DE3225193A1 - Induktiver naeherungsschalter - Google Patents

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PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 ο · D 7000 STUTTGART 1

A 45 158 b Anmelder: Gefohard Balluff k - 176 Fabrik feinmechanischer

30. Juni 1982 Erzeugnisse GmbH & Co.

Gartenstraße 21 7303 Neuhausen a.d.F.

Induktiver Näherungsschalter

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungs- ' schalter mit einem der Erzeugung eines gerichteten magnetischen Wechselfeldes dienenden Tastkopf mit einer Tastkopfspule als Bestandteil eines LC-Schwingkreises eines HF-Oszillators.

Derartige induktive Näherungsschalter sind in zahlreichen Varianten/ beispielsweise aus der DE-AS 24 61 169 bekannt.

Die bekannten-induktiven Näherungsschalter sind praktisch alle so ausgebildet, daß mit ihrer Hilfe nur die Annäherung eines ferro-magnetischen Metallgegenstandes gut erfasst werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in vielen Fällen auch die Möglichkeit zur Erfassung der Annäherung unmagnetischer Metallgegenstände, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Messing und dergleichen wünschenswert wäre.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß mit seiner Hilfe auch die Annäherung von un-

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magnetischen Metallgegenständen./ d.h. die Annäherung von paramagnetischen und diamagnetischen metallischen Gegenständen erfasst werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Tastkopfspule am Tastkopf mit einem geschlossenen Stromkreis aus einer Induktivität und einem ohmschen Widerstand derart gekoppelt ist, daß der Oszillator bei ungestörtem Feld bedämpft und bei einer Störung des Feldes durch einen unmagnetischen Metallgegenstand derart entdämpft wird, daß sich eine Schwingung ergibt.

Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Näherungsschalters besteht darin, daß er ohne besondere Vorkehrungen auch dort eingesetzt werden kann, wo die bisher üblichen Näherungsschalter, welche nur auf ferro-magnetische Materialien gut ansprechen, nicht verwendet werden können.

Bei dem Näherungsschalter gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Widerstandswert des Reihenwiderstandes zu der zusätzlichen Induktivität so gewählt ist, daß sich bei der bei ungestörtem. Feld vorhandenen Kopplung zwischen der zusätzlichen Induktivität und

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der Tastkopfspule eine Leistungsanpassung ergibt/ was eine maximale Bedämpfung des HF-Osz.illators durch die zusätzliche Reihenschaltung aus Induktivität und Widerstand ergibt und damit einer· maximalen Verlustleistung. Andererseits führt bei dieser Ausgestaltung bereits eine relativ geringe Störung des Feldes und eine entsprechend geringe Änderung der Kopplung zu einer deutlichen Entdämpfung des Oszillators bzw. des Schwingkreises, so daß die Annäherung eines Metallgegenstandes sicher erkannt und in entsprechende Steuersignale umgesetzt werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, dem zusätzlichen Transformatorkreis aus Induktivität und ohmschen Widerstand durch einen einfachen Metallring zu realisieren, welcher als Spule mit einer einzigen Windung mit einem entsprechenden Widerstandswert wirkt, wobei als Metallringe insbesondere magnetisierbar Metallringe bevorzugt werden, da die ohmschen Verluste in derartigen magnetisierbaren Metallringen deutlich höher sind als die ohmschen Verluste in einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material.

Bei der praktischen Realisierung eines induktiven Näherungsschalters gemäß der Erfindung hat es sich ferner als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Tastkopfspule in üblicher Weise innerhalb.eines Topfkerns angeordnet ist, so daß ein Feld mit deutlicher

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Richtcharakteristik erhalten wird, während, die zusätzliche Induktivität als Spule am vorderen Ende des Topfkerns konzentrisch zu dessen Außenwand angeordnet ist. Dabei ist es günstig, wenn zwischen der Außenwand des Topfkerns und der zusätzlichen Spule ein kleiner Ringspalt verbleibt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung.hat es sich als günstig erwiesen, wenn entsprechende Steuereinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Reihenschaltung aus Induktivität und ohmschem Widerstand unterbrochen und damit unwirksam gemacht werden kann, so daß der erfindungsgemäße Näherungsschalter nunmehr als normaler induktiver Näherungsschalter für das Erfassen magnetisierbarer Metallelemente eingesetzt werden kann, wobei allerdings zu beachten ist, daß die am. Ausgang des* Näherungsschalters auftretenden Steuersignale bei dieser Betriebsart die entgegengesetzte Bedeutung haben wie beim Erfassen von unmagnetischen Metal!gegenständen, da der Schwingkreis durch unmagnetische Materialien entdämpft wird, während er durch magnetisierbare Materialien bedämpft wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

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Pig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters mit. den zugehörigen Auswerteeinrichtungen;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den Tastkopf eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters;

Fig. 3 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters und

Fig. 4 eine Steuerung zum Umschalten eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters vom Erfassen unmagnetischer Metallgegenstände auf das Erfassen magnetisierbarer Metallgegenstände.

Im einzelnen zeigt Fig» 1 ein Block-Diagramm mit einem Hochfrequenz-Oszillator mit Resonanz-Transformator Block 10 - der den eigentlichen Näherungsschalter bildet und dem ausgangsseitig ein Demodulator 12 nachgeschaltet ist/ der im Prinzip aus einem Gleichrichter und einem "Glättungskondensator besteht, wie die,s in der Zeichnung angedeutet ist. Mit der Ausgangsseite des Demodulators 12 ist dann ein Schmitt-Trigger mit Schaltverstärker - Block 14 - verbunden.

Von den drei Blöcken des kompletten Näherungsschalr, ters gemäß Fig. 1 interessiert im Rahmen der vor-

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liegenden Anmeldung insbesondere der" Block 10 und hier wieder speziell die Ausgestaltung der Transformatoranordnung des Tastkopfes des Näherungsschalters. Die betreffenden Elemente sind in Fig. 2 dargestellt. Im einzelnen zeigt Fig. 2 einen Topfkern 16, in welchem sich in üblicher Weise eine Tastkopfspule 18 befindet, welche drei Anschlüsse 1,2 und 4 besitzt·, wobei die Anschlüsse 1 und 4 den Enden der Tastkopfspule 18 und der Anschluß 2 einer Anzapfung derselben zugeordnet ist. Am vorderen Ende des Topfkerns 16 ist als zusätzliche Induktivität eine weitere Spule 20 vorgesehen, welche zumindest teilweise über die offene Stirnseite des Topfkerns 16 vorsteht und zwei Anschlüsse 5, 6 aufweist, über die die Enden der zusätzlichen Spule 20 mit einem Widerstand 22 verbunden sind, so daß sich hier ein geschlossener elektrischer Kreis aus der Reihenschaltung einer Induktivität und

eines Widerstandes ergibt. Dabei ist zwischen der Spule und dem Topfkern 16 ein Ringspalt s vorhanden.

In Fig. 2 "sind"ferner die Feldlinien'-des von der Tastkopfspule 18 erzeugten magnetischen Feldes dargestellt, und man erkennt, daß der resultierende Fluß durch die zusätzliche Spule 20 aufgrund von Feldlinien des Streufeldes erhalten wird, die sich in der Nähe des offenen Endes des Topfkerns 16 auf der Außenseite desselben konzentrieren. Bei -iem erfindungsgemäßen Näherungsschalter bzw. bei der spezielle!!..*Anordnung gemäß Fig. 2 wird nun die Tatsache ausgenutzt, daß gerade die Feldlinien, die zu dem resultierenden

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magnetischen Fluß durch die zusätzliche Spule 20 führen, durch ein uninagnetisches Material, welches in das Magnetfeld gelangt, besonders stark beeinflusst werden, und zwar im Sinne einer Reduzierung des magnetischen Flusses durch die zusätzliche Spule 20 und damit zu einer drastischen Verringerung,der Kopplung zwischen der Tastkopfspule 18 und der Spule 20.

Die vorstehend beschriebene Anordnung gemäß Fig. 2 wird beim kompletten Näherungsschalter, wie dies aus Fig. 3 deutlich wird, durch einen Kondensator C 1 zwischen den äußeren Anschlüssen 1 und 4. der Tastkopf spule 18 zu einem Resonanztransformator ergänzt, für dessen Übersetzungsverhältnis folgende Gleichung gilt: ü = (L₂/M)²

wobei L, = Induktivität der Spule 20 und : M = Gegeninduktivität.

Dabei gilt für die Gegeninduktivität M folgende Glei-.

chung: ■ .

M = (0/I₁) · N₂

wobei I₁ = Strom in Tastkopfspule 18,

N₂ = Windungszahl der Spule 20 und 0 = resultierender magnetischer Fluß durch die Spule 20.

Wie das Schaltbild gemäß Fig. 3.zeigt, bildet die Tastkopfspule 18 zusammen mit einem Kondensator C 1 und einem Verstärkerteil mit zwei Transistoren T 1, T 2

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und drei Widerständen Rx, R 1,C 2,R 2 einen elektrischen Schwingkreis, der in unbedämpftem Zustand, beispielsweise mit einer Frequenz von etwa 500 bis 600 kHz schwingt. Dabei wird von dem Transistor T 1 nur die Basis-Emitter-Strecke als.. Diode benutzt, um eine besonders, gute Anpassung an die elektrischen Eigenschaften der Basis-Emitter-Strecke des als Transistor geschalteten Transistors T 2 zu. erhalten.

Wenn in diesem Schwingkreis der Strom in der Spule 18 gerade vom Anschluß 1 zum Anschluß 4 fließt, dann ist der als Diode arbeitende Transistor T 1 gesperrt, so daß der Stromfluß durch die Spule 18 eine entsprechen- " de Aufladung des Kondensators C 1 zur Folge hat. Außerdem kann über den Widerstand R 1 der Transistor T 2 leitend gesteuert werden, so daß über den Widerstand R 2, den Transistor T 2, den Widerstand R χ und den zwischen der Anzapfung 2 und dem Anschluß 4 der Spule 18 liegenden Spulenteil ein Strom zwischen dem positiven Speisespannungsanschluß (+) und dem negativen Speisespannungsanschluß (-) der Schaltung fließen kann. Die Tastkopfspule 18 arbeitet als Spartransformator, .wobei die Nieder-Volt-Wicklung zwischen der Anzapfung 2 und dem - in Fig. 3 - oberen Spulenanschluß 4 liegt. Da aber bei einem Transformator bekanntlich die Ströme .und Spannungen auf der Primärseite und der Sekundärseite um 180° gegeneinander versetzt sind., muß folglich zwischen den Anschlüssen 1 und 2 ein Strom fließen, der unter den oben angegebenen Voraussetzungen -

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Stromfluß von 1 nach 4 - von dem Anschluß 2 zum Anschluß 1 gerichtet ist.

Wenn der Kondensator C 1 unter den angegebenen Betriebsbedingungen weit genug aufgeladen ist, kehrt sich die'Stromrichtung um. Der Kondensator C 1 entlädt sich also über die Hochvolt-»Wicklung der Spule 18, während über die. tiiedervolt-Wicklung derselben kein Strom mehr fließen kann, da die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T 2 in dieser Richtung sperrt. Wenn der Kondensator C 1 dann vollständig umgeladen ist, fließt der Strom wieder vom Anschluß 1 zum Anschluß 4 und in der Niedervolt-Wicklung vom Anschluß 2 zum Anschluß 4· Während dieser Halbwelle der Oszillatorschwingung arbeitet der Transistor · T 2 wieder als Verstärker, um dem Schwingkreis die erforderliche Energie zuzuführen. Dabei wird die Höhe des Impulses durch den Widerstand R χ begrenzt.

Bei schwingendem Schwingkreis und bei leitendem Transistor T 2 bilden der Widerstand R 2, der Transistor T 2 und der Widerstand R χ sowie das zwischen den Anschlüssen 2 und 4 liegende Teilstück der Tastkopfspule 18 einen Spannungsteiler/ Damit ergibt sich, .wenn man den positiven Speisespannungsanschluß als Bezugspotential betrachtet, in dieser. Halbwelle der Schwingung am Kollektor des Transistors T 2 eine verhältnismäßig hohe negative Spannung, da der Widerstand R 2 gegenüber den anderen Elementen des Spannungs-

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tellers hochohmig ist. Dabei ist der Kondensator C 2 zwischen dem Kollektor des Transistors T 2 und dem negativen Speisespannungsanschluß nahezu kurzgeschlossen und kann sich kaum aufladen. Wenn der Transistor T 2 dann während der nächsten Halbwelle sperrt,beginnt sich der Kondensator C 2 über den Widerstand R aufzuladen, wobei jedoch wegen der hohen Frequenz und der Dimensionierung der Elemente dieses R C-Gliedes nur eine geringe Aufladung erreicht wird. Der Kondensator C 2 dient also letztlich dem Glätten der Eingangsspannung für eine Kippschaltung 24, die in üblicher Weise aufgebaut sein kann und deren Elemente in Fig. 3 dargestellt, jedoch nicht näher bezeichnet sind und hier auch nicht näher erläutert werden sollen. Es soll vielmehr der Hinweis genügen, daß die Transistoren der Kippschaltung 24 durchschalten, wenn der vorstehend betrachtete Schwingkreis schwingt und am Kollektor des Transistors T 2 eine entsprechend hohe Gleichspannung mit vernachlässigbarer Restwelligkeit ansteht.

Die Schaltung gemäß Fig. 3. entspricht, soweit sie bis hierher erläutert wurde, im wesentlichen der Schaltung eines üblichen Näherungsschalters.Bei einem erfindungsgemäßen Näherungsschalter kann jedoch der elektrische Schwingkreis nur dann schwingen., wenn die Kopplung zwischen den Spulen 'iS und .20 gegenüber der .normalerweise bestehenden Kopplung dadurch abgesenkt ist, daß sich im Magnetfeld des Tastkopfes, ein unmagnetischer,

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metallischer Gegenstand befindet, wenn dies nicht der Fall ist, dann ist dagegen die Bedämpfung des Schwingkreises wegen der Verluste in den angekoppelten Transformatorkreis 20, 22 so hoch, daß dieser nicht schwingen kann, so daß die Kippschaltung 24 in ihrem dem bedämpften Zustand des Schwingkreises entsprechenden Schaltzustand verbleibt.

Da bei einem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter sämtliche Elemente eines konventionellen induktiven Näherungsschalters vorhanden sind, die jedoch durch die einen geschlossenen Stromkreis bildende■:, Reihenschaltung aus der zusätzlichen Spule 20 und dem Widerstand 22 ergänzt sind, besteht in Ausgestaltung der Erfindung ferner die Möglichkeit, durch Unterbrechung des geschlossenen Stromkreises einen konventionellen induktiven Näherungsschalter zu erhalten,welcher auf das Eindringen ferro-magnetischer Elemente in sein Magnetfeld anspricht. Fig. 4 zeigt eine entsprechende Steuerschaltung, mit deren Hilfe es möglich ist, den Näherungsschalter während des Betriebes von der Erfassung von unmagnetischen Metallgegenständen auf die Erfassung magnetisierbarer Metallgegenstände umzuschalten. Zu diesem Zweck ist eine Ablaufsteuerung 26 vorgesehen, deren Ausgang mit dem Oszillator 28 verbunden ist und mit deren Hilfe die Verbindung zwischen der Spule 20 und einem Anschluß des Widerstandes 22 periodisch unterbrochen werden kann. Wenn der Stromkreis aus der Spule 20 und dem Widerstand 22 geschlossen

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ist, dann arbeitet der Oszillator 28 wie vorstehend beschrieben. Wenn dieser Stromkreis jedoch unterbrochen ist, dann arbeitet der Oszillator 28 wie bei einem üblichen induktiven Näherungsschalter für ferromagnetische Elemente. Der Oszillator schwingt also bei ungestörtem Feld und wird durch ein in das Magnetfeld eindringendes ferro-magnetisches Element zunehmend stärker bedämpft, bis die Schwingung bei einem vorgegebenen Mindestabstand abreißt. Dabei .kann der vorgegebene Mindestabstand,beispielsweise für Eisenelemente und Aluminiumelemente,dadurch gleich gemacht werden, daß man gleichzeitig mit der Unterbrechung des geschlossenen Stromkreises 20, 22 eine Umschaltung des Widerstandswertes des Emitterwiderstandes R χ ausführt.

Die Ausgangssignale des Oszillators 28 werden an eine Demodulatorschaltung mit Kippstufe - Block 30 - angelegt, deren Ausgang mit jeweils einem Eingang zweier getakteter Speicher 32, 34 verbunden ist. Ein zweiter Eingang dieser Speicher 32, 34 ist jeweils mit einem weiteren Ausgang der Ablaufsteuerung 26 verbunden. Die Ausgänge der Speicher 32, 34 sind gemeinsam an einen Schaltverstärker 36 gelegt. Die Ansteuerung der Speicher 32, 34 durch die AblaufSteuerung 26 erfolgt in der Weise, daß beim Erfassen von Eisen (Fe) bzw. allgemein ferro-magnetischem Material der Speicher eingeschaltet ist, um die Ausgangssignsie der Kippstufe des Blockes 30 zu übernehmen. Der Speicher 32

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ist über die Ablaufsteuerung 26.dann eingeschaltet, wenn der Stromkreis 20, 22 geschlossen ist und übernimmt während dieser Zeit die Ausgangssignale der Kippstufe des Modulators 30. In den Speichen 32, 34 kann also erkannt werden, ob sich ein unmagnetisches Metallelement, insbesondere Aluminium (Al) oder ein magnetisxerbares Element im Magnetfeld des Tastkopfes befindet oder ob keine Störung des Magnetfeldes vorliegt. Die entsprechenden Ausgangssignale können dann dem Schaltverstärker 36 zugeführt werden. Bei geeigneter Wahl der Länge der Schaltperioden für die Ablaufsteuerung 26 kann ein erfindungsgemäßer Näherungsschalter somit bei der Anordnung gemäß Fig. 4 sowohl unmagnetische Metallelemente als auch magnetisierbare Metallelemente erkennen. Da die betreffenden Informationen in den Speichern 32, 34 zunächst getrennt ausgewertet werden, besteht dabei in Ausgestaltung der Erfindung ferner die Möglichkeit, auch die zusätzliche Information über das in das Magnetfeld eingedrungene Material auszuwerten, so daß derselbe Näherungsschalter beispielsweise auf ein Aluminiumnocken ansprechen kann, um in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Speichers 32 einen ersten Schaltvorgang auszulösen und außerdem auf einen Stahlnocken, um in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Speichers 34 einen zweiten, vom ersten Schaltvorgang verschiedenen Schaltvorgang auszulösen. Es wird also nicht nur ausgewertet, ob überhaupt eine Feldstörung vorliegt, sondern auch, ob diese Feldstörung durch

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ein unmagnetisches oder ein ferro-magnetisches Material ausgelöst wurde,- woraufhin entsprechende, voneinander verschiedene Schaltvorgänge ausgelöst werden.

Wenn der zusätzliche geschlossene Stromkreis bei einem Metalldetektor gemäß der Erfindung nicht durch diskrete Bauelemente, sondern durch einen Metallring gebildet ist, dann ist es besonders vorteilhaft, diesen Metallring aus einer Metallfolie herzustellen, da sich der gewünschte ohmsche Widerstand in diesem Fall durch die Verwendung einer Folie, die nur einige Hundertstel Millimeter dick ist, leicht erreichen läßt.

Außerdem soll noch darauf hingewiesen werden, daß bei einem Metalldetektor gemäß der Erfindung prinzipiell auch die Möglichkeit besteht, die in den zusätzlichen Stromkreis induzierte Spannung direkt auszuwerten, was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 beispielsweise dadurch geschehen kann, daß man die Spannung über dem Widerstand 22 mißt. Bei dieser direkten Auswertung der induzierten Spannung am zusätzlichen Stromkreis kommt es dann natürlich auch nicht mehr darauf an, ob der Oszillator durch den zusätzlichen Kreis bei ungestörtem Feld tatsächlich bedämpft wird oder nicht.

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   Induktiver Näherungsschalter mit einem der Erzeugung eines gerichteten magnetischen Wechselfeldes dienenden Tastkopf mit einer Tastkopfspule als Bestandteil eines LC-Schwingkreises eines HF-Oszillators, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastkopfspule (18) am Tastkopf mit einem geschlossenen Stromkreis aus einer Induktivität (20) und einem ohmschen Widerstand (22) derart gekoppelt ist, daß der Oszillator bei ungestörtem Feld bedämpft und bei einer Störung des Feldes durch einen unmagnetischen Metallgegenstand derart entdämpft wird, daß sich eine Schwingung ergibt.
2. 2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des ohmschen Widerstandes (22) so gewählt ist, daß sich bei der bei ungestörtem Feld vorhandenen Kopplung. ' eine den Oszillator bedampfende Leistungsanpassung ergibt.

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3. 3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Stromkreis durch einen Metallring gebildet ist.
4. 4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ daß der Metallring aus einem magnetisierbaren Material besteht.
5. 5. Näherungsschalter ^ach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastkopfspule (18) im Inneren eines Topfkerns (16) angeordnet ist und daß die Induktivität (20) der Reihenschaltung (20, 22) als Spule (20) am offenen Ende des Topfkerns (16) und angrenzend an dessen Außenwand- angeordnet ist.
6. 6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch-gekennzeichnet, daß Steuereinrichtungen (Fig. 4) vorgesehen sind, mit. deren Hilfe der geschlossene Stromkreis unterbrechbar ist, um anstelle von unmagnetischen Metallgegenständen Gegenstände aus magnetisierbarem Material zu erfassen.
7. 7. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Stromkreis (20, 22) durch die Steuereinrichtungen (Fig. 4) periodisch unterbrechbar ist und daß getrennte Ausgänge für die Auswertung der bei geschlossenem Stromkreis (20, 22) und bei unterbrochenem Stromkreis (20, 22) erhaltenen Ausgangssignale vorgesehen sind.

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8. 8. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Auswerteeinrichtungen zum Auswerten der in die Induktivität des geschlossenen Stromkreises (20, 22) induzierten Spannung vorgesehen sind.
9. 9. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring aus einer Metallfolie besteht.