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Verfahren zum Aufsuchen oder Anpeilen ferromagnetischer Körper oder
zum Steuern von Gegenständen in Richtung auf ferromagnetische Körper Die Erfindung
betrifft eine elektromagnetische Einrichtung zum Feststellen oder Peilen ferromagnetischer
Metallkörper oder zum Steuern von Gegenständen in Richtung auf ferromagnetische
Körper, insbesondere zu militärischen Zwecken. Sie soll z. B. auf Kriegsschiffen
verwendet oder in Geschosse (z. B.
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Torpedos, Wasserbomben, Fliegerbomben, Granaten) eingebaut werden.
Sie kann dazu dienen, Minen sperren oder Sperren anderer Art festzustellen und anzupeilen
oder Kriegsschiffe festzustellen und anzupeilen oder Kriegsschiffe oder Geschosse
zu steuern und ihren Weg zu beeinflussen.
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Durch eine Einrichtung nach der Erfindung wird eine Feldstärkeänderung
eines permanenten Magnetfeldes, insbesondere des Erdfeldes, oder eines magenetischen
Wechselfeldes mit Hilfe von Induktionsspulen gemessen und/oder nutzbar gemacht.
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Verändert sich die Feldstärke des Magnet- oder - magnetischen Wechselfeldes,
d. h. die Kraftlinienzahl, die durch eine feste oder sich drehende Spule hindurchtritt,
so wird in dieser ein Strom erzeugt, dessen Stärke abhängt von dem Unterschied der
Kraftlinienzahl je Zeiteinheit, der Feldstärke selbst, der Windungszahl. der Windungsfläche,
dem Gleichstromwiderstand, gegebenenfalls der Drehzahl und der Lage der Spule zur
Kraftlinieneinrichtung.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Verfahren zum Aufsuchen
oder Anpeilen ferromagneti scher Körper oder zum Steuern von Gegenständen in Richtung
auf solche Körper die durch diese Körper hervorgerufenen Änderungen eines konstanten
magnetischen Gleich- oder Wechselfeldes mittels Tnduktionsspulen gemessen und/oder
nutzbar gemacht werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann auf verschiedene Weise durchgeführt
werden. Es kann entweder der durch die Relativbewegung zwischen dem Träger der Meßapparatur
und dem zu suchenden Körper in einem konstanten magnetischen Gleichfeld. insbesondere
dem Magnetfeld der Erde, in einer oder mehreren Induktionsspulen erzeugte elektrische
Strom gemessen werden. Oder es kann mittels einer oder mehrerer von Wechselstrom
durchflossener Sendespulen ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die durch die
gesuchten Körper bewirkte Anderung dieses Wechselfeldes mit Hilfe einer oder mehrerer
relativ zum Apparateträger ruhender Empfangsspulen gemessen werden. Schließlich
kann auch die durch einen gesuchten Körper bewirkte Änderung eines magnetischen
Gleich- oder Wechselfeldes mit Hilfe von einer oder mehreren mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
um eine in ihrer Windungsebene liegenden Achse umlaufenden Induktionsspulen gemessen
werden.
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Bei der Ausbildung der zur Durchführung der Er-
findung dienenden
Einrichtungen sind folgende Punkte zu beachten: 1. Es müssen Unterschiede der Feldstärken
von 104 gemessen werden können; 2. bei Verwendung auf Schiffen müssen die Einwirkungen
der Schiffsschwankungen und bei Verwendung in Geschossen die Einwirkungen der Geschoßschwankungen
ausgeschaltet werden; 3. die Verzerrungen des Erdfeldes durch den die Spulen tragenden
Eisenkörper (Geräteträger) müssen kompensiert werden; 4. die Einflüsse bewegter
Teile (z. B. der Maschinen oder der Schiffsschraube) müssen ausgeschaltet werden;
5. die Einflüsse von Wechselfeldern müssen ausgeschaltet werden.
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Die in Punkt 1 geforderte große Empfindlichkeit läßt sich durch genügend
große Windungszahl und Windungsfläche sowie durch kleinen Gleichstromwiderstand,
ferner durch Abstimmung und geebenenfalls durch Zwischenschaltung eines Verstärkers
oder Relais erreichen.
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Die in Punkt 2 geforderte Ausschaltung des Einflusses von Schwankungen
des Apparateträgers kann
durch Verwendung von zwei oder mehr gegenein
andergeschalteten Spulen erreicht werden.
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Die in Punkt 3 geforderte Kompensation der Verzerrungen des Erdfeldes
durch den die Spulen tragenden Eisenkörper geschieht durch Aufstellung der Spulen
an solchen Punkten des Trägers, wo die Verzerrungen des Erdfeldes durch die Schwankungen
des Eisenkörpers gleich groß sind. Diese Punkte müssen durch Versuche ermittelt
werden.
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Der Einfluß langsam laufender Maschinenteile (Punkt 4) wird durch
eine oder mehrere Kompensationsspulen ausgeschaltet, die in der Nähe dieser Eisenteile
aufgestellt werden.
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Zu Punkt 5: Gleichstromfelder wechselnder Stärke. wie solche z. B.
durch Schiffsmaschinen erzeugt werden, müssen in bezug auf die Spulen kompensiert
oder z. B. durch Einbauen von Wechseistrommaschinen durch Wechselstromfelder ersetzt
werden. Gleichstromfelder gleichbleibender Stärke können meist vernachlässigt werden;
schnell laufende Maschinen teile wirken wie Wechselfelder von Wechselstrom maschinen.
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Im folgenden werden die verschiedenen genannten Durchführungsweisen
des Verfahrens nach der Erfindung sowie die dazu verwendeten Vorrichtungen näher
beschrieben, und zwar jeweils erstens zum Suchen oder Melden. zweitens zum Peilen
und drittens zum Steuern.
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In den Zeichnungen sind Schaltungen und Ausführungsformen von Einrichtungen
nach der Erfindung beispielsweise schematisch dargestellt.
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Fig. 1 bis 18 beziehen sich auf Ausführungsformen. bei denen das
Erdfeld und feste Spulen (»Verfahren I«) benutzt werden. Davon beziehen sich Fig.
1 bis 11 auf Schaltungen und Anordnungen bei einem Such- und Meldegerät.
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Fig. 12 bis 15 auf Schaltungen bei einem Peilgerät, Fig. 16 bis 18
auf Schaltungen bei einem Steuergerät.
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Fig. 19 bis 21 beziehen sich auf Ausführungsformen, bei denen ein
künstliches magnetisches Wechselfeld und feste Spulen (»Verfahren II«) benutzt werden,
und zwar zeigt Fig. 19 die Schaltung eines Such- und Meldegerätes.
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Fig. 20 die Anordnung bei einem solchen Gerät und Fig. 21 die Anordnung
bei einem Peilgerät.
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Fig. 22 zeigt eine einfache Schaltung bei einem Such- und Meldegrät,
bei dem eine sich drehende Spule verwendet wird (»Verfahren III«).
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Fig. 23 ist eine vollständigere Schaltung für ein solches Gerät.
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Fig. 24 zeigt die Anordnung bei einem Peilgerät dieser Art.
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I. Erdfeld und feste Spulen In Fig. 1 ist die einfachste Art eines
Such- oder Meldegerätes nach der Erfindung dargestellt. Das Gerät besteht aus einer
Induktionsspule,4, die als Rahmen bezeichnet werden kann, und aus einem Meßinstrument
B, insbesondere einem Lichtzeigergalvanometer. Auf die Spule wirkt das magnetische
Wechselfeld, z. B. das Magnetfeld der Erde, ein, wenn sich dessen Kraftlinienzahl
ändert. Dadurch wird ein elektrischer Strom erzeugt, dessen Stärke und Richtung
sich durch das Meßinstrument feststellen lassen.
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Dabei ist es gleichgültig, ob sich die Spule über oder an dem Körper,
der die Kraftlinienzahl des Erdfeldes oder eines künstlichen Magnetfeldes verändert,
vorbeibewegt oder ob die Spule ruht und der den Kraftfluß verändernde Körper sich
bewegt. Es kommt nur
darauf an, daß der Apparatträger und der festzustellende Metallkörper
gegenseitig ihre Lage verändern.
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Voraussetzung in diesem Fall - d. h. bei Verwendung nur einer Induktionsspule
als Empfangsrahmenist jedoch, daß die Spulenebene stets denselben Winkel zu den
Kraftlinien bildet.
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Ist die relative Fahrtgeschwindigkeit genügend groß, d. h. beträgt
die Veränderung der Feldstärke etwa 10 Gauß/sec, so ist die Empfindlichkeit dieser
Schaltung bei Verwendung von Induktionsrahmen von etwa 40 cm Durchmesser und mit
3000 Windungen größer als die einer magnetischen Feldwaage mit einer Empfindlichkeit
von etwa 20 Gauß je Skalenteil. wenn die Empfindlichkeit des Lichtzeigergalvanometers
1 1F9 Amp. je Skalenteil beträgt. Mit dieser Empfindlichkeit würde z. B. eine Mine
in einer Entfernung von etwa 20 m festgestellt werden können.
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Will man dagegen eine Mine in etwa 1 km Entfernung feststellen, so
müßte die Empfindlichkeit des Gerätes mindestens 105mal vergrößert werden. Die Steigerung
geschieht durch den in Fig. 2 zwischen Induktionsrahmen A und Zeigergalvanometer
B geschalteten Verstärker C und durch eine starke Erhöhung der Windungsfläche und
der Windungszahl des Induktionsrahmens.
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Als Verstärker kommen - da es sich um sehr langsame Schwingungen
handelt - nur Widerstandsverstärker in Frage, bei denen vielleicht Drosseln mitverwendet
werden zum Abschirmen höherer Frequenzen.
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Wenn der Apparatträger ein schwankender Körper ist, z. B. ein Schiff,
so wird durch die Schwankungen des Schiffes die Zahl der durch die Rahmenebene hindurchtretenden
Kraftlinien verändert, wodurch ebenfalls Induktionsströme erzeugt werden.
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Bei Verwendung nur eines Induktionsrahmens kann man die durch diese
Schwankungen erzeugten Ströme kompensieren, indem man die Rahmenebene waagerecht
hält. Auch in diesem Falle würde sich die Kraftlinienzahl noch dadurch verändern,
daß das Kraftfeld durch das Vorhandensein des Schiffskörpers je nach dessen Lage
im Verhältnis zum Rahmen verschieden verzerrt wird. Diese Verzerrungen könnten z.
B. durch pendelnde Weicheisenmassen oder Hilfsmagnete kompensiert werden.
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Praktischer ist es, diese Verzerrungen durch Gegeneinanderschaltung
zweier Rahmen aufzuheben, wie es in Fig. 3 vorgeschlagen wird. Hier besteht das
Gerät aus zwei Spulen A und A' und entweder aus einem Meßinstrument B oder noch
einem zwischengeschalteten Verstärker C. Die Rahmen A und ,4' müssen möglichst weit
voneinander entfernt und möglichst an zwei »magnetisch gleichwertigen Punkten« angeordnet
sein, d. h. an zwei Punkten, wo die Ver zerrungen gleich groß sind und gleiche Richtung
haben.
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Bei starken, durch Sturm in der Ost-West-Lage hervorgerufenen Schwankungen
kann man beide Rahmen, wie oben für den einen Rahmen vorgeschlagen. in waagerechter
Lage verwenden, und außerdem kann man die Verzerrungen des magnetischen Feldes durch
die Schiffsschwankungen bei beiden Rahmen durch pendelnde und horizontal und vertikal
verschiebbare Weicheisenmassen sowie durch Hilfsmagnete ausgleichen. Bei U-Booten
in tieferem Wasser arbeitet das Gerät ruhiger.
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Findet man auf dem Gerätträger nicht ohne weiteres für die beiden
Rahmen zwei magnetisch gleichwertige Punkte, so kann man die Aufstellungspunkte
durch Anwenden der im vorhergehenden Absatz erwähnten
Maßnahmen
magnetisch möglichst gleichwertig machen.
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In Fig. 4, 5 und 6 ist die Anordnung der Induktionsspulen auf einem
Schiff dargestellt.
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Bei Fig. 4 sind zwei Induktionsspulen A und A' gezeigt, die eine
wesentlich größere Windungsfläche haben als kleine Empfangs rahmen. Die Spulen A
und A' können je auf einer Hälfte des Schiffes, die eine auf dem Vorderdeck, die
andere auf dem Hinterdeck, verteilt sein. Die beiden Spulen A und A' werden, wie
in Fig. 3 gezeigt, gegeneinandergeschaltet.
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Bei Fig. 5 ist die eine Spule als Rahmen A ausgeführt, während dieKompensationsspuleA'
die Schiffs fläche mehr oder weniger bedeckt.
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Bei Fig. 6 sind zwei kleine Induktionsrahmen A und A' verwendet,
die möglichst weit voneinander entfernt sind. Bei B, C sind in Fig. 5 und 6 jeweils
der gegebenenfalls vorhandene Verstärker und das Anzeigegerät angedeutet.
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Stellt sich heraus, daß durch den Einfluß der Eisenmasse des Schiffes
die Veränderung der Kraftlinienzahl vermindert wird, so kann man diesen Einfluß
teilweise dadurch ausschalten, daß man die Rahmen außerhalb des Schiffsrumpfes anbringt.
Dies ist in Fig. 6 gestrichelt angedeutet.
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Die Anordnung der Spulen auf dem Schiff richtet sich nach dem zur
Verfügung stehenden Platz, insbesondere nach der Länge des Schiffes. Bei Minensuchbooten
wird am besten die Anordnung der Fig. 4 verwendet.
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Der einfache Rahmen nach Fig. 1 und 2 wird vorzugsweise bei ortsfester
Verwendung benutzt, während für Schiffe und andere schwankende Gerätträger ein Doppelrahmen
nach Art der Fig. 3 bis 6 bevor zugt wird.
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Nach früheren Messungen des Erfinders ist die Veränderung der Kraftlinienzahl
umgekehrt propor tional zur dritten Potenz der Entfernung von der magnetischen Störung.
In großer Entfernung bleibt also der Unterschied der Veränderung der Kraftlinienzahl
angenähert konstant. Die bei Verwendung zweier Induktionsspulen in diesem Rahmenpaar
erzeugte Stromstärke steigt langsam bei Annäherung an die Störung an. Zum Messen
der Entfernung der magnetischen Störung vom Gerätträger legt man zweckmäßig ein
zweites Rahmenpaar mit dem halben Abstand des ersten Rahmenpaares aus. Dann bleibt
das Verhältnis der Ausschläge bei sonst gleichen Bedingungen bei größerer Entfernung
angenähert konstant: bei Annäherung verändert sich das Verhältnis stark. Durch Ablesen
des Verhältnisses an einer gemeinsamen Skala kann damit die Entfernung angenähert
bestimmt werden. (Die Messung der Entfernung hängt noch von der Ausdehnung des Störkörpers
ab, die auf Grund des Ausschlages geschätzt werden kann.) Bei Verwendung nur eines
Rahmenpaares sind zwei Ablesungen nacheinander notwendig.
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Ist die See ruhig und bewegen sich keine Maschinenteile (z. B. wenn
auf dem Grunde ein U-Boot liegt), so wird die Veränderung der Feldstärke fast konstant
sein, d. h., die zweite Ableitung der Feldstärke nach der Zeit ist Null, falls sich
ein Eisenkörper, z. B. ein U-Bootjäger, dem auf dem Grunde liegenden U-Boot nähert.
Die »Schwingungsdauer« des Vorganges beträgt viele Sekunden; die in den Spulen erzeugte
elektromotorische Kraft oder Spannung steigt langsam an. In diesem Falle ist es
vorteilhaft, hinter den kompensierten Spulen einen Spannungswender (Kommutator)
oder einen Hilfsfrequenzsender einzuschalten. Der Spannungswender kann
abwechselnd
über zwei oder mehrere Widerstände kurzgeschlossen werden. Er verwandelt die quasi
Gleichstromspannung in Wechselstromspannung.
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In Fig. 7 ist rein schematisch eine vervollständigte Einrichtung
mit einem Spannungswender dargestellt.
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A und A' sind wieder die kompensierten Spulen. D ist ein Kondensator,
der zur Ausschaltung der Störungen und zum Abstimmen dient. E ist der Wender oder
Hilfsfrequenzsender. C ist der Verstärker, F ist ein Gleichrichter und B das Anzeige-
oder Meßgerät.
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Zwischen Verstärker und Gleichrichter kann ein Lautsprecher H eingeschaltet
sein.
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Eine Abänderung ist in Fig. 8 gezeigt, wo der Verstärker C in zwei
Teile C' und C" mit dazwischenliegendem Wender oder Hilfsfrequenzsender E unter
-teilt ist.
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In Fig. 9 sind Beispiele für einen Wender E' oder einen Hilfsfrequenzsender
E", ferner für eine Ausführung F' des Gleichrichters einschließlich zweier Anzeigegeräte
B' und B" dargestellt. Der KondensatorD, der Verstärker C und der Lautsprecher H
sind auch hier angedeutet.
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Die akustische Meldung, z. B. durch einen Lautsprecher H - etwa bei
Annäherung an ein auf dem Grunde liegendes U-Boot oder bei Annäherung an Minen -,
kann allein oder zusätzlich zu der Anzeige in Meßgeräten B', B" erfolgen. Es ist
vorteilhafter, das Galvanometer nicht nach beiden Seiten ausschlagen zu lassen.
Für diese Zwecke muß die sehr langsame Schwingung einer Hilfsfrequenz aufgeprägt
werden.
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In Fig. 10 ist eine Ausführungsform eines Spannungswenders oder Kommutators
angedeutet. Der linke Teil J' der Fig. 10 ist ein Gleichstromkommutator bekannter
Art mit Schleifringen, Schleiffedern oder Schleifbürsten. Der rechte Teil J" der
Fig. 10 ist ein Wechselstromkommutator ebenfalls bekannter Art. Beide sitzen auf
einer gemeinsamen Trommel K.
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Der Halbschleifring L' ist mit dem Vollschleifring M', der andere
Halbschleifring L" mit dem VollschleifringM" elektrisch verbunden. Wird im Rahmen
überhaupt ein Strom erzeugt, so sorgt der Weuder dafür, daß abwechselnd die positive
und die negative Spannung am Gitter der ersten Röhre liegt.
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Man kann die Schleiffedern auch durch Quecksilber ersetzen. Dann
würde man statt der Halbschleifringe Haibscheiben und statt der Volischleifringe
Vollscheiben auf einer gemeinsamen Trommel mit getrennten Ouecksilberbehältern verwenden.
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Der vom Wender E abgenommene Strom kann (nach Fig. 7 und 9) niederfrequent
verstärkt und dem Lautsprecher und/oder den Anzeigegeräten zugeführt werden. Oder
man verstärkt zunächst (nach Fig. S) den von den Spulen kommenden Strom, führt ihn
dann in den Wender E, um ihn erneut in dem in diesem Fall als Niederfrequenzverstärker
ausgeführten Verstärker C" zu verstärken und ihm dem Lautsprecher und/oder den Anzeigegeräten
zuzuführen.
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Der Wechsel der Kraftlinienzahl, der sich als Induktionsstrom in
dem Rahmen äußert, kann - wie schon angegeben - auch einer Hilfsfrequenz aufgeprägt
werden. Wirkt die Spannung auf Gitter oder Anode eines Tonsenders (Niederfreluenzgenerators,
Röhrensummers) ein, so ändert sich bei Verwendung der gebräuchlichen Schwingröhren
zunächst die Eigenschwingung der Röhre. Verwendet man zugleich einen zweiten Tonsender
mit derselben Hilfsfrequenz, so treten, wenn man die Töne überlagert und die Rahmenspannung
auf den einen Tonsender einwirkt, Schwebungen auf. Durch die Zahl der Schwebungen
kann
man die Rahmenspannung messen. Die Überlagerung kann vor dem gemeinsamen oder hinter
den zu den Tonsendern gehörigen Niederfrequenzverstärkern geschehen.
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Statt der Tonsender kann auch ein fjberlagerungs tonsender (ttherlagerungstongenerator)
verwendet werden. Die Rahmenspannung wirkt auf das Gitter oder die Anode einer mit
Hochfrequenz schwingenden Röhre ein. Eine zweite Röhre schwingt mit einer von dieser
Hochfrequenz um eine Tonfrequenz abweichenden Schwingungszahl. Erhöht sich die Rahmenspannung,
so verändert sich zunächst die Tonfrequenz, wenn die beiden Hochfrequenzen überlagert
werden.
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Nimmt man einen zweiten Überlagerungssender, der dieselbe Tonfrequenz
liefert wie der erste, wenn keine Rahmenspannung auf ihn einwirkt, so treten Schwe
hungen auf, wenn im Rahmen Ströme induziert werden. Die Zahl der Schwebungen ist
wieder ein Maß für die Rahmenspannung. Die Niederfrequenzverstärkung kann wieder
mit einem oder mit zwei Verstär kern vorgenommen werden.
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In Fig. 11 ist das Schema eines Schwebungssenders bei Verwendung
von ffberlagerungstonsendern angedeutet. Der aus den Spulen A, A' kommende Strom
gelangt in den Überlagerungstonsender I. Außer diesem ist ein Überlagerungstonsender
II verwendet, dessen Eingang nicht mit dem Sender I verbunden ist.
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Die von beiden Sendern erzeugten Wechseiströme werden in einem Schaltkasten
III überlagert und verstärkt und dem Anzeigegerät B und/oder dem Lautsprecher H
zugeführt.
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Die Rahmenspannung kann also auf eine Hoch-, Zwischen- oder Niederfrequenz
einwirken. Die hochfrequenten Schwingungen, auf die die Veränderungen der Rahmenspannung
aufgeprägt sind, können hochfrequent verstärkt und dann gleichgerichtet und anschließend
zu Meßzwecken benutzt werden, oder auch durch zusätzliche Verwendung von Zwischen-
und Niederfrequenz-Hil fssendern kann die Veränderung der Rahmenspannung weiterhin
vergrößert werden.
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Verändert sich die Frequenz der ersten Hilfsfrequenz, auf die die
Veränderung der Rahmenspannung eingeprägt ist. so wird durch die Abstimmung des
Verstärkers die niedere oder höhere Frequenz bevorzugt, und die Veränderungen der
Intensität werden der nächsten Hilfsfrequenz aufgeprägt. Nimmt man jedoch Schaltungen.
wo durch die Einwirkung der Rahmenspannung nur die Intensität der Hilfsfrequenz
verändert wird. so wird diese Hilfsfrequenz durch Gleichrichtung ausgelöscht, und
nur die Veränderung der Rahmenspannung wird weiterhin vergrößert. Es bestehen also
die beiden Möglichkeiten: Entweder der Anodenstrom der Endstufe schwankt sehr stark
(gleiche Frequenz. wechselnde Intensität, bei Tonfrequenz also starke Lautstärkeschwankungen.
wie sie z. B. bei der Heulboje auftreten). oder die Frequenz der Endstufe verändert
sich (bei Tonfrequenz welch selnder Ton, wie es z. B. bei der Sirene der Fall ist).
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Im ersten Fall kann man die Einrichtung einen »Heulschwinger«, im
zweiten Fall einen »Sirenensehwinger« nennen.
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Außer diesen vier Möglichkeiten (Wender. Schwebungssender und den
Anordnungen. die bei Verwendung von Tonfrequenz mit der Sirene und der Heulboje
zu vergleichen sind) besteht folgende Möglichkeit: Eine Schwing- (Oszillator-) Röhre,
z. B. E" in Fig. 9. steht vor dem Anschwingen. Der Punkt vor dem Anschwingen ist
durch ein Potentiometer fein einstellbar. Bei Veränderung der Rahmenspannung, die
an Gitter oder Anode des Anschwingrohres liegt,
wird der »Anschwinger« - eine Art
Relais - zum Schwingen gebracht, oder seine Schwingneigung wird verringert. Die
Amplitude der Schwingung steigt zunächst stark, dann langsam mit zunehmender Rahmen
spannung an.
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Durch die Verwendung von zwei Anschwingrohren gelingt es, die Veränderung
der Rahmenspannung nach beiden Richtungen anzuzeigen oder anzumelden.
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Die Frequenz des Anschwingers und auch die dem Anschwingen vorhergehenden
»Geräusche« werden mit einem Verstärker oder mit zweien für ganz tiefe Frequenz
und für Tonfrequenz verstärkt. Bei ruhenden Rahmenpaaren schwingt dasjenige Anschwingrohr,
an dem das Drahtende des Rahmens liegt, dem sich der Eisenkörper stärker nähert.
In diesem Fall werden die Spulen in Serie geschaltet, und die nicht miteinander
verbundenen Drahtenden liegen an den Gittern der Schwingröhren. Auch besteht bei
ruhenden Rahmen die Möglichkeit, zwei Rahmen mit den zugehörigen Verstärkern getrennt
voneinander zu verwenden und die Ausgänge mit einem Anzeigegerät oder mit zwei getrennten
Anzeigegeräten zu verbinden. Bei sich bewegenden Gerätträgern wird der in Fahrtrichtung
dem Eisenkörper näher, also vornliegende Rahmen bei Annäherung früher beeinflußt
als der hintenliegende Rahmen.
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Während die bisherige Beschreibung sich auf ein Melde- und Suchgerät
bezog, soll jetzt ein Peilgerät beschrieben werden.
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Für U-Boote, die liegend oder in Fahrt angreifen sollen, bei Nachtangriffen
der Torpedo oder Schnellboote, bei Nebel, bei dem Durchfahren von Minensperren oder
dem Auffinden von Minen, erscheint die Verwendung einer Einrichtung nach der Erfindung
als Peilgerät zur Anpeilung der magnetischen Störungen vorteilhaft.
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In Fig. 12 und 13 ist die Empfangseinrichtung eines Richtungspeilers
skizziert. Durch die Rahmenfläche, die der Störung am nächsten liegt, treten mehr
Eraftlinien hindurch als durch die entfernter liegenden Rahmenflächen. Zwei gegenüberliegende
Rahmen 4.
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A', A" sind jeweils zusammen an zwei Relais N, i7/, N" geschaltet.
Die zugehörigen Leitungen sind mit 1, 1', 2, 2', 3, 3' bezeichnet. Zwei Rahmen werden
verwendet wegen der Schiffsschwankungen und zwei Relais (z. B. Glimmlampenrelais)
wegen des Richtungssinnes.
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Die durch die Relais ausgelösten Ströme werden durch die Feldmagnetspulen
des Anzeigegerätes ge leitet. Diese Spulen , a, a', &, a', g " sind geometrisch
ähnlich den EmpiangsrahmenS, ', =4" angeordnet.
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Ein auf einem Anker 0 des Anzeigegerätes (Fig. 13) angebrachter Zeiger
P zeigt die Richtung der Störung an, da der Anker von den einzelnen Magnetspulen
angezogen oder nicht angezogen oder abgestoßen wird.
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Zwei solche Anzeigegeräte bilden den Schnittpeiler. dessen Bauart
aus Fig. 14 hervorgeht. Die Verlängerungslinien der Zeiger P, P' geben die Horizontalrichtung
zum Metallkörper Q. Statt der Magnetspulen können auch elektrische Lämpchen verwendet
werden.
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Die Genauigkeit der Richtungsangabe wird durch Erhöhung der Zahl der
Spulenpaare erhöht.
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Ein derartiges Gerät kann in zwei Punkten verbessert werden. Es ist
erstens viel unempfindlicher als ein Meldegerät, und zweitens muß die Empfindlichkeit
der Relais einreguliert werden, damit möglichst nur zwei oder vier Relais arbeiten.
Die Einregulierung wird erleichtert, wenn neben dem Peilanzeiger der Fig. 13 der
obenerwähnte Glühbirnenanzeiger verwendet wird. Die Empfindlichkeitseinstellung
der Relais
erfolgt dadurch, daß man nur eine oder zwei Birnen brennen
läßt oder umgekehrt nur eine oder zwei Birnen ausschaltet. Die Empfindlichkeit des
Gerätes kann durch Verwendung von Verstärkern und Anschwingern gesteigert werden.
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Da die Anzahl der Verstärker dann sehr groß würde, erscheint es vorteilhaft,
nur zwei Rahmenpaare und zwei »Heulschwinger« mit Verstärkung zu ver wenden. Alle
vier WIagnetspulen erhalten dann Strom, der den Anker anzieht oder abstößt. Er stellt
sich also in die Resultierende ein. Bei dem Schnittpeiler der Fig. 14 würden also
vier Rahmenpaare notwendig sein, da ebenso wie bei den von den Relais gesteuerten
Geräten zu jedem Rahmenpaar ein Magnetspulenpaar gehört. In Fig. 15 ist die Schaltung
eines solchen Richtungspeilers gegeben. Hier sind zweimal vier Empfangsrahmen A
A' und je ein Anzeigegerät R, R' (in denen die in Fig. 13 und 14 gezeigten Teile
a und N bis P enthalten sind) verwendet.
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Wenn die Störungskörper in Fahrtrichtung liegen, geben die Peilgeräte
den Abstand gar nicht oder nur ungenau an. In diesem Falle können die obenerwähnten
Intensitätsmeßgeräte (Heulschwinger mit zwei Rahmenpaaren zur Bestimmung des Abstandes
dienen Die Entfernung wird durch das Verhältnis der Intensitäten bestimmt, während
die Größe des Störkörpers dann erst durch Bestimmung des Verhältnisses von Intensität
und Entfernung festgestellt werden kann.
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Für die Ausschaltung des Störspiegels dient der in Fig. 7 und 9 angegebene
Kondensator D. Die in den Schiffen erzeugten niederfrequenten Schwingungen rufen
in dem Rahmen Wechselströme hervor, die durch den Kondensator an den Spulenenden
kurzgeschlossen werden. Die durch sich langsam bewegende Schiffsteile (z. B. Schiffsschrauben,
Pleuelstangen) erzeugten magnetischen Störungen werden durch kleine Empfangsspulen,
die in der Nähe dieser Teile liegen und zu den Rahmenpaaren zugeschaltet werden,
kompensiert. Bei dem Verfahren, bei dem feste Spulen und ein permanentes Magnetfeld
benutzt wird, ist der Störspiegel am leichtesten zu senken, da die Störungen, abgesehen
von Magnetitsanden und Wracks, meist aus Schwingungen bestehen, die im Gebiet der
Tonfrequenz oder höher liegen.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann auch als Steuergerät in folgender
Weise verwendet werden: Bei dem Steuergerät handelt es sich um Apparate, die einen
sich bewegenden Körper selbsttätig so steuern, daß er z. B. senkrecht auf die magnetische
Störung stößt. Bewegt sich solch Körper nicht senkrecht zur Störung, so werden (Fig.
16) durch den einen Rahmen A mehr Kraftlinien hindurchtreten als durch den anderen,
A'. Die Differenz der Induktionsströme wird dazu benutzt, um über Verstärker und
Relais die Motoren zur Betätigung der Ruder so lange laufen zu lassen, bis keine
Differenz der Kraftlinienzahl mehr durch die Rahmenflächen hindurchtritt. Die Einzelheiten
der Durchbildungen ergeben sich von selbst, je nachdem ob das Gerät in Torpedos,
Wasser bomben, Fliegerbomben oder andere Geschosse eingebaut wird. Das Gerät kann
auch zur halbselbst tätigen Steuerung benutzt werden, z. B. bei »Einmann-U-Booten«,
die (von ihren Mutterschiffen abfahrend) erst kurz vor dem angegriffenen Schiff
untertauchen und dann z. B. durch Preßluftmotoren oder durch mit flüssigem Sauerstoff
und Brennstoff gespeisten Verbrennungsmaschinen - bei selbsttätiger Steuerung durch
das Geräf - bis kurz vor den Gegner getrieben werden. In nächster Nähe, die durch
das Entfernungs-
gerät zu erkennen ist, greift der Führer in die Stelle rung ein
und schießt zugleich das selbsttätig gesteuerte Torpedo ab. Falls Akkumulatoren
verwendet werden, müssen besondere Anordnungen zur Ausschaltung des Einflusses der
Gleichstroinfelder getroffen werden.
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In Fig. 17 und 18 ist ein Geschoß oder Schiffsmantel S angegeben,
das die Rahmen A, A' im Bug und weiter den Verstärker C und die Relais und Motoren
T für die Steuerung des Ruders U trägt.
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Beim Einbau in Wasserbomben zur Vernichtung auf dem Grund liegender
U-Boote erscheint bei Anwendung der in Fig. 17 und 18 gezeigten Bauart die Treffwahrscheinlichkeit
wesentlich vergrößert.
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Aber auch bei Fliegerbomben, die über Kriegsschiffen oder Munitionsdepots
abgeworfen werden, würde ein Einbau des Steuergerätes in Frage kommen. Es muß jedoch
bei Geschossen festgestellt werden, wie stark die Kraftlinien durch den Geschoß
mantel abgeschirmt werden, so daß dort, wo die Rahmen liegen, eine nichtmagnetische
Umkleidung zu wählen ist. Dies ist in Fig. 17 durch eine strichpunktiert angedeuteteHaube
v dargestellt.
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II. Künstliches magnetisches Wechselfeld und feste Spulen Die Einrichtung
werde zunächst wieder als Such-oder Meldegerät verwendet.
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Das künstliche Wechselfeld wird durch einen Wechselstrom erzielt,
der durch eine Sendespule oder mehrere fließt und in einer Empfangs spule oder mch
reren einen Wechselstrom gleicher Frequenz induziert.
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Die Apparatur wird so eingestellt, daß, wenn äußere ferromagnetische
Einflüsse fehlen, der Reststrom Null ist, d. h., - Eisenteile, wie benachbarte Schiffe
oder Minen, dürfen bei der Eichung nicht in der Nähe des Gerätträgers sein.
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Die Schaltung wird empfindlicher, wenn die Empfangsspulen schon im
Minimum der Sendespulen liegen.
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Das Feld der Sendespulen erzeugt in den Metallmassen des Gerätträgers
Sekundärströme. Dieser phasenverschobene Wechselstrom gleicher Frequenz wird dadurch
kompensiert, daß ein Teil des Sendestromes abgezweigt und durch einen Transformator
geleitet wird, dessen Sekundärseite den Strom für eine weitere Spule, die Kompensationsspule,
liefert.
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Das Feld dieser Spule, dessen Stärke veränderlich ist, induziert in
einer im Empfangskreis liegenden Spule einen Sekundärstrom, der den im Empfangskreis
fließenden Sekundärstrom aufhebt. Die Kompensation der Sekundärströme kann auch
durch Kondensatorschaltungen oder mittels Kondensatoren und Induktionsspulen erzielt
werden.
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Wirkt auf dieses abgeschlossene System ein Metall körper höherer
Permeabilität, so verzerrt dieser bei unsymmetrischer Lage damit der immer zu rechnen
ist) das Feld der Sendespulen in ungleichem Maße und erzeugt dadurch in den Empfangsspulen
einen Reststrom. Nichtmagnetische Körper guter elektrischer Leitfähigkeit verzehren
das Wechselfeld, sobald sie von Kraftlinien geschnitten werden. Die Stärke dieser
Absorption hängt von der Leitfähigkeit ab. Der in einen Wechselstrom umgesetzte
Kraftfluß besitzt ein Sekundärfeld, das wieder in den Empfangsspulen einen (nicht
kompensierten) Sekundärstrom hervorruft.
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Da auch im Meerwasser infolge seiner hohen Leitfähigkeit Wechselströme
erzeugt werden, deren Einwirkung infolge der Schiffsschwankungen stark wechseln
kann, so müssen die Spulen möglichst vom
Meeresspiegel entfernt
angebracht werden. Wird nur auf die Anzeige ferromagnetischer Körper Wert ge legt,
so werden die Spulen gegen die Sekundärfelder möglichst stark abgeschirmt.
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Zu bedenken ist dabei, daß mit wachsender Frequenz die Intensität
der Sekundärfelder zunimmt.
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Auch der Störspiegel kann nicht mehr beliebig gesenkt werden. Andererseits
können durch sorgfältige Spulendurchbildungen und Abstimmung Vorteile erzielt werden.
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Fig. 19 zeigt das Schaltschema einer derartigen Anlage. Der Wechselstrom
fließt durch zwei Sendespulen W und W'. Sein Wechselfeld erzeugt in zwei Empfangsspulen
A, A' Induktionsströme, die durch Gegeneinanderschaltung aufgehoben werden. Die
durch die Metallmassen der Umgebung und durch die Leitfähigkeit des Untergrundes
(Salzwasser) hervorgerufenen Sekundärströme werden durch den Sekun därstrotukompensator
X eliminiert. Weiter sind Verstärker C, Anzeigeapparat B, Lautsprecher H gezeigt.
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Fig. 20 zeigt eine weitere Anordnung der Sende-und Empfangsspulen.
Die größere Sendespule W und die Empfangsspule,4 liegt wieder am Bordrand eines
Schiffsdecks. Die kleinere Sendespule W' und die kleinere Empfangsspule A' können
irgendwo an Deck liegen.
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Statt eines Wechselstromerzeugers können auch. wenn Wechselstrommaschinen
verwendet werden, zwei durch Synchronmotoren getriebene Generatoren verwendet werden.
Die Erzeugung von Sekundärströmen durch die Zuleitungen kommt dadurch in Fortfall.
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Werden zwei Röhrensender mit gleicher Schwingungszahl verwendet, so
treten bei Annäherung an eine magnetische Störung durch ungleichmäßige Erhöhung
der Selbstinduktion der Spulen Schwebungen auf, die ein Maß für die Stärke der Störung
sind.
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Peilgerät: Die Bauart eines Peilgerätes bei Ver wendung künstlicher
Felder ist aus Fig. 21 zu ersehen.
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Sende- und Empfangsspulen W und A und W' und A', Verstärker C' und
Sekundärstromkompensator x sowie Anzeigegerät B sind angedeutet.
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Steuergerät: Die Bauart des Steuergerätes nach diesem Verfahren II,
d.h. bei Verwendung künstlicher Felder, gleicht dem des Verfahrens I. An die Stelle
des Erdfeldes, dessen Änderung der Kraftlinienzahl zur Stromerzeugung in den Empfangsspulen
benutzt wird, tritt z. B. ein Röhrensender, dessen Wechselstrom durch die Sendespulen
fließt. Der in den Empfangsrahmen erzeugte Strom ist von der Permeabilität der Umgebung
der Spulen abhängig, wird also von magnetischen Körpern beeinflußt. Durch den verschiedenen
Abstand von dem ferromagnetischen Körper treten Unterschiede in den Empfangsströmen
auf, die nach ihrer Verstärkung unter Verwendung von Relais Elektromotoren steuern,
die die Ruder in oder außer Tätigkeit setzen.
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III. Rotierende Spulen Wird eine geschlossene Induktionsspule in
einem Magnetfeld (z. B. dem Erdfeld) gedreht, so fließt in ihr ein Wechselstrom.
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Bei Verwendung sich drehender Spulen ergeben sich Vorteile: Insbesondere
wird die Empfindlichkeit erhöht; bei Benutzung des Erdfeldes kommt der Spannungswender
oder Hilfsfrequenzsender meist in Fortfall.
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Der Strom wird direkt den gegeneinandergeschalte ten Spulen. die
z. B. durch gleichlaufende Synchronelektromotoren gedreht werden, entnommen, oder
kurzgeschaltete
Spulen werden mit gleicher Drehzahl in oder um die Empfangs spulen gedreht, die
ihrerseits gegeneinandergeschaltet sind und den Wechselstrom (nach seiner Verstärkung)
für die Geräte liefern.
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Das Erdfeld kann auch durch weitere Gleichstromkreise für jede Spule
kompensiert werden, so daß nur der Strom des Restfeldes (Erdfeld minus Gleichstromfeld)
durch Gegenschaltung der Spulen nochmals kompensiert wird. Der Einfluß der Schiffsschwankun
gen muß durch kardanischeAufhängung oder ähnliche Maßnahmen, z. B. drei sich drehende
Spulen, deren Achsen aufeinander senkrecht stehen, aufgehoben werden.
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Die durch die Drehung erzeugten Wechselfelder erzeugen in den umliegenden
Metallmassen Sekundärströme, die wieder auf die Empfangsspulen einwirken.
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Über die Kompensation dieser phasenverschobenen Sekundärströme ist
schon bei Verfahren II gesprochen worden.
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In Fig. 22 ist die einfachste Form einer Einrichtung dieser Art als
Melde- oder Suchgerät dargestellt.
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Außer dem in diesem Fall sich drehenden Empfangsring A ist in Gleichstromkreis
la vorgesehen, der konzentrisch um die Spule A liegen kann und dessen Stromstärke
regelbar ist. Auf der Welle 2a, welche die Ankerspule 3 a des Antriebsmotors trägt,
ist außerdem ein Stromabnehmer 4 angeordnet, dessen Schleiffedern 5, 6 pulsierenden
Gleichstrom abnehmen.
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Der hier abgenommene pulsierende Gleichstrom kann geglättet und durch
einen zweiten Gleichstromkreis 7 kompensiert werden. Er fließt dann zum Anzeigegerät
B und/oder Lautsprecher H. Vorher kann er durch einen Verstärker C verstärkt werden.
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In dem vervollständigten Schaltschema der Fig. 23 sind zwei sich
drehende Induktionsspulen W und flJ' vorgesehen, die auch gleichzeitig als Sendespulen
wirken können. Bei Verwendung dieser Spulen als Sendespulen werden außerdem Empfangsspulen
A und A' vorgesehen. Außerdem können in jedem Fall Gleichstromkreise la und 10'
zum Kompensieren vorgesehen sein. Auf den Wellen 2a und 2a' der Spulen sitzen außer
den Synchronmotoren 3 a und 3 a' wieder Stromabnehmer 4 und 4', die als Wechsel-
oder Gleichstromabnehmer ausgebildet sein können. Im Beispiel sind beide Fälle angedeutet.
Wird durch die Leitungen 8 und 8' pulsierender Gleichstrom abgenommen, so kann er
einem Glätter 9 und dem Kompensator 7 und darauf (gegebenenfalls über einen Verstärker
C) dem Anzeigegerät B und/oder einem Lautsprecher H zugeführt werden.
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Wird dagegen durch Leitungen 10 und 10' Wechselstrom abgenommen,
so kann er dem schon in Fig. 19 erwähnten Sekundärstromkompensator X und hierauf
- gegebenenfalls über den Verstärker C - dem Anzeigegerät B und/oder dem Lautsprecher
H zugeführt werden.
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Werden wie in Fig. 23 zwei gleich gebaute, durch Synchronmotoren
angetriebene Spulen gegeneinandergeschaltet und der Reststrom verstärkt, so wird
die Vorrichtung viel empfindlicher. Geringe Unterschiede der beiden Meßpunkte des
Erdfeldes können durch diese Schaltung schon festgestellt werden.
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Durch die Anwendung zweier Spulen werden ferner die Schiffsschwankungen
ausgeschaltet, ebenso wie es bei den feststehenden Spulen der Fall ist, während
die Verzerrungen des Erdfeldes durch pendelnde oder horizontal verschiebbare Weicheisenmassen
oder Hilfsmagnete kompensiert werden müssen. Auch hier können die Stromabnehmer
mit in Quecksilber tauchenden Schleifringen- versehen sein.
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Durch die Drehung der Induktionsspulen A und A' wird in benachbarten
Metallteilen ein phasenverschobener Wechselstrom gleicher Frequenz erzeugt, der
wiederum auf die Empfangsspulen einwirkt. Dieser »Sekundärstrom« kann durch Metallteile,
die in geeigneter Weise auf den Spulen angebracht werden, kompensiert werden. Er
kann jedoch auch dadurch, daß man von dem Primärstrom einen Teil abzweigt und ihn
durch Induktionsspulen phasenverschieht und dem Sekundärstrom entgegenleitet, aufgehoben
werden (Kompensator X in Fig. 23). Bei der Gleichstromschaltung nach Fig. 23 wird
dieser Sekundärstrom durch den Kompensator 7 ausgeschaltet.
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Will man die Störungen, die meist mit der Verwendung eines Stromabnehmers
verbunden sind, vermeiden, so werden die Induktionsspulen W, W' kurzgeschlossen
(Kurzschluß spulen). Werden sie gedreht, so erzeugen sie in den Empfangsspulen A,
A' der Fig. 23 einen Wechselstrom. Durch viele Empfangsspulen, die um die Induktionsspule
angebracht werden, wird die Frequenz bei Anwendung permanenter Magnetfelder auf
solche Schwingungszahl erhöht, die durch das Gehör gut wahrgenommen werden. Bei
Verwendung künstlicher Wechselfelder ist die Frequenz des induzierten Stromes genügend
hoch.
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Wird eine besonders hohe Empfindlichkeit des Ge rätes verlangt, so
besteht ferner die Möglichkeit, die Empfangsspulen oder die Kurzschluß spulen in
einem Wechselfeld mit der Frequenz n' und der Drehzahl n" zu drehen. Die Spannung
und die Frequenz und damit die Abstimuischärfe werden erhöht und die Größe des Gerätes
vermindert. Die durch das Wechselfeld erzeugten Sekundärfelder der Frequenz ii'
werden ausgeschaltet durch die Abstimmung auf die Frequenz n'+n" oder je nach Bauart
auf das Mehrfache der Frequenz n' + ob".
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Der Wechselstromkreis ist in Fig. 23 durch Z bezeichnet.
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Bei ortsfesten Anlagen kann auch eine Erhöhung der Empfindlichkeit
dadurch vorgenommen werden, daß man das Erdfeld durch die Gleichstromkreise la la'
aufhebt. Dann werden nur noch die Unterschiede des Erdfeldes gegenüber dem Feld
des Gleichstromkreises festgestellt.
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Peilgerät: Bringt man nach Fig.24 das Meldegerät auf ein um eine
Achse 11 drehbares Gestell 12, so eignet es sich zur Anpeilung des störenden Metallkörpers,
da nur dann Stromlosigkeit besteht, wenn gleich viel Kraftlinien durch die drehbaren
Spulen geschnitten werden. Als Spulen sind wieder Induktionsspulen A, A' auf Wellen
2a, 2a' mit einem Synchronmotor 30 verwendet. Die Welle 20 wird durch einen Antrieb
13 vom Motor angetrieben.
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Steuergerät: Hier kann dieselbe Bauart verwendet werden, wie sie
bei dem Steuergerät mit feststehenden Induktionsspulen beschrieben ist.
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Die Peilgeräte II und III unterscheiden. sich abgesehen von der Art
der Stromerzeugung in den Empfangsrahmen - nicht voneinander. Da bei dem Verfahren
II die Schiffsschwankungen keinen wesentlichen Einfluß ausüben, abgesehen von dem
Wechsel der Sekundärstromstärke, so wird bei diesem Verfahren die Entfernungsangabe
genauer und stetig sein.
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Bei Nebel kann es vorteilhaft sein, die Nähe und Richtung des Landes
schätzen zu können. Bei bewegtem Schiff wird dieses nach Verfahren I mit Geräteanordnung
Fig. 14 möglich sein. Jedoch scheint es vorteilhafter zu sein, in diesem Falle Verfahren
II oder III zu verwenden, da das Schiff bei Nebel und Landnähe langsam fährt.
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PATENTSNSPRCHE: 1. Verfahren zum Aufsuchen oder Anpeilen ferromagnetischer
Körper oder zum Steuern von Gegenständen in Richtung auf ferromagnetische Körper,
insbesondere zu militärischen Zwecken, dadurch gekennzeichnet, daß die durch diese
Körper hervorgerufenen Änderungen eines konstanten magnetischen Gleich- oder Wechselfeldes
mittels Induktionsspulen gemessen und/oder nutzbar gemacht werden.