Elektrische Einrichtung zur Wahrnehmbarmachung von Wechselströmen eines bestimmten Frequenzbereiches. Gegenstand der Erfindung ist eine elek trische Einrichtung zur Wahrnehmbarrnachung von Wechselströmen eines bestimmten Fre quenzbereiches, und zwar unter Anwendung einer Vorrichtung, welche beim Auftreten von Wechselströmen eines bestimmten Fre quenzbereiches zur Wirkung kommt, zum Beispiel von frequenzselektiven Relais nach Art der Wattmeter.
Derartige Einrichtungen sind für selektive Signalisierung und insbe sondere in der Mehrfachtelegraphie mit und ohne Draht verwendbar, da hierdurch eine bessere Ausnützung der Fernleitungen bezw. der Sende- und Empfangsanlage ermöglicht wird, indem eine grosse Zahl von Telegram men gleichzeitig gesendet bezw. empfangen werden kann.
Die vorerwähnten, an sich bekannten frequenzselektiven Relais, auch Wattmeter relais genannt, beruhen auf dem Prinzip, dass von zwei in verschiedenen Stromkreisen liegenden und von Wechselströmen beliebiger Frequenz durchflossenen Spulen, von denen die eine beweglich und die andere fest an geordnet ist und von denen die eine im magnetischen Wechselfeld der andern liegt, die bewegliche Spule unter Einwirkung der in den beiden Spulen fliessenden Ströme eine mechanische Schwingung mit der Differenz frequenz der beiden Ströme ausführt, derart, dass der maximale Ausschlag bei gleichblei bender Grösse der Ströme nur dann eine messbare Grösse erreicht, wenn die Frequenzen der beiden in den Spulen fliessenden Ströme entweder gleich sind oder voneinander nur innerhalb enger Grenzen abweichen.
Ferner ist bei Frequenzgleichheit die Grösse des in diesem Falle konstant bleibenden Ausschlages von der Phasenverschiebung abhängig, und zwar wird bei einer Pbasenverschiebung der Ströme von 90 der Ausschlag gleich Null.
Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, durch die bewegliche Spule des Relais einen Kontakt zu betätigen, der einen Lokalstrom- kreis schliesst und dadurch ein Anzeigemittel betätigt. Hierbei ergeben sich jedoch folgende Schwierigkeiten: Eine derartige Signalisierung wird praktisch sofort wirkungslos, wenn der Auslösestromkreis in seiner Frequenz auch nur ganz wenig von der Erregerfrequenz ab weicht, da der mit der beweglichen Spule verbundene Kontakt in diesem Falle, wie oben erwähnt, eine mit der Differenzfrequenz der Periodenzahlen schwingende Bewegung ausführt und infolgedessen ein Stromschluss im Lokalstromkreis nur zeitweise erfolgt.
Ferner wird das Relais auch bei vollkommen übereinstimmenden Frequenzen, wie schon erwähnt, auch dann wirkungslos, wenn sich Auslösestrom und Erregerstrom gegenseitig in ihrer Phase bis zum extremen Wert von 90 verschieben, da in diesem Falle keine dynamische Wechselwirkung der Spulen auf einander eintritt. Man hat bisher versucht, diese Übelstände, welche sich beide im prak tischen Telegraphenbetrieb mit Rücksicht auf die veränderlichen Eigenschaften der Über tragungsmittel, z. B. der Abhängigkeit der Selbstinduktion Lind Eigenkapazität einer Telegraphenlinie von den Wettereinflüssen, unmöglich vermeiden lassen, durch Synchroni- siereinrichtungen zu verhindern.
Diese machen jedoch die Sende- und Empfangsanordnungen äusserst verwickelt, ohne dass sie eine auch nur einigermassen sichere Gewähr für das Eintreten der beabsichtigten Wirkung geben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere für die Anwendung in der Wechselstrommehrfachtelegraphie, eine Einrichtung zur Wahrnehmbarmachung von Wechselströmen eines bestimmten Frequenzbe reiches zu schaffen, welche ohne Anwendung irgendwelcher Synchronisiereinrichtungen, un abhängig von der Grösse des Frequenzunter- schiedes innerhalb des bestimmten Frequenz bereiches zwischen Auslösestrom und Erreger strom bezw. bei Frequenzgleichheit,
unab hängig von der Grösse der Phasenabweichung des Auslösestrornes gegenüber dem Erreger strom dauernd sicher arbeitet.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch er reicht, dass ein Lokalstromkreis mit zwei oder mehreren Unterbrechungsstellen vorge sehen ist, die durch eine durch Wechselstrom erregte Vorrichtung, welche beim Auftreten von Strömen des bestimmten Frequenzberei ches zur Wirkung kommt (z. B. durch fre- quenzselektive Relais der beschriebenen Art) geschlossen und geöffnet werden, wobei das Schliessen und Öffnen der Unterbrechungs stellen abwechselnd so aufeinander folgt, dass in jedem Moment mindestens eine Unter brechungsstelle geschlossen und so ein dauern der Stromschluss im Lokalstromkreis her gestellt ist.
In der Zeichnung sind verschiedene Aus führungsbeispiele der Erfindung veranschau licht, und zwar zeigt Fig. 1 ein frequenz- selektives Relais, das in eine Einrichtung nach der Erfindung eingebaut werden kann, Fig. 2 ein Diagramm, Fig. 3 das erste Aus führungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 ein Drehmomentdiagramm, Fig. 5 und 6 das zweite Beispiel für drahtlose Mehrfachtele graphie, Fig. 7 und 8 das dritte Beispiel für Mehrfachtelegraphie mit Draht.
In Fig. 1 ist 1 ein hufeisenförmiger la- mellierter Weicheisenkern, 2 ein ebenfalls lamellierter Weicheisenzylinder, der von den Polschuhen 3 des Weicheisenkernes 1 um schlossen wird. Auf dem Eisenkern 1. ist eine Spule Si aufgebracht; im Luftspalt 4 zwischen dem Eisenkern 1 und dem Zylinder 2 befindet sich eine Spule 82, welche in Spitzen 5 zentrisch zum Anker 2 gelagert ist und sich in dem Luftspalt 4 bewegen kann. Die Spule 82 wird durch Spiralfedern 7 in der gezeichneten Mittellage gehalten.
Mit der Spule 82 ist eine Zunge T verbunden, welche sich bei Bewegung mit der Spule 82 mitdreht und als Anzeigemittel für die Be wegungen der Spule S'2 dient.
Das Anzeigemittel T ist gleichzeitig für Kontaktgebung eingerichtet, indem am obern Ende der Zunge T symmetrisch zur Mittel lage derselben zwei Kontakte K angeordnet sind. Die Zunge T kann jedoch für andere Anwendungsarten der Einrichtung, z. B. für Frequenzmessung, auch als einfacher Zeiger ausgebildet sein. Bei Ausschlag der Zunge T kann auf diese Weise ein Lokalstromkreis geschlossen und eine Bewegung der Spule 8z auf diese Weise wahrnehmbar gemacht werden.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 ist folgende Die Spule Si liegt in einem Stromkreis 10 mit einer Wechselstromquelle 11, die Spule Ss in einem Stromkreis 12 mit einer Wechsel stromquelle 13. Die Zunge T und die Kon takte g liegen in einem Stromkreis 15 mit einer Stromquelle 16 und einem den Strom durchgang anzeigenden Mittel 17.
Fliesst ein Wechselstrom im Stromkreis 10 durch die Spule<B>81,</B> ebenso ein Wechselstrom im Strom kreis 13 und durch die Spule S2, so wird, falls das durch die elektrodynamische Wechsel wirkung der beiden Spulen aufeinander ent stehende Drehmoment genügend gross ist und genügend lange einwirkt, die Spule S2 sich in dem Luftspalt 4 verdrehen, hierbei die Zunge T einen Ausschlag vollführen und mit einem der Kontakte .g in Berührung kommen. Hierdurch wird der Stromkreis 15 geschlossen und das den Stromdurchgang anzeigende Organ 17 in Funktion gesetzt.
Wie aus den folgenden Überlegungen ersichtlich, erfolgt eine Kontaktgebung der Zunge T dann und nur dann, wenn in den Spulen Si und 82 Ströme auftreten, deren Frequenzen gleich sind oder voneinander nur in engen vorbestimmten Grenzen abweichen.
Es sei folgender allgemeiner Fall kurz untersucht: Auf das bewegliche System 82 samt Zunge T wirke ein zeitlich veränder liches Drehmoment, welches einem Sinus gesetz folgt, ein. Es sollen bezeichnen - a den momentanen Ausschlagwinkel der Zunge T, am"" den maximalen Ausschlagwinkel der Zunge T, ak den Ausschlagwinkel, bei dem die Kon takte K eben erreicht werden, D den Augenblickswert des Drehmomentes, D mag den Maximalwert des Drehmomentes, k Konstante der Spiralfeder, kt Dämpfungskonstante,
M Trägheitsmoment des beweglichen Sy stems 82.
Das erzwingende Drehmoment D ist nach Voraussetzung - gegeben durch: <I>D =</I> Dmaz sin <I>2</I> 7r ft (1@. wo tv = 2 z<I>f</I> die Kreisfrequenz und<I>f</I> die Periodenzahl des zeitlich veränderlichen Dreh momentes bedeuten.
Für die Bewegung des Systems S2 gilt dann die Differentialgleichung:
EMI0003.0033
Die stationäre Lösung der Gleichung 2 wird eine Sinusbewegung mit der Kreis frequenz<I>2</I> 7r <I>f</I> sein;
es soll daher der Ansatz gemacht werden a = amag sin <I>(2</I> 7c <I>f t</I> -'@ <I>(3)</I> wo am", die Amplitude der Schwingungen des Systems S2 und ?' die Phasenverschie bung zwischen Zungenbewegung und Dreh momentverlauf bedeuten.
Der Ansatz 3 in Gleichung 2 eingesetzt ergibt nach ein fachen Zwischenrechnungen die Ausdrücke für am"" und YP: Insbesondere ergibt sich für am' der Ausdruck
EMI0003.0048
In Fig. 2 ist die Amplitude der Zungen bewegung am"" als Funktion der Periodenzahl der Drehmomentschwankungen f aufgetragen. Die Kurve wurde mit bestimmten Zahlen werten aus Gleichung 4 gezeichnet und auch durch Versuche des Erfinders bestätigt.
Wie man sieht, nimmt am, mit der Frequenz f sehr steil ab, und es gibt eine kritische Periodenzahl der Drehmomentschwankungen f = Z derart, dass eine Kontaktgebung nur für<I>f</I> @ <I>Z</I> erfolgt, denn für<I>f > Z</I> ist die Amplitude am, kleiner als die Entfernung a.k der Kontakte von der Mittellage der Zungen. Diese kritische Periodenzahl 2 hängt von der Entfernung der Kontakte und wie aus der Gleichung 4 ersichtlich, von 1V1, lt, <I>7c1,</I> also von Konstruktionsgrössen ab und lässt sich daher im voraus bestimmen.
Wird mittelst der Einrichtung nach Fig. 1, welche Einrichtung im folgenden kurz mit Relais R bezeichnet ist, die Spule Si dauernd mit einem Strom bestimmter Frequenz ge speist und die Spule S2 von einem Auslöse strom durchflossen, der mehrere übereinander gelagerte Ströme verschiedener Frequenz ent hält, so tritt ein Ansprechen des Relais R nur dann ein, wenn einer der übereinander gelagerten Ströme im Auslösestromkreis die- selbe Frequenz besitzt wie der Strom in der Spule Si oder davon nur innerhalb vorbe stimmter Grenzen abweicht.
Wenn<B>Ni</B> die Frequenz des Auslösestromes (Stromkreis 12), Nk die Frequenz des die Spule<B>81</B> speisenden Stromes (Stromkreis 10) ist, so gilt für die Ströme: i, <I>=</I> ü sin <I>2</I> r Nkt <I>(5)</I> und if <I>=</I> if sin @2 7r Nft <I>-</I> @n) <I>(6)</I> Für das entwickelte Drehmoment gilt dann:
D=cil.if= ciIsin27rNktifsin (27rNft-cp): nach einer bekannten trigonometrischen Formel ist weiter
EMI0004.0026
Das Drehmoment D besteht aus zwei Summanden mit verschiedener Periodenzahl, und zwar:
Dl <I>=</I> D."$ cos [2 7r (1Y1, - Nf) t --@- wj ( und D@, = Dm, cos [2 7r (Nk + Ne) t <I>(</I> Es liegt also der vorher behandelte Fall vor.
Da nun Nk -\- Nf ?' <I>Z</I> ist, so kann die Wirkung von Dü, wie aus Fig. 2 ersichtlich, vernachlässigt werden. Ebenso sieht man, dass N, <I>-</I> Nf C <I>Z</I> sein muss, soll das Dreh moment Dl eine Kontaktgebung zur Folge haben.
Für den Fall Nf = Nk ergibt sich aus Gleichung 8 bei einer Phasenverschiebung cp zwischen Auslösestrom und Speissetrom ein konstantes Drehmoment D, = Dm, cos #o. (10) Das Drehmoment ist in diesem Falle von der Phasenverschiebung zwischen Fern- und Speisestrom von cos @O abhängig.
Ist D, (Fig. 4) dasjenige Drehmoment, das erforder lich ist, um die Zunge T mit einem Kontakt g in Berührung zu bringen, so wird in Fäl len, wo das Drehmoment geringer als D, ist, eine Kontaktgebung nicht erfolgen. In Fig. 4 ist in einem Diagramm die Abhängigkeit der Kurve D, vom Winkel (p gezeichnet. Die Geraden A. B und<I>C D</I> entsprechen dem jenigen Drehmoment, das notwendig ist, um die Zunge mit einem Kontakt in Berührung zu bringen.
Die voll ausgezogenen Teile der Kurve D" zeigen an, in welchen Fällen eine Kontaktberührung erfolgen kann.
Wie ersichtlich, würde ein einfaches Relais R (Fig. 1) eine Kontaktgebung bei beliebigem Phasenwinkel 5p nicht gewähr leisten. Durch die Anordnung von zwei oder mehreren zusammengeschalteten Relais kann jedoch erreicht werden, dass das entstehende Drehmoment unabhängig von der Phasenlage zwischen Auslöse- und Speisestrom die Her stellung des Stromschlusses im Lokalstrom kreis 15 dauernd bewirkt, wenn in den Spulen Si und 82 Ströme entsprechender Frequenz fliessen.
Fig. 3 veranschaulicht das erste Aus führungsbeispiel der Erfindung.
R1 und R2 sind zwei Relais, bei denen die einen Windungssysteme S, in Strom kreisen 20 und 21 liegen, welche von der selben Stromquelle 23 gespeist sind. Im Stromkreis 21 ist jedoch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasenverschiebung des, im Stromkreis 21 fliessenden Stromes gegen über dem Strom im Stromkreis 20 beispiels weise in Form einer Drosselspule 25 ange ordnet.
Am obern Ende der Zungen Ti und T2 sind beiderseitig angeordnete Kontakte Ki und I-2 angeordnet; welche in einem Lokal stromkreis 15 mit einer Stromquelle 16 und einem Anzeigemittel 17 so parallel geschaltet sind, dass bei einem Ausschlag einer der beiden Zungen Ti und T2 nach irgend einer Seite der Stromkreis 15 geschlossen wird.
Die andern Windungssysteine .82 beider Relais Ri und Ra liegen in Serie im Auslösestrom- kreis 12, als dessen Stromduelle 13 ein Trans formator schematisch angedeutet ist.
Die beiden festen Spulen<B>81</B> werden von dem Speisestrom i, bezw. iII durchflossen, die gegeneinander in der Phase um zirka 90 verschoben sind, aber gleiche Frequenz be sitzen.
Ist daher in dein einen Relais R, das Drehmoment D= <I>= k</I> J" Jf cos #o, so wird das zweite Relais Rn ein Drehmoment Dn <I>= k</I> JII Jf sin <B>9</B> besitzen.
Wie man aus dem in Fig.4 gezeichneten Diagramm er kennt, ist in diesem Falle bei beliebigem Phasenwinkel ein Drehmoment, das grösser als Do ist, vorhanden und daher ein sicherer Stromfloss im Lokalstromkräis 15 erreicht, da zumindest einer der vier vorhandenen Kontakte .K1, K2, die alle parallel zueinander geschaltet sind, von einer Zunge T berührt wird. Bei Anordnung von drei Relais, bei denen die Speiseströme um je 120 in der Phase verschoben sind, wird, wenn sechs Kontakte vorhanden sind, ein gleiches Resultat erzielt.
Auch für den Fall, dass Nf- Nb kleiner als 2 wird, wird die Anordnung noch sicher funktionieren. Man kann sich die beiden Fre quenzen gleich vorstellen und den Phasen winkel veränderlich, und zwar mit der Perio denzahl Nf - 11k. Es gilt dann das Diagramm Fig. 4 für die Drehmomente Di und Da, und zwar wird das Diagramm<B>Ni</B> - N; - mal in der Sekunde durchlaufen.
Die Bewegung der beiden Zungen erfolgt mit derselben Periodenzahl als die Drehmomentschwan- kungen. Für diesen Fall ist, wie aus Fig. 2 zu sehen, amax > a, so, dass während einer vollen Schwingung jede Zunge. l' zweimal Kontakt gibt. Die Schwingungen der beiden beweglichen Systeme sind ebenso wie die Drehmomente gegeneinander in der Phese um 90 verschoben, so dass Fig. 4 auch als Diagramm der Zungenbewegungen aufgefail.it werden kann.
In der Ordiuatenachse sind dann a, und a" die momentanen Ausschlag winkel als Abszisse die Zeit t aufzutragen. Die horizontalen Linien 9. I3 und<I>C D</I> entsprechen dann dem Winkel ab, bei wel chem die Kontakte eben erreicht werden.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich, wird, bevor noch der eine Koijtakt geöffnet wird, der andere schon geschlossen sein, so dass während der ganzen Dauer des Fernstromes wenigstens einer der vier Kontakte Ki, Ijj2 geschlossen ist.
Da das Relais nur für einen geringe Frequenzbereich, auf den es eben eingestellt ist, anspricht, ist es gegen atmosphärische oder andere äussere Störungen beinahe un empfindlich.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Er findung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Fig.5 ist schematisch eine Schaltord nung eines Senders für drahtlose Vielfach telegraphie. Die einzelnen Niederfrequenz ströme, welche sämtliche verschiedene Fre quenzen besitzen, -werden über Transforma toren 30 dem Modulationsrohr 32 zugeführt. Den einzelnen Strömen können über Tast- vorrichtungen 33 die Telegraphierzeichen auf gedrückt werden.
Im Modulationsrohr 32 werden die Telegraphierströme einerseits ver stärkt und anderseits einander überlagert und mit dem Summenstrom wird der in dein Senderohr 35 erzeugte Hochfrequenzstrom moduliert. Der modulierte Hochfrequenzstrom wird von der Antenne 36 ausgestrahlt.
In Fig. 6 ist schematisch eine entspre chende Empfangsanordnung für drahtlose Vielfachtelegraphie dargestellt. Die modulierte Hochfrequenzquelle wird durch einen Empfän ger beliebiger Art aufgenommen und gleichge richtet, so dass nur mehr die einander über lagerten Telegraphierströme in den eigent lichen Telegraphenempfänger nach Fig. 6 eintreten.
Die Telegraphierströme werden in einem Verstärkerrohr .10 einer Verstärkung unterzogen, so dass dieses als Stromquelle (13 in Fig. 1) des Auslösestromkreises (12) dient. In diesem sind sämtliche Windungs- systeme S2 in Serie eingeschaltet, wobei je zwei Relais Bi und R2 zusammengehören und auf eine bestimmte Frequenz ansprechen.
Die Anordnung sämtlicher Relaispaare Ri, <I>R2</I> entspricht dem in Fig. 3 dargestellten Aus- führringsbeispiel. Der Lokalstromkreis 15, in dem die Kontaktpaare liegen; enthält eine Gleichstromquelle, z. B. einen Akkumulator 41, und ein die Telegraphenzeichen regi strierenden Apparat, z. B. einen Morseschrei- ber 42.
Je nach der Anzahl der gesandten Telegraphierströme sind ebensoviele Relais paare angeordnet, so dass je ein Relaispaar auf eine Frequenz, d. b. nur auf einen der Telegraphierströmeanspricht und einen eigenen lokalen Stromkreis steuert. Auf diese Weise können eine grosse Anzahl von Strömen ver schiedener Frequenz, welche in den Nieder frequenzverstärker 40 gelangen, durch die Relaispaare getrennt und die einzelnen Tele graphenzeichen aufgenommen werden.
Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 7 zeigt eine Sendeschaltung bei Vielfachtelegraphie mit Draht. Hierin sind Transformatoren 45 als Stromquellen für die Telegraphierströme mit verschiedener Fre quenz angedeutet, 46 sind Tastvorrichtungen, mittelst welchen den Telegraphierströmen die Zeichen aufgedrückt erden. In der Kathodenröhre 48 werden die übereinander gelagerten Telegraphierströme verstärkt und über den Transformator 50 in die Fern leitung 51 entsendet.
In Fig. 8, welche die entsprechende Empfangsanordnung schema tisch darstellt, ist 51 die ankommende Fern leitung, 52 der Eingangstransformator, welcher als Stromquelle für den Auslösestromkreis 12 dient. In diesem Auslösestromkreis sind die einzelnen Relaispaare Bi und R2 eingeschaltet, welche, wie oben beschrieben, die Telegra- phierströme von einander trennen und in den Empfangsapparat 42 die Aufnahme der Einzel telegramme ermöglicht.
In bezug auf die Grössenanordnung und gegenseitigen Abstand der Niederfrequenz ströme voneinander gilt folgendes: 1. Eine untere Grenze ergibt sich durch die gewünschte Telegraphiergeschwindigkeit. Es müssen nämlich wenigstens 5-ö Perioden auf die Dauer eines Zeichens entfallen;
bei Annahme einer Telegraphiergeschwindigkeit von 15 Zeichen pro Sekunde ergibt sich 1l.i" - 0 X 15 ? 90 Perioden/Sekunde. Für die folgende Berechnung der möglichen Anzahl der durch die beschriebenen Relais aus einem Auslösestromkreis abtrennbaren Frequenzen sei angenommen 1V.i" = 100 Perioden. 2. Der gegenseitige Abstand zwischen zwei benachbarten Frequenzen ist ebenfalls durch die gewünschte Telegraphiergeschwin- digkeit nach unten beschränkt.
Die Relais zunge T muss nämlich bei jedem Zeichen Kontakt geben können, also nach obiger An nahme wenigstens fünfzehnmal in der Sekunde. Da während einer ganzen Periode einer Dreh momentschwankung zweimal Kontakt gegeben wird, am rechten und am linken Kontakt Iii und K2, so muss Z #: _ 7,5 sein. Angenommen sei Z = 15.
3. Der gegenseitige Abstand zwischen zwei benachbarten Frequenzen Ni -f- 1 - Ni muss grösser sein als Z. Dieser Abstand sei mit 30 Perioden/Sekunde angenommen.
4. Eine obere Grenze ergibt sich aus der Erwägung,' dass eine vollkommene Überein stimmung zwischen den modulierenden Nieder frequenzen und den Frequenzen der lokalen Speiseströme der Relais nicht zu erreichen sein wird; wenn auch Röhrengeneratoren verwendet werden, so muss trotzdem mit einer Frequenzschwankung von ein Viertelprozent gerechnet werden. Angenommen sei eine Frequenzschwankung von einem halben Pro zent. Wenn also im ungünstigsten Falle die Frequenz des Fernstromes und die Speise frequenz am Relais beiden in entgegenge- setztem Sinne um ein halbes Prozent vom richtigen Wert abweichen, so ist die maxi male Abweichung gleich ein Prozent. Diese Abweichung muss kleiner als Z sein, wenn das Relais noch ansprechen soll.
Angenommen sei als zulässige Schwankung 0 N = 10 Perioden; da Z = 15 Perioden, so wird bei 0 N = 10 das Relais noch betriebssicher ansprechen. Daraus ergibt sich
EMI0007.0002
Es stehen also unter Annahme obiger Verhältnisse
EMI0007.0003
zur Verfügung. Es lässt sich also bei den angenommenen Verhältnissen ein 30faches Telegraphieren durchführen.