Summary
여기서, 우리는 검출기 코일 기반 펄스 에디 전류 센서를 사용하여 전도성 강자성 물질의 상대 두께(즉, 기준대비 백분율로 두께)를 정량화하는 프로토콜을 제시하고 교정을 극복합니다. 요구 사항.
Abstract
비파괴 평가 (NDE)에 의한 전도성 강자성 물질의 두께 정량화는 인프라의 구조적 건강 모니터링의 중요한 구성 요소이며, 특히 큰 직경의 전도성 상태를 평가하기위한 것입니다. 에너지, 물, 석유 및 가스 부문에서 발견되는 강자성 파이프. 펄스 에디 전류(PEC) 감지, 특히 검출기 코일 기반 PEC 센서 아키텍처는 이러한 목적을 위한 효과적인 수단으로 수년에 걸쳐 확립되어 왔습니다. 전작에서는 PEC 센서와 처리 신호를 설계하기 위한 접근 방식이 제시되었습니다. 최근에는 두께 정량화를 목적으로 하는 검출기 코일 기반 시간 도메인 PEC 신호의 감쇠율의 사용이 연구되고 있다. 이러한 작업은 감쇠 율 기반 방법이 센서 모양 및 크기, 코일 회전 수 및 여기 전류와 같은 요인에 대한 내성 정도를 가진 검출기 코일 기반 센서 아키텍처에 대한 일반성을 보유한다는 것을 확립했습니다. 또한,이 방법은 회색 주철로 만든 큰 파이프의 NDE에서 그 효과를 보여 주었다. 이러한 문헌에 따라, 이 작업의 초점은 명시적으로 PEC 센서 검출기 코일 전압 붕괴 속도 기반 전도성 강자성 재료 두께 정량화이다. 그러나, 이 방법에 의해 직면 한 과제는 교정의 어려움, 특히 특정 파이프 재료의 전기 및 자기 특성을 측정하거나 교정을 얻기 때문에 그(것)들의 관 상태 평가에서와 같은 응용에 관해서 샘플은 실제로 어렵다. 이러한 과제에 의해 동기를 부여받은 이 작품은 일부 전작에서 수행한 실제 두께를 추정하는 것과는 달리, 이 작품은 상대 두께(즉, 특정 위치의 두께)를 정량화하기 위해 부패율 기반 방법을 사용하는 프로토콜을 제시합니다. 최대 두께) 교정요구 없이
Introduction
펄스 에디 전류 (PEC) 감지 기술은 아마도 에디 전류 (EC) 비파괴 평가 (NDE) 기술의 가족의 가장 다재 다능한 구성원이며 결함의 검출 및 정량화, 금속 및 금속 구조의 기하학에 많은 응용 프로그램을 가지고1. 전도성 강자성 벽과 같은 구조물의 두께 정량화는 수 밀리미터에서 수십 밀리미터 이하의 벽 두께를 가지며 인프라의 구조 상태 모니터링 분야에서 수요가 높은 엔지니어링 서비스입니다. 이 서비스를 필요로 하는 강자성 합금으로 만들어진 중요한 인프라는 에너지, 물, 석유 및 가스 산업에서 일반적으로 사용할 수 있습니다. PEC 센서는 여러 아키텍처를 따라 설계될 수 있지만, 검출기 코일 기반 아키텍처는 강자성 물질2,3,4,5의상태 평가에서 가장 효과적이고 일반적으로 사용되는 것으로 결정되었다. 따라서, 전도성 강자성 물질의 두께 정량화 문제에 기초를 설정하는 것은 검출기 코일 기반 PEC 센서 아키텍처이다.
검출기 코일 기반 PEC 센서 아키텍처는 일반적으로 두 개의 동심상, 공기 코어, 전도성 코일2,3,4,5,6 (일반적으로 구리 코일)로 구성됩니다. 이러한코일은 모양2,3,4,5,6에서원형으로 감는 것이 매우 일반적이지만, 때때로 직사각형 모양의 코일6이 사용되어 왔다. 센서의 두 코일에서 하나는 엑시터 코일로 동작하고 다른 하나는 검출기 코일 역할을 합니다. PEC 센서에서 엑시터 코일은 전압 펄스에 의해 흥분됩니다 - 원칙적으로 Heaviside 스텝 기능으로 특징 지어질 수있는 것입니다. 이 펄스 여기는 센서 주위에 일시적인 자기장(기본 장이라고 함)을 생성합니다. 센서가 전도성 테스트 조각(예: 전도성 강자성 벽과 같은 구조)에 인접해 놓으면 이 과도 자기장은 테스트 피스에서 시간 다양한 에디 전류를 유도합니다. 이러한 에디 전류는 기본 필드를 반대하는 보조 자기장(보조 필드라고 함)을 생성합니다. 1차 및 2차 필드의 결과효과에 반응하여, 과도 전압은 검출기 코일에서 유도된다-이는 이 작업에 대한 관심있는 시간 도메인 PEC 신호가 된다.
상기 PEC 센서 검출기 코일 전압 붕괴율(β로 표시)은 6,7,8이 비례성 βμσd 
2를나타내며, 신호가 획득될 때 자기 투과성 μ,전기전도도 σ및 두께 d의전도성 강자성 층 위에 PEC 센서를 배치하는 것으로 보고되었다. 이러한 감쇠 속도 신호 기능은 센서 크기, 센서 모양 및리프트 오프6,7,8과같은 파라미터에 상당한 내성을 가지고 있지만, 이는 감쇠율이 매우 바람직한 경우 9,10,11,이 특징은 보정되어야 한다(즉, μ,조사되는 물질의 σ)를 두께(i.e)를 가능하게 한다. , d)정량화. 기존의 부패율 기반 두께 정량화방법6,8을가능하게 하기 위해, 이 교정은 교정 샘플6,8 또는 에디 전류 기반 재료 특성 특성화 방법12,13을포함하여 수행되어야 한다. 또는 상대 두께의 형태로 두께를 나타내면 교정의 복잡성을 피할 수 있습니다. NDE 운동이 수행되고 β 값이 신호로부터 추출된다고 가정하고, 그 후, 시험피스의 최대 두께 점을 질적으로 대표하는 β 값이 기준(즉, βref μσdmax2);; 그런 다음, 다른 위치의 두께는 형태내최대 
두께의 백분율로 표현될 수 있으며, 상대두께를 출력으로 제시할 수 있으며, 이는 또한 μ, σ에대해 보정할 필요가 없다는 단순성도 전달하는 NDE 출력으로서 여전히 유용한 정성적 정보이다. 본 명세서에 제시된 프로토콜은 이를 달성하기 위해 따라야 할 단계를 설명합니다.
상기 감쇠율 β는 센서 설계의 파라미터에 대한 내성을 보여주면서 검출기 코일 기반 PEC 센서 아키텍처에 대한 일반성을 나타내기 때문에6,7,8,14,실무자는 임의의 검출기 코일 기반 PEC 감지 시스템을 임의의 검출기 코일 기반 PEC 감지 시스템을 이의 프로토콜에 따라 상대두께 정량화를 수행하기 위해 적합한 전도성 강자성 물질에 임의의 검출기 코일 기반 PEC 감지 시스템을 사용할 수 있다. 전도성 강자성 물질에 대한 PEC 센서 설계 예는 관심 있는독자(15)에게제공된다. 이 작품에 제시 된 신호 및 결과는 기술 시드니 대학에 의해 개발 된 PEC 시스템을 사용하여 획득했다6,8. PEC 시스템에 의해 획득 된 대표적인 결과에 사용되는 전도성 강자성 재료는 호주 시드니에서 파이프 테스트 베드9,10,11에서 추출 된 회색 주철입니다.
이 출판물에 제시된 방법, 결과 및 토론은 전도성 강자성 물질의 두께 정량화에 대한 검출기 코일 기반 PEC 센서 아키텍처의 시간 도메인 신호의 붕괴 율의 사용에 명시적으로 초점을 맞추고 있음을 주목해야한다. 이 출판물에는 PEC 감지 원리 및 센서 구성의 일반적인 규칙에 대한 광범위한 논의가 포함되어 있지 않습니다. 다른 출판된 작업16,17,18은 판독기가 검출기 코일 기반 센서 아키텍처 이외의 PEC 센서 구성에 대한 더 많은 통찰력을 얻는 데 유용할 수 있습니다.
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Protocol
1. 사용 가능한 검출기 코일 기반 PEC 신호에서 부패율 β 추출
- 실험적으로 포획된 PEC 신호(즉, 시간 도메인 검출기 코일 전압(V(t)로 표시됨)를 ln[V(t)]의 로그형태형태로 표현한다. ln[V(t)]의 형태로발현되는 전형적인 PEC 신호는 도 1에도시되어 있다.
- 신호가 조건을
정한 경우를 확인하는 형태로 선형 영역을 찾습니다. 도 1의신호에 
따라, 만족스럽고 실용적인 선형 영역이 된다. - 도 2에도시된 바와 같이,
식별된 선형 영역 내의 실험 신호 데이터에 직선 모델을 맞추고 β의값을 추정한다.
정한 경우를 확인하는 형태로 선형 영역을 찾습니다. 도 1의신호에 
따라, 만족스럽고 실용적인 선형 영역이 된다.
식별된 선형 영역 내의 실험 신호 데이터에 직선 모델을 맞추고 β의값을 추정한다.2. 상대 두께의 정량화
- 두께가 다른 전도성 강자성 시험장에서 수행된 NDE 태스크로부터 획득한 여러신호(그림 3)가있다고 가정합니다. 먼저 모든 신호에 공통적인 선형 영역을 식별하고 β 값을 추출합니다. 그림 3의신호에 따라
적절하고 실용적인 선형 영역인 것 같습니다. - 최대 β 값을 선택하고
최대 β 값이 원칙적으로 β μσd2비례도 6, 7,8에따른 최대 두께에 해당해야 하기 때문에 β ref로 라벨을 지정합니다. - 인덱스가
th 측정에 
해당하는 형식의 상대 두께 백분율을 표현합니다.
적절하고 실용적인 선형 영역인 것 같습니다.
th 측정에 3. PEC_Signal_Processor 설치
- PEC_Signal_Processor.exe파일을 찾습니다. 파일을 두 번 클릭하고 실행할 수 있습니다.
- 아래 인터페이스가 나타나면 다음을 클릭합니다. 인터페이스가 팝업되면 설치를 위한 파일 위치를 지정하고 바탕 화면에 바로 가기 추가 확인란을 선택하여 바탕 화면에 소프트웨어 아이콘을 추가합니다. 그런 다음을 클릭합니다.
- 필요한 런타임 환경에 대한 설치 위치를 지정한 다음 다음을 클릭합니다. 필요한 런타임 환경이 이미 설치되어 있는 경우 다음을 클릭하기만 하면 됩니다.
- 사용권 이용 약관을 읽고 동의합니다. 그런 다음 설치를클릭합니다.
- 설치가 완료되면 완료를 클릭합니다. 바탕 화면 아이콘이 나타납니다.
4. 신호 의 준비
- PEC 센서 출력[원시 신호, 즉 V(t)]이테이블로 정렬되어 있는지 확인합니다.
- 신호가 포함된 테이블을 데스크톱(또는 응용 프로그램이 설치된 상위 디렉터리 내에 포함된 폴더)에 복사합니다. 편의를 위해 데스크탑을 권장합니다.
5. 응용 프로그램 실행
- 바탕 화면 아이콘을 두 번 클릭하여 응용 프로그램을 실행합니다. 인터페이스가 열립니다.
- 신호 로드 탭을 클릭하여 신호를 로드하고 신호가 포함된 파일을 선택하여 신호를 소프트웨어 인터페이스로 가져옵니다.
- 원시 신호가 포함된 테이블 내에 포함된 신호 수가 신호 수 앞에 나타날 때까지 기다립니다.
- 플롯 신호를 클릭하고 로그 축척으로 플롯된 신호를 관찰합니다.
- 확대/축소 탭을 클릭하고 선형 영역이 선명하게 표시될 플롯 창을 조정합니다.
- 관찰 후 선형 영역에 대한 적당한 하한및 상부 여백을 결정하고 편집 가능한 텍스트 공간에 값을 입력합니다.
- 여백 플롯을 클릭하고 여백이 녹색으로 플롯될 때까지 기다립니다.
- 피처 추출을 클릭하고 직선 세그먼트가 빨간색으로 플롯되는 방법을 관찰합니다.
- 상대 두께 계산을 클릭하고 계산된 상대 두께 값의 히스토그램이 플롯되는 방법을 관찰합니다.
- 상대 두께 저장을 클릭하여 계산된 상대 두께 값을 저장합니다. 파일 이름을 제공하고 확인을클릭합니다.
- 확인을 다시 클릭하여 파일 이름을 확인하여 파일 이름을 확인합니다. 상대 두께 값은 바탕 화면에 테이블로 저장됩니다.
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Representative Results
본 섹션의 대표적인 결과는 참조8과함께 보충 자료로 제공되는 PEC 신호를 사용하여 생성되었습니다. 위에서 언급 한 바와 같이, 신호는 그 위치와 빈티지 세부 사항은 참조9,10,11에제공되는 시드니 호주의 파이프 테스트 베드에서 추출 된 회색 주철 샘플에 캡처되었습니다.
도 1은 검출기 코일 기반 PEC 센서로부터 포착된 시간 도메인 신호(로그-스형으로 표현됨)의 전형적인 형상을 보여주고, 도 2는 부패율 기능 β가 추출되는 t>> 0으로 로그개스믹 신호의 지표 선형 영역을 나타낸다. 다중 PEC 신호는 그림 3에나와 있습니다. 지표최대 β 값을 나타내는 신호가 포함되어 있습니다. 이러한 최대 β 값은 수학식을 사용하여 상대 두께를 정량화하기 위해 기준 β 값으로 사용될 수 있다. 
표 1은 추출된 β 값과 이를 사용하여 정량화된 상대 두께 값을 보여 주습니다. 표 1의 결과는도20에 제시된 14 mm 리프트 오프 케이스에 대해 생성되었다. 회색 주철에 캡처 된 해당 원시 PEC 신호는 참조8과함께 제공되는 보충 재료에서 사용할 수 있습니다. 표 1의 첫 번째 열은 PEC 신호가 캡처된 회색 주철 테스트 조각의 실제 두께(밀리미터)를 제공하고 두 번째 컬럼에는 해당 β 값이 포함됩니다. 최대 β 값(즉, β=0.010078491)은 기준 β 값(즉, β ref)으로간주된다. 세 번째 열에 제공된 상대 두께 값은 정량화될 때 
생성되는 해당 상대 두께 값이며 마지막 열은 첫 번째 열에 나열된 실제 두께 값을 사용하여 계산된 해당 실제 상대 두께 값을 나열합니다. PEC 신호에서 계산된 상대 두께 값에 대한 실제 상대 두께 값의 플롯(즉, β 값을 사용하여 계산됨)은 그림 4에나와 있습니다. 이 데이터 세트에서 관찰된 추정치와 현실 사이의 99% 이상의 상관관계는 상대두께 정량화 방법의 효과를 나타낸다.
도 1: PEC 신호의 전형적인 형상, 즉, 유도 검출기 코일 전압(즉,V(t))은ln[V(t)]의 형태로 발현된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: 검출기 코일 기반 PEC 신호의 대표적인 리니어 영역은 ln[V(t)]형태로 발현되며, t>>0으로서, 여기서 부패율 피쳐(즉, β)를추출해야 한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3: NDE 운동(회색 주철에서 수행)으로 인한 다중 PEC 신호는 최대 β 값을 나타내는 신호를 나타내는것으로, 이는 원칙적으로 비례성6,15에따라 최대 두께를 나타내어야합니다: β μσd2. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 실제 두께에서 정량화된 상대 두께 %와 β에서 정량화된 상대 두께 % 간의 상관 관계(회색 주철에서 수행된 측정값기준). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 테스트 피스의 실제 두께(mm) | PEC 신호에서 추출된 β 값 | β에서 정량화된 상대 두께 % | 실제 두께에서 정량화된 상대 두께 % |
| 3 | 0.000228395 | 15.05379428 | 15 |
| 5 | 0.000538137 | 23.10728068 | 25 |
| 7 | 0.001018941 | 31.79631773 | 35 |
| 9 | 0.001701758 | 41.09141494 | 45 |
| 11 | 0.003091023 | 55.38005157 | 55 |
| 15 | 0.005853939 | 76.2125254 | 75 |
| 20 | 0.010078491 | 100 | 100 |
표 1: 일부 추출된 β 값과 회색 주철의 상대 두께를 정량화했습니다.
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Discussion
검출기 코일 기반 PEC 센서를 사용하여 전도성 강자성 물질의 상대 두께(즉, 기준을 기준으로 백분율로 두께)를 정량화하는 프로토콜이 제시되었다. 이 방법의 주요 장점은 교정 요구 사항을 극복 할 수있는 능력입니다 (즉, 두께 정량화를 가능하게하기 위해 검사되는 재료의 자기 투과성 및 전기 전도도를 측정하거나 추정 할 필요성을 극복). 상기 프로토콜은 시간 도메인 PEC 신호의 로그내믹 표현, 신호의 후기 단계에서의 선형 영역의 식별, 선형 영역에 직선피팅 및 부패율(즉, β)을 추출하고, 기준을 통한 기준을 기준으로 상대두께를 정량화하는 것을 포함하며, 이는 재료 특성(즉, μσ)을취소하고 상대적 두께를 생성한다. 실험결과(표 1 및 도 4)는본 작품에서 프로토콜로부터 상대두께 정량화 방법의 효과를 보여준다.
소프트웨어 인터페이스로 가져올 데이터를 준비할 때 섹션 4의 지침을 준수하는지 확인합니다. 계산 및 그래픽 하드웨어에 대한 무거운 부담을 피하기 위해 작은 크기의 데이터 파일을 별도로 처리할 수 있도록 신호를 여러 테이블에 정렬합니다. 사용자가 사용할 수 있는 계산 성능에 따라 데이터 파일의 크기에 대한 실제 제한을 부과하는 것은 쉽지 않습니다. 사용자가 사용할 수 있는 계산 성능에 따라 적용할 수 있는 파일 크기 제한을 식별하기 위해 몇 가지 시행 착오 테스트를 권장합니다. 수정 측면에서 사용자는 선택한 계산 플랫폼을 사용하여 여러 개의 PEC 신호 처리 알고리즘을 사용하여 자신의 소프트웨어 패키지를 프로그래밍할 수 있습니다. 전도성 강자성 물질의 두께 정량화를 위한 최근 발표된 PEC 신호 처리 알고리즘의 검토가19일가능하다.
예상 상대 두께 값의 정확도에 영향을 주는 중요한 요소는 여기 강도의 적절성입니다. 레퍼런스8은 너무 적은 여기 강도가 높은 두께 값에 대한 감도를 감소시키는 침투 깊이를 제한할 수 있는 방법을 보고한 반면, 너무 많은 여기 강도는 낮은 두께 값에 대한 민감도를 제한할 수 있다. 여기 강도가 있는 이 문제는 특정 물질의 특정 두께 범위가 부적절한 여기 강도로 평가되는 경우, 결과적인 붕괴율이 여전히 두께에 민감할 수 있지만, 보편적으로 β μσd2원리를 따르는 것이 부정확할 수 있으며, 이는 결국 잘못된 상대 두께 값을 정량화할 수 있음을 의미한다. 이러한 제한은 정량적 NDE 결과의 엄격한 정밀도가 중요한 상황에서 실무자에 의해 주의될 필요가 있습니다. 그러나 이는 시험피스 조건의 정성적 표현이 필수적이지 않은 상황에서는 문제가 되지 않습니다. 알려진 두께를 갖는 교정 샘플을 사용하지 않고 여기 강도를 조정하는 절차를 정의하는 절차는 사소한, 여기 강도와 어떤 모호성에 대응하는 것이 좋습니다 여기 강도의 범위에서 신호를 수집하는 것입니다. 이러한 접근법은 일부 고급 후처리를 위한 기반을 형성하는 풍부한 데이터 세트를 생성하며 로봇 수단10,11에의해 수행되는 NDE 작업에 유용할 수 있다. 또한, 일부 노후된 임계 수도관에서 발생하는 회색 주철과 같은 특정 불균일한 전도성 강자성 물질의 전기적 및 자기적 성질은 상당한 차이를나타내며 8. 이 분산은 파이프 코호트 내에서 또는 한 위치에서 다른 위치로의 단일 파이프 내에서도 속성이 달라지도록 하여 교정이 더욱 어려워지도록 합니다. 이러한 물질 성질의 변화는 또한 NDE가 이러한 불균일한 물질에 대해 수행될 때 본 서에 규정된 방법에 대한 오차의 원천으로서 작용할 것이다.
최근 연구는중요 파이프8,9,10,11,20,21,22의상태 평가를 위한 PEC 감지의 빈번하고 지속적인 사용을 입증했다. 이러한 작업은 많은 양의 PEC 데이터를 생성하는 경향이 있으며 이 작업에 제시된 것과 유사한 신호 분석 프로토콜 및 프레임워크의 이점을 활용할 수 있습니다. 중요한 파이프에 대한 작업과 병행하여, 최근 몇 년 동안 뿐만 아니라 콘크리트 하수구의 상태 평가에 대한 연구에 대한 관심이 증가하고있다23,24,25,26,27,28,29,30, 31. 이러한 작업과 함께, PEC 감지 기술은 강철 강화 하수구뿐만 아니라32의상태 평가에 사용을 발견했다. 본 작품에 제시된 것과 같은 PEC 신호 분석 프로토콜은 이러한 상태 평가 관련 작업의 결과로 생성된 방대한 양의 PEC 데이터의 분석에 유용할 수 있다.
상기 방법의 임계 단계는 다음과 같이 열거될 수 있다: (1) 원시 PEC 신호를배열[V(t)]테이블로서; (2) 원시 신호를 소프트웨어 인터페이스로 로딩하는 경우; (3) 로그스믹 스케일로 신호를 플로팅하고 시각화(즉,ln[V(t]]형태로 신호를 플로팅); (4) 플롯된 신호를 시각적으로 검사하고 적합한 선형 범위를 식별하는 것; (5) 기능 추출 수행; (6) 상대 두께 정량화를 수행; (7) 결과를 저장합니다. 섹션 3은 위에 나열된 작업을 수행하기 위한 보다 자세한 단계별 지침을 제공합니다.
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Disclosures
저자는 공개할 이해상충이 없습니다. 저자는 추가 독서 자료로 작품2,6,7,8,9,10,11을 추천하고 싶습니다.
Acknowledgments
저자는 마이클 베렌스와 다미스 아베와다나가 여러 감지 하드웨어 구성 요소를 설계하고 구현하는 데 기여한 점을 인정하고 자합니다. 알렌 알렌 알렘피예비치, 테레사 비달 칼레야, 가미니 디사나야케, 사라스 코다고다의 연구 감독 역할뿐만 아니라 중요한 파이프 프로젝트에 자금을 지원하고 파트너십을 맺은 모든 개인과 단체가 기여한 공로도 인정됩니다. .
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| A Detector Coil-based PEC Sensing System. | N/A | The representative results in this work were generated using the PEC system developed by University of Technology Sydney (UTS), Australia and published in works 6,8. This system may be accessible to readers via collaborating with UTS. | |
| A suitable conductive ferromagnetic material of varying thickness. | N/A | The representative results in this work were generated by acquiring PEC measurements on grey cast iron test pieces extracted from a pipe test-bed located in Sydney Australia, whose location and vintage details are available in references 9-11. The pipe test-bed as well as the extracted calibration samples may be accessible to readers via collaborating with UTS. | |
| A computation platform for PEC signal processing | MathWorks, Natick, MA, USA. | A computation platform in which the PEC signal processing algorithm can be coded and executed is required. In this publication, PEC signal processing was done using a software executable named "PEC_Signal_Processor", produced using MATLAB R2017b, Publisher: MathWorks, Natick, MA, USA. | |
| An application that can produce a table containing raw PEC signals (e.g., Microsoft Office Excel). | Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Redmond, Washington, USA. | Microsoft Office Excel (Office 16) was used for the work of this publication. |
References
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