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Dokumentenidentifikation DE10140225C2 07.08.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Durchmessers von Münzen
Anmelder National Rejectors, Inc. GmbH, 21614 Buxtehude, DE
Erfinder Cohrs, Ulrich, 21640 Horneburg, DE;
Meyer, Wilfried, 21614 Buxtehude, DE
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 16.08.2001
DE-Aktenzeichen 10140225
Offenlegungstag 06.03.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse G07D 5/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Durchmessers von Münzen nach dem Patentanspruch 1.

Bei der Prüfung von Münzen in Münzprüfgeräten werden verschiedene Eigenschaften der eingeworfenen Münzen geprüft, damit eine zuverlässige Diskriminierung von Falschmünzen erfolgt. Zu den ermittelten Eigenschaften der Münzen gehört auch ihr Durchmesser. Es ist bekannt, den Durchmesser von Münzen mit Hilfe von zwei Lichtschranken zu messen. Mit Hilfe der Abdeckzeit der Lichtschranken und der Zeitdifferenz zwischen den Lichtschranken beim Durchlauf der Münzen wird deren Durchmesser berechnet. Diese Art der Größenmessung hat eine Messtoleranz von etwa ±0,5 mm. Es sind jedoch Münzsätze bekannt, bei denen sich die einzelnen Münzen um nicht mehr als 0,5 mm im Durchmesser unterscheiden. Daher ist das bekannte Verfahren für eine exakte Identifikation von Falsifikaten unzureichend.

Es ist ferner bekannt, durch Abdeckzeiten von induktiven Münzsensoren auf den Durchmesser rückzuschließen. Auch dieses Verfahren ist nicht besonders genau.

Aus DE 197 26 449 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung von Münzen mit einer induktiv arbeitenden Sensoranordnung bekannt geworden, bei dem die Primärspule der Spulenanordnung mit einem periodischen Sendesignal gespeist wird, das Harmonische enthält. Bei dem bekannten Verfahren wird dem Sendesignal eine Anzahl von Schaltschritten zugeordnet. Aus den Werten des Empfangssignals werden bei den jeweiligen sich mit der Frequenz des Sendesignals wiederholenden Schaltschritten Hüllkurven gebildet. Eine Auswertevorrichtung bildet aus der Anzahl der zeitgleich erzeugten Hüllkurven mindestens ein Kriterium zwecks Erzeugung des Annahme- oder Rückgabesignals. Die Hüllkurven sind charakteristisch für die Beschaffenheit einer Münze und können in geeigneter Weise ausgewertet werden. So ist zum Beispiel das Verhältnis der Amplituden der Hüllkurven ein charakteristisches Maß.

Aus US 4 705 154 ist ein Münzprüfer bekannt geworden, bei dem mindestens zwei Satz Sensorspulen vorgesehen sind, wobei ein Satz zwei Spulen aufweist, die in Serie geschaltet sind und in Phase liegen, während bei dem anderen Satz die beiden Spulen in Serie geschaltet, jedoch gegensinning angeordnet sind. Die Spulensätze sind in Laufrichtung der Münze mit einem Abstand voneinander angeordnet, der kleiner ist als der Durchmesser der Münze. Mit Hilfe einer geeigneten Dämpfungsmessung sollen Material, Dicke und Durchmesser gemessen werden. Die Messung erfolgt in herkömmlicher Dämpfungsmessung. In dieser Druckschrift ist auch bereits der Skineffekt beschrieben, der besagt, dass das elektromagnetische Feld nur geringfügig oder gar nicht in eine Münze eindringt.

Aus US 4 717 006 ist eine Spulenanordnung zum Prüfen von Münzen bekannt geworden, bei der eine Sendespule mit einer Rechteckspannung beaufschlagt wird, wobei nacheinander Pulse unterschiedlicher Breite vorgesehen sind. Mit der Spulenanordnung werden die abfallenden Wirbelströme gemessen durch Messung der Spulenspannung nach Zeitverzögerungen, wobei diese mit länger werdenden Pulsen länger werden.

Aus WO 89/01209 A1 ist bekannt, die Münzen durch ein Spulenpaar laufen zu lassen, wobei die Sendespule mit 1 MHz Pulsen steiler Anstiegsflanke beschickt wird. Eine Auswertevorrichtung ermittelt die minimale Amplitude, die bei maximaler Abschattung der Empfangsspule erzielt wird, um festzustellen, wann die Münze sich symmetrisch zwischen den Spulen befindet, um eine Durchmessermessung vorzunehmen.

Aus US 4 971 187 ist bekannt geworden, eine Sendespule einer Spulenanordnung mit einem Erregersignal zu speisen, das eine Vielzahl von Harmonischen enthält. Das Signal der Empfangsspule wird im Hinblick auf mindestens zwei Harmonische ausgewertet. Dabei erfolgt eine Auswertung im Hinblick auf das Material, die Konfiguration der Münze und ihres Durchmessers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung des Durchmessers von Münzen anzugeben, bei dem eine besonders genaue Bestimmung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wie bei üblichen induktiven Sensoren durchlaufen die Münzen ein elektromagnetisches Feld. Die Spulenanordnung ist jedoch so ausgebildet, dass zumindest der obere Bereich der Münzen unabhängig von ihrem Durchmesser das Feld zumindest teilweise abdeckt. Wie bei dem zuletzt beschriebenen bekannten Verfahren wird die Sendespule mit einem periodischen Sendeimpuls gespeist, der im Verhältnis zur Durchlaufzeit der Münzen kurz ist und der in einzelne Zeitabschnitte unterteilt wird, zu denen das Signal der Empfangsspule gemessen wird. Für die verschiedenen Frequenzen bzw. die jeweiligen Zeitabschnitte des Sendeimpulses werden die maximalen Dämpfungswerte ermittelt. Je nachdem, zu welchem Zeitpunkt ab Beginn des Sendeimpulses eine Messung vorgenommen wird, ändert sich die Frequenz des Feldes. Es werden dann Maximalwerte erhalten, wie sie auch in der DE 197 26 449 bei den dort beschriebenen Hüllkurven entstehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Dämpfungsmesswerte auf den Zeitpunkt Null extrapoliert und die dadurch ermittelten Messwerte werden mit vorgegebenen Annahmebändern für Münzdurchmesser verglichen. Liegt der ermittelte Wert nicht in einem Annahmeband, wird die Münze als Falsifikat ausgeschieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von folgender Erkenntnis aus. Eine durch ein Feld laufende Münze bildet eine Abschirmung. Das Ausmaß der Abschirmung ist jedoch von der Frequenz des Feldes abhängig. Niedrige Frequenzen werden hauptsächlich durch das Material gedämpft, d. h. das Feld durchdringt das Material in Abhängigkeit von seiner Leitfähigkeit. Je höher die Frequenz des Feldes ist, um so weniger dringt es in das Material ein. Die induzierte Spannung an der Empfängerspule ist um so stärker von der Abdeckung durch die Münze abhängig, je höher die Frequenz ist. Bei sehr hohen Frequenzen entsteht ein sogenannter Skineffekt, d. h. das Feld dringt so gut wie gar nicht mehr in das Material der Münze ein. Würde eine unendlich hohe Frequenz erzeugt werden, hinge der Abschirmeffekt nur noch von der Größe, d. h. dem Durchmesser der Münze ab. Unendlich hohe Frequenzen lassen sich naturgemäß nicht realisieren. Bei einer unendlich steilen Flanke eines Impulses würde die Frequenz zwar unendlich, technisch lässt sich dies jedoch nicht realisieren. Vielmehr benötigt die Sendeschaltung eine bestimmte Zeit, um das magnetische Feld aufzubauen, etwa 1 µsec mit handelsüblichen Bauelementen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die einzelnen frequenzabhängigen Messpunkte für die Maxima der Dämpfung zu einer Kurve oder gar zu einer Geraden verbinden. Die Gestalt der Kurve ist abhängig von der Proportionalität des Dämpfungsverhaltens einerseits und der Ausgestaltung der Spulenanordnung andererseits. So ist eine Spulenanordnung denkbar, bei der ein lineares Verhältnis zwischen Dämpfung und Durchmesser erhalten wird.

Extrapoliert man nun die gemessenen Dämpfungswerte für die verschiedenen Messzeitpunkte des Sendesignals auf den Zeitpunkt t = 0, dann bildet die hierbei ermittelte Dämpfung ein Maß für den Durchmesser. Es hat sich herausgestellt, dass die Messmethode zu einem sehr günstigen Ergebnis mit geringen Abweichungen führt. Für die Extrapolation der Messwerte lassen sich verschiedene Verfahren anwenden, beispielsweise das sogenannte Kurvenfit, um aus den gemessenen Messwerten jeweils einen Messwert für den Zeitpunkt Null und damit für den Durchmesser der hindurchgelaufenen Münze zu bestimmen. Es kann eine einzige Empfangs- oder Sekundärspule vorgesehen werden, und deren Ausgangssignale können bei der jeweiligen Frequenz des Sendesignals bei wiederholten Schaltschritten zu Hüllkurven geformt werden. Hierbei bedarf es jedoch keiner ausgesprochenen Bildung der Hüllkurven, sondern lediglich der Ermittlung von Maximalwerten für die jeweiligen Frequenzen. Die ermittelten Maximalwerte werden dann in der bereits beschriebenen Art und Weise auf den Zeitpunkt Null hin extrapoliert zwecks Ermittlung des Durchmesserwertes.

Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung nach Patentanspruch 3 erlaubt sowohl eine Durchmessermessung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch eine Materialbestimmung der Münzen. Zur Materialbestimmung durchlaufen die Münzen zugleich ein unterhalb eines ersten elektromagnetischen Feldes ein darunter angeordnetes zweites elektromagnetisches Feld, das von den Münzen vollständig abgedeckt wird und das von einem zweiten Empfangsspulenabschnitt unterhalb des ersten Empfangsspulenabschnitts empfangen wird, der bis zur Münzlaufbahn reicht. Während der obere Empfangsspulenabschnitt für die Durchmessermessung verwendet wird, dient der untere Abschnitt der Materialbestimmung, wie sie etwa in DE 197 26 449 beschrieben ist.

In einer Ausgestaltung hierzu ist vorgesehen, dass für die Materialmessung von Bicolormünzen diese zugleich ein zweites und ein drittes elektromagnetisches Feld durchlaufen, die von übereinander angeordneten Unterabschnitten des zweiten Empfangsspulenabschnitts gebildet sind bzw. empfangen werden, von denen ein erster Unterabschnitt den Kern und ein zweiter Unterabschnitt den unteren Rand der Bicolormünzen abdeckt. Bicolormünzen sind bekanntlich solche, die einen Kern aus einem ersten Material und einen um den Kern herum angeordneten Ring aus einem zweiten Material aufweisen. Durch die Unterteilung des unteren Empfangsspulenabschnitts in zwei Unterabschnitte lässt sich mithin eine Materialmessung sowohl für den Kern als auch für den Ring der Bicolormünze vornehmen.

Die Sende- und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulenabschnitte können Rechteckspulen sein, die in Laufrichtung der Münzen kürzer sind als der Durchmesser der kleinsten anzunehmenden Münze.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Dämpfungskennlinien etwa für eine Anordnung nach Fig. 1 beim Durchlaufen von Münzen unterschiedlichen Materials.

Fig. 3 zeigt ein Kennlinienfeld von Maximalwerten der Dämpfung für verschiedene Münzmaterialien einschließlich ihrer Extrapolation zu 0.

Fig. 4 zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus Fig. 4 mit der Extrapolation zu 0.

Fig. 5 zeigt ein ähnliches Kennlinienfeld wie Fig. 3, jedoch mit einer Korrektur der linearen Extrapolation.

Fig. 6 zeigt ein Kennlinienfeld ähnlich wie Fig. 3, jedoch bei nicht linearer Extrapolation.

Fig. 7 zeigt eine Kennlinie für verschiedene Durchmesser und Materialien bei nicht linearer Extrapolation und Korrektur.

In Fig. 1 ist eine Münzlaufbahn 10 eines nicht weiter dargestellten Münzprüfers zu erkennen, auf der eine Bicolormünze 12 entlangrollt. Die Münze bewegt sich durch eine Spulenanordnung, bestehend aus einer Sendespule 14 und einer Empfangsspule 16. Die Spulenanordnungen 14, 16 sind rechteckig und in Laufrichtung der Münze 12 kürzer als deren Durchmesser. Die Empfangsspule 16 ist in drei Abschnitte 18, 20 und 22 unterteilt. Die Unterteilung erfolgt in der Höhe. Sie ist derart, dass der Abschnitt 18 in jedem Fall vom oberen Bereich der Münze vorübergehend zumindest teilweise abgedeckt ist, unabhängig von deren Durchmesser. Die Münze 12 besteht aus einem inneren Kern 24 und einem Ring 26 um den Kern 24 herum (Bicolormünze). Der obere Abschnitt 18 ist so angeordnet, dass er normalerweise von dem Kern 24 nicht abgedeckt ist, wenn die Münze durch die Spulenanordnung hindurchläuft. Der Abschnitt 20 ist so ausgelegt, dass er im Wesentlichen den Kernbereich einer Bicolormünze erfasst. Der untere Abschnitt 22 deckt im Wesentlichen den unteren Bereich des Randes oder des Rings 26 ab. Für die noch zu beschreibende Messung wird in erster Linie der Abschnitt 18 für eine Durchmesserbestimmung herangezogen. Die Abschnitte 20 und 22 dienen der Werkstoffbestimmung nach einem Verfahren, wie es in der DE 197 26 449 beschrieben ist.

Die Sendespule 14 wird periodisch mit Rechteckimpulsen beaufschlagt, die zum Beispiel eine Dauer von 30 µs haben. Da der Durchlauf einer Münze durch eine Spulenanordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, etwa 200 ms beträgt, ist die Dauer des Sendesignals im Verhältnis zur Durchlaufzeit der Münze klein. Ein derartiger Rechteckimpuls wird wiederkehrend auch bei dem Verfahren nach der bereits erwähnten DE 197 26 449 eingesetzt. Wird nun gemäß dieser Druckschrift der Sendeimpuls in einzelne Zeitabschnitte oder Schaltschritte unterteilt und wird eine Messung des Signals der Empfangsspule 18 zu den einzelnen Zeitschritten vorgenommen, wird zum Beispiel eine der Kurven erhalten, die in Fig. 2 dargestellt ist. Die Kurve mit dem höchsten Maximum ist eine solche, welche einer maximalen Dämpfung entspricht. Eine maximale Dämpfung oder Abschirmung wird bei einer maximalen Frequenz erhalten. Deshalb entspricht diese Kurve der höchsten Frequenz, bei der gemessen wird, d. h. bei einem Schaltschritt, der hinter dem Start des Sendeimpulses liegt. Wird wiederkehrend während der Münzdurchlaufzeit immer während dieses Zeitpunkts gemessen, erhält man mithin die erwähnte Kurve mit dem maximalen Maximum. Liegen die Zeitschritte weiter vom Startpunkt oder der Anstiegsflanke des Rechteckimpulses ab, hat dies eine kleinere Frequenz zur Folge und somit eine geringere Dämpfung. Mit anderen Worten, bei ein und demselben Münzmaterial wird abhängig von der Frequenz eine unterschiedliche Dämpfung beim Durchlauf der Münze erhalten. Die unterschiedliche Frequenz ergibt sich, wie erwähnt, durch den Messzeitpunkt relativ zur Anstiegsflanke des Rechteckimpulses.

Nebenbei sei erwähnt, dass die Kurvenschar nach Fig. 2 nicht mit einer Bicolormünze erreicht werden kann, diese führt zu einer anderen Kurvenschar, wie sie in der bereits erwähnten DE 197 26 449 diesbezüglich dargestellt ist. Die Kurvenschar nach Fig. 2 bezieht sich hingegen auf eine Münze, die homogen aus einem bestimmten Material gefertigt ist.

Verbindet man nun die Maxima der Kurvenschar nach Fig. 2 zu einer Kurve, so ergibt sich zum Beispiel der Kurvenverlauf 30 in Fig. 5. Die einzelnen Messpunkte auf der Kurve 30 entsprechen unterschiedlichen Frequenzen, die mithin eine unterschiedliche Dämpfung zur Folge haben. Nimmt man ein anderes Material, ergeben sich andere Kurvenverläufe, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Zuordnung der Kurven zu den Materialien ergibt sich aus der Legende in Fig. 5 rechts.

Der Aufbau der Rechteckspannung bzw. des Rechteckimpulses als Sendesignal bedarf einer gewissen Zeit, z. B. 1 µs. Da aber angestrebt ist, den materialabhängigen Dämpfungswert auszuschalten, mithin die Annahme zu erfüllen, dass die Frequenz unendlich hoch ist, bedarf es der Extrapolation der Kurven nach Fig. 5, um den Dämpfungswert zur Zeit 0 zu erhalten. Dies ist in Fig. 5 angedeutet, bei der im Wesentlichen die Kurven nach Fig. 3 wiedergegeben sind.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Kurven nach Fig. 3 im Zeitrahmen von 0 bis 1 µs. Man erkennt, dass der Bereich für die Dämpfung bei einzelnen Materialien bei gleichem Durchmesser einer Münze zwischen 367 und 357,5 schwankt. Dies ist ein außerordentlich kleiner Bereich, der ausreicht, die Durchmessergröße ausreichend genau zu ermitteln.

In Fig. 6 ist eine nicht lineare Extrapolation vorgenommen, wie sie ebenfalls an sich bekannt ist, etwa unter der Bezeichnung Kurvenfit. Während bei den Kurven nach Fig. 3 bis 5 ein Durchmesserwert von 30 mm verwendet wird, liegt der Kurvenschar nach Fig. 6 ein Münzdurchmesser von 18 mm zugrunde.

In Fig. 7 ist eine Kennlinie des Durchmessers über die Dämpfungsmesswerte aufgezeichnet für eine nicht lineare Extrapolation und Korrektur der Kurvenschar nach Fig. 3 bzw. 5. Man erkennt, dass die Messpunkte von unterschiedlichen Materialien annähernd auf einer einer Geraden angenäherten Funktion liegen, sodass sich durch das beschriebene Verfahren exakt feststellen lässt, ob eine eingeworfene Münze in einem vorgegebenen Durchmesserbereich liegt oder nicht. Die Soll-Durchmesser einzelner Münzen eines Münzensatzes können durch ein Durchmesserfenster definiert werden, das sehr klein zu sein braucht, sodass auch Münzsätze mit sehr kleinen Durchmesserunterschieden exakt diskriminiert werden können. Der maximale Fehler liegt zumindest theoretisch bei 0,115 mm. Dieser Fehler reicht aus, auch solche Münzen voneinander zu unterscheiden, die im Durchmesser nur um 0,5 mm unterschiedlich sind.

Wie schon erwähnt, kann das beschriebene Verfahren allein mit dem Empfangsspulenabschnitt 18 durchgeführt werden. Die Empfangsspulenabschnitte 20 und 22 können zur Materialbestimmung herangezogen werden in einer Art und Weise, wie dies in der DE 197 26 449 beschrieben ist. In diesem Fall dienen die Hüllkurven gemäß Fig. 2, die in diesen Abschnitten ebenfalls erzeugt werden, zur Materialbestimmung. Münzen, die als Bicolormünzen gestaltet sind, können ebenfalls nach dem bekannten Verfahren erfasst werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Messung des Durchmessers von Münzen in Münzprüfgeräten mit den folgenden Schritten:
    1. - die Münzen durchlaufen ein elektromagnetisches Feld, das so ausgebildet ist, dass zumindest auch durch deren oberen Bereich das Feld teilweise abgedeckt wird
    2. - das Feld wird zwischen mindestens einer Sendespule und einer Empfangsspule erzeugt
    3. - auf die Sendespule wird periodisch ein kurzer Sendeimpuls gegeben, dessen Dauer im Verhältnis zur Münzdurchlaufzeit klein ist
    4. - es wird der Sendeimpuls in einzelne Zeitabschnitte unterteilt, zu denen das Signal der Empfangsspule gemessen wird
    5. - es werden für die jeweiligen Zeitabschnitte des Sendeimpulses die maximalen Dämpfungswerte ermittelt
    6. - die maximalen Dämpfungsmesswerte werden auf den Zeitpunkt 0 extrapoliert
    7. - der durch Extrapolation ermittelte Messwert wird mit einem vorgegebenen Annahmeband bzw. einer vorgegebenen Kennlinie für Münzdurchmesser zwecks Vergleich mit einem gespeicherten Sollwert verglichen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten des Empfangssignals der Empfangsspule bei den jeweiligen sich mit der Frequenz des Sendeimpulses wiederholenden Zeitabschnitten Hüllkurven gebildet werden und eine Auswertevorrichtung aus der Anzahl der zeitgleich erzeugten Hüllkurven die jeweiligen Maxima bestimmt.
  3. 3. Vorrichtung zur Messung des Durchmessers und des Materials von Münzen in Münzprüfgeräten, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit den folgenden Merkmalen:
    1. - mindestens eine Sendespule (14) und eine Empfangsspulenanordnung (16), wobei die Empfangsspulenanordnung (16) einen ersten Empfangsspulenabschnitt (18) aufweist derart, daß er teilweise durch den oberen Bereich einer durch das Feld der Spulenanordnung auf einer Münzlaufbahn laufenden Münze abgedeckt wird und einen zweiten Empfangsspulenabschnitt (20, 22) unterhalb des ersten Empfangsspulenabschnitts (18), der bis zur Münzlaufbahn reicht,
    2. - eine Vorrichtung, die periodisch einen kurzen Sendeimpuls auf die Sendespule (14) gibt, dessen Dauer im Verhältnis zur Münzlaufzeit klein ist und den Sendeimpuls in einzelne Zeitabschnitte unterteilt, zu denen die Signale der Empfangsspulenabschnitte (18, 20, 22) gemessen werden, wobei eine Auswertevorrichtung für die jeweiligen Zeitabschnitte des Sendeimpulses die maximalen Dämpfungswerte der Signale des ersten Empfangsspulenabschnitts (18) ermittelt, wobei die maximalen Dämpfungsmeßwerte auf den Zeitpunkt 0 extrapoliert und der durch Extrapolation ermittelte Meßwert mit einem vorgegebenen Annahmeband bzw. einer vorgegebenen Kennlinie für Münzdurchmesser zwecks Vergleich mit einem gespeicherten Sollwert verglichen wird, und
    3. - eine zweite Auswertevorrichtung, die die Signale des zweiten Empfangsspulenabschnitts (20, 22) zur Materialbestimmung der Münzen auswertet.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Empfangsspulenabschnitt (20, 22) einen ersten und einen zweiten Unterabschnitt (20, 22) aufweist, wobei der erste Unterabschnitt (20) zum Kern von Bicolormünzen und der zweiten Unterabschnitt (22) zum Rand der Bicolormünzen ausgerichtet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Rechteckspulen als Sende- und Empfangsspulen bzw. Empfangsspulenabschnitte vorgesehen sind, die in Laufrichtung der Münzen kürzer sind als der Durchmesser der kleinsten anzunehmenden Münze.






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