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Vorrichtung zur berührungsfreien Durchmesserbestimmung
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an Münzen.
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Die Erfindung betrifft eine Kombination fotoelektronischer Bauelemente
mit nachgeordneter Auswerteschaltung, mit der die Durchmesser von Münzen oder ähnlichen
kreisrunden Scheiben sehr genau berührungsfrei ermittelt und mit frei programmierbaren
Sollwerten dieser Durchmesser verglichen werden.
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Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Fahrkarten-, Waren-,
Spiel- und anderen Automaten dazu verwendet, Mißbrauch durch gefälschte, verfälschte
oder ungültige Münzen zu verhindern und den Gesamtwert der eingegebenen akzeptablen
Münzen zu ermitteln. Solche Vorrichtungen sollen den mechanischen Kontakt zwischen
Münze und Prüfmittel vermeiden und es ermöglichen, die Münze während ihres natürlichen
Durchlaufs zu prüfen, ohne sie anhalten oder abbremsen zu müssen. Die aus dem Meß-
bzw.
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Prüfergebnis hergeleitete Bewertung muß mit hoher Sicherheit auch
geringfügige Abweichungen des Ist- vom Solldurchmesser der Münze erkennen und berücksichtigen
sowie innerhalb eines engen Toleranzbereichs auch unter extremen Betriebsbedingungen
exakt reproduzierbar sein. Ein wichtiger technischer und wirtschaftlicher Faktor
ist, daß eine solche Vorrichtung trotz notwendig komplizierter und präziser Funktion
eine kleine Baugröße haben soll und ohne außergewöhnlichen Justage- und/oder Wartungsaufwand
einwandfrei arbeiten muß.
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Es sind bereits berührungsfreie Münzprüfer bekannt, die zur Durchmesserbestimmung
verschiedene Anordnungen fotoelektronischer Bauelemente verwenden. Unter den Bedingungen
eines rein stationären Betriebes bzw. Einsatzes liefern solche Vorrichtungen im
allgemeinen auch gute Ergebnisse; alle bekannten
Vorrichtungen dieser
Art versagen jedoch unter den Wirkungen äußerer Einflüsse bei mobilem Einsatz und
Betrieb. Beispielsweise treten in Fahrzeugen auf unebenen Straßen stoßartige Beschleunigungen
bis zu 40 g auf, und es wirken extrem starke Zentrifugalkräfte vor allem beim Durchfahren
enger Kurven.
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Diese Kräfte, die weder vorherbestimmbar noch überhaupt statistisch
erfaßbar sind, wirken also unkontrolliert und unkontrollierbar, so daß eine Kompensation
oder eine ergebnisberichtigende Berücksichtigung entweder gar nicht möglich ist
oder aber nur mit unverhältnismäßig umfangreichem technischen Aufwand realisierbar
wäre. Gegenwärtig ist noch keine befriedigende Lösung dieser Probleme bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur selbsttätigen,
berührungsfreien Durchmesserbestimmung zu schaf: fen, wobei die Meßstrecke sehr
kurz, die momentane Lage der Münze relativ zum Meßmittel einflußlos, von außen wirkende
Kräfte völlig irrelevant und die diskriminierenden Ausgangssignale mit hoher Sicherheit
gegen Nichterkennen eines außer zugelassener und einstellbarer Toleranz liegenden
Durchmessers gebildet sind. Ferner soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein
technischer und wirtschaftlicher Vorteil derart gesichert werden, daß mit sehr einfachen,
robusten und kompakt aufgebauten Teilen eine weitestgehende Justage- und Wartungsfreiheit
gewährleistet ist und die gegenwärtig noch hohen Kosten solcher Vorrichtungen erheblich
gesenkt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu messende
bzw. zu prüfende Münze in den Strahlengang fotoelektronischer Bauelemente gebracht
wird, die so angeordnet sind, daß die Durchmesserbestimmung an der Münze unabhängig
von der Lage der Münze wird und die Geschwindigkeit der Münze ohne Einfluß auf das
Meßergebnis bleibt. Das wird erreicht dadurch, daß während des Durchlaufens einer
exakt definierten Bezugsmeßstrecke die Impulse einer Festfrequenz gezählt, gespeichert
und schließlich mit den Impulsen derselben Festfrequenz verglichen werden, die während
des Durchlaufens einer der Bezugsmeßstrecke in bestimmter geometrischer Beziehung
zugeordneten Meßstrecke gezählt wurden.
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Die mit der Erfindung bewirkten Vorteile bestehen vor allem darin,
daß das Meß- bzw. Prüfergebnis völlig unabhängig ist von der Momentangeschwindigkeit
der Münze und von Bewegungen der Meß- und Prüfmittel relativ zur Münze völlig unbeeinflußt
bleibt. Da das der Erfindung zu Grunde gelegte Prinzip technisch mit einfachen,
handelsüblichen Bauteilen realisierbar ist, ergibt sich auch ein erheblicher wirtschaftlicher
Vorteil.
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren dem Prinzip nach
und in Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt Fig. 1 die prinzipielle Anordnung
der fotoelektronischen Bauelemente; Fig. 2 eine Ausführung zur Verringerung der
Anzahl der fotoelektronischen Bauelemente; Fig. 3 die geometrischen Beziehungen
beim senkrechten Fall einer Münze durch die Vorrichtung; Fig. 4 einen Impulsplan
zur Darstellung nach Fig. 3; Fig. 5 die geometrischen Beziehungen unter den Bedingungen
äußerer, auf die Münze wirkender Kräfte; Fig. 6 und Fig. 7 je eine Darstellung zur
Erläuterung der Funktion der Vorrichtung; Fig. 8 ein Blockschaltbild der nachgeordneten
Elektronik; Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
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Nach Fig. 1 sind hinter Schlitzen 2 und 4 in Wandung 1 eines die zu
messende Münze grob führenden Kanals üblicher Form und Ausführung zwei Lichtquellen
6 und 7, beispielsweise Glühlampen oder LED (light emitting diodes), derart angeordnet,
daß
die aus den Schlitzen 2 und 4 austretenden Lichtbänder 3 und
5 durch zwei in der der Wandung 1 gegenüberliegenden Wandung 8 befindliche ähnliche,
nicht dargestellte Schlitze eingeengt werden und auf die hinter diesen nicht dargestellten
Schlitzen angeordneten Sensoren 9 und 10 treffen. Eine zwischen den Wandungen 1
und 8 fallende Münze wird also nacheinander das Lichtband 3 und das Lichtband 5
unterbrechen und später wieder freigeben.
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Nach Fig. 2 sind die zwei Lichtquellen 6 und 7 (Fig. 1) durch eine
Lichtquelle 14, die zwei Sensoren 9 und 10 (Fig. 1) durch einen Sensor 13 ersetzt,
wobei durch entsprechend angeordnete, bandförmige Lichtleitfasern 11 und 12 der
wirksame Querschnitt der Lichtbänder 3 und 5 bestimmt wird und die zwei Schlitze
2 und 4 in Wandung 1 (Fig. 1) sowie die (in Fig. 1 nicht dargestellten) zwei Schlitze
in Wandung 8 (Fig. 1) wegfallen.
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Nach Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 4 ist der Weg der zu messenden
Münze 15 innerhalb des die Münze 15 grob führenden Kanals 16 in den einzelnen funktionsbestimmenden
Phasen dargestellt; bei Bewegung in Richtung 17 unterbricht Münze 15 das Lichtband
3, wenn der in Richtung 17 vorn liegende Rand der Münze 15 den Punkt 18 erreicht;
bei fortschreitender Bewegung der Münze 15 in Richtung 17 unterbricht Münze 15 das
Lichtband 5, wenn der in Richtung 17 vorn liegende Rand der Münze 15 den Punkt 19
erreicht; bei weiter fortschreitender Bewegung der Münze 15 in Richtung 17 gibt
der in Richtung 17 hinten liegende Rand der Münze 15 das Lichtband 3 in Punkt 20
wieder frei; schließlich gibt der in Richtung 17 hinten liegende Rand der Münze
15 in Punkt 21 auch das Lichtband 5 wieder frei. Die Ausgänge der nach Fig. 1 im
Strahlengang der Lichtbänder 3 und 5 angeordneten Sensoren 9 und 10 folgen, wie
allgemein bekannt, der Unterbrechung bzw. der Freigabe der Lichtbänder 3 und 5 in
definierter Weise, wie im Impulsplan nach Fig. 4 dargestellt. Es bedeuten: a = Ausgang
des Sensors 9 (Fig. 1); b = Ausgang des Sensors 10 (Fig. 1). In c ist die fallende,
in e die steigende Impulsflanke des Ausgangs a, in d die fallende und in f die steigende
Impulsflanke des Ausgangs b nach Differenzierung in je einen Impuls definierter
Breite umgeformt.
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Mit den Impulsen c, d und e wird der Ausgang eines freilaufenden Oszillators,
der eine Festfrequenz f0 liefert, freigegeben bzw. gesperrt, so daß zwischen den
Impulsen c und d die Impulsfolge g, zwischen den Impulsen c und e die Impulsfolge
h, und zwischen den Impulsen d und e die Impulsfolge k auftritt. Während des sehr
kurzen Durchlaufs der Münze 15 zwischen den Lichtbändern 3 und 5, d.h. zwischen
den Punkten 18 und 19 einerseits und zwischen den Punkten 18 und 20 andererseits,
die sowohl als Streckenpunkte wie als Zeitpunkte gelten, ist die Beschleunigung
a der Münze 15 für den praktischen Zweck als konstant zu betrachten. Somit ist der
Fall einer ungleichförmigen Bewegung mit konstanter Beschleunigung gegeben, und
insoweit gelten die bekannten Formeln der Kinematik. Da der Abstand der zwei Lichtbänder
3 und 5 als Bezugsmeßstrecke eingeführt wird und die Punkte 18 und 20 auf dem Lichtband
3 liegen, steht die Durchlaufzeitdauer te der Münze 15 zwischen den Punkten 18 und
19 zur Durchlaufzeitdauer tD der Münze zwischen den Punkten 18 und 20 in einem nur
noch vom Durchmesser der Münze 15 abhängigen festen Verhältnis.
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Wegen Beschleunigung a = const. ist das Verhältnis te:tD nicht identisch
mit dem Verhältnis der Bezugsmeßstrecke zwischen den Punkten 18 und 19 zum Durchmesser
der Münze 15, d.h. auch das Verhältnis der Impulsfolge g zur Impulsfolge h ist nicht
gleich dem Verhältnis zwischen Bezugsmeßstrecke und Münzendurchmesser.
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Diese Verhältnisse bleiben jedoch unverändert auch dann, wenn Münze
15 nicht senkrecht in Richtung 17 durch Kanal 16 fällt, sondern beispielsweise durch
äußere Kräfte eine andere Bewegungsrichtung hat. Nach Fig. 5 ist angenommen, die
Münze 15 nehme die auf Grund der Abmessungen des Kanals 16 überhaupt mögliche Extremlage
ein, indem sie zunächst in Richtung 22 in den Kanal 16 eintrete und dann sich in
Richtung 23 weiterbewege. Dadurch ändern sich gegenüber dem senkrechten Fall in
Richtung 17 (Fig. 3) lediglich die zurückgelegten Strecken und die Durchlaufzeitdauer,
aber das Verhältnis der Zeitdauer zwischen den Punkten 18 und 19 zur Zeitdauer zwischen
den Punkten 18 und 20 bleibt konstant. Weil fO eine Festfrequenz ist, bleibt auch
das Verhältnis der Impulsfolge g zur Impulsfolge h konstant, und zwar allein bestimmt
vom Durchmesser der Münze 15.
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Ferner ist konstant und bekannt das Verhältnis der Bezugsmeßstrecke
se = Abstand Lichtband 3 von Lichtband 5 zum Durchmesser der Münze 15. Folglich
kann das Verhältnis se:D in eine definierte Beziehung zum Verhältnis te:tD gesetzt
werden; das geschieht durch einen als Multiplikator eingeführten Korrekturfaktor
K1 = const. bzw. K2 = 1 = const.
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K1 Nach Fig. 6 sind die Strecken se und D sowie die Durchlaufzeiten
te und tD in geometrische Beziehung zueinander gesetzt.
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Der Korrekturfaktor K1 verlängert die Zeitdauer rechnerisch von te
um de auf tle, so daß die Gleichung gilt tee:tD = se:D.
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In gleicher Weise kann ein Korrekturfaktor K2 eingeführt werden, der
die Zeitdauer tD um dt auf t'D rechnerisch verkürzt.
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Es gelten somit die Gleichungen:
Da nun die Münze 15 vor Eintritt in das Lichtband 3 eine konstruktiv bedingte und
festgelegte Vorlaufstrecke sc hat, muß auch diese berücksichtigt werden; Fig. 7
veranschaulicht die geometrischen Verhältnisse. Dargestellt sind: mit sc = = const.
gilt nämlich x =
und y
Fernepangewendet auf die Darstellung nach Fig. 6: K1 = tD- Se/D te Nach Fig. 8 ist
ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik dargestellt. Nach Schwellwertdetektion
und Impulsformung ist der Ausgang des Sensors 9 mit Impuls c auf den Stelleingang
und mit Impuls e auf den Rückstelleingang des Flipflop 26, mit Impuls c auch auf
den Stelleingang des Flipflop 27, geführt; am Rückstelleingang des Flipflop 27 liegt
Sensor 10 mit Impuls d. Flipflop 26 bleibt für die Dauer Impuls c bis Impuls e,
Flipflop 27 für die Dauer Impuls c bis Impuls d gesetzt, so daß über die Gatter
29 die Festfrequenz fO aus Oszillator 28 mit der Impulsfolge h auf den Zähler 30
und mit der Impulsfolge g auf den Zähler 31 gegeben wird, d.h. Zähler 31 zählt die
Impulsfolge g und Zähler 30 zählt die Impulsfolge h.
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Multiplizierer 36 übernimmt zunächst aus einem festverdrahteten Programm
37 den Korrekturfaktor K1 für den kleinsten Nenndurchmesser der zu messenden Münze
15, bildet das Produkt K1 g, und gibt das Resultat auf Komparator 35. Tritt nun
Impuls e zu exakt dem Zeitpunkt auf, wo der Stand h des Zählers 30 gleich ist dem
Produkt K1Zg, so wird der Ausgang des Komparators 35 aktiv, setzt Flipflop 39, und
Ausgang 40 zeigt an, daß der gemessene Ist-Durchmesser der Münze 15 innerhalb der
zulässigen Toleranz gleich ist dem aus Programm 37 angezeigten Soll-Durchmesser
der Münze 15, d.h. es erfolgt ein Gut-Signal.
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Ist das wegen Abweichung des Ist-Durchmessers der Münze 15 vom Soll-Durchmesser
nicht der Fall, so schaltet Multiplizierer 36 auf ein nächstes festverdrahtetes
Programm mit dem Korrekturfaktor K1 für den nächstgrößeren Durchmesser der Münze
15.
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Dieser Schaltvorgang wiederholt sich so lange, bis in der beschriebenen
Weise ein Gut-Signal am Ausgang 40 entsteht; das festverdrahtete Programm 38 stellt
den Korrekturfaktor K1 für den größten vorkommenden Durchmesser der Münze 15 bereit.
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Zu jedem Zeitpunkt, wo der Komparator 35 eine Gleichheit h = g.K1
ermittelt, jedoch Impuls e nicht zugleich mit auftritt, schaltet Stufentrigger 32
von einem festverdrahteten Stufenwert 33 auf den jeweils nächsten um, bis bei Gleichheit
h = g.K1 zugleich auch Impuls e erscheint, so daß an Ausgang 40 das Gut-Signal auftritt.
Falls auch bis zum Umschalten auf den letzten Stufenwert 34 diese Bedingung nicht
erfüllt wurde, bleibt Ausgang 40 im Zustand des Schlecht-Signals. Je nachdem bei
welchem Stufenwert 33...34 ein Gut-Signal auftritt, ist der zu diesem Zeitpunkt
durchgeschaltete Stufenwert 33...34 zugleich eine Aussage dafür, welche Münze 15
als gut erkannt wurde, so daß daraus die Nennwertregistrierung abzuleiten ist.
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Unabhängig vom Momentanzustand der Schaltung können die Flipflop 26
und 27 über Eingang 41 zurückgestellt werden; auch Impuls f ist auf Eingang 41 geführt,
so daß bei jedem beendeten Meßzyklus die Schaltung auf Null gesetzt wird, und zwar
unabhängig davon, ob am Ausgang ein Gut-Signal auftrat oder nicht.
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Mit der gleichen Schaltung kann auch die Gut/Schlecht-Entscheidung
auf Grund der Gleichung g = h-K2 realisiert werden. Ferner bietet die gleiche Schaltung
die Möglichkeit, die erforderliche Zählerkapazität zu verringern, indem anstelle
der Impulsfolge h
die Impulsfolge k ausgewertet wird. Aus bereits
beschriebenen Beziehungen folgt auch, daß die Soll-Differenz h-g = k.
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Impuls d wird zum Umschalten des Zählers 30 von Vor- auf Rückwärtszählen
verwendet, und anstelle der Korrekturfaktoren K1 oder K2 wird der Korrekturfaktor
K3 eingeführt; Zähler 31 fällt ganz weg. Das Soll-Verhältnis g:h ist durch den jeweiligen
Durchmesser der Münze 15 und durch die Länge der Strecke Se eindeutig festgelegt,
bekannt und konstant. Daraus ergibt sich auch ein festes und konstantes Verhältnis
der Differenz k zu g oder h; Voraussetzung ist, daß die Differenz k verstanden wird
als k = fo-(tD-te). Damit gilt dann auch g-k = 2g-h.
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In bereits beschriebener Weise ist folglich anstelle auf g-K1 bzw.
h.K2 nunmehr auf g-k zu komparieren.
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Nach Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Münze 24 mit
Durchmesser Da ist die kleinste, Münze 25 mit Durchmesser Dn die größte aller Münzen,
zu deren Messung und Prüfung die erfindungsgem&ße Vorrichtung jeweils bestimmt
ist. Funktionsvoraussetzung ist, daß der Abstand der optisch wirksamen Achsen Lichtquelle
6/Sensor 9 und Lichtquelle 7/Sensor 10, entsprechend dem Abstand der Lichtbänder
3 und 5 (Fig.1 bis Fig.3) voneinander, kleiner ist als Durchmesser Da. Die Breite
E und die Tiefe G des Kanals 16 sind nicht funktionsbestimmend.
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Höhe H des Kanals 16 ist lediglich bedingt von den Abmessungen der
Lichtquellen 6 und 7, der Sensoren 9 und 10, sowie vom Abstand der Lichtbänder 3
und 5 (Fig.1 bis Fig.3) voneinander. Mit einer Fig. 2 entsprechenden Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die kleinstmögliche Baugröße erzielbar. Die
zwei im rechten Winkel zu Wandungen 1 und 8 (Fig. 1) liegenden Wandungen des Kanals
16 sind nicht funktionsbestimmend und können somit zum Anbringen weiterer Münzprüfeinrichtungen
verwendet werden.
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L e e r s e i t e