DE86013C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

(England).

Entfernungen.

Die vorliegende Erfindung betrifft die elek- . irische Uebertragung von Zeichen für telegraphische, Fernsprech- oder andere Zwecke durch Kabel, und bezweckt im wesentlichen, die Entfernung, bis zu welcher eine solche Uebertragung erfolgen kann, sowie die Schnelligkeit und Leichtigkeit der Uebertragung selbst zu erhöhen.

Unter Uebertragung von Zeichen soll die Vermittelung irgend' welcher Zeichen verstanden werden, mögen dieselben bestehen aus gesprochenen Worten, wie beim Fernsprecher, oder summenden Lauten, wie beim harmonischen Telegraphen, oder schnell umgekehrten Stromstöfsen, wie in der selbstthätigen TeIegraphie, oder aus Punkt- und Strichzeichen, hervorgerufen durch Stromunterbrechung oder Umkehrung oder Ablenkungen einer Nadel nach rechts und links, oder Bewegungen eines »Siphon-Recorder's« oder des Ankers eines Relais und so weiter.

Die bisherige Bauart von oberirdischen, unterirdischen oder unterseeischen Linien und Kabeln giebt eine praktische Grenze für die Entfernung, innerhalb welcher mit den bekannten Einrichtungen eine Uebertragung von Zeichen möglich ist. Ebenso besteht für eine Linie oder ein Kabel von bestimmter Lä'nge und bisher bekannter Bauart eine Grenze für die Schnelligkeit, mit welcher durch Vermittelung bestimmter Einrichtungen Zeichen übertragen werden können. Diese Schnelligkeit soll durch die vorliegende Erfindung erhöht werden.

Für eine Linie oder ein Kabel von gegebener Länge nach bisher bekannter Bauart besteht aufserdem eine Grenze für die Art der zum Zeichenübertragen benutzten Vorrichtungen, indem z. B. Instrumente, welche mit grofser Geschwindigkeit - arbeiten, wie harmonische Telegraphen " und Fernsprecher, nicht für sehr lange Kabel oder sehr lange Linien verwendet werden können. Durch die vorliegende Erfindung soll die Leichtigkeit der Zeichenübertragung dadurch erhöht werden, dafs Linien und Kabel für Vorrichtungen brauchbar gemacht werden, für welche sie bisher nicht geeignet waren.

Auch wird die Leichtigkeit der Zeicheniibertragung durch unterseeische Kabel dadurch erhöht werden, dafs diese Uebertragung nunmehr bewirkt werden kann ohne theuere Einrichtungen zur Sicherung des Gleichgewichtes, wie solche als künstliche Kabel bekannt und gegenwärtig an den Küstenenden benutzt werden.

Bekanntlich begrenzt die elektrostatische Capacität der Kabel und Leitungen das Mafs der Uebertragung und die Entfernung, ebenso wie die Art der Zeichen, welche auf eine gegebene Entfernung übertragen werden können. So verzögert beispielsweise die. Capacität eines atlantischen Kabels, die etwa Y₃ Mikrofarad für die Seemeile beträgt, telegraphische Zeichen so

sehr, dafs nur wenige Worte in der Minute übertragen werden können. Die Entfernung, bis auf welche schnelle selbstthätige Zeichen durch Kabel dieser Art sich übertragen lassen, beträgt nur einige zwanzig Seemeilen. Für lange Kabel bestehender Bauart können aus den angeführten Gründen Fernsprecher, harmonische Telegraphen und schnell arbeitende selbstthätige Instrumente überhaupt nidjt verwendet werden.

Die elektrostatische Gapacität von Kabeln und langen Leitungen ist bekanntlich auf der ganzen Länge des Kabels vorhanden, sie ist also im allgemeinen nicht an irgend einem bestimmten Punkt vereinigt, sondern mehr oder weniger gleichförmig im Gesammtstromkreise vertheilt. Diesem Umstände ist es zuzuschreiben, dafs alle bisherigen Versuche, die Wirkung der elektrostatischen Capacität durch an den Enden der Kabel angeordnete Vorrichtungen aufzuheben, nur sehr geringen Erfolg hatten. Der einzige Weg, um die verzögernden Einflüsse der vertheilten Capacität zu beseitigen, besteht in der Anwendung eines vertheilten Mittels, d. h. es müssen Mittel aufgefunden werden, welche auf der ganzen Länge des Kabels an einzelnen Stellen oder ununterbrochen vertheilt angeordnet werden können.

Um die neuen Hülfsmittel der Ausgleichung näher zu erläutern, wird es angemessen sein, die, vertheilte Capacität eines Kabels figürlich durch eine Anzahl Condensatoren darzustellen, welche in gleichmäfsigen Abständen von einander auf der Länge des Kabels angeordnet sind. Denn ein Draht, der nur Widerstand besitzt und auf seiner Länge mit einer genügenden Anzahl kleiner Condensatoren versehen ist, die zwischen ihm und der Rückleitung angeordnet sind, würde die gleichen verzögernden Eigenschaften wie ein Kabel besitzen. Demgemäfs ist in Fig. ι der Zeichnung die Leitung A₁ A₂ mit der Rückleitung B₁ B₂ oder bei einem eindrähtigen Kabel mit der Metallhülle durch eine Anzahl Condensatoren Zc₁ k.₂ k₃ in Parallelschaltung verbunden. Da die Capacität atlantischer Kabel gewöhnlich etwa */₃ Mikrofarad für die Seemeile beträgt, so kann ein solches Kabel in Bezug auf solche Capacität dadurch veranschaulicht werden, dafs man in einem Abstande von je io Seemeilen Condensatoren von 3,3 Mikrofarad anordnet, oder, weniger vollkommen, auf je ioo Seemeilen Condensatoren von 33 Mikrofarad. Die an den Enden der Kabel befindlichen Batterien sind mit S₁ S₂, die Morse-Taster mit T₁ T₂ und die Empfänger mit R₁ R₂ bezeichnet. Wäre das Kabel für Doppelübertragung zu verwenden, so müfste die Anordnung in bekannter Weise abgeändert werden.

Erfolgt die Uebertragung von links nach rechts, so würde eine von dem bei A₁ B₁ angeordneten Geber in die Leitung A₁ gesandte Stromwelle, falls keine Capacität, sondern nur Widerstand in der Leitung A₁ A₂ vorhanden wäre, sich ohne Verzögerung durch die Leitung bewegen. Infolge der Capacität wird aber alles geändert. Wenn das Potential bei ^₁ steigt, wird das Potential an irgend einem Punkte α der Leitung infolge der Capacität der zwischen beiden Punkten. liegenden Strecke nicht gleichzeitig steigen. Das Potential bei a kann erst den entsprechenden Werth annehmen, wenn der zwischen A₁ und α befindliche Condensator Ie₁ geladen ist. Ebenso kann das Potential bei c, infolge der Capacität des Leiters zwischen α und c, nicht so schnell wie bei a steigen. Andererseits wird bei Abnahme des Potentials im Punkt A₁ das Potential in a oder c nicht gleichzeitig abnehmen, da die zwischen A₁ und α bezw. c befindlichen Condensatoren bestrebt sind, das Potential bei α und c zu behalten und Zeit zur Entladung gebrauchen. Jedesmal, wenn das Potential an irgend einer Stelle der Leitung steigt, hat ein Theil des Stromes das Bestreben, an dieser Stelle in den Condensator zu fliefsen, was zur Folge hat, dafs die Erhöhung des Potentials an dieser Stelle verzögert wird, während der Strom jenseits der betreffenden Stelle für den Augenblick schwächer ist als der ankommende Strom. Nimmt ferner das Potential an irgend einer Stelle ab, so hat die Ladung des Condensators das Bestreben, abzufliefsen und dadurch das Potential ein wenig länger auf gleicher Höhe zu halten, so dafs in dem betreffenden Augenblick die von der betreffenden Stelle des Leiters abfliefsende Strommenge gröfser ist als die zufliefsende. Geschieht nichts, um diese Wirkung aufzuheben, so wird thatsächlich die ganze in das Kabel bei A₁ gesandte Stromwelle in die Condensatoren und aus denselben herausfliefsen, und nur ein unbeträchlicher Theil der Welle wird verspätet bei A₂ ankommen.

Um die verzögernde Wirkung der Capacität aufzuheben, werden nach vorliegender Erfindung in geeigneten Zwischenräumen Hin- und Rückleitung durch Drähte mit Selbstinduction mit einander verbunden. Man kann diese nach Art von Brücken angeordneten Spulen Compensatoren nennen.

Capacität und Selbstinduction üben, in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet, entgegengesetzte Wirkungen aus, derart, dafs bei elektrischen Stromstöfsen von bestimmter Anzahl durch geeignete Gestaltung des Condensators und der Selbstinductionsspulen das Bestreben beider, die Phase zu verschieben, ausgeglichen werden kann.

Die Bedingung eines vollkommenen Ausgleiches zwischen einem Condensator von der Capacität K und einer Selbstinductionsspule mit dem Coefficienten L in einem Stromkreis

mit der Periodenzahl n ist ausgedrückt durch die Forme]:

± = 4*\LK

Demgemäfs verbindet man die Hinleitung mit der Rückleitung an geeigneten Zwischenstellen durch eine Anzahl von Selbstiiiductionsspulen. Dies setzt das Vorhandensein eines zweidrähtigen Kabels voraus oder die Benutzung der Kabelhülle als Rückleitung. Die Selbstinductionsspulen sind in dem Kabel eingeschlossen und bilden einen Theil desselben. Eine solche-Anordnung entspricht demgemäfs schematisch der Fig. 2, in der wie vorher die Capacität des Kabels durch eine Anzahl kleiner Condensatoren U₁ k₂ k_& versinnbildlicht ist, die gleichmäfsig auf der Länge des Kabels vertheilt angeordnet' sind. Die Selbstinductionsspulen verbinden die Punkte α und b, c und d u. s. w. mit einander. Die Wirkungsweise dieser Spulen bei der Aufhebung des verzögernden Einfiusses der Capacität erklärt sich wie folgt:

Wenn das Potential bei α zunimmt, so beginnt ein Strom durch die Selbstinductionsspule ab zu fliefsen, und dieser Strom ist infolge der bekannten, Trägheit ähnlichen Wirkung der Selbstinduction bestrebt, weiter zu fliefsen, nachdem die elektromotorische Kraft, die ihn.erzeugte, aufzuhören beginnt oder selbst verschwunden bezw. ihre Richtung umgekehrt ist. Der Strom in der Selbstinductionsspule a b wird daher seinen gröfsten Werth zu einer Zeit erhalten, wo das Potential bei α anfängt abzunehmen. Er wird gerade durch diesen Umstand, als eine Folge des elektromagnetischen Momentes, das Bestreben haben, das Potential bei α früher zu verringern, als es sonst der Fall sein würde.. Die entsprechenden Wirkungen der Selbstinductionsspule und des Condensators sind demnach entgegengesetzter Natur. Die eine sucht die Veränderung des Potentials zu verzögern, die andere zu verfrühen. Deshalb haben beide an derselben Stelle angeordneten Einrichtungen das Bestreben, ihre Wirkungen gegenseitig auszugleichen. Aber die Capacität einer Leitung oder eines Kabels ist nicht an einer Stelle desselben angehäuft, sie ist vielmehr auf der ganzen Länge vertheilt, deshalb ist es wesentlich, dafs die Ausgleicheinrichtungen auf der ganzen Länge in genügend häufigen Zwischenstellen vertheilt angeordnet sind.

Bekanntlich hat Varley an jedem Ende des Kabels eine inducirende Abzweigung angewendet; diese kann aber die Capacität höchstens auf wenige Meilen an den Enden aufheben. Man kann annehmen, dafs die Spule a b (Fig. 2) die Capacität der benachbarten Leitertheile auf eine gewisse Entfernung hin aufhebt, ' ebenso die Spule c d u. s. w. Jede Selbstinductionsspule kann als in einen Localstromkreis eingeschaltet angesehen werden, wobei die Capacität in ihrer Nachbarschaft sich be-" findet. Fig. 3 zeigt eins der Elemente, aus denen das Kabel gewissermafsen zusammengesetzt ist. Wenn jedes Element lediglich aus einer einzigen Selbstinductionsspule und einem Condensator an derselben Stelle des ganzen Stromkreises gebildet würde, so ist es klar, dafs ihre Wirkungen sich nur für eine bestimmte Periodenzahl das Gleichgewicht halten würden. Da aber die Capacität nicht an einzelnen Punkten vereinigt, sondern vollkommen gleichmäfsig auf der ganzen Länge der Leitungen vertheilt ist, so kann die beschriebene Anwendung von Selbstinductionsspulen an bestimmten Punkten für irgend eine Periodenzahl keinen vollkommenen Ausgleich herbeiführen, sondern nur einen angenäherten für verschiedene Periodenzahlen innerhalb gewisser Grenzen. Wenn alle Selbstinductionsspulen in geeigneter Weise auf der Länge des Kabels angeordnet sind, wird die gesammte verzögernde Wirkung der verfheilten Capacität im günstigsten Falle praktisch aufgehoben sein und in weniger günstigen Fällen zum Theil, wodurch die Schnelligkeit der Uebertragung erhöht wird. Die Selbstinductionsdrähte wirken demnach gewissermafsen als Lecke zwischen den Leitungen A₁ A.₂ und B₁ B₂, sie beseitigen durch ihre Inductionswirkung die sich anhäufenden Ladungen, welche sonst die Zeichen verzögern würden. Die auf der Länge des Kabels vertheilte, elektrostatische Capacität wird demgemäfs ebenso aufgehoben, als wenn die Linie oder das Kabel in Abtheilungen getheilt wäre, indem jede einzelne Inductionsspule einen die Wirkung der elektrostatischen Capacität aufhebenden Einflufs in diesen benachbarten Theilen des Kabels ausübt. Wenn demnach beispielsweise eine, wie später zu beschreiben, eingeschaltete Selbstinductionsspule eine genügende Gröfse und Kraft hat, um annähernd die Wirkung der elektrostatischen Capacität irgend eines Kabels auf eine Strecke von je fünf Meilen auf beiden Seiten der Stelle, an der sie sich befindet, aufzuheben,. so genügt es, in Entfernungen von je zehn Meilen am Kabel solche Selbstinductionsspulen anzubringen. Es ist wichtig, dafs diese Spulen sämmtlich unter sich für diese Kabelbauart und Abmessung gleich und in annähernd gleichen Abständen von einander angeordnet sind, da die Compensation, um wirksam zu sein, eine örtliche, d. h. an eine bestimmte Stelle gebunden sein mufs. Demnach ist es erforderlich, dafs die Compensatoren in einer genügenden Anzahl vorhanden und auf der ganzen Länge des Kabels vertheilt sind. .

Die als Compensatoren benutzten Selbstinductionsspulen müssen ebenso wie die später zu beschreibenden Inductionsspulen nicht nur

eine hohe Zeit-Constante (Zeit, die erforderlich ist, um den Strom in der Spule auf 0,634 seines Endwerthes anwachsen zu lassen), sondern auch einen hohen Widerstand besitzen im Vergleich zu demjenigen der Kabelabtheilung, mit der sie verbunden sind oder zusammenhängen. Wenn es wichtig ist, eine erhebliche Abschwächung der zu übermittelnden Ströme durch die Compensatoren zu vermeiden, ist es vortheilhaft, den Widerstand der Compensatoren gröfser als den des ganzen Kabels zu wählen. Jede Spule mufs solche Abmessung und eine solche Anzahl von Windungen von Draht solcher Stärke erhalten, mit einem gut vertheilten Kern aus weichem Eisen von solcher Gestalt und Länge, dafs die Zeit-Constante nicht weniger bezw. vorzugsweise gröfser als 0,01 Secunde ist, während der Widerstand jeder Spule vortheilhaft gröfser als der einer Kabellänge von 10 bis 20 Meilen betragen mufs, und in den vorhin erwähnten Fällen vortheilhaft so grofs oder gröfser, als der Widerstand der ganzen Linie ist.

Die Selbstinductionsspulen müssen so angeordnet sein, dafs sie nicht unmäfsige Verdickungen des Kabels bilden, sie erhalten zweckmäfsig eine längliche dünne Form mit dem Kabel paralleler Achse. Gewöhnliche Elektromagnete mit den gewöhnlichen Eisenkernen genügen nicht. Wenn Eisenkerne über- ^!haupt Verwendung finden, so dürfen sie nur wenig, aber fein zertheiltes Eisen enthalten. Unter Berücksichtigung der erwähnten Grundsätze, geeignete Vertheilung, hoher Leitungswiderstand und geeignete Zertheilung des in den Spulen verwendeten Eisenkernes können die Selbstinductionsspulen in verschiedener Weise eingerichtet sein. Die einfachste Form besteht aus einem Draht von hohem Widerstand, der um einen Kern aus gut zertheiltem Eisen gewickelt ist, vorzugsweise feinen Eisendrähten, die durch Firnifs oder oxydirte Ueberzüge von einander isolirt sind.

Fig. 4 zeigt eine Abänderung der beschriebenen Einrichtung, bei welcher, um Raum innerhalb der Kabelhülle zu gewinnen, der Draht von hohem Widerstände, welcher als Brücke dienen soll, um den einen Leitungsdraht gewickelt ist, welcher demgemäfs durch den Kern der Spule geht. In diesem Falle sind die beiden Enden α b der Brücke an Punkten der beiden Leitungen angeschlossen, die nicht unmittelbar nahe an einander liegen.

Ein anderes Verfahren, Selbstinductionsspulen zur Aufhebung der Capacität eines Kabels anzuwenden, besteht in der Anwendung eines dritter) Leiters, der als Ausgleichdraht dient. Dies Verfahren ist in Fig. 5 angedeutet. Das Kabel enthält drei Leitungen A₁ A₂, B₁ B₂ und C₁ C₂, von denen der letztgenannte den Ausgleichdraht bildet. Die Selbstinductionsbrücken verbinden die Leitungen A₁ A.₂ und C₁ C₂ bezw. B₁ B₂ und C₁ C₂ in abwechselnder Ordnung. So ist beispielsweise zwischen dem Punkte α der Leitung A₁ B₂ und dem Punkte m der Leitung C₁ C₂ eine Brücke a_t m von genügend hohem Widerstände und Selbstinduction angeordnet; die nächste Brücke befindet sich zwischen dem Punkte d der Leitung B₁ B₂ und dem Punkte η der Leitung C₁C₂ und so fort. In diesem Falle kann die metallische Hülle des Kabels als dritte Leitung benutzt werden. Die beiden anderen Leitungen sind innerhalb der Kabelhülle gut von einander isolirt. Die dritte Leitung kann auch aus einem wirkliehen Drahte von hohem Widerstände bestehen, der innerhalb des Kabels angeordnet ist. Diese dritte Leitung (Ausgleichleitung) ist an ihren Enden mit keiner Vorrichtung weiter verbunden. Sie braucht nicht über die erste und letzte Verbindungsstelle der selbstinductorischen Brückendrähte hinaus verlängert zu werden. ,

Die gleichen Mittel zur Aufhebung der störenden Wirkung der Capacität sind auch für Kabel mit drei oder vier Leitungen anwendbar, um mehr als eine Uebertragung gleichzeitig zu bewirken. Sind zwei Orte durch drei Telegraphenlinien von gleichem Widerstände mit einander verbunden, so können diese Linien unter Anwendung geeigneter Vorkehrungen bekanntlich benutzt werden, um gleichzeitig drei Uebertragungen zu bewirken. Werden die Leitungen beispielsweise mit A, B und C bezeichnet, so ist es möglich, die Leitung A als eine Hinleitung, B und C aber als gemeinsame Rückleitung zu benutzen, wobeidie eine gegen die andere so ausgeglichen wird, dafs B gleichzeitig als eine zweite unabhängige Hinleitung mit C und A als Rückleitung verwendet werden kann, und endlich C als dritte unabhängige Hinleitung mit A und B als gemeinsame ausgeglichene Rückleitung.

Um nun die beschriebenen Hülfsmittel bei vieldrähtigen Kabeln für irgend ein System der Telegraphie zu verwerthen, mufs jede einzelne Leitung mit Rücksicht auf ihre Capacität gegen jede andere Leitung ausgeglichen werden. Fig. 6 und 7 zeigen ein solches Kabel mit drei Leitungen A₁ A₂, B₁ B₂ und C₁ C₂. Die Capacität derselben gegen einander ist durch drei Gruppen von Condensatoren veranschaulicht, welche auf der ganzen Länge des Kabels vertheilt sind. Ebenso sind die Selbstinductions- oder Brücken in drei Gruppen angewelche, wie bei ab ede J (Fig. 6) an- 'M, in geeigneten Zwischenräumen verthe».. sind. · Oder diese Spulen vereinigen sich zu dreien je in einem Punkte j (Fig. 7), von dem sie sternförmig ausgehen. Bei der Einrichtung nach Fig. 6 wird die Aufhebung der vertheilten Capacitäten jedem Paar Leitungen

durch vertheilte Selbstinductionsbrücken genau so erfolgen, wie mit Bezug auf Fig. ι beschrieben wurde.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Ein Kabel, bei welchem die Hinleitung mit der Rückleitung direct durch eine Anzahl auf der ganzen Länge des Kabels entsprechend vertheilter Selbstinductionsspulen verbunden ist (Fig. 2 und 4), um durch die Selbstinductionsspulen den verzögernden Einflufs der elektrostatischen Capacität ganz oder theilweise aufzuheben.

2. Ein Kabel mit einer dritten, nicht zur Uebertragung dienenden (Ausgleich-) Leitung (C₁ C₂), an welche die in Anspruch 1

angegebenen Selbstinductionsspulen ange-, schlossen sind (Fig. 5).
Eine Ausführungsform des zu 1. bezeichneten Kabels, gekennzeichnet durch mehr als zwei Uebertragungsleitungen, die unter einander durch eine Anzahl entsprechend vertheilter, in Gruppen, je zwischen zwei Leitern (Fig. 6), oder sternförmig (Fig. 7), angeordneter Selbstinductionsspulen verbunden sind.

Die besondere Anordnung der in Anspruch ι bezw. 2 angegebenen Selbstinductionsspulen in der Weise, dafs deren Achse derjenigen des Kabels gleich gerichtet ist, so dafs die betreffenden Stellen des Kabels keine unmäfsigen Verdickungen erfahren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.