳送器支援多點輸入/多點輸出(Multi Dropped)

ex1: 兩只探棒量測不同溫度量程區間

ex2: 環境接收4只探棒,投過單一傳送器,輸出4channel給控制系統

壓力計選用與安裝

壓力量測技術大致分為電容式與壓電式兩類。電容式係利用平行電容板,在隔離膜片受壓力而變形同時,膜片與底板電極間間隙改變而造成電容變化,藉由電容的變化來感測壓力之大小;壓電式係利用壓電晶體種被施加壓力同時,感應產生電壓變化之特性。 圖八說明電容式與壓電式感應原,機械式壓力儀表所選用考量之因素,如量測範圍、物理單位、工作特性曲線、調整校正…等,均在電子壓力傳送器模組可透過規劃器而設定修改,故在感應模組選用部分,一般只需考量介質、管壓與精度,實際可依 表四選用項目,遴選出適當模組並搭配製程系統所需之壓力表。

圖八、壓力計量測原理

表四、壓力計選用

選用因素

說明

範例說明/廠內應用

量程比 (Rangeability)

1.有效量測範圍、定義區間內10%~85%為工作區

2.量程比大:量測範圍小 ,解析度高

 

校正最小量程範圍 (min. Span)

1.線性校正零點(Zero)/工作點(Span)之最小跨距

 

誤差 (Reference Accuracy)

1.物理量與實際差值(常數項)

2.Zero/Span工作區間之百分比

ex : Zero~Span : 0~2000 psi

誤差定義:0.04% of span,為0.8psi

解析度 (Total Performance)

1.物理量解析之最小單位

2.Zero/Span工作區間之百分比

ex : Zero~Span : 0~2000 psi

解析度為:0.113% of span,為2.26psi

耐久度誤差 (Installed Stability)

持續多少時間在壓力上限下所產生的誤差

0.125% / 5Y

最大量程範圍 (Max Working Pressure)

模組所能承受最大壓力範圍

ex : Roesmount 3051CD

Rng 0 : 750 psi (51,7 bar)

Rng 1 : 2000 psi (137,9 bar)

Rng 2-5 : 3626 psi (250 bar)

Rev 5 : 6092 psi (420 bar)

製程容許溫度 (Process Temperature)

儀表本體在環境容許溫度下,不會造成設讀值偏差

ex : Roesmount 3051CD : 149'C

表壓範圍 (Gage Pressure (GP) Pressure Range)

表頭顯示壓力上限

ex : Roesmount 3051CD : 0.3 -10,000 psi

壓差量程範圍(Differential Pressure Range)

膜片所能容許最大壓力差

ex : Roesmount 3051CD : 2,000 psi

膜片材質 (Diaphragm Material)

配合製程介質的不同,搭配特殊之膜片

合金鋼(Hastelloy C):高溫(>149C)

不鏽鋼(316 SST):一般

蒙耐合金 (Monel ):有抗酸

鐵弗龍(Tantalum):耐酸鹼

鍍金(Gold-plated):細微壓(10~50mbar)

通訊介面 (Communication Protocols)

傳送器可接受標準工業通訊規範

tsmc : HART、FOUNDATION fieldbus (FF)

others : Wireless、PC-Programmable

圖九說明氣體與液體壓力傳送器儀表與導壓管安裝配置注意事項。

圖九、氣體與液體壓力傳送器儀表與導壓管安裝注意事項

液位計選用與安裝

液位計主要係用於生產製程中液位或界面之檢測,用以達到容量管理、容量品質監控之目的,目前業界使用液位計種類繁多,大致在選用評估上,區分為接觸式與非接觸式兩種。一般接觸式係應用於回收水、自來水或非腐蝕性之液體量測,非接觸式則適用於腐蝕性液體與柴油等流體。 表五列整六類廠內常用液位計,並逐一介紹各液位計選用 表六與安裝注意事項 圖十

表五、廠內常用液位計種類與應用

類別

一般可量測高度

價位

誤差

(Accuracy)

說明

廠內應用

差壓式/靜壓式液位計

10M

(耐壓)

0.65%

利用設備不同高低液位所造成之壓力差來換算液位

WWT/UPW/Plumbing

冷卻水塔(cooling tower)

雷達波液位計

30M

0.1% ± 1mm

發射雷達波,計算發射後,遇到被測物後反射至接收之時間差,來計算液位高度

工業水池

發電機日用柴油桶槽

超音波液位計

30M

0.1% ± 1mm

發射超音波,計算發射後,遇到被測物後反射至接收之時間差,來計算液位高度

WWT/UPW/Chem

玻璃液位計(翻板式)

2~3M

(耐壓)

10mm

利用浮球內磁性元件,隨著液位高低,驅動磁簧開關翻轉旗片,達到現場液位的顯示

發電機日用柴油桶槽

浮球式液位計(類比式)

3M

(依浮球連

桿長度)

5%

利用磁性浮球隨著液位變化藉以改變管路磁簧開關與電阻之分壓電路,透過傳送器,控制訊號

AAS 洗滌塔桶槽
(scrubber tank)

發電機日用柴油桶槽

液位開關

NA

10mm~20mm

浮球偵測浮力有無,產生開與關的動作,作液位的控制或指示。

冷卻水塔

表六、靜壓式液位計選用

選用項目

說明

量程比(Rangeability)

有效量測範圍、定義區間內10%~85%為工作區

誤差(Reference Accuracy)

物理量與實際差值(常數項)

解析度(Total Performance)

物理量解析之最小單位

耐久度誤差(Installed Stability)

持續多少時間在壓力上限下所產生的誤差

最大量程範圍(Max Working Pressure)

模組所能承受最大壓力範圍

製程容許溫度(Process Temperature)

儀表本體在環境容許溫度下,不會造成設讀值偏差

表壓範圍(Display Max Pressure)

表頭顯示壓力上限

壓差量程範圍(Gage Pressure)

膜片所能容許最大壓力差

膜片材質(Diaphragm Material)

配合製程介質的不同,搭配特殊之膜片

圖十、差壓/ 靜壓式液位計安裝注意事項

超音波液位計選用應注意儀表偵測角度(Beam Angle),應避開障礙物或補充流,避免太靠近管壁,造成雷達波反射訊號錯誤,其中選用項目可查閱 表七,安裝注意事項如 圖十一所示。

表七、超音波/ 雷達波液位計選用

選用項目

說明

量測範圍

(Measuring Range)

量測液位高度

發射角度

(Beam Angle)

感測器發射角度,不得有障礙物干涉

最大製程溫度

(Max Process Temp)

可容許最大製程溫度

最大製程壓力

(Max Process Press)

可容許最大製程壓力

圖十一、雷達波/ 超音波液位計安裝注意事項

浮球式液位計之選用,應注意安裝位置,須遠離水位不穩定區域如進水口,若安裝於攪拌區域,可裝置防波管或防波擋板,此外法蘭連接管管徑必須大於浮球直徑, 圖十二說明安裝注意事項,選用注意項目可查閱 表八

圖十二、浮球式液位計安裝注意事項

表八、浮球式液位計選用說明

選用項目

說明

液體性質(Environment material)

搭配適合皆液位材質 Ex PP, PVC, PVDF …

液體比重(Density)

適用最小比重(ex : >0.5)

靈敏度

(Sensitivity )

最小感測範圍(ex : 10mm)

銜接介面

(Flange Type)

法蘭面type

最大製程溫度

(Max Process Temp)

可容許最大製程溫度

最大製程壓力

(Max Process Press)

可容許最大製程壓力

流量計選用與安裝

流量量測係應用於系統製程安全性(溫度或壓力是否達到危險上限)、計價精確度(廢水放流量)、製程品質(供應壓力溫度穩定性)、製程變數控制(熱交換率), 表九彙整介紹廠內常用流量計類型並比較誤差與應用。

表九、廠內常用流量計介紹與應用

類別

誤差

價位

壓損

量測建議尺寸

原理說明

廠內應用

差壓式(流孔板)(Orifice)

0.65%

1/2"~16"

依據差壓的位移量轉換為4-20mA

CDA

差壓式(皮託管)(Pitot tube)

0.65%

1/2"~24"

同上

AAS

電磁(Magnet)流量計

0.25%

非常小

1/16"~12"

在量測管內,安裝一對電極,外側一激磁線圈,使其產生磁場,當流體移動經過磁場時會產生感應電壓,最後再轉換形成電流信號。

AAS

渦流流量計

0.10%

(比流孔板

還小)

1/2"~12"

流體經過一阻礙物,導致渦流散出時有會以振動方式散開,在主體內感測渦流壓力轉換為電流訊號

瓦斯減壓站

超音波流量計(密閉式)

2%

12"以上

使用聲波偵測流體的流量:利用時間差或頻率差(督卜勒法),來計算流量

UPW/WWT/PCW

超音波流(液)量計(開放式)

2%~5%

無上限

利用派波方式發射一高頻率信號(超音波),碰到物體表面反射回來所需時間差換算液位

WWT

差壓式(流孔板)與(皮託管)

係利用管線中之阻流器(流孔板)造成差壓,用以計算流量,流孔板式構造簡單製作成本低,但壓損相較大,如 圖十三所示。,大流量會導致流孔板變形,故不適於16吋以上管路;皮託管式較適合24吋大型管路,另外需注意介質比熱(影響耐壓能力),因壓損部分較流孔板小,一般常應用於氣體量測。選用說明可參閱 表十

圖十三、差壓式流量計(流孔板)與(皮託管)原理說明

表十、差壓式(流孔板)與(皮託管)流量計選用說明

選用項目

說明

誤差(Accuracy)

0.65% of span

管路大小(Line Size)

製成管路尺寸,一般適用:1/2"~16"

連接面(Concentric)

國際標準所定義之法藍連接面

(RF(常用)、RTJ、FF、RJ)

流體性質(Mring Material Fluid State)

1.有氣體,液體,蒸氣

2.注意流體是否變態(氣體->液體)

最大流量

(Max. Flow Rate)

1.儀表可容許範圍

2.最大流量可反推工作流量區間(10%~85%)

操作壓力

(Opr. Pressure)

操作壓力需在流量計穩定操作區間

(10%~85%)

Beta(d/D)

流孔板口徑與管徑比,影響到誤差與壓損

皮託管厚(Plate Thickness)

影響耐壓能力

管厚(Sch.)

影響流孔板安裝位置(正中心)

壓損(Calculated perm.Loss)

影響流孔板型式與開孔大小

製成差壓範圍

(Diff.press range)

影響流孔板型式與開孔大小

操作流量

(Opr. Flow Rate)

確認是否在穩定操作區間

操作溫度(Opr. Temp)

確認流體是否會達變態點

操作黏度(Opr. Viscosity)

確認比重→壓力→操作壓力

感測器法蘭型式

(Flange Type)

感測器法蘭面耐壓能力(150 磅(一般))

管路法蘭型式

(Flange Rating)

製成管路法蘭等級(ex : 300(磅)RF(type))

螺絲(Bore)

螺絲孔徑 (一般 : 1/2")

儀表本體(Material)

鋁製(一般)、不鏽鋼

認證

ISA(國際標準協會),ANSI(美國國家標準協會)

電磁流量計

係應用法拉第定律,當導體移動經過磁場時產生感應電壓,用以計算流體速度,液體必須具備導電性,不適用於氣體,較適用於漿狀與腐蝕性或具磨蝕性之液體,在安裝時須注意安裝方向與接地環連接,如 圖十四與 表十一

圖十四、電磁流量計(左) 與漩渦流量計(右) 感測原理說明

表十一、電磁/ 渦流流量計選用說明

選用項目

說明

誤差(Accuracy)

0.25% of span

管路大小(Line Size)

製成管路尺寸,一般適用: 1/16"~12"

最大流量範圍

(Max Flow Range)

影響工作流量區間

操作溫度

(Oper. Temp)

溫度→分子量→導電度(相關性 : 看物理特性)

操作壓力(Oper. Pres)

壓力→流速→電阻(阻力)→決定適用性

介質導電度

(Conductivity min)

電導率:為0.1 mho/cm以上

感應電極

(Pole type)

針對不同腐蝕性液體選擇不同電極材料

漩渦流量計

流體通過障礙物時,分散產生小渦流(漩渦)並沿著障礙物兩邊斜面交替散出,藉由漩渦造成變動壓力(頻率),並透過感應器用以偵測流速,不適用於磨蝕性或污穢流體,壓損較皮託管小,如 圖十四與 表十一

電磁流量計安裝部分需注意安裝前後直管要求與儀表方向,為避免靜電干擾流量計也必須確實安裝接地環,如 圖十五所示。

圖十五、電磁流量計與漩渦流量計安裝注意事項

超音波流量計(密閉式)

係由儀表端發射超音波,利用發射與接收聲波信號之時間差用以計算流量,其中需留意量測管路必需維持滿管,否則會影響精確度(訊號強度變弱),另外在超音波發射與接收器選用部分,小管徑建議用夾管式(1/2"~6") 、大管徑建議用嵌入式(2"~300")。選用說明可參閱如 圖十六與 表十二

圖十六、密閉式超音波流量計感測器安裝方式與形式

表十二、超音波流量計(密閉式)選用說明

選用項目

說明

誤差(Accuracy)

0.25% of span

管路大小(Line Size)

無限制

管路參數

(Pipe parameter)

皆為設定參數:管俓,大小外徑,厚度,材質

真圓度

(Roundness Rating)

影響量測誤差

流體種類(Fluid)

流體種類-> 音波總類(傳導率)

最大工作溫度

(Max temp.)

傳感器最高承受260degC

測量範圍

(Sensor Range)

Sensor可測量範圍:0.3〜15米/秒

感測形式

(Sensor type)

Clamp-on 夾管式:容易安裝,精度(1~2%)

Wetted崁入式:精度高(0.25%)

超音波發射與接收器安裝建議避免安裝在管道高處(容易聚集氣泡)、介質不滿管與直接排空處,也應避免安裝於管路焊道上,安裝角度(水平管路)應控制在水平軸上下各45度角內,避免氣泡或沉澱物產生,如 圖十七所示。

圖十七、超音波流量計(密閉式)安裝注意事項

超音波流量計(開放式)

超音波量測原理與密閉式相同,利用發射到接收聲波信號之時間差來量測高度,換算體積計算求知流量,需注意儀表參數設定上須正確設定堰體型式尺寸,如 圖十八所示,選用說明可參閱 表十三

圖十八、超音波流量計(開放式)安裝注意事項

表十三、超音波流量計(開放式)選用說明

選用項目

說明

誤差(Accuracy)

0.1% of span

傳感器量測範圍

(Sensor range)

(0〜10米)

傳感器安裝高度

(Sensor position)

(0〜10米)

最小量距

(DeadBand)

需距離感應器

300mm以上

感測器發射角度

(Beam Angle)

(8度),須注意堰體寬度是否干涉

儀表安裝與接地工法介紹

如 圖十九說明廠內儀表安裝與接地工法注意事項,使用訊號線為隔離型對絞線(銅網覆蓋率大於75%),線徑需大於1.25mm2,訊號接地點應盡量避免位於儀表現場,並不得與AC電源/接地系統相接,維持儀表接地獨立性。

圖十九、儀表安裝與接地

結論

電子傳送器已大量應用於控制系統,一只儀表從選用、安裝上線到日後維護,每個細節皆馬虎不得,任何一儀表故障,可能會直接影響生產運作,本文彙整常用儀表選擇項目與原理,希望讀者便於參考選用,並提供安裝案例與檢查確認項目,希望能確保儀表上線後能維持精確穩定。然而本文所提到選用與安裝部分僅是儀表管理的一部分,如 圖二十所示,後續對於保養紀錄、病歷表與設備規格表等管理,也是重要的一環,唯有踏實不斷地要求維護品質與運轉累積經驗,才能維持系統穩定運轉。

圖二十、儀表系統穩定三要素

參考文獻

  1. 巨路國際股份有限公司,EMERSON儀表原廠手冊與教育訓練資料。
  2. 黃俊豪,F14P6 C/R TT/MT The Best Choice of Sensor Location,儀表安裝案例。
  3. 徐千又,Control System Grounding Strategy,電子傳送器儀表干擾分析與對策控制接地章節。

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