JP4816489B2 - センサ内蔵装置用較正装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば温度センサなどのセンサと、その感度ばらつきやオフセットばらつきを較正する較正回路部をもつ電子回路装置（以下、センサ内蔵装置とも言う）の較正データを演算してセンサ内蔵装置にそれを書き込むセンサ内蔵装置用較正装置の改良に関する。この発明のセンサ内蔵装置用較正装置は、温度や湿度を検出するセンサ内蔵装置の較正に好適に適用される。

種々の電力レベルで用いられるほとんどの電子回路装置において、それを構成する各部品特に半導体部品の入出力特性は温度により変化し、かつ、使用温度範囲も厳密に守る必要がある。このため、最も簡素な電子回路を除く多くの電子回路装置では、サーミスタや接合ダイオード等の温度センサを内蔵し、検出した温度をモニタしている。特に、モータ駆動用インバータやDCDCコンバータなどパワー半導体スイッチング素子を内蔵する電力制御装置では、パワー半導体スイッチング素子の温度保護のための温度検出系を装置に内蔵させることが一般に行われている。

上記した温度検出型の電子回路装置（温度センサ内蔵装置とも言う）では、温度検出誤差低減の低減が重要な問題となる。下記の特許文献１は、較正データが書き込まれた不揮発メモリと、温度センサの感度とオフセット値とを上記較正データを用いて補正する補正回路とを有する温度制御装置を提案している。

この種の温度較正式センサ装置における較正データの取得において通常行われている従来方法の一例を以下に説明する。

まず、この温度較正式センサ装置を所定の第１温度（低温）に入れて所定時間経過後、その時の出力データ（第１の温度・出力値のペア）を取得して記憶する。次に、この温度較正式センサ装置を所定の第２温度（高温）に入れて所定時間経過後、その時の出力データ（第２の温度・出力値のペア）を取得して記憶する。温度較正式センサ装置は、記憶するこれら２点のデータから得られる自己の線形特性に検出した信号電圧を代入して温度較正を行い、較正済みの信号を出力する。
特表２００２−５１９７７８号公報

しかしながら、上記した従来の温度較正方法では、互いに異なる一定温度をもつ少なくとも２つの恒温槽などの温度を一定にする装置に温度較正式センサ装置（製品）を長時間保持する必要があるため、較正データ取得のための設備費用や較正作業の生産性が悪く、量産体制構築の場合のネックとなっていた。特に、この問題は、大電力のDCDCコンバータ装置やモータ駆動用インバータ装置のように比較的大型大重量でその熱容量が大きい場合に一層顕著となった。このような問題は、温度センサ内蔵装置以外にも、湿度センサ内蔵の電子回路装置や特殊なセンサを内蔵する電子回路装置などにおいても同様に生じた。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、設備の簡素化と作業負担の軽減とを実現しつつ高精度の較正データ取得が可能なセンサ内蔵装置用較正装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明のセンサ内蔵装置用較正装置は、検出すべき所定の物理量（Ｔ）の少なくとも所定の区間おいて物理量（Ｔ）にほぼ線形の関係をもつ検出信号（Ｖ）を出力する検出回路部と、入力された前記検出信号（Ｖ）に実質的に線形の関係をもつ出力信号（Ｓ）を出力する処理回路部と、予め記憶する所定の較正用データを用いて前記検出信号（Ｖ）を較正して前記出力信号（Ｓ）とする較正回路部とを有するセンサ内蔵装置へ前記較正用データを書き込むことにより前記センサ内蔵装置の較正を行うセンサ内蔵装置用較正装置において、前記検出回路部に与えられる前記物理量（Ｔ）における所定の値である所定値（Ｔｘ）を観測する較正用センサを有し、前記所定値（Ｔｘ）を前記較正用センサから読み込み、予め取得されている前記物理量（Ｔ）と前記検出信号（Ｖ）との間の線形関係に相当する前記検出回路部の部品特性データと、前記検出回路部に前記所定値（Ｔｘ）が与えられる場合に前記処理回路部が出力する前記出力信号（Ｓ）の値（Ｓｘ）とを前記センサ内蔵装置から読み込み、前記部品特性データから前記センサ内蔵装置の感度（ｃ）を演算し、
前記所定値（Ｔｘ）とその時の前記出力信号（Ｓ）の値（Ｓｘ）とのペアからなる１点の座標データ（Ｐ）を求め、前記感度（ｃ）及び前記座標データ（Ｐ）から前記センサ内蔵装置の特性を規定する装置特性データを求めて前記較正用データとして前記センサ内蔵装置に記憶させることを特徴としている。

検出回路部は、センサと、このセンサの出力信号を増幅したり、処理回路部に伝送したりする回路部である。処理回路部は、好適には検出回路部が検出したアナログの検出信号（Ｖ）をデジタル信号である出力信号（Ｓ）に少なくとも変換するA/Dコンバータを含み、デジタル信号である出力信号（Ｓ）は、その後のマイコンでの信号処理に用いられる。較正回路部は、マイコンのソフトウエア演算により実現することが簡単である。

すなわち、このセンサ内蔵装置用較正装置は、従来装置と同じく、センサ内蔵装置の較正用データ記憶メモリに較正用データを記憶する。センサ内蔵装置は、検出信号をこの較正用データを用いて較正する。本発明のセンサ内蔵装置用較正装置は、従来のように物理量（Ｔ）と出力信号（Ｓ）とのペアからなるデータペアを２点以上実測し、これらのデータペアからなる較正用データにより推定したセンサ内蔵装置の特性により較正を行うのではなく、物理量（Ｔ）と出力信号（Ｓ）とのペアからなるデータペアを１点実測し、このデータペアを用いて推定したセンサ内蔵装置の特性により較正を行う。なお、実測されるこの１点のデータペアは、好適にはその時の室温（常温）により得られる。これにより、たとえば温度センサにおいては従来必須であった２つの恒温槽の建設運営が不要となるという効果が得られる。同様に、湿度センサにおいても従来必須であった２つの恒湿槽の建設運営が不要となるという効果が得られる。

しかしながら、一点の実測データでは本来オフセット誤差しか観測することができない。そこで、通常のセンサ内蔵装置では、オフセットばらつき（すなわち出力信号（Ｓ）のDCばらつき量）とともに感度ばらつきの較正が必須である。そこで、本発明では、センサ内蔵装置の検出系の一部を構成する上記検出回路部の感度（ｃ）すなわち物理量（Ｔ）と検出信号（Ｖ）との間の変換率を、少なくとも２点実測して求め、この検出回路部の感度（ｃ）を用いてセンサ内蔵装置の感度を決定する。

正確には、センサ内蔵装置の感度は、検出回路部の感度（ｃ）と、処理回路部の感度との積となるが、処理回路部の感度ばらつきは検出回路部の感度（ｃ）のばらつきに比べて格段に小さいため、予め求めた所定の定数値として支障がない。このようにして求めたセンサ内蔵装置の感度とセンサ内蔵装置の上記一点の実測データから求めたオフセット値から推定した１次関数形式のセンサ内蔵装置の特性により、従来の２点実測データを用いた較正と同様の較正を実用精度にて行うことができる。

なお、本発明では、検出回路部の感度（ｃ）を求めるためにその２点以上実測データを求める必要があるため、従来のセンサ内蔵装置の２点以上実測データを求める場合よりも一見は煩雑に思われるが、通常の生産では、各回路部を実装してセンサ内蔵装置を製作する前に各回路部特に検出回路部の感度のばらつき及びオフセットのばらつきが許容範囲かどうかの実測とそれによるパーツメーカー側の出荷選別検査又はアセンブリメーカー側の受け入れ検査は必須に行われるため、これらの検査により得られた２点以上実測データにより、検出回路部の実測感度データは得られる。

したがって、このような各検出回路部の実測感度データと、好適には常温で行われるセンサ内蔵装置の一点実測データにより、センサ内蔵装置の一次関数特性すなわち感度とオフセットとを求めることができる。

したがって、本発明によれば、従来に比べて試験環境たとえば恒温環境や恒湿環境の構築を大幅に簡素化することができ、かつ試験時間を大幅に短縮することができ、生産性向上とコストダウンとが可能となる。

好適な態様において、前記検出回路部は、検出すべき所定の物理量（Ｔ）の少なくとも所定の区間において物理量（Ｔ）にほぼ線形の関係をもつ検出信号（Ｖ１）を出力するセンサ部と、入力される前記検出信号（Ｖ１）に実質的に線形の関係をもつ前記検出信号（Ｖ）を出力する中間回路部とからなり、予め取得されている前記物理量（Ｔ）と前記検出信号（Ｖ１）との間の線形関係に相当する前記センサ部の部品特性データと、予め取得されている前記検出信号（Ｖ１）と前記検出信号（Ｖ）との間の線形関係に相当する前記中間回路部の部品特性データとを読み込み、前記両部品特性データからそれぞれ演算した感度（ａ）、感度（ｂ）を積算して前記センサ内蔵装置の感度（ｃ）を演算する。

すなわち、この態様によれば、検出回路部が、前段のセンサ部と、次段の中間回路部とに別々に分かれている。センサ部及び中間回路部は、それぞれ２点実測データ試験されている。これらの２点実測データを用いてセンサ部の感度と中間回路部の感度とがそれぞれ演算され、それらの積として検出回路部の感度（ｃ）が演算される。これにより、検出回路部の各部ごとに既述の出荷試験乃至受け入れ試験を行う場合においても、試験負担が増大することが無い。

本発明の好適な実施形態を以下の実施例により具体的に説明する。この実施形態は、製品である電子回路装置（本発明で言うセンサ内蔵装置）の温度検出系の回路特性（特に温度特性）を較正する温度較正装置（本発明で言うセンサ内蔵装置用較正装置）の改良を説明するものである。

（回路構成）
図１は、この温度較正装置の構成を模式的に示すブロック回路図である。図１において、１０は温度特性を較正すべきセンサ内蔵装置（以下、製品とも言う）、２０はこの製品１０から特性データを取得して製品１０の不揮発メモリからなる較正用データ記憶メモリに較正用データを書き込む温度較正装置、３０は製品１０の温度を検出して温度較正装置２０に出力する較正用温度センサである。この実施形態では、
製品１０は、たとえば高電圧の三相交流モータを制御する三相インバータ装置である。製品１０は、温度検出回路系としてセンサ部１、信号伝送部２及び信号処理部３を内蔵している。センサ部１は、たとえば不図示のパワースイッチング素子のTに対応してアナログ電圧Ｖ１を出力する。信号伝送部２は、センサ部１から信号処理部３へ信号を伝送する。すなわち、入力されたアナログ電圧Ｖ１に対応するアナログ電圧Ｖ（検出信号）を信号処理部３に出力する。信号処理部３は入力インターフェイスとしてのＡ／Ｄコンバータ３aを装備するマイコンからなる。伝送部２から出力される検出信号ＶはこのＡ／Ｄコンバータ３ａのサンプルホールド回路に入力され、サンプルホールドされた電圧はＡ／Ｄ変換されてデジタル信号となり、較正回路部３bを通じて外部への出力信号（Ｓ）となる。サンプルホールド回路をもつＡ／Ｄコンバータ３ａとしては市販品が用いられるが、その温度変化に対する感度ばらつきやオフセットばらつきは、製品仕様として知られている。この実施形態では、ＡＳＳＹとしての一点温度（常温）でオフセット補正を実施しているため、Ａ／Ｄコンバータのオフセット誤差も較正される。較正回路部３ｂは、マイコンのソフトウエアにより実現される。なお、温度較正装置２０による較正時には、較正回路部３ｂを経由することなく出力信号（Ｓ）を取り出してもよい。

（較正用データ書き込み動作）
まず最初に、センサ部１の２点実測データＳ１と、信号伝送部２の２点実測データＳ２とが予め採取され、これら２種類の２点実測データＳ１、Ｓ２が温度較正装置２０に読み込まれる。

センサ部１の２点実測データＳ１は、所定の低温ＴＬ（２５℃）でセンサ部１が出力するアナログ電圧Ｖ１の値Ｖ１Ｌにより構成される１点実測データ（Ｖ１Ｌ）と、所定の高温ＴＨ（１５０℃）でセンサ部１が出力するアナログ電圧Ｖ１の値Ｖ１Ｈにより構成される１点実測データ（Ｖ１Ｈ）とからなる。

信号伝送部２の２点実測データＳ１は、所定の低温ＴＬ（２５℃）で信号伝送部２の入力端に所定の基準電圧Ｖ１Ｌ’を入力した場合に信号伝送部２が出力するアナログ電圧Ｖの値ＶＬにより構成される１点実測データ（ＶＬ）と、所定の高温ＴＨ（１５０℃）で信号伝送部２の入力端に所定の基準電圧Ｖ１Ｈ’を入力した場合に信号伝送部２が出力するアナログ電圧Ｖの値ＶＨにより構成される１点実測データ（ＶＨ）とからなる。

これらの２点実測データＳ１、Ｓ２は、センサ部１及び信号伝送部２を製品１０に組み付ける前に採取される。センサ部１及び信号伝送部２を外注する場合には、パーツメーカ側にて出荷前に実施してもよく、アセンブリメーカ側にてそれらの受け入れ時に実施してもよい。これらの２点実測データＳ１、Ｓ２を得るテストの際に、これらの２点実測データＳ１、Ｓ２が所定の許容範囲から外れているものは不良品として排除される。

次に、センサ部１、信号伝送部２及び信号処理部３を組み付けて製品１０を完成させる。この製品１０の温度検出系をその時の温度環境（Ｔx）にて実測試験を行い、得られた一点実測データＳ３（Ｔx、Ｓx）を温度較正装置２０に読み込む。

温度較正装置２０は、マイコンからなる内部に較正用データ演算部２０aをもつ。この較正用データ演算部２０ａは、２点実測データＳ１からその傾斜率すなわち感度（ａ）を演算し、２点実測データＳ２からその傾斜率すなわち感度（ｂ）を演算し、これら感度（ａ）と感度（ｂ）とを積算して合成感度（ｃ）を得る。この合成感度（ｃ）は、センサ部１と信号伝送部２とからなる検出回路部の感度である。

次に、横軸が温度（Ｔ）、縦軸が出力信号（Ｓ）となる二次元座標系上において、一点実測データＳ３（Ｔx、Ｓx）を通過し、傾斜率が合成感度（ｃ）に等しい特性線を求め、この特性線が所定の低温ＴＬ’（１５℃）と交差する時の出力信号（Ｓ）の値（Ｓ１５）と、この特性線が所定の低温の高温ＴＨ’（１７５℃）と交差する時の出力信号（Ｓ）の値（Ｓ１７５）とを算出する。したがって、得たＳ１５とＳ１７５とは製品１０の２点推定データを構成する。次に、この２点推定データ（Ｓ１５、Ｓ１７５）を製品１０の不揮発メモリからなる較正用データ記憶メモリに較正用データとして記憶する。これにより、従来の２点実測データ（Ｓ１５、Ｓ１７５）と同様、較正用データ記憶メモリには２点推定データ（Ｓ１５、Ｓ１７５）が較正用データ記憶メモリに記憶されることになる。

なお、上記した一点実測データＳ３を製品１０から温度較正装置２０に読み込む際に、製品１０の較正回路部をなす較正ルーチンは作動しないようされる。たとえば、較正用データ記憶メモリに較正用データが書き込まれていない場合には較正ルーチンが作動しないようにすればよい。もしくは、較正用データ記憶メモリに記憶された較正用データが実質的に０値である場合には較正用データが書き込まれていないものとして扱うことができる。もしくは記憶する較正用データが実質的に０であれば、較正後に外部に較正のために出力する出力信号（Ｓ’）が変化しないような式にて較正を行ってもよい。

（変形態様）
既述した合成感度（ｃ）と一点実測データＳ３とから得た特性線の所定の２つの温度（ＴＬ、ＴＨ）の時の出力信号（Ｓ）の値（Ｓ１５、Ｓ１７５）を２点推定データとして算出して較正用データとする代わりに、合成感度（ｃ）と一点実測データＳ３とを較正用データとして記憶してもよいことは明らかである。その他、合成感度（ｃ）と一点実測データＳ３とから得た特性線の温度０における出力信号（Ｓ）の値と合感度（ｃ）とを記憶してもよい。要するに、合成感度（ｃ）と一点実測データＳ３とから得た上記特性を再現できる一次関数を較正用データ記憶メモリに記憶できればよい。

（製品１０の較正回路部）
次に、製品１０の較正回路部の較正動作を説明する。較正回路部はマイコン構成の信号処理部３により構成される。この較正回路部の較正用データ記憶メモリに書記憶された較正用データである製品１０の温度特性線にアナログ電圧Ｖが入力され、対応する出力信号（Ｓ）が温度Ｔの構成済みの温度信号として算出される。

（数式による説明）
次に、数式により説明する。

aはセンサ部１の感度、bは信号伝送部２の感度、kは信号処理部３の感度、d1、d2、d3は定数値とすれば、
Ｖ１＝a・Ｔ＋d1
Ｖ＝b・Ｖ１＋d2
Ｓ＝k・Ｖ＋d3
が成立する。したがって、
Ｓ＝k（b・Ｖ１＋d2）＋d3
＝k（b・（a・Ｔ＋d1）＋d2）＋d3
＝k・b・a・Ｔ＋k・b・d1＋k・d2＋d3
＝c・Ｔ＋d
となる。

c＝k・b・a
d＝k・b・d1＋k・d2＋d3
kは既知であり、製品ごとにほとんどばらつきが無いものとする。

したがって、センサ部１及び信号伝送部２の２点実測データＳ１、Ｓ２からa、bを求め、一点実測データＳ３とcから定数値dを求めれば、製品１０の特性が判明する。この特性に出力信号（Ｓ）を代入すれば、較正済みの温度を求めることができる。

（実装例）
次に、三相インバータ装置に実装した製品の例における他の較正例を説明する。この較正例は、較正用データ記憶メモリに２点推定データ（Ｓ１５、Ｓ１７５）を記憶しておき、この２点推定データ（Ｓ１５、Ｓ１７５）と予め記憶する特性式とを用いて較正を行うものである。

図２において、１００はスイッチング素子、２００はドライブ基板、３００はモータ制御ECUである。

モータ制御ＥＣＵ３００は１チップマイコンにより構成されており、ドライブ基板２００の低電圧部に実装されている。スイッチング素子１００には、三相インバータをなす６つのIGBTに個別に内蔵された所定個数のシリコン接合ダイオードを直列接続してなる温度センサと、各温度センサに定電流を給電する定電流電源とからなるセンサ部１が内蔵されている。

スイッチング素子１００のセンサ部１から出力されたアナログ電圧Ｖ１は、ドライブ基板２００の信号伝送部２に入力される。信号伝送部２は、アナログ電圧Ｖ１をPWM変調した後、フォトカプラを通じて電気絶縁された低電圧側のＡ／Ｄコンバータ３ａに出力される。したがって、図１で示す信号伝送部２が出力するアナログ電圧Ｖは、実際にはPWM変調電圧の形態をもつ。モータ制御ＥＣＵ３００は、Ａ／Ｄコンバータ３ａでデジタル信号に変換された出力信号（Ｓ）を内部の較正回路部としての較正ルーチンにより較正して自己が使用したり、外部に出力したりする。

（温度較正動作）
次に、図２に示す三相インバータ装置の較正動作を以下に説明する。

（step１）
スイッチング素子１００内蔵のセンサ部１の２点実測データＳ１を取得し、たとえばQRコードによりスイッチング素子に印字する。この２点実測データＳ１は、Ｖ１Ｌ＝VIG25（25℃）と、Ｖ１Ｈ＝VIG150（150℃）とからなる。

（step２）
ドライブ基板２００の２点実測データＳ２を取得し、たとえばQRコード化しドライブ基板２００に貼付ける。この２点実測データＳ２は、ＶＬ、ＶＨとから求めた感度（ｂ）からなるが、ドライブ基板２００の信号伝送部２の三角波の温度傾斜特性としてもよい。

（step３）
スイッチング素子１００及びドライブ基板２００を製品１０に相当する三相インバータ装置を組み付けた後、上記各QRコードをこの製品１０が搭載された搬送用パレットのIDタグに書込む。

（step４）
インバータ組付け完了後、温度較正装置２０へIDタグから各２点実測データＳ１、Ｓ２を読込む。

（step５）
モータ制御ＥＣＵ３００から温度較正装置２０へ一点実測データＳ３の出力信号（Ｓ）であるＳｘを送信する。

（step６）
較正用温度センサ３０が取得した温度Ｔxを温度較正装置２０へ読み込む。

（step７）
読み込まれた各データを用いて下記の式にて２点実測データＳ１５、Ｓ１７５を演算する。Ｓ１５は、１５℃における製品１０の出力信号（Ｓ）の値、Ｓ１７５は、１７５℃における製品１０の出力信号（Ｓ）の値である。

Ｓ１５＝Ｓx＋（１５ーＴx）・（VIG25ーVIG150）・ｂ・k／（２５−１５０）
Ｓ１７５＝Ｓx＋（１７５ーＴx）・（VIG25ーVIG150）・ｂ・k／（２５−１５０）
なお、kは主として信号処理部３の感度により構成される比例定数である。

（step８）
校正データが許容範囲内に入っているかどうかを検査し、入っていなければ不良品とし、入っていれば２点推定データをなすＳ１５、Ｓ１７５を信号処理部３の較正用データ記憶メモリに記憶させる。
（変形態様）
上記実施形態では、検出すべき温度範囲の全区間にわたって直線近似したが、検出すべき温度範囲を所定の複数の区間に分割し、各区間ごとに上記較正処理を行っても良い。この場合には、較正されるべき装置は折れ線グラフ型の入出力特性により近似されることになる。

実施形態の温度較正装置の構成を模式的に示すブロック回路図である。 実施形態の温度較正装置を適用した三相インバータ装置の温度検出系を示すブロック回路図である。

符号の説明

１ センサ部
２ 信号伝送部
３a Ａ／Ｄコンバータ
３b 較正回路部
３ 信号処理部
１０ 製品
２０a 較正用データ演算部
２０ 温度較正装置
３０ 較正用温度センサ
１００ スイッチング素子
２００ ドライブ基板
３００ モータ制御ECU

Claims (2)

1. 検出すべき所定の物理量（Ｔ）の少なくとも所定の区間おいて物理量（Ｔ）にほぼ線形の関係をもつ検出信号（Ｖ）を出力する検出回路部と、入力された前記検出信号（Ｖ）に実質的に線形の関係をもつ出力信号（Ｓ）を出力する処理回路部と、予め記憶する所定の較正用データを用いて前記検出信号（Ｖ）を較正して前記出力信号（Ｓ）とする較正回路部とを有するセンサ内蔵装置へ前記較正用データを書き込むことにより前記センサ内蔵装置の較正を行うセンサ内蔵装置用較正装置において、
   前記検出回路部に与えられる前記物理量（Ｔ）における所定の値である所定値（Ｔｘ）を観測する較正用センサを有し、
   前記所定値（Ｔｘ）を前記較正用センサから読み込み、
   予め取得されている前記物理量（Ｔ）と前記検出信号（Ｖ）との間の線形関係に相当する前記検出回路部の部品特性データと、前記検出回路部に前記所定値（Ｔｘ）が与えられる場合に前記処理回路部が出力する前記出力信号（Ｓ）の値（Ｓｘ）とを前記センサ内蔵装置から読み込み、
   前記部品特性データから前記センサ内蔵装置の感度（ｃ）を演算し、
   前記所定値（Ｔｘ）とその時の前記出力信号（Ｓ）の値（Ｓｘ）とのペアからなる１点の座標データ（Ｐ）を求め、
   前記感度（ｃ）及び前記座標データ（Ｐ）から前記センサ内蔵装置の特性を規定する装置特性データを求めて前記較正用データとして前記センサ内蔵装置に記憶させることを特徴とするセンサ内蔵装置用較正装置。
2. 前記検出回路部は、検出すべき所定の物理量（Ｔ）の少なくとも所定の区間において物理量（Ｔ）にほぼ線形の関係をもつ検出信号（Ｖ１）を出力するセンサ部と、入力される前記検出信号（Ｖ１）に実質的に線形の関係をもつ前記検出信号（Ｖ）を出力する中間回路部とからなり、
   予め取得されている前記物理量（Ｔ）と前記検出信号（Ｖ１）との間の線形関係に相当する前記センサ部の部品特性データと、予め取得されている前記検出信号（Ｖ１）と前記検出信号（Ｖ）との間の線形関係に相当する前記中間回路部の部品特性データとを読み込み、
   前記両部品特性データからそれぞれ演算した感度（ａ）、感度（ｂ）を積算して前記センサ内蔵装置の感度（ｃ）を演算する請求項１記載のセンサ内蔵装置用較正装置。

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