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明渠流量仪表概述和类型 |
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作者：江苏智瑞科技有限公司 |
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一：概述
非满管状态流动的水路称作明渠，测量明渠中水流流量的仪表称作明渠流量计。明渠流通剖面除圆形外，还有U形、梯形、矩形等多种形状。
水路按其形态分类，各形态如图.1所示。ISO通常称满水管为封闭管道，流动是在水泵压力或高位槽位能作用下的强迫流动。明渠流则是靠水路本身坡度形成的自由表面流动。
部分满水管流是在非满水管系中局部场所作满水管流者，如图2所示下水管道设置的蓄水机构中低于原暗渠的管段10为满水管流。在此管段内设由表面流的明渠满水管路置的流量仪表应为满管流量仪表（图例为电磁流量计），因此非满水管系在特定条件下也可用封闭管道流量计测量流量。
明渠流量计应用场所有城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。本文重点讨论前面几种工业和公用事业适用的流量测量方法和仪表，不包括较大型的水利工程和农业灌溉用的流量测量方法。
国外有人估计，1995年全球工业和公用事业用明渠流量计销售台数约占流量仪表整体的1.6%，约3.5万台;若包括较简易的堰等使用者可自行制造未向市场采购的仪表，实际装用还要多些。国内应用尚无估计数据。
二：类型
工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法，如图3所示。
1)堰(weir)法 在明渠适当位置装一挡板，水流被阻断，水位升到档板上端堰(缺)口，便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量，水位继续上升，流出流量随之增加，直到流出量等于渠道原流量，水位便稳定在某一高度，测出水位高度便可求取流量。
2)测流槽(flume,简称槽)法 缩小渠道一段通道断面成喉道部，喉道因面积缩小而流速增加，其上游水位被抬高，以增加流速所需动能(即增加的动能由所抬高水位位能转变过来)，测量抬高水位求取流量。
3) 流速-水位计算法(简称流速-水位法) 测出流通通道某局部(点、线或小面积)流速，代表平均流速，再测量水位求得流通面积，乘局部流速与平均流速间的系数，经演算求取流量。
4)电磁流量计法 又分为潜水式电磁流量计和非满管电磁流量计两类，后者目前国内尚未开发。
潜水式电磁流量计是在渠道中置一挡板截流，挡板近底部开孔并装潜水电磁流量传感器，水流从流量传感器流过从而测出其流量。
非满管电磁流量计的传感器直接在管道装上同口径圆形暗渠，测量流速的原理与传统电磁流量计的相同，但还具备测量仪表内水位的功能，电极、磁路和测量电路则有较大差别。
5）、液位-流速演算式法：利用非满管或明渠自由表面自然流下液体的液（水）位和平均流速间的函数式，测量流动的管渠水位以求取流量的一种方法。
6）、喷嘴流量计法：一种开式喷嘴装于非满圆管排放口，测量喷嘴上游水位求取流量。
三、原理与特点
1、堰式流量计
堰式流量计由堰和相应的液位计组成，薄壁堰的测量原理如图4所示，流量Q按式（1）计算。
Q=Khn（1）
式中K——流量系数
h——堰顶水头，即离堰口水位高度
n——取决于堰缺口形状的指数，为5/2或3/2
常用薄壁堰按缺口形状分为三角堰、矩形堰和等宽堰，它们的尺寸范围、流量范围、堰口尺寸和表面粗糙度要求可查阅标准或规程ISO1438-1，CJ/T3008.1，CJ/T3008.2，JJG771，均有具体规定。若迎流侧堰口长期使用后磨损成圆角以及迎流侧堰壁粗糙度变化均会产生测量误差。堰式流量计除堰板部分外，还包括相应液位计以及堰板上游足够长的直渠段和整流段等。
堰式流量计的特点：
（1）、结构简单，一般情况下价格便宜，测量精确度高，可靠性好；
（2）、因水头损失大，不能用于接近平坦地面的渠道；
（3）、堰上游易堆积固形物，要定期清理。
2、槽式流量计
槽式流量计的常用测流槽有多种型式。在渠道中收缩其中一段截面积，收缩部分液位低于其上游液位，测量其液位差以求流量的测量槽，一般称作文丘里槽。1922年在文丘里槽的基础上开发了适用于矩形明渠的巴歇尔槽（Parshallflume，简称P槽），1936年开发了适用于圆形暗渠的帕尔默．鲍鲁斯槽（PalmerBowlusflume，简称PB槽）。在欧洲文丘里槽用得较多；在我国则以P槽和PB槽居多，下文即以此两槽阐明原理与特点。
(1)、P槽
P槽外形如图5所示，喉道宽为25mm至15m，已有定型寸。流量Q和喉道上游液位ha间的关系式Q=Chna中，系数C和指数n均因规格而异。P槽可以用钢板或木板制成，也可以在现场用混凝土现浇。国内已有用聚氯乙烯塑料或玻璃钢制成的定型商品。ISO9826、CJ/T3008.3和JJG711对槽的尺寸、流量范围、系数、表面粗糙度和尺寸公差均提出了要求。
P槽流量计的特点是：
（a）、水中固态物质几乎不沉积，随水流排出；
（b）、水位抬高比堰小，仅为1/4，适用于不允许有大落差的渠道。
（2）、PB槽
P槽不能用于圆形暗渠，PB槽为圆形暗渠专用。PB槽原理如图6所示，圆形断面收缩成倒梯形喉道，喉道部产生射流（平均流速比水面传播的水波速度快的流动），测量上游侧水位ha，求取流量Q：
Q=Chan（2）
式中系数C和指数n是取决于PB槽口径和各构件形状尺寸的常数。倒梯形喉道的PB槽，n大约为2。
PB槽公称口径为250～3000mm，与混凝土管尺寸相对应，其长度是公称口径的2～4倍（小口径段为4倍，大口径段为2倍）。最大流量范围通常如表1所示，但国内若干型号产品常为其较小值，达到最高允许水位的范围度标准值为30:1。表1PB槽口径和最大流量范围
注：口径1350mm以上为参考值 PB槽流量计尚无国际、国家标准，我国亦无相应国家检定规程，仅有地方性检定规程，即浙江省地方计量检定规程JJG（浙）49-93《P-B槽明渠流量计》。规程中提出了技术要术、检定条件和检定方法，但无结构尺寸、流量计算公式和系数等。
PB槽的特点是：
（a）、在维持自由水面流的管渠内，管壁粗糙度等条件变化会导致流量值变化，而PB槽几乎不受管壁粗糙度等条件变化的影响，测量值的长期变化小；
（b）、PB槽的水头损失在非满管流仪表中属于较小的，喉道部槽顶（Crest）自清洗效果显著，几乎不必担忧固定物的沉淀和堆积；
（c）、作为渠道不发生自射流的条件，PB槽上游暗渠坡度必须在20/1000以下，然而实际渠道几乎没有会超过该坡度者。
（d）、渠道下游侧水深必须小于上游侧水深的85%，不能满足此条件，测量精确度会下降，有时甚至无法测量。
3、流速-水位流量计
图7所示是电传播时间法超声流速计和超声液位计组成的流速-水位流量计一例，所测流速是线平均流速，水位是测量水面和超声液位传感器之间的距离间接求得。也有以测量点流速或局部小面积平均流速（例如多普勒法超声流速计）和实际水位（例如压式液位计）组成的流速-水位流量计，图8漆所示即其一例，适用于圆形暗渠。
流速计除超声式外，还有电磁式流速计以及现在用得较少的旋杯式流速计和旋桨式流速计。
图7所示流速传感器的位置相距渠床高度Y通常为0.1B（B为渠宽），ISO6418附录A则规定了3～300m声道长度范围内最小的Y值。
图9所示是流速-水位流量计信号系统和运算框图，VL是流速计实测的线平均流速，VL乘上线流速修正系统数KL求得流通面积A的平均流速 ，即 。流量Q为
式中Kq——流量系数，Kq=AKL。
Kq的值取决于流通面积形状（矩形倒梯形、圆形或U形）和渠壁粗糙度。图中水深判断部分用于判断水位是否低于流速传感器，若低于流速传感器则保持在此之前的流速信号，使之能继续运算。
测量“点流速”的流速-水位流量计要引入点修正系数KP，即实测点流速与流通截面积平均流速之比。
流速-水位流量计的特点为：
（1）、渠道截面形状不限于矩形，圆形、倒梯形或U形均适用.流量范围度宽。
（2）、水位离渠床距离从接近零到满位均能测量。暗渠即使达到满管，压力显著增加时还能测量，而水位低于流速传感器而无法测流速时，还可利用此前的流速信号作流量运算。
（3）、由于从流速和水位两个信号求取流量，即使在受背压状态下流动，也能测量：同样也可测逆向流（使用多普勒法流速计则应注意，因型号而异）。
（4）、几乎不会发生固形物堆积现象。超声流速计和液位计不会阻碍流路，其他型式流速传感器和液位传感器尺寸相对较小，对流路阻碍也很小。
（5）、对于已有渠道，安装容易，无需改造渠道工程。
（6）、易受来流流速分布影响，测量场所上下游要有足够长的直渠渠道。如图7所示设计例，有关文献列举了多种渠道布置上/下游挠流件（如弯道、合流、落差、闸门等）的5～50倍渠宽的直渠段长度要求。
4、水式电磁流量计
潜水式电磁流量计需在渠道中置一挡板截流，挡板底部装上潜水电磁流量传感器，如图10所示。挡板截住渠道，迫使水流只能从流量传感器中流过，以较原来高的流速通向下游从而抬高挡板上游的水位，产生挡板上下游水位差h，此水位差的势能转变为流速V的动能，即
式中K——系数
g——重力加速度
潜水式电磁流量计工作时，液体流动状况属于淹没孔口流，孔口流出速度与孔口在自由表面下的沉没深度无关，仅取决于上下游的水位差。也就是说，流量测量值与流量传感器（或分流模型）安装位置无关，但要求尽可能低使之在运行过程中始终处于淹没流状态。
通过流量传感器的流速一般为2～3.5m/s上游抬高水位在100～300mm。
在流量较大而又不能用较大口径流量传感器时，为了避免水位差过大，可以用分流模型来扩大流通能力。分流模型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡板上并用，实际总流量即为传感器实测流量乘上（n+1）倍。
潜水式电磁流量计的特点为：
（1）、无活动件，可测量含有固体颗粒或悬浮体的液体。
（2）、可使用于受潮水等形成下游侧水位变化的渠道。
（3）、因设置挡板截流，测量与渠道形状和上游直渠道状况无关。
（4）、水头损失较小，流量传感器内必须保持满管流。
（5）、挡板前会有一些固形物堆积，要定期清理。
5、非满管电磁流量计
非满管电磁流量传感器外形与传统电磁流量传感器相似，同样除利用法拉弟定律检测液体流速外，还要用某种方法检测测量管内流动液体高度，亦即过液流截面积，两者相乘求得流量。现例举最早推向市场的Fischer+Porter公司PART1-MAGⅡ型仪表为例阐明其工作原理。
如图11所示，测量管中央同一圆周上，水平轴及其下方分装3对电极检拾流速信号，上下两激磁线圈交替正向和反向串接通电，产生两种磁场强度和磁力线分布，测得两个不同流速信号，两信号之间的比值和测量管中液位高度成一定函数关系。从这一关系便可求得液位高度，亦即取得过液流截面积与电极上流速信号进行运算，求得流量。它可测高于测量管内径10%液位的流量。
其他设计型号有：爱知时计电机公司采用相似原理，只是交替两线圈串接同时通电激磁和单独一线圈通电激磁。电极则是一对弧条形电极紧贴衬里；东芝公司设计的两线圈轴线水平布置磁力线是水平方向。测量管底部置一电极测量其与测量管端部接地环之间的电位差。东芝公司称，得到的信号是与液位、流速两者均成比例，不需作液位演算处理，不受浮游物及液位波动等影响，可测液位高度30mm；Krohne公司的设计是利用在测量管底部10%内径高度的一对电极测量流速，与液体接触衬里面的背面，置有多块大面积电极，以相似于电容液位计原理检测测量管内的液位高度。
非满管电磁流量计的测量精确度因设计型号而异，在满管运行时为±1%R～±1.5%Fs，在非满管运行时为±3%R～±2%Fs；可供应口径范围为150～2000mm。
非满管电磁流量计的特点：
（1）、测量精确度在各明渠流量测量方法中较高，无需现场实流校准。
（2）、能作正、逆方向双向测量；既可测量非满管流，也可测量满管流。
（3）、应用于圆形暗渠安装简便，将流量传感器直接接入即可。流量传感器流通通道无挠流、阻流体。
（4）、应扩于池、槽排放，或连接于渠形明渠时，必须要有一段平滑过渡段。还应有10倍管径的前置直管段。
（5）、在不同坡度管道所测得的某同一流量，平缓坡度场所的流量传感器内液位高于急陡坡度场所。传感器内液位高度应低于临界深度（CriticalBepth液流为临界流时的截面液深）。
（6）、未见国内生产本仪表。仪表本身价格比满管电磁流量计贵许多。但应用于圆形暗渠无需额外管渠工程费用。
6、液位-流速演算式流量计
在一定坡度管渠内液体自由表面自然向下流动,其平均流速V（m/s）与水力半径R（m）、壁面粗糙度（n）、坡度（i）间的关系如曼宁公式（式5）所示。流量Q如式（6）。
式中A——过液流路断面（m2）
n——管渠壁面粗糙度；混凝土管一般为0.015
对于矩形渠，A=h•B，R=h•B/（2h+B）。已安装好的渠段n、i、B均为常数。平均流速和流量Q仅是液位高度h的函数。图12所示是矩形和圆形截面液位高度与流速/流量的特性曲线。
天津大学用微压传感器在坡度可调管径200mm圆形管道的简易实验装置上作试验。管道坡度设在2/1000，以电磁流量计作标准表对原型样作流量比对试验。流量在24L/s时，h/d均为0.9。h/d为0.3～0.45时实际相对误差≤30%（引用相对误差<7%），h/d在>（0.45～0.8）时，实际相对误差为5%～9%（引用相对误差<4%）。
液位-流速演算流量计的特点
（1）、在管渠适当位置直接设置简单方便，无须变动管渠流路。但难以获得正确坡度和壁面粗糙度，因此测量精确度相对较低。
（2）、测量段无阻挠流件（如用超声液位计）或设置很小的检测件（如侵入式压力传感器），无阻力损失或阻力损失很小。测量过程不会形成固形物沉淀堆积。
（3）、使用过程中可能受日久附着层而改变壁面粗糙度，测量值可能随之而变。
（4）、费用较省，但国内尚未见到定型产品。
7、喷嘴流量计
一种开式喷嘴装在圆形暗渠排放形成自由排放，如图13所示。图14所示Kennison喷嘴即其一例。其中表所示其口径规格，最大流量等性能和主要外形尺寸。引压口接装浮子液位计等仪表。从所测液位求取流量。
图14 Kennison喷嘴外形和性能
Kennison喷嘴排放口断面形状下部为弓形。中部为梯形。上部为矩形，使在10%～100%Qmax（最大流量）范围内呈线性的液位-流量特性和±2%实测值的测量误差,5%Qmax时为±5%。阻力损失略高于一个管直径的水头。紧接喷嘴上游管段的坡度不能过陡,超过规定值（0.002～0.007）应在喷嘴前设置一段无坡度缓冲段。流速限制为0.67～1.13m/s。
喷嘴流量计的特点为：
（1）、只能装在圆形暗渠排放口，测量精确度较高。
（2）、液中固形物随液流排放，几乎不沉淀。
（3）、阻力损失小，测量不会过多抬高上游液位。
8、常用液（水）位计和积算仪表
堰式、槽式、流速-水位式、液位-流速演算式、喷嘴流量计均需配用相应的液（水）位计。明渠流量计常用的液位计有浮子式、电容式、压力式和超声式。
浮子式液位计在槽（或堰）的水位测量点经导水管通至静水井（见图5）。液位计的浮子在静水井内随着水位变化而升降。通过液位计内凸轮机构等将液位-流量的指数函数关系转换成流量。
一种新型的电容式液位计是通过测量棒形电极外套绝缘套管与液体为另一电极的电容量来检测液位的。该电容式液位计有液位比例输出型和液位函数输出型两类。前者如用于堰槽还需配用相应的函数转换器使之线性化。后者的绝缘套管按照堰（或槽）的液位-流量特性函数输出设计成特殊形状。
应用于明渠流量测量的压力式液位计有压力式水深仪、吹气式液位计和小型压力传感器3种。
超声液位计是测量超声波从超声传感器（换能器）以一定的速度发射经气-液界面反射回到换能器的时间，以求取水位的液位计，称之气介式液位计，图7所示即为其使用安装例。用于明渠流量测量的超声液位计除气介式外，还有在液体中向上传送超声波经液-气界面反射的液介式液位计。超声传感器置于水中。气介式为非接触液体测量，适用于有污浊物和腐蚀性液体。但比气介式受温度变化影响小。超声波波长为气介式的1/5，分辨力和测量精确度较高。
配套于明渠流量仪表的专用转换器，通常带有总量积算功能而无需再配后位积算仪表。若配用只有标准化输出信号的液位计，则还需后位积算仪表。
云南省水利水电科学研究所提出一种简便的利用普通水表积算堰、槽流量的实用新型法（专利号86206884.89706926）。堰、槽排放水量经调整管分流一部分与排放总量成比例的水量由水表计量（见图15），乘以分流倍率，即获得排放总量。调整管上有一排相隔等距离的小孔，它们是按堰槽液位流量问的函数关系计算出的每层面积不等的一个或几个小孔，愈上层流通面积愈大。
四选用考虑要点
1、概述
针对城市供水引水渠、工业引水和排放渠、污水治理渠道等流量测量特点，应考虑以下因素选择合适的测量方法。
（1）、水路大小和形状，流速范围，最大流量和最小流量；
（2）、测量精确度要求；
（3）、流量计设置场所和环境条件；
（4）、液体状况、洁净程度、含有固相浓度、腐蚀性等；
（5）、现场允许落差（或升高水位）和渠道坡度；
（6）、与液体接触的仪表零部件材料；
（7）、选用超声流量计和电磁流速计时要分别对液体浊度或电导率作调查。
2、估算渠道流量和抬高水位
对于新建单位可通过工艺流程计算渠道流量与拟安装位置，再选用仪表规格。对于老企业添置仪表需要估计既有渠道流量和确认仪表上游允许升高水位，即确定流量仪表规格和流量范围要取决于渠道峰流量和允许升高水位两个因素。
（1）、估计峰流量
通常有投浮子法和日排放量估算法两种方法。
（a）、投浮子法：既有明渠可采用投浮子法测定和估算流量。选定在最大流量时两人距离L（20～50m）立于直渠道旁上游一人投放浮子（一般是木制圆片），下游一人在投放木片的瞬间启动计时，当浮子到达时停止计时，测得时间t，求出渠道表面流速v=L/t（m/s）。再测出渠道流通截面积A（m2）。便可从式（7）估算流量Q。
Q=KVAX3600m3/h （7）
式中K——修正系数。因表面流速大于平均流速，一般取0.84～0.90。
（b）、从日排放量Qd估算峰流量Qp：在没有条件用投浮子法或新建系统，可采用实际（或设计）的排放量来估计峰流量，估算公式如式（8）或（9）。
Qp=KuQd/24 （8）
Qp=QdH （9）
式中 Ku——不均匀系数。如为均匀连续排放，Ku可取1.1～1.2。
H——每天集中排放累计小时数。如为不均匀连续排放，则按集中排放小时计算。
（2）、确定抬高水位
除流速-水位流量计、非满管电磁流量计和液位-流速演算式流量计外，渠道安装流量计后，其上游均要抬高水位。对于新设计的渠系可按测量流量范围和周边环境条件全面考虑确定升高水位高度。对于现有渠道在选定流量计时，要考虑上游渠系水位抬高后的影响（如水位是否会漫溢出渠道）。然后再按确定的水位升高高度和峰流量值选定仪表规格。
3、渠用流量仪表适用范围和性能比较
常用渠用流量仪表适用范围和性能比较归纳如表2所示。表2 渠用流量仪表性能比较
比较项目 | 堰法
（薄壁堰） | P槽法 | PB槽法 | 流速—水位法 | 潜水电磁法 | 非满管电磁法 | 流位—流速演算式法 | 喷嘴流量计法 | 适用渠道
类型 | 明渠 | 明渠 | 圆形暗渠 | 明渠、暗渠 | 明渠、暗渠 | 圆形暗渠 | 明渠、暗渠 | 圆形暗渠排放口 | 流量检测结构特征 | 渠道要截流，检测件结构简单 | 渠道—段要装入槽
检测件结构较复杂 | 渠道—段
要装入槽检
测件结构较
复杂 | 不必改动渠
道流量检测
要用流速计 | 渠道要截
流检测件为本体，
分流模型
扩大流量 | 不改动暗渠，
接入流量
传感器即可 | 不改动渠道装上液位仪表即可 | 装于渠道排
放末端 | 检测仪表 | 液位计 | 液位计 | 液位计 | 流速计+液位计 | 本仪表
直接测量 | 本仪表
直接测量 | 液位计 | 液位计 | 渠宽、喉宽或口径
（mm） | 渠宽：
450-8000 | 喉宽
25-240
（152000） | 口径：
150-
1800（3000） | 渠宽：
300-10000
口径：
300-500 | 口径：
50-
400（600） | 口径：
150-2000 | | 口径150-800 | 流量或流
速范围流速 | 15-40000
m3/h
三角堰
小流量
矩形堰
中流量
等宽堰
大流量 | 30-15000
（330000）m3/h | 20-12000
（42000）
m3/h | 流速：0-20m/s | 10-5000
m3/h | 30-110000m3/h | 最大流速：1m/s | 45-3180m3/h | 测量精确
度误差/
（±%FS） | 1-3 | 3-5 | 3-5 | 3-5 | 独传感器：1.5
带分流模型：2.5 | 3-5R | 4-10 | 2-5R |
流量范围
度
| （10-20）:1 | （20-
30）:1 | （20-30）:1 | （20-
100）:1 | 10:1 | （10-50）:1 | （5-10）:1 | （10-20）:1 | 抬高水位
（mm） | 200（120）-800 | 75-200 | 口径的
（1/20-1/10） | 无 | 100-500 | 无 | 无 | 最大1个管径 | 上游侧固
态物是否
会沉积和排泄程度 | 会沉积，
不会排泄，
要定期清除 | 不会沉，随流排泄 | 不会沉积，
随流排泄 | 不会沉积，
随流排泄 | 会沉积，
能部分随
流 | 不会沉积，
随流排泄 | 不会沉积，
随流排泄 | 不会沉积，
随流排泄 | 上游直渠
段长度要求（mm） | 1500-24000
（其中整流
流部690-12000） | 300-2000 | 上游侧：
≥（5-10）
倍口径
下游侧：
≥2倍口径 | 上游侧：
≥（1O-15）
倍渠宽（或口径）
下游侧：
≥5倍渠宽
（或口径） | | 上游侧 ≥
5-10倍口径；
下游侧3倍口
上游侧管道坡
度：≤0.05测
管内不能有持
的漩涡和水跃 | 测量段内应无水跃 | 上游侧一般为8倍
内径：坡度过大另需设缓冲段 | 对流体的
要求 | 无特殊要求 | 无特殊要求 | 无特殊要求 | 传播时间法
超声流速计：
浊度≤
5000mg/L
多普勒法
超声流速计：
浊度60- 50000mg/L | | 液体导电率
≥10-4/cm测量废水、下水不存在问题 | 无特殊要求
| 无特殊要求 |
(end)
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(投稿)
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(8/25/2012) |
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电话：86-0517-86918098 |
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中国·江苏·江苏省金湖县工业园区智瑞科技园 邮编211600 |
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