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Schaltungsanordnung zur Übertragung von Schaltbefehlen in extrem kurzer
Zeit auf störbeeinflußten Verbindungen, insbesondere Hochspannungsleitungen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Schaltbefehlen
in extrem kurzer Zeit mit Hilfe von Hochfrequenzimpulsen auf störbeeinflußten Verbindungen,
insbesondere Hochspannungsleitungen.
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Schaltungsanordnungen zur Übertragung von Schaltbefehlen über Hochspannungsleitungen
werden beispielsweise zur Auslösung von Schaltern an einem fernen Ort benötigt.
Hierbei besteht die Aufgabe, den Schaltbefehl in verhältnismäßig kurzer Zeit, d.
h. in einer Zeit, die beispielsweise maximal 35 ms betragen darf, zu übertragen.
Dabei muß die übertragung mit größtmöglicher Sicherheit erfolgen, wobei im besonderen
darauf zu achten ist, daß nicht Schaltbefehle durch Störeinflüsse vorgetäuscht werden
können.
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Es ist bekannt, bei der Signalübertragung über Funkstrecken die in
einem Nachrichtenkanal oder in einem zusätzlichen Kanal auftretende Geräuschspannung
bei Überschreiten einer bestimmten Schwelle zur Sperrung des Signalempfanges zu
verwenden.
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Ferner ist es bei Fernsteuerempfängern bekannt, den Start durch zwei
Impulse zu bewirken und erst nach Empfang des ersten Impulses die Empfindlichkeit
des Empfängers zu erhöhen, um Einflüsse von Störungen zu beseitigen. Diese Maßnahmen
sind jedoch zur Lösung der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nicht ausreichend.
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Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, bei der Übertragung von
Steuerbefehlen über Energieversorgungsleitungen durch Modulation der Steuerfrequenz
am Empfangsort eine Rückmeldung zum Sender zu bewirken. Diese Maßnahmen reichen
ebenfalls nicht aus, bei den hohen Störpegeln auf Hochspannungsleitungen, die erforderliche
Sicherheit zu gewährleisten.
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Die genannte Aufgabe, Schaltbefehle sehr rasch zu übertragen, besteht
unter anderem bei Kraftwerken mit großen Maschineneinheiten, bei denen die Generatorspannung
durch einen mit dem Generator starr verbundenen Aufspanntransformator auf 100 bis
200 kV, in letzter Zeit auch auf 380 kV, heraufgesetzt wird. Der Aufspanntransformator
steht hierbei unmittelbar am Kraftwerk, damit für die großen unterspannungsseitigen
Ströme nur möglichst kurze Verbindungen zwischen dem Generator und dem Transformator
notwendig sind. Oberspannungsseitig wird dann der Transformator über einen Schalter
an eine Hochspannungssammelschiene angeschlossen. Liegt nun bereits in der Umgebung
des Kraftwerkes eine Schalt- oder Umspannstation der gleichen Spannung, so wird
im Regelfall über eine entsprechende Zuleitung auf die Sammelschiene dieser Station
eingespeist. An dieser Stelle ist dann ein weiterer Schalter nötig, der nur mit
dem Schalter im Kraftwerk in Reihe liegt. Der am Kraftwerk befindliche Schalter
kann dann eingespart werden, sofern die Übertragung des Schaltbefehls an den Schalter
in der Umspannstation rasch und sicher erfolgt.
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Bei der Neuerrichtung von Hochspannungsschaltanlagen werden vielfach
die Schalter in größerem Abstand vom Kraftwerk aufgestellt. Zum einen ist in der
Nähe des Kraftwerkes oft kein Platz für eine Schaltanlage, zum anderen müssen beispielsweise
bei Dampfkraftwerken die Schalter mit Rücksicht auf die Verschmutzungsgefahr in
einiger Entfernung aufgestellt werden.
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In beiden Fällen müssen die Schaltbefehle vom Kraftwerk an die Schalter
gegeben werden. Auch in diesen Fällen muß eine Fehlauslösung mit Rücksicht auf die
angeschlossenen Verbraucher vermieden werden.
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Bei der Übertragung von Schaltbefehlen mit Hilfe von Trägerfrequenz
über Hochspannungsleitungen ist
zu berücksichtigen, daß auf diesen
Leitungen verhältnismäßig viel Störungen auftreten, die durch Korona, besonders
stark jedoch durch Blitzschläge, Kurzschlüsse sowie Schalthandlungen im Verbundnetz
hervorgerufen werden. So führt beispielsweise jede Betätigung eines Leistungsschalters
zu einer dichten Folge von Spannungsstößen sehr hoher Amplitude, die auf Grund ihrer
steilen Flanke ein sehr breites Frequenzspektrum einnehmen. Da die Übertragung der
Schaltbefehle mit Trägerfrequenz, z. B. auch Tonfrequenz, erfolgt, können die in
dem für den Schaltbefehl benutzten Frequenzbereich liegenden Frequenzen der Störspannungen
zu einer falschen Auswertung führen. An eine Schaltungsanordnung zur Übertragung
von Schaltbefehlen auf Hochspannungsleitungen ist also die Forderung zu stellen,
daß Störspannungen weitgehend unwirksam gemacht werden müssen. Außerdem ist dafür
Sorge zu tragen, daß Schaltbefehle nicht durch Störspannungen vorgetäuscht werden
können bzw. tatsächlich gegebene Schaltbefehle unterdrückt werden, da ja Schaltbefehle,
die beispielsweise einen Kurzschluß auf einer Leitung ausschalten sollen, schnellstens
ausgeführt werden müssen. Die bekannten Pegelüberwachungseinrichtungen sind daher
für sich nicht ausreichend.
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Man könnte an sich daran denken, Schaltbefehle unter Verwendung eines
sogenannten Sicherheitscodes zu übertragen. Derartige Sicherheitscode sind aus der
Fernschreibtechnik, insbesondere zur übertragung von Fernschreibzeichen auf Funkstrecken,
ganz allgemein bekannt. Sie ermöglichen beim Empfänger festzustellen, ob ein empfangenes
Codezeichen, das in diesem Fall einem Schaltbefehl entsprechen würde, richtig sein
kann oder nicht. Für die vorliegende Aufgabe jedoch ist ein derartiges Übertragungsverfahren
nicht geeignet, da die übertragung einer Mehrzahl von Impulsen, wie sie zum Aufbau
eines Sicherheitscodes notwendig sind, bei den geforderten hohen Übertragungsgeschwindigkeiten
eine Erhöhung des Nachrichtenflusses bedeutet, was bei gegebener Bandbreite und
Sendeleistung zu einer Vergrößerung des Störeinflusses, also der Fehlerhäufigkeit,
führen muß. Im übrigen ist es bei dem Empfänger einer derartigen Schaltanlage ungenügend,
wenn lediglich festgestellt werden kann, daß ein fehlerhafter Befehl vorliegt, da
in diesem Fall erst eine Rückfrage ausgelöst werden müßte, was wiederum zu erheblichen
Zeitverzögerungen führen würde, die aber beispielsweise in Kurzschlußfällen nicht
zustande kommen dürfen.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird den geschilderten
Anforderungen gerecht. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzimpulse
unter Verwendung der bekannten Frequenzmodulation mit, im Vergleich zu der Signalbandbreite
am Ausgang, verhältnismäßig großem Frequenzhub und großer Bandbreite übertragen
werden und daß innerhalb des Empfängers zur sicheren Unterscheidung zwischen Schaltbefehl
und Störungen Einrichtungen vorgesehen sind, die in an sich bekannter Weise den
Pegel des Befehlssignals und den Pegel der Störungen bewerten und miteinander vergleichen
und die Ausführung eines Schaltbefehls nur dann zulassen, wenn der Signalpegel entsprechend
weit über dem Störpegel liegt.
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Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird also zur Überwachung
nicht nur der Pegel des Signals herangezogen, sondern es wird auch der Pegel der
Störungen (Störpegel) von einer vom Signalpegel abhängigen Amplitudenregelung gesteuert
und ebenfalls überwacht, und bei übermäßiger Annäherung dieses Pegels an den Signalpegel
wird eine Auswertung verhindert, da in diesem Fall durch die Störungen ein Signal
vorgetäuscht werden könnte.
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Einzelheiten der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden an
Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild für eine gesamte Schnellschaltübertragungsanlage;
F i g. 2 zeigt einen Stromlaufplan für die überwachungseinrichtung innerhalb des
Senders und des Empfängers.
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In der F i g. 1 ist im linken Teil der Sender und im rechten Teil
der Empfänger einer übertragungsanlage wiedergegeben. Der Sender enthält Schaltglieder
zur unabhängigen Übertragung zweier Signale S 1 und S 2 über eine
Hochspannungsleitung 2 unter Verwendung gemeinsamer überwachungseinrichtungen.
Zur Erläuterung der Erfindung sei die übertragung eines einzigen Signals S 1 angenommen.
Die Hochspannungsleitung 2 ist jeweils durch die Hochfrequenzdrosseln 1 in einzelne
Übertragungsstrecken unterteilt. Die Ankopplung an die Hochspannungsleitung 2 erfolgt
jeweils über die Ankopplungsglieder 3 in an sich bekannter Weise.
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Das Auslösekriterium für den zu steuernden Leistungsschalter liefert
eine Relaisapparatur (z. B. Generatorschutz) S 1 bzw. S 2. Der Relaisanker jedes
Relais steuert mit seinem Umschaltkontakt einen Umtastmodulator innerhalb des Senders,
die Relaisapparatur S 1 also den Umtastmodulator 9. Der Umtastmodulator
9 ist bis auf einen kurzzeitigen übergang immer nur für eine Frequenz der
beiden angeschlossenen Hochfrequenzoszillatoren 10 und 11
durchlässig.
Mit Rücksicht darauf, daß Impulsstörer unwirksam gemacht werden sollen, haben die
beiden Hochfrequenzoszillatoren 10, 11 einen verhältnismäßig großen Frequenzabstand,
d. h., der Hub der Frequenzumtastung ist groß. Er kann beispielsweise 600 Hz betragen.
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Das am Ausgang des Umtastmodulators 9 auftretende Signal wird von
dem Vorfilter 8 in der Bandbreite entsprechend begrenzt und von deal Sendeverstärkern
6 und 7 verstärkt. Das Hochfrequenzsignal gelangt dann über das Sendefilter
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mit einer entsprechenden Leistung, z. B. mit 10 W, über die Ankopplung 3
auf die Hochspannungsleitung.
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Die von der Hochspannungsleitung über die Ankopplung 3 dem Empfänger
zugeführten Hochfrequenzsignale werden wie in einem Einseitenband-Nachrichtensystem
verarbeitet. Nach Durchlaufen des Filters 14 werden sie einem Hochfrequenzregelverstärker
15 zugeführt und unter Verwendung der vom Oszillator 16 abgeleiteten Frequenz
mit Hilfe des Umsetzers 17 in eine Zwischenfrequenzlage versetzt. Mit Hilfe des
Zwischenfrequenzfilters 18 wird das Frequenzband nochmals sehr scharf begrenzt,
so daß auch weniger starke, jedoch dicht benachbarte Bänder (sowie das Spiegelband)
ausgesiebt werden.
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Die durch die Umsetzung und Siebung hervorgerufenen Pegelverluste
werden mit dem Verstärker 19 wieder ausgeglichen. Die Zwischenfrequenz des Oszillators
20 wird dem Umsetzer 21 zugeführt. Am Ausgang dieses Umsetzers erscheinen dann niederfrequent
die einzelnen Schaltbefehle.
Der Tiefpaß 22 siebt wiederum das niederfrequente
Frequenzband aus, und der Verstärker 23 hebt den Pegel auf einen für die Auswertung
brauchbaren Wert an. Hierbei wird der Pegel so gewählt, daß der dynamische Begrenzer
24 genügend durchgesteuert wird.
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Unter einem dynamischen Begrenzer ist ein Begrenzerglied zu verstehen,
das sprunghafte Erhöhungen der Eingangsspannung, insbesondere durch große Impulsstörungen,
sofort unterdrückt, stetigen Änderungen der Eingangsspannung aber dynamisch nachgibt.
über den Hochpaß 26 und den Tiefpaß 27 wird das gesamte Empfangsband so aufgeteilt,
daß nur die zwei zu einem Kanal gehörenden Frequenzen an die Signalempfänger 29
gelangen können. Die eigentlichen Signalempfänger 29 bestehen in an sich bekannter
Weise aus einem FM-Empfänger mit je einer Verstärkerstufe, einer trägheitslosen
Amplitudenbegrenzung für den ihnen zugeführten Frequenzbereich, einem auf die beiden
Frequenzen abgestimmten Diskriminator und zwei stark bandbegrenzenden Tiefpässen,
über die die Auswerterelais 32 entsprechend gespeist werden.
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Durch diese Zusammenfassung von Schaltteilen, die eine Begrenzung
im breiten Band und eine Auswertung bei geringer Bandbreite ermöglichen, wird erreicht,
daß Impulsstörer mit nicht zu großer Impulsdichte, deren Amplituden wesentlich größer
als der Nutzpegel sein können, unwirksam werden. Außerdem können Pegelsprünge des
Signals in weiten Grenzen nicht wirksam werden.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung verhindert darüber hinaus Fehlauslösungen
auf folgende Weise. Die Sicherung gegen Fehlauslösungen besteht im wesentlichen
darin, die Auslösemöglichkeit am Empfänger rechtzeitig zu verhindern. Dies muß dann
geschehen, wenn die sichere Übertragung des Signals gefährdet erscheint. Die Überwachungseinrichtung
muß deshalb nicht nur auf Fehler im Empfänger, sondern auch bei stark verschlechterten
übertragungseigenschaften der Leitung sowie auch bei Fehlern im fernen Sender ansprechen.
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Das Verfahren, die Befehle durch Frequenzumtastung, d. h. durch Frequenzwechsel
bei jeder Tastung, zu übertragen, erlaubt es, das Ausbleiben des Signalpegels sofort
als Störung zu bewerten. Dies wird innerhalb des Empfängers mit Hilfe des Signalpegelüberwachungsgliedes
31 erreicht, das über das Entkopplungsglied 25 angeschlossen ist. Dieses Signalpegelüberwachungsglied
bewertet das ganze Übertragungsband. Mit Rücksicht darauf hat es eine verhältnismäßig
geringe Laufzeit, d. h. vor allen Dingen eine geringere Signallaufzeit als der eigentliche
Signalempfänger 29. Wenn der Signalpegel plötzlich stark absinkt oder überhaupt
keine Signalfrequenz vorhanden ist, spricht auf diese Störung sofort das Relais
34 an.
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Von dem Signalpegelüberwachungsglied wird außerdem die für die Pegelregelung
notwendige Regelspannung für den Regelverstärker 15 abgeleitet. Mit Rücksicht darauf,
daß die Regelspannung aber von dem im ganzen übertragungsband aufgenommenen Pegel
abgeleitet wird, sind besondere Vorkehrungen notwendig, um ein Anheben des Störpegels
bei ausfallendem Signalpegel zumindest vorübergehend zu verhindern. Die Regelung
für den Regelverstärker stellt sich gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens
bei zunehmendem Pegel verhältnismäßig schnell ein. Bei Ausbleiben des Pegels geht
sie jedoch voraussetzungsgemäß nur langsam auf eine größere Empfindlichkeit zurück.
Dies hat zur Folge, daß der Störpegel, insbesondere die dauernd vorhandene Rauschspannung
durch Korona, beim Ausbleiben des Signalpegels ebenfalls langsam ansteigt, so daß
die überwachung des Signalpegels vorerst von Störungen nicht beeinflußt wird und
die Schaltungsanordnung rechtzeitig abschalten kann.
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Zur Kontrolle des Störpegels innerhalb des übertragungsbandes wird
ein schmeles Frequenzband zwischen den zur Übertragung verwendeten Frequenzen über
das Filter 28 ausgesiebt und auf seine Amplitude überwacht. Der Störpegelempfänger
30 benötigt eine längere Zeit, um eine Änderung des Störpegels zu bewerten, da das
Filter 28 jeweils erst einschwingen muß. Aus diesem Grund muß auch das Signalpegelüberwachungsglied
31 auf Ausfall des Signals sehr rasch reagieren, weil der eigentliche Signalempfänger
29, auf Grund seiner trägheitslosen Begrenzung, bei Ausfall des Signals sofort vollempfindlich
für den Störpegel wird. Eine Änderung des Störpegels, die bei Ausfall des Signals
durch Hochregeln des Regelverstärkers nur langsam erfolgt, läßt aber dem Störpegelempfänger
genügend Zeit, darauf zu reagieren, und zwar noch bevor das Signalpegelüberwachungsglied
den hochgeregelten Störpegel fälschlicherweise als Signalpegel bewerten könnte.
Ohne dieses Zusammenwirken könnte ein rechtzeitiges und bleibendes Abschalten der
Empfangsanlage unmöglich werden.
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Die zuletzt angestellte Betrachtung bezieht sich auf den Fall, daß
der dauernd vorhandene Störpegel im wesentlichen durch Korona hervorgerufen wird.
Dieser ist an sich im Normalfall klein im Vergleich zum Signalpegel.
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Impulsstörungen aber, die bei Blitzschlägen, bei Kurzschlüssen sowie
beim Schalten innerhalb der Hochspannungsanlage plötzlich mit großer Amplitude auftreten,
sind hingegen meistens von sehr kurzer Dauer und werden von dem Signalempfänger
bevorzugt unterdrückt. An sieh bestände die Gefahr, daß der Störpegelempfänger
30 derartige Störimpulse als Störungen bewerten könnte, doch wird dies durch
den dynamischen Begrenzer 24 hinter dem niederfrequenten Verstärker 23 verhindert,
da über diesen die Störimpulsspitzen nicht größer werden können als der gerade anliegende
Signalpegel. Dies trifft auf alle Fälle dann zu, wenn die Störimpulse vereinzelt
oder bei großer Impulsdichte verhältnismäßig kurzzeitig auftreten. Dauern hingegen
die Störungen länger, was z. B. beim Schalten von Trennschaltern oder bei einem
direkten Kurzschluß vorkommen kann, so wird diese Eigenschaft des dynamischen Begrenzers
infolge der Verschiebung seiner Begrenzervorspannung langsam unwirksam. Bis zu diesem
Zeitpunkt, bei der die Begrenzervorspannung entsprechend verändert würde, kann aber
der Störpegelempfänger 30 ansprechen, da er diese Störspannungen integriert.
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Bei ordnungsgemäßem Einsatz der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
werden aber die übertragungsstrecken selten mehr als 50 km lang. In diesen Fällen
dürfte der Signalpegel noch etwa so groß sein, wie die hinter dem Filter erscheinenden
Störimpulse. An Hand der F i g. 2 wird das Arbeiten der überwachungseinrichtung
noch kurz erläutert, das im wesentlichen darin besteht, daß die Ausführung eines
Schaltbefehls nur dann möglich gemacht
wird, wenn keine der im Empfänger
und auch im Sender vorhandenen überwachungseinrichtungen angesprochen hat. In der
Zeichnung sind die Kontakte im Betriebszustand dargestellt.
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Die überwachung 0 1 kontrolliert, ob genügend Signalpegel empfangen
wird. Ü 2 überwacht, ob der Störpegel einen festgelegten Pegelabstand gegenüber
dem Signalpegel (Verhältnis von Signal zu Störspannung) einhält. Gleichzeitig werden
in der Schaltungsanordnung mit Hilfe des überwachungsrelais Ü 2 ebenso wie mit den
überwachungsrelais Ü 3 und Ü 4
die Empfangsanlage selbst,
also das Arbeiten der einzelnen Verstärkerröhren usw. überwacht. Die Funktion aller
anderen in der Schaltungsanordnung notwendigen Schaltungsteile wird direkt oder
indirekt durch die Signalpegelüberwachung Ü 1 mit kontrolliert. Lediglich der Ausfall
der in der Regelbrücke verwendeten Röhre des Regelverstärkers 15 wird von
der Störpegelüberwachung Ü 2 mit erfaßt, weil diese den im ungeregelten Zustand
zu großen Signalpegel trotz der Filterdämpfung als Störpegel bewertet. Der hierbei
ebenfalls größere Störpegel trägt mit zum Erkennen der Störung bei. Die eigentlichen
Signalempfänger 29 werden von diesen übermäßig großen Signalen nicht gestört, da
die ihnen zugeordneten Amplitudenbegrenzer für konstanten Pegel sorgen.
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Sobald eine der genannten überwachungen anspricht, wird der Stromkreis
für die Auslöserelais ER 1 bzw. ER 2 sofort geöffnet, wie in der F i g. 2 gezeigt
ist. Nach einer gewissen Verzögerungszeit wird das Empfangsalarmrelais Ae ausgelöst,
welches anzeigt, daß über die Anlage kein Schaltbefehl mehr übertragen werden kann.
Sobald die Störungen behoben sind, wird der richtige Zustand automatisch, vorzugsweise
mit einer gewissen Verzögerung wiederhergestellt.
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Innerhalb des Senders sind die überwachungsglieder Ü 5 und
Ü 6 vorgesehen, die die Ausgangsspannungen der Sendeoszillatoren und die
Signalgleichspannungen für die Modulatoren kontrollieren. Mit Hilfe der überwachungseinrichtung
Ü 7 wird der Ausgangspegel des Sendeverstärkers kontrolliert. Hierdurch werden also
indirekt alle Röhren, Quarze, Filter, Versorgungsspannungen usw. des Senders mit
überwacht. Die Anzeige geschieht über das Sendealarmrelais As.
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Um die Anzeige eines Fehlers im Sender auch beim Empfänger zu ermöglichen,
wird, sobald eine der überwachungseinrichtungen anspricht, die Endröhre des Sendevorverstärkers
7 (F i g.1) gesperrt. Hierdurch wird kein Signal mehr ausgesendet, und der Empfänger
wertet das Fehlen des Signals entsprechend aus.
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Es können beispielsweise, wie erwähnt, über dieselbe Übertragungsleitung
unter Verwendung gemeinsamer Überwachungsglieder auch zwei oder mehr Schaltbefehle
parallel übertragen werden, sofern ein entsprechend breites Übertragungsband zur
Verfügung steht. Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich,
daß die mechanisch arbeitenden Schaltglieder, die jedoch für die Verwendung in Schaltwarten
besonders geeignet sind, teilweise oder gemeinsam durch elektronische Schaltglieder
ersetzt werden. Für die Belange der Erfindung ist es ohne Bedeutung, wie die einzelnen
Funktionsglieder realisiert werden, d. h., der Aufbau des Sendeverstärkers oder
des Empfangsverstärkers sowie der verschiedenen Begrenzer usw. ist für die Arbeitsweise
an sich ohne Bedeutung.