Al giorno d’oggi c’è una maggiore quantità di denaro in circolazione rispetto a qualsiasi altro momento storico e le stamperie devono garantire la più alta qualità possibile per ogni banconota. Inoltre le banche suddividono le banconote in modo veloce e accurato, in base alla denominazione, al tipo di valuta, all’orientamento, all’autenticità e al grado di integrità. Jan Domke e Klaus Thierauf, fisici presso G+D Currency Technology, sviluppano sensori per sistemi modulari di smistamento contanti ad alte prestazioni (Banknote Processing Systems, BPS) destinati a questi centri professionali (Figura 1).
Figura 1: La BPS X9, il più veloce sistema di smistamento banconote al mondo, ha una velocità operativa di 44 banconote al secondo e può raggiungere un volume di smistamento effettivo di 150000 banconote all’ora. Le dimensioni del modulo centrale sono di 1,9 m x 5,7 m (altezza per larghezza).
I sistemi di smistamento di G+D Currency Technology utilizzano sensori che garantiscono risultati riproducibili e una lunga durata nel tempo. Un macchinario standard di G+D Currency Technology (Figura 2, sinistra) può individuare un gran numero di valute diverse in tutti e quattro gli orientamenti possibili con una sola passata. “Nel nostro dipartimento studiamo i sistemi di sensori e le valutazioni responsabili per la classificazione delle banconote in contraffatte o autentiche e idonee o meno”, spiega Domke. “Sono loro gli occhi e la mente di questi macchinari”.
Figura 2: A sinistra: parte della sezione di sensori con un sistema di nastri trasportatori che movimentano le banconote attraverso il sistema di smistamento (BPS). A destra: Suddividere le banconote nel grande modulo di consegna è un’opzione per offrirle sfuse, per esempio per rifornire le casse automatiche.
Rilevare e suddividere
Le banconote vengono esaminate da tre principali sistemi di sensori: magnetici, ottici e a ultrasuoni. Domke e Thierauf usano la simulazione multifisica per comprendere meglio i complessi fenomeni fisici sottostanti e testare le idee di base, che poi possono essere discusse, per esempio, con il team che sviluppa gli algoritmi. “Il software COMSOL® è uno strumento molto importante per mantenere allineato tutto il team sulla comprensione e sulla visualizzazione degli effetti fisici in gioco”, spiega Domke. “Si tratta di una parte essenziale nel progetto di sviluppo dei sensori”.
Rilevare gli elementi di sicurezza
Un importante elemento di sicurezza delle banconote è l’inchiostro magnetico impresso su di esse. Inserendo nel software l’insieme dei sensori magnetici con una magnetizzazione predefinita e utilizzando una tecnica di moving mesh per modellare il passaggio della sonda in materiale magnetico dolce, si possono creare le letture magnetiche e modificare i parametri per adattare la geometria del campo alle proprie esigenze.
Figura 3. Simulazione di una sonda magnetica che attraversa un sensore magnetico. Qui viene rappresentata una delle fasi del passaggio della sonda in corrispondenza del sensore e la conseguente deformazione del campo magnetico
Quando la sonda passa in corrispondenza del sensore, interagisce con il campo magnetico. Il sensore magnetico percepisce il cambiamento nel campo e il segnale corrispondente viene emesso dal sistema sotto forma di risposta elettrica. L’ampiezza del segnale dipende dalla distanza della sonda dai magneti e la simulazione si rivela essenziale per compredere questa relazione. Spiega Thierauf: “Da qui, si può procedere all’ottimizzazione e applicarla a modelli più specializzati basati sulle specifiche del cliente”.
Rispondere ai requisiti di idoneità
Le banconote devono essere suddivise anche in base alla loro aderenza ai requisiti di idoneità. Per esempio, per aiutare a individuare banconote attaccate tra loro, il team di Domke utilizza array di sensori a ultrasuoni. Quando un biglietto raggiunge il sensore, viene attraversato da un segnale acustico di impulsi a ultrasuoni destinato a un ricevitore dall’altra parte del biglietto. Il sistema utilizza 24 paia di trasmettitori per aumentare la risoluzione del ricevitore (Figura 3). Tuttavia, con così tanti trasmettitori l’interferenza del segnale diventa un problema e può creare complesse e delicate difficoltà nella gestione del timing del segnale, degli elementi di smorzamento e degli aspetti geometrici.
Figura 4. Array di 24 trasmettitori utilizzati per inviare segnali acustici a ultrasuoni attraverso le banconote
Domke e il suo team utilizzano la simulazione multifisica per affrontare queste sfide. Mentre il biglietto scorre e il segnale a ultrasuoni viene riflesso, parte dell’impulso riflesso gira attorno al bordo della banconota a causa di fenomeni di diffrazione e quindi viene rilevato dal ricevitore (Figura 4). Questo segnale interferirebbe con il debole segnale della trasmissione, quindi il processo di rilevamento da parte del ricevitore deve essere già concluso prima dell’arrivo del segnale diffratto. Domke ha modellato l’aggiunta di canali acustici per guidare il segnale a impulso (Figura 5) e ha potuto prevenire la distorsione del segnale trasmesso.
Figura 5. Propagazione di una piccola onda acustica dal trasduttore verso la zona del bordo della banconota e il ricevitore. Sketch del setup simulato
Sviluppi futuri
Domke e Thierauf si affidano alla simulazione multifisica anche per altri aspetti dello sviluppo di sensori e 
continueranno a estendere la possibile gamma di simulazioni da utilizzare. Sperano che l’utilizzo continuato della simulazione consentirà di raggiungere un più alto grado di flessibilità per rispondere alle specifiche dei clienti, un’identificazione ottimale delle banconote potenzialmente contraffatte e un elevato allineamento dell’ispezione di idoneità con le percezioni umane.
