presentación utn extensometria 2012

7/26/2019 Presentacin UTN Extensometria 2012

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Ing. Diego FERNANDEZ MORENO 2 de 2

MEDICIONES Y ENSAYOS INDUSTRIALESrea Mecnica y Resistencia de Materiales

MEDICIN DE DEFORMACIONESEXTENSOMETRA

Consideraciones generales

Concepto y definicin de extensmetro: Todo elemento mecnico sufre cambios en suforma y dimensiones debido a las solicitaciones que sobre l se ejercen. Estos cambios,para los materiales metlicos, son en general tan pequeos que muchas veces pasandesapercibidos a simple vista. Sin embargo, son de gran importancia tcnica puespueden producir la falla funcional del elemento (juego o apriete excesivo) o mas

frecuentemente, son el nico indicador confiable de la magnitud de la solicitacinexterior y de la forma en que se distribuyen las tensiones dentro del elemento.

La deformacin (variacin de la distancia entre puntos de la pieza debido a lastensiones actuantes) se manifiesta de manera mltiple segn el tipo de solicitacin yde las caractersticas geomtricas de la zona en estudio: flechas, giros relativos,apertura de grietas, corrimientos relativos, deformacin lineal, etc.


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De todas ellas son las deformaciones especificas lineales () las que presentan la mayor

importancia por razones tericas (las leyes bsicas de las teoras matemticas de laelasticidad y de la plasticidad se expresan en funcin de y de ) y prcticas (lassolicitaciones donde estas deformaciones lineales definen el cambio de forma ydimensiones, o sea en traccin y compresin, se presentan frecuentemente tanto enlas piezas reales como en los ensayos normalizados).

Adems se ha visto, en los ensayos de traccin que los materiales metlicos secaracterizan por su alta rigidez, o sea que las deformaciones lineales () que producenlas cargas aplicadas son muy pequeas, mientras las tensiones no superen cierto valorcritico (f, 0,2).

De todo lo anterior surge la necesidad e importancia de los instrumentos, que recibenel nombre de extensmetros, capaces de medir deformaciones lineales pequeas con

gran exactitud y sensibilidad.


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Unidades:

Previamente distinguiremos entre, alargamiento (l): variacin de la distancia entredos puntos de la pieza y deformacin () o alargamiento especfico que es el cocienteentre la variacin de longitud (l) y la longitud inicial entre los puntos de referencia (l0)o sea que

= l/l0

Las unidades para medir l son las clsicas para las longitudes pequeas:Sistema tcnico y S.l. : mm o mSistema anglosajn : pulgadas () o (micropulgadas)

Mientras que es por definicin (cociente de dos longitudes) adimensional o sea estadado nicamente por un numero, que por lo antes dicho es muy pequeo.

Se acostumbra a indicar la unidad de como el cociente de dos unidades de longitud(mm/mm, m/m) o como un submltiplo de la unidad (10-6 = ).Nosotros utilizaremos tanto m/m (por su valor intuitivo y por ser recomendado porDIN) como (por su gran uso en la prctica y pese a las objeciones tericas que sehacen a esta nomenclatura). 10-6 = m/m =


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Aplicaciones:

Tres son los campos de aplicacin bsicos de los extensmetros:

a) Estudiar el comportamiento del material bajo estados simples de tensin,generalmente uniaxiales (traccin, creep, etc.)

b) Determinar la magnitud y direccin de las tensiones y deformaciones principalesen puntos crticos del elemento o estructura.

c) Medir indirectamente magnitudes mecnicas (transductores de presin, fuerza,momento, desplazamiento, etc.)


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Caractersticas bsicas:

a) Longitud de medicin (lext o l0): es la longitud de la parte activa o sensible a lasdeformaciones del extensmetro.

b) Rango de medicin: es la mayor deformacin que se puede registrar sin que seproduzcan alinealidades o en general una perdida inaceptable de precisin.

c) Sensibilidad de medida: es la menor variacin de la deformacin que puededetectarse con el extensmetro.

d) Precisin: una cota superior del error que puede esperarse en las lecturas.


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Propiedades de un extensmetro ideal: son las que definen a un extensmetro

perfecto y constituirn la referencia para juzgar las bondades de un extensmetro real.

1) Gran sensibilidad

2) Sencillez de manejo

3) Posibilidad de procesamiento electrnico de la seal de salida

4) Bajo precio5) Tamao pequeo para posibilitar la medicin de las deformaciones mximas en las

proximidades de los concentradores de tensin

6) Posibilidad de agrupar varios extensmetros para determinar la direccin ymagnitud de las deformaciones principales

7) Posibilidad de mediciones estticas y dinmicas

8) Rango de temperatura de trabajo amplio

9) Masa despreciable frente a la del elemento a medir


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10) Estable en condiciones de humedad elevada

11) Insensibilidad a las variaciones de temperatura durante el ensayo*

12) Inmune a la vibracin

13) Ausencia de juegos, zonas muertas y corrimientos de calibracin en el tiempo

14) Facilidad de aplicacin a cualquier material

15) Rapidez en la fijacin del extensmetro*.

No existe un extensmetro que cumpla con todas estas condiciones pero elextensmetro elctrico de resistencia variable, con la excepcin de los puntos 11 y 15,las satisface aceptablemente; por lo que es, de todos los tipos de extensmetro, el que

mas se aproxima al ideal por lo que es ampliamente utilizado.


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Clasificacin de los extensmetros

Por su principio de funcionamiento:

MECNICOS: son de uso casi exclusivo para determinaciones bajo cargas estticas

Extensmetro de palanca simple

Extensmetro de palancas mltiples: HUGGENBERGER

Extensmetro de reloj comparador

PTICOS

ELCTRICOS

Inductancia variable

Capacidad variable

Resistencia hmica variable


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Por su precisin (ASTM E 83):

A: Se utilizan para determinar valores precisos del modulo de elasticidad (E) y loslimites de la zona proporcional (p y 0,01).

B-1: Se utilizan para hallar valores aproximados de E y los limites de las zonas depequeas deformaciones (0,2 y 0,5).

B-2: Se utilizan para determinar los limites convencionales 0,2 y 0,5.


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Extensmetros Mecnicos

Amplifican mecnicamente el alargamiento (l).

Generalidades: se basan en la amplificacin mecnica desplazamiento relativo entredos puntos de una probeta debido al estado tensional aplicado. Este desplazamientoresulta

l = m . lext

siendo m el valor medio de la deformacin en una longitud igual a la activa delextensmetro y en la direccin de aplicacin del mismo.

La amplificacin de estos pequeos desplazamientos permite su observacin

generalmente mediante la rotacin de una aguja frente a una escala.


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Clasificacin: segn el tipo de sistema amplificador tendremos:

a) de palanca simple: se basan en que, en una palanca de brazos muy desiguales a unpequeo movimiento en el lado corto le corresponde un movimiento mucho mayoren el otro extremo. Ejemplo ext. de Martens-Krupp-Kennedy (Lab. Otto Krause).

b) de palancas mltiples: para mejorar la sensibilidad del tipo anterior se combinandos a ms palancas de brazos muy desiguales en forma sucesiva. Ejemplo: ext. de

Huggenberger.

c) de reloj comparador: se basa en fijar el cuerpo del reloj comparador a unaabrazadera fija a un punto de la probeta, y apoyar al extremo desplazable delcomparador en un punto del extensmetro que recibe, a veces a travs de unamplificador de palancas, el movimiento de la otra abrazadera, fija a la probeta,separada de la anterior en la longitud activa del extensmetro (l

ext

).Los pequeos movimientos del extremo desplazable del comparador se amplificanmediante un conjunto de engranajes hasta obtener una rotacin de una de unaaguja frente a una escala, observable a simple vista. Un ejemplo de extensmetrode este tipo es el Amsler utilizado en el laboratorio de la UTN FRBA.


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Dial-type extensometer, 50 mm (2 in.) gagelength


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Ventajas e inconvenientes:

Entre les primeras podemos mencionar:

a) Robustez y sencillez de uso lo que da a sus lecturas un alto grado de confiabilidad.

b) Puede utilizarse en forma inmediata y la nica preparacin de la superficie de laprobeta que exige es el pulido, no muy fino, de la zona donde se aplican las

cuchillas o a marcar los puntos de sujecin.

c) La longitud de medicin puede variarse dentro de ciertos limites de modo deajustarse a cada caso concreto. Si se desea medir concentraciones de tensin lextdebe ser pequea, mientras que si se desea la mxima sensibilidad o el valor mediode la deformacin se preferir lext grande.


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Aplicacin:

los extensmetros mecnicos encuentran su principal aplicacin en la determinacinde los limites convencionales (0,2 o 0,5) de los materiales metlicos y tambin parahallar valores aproximados del mdulo de elasticidad (E) y de los limites de la zona depequeas deformaciones (p o 0,01). Sin embargo el extensmetro de Huggenbergerpuede utilizarse tambin en la determinacin de las deformaciones principales enzonas donde el estado de tensiones no tiene una variacin muy rpida y cuando deseaaprovecharse su facilidad da montaje.


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Extensmetros pticos

Princpio de funcionamento: difraccin de una luz monocromtica (laser)


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Test specimen withan extensometerattached tomeasure specimen

deformation.Courtesy ofEpsilon TechnologyCorporation


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Extensmetro LVDT (transformador diferencial de variacin lineal)


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Averaging LVDTextensometer (50 mm,or 2 in. gage length)mounted on a threadedtension specimen


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Breakaway-type LVDTextensometer (50 mm, or 2 in.gage length) that can remain onthe specimen through rupture


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Water-cooled extensometerused up to 500 C (932 F)


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Air-cooled extensometer used at temperaturesup to 2500 C (4532 F)


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EXTENSMETROS ELCTRICOS

DE RESISTENCIA VARIABLESTRAIN GAGES

Utilizan elementos cuya resistenciavaria en funcin de pequeos

cambios de su longitud.Estos elementos presentan unaestructura tipo rejilla de conductoresparalelos pegados o depositadossobre un soporte fino y flexible dematerial aislante. Se adhierenmediante pegamentos especiales a lasuperficie de la probeta gracias a locual sufren las mismas deformacionesque la zona de estudio.


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Factor de calibre: Para estas galgas hay proporcionalidad entre la variacin relativa de

la resistencia del calibre (R/R) Y la deformacin especifica media (), en el rea activadel calibre y en la direccin longitudinal o principal de la galga. El efecto de ladeformacin en la direccin transversal a la principal del calibre (t) es equivalente auna deformacin longitudinal de magnitud C. t, donde C recibe el nombre decoeficiente de sensibilidad transversal.Esta relacin lineal se expresa en funcin del factor de galga (K) del calibre y delcoeficiente de Poisson del material de referencia (0) como:Expresin general de la respuesta de un calibre elctrico.

%11.1

.1

.1

.1

..)..(.1

0

0

00

@@

-

+

-

+

=+-

=D

CC

C

C

C

KCC

K

R

R

t

t

t

t

me

e

m

e

e

m

e

e

eeem

R/R: variacin relativa de laresistencia0: deformacin especifica mediat: efecto de la deformacin en la

direccin transversalC: coeficiente de sensibilidad transversalK: factor de calibre0: coeficiente de Poisson del material


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Ecuacin fundamental de los calibres elctricos:

Dado que K lo proporciona el fabricante de la galga se deduce que las mediciones de lavariacin relativa de resistencia nos permitirn determinar Ia deformacin especificaen la direccin del eje de la galga.

e.KR

R

=

D


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Propiedades fundamentales:

Se obtienen a partir del anlisis de la ecuacin fundamental de los calibres elctricos:

a) En los extensmetros elctricos el valor ledo (R/R) es directamente proporcionala la deformacin especifica (), a diferencia de los extensmetros mecnicos yelectromecnicos donde las lecturas son proporcionales a los alargamientos (l).

b) El factor de calibre K define la sensibilidad del extensmetro y solo depende delmaterial de los conductores de la galga. As valdr aproximadamente 2,1 para loscalibres de constantan y 3,6 para los de isoelastic que son los materiales de usomas comn.

c) Dado el bajo valor de K y la pequeez de las deformaciones ser necesario medirvalores de R/R muy pequeos, razn por la cual se utiliza un circuito electrnico

especial (puente de Wheatstone) auxiliado en muchos casos por amplificadoreselectrnicos de alta ganancia.


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Clasificacin:

Por su forma constructiva: distinguiremos dos tipos bsicos

a) De filamento o de alambre

b) De pelcula o lmina.


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Galgas de alambre: el elemento sensible es un hilo conductor metlico de dimetro

entre 15 y 25 m encolado sobre un soporte aislante de resina epxica, polister omaterial anlogo. Para ofrecer la resistencia (R) conveniente para las mediciones (120 o350 Ohm) dentro de un rea reducida, el hilo presenta varios repliegues.

Se utilizan en casos especiales: alta temperatura, longitudes activas muy grandes (> 20mm) y cuando se desean registrar grandes deformaciones (> 5%)

Galga de pelcula: el elemento sensible es una pelcula de metal de pocas micras deespesor, recortada mediante ataque fotoqumco u otra tcnica adecuada. La longitudactiva esta bien definida, pues los bucles y las pistas de conexin son prcticamenteinsensibles a causa de su mayor ancho.

Son las mas utilizadas tanto en el estudio experimental de tensiones (se prestan

especialmente para los tamaos pequeos y las configuraciones complejas) como enlos transductores (permiten lograr elevadas exactitudes por su bajo C y su granestabilidad). Adems su costo generalmente es menor al del las galgas de alambre.


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Por el nmero de elementos: segn la cantidad de calibres que comparten el mismo

soporte aislante tendremos las galgas simples compuestas por un solo calibre y lasmltiples o rosetas que constaran de 2, 3 o mas elementos. Describiremos brevementelos tipos mas utilizados en la practica:

a) Galgas simples: se emplean en todos los casos en que basta conocer ladeformacin en una direccin. Se construyen en una gran variedad de tipos (varios

miles) con diferentes formas, materiales y tamaos de modo de satisfacer lasvariadas exigencias que impone la practica.

b) Roseta en T: constan de dos galgas situadas en direcciones perpendiculares. Seutilizan si se conoce cual es la direccin de las deformaciones principales, ya seapor razones de simetra o por el resultado de ensayos previos con lacas frgiles ofotoelasticidad. Si el calibre se orienta segn esa direccin se podr conocer el

valor de las deformaciones principales y si se lo orienta a 45 el valor de ladistorsin mxima ().


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c) Roseta rectangular: si las direcciones principales son desconocidas se requieren

tres medidas independientes para definir el estado de deformacin en un punto. Espor esto que debe usarse una roseta de tres elementos siendo generalmente msconveniente el tipo rectangular, tanto que podramos llegar a decir que es laherramienta bsica del anlisis de tensin puntual.

d) Roseta en delta: es de tres elementos independientes por lo que tambin permitedeterminar la direccin y magnitud de las deformaciones principales. Las

direcciones de los elementos que la componen forman ngulos de 120 entre si.Presenta leves ventajas tericas frente a las de tipo rectangular pero su uso estmenos extendido por ser ms complejas las frmulas de clculo de lasdeformaciones principales y la correccin del efecto de C.


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Strain gages mounted directlyto a specimen


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Clasificacin de las configuraciones del puente:

1) Numero de ramas ocupadas por galgas

a) Puente simple

b) Puente doble

c) Puente completo

2) Ubicacin relativa de las galgas:

a) Puente aditivo: si todas las galgas son activas

b) Puente compensador: si hay igual numero de galgas activas y pasivas


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Las galgas segn funcin se clasifican en:

Galgas activas: aquellas colocadas en la pieza o estructura a analizar en unadireccin donde la deformacin es no nula.

Galgas pasivas: aquellas colocadas en una zona de deformacin nula de la pieza oen una muestra del mismo material y sometida a las mismas variaciones detemperatura que los calibres activos.


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Puente simple


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Puente doble compensador


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Puente completo compensador


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Seleccin de la galga:

1) Material conductor:

Constantan para uso general

Constantan recocido para grandes deformaciones (5 al 20%)

Isoelastic para mediciones dinmicas

Karma para resistencia a altas temperaturas y excelente estabilidad.

2) Longitud activa:

1/8 1/2longitud normal

3) Resistencia:

120 ohms para uso general

350 ohms para transductores


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Montaje de las galgas: Consta de 5 fases sucesivas:

1) Preparacin de la superficie;

2) Pegado del calibre;

3) Soldado de los terminales;

4) Comprobacin;

5) Proteccin.


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Preparacin de la superficie:

a) Limpia (libre de grasa, suciedad, contaminantes qumicos, etc.);

b) De rugosidad apropiada;

c) Neutra (pH aprox. 7);

d) Con lneas de gua visibles para poder ubicar y orientar la galga.


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Pegado del calibre:

Esta operacin podemos subdividirla tambin en varias etapas. El procedimiento depegado depende del tipo de galga y fundamentalmente del tipo de adhesivo por lo quesolo daremos ciertas reglas generales debindose consultar con especial cuidado lasrecomendaciones del fabricante del pegamento antes de encarar una aplicacinconcreta. En algunos casos especiales las galgas no se adhieren a la superficie mediantepegamentos sino mediante soldadura a puntos o se incluyen directamente en el

material (plsticos u hormigones). colocacin de la galga en su posicin: se comienza trasladando la galga desde su

estuche hasta la superficie preparada. Para ello se deposita la galga y la tira determinales sobre un cristal bien limpio, utilizando unas pinzas. Luego con una tira decinta autoadhesiva transparente, se efecta el traslado.

preparacin y colocacin del adhesivo: no puede darse una regla general pues hayadhesivos que ya vienen premezclados, otros que han de prepararseinmediatamente antes de la aplicacin y finalmente en algunos (cianocrilato) seaplica el pagamento sobre la superficie de la probeta y el catalizador en la superficiede la galga y recin comienza el pegado al juntar ambas superficies.


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curado del adhesivo: tambin depende del tipo de adhesivo pero en general es

necesario aplicar cierta presin y luego esperar el curado o endurecimiento que enmuchos casos exige un calentamiento moderado (50 C - 200C). Este curado seextiende desde algunos minutos (cianocrilatos) hasta 48 hs.


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Soldado de los terminales:

La mayora de las galgas no estn diseadas para ser conectadas elctricamente enforma directa. En astas casos junto con el calibre se paga a la probeta una pequea tirade terminales separada unos mm de la galga. Una vez concluido el pegado se suelda aesos terminales los alambres de conexin mediante un soldador de baja potencia ytemperatura controlada. Luego con alambre flexible se forma unos pequeos lazoscurvados que conectaran, previa soldadura la tira de terminales con la galga.


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Comprobacin: ciertos controles mnimos permiten detectar la mayora de las galgas

instaladas defectuosamente.a) inspeccin ocular: se realiza con una lupa de gran aumento, buscando en

especial bolsas de aire o zonas sin adherir en las esquinas y bordes de la galga,restos de soldadura o fundente, etc.

b) aislacin: se mide entre un borne de la galga y la superficie de la pieza usandoohmetros de baja tensin para no daar la galga. Son deseables valores de al

menos 1000 megohm aunque el valor mnimo aceptables para unfuncionamiento estable y preciso es 20 megohm.

c) resistencia de la galga: se mide con ohmetros de alta sensibilidad el valor de laresistencia antes y despus del montaje. Cambios mayores al 0,5% si el curadose efectu a temperatura ambiente o al 2% cuando el curado del pegamentose efecta a alta temperatura generalmente indican daos de la galga pormanipuleo o sujecin inadecuada.

d) retorno a cero: se conecta la galga a un puente y aplicando una leve presinen las cercanas de la misma debe observarse alguna indicacin que debedesaparecer al retirar la solicitacin.


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Proteccin:

Pueden obtenerse lecturas de deformacin falsas o errticas durante el ensayo porefecto de la humedad, ataque qumico o dao mecnico producido luego de lainstalacin. Por ello la galga y los terminales de conexin se protegen con una capa,cuyas caractersticas son funcin de la duracin prevista para la instalacin y enespecial de las condiciones ambientales. Para las aplicaciones comunes en condicionesde laboratorio es posible, usando calibres encapsulados en plstico, evitar la capa de

proteccin. Pero si se trata de calibres no encapsulados, ensayos de larga duracin oen ambientes hostiles siempre deben usarse capas protectoras.


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BIBLIOGRAFA EXTENSOMETRA:

T.P. N 2 EXTENSOMETRIA CEIT FRBA,

ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation, Volumen 8,

LABORATORIO DE ENSAYOS INDUSTRIALES Gonzales Arias (Ediciones Litenia),

ASTM E 83 Standard Practice for Verification and Classification of Extensometer

System,

http://www.epsilontech.com

http://www.kyowa-ei.co.jp

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