JPH04115126A - 極低温液体レベル検出装置 - Google Patents

極低温液体レベル検出装置

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JPH04115126A
JPH04115126A JP2406858A JP40685890A JPH04115126A JP H04115126 A JPH04115126 A JP H04115126A JP 2406858 A JP2406858 A JP 2406858A JP 40685890 A JP40685890 A JP 40685890A JP H04115126 A JPH04115126 A JP H04115126A
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JP
Japan
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container
level
liquid
cryogenic
transmitting
Prior art date
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Application number
JP2406858A
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English (en)
Inventor
Dennis H Smith
デニス　ハロルド　スミス
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Barnstead Thermolyne Corp
Original Assignee
Barnstead Thermolyne Corp
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Filing date
Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００月 【産業上の利用分野】 本発明は液体レベル検出装置に向けられたものであり、
そしてより特別には、極低温液体のレベル検出装置に関
するものである。 ［０００２］
【従来の技術】
実験研究のさまざまな分野において、液体窒素の入った
極低温容器は、実５験科学研究者が処理やさらにサンプ
ルの診断の準備の時まで生物学上のサンプルの貯蔵に用
いられる。これらの容器は普通は真空排気された（ｅｖ
ａｃｕａｔｅｄ）外壁によって囲まれた内壁と、そして
カバーから構成される。容器構成は周囲の場所への液体
窒素の蒸発を最／」・限にする。なぜならば、カバーは
完全に遮蔽されていなく、漏れがあり、そして液体窒素
は周期的に補充されなければならないからである。 生物学的サンプルが露出されることを避は適時に容器を
補充するするために、常時容器の液体レベルを知る本質
的要求がある。又、標本が実、験貯蔵容器に移される時
に液体窒素を浪費しないことが望まれる。 ［０００３］ 色々なレベル検出装置は、ユーザに容器は低下している
か又は空であることを指示するために、容器内の極低温
液体のレベルを適当にモニタする従来技術において提案
されている。従来技術で行われている一つのアプローチ
は、液体とガスの温度の相違を検出する温度抵抗（ｒｅ
ｓｉｓｔａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）装置とサー
ミスタを伴う温度を基礎にしたシステムによるものであ
る。しかしながら、そのような接触タイプの検出装置は
二つの非常に根本的な問題を有している。第一に、これ
らのタイプの装置は特別なレベルを指示することに限定
され、すなわち容器内に存在する様々なレベルをモニタ
することができない。さらに、これらのタイプの装置は
それらのもろい性質により熱衝撃（ｔｈｅｒｍａｌ　５
ｈｏｃｋ）をうけやすい。さらに、そのような装置は普
通、検出器の比抵抗の違いに基づいている。液体からガ
スへの温度の相違は非常に小さいので、しばしばそれは
正確な変化を記録するには検出器の比抵抗において十分
なシフトが生じない。 ［０００４］ 従来技術では、又接触と非接触モードにおいて超音波タ
イプの検出器の使用が提案されてきた。アメリカ合衆国
特許第３．２６６、３１１号は基本的にゴー／ノーゴー
（ｇｏ／ｎｏ−ｇｏ）タイプの極低温レベル指示器の例
であり、それはめったに貯蔵容器の深さにおける特定ポ
イントで液体窒素の有り無しを検出することはない。ア
メリカ合衆国特許第３．１７０．０９４号は又ゴー／ノ
ーゴータイプの装置を明らかにしている。 ［０００５］ さらに従来技術において、液体の深さの連続的なアナロ
グ指示を行う多重検出器の使用が提案されてきた。その
ような従来技術の例はアメリカ合衆国特許第２゜９６０
、６７８と４．４００．９６３号で説明されている。し
かしながら、これらのシステムはこの出力の読みを与え
る多重検出器によるのであって、もちろんそれはシステ
ムに付加的な費用をかけ、そして極低温の適用において
は貯蔵媒体の重大な損失を意味する。 ［０００６］ 従来技術の液体レベル検出システムに対する他の一つの
問題はシステム校正である。アメリカ合衆国特許第３．
１８４．９６９；４．２１０．９６９．４．２２１．０
０４；そして４．４７０．２９９号は付加的に高価なハ
ードウェア構成部品を必要とし、それは液体窒素環境で
中くらいの浪費がなされ、そして電気回路は内部容器圧
力と温度の変化に適応させるため適当なシステム校正手
段を提供するのに必要とされる。他の従来技術システム
はユーザに様々なシステム故障状態を容易に知らせるこ
とができなかった。 レベル指示の提供に加えて、はんの少しではあるが容器
の割れ目、不安定なレベルそして低レベルのような状態
の認識がおこなわれる。 ［０００７］
【発明が解決しようとする課題】
出願人は改良された極低温レベル検出装置を発明した。 本発明によりつくられた装置は非接触単体超音波変換器
と合体し、それは−貫して雑音の影響を受けない測定を
与える容器内の断熱材（ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）の中に
戦略上置かれる。本発明による装置は又、液体の深さの
アナログ指示を与える。さらに、本発明による装置はシ
ステム再校正の必要を取り除き、そして多くの故障状態
に対して様々な警告を与える。 ［０００８］
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の一つの
面においては、知られた形状の容器内の極低温液体のレ
ベルを測定する装置が与えられる。手段は送受信周波数
パルスが表面に行って戻ってくる時間の遅れに対して与
えられる。測定手段は送信パルスとエコーパルス間の時
間間隔に対して与えられる。手段は又、測定された内部
時間と先に決められた貯蔵タンクの容器内の液体レベル
に特有の値のとを比較するために与えられる。 ［０００９］ 本発明のもう一つの面は、知られた形状の容器内の極低
温液体のレベルを測定する装置が与えられ、それは ａ）容器内の液体に周波数パルスを送信すること；ｂ）
送信パルスとエコーパルス間の時間間隔をモニターする
こと；そしてＣ）測定された時間と容器の知られた形状
に対する液体のレベルに特有なメモリに記憶され、先に
決められた値と比較することのステップから構成される
ことである。 ［００１０］
【実施例】 図１−６に関して、本発明によりつくられた液体レベル
検出装置が描かれている。装置はその上部に、内部極低
温貯蔵室１５と一般的に円形状をしており人出開口１４
を閉じるためのカバー１６へと導く人出開口↑４を有す
る封じ込め容器１２を含む。 容器１２は、極低温容器に特有ではある力飄外部シェル
（ｓｈｅｌｌ）２０から間隔をおいた内部シェル１８を
含み、それわそれらの間の室２２を形成する。典型的に
は、室２２は外部シェルから内部シェルを断熱するため
に真空排気される。
【００１１】 前述したことは単に極低温容器の一例であり、望まれる
ならば容器１２は他のどんなタイプの構成をとってもよ
い。説明される実施例におし）では、容器は望まれるな
らば持ち上げたり動かしたりするための一対の取っ手２
４が与えられる。 ［００１２］ カバー１６は、カバー１６付近の外部シェルの外側の表
面２８に用いられるよう設計された底が結合する表面を
有する。人出開口１４と結合カバー１６の付近で、極低
温室１５に突き出る断熱ブロック３０が与えられる。好
ましくは、描かれているように断熱ブロック３０は人出
開口１４の内部構造に一致する外部構造を有する。描か
れているように断熱ブロック３０は大体は円筒構造を有
している。しかしながら、断熱ブロックは結合する人出
開口１４の適当な構造に一致するため望まれる他の構造
をとってもよいということは理解されるべきである。断
熱ブロック３０は断熱ブロックの中心領域から断熱ブロ
ックの底面３６へと延びる凹所開口３４が与えられ、そ
の結果凹所開口は内室１５内におかれた極低温溶液の表
面に向く。描かれている特定の例では、凹所開口３４は
大抵円筒構造から成る。凹所開口３４の底では超音波変
換器３８が固定されている。描かれている特定の例では
、変換器３８はエポキシ接合剤によってブロック３０に
固定される変換器ホルダーに圧着される。超音波変換器
３８は、生成された超音波の波が容器１２内におかれた
極低温液体の表面に大抵直角方向に向くように置かれる
。描かれている特定の例では、これにより超音波変換器
は直接容器の底に向かって下方を向くことになる。断熱
ブロック３０がつくられる材料は超音波変換器３８に生
じるかもしれないあらゆる強さの熱衝撃を最小化するよ
うに選ばれる。描かれている特定の例では、断熱ブロッ
ク３０は２１ｂ、　／ｃｕ、　ｆｔ、の密度を有する高
密度クローズドセルポリスチレンから成り、約８インチ
の高ｅＨと、約６−８インチ（１５，２４ｃｍ−２０，
３ｃｍ）の直径りを有している。凹所開口３４は約３．
２５インチ（８，２５ｃｍ）の長さ１と１−１／４イン
チ（３，１７５ｃｒｎ）の直径りを有している。凹所３
４の直径は可能な限り小さく、しかし超音波信号が送出
されそして変換器３８に戻って受信されることを許すに
十分な大きさに設計される。極低温容器１２によって表
される非常に厳しい極低温環境は変換器が可能な限り耐
えられることを要求する。出願人は、モデル番号２００
７ＴでＰ　ａｒ−３ｏｎｉｃｓ、　Ｉｎｃ、によって製
造そして販売されているテフロンのケースに入れられた
、エポキシ変換器が望まれる環境において適当な耐久性
を提供するということを発見した。 ［００１３］ 超音波変換器３８はワイヤ３７によってカバー１６の外
部表面に取り付けられた制御ユニット４０に電気的に接
続される。制御ユニット４０は電気コード４１によって
適当な電源に電気的に接続される。制御ユニットは、超
音波変換器に信号を与えそして超音波変換器からの適当
な信号とそのような情報を極低温液体レベルの適当な指
示へ側１訳したものを受信する適当な電子回路を含む。 ［００１４］ 図６と７に関しては、制御回路４０のエレクトロニクス
の電気図が描かれている。電気コード４１は電源供給４
２（図１参照）に納まり、それは制御ユニット４０に電
力を与える。内部の電圧レギュレータＩＣＩとＩＣ２は
１２ボルトと５ボルトＤＣ電源をそれぞれアナログとデ
ジタル回路に供給する。マイクロプロセッサＩＣ３が与
えられそして連続的に動作するためにリセットライン上
の連続的な＋５ボルトによって初期設定（ｃｏｎｆｉｇ
ｕｒｅｄ）　８れる。発振器は２．０９７１５２ＭＨｚ
クリスタル、抵抗Ｒ３そしてコンデンサＣ１ｌとＣ１２
によって与えられる。発振器は０３ＣＩと０３Ｃ２を通
してＩＣ３の全ての機能のための内部クロックを与える
。集積回路ＩＣ４はタイマーラインを通してマイクロプ
ロセッサＩＣ３に実際の１秒時間基準を与えるためにク
リスタル周波数をＩＨｚに分周する。 ［００１５］ 集積回路ＩＣ５はマイクロプロセッサＩＣ３の多重アド
レス／データバスを分配（ｄｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）
するためのアドレスラッチである。集積回路ＩＣ６はＥ
ＰＲＯＭ　ＩＣ７がレベル指示システムの動作制御のた
めに永久に記憶された命令をマイクロプロセッサに転送
可能とするためのアドレス復号を与える。 ［００１６］ 制御ユニット４０上のノーマルリセットスイッチ５６（
図４参照）作動させることはリセットラインをロー（ｌ
ｏｗ）に引きそしてマイクロプロセッサＩＣ３の一時記
憶メモリ内の全ての時間を初期化する。このことわマイ
クロフロセ・ノサエＣ３を待ち状態に置く。マイクロプ
ロセッサＩＣ３は電力をこの状態の間中、制御ユニット
４０の発光ダイオード５７を点灯するのに与える。もし
スイッチ５６が５分間放置されるならば、マイクロプロ
セッサＩＣ３は制御ユニット４０にあるオーディオアラ
ーム５８を断続的に鳴らす。これはユーザにシステムは
正規状態にセットサれていないことを警告する。正規に
は、リセットスイッチ５６はカバー１６が取り除かれた
時だけ動作しそしてアラーム５８はユーザに容器１２の
上にカバーを置きもどすよう警告する。 ［００１７］ リセットスイッチ５６の開放で、マイクロコンピュータ
ＩＣ３は変換器制御集積回路ＩＣｌ０にスタートライン
上ハイ（ｈｉｇｈ）パルスを出力する。集積回路ＩＣｌ
０は順次にＬｌとコンデンサＣ１５で同調された周波数
２００ＫＨｚで抵抗Ｒ１５，Ｒ１６，ＱｌそしてＴ１に
よって超音波変換器３８内の送信器を励起する。 ［００１８］ 初期時間遅延のあと、変換器リンギングのスプリアス効
果を取り除くために、ＩＣ３はハイレベルがエコー（Ｅ
ＣＨＯ）人力ラインで検出されるまで正確に内部で生成
された周波数で内部カウンタを増加しはじめる。このエ
コー状態は、超音波変換器に集積された受信器を励起す
る極低温液体の液体の表面から反射された超音波エネル
ギーの結果として生じる。この戻り信号はＲ１９，Ｃ１
７そしてＣ１８を通してＩＣ１０に転送される。ＩＣｌ
０は順次フリツプフロツフゴＣ９をエコーパルスを生成
するためにトリガする。ＩＣ８は単に電圧レベルを１２
から５ボルトにシフトし、アナログツーデジタル回路の
ためのインターフェイスを与える。内部カウンタはエコ
ーライン転送が検出された時に停止する。その内容は音
が変換器から液体の表面に達しそして再び戻ってくる時
間、又は相互関係すなわち容器レベル−満杯容器の深さ
−Ｄ を用いることによる距離２ｄを表す。タンクレベルの値
はカウンタに記憶された値から計算される。特別な形状
のあらゆる容器に対して、その中の極低温液体レベルを
表すエコー時間周期の値の特別セットが存在する。メモ
リに記憶された定数はその知られた形状の容器の液体レ
ベルを表す。これらの値は本発明のレベル検出器を使用
することによって実、験的に先に決められたものであり
、そして他の手段、すなわち知られた形状の特定の容器
に対する液体レベルを表すテーブル値の形状を許すこと
で測定される液体レベルの深さと比較される。値は永久
にテーブルのリードオンリメモリに記憶される。従って
、計算された値と使われる特定容器の形状を特徴づける
メモリに記憶された定数を比較することによって、ＩＣ
３は図４で符号８１．８２．８３．８４．８５．８６．
８７そして８８で描かれているＬＥＤ３−１０アレーの
適当な発光ダイオードを点灯することで実際の容器レベ
ルを表示できる。その代わりに、もし望まれるならば、
レベル検出値は７セグメントＬＥＤやＬＣＤタイプのデ
イスプレィユニットを使用して実際にデジタル読出を提
供するのに使われる。 ［００１９］ 正規の状態で蒸発速度は非常に低いので、レベル指示は
３分毎に更新される。 ［００２０］ ソフトウェアフィルタがレベル指示の非常に安定した連
続性を与えるのに使われる。これは液体の過渡的な物理
状態やアナログ回路の過渡的な状態から生じるかもしれ
ない不安定な指示を除去する。例えば、容器１２が動か
されたり揺らされたとしても、アラームは適当な時間期
間が過ぎるまでは動作しない。これらの技術における一
般的技法で、そのようなフィルタリングを達成する適当
なプログラムを与えることは良いことである。 ［００２１］ システムは又安定検出アルゴリズムを有する。もし極低
温液体レベルの連続的な読出がある許容範囲内で一貫し
ないならば、このルーチンはマイクロプロセッサＩＣ３
に同時に全ての８個のレベル指示ＬＥＤを点灯するよう
指示し、すなわちユーザに変換器のそして又はアナログ
回路を伴った故障を警告する。 ［００２２］ 極低温液体レベルが容器の底から２インチ以内であると
決定した時、ユーザに低レベル指示を警告するために、
他の一つのプログラムはマイクロプロセッサＩＣ３にＬ
ＥＤ２を点灯させる。液体レベルが容器の底から１イン
チ以内であると決定した時、ユーザにこの゛′空″の状
態を警告するために、他の一つのプログラムは定期的に
マイクロプロセッサＩＣ３が断続的にＬＥ川とオーディ
オアラーム５８にエネルギーを与えるようにし得る。 ［００２３］ システムは又容器内の液体の蒸発速度をモニタするアル
ゴリズムを組み込んでいる。もし２時間当たり１インチ
の蒸発速度が検出されたならば、マイクロプロセッサ王
Ｃ３はオーディオアラーム５８に連続的に発音させ、従
ってユーザに容器真空排気の故障のようなシステム全体
の故障を警告する。 ［００２４］ テストスイッチはマイクロプロセッサ王Ｃ３の入力ライ
ンをローに引くために与えられる。この状態が検出され
た時は、マイクロプロセッサＩＣ３は自動的にテストル
ーチンのシーケンスを行い、それは全てのＬＥＤとオー
ディオアラームをオンにする。これよりその使用に先立
ってデジタル指示システムの完全性をチエツクできる。 ［００２５］ もちろん、様々な変更と修正は本発明の精神と観点以内
でなされてもよい。例えば、音響と視覚アラームが発音
するかもしれない状態が特定のユーザによって望まれた
時に選択されてもよい。 ［００２６］
【発明の効果】
本発明によりつくられた装置は非接触単体超音波変換器
と合体し、それは−貫して雑音の影響を受けない測定を
与える容器内の断熱材の中に戦略上置かれる。 本発明による装置は又、液体の深さのアナログ指示を与
える。さらに、本発明による装置はシステム再校正の必
要を取り除き、そして多くの故障状態に対して様々な警
告を与える。
【図面の簡単な説明】
、
【国司 本発明により作られた装置の平面図を示している。 【図２】 図１の線２−２にそって一部除かれた断面図である。
【図３】 線３−３にそった図２の装置の上方内部位置の底面図で
ある。
【図４】 図１〜４の装置の制御ユニットの平面図である。
【図５】 図４の制御ユニットの側面の立面図である。
【図６】 本発明の特定の実施例の図式的回路図である。
【図７】 本発明の特定の実施例の図式的回路図である。
【符号の説明】
１０・・・液体レベル検出装置 １２・・・容器 １４・・・人出開口 １５・・・内部極低温貯蔵室 １６・・・カバー １８・・・内部シェル ２０・・・外部シェル ３０・・・断熱ブロック ３４・・・凹所開口 ３８・・・超音波変換器 ４０・・・制御ユニット ４１・・・電気コード ５６・・・リセットスイッチ ５８・・・オーディオアラーム ５７、８１〜８８・・・発光ダイオードＩＣＩ、　ＩＣ
２・・・電圧レギュレータＩＣ３・・・マイクロフロセ
ッサ ＩＣ４・・・分周器 ＩＣ５・・・アドレスラッチ ＩＣ６・・・アドレスデコーダ ＩＣ７・・・ＥＰＲＯＭ ＩＣ９・・・フリップフロラフ ＩＣｌ０・・・変換器制御
【書類名】
図面
【図１】
【図２】
【図３】 ［図４１
【図５１ 【図６】 ＋１６ＶＤＣ
【図７】

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】知られた形状の容器内における極低温液体
    のレベルを測定する方法は、 ａ）該容器内の該液体に周波数パルスを転送すること；
    ｂ）送信パルスとエコーパルスの間の時間間隔をモニタ
    すること；そしてｃ）該測定された時間と該容器の知ら
    れた形状に対して液体レベルを特徴づけるメモリに記憶
    され先に決められた値を比較するステップから構成され
    ること。
  2. 【請求項２】さらに該容器内の該極低温液体の該レベル
    の値を表示するステップから構成される請求項１による
    方法。
  3. 【請求項３】さらに操作者に不安定や低下した状態を警
    告するためのアラームを活性化するステップから構成さ
    れる請求項１による方法。
  4. 【請求項４】知られた形状の容器内における極低温液体
    のレベルを測定する装置は、 ａ）少なくとも表面に達しそして戻るのに必要とされる
    時間に等しい期間中は周波数パルスを送受信するための
    手段； ｂ）送信パルスと受信パルスの間の時間間隔を決定する
    ための測定手段；そして ｃ）該測定された時間間隔と該容器内の液体のレベルを
    特徴づける先に決められ記憶されているテーブル値を比
    較するための手段から構成されること。
  5. 【請求項５】そこでは該周波数パルスを送受信するため
    の該手段はカバーに固定されている請求項４による装置
    。
  6. 【請求項６】そこでは周波数パルスを送受信するための
    該手段は該カバーに固定された断熱材の中に配置される
    請求項４による装置。
  7. 【請求項７】そこでは周波数パルスを送受信するための
    該手段はセラミック、エポキシ変換器から構成される請
    求項４による装置。
  8. 【請求項８】そこでは該変換器は断熱材の中に配置され
    、該断熱材は通路が該周波数パルスが該液体の方へ向く
    ように形成される構造を有する請求項７による装置。
  9. 【請求項９】そこでは該通路は実質的に円筒状である請
    求項８による装置。
  10. 【請求項１０】そこでは該断熱材は８インチの厚さを有
    し、そして該通路は３．２５インチの長さを有する請求
    項８による装置。
  11. 【請求項１１】さらに不安定になり、低下した該極低温
    液体のレベルの警告のための手段から構成される請求項
    ４による装置。
  12. 【請求項１２】さらに該容器内の極低温液体のレベルを
    表示するための表示手段から構成される請求項４による
    装置。
JP2406858A 1989-12-26 1990-12-26 極低温液体レベル検出装置 Pending JPH04115126A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US456937 1989-12-26
US07/456,937 US5095747A (en) 1989-12-26 1989-12-26 Cryogenic liquid level sensing apparatus

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JPH04115126A true JPH04115126A (ja) 1992-04-16

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JP2406858A Pending JPH04115126A (ja) 1989-12-26 1990-12-26 極低温液体レベル検出装置

Country Status (4)

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US (1) US5095747A (ja)
EP (1) EP0438864A1 (ja)
JP (1) JPH04115126A (ja)
CA (1) CA2028670A1 (ja)

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