3.) Sensormessprinzipien - Fachhochschule Südwestfalen

 Elektronik

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Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse Automobile Elektrik / Elektronik Sensorik, Aktoren und Steuergeräte Veranstaltungsinhalte*  Veranstaltung 1,…
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Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse Automobile Elektrik / Elektronik Sensorik, Aktoren und Steuergeräte Veranstaltungsinhalte*  Veranstaltung 1, 01.10.2015: Einführung ; Wiederholung Elektrotechnik  Veranstaltung 2, 08.10.2015: Bordnetze, Generator und Starter  Veranstaltung 3, 15.10.2015: Netzarchitektur, Bussysteme und Mikroelektronik  Veranstaltung 4, 22.10.2015: Sensorik und Steuergeräte  Veranstaltung 5, 29.10.2015: Sensorik 2  Veranstaltung 6, 05.11.2015: Beleuchtung / Lichttechnik  Veranstaltung 7, 12.11.2015: Fahrerassistenzsysteme / MMI  Veranstaltung 8, 19.11.2015: Fahrerassistenzsysteme 2  Veranstaltung 9, 26.11.2015: Fahrerassistenzsysteme / Erprobung und Versuch  Veranstaltung 10, 03.12.2015: Umfeldüberwachung  Veranstaltung 11, 10.12.2015: Mediasysteme  Veranstaltung 12, 17.12.2015: Telematik  Veranstaltung 13, 07.01.2016: Informations- und Kommunikationssysteme  Veranstaltung 14, 14.01.2016: Autonomes Fahren  Veranstaltung 15, 21.01.2016: Workshop Fahrzeugvernetzung Dr. Karsten Müller Folie 2 (09/2015) V4 und V5 * Plan, Änderungen im Lauf der Veranstaltung möglich Lernziel  Die Studenten sollen in die Lage versetzt werden, das Fachwissen zu Sensoren und Aktoren erlangen  Verständnis der grundlegendenden Strukturen und Geräte zu festigen  Sie sind damit in der Lage diese Elemente in das Bordnetze einzuordnen, zu bewerten und auf die Automotiven Applikationen anzuwenden Dr. Karsten Müller Folie 3 (09/2015) V4 und V5 Inhalte der Vorlesung 4 1) Steuergeräte a) Erfordernisse b) Aufbau c) Microcontroller d) Programmierbare Logik, ASIC und FPGA 2) Sensorik a) Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren b) Hauptanforderungen, Trends c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren d) Übersicht und Auswahl der Sensortechnologien Dr. Karsten Müller Folie 4 (09/2015) V4 und V5 Inhalte der Vorlesung 4 3) Sensormessprinzipien a) Positionssensoren b) Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren c) Beschleunigungssensoren d) Drucksensoren e) Kraft- und Drehmomentsensoren f) Durchflussmesser g) Temperatursonden h) Opto-elektronische Sensoren i) Chemische Sensoren 4) Aktoren 5) Beispiele für Sensorausführungen a) Übung Dr. Karsten Müller Folie 5 (09/2015) V4 und V5 1.a) Steuergeräte Erfordernisse  So unterschiedlich die Anwendungen verschiedener Steuergeräte auch sind, der grundsätzliche Aufbau ähnelt sich doch sehr stark.  Inzwischen besitzt jedes Steuergerät einen Rechnerkern, wobei es allerdings erhebliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit gibt.  Im Weiteren besitzt ein diese auch Kommunikationsschnittstellen, z. B. CAN- Transceiver, zu anderen Steuergeräten und auch zu externen Geräten,  Aufgaben − Verarbeitung von Sensorsignalen und eine der Betriebssituation angepasste Betätigung von Stellgliedern (Aktoren)  Zu diesem Zweck sind Schnittstellenschaltungen in das Steuergerät integriert, die auf die jeweiligen Sensoren und Aktoren angepasst sind. Dr. Karsten Müller Folie 6 (09/2015) V4 und V5 1.b) Steuergeräte Aufbau Dr. Karsten Müller Folie 7 (09/2015) V4 und V5 1.b) Steuergeräte Aufbau Hauptkomponenten − Microcontroller − Kondensator für spezelle Anwendung (100 V) − Ansteuerung der Aktoren − Leistungstransistoren − zwei integrierte Mehrfach- Treiberbausteine CJ420 und CJ920 − Spannungsversorgung − Steckverbinder für Signale und Power Dr. Karsten Müller Folie 8 (09/2015) V4 und V5 1.c) Steuergeräte Microcontroller  Anstelle eines Universal-Mikroprozessors wie im PC ist in eingebetteten Systemen (engl. embedded Systems) ein spezieller Prozessor, Mikrocontroller genannt, vorhanden. Unter eingebetteten Systemen versteht man Rechner, die nicht als selbstständige Arbeitsplatzrechner auf einem Schreibtisch stehen, sondern Teil von Geräten und Systemen sind und dort, meist für den Anwender verborgen, Aufgaben der Mess-, Steuer- und Regeltechnik oder Überwachungsaufgaben übernehmen.,  Einem Mikrocontroller fehlen diverse Funktionen eines PC-Mikroprozessors (z. B. für Multimedia-Anwendungen), dafür verfügt er über zusätzliche Funktionseinheiten, die er für Steuerungs- oder Regelungsaufgaben benötigt, z. B. integrierteAnalog-Digital-Wandler und pulsweitenmodulierte Ausgänge DerMikrocontroller kann ergänzt werden durch einen zusätzlichen oder internen digitalen Signalprozessor (DSP), der für digitale Verarbeitung von Signalen optimiert ist. Dr. Karsten Müller Folie 9 (09/2015) V4 und V5 1.b) Steuergeräte Microcontroller Moderner 32-bit Controller mit Peripherie − CPU: Central Processing Unit, − DMA: Direct Memory Access, − DSP: Digital Signal Processor, − JTAG: Schnittstelle zum Testen und für andere Zwecke Dr. Karsten Müller Folie 10 (09/2015) V4 und V5 1.c) Steuergeräte Microcontroller (fahrzeugspezifische) Dr. Karsten Müller Folie 11 (09/2015) V4 und V5 1.d) Steuergeräte Programmierbare Logik, ASIC und FPGA  Nicht alle Funktionen eines Steuergerätes müssen notwendigerweise über Mikrocontroller und der darauf laufenden Software realisiert werden.  Vorteile sind vor allem dann zu erwarten, wenn die durchzuführenden Operationen eher einfach sind, diese aber mit einer Vielzahl gleichartigen Daten durchzuführen sind. Während ein Mikrocontroller dann unter hoher Taktrate viel Verlustleistung produziert, die aus Steuergeräten oft schwierig abzuführen ist, kann eine parallel strukturierte Digitalschaltung diese Aufgabe evtl. mit einem Bruchteil der Verlustleistung lösen.  Bei sehr zeitkritischen Anwendungen kann eine schaltungstechnische Realisierung ebenfalls einer Software-Lösung überlegen sein.  Deshalb ist Alternative zu einem Mikrocontroller ist eine digitale Schaltung, bei der die Funktion als Hardware realisiert ist. Dr. Karsten Müller Folie 12 (09/2015) V4 und V5 1.d) Steuergeräte Programmierbare Logik, ASIC und FPGA  Alternativen, umfangreiche Digitalschaltungen Platz sparend zu realisieren sind komplexe IC, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind, ASIC genannt (Application Specific Integrated Circuit, anwendungs- spezifische integrierte Schaltung). Der Benutzer kann in der Matrix aus Eingangsleitungen und den Und-Eingängen Verbindungen frei definieren, hier exemplarisch durch die kleinen Quadrate dargestellt. PLD, bei denen dies irreversibel geschieht, werden PAL genannt (Programmable Array Logic). Vergleichbare Bausteine existieren auch mit reversibler Programmierung (GAL). Dabei werden die Verbindungen intern in einer ähnlichen Technologie abgespeichert, wie in einem EEPROM. Dr. Karsten Müller Folie 13 (09/2015) V4 und V5 1.d) Steuergeräte Programmierbare Logik, ASIC und FPGA  Kombinationen mehrerer SPLD (Simple Programmable Logic Array) auf einem Chip werden als CPLD bezeichnet (Complex PLD) genannt.  Die höchste Flexibilität bieten FPGA (Field Programmable Gate Array), von einem führenden Hersteller auch treffender LCA (Logic Cell Array) genannt. Diese bestehen ähnlich einem CPLD aus einer Vielzahl vielseitiger Logikzellen, die ganz oder teilweise beliebig untereinander verbunden werden können.  Für den Entwickler stellt sich ein FPGA dar wie ein großer Vorrat von bis zu mehreren Millionen Gattern und einigen Zigtausend Flipflops, aus denen er mit Hilfe eines Schaltplans oder einer Beschreibung in Verilog oder VHDL auch hochgradig komplexe Automaten entwickeln kann.  Einige Hersteller integrieren auch unterschiedliche Spezialzellen in ein FPGA, z. B. ganze Mikrocontrollerkerne (womit wir dann teilweise wieder bei einer Ablaufsteuerung durch Software sind), Signalprozessoren, Kommunikationsschnittstellen oder sogar analoge Baugruppen wie Leistungstreiber, Verstärker oder Filter.. Dr. Karsten Müller Folie 14 (09/2015) V4 und V5 1.d) Steuergeräte Programmierbare Logik, ASIC und ASSP Dr. Karsten Müller Folie 15 (09/2015) V4 und V5 2.a) Sensorik Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren  Mit steigenden Anforderungen an alle Fahrzeugfunktionen wurden sukzessive die zunächst mechanisch realisierten Steuer- und Regelfunktionen durch elektronische Einheiten (ECU, electronically controlled unit) ersetzt. Daraus entstand zwangsläufig ein hoher Bedarf an Sensoren und Aktoren, mit denen diese elektronischen Steuereinheiten einerseits die relevanten Fahrzeugzustände erfassen und anderseits auch beeinflussen konnten.  Die Elektronik im Pkw kann nur funktionieren, wenn die Sensoren , physikalische Größen wie Temperatur, Drehzahl, Druck in elektrische Signale umwandeln und an das Steuergerät weitermelden.  Sensoren, je nach ihrem Einsatzort, sind im Auto oft extremen Bedingungen ausge- setzt sind , hängt von ihrer zuverlässigen Funktion der Erfolg der Motor‐Elektronik ab.  Alle elektronische Systemen im Auto arbeiten nach dem Prinzip − Eingabe ( Sensoren), − Verarbeitung ( Steuergerät), − Ausgabe( Aktoren). Dr. Karsten Müller Folie 16 (09/2015) V4 und V5 2.a) Sensorik Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren Sensoren Dr. Karsten Müller Folie 17 (09/2015) V4 und V5 2.a) Sensorik Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren Dr. Karsten Müller Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 Folie 18 (09/2015) V4 und V5 2.a) Sensorik Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren Dr. Karsten Müller Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 Folie 19 (09/2015) V4 und V5 2.b) Sensorik Hauptanforderungen, Trends (1)  Niedrige Herstellkosten: Die Zielkosten liegen hier – im typischen Bereich von 1…30 € – oft weniger als ein Hundertstel von konventionellen Sensoren gleicher Leistungsfähigkeit.  Hohe Zuverlässigkeit : Sie erfordern Maßnahmen, wie z. B. Einsatz bester Materialien, redundante Bestückung, Eigenüberwachung, (Kurzzeit-) Ersatz- stromversorgung, Mehrfachprogrammierung von kritischen Entscheidungsalgorithmen.  Harte Betriebsbedingungen :sind entsprechend ihrem Anbauort extremen Belastungen ausgesetzt und müssen dort vielerlei Angriffen standhalten: mechanisch (Vibration, Stöße), klimatisch (Temperatur, Feuchte), chemisch (z. B. Spritz- wasser, Salznebel, Kraftstoff, Motoröl, Batterie- säure), elektromagnetisch (Einstrahlung, leitungs- gebundene Dr. Karsten Müller Störimpulse, Überspannungen,). Folie 20 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.b) Sensorik Hauptanforderungen, Trends (2)  Kleine Bauweise: die immer kompaktere Form der Fahrzeuge anderseits bei gleichzeitig beibe- haltenem Innenraumkomfort für die Passagiere zwingt zu extrem kleinen Bauweisen. Der wachsende Druck zur Kraftstoffeinsparung erfordert auch eine konsequente Minimierung des Fahrzeuggewichts. Dieses findet z.T. auch durch die Integration auf dem IC Chip statt. Dr. Karsten Müller Folie 21 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.b) Sensorik Hauptanforderungen, Trends (3)  Hohe Genauigkeit: als „Intelligente Sensoren“ bezeichneten Mikrosysteme nutzen die im Sensor steckende Genauigkeit voll aus und bieten folgende Möglichkeiten: − Entlastung des Steuergeräts, − Einheitliche, flexible und busfähige Schnittstelle, − Mehrfachnutzung von Sensoren, − Nutzung kleinerer Messeffekte sowie von Hochfrequenz-Messeffekten (Verstärkung und Demodulation vor Ort), − Korrektur von Sensorabweichungen an der Messstelle ,gemeinsamer Abgleich und Kom- pensation von Sensor und Elektronik, verein- facht und verbessert durch Speicherung der individuellen Korrekturinformationen im PROM. Dr. Karsten Müller Folie 22 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.b) Sensorik Hauptanforderungen, Trends (4)  Hohe Genauigkeit: Korrekturmodell eines Intelligenten  Bei gleichzeitiger Erfassung und Digitalisierung der Störgrößen können intelligente Sensoren unter Nutzung des mathematischen Sensormodells die gesuchte Messgröße praktisch fehlerfrei berechnen  Hierzu werden die exemplarspezifischen Modellparameter in einem vorausgehenden, dem früheren Abgleich entsprechenden Vorgang bestimmt und in einem zum Sensor integrierten PROM abgespeichert. Auf diese Weise lassen sich nicht nur statische, sondern auch dynamische Eigenschaften der Sensoren erheblich verbessern (Auswertung der das dynamische Verhalten beschreibenden Differentialgleichung). Dr. Karsten Müller Folie 23 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren Gliederung nach Messgrößen (1)  Hier sollen die für Messzwecke ausnutzbaren, wichtigsten physikalischen Effekte bzw. Messprinzipien hier nur als eine grobe Übersicht wiedergegeben werden Dr. Karsten Müller Folie 24 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren Gliederung nach Messgrößen (2)  Hier sollen die für Messzwecke ausnutzbaren, wichtigsten physikalischen Effekte bzw. Messprinzipien hier nur als eine grobe Übersicht wiedergegeben werden Dr. Karsten Müller Folie 25 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren Gliederung nach Messgrößen (3) Dr. Karsten Müller Folie 26 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren Gliederung nach Messgrößen (4) Dr. Karsten Müller Folie 27 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren Gliederung nach Messgrößen (5) Dr. Karsten Müller Folie 28 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.d) Übersicht und Auswahl der Sensortechnologien Technologien (1)  Die verschiedenen Sensortechnologien zur Nutzung der beschriebenen Messeffekte sind naturgemäß eng mit den Messprinzipien verknüpft. Im Folgenden ist eine grobe Übersicht zusammengestellt: − Gewickelte oder photolithographisch hergestellte Induktionsspulen (mit elektrischen oder magnetischen Leitstücken), Wirbelstrom- und Kurzschlussringsensoren, − Flux-Gate-Sonden (Metglas usw.) zur Magnetfeldmessung, − Impulssprungsensoren (Wiegand), − drahtgewickelte (induktivitätsfreie) Widerstände, − Folienwiderstände (auf Kunststoffträger lamelliert), − sinterkeramische Widerstände, − Dünn- und Dickschichttechnik (besonders Widerstände und Kapazitäten), − Halbleitertechnik (mono- oder polykristalline Widerstände, Sperrschichten, − ladungsspeichernde Zellen usw.), Elektronik zur Signalaufbereitung: Si (bipolar, CMOS, BICMOS, EEPROM), GaAs Dr. Karsten Müller Folie 29 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 2.d) Übersicht und Auswahl der Sensortechnologien Technologien (2) − Mikromechanik (Silizium und andere Stoffe, z. B. Quarz, Metall (LIGA-Technik) usw. ), − Piezokeramik, − Piezofolie, − Isolierkeramik als Federwerkstoff (z. B. als Drucksensormembran), − Keramischer Feststoffelektrolyt (z. B. als Sauerstoffsonde), − Quarz und andere piezoelektrische Kristalle, − Optische Lichtleitfasern oder –platten aus Glas oder Kunststoff. Dr. Karsten Müller Folie 30 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 3.) Sensormessprinzipien Technologie und Grundlegendes  Jedes Steuergerät, das über Sensoren verfügt, ist zugleich ein Messgerät.  Angeschlossene Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrische Größen um, zur Verarbeitung dieser Größen genügt dieser Umwandlungsschritt jedoch nicht. − So liegt die vom Sensor gelieferte elektrische Größe evtl. in einem nur schwer nutzbaren Bereich und muss deshalb in einen anderen Bereich transformiert werden. − Fehlerhafte Signale müssen erkannt werden. Das Signal muss von Störungen befreit werden. − Das Signal muss digitalisiert werden, um vom Rechner letzen Endes als binär dargestellte Zahl weiter verarbeitet zu werden. − Da der Zusammenhang zwischen einer Messgröße und dem Sensorsignal häufig nicht linear ist, also nicht einfach durch einen konstanten Umrechnungsfaktor ausgedrückt werden kann, muss der Rechner das Verhalten des Sensors kennen, um aus der gemessenen Größe wieder auf die ursprüngliche physikalische Größe schließen zu können. Dr. Karsten Müller Folie 31 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 3.a) Sensormessprinzipien Positionssensoren  Positionssensoren erfassen ein- oder mehrdimensional Weg- und Winkelpositionen  (translatorische und rotorische Größen) unterschiedlichster Art und unterschiedlichster Bereiche. Dazu gehören auch Abstände, Entfernungen, Verschiebungen (engl.: displacement), Füllstände und selbst kleinste Dehnungen – also alles, was sich in Meter und Winkelgrad messen lässt. Fahrpedalgeber digital angesteuerten Drosselklappensensor Motordrehzahl- und Positionssensoren für weitere Motorenmanagement Sensoren Dr. Karsten Müller Folie 32 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 3.a) Sensormessprinzipien Positionssensoren  Potenziometersensoren Nachteile von Potenziometersensoren  Mechanischer Verschleiß durch Abrieb, Vorteile von Potenziometersensoren  Messfehler durch Abriebreste,  Niedrige Kosten,  Probleme bei Betrieb in Flüssigkeit,  einfacher, übersichtlicher Aufbau,  veränderlicher Übergangswiderstand von Schleifer zu Messbahn,  sehr großer Messeffekt; (Messhub ≈  Abheben des Schleifers bei starker Beschleunigung bzw. Versorgungsspannung), Vibration,  keine Elektronik erforderlich,  aufwändige Erprobung,  gute Störspannungsfestigkeit,  begrenzte Miniaturisierbarkeit,  weiter Betriebstemperaturbereich (< 250°C),  Rauschen.  hohe Genauigkeit (besser 1 % vom Endwert des Messbereichs),  weiter Messbereich (fast 360° möglich),  problemlose Redundanzausführung,  Abgleichbarkeit (Laserablation usw.),  flexible Kennlinie (variable Bahnbreite),  flexible Montage (ebene bzw. gekrümmte Fläche),  zahlreiche Hersteller,  schnelle Bemusterung. Dr. Karsten Müller Folie 33 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 3.a) Sensormessprinzipien Positionssensoren  Potenziometersensoren Anwendung  Fahrpedalsensor bzw. Fahrpedalmodul zur Erfassung des Drehmomentwunsches für das Motormanagement,  Tankfüllstandsensor (Bild 2),  Stauscheiben-Potentiometer (KE- und L-Jetronic) zur Erfassung der vom Motor angesaugten Luftmenge,  Drosselklappenwinkelsensor zur Erfassung der Stellung der Drosselklappe beim Ottomotor (Bild 5).. Bild 2 1 Elektrische Anschlüsse 2 Schleiferfeder 3 Kontaktniet 4 Widerstandsplatine 5 Lagerstift 6 Doppelkontakt 7 Schwimmerhebel 8 Schwimmer 9 Boden des Kraftstoffbehälters Dr. Karsten Müller Folie 34 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 3.a) Sensormessprinzipien Positionssensoren  Magnetisch induktive Sensoren (Wirbelstrom- und Kurzschlussringsensoren) Vorteile von Magnetisch induktive Nachteile von Magnetisch induktive Sensoren Sensoren  besonders störunempfindlich und robust.  Die hierfür erforderlichen Spulenanordnungen benötigen jedoch  Dies gilt insbesondere für im Vergleich zu mikromechanischen wechselstrombasierte, also magnetisch Sensoren weit mehr Bauraum, bieten induktive Prinzipien. also z. B. keine günstige Möglichkeit für einen redundanten (parallel messenden) Aufbau. Bild 6  Darüber hinaus stellt die erforderliche 1 Dämpferscheibe Spulenkontaktierung einen weniger 2 Wirbelströme günstigen Kosten- und Zuverlässigkeitsfaktor dar.. 3 Luftspule 4 Oszillator variabler Dämpfung 5 Demodulator s Messweg A(s) Oszillatorspannung UA(s) Ausgangsspannung Dr. Karsten Müller Folie 35 (09/2015) V4 und V5 Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012 3.a) Sensormessprinzipien Positionssensoren  Magnetisch induktive Sensoren (Wirbelstrom- und Kurzschlussringsensoren) Vorteile von Magnetisch induktive Sensoren  besonders störunempfindlich und robust.  Wegen des Eisenkerns besitzen solche Sensoren eine weit größere Induktivität als Wirbelstromsensoren und wegen der durch den Eisenkern sehr konzentrierten Führung des magnetischen Flusses auch einen weit höheren Messeffekt. Bild 7 1 Darstel
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