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-Schaltungsanordnung zum Untelscheiden metallischer
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Gegenstände, insbesondere zUm -Prüfen von Münzen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung zum Unterscheiden metallischer Gegenstände, insbesondere
zum Prüfen von Münzen auf ihre Echtheit-, mit mindestens einer Induktionsmeßspule,
die in einem Brückenzweig einer Wechselstrommeß-brücke angeordnet ist, wobei in
mindestens einem weiteren Brückenzweig eine einstellbare Impedanz geschaltet ist
und einer an die Diagonale der Brücke angeschlossenen Schwellwertschaltung, an deren
Ausgang eine Auswerteschaltung angeschlossen ist.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind bereits bekannt (US-PS 3 152
677 oder DE-PS 20 12 376). Sie machen sich die Tatsache zunutzen, daß sich die Impedanz
einer Meßspule unter dem Einfluß eines metallischen Gegenstandes ändert. Bei Münzprüfungen
etwa wird die Brückenschaltung
so ausgelegt, daß die Anwesenheit
einer echten Münze im Bereich der Meßspule einen Null-Spannungsabgleich in der Brückendiagonalen
bewirkt. Nur Münzen, die einen Null-Spannungsabgleich bewirken, zumindest jedoch
einen verhältnismäßig kleinen Mindestspannungswert, werden als Echtmünzen akzeptiert,
während alle anderen als i'alsifikate ausgeschieden werden.
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Es versteht sich, daß eine Nullspannung nur zufällig bzw. im Idealfall
erreichbar ist, normalerweise hingegen ein Schwankungsbereich bei Echtmünzen akzeptiert
werden muß (Schwellwertbereich), der durch nicht völlig identische Echtmünzen und
durch Fertigungstoleranzen des Münzprüfgerätes bedingt ist.
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Aufgrund einer Überstimmung der Brückenschaltung kommt es zu einem
kurzzeitig aufeinanderfolgenden Abgleich, d. -h. der Schwellwertbereich wird durch
eine einzige Münze kurzzeitig zweimal durchfahren. Diese Erscheinung wird gleichfalls
von einer nicht zu akzeptierenden Münze hervorgerufen und muß daher auch zu einer
Abweisung führen. Dies geschieht bei bekannten Schaltungsanordnungen mit Hilfe digitaler
Schaltstufen.
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Theoretisch ist der Kurvenverlauf der Diagonalspannung der Brückenschaltung
bei dem erwähnten Doppelabgleich symmetrisch. Durch Fertigungstoleranzen in den
Münzprüfgeräten, Laufunruhe der Münze usw. kommt es indessen häufig zu einem unsymmetrischen
Kurvenverlauf, was bedeutet, daß ein Abgleich lediglich einmal auftritt, obwohl
er von einer abzuweisenden Münze hervorgerufen wird. Bekannte
Schaltungsanordnungen
haben mithin den Nachteil, daß sie Überstimmungen der Brückenschaltung in Grenzfällen
nicht sicher erkennen können. Dieser ;;achteil wird auch nicht durch bekannte Schaltungsanordnungen
behoben, welchen eine Vergrößerung der Auflösung als Aufgabe zugrunde liegt (DE-PS
20 12 376). Unter Vergrößerung der Auflösung wird verstanden, daß bereits Münzen
mit geringfügig abweichender Leitfähigkeit ausgeschizden werden können. Auch ein
großes Auflösevermögen führt nicht zur Abweisung eines Falsifikates, a.1S zwar theoretisch
zu einem Doppelabgleich führt, in Wahrheit jedoch beim Durchlauf durch die Induktionsmeßspule
lediglich einen Abgleich bewirkt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum Unterscheiden metallischer Gegenstände, insbesondere von Münzen auf ihre.Echtheit,
zu schaffen, welche in der Lage ist, auch bei der Überstimmung der Meß-Brückenschaltung
eine genaue Auswertung zu ermöglichen.
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Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß mit der Wechselstrommeßbrücke ein Phasendiskriminator
verbunden ist, der ein von der Phasenlage der gemessenen Wechselspannung gegenüber
einer Festwechselspannung abhängiges Phasensignal erzeugt und auf die Auswerteschaltung
gibt.
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Die WechselstrommeBbrücke wird in bekannter Weise mit einem amplitudengeregelten
Sinusspannungsgenerator gespeist. Die erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß
die Spannung in der Diagonalen der Brücke bzw. an der Induktionsmeßspule nicht nur
hinsichtlich ihres effektiven Wertes verändert wird, wenn ein metallischer Gegenstand
die MeBspule durc}lläuft, sondern auch im Hinblick auf die Phasenlage. Die Änderung
der Phasenlage kann dahei auf die Wechsel spannung des Wechseispannungsgenerators
bezogen werden. Diese Anderung der Phasenlage ibt für die zu prüfenden metallischen
Gegenstände charakteristisch, d. h. die Änderung der Phasenlage bei einer anzunehmenden
münze unterscheidet sich von der eines Falsifikates. Insbesondere unterscheidet
sich die Änderung der Phasenlage bei einem "Schein-Doppelabgleich" von der bei einem
Brückenabgleich bei einer anzunehmenden Münze.
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Das bei der Änderung der Phasenlage erzeugte Phasensignal ist mithin
ein weiteres Prüfkriterium, das die Uberstimmung einer Brücke auch in Grenzfällen
sicher anzeigt und daher die Prüfgenauigkeit derartiger Schaltungsanordnungen erheblich
verbessert.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung siebt vor, daß der Phasendiskrtminator
die Phasen lage der Brückendiagonalspannung mit der der Festwechselspannung vergleicht.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Diskriminator die Phasenlage der Brückenzweigspannungen
vergleicht.
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Ein besonders einfacher und wirksamer Vergleich der Phasenlagen wird
nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, daß die zu vergleichenden
Spannungen zur Erzeugung von Rechteckimpulsen auf Impulsformer gegeben werden und
die Rechteckimpulse dem Phasendiskriminator zugeleitet werden.
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Nach einer weiteren Ausgestalturig der Erfindung enthält der Phasendiskriminator
eine bistabile Schaltung, die nur dann aktiviert wird, wenn die Phasenverschiebung
ein vorgegebenes Vorzeichen hat. D s erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann so
ausgelegt werden, daß bezüglich der Phasenlage der zu vergleichenden Spannungen
sich nur bei nicht anzunehmenden Gegenständen bzw.
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Münzen ein Vorzeichenwechsel ergibt. Ein derartiger Vorzeichenwechsel
kann besonders einfach mit Hilfe einer bistabilen Schaltungsanordnung festgestellt
werden Auch besonders präzis arbeitende Schaltungsanordnungen benötigen einen Mindest-Auswertebereich,
da anzunehmende Münzen im Hinblick auf den hervorgerufenen Brückenabgleich Streuwerte
bewirken. Um bei der Phasendiskriminierung einen bestimmten Annahme-Streubereich
einzustellen, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß eine der beiden
zu vergleichenden Spannungen über eine Reaktanz auf den Phasendiskriminator gegeben
wird. Normalerweise ist die Reaktanz ein Kondensator, mit dessen Hilfe eine Verzögerung
des Impulsanstiegs möglich ist, um die Phasenlage eines der beiden zu vergleichenden
Wechselspannungen willkürlich zu verändern.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert.
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Eig. 1 zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung zum Unterscheideii
metallischer Gegenstände mit Hilfe einer Wechselstrombrückenschaltung.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung.
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Fig. 3 zeigt vcrschiedene Kurven für Meßspannungen bei anzunehmenden
bzw. abzuweisenden Münzen.
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Fig. 4 zeigt eine einzelne Kurve zur Darstellung eines scheinbaren
Doppelabgleichs der Wechselstrommeßbrücke.
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Fig. 5 zeigt verschiedene Brückenspannungen in der komplexen Ebene.
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Fig. 6 zeigt Zeitdiagramme für zu vergleichende Brückenzweigspannungen
bzw. daraus geformte Rechteckspannungen.
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Bevor auf die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten näher
eingegangen wird, sei vorangestellt, daß jedes der gezeigten und beschriebenen Merkmale
für sich oder in Verbindung mit Merkmalen der Ansprüchevon erfindungswesentlicher
Bedeutung ist.
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Bevor das eigentliche Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
nach der-Erfindung beschrieben wird, seien Erläuterungen zum Verhalten einer Wechselstrommeßbrücke
bei unterschiedlichen )netallischen Gegenständen vorangestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Wechseltrommeßbrücke 1, welche von einem Oszillator
40 gespeist wird. Die Frequenz des O-zillators 40 richtet sich nach der Materialbeschaf.enheit
des zu prüfenden metallischen Gegenstandes. Bei einem metallischen Material ohne
magnetische Eigenschaften wird die Frequenz höher sein als bei Münzen beispielsweise
mit ausgeprägtem magnetischem Verhalten. Die Brückenzweige werden gebildet von den
komplexen Widerständen 2, 3, 4 und 5. Der komplexe Widerstand 2 bildet die Meßspule,
während der komplexe Widerstand 3 die Vergleichsimpedanz darstellt. Die Widerstände
4 und 5 können auch rein Ohm'sche Widerstände sein. Die Vergleichsimpedanz 3 ist
verstellbar, ebenso wie der Ohm'sche Widerstand 6, der mit ihr in Reihe geschaltet
ist.
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Parallel zur Brückenschaltung 1 ist eine Brückenhälfte 7 vorgesehen,
welche aus den komplexen Widerständen 6a, 8 und 9 besteht. Sie arbeitet mit der
Meßspule 2 zusammen, ist jedoch für andere Werte ausgelegt, so daß mit der gezeigten
Anrodnung z.-B. zwei unterschiedliche Münzwerte geprüft werden können.
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Die Ausgangsspannung U 2, welche ebenfalls komplex ist (die Spannungen
sind in den Zeichnungen nicht als komplexe Spannungen symbolisiert. Es versteht
sich, daß die Brückenzweigspannungen bzw.
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Brückenspannungen stets komplex sind) wird im Meßfall in ihrer Phasenlage
gegenüber der Oszillatorspannung U 1 verë.dert.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird die Brückenspannung U
2 auf einen Operationsverstärker 10 gegeben, dessen Ausgang an einer Gleichrichterschaltung
20 liegt, deren Ausgang wiederum mit einer Schwellwertschaltung 30 verbunden ist.
Der Ausgang der Schwellwertschaltung 30 liegt am Eingang einer Auswerteschaltung
12, deren Ausgang mit einer Annahmeschaltung 13 verbunden ist.
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Die sich über den Brückadnteil 7 ergebende Spannung liegt am Operationsverstärker
11, der mit einem Gleichrichter 21 verbunden ist, der seinerseits über eine Schwellwertschaltung
31 an der Auswerteschaltung 12 liegt.
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Die Brückenschaltung ist bekannterweise so ausgelegt, daß eine anzunehmende
Münze M einen einmaligen Null-Abgleich hervorruft, so daß am Operationsverstärker
10 bzw. 11 vorübergehend die Spannung Null entsteht, was zu einer entsprechenden
Auswertung führt und zu einer Annahme bei einer echten Münze.
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Am Ausgang der Schaltungsanordnung 20 bzw. 21 erscheint die eine Hälfte
der Einhüllenden der Wechsel-Brückenspannung.
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In Fig. 3 ist die (positive) Einhüllende für verschiedene Münzen dargestellt.
Die Kurve A zeigt den Verlauf der Einhüllenden für eine anzunehmende Münze. Man
erkennt, daß sie sich einmal dem Null-Potential nähert bzw. einmal in den Schwellwertbereich,
der
die Streuungen echter Münzen bmshksichytiat, eintaucht.
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Die Kurven B und C zeigen Einhüllende für abzuweisende Münzen.
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Ein Null-Abgleich finde': nicht statt und demgemäß nicht die Erzeugung
eines Annahmesignals. Die Kurve D gibt die Einhüllende für einen Spannungsverlauf
wieder, bei dem die Annäherung an Null-Spannungsniveau innerhalb des Schwellwertbereichs
zweimal stattfindet. Dies wird bewirkt durch eine duruch die Meßspule laufende Münze,
die beim Annähern bzw. Verlassen der Meßspule einen Doppelabgleich hervorruft. Ein
derartiger Doppelabgleich kann jedoch in der Auswerteschaltung 12 mit Hilfe digitaler
Schaltstufen erkannt und ausgewertet werden, so daß auch eine solche Münze zur Abweisung
führt.
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Die in Fig. 3 dargestellte Kurve D ist im Bezug auf das mittlere Maximum
symmetrisch. Die Kurve D ist jedoh mehr theoretischer Natur; denn, bedingt durch
unterschiedliche Impedanzänderungen der Induktionsmeßspule 2 beim Einlauf einer
Münze in das MeB-feld und beim Auslauf aus dem Meßfeld, durch Laufunruhe der Münze
und andere Faktoren ergibt sich ein Kurvenverlauf, wie er in Fig. 4 dargestellt
ist. Man erkennt, daß der Schwellwert nur einmal unterschritjn wird. Eine lediglich
auf den Schwellwert abgestellte Messung würde mithin nicht erkennen können, daß
es sich gleichwohl um den Kurvenverlauf handelt, den eine abzuweisende Münze verursacht.
Mit der nachfolgend noch zu beschreibenden Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann
auch ein Spannungsverhalten gemäß Fig. 4 diskriminiert werden.
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Fig. 5 zeigt die Einhüllenden nach Fig. 3 in der komplexen Ebene.
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Man erkennt, daß sich die Spannungen nicht nur hinsichtlich ihres
Betrages, sondern auch hinsichtlich ihrer Phasenlage ändern. Der Spannungsvektor
im Leerlauf der Induktionsmeßspule 2 wird durch V 1 dargestellt. Bei weitestgehender
Abdeckung der Meßspule durch eine anzunehmende Münze kommt es zu einer Null-Spannung,
welche durch den Vektor VO wiednrgegeben ist. Die Länge des Vektors gibt dabei die
Höhe des Schwellwertes an unterhalb dem das erste Prüfkriterium für eine zu akzeptierende
Münze erreicht ist. Schaltungsanordnungen, welche nur hierauf basieren, führen zu
einem Annahmesignal, wenn sich der Spannungsl-ektor innerhalb des Kreises 42 befindet,
der durch den umlaufenden Vektor VO geschlagen wird.
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Die Änderung des Vektors nach Betrag und Phase für die Einhüllende
A nach Fig. 3 wird in Fig. 5 durch die strichpunktierte Kurve (Ortskurve) wiedergegeben
zwischen den Punkten E und F. Man erkennt, daß der Phasenwinkel T einen Mindestwinkel
nicht unterschreitet. Anders verhält es sich mit den Ortskurven bezüglich der Einhüllenden
B und C.Bei weitestgehender Abdeckung der InduktionsmeBspule 2 mit einer nicht an
zunehmenden Münze ergibt sich der Vektor V 2 für die Ortskurve C, allerdings auch
für die Grtskurve für die Einhüllende D, welche in Fig. 5 mit einer gestrichelten
Linie darqestellt ist. Wie jedoch bereits erwähnt, sind Spannungsverläufe gemäß
den Einhüllenden B, C und D unkritisch. Kritisch hingegen ist ein Spannungsverlauf
gemäß der
Einhüllenden nach Fig. 4, welche in der komplexen Ebene
zu einer Ortskurve führt, welche strichpunktiert (in dicker Strichführung) wiedergegeben
ist. Man erkennt, daß der Phasenwinkel für Vektoren, welche innerhalb des Kreises
42 liegen, bzw. sich diesem nähern, den Mindestphasenwinkel, welcher zum Vektor
V0 gehört, unterschreiten. Diese Phasenänderung kann mithin zur Diskriminierung
auch solcher an sicli abzuweistnder Münzen verwendet werden, welche nur zu einem
Einmal-Abgleich der Brückenschaltung führen.-it welcher Schaltungsanordnung dies
verwirklicht werten kann, zeigt daß Beispiel nach Fig. 2. Darin sind diejenigen
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, welche bereits bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 enthalten sind.
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Eine Phasenlagenänderung beim Durchlauf von Münzen durch die Meßspule
2 ergibt sich sowohl im Hinblick auf die Brückendiagonalspannung U 2 als auch im
Hinblick auf die Brückenzweigspannung über der Meßspule 2, welche in Fig. 2 mit
U 3 bezeichnet ist. Die andere Brückenzweigspannung über der fest,jedoch- willkürlich
einstellbaren Induktivität3 ist mit U 4 bezeichnet.. Diese ändert sich beim Meßvorgang
naturgemäß nicht. folie Spannungen U 3 und U 4 werden getrennt auf Operationsverstärker
14, 15 gegeben, welche mit einem Flip-Flop 17 verbunden sind, d. h., mit einem Setz-
und einem Bedingungseingang des Flip-Flops 17.
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Analog ist bezüglich des Brückenabschnitts 7 ein Operationsverstärker
16 vorgesehen, dessen Ausgang an einem Ylip-Flop 18 liegt. Beide Flip-Flops 17,
18 sind mit einem zusätzlichen Eingang der Auswerteschaltung 12 verbunden.
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In Fig. 6 sind die Sinus-Spannungen U 3 und U 4 für einen beliebigen
Zustand außerhalb des Null-Abgleichs wiedergegeben.
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Man erkennt, daß die Spannung U 4 der Spannung U 3 vorauseilt, um
die Phasenverschiebung T .
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Die Operationsverstärker 14 bis 16 haben die Aufgabe, die Sinusspannungen
in RechXckimpllseumzu-Yandeln, d. h. deren positive Halbwellen, wie es in Fig. 6
ebenfalls dargestellt ist. Die Impulse sind hier mit S 3 bzw. S 4 bezeichnet. Die
Voreilung der Impulse S 4 is' mit t angegeben. Bei der hier gezeigten Voreilung
der Impulse S 4 gegenüber den Impulsen S 3 wird das Flip-Flop 17 nicht gesetzt,
da der Operationsverstärker 14 mit dem Setzeingang des Flip-Flop 17 verbunden ist.
Kommt es hingegen zu einer Umkehr der Phasenverschiebung , wie das etwa im Fall
einer Umhüllenden nach Fig. 4 bzw. der entsprechenden in Fig. 5 gezeigten Ortskurve
gegeben ist, wird das Flip-Flop 17 gesetzt.
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Dies hat zur Folge., daß in der Auswerteschaltung 17 eine Abweisung
des Falsifikates auch dann zustande kommt, wenn nur ein einmaliger Null-Abgleich
angezeigt ist.
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Aus Fig. 2 ist ferner zu erkennen, daß am Ausgang des Operationsverstärkers
16 ein Kondensator 19 geschaltet ist, mit dessen Hilfe die Ausgangsimpulse verzögert
werden, so daß sie den Bedingungseingang des Flip-Flops 18 später erreichen als
dies
ohne den Kondensator 19 der Fall wäre. Mit Hilfe des Kondensators
19 kann mithin eine Phasenverschiebung simuliert werden. Es versteht sich, daß eine
entsprechende Phasenverschiebung auch am Ausgang der Verstärker 14 bzw. 15 möglich
ist.
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Die simulierte Phasenverschiebung führt dazu, daß der in den Figuren
3 und 4 dargestellte Schwellwertbereich auch im Hinblick auf den vorzunehmcnden
Phaoenvergleich voll erhalten bleibt.
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Es versteht sich, daß die Messung von Phasenänderungen etwa der Brückenzweigspannung
U 3 auch auf andere Weise vorgenommen werden kann und das eine Auswertung der Phasenänderung
auch durch Vergleich der Brückendiagonalspannung U 2 mit einer hinsichtlich ihrer
Phasenlage festen Spannung vorgenommen werden kann.