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Annäherungsschalter
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Die Erfindung betrifft einen Annäherungsschalter nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Annäherungsschalter werden zu den verschiedensten Zwecken eingesetzt.
Ein Beispiel ist die Erfassung eines Schwimmers auf~der Oberfläche einer Flüssigkeit
in einem Behälter, um so dessen Füllstand überwachen zu können. Diese Erfassung
kann an sich auf optische, mechanische oder elektrische Weise erfolgen. Bei elektrisch
arbeitenden Annäherungsschaltern wird die. Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften
eines Bauelementes, z. B. einer Spule oder eines Kondensator, durch einen sich annähernden
Gegenstand - im obigen Beispiel durch den Schwimmer - ausgenutzt. Beit einer Spule
ändert sich bekannt-lich deren Induktivität, wenn sich ihr ein metallischer Gegenstand
nähert.
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Die elektrische Schaltung des Annäherungsschalters ist in einem Gehäuse
untergebracht, daß aus einem Material hergestellt- sein sollte, daß die elektrischen
Eigenschaften des die Annäherung des Gegenstandes erfassenden Bauelem,entes, also
z-. B. einer Spule, nicht beeinflußt, da sonst Verfälschungen des Meßergebnisses
nicht zu vermeiden sind. Aus diesem Grund ist bei induktiv arbeitendenAnnähe-.rungsschalter
ein geschlossenes Metallgehäuse als unzweckmäßig angesehen worden. Um aber den Annäherungsschalter
und speziell dessen die Annäherung des Gegenstandes erfassende aktive Oberfläche
gegen Umwelteinflüsse wie Überdruck, Unterdruck, hohe und tiefe Temperaturen, chemische
Einwirkungen dur Säuren und Laugen, Funkensprühen bei Schweißvorgängen, Beschädigungen
durch scharfe Kanten usw. möglichst unempfindlich zu machen, sollte das Gehäuse
des Annäherungsschalters ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit zumindest teilweise
aus Metall bestehen oder hinter einer Metallwand angeordnet werden können.
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Esist daher die Aufgabe der Erfindung, einen genau arbeitenden Annäherungsschalter
zu schaffen, der einen metallischen Gegenstand auch durch Metall hindurch erfassen
kann.
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Diese Aufgabe wird bei dem Annäherungsschalter nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil
enthaltenen-Merkmale gelöst.
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Der erfindungsgemäße Annäherungsschalter verwendet also eine Brückenschaltung,
in der zumindest eine Spule vorgesehen ist. Die Bauelemente 4er. Brückenschaltung
sind so ausgelegt, daß nach Einbau der Brückenschaltung in ein Metall enthaltendesGehäuse
oder nach Unterbringung des Gehäuses hinter einer Metallwand bzw. -abschirmung die
Brückenschaltung vorzugsweise abgeglichen ist.
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Durch diesen Abgleich der Brückenschaltung wird eine hohe Empfindlichkeit
des Annäherungsschalters erreicht; Nähert sich dem Gehäuse ein metallhaltiger Gegenstand,
sowird die Brücke verstimmt. was mitder'Auswerteeinheit sofort, genau und einfach
festgestellt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Annäherungsschalter kann so Metallfüllungen in
Metallbehältern, Füllstände von aggressiven Medien in Metallbehältern mittels Metallschwimmern
also Metall durch Metall hindurch, erfassen. Das Gehäuse des Annäherungsschalters
selbst braucht nicht aus Metall zu bestehen. Es genügt, wenn das z. B. aus Kunststoff
hergestellte Gehäuse an der Wand eines Metallbehälters angebracht ist, um den Füllstand
des darin befindlichen Mediums zu überwachen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen
2 bis 11.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters,
J Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Abtasteinheit des in.Fig.1 dargestellten Annäherungsschalters
zur Erläuterung von dessen Betrieb, Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen
für das Gehäuse des Annäherungsschalters und Fig. 7 und 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Brückenschaltung des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters.
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der in einem Gehäuse 17
angeordneten Schaltung des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters.. Diese Schaltung
besteht aus zwei Baugruppen, nämlich aus einer Abtasteinheit 30 und einer Auswerteeinheit
31, die beide von einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle, beispielsweise
einer Batterie, an Anschlüssen 32, 33 mit Energie versorgt werden. Am Anschluß 32
liegt dabei eine positive Spannung +U, während der Anschluß 33 mit einer negativen
Spannung -U beaufschlagt ist.
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Zwischen den Anschlüssen 32, 33 liegt in d-er Abtasteinheit 30 ein
Siebkondensator 1, zu dem parallel eine Reihenschaltung aus einer ersten Spule 2,
der Kollektor-Emitter-
Strecke eine npn-Transistors 3 und einer
zweiten Spule 4 vorgesehen ist. Durch diesen Siebkondensator 1 liegen die beiden
Anschlüsse 3.2, 33 auf.gleichem Wechselspannungspotential. Jeweils parallel zur
Spule 2 bzw. 4 ist ein Widerstand 5 bzw. 6 vorgesehen.
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Der Kollektor des Transistors 3 ist über einen Kondensator 7 mit der
Basis eines weiteren npn-Transistjors 11 verbunden, dessen Emitter an das dem Emitter
des Transistors 3 abgewandte Ende der Spule 4 bzw. des Widerstandes 6 angeschlossen
ist. Der Kollektor des Transistors 11 ist einerseits direkt mit. der Basis des Transistors
3 umd andererseits über einen Vorspannwiderstand 9 und den Kondensator 7 mit dem
Kollektorwdes Transistors 3 verbunden.
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Außerdem liegt ein Arbeitswiderstand 10 zwischen dem Kollektor des
Transistors 11 und dem mit dem Anschluß 32 verbundenen Ende der Spule 2 bzw. des
Widerstandes 5.
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Zwischen dem Emitter des Transistors 3 und der Basis des Transistors
11 liegt noch ein Kondensator 8.
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Der Emitter des Transistors 11 liegt also an dem mit der negativen
Spannung -U beau.fschlagten Anschluß 33, während der Kollektor des Transistors 11
mit dem Arbeitswiderstand 10, den Vorspannwiderstand 9 und der Basis des Transistors
3 verbunden ist. Das vom Kollektor des Transistors 11 abgewandte Ende des Widerstandes
10 ist mit dem Anschluß 32 für die positive Spannung verbunden, während der Vorspannungswiderstand
9 zwischen Kollektor und Basis des Transistors 11 vorgesehen iSt. Der Vorspannwiderstand
9 dient so zur Gleichspannungs-Vorspannung und damit zur Arbeitspunkteinsellung
des Transistors 11.
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D~ie<Auswerteeinheit 31 ist eine an 5 übliche WechselspannungS-Vtrdopplungsschaltung
und besth 5 einem
pnp-Trånsistor 16, dessen Emitter-Basis-Strecke
zwischen dem Anschluß 32 und einem Ausgangsanschluß 34 liegt, einer Reihenschaltung
aus einem Kondensator 12 und einer Diode zwischen dem Kollektor des Transistors
11 und der Basis des Transistors 16, einem Kondensator 15 zwischen Basis und Emitter
des Transistors 16 und aus-einer Diode i3 zwischen dem Anschluß 32 und dem vom.Kollektor
des Transistors 11 abgewandten Ende des Kondensators 12. -J Das zur Weiterverarbeitung
dienende Wechselspannungs-Ausgangssignal der Abtasteinheit 30 liegt am Kollektor
des Transistors 11 an und wird so über dem Kondensator 12 der Auswerteeinheit 31
zugeführt.
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Für die Auswerteeinheit 31 kann auch ein anderer Aufbau gewählt werden.
Ebenso ist es möglich, beispielsweise anstelle der npn-Transistoren 3 und 11 der
Abtasteinheit 30 pnp-Transistoren vorgesehen. Im diesem Fall muß aber an den Anschluß
33 die positive Spannung +U und an den Anschluß 32 die negative Spannung -U gelegt
werden.
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Auf das -Gehäuse 17, das aus Metall oder auch aus Kunststoff bestehen
kann, wird weiter unten anhand der Fig. 3 bis 6 näher eingegangen werden.
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Zunächst soll -nämlich die Arbeitsweise der Abtansteinheit 30 anhand
von deren in Fig. 2 gezeigten Wechselstrom-Ersatzschaltbild näher erläutert werden.
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Dieses Wechselstrom-Ersatzschaltbild der Abtasteinheit 30 neigt zwei
Brückenzweige 26, 27 und einen Wechselspannungsrerstärker 20. Der Brückenzweig 27
wird durch die beiden iondensatoren 7,8 gebildet,wobei ein Anschluß des Kond lensators
7 an einer dem Kollektor des Transistors 3 Fig. 1 entsprechenden Speiseleitung 23
liegt, während
der ander-e Anschluß des Kondensators 7 an einen
Brückenpunkt 22 angeschlossen ist, der den gemeinsamen Punkt der Kondensatoren 7,
8-in Fig. 1 entspricht. In ähnlicher Weise ist ein Anschluß des Kondensators 8 mit
dem Brückenpunkt 22 verbunden während der andere Anschluß an einer Bezugsleitung
24 liegt, die dem Emitter des Transistors 3 in Fig. 1 entspricht.
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Der Brückenzweig 26 besteht aus den beiden Spulen 2, 4 und aus den
beiden Widerständen 5, 6. Der eine Anschluß der Spule 2 liegt an der Speiseleitung
23, während der andere Anschluß der Spule 2 mit einem Brückenpunkt 21 verbunden
ist. Das Potential des Brückenpunktes 21 entspricht dem Wechselspannungspotential.am
Siebkondensator 1 in Fig. 1.
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In ähnlicher Weise liegt die Spule'4 zwischen dem Brückenpunkt 21
und der Bezugsleitung 24.
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Die tatsächlichen Spulen 2, 4 von Fig. 1 können wechselströmmäßig
als Reihenschaltung aus jeweils einem Blindanteil bzw. einem induktiven Anteil 2a
bzw. 4a und einem Realanteil bzw. einem ohmschen Anteil 18 bzw. 19 angesehen werden.
Der Blindanteil L einer Spule hängt bekanntlich im wesentlichen von der jeweiligen
Windungszahl der Spule ab, während der Realanteil R in erster Linie durch das Material
des für die Spule verwendeten Wickeldrahtes und den Drahtquerschnitt festgelegt
wird. Die Güte Q einer Spule ist dann definiert durch: Q = 2# f- L R wobei f die
verwendete Frequenz des durch die Spule fließenden Stromes bedeutet.
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Wie in Fig Im liegt zur Spule 2 der Abgleichwiderstand 5 und zur.Spule
4 der -Abgleichwiderstand 6 parallel. Der Brückenpunkt 21 ist an den negativen Eingang
des Vers.tärkers 20 angeschlossen, während dessen positiver Eingang mit dem Brückenpunkt
22 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 20 ist mit der Speiseleitung 23. und
über einen Ausgangsanschluß 25 mit der Auswerteeinheit 31 bzw. dem Kondensator 12
verbunden. Schließlich liegt noch der Bezugseingang des Verstärkers 20 jeder Bezugsleitung
24.
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Durch Induktion ändert sich die Güte Q einer Spule, wenn Metalle
in ihre Nähe gebracht werden. Dabei steigt die Güte Q in gewissen Frequenzbereichen
an, wenn der Spule ferromagnetische Stoffe, wie beispielsweise-Eisen und Stahl (sogenannte
FE-Metalle)angenähert werden. In den gleichen Frequenzbereichen sinkt die Güte Q
bei Annäherung nichtferromagnetischer Stoffe, wie z. B. nicht-magnetischer VA-Metalle,
Kupfer, Messing, Aluminium (sogenannte NF-Metalle). In anderen Frequenzbereichen
kann dieses Verhalten auch umgekehrt sein.
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Diese Anderung der Güte b-e-Ider-Annäherung oder Entfernung eines
Metalls wird bei der Erfindung ausgenutzt: Wird nämlich vorausgesetzt, daß die Spulen
2 und 4 elektrisc-h vollkommen-gleich sind, was zudem praktische Vorteile mit sich
bringt, dann ist die Brückenschaltung nach Fig. 2 im Gleichgewicht, sofern auch
die beiden Kondensatoren 7,8 elektrisch gleich sind. Dieses Gleichgewicht bedeutet,
daß an den Brückenpunkten 21 und 22 keine Spannungsdifferenz entsteht, in den Verstärker
20 kein zu verstärkendes Eingangssignal eingespeist ist und somit
am
Ausgangsanschluß 25 keine Spannung -entsteht, Sind die Spulen 2 und 4 elektrisch
nicht gleich, so muß zur'-Herstellung des Gleichgewichtes-da's Verhältnis der Kapazitäten
der Kondensatoren 7 und 8 das gleiche sein wie das Verhältnis- der induktiven Spulen
2 und 4. In beiden Fällen werden die Widerstände 5 und 6 theoretisch an sich nicht
benötigt. Aus Gründen der Temperaturstabilität sind diese Widerstände 5,6 aber vorteilhaft.
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Wird nun ein Metall in die Nähe der Spule- 2 und/nder in die Nähe
der Spule 4 gebracht, so verliert die Brückenschaltung ihr Gleichgewicht, da sich
die Güte der Spulen ändert.
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Zwischen den Brückenpunkten 21 und 22 entsteht eine Spannungsdifferenz,
die im Verstärker 20.verstärkt und.
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in die Leitungen 23,24 eingespeist wird. Die'Schaltung schwingt, und
am Ausgangsanschluß 25 kann eine Wechselspannung abgegriffen werden, deren Frequenz
von der Wahl der Spulen 2, 4 und Kondensatoren 7,8 abhängt und die die Annäherung
oder die Entfernung des Metalls anzeigt.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Änderung der Güte der
Spule bei Annäherung eines Metalls durch die Brückenschaltung des Annänerungsschalters
ausgenutzt werden kann: a) Eine durch Annäherung eines Metalls bereits verstimmte
Brückenschaltung wird elektrisch durch die Widerstände 5,6 und durch entspr;8hend-es
Verändern der 8RESazitäten der Kondensatoren 7,8 wieder ins ~ Gleichgewicht gebracht.
Die Brückenschaltung k.ann dann erneut durch A > nes~zweiten Metalls verstimmt
werden, so daß die so entstehende Wechselspannung am Ausgangsanschluß 25 weiterverar--eitet
werden kann.
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b) Eine zweite Möglichkeit besteht nun darin, die Brückenschaltung
von vornherein mit Hilfe der Widerstände 5,6 und durch entsprechende Wahl der Kapazitäten
der Kondensatoren 7,8 zu verstimmen. Durch Annähern von Metall an die Spulen kommt
die Brückenschaltung in Gleichgewicht, das sie bei Annähern eines zweiten Metalls
verliert. Wie bei der Mög-lichkeit (a) wird ein das Annähern des zweiten Metalls
anzeigendes Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 25 erhalten.
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c) In einer weiteren Möglichkeit wird ausgenutzt, daß eine Spulen
aufweisende -Brückenchaltung, die im Gleichgewicht ist, dieses verliert, wenn ihr
ein erstes Metall angenähert wird. Bei Annäherung' eines zweiten Metalls mit zum
ersten Metall entgegengesetzte '2Wirkungsrichtung" kann die Brückenschaltung dann
wieder abgeglichen werden. Das erste Metall ist z. B. ein NE-Metall, w.ährend für
das zweite Metall ein FE-Metall benutzt wird. Diese Möglichkeit ist allerdings etwas
weniger vorteilhaft, da bei ihr nicht eine am Ausgangsanschluß 25 anliegende Wechselspannung,
sondern vielmehr das Verschwinden einer solchen Wechselspannung ausgewertet werden
muß.
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d) Eine durch Annäherung eines Metalls bereits verstimmte Brückenschlatung
wird elektrisch durch die Widerstände 5;6 und durch 9 echendes Verändern der Kapazitäten
der Kondensatoren 7,8 wieder ins Gleichgewicht ge'bracht. Die''Brückenschaltung
kann dann erheut durch Annähern eines zweiten Metalls verstimmt werden, so daß die
so ents-mehnd'e~W-echselspannung am Ausgangsanschluß 25 weiterverarbeitet werden
kann.
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Eine derartige Phasenverschiebung ist aber am Aus--gangsanschluß
25 schwierig zu verarbeiten, wobei noch zu berü-cksichtigen ist, daß dann auch die
Verstärkerschaltung aufwendiger gestaltet werden müßte.-Eine einfache Ver.stärkerschaltung
mit lTransistoren wärevjedenfalls nicht ausreichend.
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Bei allen obigen Möglichkeiten wird davon ausgegangen,-daß in der
Praxis nur eine der beiden. Spulen stark durch das sich nähernde Metall beeinflußt
wird, da allein schonyaus mechanischen Gründen eine Spule zimmer näher bei dem abzutastenden
Metall ist. Um diese Wirkung noch zu verstärken, werden zweckmäßigerweise die beiden
Spulen 2,4 magnetisch entkoppelt, d. h.s sie werden senkrecht zueinander angeordnet.
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Es ist auch möglich, in der Schaltungsanordnung von Fig. 1 beispielsweise
die Spule 2 wegzulassen und den Kondensator 8 durch einen Widerstand zu ersetzen.
Ebenso könnte auch die Spule 4 weggelassen und der Kondensator 7 durch einen Widerstand
ersetzt werden. Alle obigen Mögli,chkeiten (a) bis (d) lassen sich auch mit einem
derartigen'Aufbau realisieren, Allerdings wäre eine -solche Brückenschaltung sehr
temperaturempfindlich und müßte bei jeder Temperaturänderung wegen der unterschiedlichen
Temperaturabhängigkeiten ihrer Bauelemente erneut abgeglichen werden. Das AusführungsbeispieL.von
Fig. l-Lst praktisch nicht temperaturabhängig, da, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist,
die Spulen 2 und 4 und die Kondensatoren 7 und 8 elektrisch gleich und symmetrisch
zueinander angeordnet sind.
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Der Einfluß der Kondensatoren 7,8 auf die Güte- der Schaltung kann
praktisch vernachlässigt werden.,
Im Ausführungsbeispiel von Fig.
1 liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors 11 bei abgeglichener Brückenschal*-tung
keine Spannungsdifferenz'an. Ist die Brückenschaltung dagegen nicht abgeglichen,
so liegt abhängig von der Verstimmung der Brückenschaltung zwischen Basis und Emitter
des Transistors 11 e'ine Spannungsdifferenz,die durch den Transistor 11 verstärkt
ist ,und über dessen Arbeitswiderstand 10 abgegriffen werden kann. Die so gewonnene
Wechselspannung wird der Auswerteeinheit 31 und gleichzeitig auch der Basis des
Transistors 3 zugeführt, wo sie verstärkt und in die Brückenschlatung 'rückgekoppeit"
wird.
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Bei Annäherung eines abzutastenden Metalls wird die Brückenschaltung
abhängig von den obigen Möglichkeiten ( a) bis (d) elektrisch abgeglichen oder verstimmt.
Welche der Moglichkeiten (a) bis (d) vorliegt, wird zweckmäßigerweise durch entsprechende
Wahl der Kondensatoren 7,8 und durch entsprechenden Abgleich bzw. durch entsprechende
Verstimmung mittels der Widerstände 5,6 festgelegt.
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Die Fig. 3 bis- 6 zeigen verschiedene Möglichkeiten, wi-e die Schaltungsanordnung-des
Annäherungsschalters im Gehäuse 17 untergebracht werden kann. Im Fig. 3 besteht
das gesamte.Gehäuse 17 aus Metall. Die Spulen 2,3 sind senkrecht zueinander auf
einer Trägerplatte 39 für die Bauelemente der Schaltungsanordnung des Annäherungsschalters
angebracht. Wenn die Brückenschaltung nach Unterbringung im Gehäuse 17 z. B- + Gleichgewicht
ist, dann wird dieses bei Annäherung eines abzutastenden Metalls 40 gestört, so
d « uswerteeinheit 31 ein entsprechendes. Signgeführt wird. In dem in Fig. 4 gezeigten
Beispiel besteht das Gehäuse 17 aus Kunststoff und ist mit einer bletallkappe 41
versehen. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform für das Gehäuse 17, das hier
aus Kunststoff
oder Metall bestehen kann, was auch für eine vor
der Spule 2 angeordnete aktive Oberfläche 42 gilt. Zugleich die Metallkappe 41 sollte
wie im Beispiel von Fig. 4 aus Metall hergestellt sein. Fig. 6 zeigt ein Beispiel
wie ein entsprechend den Fig. 3 bis 5 gestalteter Annäherungsschalter hinter.einer
Metallabdeckung oder -wand 3 angebracht werden kann.Wird der Näherungsschalter hinter
einer solchen Metallwand eingesetzt, dann kann das gesamte Gehäuse 17 aus Kunststoff
hergestellt sein und benötigt auch keine Metallkappe.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Brückenschatung,'wobei
Fig. 7 das Ersatzschaltbild von Fig. 8 darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Widerstände 5 und 6 des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 weggelassen. Dafür
sind ze.i Widerstände 28,29 zwischen dem Kollektor des Transistors 3 und der Spule
2 bzw. zwischen dem Emitter des Transistors 3 und der Spule 4 vorgesehen, um den
Abgleich vornehmen zu können. Der Widerstand 28 liegt dabei in Reihe zur Spule 2
bzw. zum Realanteil 18, so daß der Realanteil '18 über diesen Widerstand 28 mit
dem Brückenpunkt 21 verbunden ist (vgl. Fig. 7). Ebenso ist der Realanteil 19 der
Spule 4 über einen Widerstand 29 (vgl. Fig. 8) mit dem Brückenpunkt 21 verbunden.
Bei.dieser Ausführungsform liegen die Widerstandswerte der Widerstände 28,29 im
Bereich von 10 -3 Ohm, was gegenüber den Widerständen 5, 6, die im Bereich von 103
Ohm seinönnen, ein Nachteil ist, da Widerstände mit so kleinen Widerstandswerten
oftschwierig zu erhalten sind.
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