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Automatisch programmierbare Schaltung zur Prüfung von Münzen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine automatisch programmierbare Schaltung
zur Prüfung von Münzen.
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Verfahren zur Prüfung von Münzen und anderer scheibenförmiger metallischer
Gegenstände, bei dem sich der Gegenstand durch ein von einem Generator erzeugtes
periodisch wechselndes Magnetfeld hindurchbewegt, und wobei die durch die Anwesenheit
des Gegenstandes an einer Meßstelle bewirkte Änderung des Magnetfeldes von Detektoren
festgestellt und als Meßspannung einer Bewertungseinrichtung zugeführt wird, sind
bekannt (DT-OS 21 30 057).
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Die Bewertungseinrichtung ist hierbei über miteinander verknüpfte
logische Schaltungen so ausgelegt, daß sie nur bei Vorhandensein eines vorgegebenen
Signals in einem Zeitintervall eine "Gut-Kennung" oder n "Schlecht-Kennung" ermöglicht.
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Die bekannte Schaltung ist in einer Ausführungsform so ausgebildet,
daß der Detektor als Sekundärspule des Magnetfeldes wirkt, daß die obere und untere
Grenze des Toleranzbereichs der "Gut-Kennung" angebenden Schwellenwertspannungen
sowie das in die Sekundärspule durch Kopplung übertragene Magnetfeld als Meßspannung
einem aus zwei Komparatoren bestehenden Kenngeber mit zwei Ausgängen zugeführt werden,
wobei die "Gut-Kennung" durch das ausgangsseitige Auftreten von Impulsen an nur
einem, und zwar dem der kleinsten Schwellenwertspannung zugeordneten Komparator,
erfolgt.
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Für Münzprüfer dieser oder ähnlicher Art besteht nun die Schwierigkeit,
daß die Sneichung des Toleranzbereichs, also des oberen und unteren SChwellenwertes,
derjenigen Spannungen, innerhalb welcher noch eine "Gut-Kennung" der Münze erfolgen
soll, bei der Fertigung der Münzprüfer mit erheblichem Zeit- und Personalaufwand
verbunden ist. Das vorstehend genannte Münzprüfverfahren nach der sogenannten
induktiven
Meßmethode, bei der also der zu prüfende Gegenstand durch das Koppelfeld zwischen
zwei oder mehreren Spulen hindurchgeführt wird, und durch die entstehenden Wirbelstromverluste
in dem Gegenstand die in die Sekundärspule eingekoppelte Meßspannung entsprechend
den Eigenschaften des metallischen Gegenstands beeinflußt wird, hat sich als sehr
zuverlässig erwiesen, insbesondere dann, wenn im übrigen nur geringe Unterschiede
zwischen unterschiedlichen Münzen vorliegen. Die große Vielfältigkeit der in den
verschiedenen Ländern im Umlauf befindlichen Münzarten und ihre leichte Zu gänglichkeit
durch die freie Konvertierbarkeit der Währung, begünstigt durch den moderne Massentourismust
zwingen zu verfeinerten und genaueren Prüfxuethoden, wobei rein mechanische Münzprüfer,
die nur Größe und Gewicht der Münze überprüfen, keine Gewähr mehr für Mißbrauch
von Automaten durch Falschmünzen bieten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Eichung
von Münzprüfgerätent die nach der induktiven Meßmethode arbeiten, zu automatisieren
und damit unabhängig von dem bisher erforderlichen geschulten Eichpersonal und dem
zufolge der manuellen Eineichung benötigten Zeitaufwand zu gestalten.
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Die Lösung der Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs
angegebenen Merkmale erreicht, Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dadurch, daß die Schaltung so aufgebaut ist, daß sie von einer Amplitudenauswertung
des beim Münzdurchlauf in der Sekundärspule abgeschwächten Magnetfeldes ausgeht
und damit von einer Auswertung des Meß- und Prüfobjekts in der analogen Ebene, während
die Weiterverarbeitung und Auswertung nach der Schaltung digital erfolgt, ergeben
sich eine Reihe von Vorteilen, die bei rein digitaler Eichung und Münzverarbeitung
aber auch bei Verwendung einer Schaltung, die eine Auswertung allein in der analogen
Ebene vornehmen würd nicht erreichbar sind, Es ist besonders vorteilhaft, daß die
relativen Bereichsgrenzwerte der verschiedenen zu programmierenden Münzwerte, d.h.
also der Toleranzgrenzen innerhalb der eine Gut Kennung" verschiedener von dem Münzprüfer
überprüfbarer Münzwerte erfolgen soll, in digitaler Form gespeichert werden, wobei
eine mehrfache Ausnutzung der einzelnen Bausteine der Schaltung, wie beispielsweise
der Gleichricht r,
der Komparatoren und dergleichen mehr, in der
analogen Ebene der Schaltung durch die sequenziell erfolgende auswertende Überprüfung
gewährleistet ist, nämlich durch Zeitmultiplexen. Damit wird bei einem vergleichbaren
schaltungstechnischen Aufwand eine höhere Genauigkeit für die Eichung des Toleranzbereichs
und damit der gespeicherten Münzgrenzwerte erreicht als bei einer rein analogen
Speicherung, wie das bisher etwa über einen Spannungsteiler mit manuell einzustellendem
Potentiometer der FAll war, und die Schaltung erlaubt darüber hinaus eine vollständige
Automatisierung des Programmierungsvorgangs des Münzprüfgerätes, indem nunmehr nur
noch zwei Grenzwertmünzen als Eichmünzen für den ma:rimalen und minimalen Schwellenwert,
zwischen denen noch eine "Gut-Kennung" erfolgen soll, eingeworfen werden müssen
und hierdurch der Festwertspeicher des Münzprüfgerätes entsprechend programmiert
wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäß aufgebauten
Schaltung sollen nachfolgend an Hand des beiliegenden Blockschaltdiagramms näher
erläutert werden, welches eine beispielsweise Ausführungsform für die erfindungsgemäße
Schaltung darstellt.
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Wie aus dem Blockschaltdiagramm ersichtlich, liegen zwei Senderspulen
2a und 2b ausgangsseitig an einem elektronische| Schwingungserzeuger, nämlich an
dem Generator 1, Den beiden Senderspulen 2a, 2b liegen, zwischen sich einen Spalt
für das Einwerfen der Münzen freigebend, gegenüber zwei Empfängt spulen.3a und 3b.
Die Abschwächung des Magnetfeldes zwischen den jeweils einander zugeordneten SEnder-
und Empfängerspulen 2a, 3a bzw. 2bp 3b infolge des Eindringens einer Münze in den
Zwischenspalt und den damit verbundenen Wirbelströmen, die sich im Münzmaterial
ausbilden, stellt somit is Meßkriterium für die Grenzwertvorgaben verschiedener
von dem Münzprüfer auf zunehmener und auf " "Gut-/Schlecht-Kennung" zu unterscheidender
Münzen dar, Zwei SEnder- Empfänger-Spulenanordnungen finden deshalb Anwendung, weil
in der einen, beispielsweise der ersten Spulenanordnung 2a, 3a, eine Materialprüfung
der Münze durchgeführt wird, wofür die Querschnittsfläche des Magnetfeldes wesentlich
kleiner als der Durchmesser der kleinsten zu prüfenden Münze gewählt wird, während
die zweite Sender-Empfänger-Spulenanordnung 2b, 3b der Durchmesserprüfung der Münze
dient, wofür die Querschnittsfläche des Magnetfeldes so gewählt wird, daß sie in
jedem Falle größer als der Querschnitt der größten zu überprüfenden Münze ist,
Es
soll in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß zwar eine an sich bekannte
Phasenauswertung zur Unterscheidung unterschiedlicher Münzen eine größere Meßempfindlichkeit
bietet als die hier gewählte Bet rags- bzw. Amplitudenauswertung über die Abschwächung
des Magnetfeldes in der Sekundärspule, daß aber die letztgenannte Auswertung -wie
nachfolgend noch näher erläutert werden wird- dennoch für die Münzprüfung wesentliche
Vorteile bietet. Diese Vorteile ergeben sich auch ungeachtet der Tatsache, daß ein
phasenbedingte Auswertung sich für eine Digitalisierung der Schaltungsanorndung
eher anbietet als die hier vorgenommene Betragsauswertung. Mit der Steigerung der
Genauigkeit der Messung der Phasenverschiebung steigt nämlich die erforderliche
Taktfrequenz des Vergleichssignals, so daß beispielsweise bei einer Senderfrequenz
von 15 kHz die Messung eines Phasenverschiebungswinkels von einem zehntel Grad eine
Frequenz von ca. 54 MHz erforderlich machen würde, was verständlich einen technisch
kostspieligen Aufwand darstellt. Die Betragsauswertung über die durch die Münze
hervorgerufene Feldabschwächung zwischen Primär- und Sekundärspule gestaltet sich
damit als Unterscheidungskriterium preiswerter, da technisch weniger aufwendig,
Die
Magnetfeldabschwächung ist bekanntlich durch den Quotien-1 ten aus Empfängerspannung
und Senderspannung bestimmt und stellt eine Funktion der SEnderfrequenz und einer
Größe dar, die ihrerseits Funktion der Abmessungen und der magnetischen und elektrischen
Eigenschaften des zwischen die Spulenanordnung einzubringenden Metallgegenstandes
ist. Die Senderfrequenz läßt sich so wählen, daß der Bereich der größten Empfindlichkeit
für eine jeweils vorgegebene Spulenanordnung bei der Münze liegt, die die geringsten
Unterschiede zu ander n austusortierenden Münzen bietet. Als Beispiel kann hierfür
das im Umlauf befindliche DM 1,-- Stück genannt werden, welches bekanntlich bezüglich
der hier vorgenommenen Prüfeigenschaften aber auch der Abmessung nahe den Eigenschaften
des englischen Schilling bzw. der neuen Fünfpencestücke liegt Bezüglich der Dimensionierung
liegt nämlich der Unterschied im Durchmesser hier nur bei 0t5 %, während der Dickenunterschied
kleiner als 1,8 % ist Das Blockschaltbild zeigt weiter, daß eine wechselseitige
Verbindung über den Umschalter 4 von der Empfängerspule 3a einerseits oder der Empfängerspule
3b andererseits zu einem Gleichrichter 5 hergestellt werden kann, der ausgangsseitig
über ein Glättungsfilter 6 mit einem Referenzspannungs-Speicher 7 verbunden ist.
Die eingangsseitig am Referenzspannungs-Speicher 7 anliegende gleichgerichtete und
geglätte e
Spannung der jeweiligen Empfängerspule 3a oder 3b liegt,
wie die Schaltung zeigt, desgleichen auch noch an dem einen Eingang eines Komparators
10 und an der Minimumschaltung 12 an.
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Der Ausgang des Referenzspannungs-Speichers 7 ist mit dem Eingang
eines Digital-Analogwandlers 9 verbunden, der gleichzeitig als Multiplizierorgan
dient und dessen Ausgang an dem zweiten Eingang des Komparators 10 angeschlossenist,
Der Komparator 10 ist ausgangsseitig mit einer Speicher- und Verknüpfungsschaltung
11 verbunden, an deren Ausgängen die Gut/Schlecht-Kennungssignale der verschiedenen
zu verarbeitenden Münzen erscheinen, Der Ausgang der Minimumschaltung 12 ist mit
einer Kontrolleinheit 13 verbunden. Die Kontrolleinheit 13 nullt ihrerseits die
Minimumschaltung 12 und der Referenzspannungs-Speicher 7 steuert die Stellung des
Umschalters 4 und liefert die Adresse für das mit dem Digital-Analogwandler 9 ausgangsseitig
verbundene PROM 8, wie in der gestrichelten Linienführung dargestellt ist, Wie der
Schaltungsaufbau zeigt, erfolgt die Verarbeitung eine erfolgten Münzprüfung weitgehend
in der analogen Ebene, wobei die Kontrollfunktion, die durch die Zeitmultiplex bedingt
ist, in der digitalen Ebene geschieht, Die relativen
Bereichsgrenzwerte
der verschiedenen zu überprüfenden und letztlich dem Münzprüfer einzuprogrammierenden
Münzwerte werden in digitaler Form gespeichert.
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Die Schaltung zur Eichung vom Münzprüfgerät arbeitet nun folgendermaßen:
Es werden sogenannte Grenzmünzen als Maximum- und Minimum-Münzen, die den noch zulässigen
Toleranzbereich, innerhalb der von dem Münzprüfgerät eine aGut-Kennung" erfolgen
soll, begrenzen, in Form von Normmnzen durch den Spalt zwischen den Senderspulen
2a und 2b und den Empfängerspulen 3a und 3b hindurchgegeben, so daß sich für die
Spannungsamplitude in den Empfängerspulen während des Münzdurchlaufs eine Art Glockenkurve
ergibt. Im Zeitpunkt des Erreichens des Minimum dieser umhüllenden Spannungskurve
wird ein durchgeführter Vergleich zwischen der Empfängerspannung und einer Referenzspannung,
der in Form einer Quotientenbildung zwischen beide Spannungswerten vorgegeben wird,
mittels eines Analog-Digita -wandlers im Programmiergerät in einen digitalen Wert
umgewandelt, wobei die hierdurch erreichte Genauigkeit sich durch die Vorwahl der
Zahl der bits vorgeben läßt. Der Analog ~ Digitalwandler erhält also eingangsseitig
einen Spannungswert, der den Quotienten aus Empfängerspannung und Referenzspannung
darstellt.
Diese Referenzspannung stellt die Spannung der Empfängerspule dar, wenn keine Münze
im Spalt sich befindet, also eine Größe, die praktisch der Senderspannung proportional
ist, die jedoch auf der Empfängerseite gewonnen wird, um unabhängig von mechanisch
und thermisch bedingten Veränderungen der Spulenanordnung zu sein.
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Der vom Analog-Digitalwandler erhaltene Digitalwert wird unter einer
vorgegebenen Adresse für einen jeweiligen Münzwert einer eingeworfenen Münze im
PROM 8 gespeichert, und zwar sowohl für die Minimum-Münze als auch die Maximum-Münze
jedes einzelnen vom Münzprüfer verarbeitbaren, d.h.
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auf n Gut / Schlecht-Kennung" sortierbaren Münzwertes. Auf diese Weise
läßt sich im Münzprüfgerät ein Festwertspeicher eineichen, wobei noch Erwähnung
finden soll, daß durch die genannte Division bzw, Quotientenbildung von Empfängerspannung
und Referenzspannung beim Programmiervorgang des Festwertspeichers des Münzprüfgerätes
eine Änderung der Generatorspannung keinen Einfluß mehr auf den Prüfvorgang der
Münze hat, so daß diesbezügliche Fehler und Ungenauigkeiten ausgeschlossen sind,
Für
die Messung der Feldabschwächung und damit des Spannu gsabfalls in der Empfängerspule
während des Durchlaufs eine Münze zwischen dem zwischen Senderspule und Empfängerspul
gebildeten Spalt wird das Minimum der umhüllenden Spannung ;-kurve der Empfängerspule
zeitlich aufeinanderfolgend mit einer Reihe vorgespeicherter Grenzspannungen verglichen,
wobei diese Grenzspannungen aus den digital gespeicherten Werten als Multiplikatoren
und der Referenzspannung gewonnen werden.
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Bei diesem schaltungstechnischen Vorgehen ergibt sich eine Schwierigkeit
insofern, als sich die Referenzspannung mit der Änderung der Spannung der Empfängerspule
beim Durchgang einer Münze nicht mitändern darf, was in der vorliegenden Schaltung
dadurch erreicht wird, daß die Referenzspannung bei Abgriff von der Empfängerspulenseite
mittels eines zeitlich trägen Bauelements, wie etwa eines Tiefpaßfilters, gewonnen
wird. Andererseits ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, daß durch die Zeitmultiplex-Arbeitsweise,
also die serielle Abfrage auf der analogen Schaltungsseite, durch die sich eine
mehrfache Ausnutzung der Einzelbausteine der Schaltung, wie des Gleichrichters des
Glättungsfilters und dergleichen, ergibt, die Bedingun erfüllt werden muß, daß die
Referenzspannung beim Umschalten von der einen Empfängerspule auf die zweite
Empfängerspule
der Eingangs spannung für das träge System möglichst rasch folgen muß.
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Nach dem oben Gesagten ergeben sich somit zwei gegenläufige Forderungen,
die sich dadurch repräsentieren, daß einerseits die Referenzspannung beim Münzdurchlauf
ihren Wert nicht ändern darf, also der Eingangsspannung nicht folgen soll, zum anderen
aber die Referenzspannung beim Umschalten der Eingangsspannung trägheitslos folgen
soll. Diese Forderung für die zeitliche Trägheitslosigkeit wird im übrigen auch
beim Einschalten der Münzprüfervorrichtung, beispielsweise auch nach Stromausfall,
gestellt, da die Referenzspannung hierdurch sehr kurzfristig ihren vollen Wert erreichen
muß, so daß der Münzprüfer-bzw. die zugehörige Schaltung unmittelbar nach dem Einschalten
wieder betriebsbereit ist.
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Eine Lösung des vorstehend aufgeworfenen Problems trotz gegensätzlicher
Anforderungen ergibt sich durch den Aufbau und die Arbeitsweise des Referenzspannungs-Speichers
7.
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Diese Schaltung ist so aufgebaut, daß sie in der Lage ist, eine asymmetrische
Trägheit vorzugeben und damit eine schnelle Änderung der gespeicherten Spannung
bei Änderung der Empfängerspulenspannung nur dann gewährleistet, wenn
diese
Spannung größer wird, was zum Beispiel beim Umschalten von einer auf die andere
Empfängerspule bei gleichzeitiger Nullung der Speicherschaltung möglich ist, während
dann, wenn sich die Spannung verkleinert, die gespeicherte Spannun dieser Änderung
nur sehr träge, also nach relativ langer Zeit, folgen kann, was beim Durchlauf der
Münze zwischen Sender- und Empfängerspule der Fall ist.
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Der Referenzspannungsspeicher besteht hierfür aus einem Operationsverstärker,
der mit seinem positiven Eingang über einen Widerstand wechselseitig an die eine
oder andere Empfängerspule angeschlossen werden kann, während der negative Eingang
des Operationsverstärkers über eine Kapazität geerdet ist. Der Ausgang des Operationsverstärkersist
über eine Diode mit dem negativen Eingang verbunden, wobei die Kapazität bzw. der
negative Eingang mittels eines Schalters geerdet werden kann, Der aus einem Operationsverstärker
mit der oben beschriebene Beschaltung bestehende Referenzspannungsspeicher arbeitet
damit so, daß solange die Empfängerspannung größer als die auf der Kapazität gespeicherte
Referenzspannung ist, der Operationsverstärker gesättigt ist, Die Spannung am Ausgang
des Operationsverstärkers entspricht dann der
positiven Betriebsspannung
des Verstärkers, so daß die im Ausgangskreis liegende Diode zufolge ihrer Polung
sperrt und damit die Referenzspannung konstant bleibt, welcher Fall beim Münzdurchlauf
gegeben ist.
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Wenn demgegenüber im zweitgenannten Fall die Empfängerspannung unter
die Referenzspannung fällt, dann liegt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
bei der negativen Versorgungsspannung desselben, so daß für diesen Fall die Diode
bei gleichbleibender Polung leitend ist.
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Der Kondensator wird sich über die Diode aufladen, wobei die Aufladung
mit sehr kleiner Zeitkonstante erfolgt. Der Kondensator, der als Speicher für die
Referenzspannung dient, wird somit nur dann sich aufladen, wenn die Spannung an
dem Kondensator die Spannung der Empfängerspule übersteigt, was beim Einschalten
des Münzprüfers und nach einer Nullung, also Entladung des Kondensators, der Fall
ist.
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Zusammenfassend läßt sich der Funktionsablauf für die vorstehend beschriebene
Schaltung zur Münzprüfung wie folgt darstellen: Der Umschalter 4 verbindet wahlweise
eine der beiden Empfängerspulen, hier beispielsweise die Empfängerspule 3a, mit
dem Gleichrichter 5 und die durch die Feldabschwächung beim
Durchlauf
einer Münze entstehende, umhüllende Spannungskurve des Empfangssignals wird mittels
des Gleichrichters 5 und des nachges chalteten Glättungsfilters 6, bei dem es sich
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel um ein aktives Bessel-Tiefpaßfilter zweiter
Ordnung handeln kann, vorgegeben Beim Durchlaufen der ersten Spulenanordnung 2a,
3a von der Münze verringert sich die Empfängerspannung am Ausgang des Glättungsfilters
6 und die Verringerung erreicht ihr Minimum, wenn die Verkoppelung zwischen Münze
und Magnetfeld, und damit die Wirbelstrombildung innerhalb der Münze, am größten
ist. Dieser Zeitpunkt des Erreichens des Spannungsminimums wird von der Minimumschaltung
12, bei der es sich um eine an sich bekannte einfache Diskriminatorstufe handeln
kann, angezeigt, die mit dem Glättungsfilter 6 verbunden ist, Die Minimumschaltung
12 gibt hierdurch ausgangsseitig einen Impuls ab, welcher die Kontrolleinheit 13
in Betrieb setzt, die sequenziell vorgespeicherte Münzgrenzwerte aus dem PROM 8
also einem Festwertspeicher, abruf. Diese digital gespeicher ten INformationen werden
mit der Referenzspannung multipliziert und in analoge Signale im Digital-Analogwandler
9 umgewandelt. Die Analogwerte werden sequenziell mit der jeweilige Spannung der
Empfängerspulen verglichen, wobei das Ergebnis dieses Vergleichs in digitaler Form
gespeichert wird, wenn die empfängerseitig vorliegende Spulenspannung oberhalb der
Minimum-
bzw, unterhalb der Maximum- vorgespeicherten Grenze eines jeweiligen Münzwertes
liegt, also für eine "Gut-Kennung" geeignet ist, Erst dann, wenn der Vergleich mit
allen gespeicherten Werten, also jeweils zwei Grenzwerten, nämlich maximalen und
minimalen Beträgen, für jeweils einen Münzwert bezüglich der ersten Spuleneinheit
2a, 3a abgeschlossen ist, dann schaltet die Kontrolleinheit 13 den Schalter 4 auf
das zweite Spulenpaar 2b und 3b um. Beim Durchlaufen des zweiten Spulenpaars von
der Münze wiederholt sich beim Erreichen des Minimums der Spannung auf der Seite
der Empfängerspule der genannte automatisch ablaufende Vorgang, Dabei entsprechen
die Münzgrenzwerte, die aus dem PROM 8 entnommen werden, den Grenzwerten für die
zweite Spulenanordnung, wobei beispielsweise diese zweite Spulenanordnung der Durchmesserprüfung
der Münzen dienen kann. Nachdem auch dieser Vergleich durchgeführt ist, wird der
Schalter 4 wieder auf die erste Spulenanordnung 2a, 3a zurückgeschaltet,