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Vorwort
5
Herausgeber und Autoren
7
Inhaltsverzeichnis
9
1 Sensorsysteme
19
1.1 Definition und Wirkungsweise
19
1.2 Einteilung
20
2 Physikalische Effekte zur Sensornutzung
21
2.1 Piezoelektrischer Effekt
21
2.1.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
21
2.1.2 Materialien
23
2.1.3 Anwendungen
24
2.2 Resistiver und piezoresistiver Effekt
24
2.2.1 Funktionsprinzipien und physikalische Beschreibung
24
2.2.2 Resistiver Effekt und dessen Anwendung durch Dehnmess-Streifen (DMS)
26
2.2.3 Piezoresistiver Effekt und dessen Anwendung durch Silicium-Halbleiter-Elemente
28
2.3 Magnetoresistiver Effekt
30
2.3.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
30
2.3.2 Vorteile der XMR-Technologie
35
2.3.3 Anwendungen der XMR-Technologie
36
2.4 Magnetostriktiver Effekt
39
2.4.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
39
2.4.2 Vorteile der magnetostriktiven Sensor-Technologie
40
2.4.3 Anwendungen der magnetostriktiven Sensor-Technologie
41
2.5 Effekte der Induktion
43
2.5.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
43
2.5.2 Vorteile der induktiven Sensor-Technologie
48
2.5.3 Anwendungen der induktiven Sensor-Technologie
48
2.6 Effekte der Kapazität
50
2.6.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
50
2.6.1.1 Kondensator und Kapazität
50
2.6.1.2 Kapazität im Wechselstromkreis
54
2.6.2 Vorteile der kapazitiven Sensor-Technologie
59
2.5.3 Anwendungen der kapazitiven Sensor-Technologie
60
2.7 Gauß-Effekt
61
2.7.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
61
2.7.2 Anwendung des Gauß-Effektes
63
2.8 Hall-Effekt
65
2.8.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
65
2.8.2 Anwendung des Hall-Effektes
67
2.9 Wirbelstrom-Effekt
70
2.9.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
70
2.9.2 Anwendung des Wirbelstrom-Effektes
71
2.10 Thermoelektrischer Effekt
74
2.11 Thermowiderstands-Effekt
78
2.11.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
78
2.11.2 Vorteile der Sensorik mit dem Thermowiderstands-Effekt
80
2.11.3 Einsatzgebiete
81
2.12 Temperatureffekte bei Halbleitern
82
2.12.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
82
2.12.2 Kaltleiter (PTC-Widerstände)
83
2.12.3 Heißleiter (NTC-Widerstände)
85
2.13 Pyroelektrischer Effekt
87
2.13.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
87
2.13.2 Materialien
89
2.13.3 Anwendungen
90
2.14 Fotoelektrischer Effekt
93
2.14.1 Funktionsprinzipien und physikalische Beschreibung
93
2.14.2 Fotoelektrische Sensorelemente
97
2.14.3 Fotoelektrische Sensorelemente
98
2.15 Elektrooptischer Effekt
105
2.15.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
105
2.15.2 Materialien
106
2.15.3 Anwendungen
108
2.16 Elektrochemische Effekte
110
2.16.1 Funktionsprinzip und Klassifizierung
110
2.16.2 Potenziometrische Sensoren
110
2.16.3 Amperometrische Sensoren
114
2.16.4 Konduktometrische und impedimetrische Sensoren
115
2.16.5 Anwendungsbereiche
115
2.17 Chemische Effekte
117
2.17.1 Physikalisch-chemische Wechselwirkungen von Gasen mit Oberflächen
117
2.17.2 Gaslöslichkeit (Absorption)
118
2.17.3 Gastransport zur Festkörperoberfläche
120
2.17.4 Adsorption und Chemisorption
121
2.17.5 Reaktionen mit adsorbierten Spezies
122
2.17.6 Reaktion des Gases mit dem Festkörper
122
2.17.7 Die Mischphasenfehlordnung
124
2.18 Akustische Effekte
126
2.18.1 Definition und Einteilung des Schalls
126
2.18.2 Charakterisierung akustischer Wellen
126
2.18.3 Schallgeschwindigkeit in idealen Gasen
127
2.18.4 Intensität oder Schallstärke
128
2.18.5 Absorption von Schall in Luft
128
2.18.6 Reflektion und Transmission
129
2.19 Optische Effekte
130
2.19.1 Physikalische Effekte
130
2.19.2 Aufbau optischer Sensoren
134
2.19.3 Kategorien optischer Sensoren
136
2.19.4 Anwendungsfelder optischer Sensoren
137
2.20 Doppler-Effekt
138
2.20.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung
138
2.20.2 Anwendungsbereiche
140
Weiterführende Literatur
143
3 Geometrische Größen
145
3.1 Wegund Abstandsensoren
145
3.1.1 Induktive Abstandsund Wegsensoren
146
3.1.1.1 Funktionsprinzip und morphologische Beschreibung der Induktivsensoren
146
3.1.1.2 Berührungslose induktive Abstandssensoren (INS)
148
3.1.1.3 Berührungslose induktive Wegsensoren (IWS)
155
3.1.1.4 Differenzialtransformatoren mit verschiebbarem Kern (LVDT)
158
3.1.1.5 Gepulster induktiver Linear-Positionssensor (Micropulse BIW)
163
3.1.1.6 Signalverarbeitung durch Phasenmessung (Sagentia)
166
3.1.1.7 PLCD-Wegsensoren (Permanent Linear Contactless Displacement Sensor)
170
3.1.1.8 Berührungslose magnetoinduktive Wegsensoren (smartsens-BIL)
174
3.1.2 Optoelektronische Abstandsund Wegsensoren
180
3.1.2.1 Übersicht
180
3.1.2.2 Optoelektronische Bauteile
181
3.1.2.3 Optische Grundlagen von Abstandssensoren
185
3.1.2.4 Messprinzip: Triangulation
188
3.1.2.5 Messprinzip: Pulslaufzeitverfahren
189
3.1.2.6 Messprinzip: Phasenoder Frequenzlaufzeitverfahren
189
3.1.2.7 Messprinzip: Fotoelektrische Abtastung
192
3.1.2.8 Messprinzip: Interferometrische Längenmessung
194
3.1.3 Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung und Objekterkennung
195
3.1.3.1 Funktionsprinzipien und Aufbau
195
3.1.3.2 Aufbau des Ultraschallwandlers
196
3.1.3.3 Erfassungsbereich eines Ultraschallsensors
197
3.1.3.4 Umlenkung des Ultraschalls
199
3.1.3.5 Objektund Umwelteinflüsse
199
3.1.3.6 Anwendungen
200
3.1.4 Potenziometrische Wegund Winkelsensoren
202
3.1.4.1 Einleitung
202
3.1.4.2 Funktionsprinzip und Kenngrößen von potenziometrischen Sensoren
203
3.1.4.3 Technologie und Aufbautechnik
206
3.1.4.4 Produkte und Applikationen
211
3.1.5 Magnetostriktive Wegsensoren
212
3.1.5.1 Wirkprinzip und Aufbau magnetostriktiver Wegsensoren
213
3.1.5.2 Gehäusekonzepte und Anwendungen
216
3.1.6 Wegsensoren mit magnetisch codierter Maßverkörperung
222
3.1.6.1 Messprinzip
222
3.1.6.2 Aufbau und Funktionsweise inkrementeller und absoluter Mess-Systeme
224
3.1.6.3 Kennwerte
227
3.1.6.4 Sensortypen im Vergleich
230
3.1.6.5 Anwendungsbeispiele
231
3.2 Sensoren für Winkel und Drehbewegung
232
3.2.1 Optische Drehgeber
241
3.2.1.1 Physikalische Prinzipien
241
3.2.1.2 Aufbau optischer Drehgeber
243
3.2.1.3 Besondere Eigenschaften optischer Drehgeber
246
3.2.2 Magnetisch codierter Drehgeber
247
3.2.3 Umdrehungszählende Winkelsensoren
253
3.2.3.1 Allgemeines Funktionsprinzip und morphologische Beschreibung von Umdrehungen zählenden Winkelsensoren
253
3.2.3.2 Getriebebasierende Umdrehungszählverfahren
254
3.2.3.3 Umdrehungszählverfahren auf induktiver Basis
255
3.2.3.4 Batteriepufferung der Umdrehungsinformation
257
3.2.3.5 Neuartiges GMR-System zur Detektion und Speicherung von Umdrehungsinformation
257
3.2.4 Kapazitive Drehgeber
262
3.2.5 Variable Transformatoren, Resolver
265
3.2.5.1 Allgemeines Funktionsprinzip des VT
266
3.2.5.2 Signifikante Varianten von VT
267
3.2.5.3 Resolver, eine repräsentative Variante von VT
267
3.2.6 1Vpp oder sin/cos-Schnittstelle
272
3.2.7 Inkrementelle Geber
274
3.3 Neigung
276
3.3.1 Magnetoresistive Neigungssensoren
277
3.3.2 Kompass-Sensoren
278
3.3.3 Elektrolytische Sensoren
279
3.3.4 Piezoresistive Neigungssensoren/DMS-Biegebalkensensoren
280
3.3.5 MEMS
280
3.3.6 Servoinclinometer
281
3.3.7 Übersicht und Auswahl von Neigungssensoren
282
3.4 Sensoren zur Objekterfassung
283
3.4.1 Näherungsschalter
283
3.4.2 Objekterkennung und Abstandsmessung mit Ultraschall
293
3.4.3 Objekterkennung mit Radar
295
3.4.4 Pyroelektrische Sensoren für die Bewegungs und Praesenzdetektion
296
3.4.5 Objekterkennung mit Laserscanner
299
3.4.6 Sensoren zur automatischen Identifikation (Auto-Ident)
300
3.4.6.1 Übersicht
300
3.4.6.2 Barcodescanner
300
3.4.6.3 Auto-Ident-Kameras
307
3.4.6.4 RFID-Systeme und Lesegeräte
311
3.5 Dreidimensionale Messmethoden (3D-Messung)
316
3.5.1 Tastende 3D-Messmethoden
317
3.5.2 Optisch tastende 3D-Messmethoden
319
3.5.3 Bildgebende 3D-Messmethoden
323
3.5.4 Übersicht zu 3D-Messmethoden
327
Weiterführende Literatur
328
4 Mechanische Messgrößen
331
4.1 Masse
331
4.1.1 Definition
331
4.1.2 Anwendungen
332
4.2 Kraft
333
4.2.1 Definition
333
4.2.2 Effekte für die Anwendungen
334
4.2.3 Anwendungsbereiche
338
4.3 Dehnung
341
4.3.1 Definition
341
4.3.2 Messung der Dehnung
342
4.4 Druck
344
4.4.1 Definition
344
4.4.2 Messprinzipien
346
4.4.3 Messanordnungen
347
4.5 Drehmoment
350
4.5.1 Definition
350
4.5.2 Messprinzipien
350
4.5.3 Anwendungsbereiche
351
4.6 Härte
352
4.6.1 Definition
352
4.6.2 Makroskopische Härtebestimmung
353
4.6.3 Härtebestimmung durch Nanoindentation
353
4.6.4 Sensoren für die Nano-Härtemessung
354
4.6.5 Modell und Auswertung
355
4.6.6 Anwendungen
356
Weiterführende Literatur
357
5 Zeitbasierte Messgrößen
358
5.1 Zeit
358
5.2 Frequenz
358
5.3 Pulsbreite
364
5.4 Phase, Laufzeit und Lichtlaufzeit
366
5.5 Visuelle Darstellung von Messgrößen
371
5.6 Drehzahl und Drehwinkel
380
5.7 Geschwindigkeit
383
5.8 Beschleunigung
386
5.9 Durchfluss (Masse und Volumen)
391
Weiterführende Literatur
395
6 Temperaturmesstechnik
396
6.1 Temperatur als physikalische Zustandsgröße
396
6.2 Messprinzipien und Messbereiche
397
6.3 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes
399
6.3.1 Metalle
399
6.3.2 Metalle mit definierten Zusätzen (Legierungen) oder Gitterfehlern
402
6.3.3 Ionenleitwerkstoffe für hohe Temperaturen
403
6.3.4 Thermistoren
403
6.3.5 Engewiderstand-Temperatur-Sensoren (Spreading Resistor)
404
6.3.6 Dioden
406
6.4 Thermoelektrizität (Seebeck-Effekt)
407
6.5 Wärmeausdehnung
411
6.5.1 Wärmeausdehnung fester Körper
411
6.5.2 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten
414
6.5.3 Wärmeausdehnung von Gasen
415
6.6 Temperatur und Frequenz
415
6.7 Thermochromie
416
6.8 Segerkegel
416
6.9 Berührungslose optische Temperaturmessung
417
6.9.1 Strahlungsthermometer (Pyrometer)
417
6.9.2 Faseroptische Anwendungen
420
6.9.2.1 Intrinsische Sensoren, DTS (Distributed Temperature Sensing)
420
6.9.2.2 Extrinsische Sensoren
421
Weiterführende Literatur
422
7 Elektrische und magnetische Messgrößen
423
7.1 Spannung
423
7.1.1 Definition
423
7.1.2 Messanordnungen
427
7.2 Stromstärke
431
7.2.1 Definition
431
7.2.2 Messanordnungen
432
7.3 Elektrische Ladung und Kapazität
434
7.3.1 Definition
434
7.3.2 Messanordnungen
437
7.4 Elektrische Leitfähigkeit und spezifischer elektrischer Widerstand
440
7.4.1 Definition
440
7.4.2 Messanordnungen
441
7.5 Elektrische Feldstärke
444
7.5.1 Definition
444
7.5.2 Messprinzipien für die elektrische Feldstärke
444
7.6 Elektrische Energie und Leistung
446
7.6.1 Definitionen
446
7.6.2 Formen von Leistung
446
7.6.3 Messprinzipien
448
7.7 Induktivität
452
7.7.1 Definition
452
7.7.2 Messprinzipien
452
7.8 Magnetische Feldstärke
453
7.8.1 Definition
453
7.8.2 Messprinzipien magnetischer Größen
454
7.8.3 Messanordnungen
455
7.8.4 Mehrdimensionale Messungen mit dem Hall-Effekt
456
Weiterführende Literatur
458
8 Radiound fotometrische Größen
459
8.1 Radiometrie
459
8.1.1 Radiometrische Größen
459
8.1.2 Messung elektromagnetischer Strahlung
463
8.2 Fotometrie
463
8.2.1 Fotometrische Größen
464
8.2.2 Messung fotometrischer Größen
468
8.3 Anwendung von Helligkeitssensoren
469
8.4 Farbe
470
8.4.1 Farbempfinden
470
8.4.2 Farbmodelle
473
8.4.3 Farbsysteme
474
8.4.4 Farbfilter für Sensoren
474
8.4.5 Farbsensoren
477
Weiterführende Literatur
478
9 Akustische Messgrößen
479
9.1 Definition wichtiger akustischer Größen
479
9.2 Menschliche Wahrnehmung
480
9.2.1 Pegel
480
9.2.2 Lautstärke
482
9.2.3 Lautheit
483
9.3 Schallwandler
483
9.4 Anwendungsfelder
486
Weiterführende Literatur
488
10 Klimatische und meteorologische Messgrößen
489
10.1 Feuchtigkeit in Gasen
489
10.1.1 Definitionen und Gleichungen
489
10.1.2 Feuchtemessungen in Gasen
493
10.1.2.1 Psychrometer, Aufbau und Funktionsweise
493
10.1.2.2 Taupunktspiegel
496
10.1.2.3 Kapazitive Feuchtemessung
498
10.1.2.4 Integrierte kapazitive Feuchtesensoren mit Bus-Ausgang
499
10.2 Feuchtebestimmung in festen und flüssigen Stoffen
500
10.2.1 Direkte Verfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte
501
10.2.1.1 Prozentualer Wassergehalt einer Materialprobe
501
10.2.1.2 Wasseraktivität einer Materialprobe
502
10.2.1.3 Karl-Fischer-Titration
503
10.2.1.4 Calciumcarbid-Methode
503
10.2.1.5 Calciumhydrid-Methode
504
10.2.2 Indirekte Messverfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte
504
10.2.2.1 Messung der elektrischen Eigenschaften
504
10.2.2.2 Erfassen der optischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf
505
10.2.2.3 Messung des Saugdruckes in feuchten Materialien (Tensiometrie)
506
10.2.2.4 Messung der atomaren Eigenschaften
507
10.2.2.5 Nuklear-Magnetisches-Resonanz-Verfahren (NMR)
507
10.2.2.6 Messung der Wärmeleitfähigkeit
508
10.3 Messung von Niederschlägen im Außenklima
509
10.4 Feuchtemessung in geschlossenen Räumen
511
10.4.1 Messung des Klimas in Wohnungen und am Arbeitsplatz
511
10.4.2 Klima in Museen und Ausstellungsräumen
512
10.4.3 Klima in elektrischen Anlagen
514
10.4.4 Beeinflussen des Raumklimas
514
10.5 Luftdruck
516
10.6 Windund Luftströmung
517
10.6.1 Definition
517
10.6.1 Methoden zur Windmessung
517
10.7 Wasserströmung
521
10.7.1 Definition
521
10.7.2 Direkte und indirekte Durchflussmessung
521
Weiterführende Literatur
526
11 Ausgewählte chemische Messgrößen
527
11.1 Redoxpotenzial
527
11.1.1 Allgemeines
527
11.1.2 Edelmetallische Redoxelektroden
529
11.1.3 Redoxglaselektroden
531
11.1.4 Bezugselektroden
533
11.2 Ionen einschließlich Hydroniumionen
536
11.2.1 Allgemeines
536
11.2.2 pH-Messung
536
11.2.3 Weitere Ionen
541
11.3 Gase
545
11.3.1 Allgemeines
545
11.3.2 Gase im physikalisch gelösten Zustand bzw. bei Normaltemperatur
545
11.3.2.1 Festelektrolytsensoren
547
11.3.2.2 Elektrochemische Zellen mit festen Elektrolyten
548
11.3.3 Halbleiter-Gassensoren – Metalloxidhalbleitersensoren (MOS)
557
11.3.4 Pellistoren
558
11.4 Elektrolytische Leitfähigkeit
559
11.4.1 Allgemeines
559
11.4.2 Kohlrausch-Messzellen
559
11.4.3 Mehrelektroden-Messzellen
560
11.4.4 Elektrodenlose Leitfähigkeitsmesszellen
561
11.4.5 Beispiele zur Anwendung von Leitfähigkeitssensoren
562
Weiterführende Literatur
564
12 Biologische und medizinische Sensoren
565
12.1 Biologische Sensorik
565
12.1.1 Biosensorik
565
12.1.2 Echte biologische Sensoren
567
12.2 Funktionsprinzipien der Biosensoren
568
12.2.1 Kalorimetrische Sensoren
570
12.2.2 Mikrogravimetrische Sensoren
570
12.2.3 Optische Sensoren
572
12.2.4 Elektrochemische Sensoren
574
12.2.5 Immobilisierungsmethoden
576
12.3 Physikalische und chemische Sensoren in der Medizin
577
12.3.1 Physikalisch-chemische Blutanalysen
578
12.3.2 Klinisch-chemische Blutanalysen
581
12.4 Enzymatische Methoden – Enzymsensoren
582
12.4.1 Enzymbasierter Analytnachweis
584
12.4.2 Bestimmung der Enzymaktivität
585
12.4.3 Anwendungsfelder enzymatischer Tests
586
12.5 Immunologische Methoden – Immunosensoren
587
12.5.1 Direkte Immunosensoren
590
12.5.2 Indirekte Immunosensoren
590
12.5.3 Anwendungsfelder von Immunosensoren
592
12.6 DNA-basierte Sensoren
593
12.6.1 Hybridisierungsdiagnostik
594
12.6.2 Anwendung und Einsatz von DNA-Sensoren
595
12.7 Zellbasierte Sensorik
597
12.7.1 Metabolischer Zellchip
597
12.7.2 Neuro-Chip
598
Weiterführende Literatur
599
13 Messgrößen für ionisierende Strahlung
601
13.1 Einführung und physikalische Größen
601
13.2 Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie
605
13.3 Einteilung der Sensoren
609
13.4 Gasgefüllte Strahlungssensoren
612
13.5 Strahlungssensoren nach dem Anregungsprinzip
616
13.6 Halbleitersensoren
618
Weiterführende Literatur
626
14 Fotoelektrische Sensoren
627
14.1 Strahlung
627
14.2 Szintillatoren
628
14.3 Äußerer Fotoeffekt
629
14.3.1 Fotomultiplier
629
14.3.2 Channel-Fotomultiplier
630
14.3.3 Bildaufnahmeröhren
631
14.4 Innerer Fotoeffekt
631
14.4.1 Fotoleiter
632
14.4.2 Fotodioden
633
14.4.3 Fototransistor, Fotothyristor und Foto-FET
635
14.4.4 CMOS-Bildsensoren
636
14.4.5 Hochdynamische CMOS-Bildsensoren
636
14.5 CCD-Sensoren
638
14.5.1 Zeilensensoren
638
14.5.2 CCD-Matrixsensoren
640
14.6 Quantum Well Infrared Photodetector QWIP
641
14.7 Thermische optische Detektoren
642
14.7.1 Thermosäulen
643
14.7.2 Pyroelektrische Detektoren
645
14.7.3 Bolometer
646
15 Signalaufbereitung und Kalibrierung
647
15.1 Signalaufbereitung
647
15.1.1 Analoge (diskrete) Signalaufbereitung
647
15.1.2 Signalaufbereitung mit Systemschaltkreisen
648
15.1.3 Signalaufbereitung mit ASICs
649
15.1.4 Signalaufbereitung mit Mikrocontrollern
649
15.2 Sensorkalibrierung
650
15.2.1 Passive Kompensation
651
15.2.2 Justage mit analoger Signalverarbeitung
651
15.2.3 Justage mit digitaler Signalverarbeitung
652
15.3 Energiemanagement bei Sensoren
654
Weiterführende Literatur
656
16 Interface
657
16.1 Analoge Interfaces
657
16.1.1 Spannungsausgang
658
16.1.2 Ratiometrischer Spannungsausgang
658
16.1.3 Stromausgang
658
16.1.4 Frequenzausgang und Pulsweitenmodulation
660
16.1.5 4-/6-Draht-Interface
661
16.2 Digitale Interfaces
662
16.2.1 CAN-Gruppe
664
16.2.2 LON
665
16.2.3 HART
666
16.2.4 RS485
666
16.2.5 IO-Link
667
16.2.6 Profibus
669
16.2.7 I2C
669
16.2.8 SPI
670
16.2.9 IEEE 1451
671
Weiterführende Literatur
674
17 Sicherheitsaspekte bei Sensoren
675
17.1 Eigenschaften zur Funktionsüberwachung
675
17.2 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
678
17.3 Funktionale Sicherheit (SIL)
681
17.4 Sensoren in explosiver Umgebung (ATEX)
683
17.4.1 Grundlagen des ATEX
683
17.4.2 Zündschutzart Eigensicherheit
685
17.4.3 Zündschutzart druckfeste Kapselung
687
Weiterführende Literatur
687
18 Messfehler, Messgenauigkeit und Messparameter
688
18.1 Einteilung der Messfehler nach ihrer Ursache
688
18.2 Darstellung von Messfehlern
689
18.2.1 Arithmetischer Mittelwert, Fehlersumme und Standardabweichung
689
18.2.2 Absoluter Fehler
690
18.2.3 Relativer Fehler
691
18.3 Messparameter
693
18.3.1 Streuung von Messwerten
693
18.3.2 Auflösung von Messwerten
694
18.3.3 Signal-Rausch-Abstand und Dynamik von Messwerten
695
Weiterführende Literatur
695
Sachwortverzeichnis
696
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