Guia de montagem - TP8

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Engenharia Biomédica

Laboratórios de Electrónica (2º semestre / 2ºano)

TP 8 – Transdutores para instrumentação

médica

Guia de Montagem

Ano lectivo – 2005/2006

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OBJECTIVOS Estudo de diferentes montagens com transdutores (RTD, Termístor, fotodíodo, fototransístor, célula fotocondutora, LVDT, extensómetro) e ligação em ponte Wheatstone com capacidades.

MATERIAL • Módulo com as montagens

• Multímetro digital

CALENDARIZAÇÃO • 1 Aula

BIBLIOGRAFIA • Guia do trabalho.

• Apontamentos das aulas de Electrónica 1 e 2.

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Transdutores de luz

A figura 1 apresenta o esquema do transdutor de luz da unidade DIGIAC 1750.

Figura 1 Transdutores de luz no DIGIAC 1750

Os transdutores encontram-se num contentor circular transparente e são iluminados por uma lâmina colocada centralmente.

Célula fotovoltaica

A figura 2 apresenta a construção básica de uma célula fotovoltaica, consistindo em 2 camadas de silício. Uma fina camada de material tipo P é formada sobre um substrato tipo N. Quando a luz incide na junção dos 2 materiais, é gerada uma tensão entre os 2 tipos de materiais dependendo da intensidade da luz (tensão máxima 0,6 V).

Figura 2 Célula fotovoltaica

A figura 3 apresenta o circuito da unidade do DIGIAC 1750.

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Figura 3 Circuito da unidade DIGIAC 1750

A tabela 1 refere as principais características do equipamento.

Tabela 1 Características da unidade no DIGIAC 1750

Tipo MS5B

Tensão em circuito aberto (luz solar) 500 mV

Corrente em curto circuito (luz solar) 10 mA

Comprimento de onda do pico da resposta espectral

840 nm (infra-vermelho)

Tempo resposta 10 µs

Exercício 1. Características da célula fotovoltaica

Equipamento: Célula fotovoltaica

Potenciómetro Wirewound de 10kΩ

Amplificador de potência

Voltímetro digital

10-0-10 V MC meter

Tarefas:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 4.

2. Ligar a alimentação, ajustar o potenciómetro para tensão à saída do amplificador de potência igual a zero. Anotar a tensão de saída da célula fotovoltaica a) à luz ambiente e b) com a célula tapada.

3. Ajustar o potenciómetro para aumentar a tensão de saída do amplificador de potência em passos de 1V. Em cada incremento anotar a tensão de saída da célula.

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Figura 4 Esquema de ligações

O fototransístor

A figura 5 apresenta um fototransístor. Consiste num componente com 3 camadas NPN, como um transístor comum (emissor, e, base, b, e colector, c). A única diferença diz respeito à possibilidade de incidência de luz na junção colector-base.

Figura 5 Fototransístor

Quando não há luz incidente, gera-se uma pequena corrente e a tensão de saída é ligeiramente menor que a alimentação devido à queda de tensão na resistência de carga.

Quando há luz incidente, a corrente aumenta. Com a base em circuito aberto, a corrente colector-base flui no circuito base-emissor e é amplificada pela acção normal do transístor. A unidade é mais sensível que um fotodíodo.

A tensão de saída diminui à medida que a corrente aumenta:

Vout = V – Ic R

A figura 6 apresenta o circuito no DIGIAC 1750.


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Figura 6 Circuito no DIGIAV 1750


Tipo

MEL 12

Escuro 100 µA Corrente no colector

Vce = 5 V Ambiente 3,5 mA

Exercício 2. Características do fototransístor

Equipamento: Fototransístor

Potenciómetro Wirewound de 10 kΩ

Potenciómetro Carbon slider de 10 kΩ


Voltímetro digital

10-0-10 V MC meter

Tarefas:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 7. Ajustar o potenciómetro de modo a que a resistência de carga do fototransístor seja 2 kΩ.

4. Ligar a alimentação, ajustar o potenciómetro para tensão à saída do amplificador de potência igual a zero. Anotar a tensão de saída do colector do fototransístor a) à luz ambiente e b) com a célula tapada.

2. Aumentar a tensão de saída do amplificador de potência em passos de 1V e em cada incremento anotar a tensão de saída do fototransístor.

3. Traçar o gráfico da tensão no colector em função da tensão do filamento da lâmpada (0 a 10 em passos de 1).

4. Porque é que se verifica um mínimo de tensão a 0,7 V?

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A célula fotocondutora

A figura 8 apresenta uma célula fotocondutora. Consiste num disco de base semicondutor com uma camada em ouro que possibilita o contacto com o material semicondutor. A resistência do material semicondutor entre os contactos em ouro varia com a incidência de luz.

Quando não há luz incidente, a resistência é elevada. Quando há luz incidente, a resistência diminui.

Figura 8 Célula fotocondutora


Figura 9 Circuito no DIGIAC 1750


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Escuro 10MΩ

50 Lux 2,4kΩ

Ambiente 500Ω

Resistência da célula

100 Lux 100Ω

Subida 75ms Tempo de resposta

Descida 350ms

Pico da resposta espectral 610nm (vermelho)

Exercício 3. Características da célula fotocondutora

Equipamento: Célula fotocondutora


Potenciómetro Carbon slider de 10 kΩ


Voltímetro digital

10-0-10 V MC meter

Fios condutores

Tarefas:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 10. Ajustar o potenciómetro de modo a que a resistência de carga da célula seja 2 kΩ (usar o Carbon Slider de 10 kΩ).

5. Ligar a alimentação, ajustar o potenciómetro para tensão à saída do amplificador de potência igual a zero. Anotar a tensão de saída da célula a) à luz ambiente e b) com a célula tapada.

2. Aumentar a tensão de saída do amplificador de potência em passos de 1V e em cada incremento anotar a tensão de saída da célula.

3. Comente os resultados.


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O fotodíodo PIN

A figura 11 apresenta um fotodíodo PIN. A diferença deste relativamente ao fotodíodo PN reside na camada de silício introduzida entre as secções P e N. Isto reduz a capacidade do dispositivo e, como consequência, o tempo de resposta também diminui.

Figura 11 Fotodíodo PIN

O dispositivo pode ser operado de 2 modos:

• Como uma célula fotovoltaica, medindo a tensão de saída;

• Medindo a baixa corrente de saída e convertendo-a para tensão.


Figura 12 Circuito no DIGIAC 1750



Tipo MPB65

Dark current 1 nA

Light current 10 nA/Lux

Capacidade 15 pF

Tempo resposta 50 ns (com uma carga de 5 kΩ)

Pico da resposta espectral 850 nm (infra-vermelho)

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Exercício 4. Características do fotodíodo PIN

Equipamento: Fotodíodo PIN



Amplificador de corrente

Voltímetro digital

10-0-10 V MC meter

Fios condutores

Tarefas:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 13. Com a tensão do filamento da lâmpada a zero, anotar a tensão de saída do amplificador de corrente a) à luz ambiente e b) com o fotodíodo tapado.

2. Aumentar a tensão do filamento da lâmpada em passos de 1V e em cada incremento anotar a tensão de saída do amplificador de corrente.

3. Conectar a saída do fotodíodo a um buffer amplificador e amplificador de ganho variável como indicado na figura 14.

4. Colocar o ganho coarse do amplificador#2 a 100 e o ganho fino a 0.3. Verificar que a offset é zero para a entrada zero. Colocar o voltímetro na escala de 20V.

5. Aumentar a tensão do filamento da lâmpada em passos de 1V e em cada incremento anotar a tensão de saída do amplificador#2.

6. Comente os resultados.

Figura 13 Esquema de ligações I

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Figura 14 Esquema de ligações II

Transdutores para aplicações de posição linear ou força

LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

A figura 15 apresenta a construção e o circuito do LVDT. Consiste em 3 bobines montados num eixo e com um núcleo magnético que se movimenta entre eles.

Figura 15 LVDT

A bobine central é o primário e é alimentado por uma fonte AC; as bobines laterais são designadas secundárias (A e B na figura 1).

A figura 16 apresenta o sinal de saída para diferentes posições do núcleo magnético. A medida da tensão de saída dá uma indicação do movimento a partir da posição central mas não indica o sentido do movimento. Utilizado em conjunto com um detector de fase, a saída é obtida é dependente da magnitude e da direcção do movimento a partir da posição central. A figura 3 apresenta um circuito de um detector de fase. Com o núcleo ajustado à esquerda, a tensão é positiva; é negativa com o núcleo ajustado à direita.

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Figura 16 Sinal de saída para diferentes posições do núcleo magnético

Figura 17 Circuito de um detector de fase

A figura 18 apresenta o circuito da unidade do DIGIAC 1750.

Figura 18 Circuito da unidade do DIGIAC 1750

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Voltas por bobine 75

Indutância da bobine 68 µH

Tensão de saída 10 mV/mm do centro

Excursão mecânica 15 mm

Exercício 1. Características do LVDT

Equipamento: LVDT

Oscilador de 40 kHz

Amplificador AC

Filtro 40 kHz

Rectificador de onda completa

Amplificador#2

Voltímetro digital

Fios condutores

10-0-10 V MC meter

Tarefas:

6. Ajustar o ganho do amplificador (A.C. Amp) para 1000.


8. Ligar a alimentação, ajustar o coarse control do amplificador#2 a 100 e o ganho fino a 0,2. Ajustar a offset de modo a que para uma entrada de 0 V a saída seja 0 V.

9. Ajustar a posição do núcleo para a posição central, 0V (tensão mínima).

10. Rodar o controlo core em passos de 1 a 4 voltas no sentido dos ponteiros do relógio e no sentido inverso.

11. Traçar o gráfico da tensão de saída em função da posição do núcleo (de -4 a 4 em passos de 1).

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Strain gauge

A figura 20 apresenta a construção de um strain gauge constituída por uma rede de fio ou por material semicondutor. Quando em utilização, a unidade é colada ao membro em análise de modo que a variação de comprimento em carga é realizada ao longo do eixo sensível. O aumento da carga provoca o aumento do comprimento do fio e portanto aumenta a sua resistência.

Figura 20 Strain gauge

O transdutor está normalmente ligado a uma ponte Wheatstone, equilibrada em repouso.

A variação de resistência devido a carga é indicada pelo detector (galvanómetro).

A figura 21.a) apresenta uma configuração da ponte com um strain gauge, sensível à temperatura. A figura 21.b) corrige este problema. O transdutor está colocado perto da outra mas não está sujeita a nenhuma carga. Assim, a ponte está equilibrada. Uma vez que o sinal de saída do circuito é baixo, utilizam-se 4 transdutores, 2 activos e 2 dummy.

Figura 21 Configuração da ponte com um strain gauge

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A figura 22 apresenta este circuito da unidade do DIGIAC 1750.

Figura 22 circuito da unidade do DIGIAC 1750



Capacidade da carga 200 g

Deflexão máxima 0,5 mm

Sensibilidade 25 µV/g

Não-linearidade 0,025%

Histerese 0,05%

Creep 0,05%

Exercício 2. Características do strain gauge

Equipamento: Strain gauge

Amplificador de instrumentação

X 100 amplificador

Amplificador#2

Moedas para carregar a célula

Fios condutores

MC meter

Tarefas:


2. Ajustar o coarse control do amplificador#2 a 100 e o ganho fino a 0,5.

3. Ligar a alimentação, sem carga na plataforma, ajustar a offset do amplificador#2 de modo a saída seja 0 V.

4. Colocar uma moeda na plataforma e anotar a tensão de saída.

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5. Repetir o processo, adicionando moedas, uma de cada vez; anotar os valores da tensão de saída.

6. Traçar o gráfico da tensão de saída em função do número de moedas na plataforma.

7. Que conclui quanto à linearidade da função?


Transdutores de temperatura

A figura 24 apresenta o esquema do transdutor de temperatura da unidade DIGIAC 1750.

Figura 24 Transdutor de temperatura da unidade DIGIAC 1750

O circuito integrado do transdutor de temperatura contém 16 transístores, 9 resistências e 3 condensadores.

A saída é de 10mV/ºK. A medida da tensão de saída está calibrada para indicar a temperatura em ºK. Por exemplo, para 20 ºC (293 ºK) a tensão de saída é 2,93 V.

A figura 25 apresenta o circuito da unidade DIGIAC 1750. Uma ligação de 2 pinos está disponível para uma ligação exterior da unidade LM355. Pode ligar – se um termopar tipo K para indicar a temperatura ambiente. O ponto “Int” da figura 2 indica a temperatura no ambiente aquecido. De referir que o valor da temperatura ambiente não é preciso dado que o termopar se encontra perto da zona de aquecimento. Uma unidade LM335 instalada remotamente seria desejável.

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Figura 25 circuito da unidade DIGIAC 1750

Exercício 1. Características do LM335

Objectivo: estudar a característica do LM335; determinação da temperatura máxima atingida; determinação do tempo de estabilização da temperatura.

Equipamento: Transdutor de temperatura LM335

Voltímetro digital

Fios

Tarefas:

12. Fazer as ligações indicadas na figura 26, ligar a alimentação e anotar a tensão de saída, que representa a temperatura em ºK.

13. Ligue a resistência de aquecimento a 12 V e anote a tensão de saída de minuto a minuto até estabilizar (de 0 a 10 minutos). Converta a tensão de saída para ºK e ºC.


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Exercício 2. Construção de um termómetro digital utilizando o DIGIAC 1750

Objectivo: estudar a característica do LM335; determinação da temperatura máxima atingida; determinação do tempo de estabilização da temperatura.

Equipamento: Transdutor de temperatura LM335

Buffer amplificador

Potenciómetro de 10 kΩ

Amplificador#2

Conversor V/F

Diferenciador

Temporizador/contador de 3 dígitos

Considerações:

A tensão de saída do LM335 é da ordem dos 2,93V. O sinal de saída do conversor V/F é de 1 kHz/V. O display de 7 segmentos digital tem 3 dígitos e permite contar 600 impulsos/s.

Reduzindo o sinal de saída do LM335 de um factor 10, a saída passa a ser da ordem dos 0,293 V, que resulta num sinal de saída do conversor de 293 Hz, passível de ser detectado no contador. O buffer amplificador é utilizado para minimizar a carga ao LM335.

A resistência e o amplificador são usados para estabelecer a amplificação de tensão no processo de calibração. O diferenciador é aplicado par modificar a forma de onda do conversor V/F de forma a adequá-lo à entrada do contador.

Tarefas:

Ajustar o offset do amplificador

5. Ligar a alimentação.

6. Ligar a entrada do amplificadora 0 V e a saída ao + do medidor MC e o – do medidor a 0 V.

7. Com o ganho fine do amplificador a 1 e o ganho coarse a 10, ajuste o offset para ter uma saída zero e depois, para um ganho coarse a 100, ajuste o offset para ter uma saída zero.

8. Coloque o ganho fine do amplificador a 0,1 e o ganho coarse a 1.

9. Faça as ligações indicadas na figura 27. Coloque o potenciómetro para a direita, a constante do diferenciador a 1s e o controlo do contador para 1s.

10. Anote o sinal do voltímetro, faça reset ao contador e anote o valor final do display de 7 segmentos. Compare-o com a leitura do voltímetro.

a) Se o sinal do display exceder o do voltímetro, ajuste o potenciómetro. Repita o procedimento até o valor do voltímetro e do display serem os mesmos.

b) Se o sinal do display é inferior ao do voltímetro, aumente o ganho do amplificador, faça reset ao contador e verifique o sinal do display. Repita o procedimento até o valor do voltímetro e do display serem os mesmos.

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O sistema está calibrado de modo a que o display indique o valor de temperatura sempre que o botão de reset for pressionado.

11. Ligar a resistência de aquecimento a 12 V. Anotar a leitura do multímetro, pressionar o botão de reset do contador e anotar o valor no display. Repetir o processo até a temperatura estabilizar.

12. Compare os resultados obtidos.


Transdutor de platina RTD (Resistance Temperature Dependent)

A figura 28 representa um RTD. É constituído por um filme fino de platina depositado num substrato cerâmico com pratos de ouro que estabelecem o contacto com o filme. A 0 ºC a resistência é de 100 Ω.

A resistência do filme aumenta linearmente com a temperatura segundo a equação:

Rt = Ro + 0,385 t

onde: Rt = resistência à temperatura t (ºC)

Ro = resistência à temperatura 0 ºC = 100 Ω

Normalmente, liga-se a unidade a uma fonte DC através de uma resistência em série e mede-se a queda de tensão no transdutor.

Figura 28 Transdutor RTD

A figura 29 apresenta o circuito eléctrico do DIGIAC 1750.

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Figura 29 Circuito eléctrico da unidade DIGIAC 1750

Exercício 3. Característica do RTD

Equipamento: Transdutor de temperatura RTD


Transdutor de temperatura LM335

Voltímetro digital

Fios

Tarefas:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 30, com o voltímetro na escala de 2 V DC.

2. Ligar a alimentação, ajustar o potenciómetro de modo que a queda de tensão no RTD seja de 0,108 V. Isto calibra O RTD para uma temperatura ambiente de 20 ºC (a resistência do RTD a 20 ºC é 108 Ω).

Nota: se a temperatura ambiente for diferente de 20 ºC efectuar o seguinte: ajustar o voltímetro para a escala de 20 V; ler a temperatura ambiente em K no LM335, sabendo que ºC = ºK - 273; ajuste o RTD para este valor.

3. Ligue a resistência de aquecimento a 12 V e anote a queda de tensão no RTD (escala de 2 V no voltímetro) e a tensão de saída do transdutor de temperatura (escala de 20 V no voltímetro) de minuto a minuto até estabilizar (de 0 a 10 minutos). Esta última representa a temperatura do RTD. Converta a tensão de saída para ºK e ºC.

4. Trace o gráfico da resistência do RTD com a temperatura.

5. Que conclui quanto à linearidade da função? A 0 ºC a resistência é de 100 Ω?


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Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient)

A figura 31 representa um termistor. É constituído por um elemento feito de metais oxidados, como níquel, manganês e cobalto e com contactos em cada extremidade.

Figura 31 Termsitor

A resistência do elemento diminui não-linearmente com o aumento de temperatura segundo a equação:

)12

(

12T

B

T

B

eRR−

=

onde: R1 = resistência à temperatura T1 (ºK)

R2 = resistência à temperatura T2 (ºK)

e = 2,718

B = 4350 ºK (temperatura característica)

Exercício 4. Característica do termístor NTC

Equipamento: 2 termístores A e B

Potenciómetro multi-volta de 10 kΩ (do circuito da ponte de Wheatstone)

Transdutor de temperatura LM335 (para indicar a temperatura)

Voltímetro digital

Fios

Considerações:

A resistência do termistor varia de 5 KV a 1,5 kΩ para a gama de temperatura em análise. O método utilizado no exercício anterior não pode ser aplicado para medir resistências.

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O método utilizado consiste na ligação do termistor, em série com um potenciómetro, a uma alimentação de 5 V. Para cada leitura, o potenciómetro é ajustado até a tensão na junção do potenciómetro com o termistor seja metade da alimentação. Assim, as resistências são iguais e a queda de tensão em ambas é a mesma. Como tal, a resistência lida no potenciómetro representa a resistência no termistor.

Tarefas termístor A:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 32; coloque o interruptor da ponte de Wheatstone em OUT para desligar do circuito os potenciómetros de 12 kΩ e Rx e coloque o multi-volta em 500 Ω.

2. Ligar a alimentação, ajustar o potenciómetro de modo que a tensão seja de 2,5 V. Anote os valores no potenciómetro e da temperatura, ligando temporariamente o voltímetro à entrada “Int” do LM335.

Nota: A resistência total no circuito é: 10 * multi-volta + 1 kΩ.

3. Ligar a resistência de aquecimento a 12 V, ajustar o multi-volta de modo que a tensão seja de 2,5 V. Anote os valores no multi-volta e da temperatura de minuto a minuto até estabilizar (de 0 a 10 minutos).

4. Trace o gráfico da resistência do termístor com a temperatura.



Termopar tipo K

A figura 33 representa um termopar. É constituído por dois fios de materiais diferentes unidos numa extremidade. Para o termopar tipo K os materiais são alumínio e crómio. Nesta montagem, quando o ponto comum (junção quente) é aquecido obtém-se uma tensão de saída nas outras extremidades (junção fria).

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A magnitude da tensão de saída depende da diferença de temperatura entre a junção quente e a junção fria bem como dos materiais utilizados.

Figura 33 Termopar

O DIGIAC 1750 contém 2 termopares: um instalado no “forno”, unidade activa, com a junção quente e a junção fria a diferentes temperaturas; o outro instalado fora do “forno” e incorporado num dissipador com o IC LM335, de modo a poder medir a temperatura da junção fria do termopar activo. Este segundo termopar está colocado em série com o primeiro com os fios do mesmo material unidos. O segundo termopar não contribui para a tensão de saída pois as suas junções estão à mesma temperatura. A figura 34 apresenta o circuito correspondente. É necessário amplificar o sinal de saída por um factor 248, originando uma saída de 10 mV/ºC.

Figura 34 Circuito com dois termopares

Exercício 6. Característica do termopar tipo K

Equipamento: 1 termopar tipo K

1 amplificador de instrumentação

1 amplificador x 100

1 amplificador#2 com ganho 2,5

Voltímetro digital

Fios

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Tarefas:

1. Fazer as ligações indicadas na figura 35; colocar o voltímetro na escala de 2 V; ajustar o ganho do amplificador#2 para 0,25 e o ganho coarse para 10.

2. Ligar a alimentação e ajustar o offset do amplificador#2 como se segue:

a. Curto circuitar as entradas do amplificador de instrumentação e ajuste o offset a zero (indicação no voltímetro).

3. Repor a ligação da saída do termopar ao amplificador de instrumentação. A tensão de saída deverá ser ainda zero com as junções à mesma temperatura.

4. Anotar os valores de temperatura das junções frias com o voltímetro na escala de 20 V; medir a tensão de saída do pino “Int” do IC bem como do pino “Ref” do LM335 da unidade do termopar tipo K.

5. Ligar a resistência de aquecimento a 12 V. Anote os valores de tensão nos terminais Int, Ref e de saída do termopar (de 0 a 10 minutos).

6. Trace o gráfico da tensão de saída do termopar com a diferença de temperatura entre a junção quente e a fria.



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