Hallo, Für ein Schulprojekt in dem wir einen Wetterballon bauen, brauche ich einen Temperatur Sensor und einen Luftdruck Sensor der bei bis zu -65° Celsius zuverlässig funktioniert. Auch nach eher langer Suche im Internet habe ich keinen gefunden. Zusätzlich sollte er auch digital sein. Grüsse leo_h
> Auch nach eher langer Suche im Internet habe ich keinen gefunden. > Zusätzlich sollte er auch digital sein. Keine Arme, keine Kekse. -65C liegt weit ausserhalb des ueblichen digitalen Arbeitsbereiches. Da wirst du einfach nichts bekommen. Schon garnicht als Schüler mit der Stueckzahl 1. Also im Zweifel ein Theromelement oder vielleicht auch ein NTC nutzen. Und beachte bitte das auch deine restliche Elektronik da nicht mehr funktionieren wird. Olaf
Wir haben schon mehrere Missionen durchgeführt. Die von dir angestrebten -65°C haben wir nie erreicht. Mit -37.5°C hatten wir unseren "Tieferekord" [1]. [1] http://www.mb.eah-jena.de/page/de/fachgebiete/mechatronik/studium/stroke1
Wie machen es denn die Profis? Wetterballons mit elektronischen Sensoren sind ja nichts neues. Da gibt es z.B. die Firma "Vaisala", die komplette Sonden anbietet. Müssen die auch so tiefe Temperaturen vertragen? Wenn nein, warum dann bei eurem Projekt -65°C? Wir haben die in en 90er Jahren oft angepeilt, und sind dann zur Landestelle gefahren ( Trophäenjagd mit Peilantenne ). Damals war alles noch analog. Leider habe ich keine mehr davon.
Hallo Leo, für normale Pt100 Temperatursensoren, zum Beispiel von IST, sind -65°C kein Problem. Sie sind oft bis -200°C spezifiziert, funktionieren auch noch darunter, aber da gilt das DIN Polynom zur Umrechnung R nach T nicht mehr. Kritischer ist die Ausleseelektronik, oder wie Du es Dir wünscht ein integrierter Sensor, ganz so schlimm wie Olaf schreibt ist es aber nicht. Die Standard industrial IC Spezification geht bis -40°C. Auch weit darunter funktionieren noch viele der gar nicht für so tiefe Temperaturen designte ICs, manche auch noch bei -200°C, teilweise mit Einschränkungen, aber es ist halt nichts vom Hersteller garantiert. Wenn Du sicher sein willst, dann musst Du verschiedene Bauteile vorher testen. Kannst Du Zugang zu Kühlern bekommen welche so weit runter kommen? Für den Temperatursensor könntest Du alternativ auch z.B. einen externen (Pt) Sensor verwenden, und die Ausleseelektronik gut wärmedämmen, so dass sie durch Eigenerwärmung + ggf. einen elektrischen Heizer im spezifizierten Temperaturbereich bleibt, falls elektrische Energie bei Deinem Ballonprojekt nicht zu knapp vorhanden ist. Aus Erfahrung kann ich Dir sagen: -65°C ist noch nicht so kalt, die Chancen was Lauffähiges hin zu bekommen sind nicht so schlecht. Kritisch ist aber nicht nur die Temperatur, sondern auch Kondensation von Wasserdampf und Eisbildung.
Hallo Leo, mir ist nicht ganz klar, ob die Messtechnik nach dem Start zu den Schölern zurück kehrt oder verloren ist und alles per Funk übertragen wird. Sofern Du keine ICs zur Temperaturmessung findest, wäre die Messung mit einem PTC/NTC sicherlich möglich. Du kannst ja auch vorher eine Messkurve im Klimaschrank aufnehmen und später die Messergebnisse dranlegen. Die barometrische Messung müsste vielleicht mit einer Heizung erfolgen, da ja Membranen und so weiter mit tiefen Temperaturen immer unelastischer werden. Lass Dich nicht entmutigen, solche Messungen werden auch bei der Luftfahrt gemacht. Ach ja, Batterien und Akkus reagieren ebenfalls auf Temperatur. Aber bei so tiefen Temperaturen gibt es evtl. die eine oder andere Eigenerwärmung, auch im IC oder Prozessor. Viel Erfolg! Bernd
> Du kannst ja auch vorher eine > Messkurve im Klimaschrank aufnehmen und später die Messergebnisse > dranlegen. Das Problem ist das er als Schueler wohl keinen Klimaschrank mit -65Grad haben wird. Schon gar nicht so genau das man damit einen Fuehler ueberpruefen koennte. Von dem Problem mal abgesehen stimme ich zu, man kann durchaus noch Dinge bei -65Grad ans laufen bringen. Allerdings muss man testen weil man gelegentlich interessante Ueberraschungen erleben kann. (z.B mit Ferriten in Schaltreglern) Olaf
Er sucht keinen Temperatursensor bis -65GradC (das ist einfach) sondern einen Luftdrucksensor bis -65GradC, hat aber die Überschrift nicht hinbekommen. Da allerdings auch die Elektronik in einem Wetterballon in einem elekrisch geheizten Styroporblock steckt, schliesslich schafft kein IC -65GradC und militärische -55 wird er nicht bezahlen wollen also höchstens industrial bis -25GradC verwenden können) kann er den Drucksensor auch dort unterbringen, der Druck ist derselbe wie draussen.
Ein NTC geht gut bis -80. Ein 10k NTC wird dann um die 3MOhm haben. Geht gut. Die -65 Grad sind weniger ein Problem, wenn man mit Abwaerme rechnet. Da sind die Stromfresser wie GPS willkommen. Thermocouple Type K gehen bis Fluessig Stickstoff bei -196
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MaWin schrieb: > schliesslich schafft kein IC -65GradC Hallo Manfred, doch das geht bei vielen ICs. Man muss aber wenn man die Spezifikation von COTS (Commercial off the shelf) verletzen will vorher testen, und es gibt keine Garantie, dass die nächste Charge sich noch genauso verhält. Wie ich weiter oben schon schrieb sind auch bei -200°C manche Standard industrial ICs noch funktionsfähig, aber es sind längst nicht alle und man kann interessante Effekte bei denen die nicht funktionieren entdecken.
Hallo Foristen, gut, dass es ein Forum gibt! Da kommt ja eine Menge Erfahrung und Wissen zusammen. Folgendes: 1. Ist der TO ein Schöler oder ein Lehrkörper? 2. In den Schulen steht manchmal viel zur Verfügung. Manchmal tut es auch ein Thermogefäß mit flüssigem Stickstoff. 3. Mil-Bausteine sind manchmal nicht so teuer. Häufig sind sog. Consumer-Bauteile bereits innerhalb der Mil-Spezifikation. Aber das sind alles Kleinigkeiten. Mich würde nur der Fortgang / Fortschritt des Projektes interessieren. Gruß in die Runde und an die forschen Forscher! Bernd PS: Feuerzangenbowle
Olaf, das mit den Keksen solltest Du Dir abgewöhnen. Das war eine ganz traurige Geschichte, die immer noch kein Ende gefunden hat. Ich hätte Dir das gerne als private E-Mail gesendet, aber Du bist ja nicht angemeldet. Gruß Bernd
Bernd B. schrieb: > mir ist nicht ganz klar, ob die Messtechnik nach dem Start zu den > Schölern zurück kehrt oder verloren ist und alles per Funk übertragen > wird. Ja die wollen wir wenn möglich wieder einsammeln. Dafür haben wir einen GPS Mobilfunk Tracker. Trotzdem planen wir die Daten noch auf einer SD Karte zu speichern. evtl. auch noch ein telemetrie modul mit an bord. > Sofern Du keine ICs zur Temperaturmessung findest, wäre die Messung mit > einem PTC/NTC sicherlich möglich. Du kannst ja auch vorher eine > Messkurve im Klimaschrank aufnehmen und später die Messergebnisse > dranlegen. Wie kann man mit einem Microcontroller Widerstand messen? > Die barometrische Messung müsste vielleicht mit einer Heizung erfolgen, > da ja Membranen und so weiter mit tiefen Temperaturen immer > unelastischer werden. > > Lass Dich nicht entmutigen, solche Messungen werden auch bei der > Luftfahrt gemacht. Ach ja, Batterien und Akkus reagieren ebenfalls auf > Temperatur. Aber bei so tiefen Temperaturen gibt es evtl. die eine oder > andere Eigenerwärmung, auch im IC oder Prozessor. > > Viel Erfolg! > > Bernd Vielen Dank für die Hilfe
Die Elektronik musst du auf z.B. >-40°C heizen, denn eine sinvolle Elektronik für <-40°C ist kaum kostengünstig zu bekommen. Das ist aber kein schwieriges Problem. Elektronik + Akku/Batterie würde ich in dazu in eine Styroporbox packen. Ich empfehle ein paar Widerstände auf der Platine als Heizung und einen Thermostat IC wie den MCP9501 + FET. Das Gewicht dabei ist minimal. Ums größer die Temperaturdifferenz, umso größer die Heizleistung. Versuche also, auf -40°C für die Elektronik zu kommen. Das ist mit etwas Vorsicht bei der Auswahl der Bauteile noch realistisch. IC: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/22268a.pdf Den Sensor für die Temperatur kommt außerhalb der Box hin. -65°C ist eigentlich kein Problem für passive Sensoren. Beispiel: https://www.fuehlersysteme.de/temperatur/thermoelemente/mantelthermoelemente/mantelthermoelement-typ-k-nicr-ni.html Die könne problemlos -65°C und weniger.
soso... schrieb: > Die Elektronik musst du auf z.B. >-40°C heizen Heizen muss man nix. GPS, Telemetrie, Kamera, .... halten die Temperator in der Styroporbox locker über 20°C
Joe G. schrieb: > soso... schrieb: >> Die Elektronik musst du auf z.B. >-40°C heizen > > Heizen muss man nix. GPS, Telemetrie, Kamera, .... halten die Temperator > in der Styroporbox locker über 20°C Das wäre auszuprobieren. Bei einer so hohen Temperaturdifferenz (wir reden von 25°C) wäre ich eher skeptisch, ob das wirklich ausreicht. So ein GPS ist mal bei 80-100mW, die Kamera wird auch nicht viel mehr brauchen, der µC eher viel weniger. Das kann man aber gut probieren - am Labortisch muss das bei 25°C dann in der Box mindestens 50°C, besser 60°C haben, wenn alles in Betrieb ist. Man muss ja von -65°C auf mindestens -40°C kommen. Ich persönlich würde die Heizung einfach drauftun. Wieg weit unter einem Gramm. Nicht bestücken geht immer.
soso... schrieb: > Das wäre auszuprobieren. Haben wir schon mehrfach [1]. Die Innentemeratur lag mehr bei 27°C - 30°C als bei 20°C [1] http://www.mb.eah-jena.de/page/de/fachgebiete/mechatronik/studium/stroke
Leo H. schrieb: > Wie kann man mit einem Microcontroller Widerstand messen? Da sind wir wieder beim Thema: Mit einem TI MSP430 würde ich ein Taktsignal vom Ausgans-Port auf eine Serienschaltung von R und C geben, die Anzapfung auf einen Schmitt-Trigger-Eingang, die Frequenz verändern und über Interrupt den Zählwert aufnehmen. So etwas steht z.B. in einer der vielen App.-Notes zum MSP430. Aber bekanntlich führen alle Wege nach Rom und man kann mit sooo unterschiedlichen Verfahren die Temperatur messen. Für die Experten: Man baut die Messung einmal mit festem R und festem C auf und einmal mit variablem R. Damit verfolgt man den driftenden Knackpunkt des Schmitt-Triggers. Man kann auch mit nur einem C arbeiten und die Unterschiede von C zu C somit entfernen... Aber alle Wege führen nach Rom und es gibt nicht nur eine Weisheit. Schließlich noch ein Zitat meines ehemaligen Entwicklungsleiters: "Unsere Module laufen auch bei Minus 40 Grad Celsius! Wir müssen nur sicherstellen, dass sie unterhalb -25°C nicht abgeschaltet werden. Die springen sonst nicht zuverlässig an und können sich dann nicht selbst erwärmen." Happy Engineering and Coding Bernd
Hallöchen, einen Drucksensor bei Conrad gibt es z.B. hier (nach 3 Minuten Suche gefunden): https://www.conrad.de/de/nxp-semiconductors-drucksensor-1-st-mpxa4100a6u-20-kpa-bis-105-kpa-smd-150110.html Der ist laut Datenblatt auch bis -40°C verwendbar (http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/150110-da-01-en-SMD_DRUCKSENSOR_MPXA4100A6U.pdf) Oder auch: https://de.rs-online.com/web/p/drucksensoren/7191065/ Man könnte ja vorher mal eine Testmessung im Gefrierschrank oder mit Trockeneis machen und gegebenenfalls eine Kalibrierkurve erfassen, die dann bei der Auswertekorrektur einfließt. Wie auch immer - prinzipiell gibts das also würde ich sagen. Ansonsten gebe ich den Vorautoren Recht, dass das Messsystem (z.B. mit dem von mir allseits geliebten Arduino Nano für rund 2€ bei ebay) mit einem Heizelement erwärmt werden kann, z.B. mit sowas hier: https://www.conrad.de/de/ate-electronics-rb50-hochlast-widerstand-22-axial-bedrahtet-50-w-5-1-st-421588.html Müsste man noch klären wie es mit der Stromquelle, Datenübertragung etc. aussieht und ob es Sinn macht da so viel in den Ballon zu stecken wenn der Ballon danach eh im Weltall verschwindet ;)
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schau Dir mal die Picoballons vom Lötlabor Jena an, die haben da schon einige Erfahrung, ich könnte mir vorstellen, dass Du da auch Schützenhilfe bekommst https://loetlabor-jena.de/doku.php?id=projekte:picoflights:start .
Joe G. schrieb: > Hier mal eine Messung. Interessant. Ist die Erhöhung der Innentemperatur ab 4200 m darauf zurückzuführen, daß die Luft dünner wird und damit die Konvektionsverluste sinken?
Der Andere schrieb: > Joe G. schrieb: >> Hier mal eine Messung. > > Interessant. > Ist die Erhöhung der Innentemperatur ab 4200 m darauf zurückzuführen, > daß die Luft dünner wird und damit die Konvektionsverluste sinken? Ich glaube, dass bei beiden Diagrammen die x-Achse die gemeinsame Zeitachse darstellt und der gemessene Temperaturansteig vielleicht darauf zurückzuführen ist, dass bei 4200t der Ballon wieder am Boden war und der Temperaturfühler aus seinem Gehäuse genommen wurde und in ein Gebäude (23°C)gebracht wurde. Die Messung hat wahrscheinlich draußen bei Außentemperatur von 8°C angefangen.
Die Problem bei Tieftemperaturelektronik ist wie folgt. Bipolar-Halbleiter arbeiten mit sogenanten Fermiflaechen, die sind von der Temperatur abhaengig und beschreiben die Besetzung der Zustaende im Impulsraum des Kristallgitters des Halbleiters. Deren Besetzung nimmt mit der Temperatur ab. Das bedeutet, die Leitfaehigkeiten und die Pegel aendern sich. Bei normalen ICs kann irgendwas geschehen graduell gegen Null Kelvin. Wenn man sich vor solchen Effekten schuetzen will, nimmt man Fet, die haben eine andere Funtionalitaet. Also alles in Fet, nicht nur die eingnagsstufen. Damit kommt man auf Helium Temperaturen runter. Das zweite Problem ist das bonding. Ueblicherweise Golddraehte auf Silizium. Die beiden haben verschiedene Ausdehnungskoeffizienten, dh bei Temperaturzyklen ueber grosse Bereiche, speziell zu tiefen Temperaturen reduziert sich die Lebensdauer dieser Verbindung. Fuer Minus 80, wuerde ich einfach testen. Auf Funktionalitaet waehrend des Abkuehlens und auf Zyklenfestigkeit.
Der Andere schrieb: > Interessant. > Ist die Erhöhung der Innentemperatur ab 4200 m darauf zurückzuführen, > daß die Luft dünner wird und damit die Konvektionsverluste sinken? Die Erklärung ist ganz simpel. Die Startvorbereitungen erfolgten bei 5°C Außentemperatur. Dann wurde die Box geschlossen, die Elektronik gestartet und unterschiedliche Tests gefahren, die Temperatur steigt in der Box (immer noch am Boden). Nun erfolgt der Start und es pegelt sich unabhängig von der Außentemperatur eine recht konstante Innentemperatur ein. Im Scheitelpunkt (Ballonhülle wird abgesprengt) fällt die Box im freien Fall. Somit gibt es eine sehr viel größere Konvektion als beim Aufstieg. Die Temperatur in der Box fallt. In ca. 1000m Höhe wird der Landefallschirm ausgelöst. Bei ca. T=4100 ist die Box gelandet und wartet geschlossen bis zu ihrer Bergung. Die komplette Elektronik läuft bis die Akkus leer sind und die Box heizt sich wieder auf.
Joe G. schrieb: > Die Erklärung ist ganz simpel. Ach so, ich habe die Überschrift "Höhe" des 2. Diagramms irrtümlich als Beschriftung der X-Achse des 1. Diagramms interpretiert. tatsächlich ist es eine Zeitachse. Alles klar
Hallo Leo, ich vermute - wie meine Vorredner - dass die Elektronik in einer Styropor-Box untergebracht wird, wo christliche Temperaturen herrschen. Dort würde ich einen I2C Drucksensor einbauen, wie z.B. https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MPL3115A2.pdf Der liefert per I2C den Druck runter bis 0,2 Bar und dazu auch die Temperatur (im Inneren der Styroporbox). Das kannst Du mit anderen House-keeping Daten abspeichern und für die Thermalplanung der nächsten Missionen nutzen. Weiterhin würde ich einen I2C Temperatursensor http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp431.pdf auch auf die Platine in der Styroporbox platzieren und mit einem externen low-cost PNP Transistor als remote sensor verbinden - nur der wird den niedrigen Temperaturen ausgesetzt. Also alles in einem eine ziemlich einfache Sache. Und zur Widerstandsmessung mit einem µP: man nimmt eine Spannungsreferenz z.B. 2.5 V und mit der verosrgt einen Spannungsteiler aus einem festen Widerstand (z.B. 10K) und einem NTC (auch 10K) und die Spannung in der Mitter des Spannungsteilers wird an einen ADC Eingang des µP geleitet und mit mindestens(!) 100nF gestützt, da der ADC Eingang beim Samplen "ziemlich viel" Strom benötigt.
Angehängte Dateien:
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SLAA129C.jpg
94 KB
Bernd B. schrieb: > Da sind wir wieder beim Thema: Mit einem TI MSP430 würde ich ein > Taktsignal vom Ausgans-Port auf eine Serienschaltung von R und C geben, > die Anzapfung auf einen Schmitt-Trigger-Eingang, die Frequenz verändern > und über Interrupt den Zählwert aufnehmen. Nachtrag um das Suchen zu vereinfachen: http://www.ti.com/lit/an/slaa129c/slaa129c.pdf Gruß Bernd
Karel M. schrieb: > Der liefert per I2C den Druck runter bis 0,2 Bar und dazu auch die > Temperatur Das reicht leider nicht :-( 0.2 bar entspricht etwa einer Höhe von 11km. Bei 50 km Höhe sind es nur noch 0.001 bar. Wir haben einen MS5611 verwendet, der noch bis 31 km Höhe und -40°C linear arbeitet. Als Temperatursensor haben wir einen schnöden DS1820 eingesetzt. Der arbeitet bis -55°C.
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Hi Joe, danke für die Korrektur und den Tipp auf MS5611. Darf man den MS5611 ins Vakuum <0.1 mBar stellen zwecks Kalibrierung anderer Bauteile? Im Datasheet ist dazu nichts zu finden (nur Pmax. 6 Bar). Es geht mir darum, ob der Sensor dabei nicht beschädigt wird. Der Messbereich ist mir bekannt. DS1820 ist so gut erprobt, mit dem kann man keinen Fehler machen :-) Eine gute Wahl!
soso... schrieb: > Ich persönlich würde die Heizung einfach drauftun. Wieg weit unter einem > Gramm. Das Gewicht irgendwelcher Heizwiderstände wäre nie das Problem. Die Dinger wollen zum Heizen aber elektrische Energie sehen und die wiegt weit mehr, wenn sie in einer Batterie verpackt ist.
Karel M. schrieb: > Darf man den MS5611 ins Vakuum <0.1 mBar stellen zwecks Kalibrierung > anderer Bauteile? > Im Datasheet ist dazu nichts zu finden (nur Pmax. 6 Bar). Na ja, als Betriebsbereich ist dort angegeben: 10 bis 1200 mbar 9.9 mbar darunter wird er nicht sterben ;-)
Karel M. schrieb: > Es geht mir > darum, ob der Sensor dabei nicht beschädigt wird. Der Messbereich ist > mir bekannt. Wir haben ihn in einer Vakuumkammer getestet, um den Bereich über 31 km zu erfassen. Das haben die Sensoren klaglos überstanden :-)
ZF schrieb: > Sie sind oft bis -200°C spezifiziert, funktionieren auch > noch darunter, Auch noch bei -300°C? :-)
Hast du schon mal probiert, bei nem großen Hersteller Anzufragen, ob die was haben? Mir würde jetzt spontan Bosch einfallen. Als Schüler und mit Stückzahl 1 hast du gute Chancen, dass dir von denen was gesponsert wird. Einfach mal bei verschiedenen Herstellern nett anfragen. Da bekommst du bestimmt was bereitgestellt. Wichtig ist, dass sie sehen, dass es auch was wird, also eine gewisse Ausarbeitung mitsenden.
Harald W. schrieb: > Auch noch bei -300°C? :-) Wenn es irgend jemand gelingt, diese Temperatur zu erzeugen, wäre das einen Versuch wert ;-)
Ich frage bei unseren Ozonleuten mal nach, ob sie dir weiterhelfen können. https://www.dwd.de/DE/forschung/atmosphaerenbeob/zusammensetzung_atmosphaere/ozon/o3_ozon_node.html
Leo, Ballonprojekte gab es ja schon eine Menge in den vergangenen Jahren. Schau doch mal unter www.aatis.de was da so die letzten 15 Jahre lief. Da bekommst du sicher auch Tipps zu Bauteilen, aufgetretenen Minimumtemperaturen und ähnliches! Gruß, Helmut.
Hallo, Leo H. schrieb: > Für ein Schulprojekt in dem wir einen Wetterballon bauen, brauche ich > einen Temperatur Sensor und einen Luftdruck Sensor der bei bis zu -65° > Celsius zuverlässig funktioniert. Wir haben das mit PT100 Sensoren und einem integrierten Frontend gemacht. Das ist kein Hexenwerk und auch in Einzelstückzahlen machbar. > Auch nach eher langer Suche im Internet habe ich keinen gefunden. > Zusätzlich sollte er auch digital sein. Naja - ein bisschen Analog war das schon noch. Wie gesagt - wir haben den ADS1246 bzw. ADS1248 genutzt und waren zufrieden. Den genauen PT100 Sensor müsste ich mal raussuchen - war aber kein großer Akt ihn bei den Distributoren zu finden. Wichtig ist jedoch die Eigenerwärmung vom Sensor zu beachten. Durch den Messstrom erwärmt sich der Sensor ja selber und bei der sehr dünnen Luft ist die Konvektion nicht mehr signifikant. Dann wird die Strahlung in den Weltraum bzw. zur Sonne relevant und dann kann man sich langsam überlegen, ob man noch von Lufttemperatur reden kann/will. Wir haben den Sensor daher nur mit geringem Duty-Cycle betrieben und einen in einer kleinen Box vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt und einen anderen auf ein größeres Blech (mit großer thermischer Masse) montiert. Bei Bedarf suche ich gerne nochmal die Schaltpläne/Layouts raus. Viele Grüße, Martin Laabs
Martin L. schrieb: > Wichtig ist jedoch die Eigenerwärmung vom Sensor zu beachten. > Wir haben den Sensor daher nur mit geringem Duty-Cycle betrieben Das ist die allgemein übliche Methode auch bei einfacheren PT100-Frontends. PT100-Auswertungen haben aber auch noch ein paar andere Hürden, wenn es einigermaßen genau werden soll.
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