专利名称：一种tky管节点焊缝超声相控阵检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声相控阵检测领域，更具体涉及一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统。
背景技术：
近年来，随着海洋资源开发的不断深入和发展，世界许多国家新建了许多海洋资源开发设施，其中主要有海上固定平台、海上移动式平台及海底管线等，这些海上结构由于经常受到海洋风暴的浸袭及海洋的腐蚀，在其管节点焊缝处易出现裂纹，从而危及国家财产和人员生命的安全，因而，海洋平台结构的无损检测工作具有重要意义。海洋平台结构一般由各种钢质导管架构成，其管节点根据其结构形态的不同，可分为T、K、Y三种。
现有管节点焊缝超声检测系统，一般针对长输管线的环焊缝检测，这种焊缝是旋转对称的，在采用斜探头进行检测时，只需沿圆周方向作一维机械扫描即可完成对焊缝的检测。其中最具代表性的，加拿大R/D Tech公司生产的PipeWIZARD相控阵超声检测系统就是专用于长输管线环焊缝的检测设备。该系统由数据采集单元、脉冲发生单元、电机驱动单元、相控阵探头、工业计算机和显示器等组成。系统在Windows NT界面下运行Pipe WIZARD操作软件，完成对焊缝的线性扫查、实时显示和结果评判。这类系统在进行超声检测时，一般要求波束垂直焊缝长度方向，这样，焊缝处的缺陷反射信号才能准确地接收到。而对于TKY管节点焊缝，其不同位置的坡口方向和焊缝相对于母线方向不断变化，而现有商用管节点焊缝超声自动检测系统由于都是针对环焊缝检测需要的，其声束方向与被测管的中心轴线处于同一平面，几乎不能对TKY管节点焊缝进行扫描检测。目前针对TKY管节点焊缝检测主要采用X射线检查法或手动超声检测法，尚无针对TKY管节点焊缝检测需要的自动超声检测系统。
射线检查是焊缝质量检验广泛采用的重要无损检测技术，它是一种利用X射线对金属的穿透而产生图像来检验金属内部微观结构的方法。众所周知，所有材料均吸收一定的辐射能，不同的材料，由于密度、厚度、与原子量不同，其辐射能的吸收不同，因而其透射强度也不同。因此射线能被用来有效地检测焊缝内部缺陷如气孔、砂眼、咬边、未焊透、裂纹、非金属夹杂、烧穿等，焊缝内部缺陷图像可以在荧光屏或胶片上观察到。射线检测具有速度快，成本低等优点，但其图像清晰度差，给分析缺陷带来困难。对于较厚的工件，还存在射线不能穿透等问题。此外，由于射线对人体有害，必须采取有效的安全保护措施。
在TKY管节点焊缝的超声检测中，由于支管的壁厚较�。淮尾ㄉ探隙蹋又阜烊毕荻喑鱿衷诟坑胫Ч懿嗳诤锨课唬蚀送ǔＴ谥Ч懿嘟屑觳猓壳俺Ｓ肨KY管节点焊缝的超声检测方法是手动检测。TKY管节点焊缝的超声手动检测，由于检测结果取决于检测人员的经验和技术，易出现误判和漏判的现象，对每一个缺陷所在的位置，均需要较长的时间进行截面的取形、作图及定位测量，工作量较大，从重复性和可靠性来看都存在问题。而且，对于TKY管节点焊缝这种复杂的空间三维曲面结构，手动超声检测不能实现检测结果的可视化和实时记录。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，结构简单，操作方便，测量结果准确，实现了TKY管节点焊缝的超声自动扫描成像检测，以及缺陷识别的自动化，检测位置的准确标定及伤波信号的计算机重现和输出。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术措施通过研究和论证，确定TKY管节点焊缝超声检测在支管上进行。为了保证焊缝缺陷反射的信号能正确的定位和接收，使声束垂直于焊缝。由于主、支管尺寸变化范围较大(直径400～900mm，厚度12～60mm)，它们间的夹角也变化较大(20°～90°)，因此，若采用单探头对T、K、Y管节点焊缝进行自动超声检测，机械扫查至少需要四个自由度。考虑到焊缝的坡口方向的不断变化，还需采用折射角不同的多种探头，这样不仅检测效率低，而且机械扫查装置过于复杂。为了提高检测效率和减少机械扫查装置的复杂性，使用二维相控阵列探头进行检测。超声相控阵列探头根据声学阵列理论，阵元在激励信号周期较少即短脉冲激励时，各阵元发射的脉冲信号在理论产生栅瓣的方向上由于时间上不具有相干性，因而不会产生栅瓣。在进行超声相控阵检测时，为了提高检测的分辨率，发射声信号要求采用尽量窄的脉冲信号。换能器阵列采用16个有效工作阵元，发射脉冲声信号控制在4～5个周期内。在考虑阵元间隔和有效工作阵元数的同时，优先考虑单个阵元的效率和指向特性，以及加工制作的难易程度。
根据检测精度要求，采用2MHz的超声波，进行纵波检测。考虑到不同管径的检测需要，采用8(圆周方向)×32(母线方向)相控平面阵列，每次检测时，8×16阵元发射，其中心的2×8阵元同时又作为接收，系统共有256个发射通道，48个接收通道。在延迟时间不变的条件下，改变有效工作阵元的位置，可产生水平移动的平行声束；在有效工作的位置不变的条件下，改变各阵元的延迟时间，可产生不同角度的声束。圆周方向的相控使声束轴线位于焊缝被检位置法平面内，母线方向的相控使声束垂直于焊缝。综合考虑系统的复杂性和检测结果的有效性，检测时每次使8(圆周方向)×16(n～n+15)(母线方向)(其中n是每次声波发射中阵列中的有效工作阵元的起始位置，n＝1，2，...17)阵元处于发射工作状态，其中2(4，5)(圆周方向)×8(n+4～n+11)(母线方向)同时接收反射回波信号。在对焊缝某一位置的进行检测时，通过改变n和控制各工作阵元的延时，即可产生不同偏转角度的声束，从而完成对某处焊缝的声扫描检测。阵列阵元大小为3mm×2mm，阵元中心间的距离为3.4mm×2.3mm，相控阵探头的总尺寸为(26.8+8)mm×(73.3+8)mm×20mm。为了兼顾发射和接收性能，晶片材料可使用钛酸铅压电复合材料，其背村材料采用环氧树脂基复合材料。
超声发射卡发射延时控制电路采用可编程逻辑控制器组成时钟频率为200MHz的11位记数器对发射脉冲进行延时记数，并完成对发射脉冲信号的延时编码，延迟时间分辨率即最小延迟时间为0.005μs，最大延迟时间为0.005μs×211＝10.24μs，阵列的偏转角最小步进量为0.73°，检测分辨率为1.4mm；发射脉冲形成电路产生发射驱动电路所需的窄脉冲信号；发射驱动电路在窄脉冲信号的作用下在换能器阵列产生高压脉冲使其振动，从而辐射出声波；高压发生电路产生150V直流电压作为发射高压电源，最高发射脉冲重复频率为2KHz。采用耐高压快恢复的IRF830型VMOS场效应开关管作发射驱动管。
超声接收卡为了避免干扰，接收前置放大器(48通道)安装在距探头较近的位置，前置放大器由双栅场效应管4D01E等组成，其增益为30dB；多路选择器由CD4051等组成；可控增益放大器由AD602和ADC0808组成，DAC0808的输出电压控制AD602的增益，可控增益范围为40dB，增益步进量为0.5dB；高速A/D变换器对接收放大后的回波信号进行数字化；数字信号延时器由可编程逻辑阵列和FIFO存储器组成，它按设计要求对不同通道的回波信号进行数字延时；回波信号合成器完成对接收回波信号的数字聚焦。接收放大器带宽不小于15MHz。
机械扫描和定位装置机械扫描和定位装置由机械扫描控制、步进电机、机械扫描装置组成，其详细情况已申请专利(申请号为200410061096.9)。
一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统软件由C语言编写，它由信息初始化子系统、搜查控制子系统、图象生成子系统、图象识别子系统、图象显示子系统、数据维护子系统等几部分构成，这些本领域普通技术人员均可操作。
一种TKY管节点焊缝检测的超声相控阵成像检测系统具有以下性能指标可测管直径400~900mm，可测管厚度12~60mm最高脉冲重复频率2KHZ信号带宽15MHz总增益为70db探头工作频率2MHz发射电压150VDC延迟时间分辨率0.005μs
声束偏转角最小步进量为0.73°检测分辨率为1.4mm。
A/D采样80MHz，8bit本发明具有以下优点和效果1.本系统具有较高的扫描定位精度，能够自动对TKY管节点焊缝进行超声扫描检测，并实现缺陷图像的计算机准确空间重现；2.本系统具有较高的延时控制精度和检测分辨率；3.本系统具有高增益、宽频带；4.本系统采用高速A/D，保证了数据的可靠性；5.本系统具有高的显示和处理速度，可实时检测；6.本系统的数据维护功能，使数据文件和检测结果的显示和输出具有更多灵活性；7.本系统的检测速度快，检测效率高，能有效克服人工检测的漏检和误判现象；8.本系统界面友好，操作简便。
图1为一种管节点焊缝超声相控阵检测系统结构框图其中1-计算机、2-超声发射卡、3-超声接收卡、4-机械扫描和定位装置、5-超声相控阵列探头、6-发射驱动电路、7-发射脉冲形成、8-发射延时控制电路、9-高压发生电路、10-前置放大器、11-多路选择器、12-可控增益放大器、13-高速A/D变换器、14-数字信号延时器、15-回波信号合成器、16-机械扫描控制、17-步进电机、18-机械扫描装置图2为一个通道的发射驱动电路图。
其中R1、R2-电阻、V1-IRF830型VMOS场效应管、C-电容、L-电感、EL-阵元、+VH-高压电源图3为一个通道的接收前置放大器电路图。
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6-电阻、W1-可变电阻、C1、C2、C3、C4、C5-电容、4D01E-双栅场效应管、G1-4D01E的信号输入端、G2-4D01E的增益控制端、D-4D01E的漏极、S-4D01E的源极、+6V、-6V-电源、TGC-增益控制、Us-输入信号、Uo-输出信号具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述根据图1可知，该装置由计算机1、超声发射卡2、超声接收卡3、机械扫描和定位装置4、超声相控阵列探头5构成，其特征在于计算机1分别与超声发射卡2、超声接收卡3、机械扫描和定位装置4相连，其作用是根据检测的需要，执行对超声发射卡2、超声接收卡3、机械扫描和定位装置4的控制，并对检测结果进行处理和显示；超声发射卡2分别与计算机1、超声相控阵列探头5相连，其作用是在计算机1的控制下，产生不同延迟时间的脉冲信号，去激励超声相控阵列探头5产生超声波；超声接收卡3分别与计算机1、超声相控阵列探头5相连，其作用是对超声相控阵列探头5接收到的被检测的工件TKY管节点焊缝处反射的微弱超声回波信号进行放大，并在计算机1的控制下，对各回波信号进行数字化和延时数字合成；机械扫描和定位装置4与计算机1，安装在被检测的工件TKY管上，其作用是在计算机1的控制下，完成对TKY管节点焊缝的机械扫描；超声相控阵列探头5分别与超声发射卡2、超声接收卡3相连，并安装在机械扫描和定位装置4上，并与被检测的工件TKY管接触，其作用是在控制信号的作用下，产生检测所需的任意角度偏转的超声波束，并接收被检测的工件TKY管不同位置的反射回波信号。
根据图1可知，超声发射卡2由高压发生电路9、发射延时控制电路8、发射脉冲形成7、发射驱动电路6构成，其特征在于发射延时控制电路8(市场均能购置或定制)分别与计算机1、发射脉冲形成7(市场均能购置或定制)相连，其作用是在计算机1的控制下，对各通道的发射信号进行延时编码，产生具有不同延迟时间的脉冲信号；发射脉冲形成7分别与发射延时控制电路8、发射驱动电路6相连，其作用是将发射延时控制电路8输出的脉冲信号进行整形，以产生发射驱动电路6所需的触发信号；发射驱动电路6分别与高压发生电路9(市场均能购置或定制)、发射脉冲形成7、超声相控阵列探头5相连，其作用是在发射脉冲形成7产生的触发信号的作用下，把高压发生电路9输出的高压信号加到超声相控阵列探头5上，驱动超声相控阵列探头5产生超声波束；高压发生电路9与发射驱动电路6相连，其作用是提供发射驱动电路6所需的高压直流电源。
根据图1可知，超声接收卡3由前置放大器10、多路选择器11、可控增益放大器12、高速A/D变换器13、数字信号延时器14、回波信号合成器15构成，其特征在于前置放大器10分别与多路选择器11(市场均能购置或定制)、超声相控阵列探头5相连，其作用是对超声相控阵列探头5接收到的微弱超声回波信号进行预放大；多路选择器11分别与前置放大器10、可控增益放大器12(市场均能购置或定制)、计算机1相连，其作用是通过计算机1的编程控制，使前置放大器10送出的多路回波信号选择性的通过；可控增益放大器12分别与多路选择器11(市场均能购置或定制)、高速A/D变换器13(市场均能购置)、计算机1相连，其作用是根据回波信号的强弱，通过计算机1的控制，改变放大器的增益，并将多路选择器11输出的信号进行放大；高速A/D变换器13分别与可控增益放大器12、数字信号延时器14(市场均能购置或定制)、计算机1相连，其作用是在计算机1的控制下，将可控增益放大器12放大了的回波信号数字化；数字信号延时器14分别与高速A/D变换器13、回波信号合成器15、计算机1相连，其作用是在计算机1的控制下，对高速A/D变换器13输出的数字信号进行延时；回波信号合成器15(市场均能购置或定制)分别与数字信号延时器14、计算机1相连，其作用是将数字信号延时器14输出的数字信号进行相加合成，并将结果送到计算机1中进行处理。
根据图1可知，机械扫描和定位装置4由机械扫描控制16、步进电机17、机械扫描装置18构成，其特征在于机械扫描控制16分别与计算机1、步进电机17相连，其作用是根据检测的需要，在计算机1的控制下，产生所需的脉冲序列，驱动步进电机运转；步进电机17分别与机械扫描控制16、机械扫描装置18相连，其作用是在机械扫描控制16输出脉冲序列的作用下，驱动机械扫描装置18移动到指定的位置；机械扫描装置18与步进电机17相连，其作用是在步进电机17的驱动下，完成对被检测部位的机械扫描，其详细结构已申请专利(专利申请号200410061096.9)。
超声相控阵列探头5由8(圆周方向)×32(母线方向)个大小3mm×2mm的钛酸铅压电复合材料阵元组成。
计算机1中安装有由C语言编写该管节点焊缝超声相控阵检测系统程序，它由信息初始化子系统、扫查控制子系统、图象生成子系统、图象识别子系统、图象显示子系统、数据维护子系统等几部分构成。
根据图2可知，发射驱动电路6由IRF830型VMOS场效应管V1、电阻R1、R2、电容C、电感L、阵元EL、高压电源+VH构成，其特征在于电阻R1的一端与IRF830型VMOS场效应管V1的栅极相连，另一端与发射脉冲形成7产生的触发信号相连；IRF830型VMOS场效应管V1的栅极与电阻R1相连，源极与地线相连，漏极分别与电阻R2、电容C相连；电阻R2的一端分别与电容C、IRF830型VMOS场效应管V1的漏极相连，另一端与高压发生电路9产生的高压电源+VH相连；电容C的一端分别与IRF830型VMOS场效应管V1的漏极、电阻R2相连，另一端分别与电感L、超声相控阵列探头5的一个阵元EL相连；
电感L的一端分别与电容C、超声相控阵列探头5的一个阵元EL相连，另一端与地线相连；阵元EL一端分别与电容C、电感L相连，另一端与地线相连。
根据图3可知，前置放大器10由双栅场效应管4D01E、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、C3、C4、C5、电源+6V、-6V等构成，其特征在于电容C1的一端与双栅场效应管4D01E的信号输入端G1、电阻R1相连，另一端与输入信号Us相连；电阻R1的一端与4D01E的信号输入端G1、电容C1相连，另一端与可变电阻W1、电容C3相连；电容C3的一端与电阻R1、可变电阻W1相连，另一端与地线相连；可变电阻W1一端与电阻R3相连，另一端与地线相连，其中心抽头与电容C3、电阻R1相连；电阻R3的一端与可变电阻W1相连，另一端与-6V电源相连；双栅场效应管4D01E的信号输入端G1与电阻R1、电容C1相连，增益控制端G2与电阻R2、电容C2相连，漏极D与电阻R5、电容C4相连，源极S与电阻R4、电容C5相连；电容C2的一端与电阻R2、双栅场效应管4D01E的增益控制端G2相连，另一端与地线相连；电阻R2的一端与电容C2、双栅场效应管4D01E的增益控制端G2相连，另一端与增益控制TGC相连；电阻R5的一端与电容C4、双栅场效应管4D01E的漏极D相连，另一端与+6V电源相连；电容C4的一端与电阻R5、双栅场效应管4D01E的漏极D相连，另一端与电阻R6、输出信号Uo相连；电阻R4的一端与电容C5、双栅场效应管4D01E的源极S相连，另一端与地线相连；电容C5的一端与电阻R4、双栅场效应管4D01E的源极S相连，另一端与地线相连；电阻R6的一端与电容C4、输出信号Uo相连，另一端与地线相连；超声相控阵列探头5采用8(圆周方向)×32(母线方向)相控平面阵列，每次检测时，8×16阵元发射，其中心的2×8阵元同时又作为接收，系统共有256个发射通道，48个接收通道。在延迟时间不变的条件下，改变有效工作阵元的位置，可产生水平移动的平行声束；在有效工作的位置不变的条件下，改变各阵元的延迟时间，可产生不同角度的声束。圆周方向的相控使声束轴线位于焊缝被检位置法平面内，母线方向的相控使声束垂直于焊缝。综合考虑系统的复杂性和检测结果的有效性，检测时每次使8(圆周方向)×16(n～n+15)(母线方向)(其中n是每次声波发射中阵列中的有效工作阵元的起始位置，n＝1，2，...17)阵元处于发射工作状态，其中2(4，5)(圆周方向)×8(n+4～n+11)(母线方向)同时接收反射回波信号。在对焊缝某一位置的进行检测时，通过改变n和控制各工作阵元的延时，即可产生不同偏转角度的声束，从而完成对某处焊缝的声扫描检测。阵列阵元大小为3mm×2mm，阵元中心间的距离为3.4mm×2.3mm，相控阵探头的总尺寸为(26.8+8)mm×(73.3+8)mm×20mm。为了兼顾发射和接收性能，晶片材料可使用钛酸铅压电复合材料，其背村材料采用环氧树脂基复合材料。
发射延时控制电路8由可编程逻辑控制器件组成，完成对发射脉冲信号的延时编码；发射脉冲形成电路7产生发射驱动电路所需的窄脉冲信号；发射驱动电路6在窄脉冲信号的作用下在换能器阵列产生高压脉冲使其振动，从而辐射出声波；高压发生电路9产生150V直流电压作为发射高压电源，最高发射脉冲重复频率为2KHz。采用耐高压快恢复的IRF830型VMOS场效应开关管作发射驱动管。
为了避免干扰，接收前置放大器10安装在距探头较近的位置，前置放大器10由双栅场效应管4D01E等组成，其增益为30dB；多路选择器11由CD4051等组成；可控增益放大器12由AD602和ADC0808组成，DAC0808的输出电压控制AD602的增益，可控增益范围为40dB，增益步进量为0.5dB；高速A/D变换器13对接收放大后的回波信号进行数字化；数字信号延时器由可编程逻辑阵列和FIFO存储器组成，它按设计要求对不同通道的回波信号进行数字延时；回波信号合成器15完成对接收回波信号的数字聚焦。接收放大器带宽不小于15MHz。
采用可编程逻辑控制器组成时钟频率为200MHz的11位记数器对发射脉冲进行延时记数，其延迟时间分辨率即最小延迟时间为0.005μs，最大延迟时间为0.005μs×211＝10.24μs。阵列声束偏转角最小步进量为0.73°，检测分辨率为1.4mm。
该系统实现了TKY管节点焊缝检测的超声自动扫描成像，以及缺陷识别的自动化，检测位置的准确标定及伤波信号的计算机重现和输出。
权利要求
1.一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，它由计算机(1)、超声发射卡(2)、超声接收卡(3)、机械扫描和定位装置(4)、超声相控阵列探头(5)组成，其特征在于计算机(1)分别与超声发射卡(2)、超声接收卡(3)、机械扫描和定位装置(4)相连，超声发射卡(2)分别与计算机(1)、超声相控阵列探头(5)相连，超声接收卡(3)分别与计算机(1)、超声相控阵列探头(5)相连，超声相控阵列探头(5)分别与超声发射卡(2)、超声接收卡(3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，其特征在于超声发射卡(2)由高压发生电路(9)、发射延时控制电路(8)、发射脉冲形成(7)、发射驱动电路(6)构成，发射延时控制电路(8)分别与计算机(1)、发射脉冲形成(7)相连，发射驱动电路(6)分别与由高压发生电路(9)、发射脉冲形成(7)、超声相控阵列探头(5)相连。
3.根据权利要求1所述的一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，其特征在于超声接收卡(3)由前置放大器(10)、多路选择器(11)、可控增益放大器(12)、高速A/D变换器(13)、数字信号延时器(14)、回波信号合成器(15)构成，前置放大器(10)分别与多路选择器(11)、回波信号合成器(15)相连，高速A/D变换器(13)分别与可控增益放大器(12)、数字信号延时器(14)、计算机(1)相连，回波信号合成器(15)分别与数字信号延时器(14)、计算机(1)相连。
4.根据权利要求1所述的一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，其特征在于发射驱动电路(6)由IRF830型VMOS场效应管(V1)、电阻(R1、R2)、电容(C)、电感(L)、换能器阵元(EL)构成，电阻(R1)的一端与(V1)的栅极相连，另一端与发射脉冲形成(7)相连，(V1)栅极与电阻(R1)相连，源级与地线相连，漏级分别与电阻(R2)，电容(C)相连。
5.根据权利要求1所述的一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，其特征在于前置放大器(10)由双栅场效应管4D01E、电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6)、电容(C1、C2、C3、C4、C5)、电源(+6V、-6V)构成，电容(C1)的一端与双栅场效应管4D01E的信号输入端(G1)、电阻(R1)相连，另一端与输入信号(Us)相连，电容(C3)的一端与电阻(R1)、可变电阻(W1)相连，另一端与地线相连，可变电阻(W1)一端与电阻(R3)相连，另一端与地线相连，其中心抽头与电容(C3)、电阻(R1)相连，双栅场效应管4D01E的信号输入端(G1)与电阻(R1)、电容(C1)相连，增益控制端(G2)与电阻(R2)、电容(C2)相连，漏极(D)与电阻(R5)、电容(C4)相连，源极(S)与电阻(R4)、电容(C5)相连，电阻(R2)的一端与电容(C2)、双栅场效应管4D01E的增益控制端(G2)相连，另一端与增益控制(TGC)相连，电容(C4)的一端与电阻(R5)、双栅场效应管4D01E的漏极(D)相连，另一端与电阻(R6)、输出信号(Uo)相连。
全文摘要
本发明公开了一种TKY管节点焊缝超声相控阵检测系统，它由计算机、超声发射卡、超声接收卡、机械扫描和定位装置、超声相控阵列探头组成，计算机分别与超声发射卡、超声接收卡、机械扫描和定位装置相连，超声发射卡分别与计算机、超声相控阵列探头相连，超声接收卡分别与计算机、超声相控阵列探头相连，超声相控阵列探头分别与超声发射卡、超声接收卡相连。本发明结构简单，操作方便，测量结果准确，实现了TKY管节点焊缝的超声自动扫描成像检测，以及缺陷识别的自动化，检测位置的准确标定及伤波信号的计算机重现和输出。
文档编号G01N29/06GK1616961SQ20041006119
公开日2005年5月18日 申请日期2004年11月26日 优先权日2004年11月26日
发明者程建政, 宋玉玲, 张旸, 魏志刚 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所
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