medidores de temperatura

INSTRUMENTACIÓN II Medición de Temperatura

Profra. Marisol Pino Pág. de 10 1

MEDIDORES DE TEMPERATURA

Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura: a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (Termómetros de vidrio y bimetálicos, sistemas termales); b) Variación de resistencia de un conductor (Bulbos de resistencia RTD, termistores); c) Generación de una f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares); d) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación); e) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)

TERMÓMETRO DE VIDRIO

Es el instrumento de medición de temperatura más conocido. Consta de un depósito de vidrio que puede contener mercurio, pentano, alcohol o tolueno y una escala. Ver figura 1. El más común es el de mercurio. Su función se basa, en que el mercurio, al calentarse se expande y sube por medio de un tubo capilar. La altura alcanzada por el mercurio es proporcional a la temperatura a la cual el termómetro fue expuesto y se lee sobre una escala previamente calibrada. Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

- Mercurio -35° hasta +280°C - Mercurio (tubo capilar lleno de Gas) -35° hasta +450°C - Pentano -200° hasta +20°C - Alcohol -110 hasta +50°C - Tolueno -70 hasta +100°C

La principal limitación que tiene este instrumento es, que para un campo de medida grande de temperatura, el tubo necesita ser muy grande y por ser de vidrio se rompe con facilidad.

Figura 1. Termómetros de vidrio

TERMÓMETRO BIMETÁLICO

Consta de un elemento bimetálico formado por dos láminas de metal con coeficientes de dilatación diferentes, soldadas o fundidas una a la otra, un eje, cojinete, puntero, escala y cubierta de protección. El elemento bimetálico puede ser recto o curvo, en forma helicoidal o espiral. Ver figura 2 y figura 3.

Recto Curvo

Figura 2. Termómetros bimetálicos recto y curvo



El principio de funcionamiento se basa en la expansión desigual que sufren los metales al aplicársele calor, es decir, al exponer la tira bimetálica a una temperatura determinada, uno de los metales se expandirá más que el otro y como un extremo del elemento está fijo, el otro se moverá. Este movimiento es transmitido a un eje, el cual lo transmitirá a un puntero que indicará sobre una escala previamente calibrada, la temperatura existente en el punto donde se encuentra el elemento bimetálico.

helicoidal espiral

Figura 3. Termómetros bimetálicos helicoidal y espiral

Este tipo de termómetro tiene pocas partes móviles y no existen mecanismos con engranaje que exijan mantenimiento. El eje y el elemento bimetálico son sujetados con cojinetes, lo cual minimiza el rozamiento. Es de bajo costo y bastante exacto (±1%), la única desventaja es que solo puede ser usado para una indicación local. Los rangos óptimos de medición van de –200°C hasta +500°C.

TERMÓMETRO DE SISTEMA LLENO (BULBO Y CAPILAR)

Se utiliza cuando se desea indicar el valor de la temperatura a cierta distancia del punto donde se encuentra el elemento de medición. Está formado por:

- Bulbo: elemento sensible a los cambios de temperatura. El bulbo es llenado con una sustancia, la cual puede ser, líquido, vapor o gas.

- Bourdon, Fuelle ó Diafragma: elemento sensible a los cambios de presión o volumen. - Tubo capilar: tubo que sirve como medio para conectar el bulbo y el Bourdon. - Un mecanismo para indicar, registrar o trasmitir la señal relacionada con la temperatura.

El principio de funcionamiento consiste en que cuando la temperatura en el bulbo aumenta, el líquido, vapor o gas contenido en él se expande y por ser el volumen del bulbo, constante, hay un aumento de presión que es percibido por un tubo bourdon, fuelle o diafragma, moviendo el puntero sobre una escala, para indicar el valor de temperatura existente en el bulbo. Ver figura 4.

Figura 4. Termómetro de bulbo

Dependiendo del fluido que está dentro del bulbo, los termómetros de bulbo se clasifican en:

• Sistema Clase I (Bulbo de Líquido, excluyendo Mercurio)

• Sistema Clase II (Bulbo lleno de Vapor)

• Sistema Clase III (Bulbo lleno de Gas)

• Sistema Clase IV (Bulbo lleno de Mercurio)



TERMOPAR O TERMOCUPLA

Dispositivo que produce un voltaje en función de una diferencia de temperatura entre sus extremos. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados o enrollados). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Constan básicamente de dos alambres de metales distintos, unidos en un extremo y un voltímetro, con una escala calibrada en unidades de temperatura. Además de los dos cables elementales, incluye un aislamiento adecuado entre los alambres, un tubo protector y un cabezal terminal. Funcionamiento. Si dos metales distintos se ponen en contacto y se calienta la junta (unión), se origina una diferencia de potencial entre los dos extremos libres. Esta diferencia de potencial es proporcional a la temperatura existente en la punta y es convertida en unidades de temperatura por medio de un voltímetro.

Figura 5. Termómetro de bulbo

La junta de medición o caliente es el extremo que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir. La junta de referencia o fría es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medición. El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantiene a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en una unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión, y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura. Los termopares son los medidores de temperatura más utilizados debido a su buen rendimiento al usarse tanto para temperaturas altas, como para temperaturas bajas, además permiten enviar el valor detectado de temperatura a sitios remotos. Tipos de termopares Existen varios tipos de termopares que dependen del tipo de metal utilizado y el intervalo de temperatura que se desea medir. Distintas combinaciones de dos conductores metálicos sirven muy bien como termopares. Estas combinaciones de cables deben poseer una relación de temperaturas / fuerza electromotriz por los cambios de grado de la temperatura que sea detectable con un equipo de medición estándar, y en muchas aplicaciones deben ser físicamente capaces de soportar temperaturas altas sostenidas, cambios rápidos de la temperatura y efectos de corrosión. Ver tabla 1.1. El termopar tipo E de cromel–constantán(Cr-C) puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la fuerza electromotriz más alta por variación de temperatura, y puede usarse para temperaturas entre –200°C a + 900°C. El termopar tipo T de cobre–constantán(Cu-C) tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación (temperaturas bajo cero) y puede utilizarse en atmósfera oxidante o reductora. Se prefiere generalmente para las medidas de temperaturas entre –200°C +260°C. El termopar tipo J de hierro–constantán(Fe-C), es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de los 550°C siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750°C. El termopar tipo K de cromel–alumel(Cr-Al), se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500°C y 1250°C. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras y sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección. El termopar tipo R, S y E de Pt–Pt / Rh (Platino–Platino/Rodio), se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500°C. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.



Cuando se va a conectar el termopar a un instrumento de medición, se debe respetar la polaridad, la cual se puede reconocer a través de los colores del forro que los cubre. Un termopar consta de un forro externo que cubre los dos alambres y uno interno que cubre el alambre individualmente. El forro externo indica el tipo de termopar y el interno la polaridad

Tabla 1.2 Terminales de los Termopares

. Unión de referencia Para medir el potencial, se ha de conectar el termopar a un dispositivo de medición. En la unión del termopar con los terminales del instrumento se genera otra tensión produciendo un error en la medición. Por ejemplo, para de la figura 6, se utiliza un termopar tipo T para medir la temperatura en la unión J1. Al conectar un voltímetro se generan dos uniones metálicas adicionales J2 y J3.

J1: unión del termopar Cu-C J2: unión entre el terminal del termopar y el terminal del voltímetro J3: unión entre el terminal del termopar y el terminal del voltímetro

Figura 6. Termopar tipo T-voltímetro



Debido a que la unión J3 es Cu-Cu no se produce ningún voltaje adicional (V3=0). La unión J2 es de Cu-C, generándose un voltaje V2 opuesto a V1, por tanto la lectura en el voltímetro V será proporcional a la diferencia de temperaturas entre las uniones J1 y J2. Para hallar la temperatura en J1, primero se ha de determinar la temperatura en J2. Ver figura 7.

Figura 7. Junturas entre Termopar tipo T y voltímetro

Una forma de hallar la temperatura en J2 es poniendo esa unión dentro de un baño de hielo, haciendo que su temperatura sea de 0ºC y estableciendo la unión J2 como unión de referencia (junta fría). Ver figura 8.

Figura 8. Termopar con unión de referencia a 0ºC

Si se utiliza un termopar distinto al tipo T, tal como el tipo J(Fe-C), entre el hierro y el cobre del voltímetro se produce otra unión adicional. Si ambas terminales del voltímetro no están a la misma temperatura, se obtiene un error en la medición, por tanto se coloca un bloque isotérmico aislado eléctricamente y buen conductor de calor para mantener las uniones a la misma temperatura. Ver figura 9.

Figura 9. Termopar tipo J con bloque isotérmico

Termopozo. El material del tubo de protección o vaina debe ser el adecuado para el proceso donde se aplica y suele ser de hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cerámico, carburo de silicio, etc., con bridas o roscas de montajes ajustables. Se puede obtener termopares del tipo ángulo, en las que las mismas tiene forma de “L”; estas son convenientes para el montaje en tanque o recipientes. Ver figura 10. Diferentes tipos de conexiones del termopar y el termopozo. Junta expuesta: Se emplea cuando el ambiente no es tan corrosivo y no se puede permitir retardo ya que se debe minimizar el tiempo de respuesta. Ver figura 11. Junta no aterrada: En este caso debido a que el ambiente es muy corrosivo, se protege el termopar, pero presenta retardo en la medición. Junta aterrada: En este caso se evita el retardo, pero el ambiente es muy corrosivo, por lo que no es aplicable el método anterior. Leyes Termoeléctricas. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:



1. Ley del Circuito Homogéneo: En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. 2. Ley de Metales Intermedios:Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B, es decir, la inclusión de un tercer metal en el circuito de un termopar no afecta la fuerza electromotriz generada, siempre y cuando las uniones de ese metal con los alambres del termopar estén a la misma temperatura. 3. Ley de Temperaturas Sucesivas.: La fuerza electromotriz generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la fuerza electromotriz del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la fuerza electromotriz del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Figura 10. Termopozo

Figura 11. Tipos de conexiones del termopar y el termopozo

TERMÓMETROS DE RESISTENCIA (RTD) (DETECTORES DE TEMPERATURA TIPO RESISTENCIA)

En las RTD la resistencia eléctrica de los metales varía directamente con la temperatura, incrementándose cuando aumenta la temperatura. La RTD consiste hilo muy fino arrollado de un material conductor, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

Figura 12. RTD

El material que forma el conductor se caracteriza por el «coeficiente de temperatura de resistencia» que expresa a una temperatura especifica, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura y puede ser expresado por la ecuación lineal siguiente:

RT= RO (1+α(T2-TO))

Donde: RT = Resistencia, en ohmios, a una temperatura T en °C, RO= Resistencia en ohmios a la temperatura de referencia (generalmente 0°C),

α = Coeficiente de temperatura de la resistencia.



Materiales. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de exactitud y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo. La sonda de resistencia más utilizada en la industria es la de 100 ohmios a 0°C. El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, su desventaja es la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características:

1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia (α) , ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible. 2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado. (mayor sensibilidad). 3. Relación lineal Resistencia-Temperatura. (Coeficiente de temperatura positivo). 4. Rigidez y ductilidad, ya que permite los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda de resistencia, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta). 5. Estabilidad de las características durante la vida útil del material.

Tabla 1.3 Características de sondas de resistencias

La construcción industrial de las RTD es prácticamente idéntica a la de los termopares; en su apariencia externa generalmente no existe diferencia física.

Figura 13. Montaje de RTD en puente de Wheatstone

La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilo, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente. El tipo de conexión de dos hilos se utiliza principalmente en un circuito básico de dos cables, con una conexión a cada terminal de la RTD. En este diseño, la resistencia de los cables de conexión, así como también las variaciones de resistencia por cambios en la temperatura ambiente, se incluyen en la medición de la resistencia de la RTD. Este tipo de configuración puede ser utilizado cuando los cables de conexión son cortos y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta. El tipo de 3-hilos es el normalizado. Los cables que conectan la RTD al circuito de medición tienen resistencias cuya longitud de los conductores y temperatura tienden a cancelarse ya que sus resistencias a y b son exactamente iguales. La configuración de 4-hilos , proporcionan mayor exactitud en la medición. Se utiliza para mediciones de alta exactitud. En este tipo de circuito, los cuatro hilos se conectan al sensor (dos en cada extremo). A través de los dos hilos externos, se suministra una corriente constante a la RTD. El voltaje a través de la RTD se mide con un voltímetro de alta impedancia conectado a través de los dos hilos internos. La más usada es la de 3-hilos, ya que proporciona suficiente exactitud para la mayoría de las mediciones industriales.



Los detectores de resistencia proporcionan una medida más exacta que la que es posible lograr cuando se utilizan termopares. Por lo tanto, las RTD se utilizan en instalaciones donde se desea una gran exactitud.

TERMISTOR Es un semiconductor electrónico con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado (su resistencia disminuye al aumentar la temperatura). En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Por tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad a cambios mínimos de temperatura y permiten incluso intervalos de medida de 1°C (span). La relación entre la resistencia y la temperatura viene dada por la expresión:

Donde : Rt = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta TS. R0 = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T0. β = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas. Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de 0,5 a 10 segundos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistividad comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial.

PIRÓMETRO Es un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de cualquier otro medidor. Los pirómetros de radiación se fundamentan en la Ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante (en J/s por unidad de área) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo, es decir, W = ET

4.

Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que este emite se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación de la radiación emitida por el cuerpo, se llama pirómetro de radiación total. Pirómetros Ópticos. Consiste en un sistema óptico el cual incluye un microscopio, una lámpara calibrada y un filtro de ancho de banda estrecho; todos ensamblados de tal manera que el objeto a medir y la fuerza de luz estándar pueden ser observadas simultáneamente. La corriente ajustable al filamento de la lámpara es suministrada por una fuente de poder.

Figura 14. Pirómetro óptico



La pirometría óptica se basa en el espectro de radiación de un cuerpo incandescente y su relación con la temperatura. En general, para obtener la temperatura de un cuerpo caliente, la intensidad de su radiación para una longitud de una onda específica se compara con una fuente de luz estándar. Se utilizan dos métodos: 1.La corriente a través del filamento se puede controlar eléctricamente por medio del ajuste a una resistencia. 2.La relación que entra al pirómetro desde una fuente desconocida puede ser ajustada ópticamente por un medio absorbente tal como un filtro polarizante. En la figura 14, la fuente de temperatura desconocida se mira a través del arreglo de lentes y filtros. El filtro de absorción en el visor reduce la intensidad de la radiación entrante para así operar la lámpara estándar a un nivel más bajo. El filamento se observará más caliente o más frío que la fuente desconocida. Al ajustar la corriente de la batería, se alcanza la condición de balance y el filamento empieza a desaparecerse. Pirómetro de Infrarrojos. El pirómetro capta la radiación espectral del infrarrojo, invisible al ojo humano, y puede medir temperaturas menores de 700°C, supliendo al pirómetro óptico que solo puede trabajar eficazmente a temperaturas superiores a 700°C, donde la radiación visible emitida es significativa.

Figura 15. Pirómetro infrarrojo

Un lente filtra la radiación infrarroja emitida por el área del objeto examinado y la concentra en un sensor de temperatura (termopar o termistor). La distancia focal de la lente varía entre 500 y 1500 milímetros. Análogamente al pirómetro óptico, debe considerarse el coeficiente de emisión del cuerpo. El aparato dispone de un compensador de emisividad que permite corregir la temperatura leída, no solo para la pérdida de radiación en cuerpos con emisividad menor que uno, sino también cuando hay vapores, gases, humos o materiales transparentes que se interponen en el camino de la radiación. La exactitud es de ± 0.3%. Pirómetro Fotoeléctrico. Tiene un detector fotoeléctrico, siendo más rápido que los sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. La señal de salida depende de la temperatura instantánea del volumen del detector, por lo que evita los retardos inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector que existen en los otros modelos de pirómetros. El detector genera una tensión proporcional al cubo de la temperatura V=KT

3.

El instrumento con detector fotoeléctrico de uso general tiene un campo de trabajo de 35 a 1200°C, pudiendo enfocar desde un metro hasta el infinito. Posee una constante de tiempo de 2, 20 o 200 ms y una señal de salida de 10 mV Pirómetro de Radiación Total. Es un medidor que mide la energía radiante de un ancho de banda definido. Está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación de objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt – Pt / Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y además, muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía, y proporcionando la f.e.m máxima. La f.e.m que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Está última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de ésta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de éste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la f.e.m de la termopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento.



La compensación se utiliza para temperaturas ambientes máximas de 120°C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40°C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50°C, valor que es poco mas alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficiente bajo como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperaturas útil.

SENSOR RANGO PRECISION VENTAJAS DESVENTAJAS

Termómetro de vidrio -196ºC a +500ºC 1% Bajo precio, simplicidad, larga vida útil Frágil, solo para mediciones locales

Termómetro de bulbo -40ºC a 425ºC 1% Compacto, no requiere alimentación Voluminoso, montaje delicado, solo para mediciones locales

Termómetro bimetálico

0ºC a 500ºC 1% Robusto, bajo costo solo para mediciones locales

Termómetro de resistencia de platino

-200ºc a +500ºC 0,2% buena sensibilidad y precisión, respuesta rápida Frágil, mas costoso

Termistor 0ºC a +40ºC 0,01% Alta sensibilidad y precisión, respuesta rápida, tamaño pequeño, estable

Termopar tipo T Termopar tipo J Termopar tipo K

Termopar tipo R o S

-200ºC a +250ºC 0ºC a +750ºC

0ºC a +1300ºC 0ºC a +1600ºC

2% 0,5% 1%

0,5%

Tamaño pequeño, respuesta rápida, costo medio Afectados por corrosión, requiere de compensación de union fria

Pirómetro óptico -50ºC a +6000ºC 0,5% Buena repetibilidad, no requiere hacer contacto con el objeto a medir

Elevado costo

Pirómetro de radiación

-50ºC a +6000ºC 0,5% Buena repetibilidad, no requiere hacer contacto con el objeto a medir

Elevado costo, lentitud de respuesta,

medidores de temperatura

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