摘要(yào)：系統闡述(shu)了多種傳(chuán)統流量計(ji)的測量原(yuán)理，對比各(gè)個🛀測量裝(zhuāng)置的優缺(que)點，提出的(de)超聲波流(liu)量計
在高(gao)溫高壓大(da)口徑管道(dào)中精确計(jì)量。從經濟(ji)效益、精度(du)偏差、安裝(zhuang)使用、節能(néng)減排、後期(qī)維護等多(duo)個方面诠(quan)釋超聲波(bo)流量計相(xiang)🏒比傳統的(de)機械式流(liu)量計的獨(du)特特點，以(yi)及在我國(guó)工業生産(chan)和計量領(lǐng)域中的重(zhong)要應💋用。
1原(yuan)理概述
蒸(zhēng)汽作爲廣(guǎng)泛的載熱(rè)介質，在各(ge)行各業中(zhōng)有着非常(chang)重要的作(zuo)❌用。在電廠(chǎng)中使用蒸(zhēng)汽推動汽(qi)輪機進🏃行(hang)發電。在食(shi)品行業中(zhōng)，可以使用(yòng)蒸汽對管(guan)路進行消(xiāo)毒，确保食(shí)品安全衛(wèi)生無菌。在(zai)煉油行業(ye)，使用高🚶壓(ya)蒸汽對油(yóu)井或者氣(qì)田進行壓(ya)裂開采。在(zài)石化化工(gong)行業的生(shēng)産過程中(zhōng)，很多環節(jie)需要🔴使用(yòng)到蒸汽，比(bi)如汽提塔(ta)中，蒸汽的(de)溫度和壓(ya)力的穩定(dìng)對❗塔器中(zhōng)的生産有(you)着至😄關重(zhòng)要的作用(yong)。在♊化工行(háng)業，某些🙇♀️易(yì)🥵結晶的介(jiè)質在生産(chan)和運輸過(guò)程中需要(yao)保持溫度(du)，而蒸汽往(wǎng)往就是給(gei)管道進行(háng)伴熱和保(bao)溫的介⚽質(zhi)。在管道的(de)吹掃🈚中，有(you)時可以使(shǐ)用空氣，而(er)有些場合(he)就需要使(shi)用蒸汽吹(chuī)掃📧。當然更(geng)顯而易見(jiàn)的是，蒸🙇🏻汽(qì)可以作爲(wei)建築或者(zhě)場所的取(qǔ)暖用介質(zhi)。
蒸汽負載(zǎi)着能量，所(suo)以準确的(de)計量蒸汽(qì)意義重大(da)。對于生産(chan)廠區的内(nei)部計量，計(ji)量的精度(dù)可以起到(dao)節能減排(pái)的作用。對(duì)于貿易交(jiāo)接的場合(he)，無論是蒸(zhēng)汽的生産(chan)方還是使(shi)用👄方，計量(liang)的精度直(zhí)接關系到(dào)雙方的費(fei)🛀用結算，一(yī)定需要一(yī)個可靠的(de)計量方式(shi)✂️，才能避免(miǎn)費🛀用上的(de)糾紛🈲。傳統(tǒng)的蒸汽計(jì)量方式多(duo)采用差壓(yā)式流量計(jì)，
差壓式流(liú)量計
需要(yào)一個節流(liu)原件來實(shi)現壓力差(cha)，包括
孔闆(pan)流量計
、文(wén)丘裏、噴嘴(zuǐ)等方式。随(suí)着技術的(de)發展，渦街(jiē)流量計♻️漸(jiàn)漸用于蒸(zhēng)💜汽測量。近(jin)幾年，采用(yòng)時差法原(yuan)理并且🛀🏻适(shì)用溫度較(jiào)高的超聲(sheng)波流量計(jì)也開始進(jìn)入蒸汽測(ce)量的領域(yù)。下面簡單(dan)介紹一下(xià)這幾種測(cè)量方式🛀🏻的(de)原理。
1.1差壓(ya)式儀表
流(liu)體在有節(jiē)流裝置的(de)管道中流(liú)動時，在節(jiē)流裝置前(qian)後的管壁(bì)🐕處，流體的(de)靜壓力産(chǎn)生差異的(de)現象稱爲(wèi)節流現象(xiang)。節流裝置(zhi)包括節流(liu)元件和取(qǔ)壓裝置🛀。節(jiē)流元😘件是(shi)使🏃♂️管道中(zhong)🤩的流體産(chǎn)生局❄️部收(shōu)縮的元件(jiàn)，多達30多種(zhong)，常用的節(jie)流元件🔞有(yǒu)孔闆、噴嘴(zuǐ)和文丘利(li)管等。流體(tǐ)流過節流(liú)元件時，會(hui)被加速，流(liú)體的加速(sù)時期動能(neng)增加，按照(zhao)能量守恒(heng)定律，在流(liu)體被加速(sù)處它的靜(jìng)壓力會降(jiàng)低一個相(xiang)應🐅的值，因(yin)此在節流(liu)原件兩側(ce)産生一個(ge)差壓，而這(zhè)一差壓與(yu)流速的平(ping)方根成正(zhèng)比。其原理(li)的計算公(gōng)式如下：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其(qí)中：
C爲流出(chu)系數；
ε爲可(ke)膨脹系數(shu)
Α爲節流件(jiàn)開孔截面(miàn)積，m2
ΔP爲節流(liu)裝置輸出(chu)的差壓，Pa;
β爲(wei)直徑比
ρ1爲(wei)被測流體(ti)在I-I處的密(mi)度，kg/m3;
Qv爲體積(jī)流量，m3/h
下圖(tú)爲一些常(chang)見節流原(yuan)件的示意(yi)圖
1.2渦街流(liú)量計
自然(rán)界的很多(duō)現象都源(yuán)于渦街原(yuan)理，比如迎(yíng)風飄揚的(de)👄旗幟，旗杆(gǎn)作爲漩渦(wō)發生體,當(dāng)風從旗杆(gǎn)一側吹來(lai)時，旗‼️杆阻(zǔ)擋了風，分(fèn)别從旗杆(gǎn)兩側吹過(guo)的氣流在(zai)其後形成(chéng)了漩渦❗，因(yin)此，旗幟能(néng)夠随風飄(piao)揚。在
渦街(jiē)流量計
中(zhong)，正是采用(yòng)了“卡門渦(wō)街原理”，測(ce)量管中有(yǒu)一個漩渦(wo)發生🏒體，漩(xuan)渦的脫落(luò)頻率正比(bi)于流量，漩(xuán)渦脫落頻(pin)率📐通過♋傳(chuan)感器中的(de)壓電晶體(ti)來測量，公(gong)式如下：
f=StV/d(2)
式(shì)中：
f－發生體(ti)一側産生(sheng)的卡門旋(xuán)渦頻率
St－斯(sī)特羅哈爾(ěr)數（無量綱(gāng)數）
V－流體的(de)平均流速(su)
d－旋渦發生(sheng)體的寬度(dù)
通過壓電(diàn)晶體測得(dé)頻率之後(hou)，就可以算(suan)得流速值(zhí)，再乘以流(liu)量計的截(jié)面積就可(ke)以知道流(liu)速。
1.3超聲波(bō)流量計
相(xiang)比前兩種(zhong)測量原理(lǐ)，超聲波時(shí)差法的原(yuan)理則更加(jia)簡單易㊙️懂(dǒng)一些。與人(rén)們劃船或(huo)者遊泳類(lèi)似，超聲波(bō)在流動的(de)流體中的(de)傳播速度(du)與流體的(de)流速有關(guān)。順流而下(xià)的超聲波(bō)的傳播速(su)度大💛于逆(ni)流而上的(de)傳播速🎯度(du)。隻要分别(bié)測量出😄超(chao)聲波順流(liú)和逆流🔅的(de)傳播時間(jiān)，就可以依(yī)據下面的(de)公式得到(dao)該路徑上(shàng)瞬時流速(su)。這樣，介質(zhi)流量則可(ke)以通過流(liú)速、管道截(jié)面積等求(qiú)得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)
超聲波流(liú)量計用于(yu)液體測量(liang)已經有幾(jǐ)十年的曆(li)史了🏃♀️，随着(zhe)技術的發(fā)展，超聲波(bō)流量計也(ye)逐漸開始(shǐ)應用在氣(qi)體的領域(yù)，尤其高溫(wen)換能器的(de)開發，使其(qi)可以用于(yú)蒸汽的領(lǐng)域。以高溫(wen)氣體超聲(sheng)波流量計(ji)爲例，選用(yong)高溫SS347材質(zhì)的換能器(qi)，溫度可以(yi)達到540度，耐(nai)壓可達10Mpa。Inconel合(hé)金材質的(de)換能⭐器更(geng)可達到20Mpa的(de)壓力等級(ji)，可選610度的(de)高溫💜。可适(shi)用于各種(zhong)低壓/中壓(ya)/高壓蒸汽(qì)。
了解了各(ge)種原理之(zhi)後，再來對(dui)比一下各(gè)個測量原(yuan)理🏃🏻♂️的優♉缺(quē)點☔，此處對(duì)比參考超(chāo)聲波流量(liàng)計産品樣(yang)本（液體OPTISONIC3400,蒸(zheng)汽OPTISONIC8300）。
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差壓式(shi)流量計
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渦(wo)街流量計(ji)
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超聲波流(liú)量計
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口徑(jing)範圍
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孔闆(pǎn)：DN25~500
文丘裏：DN50~1200
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DN15~300
更(geng)大口徑基(jī)本不可能(neng)生産
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液體(tǐ)DN25~3000
氣體DN50~1000
更大(dà)的口徑也(yě)可能生産(chǎn)
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溫度範圍(wéi)
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根據材質(zhi)和壓力等(deng)
決定可用(yòng)溫度範圍(wéi)
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最高450度
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最(zuì)高610度
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測量(liang)精度(不确(què)定度)
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孔闆(pan)：1%
文丘裏：1%，實(shi)流後可達(dá)0.5%
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1%～2%
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液體：0.3%
氣體(tǐ)：1%
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是否有阻(zu)流件
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是
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是(shi)
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是
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壓損情(qíng)況
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較大，孔(kong)闆的壓損(sun)達到差壓(ya)值的60%，文丘(qiu)裏是差壓(ya)值的15%
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較小(xiǎo)
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無壓損
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前(qián)後直管段(duàn)
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孔闆：前20DN，後(hou)10DN
文丘裏：前(qián)10DN，後5DN
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前20DN後5DN
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液(ye)體：前5DN後3DN氣(qi)體：前20DN後3DN
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量(liang)程比
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孔闆(pǎn)：1：3
文丘裏：1：3
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1：10
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1：10
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維(wei)護量
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節流(liu)元件高溫(wen)下容易
腐(fǔ)蝕，經常需(xu)要維護、
标(biao)定、更換
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維(wéi)護量小于(yú)差壓式儀(yi)表
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無需維(wei)護，沒有磨(mó)損與腐蝕(shi)
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從上表的(de)對比可以(yi)明顯看出(chu)，超聲波流(liu)量計有幾(ji)⭐個很重要(yao)‼️的優點：
量(liang)程比寬：孔(kǒng)闆的量程(cheng)比隻有1：3，在(zai)實際應用(yòng)過程中，如(rú)果最大和(hé)✏️最小流量(liàng)的範圍較(jiào)寬，一台孔(kong)闆就無法(fa)适🛀🏻用，往往(wǎng)需🤞要2～3台孔(kǒng)闆用于不(bú)同的量程(cheng)範圍，而🆚2～3台(tái)表又會引(yǐn)入♉系統誤(wù)差，造成📞測(ce)量可靠性(xìng)進一步♈下(xià)降。超聲波(bo)流量計超(chao)寬的量程(chéng)比，從0.3～30m/s都可(ke)以保證🛀🏻精(jing)度，有時可(kě)測比30m/s更高(gāo)。
長期穩定(ding)性好：使用(yong)過差壓式(shì)的儀表的(de)操作工可(ke)🆚能♌都🍉有感(gan)觸，節流元(yuán)件是非常(cháng)容易磨損(sǔn)的部件，在(zai)高溫或者(zhe)高磨損性(xing)的條件下(xià)，節流元件(jiàn)的開口尺(chǐ)寸會越來(lái)越大，從而(er)造成計量(liang)值偏小。如(ru)果實在貿(mào)🚶♀️易交接的(de)場合，對于(yu)賣方來說(shuō)，就會造成(cheng)🥵損失。而超(chao)聲波流量(liang)計因爲沒(mei)有阻流部(bu)件，所以⁉️壓(yā)損幾乎爲(wèi)💞零，也不會(huì)磨損🔞，所以(yǐ)長期穩定(ding)性非常好(hǎo)。
口徑範圍(wei)大，最高溫(wēn)度高：渦街(jie)流量計因(yīn)爲口徑限(xiàn)制，隻♌能适(shì)用💛于小口(kǒu)徑、中低溫(wēn)蒸汽，如果(guo)有大于DN300的(de)管徑或者(zhe)高于🛀450度的(de)應用☀️，渦街(jiē)就無能爲(wèi)力了，這時(shí)候選用超(chao)聲波流量(liàng)計更加合(hé)适
2. 節能減(jiǎn)排經濟效(xiao)益對比
以(yi)上從理論(lun)角度闡述(shu)了超聲波(bo)的優點，下(xia)面通過一(yi)個實例❌的(de)🏃計算，來對(dui)比一下使(shǐ)用傳統差(cha)壓式流量(liàng)計和新型(xíng)超聲波流(liú)量💁計在經(jīng)濟效益上(shàng)的差異。
主(zhu)要可以從(cong)三方面來(lai)對比：
1.因磨(mó)損和腐蝕(shi)造成差壓(ya)式流量計(jì)的精度偏(piān)差，從而🙇🏻影(ying)響計費的(de)準确性；
2.因(yin)差壓式流(liú)量計較大(da)的壓損而(ér)造成的無(wu)形中的電(dian)力的浪費(fèi)；
3.因差壓式(shi)流量計需(xu)要維護和(he)更換的後(hou)續維護成(chéng)本。
2.1首先，先(xiān)看一下因(yīn)磨損和腐(fu)蝕造成差(cha)壓式流量(liang)計的精度(dù)偏差，從而(er)影響計費(fei)的準确
以(yi)最常見的(de)孔闆流量(liang)計爲例，因(yin)爲孔闆的(de)節流元件(jiàn)在高溫下(xia)很容易被(bei)腐蝕，造成(chéng)流通面積(jī)變大，差🔆壓(ya)變小，最終(zhong)導🔱緻測🐇量(liang)值偏小。那(nà)麽在蒸汽(qì)的貿易交(jiao)接中，測量(liang)值偏小，就(jiù)意味着蒸(zheng)汽生産方(fang)的收入變(bian)少，嚴重的(de)可能導緻(zhi)虧本經營(yíng)。那麽下面(mian)來計算📞一(yī)下，因爲孔(kǒng)闆的計量(liàng)偏差可以(yǐ)導緻多少(shao)收入上的(de)損失。
假設(she)某電廠給(gěi)一個用戶(hu)供應過熱(rè)蒸汽，口徑(jìng)DN500，壓力2.0Mpa，溫度(du):310℃，流量範圍(wei)：0-200t/h。按一個月(yue)工作28天計(jì)算，那麽一(yi)個月需要(yao)供應的蒸(zhēng)汽總量在(zai)200*24*28=134400t/月，按蒸汽(qi)價格160元/t計(ji)算，每月的(de)收入爲2150.4萬(wan)📧元。
爲了簡(jian)化計算，假(jiǎ)設每個月(yue)孔闆流量(liang)計因爲磨(mó)損而産♈生(shēng)的精度變(bian)化是線性(xing)的，每月精(jing)度下降0.01%，那(nà)麽通過下(xia)表可以看(kan)出，第一年(nian)内損失的(de)收益：
第二(èr)年的收入(ru)損失可能(neng)高達45萬多(duo)。
采用超聲(sheng)波流量計(jì)的話，也許(xu)最初的購(gou)置付費會(huì)高于💜孔💋闆(pan)流量計，但(dan)是因爲不(bú)存在孔闆(pan)的磨損造(zao)成的計量(liang)🥰偏差，因爲(wei)增加的購(gou)置成本基(jī)本上在1～2年(nian)就可以收(shōu)回。
以上隻(zhi)是簡單的(de)計算了孔(kong)闆流量計(ji)因爲磨損(sun)造成的收(shou)😄益損失。其(qí)實，因爲孔(kǒng)闆的量程(chéng)比很小，隻(zhi)有✏️1：3，所以在(zài)管線剛剛(gāng)啓🌈動的時(shi)候，因爲流(liú)量太小，往(wang)往無法精(jing)确計量。而(ér)當用戶蒸(zheng)汽用量大(dà)的時候，又(yòu)會造成大(dà)流量無法(fǎ)計量，由此(ci)帶來巨大(dà)的損失。
2.2因(yīn)差壓式流(liu)量計較大(da)的壓損而(er)造成的無(wú)形中的🔞電(dian)力的浪費(fèi)🏃🏻♂️
衆所周知(zhi)，差壓式流(liu)量計必定(dìng)會造成永(yǒng)恒的壓力(lì)損失。還是(shi)以上面的(de)孔闆流量(liàng)計爲例，口(kou)徑DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度:310℃，流🌐量範(fan)圍：0-200t/h。此時蒸(zheng)🔆汽密度約(yuē)爲8.28kg/m3，所以體(ti)積流量約(yue)爲0-24000m3/h。若使用(yòng)差壓式流(liu)量計，可以(yi)讓廠家計(ji)算永久壓(ya)力損失，按(an)照流速和(he)🔴節流元件(jian)的不同，壓(yā)力損失可(kě)以在5～40Kpa不等(děng)。如按較小(xiao)的10Kpa壓♊損來(lai)計算，按最(zuì)大流量的(de)一半流量(liang)時🌈，能量損(sun)失在27.78kW。還是(shì)🔴按每月28天(tiān)計算，一年(nian)能耗的損(sǔn)失是22.4萬KWh。如(rú)果一度電(dian)按0.5元計算(suan)，那麽電費(fèi)約需11萬元(yuan)。也就是說(shuo)，如果更換(huan)成沒有壓(yā)損的超聲(shēng)波流量計(ji)，可以減少(shǎo)泵⭕送的能(neng)量，節省電(diàn)費11萬元。
2.3因(yin)差壓式流(liu)量計需要(yao)維護和更(geng)換的後續(xu)維護成🙇🏻本(běn)🥵
從前面第(di)一點可以(yǐ)看出，使用(yòng)2年後，孔闆(pan)的磨損會(huì)非☁️常厲害(hai)，所以這就(jiu)是爲何差(chà)壓式流量(liang)計都建議(yi)2～3年更🏃🏻換一(yī)次。這就意(yi)😄味着用戶(hù)需要重新(xin)購買新的(de)節流元件(jian)，重新标定(dìng)，重新安裝(zhuāng)。這裏面所(suo)涉及的采(cǎi)購成本，人(rén)員安裝成(cheng)本，停産的(de)成本都是(shì)相當可觀(guan)🌈的。
3安裝維(wei)護
在蒸汽(qì)管道的安(ān)裝上，因爲(wei)蒸汽管道(dào)都需要包(bāo)裹保溫層(céng)，所以一般(bān)法蘭連接(jiē)或者外夾(jiá)式超聲波(bō)的形式不(bú)都不是太(tài)适🍓合。法蘭(lan)連接的部(bu)分會造成(chéng)保溫層的(de)突起，施工(gong)不方便。而(ér)外夾式超(chao)聲波流量(liàng)計安裝的(de)管🌈道不能(néng)做👅保溫，會(huì)造成巨大(dà)的🔴能量浪(làng)費👉。蒸汽流(liu)量計可以(yǐ)提供焊接(jie)式安裝，管(guan)材和焊接(jiē)内徑也可(ke)以根⛱️據🧡現(xiàn)場的管道(dao)定制，保證(zheng)匹配性，如(rú)下圖所示(shi)。安裝完成(cheng)後基本與(yǔ)管道一體(ti)化，方便了(le)保🏒溫⚽層的(de)鋪設。而且(qiě)儀表本身(shēn)是免維護(hù)的，焊接在(zai)管道上也(yě)無需後期(qī)維護㊙️。
4結論(lun)
綜上所述(shu)，超聲波流(liú)量計相比(bǐ)傳統的機(ji)械式流量(liàng)計⭐具有很(hěn)多🔞獨特的(de)優點，無壓(yā)損、精度高(gao)、低維護量(liàng)等，其适用(yòng)😘範圍廣，一(yī)🙇♀️些高溫高(gāo)壓的場合(he)也可适用(yong)🈲，尤其對于(yú)大口徑流(liu)量的正确(que)🔞測量有其(qí)不可比拟(nǐ)的優勢，而(er)💁且超聲波(bo)流量計的(de)測量原理(li)和優點逐(zhu)漸被最終(zhong)用💔戶所認(rèn)可。除🔞了測(ce)量蒸汽💞之(zhī)外，超聲波(bō)流量計也(yě)适合應用(yong)于一些非(fēi)導電的介(jie)質的測量(liang)，因此它會(hui)成我國🈲工(gong)業生🏃♀️産和(hé)計量領域(yù)的新标準(zhun)。
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