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Elektrische Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen Zur Fernanzeige
irgendwelcher Meßwerte benutzt man häufig das sogenannte Impulsfrequenzverfahren.
Am Sendeort befindet sich ein Zähler, dessen Umdrehungszahl in einer geeigneten
Anordnung von der Meßgröße beeinflußt wird. Die Zählerachse trägt einen Unterbrecher,
der Impulse auf die Fernleitung gibt, deren Frequenz der Umdrehungszahl des Zählers
proportional und somit ein Maß für die Meßgröße ist. Bei einer häufig angewandten
Empfängeranordnung wird durch jeden empfangenen Impuls ein Kondensator über das
Meßgerät entladen oder aufgeladen, so daß in bekannter Weise der zur Anzeige gelangende
zeitliche Mittelwert des Kondensatorstromes der Impulsfrequenz ungefähr proportional
und damit ein Maß für die Meßgröße ist.
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Die beschriebenen Anordnungen besitzen aber zwei Nachteile. Es ist
nicht immer, insbesondere wenn nur geringe Meßenergie zur Verfügung steht, beim
Sender bequem möglich, die Meßgröße durch eine Zählerdrehzahl abzubilden. Beim Empfänger
werden dem anzeigenden Meßgerät Stromstöße mit starken Spitzen zugeführt. Um trotzdem
eine ruhige Anzeige sicherzustellen, ist eine unerwünscht hohe Impulsfrequenz oder
eine besondere Dämpfungseinrichtung notwendig. Diese bewirkt aber, daß bei einer
Änderung der Meßgröße, also der Impulsfrequenz, die Anzeige nur träge dem neuen
Werte zustrebt.
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Gegenstand der Erfindung ist I. ein neuer Fernmeßgenerator, welcher
die als Kraft oder als Verschiebung gegebene Meßgröße unmittelbar, also ohne Zähler,
in eine Impulsfrequenz umwandelt, Il. Empfänger nach dem Grundgedanken des oben
beschriebenen Stromstoßmittelwertverfahrens, welche dem Empfangsgerät einen von
der Impulsfrequenz abhängigen, aber besser ausgeebneten Strom zuführen, so daß Beruhigungsmittel
sich erübrigen.
Der Erfindung liegt folgender Gedanke zugrunde:
Die Meßgröße lasse sich als eine Kraft oder als eine Verschiebung darstellen. Der
Sender enthält irgendeine elektrische, mechanische oder sonstige Einrichtung, welche
sich in Selbsterregungsschaltung befindet und beständige Schwingungen vollführt.
In diesem System wird auch die obengenannte Kraft oder Verschiebung wirksam. Die
Schwingungsanordnung ist so ausgelegt, daß die Frequenz der Schwingung mit der Kraft
oder mit der Verschiebung sich ändert. Indem diese Frequenz durch Schaltkontakte
Impulse auf der Fernleitung erzeugt, wird dem Empfänger eine Impulsfrequenz zur
Auswertung zugeleitet, welche ein Maß für die Meßgröße ist.
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In den nun folgenden Ausführungsbeispielen (Bild i, 2, 3, 5) bedeutet
E eine Gleichspannung, R1, R2 C>hmsche Widerstände, I eine Selbstinduktion,
M eine Wechselinduktion mit den beiden Wicklungen Ml und M2, C, Cl, C2 Kapazitäten.
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In Bild 1, 2, 3 ist als schwingendes System ein elektrisches, etwa
polarisiertes Relais A zugrunde gelegt. Bei diesem Relais bedeuten w, w1,
w2 die sogleich durch ihre Windungszahlen bezeichneten Wicklungen des Relais,
i, il, i2 die die einzelnen Wicklungen durchfließenden Ströme, positiv gerechnet,
wenn sie im Sinne der angegebenen Pfeile fließen.
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Auf den zwischen den Kontaktanschlägen beweglichen Anker des Relais
_A wirken zwei Kräfte: a) Eine Schlußkraft K, die ein Maß für die Meßgröße ist und
das Relais zu schließen, d. h. in Stellung r (Ruhekontakt) zu bringen sucht. Die
Meßgröße kann diese @Kraft entweder unmittelbar erzeugen oder aber, wie im Bild
i dargestellt, eine Verschiebung, z. B. eine Zeigerbewegung, hervorrufen, durch
welche eine Feder F gespannt wird, deren freies Ende am Relaisanker angreift und
dort eine Kraft hervorbringt. Es sei dafür gesorgt, daß im ganzen Bereich der Meßgröße
K > o, was sich ja auch bei teils positiver und teils negativer Meßgröße durch eine
unveränderliche Zusatzkraft stets erreichen läßt.
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b) Eine Arbeitskraft, die von den Wicklungsströmen herrührt und das
Relais zu öffnen, d. h. in Stellung a (Arbeitskontakt) zu bringen sucht. Diese Kraft
kann bei Wahl geeigneter Dimensionen K als a w i, d. h. als Summe
der Amperewindungen dargestellt werden.
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Das Relais ist also geschlossen oder geöffnet, je nachdem w
i * K. (1)
Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Bild 1 läßt
sich nun folgendermaßen erklären: Die Meßgröße und damit K möge einen bestimmten
Wert besitzen. Angenommen, die Spannung E sei noch abgeschaltet. Dann ist A geschlossen,
d. h. in Stellung r, il = i.2 = o und der Kondensator C ungeladen.
Schaltet man nun (ein für allemal) die Spannung an, so wird il wegen L und R1 exponentiell
ansteigen, während i2 = o bleibt. Falls der Höchstwert von K, entsprechend dem Meßbereich
der Meßgröße, richtig, also nicht zu hoch gewählt wird, wird schließlich w1 il
= K (2)
werden. Da il weiter ansteigt, muß nach (1) .A sich öffnen.
Unmittelbar nach der Öffnung behält il wegen L seinen aus (2) sich berechnenden
Wert
bei, i2 muß gleich il werden, also von o auf springen. Die Abreißkraft beträgt also
unmittelbar
nach Kontaktöffnung
so daß mit Beginn der Kontaktöffnung ein Überschuß an Arbeitskraft gegenüber der
Schlußkraft K erzeugt und der Kontakt mit Sicherheit aufgerissen und geöffnet gehalten
wird. Im weiteren Verlaufe lädt sich nun der bei Kontaktöffnung noch ungeladene
Kondensator C auf und verringert so die auf I_, El und R2 treffende Spannung.
il = i2 wird nach tberschreitung eines Höchstwertes wieder zurückgehen, bis
(WI -f W$) il = K (3) geworden ist. In diesem Augenblick schließt der Kontakt. Unmittelbar
nach Kontaktschluß muß i, wegen L den aus (3) sich berechnenden Wert noch beibehalten.
Der Kondensator C entlädt
sich über R2, w2 und den Kontakt r8, so daß i2 unmittelbar nach Kontaktschluß sogar
sein Vorzeichen wechselt, also etwa gleich -ß (ß > o) wird. Somit beträgt die Abreißkraft
unmittelbar nach Kontaktschluß
so daß zu Beginn des Kontaktschlusses ein Fehlbetrag an Abreißkraft gegenüber K
erzeugt wird, der Kontakt demnach mit Sicherheit geschlossen bleibt. Im weiteren
Verlauf entlädt sich der Kondensator, i2 wird = o, il steigt wegen L und R1 exponentiell
an, bis wiederum w1 il = K geworden ist. Jetzt ist der Anschluß an (2) erreicht,
und das Spiel (Kontaktöffnung, Kontaktschluß) beginnt von neuem. Bei dieser Erklärung
wurde lediglich der Einfachheit halber vorausgesetzt, daß i2 verhältnismäßig rasch
abklinge und praktisch schon o geworden sei, ehe il den aus (2) zu errechnenden
Wert
erreicht hat.
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Damit ist gezeigt, daß das Relais mit einer beherrschbaren auf beliebige
Werte einzustellenden Frequenz v ordnungsgemäß arbeitet, d. h. jeweils eine Weile
seinen Kontakt geschlossen oder geöffnet hält.
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Die Frequenz v hängt von der Abreißkraft K ab. Man kann durch geeignete
Wahl von R1, R2, L und C sowie der Windungszahlen w1 und w2 dafür sorgen, daß in
dem für die Messung in Betracht kommenden Bereich v -- f (K) praktisch genau
eine lineare Funktion wird. Diese Abhängigkeit wird man einstellen, wenn der Zusammenhang
zwischen Meßgröße und Federspannung einerseits, zwischen empfangener Impulsfrequenz
und angezeigtem Strome andererseits schon ein linearer ist und der Gesamtzusammenhang
zwischen angezeigtem Strom und Meßgröße etwa mit Rücksicht auf die Forderung nach
Summierbarkeit linear bleiben soll. Mari kann aber auch durch andere Wahl der Schaltungsteile
beliebig andere .Abhängigkeiten
zwischen K und v erzwingen, so daß
etwa v mehr oder weniger als linear mit K ansteigt oder gar mit wachsendem K abnimmt.
Derartige Abhängigkeiten wird man auswählen, wenn .man entweder eine Nichtlinearität
in den Zusammenhängen Meßgröße-Federkraft oder Impulsfrequenz-angezeigter Strom
ausgleichen oder aber dem Anzeigemeßgerät irgendeinen gewünschten Skalenverlauf
erteilen will.
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Durch den hin und her schwingenden Anker des Relais A werden mittels
nicht gezeichneter besonderer Kontakte, gegebenenfalls unter Einfügung eines Zwischenrelais,
die Impulse auf die Fernleitung geschaltet.
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Bild 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, dessen Wirkungsweise
sich folgendermaßen erklären läßt: Sei zunächst i = o und beide Konsensatoren Cl
und C, ungeladen. Die Kontakte befinden sich in Stellung r. C1 ist also kurzgeschlossen.
Die Spannung an C2 und damit der Strom i steigen exponentiell an, bis w
i = K (5)
geworden ist. Nun öffnen die Kontakte. Hierdurch wird die Spule
w samt ihrem Vorwiderstand R2 von der Nebenschaltung des Kondensators C2 befreit;
der Strom i springt plötzlich auf seinen Beharrungswert
so daß ein Überschuß der Abreißkraft wi gegenüber der Schlußkraft K entsteht und
die Kontakte zuverlässig in Stellung a umlegen. Nun wird allmählich C1 aufgeladen,
i sinkt von seinem eben berechneten Höchstwert herab, bis wieder (5) erfüllt ist.
C2 ist inzwischen über den Kontakt a völlig entladen. Nun schließen die Kontakte.
i muß plötzlich auf o abfallen, so daß ein Überschuß an Schlußkraft entsteht, da
ja die Spannung am Kondensator sich nicht sprungweise ändern kann und soeben noch
u war. Nun wiederholt sich das Spiel.
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Die gleiche Wirkung wird offenbar erzielt, wenn gemäß Bild 3 der Kondensator
C1 unmittelbar neben die Spannungsquelle gelegt wird.
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Bisher war vorausgesetzt worden, daß die Meßgröße als eine mechanische
Kraft am Relaisanker wirksam wird. Diese Kraft vermag auch eine besondere stromdurchflossene
Relaiswirkung hervorzubringen. Man kann demnach auch einen Gleichstrom oder gleichgerichteten
Wechselstrom in Impulsfrequenzen umwandeln, wenn man diesen Strom eine besondere
Relaiswicklung durchfließen läßt.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen gilt für die Frequenz der Relaisankerschwingung
d. h. v ist eine Funktion des Ouotienten
und hängt ferner von den Parametern der Anordnung (Selbstinduktion, Widerstand,
Kapazität, Windungszahlen, Relaiseigenschaften usw.) ab, was durch einen einzigen
Parameter p angedeutet sei. Da p unveränderlich, ist v ausschließlich eine Funktion
von
Damitv allein vonK,also von der Meßgröße,abhänge, muß demnach bei schwankender Netzspannung
zwischen Netz und den Klemmen der Schaltung eine der bekannten Stabilisierungseinrichtungen
eingefügt werden.
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Man kann aber auch vollkommen oder annähernd spannungsunabhängige
Schalteinrichtungen schaffen, so daß v auch bei schwankender Spannung E nur von
der Meßgröße abhängt. Diese Anordnungen beruhen auf folgender Überlegung: a) Man
sorgt dafür, daß K nicht allein ein Maß für die Meßgröße, sondern vielmehr K=EK1,
(7)
wobei der Wert von K1 ausschließlich durch die Meßgröße bedingt wird.
Dann liefert (6) v - f (K1, P) ,
v hängt also, da p unveränderlich,
nur von der Meßgröße ab.
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b) Man sorgt dafür, daß einer der unter P zusammengefaßten Parameter
der Schaltung nicht mehr unveränderlich ist, sonern vielmehr von E in dem Sinne
abhängt, daß
in dem in Frage kommenden Bereich von E praktisch nicht mehr von E abhängt.
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Bild q. zeigt ein Ausführungsbeispiel für a). An Stelle des gewöhnlichen,
etwa polarisierten Relais in Bild i, 2, 3 tritt ein schematisch dargestelltes Relais
nach Art der Kreuzspulenmeßgeräte. Zwischen den beiden gekreuzten Spulen S1 und
S2 befindet sich ein magnetisierter Anker A, der auch die nicht gezeichneten Kontakte
der Schaltung trägt und zwischen den beiden Anschlägen a1 und a2 spielen kann, die
natürlich auch gleichzeitig als Schaltkontakte dienen können. S1 wird von der Spannung
E gespeist, die auch die Meßschaltung versorgt, S2 enthält die für die Meßschaltung
notwendigen Relaiswicklungen gemäß Bild z, 2, 3. Die den Ankerweg begrenzenden Anschläge
a1 und a2 sind gemeinsam verstellbar. Ihre Lage sei durch den Winkel -x gekennzeichnet,
wobei a durch die Meßgröße festgelegt ist. Das auf den Anker von einer Spule
ausgeübte Drehmoment ist proportional den in der- Spule wirksamen Amperewindungen,
wobei die Proportionalitätskonstante von a abhängig ist. Bei geeigneter Polung wird
S1 auf den Anker ein etwa linksdrehendes Drehmoment W f, (a) erzeugen, S2
mit der Amperewindungszahl 99 hingegen ein rechtsdrehendes Drehmoment 99
f2 (a). Der Relaisanker wird den Anschlag a1 oder a2 berühren, je nachdem
wobei
nur von a und damit allein von der Meßgröße abhängt. An Stelle von K in Gleichung
(z) tritt demnach F_ K1, wodurch nach den Ausführungen unter a) die spannungsabhängige
Anzeige sichergestellt ist.
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Bild 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für b). Die Anordnung ist ebenso
ausgeführt wie in Bild r. Nur tritt
an die Stelle der Selbstinduktion
L eine eisenhaltige Wechselinduktion mit gekrümmter Magnetisierungslinie. a71, d.
i. die eine der beiden Wicklungen, ist an Stelle von L in Bild i einzufügen. Die
zweite, d. i. a12, liegt an der Spannung .£- und wird vom Strom i3 durchflossen.
Infolge der gekrümmten Magnetisierungslinie nimmt die wirksame Selbstinduktion an
den Klemmen von Ml mit zunehmender Spannung, also zunehmender Magnetisierung durch
i3 ab. Die Auswirkung einer Spannungsänderung auf die Frequenz bei festem Werte
der Meßgröße K ist eine doppelte: i. Mit zunehmender Spannung nimmt, wie eben gezeigt,
die Selbstinduktion ab und damit, wie bei allen Schwingungsvorgängen, die Frequenz
zu. -z. Andererseits wirkt eine Spannungszunahme nach (6) wegen des Quotienten
wie eine Abnahme von K, also vi-ie eine Abnahme der Frequenz, insofern v, wie gewöhnlich,
eine mit wachsende Funktion ist. Diese beiden Wirkungen heben
si@:h bei geeigneter Bemessung ungefähr gegeneinander auf, so daß eine spannungsunabhängige
Frequenz erzeugt wird.
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Wie schon angedeutet wurde, trägt der hin und her schwingende Relaisanker
Kontakte, durch welche Impulse auf die Fernleitung geschaltet werden. Der i., 3.,
5. . . . Impuls, bei dem etwa Spannung auf die Fernleitung gegeben werde, möge als
Impuls erster Art bezeichnet werden; er dauert jeweils so lange, wie das Relais
geschlossen ist. Der 2., q.., 6. ... Impuls, bei welchem etwa keine Spannung
auf die Fernleitung gegeben werde, werde als Impuls zweiter Art bezeichnet; er dauert
jeweils so lange, wie das Relais geöffnet bleibt. Bei den hier beschriebenen Anordnungen
sind nun Schluß- und Öffnungszeiten im allgemeinen etwas voneinander verschieden,
d. h. dem Empfänger werden Impulse zugeleitet, bei denen kürzere und längere Zeiten
einander ablösen. Insofern diese Erscheinung unerwünscht ist, müssen die vom Relais
herstammenden Impulse ungleicher Zeitdauer in solche von gleicher Zeitdauer umgewandelt
werden. Derartige Einrichtungen lassen sich auf Grund folgender Überlegungen gewinnen.
Seien il, t3, t5 . . . die Zeitpunkte, zu denen das Relais schließt,
t2, t4, t5 ... die Zeitpunkte, zu denen das Relais öffnet, so daß t1 <
12 < 13 ... , wobei zwar t3 - t1 = t5 - t3 =
... und ebenso t4 - t2 = t5 - 14 . . ., aber im allgemeinen
t2 - t1 = t3 - 1, usw. Dann hat man dafür zu sorgen, daß zu den Zeitpunkten
t1, t5, t9 usw. ein Impuls erster Art auf die Leitung geschaltet wird, zu den Zeitpunkten
t3, t7 usw. ein Impuls zweiter Art, wahrend zu den Zeitpunkten t2, 14, t,;,
t8 ... nichts geschieht. Natürlich kann man die Rolle von geraden und ungeraden
Ordnungszeigern miteinander vertauschen.
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In den folgenden drei Ausführungsbeispielen bedeutet A das schon bekannte
Relais der Meßschaltung, dessen Anker absatzweise in die linke oder rechte Stellung
umgelegt wird, d. h. den Kontakt k1 bzw. k2 berührt, wobei unter Umstanden nur der
eine der beiden Kontakte ausgenutzt wird.
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In Abb. 6 ist S ein an sich bekanntes Schrittschaltwerk mit einer
geraden Anzahl von Stellungen, das jedesmal um eine Stellung vorrückt, sooft A an
Kontakt k1 anlegt. In Stellung r, 3, j ... des Schrittschaltwerkes wird, wie angedeutet,
etwa Spannung auf die Fernleitung geschaltet, während in den Stellungen z, q., 6
... ein anderer Impuls gesandt wird, also z. B. keine Spannung auf die Leitung
kommt.
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Bild -7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. A1 und A2 sind zwei
polarisierte Relais mit je zwei Wicklungen, die mit h, r1 bzw.
1" r2 bezeichnet sind. Insr;fern bei einem Relais die mit
bezeichnete Wicklung Strom empfängt, legt der Anker nach
um. Bei stromlosen Wicklungen verbleiben die Relais A1 und Az in ihren Stellungen.
Bezeichnet man nun in leicht verständlicher Symbolik mit / bzw. \, die linke bzw,
rechte Stellung der Relais A, A1 und A2, so ergibt sich folgender Schaltungstakt:
usw. Man erkennt, daß sich dieser Viertakt periodisch wiederholt und daß im Sinne
der gestellten Forderung
immer dann seine Stellungwechselt, wenn A an
anlegt, hingegen unbeeinflußt bleibt, d. h. seine Stellung beibehält, wenn A an
anlegt. Man kann nun etwa durch A1 einen weiteren
Kontakt k' steuern und mit diesem, wie angedeutet, Impulse gleicher Zeitdauer auf
die Fernleitung senden. Statt dessen kann man auch mit den beiden Wicklungen etwa
von A1 zwei entsprechende Wicklungen eines weiteren Relais zusammenschalten, dessen
Kontakte dann die gleiche Bewegung vollführen wie bei A1.
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Bild ä zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit nur einem Relais.
A1 ist ein polarisiertes Relais mit den zwei Wicklungen l und r. Insofern
im Sinne der treibenden Spannung E vom Strom
durchflossen wird, legt der Anker von A1 nach
um. C, Cl und C2 sind Kondensatoren, k ein Ohmscher Widerstand. Seien zunächst sämtliche
Kondensatoren ungeladen und der Anker von A1 in der linken Stellung. Wenn nun A
mit k1 Kontakt herstellt, empfängt die Wicklung r von A1 über den Kondensator C
einen Stromstoß, dessen Dauer durch den gleichzeitig aufgeladenen Kondensator Cl
so weit verlängert wird,- daß der Anker von A1 zuverlässig nach rechts umlegt. Cl
entlädt sich rasch über r. R ist so bemessen, daß sich der durch den Stromstoß aufgeladene
Kondensator C während der Umschlagzeit des Relais A1 nicht wesentlich entlädt und
daß ein von F. über die Reihenschaltung R -[- r bzw. R + l erzeugter Strom den Anker
nicht zu bewegen vermag. Wenn also der Anker von A nach rechts umgelegt hat, ist
die Spannung
an C ungefähr noch gleich und entgegengerichtet
IV, so daß die linke Wicklung keinen merklichen Stromstoß und auch keinen
merklichen Dauerstrom erfährt und der Kontakt von A 1 in der rechten Stellung verbleibt.
C ist auf volle Spannung aufgeladen. Öffnet nun A den Kontakt k1, um eine Weile
auf k2 zu verbleiben, so entlädt sich C über R. Wenn nun neuerdings A mit k1 Kontakt
herstellt, so empfängt die Wicklung l von Al einen Stromstoß, und der Anker von
.4l legt wieder nach links um usw. Die kleine Drossel D dient dazu, um die Spitze
des Stromstoßes abzumildern und dadurch vom Kontakt k1 Schließungsfunken fernzuhalten.
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Bild 9 zeigt eine kleine Abänderung. Hierbei wird die Entladung von
C, welche notwendig ist, damit sich das Spiel fortsetzen kann, nicht durch den Widerstand
R besorgt, sondern dadurch, daß A mit k2 Kontakt herstellt.
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Bei den beiden Ausführungen, Bild 8 und 9, wechselt also das Relais
immer dann seine Lage, wenn mit k1 Kontakt hergestellt wird, während etwaige Kontaktgabe
an k2 wirkungslos bleibt.
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Die in hild 6, 7, 8, 9 beschriebenen Einrichtungen, welche für den
Empfänger gleichmäßige Impulse erzeugen, können natürlich sowohl auf Senderseite,
wie angegeben, angebracht werden wie auch auf Empfängerseite. In dem zweiten Falle
ist dann A das Empfangsrelais, das auf die von der Leitung herkommenden, noch ungleichmäßigen
Impulse anspricht.