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Berührungsfreier Münzprüfer.
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Die Erfindung betrifft eine Kombination fotoelektronischer Bauelemente
mit nachgeordneten Auswerteschaltungen, mit denen der Durchmesser von Münzen und
ähnlichen kreisrunden Scheiben berührungsfrei sehr genau ermittelt und innerhalb
frei einstellbarer Toleranzgrenzen bewertet wird.
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Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Fahrkarten-, Waren-,
Spiel- und anderen Automaten sowie in Münzwechslern dazu verwendet, Mißbrauch durch
gefälschte, verfälschte oder sonstwie ungültige Münzen zu verhindern und den Nennwert
der einzelnen Münze zu ermitteln bzw. die Nennwerte jeweils nacheinander eingegebener
Münzen zu summieren und/oder aufzurechnen. Solche Vorrichtungen sollen den mechanischen
Kontakt zwischen Münze und Prüfmittel möglichst vermeiden und es gestatten, die
Münze während ihres natürlichen Durchlaufs zu prüfen, ohne sie anhalten oder abbremsen
zu müssen. Mechanischer Kontakt zwischen Münze und Prüfmittel muß insbesondere dann
ausgeschlossen sein, wenn eine solche Vorrichtung zuverlässig auch im mobilen Einsatz
betrieben werden soll. Anderenfalls können von außen wirkende Kräfte, wie beispielsweise
Beschleunigung, Stoß, Zentrifugalkraft, usw., zur Verfälschung des Prüfergebnisses
führen oder eine Messung ganz unmöglich machen. Die aus dem Meß- bzw. Prüfergebnis
hergeleitete Bewertung muß mit hoher Sicherheit auch geringfügige Abweichungen des
Ist-Durchmessers vom Soll-Durchmesser erkennen und berücksichtigen, und die Bewertung
muß innerhalb eines sehr engen Toleranzbereichs auch unter extremen Betriebsbedingungen
exakt und eindeutig reproduzierbar sein. Ein wichtiger technischer und wirtschaftlicher
Faktor ist, daß eze solche Vorrichtung
trotz unvermeidbar komplizierter
und präziser Funktion eine kleine Baugröße haben, jederzeit austauschbar sein und
ohne aufwendige Wartungs- und Justagearbeit einwandfrei funktionieren muß. Da neben
dem Durchmesser der Münze auch andere kennzeichnende Parameter der Münze zu prüfen
sind, muß eine solche Vorrichtung, die den Durchmesser prüft, ohne weiteres in vorhandene
Geräte integrierbar sein. Schließlich sind die Fertigungskosten und die Kosten der
Unterhaltung solcher Vorrichtungen von großer Bedeutung, weil zu hohe Kosten einen
rationellen Einsatz nicht zulassen und bestimmte Anwendungsbereiche verschlossen
blieben.
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Es sind bereits berührungsfrei arbeitende, elektronische Münzprüfer
auch zur Durchmesserbestimmung bekannt, in denen fotoelektronische Bauelemente als
Prüfmittel eingesetzt sind.
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Unter den Bedingungen eines rein stationären Betriebs liefern diese
Vorrichtungen im allgemeinen auch ausreichend gute Ergebnisse, jedoch versagen alle
bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art relativ häufig bei mobilem Einsatz, insbesondere
in Fahrzeugen. Auf unebenen Fahrstraßen können stoßartige Beschleunigungen bis zu
etwa 40 g auftreten, und beim Durchfahren enger Kurven treten starke Zentrifugalkräfte
auf. Diese Kräfte wirken unkontrollierbar in statistisch nicht erfaßbarer und in
nicht vorherbestimmbarer Weise auf die Bewegung der zu prüfenden Münze ein, was
entweder nur unzureichend oder nur mit unvertretbar hohem technischen Aufwand kompensiert
werden kann. Vor allem die durch äußere Kräfte verursachte Relativbewegung zwischen
zu prüfender Münze und Meßmitteln führt erfahrungsgemäß immer wieder zu Fehlmessungen
und/oder zu Fehlaussagen bei der Bewertung. Eine befriedigende Lösung dieser Probleme
bei gleichzeitig geringen Kosten ist bisher weder technisch ausgeführt worden noch
sonstwie bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur selbsttätigen,
berührungsfreien Bestimmung des Durchmessers einer Münze oder einer ähnlichen, kreisrunden
Scheibe zu schaffen, wobei die momentane Position der Münze relativ zum Meßmittel,
die relative Momentanbewegung der Münze in bezug
auf das Meßmittel,
und alle äußeren Kräfte ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleiben sowie das diskriminierende
Ausgangssignal mit hoher Sicherheit gegen Nichterkennen eines außer Toleranz liegenden
Durchmessers der zu prüfenden Münze gebildet wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu prüfende
Münze in den Strahlengang fotoelektronischer Bauelemente gebracht wird, die in bestimmter
Weise so angeordnet sind, daß weder die momentane Lage noch die momentane Geschwindigkeit
der Münze das Meßergebnis verfälschen können, und daß die Wirkungen äußerer Kräfte
daß Meßergebnis nicht beeinflussen, weil die Messung berührungsfrei erfolgt.
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Um eine solche Vorrichtung auf einfache Weise an unterschiedliche
Betriebsbedingungen anpassen und/oder in gegebene Geräte integrieren zu können,
sind nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die fotoelektronischen Meßmittel
vereinfacht und durch eine entsprechende elektronische Auswerteschaltung ergänzt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß äußere Kräfte einflußlos bleiben und daß die gewünschte bzw. zugelassene Bewertungstoleranz,
nach Plus und Minus getrennt und voneinander unabhängig, sehr fein gestuft rein
elektrisch vorausbestimmt und eingestellt werden kann, was vor allem bei Umstellung
der Vorrichtung auf die Prüfung einer anderen Münzenserie wichtig ist. Unter wirtschaftlichem
Gesichtspunkt liegen die besonderen Vorteile der Erfindung darin, dae sie einen
justagefreien Austausch der Auswerteelektronik gestattet, so daß die Vorrichtung
problemlos in vorhandene Münzprüfeinrichtungen unterschiedlicher Funktionssysteme
integrierbar ist. der Wegfall aller bewegten Teile gestattet einen kompakten, starren
Aufbau, so daß weitestgehend Wartungs- und Nachjustagefreiheit gewährleistet ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß abgesehen von der elektrisch einstellbaren
oberen und unteren Toleranzgrenze die Genauigkeit des Meßergebnisses nur von den
konstruktiven Eigenschaften des
mechanischen Aufbaus (fertigungstoleranzen,
Starrheit, usw.) bestimmt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren dem Prinzip nach
und in Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Es zeigt Fig. 1 die grundsätzliche Anordnung der fotoelektronischen
Bauelemente; Fig. 2 eine grundsätzliche Ausführung der Auswerteelektronik; Fig.
3 die geometrischen Beziehungen zwischen Münze und Meßmitteln; Fig. 4 einen Impulsplan
zur Auswerteelektronik nach Fig. 3; Fig. 5 ein weiteres Ausführunsbeispiel; Fig.
6 ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik; Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Auswerelektronik; Fig. 9, Fig. 10 und
Fig. 11 je einen Impulsplan zum Verfahren der elektrischen Toleranzgrenzen-Einstellung.
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Nach Fig. 1 sind Lichtquellen 1, 2 und 3, die mit Austrittsschlitzen
versehen sind, so angeordnet, daß die Lichtbänder 4, 5 und 6 auf die Sensoren 7,
8 und 9 fallen, die mit - nicht dargestellten - Eintrittsschlitzen versehen sind,
die mit den Austrittsschlitzen der Lichtquellen 1, 2 und 3 geometrisch exakt korrespondieren.
Achse 12 ist Bezugslinie, von der aus Abstand D1 zur Achse 10 und Abstand D2 zur
Achse 11 gemessen sind. In gleicher Weise können weitere Lichtquellen und Sensoren
zusätzlich angeordnet sein, je nachdem wie viele unterschiedliche Münzendurchmesser
zu prüfen sind. Die Art der Lichtquellen und Sensoren ist nicht funktionsbestimmend;
es können
beispielsweise Glühlampen oder LED (light emitting diodes)
bzw. Fototransistoren oder Fotodioden eingesetzt werden.
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Die zu prüfende Münze bewegt sich in Richtung u.
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Nach Fig. 2 erfolgt die Auswertung der Ausgangspegel der Sensoren
7, 8 und 9 (hier als Fototransistoren dargestellt) durch Flankendifferentiation
und Impulsformung, wobei der Ausgangspegel der Sensoren 7 und 8 in bezug auf sowohl
die fallende als auch die steigende Flanke berücksichtigt wird, während der Ausgangspegel
des Sensors 9 nur in bezug auf die fallende Flanke einbezogen wird. Nach Gatterverknüpfung
und erneuter Impulsformung steht das Ausgangssignal s zur Verfügung.
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Nach Fig. 3 fällt die Münze 13 in Richtung u in den Kanal 14.
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Die bei dieser Bewegung der Münze von der Auswerteelektronik nach
Fig. 2 gelieferten Pegel bzw. Impulse sind im Impulsplan Fig. 4 dargestellt. Wenn
die Münze 13 im Punkt a die Achse 10 berührt, geht Ausgangspegel f des Sensors 7
in den LOW-Zustand und erscheint nach Differentiation und Impulsformung als Impuls
k auf. Berührt Münze 13 die Achse 11 im Punkt e, so geht Ausgangspegel g des Sensors
8 in den LOW-Zustand und erscheint nach Differentiation und Impulsformung als Impuls
n. Wenn Münze 13 die Achse 10 im Punkt d verläßt, geht Ausgangspegel f des Sensors
7 in den HIGH-Zustand und erscheint nach Differentiation und Impulsformung als Impuls
i. Da zu diesem Zeitpunkt Ausgangspegel h des Sensors 9 noch konstant HIGH ist,
bleibt Impuls i in der Gatterverknüpfung wirkungslos. Wenn Münze 13 die Achse 12
im Punkt b berührt, geht Ausgangspegel h des Sensors 9 in den LOW-Zustand und tritt
nach Differentiation und Impulsformung als Impuls r auf. Verläßt nun Münze 13 in
genau diesem Zeitpunkt auch Achse 11, so geht Ausgangspegel g des Sensors 8 in den
HIGH-Zustand und liefert nach Differentiation und Impulsformung den Impuls m, der
invertiert als Impuls p mit Impuls r gatterverknüpft ist, so daß am Ausgang s ein
LOW-Impuls erscheint. Impuls s tritt somit nur dann auf, wenn Münze 13 einen Durchmesser
hat, der exakt gleich ist dem Abstand D2, oder auch dann, wenn der Durchmesser der
Münze 13 exakt gleich wäre dem Abstand D1.
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Die bisher noch nicht erläuterten Impulse aus Impulsplan nach Fig.
4 haben noch zu beschreibende Schaltfunktionen. Die sehr einfache Auswerteelektronik
nach Fig. 2 gestattet also bereits eine exakte Bewertung des Durchmessers der Münze
13, weil die Abstände D1 und D2 exakt gleich sind den entsprechenden Nenn-Durchmessern
der Münze 13, bietet indes noch nicht den besonderen Vorteil einer elektrisch einstellbaren
oberen und unteren Ansprechgrenze (Toleranz).
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Nach Fig. 5 ist die Anordnung nach Fig. 1 um vier weitere Lichtquellen
15, 16, 17 und 18 erweitert, und anstelle von zwei Sensoren 7 und 8 nach Fig. 1
ist nur noch ein Sensor 24 vorhanden, wobei ein sechsfach verzweigter, bandförmiger
Lichtleiter 23 die Lichtbänder 4, 5, 19, 20, 21 und 22 aufnimmt.
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Der Querschnitt eines Zweiges des Lichtleiters 23 bestimmt die Genauigkeit
der Messung. Die Anordnung gestattet die Durchmesserbestimmung an sechs verschiedenen
Münzen, ist also beispielsweise geeignet zur Prüfung von Münzen mit den Durchmessern
D1 bis D6.
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Nach Fig. 6 werden die Ausgangspegel der Sensoren 9 und 24 in den
Spannungskomparatoren 27 und 26 in steile Pegelsprünge umgewandelt und anschließend
differenziert. Hierbei ist vorausgesetzt, daß alle Lichtquellen 1, 2, 15, 16, 17
und 18 nach Fig. 5 in Betrieb sind. Betrachtet sei der Fall, daß eine Münze in Richtung
u durch Kanal 14 falle. Sie unterbricht zunächst Lichtband 4, und der daraus hergeleitete
Impuls taktet Zähler 28 um eine Stelle hoch. Der Ausgang des Zählers 28 wird in
einem Dekoder 29 dekodiert, und die sechs Ausgänge des Dekoders 29 sind über Pufferstufe
30 direkt an die Katoden der hier als Lichtquellen dienenden LED 1, 2, 15, 16, 17
und 18 geführt.
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Der Zählerstand Null des Zählers 28 wird nicht dekodiert, so daß beim
Zählerstand Null alle Lichtquellen in Betrieb sind.
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Beim Zählerstand In wird Lichtquelle 1, beim Zählerstand "2" wird
Lichtquelle 2, beim Zählerstand "3" wird Lichtquelle 15, usw., abgeschaltet. Die
Dekodierung kann auch rückläufig sein, so daß bei Zählerstand Null nur Lichtquelle
1, bei Zählerstand 1 nur Lichtquelle 2, bei Zählerstand "2" nur Lichtquelle 15,
usw., eingeschaltet ist. Damit wird erreicht, daß keine analoge
Signalauswertung
erforderlich ist und dennoch der Vorteil der Verwendung nur eines Sensors für beliebig
viele Meßstellen erhalten bleibt. Im Ausgangszustand ist - wegen Zählerstand Null
- nur Lichtquelle 1 in Betrieb. Wird Lichtband 4 von einer Münze unterbrochen, wird
Lichtquelle 1 abgeschaltet und Lichtquelle 2 eingeschaltet. Unterbricht eine Münze
dann Lichtband 2, so wird Lichtquelle 2 abgeschaltet und Lichtquelle 15 eingeschaltet,
usw. Der diffenzierte Ausgangsimpuls des Sensors 24 über Spannungskomparator 26
wird jedoch nicht nur als Takt dem Zähler 28 zugeführt, sondern mit ihm wird auch
die monostabile Kippstufe 32 gesetzt, deren Ausgang somit für eine kurze, einstellbare
Zeitspanne den HIGH-Zustand annimmt und dem Gatter 33 zugeführt wird. Außerdem wird
das differenzierte Ausgangssignal des Sensors 9 über Spannungskomparator 27 zum
Setzen der monostabilen Kippstufe 31 verwendet, deren Ausgang ebenfalls für eine
kurze Zeitspanne den HIGH-Zustand einnimmt und gleichfals auf Gatter 33 geführt
ist. Der Ausgang des Gatters 33 geht nur dann in den LOW-Zustand, wenn am Ausgang
der monostabilen Kippstufe 31 und am Ausgang der monostabilen Kippstufe 32 zugleich
ein HIGH-Impuls ansteht. Das ist wiederum nur dann der Fall, wenn eine Münze zugleich
das Lichtband 6 unterbricht und eines der Lichtbänder 1, 2, 15, 16, 17 oder 18 freigibt,
d.h. wenn der Durchmesser der Münze einem der Abstände D1 bis D6 exakt entspricht;
Gibt eine Münze Lichtband 6 wieder frei, so setzt der daraus hergeleitete differenzierte
Impuls über R beide monostabilen Kippstufen 31 und 32 in den Ausgangszustand zurück.
Das Ausgangssignal des Gatters 33 ist in den Gattern 34, 35, 36, 37, 38 und 39 mit
den sechs Dekoderausgängen verknüpft, so daß der LOW-Impuls an einem der Gatter
34 bis 39 anzeigt, bei welchem Lichtband die Koinzidenz auftritt, d.h.
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welchen Durchmesser und damit welchen Nennwert die betreffende Münze
hat.
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Nach Fig. 7 sind die Lichtquellen 1, 2, 15, 16, 17 und 18 nach Fig.
5 durch eine Lichtquelle 40 ersetzt; das Licht wird über einen sechsfach verzweigten,
bandförmigen Lichtleiter 41 abgegeben. Diese Anordnung dient der analogen Signalverarbeitung
nach Fig. 8. Der Ausgangspegel des Sensors 24 wird über Operationsverstärker 43
sechs Schwellwertdetektoren 44, 45, 46,
47, 48 und 49 zugeführt,
die nacheinander über das sequentielle Schaltglied 50 abgefragt werden, das wiederum
vom Zähler 28 über Dekoder 29 angesteuert wird. Die Ausgänge der sechs Schwellwertdetektoren
sind in Gatter 52 verknüpft. Ausgang des Gatters 52 ist mit dem Ausgang des Flipflop
54 verknüpft in Gatter 53, und der Ausgang des Flipflop 54 wird bestimmt von den
Zuständen des Rückstelleingangs R und des Ausgangs Q des Gatters 33. Im übrigen
ist die Funtion der Schaltung nach Fig. 8 identisch der Funktion der Schaltung nach
Fig. 6.
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Fig. 9, Fig. 10 und Fig. 11 erläutern das Verfahren der wahlweisen,
elektrischen Einstellung einer gewünschten oder geforderten Toleranzbreite der Durchmesserbestimmung.
Da die Lichtbänder 4, 5, 19, 20, 21 und 22 zum Zwecke hoher Genauigkeit sehr schmal
zu machen sind, würden noch akzeptable Über- oder Unterschreitungen des Durchmessers
einer Münze in bezug auf den Soll-Durchmesser zur Zurückweisung der betreffenden
Münze führen. Auch aus anderen Gründen ist die Einführung einer gewissen Toleranzbreite
erforderlich. Fig. 9 stellt den Zustand dar, wie er eintritt, wenn der Ist-Durchmesser
der Münze exakt einem der Soll-Durchmesser D1 bis D6 entspricht. Die Flanken der
schmalen Impulse p und r decken sich im Zeitpunkt t1 und es tritt der Gut-Impuls
z mit der Breite x auf. Bei den Impulsen p und r handelt es sich funktionsbedingt
um Nadelimpulse, so daß kein Gut-Impuls z erscheinen würde, sobald die Abweichung
des Durchmessers der Münze vom Soll-Durchmesser größer als die Breite x wäre. Fig.
10 stellt den Zustand dar, der eintritt, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der
Soll-Durchmesser ist, und wenn die Breite des Ausgangsimpulses der monostabilen
Kippstufe 32 bzw. 51 (Fig. 6 bzw. Fig. 8) dementsprechend eingestellt ist. Impuls
p ist als Impuls v auf die Breite G verlängert, was die Minusabweichung des Ist-
vom Solldurchmesser berücksichtigt, und Impuls r ist als Impulsw auf die Breite
H verlängert, wodurch eine Plusabweichung des Ist- vom Solldurchmesser zugelassen
wird. Die Minusabweichung darf der Breite L entsprechen, ohne daß die betreffende
Münze zurückgewiesen wird.
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Die Münze darf also ein bestimmtes Lichtband schon zum Zeitpunkt t2
freigeben und Lichtband 6 erst zum Zeitpunkt t3 unterbrechen. Fig. 11 stellt den
Zustand dar, der eintritt, wenn der
Ist-Durchmesser großer als
der Soll-Durchmesser ist. Hier gibt die Münze ein bestimmtes Lichtband erst im Zeitpunkt
t6 frei, nachdem sie schon im Zeitpunkt t5 das Lichtband 6 unterbrochen hat. Es
tritt dennoch ein Gut-Impuls der Breite M auf. Die Toleranz kann also nach oben
und nach unten unabhängig voneinander elekrisch eingestellt werden dadurch, daß
in brug auf eine Minustoleranz der Ausgangs impuls der monostabilen Kippstufe 32
bzw. 51, in bezug auf eine Plustoleranz der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe
31 verlängert wird. Die Breite der Minustoleranz ist gleich A (Fig. 10), und die
Breite der Plustoleranz ist gleich E (Fig. 11).
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