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Verfahren zur Prüfung von Münzen
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Schaltungsanordnung und Münzprüfer zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Prüfung von Metallgegenständen,
wie Münzen oder dergleichen, sowie eine Schaltungsanordnung und Münzprüfer zur DurchfgEhrung
des Verfahrens.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zur Prüfung
von Münzen oder dergleichen vorzuschlagen, sowie eine entsprechende Schaltungsanordnung
und Münzprüf er. Ein nach den Gedanken der Erfindung aufgebautes Münzprüfgerät oder
dergleichen soll a) sehr temperaturstabil über einen weiten Temperaturbereich arbeiten
b) die Messung mehrerer Münzsorten mittels nur einer einzigen Meßanordnung an nur
einem Münzweg für alle Münzsorten erlauben c) eine sehr gute Erkenngenauigkeit haben
und vor allem d) einfach, billig und unkritisch gefertigt werden können.
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Alle bekanntgewordenen Verfahren zur Münzprüfung erfüllen diese Anforderungen
nur teilweise. Der besseren tbersicht halber seien diese bekannten Verfahren nachstehend
gegenübergestellt: Ein bekanntgewordenes Verfahren besteht darin, daß man die Münze
jeweils durch das Feld einer Oszillatorspule leitet und diese so dimensioniert ist,
daß bei einer ersten Oszillatorspule infolge des Einflusses einer guten Münze die
Oszillatorschwingung soeben abreißt und bei einer weiteren Oszillatorspule die Oszillatorschwingung
soeben noch nicht abreißt. Die beiden unterschiedlichen Dimensionierungen der beiden
Oszillatorspulen bestimmen den Streubereich einer bestimmten Münzsorte. Nur wenn
wie vorgegeben ein Oszillator aussetzt und der zweite nicht, gelangt die Münze zur
Annahm, Dieses Verfahren ist zwar sehr preiswert, aber qualitativ unbrauchbar. Das
Kriterium ntussetzen der Oszillatorschwingung ist von allen' denkbaren Kriterien
das am meisten temperaturabhängige und selbst bei konstanten Umweltverhältnissen
nicht genau reproduzierbar.
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Ein weiteres Verfahren ist das der Brücken-Meßschaltung; es ist in
zahlreichen Abwandlangen bekannt geworden.
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Seinem Vorteil hoher Genauigkeit steht der Nachteil gegenüber, daß
es bei relativ hohen Herstellkosten schwierig zu fertigen und ebenfalls nicht für
einen Mehrfachmünzprüfer geeignet ist. Sein Kennzeichen ist, daß eine Brücke in
ihrem einen Zweig vorbelastet ist (entweder durch eine Originalmünze oder durch
einen entsprechenden elektrischen Wert) und daß der andere Zweig durch die zu messende
Münze belastet wird: ausgewertet wird das einmalige Sicheinstellen der Null spannung,
was nur erreicht wird, wenn der fest vorgegebenen Originalmünze eine gleichartige
Münze gegenübersteht.
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Weitere bekanntgewordene Verfahren beziehen sich auf das Bedämpfen
eines Übertragers durch eine sich vorbeibewegende Münze, wobei die sekundärseitige
H-Leerlaufamplitude infolge des Einflusses der Münze verringert wird. Das Maß dieser
Bedämpfung wird als Kriterium für das Erkennen einer Münzsorte herangezogen, d.
h. die maximale Amplitude einer negativen Meßspannung.
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Eine andere Gruppe von bekanntgewordenen Verfahren betrifft die Auswertung
positiver Meßspannungsamplituden, wie sie beim Verstimmen symmetrisch aufgebauter
Differenzial-Transformator-Sonden auftreten.
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Sowohl die Auswertung der maximalen Dämpfung, wie die der maximalen
Unsymmetrie, ergeben gute Erkennungen der verschiedenen Münzsorten, jedoch haftet
beiden Verfahren der Nachteil hohen Schaltungsaufwandes an, wie er für die Erzielung
guter Temperaturstabilität erforderlich ist.
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Immerhin erlauben die beiden zuletzt genannten Verfahren mittels nur
einer einzigen Meßanordnung die Erkennung verschiedener Münzsorten, da lediglich
entsprechend viele Fensterschaltungen eingesetzt werden müssen, um die Meßspannungsbereiche
der einzeln Münzsorten zu überwachen. Beide Verfahren sind jedoch fertigungstechnisch
kritisch und teuer.
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Die Erfindungsaufgabe wird deshalb gelöst, indem ein neues Kriterium
für die Münzeigenschaft herangezogen wird. Bisher bekannt sind - wie ausgeführt
- lediglich - das Aussetzen der Osziflatorschwingung - die maximale Bedämpfung der
sekundärseitigen Amplitude eines Übertragers - der maximale Anstieg einer Unsymmetrie
in einer Differentialtransformatorschaltung - das festgestellte Vorhandensein des
Gleichgenichts einer Brücken-Meßschaltung.
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Neu vorgeschlagen wird hier erstmals, als Kriterium für die Messung
einer Münze das festgestellte Maximum der Regelgröße eines konstant-geregelten Oszillatorschwingkreises
heranzuziehen.
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Dies sei nachstehend erläutert: Man betreibt beispielsweise einen
Schwingkreis mit einer Spule über einen regelbaren Widerstand, so daß sich in der
Spule eine bestimmte HF-Spannung UN bei vorgegebener Frequenz F ergibt. die abgegriffen
und gleichgerichtet wird. Diese (Leerlauf-)Spannung UN und eine geschaffene Referenzspannung
URef werden einem sehr schnellen Regelkreis (Operationsverstärker) zugeführt, welcher
über den regelbaren Widerstand am Eingang des Schwingkreises Abweichungen der Spannung
UN ausregelt. Der Regelkreis eliminiert somit alle temperatur- oder langzeitbedingten
Einflüsse auf die Spannung UNX seien sie elektrischer Art (Bauteiledriften) oder
mechanlscher Art (Ausdehnung usw.).
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Um zu vermeiden, daß der Regelkreis auch die Sinusschwingungen des
Oszillators ausregelt, ist er mit einer entsprechend bemessenen Zeitkonstante versehen,
die als Regelverzögerung wirkt. Die durch die auszuregelnden Temperatur- und Langzeiteinflüsse
sich ergebende Regelspannung UR ist im Leerlauf äußerst gering und annähernd Null,
da solche Einflüsse schleichend vonstatten gehen.
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Der Leerlaufzus-tand der vorgeschlagenen Meßschaltung ist also dadurch
gekennzeichnet, daß eine konstant gehaltene UN bestimmter Größe und eine Regelspannung
UR von praktisch Null gegeben sind und daß UN = URef ist.
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Es ist eine Erfahrungstatsache daß Münzen in einer bestimmten Münzprüfvorrichtung
stets mit einer annähernd definierten Geschwindigkeit die Meßanordnung passieren,
und zwar abhängig davon, ob sie rollen, gleiten oder fallen. In Abhängigkeit von
der gewählten mechanischen Konstruktion ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Münzen
also innerhalb einer gewissen Spanne definiert und diese gegebene Bewegungsgeschwindigkeit
der Münzen muß bei der Wahl der Zeitkonstante für den Regelkreis ebenso wie die
Betriebsfrequenz berücksichtigt werden.
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Fällt beispielsweise eine Münze bei dem vorgeschlagenen Verfahren
durch das Peld der Spule des Oszillatorschwingkreises, dann wird die von der Münze
ausgehende Beeinflussung auf den Schwingkreis sofort von dem Regelkreis gegengeregelt,
so daß die an der Spule vorhandene Spannung UN sich nicht vermindern kann. Entsprechend
dem einfluß der Münze steigt die Regelspannung zum Ausgleich dieses Einflusses an
und kann deshalb abgegriffen und wie vorgeschlagen als neues Kriterium für die Münzmessung
direkt herangezogen werden, weil ihr Betrag proportional der Beeinflussung des Schwingkreises
durch die Münze ist und sie sich als eine positive gleichgerichtete Signalspannung
anbietet. Wie sich bei der Erläuterung eines nachfolgenden Ausführungsbeispieles
ergeben wird, läßt .sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine einfache, billige
und vor allem unkritische und temperaturstabile Meßanordnung für'Münzen verwirklichen.
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Zuvor sei noch darauf hingewiesen, daß die vorgeschlagenen Neuerungen
sich nicht alleine auf das Prüfen von Münzen beziehen, sondern auf bewegte Metallgegenstände
aller Art erstrecken können.
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Auch ist die beschriebene Ausführung unter Beachtung der Erfindungsgedanken
abwandelbar, indem man z.B.
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statt einer Regelspannung einen Regelstrom auswertet.
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Weiter sei darauf hingewiesen, daß man mit nur einer Spule zwar mehrere
unterschiedliche Münzsorten ermitteln kann. In den Fällen aber, wo die geforderte
Prüfgenauigkeit nicht ausreicht, kannman auch zwei oder mehr erfindungsgemäße Schwingkreise
tandemartig einsetzen und jede zu prüfende Münze zuerst in dem einen und dann in
einem weiteren Schwingkreis prüfen, wobei die einzelnen Schwingkreise mit unterschiedlichen
Frequenzen arbeiten und demzufolge unterschiedliche Aussagen über eine bestimmte
Münzsorte ergeben.
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In den Fällen, wo man zum Prüfen der Münze zwei oder mehr Spulen von
Schwingkreisen gleicher Frequenz einsetzen will, wird man die Schwingkreise nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung gegeneinander geringfügig verstimmen und
auf diese Weise eine gegenseitige Beeinflussung ausschließen.
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Es ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren im Prinzip unbeachtlich,
ob man den Oszillator weitgehend unstabilisiert betreibt und die Konstanthaltung
der EF-Spannung in der Sonde allein der nachgeregelten Größe (Spannung oder Strom)
überlaßt, oder ob man Frequenz und Strom stabilisiert und Spannung nachregelt, oder
ob man Frequenz und Spannung stabilisiert und Strom nachregelt, oder ob man alleine
die Spannung stabilisiert und einen Strom nachregelt, oder ob man alleine den Strom
stabilisiert und eine Spannung nachregelt.
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Diese Möglichkeiten liegen weitgehend im Ermessen des Entwicklers,
in Abhängigkeit von dem vertretbaren Bauteileaufwand.
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Wesentlich wird das Verfahren jedoch durch die Wahl der geeigneten
Zeitkonstante für den Regelkreis bestimmt: diese muß auf die Durchfallzeit der Münze
abgestimmt sein (die konstruktionsbedingt eigentümlich ist und ermittelt werden
muß) sowie auf die gewählte Betriebsfreq,uenz.
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Ziel der Dimensionierung der Zeitkonstante ist es, die Regelung gerade
so schnell zu bemessen, daBiEie Einflüsse der bewegungsschnellsten auf die Wicklung
einwirkenden Münze noch sofort gegenregeln kann, also kein nennenswerter Einbruch
der (leerlauf) RF-Spannung in der Sonde eintritt, andererseits aber nicht so schnell,
daß sie schon die Sinusschwingungen des Oszillators ausregeln würde.
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Im Gegensatz zu allen anderen bekannt gewordenen statisch arbeitenden
Verfahren, ist das hier neu vorgeschlagene Verfahren also quasi-statisch oder dynamisch
und funktioniert nur im Zusammenspiel einer definierten Bewegungsgeschwindigkeit
der Münze und einer darauf abgestimmten definierten Zeitkonstante des Regelkreises.
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Stillstehende, zu langsame oder zu schnell bewegte Münzen - außerhalb
einer bestimmten Toleranzbreite -ergeben keinen auswertbaren Anstieg der zu messenden
Regelgröße, oder allenfalls einen verzerrten (zu niedrigen) Wert.
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Die mechanische Ausbildung der Münzprüfvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist hingegen wieder weitgehend in das Ermessen des Entwicklers gestellt:
man kann die Lauf- oder Rutschbahnen für Münzen an der Seite, wo die Münzen anliegen,
in geringem Abstand von den vorbeibewegten Münzen mit der Wicklung eines (oder mehrerer)
Schwingkreise versehen; so daß die Münzen die Wicklungen stirnseitig passieren oder
- nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit dem besonderen Vorteil hoher Erkenngenauigkeit
- einen Schacht für fallende Münzen mit einer oder mehren schmalen ringartigen Wicklungen
umschließen.
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In jedem Fall besteht der Münzprüfer zur Durchführung des Verfahrens
aus einer Führung für die Münzen und dieser zugeordneten Wicklungen des konstantgeregelten
Oszillators, einem mit einer Referenzspannungsquelle verbundenen Regelkreises und
einer Überwachungsschaltung für die erwarteten Meßspannungsamplituden sowie einer
Auswerteschaltung welche bei Vorliegen einer guten Münze über einen Magneten oder
dergleichen eine am Ende der Münzführung angeordnete Sortiervorrichtung kurzzeitig
betätigt.
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In Abbildung 1 sind die Schaltungsanordnung und der Aufbau eines Hünzprüfers
- nur als Beispiel -dargestellt und das erfirdungsgemäße Verfahren erliutert: Eine
Münze 1 bewegt sich fallend durch einen aus den Seitenwänden 2 und 3 gebildeten
Schacht 4 und wird im Falle der Nicht annahme durch den Sortierschacht 5 in den
aus den Seitenwänden 6 und 7 gebildeten Rückgabeschacht 9 geleitet.
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Im Fallender Annahme wird wird der Sortierschacht 5 um seine Achse
51 geschwenkt und leitet die Münze in den durch die Seitenwände 7 und 8 gebildeten
Annahmen schacht 10.
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Der Sortierschacht 5 wird durch die Feder 52 gegen den Anschlag 53
in Ruhelage gehalten. Er ist mit dem Betätigungsmagneten 50 so verbunden, daß dieser
bei Erregung die Schwenkbewegung des Sortierschachtes 5 über den Annahmeschacht
10 bewirkt.
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Um den Fallkanal 4 ist die Wicklung 11 eines Oszillatorschwingkreises
angeordnet, der aus dem Oszillator 12 und dem frequenzbestimmenden Glied 13 besteht.
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Die Ansteuerung des Schwingkreises erfolgt über einen regelbaren Widerstand
14. 15 bezeichnet die Rückkopplungsleitung als Stabilisierung , 151 den Rückkopplungswiderstand.
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Im Leerlauffalle soll die Wicklung 11 eine HP-Spannung bestimmten
Wertes (n-Volt) haben, die abgegriffen und in einem Gleichrichter 16 gleichgerichtet
wird. Die gleichgerichtete Leerlaufspannung (ULeerlauf) wird einem schnellen Regelkreis
18 zugeführt, im Blockschaltbild dargestellt durch einen Operationsverstärker.
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Auf den zweiten Eingang des Operationsverstärkers wird eine in der
Referenzspannungsquelle 17 erzeugte Referenzspannung von i-Volt zugeführt. Es muß
gelten: URef " Leerlauf und URef erzwingt ULeerlauf.
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Der Regelkreis wird über Leitung 181 auf den regelbaren Widerstand
14 geführt. Wie eingangs schon dargelegt, stellt scih an Leitung 181 eine Regelspannung
ein, wenn die an der Wicklung 11 anstehende vorgegebene HF-Spannung sich verändert
will. Da jedoch die Temperatr- oder Langzeiteinflüsse , die auf diese Weise ausgeregelt
werden sollen, sich nur schleichend einstellen, bleibt diese Regelspannung im Normalfall
sehr klein und fast Null. Um zu verhindern, daß der Regelkreis auch auf die Oszillatorschwingungen
anspricht, arbeitet der Regelkreis mit einer entsprechend groß bemessenen Zeitkonstante
(durch den Widerstand 182 und den Kondensator 183 bestimmt).
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Aus der Schaltungsanordnung ist ersichtlich, daß dank der fortdauernden
Atisregelung aller denkbaren Einflüsse auf den Schwingkreis ganz einfache und billige
Bauelemente verwendet werden können, ohne daß die gewünschte hohe Temperaturstabilität
verloren ginge. Die geringe Zahl billiger Bauelemente und der Fortfall jeglicher
Abgleicharbeiten ergeben die Preisagürdigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens.
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Wenn nun die Münze 1 mit einer annähernd bestimmbaren und bei der
Bemessung der Zeitkonstante des Regelkreises berücksichtigten Geschwindigkeit durch
das Feld der Wicklung 11 fällt, setzt am Ausgang des Regelkreises 18 auf Leitung
181 eine Regelspannung ein, die umso höher ist, je größer die, Beeinflussung des
Wechselfeldes der Wicklung 11 ist. Diese Regelspannung ist direkt proportional der
Bedämpfung des Feldes durch die i~lünze, da sie diese ausgleicht und die vorgegebene
Spannung in der Wicklung 11 konstant hält.
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Es wurde vorhin gesagt, daß die Zeitkonstante des Regelkreis es mit
Rücksicht auf die Oszillatorschwingungen entsprechend groß bemessen sein muß.
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Andererseits muß sie jedoch in Abhängigkeit von Betriebsfrequenz und
Bewegungsgeschwindigkeit der Münze mindestens so klein gewählt werden, daß überhaupt
eine Gegenregelung einsetzen kann. Ausgehend von dieser Grenzgröße muß die Zeitkonstante
so optimiert sein, daß einem bestimmten max. Beeinflussung der Oszillatorwicklung
eine max. mögliche proportionale Regelgröße entspricht. Bei fallenden Münzen in
einer bestimmten Münzprüferkonstruktion kann man beispielsweise und näherungsweise
davon ausgehen, daß diese sich über eine Strecke von 2/10 mm pro mS bewegen. Diese
Strecke entspricht etwa der Strecke, die für die Ermittlung des Beeinflussungsmaximass
kritisch ist, d.h. eine Münze hat ihre maximale Beeinflussung auf die Wicklung an
einer bestimmten Stelle und im Bereich von etwa 1/10 mm in beiden Richtungen noch
Beeinflussungen, die in etwa dem absoluten Maximum entsprechen.
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Bei größerer Entfernung der Münze in jeder der beiden Richtungen von
ihrer Idealstellung (das ist die Stellung in der sitz das absolute Maximum an Beeinflussung
bewirkt) weg, sinkt die Beeinflussung stark ab und wird für eine genaue Münzprüfung
zunehmend unzulänglich. Der eigentliche Meßvorgang bei einer fallenden Münze spielt
sich also über eine Strecke von ungefähr 2/10 mm und in einer Zeit von ungefähr
7 mS ab. Bei Beachtung der gewählten Betriebsfrequenz der Oszillatorspule
also die Zeitkonstante so
gewählt werden, daß der Regelkreis die sich bei .Münzdurchfall in der Spule ergebenden
Veränderungen trägheitslos ausregeln kann, so daß ein Einbrechien der HF-Spannung
(bzw. der gleichgerichteten HF-spannung bei Durchfall einer Münze gerade noch vermieden
wird.
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Daraus ergibt sich weiter, daß zur Messung einer fallenden Münze eine
bestimmte Mindestfrequenz gewählt sein muß, wenn man vermeiden will, daß die Sinusschwingungen
des Oszillators ausgeregelt werden, (was nicht sein darf).
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Es ist also ersichtlich, daß das vorgeschlagene neue Verfahren zur
Messung von Münzen nicht statisch arbeitet, sondern dynamisch und mit Zurhilfenahme
einer entsprechend gewählten Zeitkonstante: Man kann das Verfahren also auch als
Quasi-statisches Verfahren bezeichnen. Es ergibt sich weiter, daß bei einem entsprechend
dimensionierten Schwingkreis und Regelkreis annähernd die Bewegungsgeschwindigkeit
der Münze vorhanden sein muß, die bei der Wahl der Zeitkonstante gewählt wurde,
denn eine im Hinblick auf eine möglichst ausgeprägte Regelgröße und somit möglichst
gute Münzerkennung optimal gewählte Zeitkonstante wird bei einer zu langsamen Bewegung
einer Münze (beispielsweise, wenn sie an einem Faden in das Münzprüfgerät abgelassen
wird) keine oder nur eine stark verfälschte und abgeschwächte Signal aussage liefern.
Auf'diese Weise ist erreicht, daß das vorgeschlagene Verfahren zur Prüfung von Münzen,
im Hinblick auf die Sicherheit gegen Fadentricks, allen anderen bisher bekannt gewordenen
Verfahren überlegen ist, welche sämtlich statisch arbeiten.
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DievDrstehend erwähnte Mindestfrequenz, die bei einer gegebenen Bewegungsgeschwindigkeit
X der Münzen vorhanden sein muß, ist bei Messung einer laufenden Münze tiefer, als
bei einer sehr schnell bewegten Münze (freier Fall oder schnelle mechanische Förderung).
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Die bereits erwähnte Regelspannung wird über Leistung 19 abgegriffen
und einer Fensterschaltung 20 zugeführt, welche aus einer unteren Spannungsschwelle
21 und einer oberen Spannungsschwelle 22 besteht. Die Ausgänge der beiden Spannungsschwellen
sind mit einem Antivalenz-Gatter 23 verbunden, welches bei Ansprechen nur einer
Schwelle ein Ausgangssignal abgibt und kein Ausgangssignal liefert, wenn keine Spannungsschwelle
oder beide Spannungsschwellen erregt sind. Erreicht also die zu ermittelnde Amplitude
der Regelspannung nicht den vorgegebenen Fensterbereich, dann erhält die nachgeordnete
Logikschaltung 24 keinen Impuls. Fällt der Maximalwert der Regelspannung in den
Fensterbereich hinein, dann erhält die Logikschaltung 24 einen Impuls. Wird der
Fensterbereich nach oben überschritten, dann erhält die ogikschaltung 24 kurz nacheinander
zwei Impulse: einen bei Ansteigen der Regelspannung in den Fensterbereich und bis
zum Verlassen des Fensterbereiches nach oben hin, einen weiteren bei Wiedereintritt
von oben in den Fensterbereich und bis zum Verlassen des Fensterbereiches nach unten
hin.
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Die Logikschaltung ist so ausgelegt, daß bei Eintreffen eines ersten
Impulses eine eingebaute Zeiteinheit 241 für eine bestimmte Zeit die Auswertung
des oder der gespeicherten Signale unterdrückt und nach Ablauf dieser Zeit feststellt,
ob ein Signal oder zwei Signale in dem Zähler 240 eingetroffen waren. Nur der Ausgang
1 des Zählers ist mit dem Ausgang der Zeitstufe 241 über ein Gatter verbunden, so
daß dessen Ausgangssignal über Ausgangsleitung 25/26 ausgewertet werden kann. beispielsweise
für eine Münzzählung. Die Dauer dieses Ausgangsimpulses auf Leistung 25 wird durch
das Zeitglied 242 bestimmt, dessen Zeit länger ist als die von Zeitglied 241: die
Differenz beider Zeiten bestimmt die Dauer des Ausgangssignals weil Zeitglied 242
mit der abfallenden Flanke seines Zeitsignales die Löschung des Zählers 240 übernimmt.
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Uber Leitung 25/27 wird das Ausgangs signal weiter einer Treiberstufe
28 zugeführt, welche den Magneten 50 ansteuert. In dem beschriebenen Beispiel sind
somit die Ansteuerzeiten für den Magneten 50 und einen externen Zähler 51 gleich
lang. Wenn notwendig, kann auf bekannte Weise für den Magneten 50 und den Zähler
51 auch eine unterschiedliche Ansteuerzeit erreicht werden, indem beispielsweise
in eine der beiden Signalleitungen (26 oder 27) eine weitere Zeitstufe eingefügt
wird.
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L e e r s e i t e