Medicion de Flujo y Presion

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Medición de Presión y Flujo Tecsup Agosto 2007

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INDICE

1. Objetivos ............................................................................................. 3 2. Medición de presión.......................................................................... 3

2.1. Dispositivos de balance de gravedad ................................ 4 2.2. Elementos de deformación elástica .................................... 5 2.3. Transductores eléctricos de presión................................... 6 2.4. Selección de transductores de presión............................... 9

3. Medición de flujo ............................................................................... 9 3.1. Generalidades........................................................................ 9 3.2. Medidores de presión diferencial..................................... 10

3.2.1. Medidores de área variable .................................. 13 3.2.2. Medidores magnéticos.......................................... 14

3.3. Medidor a turbina............................................................... 16 3.4. Medidor de vórtice ............................................................. 16

3.4.1. Medidores de desplazamiento positivo ............. 17 3.4.2. Ultrasonido............................................................. 18 3.4.3. Flujómetros de masa ............................................. 19

3.5. Cuidados en procedimientos de instalación................... 20 3.6. Comparación de las características de los sensores de

flujo ....................................................................................... 21

Tecsup Medición de Presión y Flujo Agosto 2007

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1. Objetivos • Identificar principios de medición de presión y flujo. • Reconocer sensores de presión y de flujo. • Realizar selección de sensores de presión y flujo.

2. Medición de presión

El término presión puede ser definido como la acción de una fuerza contra otra en sentido opuesto. Usualmente es medida como fuerza por unidad de área. Las unidades más usadas industrialmente incluyen al bar, libra por pulgada cuadrada (psi), atmósfera, pulgadas de agua y mercurio etc.

El tipo de presión que mayormente se mide en los procesos industriales es la denominada presión manométrica que es la que tiene como referencia o punto de partida a la presión atmosférica. Para tal fin se emplean medidores llamados manómetros cuyas escalas están graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente podemos comparar las unidades más importantes:

psi kg/cm2 bar kPa “H2O atm

psi

1 0,07031 0,06894 6,89475 27,68 0,06805

kg/cm2

14,2233 1 0,98067 98,0665 393,702 0,96785

bar 14,5038 1,01971 1 100 401,465 0,98692

kPa 0,14504 0,01019 0,01 1 4,01465 0.00987

“H2O 0,03613 0,00252 0,00249 0,24909 1 0,00246

14,696 1,03322 1,01325 101,325 406,784 1

Tabla 1: Comparación de unidades de presión.

Otros instrumentos que se emplean en algunos procesos que requieren la medición de la denominada presión de vacío, se denominan vacuómetros. En este caso se mide la “ausencia de presión” o “presión negativa” y la referencia es nuevamente la presión atmosférica.

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presión. Una de ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformación elástica y los que utilizan elementos


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que entregan una respuesta eléctrica representativa de la presión medida.

2.1. Dispositivos de balance de gravedad

Miden presiones desconocidas, balanceándolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos; a pesar de que son más usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales. Dentro de los más usados se encuentran los manómetros de tubo en "U", los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el líquido manométrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua también se usa cuando se trata de medir presiones bajas.

Figura 1: Manómetro de tubo en “U” (cortesía de Pipelinepages).


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Adicionalmente a estos dispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con líquido de sello que poco a poco van siendo dejados de lado por otros tipos de medidores.

2.2. Elementos de deformación elástica

Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presión. Dentro de estos, el más empleado es el tubo de Bourdon, cuyo nombre es en honor al ingeniero francés Eugene Bourdon, su inventor. Este dispositivo sensa la presión y la convierte a desplazamiento; a través de dispositivos mecánicos, esta presión es amplificada e indicada por una aguja.

El tubo de Bourdon está disponible en varias formas: en "C", en espiral y helicoidal. El tamaño, la forma y el material del tubo dependen del rango de presión, siendo el más usado el tubo en forma de C que es cerrado en un extremo y abierto en el otro. En la figura siguiente se aprecia el funcionamiento de este dispositivo dentro de un manómetro de aguja.

Figura 2: Tubo de Bourdon (cortesía de Efunda).

Para presiones por encima de 2000 psi, se utiliza acero inoxidable u otros materiales de alta resistencia. Los elementos empleados para presiones altas tienden a tener secciones de forma circular a diferencia de los que miden rangos más bajos, los cuales tienen secciones ovales. También se utilizan los denominados diafragmas, cápsulas y fuelles, generalmente comunes en medición de presiones relativamente más bajas que para el caso de los tubos de Bourdon).


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2.3. Transductores eléctricos de presión Cualquiera de los dispositivos de deformación elástica puede ser unido a un dispositivo eléctrico para formar un transductor eléctrico de presión. Estos producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia que permiten lograr una salida eléctrica representativa de la presión sensada. De este modo se pueden tener manómetros de aguja con una salida de 4 a 20 mA por ejemplo, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 3: Manómetro con salida eléctrica (cortesía de Fantinelli). Dentro de los sensores primarios que se utilizan en la fabricación de medidores eléctricos de presión se deben mencionar en primer término a las galgas extensiométricas (strain gages). Una galga extensiométrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual está pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presión, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente fórmula:

R = ρ L A

En donde ρ es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el área de la sección recta.

Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeños movimientos y por lo tanto pequeños cambios de presión. Las galgas extensiométricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida eléctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elástico en el cual, el elemento de deformación es de silicio


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y está sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

Figura 4: Grilla con galga y Puente de Wheatstone (cortesía de Efunda).

Hay que señalar que por sus características, estos dispositivos son también empleados en la medición de peso y esfuerzo, como por ejemplo en las denominadas celdas de carga, utilizadas en aplicaciones industriales para medir grandes pesos o por ejemplo para medir el nivel de material en un contenedor en forma indirecta a través de esta variable.

Figura 5: Típica celda de carga (cortesía de Omega).

El sensor tipo capacitivo consiste de dos placas conductivas y un dieléctrico. A medida que aumenta la presión, las placas tienden a apartarse, cambiando su capacitancia. El fluido que está midiendo, sirve de dieléctrico.

Figura 6: Transductores de presión (cortesía de Endress+Hauser).


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Actualmente se utilizan además de las galgas extensiométricas dispuestas en una grilla, aquellas denominadas galgas semiconductoras, las cuales pueden estar adheridas a un diafragma de silicio (piezoresistivas) o a un diafragma de acero inoxidable. Su selección depende de la presión aplicada. La diferencia entre este tipo de sensor y el de grilla radica en que las galgas semiconductoras permiten una mayor sensibilidad.

Figura 7: Transmisores de presión para varias aplicaciones (cortesía

de Foxboro).

Debido a que la medición de nivel y de flujo requiere en algunos casos medir presión diferencial, este tipo de presión es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivos más utilizados se emplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumáticos o electrónicos. En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cápsula de diafragma o sensor eléctrico sirve de sensor primario, radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisión). Mayores detalles sobre estos equipos los veremos más adelante.

Figura 8: Transmisor de presión diferencial (cortesía de Omega).


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2.4. Selección de transductores de presión

Hay tres consideraciones primordiales para seleccionar un transductor de presión, los requerimientos de presión del sistema, la temperatura del proceso y la compatibilidad del transductor con el fluido de proceso.

Los requerimientos de presión se relacionan con el hecho de que la presión máxima de trabajo debe ser inferior al límite superior del rango del transductor. Un dato práctico sería el considerar el rango del mismo igual al 125% de la presión normal de trabajo.

En cuanto al rango de temperatura, las condiciones normales deberán estar dentro del rango compensado de temperatura del transductor y la temperatura máxima del sistema no deberá exceder la temperatura máxima de operación especificada. Finalmente hay que asegurarse que el material del transductor es compatible con el fluido de trabajo.

3. Medición de flujo

Al igual que en los medidores de nivel, existe también una gran variedad de dispositivos de medición de flujo según sean las necesidades de un determinado proceso. Del mismo modo, la precisión del dispositivo depende de los requerimientos de dicho proceso. En general, podemos clasificar a los medidores de flujo en dos grandes grupos: los de medición en canales cerrados, aplicados en la mayoría de los casos en la industria y los de medición en canales abiertos, que se da en casos muy particulares. 3.1. Generalidades

La medición de flujo constituye tal vez, el eje más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos.

Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad


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específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí.

Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Veamos a continuación algunos de los métodos empleados para medir caudal.

3.2. Medidores de presión diferencial

Son aquellos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción. Uno de estos elementos es la placa-orificio o placa perforada. Allí, el fluido sufre una disminución de su presión, la cual es mínima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presión tiende a recuperarse, existe al final una pérdida de presión.

Una placa-orificio se coloca en una tubería, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicación del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concéntrica, la excéntrica y la segmental; la selección de algunas de éstas depende de las características del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas, tomas de tubería y tomas de vena contracta. Igualmente, aquí las características del fluido influirán en la elección de alguna de éstas.

Figura 9: Placa - orificio (cortesía de Tokyometer).


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Figura 10: Pérdida de presión en placa – orificio.

La exactitud en la medición con este dispositivo depende de las condiciones de instalación, la relación entre el diámetro del agujero y la placa (β) y las propiedades físicas del líquido que está siendo medido. La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presión diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosión y daño, es fácil de reemplazar. Para medir la presión diferencial resultante en la aplicación de una placa - orificio, se instala un transmisor de presión diferencial. Debido a la relación cuadrática entre la señal obtenida y el flujo medido, se hace necesario extraer la raíz cuadrada a la información. Años atrás se requería para este fin ubicar un extractor de raíz cuadrada a la salida del transmisor. Actualmente esta operación es una opción en el instrumento receptor de la salida del transmisor o del propio transmisor.


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Figura 11: Medición con transmisor de presión diferencial.

Otra restricción de tubería para la medición del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseñado a la longitud de la misma. Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas más pequeñas y se utiliza para tuberías grandes; a medida que el fluido pasa a través de la garganta, la velocidad aumenta causando una presión diferencial entre la entrada y la salida. Este dispositivo es más preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente más costoso y más difícil de instalar. Tiene la ventaja de poder manejar grandes volúmenes de flujo a bajas caídas de presión. Puede ser utilizado incluso en fluidos con alto contenido de sólidos. Las tomas de presión utilizados para el tubo Venturi, están situadas en los puntos de máximo y mínimo diámetro de tubería.

Figura 12: Medición con tubo de Ventura.

Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difícil


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de instalar. Las tomas de presión en este caso se ubican según recomendaciones del fabricante.

Otro elemento primario para medir flujo en base a la presión diferencial, es el Tubo Pilot, el cual en su forma más simple, consiste en un tubo con un orificio pequeño en el punto de medición (impacto). Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presión es máxima. La otra presión para obtener la medida diferencial, se toma de un punto cercano a la pared de la tubería.

Realmente, el tubo Pilot mide velocidad de fluido y no caudal y además, no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubería. Podría por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un río o flujo de aire al ser suspendido desde un avión.

Figura 13: Medición con tubo de Pitot.

3.2.1. Medidores de área variable

Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variación de presión, mientras el área permanece constante. Aquí sin embargo, lo que permanece constante es la presión diferencial, gracias a la suficiente variación del área. Uno de estos es el rotámetro el cual consta de un tubo cónico vertical que encierra un flotador; éste, dependiendo del caudal, toma una posición en el tubo que aumenta o disminuye el tamaño del área y así mantiene la presión constante. Una escala graduada dentro del tubo, estará calibrada en unidades de presión y así tener una lectura directa de la misma. Los rotámetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plástico. Estos dos últimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o muy oscuro para permitir la colocación de una escala interna. En esos casos se usa un seguidor magnético relacionado a un imán colocado en el


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flotador interno y así transmitir mecánicamente la variación del caudal a un indicador.

Figura 14: Rotámetros (cortesía de King Instrument Co.).

3.2.2. Medidores magnéticos

Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente. En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular al eje del cuerpo. A medida que varía el flujo a través del cuerpo, se obtiene un voltaje proporcional a la velocidad promedio del fluido; esta señal es luego tratada en el transmisor para ser enviada convenientemente al instrumento receptor dentro del lazo.


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Figura 15: Principio de un medidor magnético (cortesía de Omega).

Figura 16: Medidor magnético (cortesía de Omega).

Una ventaja de estos dispositivos es que no interesa si el flujo es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presión. Si bien es cierto se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales.


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3.3. Medidor a turbina

Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisión, montada en cojinetes de una porción de tubería, y una bobina electromagnética colocada en la pared de la tubería, causa el giro de la turbina a una velocidad que varía directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupción del campo magnético, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso eléctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido. Estos medidores proveen una gran precisión para medir flujos de líquidos limpios y gases. Como desventaja, se tiene el hecho que causan una caída de presión y al tener partes móviles, están sujetas al desgaste.

Figura 17: Medidor a turbina (cortesía de Omega).

3.4. Medidor de vórtice

Utiliza un fenómeno natural que ocurre cuando un líquido fluye alrededor de un cuerpo colocado a la entrada de la tubería propia del medidor. Se generan así vórtices o remolinos siguiendo la dirección al flujo. La frecuencia de los mismos es directamente proporcional a la velocidad del fluido. Un sensor detecta la presencia de estos vórtices y genera impulsos eléctricos los cuales son posteriormente acondicionados por un transmisor cuya salida es proporcional al flujo. Una de sus ventajas es que no posee partes móviles. Sin embargo, pueden ser sensibles al ruido en la línea y requieren flujos lo suficientemente altos para generar los vórtices.


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El medidor puede medir flujo instantáneo o caudal o flujo total. Estos dispositivos son ideales para medir con precisión flujo de gases, líquidos o vapor, no siendo adecuados para pulpas o fluidos muy viscosos.

Figura 18: Medidor de vórtice (cortesía de Omega).

3.4.1. Medidores de desplazamiento positivo

Son dispositivos que miden flujos totales. Esto medidores separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos. Los medidores son fabricados de modo tal que cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos de una medida muy aproximada del volumen total que pasa a través del medidor. La mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánico y usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc. Estos medidores tienen una gran precisión y son de los pocos que sirven para medir fluidos viscosos; sin embargo, al igual que los de turbina, originan caída de presión y sus partes móviles están sujetas al desgaste.


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Figura 19: Medidor oval (cortesía de Brooks).

3.4.2. Ultrasonido

Utilizan los métodos de medición de tiempo de tránsito o el de Doppler de desfase de frecuencia para medir la velocidad de un fluido en una tubería. Además de no introducir obstrucciones en la línea, pueden ser medidores no invasivos si los transductores sónicos son montados al exterior de la tubería. Son de buena precisión y se pueden aplicar para la mayoría de los fluidos, incluyendo pulpas.

Figura 20: Medición por efecto Doppler (cortesía de Omega).


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3.4.3. Flujómetros de masa

La continua necesidad de lograr mediciones más precisas en procesos relacionados a masas (reacciones químicas, transferencia de calor, etc.) han resultado en el desarrollo de los denominados flujómetros de masa. Si bien es cierto que existen varios diseños, el más comúnmente usado es el medidor tipo Coriolis. Aquí el fluido fluyendo a través de un tubo vibrante (generalmente en forma de “U”), causa una deflexión en el tubo proporcional al flujo de masa. Pueden ser usados para medir flujo de masa de líquidos, pulpas, gases y vapores.

Estos medidores tienen gran exactitud. Sin embargo, la delgada pared del tubo requiere una cuidadosa selección del material para minimizar los efectos de la corrosión o de la erosión. También es posible medir con éste método, densidad y concentración de fluidos.

Figura 21: Medidor tipo Coriolis (cortesía de Emerson).

Los flujómetros de masa térmicos usan un elemento sensor de calor, aislado del camino del fluido. El flujo conduce el calor desde el elemento sensor, siendo este calor proporcional al flujo de masa. Mayormente utilizados para medir gases, existen también algunos diseños para medición de líquidos.

En los casos de medición de caudal en canales abiertos, se pueden mencionar la represa, la tobera abierta y los vertederos en donde básicamente se


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mide nivel de fluido, que varía al pasar por estos dispositivos. Un pozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel (generalmente un flotador), cuya posición vertical varía en función del caudal.

3.5. Cuidados en procedimientos de instalación

Los sensores de flujo presentan algunos cuidados a ser tomados en cuenta al momento de realizar la instalación. La mayoría de los medidores de caudal necesitan de longitudes mínimas en ambos sentidos de la corriente con el fin de evitar que posibles torbellinos aleatorios influyan en el elemento sensor, lo que puede originar errores de medición. Por ejemplo, dispositivos a turbina requieren de una longitud mínima equivalente a 20 veces el diámetro del sensor y antes del mismo (siguiendo la dirección del fluido) y de 5 veces el diámetro del sensor después de la turbina. Por ejemplo en la Figura 19 se muestra la posición de montaje de un sensor de flujo del tipo magnético “aguas arriba” según la dirección del fluido. Para otros tipos de sensores estas medidas serán diferentes. Incluso en algunas instalaciones son requeridas la instalación de filtros a cierta distancia antes del sensor.

Otra consideración a tener en cuenta es la relacionada al efecto de la gravedad terrestre, la que puede afectar los sensores con elementos mecánicos, debido a que son instalados en lugares diferentes en el que fueron calibrados. Para esto se requiere verificar la orientación, como por ejemplo en los medidores unidireccionales en los que el fabricante coloca flechas marcadas en el cuerpo del instrumento. También es interesante no superar la velocidad de los elementos rotativos, como en los medidores de turbina. La presencia de gases en los fluidos puede provocar excesos de velocidad.

Figura 22: Posición de montaje de un sensor magnético de flujo.


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3.6. Comparación de las características de los sensores de

flujo

A seguir se muestra en la Tabla 2 una comparación de las características de los sensores de flujo, teniendo en cuenta que sólo están presentados los elementos primarios, sin considerar los transmisores ni los receptores correspondientes. En base a esta comparación son orientados los procedimientos de selección, los que son delineadas según el tipo de fluido, el alcance de medición, la temperatura y presión máximas a la que el sensor estará operando. Note que son incluidas las ventajas y desventajas en cuanto a consideraciones económicas, de precisión en la medición y en el tipo de fluido.


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Tabla 2: Tabla comparativa de las características de sensores de flujo.

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