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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Phasendifferenz zweier Wechselspannungen
gleicher Frequenz Es ist bekannt, die Phasendifferenz zweier Wechselspannungen auf
einem Braunschen Rohr durch einen Strich von bestimmter Neigung abzubilden, indem
aus Teilspannungen der beiden Ursprungsspannungen oder diesen selbst Resultierende
durch Summen- oder Differenzbildung erzeugt werden, die für jede Phasendifferenz
der Ursprungsspannungen untereinander gleiche Phase haben und den Ablenksystemen
des Braunschen Rohres zugeführt werden. Das jeweilige Größenverhältnis der Amplituden
der Resultierenden bestimmt die Strichneigung.
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Bei Änderung der Phasendifferenz der Ursprungsspannungen ändern sich
die Amplituden der Resultierenden nach sin-Funktionen. Bisher war es üblich, deren
gegenseitige Phasenverschiebung zu go" zu wählen und die Amplituden der sin-Funktionen
gleich groß zu machen. Der Endpunkt des Strich es bewegt sich dann auf einem Kreise,
und die Neigung des Striches gegen die Nullage ist jeweils halb so groß wie der
gegenseitige Phasenwinkel der Ursprungsspannungen.
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Diese Eigenschaft der bekannten Phasenmeßanordnung hat Nachteile
bei der Anwendung auf Einrichtungen zur Richtungsbestimmung von Schallwellen od.
dgl., die mit zwei in bestimmtem Abstand voneinander angeordneten Empfängern arbeiten
und die Phasenverschiebung zwischen den Empfängern als Maß für die jeweilige Einfallsrichtung
der Schallwellen ausnutzen. Durch das bisherige Verfahren zum Erzeugen der Ablenkspannungen
ergibt sich dort für
eine bestimmte Empfängerbasis, d. h. für ein
gegebenes Xrerhältnis zwischen Empfängerabstand und Wellenlänge der zum Peilen benutzten
Schallwellen, eine ganz bestimmte Abhängigkeit zwischen dem Einfallswinkel der Schallstrahlen
und der Neigung des Strich es am Braunschen Rohr und damit auch eine durch die Empfängerbasis
im voraus fest vorgegebene Meßgenauigkeit. Diese ist außerdem nicht proportional,
sondern durch ein Sinusgesetz, das den Einfallswinkel der Schallstrahlen und die
Phasendifferenz an den Empfängern verknüpft, verzerrt. Eine hohe Meßgenauigkeit
ist daher bei den bekannten Einrichtungen nur mit einer entsprechend großen Basis
zu erreichen.
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Das Vergrößern der Basis ist aber einerseits mit einer sperrigen und
schweren Bauart und bei Schiffen mit einem erhöhten Fahrwiderstand verbunden und
führt andererseits zu Mehrdeutigkeiten der Anzeige, sobald der Empfängerabstand
größer wird als eine halbe Wellenlänge der zum Peilen benutzten Schallwellen.
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Um nun durch Vergrößern des Abbildungswinkels am Braunschen Rohr
eine erhöhte Meßgenauigkeit zu erzielen, trotzdem aber Eindeutigkeit der Anzeige
zu gewährleisten, war man bisher gezwungen, außer einer großen Empfängerbasis zur
Feinpeilung eine kleine Empfängerbasis zur Grobpeilung vorzusehen. Es wurde dann
in der Weise verfahren, daß zunächst mit Hilfe der Grobpeilung die Empfängerbasen
in die Front der Schallwellen, d. h. in die Nullage, eingestellt und sodann mit
Hilfe der großen Empfängerbasis die etwa noch bestehende Abweichung von der Nullage
ermittelt und die genaue Einstellung vorgenommen wurde. Eine hohe Meßgenauigkeit
ist bei den bekannten Peilanlagen der vorliegenden Art somit nur durch wesentliche
Vergrößerung der Anlage und erhöhten Aufwand an wertvollen Werkstoffen zu erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen
von Phasendifferenzen zu schaffen, die auf einfache Weise eine weitgehende Beeinflussung
der Abhängigkeit zwischen Meßgröße und Abbildungsgröße am Braunschen Rohr und insbesondere
eine Steigerung der Meßgenauigkeit unter Wahrung der Eindeutigkeit der Anzeige ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß gleichphasige
Ablenkspannungen verwendet werden, deren Amplituden in Abhängigkeit von der zu messenden
Phasendifferenz sich nach sin-Funktionen ändern, die ungleiche Amplituden und/oder
eine von go" abweichende Phasendifferenz aufweisen, so daß sich der Endpunkt des
Striches auf einer Ellipse bewegt. Mit der Abweichung vom Kreis ist gleichzeitig
eine entsprechende Unproportionalität zwischen dem Phasenwinkel und dem Abbildungswinkel
am Braunschen Rohr verbunden, so daß bestimmte Teile des Meßbereiches mit erhöhter,
andere Teile dagegen mit verringerter Genauigkeit abgebildet werden.
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Dies läßt sich erfindungsgemäß ausnutzen, um besonders interessierende
Teile des Meßbereiches mit der gewünschten Meßgenauigkeit abzubilden, ohne daß hiermit
ein erhöhter Aufwand und die Gefahr einer Mehrdeutigkeit der Anzeige verbunden ist.
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Umgekehrt besteht auch die Möglichkeit, eine etwa bestehende Unproportionalität
zwischen der eigentlichen Meßgröße und der Phasendifferenz, wie z. B. bei der Richtungsbestimmung
von Schallwellen die Sinus abhängigkeit zwischen dem Einfallswinkel der Schallstrahlen
und der Phasendifferenz an den beiden Empfängern, durch die entsprechend eingestellte
elliptische Funktion zwischen Phasendifferenz und Abbildungswinkel weitgehend zu
kompensieren, um so zu einer annähernd proportionalen und möglichst winkeltreuen
Abbildung der gesuchten Einfallsrichtung der Schallstrahlen zu gelangen.
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Damit die Drehung des Striches von der Nullage aus nach beiden Seiten
gleichmäßig erfolgt, muß die Ellipse, auf der sich die Endpunkte des Schwingungsstriches
bewegen, symmetrisch zur Nullage liegen, was sich entweder durch Wahl entsprechender
Lage der zum Ablenken benutzten, von den Ursprungsspannungen abgeleiteten Spannungen
oder durch Einführen einer künstlichen Phasenverschiebung zum Drehen der Nullage
in eine der Achsenrichtungen der Ellipse erreichen läßt.
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Um bei der Richtungsbestimmung von Schallwellen sowohl den Vorteil
einer hohen Meßgenauigkeit als auch einer winkeltreuen Abbildung zu haben, kann
die Ableitung der Ablenkspannungen durch elektrische Umschaltung der Ableitschaltung
so geregelt werden, daß zunächst in einer Grobstufe mit einer angenähert winkeltreuen
Abbildung und dann im Bereich der Nullage mit gesteigerter Meßgenauigkeit gearbeitet
wird.
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Die Erzeugung der als Ablenkspannungen dienenden gleichphasigen Resultierenden
kann beispielsweise derart erfolgen, daß aus jeder der beiden Ursprungsspannungen
zwei verschiedene gegeneinander phasenverschobene Spannungen abgeleitet werden,
derart, daß zwischen den abgeleiteten und den Ursprungsspannungen die Beziehung
besteht, daß im Vektorbild, von den urspünglichen oder dazu um einen beliebigen
Winkel gedrehten Spannungen aus gesehen, die Abgeleiteten der einen Ursprungsspannung
Spiegelbilder der Abgeleiteten der anderen Ursprungsspannung darstellen und daß
die Resultierenden aus jeweils spiegelbildlichen Spannungen zur Ablenkung im Braunschen
Rohr benutzt werden.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß entsprechende Punkte der abgeleiteten
Spannungen geerdet werden können, womit Erdsymmetrie hergestellt ist. Ferner kann
man durch Anordnung von zwei getrennten Schaltanordnungen für die beiden Ursprungsspannungen
jede unerwünschte Kopplung vermeiden. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ergibt
sich ferner dadurch, daß man durch Resonanzüberhöhung am Braunschen Rohr eine Ablenkspannung
erzielen kann, die um ein Vielfaches größer ist als die Ursprungsspannungen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt, Abb. I zeigt eine Vorrichtung zur Richtungsbestimmung von Schallwellen
in schematischer Darstellung, Abb. 2 Vektordiagramme der Schaltung nach Abb. I,
Abb. 3 die Anzeige am Braunschen Rohr für ein Vektordiagramm nach Abb. 2 in schematischer
Darstellung,
Abb. 4 Schaukurven zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Schaltung nach Abb. I für ein Vektordiagramm nach Abb. 2, Abb. 5 a bis 5c Skalen
zur Abbildung am Braunschen Rohr, Abb. 6 und 7 Vektorbilder zur Erzeugung einer
Abbildung nach Abb. gb und 5 c, Abb. 8 eine Schaltung entsprechend Abb. 1 mit schaltbaren
Abbildungsarten des Phasenwinkels, Abb. g eine besondere Schaltung, Abb. 10 ein
dazugehöriges Vektordiagramm, Abb. II und 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel in
Schaltbild und Diagramm.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. I in Verbindung
mit einer Einrichtung zur Richtungsbestimmung von Schallwellen, z. B. auf Schiffen,
dargestellt. Die dort gezeigte Schaltung zur Erzeugung der Ablenkspannungen hat'
zwar bestimmte Vorteile in Verbindung mit einer Phasenanzeige nach der Erfindung,
ist aber nur als Beispiel aufzufassen. I und 2 sind zwei Schallempfänger, z. B.
Magnetostriktionsschwinger, die auf eine bestimmte Frequenz von z. B.
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20 kHz abgestimmt sind. Die Empfänger sind in festem horizontalem
Abstand angeordnet und gemeinsam um eine in der Zeichnung nicht mit dargestellte
senkrechte Achse drehbar. Der Mittenabstand zwischen den Empfängern sei gleich der
Hälfte der Wellenlänge A der Schallwellen. Dann ist bei einem Einfallswinkel e der
Schallwellen die Phasendifferenz der Schwingungen an den beiden Empfängern s rr
sin Q, wie durch die Schaukurve 2I (Abb. 4) veranschaulicht.
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Die Phasendifferenz f zwischen den beiden Empfängern I und 2 ist also
ein Maß für den Einfallswinkel e der Schallstrahlen und wird mit einem Braunschen
Rohr 3 zur Anzeige gebracht. Hierzu werden die beiden Schwingungen von den Empfängern
I und 2 nach Verstärkung in Verstärkern 4 und 5 je einer Stromverzweigung 6 bzw.
7 mit Widerständen 8 bis II und 12 bis 15 zugeführt.
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Die Empfänger können auch unter Fortlassung der Verstärker 4, 5,
die dann in die Leitungen der Ablenkspannungen eingeschaltet werden, direkt mit
den Widerstandschaltungen verbunden werden. Es ist dann, wenn keine Zwischenübertrager
verwendet werden, einpolige Erdung der Empfänger notwendig bzw. zulässig, was in
gewissen Fällen von Vorteil sein kann.
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Von den einzelnen Stromzweigen werden jeweils zwischen den beiden
Widerständen Spannungen abgegriffen und den Platten der beiden um go" gegeneinander
versetzten Ablenkplattenpaare I6, I7 bzw.
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I8, 19 zugeführt, und zwar an jedes Plattenpaar je eine Abgriffsspannung
von beiden Stromverzweigungen 6 und 7. Die Widerstände der Stromverzweigungen sind
so gewählt, daß, wie im Vektorbild der Abb. 2 beispielsweise dargestellt, die Ursprungsspannungen
A bzw. B in je zwei Teilspannungen a, b und c, d bzw. i, f und g, h zerlegt werden,
und zwar derart, daß die beiden demselben Plattenpaar des Braunschen Rohres zugeführten,
von den Ursprungsspannungen A, B abgeleiteten Spannungen b und h bzw. d und f dem
Betrage nach gleich sind und gleich große, im Vorzeichen jedoch entgegengesetzte
Phasenverschiebungen a, ß gegen zu ihren Ursprungsspannungen A, B um einen willkürlich
gewählten Winkel 8 verdrehte Strahlen S aufweisen. Dadurch wird erreicht, daß die
im Braunschen Rohr gebildeten Differenzvektoren aus b und h, d und f für jede beliebige
Phasendifferenz zwischen den Ursprungsspannungen A, B miteinander in Phase sind.
Derartige Ablenkspannungen rufen, wie bekannt, am Braunschen Rohr eine strichförmige
Ablenkung 20 hervor, wobei die Neigung des Striches 20, auf eine bestimmte Nullage
bezogen, von der Phasendifferenz y und damit auch von dem Einfallswinkel g der Schallstrahlen
abhängig ist und als Maß hierfür benutzt werden kann. Bei von o bis 360" sich ändernder
Phasendifferenz dreht sich der, Strich 20 am Braunschen Rohr um I80". Dabei liegt
am einen Plattenpaar die Spannung 2. L1 sin
und am anderen Plattenpaar die Spannung 2.
worin L, und L2 die Längen der Vektoren b und h bzw. d und f bedeuten. Die Endpunkte
des Striches 20 bewegen sich demnach auf einer Ellipse. Die Lage des Striches ist
gegeben durch
Abb. 3 zeigt die Ellipse E für das Vektordiagramm Abb. 2. Daraus ist die Lage des
Striches 20 bzw. die Größe des Abbildungswinkels W in Abhängigkeit von der Phasendifferenz
p zu erkennen.
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Sind z. B. die Phasenverschiebungen a, ß der beiden abgeleiteten
Spannungen gleich und L1 = L2, so fällt die Nullage (e = o) mit einer der beiden
Ellipsenachsen zusammen, d. h. die Ellipse ist zur Nullage symmetrisch.
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Die elliptische Funktion zwischen Phasendifferenz und Abbildungswinkel
läßt sich ausnutzen, um die Unproportionalität zwischen dem Einfallswinkel g der
Schallstrahlen und der Phasendifferenz f zu kompensieren und dadurch eine nahezu
winkeltreue Abhängigkeit zwischen dem Abbildungswinkel ap am Braunschen Rohr und
dem Einfallswinkel e der Schallstrahlen zu erzielen. Die Kurve 22 in Abb. 4 zeigt
die bei einem Spannungsdiagramm gemäß Abb. 6 erzielte Kompensation der Sinusab'hängigkeit
nach Kurve 21 bzw. die Angleichung an die anzustrebende proportionale Abhängigkeit
nach der Geraden 23. Umgekehrt kann durch entsprechende Ellipsen statt einer Entzerrung
der Sinusabhängigkeit auch eine weitere Verzerrung hervorgerufen werden z. B. derart,
daß der Strich für kleine Phasendifferenzen sehr schnell und für die größeren Phasendifferenzen
bis I800 nur sehr langsam dreht. Die Kurve 24 (Abb. 4) zeigt die Abhängigkeit des
Abbildungswinkels ap von dem Einfallswinkel e der Schallstrahlen bei einem Spannungsdiagramm
gemäß Abb. 7. Abb. 5a bis 5c zeigen die für die Drehung des Schwingungsstriches
sich ergebenden e-Skalen für proportionale Abbildung der Phasendifferenz gemäß Kurve
21, für Kompensation der Sinusfunktion gemäß Kurve 22 und für erhöhte Meß-
genauigkeit
im unteren Meßbereich gemäß Kurve 24.
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Abb. 6 und 7 zeigen zu Abb. 5 b und 5c gehörige Vektorbilder. Zweckmäßig
werden, wie in Abb. 8 veranschaulicht, zwei wechselweise benutzbare Stromverzweigungsanordnungen
25, 26 und 27, 28 vorgesehen, von denen die eine für alle auftretenden Phasendifferenzen
etwa gleiche Meßgenauigkeit, die zweite dagegen für kleine Phasendifferenzen eine
erhöhte Meßgenauigkeit aufweist. Mit der ersten Anordnung wird zunächst die ungefähre
Richtung der Schallwellen gemessen, sodann wird die aus den beiden Empfängern I,
2 bestehende Basis in die Front der Schallwellen gedreht und die Phasendifferenz
nochmals, jedoch jetzt mit der zweiten Anordnung gemessen. Diese kombinierte Grob-
und Feinmessung war bisher nur unter Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen
Empfängerbasen möglich.
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Durch das neue Verfahren wird daher die Anlage wesentlich vereinfacht
und verbilligt.
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Außerdem ist, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, auch bei der
Feinpeilung allein schon volle Eindeutigkeit der Anzeige gewährleistet, da sich
auch hier der Strich am Braunschen Rohr bei einer gesamten Änderung der Phasendifferenz
der Eingangsspannungen von 360" nur um insgesamt I80" dreht.
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Falls daher auf die proportionale bzw. winkeltreue Abbildung kein
Wert gelegt wird, wie das bei Ermittlung der Richtung durch Einstellen der Basis
in die Nullage der Fall sein kann, kann auf die Grobpeilung ganz verzichtet werden.
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Statt zwei verschiedene, zwischen die Ausgangsspannungen und das
Braunsche Rohr wechselweise einschaltbare Doppelstromverzweigungen vorzusehen, können
auch entsprechend kontinuierlich oder sprunghaft durch eine gemeinsame Stellvorrichtung
veränderbare Wechselstromwiderstände vorgesehen sein.
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Diese verschiedenen Maßnahmen können auch in Kombination angewandt
werden.
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Leicht berechnen und praktisch leicht verwirklichen lassen sich Ellipsen
E mit f = = o unter 45°. Bedingung hierfür ist, daß die beiden Phasenverschiebungen
a"B und die Beträge der vier abgeleiteten Spannungen bzw. L1 und L2 gleich sind.
Die Stärke der Elliptizität hängt dabei von der Größe der Winkel a und p ab.
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Für a = p = 45" geht die Ellipse in einen Kreis über, was der üblichen
Abbildungsart entspricht.
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Ellipsen mit q9 = o unter o bzw. 90" erhält man für a = 0, p = 3s
900. Die Elliptizität hängt von dem Verhältnis L,: L2 ab.
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In allen diesen Fällen kann die Spiegelachse S für die Vektoren von
o bis 360" gedreht werden. Form und Lage der Ellipse werden dadurch nicht verändert,
sondern lediglich die Lage der abgeleiteten Spannungen zu den Ursprungsspannungen
und damit die zur Ableitung erforderlichen Widerstände. Man hat es somit in jedem
Fall in der Hand, die Spiegelachse S so zu legen, daß sich günstige Werte für die
Widerstände ergeben.
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Abb. g zeigt eine besondere Schaltung zur Erzielung einer strichförmigen
Ablenkung. Dabei ist in jedem Zweig der beiden Stromverzweigungen je ein ohmscher,
ein kapazitiver und ein induktiver Widerstand vorgesehen, um eine Resonanzüberhöhung
zu erzielen.
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Wie aus dem zugehörigen Vektordiagramm Abb. 10 zu ersehen ist, sind
die Ablenkspannungen hierbei größer als die Ursprungsspannungen A, B.
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Abb. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die abgeleiteten
Spannungen nicht in Stromverzweigungen gewonnen werden, sondern aus demselben Stromzweig,
indem dieser mit entsprechenden Wechselstromwiderständen 29, 30 bzw. 3I, 32 versehen
ist. Erdsymmetrie kann man durch Erdung der zwischen den Widerständen liegenden
Punkte 33, 34 erzielen.
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Abb. 12 zeigt ein Vektordiagramm zu der Schaltung Abb. II. Darin
sind A, B die gleich großen oder auf gleich große Amplitude zurückgeführten Ursprungsspannungen,
die im Schaltbild Abb. II durch Spannungsquellen 35, 36 angedeutet sind. k und nt
sind die von A X und o die von B abgeleiteten Spannungen. Als Spiegelachse S sind
hier die Ursprungsvektoren angenommen, obwohl die Spiegelachse auch dagegen' verdreht
werden kann. Die beiden spiegelbildlichen Vektoren n, k mit der Phasenverschiebung
GS bzw. - <3 gegen S sowie m, o mit der Phasenverschiebung y bzw. - y gegen S
werden je einem der beiden Plattenpaare zugeführt, so daß im Braunschen Rohr 3 die
resultierenden Spannungen n-k und m-o wirksam sind.
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Für ungleichen Betrag der Paare abgeleiteter Spannungen k, ii und
und, o und/oder eine gegenseitige Phasenverschiebung der aus derselben Ursprungsspannung
abgeleiteten Teilspannungen, die von go" abweicht, ergibt sich eine Ellipse.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.
Insbesondere kann die Ableitung der Ablenkspannungen aus den Ursprungsspannungen
auch auf andere Art und Weise erfolgen, z. B. durch Anordnung von parallel geschalteten
Transformatoren mit anschließenden elektrischen Verzögerungsgliedern.
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Bei zur Nullage (? = o) nicht symmetrischen Ellipsen wird zweckmäßig
durch Einführung einer künstlichen Phasenverschiebung die Nullage in eine der Achsenrichtungen
der Ellipse gedreht. Die Regelung der Meßgenauigkeit kann auch in mehr als zwei
Stufen erfolgen. Es ist auch möglich, die vier abgeleiteten Spannungen jede unter
sinngemäßer Anwendung der Erfindung auf ein Plattenpaar des Braunschen Rohres zu
geben, so daß sich insgesamt vier Plattenpaare ergeben, von denen je zwei senkrecht
und waagerecht hintereinanderstehen.
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Schließlich kann die Erfindung auch zur Phasenmessung für andere
Zwecke als die der Peilung benutzt werden. Sie hat aber besondere Bedeutung für
die Peilung auf Schiffen mittels Unterwasserschalles.
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Dabei kann natürlich auch in Verbindung mit mehreren Empfängerbasen
gearbeitet werden. Die Peilung kann dabei entweder nach der Echomethode, sie kann
aber auch durch Abhorchen fremder Schallprellen, z. B. fremder Schiffsgeräusche,
mit einer auf eine bestimmte Frequenz abgestimmten Empfangsanordnung oder durch
Signalgebung von Schiff zu Schiff erfolgen.