DE202014011507U1

DE202014011507U1 - Vorrichtung zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Barren, Münzen oder Metall

Info

Publication number: DE202014011507U1
Application number: DE202014011507.9U
Authority: DE
Original assignee: BLAU PRODUCT DEV Inc; Blau Product Development Inc
Current assignee: Sigma Metalytics Chico Us LLC
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2024-09-12
Also published as: EP4276453A2; US20150070035A1; US9922487B2; EP4276453A3; WO2015038808A1; EP3044766A1; EP3044766A4; EP3044766B1; CN105765632A; EP3044766C0

Abstract

Ein System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren, umfassend:
ein Sensorsystem;
eine Wechselstrom-(AC)-Energieversorgung, die elektrisch mit dem Sensorsystem verbunden ist,
ein Detektionssystem, das elektrisch mit dem Sensorsystem und der AC-Energieversorgung verbunden ist;
einen Datenprozessor, der zur Kommunikation mit dem Detektionssystem konfiguriert ist; und
eine Benutzerschnittstelle, die in Kommunikation mit dem Datenprozessor steht;
wobei die Benutzerschnittstelle eine Eingabevorrichtung und eine Anzeigevorrichtung umfasst,
wobei die Benutzerschnittstelle so konfiguriert ist, dass sie eine Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer über die Eingabevorrichtung erhält und diese Angabe an den Datenprozessor übermittelt,
wobei das Sensorsystem eine Impedanzkomponente und eine Messschaltung umfasst,
wobei die Messschaltung dem Detektionssystem einen Messwert von mindestens einer der Größen Spannung oder Strom, die durch das Sensorsystem fließen, zur Verfügung stellt,
wobei die AC-Energieversorgung mindestens einen Wechselstrom oder eine Spannung an das Sensorsystem und das Detektionssystem liefert,
wobei das Detektionssystem so konfiguriert ist, dass es eine Kalibrierungs-Kompleximpedanz bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, der durch das Sensorsystem fließt, wenn sich keine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden,
wobei das Detektionssystem so konfiguriert ist, dass es eine komplexe Probenimpedanz bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, die durch das Sensorsystem fließen, wenn sich die Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden,
wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er die komplexe Kalibrierimpedanz und die komplexe Probenimpedanz von dem Detektionssystem erhält, und
wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz bereitstellt, um gültige Münzen und Barren von mindestens einem von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 11. September 2013 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/876,561 , deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Das Gebiet der vorliegend beanspruchten Ausführungsformen der Erfindung bezieht sich auf die Detektion von Metallen, insbesondere auf die Detektion von gefälschten oder veränderten Barren, Münzen oder Metallen.
Diskussion der verwandten Techniken
Münz- und Barrenanleger und -händler benötigen eine Möglichkeit, den Metallgehalt von Münzen und Barren in einer Transaktionsumgebung schnell zu überprüfen. Sie benötigen ein Gerät, das eine schnelle Auswahl eines Metall- oder Legierungstyps, eine unkomplizierte Möglichkeit, die Münze oder den Barren auf das Messgerät zu legen, und eine schnelle und übersichtliche Anzeige des Ergebnisses ermöglicht.
XRF-Spektrometer kommen der Erfüllung der oben beschriebenen Anforderungen am nächsten. RFA-Geräte kosten ca. 20.000 $, sind sehr langsam im Betrieb und messen nur die Oberfläche der Probe bis zu einer Tiefe von ca. 100 Millionstel eines Zolls. Sie lassen sich leicht durch Beschichtungen und Verkleidungen täuschen. XRF-Geräte haben Verschleißmechanismen, die zu Wartungskosten führen. Sie können nicht zu Münzausstellungen oder an andere Orte gebracht werden, vor allem nicht in der Öffentlichkeit, da sie Röntgenquellen sind und eine spezielle Genehmigung für den Betrieb benötigen, wobei die Genehmigung den Betriebsort vorgibt. Außerdem funktionieren sie nicht gut mit Münzen, weil bei der Herstellung von Legierungsmünzen einige der Metalle an der Oberfläche der Münze konzentriert sind, so dass die XRF-Messung der Elemente nicht in korrektem Verhältnis zu dem tatsächlich im Großteil der Münze enthaltenen Metall steht.
Andere Verfahren, die zur Messung des Metalls in Münzen und Barren verwendet werden können, umfassen chemische Tests und Tests der spezifischen Dichte. Chemische Tests sind zeitaufwendig, teuer und entfernen Material von der zu testenden Münze oder dem Barren. Der Materialabtrag beeinträchtigt den Wert der Probe, daher werden Verfahren wie chemische Tests bei Münzen und Barren nicht verwendet. Chemische Tests sind auch typischerweise unsauber und erfordern einen Austausch der Chemikalien und sind daher teuer. Außerdem dauert es sehr lange, sie durchzuführen. Bei der Messung der spezifischen Dichte, einer Alternative zu chemischen Tests, muss die Münze oder der Barren aufwändig in eine Kammer gelegt werden, die normalerweise mit Wasser gefüllt ist. Der Prozess ist sehr zeitaufwendig und komplex. Dementsprechend wird keines dieser Verfahren typischerweise in einer Transaktionsumgebung verwendet, da sie langsam, teuer und möglicherweise zerstörerisch sind.
Bei sehr großen Barren wird oft ein Loch gebohrt und ein Bolus des Materials entfernt. Das entnommene Metall wird dann chemisch untersucht, typischerweise mit Atomabsorption, Massenspektrometrie, Atomemission oder einem anderen bekannten Verfahren. Die Nachteile dieses Verfahrens sind, dass es extrem teuer und zeitaufwendig ist, dass Metall aus dem Goldbarren entfernt werden muss und dass nur ein sehr kleiner Teil des Goldbarrens getestet wird.
Ein weiteres Verfahren zur Prüfung großer Barren ist Ultraschall. Ultraschall eignet sich jedoch schlecht zur Bestimmung der Metallart und ist in erster Linie zur Erkennung großer Einschlüsse im Barren geeignet. Wenn es sich bei dem Barren um eine relativ gleichmäßige Legierung handelt, muss das Ultraschallsystem die Schallgeschwindigkeit im Metall messen, was aufgrund von Schwankungen in der Dicke des Barrens und der Rauhigkeit seiner Oberflächen schwierig sein kann. Die Sicherstellung einer passenden Flüssigkeit zur Kopplung der Ultraschallwellen an den Barren kann ebenfalls schwierig sein. Zur Durchführung der Messungen müssen passende Flüssigkeiten verwendet werden, was sehr unpraktisch ist.
Es wird ein Detektionsgerät benötigt, das schnell, tragbar und zerstörungsfrei ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren ein Sensorsystem, eine Wechselstrom (AC)-Energieversorgung, die elektrisch mit dem Sensorsystem verbunden ist, ein Detektionssystem, das elektrisch mit dem Sensorsystem und der AC-Energieversorgung verbunden ist, und einen Datenprozessor, der zur Kommunikation mit dem Detektionssystem konfiguriert ist. Das Sensorsystem umfasst eine Impedanzkomponente und eine Messschaltung, und die Messschaltung liefert dem Detektionssystem einen Messwert von mindestens einer der beiden Größen Spannung oder Strom, die durch das Sensorsystem fließen. Die AC-Energieversorgung liefert einen Wechselstrom und/oder eine Spannung an das Sensorsystem und an das Detektionssystem. Das Detektionssystem ist so konfiguriert, dass es eine komplexe Kalibrierungsimpedanz auf der Grundlage des gemessenen Werts der Spannung und/oder des Stroms bestimmt, die durch das Sensorsystem fließen, wenn sich keine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und auf der Grundlage des Wechselstroms und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden. Das Detektionssystem ist so konfiguriert, dass es eine komplexe Probenimpedanz bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, der durch das Sensorsystem fließt, wenn sich die Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom bzw. der Wechselspannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden. Der Datenprozessor ist so konfiguriert, dass er die komplexe Kalibrierungsimpedanz und die komplexe Probenimpedanz von dem Detektionssystem erhält und auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe bereitstellt, um gültige Münzen und Barren von zumindest einem von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren ein Detektionssystem, einen Datenprozessor in Kommunikation mit dem Detektionssystem und eine Benutzerschnittstelle in Kommunikation mit dem Datenprozessor. Die Benutzerschnittstelle umfasst eine Eingabevorrichtung und eine Anzeigevorrichtung und ist so konfiguriert, dass sie eine Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer über die Eingabevorrichtung erhält und die Angabe an den Datenprozessor übermittelt. Der Datenprozessor ist so konfiguriert, dass er basierend auf der Angabe Messdaten vom Detektionssystem erhält und basierend auf den empfangenen Messdaten Informationen bezüglich einer Leitfähigkeit der Probe bestimmt. Die Benutzerschnittstelle ist so konfiguriert, dass sie eine Angabe der Informationen erhält und die Angabe der Informationen über die Anzeigevorrichtung an den Benutzer übermittelt, um gültige Münzen und Barren von gefälschten und/oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren das Erhalten einer Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer und das Bestimmen eines ersten charakteristischen Werts und einer Frequenz für die Messung auf der Grundlage der Angabe. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen einer ersten Messung und einer zweiten Messung bei der bestimmten Frequenz und das Bestimmen eines zweiten charakteristischen Wertes basierend auf der ersten Messung und der zweiten Messung. Das Verfahren umfasst ferner die Anzeige einer Angabe zur Gültigkeit der Probe auf der Grundlage des ersten charakteristischen Werts und des zweiten charakteristischen Werts.
Figurenliste
Weitere Ziele und Vorteile ergeben sich aus einer Betrachtung der Beschreibung, der Zeichnungen und der Beispiele.

1 ist eine schematische Zeichnung einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Zeichnung einer Detektionsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt, wie k vom Abstand der Probe zur Impedanzkomponente abhängt;
4 zeigt den Zusammenhang zwischen Q und k;
5 zeigt Beispielspulen, die in der Impedanzkomponente verwendet werden können;
6 zeigt die von der Impedanzkomponente erzeugten Magnetfeldlinien und einen induzierten Strom in einer Probe;
7 zeigt eine eigenständige Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt eine Benutzeroberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt, wie ein Gültigkeitsergebnis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angezeigt werden kann;
10 zeigt einen externen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt einen alternativen externen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
12 zeigt, wie ein externer Sensor in Bezug auf eine Probe positioniert werden kann,
13A ist eine schematische Zeichnung eines Sensoraufbaus;
13B ist eine elektrische Schaltung zum Anschluss eines externen Sensors an das Detektionsgerät;
14 zeigt die Abmessungen für eine Reihe von Standard-Goldbarren;
15A zeigt einen Beispielsensor für große Barren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
15B zeigt ein Holster für einen Beispielsensor für große Barren;
16 zeigt das gemessene Q in Abhängigkeit von der Frequenz für eine 1/16 Zoll dicke Kupferprobe;
17 zeigt die gemessene Q in Abhängigkeit von der Frequenz für eine 3/32 Zoll dicke Kupferprobe;
18A zeigt eine flache Spiralspule mit mehreren Abgriffen entlang ihrer Länge;
18B zeigt eine elektrische Schaltung für eine flache Spiralspule mit mehreren Abgriffen entlang ihrer Länge;
19A veranschaulicht, wie viele kleine Spulen anstelle einer einzigen großen Spule verwendet werden können, um eine Größen- oder Durchmessermessung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchzuführen;
19B zeigt ein Schaltbild für ein Array von Spulen, das zur Durchführung von Größen- oder Durchmessermessungen verwendet werden kann,
20 ist eine schematische Zeichnung eines Messsystems mit Komponenten zur Messung der Dicke, des Durchmessers, der Leitfähigkeit und des Gewichts einer Probe;
21 zeigt, wie eine Impedanzkomponente in die Oberfläche einer Gewichtsmessungskomponente eingebettet werden kann, und
22 zeigt, wie eine handelsübliche Gewichtsmessungskomponente in das Detektionsgerät eingebaut werden kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Bei der Beschreibung von Ausführungsformen wird aus Gründen der Übersichtlichkeit eine spezifische Terminologie verwendet. Allerdings ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die gewählte spezifische Terminologie zu begrenzen. Ein Fachmann wird erkennen, dass andere äquivalente Komponenten verwendet werden können und andere Verfahren entwickelt werden können, ohne von den allgemeinen Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle Referenzen, die irgendwo in dieser Spezifikation, einschließlich der Hintergrund und detaillierte Beschreibung Abschnitte zitiert werden, sind durch Verweis aufgenommen, als ob sie jeweils einzeln aufgenommen wurden.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren 100 umfasst ein Sensorsystem 102, eine Wechselstrom (AC)-Energieversorgung 104, die elektrisch mit dem Sensorsystem 102 verbunden ist, ein Detektionssystem 106, das elektrisch mit dem Sensorsystem 102 und der AC-Energieversorgung 104 verbunden ist, und einen Datenprozessor 108, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Detektionssystem 106 kommuniziert. Das Sensorsystem 102 kann eine Impedanzkomponente 110 und eine Messschaltung 112 enthalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Detektionssystem 106 ein synchroner Quadraturdetektor sein, der synchron zur AC-Energieversorgung 104 ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Detektionssystem 106 als eine Detektionskomponente bezeichnet. Der Datenprozessor 108 kann z. B. Teil eines Computersystems sein. Das Computersystem kann ein lokalisierter Computer sein, wie z. B. ein Server, eine Workstation, ein Desktop-Computer, ein Laptop-Computer, ein Tablet oder ein anderes tragbares Gerät oder ein anderer geeigneter Datenprozessor. In einigen Ausführungsformen kann das Computersystem auch ein Multiprozessorsystem und/oder ein Netzwerk von Computern sein. Der Datenprozessor 108 kann ein integrierter Schaltkreis sein, wie z. B. ein Field-Programmable Gate Array (FPGA) oder ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), aber nicht darauf beschränkt. Die Impedanzkomponente 110 kann ein Topfkern, eine flache Spule oder ein beliebiges Gerät sein, das Änderungen in Magnetfeldern erzeugt und darauf reagiert.
Die Messschaltung 112 kann einen Messwert einer Spannung, die durch das Sensorsystem 102 fließt, an das Detektionssystem 106 liefern. Die AC-Energieversorgung 104 kann einen Wechselstrom an das Sensorsystem 102 und das Detektionssystem 106 liefern. Alternativ kann die Messschaltung 112 einen Messwert eines Stroms, der durch das Sensorsystem 102 fließt, an das Detektionssystem 106 liefern, und die AC-Energieversorgung 104 kann eine Wechselspannung an das Sensorsystem 102 und an das Detektionssystem 106 liefern.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Detektionssystem 106 so konfiguriert, dass es eine komplexe Kalibrierungsimpedanz auf der Grundlage des gemessenen Werts der Spannung oder des Stroms bestimmt, die durch das Sensorsystem 102 hindurchgehen, wenn sich keine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente 110 befindet, und auf der Grundlage des Wechselstroms bzw. der Spannung, die von der AC-Energieversorgung 104 bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform bestimmt das Detektionssystem 106 dann eine komplexe Probenimpedanz basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung oder des Stroms, der durch das Sensorsystem 102 fließt, wenn sich eine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente 110 befindet, und basierend auf mindestens einem von dem Strom bzw. der Spannung, die von der AC-Energieversorgung 104 bereitgestellt wird.
Der Datenprozessor 108 ist so konfiguriert, dass er die komplexe Kalibrierungsimpedanz und die komplexe Probenimpedanz vom Detektionssystem 106 erhält und auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe bereitstellt, um gültige Münzen und Barren von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden. Der Datenprozessor 108 kann auch so konfiguriert sein, dass er eine Kalibrierungsinduktivität und einen Kalibrierungswiderstand basierend auf der komplexen Kalibrierungsimpedanz sowie eine Probeninduktivität und einen Probenwiderstand basierend auf der komplexen Probenimpedanz bestimmt. Der Datenprozessor 108 kann dann die Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe basierend auf der Kalibrierungsinduktivität, dem Kalibrierungswiderstand, der Probeninduktivität und dem Probenwiderstand bestimmen. Der Datenprozessor 108 kann die Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe auf der Grundlage einer Differenz zwischen der Kalibrierungsinduktivität und dem Kalibrierungswiderstand und auf der Grundlage einer Differenz zwischen der Probeninduktivität und dem Probenwiderstand bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann der Datenprozessor 108 Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe basierend auf Informationen, die in einer Nachschlagetabelle gespeichert sind, bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann der Datenprozessor 108 auch eine Verschiebung der Probe von der Impedanzkomponente 110 basierend auf der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz bestimmen. Der Datenprozessor 108 kann auf der Grundlage der Verschiebung Informationen über die Zusammensetzung der Probe liefern. Die Impedanzkomponente 110 kann eine Zielmarke zum Ausrichten der Probe enthalten.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren 200 umfasst ein Sensorsystem 202, eine Wechselstrom (AC)-Energieversorgung 204, die elektrisch mit dem Sensorsystem 202 verbunden ist, ein Detektionssystem 206, das elektrisch mit dem Sensorsystem 202 und der AC-Energieversorgung 204 verbunden ist, und einen Datenprozessor 208, der zur Kommunikation mit dem Detektionssystem 206 konfiguriert ist. Das Sensorsystem 202 kann eine Impedanzkomponente 210 und eine Messschaltung 212 enthalten. In einigen Ausführungsformen können die Komponenten 202, 204, 206, 208, 210 und 212 die gleichen oder ähnliche sein wie die entsprechenden Komponenten 102, 104, 106, 108, 110 und 112 der Ausführungsform von 1. Zusätzlich zu den in 1 dargestellten Elementen kann das System 200 eine Benutzerschnittstelle 214 enthalten, die mit dem Datenprozessor 208 kommuniziert. Die Benutzerschnittstelle 214 kann ein Eingabegerät 216 enthalten, wie z.B. ein Feld mit Schaltflächen oder eine Tastatur. Die Benutzerschnittstelle 214 kann von einem Benutzer eine Angabe über eine erwartete Zusammensetzung der Probe erhalten. Die Benutzerschnittstelle 214 kann auch eine Anzeigevorrichtung 218 enthalten und eine Angabe über die Gültigkeit der Probe anzeigen. Die Benutzerschnittstelle 214 kann mit dem Datenprozessor 208 über festverdrahtete und/oder drahtlose Verbindungen kommunizieren. Beispiele für die Eingabevorrichtung 216 und die Anzeigevorrichtung 218 gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden aufgeführt.
Ein Verfahren zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Erhalten einer Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer und das Bestimmen eines ersten charakteristischen Wertes und einer Frequenz für die Messung basierend auf der Angabe. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen einer ersten Messung und einer zweiten Messung mit der bestimmten Frequenz und das Bestimmen eines zweiten charakteristischen Wertes auf der Grundlage der ersten Messung und der zweiten Messung. Das Verfahren umfasst ferner die Anzeige einer Angabe zur Gültigkeit der Probe auf der Grundlage des ersten charakteristischen Werts und des zweiten charakteristischen Werts.
In den folgenden Beispielen werden einige Ausführungsformen ausführlicher beschrieben. Die breiten Konzepte der aktuellen Erfindung sind nicht beabsichtigt, auf die besonderen Beispiele beschränkt zu sein.
BEISPIELE
Im Folgenden wird der Begriff „Detektionsgerät“ auch für Systeme zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die Gültigkeitsmessung kann mit einer Messung der Kalibrierungsinduktivität L_c und des Scheinwiderstands R_c der Impedanzkomponente 210 ohne Probe beginnen. Dann kann eine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente 210 platziert werden, und die Probeninduktivität L_s und der Widerstand R_s können gemessen werden. Um die effektiven Widerstände R_c und R_s und die Induktivitäten L_c und L_s zu erhalten, kann die angelegte Spannung durch den gemessenen Strom geteilt werden. Die Spannung und der Strom können jeweils komplexe Zahlen sein, so dass die Impedanz einen realen und einen imaginären Teil haben kann. Der Realteil bezieht sich auf den gemessenen Widerstand und der Imaginärteil auf die gemessene Induktivität. Die induktive Komponente ist eigentlich proportional zu wL, wobei w die Kreisfrequenz der AC-Energieversorgung 204 ist, so dass die Kreisfrequenz typischerweise während der Berechnungen herausgeteilt wird. Einen Wert, der annähernd proportional zur Quadratwurzel der Leitfähigkeit der Probe ist, erhält man durch Berechnung von Q = (L_c - L_s)/(R_c - R_s). Der Abstand von der Impedanzkomponente 210 zur Probe, auch „Liftoff“ genannt, kann aus k = 1 - L_s/L_c berechnet werden. Im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren und Geräten des Standes der Technik ist das hier beschriebene Detektionsgerät nicht besonders empfindlich gegenüber Liftoff. Kleine Messkorrekturen können auf der Grundlage des Liftoffs vorgenommen werden, typischerweise in der Größenordnung von einigen Prozent der Leitfähigkeit. In einer alternativen Ausführungsform, bei der ein Wechselstrom angelegt und eine Spannung gemessen wird, kann das gleiche Ergebnis durch Division der gemessenen Spannung durch den angelegten Strom erzielt werden.
Die AC-Energieversorgung 204 kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Quadratur-Rechteckwellen können mit einer herkömmlichen Logikschaltung erzeugt werden, und dann können die Rechteckwellen gefiltert werden, um eine reine Sinuswellenausgabe zu erzeugen. Die ungefilterten Rechtecksignale können vom Detektionssystem 206 als Zeitsignal verwendet werden. Die AC-Energieversorgung 204 kann auch mit einem Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandler (DAC) und einer Sinus-Lookup-Tabelle, die den DAC ansteuert, realisiert werden. Der Ausgang der Sinuswelle kann geringfügig gefiltert und zur Ansteuerung des Sensorsystems 202 verwendet werden. Die Aktualisierungsrate des DAC beträgt typischerweise das 10- bis 100-fache der gewünschten Sinuswellenfrequenz. In der AC-Energieversorgung 204 können zwei DACs verwendet werden, um sowohl Sinus- als auch Cosinuswellen mit der Testfrequenz zu erzeugen. Für die AC-Energieversorgung 204 kann jedes Verfahren zur Erzeugung einer Sinuswelle für die Anregung des Sensorsystems 202 verwendet werden, das auch Quadratursignale erzeugt, entweder digital oder analog. Die von der AC-Energieversorgung 204 erzeugte Sinuswelle kann einen harmonischen Anteil aufweisen, der 60 dB oder mehr unterhalb der Grundwelle liegt. In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Datenprozessor 208 in Kommunikation mit der AC-Energieversorgung 204 stehen und eine Quadratur-Rechteckwelle erzeugen und analoge Filter verwenden, um die Sinuswelle zu erzeugen.
Der Real- und Imaginärteil der Impedanz kann vom Detektionssystem 206 gemessen werden, das typischerweise ein Synchrondetektor ist. Zum Beispiel kann das Detektionssystem 206 das rohe Stromsignal (das ein Sinusoid ist) mit Sin(w t) für einen Kanal und Cos(w t) für einen anderen Kanal multiplizieren (wobei w die Kreisfrequenz der AC-Energieversorgung 204 ist). Diese Art von System ist in der Technik als Quadraturdetektor bekannt, wobei ein Kanal die reale Komponente des Stroms und der andere die imaginäre Komponente des Stroms liefert. Alternativ kann das Detektionssystem 206 durch Schalter implementiert werden, die das Signal mit der gleichen Rate wie die Sinuswelle der AC-Energieversorgung 204 schalten, wobei ein Kanal synchron mit den Nulldurchgängen in der Sinuswelle und ein Kanal um 90 Grad phasenverschoben mit der Sinuswelle der AC-Energieversorgung 204 ist, wodurch eine andere Art von Quadraturdetektor entsteht. Alternativ kann ein schneller A/D-Wandler verwendet werden, der mit etwa dem 200-fachen der Frequenz der AC-Energieversorgung 204 läuft, und die Zahlenwerte können in Multiplizierer gehen, die das digitalisierte Stromsignal mit Sinus- und Kosinusformen multiplizieren, die synchron mit der AC-Energieversorgung 204 gespeichert sind, wodurch das Detektionssystem 206 vollständig in digitaler Hardware implementiert wird. Diese Beispiele sind nicht einschränkend, und jede Art von Detektionssystem, das die realen und imaginären Teile der Impedanz erkennen kann, kann verwendet werden.
Sobald die Ströme gemessen sind, werden der effektive Real- und Imaginärteil der Impedanz an der Impedanzkomponente 210 berechnet. Diese beiden Messungen werden als L und R dargestellt, da sie praktisch die Scheininduktivität und den Scheinwiderstand der Impedanzkomponente 210 darstellen. Die Verhältnisse von L und R können verwendet werden, um Zahlen zu finden, die hier als Q und k bezeichnet werden. Q ist etwas anders als das herkömmliche Verständnis von Q einer Spule, da es sich um ein relatives Q handelt, wie unten beschrieben. k ist das auf herkömmliche Weise verwendete Symbol für den Kopplungskoeffizienten in einem Transformator und ist eigentlich das k des effektiven Transformators, der durch die Sensorspule und die Probe gebildet wird. L_c ist die imaginäre Impedanz der Impedanzkomponente 210, die ohne eine Probe gemessen wird, und L_s ist die imaginäre Impedanz, wenn sich eine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente 210 befindet. R_c ist der Realteil der Impedanz der Impedanzkomponente 210, wenn keine Probe vorhanden ist, und R_s ist der Realteil der Impedanz der Impedanzkomponente 210, wenn eine Probe vorhanden ist. Q ist definiert als Q = (L_c-L_s)/(R_c-R_s), und k ist definiert als k = 1 - L_s/L_e.
Vor der Verwendung, typischerweise beim Einschalten des Detektionsgeräts 200, werden die Induktivität und der Widerstand der Impedanzkomponente 210 gemessen, ohne dass eine Probe vorhanden ist. Die Kalibrierungsmessungen ergeben die Zahlen L_c und R_c, die später bei der Bestimmung der Leitfähigkeit der Probe verwendet werden. In einigen Ausführungsformen erzeugt die AC-Energieversorgung 204 eine Wechselspannung von etwa 1000 bis 100.000 Hz, die durch die Impedanzkomponente 210 fließt. Zunächst ermittelt der Datenprozessor 208 die Induktivität und den Widerstand der Impedanzkomponente 210 ohne eingesetzte Probe. Die Messschaltung 212 bestimmt die Stromamplitude und -phase bei der erzeugten Frequenz, 100 kHz für kleinere Proben wie Münzen und 1 kHz für größere Proben wie Barren haben sich in einigen Ausführungsformen als geeignet erwiesen. Diese Daten werden von dem Detektionssystem 206 und dem Datenprozessor 208 zur Berechnung von L_c und Rc verwendet.
Sobald L_c und R_c gemessen sind, kann der Benutzer das erwartete Material über die Eingabevorrichtung 216 eingeben und die zu prüfende Münze oder den Barren in die Nähe der Impedanzkomponente 210 bringen. Der typische Abstand von der Impedanzkomponente 210 zur Probe kann im Bereich von 0 bis 0,25 Zoll für eine 1-Zoll-Impedanzkomponente 210 liegen, größer für eine Impedanzkomponente 210 mit größerem Durchmesser und kleiner für eine Impedanzkomponente 210 mit kleinerem Durchmesser. Die Proben können in Gehäusen oder Haltern untergebracht sein, die versiegelt sind und verhindern, dass die Probe in der Nähe des Sensors positioniert werden kann. Daher kann es für einige Anwendungen nützlich sein, Messungen mit einem moderaten Abstand zwischen der Impedanzkomponente 210 und der Probe durchführen zu können. Die Ablesung der Gültigkeit der Probe ist im Wesentlichen gleich, egal wie groß der Abstand zwischen der zu prüfenden Probe und der Impedanzkomponente 210 ist, und wird auch nicht durch nicht leitende Halter oder Gehäuse für die Probe beeinflusst, solange der Abstand zwischen der Impedanzkomponente 210 und der Probe nicht zu groß ist. Die Benutzerschnittstelle 214 kann eine Zielmarke haben, die ungefähr anzeigt, wo der Benutzer die Probe platzieren kann und wie groß die Probe sein darf, um die Impedanzkomponente 210 abzudecken. Die Probe kann eine Fläche haben, die im Wesentlichen die Fläche der Oberfläche der Impedanzkomponente 210 abdeckt, so dass geschlossene Wirbelströme die Oberfläche der Impedanzkomponente 210 abdecken können. Für kleinere Proben kann eine kleinere Impedanzkomponente 210 verwendet werden. Die Probe kann so positioniert werden, dass die flache Oberfläche der Probe ungefähr parallel zur offenen Oberfläche der Impedanzkomponente 210 liegt. Kleine Winkel zwischen der Oberfläche der Probe und der Oberfläche der Impedanzkomponente 210 machen bis zu einem Winkel von 10 oder 20 Grad nur einen sehr geringen Unterschied für die Messung aus, so dass die Winkelpositionierung der Probe nicht kritisch ist.
Sobald die Probe an Ort und Stelle ist, kann die Messung von L_s und R_s erfolgen und die Werte von Q und k können berechnet werden. Die AC-Energieversorgung 204 kann eine Wechselspannung von etwa 1.000 bis 100.000 Hz erzeugen, die durch die Impedanzkomponente 210 fließt. In einigen Ausführungsformen ist eine Frequenz ausreichend, um die Leitfähigkeit der Probe im Feld der Impedanzkomponente 210 zu bestimmen. Die Messschaltung 212 bestimmt die Amplitude und Phase des Stroms oder der Spannung bei der erzeugten Frequenz, z. B. 100 kHz für kleinere Proben wie Münzen und 1 kHz für größere Proben wie Barren. Höhere oder niedrigere Frequenzen können für dickere oder dünnere Münzen und Barren verwendet werden; niedrigere Frequenzen können für dickere Proben verwendet werden. Das Detektionssystem 206 kann die Strom- oder Spannungswerte erfassen, nachdem die Probe platziert wurde, und der Datenprozessor 208 kann berechnen, wie stark sich die Induktivität L_s und der Widerstand R_s der Impedanzkomponente 210 geändert haben, wenn die Probe in der Nähe der Impedanzkomponente 210 platziert wurde. Dann wird Q als (L_c-L_s)/(R_c-R_s) berechnet, was einen eindeutigen Wert ergibt, der mit der Leitfähigkeit und damit der Zusammensetzung der Münze oder des Barrens zusammenhängt. Der Datenprozessor 208 kann gespeicherte erwartete Werte verwenden, um die beste Übereinstimmung der Messungen mit Standards zu bestimmen, die zuvor im Datenprozessor 208 gespeichert wurden, oder er kann den Wert der Leitfähigkeit der Probe anzeigen. Die Benutzeroberfläche 214 kann dem Benutzer angeben, ob das Q der zu prüfenden Münzen und Barren mit dem erwarteten Q des vom Benutzer eingegebenen Materials übereinstimmt. In einigen Ausführungsformen liegt die Übereinstimmung zwischen vorgespeicherten Werten im Datenprozessor 208 und gemessenen Werten von verschiedenen Proben innerhalb von 2-3%, so dass 10%ige Änderungen der Leitfähigkeit der Probe leicht zu messen sind. Die Messung ändert sich sehr wenig mit der Prägung der Münze, der Ebenheit der Probe, der Abnutzung der Münze, der Oberflächenpatina, dem Probenwinkel oder dem Abstand der Impedanzkomponente 210 zur Probe.
Typische Leitfähigkeiten für Münzen- und Barrenmetalle sind in Tabelle 1 dargestellt. Table 1

Metall Leitfähigkeit (µohm cm)

Silber 1.58

Gold 2.25

90% Silber 10% Kupfer US Münzmetall 1.90

Kupfer 1.73

Platin 10.5

Palladium 10.6
Einige der Metalle, die zur Veränderung der Münze oder des Barrens verwendet werden können, haben die in Tabelle 2 aufgeführten Leitfähigkeiten. Table 2

Metall Leitfähigkeit (µohm cm)

Blei 14.5

Wolfram 5.6
Im Allgemeinen liegt der Bereich der Leitfähigkeit für Edelmetalle bei etwa einer Größenordnung, während das Verfahren gemäß einigen Ausführungsformen mit einer Genauigkeit von etwa 2% messen kann. Dies ermöglicht einen sehr genauen Abgleich zwischen dem erwarteten Q für eine Metallprobe, wie im Datenprozessor 208 gespeichert, und der unbekannten Probe.
Die Impedanzkomponente 210 erzeugt Magnetfelder, die in das zu prüfende Material eindringen. Abhängig von der Leitfähigkeit des zu prüfenden Metalls können Wirbelströme erzeugt werden. Die Wirbelströme können die Form und Stärke des Magnetfeldes in der Impedanzkomponente 210 modifizieren und dadurch die von der Messschaltung 212 ermittelten Spannungs- oder Stromwerte verändern. Die Impedanzkomponente 210 ist somit sowohl Anregungsvorrichtung als auch Detektor. Die Änderungen der Induktivität der Impedanzkomponente 210, verkörpert durch die Berechnung L_c-L_s, und die Änderung des Scheinwiderstands der Impedanzkomponente 210, verkörpert durch die Berechnung R_c-R_s, sind beide proportional zum Abstand der Probe zur Impedanzkomponente 210. Das Verhältnis (L_c-L_s)/(R_c-R_s) ist jedoch vom Abstand zur Probe nahezu unbeeinflusst und hängt nur von der spezifischen Leitfähigkeit der Probe ab.
Obwohl Q nahezu unabhängig vom Liftoff ist, kann der Abstand zwischen der Impedanzkomponente 210 und der Probe aus dem Wert von k berechnet werden. Typischerweise ist k = 0,4, wenn sich die Probe sehr nahe am Sensor befindet, und wenn k < 0,05 oder so ist, ist die Probe zu weit entfernt, um konsistent gelesen zu werden. 3 zeigt die Beziehung zwischen k und dem Abstand (liftoff), mit dem Abstand in Zoll auf der x-Achse und k auf der y-Achse. Da die Kurve monoton ist, kann die Liftoff-Distanz durch Messen von k bestimmt werden. 4 zeigt die Beziehung zwischen normalisiertem Q und k, wobei k auf der x-Achse und Q auf der y-Achse aufgetragen ist. Das normalisierte Q ist Q, wie es sich mit k ändert, geteilt durch das nominelle Q der Probe bei etwa k = 0,25. Q ist nahezu unabhängig vom Liftoff und k und ändert sich über den gesamten Bereich des Liftoffs nur um 12 %. Der Einfluss des Liftoffs kann durch Multiplikation von Q mit einem kleinen Korrekturfaktor in Abhängigkeit von k kompensiert werden.
Die Impedanzkomponente 210 kann ein Topfkern oder eine Flachspule sein, so dass die von ihr erzeugten Felder radialer Natur sind. Beispielspulen sind in 5 dargestellt, und Beispielfeldlinien, die von den Spulen erzeugt werden, sind in 6 dargestellt. 6 zeigt einen Topfkern 600, der radiale Magnetfeldlinien 602 erzeugt. Das radiale Magnetfeld 602 erzeugt kreisförmig zirkulierende Ströme 604 in der Probe 606. Die Felder können auf einen bestimmten Bereich der Probe beschränkt werden, so dass der gemessene Bereich der Probe ungefähr der Größe der Impedanzkomponente 210 entspricht und sich nicht weit über den Umfang der Impedanzkomponente 210 hinaus erstreckt, da dieser Bereich sich vergrößern würde, wenn die Probe wegbewegt wird, was den gemessenen Bereich verändern würde. Dieser Effekt wird durch die Verwendung eines Topfkerns oder einer flachen Spiralspule für die Impedanzkomponente 210 minimiert.
Gespeicherte Leifähigkeiten im Datenprozessor 208 können in Q-Messwerte umgewandelt werden, oder umgekehrt, so dass die gespeicherten Leifähigkeiten mit der zu prüfenden Probe verglichen werden können. Die Umrechnung zwischen Leifähigkeit und Q ist eine Gleichung der Form Leifähigkeit = (eine Konstante bezogen auf die Sensorgröße und Frequenz) × Q^2. Im Datenprozessor 208 kann Folgendes gespeichert werden: der Metallname, die Leitfähigkeit bei einer Standardtemperatur, der Temperaturkoeffizient der Leitfähigkeit und die zulässige Toleranz. Möglicherweise sind nicht alle diese Werte notwendig, und andere Informationen können, wie unten beschrieben, nützlich sein, wie z. B. die Dicke der Münze, das Gewicht, der Durchmesser usw. Im Hinblick auf die Messung von Q und k können jedoch die ersten vier Werte für die Berechnung der Leitfähigkeit der Probe verwendet werden. Die Leifähigkeiten von reinen Metallen sind gut bekannt und stabil, aber Legierungen können in ihrer Zusammensetzung etwas variieren. Münzen und Barren aus Legierungen können eine etwas größere Toleranz der Leifähigkeiten erfordern als reine Metalle.
Für jede Impedanzkomponente 210 und jede Frequenz, für die die Impedanzkomponente 210 verwendet wird, kann die Konstante, die die Leitfähigkeit mit dem Q-Messwert in Beziehung setzt, im Datenprozessor 208 gespeichert werden.
Die verwendete Frequenz kann so hoch sein, dass die Ströme die Probe nicht wesentlich durchdringen. Zum Beispiel kann die Probe bei der verwendeten Frequenz mindestens zwei Eindringtiefen dick sein, wenn die Probendicke die Leifähigkeitsmessung nicht beeinflussen soll. Die Eindringtiefe für Metalle kann als ungefähr .517 × sqrt[1/Leitfähigkeit] berechnet werden, wobei die Leifähigkeit in MS/cm und die Eindringtiefe in Millimetern gemessen wird. Als Beispiel beträgt die Eindringtiefe für Silber bei 10 kHz 0,64 mm. Um die Leitfähigkeit einer Probe bei 10 kHz mit dem beschriebenen Verfahren zu messen, ohne dass die Probendicke den Leitfähigkeitsmesswert wesentlich beeinflusst, kann eine Silberprobe etwa 1,3 mm dick sein.
Die Messung der Münz- oder Barrendicke ist mit der Impedanzkomponente 210 möglich. Bei niedrigen Frequenzen können die Induktivität und das Q der Impedanzkomponente 210 auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden, was die Bestimmung sowohl der Dicke als auch der Leifähigkeit unter Verwendung von Berechnungen und gespeicherten, vorab gemessenen Werten von bekannten Proben ermöglicht. Wenn jedoch keine Informationen über die Dicke benötigt werden, kann eine einzelne Frequenz verwendet werden, die hoch genug ist, um nicht signifikant durch die gesamte Probe zu dringen. Die Einzelfrequenz darf nicht niedriger als diejenige sein, die eine Eindringtiefe von etwa 1/2 bis 1/4 der erwarteten Probendicke hat, wenn die Dickeninformation nicht gewünscht ist und nur die Leitfähigkeit gemessen werden soll. Typischerweise misst das Q die Leitfähigkeit und das k den Abstand zur Probe von der Impedanzkomponente 210 bei diesen Frequenzen. Bei niedrigen Frequenzen kann die Probendicke Teil der Messung werden. Durch die Verwendung mehrerer Frequenzen können sowohl die Probendicke als auch die Leitfähigkeit ermittelt werden.
Wenn nur eine Frequenz verwendet wird, um die Leifähigkeit der Probe zu erhalten, kann die verwendete Frequenz von der Probendicke und -leitfähigkeit abhängen. Für weniger leitfähige Proben können höhere Frequenzen verwendet werden, um ein gleichmäßiges Eindringen in die Proben im Vergleich zu Proben mit höherer Leitfähigkeit zu erhalten. Wenn dünnere Proben gemessen werden, kann die Frequenz geändert werden, um sicherzustellen, dass die Felder nicht in die Probe eindringen. Münzen und Barren, die einen großen Durchmesser oder eine große Größe haben, sind fast immer dicker. Für größere Münzen und Barren kann eine größere Impedanzkomponente 210 verwendet werden, die bei niedrigeren Frequenzen betrieben werden kann. Die Impedanzkomponente kann z.B. aus einer Spule mit einem größeren Durchmesser bestehen. Für kleinere Münzen und Barren können eine kleinere Impedanzkomponente 210 und höhere Frequenzen verwendet werden. Wenn das erwartete Material einer Probe eine geringere Leifähigkeit hat, kann eine höhere Frequenz verwendet werden, um es zu messen.
Obwohl für eine bestimmte Probe nur eine Messfrequenz erforderlich sein kann, können mehrere Frequenzen verwendet werden, um die richtige Distanz in die Probe einzudringen, ohne zu weit einzudringen. Zum Beispiel kann bei der Messung von 1 oz. Silber- oder Goldmünzen, die sehr leitfähig sind, eine Frequenz von 40 kHz verwendet werden. Bei der Messung von 1-oz.-Münzen aus Kronengold (crown gold) oder Platin, die viel geringere Leitfähigkeiten haben, kann eine Frequenz von 100 kHz oder sogar 200 kHz verwendet werden. Die AC-Energieversorgung 204 kann mehrere Frequenzen erzeugen, um Messungen an unterschiedlichen Probendicken und Materialien zu ermöglichen. Der Frequenzbereich, der bei typischen kleinen Münzen und Barren verwendet wird, kann 1 kHz bis 200 kHz betragen. Der Benutzer kann das Probenmetall oder die Legierung auswählen, so dass die erwartete Leitfähigkeit der erwarteten Legierung bekannt sein kann. Der Datenprozessor 208 kann die zu verwendende Frequenz auf der Grundlage des ausgewählten Metalls oder der Legierung auswählen, wobei höhere Frequenzen für weniger leitfähige Proben und niedrigere Frequenzen für stärker leitfähige Proben verwendet werden. Die AC-Energieversorgung 204 kann vom Datenprozessor 208 angewiesen werden, einen Strom oder eine Spannung mit der gewählten Frequenz zu erzeugen.
Mehrere Impedanzkomponenten 210 können nützlich sein, um Proben unterschiedlicher Größe zu messen. Die unterschiedlich großen Impedanzkomponenten 210 können mit typischen analogen Schaltern in den Messkreis geschaltet werden, so dass jeweils nur eine Impedanzkomponente 210 angeregt wird. Die Impedanzkomponenten 210 dürfen nicht größer als die Probe sein, um sicherzustellen, dass die Messungen genau sind.
Sinuswellen können zur Anregung in den Impedanzkomponenten 210 verwendet werden, und Frequenzdatenpunkte können sequentiell gesammelt werden, wenn mehr als eine Frequenz verwendet wird. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die AC-Energieversorgung 204 jedoch eine Reihe von Impulsen erzeugen, und die Messschaltung 212 kann Daten durch diese Impulse und zwischen diesen Impulsen erfassen. Unter Verwendung von Fourier-Transformationen können die Impulsdaten in Frequenzdaten umgewandelt werden. Das Ergebnis, das Werte für Frequenz, Induktivität und Q enthält, kann in beiden Fällen gleich sein. Die Daten einer unbekannten Münze oder eines Barrens können dann mit einer im Datenprozessor 208 vorgespeicherten Tabelle verglichen werden, wobei auf herkömmliche Weise Kurven- oder Datenvergleichsverfahren verwendet werden, wie z. B. kleinste Quadrate, Levenberg-Marquardt, Interpolations- und Extrapolationsverfahren. Eine einzige Antwort, die angibt, ob es sich bei der getesteten Münze oder dem Barren um das erwartete Material handelt, kann basierend auf den verschiedenen Qualitäten der Fits generiert werden. Der Datenprozessor 208 kann die Berechnung und Bestimmung der Gültigkeit durchführen.
Wenn mehrere Frequenzen verwendet werden, können Verfahren der kleinsten Quadrate, Curve Fitting oder andere Verfahren eingesetzt werden, um eine einzelne Zahl oder einen Indikator zu erzeugen, der die Qualität der Übereinstimmung zwischen dem unbekannten zu prüfenden Material und den vorgespeicherten Datensätzen darstellt. Auf diese Weise können die gespeicherten Werte verwendet werden, um festzustellen, ob das zu prüfende Material ausreichend nahe an den gespeicherten Standardwerten liegt, und die niederfrequenten Datenpunkte können zur Bestimmung der Probendicke verwendet werden. Wenn die Leitfähigkeit der Probe ausreichend nahe ist, kann die zu prüfende Münze oder der Barren als legitim angesehen werden, und die Benutzeroberfläche 214 kann anzeigen, dass die Münze oder der Barren echt ist. Wenn die Werte der Probe nicht nahe genug an den vorgespeicherten Standardwerten liegen, kann die zu prüfende Münze oder der zu prüfende Barren als gefälscht angesehen werden, und dies kann von der Benutzeroberfläche 214 angezeigt werden. Typischerweise werden die Werte für Q bei einer einzelnen Frequenz innerhalb von 1% liegen.
Die Werte von L_c und L_s können verwendet werden, um festzustellen, ob eine Probe vorhanden ist. Wenn keine Probe vorhanden ist, ist L_s = L_c. Wenn eine Probe in das Feld der Impedanzkomponente 210 gebracht wird, beginnt L_s zu sinken (L_c kann vor der Probenmessung im Gerät gespeichert werden). Bei einem Wert von k = 1 - L_s/L_c kann das Signal der Probe ausreichend groß sein, um eine gültige Messung zu erhalten. Typischerweise ist ein Wert von k = 0,05 ausreichend für eine genaue Messung der Leitfähigkeit der Probe. Wenn das Detektionsgerät 200 die Impedanzkomponente 210 kontinuierlich misst und eine ausreichend große Änderung von k feststellt, kann das Detektionsgerät 200 automatisch mit der Messung der Leitfähigkeit der Probe beginnen und dem Benutzer einen Messwert für die Leitfähigkeit geben. Mit diesem Verfahren zur Probenerkennung kann die Messung sehr schnell erfolgen, da keine Schaltflächen gedrückt werden müssen, um eine Probenmessung zu beginnen.
Die Impedanzkomponente 210 kann mit einem offenen Feld hergestellt werden, wobei die Impedanzkomponente 210 einen Spalt aufweist, in den die zu prüfende Münze oder der zu prüfende Barren eingesetzt wird (siehe 5 und 6). Die Spule kann die Hälfte eines Ferrit-Topfkerns sein, und die Münze oder der Barren kann auf die offene Seite des Kerns gelegt werden. Der Kern kann auch aus einem nanokristallinen Material oder sogar aus einem Silizium-Stahl-Laminat bestehen. Der Kern kann die Felder, die die Münze oder den Barren durchdringen, so formen, dass ein geschlossener Wirbelstromkreis in der Probe entsteht. Die AC-Energieversorgung 204 kann aus einer einfachen, auf herkömmliche Weise aufgebauten Operationsverstärkerschaltung bestehen, die die Impedanzkomponente 210 ansteuert. Der Datenprozessor 208 kann eine Reihe von Zahlen erzeugen, die per D/A-Wandlung in die Wellenform umgewandelt werden, die der AC-Energieversorgung 204 zugeführt wird. Das Detektionssystem 206 kann ein konventioneller, phasenempfindlicher Quadraturdetektor sein, der Gleichspannungen erzeugt, die proportional zu den Strömen an zwei Quadraturphasen sind. Diese Gleichspannungen können dann in einem A/D-Wandler in Zahlen umgewandelt werden, und die Zahlen können von dem Datenprozessor 208 gelesen werden. Diese Zahlen können verwendet werden, um die zuvor beschriebenen Daten zu erzeugen. Es gibt viele Möglichkeiten, das Feld so zu formen, dass die Münze oder der Barren die Größe und Form des Feldes verändert, einschließlich der Verwendung von Spulen auf beiden Seiten der zu prüfenden Münze oder des Barrens. Wenn Impedanzkomponenten 210 auf beiden Seiten der Probe platziert werden, können zwei Messungen durchgeführt werden, eine auf jeder Seite, um effektiv den gesamten Umfang der Probe zu prüfen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Brückenschaltung dazu verwendet werden, zwei vermeintlich gleiche Münzen und Barren miteinander zu vergleichen, und die Gleichheit der Messungen kann die Echtheit der Proben bestimmen. Wenn sich die Proben unterschiedlich verhalten, dann kann eine von ihnen als gefälscht bestimmt werden. Die Verwendung einer Brücke kann jedoch komplexer sein als eine einzelne Messung gegen vorher gespeicherte, bekanntermaßen authentische Proben. Es können mehrere Impedanzkomponenten 210 verwendet werden, um größere Proben auf einmal zu messen, und es kann eine Impedanzkomponente 210 hinzugefügt werden, die die Erzeugung des Magnetfelds von der Erfassung des Felds trennt. Größere Impedanzkomponenten 210 können für dickere und größere Münzen oder Barren verwendet werden, und mehrere Impedanzkomponenten 210 können auf demselben Gerät verwendet werden, so dass jede Impedanzkomponente 210 so eingestellt ist, dass sie eine Art von Münze oder Barren optimal misst.
Ein PC oder ein anderer Computer auf herkömmliche Weise kann als Datenprozessor, Eingabegerät und Display fungieren und mit der zur Erzeugung und Messung der Felder erforderlichen Elektronik kommunizieren. Beispielsweise könnten der Sensor und die erforderlichen Schaltungen sowie die Zielmarke für die Probe in einem kleinen Gehäuse untergebracht sein, das über eine digitale Schnittstelle, entweder kabelgebunden oder drahtlos, mit einem Host-Computer verbunden ist. Das Programm, das die Rohdaten analysiert, könnte aus der Ferne in einer Computer-„Cloud‟ existieren und das Ergebnis könnte an den Host-Computer zurückgeschickt werden.
Das Detektionsgerät kann über eine drahtlose Schnittstelle wie Bluetooth oder Wi-Fi mit einem Computer oder einem Mobiltelefon verbunden sein. Die Messung kann automatisch in einer externen Aufzeichnung der Transaktion protokolliert werden, wobei der Bediener die tatsächlichen Ergebnisse möglicherweise nicht sieht. Die Ergebnisse können zur Verwendung in einer Filiale, einer Bank oder einem Lagerhaus veröffentlicht werden. Das Detektionsgerät kann so weit miniaturisiert werden, dass es in einer Hosentasche aufbewahrt und mit einem Mobiltelefon bedient werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren ein Detektionssystem, einen Datenprozessor, der mit dem Detektionssystem kommuniziert, und eine Benutzerschnittstelle, die mit dem Datenprozessor kommuniziert. 7 zeigt das System 700 zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren mit einer Benutzerschnittstelle, die ein Anzeigegerät 702 und ein Eingabegerät 704 umfasst. Die Schnittstelle ist so konfiguriert, dass sie eine Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer über die Eingabevorrichtung 704 erhält und die Angabe an den Datenprozessor (nicht gezeigt) übermittelt. Der Datenprozessor ist so konfiguriert, dass er Messdaten vom Detektionssystem (nicht gezeigt) auf der Grundlage der Angabe erhält, und ist so konfiguriert, dass er Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe auf der Grundlage der empfangenen Messdaten bestimmt. Die Benutzerschnittstelle ist so konfiguriert, dass sie eine Angabe der Informationen erhält und die Angabe der Informationen dem Benutzer über die Anzeigevorrichtung 702 mitteilt, um gültige Münzen und Barren von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden. Während 7 eine spezifische Ausführungsform der Erfindung offenbart, offenbaren die Figur und ihre Beschreibung allgemeine Aspekte der Erfindung, die nicht auf diese Ausführungsform beschränkt sind.
Das System 700 kann ein eigenständiges System sein und kann die in den 1 und 2 gezeigten Elemente enthalten. Die Anzeigevorrichtung 702 und die Eingabevorrichtung 704 ermöglichen die schnelle Auswahl eines Metalls oder Legierungstyps aus einem Menü, was nur wenige Sekunden dauert. Alternativ kann ein Automodus verwendet werden, der automatisch die Probenlegierung basierend auf dem Metall vorschlägt und somit keine Zeit für die Metallauswahl benötigt. Das Anzeigegerät 702 kann die gewählte Metallart anzeigen und, sobald die Münze oder der Barren auf die Oberfläche 706 gelegt wird, eine leicht ablesbare und schnelle Anzeige des Metallwertes bieten. Die Messung kann weniger als eine Sekunde dauern. Das Anzeigegerät 702 und Lampen 708 können dem Benutzer den Zustand des Detektionsgeräts 700 mitteilen.
Wie in 7 gezeigt, kann die Fläche 706, auf der die Münze oder der Barren platziert wird, eine Zielmarke 710 aufweisen, die zur Positionierung der zu prüfenden Münze oder des Barrens verwendet werden kann. Die Zielmarke kann z.B. ein Kreis oder ein Rechteck sein. Die Messung kann durch eine Schaltfläche gestartet werden oder kontinuierlich ablaufen, so dass der Benutzer die Probe über den Messbereich schieben kann. Das Vorhandensein der Probe kann automatisch erkannt werden und ein Ergebnis kann ohne Benutzereingriff angezeigt werden. Das Gerät kann batteriebetrieben sein, so dass es tragbar ist und im Feld eingesetzt werden kann. Das Gerät kann so konstruiert sein, dass es die zu prüfende Münze oder den zu prüfenden Barren einklemmt oder festhält, oder die Münze oder der Barren kann durch eine automatische Münzzuführung in das Gerät eingeführt werden, so dass große Mengen an Münzen oder Barren auf einmal ohne Benutzereingriff geprüft werden können.
Der Datenprozessor 208 kann über eine gespeicherte Datenbank von Metallen und ihre erwarteten Leitfähigkeiten verfügen. Der Benutzer kann über die Benutzerschnittstelle 214 ein erwartetes Metall angeben, und der Datenprozessor 208 kann in den vom Detektionssystem 206 zu erwartenden Werten nachschlagen. Die Benutzeroberfläche 214 kann das vom Benutzer ausgewählte Metall oder die Legierung anzeigen. Der Benutzer kann dann die Probe auf die Zielmarke 710 legen, die so positioniert ist, dass das Sensorsystem 202 die Probe messen kann.
Während der internen Kalibrierung oder bei Moduswechseln können das Anzeigegerät 702 oder Lampen 708 in 7 oder eine andere Anzeige oder ein externer Host-Computer dem Benutzer anzeigen, wann die Probe platziert werden muss, wann die Messung durchgeführt wird und, falls erforderlich, wann die Probe entfernt werden muss. Die Anzeigevorrichtung 702 kann leicht ablesbar sein und möglicherweise keine numerischen Ergebnisse anzeigen, da diese schwieriger zu verstehen sind als intuitivere Anzeigen. Allerdings können numerische Anzeigen in manchen Fällen hilfreich sein. Es kann eine intuitivere grafische Anzeige verwendet werden, die dem Benutzer anzeigt, ob die Messung innerhalb des erwarteten Bereichs für eine ausgewählte Probe liegt. Eine Anzeige vom Typ „Füllstandsanzeige“ oder „Balkendiagramm“ ist leicht zu interpretieren und kann eindeutig angeben, ob das Ergebnis innerhalb des erwarteten Bereichs liegt. Dieser Aufbau macht das Anzeigegerät 702 schnell und einfach ablesbar.
Eine Routine kann die Sensoranregung und das Auslesen der Spannungen und Ströme steuern. Eine Routine kann das Anzeigegerät 702 und das Eingabegerät 704 steuern und so als Benutzerschnittstelle dienen. Eine Routine kann das numerische Ergebnis der Messung übernehmen und in ein gut lesbares Ergebnis auf dem Display umwandeln. Eine Routine kann die Datenbank oder Nachschlagetabelle der Metalle und ihrer Eigenschaften verwalten und kann das Hinzufügen neuer Datenbank-Metall- oder Legierungswerte und möglicherweise das Entfernen oder Ändern von Metallen oder Legierungen aus der Datenbank oder Tabelle ermöglichen. Eine Routine kann den Strom- und Batterieverbrauch steuern. Eine Routine kann die Verbindung des Geräts mit einem Computer ermöglichen, um das Lesen von Werten durch den Computer und das Hinzufügen von Metallen und Legierungen zur Datenbank oder Tabelle zu ermöglichen. Diese Routinen können vom Datenprozessor 208 ausgeführt werden, oder sie können ganz oder teilweise von einem über eine Schnittstelle angeschlossenen Host-Computer ausgeführt werden. Ein USB-Anschluss oder eine andere Art von Schnittstelle kann den Datenprozessor 208 mit dem Host-Computer verbinden. Der Host-Computer kann ein PC, ein Mobiltelefon, ein mit dem Internet verbundenes Gerät oder ein anderer Computer sein.
Die auf der Benutzeroberfläche gezeigten Tasten können solche sein, die typischerweise auf einem Stand-alone-Gerät verwendet werden, obwohl die gleichen grundlegenden Bedienelemente auch auf einem Host-Computer verwendet werden könnten. Die folgende Diskussion der Benutzeroberfläche bezieht sich auf beide Implementierungen, aber zur Erläuterung werden beispielhaft die Bedienelemente, Schaltflächen und das Display eines Stand-alone-Geräts verwendet.
Die Benutzeroberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt. Die Benutzerschnittstelle 800 kann eine Ein/Aus-Schaltfläche 802 und eine Betriebslampe enthalten. Es kann eine Schaltfläche 804 vorhanden sein, die auswählt, welcher Sensor verwendet werden soll. Mit jedem Druck auf die Schaltfläche kann ein anderer Sensor ausgewählt werden, möglicherweise in einer festen Reihenfolge. Die verschiedenen Sensoren können unterschiedliche Durchmesser haben und zur Messung von Proben unterschiedlicher Größe verwendet werden. Eine Lampe 806 kann anzeigen, welcher Sensor aktiv ist. Im Falle eines Topfkerns kann sich die Lampe 806 in der mittleren Öffnung des Topfkerns befinden, so dass sich das Licht in der Mitte der Zielmarke befindet, auf die der Benutzer die Probe legt. Das Detektionsgerät kann einen Anschluss 816 für einen externen Sensor enthalten, und die Benutzeroberfläche 800 kann eine Lampe 818 enthalten, die angibt, wenn der externe Sensor aktiv ist.
Der Benutzer kann die erwartete Legierung der Probe auswählen. In einer Ausführungsform der Erfindung kann diese Aufgabe mit einer Navigationstastatur 808 durchgeführt werden. Wenn der Benutzer eine der Navigationstasten drückt, kann das Gerät den Messmodus verlassen und in den Auswahlmodus wechseln. Auf dem Display 810 kann das aktuell ausgewählte Metall oder die Legierung angezeigt werden. Der Benutzer kann die Navigationstastatur 808 verwenden, um sich durch eine Liste oder einen Baum von Metallauswahlen zu bewegen. Die Metallauswahl kann Kategorien haben, die auf dem Edelmetall basieren, z.B. kann es eine Gold-Kategorie, eine Silber-Kategorie, eine Platin-Kategorie, usw. geben. Unter jeder Kategorie können sich verschiedene Legierungen dieses Edelmetalls befinden. Zum Beispiel kann es unter Gold reines Gold, 91,7%iges Kronengold, 90%iges Gold, American Eagle Gold usw. geben. Wenn der Benutzer durch den Baum oder die Liste navigiert, kann die aktuelle Auswahl in einer Zeile des Displays 810 angezeigt werden.
Sobald die gewünschte Auswahl auf dem Display 810 angezeigt wird, kann der Benutzer die RUN/CAL-Schaltfläche 812 drücken, wodurch das Detektionsgerät aus dem Auswahlmodus in den Betriebsmodus versetzt wird, in dem die Messung durchgeführt wird. Der Benutzer kann einen USB-Anschluss 820 verwenden, um mit einem externen Computer oder einer Datenbank zu kommunizieren.
Das Detektionsgerät kann den Sensor jedes Mal kalibrieren, wenn ein neuer Sensor oder ein neues Metall ausgewählt wird. Der Kalibrierungsprozess kann automatisch ablaufen und der Benutzer braucht sich nicht darum zu kümmern, aber während der Kalibrierung kann das Gerät den Benutzer darauf hinweisen, dass er keine Probe auf die Zielmarke legen soll. Zum Beispiel kann während der Kalibrierung eine Statuslampe 814 aufleuchten, die den Benutzer auffordert, zu warten. Die Kalibrierung dauert nur etwa eine Sekunde, und daher kann das Gerät fast unmittelbar nach der Auswahl des gewünschten Sensors oder Metalls einsatzbereit sein.
Wenn der Benutzer aus irgendeinem Grund der Meinung ist, dass das Gerät kalibriert werden muss, kann der Benutzer die RUN/CAL-Schaltfläche 812 drücken, während sich das Detektionsgerät im Betriebsmodus befindet. Diese Aktion kann eine Kalibrierung des Sensors und der Elektronik erzwingen. Diese Aktion ist normalerweise nicht erforderlich, aber wenn seit der Kalibrierung viel Zeit vergangen ist oder sich die Temperatur des Detektionsgeräts geändert hat, können sich die Messwerte der Systemkalibrierung ändern. Die Kalibrierung des Detektionsgeräts, wenn sie nicht notwendig ist, ist nicht schädlich in dem Sinne, dass sie nur sehr wenig Zeit in Anspruch nimmt und keine negativen Auswirkungen auf zukünftige Messwerte hat. Wenn sich der Benutzer also fragt, ob das Gerät korrekt kalibriert ist, kann er eine manuelle Kalibrierung durchführen, um die Kalibrierung zu gewährleisten. Wenn das vom Detektionsgerät erhaltene Ergebnis unerwartet ist (z. B. wenn eine scheinbar gültige Probe außerhalb des Messbereichs liegt), kann der Benutzer das Detektionsgerät kalibrieren, um das Ergebnis zu überprüfen, und die Probe erneut analysieren..
Die oben beschriebenen Funktionen können auf einem Computerdisplay, einem Pad-Display oder einem Handy-Display implementiert werden und können ein Tastenfeld, Softbuttons auf dem Bildschirm oder einen Touchscreen zur Implementierung der Schaltflächenfunktionen verwenden.
Da Zahlen für einen Benutzer verwirrend und schwer zu interpretieren sein können, kann ein grafisches Anzeigeverfahren erwünscht sein. Es kann wichtig sein, dass das Gerät nicht sagt „das ist Gold“ oder eine Aussage darüber macht, was das Probenmetall oder die Legierung ist, weil es die Entscheidung des Benutzers sein kann, die er auf der Grundlage der Geräteergebnisse zusätzlich zu anderen Informationen, z. B. Gewicht, Aussehen, spezifische Dichte oder andere Messungen, trifft. Es kann eine Anzeige vom Typ „Tankanzeige“ oder „Ziebereich‟ verwendet werden. Es gibt viele Möglichkeiten, eine solche Anzeige zu implementieren, wie z. B. eine Nadel und eine Skala, ein Balkendiagramm und andere Verfahren. 9 zeigt eine beispielhafte Anzeige auf einem Stand-alone-Gerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Anzeige kann Klammern enthalten, wobei ein zwischen den Klammern befindliches Kästchen, wie in Anzeige 900 gezeigt, angibt, dass die gemessene Eigenschaft der Probe in einen akzeptablen Bereich fällt. Die Anzeigen 902 und 904 zeigen einen Barren knapp außerhalb der geschlossenen Klammern, der angibt, dass die Messung der Probe knapp außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt. Dies kann bei einer gültigen Probe vorkommen, wenn die Probe sehr heiß ist, eine tiefe Prägung hat, zu dünn oder klein ist oder nicht mittig zum Sensor liegt. Eine weitere Überprüfung kann empfohlen werden. Die Anzeigen 906 und 908 zeigen ein Kästchen an, das sich weiter außerhalb der Klammern befindet und damit angibt, dass die Probe wahrscheinlich nicht gültig ist. Die Anzeigen 910 und 912 zeigen einen Pfeil an, der angibt, dass die Messungen der Probe sehr weit von den erwarteten Werten entfernt sind. In diesem Fall besteht fast keine Chance, dass die Probe echt ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die grundlegende Bedienung des Detektionsgeräts Folgendes umfassen. Der Benutzer kann das Detektionsgerät einschalten und darauf warten, dass die Benutzeroberfläche angibt, dass das Gerät bereit ist. Zum Beispiel kann die Anzeige „Bereit: Probe platzieren“ lauten. Der Benutzer kann einen Sensor über eine Schaltfläche „SENSOR“ auswählen. Der Benutzer kann z. B. einen internen Sensor oder einen externen Sensor auswählen. Eine Lampe kann aufleuchten und den aktiven Sensor anzeigen. In der ersten Zeile des Displays kann das ausgewählte Metall oder die Legierung angezeigt werden. Um das Metall zu ändern, kann der Benutzer die Navigationstasten verwenden, um das Metall zu finden, das er überprüfen möchte. Sobald das gewünschte Metall auf dem Display angezeigt wird, kann der Benutzer die RUN/CAL-Schaltfläche drücken. Wenn die Anzeige in den Modus „Bereit: Probe platzieren“ zurückkehrt, ist das Gerät einsatzbereit. Der Benutzer kann die Probe auf die Zielmarke legen, oder, wenn ein externer Sensor verwendet wird, den externen Sensor in der Nähe der Probe platzieren. Das Detektionsgerät kann erkennen, wenn sich eine Münze oder ein Barren nahe genug an der Impedanzkomponente befindet, um einen Messwert zu erhalten, und sobald der Benutzer die Probe in der Nähe der Impedanzkomponente platziert hat, kann der Datenprozessor über die Benutzeroberfläche angeben, dass eine Messung durchgeführt wird. Während die Probe gemessen wird, kann die untere Displayzeile kontinuierlich die Ergebnisse anzeigen. Wenn die Messung abgeschlossen ist, kann das Display das Endergebnis für die Probe anzeigen. Der Messvorgang kann kontinuierlich ablaufen, so dass der Benutzer die Probe nach Belieben schnell und bequem bewegen, umdrehen oder verändern kann.
Möchte der Anwender eine weitere Probe der gleichen Legierung messen, kann er die gemessene Probe einfach entfernen und eine neue Probe auf den Sensor legen. Etwa eine Sekunde später wird das Messergebnis der neuen Probe auf dem Display angezeigt. Möchte der Anwender das Metall oder die Legierung wechseln, kann er über die Tastatur oder das Eingabegerät erneut durch die Datenbank navigieren und den Vorgang wiederholen. Wenn der Benutzer eine Probe messen möchte, die kleiner oder größer ist, als für die Impedanzkomponente des Sensors derzeit optimal ist, kann der Benutzer einen neuen Sensor auswählen. Das Gerät kann mehr als einen Sensor im Gerätegehäuse haben, und externe Sensoren mit kleineren oder größeren Impedanzkomponenten können in das Gerät eingesteckt werden. Der Benutzer kann den Sensor über das Tastenfeld auswählen. Das Detektionsgerät kann dann die Kombination aus Hardware und Sensor kalibrieren und dem Benutzer mitteilen, wenn es bereit ist, dass der Benutzer die Probe platzieren kann. Sobald das Detektionsgerät dem Benutzer signalisiert, die Probe zu platzieren, ist der Prozess für den Benutzer derselbe wie oben beschrieben.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Datenprozessor einen internen EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) oder einen Flash-Speicher haben, um die Metall- und Legierungsdatenbank zu speichern. Wenn der interne Speicher des Datenprozessors zu klein oder unpraktisch zu verwenden ist, kann ein externer EEPROM oder ein anderer nichtflüchtiger Speicher an den Datenprozessor angeschlossen werden, um Datenbankinformationen zu speichern. Typischerweise werden für Barren und Münzen nur etwa 20 Legierungen verwendet. Für numismatische Münzen können jedoch 1.000 oder mehr Datenbankeinträge erforderlich sein. Die Datenbankeinträge können einen Metallnamen, eine Leitfähigkeit, einen Temperaturkoeffizienten und einen gültigen Messbereich enthalten. Bei numismatischen Münzen hingegen kann jeder Datenbankeintrag den Münznamen, das Jahr, die Prägeanstalt oder andere relevante Münzinformationen enthalten. Im numismatischen Fall kann die Datenbank auf einer Münze-zu-Münze-Basis sein.
Es kann eine Datenbank verwendet werden, die sich außerhalb des Detektionsgeräts befindet. Der Benutzer kann sich über das Internet mit der Datenbank verbinden, und die Datenbank kann sich in einer Cloud oder auf einem Server befinden. In diesem Fall kann der Benutzer mithilfe der Datenbank Metall- und Legierungsinformationen messen, hochladen und herunterladen. Im Fall von numismatischen Münzen können Werte für einzelne Münzen in der Datenbank gespeichert werden, z. B. wenn die Münze einen hohen Wert hat und einzigartig ist. Im Fall von antiken Münzen können die Werte von den Benutzern gemessen und geteilt, auf ihr Gerät heruntergeladen und auf Münzausstellungen oder für ihren Sammlungsprozess verwendet werden. Eine Website kann Benutzern das Hinzufügen zur Datenbank oder die Verwendung der Datenbank zur Bewertung von Proben erleichtern.
Das Detektionsgerät kann in einem Behälter montiert werden, der die Messhardware, die Anzeige, das Tastenfeld, die Computerschnittstelle und die Zielmarke für die Probe enthält. Die Dicke des Behälters, der die Impedanzkomponente von der Zielmarke für die Probe trennt, kann dünn sein (typischerweise 0,5 mm), um die Probe so nah wie möglich am Sensor zu positionieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Impedanzkomponente extern zum Gerät sein. Alternativ kann eine externe Impedanzkomponente zusätzlich zu einer oder mehreren Impedanzkomponenten enthalten sein, die in den anderen Hardwarekomponenten des Detektionsgeräts untergebracht sind. Diese externe Impedanzkomponente kann Messungen an sehr großen oder kleinen Proben erleichtern und generell den Messvorgang vereinfachen. Externe Impedanzkomponenten, wie z. B. Sensorstifte, können in das Detektionsgerät eingesteckt werden und ermöglichen die Messung von kleinen Proben. Obwohl eine kleinere Impedanzkomponente im Gehäuse des Hauptgeräts montiert werden kann, kann es von Vorteil sein, einen Handsensor zu haben, der die Impedanzkomponente enthält. Bei der Handhabung von Proben in Gehäusen, Papier- und Kunststoffhaltern und dergleichen kann es schwierig sein zu sehen, wo die Messung auf der Probe durchgeführt wird, da der Halter den Bereich der Zielmarke auf dem Gerät verdecken kann. Bei großen Proben mag dies kein Problem sein, aber je kleiner die Proben werden, desto schwieriger kann es werden, die Probe an der gewünschten Stelle zu positionieren, und der Stab-Sensor kann dem Benutzer ermöglichen, den zu messenden Probenbereich zu sehen. Außerdem können mit einem Stab-Sensor viele Proben in einem Ordner oder auf einem Tisch gemessen werden, ohne die Probe zu bewegen.
Außerdem haben viele Kunststoffgehäuse Rippen entlang der Außenkanten, die verhindern, dass die Oberfläche des Gehäuses zerkratzt wird, wenn das Gehäuse auf eine Oberfläche gestellt wird. Diese Rippen verhindern, dass sich die Münz- oder Barrenprobe der Impedanzkomponente nähert, und können den Messvorgang behindern. Bei kleinen Proben darf der Abstand von der Probe zur Impedanzkomponente typischerweise etwa 0,1 bis 0,25 Zoll betragen. Bei einem Stab verhindert der Grat auf der Verpackung möglicherweise nicht, dass der Sensor in die Nähe der Probe kommt. Der Stab ermöglicht somit Messungen durch dickere Verpackungen hindurch.
10 zeigt ein Bild eines typischen Stabsensors. Der dargestellte Sensor kann für 0,5 und 0,25 Unzen Proben verwendet werden. Die Oberfläche der Tastnadel kann so platziert werden, dass die Oberfläche der Münze oder des Barrens so nah wie möglich und parallel zur Sensorfläche liegt. Der Telefonstecker kann in das Detektionsgerät eingesteckt werden. Es können auch wesentlich kleinere Stabsensoren hergestellt werden. 11 zeigt zum Beispiel einen externen Sensor zur Messung kleiner Proben bis herab zu 1-Gramm-Barren. Der Sensor hat einen Durchmesser von etwa 0,25 Zoll (7 mm) und besteht aus einem Topfkern mit 7 mm Durchmesser und einer gewickelten Spule. 12 zeigt die Platzierung eines externen Sensors in Bezug auf eine Probe. Eine Lampe auf der Oberfläche des Detektionsgeräts leuchtet, um anzuzeigen, dass der Stab in Gebrauch ist, und die Lampe am Hauptsensor ist aus, um anzuzeigen, dass er nicht in Gebrauch ist.
Kleinere Sensoren können bei dünneren Proben verwendet werden. Ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion und Verwendung kleinerer Sensoren ist, dass die Frequenz, mit der der Sensor angeregt wird, höher sein kann, so dass die elektromagnetischen Wellen möglicherweise die Probe nicht vollständig durchdringen. Der Grund dafür ist, dass, wenn die Wellen vollständig durch die Probe dringen, das Metall oder die Legierung einen falschen Messwert liefert. Für kleine Sensoren liegen die Frequenzen typischerweise im Bereich von 80 kHz bis 1 MHz, wobei 80 kHz ein typischer Wert ist. Die kleinen Sensoren können jedoch auch an großen Proben und bei niedrigen Frequenzen eingesetzt werden. Zum Beispiel können Proben, die eine unregelmäßige Form haben, wie Schmuck, gemessen werden, solange der Sensor klein genug ist, dass der Bereich der Probe, der gemessen wird, weitgehend eben ist, und in diesem Fall kann eine niedrigere Frequenz mit einem kleinen Sensor verwendet werden.
Typischerweise kann ein Sensorstab ein EEPROM oder einen anderen digitalen Speicher haben, der vom Hauptgerät gelesen werden kann. Das EEPROM kann den Sensortyp identifizieren, dem Hauptgerät mitteilen, welche Frequenzen für die Messung zu verwenden sind, und dem Datenprozessor des Hauptgeräts alle Kalibrierungsinformationen senden, die zur Normalisierung der Sensormesswerte erforderlich sind. Das EEPROM kann ein 1-Draht-Gerät sein, wie z. B. das Maxim DS2431.
Die meisten Sensoren enthalten eine Impedanzkomponente, die ein Ferrit-Magnetkern mit gewickelten Spulen ist (typischerweise ein Topfkern). Da die Sensoren jedoch immer kleiner werden, sind keine Standardkerne klein genug, um den Sensor herzustellen. 13A ist eine schematische Zeichnung eines Sensors 1300 für sehr kleine Proben. Eine flache Spule 1302 kann hergestellt werden, typischerweise auf Kapton-Folie, und kann am Ende eines kurzen Stabes 1304 aus Ferritmaterial befestigt werden. 13B zeigt eine beispielhafte elektrische Schaltung 1306, die in einem sehr kleinen Sensor verwendet werden kann. Bei flachen Spulen ist die Anzahl der Windungen der Spule 1308 begrenzt, so dass ein passender Transformator 1310 verwendet werden kann, um die Anzahl der Windungen im Sensor effektiv zu erhöhen, wie von der Messschaltung gesehen, angegeben durch Pfeil 1312.
Der Kabelwiderstand, die Kapazität und die Streuinduktivität des Kabels oder der Anpassungstransformatoren haben keine Auswirkung auf den Messwert, da der Sensor (und alle Streureaktanzen) beim normalen Messvorgang in die Kalibrierungsmessung einbezogen werden und von den nachfolgenden Werten abgezogen werden. Daher können die Kabellänge, die Anpassungstransformatoren usw. wie für die physikalische Messung erforderlich addiert und ohne zusätzlichen Fehler mit der gleichen, oben beschriebenen Hardware ausgelesen werden.
Sehr große Sensoren können verwendet werden, um sehr große Proben zu messen, wie z.B. 400 Unzen London Good Delivery Goldbarren, Standard 1.000 Unzen Silberbarren oder andere große Goldbarren. Große Barren können ein Gewicht von 5 bis 1.000 Unzen haben und haben typischerweise Abmessungen von ungefähr 3 Zoll in der Breite und 2 Zoll in der Dicke. 14 zeigt die Abmessungen für Standard-Goldbarren. Die Abmessungen sind in Millimetern angegeben. Um durch die Masse eines großen Barrens zu messen, kann ein großer Sensor vorgesehen werden, der niedrigere Frequenzen verwendet. Um einen 400-Unzen-Goldbarren mindestens bis zur halben Dicke zu messen, kann der Sensor einen Durchmesser von mehr als 1,5 Zoll haben, und es kann eine Frequenz von etwa 100 Hz verwendet werden. Die gleichen Überlegungen können für Silber-, Platin- und Palladiumbarren angestellt werden.
Ein Beispielsensor für große Barren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in 15A dargestellt. In diesem Fall ist die Größe des Geräts ähnlich wie die Sensorgröße. Das Detektionsgerät 1500 kann eine Anzeige 1502, einen Gurt oder Griff 1504 und einen Sensor 1506 umfassen. 15B zeigt, wie das Detektionsgerät 1500 in einem Holster 1510 aufbewahrt werden kann, so dass während der Bewegung und des Austauschs von Barren oder Münzen eine Gültigkeitsmessung durch den empfangenden Mitarbeiter vor Ort vorgenommen werden kann. Das Detektionsgerät 1500 kann handlich sein, aber bei Nichtgebrauch leicht verstaut werden, z. B. in einem am Gürtel befestigten Holster. In einer anderen Ausführungsform kann ein sehr großer, handgehaltener Stab an ein separates Gerät angeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein großer Stab verwendet werden, um Messungen an einem großen Barren durchzuführen. Der Vorteil eines Stabes ist in diesem Fall, dass der Barren nicht bewegt werden muss, da er sehr schwer sein kann. Außerdem kann der Stab leicht um alle Seiten des Barrens bewegt werden.
Das Detektionsgerät 1500 kann mit einem Datensystem verbunden sein, das die Ergebnisse für verschiedene Barren protokolliert. Große Barren sind in der Regel mit Identifikationsnummern versehen, und das Ergebnis kann mit der Nummer protokolliert werden, so dass die Ergebnisaufzeichnungen leicht gepflegt werden können. Eine funkbasierte oder drahtlose Netzwerkschnittstelle 1508 kann implementiert werden, z. B. unter Verwendung von Bluetooth, um Ergebnisdaten an einen zentralen Protokollierungscomputer oder ein Datenspeichersystem zu senden. Wenn in einem Barren Anomalien gefunden werden, kann er für zusätzliche Messungen beiseite gelegt werden. Da es sich bei Barren fast immer um Gold, Silber, Platin oder Palladium (manchmal auch Rhodium oder einige andere Metalle) handelt, kann das Gerät die Metallart automatisch erkennen, und es ist keine Einstellung der Metallart erforderlich. Alternativ kann das erwartete Metall auch über das Display 1502 eingegeben werden. Die automatische Erkennung kann in jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Die automatische Erkennung kann jedoch leichter implementiert werden, wenn die Anzahl der möglichen Übereinstimmungen für die Probe begrenzt ist.
Die Messung eines großen Barrens mit dem Detektionsgerät 1500 kann etwa 2 Sekunden dauern. Das Detektionssystem im Detektionsgerät 1500 kann mit einem Tiefpassfilter vom Typ Boxcar (mit begrenzter Impulsantwort) gefiltert werden, um die Messzeit zu verringern.
Neben Münzen und Barren können auch andere Metalle und Legierungen zur Prozesskontrolle und Materialvalidierung gemessen werden. Zum Beispiel müssen einige Legierungen, die in Flugzeugen verwendet werden, genau die richtige Legierung haben, sonst kann die Komponente brechen oder der Betrieb beeinträchtigt werden. Wenn ein solches Flugzeugmaterial bearbeitet oder eingebaut werden soll, kann ein Detektionsgerät verwendet werden, um das Metall oder die Legierung im Vergleich zum erwarteten Wert zu messen und eine Validierung des richtigen Materials zu erhalten.
In ähnlicher Weise kann die Wärmebehandlung von Metallen validiert werden, da sich die Messwerte für eine bestimmte Legierung je nach Wärmebehandlung, Umformprozess und mechanischer Vorgeschichte ändern können. Bestimmte kritische Metall- oder Legierungskomponenten, z. B. in Raketen, können von einer Validierung der Metallbehandlung profitieren.
Anstatt eine Probe mit einer Datenbank zu vergleichen, kann das Gerät den Leitwert zur Verwendung in der Materialanalyse auslesen. Zum Beispiel können antike Münzen Leitwerte aufweisen, die durch den verwendeten Metallreinigungsprozess und die tatsächlich verwendete Legierung beeinflusst werden. Ein Benutzer kann die rohe Leitfähigkeitsmessung verwenden, um als Teil der Untersuchung der Geschichte von Münzen und Barren die Provenienz, das Bergwerk, die Schmelze oder die Münzstätte zu bestimmen, die die Münze hergestellt hat. Die aus der Probe ausgelesenen Werte können in der Datenbank unter einem vom Benutzer gewählten Namen oder Titel gespeichert werden, so dass der Benutzer in der Zukunft, wenn er die Datenbankprobe mit einer neuen Probe (z.B. einer Münze) vergleichen möchte, lediglich den Namen der gespeicherten Probendaten finden und abrufen muss, und das Gerät ist dann bereit, die alte Probe mit der neuen Probe zu vergleichen. Zum Beispiel sind einige numismatische Münzen sehr wertvoll und haben einen Wert von Tausenden oder sogar Millionen von Dollar. Diese spezifischen Münzen können vom Detektionsgerät gelesen und der Wert veröffentlicht werden, so dass jede Münze, die vorgibt, diese spezifische Münze zu sein, mit dem bekannten Messwert des Detektionsgeräts verglichen werden kann.
Wenn reine Metalle mit anderen Metallen legiert werden, sinken die Leitfähigkeiten praktisch immer und erleichtern die Erkennung von unechtem Material. Die Inspektion der Probe, wie z. B. die Bestimmung ihrer Größe und ihres Gewichts, kann ebenfalls wichtig sein, da es möglich sein kann, eine Legierung herzustellen, die z. B. die gleiche Leitfähigkeit wie Gold, aber nicht das erwartete Gewicht wie Gold haben würde. Das Detektionsgerät kann mit einer Gewichtswaage und einem Größenmessgerät gekoppelt werden, so dass die Größe, das Gewicht und die interne Leitfähigkeit gleichzeitig gemessen werden können. Diese Kombination von Messungen kann jede Kombination von unechten Materialien erkennen, die zur Imitation von Barren verwendet werden.
Mit dem oben beschriebenen Detektionsgerät können die Dicke und der Durchmesser einer Münze ermittelt werden. Mit dieser Information kann das Volumen der Münze ermittelt werden, und in Kombination mit dem Gewicht kann die spezifische Dichte des Metalls gemessen werden. Wenn der Benutzer die erwartete Metalllegierung der Probe kennt, ist auch die spezifische Dichte der Probe bekannt und kann mit der gemessenen spezifischen Dichte verglichen werden. Die Kombination aus spezifischer Dichte und Leitfähigkeit ist eine nahezu eindeutige Signatur für die Metallprobe, so dass ein hohes Maß an Sicherheit über die Gültigkeit der Probe erlangt werden kann.
Die Dicke der Probe kann auf verschiedene Weise gemessen werden, einschließlich der Absenkung der Frequenz des Sensorantriebs, so dass die elektromagnetischen Wellen die Probe durchdringen. Die Dicke kann unter Verwendung des Verhältnisses des Q-Werts für diese neue niedrigere Frequenz und des Q-Werts für die höhere, nicht durchdringende Frequenz, die zur Bestimmung der Probenleitfähigkeit verwendet wird, berechnet werden. 16 zeigt das gemessene Q gegen die Frequenz für eine 1/16 Zoll dicke Kupferprobe. Die horizontale Achse ist die Frequenz in kHz und die vertikale Achse ist Q normalisiert auf 2 bei Frequenzen, die hoch genug sind, um die Probe nicht zu durchdringen. Bei hohen Frequenzen ist Q annähernd konstant, während bei niedrigeren Frequenzen Q mit abnehmender Frequenz signifikant zu sinken beginnt. Es ist zu erkennen, dass der Abfall von Q auftritt, wenn sich die Probenfrequenz der Eindringtiefe des Materials nähert. Die Eindringtiefe der Probe ist abhängig vom Material und von der Frequenz, wobei die Eindringtiefe mit abnehmender Frequenz zunimmt. Zum Beispiel beträgt die Eindringtiefe von Kupfer bei 1 kHz 0,082 Zoll und ist damit nur geringfügig größer als die Probendicke. Es ist zu erkennen, dass der Abfall von Q um 1 kHz auftritt, wobei sich die Eindringtiefe der Dicke der Probe annähert. 17 zeigt ein Diagramm für eine Kupferprobe mit einer Dicke von 3/32 Zoll. Der Abfall des Q-Wertes für diese Probe tritt bei einer niedrigeren Frequenz auf, was einer größeren Eindringtiefe entspricht und angibt, dass die Probe dicker ist als die 1/16-Zoll-Probe. Durch Bestimmung der Frequenz des Abfalls oder des relativen Q bei einer Frequenz, die niedrig genug ist, um die Münze zu durchdringen, kann die Dicke der Münze gemessen werden.
Da die Eindringtiefe der Probe bekannt ist (weil die Leitfähigkeit der Probe aus der Hochfrequenz Q bekannt ist), kann die Dicke direkt ermittelt werden, indem die Kurve an die gemessene Kurve angepasst wird, die für die Eindringtiefe normalisiert wurde. Der Abfall der Kurve (z.B. der 50%-Punkt) ändert sich in der Frequenz proportional zu 1/sqrt[Dicke in Eindringtiefe]. Ein einfacher, aber praktikabler Weg, die Dicke der Probe zu erhalten, kann darin bestehen, die Frequenz zu finden, bei der das normierte Q auf 1/sqrt[2] seines Spitzenwertes abfällt. Die Quadratwurzel aus dieser Frequenz ist direkt proportional zur Dicke. Das normalisierte Q ist definiert als das vom Detektionsgerät gemessene Q geteilt durch die Quadratwurzel der Antriebsfrequenz. Solange die elektromagnetische Welle die Probe nicht in nennenswerter Weise vollständig durchdringt (typischerweise ist die Dicke der Probe größer als 2 oder 3 Eindringtiefen der Probe), ist dieses normalisierte Q für ein bestimmtes Material in der Probe konstant. Es können auch andere Verfahren verwendet werden, um die Kurve an eine normalisierte Kurve anzupassen und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.
Die Messung der Probendicke kann auf andere Weise hilfreich sein. Wenn z. B. eine bestimmte Münze und nicht ihre Metalllegierung ausgewählt wurde, kann die Dicke der Münze bekannt sein und sollte korrekt angezeigt werden, wenn die Münze tatsächlich das erwartete Metall und die erwartete Münze ist. Wenn zum Beispiel eine gefälschte Münze hergestellt wurde, die die gleiche Leitfähigkeit wie Crown Gold hat und so gemacht wurde, dass sie wie ein 1 oz. Krügerrand (der aus Crown Gold hergestellt wird), dann würde eine gültige Leitfähigkeit und Dicke, entweder allein oder in Kombination mit dem Gewicht und/oder Durchmesser, dem Benutzer versichern, dass die Münze legitim ist. Es kann für einen Benutzer einfach sein, zu sehen, dass der Durchmesser einer Münze korrekt ist, aber die Dicke kann aufgrund des Prägereliefs nicht einfach zu messen sein. Wenn der Durchmesser korrekt ist, die Dicke korrekt ist und die Leitfähigkeit korrekt ist, ist die Münze fast sicher echt. In Kombination mit dem Gewicht wäre es praktisch unmöglich, die Leitfähigkeit und Größe einer Münze zu fälschen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann mit einer kleinen Modifikation der Impedanzkomponente der Durchmesser der Probe bestimmt werden. Wie oben beschrieben, kann die Impedanzkomponente eine flache Spiralspule sein. 18A zeigt eine flache Spiralspule 1800 mit mehreren Abgriffen 1802 entlang ihrer Länge. Die flache Spiralspule 1800 kann einen Träger aus magnetischem Material 1804 haben, der möglicherweise aus Ferrit besteht. Die mehrfachen Abgriffe 1802 können verwendet werden, um den aktiven Durchmesser der flachen Spiralspule 1800 zu verändern. Die elektrische Schaltung 1804 in 18B zeigt die angezapfte Spiralspule 1806 mit mehreren elektronischen Schaltern 1808, die eine Einstellung des Durchmessers der Spule ermöglichen, z. B. durch Schließen eines Schalters nach dem anderen. Ein Ansteuersignal 1810 kann mit der Mitte der flachen Spiralspule 1806 verbunden sein. Ein Anpassungstransformator 1812 kann verwendet werden, um eine relativ konstante Impedanz für den Messkreis zu erhalten, angegeben durch die Pfeile 1814.
Wenn eine Probe auf den Sensor gelegt wird, können verschiedene effektive Sensordurchmesser angeregt werden, indem die Schalter 1804 nacheinander geschlossen werden und die herkömmliche Q-Messung mit dem Detektionsgerät durchgeführt wird. Die Q-Werte können konstant sein, wenn sie auf den Durchmesser der Spiralspule normiert sind, bis die Spirale größer als die Probe ist. An diesem Punkt beginnt der Q-Wert zu sinken, und das erhaltene Ergebnis kann eine direkte Funktion des Münz- oder Probendurchmessers sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung können viele kleine Spulen anstelle einer einzigen großen Spule verwendet werden, um eine Größen- oder Durchmessermessung durchzuführen. Die Anzahl der Spulen, die sich unter oder teilweise unter der Probe oder Münze befinden, kann die Größe oder den Durchmesser bestimmen. 19A ist eine schematische Zeichnung dieser Ausführungsform. Die Münze oder Probe 1900 kann an einer beliebigen Stelle auf dem Array 1902 aus kleinen Spulen platziert werden, und es kann das gleiche Ergebnis erzielt werden. Da die anfängliche Impedanz des Sensors keinen Einfluss auf die Ablesung der Leitfähigkeit hat, sind die Spulen, die sich nicht unter der Probe befinden, davon unbeeinflusst und haben keinen Einfluss auf die Messung des Geräts.
Die Spulensensoren können in Reihe geschaltet werden, wie in 19B in der elektrischen Schaltung 1904 gezeigt, obwohl dies für die Messung der Probengröße nicht notwendig ist. Jede Spule, oder kleinere Blöcke von Spulen, können separat gemessen werden, um die Größe der Probe zu erhalten. Der Q-Messwert, der von einer Anordnung kleiner Spulen auf einer Probe erhalten wird, ist effektiv derselbe wie bei einer einzelnen Spule der gleichen Größe, so dass die Analyse der Ergebnisse recht einfach ist. Was sich in diesem Fall ändert, ist der Kopplungsfaktor k, der mit der Größe der Münze oder Probe variiert.
Die Kombination der Messung des Durchmessers und der Dicke einer Probe mit der Leitfähigkeit der Probe gewährleistet darüber hinaus die Bestimmung der Gültigkeit der Probe. Diese Verfahren können mit Gewichtsmessverfahren kombiniert werden, um die spezifische Dichte der Probe zu ermitteln, die sich aus Gewicht/Volumen ergibt. Da das Gerät ein Metall ausgewählt hat und das Metall eine bekannte spezifische Dichte und Leitfähigkeit hat, kann die Kombination dieser Messungen verwendet werden, um die Gültigkeit der zu prüfenden Probe quasi zu garantieren.
20 ist eine schematische Zeichnung eines Messsystems 2000 mit Komponenten zur Messung von Dicke, Durchmesser, Leitfähigkeit und Gewicht einer Probe. Das Messsystem 2000 enthält eine Standardverifizierungsschaltung 2004, die eine Messschaltung, eine AC-Energieversorgung und ein Detektionssystem umfasst. Das Messsystem 2000 umfasst auch eine Impedanzkomponente 2002, die elektrisch mit der Standardverifizierungsschaltung 2004 verbunden ist und die mehrere Abgriffe oder eine Anordnung von Flachspulen enthalten kann. Die Standardverifizierungsschaltung 2004 kann mit einem Datenprozessor 2008 in Verbindung stehen. Der Datenprozessor 2008 kann auch in Verbindung mit einer Gewichtsmessungskomponente 2006 stehen.
Wie in 21 dargestellt, kann die Impedanzkomponente in die Oberfläche 2100 der Gewichtsmessungskomponente eingebettet sein, sofern die Oberfläche aus einem nichtleitenden Material besteht. Auf der Oberfläche 2100 kann eine Zielmarke eingeprägt oder aufgedruckt sein, damit der Benutzer weiß, wo er die Münz- oder Barrenprobe 2102 platzieren muss.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann eine separate Gewichtsmessungskomponente umfassen, die über eine digitale oder analoge Schnittstelle verfügt. Die Gewichtsmessungskomponente kann ein handelsübliches Gerät sein, wie in 22 gezeigt. Der Sensor oder das Sensorarray und die Detektionshardware 2200 für das Detektionsgerät können auf der Gewichtsmessungskomponente 2202 platziert werden, und die Gewichtsmessungskomponente 2202 kann tariert werden. Die Probe oder Münze kann dann auf die Oberseite des Sensors und der Erfassungshardware 2200 gelegt werden, so dass der Sensor und die Erfassungshardware 2200 die Leitfähigkeitsmessung und die Größe der Probe messen können, während die Gewichtsmessungskomponente 2202 das Gewicht der Probe misst. Der Sensor allein kann nur 30 bis 50 Gramm wiegen, so dass die Gewichtsfehler gering sein können. Die Gewichtsmessungskomponente 2202 kann mit dem Datenprozessor 2204 des Detektionsgeräts oder einem anderen Prozessor verbunden sein, der auch die Größen- und Leitfähigkeitsinformationen vom Sensor und der Detektionshardware 2200 erhält. Dieser gemeinsame Prozessor 2204 kann dann die spezifische Dichte der Probe berechnen. Der gemeinsame Prozessor 2204 kann zum Beispiel ein PC mit einer USB-Verbindung 2206 zur Sensor- und Erfassungshardware 2200 und einer USB-Verbindung 2208 zur Gewichtsmessungskomponente 2202 sein.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann die zu prüfende Münze oder der zu prüfende Barren in die Nähe einer Impedanzkomponente gebracht werden und eine Anzeige kann anzeigen, ob das Material die erwartete Leitfähigkeit aufweist. Die Messung kann etwa 1 Sekunde dauern. Sie erfordert keine Chemie und verändert die Probe nicht. Nachdem die Kalibrierungsmessung durchgeführt wurde, ist möglicherweise nur eine Frequenzmessung der Probe erforderlich, um die Gültigkeit der Probe zu bestimmen. Das Verfahren ist kostengünstig, schnell, hängt nicht von der Münzgröße, -form oder -prägung ab und ist praktisch unabhängig vom Abstand der Probe zur Impedanzkomponente.
REFERENZEN

[1] a) G. A. Snook, P. Kao, A. S. Best, J. Power Sources 2011,196, 1-12; b) J. R. Miller, P. Simon, Science 2008, 321, 651-652; c) H. Li, Q. Zhao, W. Wang, H. Dong, D. Xu, G. Zou, H. Duan, D. Yu, Nano Lett. 2013, 13, 1271-1277.
[2] L. L. Zhang, X. S. Zhao, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2520-2531.

Die in dieser Beschreibung dargestellten und erörterten Ausführungsformen sollen lediglich dem Fachmann zeigen, wie er die Erfindung herstellen und verwenden kann. Bei der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, ist spezifische Terminologie für die Zwecke der Klarheit verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht beabsichtigt, auf die spezifische Terminologie so gewählt begrenzt werden. Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann modifiziert oder variiert werden, ohne von der Erfindung, wie von den Fachleuten auf dem Gebiet im Lichte der obigen Lehren zu schätzen wissen. Es ist daher zu verstehen, dass innerhalb des Anwendungsbereichs der Ansprüche und deren Äquivalente, die Erfindung anders als wie speziell beschrieben praktiziert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 61/876561 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. A. Snook, P. Kao, A. S. Best, J. Power Sources 2011,196, 1-12; b) J. R. Miller [0098]
P. Simon, Science 2008, 321, 651-652; c) H. Li, Q. Zhao, W. Wang, H. Dong, D. Xu [0098]
G. Zou, H. Duan, D. Yu, Nano Lett. 2013, 13, 1271-1277 [0098]
L. L. Zhang, X. S. Zhao, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2520-2531 [0098]

Claims

Ein System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren, umfassend: ein Sensorsystem; eine Wechselstrom-(AC)-Energieversorgung, die elektrisch mit dem Sensorsystem verbunden ist, ein Detektionssystem, das elektrisch mit dem Sensorsystem und der AC-Energieversorgung verbunden ist; einen Datenprozessor, der zur Kommunikation mit dem Detektionssystem konfiguriert ist; und eine Benutzerschnittstelle, die in Kommunikation mit dem Datenprozessor steht; wobei die Benutzerschnittstelle eine Eingabevorrichtung und eine Anzeigevorrichtung umfasst, wobei die Benutzerschnittstelle so konfiguriert ist, dass sie eine Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer über die Eingabevorrichtung erhält und diese Angabe an den Datenprozessor übermittelt, wobei das Sensorsystem eine Impedanzkomponente und eine Messschaltung umfasst, wobei die Messschaltung dem Detektionssystem einen Messwert von mindestens einer der Größen Spannung oder Strom, die durch das Sensorsystem fließen, zur Verfügung stellt, wobei die AC-Energieversorgung mindestens einen Wechselstrom oder eine Spannung an das Sensorsystem und das Detektionssystem liefert, wobei das Detektionssystem so konfiguriert ist, dass es eine Kalibrierungs-Kompleximpedanz bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, der durch das Sensorsystem fließt, wenn sich keine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden, wobei das Detektionssystem so konfiguriert ist, dass es eine komplexe Probenimpedanz bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, die durch das Sensorsystem fließen, wenn sich die Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden, wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er die komplexe Kalibrierimpedanz und die komplexe Probenimpedanz von dem Detektionssystem erhält, und wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz bereitstellt, um gültige Münzen und Barren von mindestens einem von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er eine Kalibrierungsinduktivität und einen Kalibrierungswiderstand auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz bestimmt, wobei der Datenprozessor weiterhin konfiguriert ist, um eine Probeninduktivität und einen Probenwiderstand basierend auf der komplexen Probenimpedanz zu bestimmen, und wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er die Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe basierend auf der Kalibrierungsinduktivität, dem Kalibrierungswiderstand, der Probeninduktivität und dem Probenwiderstand bestimmt.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 2, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er die Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe basierend auf einer Differenz zwischen der Kalibrierungsinduktivität und dem Kalibrierungswiderstand und basierend auf einer Differenz zwischen der Probeninduktivität und dem Probenwiderstand bestimmt.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Benutzeroberfläche so konfiguriert ist, dass sie eine Angabe zur Gültigkeit der Probe anzeigt.
System zur Erkennung von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Impedanzkomponente eine Zielmarke zur Ausrichtung der Probe enthält.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe auf der Grundlage von in einer Nachschlagetabelle gespeicherten Informationen bereitstellt.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei das Detektionssystem einen Synchron-Quadraturdetektor umfasst, wobei der Synchron-Quadraturdetektor mit der AC-Energieversorgung synchron ist.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er eine Verschiebung der Probe von der Impedanzkomponente auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz bestimmt.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 8, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe auf der Grundlage der Verschiebung liefert.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Impedanzkomponente eine Vielzahl von flachen Spiralspulen umfasst, wobei eine der Vielzahl von flachen Spiralspulen für die Bestimmung der komplexen Probenimpedanz verwendet wird.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 10, wobei eine Lampe die eine der mehreren flachen Spiralspulen angibt.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Impedanzkomponente eine flache Spiralspule ist, wobei die flache Spiralspule mehrere Abgriffe entlang ihrer Länge zum Ändern eines aktiven Durchmessers der flachen Spiralspule aufweist.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Impedanzkomponente eine Anordnung von Flachspulen umfasst.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei zumindest das Sensorsystem, die AC-Energieversorgung und das Detektionssystem in einem Behälter untergebracht sind.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 14, das ferner eine externe Impedanzkomponente außerhalb des Behälters umfasst.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 15, wobei die externe Impedanzkomponente in einem Stab untergebracht ist.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend eine Lampe, die anzeigt, dass die externe Impedanzkomponente für die Bestimmung der komplexen Probenimpedanz zu verwenden ist.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Impedanzkomponente eine Vielzahl von Spulen umfasst, wobei jede Spule der Vielzahl von Spulen einen unterschiedlichen Durchmesser aufweist.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, wobei die Information bezüglich einer Zusammensetzung der Probe eine Leitfähigkeit der Probe ist.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 1, das ferner eine Gewichtsmessungskomponente in Kommunikation mit dem Datenprozessor umfasst.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 20, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er eine Angabe der spezifischen Dichte der Probe auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz sowie auf der Grundlage einer von der Gewichtsmessungskomponente erhaltenen Gewichtsmessung bereitstellt.
System zum Erkennen von gefälschten oder veränderten Münzen und Barren nach Anspruch 2, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er das Detektionssystem anweist, die komplexe Probenimpedanz zu bestimmen.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 22, wobei die Anweisung auf einer Benutzereingabe basiert.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 22, wobei das Detektionssystem so konfiguriert ist, dass es eine komplexe Systemimpedanz auf der Grundlage des Messwerts der Spannung und/oder des Stroms, die durch das Sensorsystem fließen, und auf der Grundlage des Wechselstroms und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden, bestimmt, und wobei die Anweisung auf der komplexen Kalibrierimpedanz und der komplexen Systemimpedanz basiert.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 24, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er eine Systeminduktivität und einen Systemwiderstand basierend auf der komplexen Systemimpedanz bestimmt, wobei die Anweisung auf der Kalibrierungsinduktivität, dem Kalibrierungswiderstand, der Systeminduktivität und dem Systemwiderstand basiert.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren, umfassend: ein Detektionssystem; einen Datenprozessor in Kommunikation mit dem Detektionssystem; und eine Benutzerschnittstelle in Kommunikation mit dem Datenprozessor; wobei die Benutzerschnittstelle eine Eingabevorrichtung und eine Anzeigevorrichtung umfasst, wobei die Benutzerschnittstelle so konfiguriert ist, dass sie eine Angabe über eine erwartete Zusammensetzung einer Probe von einem Benutzer über die Eingabevorrichtung erhält und die Angabe an den Datenprozessor übermittelt, wobei der Datenprozessor konfiguriert ist, um Messdaten von dem Detektionssystem basierend auf der Angabe zu erhalten, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er Informationen bezüglich einer Leitfähigkeit der Probe basierend auf den erhaltenen Messdaten bestimmt; und wobei die Benutzerschnittstelle so konfiguriert ist, dass sie eine Angabe der Information erhält und die Angabe der Information dem Benutzer über die Anzeigevorrichtung mitteilt, um gültige Münzen und Barren von gefälschten und/oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 26, wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er einen Bereich zulässiger Werte für einen charakteristischen Wert der Probe auf Grundlage der erhaltenen Angabe bestimmt, wobei die Bestimmung auf einer Nachschlagetabelle basiert.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 27, wobei die Angabe der dem Benutzer mitgeteilten Informationen den charakteristischen Wert und den Bereich zulässiger Werte enthält, und wobei die Benutzerschnittstelle so konfiguriert ist, dass sie eine nichtnumerische Angabe des charakteristischen Wertes in Bezug auf den Bereich zulässiger Werte anzeigt, um Informationen bezüglich einer Zusammensetzung der Probe bereitzustellen.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 26, wobei das Detektionssystem umfasst: ein Sensorsystem; eine Wechselstrom-(AC)-Energieversorgung, die elektrisch mit dem Sensorsystem verbunden ist, und eine Detektionskomponente, die elektrisch mit dem Sensorsystem und der AC-Energieversorgung verbunden ist; wobei der Datenprozessor zur Kommunikation mit der Erfassungskomponente konfiguriert ist; wobei das Sensorsystem eine Impedanzkomponente und eine Messschaltung umfasst, wobei die Messschaltung der Detektionskomponente einen Messwert von mindestens einem von Spannung oder Strom, der durch das Sensorsystem fließt, zur Verfügung stellt, wobei die AC-Energieversorgung Wechselstrom und/oder Spannung an das Sensorsystem und an die Detektionskomponente liefert, wobei die Detektionskomponente so konfiguriert ist, dass sie eine komplexe Systemimpedanz der Kalibrierung bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, der durch das Sensorsystem fließt, wenn sich keine Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden, wobei die Detektionskomponente so konfiguriert ist, dass sie eine komplexe Probenimpedanz bestimmt, basierend auf dem gemessenen Wert der Spannung und/oder des Stroms, der durch das Sensorsystem fließt, wenn sich die Probe in der Nähe der Impedanzkomponente befindet, und basierend auf dem Wechselstrom und/oder der Spannung, die von der Energieversorgung bereitgestellt werden, wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er die komplexe Kalibrierimpedanz und die komplexe Probenimpedanz von der Erfassungskomponente erhält, und wobei der Datenprozessor so konfiguriert ist, dass er die Information bezüglich eine Leitfähigkeit der Probe basierend auf der komplexen Kalibrierungsimpedanz und der komplexen Probenimpedanz bestimmt, um gültige Münzen und Barren von gefälschten und/oder veränderten Münzen und Barren zu unterscheiden.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 29, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er eine Kalibrierungsinduktivität und einen Kalibrierungswiderstand auf der Grundlage der komplexen Kalibrierungsimpedanz bestimmt, wobei der Datenprozessor weiterhin konfiguriert ist, um eine Probeninduktivität und einen Probenwiderstand basierend auf der komplexen Probenimpedanz zu bestimmen, und wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er die Information bezüglich einer Leitfähigkeit der Probe basierend auf der Kalibrierungsinduktivität, dem Kalibrierungswiderstand, der Probeninduktivität und dem Probenwiderstand bestimmt.
System zum Erkennen gefälschter oder veränderter Münzen und Barren nach Anspruch 30, wobei der Datenprozessor ferner so konfiguriert ist, dass er die Informationen bezüglich einer Leitfähigkeit der Probe basierend auf einer Differenz zwischen der Kalibrierungsinduktivität und dem Kalibrierungswiderstand und basierend auf einer Differenz zwischen der Probeninduktivität und dem Probenwiderstand bestimmt.