磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法.pdf

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磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法.pdf,偏置磁场与磁致伸缩纵向导波传感器换能效率密切相关,为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能效率估计手段的问题,提出了一种估计永磁式磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的方法。首先,从磁致伸缩导波能量转换的角度出发,建立了截面区域偏置磁场强度与导波接收信号幅值间的关系;其次,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的评估方法;然后,通过有限元仿真及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏置磁场的可行性进行了验证;最后,通过实验确定了方法的有效性。该方法通过测量管道外表面空气中周向多个位置
第7期 孙永等:磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法 1707 分析,由于磁化器轴向中心正下方磁场变化较为平缓,故由单元振动的机械能转换为电磁能。由于信号能量与幅 激励线圈一般安裝在该处,后续研究主要针对该中心截值平方呈正比关系,即接收过程的输出能量P与导波 面的磁场强度进行分析。如图1所示,当2个永磁铁磁信号幅值υ平方呈正比关系即: 化器作用于构件时,即使磁化器对称布置,中心截面内磁 (5) 化器覆盖区域轴向磁场强度相比其它区域仍然偏大,由 当接收端换能效率η2保持不变,可得激励端单元振 于磁致伸缩纵向导波偏置磁场与轴线平行,故该点偏置动能量与最终信号幅值的关系为: 磁场强度较大。当不同区域的偏置磁场强度不同,区域 所处的磁致伸缩工作点也不一样,从而导致截面圆周方 (6) 向不同区域对应的换能效率不同,最终不同区域共同 故可建立导波信号幅值υ与激励端单元振动能量P 作用决定导波激励过程的换能效率。 的数值关系 永磁铁 激励传感器 构件 (7) 式中:k为常数。 激励线圈 在获得信号幅值与单元振动能量的关系后,利用螺 H/H 线管直流线圈轴向磁场分布均匀的特点,可获得偏置磁 换 场强度H与单元振动能量P间的关系。由于直流偏置 1!能 1效mHH 线圈中心截面内偏置磁场强度处处相等,故截面内每个 Q1率 单元振动情况相同,且直流线圈内偏置磁场强度H可用 磁敏感元件测出。实验时,将激励端永磁磁化器用直流 r--区域单元1 线圈替代,当偏置磁场为H时,利用仪器进行导波激励, 弱截面磁场强度分布 偏置磁场强度 获得导波信号幅值υ。设此时接收传感器换能效率为 由于截面内n个单元振动情况相同,可得振动偏置 图1永磁式磁致伸缩传感器磁场分布不均匀示意图 磁场为H时单元的振动能量为 ig. 1 Non-uniform distribution of magnetic field for (8) permanent magnet magnetostrictive sensor 即建立了截面偏置磁场强度H与激励端截面內单元 下面拟从能量转换的角度出发分析磁致伸缩传感过振动能量P的关系。称激励端偏置磁场强度H与导波 程中的能量转换关系。从整体上看,在激励过程中,能量接收信号幅值v的关系为激励端的幅值曲线。 由电磁能转换为机械能,设激励过程输入能量为P1,激 当获得偏置磁场与激励端单元振动能量阃的对应关 励传感器换能效率为η1,输出能量为Pc,则有P1m 系后,则可结合单元振动能量与导波信号幅值的关系获 ηxP1m由于激励端输人能量Pm由导波仪器激励参数得单元偏置磁场强度对导波信号幅值的贡献。当永磁磁 决定,当激励参数确定,P即为一定值,可知输出能量越化器作用于构件激励端上时,获得截面周向不同单元的 大则换能效率η越大。从局部上看,沿圆周方向将构件偏置磁场强度,利用激励端幅值曲线即可得到每一单元 截面细分成无穷个细小区域单元(见图1),进而分析截的振动能量,将周向多点振动能量累加得到激励端的输 面内不同区域的能量转换情况。选取截面周向圆周路径 出能量,代入式(7)经过计算最终可得永磁式传感器作 s上某一区域单元κ进行能量分析,设输入该单元的能量用时的导波接收信号的加权幅值V为 为Pm,输出能量为P1cm,换能效率为Ta,则可知Pamt Ta×Ptm,且易知 2 (9) (3) 由于导波信号幅值与传感器换能效率呈正比,实际 由于单元输岀能量表现为机械振动,故输出能量检测中由于接收传感器换能效率m2和幅值曲线获取实 Pm可表示为构件截面周向有限个单元机械振动能量P验中接收传感器换能效率η’2都为常数,故可利用加权 的和,即: 幅值估计激励传感器换能效率η,且当η=η2即实际 检测与幅值曲线获取实验的接收传感器接收端布置参数 (4)相同时,加权幅值可以直接反应实际磁致伸缩纵向导波 在导波接收过程中,弹性波在试件中传播后基于磁检测通过信号幅值。 致伸缩逆效应在偏置磁场的作用下转换为电信号。能量 同理,接收传感器换能效率的估计过程与上述分析 1708 仪器仪表学报 第38卷 类似,可通过加权幅值估计接收传感器的换能效率,且当 同即m1=7时,加权幅值V可以直接反应与接收传感J4++3M<h,aD 实际检测与幅值曲线获取实验的激励传感器换能效率相 a4/△h,aD2A△h l=(10) at 器对应的实际磁致伸缩纵向导波检测通过信号幅值。 式中:为分界面上面电流密度,J、Jc分别为介质I和 2.3换能效率估计的实现方法 介质Ⅱ中的传导电流体密度,OD1/0t和OD2/o分别为两 获得加权幅值需要获得激励端构件截面偏置磁场强种媒质中的位移电流密度。因为Δh-∽,即Ⅰ=J、Δ,于 度,然而构件表层的偏置磁场强度无法直接测量,仅能通是可得: 过空气中的磁场强度进行表征6。由于交变磁场会产 (11) 生趋肤效应,磁致伸缩纵向导波的电磁耦合过程主要集 由于偏置磁场是由永磁铁磁化器提供,构件与空气 中在构件表层。因为磁致伸缩纵向导波偏置磁场方分界面上的面电流密度为0,可得到磁场切向分量边界 向与构件轴线平行,故只需针对构件内部切向磁场强度 条件为H1=H2,即磁场强度的切向分量在空气与构件 进行研究。在两种介质分界面处作一小矩形闭合环路,界面处是连续的。故可利用管道外表面空气中的磁场强 环路短边Δh→0,两长边△分别位于分界面两侧,且平度表征偏置磁场强度。 行于分界面,如图2所示。 在进行传感器换能效率估计之前,需要确定是否巳 知构件激励端和接收端的幅值曲线,如没有则应先进行 H 实验获得构件的幅值曲线。在获得构件幅值曲线的基础 H 上,具体估计方法如图3所示。当磁化器安装于构件上 介质I △l 某一端(激励端或接收端)时,首先,通过磁敏感元件测 △h→0 量构件外表面空气中的轴向磁场强度,表征构件内对应 部位的偏置磁场强度。然后,利用该端幅值曲线得到单 介质I H2t 元x在所测偏置磁场H下对应的导波信号幅值v,继而 求出区域单元对应的振动能量P,由于周向每个单元振 图2磁场切向分量边界条件示意图 动能量不同,故每个单元振动能量对导波信号幅值的贡 Fig 2 Boundary condition of magnetic field 献也不同,利用式(9)将周向多点对应振动能量进行计 Intensity tangential component 算。最后可以得到该端永磁式传感器对应的加权幅值 V,由于换能效率与信号幅值呈正相关关系,因此可利用 在此环路上应用安培环路定律如式(10)。 该幅值估计磁致伸缩纵向导波传感器换能效率。 永磁铁磁化器 周向构件表面 1个磁化器对应幅值 磁敏感元件 磁场强度 2个磁化器对应幅值 铁磁性构件 偏置磁场强度 3个磁化器对应幅值 直流线圈 幅值曲线 佳个数 k个磁化器对应幅值 导波测量仪 n个磁化器对应幅值 图3偏置磁场估计的实现方法示意图 Fig 3 Schematic diagram of the realization method for bias magnetic field estimation 元件具有一定体积,测量磁场强度时测量中心点无法完 3偏置磁场表征可行性验证 全贴合构件表面测量对应位置的偏置磁场强度。所以, 在分界面处磁场强度切向连续性的基础上,还需验证在 3.1管道偏置磁场有限元仿真验证 定提离情况下利用空气中的磁场强度表征构件内偏置 在实际的构件外表面磁场强度测量中,由于磁敏感磁场强度的可行性。以管道为例利用有限元分析软件 第7期 孙永等:磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法 1709 ANSYS进行有限元仿真。分析在安装永磁磁化器后构 表1仿真模型参数 件内部及空气中的磁场分布情况,仿真模型如图4所示, Table 1 Simulation model parameters 其中主要包含永磁磁化器及管道等。 仿真模型 参数 值 永磁铁 外径Dn/mm 内径Tn/mm 63 管道 长度L/mm 2800 管道 密度p/(kg·m-3) 7850 中心截[ 永磁铁磁化器 线圈:■ 杨氏模量E/Cpa 210 路径1! 泊松比v 0.28 路 电导率S/(S·m-1) 1.12×10 长L/mm 40 mm 图4磁化器及管道有限元模型示意图 宽Wn/mm 30 mm Fig 4 Schematic diagram of finite element model 永磁铁 高Hn/mm 40 mm for the magnetizer and pipe 矫顽力H、/(kA 955 永磁磁化器单元由一块衔铁(纯铁)及两块牌号为 剩磁B,/T 1.45 N52的永磁铁(铷铁硼合金 NdFeB)组成。管道规格及磁 长L;/mm 236 化器的参数如表1所示。管道及磁化器选择 solid96号 宽W/mm 单元建模 衔铁 高H/mm 20 因为磁致伸缩导波磁化器安装需保证周向均布,所 材料M 工业纯铁 以磁化器从2个开始安装。由于管道表面空间有限,管 道表面最多安装5个磁化器,依次将永磁磁化器由2个 增加至5个,建立一系列永磁磁化器管道磁化模型。后 从图5仿真结果可以看到,两条路径上同一周向角 续研究主要针对中心截面的磁场强度进行分析。由于磁度对应的磁场强度基本相等,即距离管道表面1mm处 致伸缩纵向导波趋肤深度一般为几十至几百微米且偏置偏置磁场强度与管壁内部偏置磁场强度基本一致。表 磁场方向与管道轴线平行,选择截面内沿着距管道外表明一定提离距离(约1mm)对表征的影响并不显著, 面深度为0.1mm表层的周向路径(路径1)提取管壁内从而确定了通过高斯计测量管道表面空气中磁场强 轴向磁场强度。同时由于高斯计探头测量中心点位置距度表征管壁内偏置磁场强度的可行性。同时可以观 离管道表面约1m,选择截面内管道外表面提离lm察到由于永磁磁化器磁路结构相对固定,即使周向均 周向路径(路径2)提取空气中轴向磁场强度,两条路径布(如两个磁化器时)构件内部磁场分布仍不均匀的 上的轴向磁场强度仿真结果如图5所示。 现象。 120 60 -5磁化器 150 0 5磁化器表层偏置磁场强度 化器义二磁化表层偏置磁场强 s180 0 2磁化器表层偏置磁场强度 *…5磁化器1mm提离磁场强度 2磁化器 4磁化器1mm提离磁场强度 4磁化器 3磁化器1mm提离磁场强度 2磁化器1mm提离磁场强度 240 300 270 周向角度6(°) 图5沿两条路径所得磁场强度仿真结果 Fig. 5 The simulation results of magnetic field intensity obtained alone two paths 3.2偏置磁场表征可行性实验验证 管道、永磁磁化器规格与仿真参数保持一致。使用高斯 针对仿真结果,搭建实验平台进行验证实验,实验中计(型号BELL8030)沿路径2顺时针方向每隔22.5°夹 1710 仪器仪表学报 第38卷 角测量管道表面轴向磁场强度,测量时高斯计探头紧贴 永磁铁磁化器 高斯计管道 测量轨迹永磁铁磁化器 构件表面,探头测量面与中心截面重合,测量面中心点距 管道表面1mm。由两个磁化器开始,依次增加磁化器个 数并保证磁化器在管道上周向均布,重复以上测量步骤, 获得一系列磁场强度值。实验实物如图6所示。 刻度纸 路径2上的轴向偏置磁场强度的仿真与实际测量结 检测探头 果对比如图7所示,从图中可以看到,距离管道表面1mm (a)实验设备 (b)测量路径 处仿真所得轴向磁场强度与高斯计所测基本一致,验证了 (a) The photo of the experiment devices (b) The photo of measurement path 仿真模型的正确性,进一步确定了通过测量构件表面空气 图6验证实验实物 中磁场强度表征管道内部偏置磁场强度的可行性。 Fig. 6 The photos of the verification experiment 120 o5磁花器髙斯计测量所得磁场强度 150 +4磁花器高斯计测量所得磁场强度 x3磁花器高斯计测量所得磁场强度 1804 Δ2磁花器高斯计测量所得磁场强度 801 -×-5磁花器1mm提离仿真所得磁场强度 号-4磁花器Imm提离仿真所得磁场强度 210 令-3磁花器1mm提离仿真所得磁场强度 日日 330 *-2磁花器1mm提离仿真所得磁场强度 24 Kx-o-x-R od 270 轴向角度(°) 图7沿路径2实验与仿真所得磁场强度结果对比 Fig. 7 The comparison of magnetic field intensity results obtained in simulation and experiment alone path 2 2800mm 600mm 1500mm 4换能效率估计方法的应用及验证 永磁铁 直流线圈 高斯探头 4.1激励端、接收端幅值曲线的获得 激励线圈 接收线圈 估计永磁磁化器的换能效率需先获得管道激励端和 激励 接收 加载电流 接收端的偏置磁场强度与导波通过信号幅值的对应关 系,其中通过信号指的是导波接收信号中的首次非电磁 脉冲通过信号。本文所用系统为自主研发的磁致伸缩导 波检测系统8,系统主要由激励传感器、接收传感器、检 日=三≡≡ 测主机及计算机构成。检测主机由信号发生模块、功率 恒流源 放大模块、信号处理模块及数据采集模块组成,系统中计 导波检测主机+计算机〃 算机主要用于控制信号的产生、采集、处理、显示及储存 图8接收端幅值曲线获取实验布置 导波检测信号。 Fig 8 The experiment layout for obtaining the 接收端幅值曲线获取实验布置如图8所示,管道及 relationship between bias magnetic field and signal 磁化器规格及材料与仿真模型一致,激励线圈与接收线 amplitude on receiver side 圈是线径为0.13mm的螺线管线圈,直径为75mm,厚度 约为0.15mm,线圈匝数为40。所用的直流偏置线圈是 根据管道规格,利用频散计算软件绘制频散曲 线径为1.5mm的漆包线绕制的15层空心圆柱线圈,长线,选择L(0,1)模态中所对应频散不显著的区域,确 度为180mm,内径为140mm,匝数为1o00匝,所用恒流定导波激励频率为50kHz。保持激励端磁化器个数及 源最大输出电压为90V,最大输出电流为10A。将高斯摆放位置不变,对接收传感器的直流线圈通以直流电 计柔性探头布置于中心截面处,测量面与中心截面重合,流,由0A开始,以0.1A为步进,增加至4A;从4A开 用来测量由直流线圈提供的偏置磁场强度,由于直流线始,以0.2A为步进,增加至8A,8A后以0.4A为步 圈内部轴向磁场是均匀分布的,所以可将高斯计探头所进,增加至10A。通过导波检测系统对管道进行激励, 测磁场强度结果作为中心截面的偏置磁场强度。 重复200次获得平均后的通过信号幅值。由于直流线 第7期 孙永等:磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法 1711 圈内部轴向磁场是均匀的,所以可认为在同一偏置电 从图9可知通过信号幅值与激励端或接收端偏置磁 流时构件截面各点磁场强度和振幅相等。以高斯计探场磁场强度关系复杂呈非线性关系,且两者变化规律并 头所测偏置磁场强度为横坐标,导波通过信号幅值为不相同,这与 MURAYAMA R20的研究结论基本一致。 纵坐标得到接收端对应的通过信号幅值曲线。同理,4.2加权幅值的计算 在其他设置不变的情况下,交换激励传感器与接收传 当激励传感器选择1个永磁磁化器提供偏置磁场, 感器磁化方式,即激励端釆用直流线圈接收端采用永取磁化器正下方为周向0°点,基于模型对称性选择中心 磁铁进行磁化,重复以上步骤。最后得到激励端对应截面内周向0°~180°每隔12为一点进行测量。测量时 的通过信号幅值曲线,两端对应的幅值曲线如图9所高斯计探头紧贴构件外表面,测量管道中心截面内空气 小 中的轴向磁场强度,表征得到该点管壁内偏置磁场强度。 由所得偏置磁场强度在激励端幅值曲线(见图9)中找到 -接收端幅值曲线 日激励端幅值曲线 对应的幅值,将所得16个对应幅值按照式(9)计算,其中 8 n=16,由于获得幅值曲线时的接收端布置参数与实验布 受6中 置参数相同,故可由η2=η2'计算得到加权幅值。计算过 安e6 包包 程如表2所示,可以得到激励端1个磁化器对应的加权 拟4 幅值结果为1.28V。 在计算获得1个磁化器对应的激励端加权幅值后 对比激励端幅值曲线发现激励端最大幅值约为7.η9V, 所得加权幅值偏小。继续增加磁化器,得到2个磁化器 时的加权幅值为6.8V,已接近幅值最大值,增加磁化器 偏置磁场/(kAm-) 发现加权幅值减小,对照激励端幅值曲线即可确定2个 图9激励端、接收端幅值曲线 磁化器时激励端换能效率较髙。接收端端估计方法与激 Fig9 The signal amplitude curves on transmitter and 励端类似,在接收端安装磁化器重复实验,得到2个磁化 eceiver sides under different bias magnetic field 器时接收端换能效率较高 表2加权幅值计算过程 Table 2 The calculation process of weighted amplitude 测量点 磁场强度/(kA·m-1 1.056 1.059 1.134 1.119 1.051 1.004 950 893 信号幅值/V 1.08 1.08 1.18 20 1.24 测量点 10 12 13 14 15 16 磁场强度/kA·m-1) 0.807 0.774 0.749 0.711 0.693 0.670 0.659 0.657 对应幅值/V 1.33 1.35 1.39 1.40 1.41 1.42 1.45 1.45 加权幅值 1.28 4.3永磁磁化器偏置磁场估计方法的验证 比结果如图10所示。实验结果表明,使用本方法所得的 将图8中接收端直流线圈更换为永磁磁化器,其他布加权信号幅值与实际测量信号幅值变化趋势相同,能有效 置保持不变,由于相应的激励传感器与接收传感器磁化器区分磁致伸缩导波传感器的检测效果。证实了通过本方 数量不变故所得加权幅值可直接反应对应的实际测量信法估计磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的有效性。 号幅值。从1~5个依次增加接收传感器中磁化器数量, 同时注意到接收传感器3个磁化器时方法所得加权 使用导波检测仪器对激励线圈进行激励,平均200次获得幅值与实际结果存在一定误差,分析可能原因如下:1)在 接收传感器不同磁化器个数所对应的导波通过信号幅值。对管道表面磁场强度测量时,虽然一定提离距离对于偏 同样,保持接收传感器磁化器个数不变的情况下,增加激置磁场表征影响不显著但还是会有一定影响;2)探头测 励传感器磁化器个数得到激励传感器不同磁化器个数所量面在测量时也无法保证完全垂直于管道轴线;3)方法 对应的导波通过信号幅值。与利用本文所述方法结果对本身在简化过程中存在一定误差。 1712 仪器仪表学报 第38卷 8 选择最佳的传感器磁化器个数,从而高效完成检测,为提 高磁致伸缩纵向导波检测效率提供了支持,为仪器智能 6 化研究提供了基础。 参考文献 [1]何存富,郑明方,吕炎,等.超声导波检测技术的发 展,应用与挑战[J].仪器仪表学报,2016,37(8): 2 1713-1735 实验测得幅值 母-方法计算幅值 HE C F, DENG M F, LV Y, et al. 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Ultrasonics, 2002, 39(7): 503-514 图10验证实验结果幅值与方法加权幅值对比 5]阳昌海,文玉梅,李平,等.偏置磁场对磁致伸缩/弹 Fig 10 The signal amplitude comparison between the 性/压电层合材料磁电效应的影响[J].物理学报, proposed method and verification experiment on 2008,57(11):7292-7297. transmitter and receiver sides YANG CHH WEN LIP. et al. Influence of bias magnetic field magnetoelectric effect of 5结论 magnetostrictive elastic piezoelectric laminated composite [JJ. Acta Mechanica Sinica, 2008, 57(11):7292 为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能 7297 效率估计手段的问题,本文首先从能量转换的角度出发 6]王悦民,康宜华,武新军.磁致伸缩效应在圆管中激 分析了磁致伸缩导波传感过程中能量的传递关系,建立 励纵向导波的理论和试验研究[J].机械工程学报, 了偏置磁场与构件截面振动能量及导波检测信号幅值三 2005,41(10):174-179 WANG Y M. KANG YH. wuX. Theoretical and 者间的关系,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机 理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导 experimental study on generation of longitudinal guided waves in circular pipes based on magnetostctrive 波传感器换能效率的评估方法。然后,通过有限元仿真 ffect[ J. Chinese Journal of Mechanical Engineerin 及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏 2005,41(10):174-179 置磁场的可行性进行了验证,确定其有效性。最后对佔[7] KWUN H,KMsY, LIGHT M. The magnetostrictive 计方法进行了实验验证。该方法通过测量构件周向表面 sensor technology for long range guided wave testing and 空气中多个位置的轴向磁场强度,利用激励端或接收端 monitoring of structures[ J]. Materials Evaluation, 2003 偏置磁场强度与导波通过信号的幅值关系曲线计算得到 61(1):8084 加权幅值,并以此幅值为依据估计磁致伸缩传感器的换[8]刘増华,张易农,吴斌,等.钢绞线用磁致伸缩传感器 能效率。本文方法不需要借助复杂解析方法与有限元数 偏置磁场的有限元分析[J].应用基础与工程科学学 值仿真计算即可完成对磁致伸缩传感器换能效率的估 报,2009,17(2):281-289 计,能方便快速有效地确定磁致伸缩传感器的换能效率 LIU ZH. ZHANG Y WUB. et al. Research on finite 第7期 孙永等:磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法 1713 element simulation in bias magnetic field of the[18]武新军,徐江,沈功田.非接触式磁致伸缩导波管道 magnetostrictive sensor used for steel strands [J] 无损检测系统的研制[J].无损检测,2010,32(3) Journal of Basic Science and Engineering, 2009, 17(2) 166-170 281-289 WUX J, XU J, SHEN G T, Development of the [9 LEE H, KIM YY. 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Relationship between magnetostriction and the 位、硕士学位和博士学位,现为华中科技大 magnetostrictive coupling coefficient for magnetostrictive 学副教授、硕士生导师,主要研究方向为工 generation of elastic waves [C]. Quantitative 程测试与信号处理、电磁无损检测新技术 Nondestructive Evaluation, 2002, 615(1): 1613-1620 等 15JILESDC.Theoryofthemagnetomechanicaleffect[J].E-mail:jiangxu@hust.edu.cn Journal of Physics D: Applied Physics, 1995, 28(8) Xu Jiang( Corresponding author received his B Sc, M. Sc 1537 and Ph. D. degrees all from Huazhong University of Science and [16]雷银照电磁场[M].北京:高等教育出版社,2010. Technology in200,2005and2009, respectively. now he is an LEI Y ZH. Electromagnetic fields L M] Beijing: Higher associate professor and master student supervisor in Huazhong Education Press 2010 University of Science and Technology. His main research field [17] THOMPSON R B. 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2019-09-20
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