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【风采汇】大赛C题“线路负载及故障检测装置”自动识别电桥
阅读: 2050 |  回复: 36 楼层直达

2019/10/14 17:22:56
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姑娘你真瞎
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连长

QQ截图20160321155901  【活动进行中……】礼遇感恩节!参与顶楼  免费送仪器

QQ截图20160321155901   【风采汇】参与有奖!获奖作品分享大赛



    今天和大家分享一下我第二次参加电赛的经历和经验,去年这个时候我已经和大家分享过一次电赛经验了,去年是省赛当时我做的是电源取得了省一的成绩,今年比赛是国赛,今年的题目没有以往那样纯粹的电源题目,同样也没有纯粹的软件题目,今年这一年总体来说偏向于软硬结合,这样更能考察我们的应用能力。这次我和大家分享的是C题“线路负载及故障检测装置” 其他题目我也有参与,但主要做的这个,这次资料全部开源,对,是全部开源,只要你想玩,傻瓜模式就能做出来。

    首先先介绍一下我自己,至今为止我学电源已有两年半,在这一段时间里我做过很多往年的电赛电源题,已经参加了两次电赛参,这次电赛给我最大的体会同样还是那句话 结果不管怎么样,最重要的是参与比赛这几天的过程,说实话这次比赛我从中收获了很多,也吃了不少苦(四天四夜基本上没合眼)。

    活不多说,直接分享一下我在这次比赛中怎么去理解这个C题、遇到了什么问题、怎么解决的、学会了什么、最重要的就是我们写的程序 设计的电路以及PCB等 我都会一一分享出来供像我一样的初学者参考和学习的。

这次这个比赛题目真的可以自己做一个 拿来当电桥使用,精度特别高!

再强调一遍:这次全部开源,去年电赛我也有分享,想了解的也可以去看看我发的另一个帖子。

2019/10/14 18:25:20
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姑娘你真瞎
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连长

刚吃完饭回来,继续更新!

/upload/community/2019/10/14/1571047288-40894.pdf

同样这次首先和大家分析一下题目:题目总的要求就是做一个电桥,能够实现自动切换挡位(测电阻,电感,电容的准确值)其次就是测试短路点位置,以及最后在加有干扰信号的情况下,准确识别短路点位置。这道题的难度绝对能排到这次出的所有题目的前三,这道题目确实不简单,这道题整个山东省报的很少,进入国一的只有一个,而且我在这之前接触关于电桥的东西很少,我之所以选择这道题是因为就是想挑战一下自己,接触一些自己之前没学的东西,还有一点就是觉得比较好奇!

言归正传,继续分析题目,基础部分

(1)这个主要是简单测试一下短路开路,这个很简单 直接当作电阻来测就行。

(2)这个是要求测试电容,电感,电阻的具体参数,当然是自动切换先判断他们的种类,然后在精确显示它们的具体参数值了,要求是误差不大于5%,我们做的这个最后误差是可以小于1%的,精度绝地稳稳地。这个说实话也不是很好做的,毕竟自动切换,而且是在极短时间内,还有就是精度电感 电容是很难把握精度的。

(3)这个是要求判断串并联类型,这个要求就瞬间提高了,上一问只是这一问的一个基础前提,这个对精度要求就更高了  只是他没有直接说明而已,这个有几个网络结构是很难区别的,就比如电感电容电阻三个并联和电阻与其中一个串联,基本上所有参数都是一致的,这个里面牵扯到很复杂的计算。

发挥部分:

(1)这个要求测试短路点位置,这个其实就是说要求你把导线当作电阻测,要求你进一步提高精度,1CM的导线阻值是0.01欧 这个要求精度相当于10毫欧。

(2)和(3)都是要求外加干扰,然后准确判别短路点位置,这个其实是对硬件电路的要求,这个是最大的难点。

稍后我会把所有题目要求全部分享出来!

2019/10/14 23:08:29
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姑娘你真瞎
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连长

继续更新!

先上一张电路图,这个电路图是总体的一个设计思路。这个电路也是我之前借鉴许工的电路,对我启发特别大。

这个电路是电桥的一个设计总体思路,这个电路从设计方面来说特别好。下面我简单分析一下,如果有对这个特别感兴趣的朋友,一定要好好研究研究太有用了。

通过STC12单片机产生1KHZ或者7.8KHZ的SPWM,然后经过三阶RC低通滤波滤为正弦波,当有负载接入时,该正弦波通过两路差分放大分别形成电压正弦波和电流正弦波,然后经过选频网络选出1KHZ或者7.8KHZ的频率段,然后在通过鉴相器将电压和电流的相位转化为模拟电压量,接着送入单片机,单片机通过AD转换计算出该相位差,从而确定是电阻、电容、电感中的其中一种,然后采用相应的公式将检测的负载电压电流的有效值确定,最后计算得出该元件的精确值。测网络结构是利用上述方法寄存测量值,计算网络结构的Θ角从而得出其网络结构。

2019/10/14 23:27:19
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姑娘你真瞎
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连长

LCR数字电桥的原理

1、LCR电桥原理

测定电抗元件Zx中电压U1与电流I,利用欧姆定律就可以得到 Zx=U1/I

Zx串联了已知电阻R,那么测定了R上压降U2,就可得到Zx=U1/I

可见,无需测量I的具体值就可以得到Zx,这是电桥的一般特征。

为了得到Zxx轴与y轴上的两个分量,以上计算须采用复数计算。

U1= a+jbU2=c+jd

那么

U1U2要采用同一个坐标系来测量。借助相敏检波器,可以分离出abcd,相敏检波过程,需要一个稳定的0度与90度的正交坐标轴,测量期间,U1U2向量也必须在这个坐标系中保持稳定,不能乱转。为了得到足够的精度,控制好放大器的增益,使得abcd的有效数字足够大,Zx的测量精度就高。然而,Zx分母两个正交量ac+bdbc-ad,其中一个可能相对于另一个小得多,这就要求AD转换器的精度及分辨力要足够大,否则小的那一个难以分辨出来。

为了减小分布参数的影响,电路中引入了V/I变换器,上、下臂的中点变为了虚地。详见电路。

上、下臂电压分别通过“仪表三运放”缓冲放大后输出。“三运放”电路有较强的共模抑制能力。V/I变换器,并不能保证在7.8kHz时虚地对地电压为零,尤是在低阻测量时,这就产生了共模干扰信号,因此引入仪表三运放电路是必要的。可见,V/I变换器与“三运放”的结合,有效实现了上下臂电压的隔离放大,并且在音频域很容易得到高精度。

K3切换上下臂,信号进入下一级放大。为了使电桥更精确,通常要求上、下臂使用“同一个毫伏表”放大(或者不放大,直接进行相敏检波)。由于本电路AD的分辨力不足,直接检波只能保证电桥在平衡点附近±30%的范围内取各较好的精度。如,桥平衡时对应表头字数600字,若被测阻抗不能使电桥平衡时,上臂变为600+300=900字,下臂变为600-300=300字,显然,对于300字的读数,最多只能得到0.3%的精度,超出这个范围后,精度将下降。以上分析表明,对于某一量程,保持良好精度的范围比较小,除非采用更高精度的AD。为了解决这个问题,后级可控增益对每个量程都启用,这样,各档测量范围就增加了,而精度没有明显减小。启用了可控增益放大器,上下臂电压测量实际上不再使用“同一个毫伏表”,因此误差大一点。

两级可控增加,分别为9倍和3倍,组合后,得到13927四种增益放大。

电路中的杂散耦合总是存在的。没有严格的屏蔽,杂散耦合多少存在一点,对高阻测量有影响。当然,电路板内部信号传递过程中也存在一些杂散耦合,这种耦合干扰常表现为高、低阻测量总是存在理论预期之外的误差,适当的电路结构,可以增加抗干能力,必要时,还要在PCB板设计上多下点功夫。为了简化电路,采用了四运放电路,这也增加了运放之间的相互干扰。

带波滤波器的阻抗:带通滤波器可以抑制高频干扰,防止运放过载,同时可以减小工频干扰,使得末字跳动减小。此外,滤波器对高次谐波有一定的抑制作,对提高7.8kD值精度是有一定帮助。设计滤波器应注意阻抗问题。高阻抗滤波器本身会受到电路板上的附加耦合的干扰。所以要求电容的取值不小于10nF

DDS滤波器的阻抗也不能设计得太小。道理与带通滤波器是一样的。即使是想设计100kHzRC滤波器,也不宜采用小于10nF的电容。电路板上的分布耦合,可以按0.1pF2pF之间估算。当后级信号比DDS信号大时,这种耦合是很可观的。如DDS输出0.2V,末级输出2V,那么0.2pF的耦合相当于0.2V2pF的等效耦合量(类似密勒效应),当DDS滤波器输出电容采用1000pF时,那么2pF的附加耦合相当于引入了2/10000.2%的误差。倘若DDS输出滤波器的Q值较高,误差还要放大Q倍左右。实际上,在PCB布线中,没有进行充分屏蔽,10cm长度的引线,足以产生1pF的分布电容。布线长度,一般都有几个厘米或更长,加上元件本身有一定的体积,分布耦合还是比较大的。所以,使用1nF的滤波电容,产生0.2%的额外误差是很正常的。

由于LCR电路中,没有信号大电流,地线上也没有,所以对地线布置倒是没有很严格的要求。

2、V/I变换器的作用

为了更加准确的测量U1U2,须满足一些测试条件。即流经被测电抗Zx的电流,必须严格等于流经电阻R的电流。

ZxR串联后,Zx另一端接信号源,R另一端接地。接信号源的那一端称为热端,接地的称为冷端,串联的连接点称为温端。现在有个麻烦的问题:当毫伏表接入ZxR两端,会产生分流,引起ZxR上的电流不会严格相同。再者,温端对地分布电容以及温端对热端的分布电容,也会造成ZxR上的电流不相等。总体上说,会有一小部分电流从其它途径耦合到温端,结果ZxR上的电流不相等。

当电路采用运放做“V/I变换器”,那么温端就变成了虚地。接在虑地上的对地负载电抗,不会产生分流,进而解决了毫伏表的分流影响。温端的对地分布电容,也可以看作对地负载。由于虚地对地电压为0,所以温端的对地分布电容不会分流ZxR上的电流。

加入了V/I变换器,并不能解决温端与热端的分布电容耦合。切底解决这个问题的最好办法,就是对信号进行屏蔽。严格屏蔽,要用金属壳密封,广义屏蔽,就是信号源要远离Zx

采用了V/I变换器,上臂热端、下臂热端,它们对地负载不会影响ZxR上的电流。

如果不采用V/I变换器,电桥中点对地是浮动的,若想把U1U2转换为对地电压,就须采用差动放大,而且要求差动三运方的共模抑制能力非常高,这不容易。采用了这种V/I变换器,对差动放大的共模抑制要求低一些。

有的LCR表设计,两臂电压测量直接采用开关切换,没有缓冲,这时上臂的限流电阻不可取值太大,以免切换过程中信号源电压变化,造成桥臂中的电流发生改变。当然,这种影响,也可以在软件中进行补偿。

·开关式鉴相器

正弦信号Asin(x+Φ),为了实现相敏检波,我们在信号通路上设置一个开关,使之仅导通半个周期。

导通开始时刻对x=0,那么导通期间的平均直流是:

当导通时刻为x=π/2,平均直流

显然,如果使用复数表达,两个开关信号是相差90度的,构成坐标系。该正弦向量在这个坐标的辐角是Φ,模是A,它的两个正交量向量是实部(AcosΦ,0度)和虚部(AsinΦ,90度),而上面正交检波的结果与这两个向量的模值成正比,比例常数2/π。因此,对于一个理想开关,只要控制好开关的导通时序,确保Φ稳定,两轴严格相差90度,并且导通时间为1/2个周期,那么就可以分离出信号向量的两个正交分量。

实际相敏检波器电路的检波效率并不是上述的计算值K=2/π,而是K=(2/π)*2R/(4R+r),详见下图:

本电路的检波效率是:K=(2/π)*2R/(4R+r)=(2/3.14)*2*51/(4*51+20)=0.29

2019/10/14 23:37:16
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姑娘你真瞎
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连长

介绍那么多,可能大家也有一定的了解了  先上几张PCB 和大家分享一下电路布局

今天先更新这么多,稍后我会继续更新,也望大家多支持支持!

2019/10/15 00:27:22
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姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
LV4
连长

想想还是今天继续更新吧。一鼓作气再而衰三而竭嘛!

这次更新实物以及测试环节

1、整体外观。

整体外观绝对够精致 首先整个测量板就是下面那个带刻度的白板,是我们实验室手工最巧的袁工做的,其次就是电桥就是下面那个绿色的PCB板是我们让制板厂加急打的,就是我刚刚分享的PCB照片所对应的,一会我再放一张高清图。最上面的是辅助电源。

2,屏幕显示

对于屏幕显示,我们采用了12864作为参数显示,小屏幕OLED作为开路短路以及网络结构显示,这样做的目的就是为了看起来更直观。更好看。

3、测试对比

上面六张图分别是电阻,电感,电容用我们做的电桥测和实际电桥的对比。电阻:测试819.1 实际818.26 电感:测试477.8uH 实际482.28uH 电容:测试199.4nF 实际:208.49nF 我感觉误差还是有点大的  这是因为可能是放了一段时间的缘故,都有些生锈了,而且也没有重新校准,比赛的时候测试的值基本上都在0.3%之内。

4、短路测试

短路测试,精确度特别高,我们采取用OLED显示 比较好看 当然还有一个亮点不知你们有没有发现 那就是在刻度旁边有一排灯,这个是我们加的发挥部分,这个可以准确的显示到具体距离,比如在25处短路 他就会在该处亮灯 而且是一红一蓝间隔,比较美观。

不行了 撑不住了 今天先休息吧!

2019/10/15 09:37:47
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电源网-璐璐
电源币:1092 | 积分:82 主题帖:284 | 回复帖:1516
LV10
司令

哈哈  看完啦 棒呐!抽时间更新哦 期待ing……

2019/10/16 00:15:27
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姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
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连长

今天继续更新

今天直接上干货,和大家先分享一波电桥全部资料,这个精度绝对不逊色于市场上卖的,而且这个自己就可以做一个 当高级万用表用

这里面有电桥程序 以及整个详细使用说明!

还有需要PCB的话 可以在下面回复邮箱 我看到就会发送的

还有如果有需要往年电赛综合测评题电路的话也可以给我回复邮箱 有多年的满分综合测评电路

2019/10/16 00:16:34
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姑娘你真瞎
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连长
2019/11/07 23:30:07
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咸牛扎
电源币:2 | 积分:5 主题帖:6 | 回复帖:6
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排长
我也来一份,谢谢。912561673@qq.com
2019/10/18 22:50:19
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电源开关机
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士兵

楼主,更新的太棒了 能不能发我一份呢 321362603@qq.com

万分感谢!

2019/10/19 00:44:17
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姑娘你真瞎
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连长
已发送 请注意查收!
2019/10/19 12:48:14
18
电源开关机
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
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士兵
谢谢楼主 我已经收到了 看了一部分 楼主的pcb画的真的太棒了
2019/10/20 11:03:58
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电源开关机
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士兵
我看了 感觉还是有一些不懂 楼主什么时候继续更新啊
2019/10/19 00:47:18
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刘庆敌意
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
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士兵
楼主 能不能也发我一份 我最近也在学电源 特别感兴趣 1468606103@qq.com 谢谢!
2019/10/19 00:49:50
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姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
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连长
我刚刚把电脑关上 我明天起来发你一份 今天得早点睡了
2019/10/19 01:03:06
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刘庆敌意
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士兵
OK! 早点休息吧 楼主
2019/10/19 07:59:03
17
姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
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连长
已发送 请注意查收!
2019/10/19 00:48:42
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刘庆敌意
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
刚刚发现楼主是还没睡觉啊 刚回复了楼上 哈哈哈! 楼主这篇帖子很不错啊 刚刚看完 很有触动 以后多向楼主学习!
2019/10/19 00:50:23
15
姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
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连长
我也是个菜鸟 都是慢慢跟着大神学的 一起学习嘛
2019/10/19 12:51:20
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shijidian
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士兵
我最近在学电源 做了2018年电赛那道题 感觉并网那一块特别难 请问楼主可以分享一下你们当时做的资料吗 我想学习一下 !1910062158@qq.com 谢谢!
2019/10/20 00:04:17
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姑娘你真瞎
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连长
已发送 请注意查收 有什么不懂的 可以在问我
2019/10/19 20:34:49
20
liuminghao
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士兵
你好! 请问这个你们是用什么芯片做的呢 可以控制那么高的精度 我做的误差比较大 都没法判断网络类型 想跟楼主学习一下
2019/10/20 00:05:19
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姑娘你真瞎
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连长
我们用的也是32 主要是硬件电路 硬件电路可以控制温漂 还有一些对称
2019/10/23 12:57:33
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风恋羽zz
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士兵

楼主大大,求分享下这个题目(器件清单,电路图,程序)(多多益善)。我一点头绪都没有。小弟万分感谢

3189374564@qq.com

2019/10/26 23:35:54
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吴亦凡
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士兵
楼主太巧了 我也是今年参加的电赛 做的也是这个题 不知能否借鉴一下楼主的资料
2019/10/28 20:43:11
32
姑娘你真瞎
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连长
可以的 开源分享 你把邮箱留一下吧 我稍后发送给你 或者等我帖子更新完上传上
2019/10/26 23:36:41
26
吴亦凡
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
楼主请问你是哪个赛区的呢
2019/10/28 20:40:45
30
姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
LV4
连长
我是山东赛区的 我们赛区这个题目只有一个推进了国赛
2019/10/26 23:40:44
27
三郎19
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LV1
士兵
原来还有那么好心的啊 楼主 请问你做这个思路是什么呢 我想自己做一个电桥 但是又没有太多资料 所以想请教请教楼主
2019/10/28 20:42:13
31
姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
LV4
连长
这个用来做电桥正合适 而且精度特别高 具体实现步骤 在我上传那个文件里面有介绍 也有程序 你可以下载看一下
2019/10/27 22:55:36
28
开源节流
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:9
LV2
班长
谢谢楼主分享,1838294749@qq.com
2019/10/28 20:44:41
33
姑娘你真瞎
电源币:25 | 积分:3 主题帖:15 | 回复帖:21
LV4
连长
请问你是需要具体哪一部分资料呢 你是想做个电桥吗
2019/10/28 08:58:04
29
momomomoran
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
楼主,能分享一下项目和pcb原理图吗,想研究一下谢谢!!!
邮箱741458787@qq.com
2019/10/28 20:51:28
34
景天豪
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
楼主我最近在做电桥 能否分享一份电桥资料 感谢!1568754298@qq.com
2019/11/06 21:46:01
35
猫miracle
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
楼主,我是从你上一个贴回来的,看你的经验分享学到了不少。去年也做过那道题目,但是没做好,想再做一次,能否把你去年那道题目的设计论文,原理图,PCB和程序一起发我一下呢,非常感谢!!我的邮箱是1005113420@qq.com
2019/11/07 00:09:47
36
dashijie
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:2
LV1
士兵
1836645381@qq.com
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