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Verfahren zum Messen des Zeitabstandes von elektrischen Impulsen Es
ist. ein Verfahren zum Messen des Zeitabstandes von elektrischen Impulsen bzw. von
in elektrische Impulse überführbaren Vorgängen bekannt, bei dem die Impulse auf
eine Braunsche Röhre gegeben und über einer Zeitachse zur Darstellung gebracht werden.
Die Zeitachse wird durch eine von der Impulsfolgefrequenz synchronisierte, sägezahnförmige,
zeitproportionale Kippspannung erzeugt. Die Messung des zeitlichen Abstandes der
Impulse erfolgt dadurch, daß die Impulse durch Zeitverschiebungsglieder (Phasenschieber)
auf der Zeitachse gegenüber einer Meßmarke verschoben werden, so daß die dazu erforderliche
Verstellung der Phasenschieber ein Maß für den zeitlichen Abstand der Impulse bildet.
Hierbei hängt die 'Meßgenauigkeit außer von der Konstanz der Folgefrequenz der Meßimpulse
im wesentlichen von der Konstanz der Zeitverschiebungsglieder ab, der aus im Material
liegenden Gründen Grenzen gesetzt sind. Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die
Meßgenauigkeit des bekannten Verfahrens trotz der Inkonstanz der Zeitverschiebungsglieder
zu erhöhen. Sie geht dabei von der neuen Erkenntnis aus, daß die Meßgenauigkeit
durch Anwendung zusätzlicher Wechselströme oder Impulse erhöht werden kann, deren
Frequenz bzw. Impulsfolgefrequenz .um ein Vielfaches höher ist als die Folgefrequenz
der Meßimpulse. Hierfür ergeben sich zwei Lösungen. Entweder werden von außen höherfrequente
Impulse zugeführt und den Meßimpulsen überlagert, oder es wird von den Meßimpulsen
ein Schwingungskreis angestoßen, durch dessen höhere Frequenz ein Impuls erzeugt
wird, der mit dem zweiten der Meßimpulse zur Interferenz gebracht wird.
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Im einzelnen besteht die Erfindung im folgenden Die zeitlich verschiebbaren
Meßimpulse werden auf eine Gas- oder Hochvakuumentladungsstrecke geleitet,
die
erst dann zündet, wenn ein Meßimpuls rnit einem von außen zugeführten Impuls zeitlich
übereinstimmt, dessen Folgefrequenz um ein Vielfaches höher ist als die Folgefrequenz
der Meßimpulse. Der zeitliche Einsatz der Impulse wird auch hier ebenso wie bei
dem bekannten Verfahren durch die Stellung des Phasenschiebers festgelegt, er wird
aber durch die erfindungsgemäße Überlagerung einer höhenfrequenten Impulsfolge zeitlich
sehr genau fixiert, so daß Inkonstanzen der Phasenschieber ohne Einfluß sind.
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Bei noch höheren Anforderungen an die zeitliche Genauigkeit kann man
gemäß weiterer Verbesserung der Erfindung dem über ein weiteres, feiner abgestuftes
Zeitverschiebungsglicd gelaufenen Impuls eine noch höhenfrequente Impulsfolge überlagern,
so daß die nachfolgende Impulsauslösung erst dann erfolgt, wenn auch einer der höhenfrequenten
Impulse mit dein Meßimpuls zeitlich übereinstimmt. Auf diese Weise kann durchÜberlagerungnoch
höherfrequenterImpulsfolgen praktisch jede beliebige Genauigkeit erreicht werden.
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Bei der zweiten Lösung der vorliegenden Aufgabe wird der Meßimpuls
auf eine Gas- oder Hochvaktitimentladungsstrecke gegeben, in deren Anodenkreis ein
Schwingungskreis angeordnet ist, dessen Frcq:ienz durchVerändern von Induktivität
oder Kapazität <;der von beiden verändert werden kann. Dadurch wird eine Hochfrcquenzschwingung
angestoßen, deren zeitlicher Einsatz durch den Meßimpuls und deren Frequenz durch
Induktivität und Kapazität gegeben sind. Durch eine Gleichrichterstrecke wird dann
eine Halbschwingung ausgesiebt, aus welcher durch Begrenzungsglieder Rechteckimpulse
gewonnen werden. Aus diesenwiederum werden mit bekanntenMittelnDoppelimpulse mit
je einem positiven und negativen Einzelimpuls erzeugt, von denen der erste Impuls
zeitlich durch den Meßimpuls festgelegt und der zweite Impuls zeitlich durch die
Frequenz des Schwingungskreises bestimmt ist. Der zweite Impuls oder ein wcitercr
durch ihn erzeugter Impuls werden dann auf dem Bildschirm der Braunsehen Röhre zur
Interferenz mit dem zweiten i%Ießimpttls gebracht, so daß die Zeitdifferenz zwischen
dem ersten und zweiten Meßirnptils übereinstimmt mit der Zeitdifferenz des ersten
Meßimpulse, und des Impulses, der durch die Dauer der halben Periode des Schwingungskreises
bestimmt ist. Die Genauigkeit der Messung hängt hierbei von dem Schwingungskreis
ab, dessen halbe Periodendauer um so genauer eingestellt werden kann, je höher die
Frequenz ist. Die besondere Bedeutung dieser Lösung liegt zusätzlich darin, daß
die Zeitmessung unabhängig von der Impulsfolgefrequenz der Impulse wird, deren zeitlicher
Abstand gemessen werden soll, so daß Frequenz@chwankungen keinen Einfluß auf die
Meßgenauigkeit haben.
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An Stelle eines Schwingungskreises mit veränderbarer Induktivität
und Kapazität, mit denen jeder beliebige Zeitunterschied zwischen den beiden Einzelimpulsen
des Doppelimpulses eingestellt wird, kann man gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung
auch über einen Stufenschalter verschiedene Schwingungskreise mit fester Induktivität
und Kapazität in den Anodenkreis der Gas- oder Hochvakttumentladungsröhre legen,
von denen jeder einem bestimmten Zeitunterschied zwischen dun beidun Einzelimpulsen
des Doppelimpulses entspricht. Beispielsweise gibt man dem zweiten Schwingungskreis
solche Werte von Induktivität und Kapazität, daß der Zeitunterschied gleich einem
zweifachen des durch den ersten Schwingungskreis gegebenen Zeitunterschiedes beträgt
usw. Um auch die Zwischenwerte noch genau erfassen zu können, werden dann weitere
der eben genannten Schaltmaßnahmen ergriffen, bei welchen Schwingungskreise verwendet
werden, die eine Zeitdifferenz von o,r, o,2.... o,9 der Zeitdifferenz der vorliergehereden
Schaltvorrichtungen bewirken. Bei noch höheren Anforderungen an die ':Vleßgenaitigkeit
wird dieses Verfahren unter Benutzung noch feiner unterteilter Schwingungskreise
fortgesetzt.
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Um die hinsichtlich ihres Zeitabstandes zti messenden Impulse auch
bei großem zeitlichen Abstand auf dein Bildschirm gleichzeitig sichtbar zu machen
und die Einstellung der Zeitverschiebungsglieder in ihrer Wirkung auf die Impulsverschiebung
beobachten zu können, wird gemäß weiterer Verbesserung der Erfindung eine zweifache
Zeitachse finit verschieden großen Zeiteinheiten dadurch erzeugt, daß beide Flanken
der sägezahnförmigen Kippspannung zum Erzeugen der Zeitachse herangezogen und die
beiden Zeitachsen parallel zueinander verschoben werden. Dadurch entstehen auf dem
Bildschirm der Braunsehen Röhre zwei übereinanderliegende Zeitachsen gleicher räumlicher
Länge, von denen die eine vorn Elektronenstrahl mit einer um mehrere Zehnerpotenzen
höheren Geschwindigkeit, z. B. in i usec, in umgekehrter Richtung durchlaufen wird
als die andere, beispielsweise in 2000 /(sec durchlaufende Basis.
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Die Erfindung ist nicht auf reine Zeitmessung( n beschränkt. Da eine
Fehlerstelle in einer Leitung eine Reflexionsstelle für elektrische Wellen ist,
kann bei bekannter Laufzeitgeschwindigkeit dieser Wellen längs der Leitung das vorliegende
Verfahren ebenso wie das bekannte auch zur Bestimmung des Fehlerortes defekter Leitungen
und Kabel verwendet werden. In diesem Falle wird ein linpuls auf das Kabel g -geben,
der darin an de!- l#'ehlerstelle reflektiert wird. Beide Impulse werden auf die
Braunsche Röhre gegeben, wo ihr zeitlicher -Abstand nach 1>eanspri,chten Verfahren
bestimmt wird. Da dadurch auch die Entfernung der Fehlerstelle vom @Iel@gerät gegeben
ist, könnendieZeitverschiebun;,gliuder ohne weiteres nach Entfernungen geeicht werden.
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Die Erfindung wird in ihrer Anwendung bei einem Kabelfehlermeßgerät
an Hand der Abb. i bis beschrieben und erläutert. E, zeigt Abb. Z das Prinzipschaltbild
des Kabelfehlermeßgerätes mit von außen zugeführten hochfrequenten Zusatzimpulsen
gemäß der ersten erfindungsgemäßen Lösung, Abb. 2 die Überlagerung der Primär- und
Zusatzimpulse gemäß der ersten Lösung, Abb. 3 die Darstellung der Zeitachsen auf
(lern Bildschirm der Braunsehen Röhre, Abb. .I das Prinzipschaltbild des KabeIfchlermeßgerätes
mit in einem Schwingungskreis ei-zeugten Zusatzimpuls gemäß der zweiten erfindungsgemäßen
Lösung,
Abb. i die schematische Darstellung der Erzeugung der Zusatzimpulse
durch einen Schwingkreis.
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In den Abb. i und 4 sind gleichartig wirkende Schaltelemente mit derselben
Ziffer bezeichnet.
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In dem Generator i, Abb. i, mit einem quarzstabilisierten Schwingkreis
wird eine Frequenz von 5o oder loo kHz erzeugt, aus welcher im Frequenzteiler 2
eine Frequenz von beispielsweise 500 Hz gewonnen wird. Durch Begrenzungswiderstände
werden im Verstärker 3 aus dieser Wechselspannung rechteckförmige Impulse herausgeschnitten,
die in der im wesentlichen eine gas- oder dampfgefüllte Entladungsröhre enthaltenden
Schaltanordnung 4 zu scharfen Zündimpulsen von der Impulsfolgefrequenz 5oo Hz umgewandelt
werden. Diese zünden, wie z. B. in der Zeitschrift »Archiv der elektrischen Übertragung«
(A.E.Ü.) 1, 1047, S. los bis 113, ausführlich beschrieben ist eine gas- oder dampfgefüllte
Entladungsröhre des Impulserzeugers 5, der rechteckförmige Impulse von wählbarer
Impulsdauer, z. B. ilcsec, und der Impulsfolgefrequenz 5oo Hz erzeugt. Diese steuern
das Kippgerät 6, in dem eine sägezahnförmige Kippspannung mit zeitproportional an-
und absteigenden Flanken erzeugt wird. Sie wird auf die horizontal ablenkenden Platten
der Braunschen Röhre 7 gegeben und dient zur Erzeugung von linearen Zeitmaßstäben
auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre. Die abfallende Flanke dieser Sägezahnspannung
ist durch die Impulsdauer der in 5 erzeugten Impulse bestimmt. Ihre ' Dauei beträgt
in dem vorliegenden Beispiel i ,usec, während die ansteigende Flanke einen Zeitraum
von 2oooicsec umfaßt. Ein Teil der Spannung des Impulserzeugers 5 wird, gegebenenfalls
über einen Verstärker, auf die senkrecht ablenkenden Platten der Braunschen Röhre
gegeben, wo er den Elektronenstrahl während der Dauer des Impulses und damit während
der absteigenden Flanke der Sägezahnspannung nach oben oder unten auslenkt. Dadurch
entstehen auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre zwei übereinanderliegende lineare
Zeitskalen gleicher räumlicher Länge (Abb. 3), deren zeitliche Längen von den Flanken
der Sägezahnspannung abhängen. Bei der gewählten Impulsfolgefrequenz von 5oo Hz
und der Impulsbreite von i usec durchläuft der Elektronenstrahl die obere Skala
t,-t.. (Abb. 3) in i tcsec und die untere Skala t3-14 in umgekehrter Richtung in
etwa 2ooo ,eisec. Vom Impulserzeuger 5 wird ferner ein Hellsteuerimpuls abgenommen
und an den Wehneltzylinder der Braunschen Röhre 7 gelegt, so daß die schnell durchlaufene
Basis des Rechteckumlaufes soweit zusätzlich aufgehellt wird, daß die Leuchtstärke
des gesamten Rechteckes überall gleich ist.
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Ein Teil der im Frequenzteiler 2 erzeugten niederfrequenten Wechselspannung
wird über den Phasenschieber 8 auf die Schaltelemente 3' und 4' gegeben, die genau
so wirken wie die Schaltelemente 3 und 4 und scharfe Zündimpulse von der Impulsfolgefrequenz
5oo Hz erzeugen. Da zur genauen Messung möglichst spitze und kurzzeitige Impulse
notwendig sind und die in 4' erzeugten Impulse dieser Bedingung noch nicht entsprechen,
wird in dem folgenden Schaltelement g' ein neuer, genügend kurzzeitiger und spitzer
Impuls erzeugt. Die Auslösezeit der in den Schalt- .. elementen 4 und 4' erzeugten
Impulse schwankt bei Spannungsänderungen. Da der Impuls selbst in der Größenordnung
von Mikrosekunden liegt, sind dadurch Ungenauigkeiten bedingt, die größer sind,
als für die Messung zulässig ist. Diese durch die Stromversorgung der verwendeten
Röhren hervorgerufenen Spannungsänderungen werden jedoch kompensiert dadurch, daß
die über den Kanal 8 nach der Begrenzerröhre 3' folgende gas- oder dampfgefüllte
Entladungsröhre 4' durch einen genau gleichartigen Impuls gezündet wird. Die in
g' erzeugten spitzen Impulse werden auf das Gitter der gas- oder dampfgefüllten
Entladungsröhre des Schaltelementes to geleitet, die aber erst dann zündet, wenn
gleichzeitig auch ein in den Schaltelementen 2" bis g" erzeugter Spannungsimpuls
von hoher Impulsfolgefrequenz überlagert wird. In dem Frequenzteiler 2" wird deshalb
eine Frequenz erzeugt, die etwa to- bis 30 mal höher ist als die im Frequenzteiler
2 erzeugte Wechselspannung. Sie wird in den ebenso wie die Schaltungen 3' bis g'
wirkenden Schaltelementen 3", 4" und g" zu scharfen Impulsen mit einer lo- bis 3o
mal höheren Impulsfolge als die oben erzeugten Impulseumgewandelt. Wegen der imMaterial
liegenden Inkonstanz des Phasenschiebers 8 umfaßt der in dem Schaltelement g' erzeugte
Impuls P eine bestimmte zeitliche Breite (Abb. 2), wodurch eine Ungenauigkeit in
der Zeitbestimmung hervorgerufen wird. Diese Ungenauigkeit wird durch die Überlagerung
der in g" erzeugten Impulse der höheren Impulsfolgefrequenz beseitigt, da die gas-
oder dampfgefüllte Entladungsröhre in dem Schaltelement to immer nur dann den Durchgang
der Impulse P freigibt, wenn einer dieser Zusatzimpulse Z (Abb. 2) mit dem Primärimpuls
P zeitlich übereinstimmt. Der Einsatz des Impulses P ist hinsichtlich seiner zeitlichen
Lage durch die Stellung des Phasenschiebers 8 gegeben, jedoch durch den höherfrequenten
Impuls Z zeitlich genau fixiert. Der zeitlich in dieser Weise genau festgelegte
Impuls P geht nun über ein Zeitverschiebungsglied li, das den Impuls meßbar zu verschieben
gestattet, um auch die Zeiten zwischen den Lücken der Zusatzimpulse Z. ausmessen
zu können.
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Bei noch höheren Anforderungen an die Meßgenauigkeit werden noch weitere
Schaltelemente 12 und 13 vorgesehen, die ebenso wirken wie die Schaltelemente lo
und l i. Hier werden noch höherfrequente Impulse überlagert, so daß der Primärimpuls
nur dann durchgelassen wird, wenn er auch mit einem der höherfrequenten Impulse
übereinstimmt. Diese Zusatzimpulse werden in dem an den Generator i angeschlossenen
Frequenzteiler oder Frequenzvervielfacher 2"' und den wie die Schaltelemente 3"
bis g" wirkenden Schaltelemente 3"', 4"' und g` gewonnen. Die Primärimpulse
P werden dann teils unmittelbar, teils über das Kabel 14 als Echoimpulse E auf die
senkrecht ablenkenden Platten der Braunschen Röhre gegeben. Um auch noch Echoimpulse
deutlich beobachten zu können, die wegen zu großer Kabeldämpfung oder zu großer
Kabellänge nur mit kleiner Amplitude auf dem Bildschirm sichtbar werden, ist ein
weiteres Verstärkerglied 15 vorgesehen. Der Verstärker wird durch die im Impulserzeuger
5 erzeugten Impulse in der Zeit des schnellen Rücklaufes des Elektronenstrahles
der
B-aunschen Röhre so hoch getastet, daß ein in diese Zeit fallender Impuls hoch verstärkt
wird.
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Die Messung wird so vorgenommen, daß durch Einstellen des Phasenschiebers
8 zunächst der Primärimpuls P auf die obere Zeitskala geschoben wird. Dann wird
der Echoimpuls E (Abb. 2) im allgemeinen auf der unteren Skala sichtbar sein. Nun
wird der Primärimpuls so lange verschoben, bis der Echoimpuls die zweckmäßig durch
eine Meßmarke fixierte Stelle des Primärimpulses erreicht hat. Die hierzu notwendige
Verstellung der Zeitverschiebungsglieder 8, 11 und 13 bild_#t dann ein Maß für den
zeitlichen Abstand des Echoimpulses vom Primärimpuls bzw. für die Entfernung des
Meßgerätes vom Fehlerort im Kabel 14.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das im Prinzipschaltbild Abb.
4 dargestellt ist, wird im Generator i eine niederfrequente Wechselspannung von
beispielsweise 5oo Hz erzeugt, aus der in den Schaltgliedern 3 bis 15 ebenso wie
in den mit denselben Ziffera bezeichneten und in gleicher Weise wirkenden Schaltungen
nach Abb. i Meßimpülse und zeitproportionale Auslenkungen des Elektronenstrahles
der Braunsehen Röhre 7 erzeugt werden. Der in dem Schaltglied g' erzeugte spitze
Primärimpuls wird einerseits unmittelbar, andererseits über das zu untersuchende
Kabel 14 als Echoimpuls auf die Braunsche Röhre gegeben. Parallel zrm Primärimpulserzeuger
g' liegt das Schaltglied 16, das im wesentlichen aus einer Gas- oder Hochvakuumentladungsröhre
mit im Anodenkreis vorgesehenem Schwingkreis mit veränderbarer Induktivität und
Kapazität besteht. Durch die in dem Schaltbild 4' erzeugten Impulse wird in diesem
Schwingkreis eine Hochfrequenzschwingung (Abb. 5a) angestoßen, deren zeitlicher
Einsatz dur;b den Impuls und deren Frequenz durch L und C bestimmt ist. In dem folgenden
Schaltglied 17 wird durch einen Gleichrichter eine Sinushalbwelle herausgesiebt,
aus der durch Begrenzungsglieder rechteckige Impulse gewonnen werden (Abb. 5b).
Über einen sehr kleinen Kopplungskondensator wird anschließend in dem Schaltglied
18 ein r:egativ-positiver bzw. positivnegativer Doppelimp_:ls gewonnen (Abb. 5c).
Von diesen ist der erste Impuls durch den den Schwingkreis anstoßenden Impuls und
der zweite durch die einstellbar.: Frequenz des Schwingungskreises festgelegt. Drrch
Einstellen von geeigneten Werten von L und C kann daher die Zeitdifferenz zwische.i
den beiden Einzelimpulsen des Doppelimpulses geändert werden. Man gibt nun beide
Einzelimpulse ebenfalls auf die senkrecht ablenkenden Platten der Braunsehen Röhre
und verändert die Frequenz des SchwingÜngskreises so lange, bis die Zeitdifferenz
zwischen dem Primärimpuls und dem zweiten Einzelimpuls des Doppelimpulses mit der
Zeitdifferenz zwischen Primärimpuls und Echoimpuls übereinstimmt und somit Echoimpuls
und Zusatzimpuls z,#sammenfallen. Die dazu erforderliche Verstellung von L oder
C bildet dann ein Maß für die Zeitdifferenz zwischen Primär-und Echoimpuls bzw.
für die Entfernung des Meßgerätes vom Fehlerort im Kabel. Zur genauen Beobachtung
der Interferenz zwischen Echoimpuls und dem zusätzlichen, durch den Schwingkreis
erzeugten Impuls wird der Primärimpuls durch Verstellung des Phasenschiebers S so
lange verschoben, lis d,r E:hoimpuls auf der oberen und genaueren Zeitachse sichtbar
ist. Die Genar i;lgkeit der Messung hängt jetzt nur no2h vom Schwingungskreis ab.
Seine halbe Periodendauer, die für die Zeitdiffere:rz zwischen dem Primärimpuls
und dem Zusatzimpuls maßgebend ist, ist zeitlich um so exakter, je höher die Frequenz
ist, so daß für kurze `'Wellenlängen die Meßgenauigkeit groß ist und für lange Wellenlärfgen
durch passende Wahl der L- und C-Glieder in der erforderlichen Grenz° gehalten werden
kann.
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An Stelle eines Schwingungskreises in Schaltung 16 mit stetig veränderbaren
I_- und C-Gliedern, womit jede beliebige Zeitdifferenz zwischen Primärimpuls und
Zusatzimpuls einstellbar ist, kann man auch mehrere Schwingkreise mit festem I_
und C vorsehen, die wahlweise über einen Stufenschalter angeschaltet werden können.
Man gibt den L- und C-Gliedern beispielsweise solche Werte, daß die zweiten, dritten,
vierten usw. Schwingkreise einer doppelten, dreifachen, vierfachen usw. Zeitdifferenz
der durch den ersten Schwingkreis gegebenen Zeitdifferenz entsprechen. In Entfernungen
umgerechnet wird man die Schwingkreise so dimensionieren, daß der erste z. B. einer
Entfernung von io km, der zweite von 2o km, der dritte von 3o km usw. entspricht.
Um auch die dazwischenliegenden Kilometer messen zu können, wird eine weitere Einrichtung
vorgesehen, die den Schaltgliedern 16 bis 18 entspricht, in der aber höherfrcquente
Schwingungen und damit kleinere Zeitdifferenzen zwischen Primärimpuls und Zusatzimpuls
erzeugt werden. Insbesondere wird man deren ebenfalls über Stufenschalter anschalibare
Schwingungskreise so dimensionieren, daß sie dem 0,1-, 0,2-, . . . o,9fachen der
vorgenannten Schwingungskreise entsprechen, so daß man auch die zwischen den Zehnern
liegenden Einer der Kilometer messen kann.. Diese Maßnahme kann für größere Genauigkeiten
beliebig erweitert und fortgesetzt werden, so daß der Fehlerort bei einigen hundert
Kilometer Entfernung auf Meter genau bestimmt werden kann.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
und auf die Anwendung b°i einem Kabelfehlermeßgerät beschränkt; es kann auch der
derzeitige Abstand zweier irgendwoher auf die Meßanordnung gelangender Impulsreihen
(Fremdimpulse) genau gemessen werden. Hierbei wird z. B. aus der Fremdimpulsfolge
eine Sinuswechselspannung erzeugt, deren Frequenz der Impulsfolge entspricht. Dieser
Wechselstrom wird dann wie der in dem oben bzschriebenen Generat(ir i erzeugte Strom
nach dem beschriebenen Verfahren weite:b-handelt.