DE494911C - Schaltungsanordnung fuer Duplexbetrieb zur UEbermittelung von telegraphischen Nachrichten ueber lange Kabel - Google Patents

Description

Die Erfindung feetrifft telegraphische Systeme, bei welchen nach Art von Krarupieitungen ununterbrochen belastete Leitungen Verwendung finden.

Der wesentliche Gegenstand der Erfindung ist eine künstliche Leitung, welche genau einen langen Signalleiter nachbildet. Bei dem nachstehend .beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine künstliche Leitung für den Duplexbetrieb eines langen, mit großer Schnelligkeit betriebenen ununterbrochen belasteten Ozeantelegraphenkalbel's in Betracht gezogen. Abb. ι zeigt die Schaltung einer künstlichen Leitung nach der Erfindung. Albb. 2 zeigt ein Diagramm für den Strom im Leiter in verschiedenen Entfernungen vom Sendeende. Abb. 3 ist ein ^-//-Diagramm für die Permeabilität des Belastungsmaterials. Abb. 4 zeigt in einem Diagramm die Wirkung der

ao Veränderung von Luiftzwischenraum auf die Permeabilität. Abb. 5 zeigt in einem Diagramm die Wirkung superponierter konstanter magnetischer Kraft auf die Permeabilität. In nachstehender Beschreibung handelt es

as sich um ein ununterbrochen 'belastetes Kabel, bei welchem als Belastungsmaterial eine Zusammensetzung von Nickel und Eisen gewählt ist, welche mit Permalloy bezeichnet wird.

Bei langen ozeanischen Kalbeln hielt man es für recht zweckmäßig, Duplexbetrieb einzurichten. Aus diesem Grunde wurden in bekannter Weise an beiden Enden künstliche Leitungen vorgesehen, von denen eine jede das Kabel elektrisch bis zu einem bestimmten praktischen Betrag nachbildet. Das wirkliche Kabel und die künstliche Leitung werden als Verzweigungen einer Wheatstonschen Brücke geschaltet. Die Herstellung und die Einstellung der künstlichen Leitung derart, daß diese ein langes ozeanisches Kabel genügend genau nachbildet, ist mit bedeutenden Schwierigkeiten verbunden, selbst wenn das Kabel nicht belastet ist.

Das Problem, ein ununterbrochen belastetes Kabel auszugleichen, hat verschiedene Arten von Schwierigkeiten. Das nichtbelastete Kabel zeigt Widerstand und Kapazität, während seine Streuung und seine Induktanz meistens vernachlässigt werden können. Das belastete Kabel hat eine große Induktanz, welche natürlich auch in der künstlichen Leitung nachgebildet werden muß, so daß die Schwierigkeit des Ausgleiches größer ist. Überdies ändert sich die Induktanz mit dem Strom, während die Faktoren, welche beim Ausgleich des nichtbelasteten Kabels in Erscheinung treten, nämlich Widerstand und

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Kapazität, für verschiedene Ströme im wesentlichen gleich sind. Weiterhin wird der effektive Widerstand der Leitung durch Wirbelstromverluste und andere Wirkungen des Belastungsmaterials bestimmt, so daß dieser effektive Widerstand für das belastete Kabel sich mit dem Strome ändert, während für das nichtbelastete Kabel der effektiv? Widerstand im wesentlichen konstant ist. ίο Die Erfindung bringt eine künstliche Leitung, welche dem Kabelleiter in bezug auf alle wesentlichen Konstanten gleicht und welche dazu dient, einen solchen Leiter für Duplexbetrieb auszugleichen. Das besondere, beispielsweise betrachtete, belastete Kabel besteht aus einem zylindrischen Kupferleiter mit 4,27 mm Durchmesser. Dieses ist von einem spiralig gewundenen Permalloyband von einer Dicke von 0,15 und ao einer Breite von 3,17 mm umgeben. Dieses Band gibt dem Leiter einen Durchmesser von 4.57 mm. Wenn das Band in dieser Weise aufgebracht ist, so zeigt es eine Permeabilität von 2000 oder darüber, während· bisher bei Eisen diese Zahl nicht höher war als 200. Infolge dieser außergewöhnlichen Eigenschaften des Permalloy, der hohen Permeabilität bei niedrigen magnetisierenden Kräften ist ein in dieser Weise belasteter Leiter für schnelles Telegraphieren geeignet. Xach Belegung des Kupferleiters mit dem Belastungsmaterial wird derselbe einem -: Hitzeprozesse unterzogen, durch welchen diese hohe Permeabilität entsteht. Hierauf erfolgt das Auflegen der Guttaperchaisolatiön, von Drähten usw. Das beispielsweise beschriebene Kabel soll eine Länge von etwa 3700 'km haben. Die magnetischen Eigenschaften des Belastungsmaterials werden in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung der künstlichen Leitung erläutert. In Abb. ι ist das Kabel mit 10 bezeichnet. Der Empfänger R liegt im Brückenteil der Wheatstonschen Brücke, in deren Verzweigungen die Kondensatoren C und C₁, die gleich sind, eingeschaltet werden. Der Sender T ist mit der Spitze, welche durch die Leitungen der beiden Kondensatoren C gebildet wird, verbunden. Die zwei anderen Verzweigungen der Brücke wenden durch das Kabel 10 gebildet und durch die nachstehend beschriebene künstliche Leitung.

Für den Teil der künstlichen Leitung, der im elektrischen Sinne am nächsten der Brücke liegt, wird eine Reihe von Leitern 11 verwendet, die die gleiche Dimension und das gleiche Material haben wie die Kabelleiter und in der gleichen Weise belastet wenden. Die Kabelleiter sind mit Guttapercha oder einem anderen Isolationsmaterial umgeben. Es ist jedoch nicht notwendig, auch bei der künstlichen Leitung eine derartige Isolation vorzunehmen. Die Albschnitte des mit Band bewickelten Leiters der künstlichen Leitung können verschiedene Länge haben. Sie sind kürzer nahe der Brücke und werden mit ihrer Entfernung von der Brücke länger. Indessen können sie auch dieselbe Länge haben, z. B. ein jeder 18,25 m. Diese Abschnitte werden über kleine einstellbare Induktanzspulen 12 und' Widerstände 13 hintereinandergescnaltet. x\uf der einen Seite geerdete Kondensatoren 14 sind andererseits mit Abzweigstellen der Spulen 12 verbunden. Der Zweck des Kondensators 14 ist, wie weiter unten noch angegeben,wird', der, die Kapazität des Kabels selbst nachzubilden, unabhängig von den verschiedenen Bedingungen, unter welchen die Abschnitte und das Kabel sich befinden. Diese bei 15 an Erde liegenden Kondensatoren sind einstellbar und sind durch einstellbare Widerstände 16 nebengeschlossen. Für ein transatlantisches Kalbel mit einer Länge vori 'beispielsweise 3700 km mag'der Tail der künstlichen Leitung, der in der eben beschriebenen Weise zusammengesetzt ist, zusammen ungefähr 185 km lang sein. Unter der Annahme, daß die Abschnitte je 18,25 m lang sind, ergeben sich 10 000 Abschnitte. Diese Abschnitte müssen nach bekannten Prinzipien so angeordnet und gruppiert werden, daß die wechselseitigen Induktanzwirkungen zwischen verschiedenen Abschnitten außer acht gelassen werden können.

Das Kabel zeigt vier fundamentale physikaiische Konstanten, welche beachtet werden müssen, um die künstliche Leitung dem· Kabel anzupassen. Es sind dies Widerstand, Kapazität, Induktanz und Ableitung. Macht man nun den Leiter 'der Abschnitte 11 aus 1°° gleichem Material und gleichem Querschnitt wie den Kalbelleiter, so ist der Serienwiderstand pro Längeneinheit bereits sehr scharf . angepaßt. Es ist bekannt, daß KaJbel in der Weise hergestellt wenden, daß vor dem Legen die Abschnitte zusammengespleißt werden. Die verwendeten Herstellungsmethoden bringen notwendigerweise kleine Unterschiede in den Konstanten dieser Abschnitte mit sich. Wie auch immer die Konstanten für die verschiedenen Abschnitte des Kabels sein -mögen, so sei angenommen, daß sie für die entsprechenden Abschnitte der künstlichen Leitung .-■ 11 gleich sind derart, daß jedes der 185 km denselben Widerstand hat wie das entsprechende Kilometer des Kabels. Durch kleine, instellbare, zwischengeschaltete Widerstände 13 wird Genauigkeit der Einstellung gewähr- , leistet.

Der Teil 11 der- künstlichen Leitung hat nicht nur den gleichen Leiter- wie das Kabel, sondern er hat auch dasselbe zur Erhöhung

der Induktion spiralig herumgewundene Material. Infolgedessen ist in einer engen Annäherung die Serieninduktanz der künstlichen Leitung 11 die gleiche, als wie bei den ersten 185 km des Kabels, und zwar Kilometer für Kilometer, und die kleinen, einstellbaren Induktanzspulen 12 ermöglichen eine ganz genaue Einstellung bezüglich der Gleichheit der Induktanz · zwischen Kabel- und künstlicher Leitung, und zwar Kilometer um Kilometer. -Die verteilte Nebenschlußkapazität für das Kabel" wird" in der künstlichen Leitung durch die Kondensatoren 14 in genügender Weise nachgebildet, welche mit der einen Seite an >5 Erde liegen und mit der anderen Seite mit dem Kabel mit Zwischenräumen von 18,25 m in Verbindung stehen. Jeder Kondensator 14 hat im wesentlichen eine Kapazität, die der Kapazität von 18,25 m Länge des wirklichen Kabels entspricht.

Die Wirkung der »dielektrischen Hysteresis« des Isolationsbelages des Kabels ist in ihrer Rückwirkung auf den-Kabelstromkreis gleichwertig einem höhen Widerstand im Nebenschluß zu einem Kondensator. Dementsprechend sind hohe, einstellbare Widerstände 16 vorgesehen im Nebenschluß zu den diesbezüglichen Kondensatoren 14, und vermittels dieser Widerstände kann die Wirkung der dielektrischen Hysteresis des Kabelisolationsmaterials in genauer Weise nachgebildet werden.

Die Dämpfung bringt in dem wirklichen Kabel einen Strom hervor, welcher ungefähr in Abb. 2 dargestellt ist, in welcher die Abszissen Entfernungen in Kilometern vom Sendeende und die Ordinaten die Ströme an den entsprechenden Punkten des Kabels darstellen. Bei einer Entfernung von 185 km wird der Strom von seinem Sendewert OA auf den Wert abfallen, der durch die Ordinate DP gegeben ist. Unter der Voraussetzung, daß der ganze ankommende Strom gegen das Sendeende zurückreflektiert wird, würde der Strom, welcher zum Sendeende zurückgeleitet würde, lediglich von der Größe D' P' sein. Aber es wird natürlich irgendeine RefLektionsunregelmäßigkeit nur einen geringen Bruchteil einer gesamten Reflektion mit sich bringen. Es ist klar, daß infolge Unregelmäßigkeiten in der weiteren Leitung, d. h. weiter als 185 km längs des Kabels, die Wirkungen von teilweisen Reflektionen am Sendeende verhältnismäßig gering sind. Hieraus ergibt sich, daß insbesondere für das Kopfende der künstlichen Leitung die Notwendigkeit der genauesten Einstellung besteht, und dies ist der Grund, warum die ununterbrochen belastete künstliehe'Leitung 11 für das Köpfende, wie in Abb. i, Verwendung findet,' an Stelle einer künstlichen Leitung mit zusammengefaßter Belastung. Nachdem diese ununterbrochen belastete künstliche Leitung bis zu einer gewissen Länge, wie z. B. bis zur Stelle 17 der Abb. i, ausgeführt ist, wird sie als-künstliche Leitung weitergeführt, die aus zusammengefaßten Elementen in einer der nachstehend beschriebenen Zusammensetzungen besteht.

Für den Teil der künstlichen Leitung, der den nächsten 185 Kilometereinheiten des Kabels entspricht, werden Sätze von Elementen aufeinanderfolgend vorgesehen. Jeder Satz besteht aus einer Serieninduktanzspule 19, einem Serienwiderstand 18 und einem Nebenschlußkondensator 20. In erster Annäherung hat die Induktanzspule 19 eine Induktanz, die etwas geringer ist als die Induktanz einer bestimmten Länge des Kabels 10, welcher dieser Abschnitt entspricht. Der Widerstand 18 ist (ungeachtet des Widerstandes in der Spule 19) derselbe, wie der Widerstand derselben Länge des Kabels 10, und der Kondensator 20 hat dieselbe Kapazität wie diese Länge des Kabels 10.

In Verbindung mit einer jeden derartigen · Gruppe von Spulen 19, Widerstand 18 und Kondensator 20 steht eine kleine, einstellbare Induktanzspule 21 mit einem mit Luftzwischenraum versehenen Kern in Serie und eine einstellbare, hohen Widerstand aufweisende Spule 30 in Nebenschluß zum Kondensator 20. Die Funktion des Widerstandes 30 ist im wesentlichen dieselbe wie die des Widerstandes 16. Der Kondensator 20 ist genau berechnet, und seine Ableitung ist geringer als diejenige des Kabels, und der im Nebenschluß zum Kondensator 20 liegende Widerstand 30 bewirkt eine größere Genauigkeit. Der Zweck der einstellbaren Induktanzspule 21 wird »°o nachstehend erläutert.

Die Größen der aufeinanderfolgenden Widerstände 18 und Spulen 19 können albgestuft werden, indem sie in der Nähe der Brücke kleiner gemacht werden und so eine engere Einstellung dort ermöglichen, wo die Nachbildung der wirklichen Leitung genauer sein muß. In diesem Falle werden die Kondensatoren 20 in gleicher Weise abgestuft.

Die Benutzung des zur induktiven Belastung dienenden Materials gibt dem Kabel eine Induktanz L, die nicht konstant ist, aber von der Größe des Stromes abhängt. . Dies sei an Hand der Abb. 3 erläutert. Die Kurve 22 ist die gewöhnliche B-H-Kurve. für Permalloy. H entspricht der zugeführten magnetischen Kraft und B der magnetischen Induktion des Materials. Die Kurve 23 in der gleichen Abbildung ist die (/,-//-Kurve, wobei μ = BjH ist. Die Werte von H bei der iao Signalgebung sind gering und fallen mit. der Entfernung vom Sendeende- sehr schnell ab,

so daß über die ersten 185 km des Kabels hinaus und in dem entsprechenden Teil der künstlichen Leitung nur ein enger Bereich von O bis X in Albb. 3 besteht. Unter Anwendung geeigneter konstanter Proportionalitätsfaktoren kann dieKurve μ-Η auch betrachtet wenden als eine L-I-Kurve, wobei L die Induktanz und I den Strom darstellt. Man kann sagen, daß das Problem der Nachbildung der belasteten Leitung die Aufgabe darstellt, der künstlichen Leitung dieselbe /»-/-Kurve zu geben wie dem Kabel. Dieses bedeutet, daß für entsprechende Punkte der beiden Leitungen die L-i-Kurve dieselbe ist. Außerdem muß der Hysteresisverlust an jedem Punkt der künstlichen Leitung derselbe sein wie an dem entsprechenden Punkt längs des Kabels, aber für weit entfernt liegende Punkte ist ihre Wirkung co praktisch vernachlässigbar und das Kriterium der Anpassung der L-I-Kurven genügt vollkommen. Wäre die Induktanz konstant, so würde die L-J-Kurve eine horizontale Linie sein, aber ihre gekrümmte Form bringt zum *5 Ausdruck, daß die Induktanz ein Verhältnis ist, dessen Wert sich in Abhängigkeit vom Strom ändert. Um im vorliegenden Falle die zusammengefaßte künstliche Leitung soweit wie möglich dem Kabel gleich zu machen, wird dasselbe induktive Material verwendet, d. h. die Kerne der Spul« 19 werden aus Permalloy gemacht, mit Hitze behandelt und sonst in der gleichen Weise wie das Permalloyband präpariert. Durch diese Art der Konstruktion ist ein wesentlicher Schritt in der Richtung gemacht, durch die künstliche Leitung in genauer Weise die wirkliche Leitung nachzubilden.

Für die Kerne der Iniduktanzspulen 19 wird nicht nur Permalloy verwendet, sondern außerdem sind diese Spulen und Kerne so gestaltet, daß das Permalloy dieselbe magnetische Dichte wie das Kabel zeigt, d.h. wenn ein stetiger Strom mit einer bestimmten Anzahl von Mikroampere durch das Kabel fließt und eine bestimmte Kraftliniendichte in dem Material des Bandes hervorbringt, so sind die Spulen 19 so konstruiert, daß der gleiche Strom in ihren Windungen die gleiche Dichte im Kernmaterial erzeugt. Auf diese Weise ist eine Gewähr dafür gegeben, daß die gleiche Kurve 23 in Abb. 3 für entsprechende Punkte des Kabels und der künstlichen Leitung gilt. Gewisse Verluste infolge von Wirbelströmen im Belastungsmaterial des Kabels sind unvermeidlich, und dementsprechend sind die Kerne der Spulen 19 lamelliert, und zwar so bezüglich der Dicke der Lamellen, daß · die Wechselstromverluste für die gleichen Ströme dieselben sind wie im Kabel.

Ein weiteres Konstruktionsmerkmal besteht bei den Serieninduktantzspulen 19 darin, daß man dieselben mit Luftzwischenräumen versieht und diese einstellbar macht. Der Zweck der Einstellibarkeit ist der, die Induktanz der Spulen regeln zu können. Eine Vergrößerung des Luftzwischenraumes vermindert die Induktanz der Spule und umgekehrt. Mit Änderung des Luftziwischenraumes verändert sich die Induktanz, und zwar nicht proportional, sondern schneller. Betrachten wir Abb. 4 und vergrößert man den Luftzwischenraum, so ändert sich die /,-/-Kurve von Kurve 27 in Kurve 28, und wenn man die Ordinaten mit einer Konstanten für Kurve 28 multipliziert, so kann die Kurve 28 nicht so weit gebracht werden, daß sie mit 27 zusammenfällt, sondern sie nimmt einen Verlauf, wie derselbe durch Kurve 29 zum Ausdruck gebracht ist.

Untersucht man die Vorgänge auf mathematischem Wege, so ergibt eich, daß der Luftzwischenraum einen wesentlichen Einfluß auf das Verhalten der Permeabilität ausübt. Wird z. B. durch den Luftzwischenraum die Permeabilität auf die Hälfte des Wertes herabgesetzt, so findet eine wesentlich verringerte Änderung der Permeabilität für kleine magnetische Kräfte statt, und zwar ungefähr auf ¹Z₈ des vorhergehenden Wertes. Hieraus folgt, daß die Einstellung des Luftzwischenraumes für jede Spule 19 eine ungewünschte Änderung der Induktanz für verschiedene Stromstärkenverursacht. Um diese Wirkung auszugleichen, werden kleine, einstellbare Serienluftkerninduktanzen 2Ί verwendet. Vermittels 21 kann die Induktanz verändert werden, ohne daß die Geschwindigkeit, bei welcher die Induktanz mit dem Strom sich ändert, eine Änderung erfährt, so daß mit den zwei einstellbaren Spulen19 und 21 eine gewünschte Einstellung dieser beiden Faktoren gewährleistet ist.

In der künstlichen Leitung wird noch ein anderes Verfahren verwendet, um die Induktanz der Spulen zu regeln. Dieses Verfahren ist in den Spulen 19' durchgeführt. Diese können, ebenso wie die anderen, mit Permalloy hergestellt werden, aber sie halben keine einstellbaren Lufträume, und die einstellbaren Luftkernspulen 21 kommen nicht zur Verwendung.

Um jeden Kern für die Serienwindungen 19' der künstlichen Leitung ist eine besondere Wicklung 24 in einem Stromkreis mit einer Batterie und einem regelbaren Widerstand 25 gelegt. Aus Abb. 3 ergibt sich, daß, obwohl L mit I₁ wie dies durch Kurve 37 ausgedrückt ist, variiert, für einen superponierten Gleichstrom und einen kleinen Bereich von iao variablem Strom den Wert von L. nach der Kurve 26 sich ändert. Man sieht also, daß

die Kurve 26 so entstanden ist, daß der Gesamtstrom, d. h. der Strom /, der durch die Wickelung 19' fließt, plus dem Strom Γ, der durch die Wickelung 24 fließt, als Abszisse aufgetragen wird, während die resultierende Induktanz L' die Ordinate bildet. Indem man den Gleichstrom Γ in der Wicklung 24 vermittels 25 regelt, wird der Kern auf irgendeinen gewünschten Punkt der Kurve 26 der

to Abb. 5 gehalten. Da die Ordinaten dieser Kurve Induktanz darstellen, so sieht man, daß durch diese Anordnungen eine Einstellung der Induktanz erfolgen kann.

Wenn die Unregelmäßigkeiten der Reflek-

»5 tion in ihrer das Gleichgewicht störenden Wirkung bei der Brücke besonders klein sind, so kann weiterhin eine künstliche Leitung üblicher Konstruktion mit festliegenden Induktanzen, Kapazitäten und Widerständen, wie

ao dies in 32 in der Abb. 1 angedeutet ist, verwendet werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche :

   i. Schaltungsanordnung für Duplexbetrieb zur Übermittelung von telegraphischen Nachrichten über lange Kabel, die ununterbrochen belastet und an beiden Enden mittels künstlicher Linien nachgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei abschnittsweiser Nachbildung der natürlichen Linie bestimmte Abschnitte durch einen oder mehrere Abschnitte eines ununterbrochen belasteten Kabels genau abgeglichen werden, während zur Nachbildung der übrigen Abschnitte der natürlichen Linien an sich bekannte Kombinationen von Kapazitäten, Induktivitäten und Ohmschen Widerständen verwendet werden, die ihrer Wirkung nach annähernd die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die Abschnitte der natürlichen Linie aufweisen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte des ununterbrochen belasteten Kabels der künstlichen Linie der Signalleitung elektrisch naheliegen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Abschnitten des ununterbrochen belasteten Kabels der künstlichen Linie regelbare Induktivitäten und Ohmsche Widerstände angeordnet sind.
4. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanzelemente (19) der an die genaue Nachbildung (11) sich anschließenden künstlichen Leitungsglieder (18, 19, 20, 21) aus magnetischen Induktanzspulen mit einstellbarem Luftzwischenraum bestehen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen und Kerne so proportioniert sind, daß sie für den Abschnitt der Signalleitung, welchen sie nachbilden, dieselbe Induktanzcharakteristik haben.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spulen in Serie mit einstellbaren Luftkerninduktanzspulen (21) geschaltet sind.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne und das Belastungsmaterial für den ununterbrochenen belasteten Leiter in der künstlichen Linie aus Permalloy bestehen, so daß für das magnetische Material der künstlichen Linie und der Signalleitung dieselbe !-/-Linie (Abb. 5) gilt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen