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Einrichtung zur Übertragung von Fernwirksignalen über ein Wechselspannung
führendes Versorgungsnetz Gegenstand der Hauptanmeldung ist eine Einrichtung zur
Übertragung von Fernwirksignalen über ein Wechselspannung führendes Versorgungsnetz
für elektrische Energie, bei der die Signale der Netzwechselspannung überlagert
sind, mit mindestens einem Signalgeber und einem Signalempfänger sowie mit einem
bei jedem Signalgeber angeordneten, in Reihe mit einem Impulskontakt an das Versorgungsnetz
angeschlossenen elektrischen Schwingkreis, der für die Zeitdauer der Signalübertragung
an das Versorgungsnetz in der Weise einer Impulsserie angeschaltet ist, wobei der
zeitliche Abstand der einzelnen aufeinanderfolgenden Anschaltimpulse einer Impulsserie
ungleich dem einfachen oder ganzzahligen mehrfachen Wert der halben Periodendauer
der mit den Signalen überlagerten Netzwechselspannung ist.
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Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte Weiterbildung des Gegenstandes
der Hauptanmeldung.
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Es wurde nun gefunden, daß die übertragungssieherheit solcher Einrichtungen
oder die mit diesen übertragbare Informationsmenge ohne Anwendung von nennenswert
ins Gewicht fallenden Mitteln weiter wesentlich erhöht und der Sendepegel allenfalls
weiter gesenkt werden kann, wenn die in der Hauptanmeldung definierte Einrichtung
zusätzlich noch die für die vorliegende Erfindung kennzeichnenden Merkmale besitzt,
daß der elektrische Schwingkreis mindestens zwei wählbare Eigenschwingungszahlen
aufweist, deren erste einer ersten und deren zweite einer zweiten von mindestens
zwei unterschiedlich modulierten Impulsreihen als Trägerfrequenz zugeordnet ist,
und daß ferner im Signalempfänger für jede der Trägerfrequenzen selektive Auswerteglieder
für die jeweilige Trägerfrequenz und deren Modulationsfrequenz angeordnet sind.
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Einzelheiten gehen aus dem im folgenden an Hand der Zeichnungsfiguren
beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor. Es zeigt F i g. 1 ein Spannungsdiagramm
und F i g. 2 ein Schema einer Fernwirkeinrichtung.
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In einem Versorgungsnetz für elektrische Energie, im weiteren meistens
kurz »Netz« genannt, beträgt die Frequenz der Netzwechselspannung z. B. 50 Hz, ihre
Periodendauer damit 20 Millisekunden (abgekürzt: ms). Beim Anschalten eines aus
einem induktiven und einem kapazitiven Glied bestehenden elektrischen Schwingkreises
an das Netz bildet sich ein Wechselstrom mit einer durch die Eigenfrequenz des Schwingkreises
vorgeschriebenen Frequenz aus, dessen Erstamplitude dem zum Zeitpunkt der Anschaltung
anliegenden Momentanwert der Netzspannung proportional und dessen logarithmisches
Dekrement von der Dämpfung des Schwingkreises abhängig ist.
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Beim Abschalten des Schwingkreises besitzt das kapazitive Glied dieses
Schwingkreises eine Ladung, deren Polarität und Größe dem zum Zeitpunkt der Abschaltung
anliegenden Momentanwert der Netzspannung entspricht. Um nun einen möglichst großen
Einschaltstromstoß zu erzielen, erfolgt die nächste Anschaltung des Schwingkreises
vorteilhaft in einer Halbwelle der Netzspannung mit entgegengesetzter Polarität,
erfindungsgemäß jedoch bei einem anderen Betrag des Momentanwertes der Netzspannung
als die vorausgehende Anschaltung. In der F i g. 1 ist dies veranschaulicht.
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Beispielsweise fällt der Zeitpunkt t l- der ersten Anschaltung mit
dem Scheitelwert einer positiven Halbwelle (-I-) der Netzspannung U, der Zeitpunkt
der Abschaltung t2 mit dem Scheitelwert der nächstfolgenden positiven Halbwelle
zusammen; die Anschaltdauer A des Schwingkreises beträgt dann eine Periodendauer
der Netzspannung, also 20 ms. Die zweite, nach einer Impulspause P folgende Anschaltung
setzt nun erst einen kleinen Zeitbetrag Z, z. B. 2 ms, nach dem Auftreten des Scheitelwertes
der auf die positive Halbwelle (-I-), bei der abgeschaltet
wurde,
folgenden negativen Halbwelle (-) der Netzspannung ein; die Periodendauer T einer
Anschaltung, das ist der zeitliche Abstand der einzelnen Anschaltimpulse, ist beim
gewählten Beispiel demnach 32 ms; Anschaltdauer A und Impulspause P sind also unterschiedlich
bemessen.
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Im vorgetragenen Beispiel fällt der Zeitpunkt der Anschaltung nach
jeweils fünf Anschaltperioden, entsprechend einem Zeitraum von 160 ms, mit homologen
Momentanwerten der Netzspannung zusammen. In diesem Zeitraum ändert sich der Betrag
der Erstamplitude des Einschaltstromstoßes zwischen einem Höchstwert und einem Wert
gleich oder nahe bei Null, je nach dem Betrag des Momentanwertes der Netzspannung
zum Zeitpunkt der ersten Anschaltung innerhalb einer Serie von Anschaltimpulsen.
Der Einschaltstrom des Schwingkreises ist also im besprochenen Beispiel mit (160
ms)-1 = 6,25 Hz praktisch zu 100% moduliert. Durch Wahl beliebiger Anschaltperioden
T im Rahmen dieser Bemessungsregel lassen sich ebenso andere Amplitudenmodulations-Frequenzen
des Einschaltstromes erzielen, z. B. 4 Hz.
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Ein Beispiel für die praktische Ausführung und Anwendung der Erfindung
zeigt die F i g. 2.
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Als Fernwirkkanal dient ein Niederspannungsnetz 1, beispielsweise
ein Bezirksnetz der öffentlichen Stromversorgung, das von einem Verteiltransformator
2 gespeist wird. Die Fernwirkaufgabe besteht in der übertragung des elektrischen
Zustandes von Signalkontakten einer großen Anzahl von Signalgebern an eine zentrale
Empfangsstelle. Als Signalgeber dienen Mengenmesser zur Messung des Verbrauchs von
öffentlichen Verbrauchsgütern, wie Gas, Wasser, Elektrizität.
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In der F i g. 2 ist als Signalgeber 3 ein Elektrizitätszähler angedeutet,
der jeweils nach Messung einer bestimmten Verbrauchsmenge, einen Signalkontakt 4
von einem Kontaktelement 5 auf ein Kontaktelement 6 umschaltet und umgekehrt. Der
Elektrizitätszähler mißt die in einem Verbraucher 7 umgesetzte elektrische Arbeit.
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Dem Signalgeber 3 ist als Sendeeinrichtung ein aus einem Kondensator
8 und aus einer eine Anzapfung 9 aufweisenden Spule 10 bestehender elektrischer
Reihenschßingkreis sowie ein Impulsgeber 11 zugeordnet. Der Impulsgeber 11 besitzt
z. B. drei über Zahnradpaare l.2,13,14 gekuppelte Wellen 15,16,17 mit unterschiedlichen
Drehzahlen, die in einem festen Verhältnis zur Drehzahl einer von einem Uhrwerk
oder, wie gezeichnet, von einem Synchronmotor 18 bewegten Antriebswelle 19 stehen.
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Auf der Welle 15 ist eine Nockenscheibe 20 befestigt, die auf
einen ersten Impulskontakt 21 wirkt, während die Welle 16 eine Nockenscheibe 22
zur Betätigung eines zweiten Impulskontaktes 23 trägt. Auf der Welle 17 schließlich
sind zwei Nockenscheiben 24 und 25 angeordnet, deren erste einen Motorkontakt 26
und deren zweite einen Hauptkontakt 27 steuert. Die Nockenscheibe 25 kann mittels
einer Rutschkupplung 28 oder mittels einer Stellschraube gegenüber der lKockenscheibe
24 von Hand verdreht werden.
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Die soeben beschriebenen Teile sind wie folgt in eine elektrische
Schaltung einbezogen: Eine Abzweigleitung 29 ist einphasig an das Niederspannungsnetz
1 angeschlossen. Von einem Phasenleiter der Abzweigleitung 29 führt eine Verbindungsleitung
30 über den Hauptkontakt 27 zum Kondensator 8 des Reihenschwingkreises 8, 10, und
von einem Spulenende 31 der Spule 10 über den ersten Impulskontakt 21 zum Kontaktelement
5 des Signalkontaktes 4, während die Anzapfung 9 der Spule 10 über den zweiten Impulskontakt
23 mit dem Kontaktelement 6 des Signalkontaktes 4 verbunden ist, dessen Schaltarm
über eine Leitung 32 am Nullleiter 0 der Abzweigleitung 29 liegt.
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Der Signalgeber 3 ist ebenfalls an die Abzweigleitung 29 angeschlossen,
welche auch die Betriebsspannung für den Synchronmotor 18 einerseits über die Verbindungsleitung
30, einen Steuerkontakt 33, eine Leitung 34 und andererseits über eine Anschlußleitung
35 liefert. Der Motorkontakt 26 liegt elektrisch parallel zum Steuerkontakt 33,
welcher von einer Schaltuhr oder von einem mit dem Niederspannungsnetz 1 verbundenen
Rundsteuerempfänger 36 betätigt wird. Falls eine Schaltuhr angeordnet ist, kann
diese auch als Antrieb für den Impulsgeber 11 dienen, Schaltuhr oder Fernsteuerempfänger
36 werden durch die beschriebene Fernwirkeinrichtung in der Regel nur mitbenutzt,
erfüllen also auch noch andere Aufgaben, z. B. Tarifumschaltung, Ein- und Abschaltung
von Verbrauchern usw., was jedoch in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.
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Die vorstehend beschriebenen Teile der Figur sind am Ort eines jeden
Signalgebers 3 angeordnet; eine Schaltuhr oder ein Rundsteuerempfänger 36 kann allerdings
mehrere Signalgeber 3 mit Impulsgebern 11 bedienen und weist dann entsprechend viele
Steuerkontakte 33 auf.
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Der bisher beschriebene Teil der Fernwirkeinrichtung arbeitet wie
folgt: Die zu übertragende Information ist im elektrischen Zustand des Signalkontaktes
=1 enthalten, sie kann die Form a oder b haben, dann ist der Signalkontakt
4 ein Umschalter mit zwei Kontaktelementen 5, 6. Allenfalls besitzt der Signalkontakt
4 mehr als zwei Kontaktelemente; die Information kann dann mindestens so viele unterschiedliche
Formen aufweisen, wie Kontaktelemente angeordnet sind. Im einfachsten Fall hat die
Information einen Inhalt a oder 0, der Signalkontakt 4 würde dann nur ein Kontaktelement
sowie eine »Aus«-Stellung aufweisen und damit einem einfachen Ein-Aus-Kontakt entsprechen.
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Jedes Kontaktelement, z. B. 5, 6, des Signalkontaktes 4 ist mit einem
diesem zugeordneten Impulskontakt 21 bzw. 23 verbunden, »belegt«; der Impulsgeber
11 weist also so viele Impulskontakte und diese steuernde Nockenscheiben auf, wie
belegte Kontaktelemente am Signalkontakt 4 vorhanden sind.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, liegt der Schwingkreis 8, 10
mit dem Signalkontakt 4 und jeweils einem der Impulskontakte 21 und 23 elektrisch
in Reihe und wird bei jedem Schließen des betreffenden Impulskontaktes an die Netzspannung
angeschaltet, vorausgesetzt, daß der Hauptkontakt 27 geschlossen ist. Dabei entstehen,
wie erwähnt, elektrische Ausgleichschwingungen S (F i g. 1), die sich dem Netz als
Signalströme überlagern und die somit über das Netz fortgeleitet werden. Die Frequenz
dieser als Träger dienenden Ausgleichschwingungen hängt davon ab, welcher der beiden
Impulskontakte 21 und 23 für die Signalgabe gerade wirksam ist, da der Schwingkreis
8, 10 für jeden der Impulskontakte eine andere Abstimmung hat.
Der
zeitliche Abstand T der einzelnen Anschaltimpulse und damit die Dauer eines Schaltzyklus
eines Impulskontaktes ist gleich dem reziproken Produkt aus der Anzahl der Nocken
der den Impulskontakt steuernden Nockenscheibe und der Drehzahl dieser Nockenscheibe.
Für jede einen Impulskontakt steuernde Nockenscheibe ist der Kehrwert des Produktes
aus Drehzahl und Nockenzahl, also die Dauer einer Anschaltperiode T, unterschiedlich
und ungleich dem einfachen oder ganzzahligen mehrfachen Wert der halben Periodendauer
der Netzwechselspannung gewählt. Weiter oben wurde hierfür bereits ein Wert von
z. B. 32 ms genannt; es könnten z. B. aber auch 11 ms oder 31,25 ms oder beliebige
andere Werte sein, vorzugsweise solche, die nahe bei einem ungeradzahligen Vielfachen
der halben Periodendauer der Netzwechselspannung liegen und die in der bereits beschriebenen
Weise Amplitudenmodulations-Frequenzen ergeben, welche von Störfrequenzen und Netzharmonischen
einen hinreichenden Abstand aufweisen.
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Beim Schließen des Steuerkontaktes 33 wird die Antriebswelle 19 des
als umlaufender Nockenschalter ausgebildeten Impulsgebers 11 in Bewegung gesetzt,
sei es durch Einschalten des Synchronmotors 18 oder durch z. B. elektromagnetisches
Einkuppeln der Antriebswelle 19 in einen ständig laufenden Uhrwerkantrieb, welcher
der Antriebswelle 19 eine konstante Drehzahl von z. B. 50 U/see erteilt.
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Kurz nach dem Start des Impulsgebers 11 schließt der Motorkontakt
26 und hält den Antrieb, z. B. den Synchronmotor 18, für eine ganze Umdrehung der
Nockenscheibe 24 erregt.
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Eine festgesetzte Zeitspanne nach dem Start des Impulsgebers 11 schließt
sich der Hauptkontakt 27 für eine durch die Ausbildung der Nockenscheibe 25 bestimmte
Zeitdauer, z. B. für 1,5 Sekunden. In dieser Zeitdauer wird der Schwingkreis 8,
10 durch den jeweiligen Impulskontakt 21 oder 23 entsprechend dem Schaltzustand
des Signalkontaktes 4 in einem für den betreffenden Impulskontakt charakteristischen
zeitlichen Abstand an das Netz angeschaltet. Dadurch entstehen die Signale der bereits
beschriebenen Art, und zwar in Form einer Impulsserie, deren zeitliche Länge der
Zeitdauer entspricht, in welcher der Hauptkontakt 27 geschlossen ist.
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Die im elektrischen Zustand des Signalkontaktes 4 enthaltene Information
erscheint nunmehr im Fernwirkkanal als eine Serie von Anschaltimpulsen einer für
die Stellung des Signalkontaktes 4 charakteristische Trägerfrequenz. Die für die
Übertragung vor allem wesentliche Erstamplitude der Anschaltimpulse ist mit einer
ebenfalls für den jeweiligen Zustand des Signalkontaktes 4 charakteristischen Frequenz
zu praktisch 1001/o moduliert, beispielsweise mit 6,25 Hz oder mit 4 Hz od. dgl.,
wie beschrieben.
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Mit Hilfe des Rundsteuerempfängers 36 (oder einer Schaltuhr) kann
die Impulsserie, also die Information, zu einem gewünschten Zeitpunkt aufgerufen
werden. Es ist möglich, -viele Signalgeber 3 durch einen einzigen Rundsteuerbefehl
gleichzeitig aufzurufen. Im Augenblick des Anrufes, das ist beim Schließen des Steuerkontaktes
33, starten alle Impulsgeber 11. Durch entsprechende Einstellung der Nokkenscheibe
25 ist erreicht, daß die Hauptkontakte 27 aller gestarteten Impulsgeber 11 zu verschiedenen
Zeiten geschlossen sind, so daß ein Signalgeber nach dem anderen seine Information
abgibt, ohne daß Überschneidungen der Informationen auftreten.
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Die zeitliche Aufeinanderfolge, in der die einzelnen Signalgeber ihre
Informationen abgeben, ist festgelegt und dient zur Identifikation der einzelnen
Signalgeber 3. Eine zentrale Empfangsstelle 37 kennt den Zeitpunkt des Anrufes aller
in die Fernwirkeinrichtung einbezogenen Signalgeber 3 und kann so jede in der Empfangsstelle
eintreffende Impulsserie einem bestimmten Signalgeber 3 zuordnen.
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Zur Auskopplung der Signale aus dem überlagerten Niederspannungsnetz
1 ist in der Empfangsstelle 37 ein Übertrager, z. B. ein Stromwandler 38, mit einem
Arbeitswiderstand 39 angeordnet, an dessen Klemmen unter anderem die Signalwechselspannungen
auftreten. Diese gelangen über Bandfilter 40 und 41, in welchen die außerhalb der
gewünschten Frequenzbänder liegenden Spannungen ausgesiebt werden, und über Verstärker
42 und 43 zu Demodulatoren 44 und 45. Die demodulierte Spannung wird nun Korrelationssystemen,
z. B. an sich bekannten Ringmodulatoren 46 und 47 zugeführt.
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Jedes der Bandfilter ist für eine der möglichen Trägerfrequenzen bzw.
deren durch die Modulation erzeugte Seitenbänder durchlässig, während die Schaltfrequenz
je eines der Ringmodulatoren 46. 47 identisch mit je einer der vom Impulsgeber
11 erzeugten Amplitudenmodulations-Frequenzen ist. so daß am Ausgang des
Ringmodulators eine Gleichspannung entsteht, wenn ein der Schaltfrequenz des Ringmodulators
entsprechendes Signal im Fernwirkkanal anliegt. Diese Gleichspannung wird in einem
Integrationsglied 48 bzw. 49 geglättet und über einen Verstärker 50 bzw. 51. einem
Relais 52 bzw. 53 mit je einem Arbeitskontakt 54 bzw. 55 zugeführt.
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Jeder der in der erwähnten Betriebsart als stark selektives Filter
wirkenden Ringmodulatoren 46 und 47 besteht mit Vorteil aus zwei parallel arbeitenden
Korrelationssystemen, wobei der Kontaktzyklus des ersten Systems gegenüber dem des
zweiten um 90° phasenverschoben ist, so daß zwischen der Signalspannung und den
Kontaktzyklen der Ringmodulatoren ohne Nachteil jede beliebige Phasenverschiebung
auftreten kann.
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In der Empfangsstelle 37 muß für jede Trägerfrequenz ein Bandfilter
und für jedes belegte Kontaktelement (z. B. 5; 6) des Signalkontaktes 4 ein Paar
von Korrelationssystemen und je ein diesen nachgeschaltetes Relais (z. B. 52; 53)
angeordnet sein.
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Auf Grund der bisherigen Erläuterungen ist einzusehen, daß die Schaltstellung
aller in der Empfangsstelle befindlichen Arbeitskontakte 54; 55 in einem definierten
Zeitmoment ein Abbild des elektrischen Zustandes des Signalkontaktes 4 eines ganz
bestimmten Signalgebers 3 der Fernwirkeinrichtung darstellt. Diese Schaltstellung
der Arbeitskontakte 54; 55 wird nun in der Empfangsstelle 37 entsprechend ausgewertet.
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An Stelle des in der Figur gezeigten Impulsgebers 11 sind selbstverständlich
auch andersartige mechanische Steuervorricbtungen für die Impulskontakte 21, 23
denkbar; die Erzeugung der Anschaltimpulse kann auch durch rein elektronische Schaltglieder
erfolgen, desgleichen mit Hilfe von Schwingzungenkontakten bzw. durch von Stimmgabeln
gesteuerte Impulskontakte. Schließlich ist es auch möglich, dem Signalkontakt 4
selbst durch Stimmgabel- oder
Schwingzungensteuerung Eigenschaften
eines Impulskontaktes zu geben, der in jeder Schaltstellung durch mechanische Verstimmung
des Schwingsystems unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen erzeugt.
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Im vorstehenden wurde gezeigt, daß es auf Grund der Erfindung nunmehr
möglich ist, mit sehr einfachen Sende- und Empfangseinrichtungen geringer Leistung
Informationen über einen bereits vorhandenen und weitverzweigten, jedoch zahlreichen
Störeinflüssen ausgesetzten Fernwirkkanal, wie ihn ein Verteilungsnetz für elektrische
Energie darstellt, zuverlässig in beliebiger Richtung, also insbesondere auch entgegen
der Flußrichtung der Netzenergie, zu übertragen. Störspannungen, die innerhalb des
von den Bandfiltern 40 und 41 der Empfangsstelle 37 durchgelassenen Frequenzbandes
liegen, können die Informationsübertragung nur dann beeinträchtigen, wenn sie ebenfalls
mit einer der für die Signale gewählten Amplitudenmodulations-Frequenzen moduliert
sind und genügend lange Zeit andauern, z. B. eine Sekunde, wofür die Wahrscheinlichkeit
äußerst gering ist.
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Durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Umschalter könnten
beispielsweise zu Kontrollzwekken der Impulskontakt 21 mit der Anzapfung 9 und der
Impulskontakt 23 mit dem Ende 31 der Spule 10 des Reihenschwingkreises verbunden
werden. Diese Maßnahme läßt sich natürlich auch zur Erhöhung der übertragbaren Informationsmenge
anwenden.
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Durch einfache Schaltungsmaßnahmen kann mit den an sich in beliebiger
Zahl vorsehbaren Träger-und Modulationsfrequenzen eine Vielfalt von Kombinationen
gebildet werden, die natürlich bei der Wahl der Auswerteglieder des Signalempfängers
37 zu berücksichtigen sind, so daß sich mit dieser einfachen Einrichtung allenfalls
bereits ohne Zuhilfenahme einer Kodierung der gesendeten Impulsreihen mehrstellige
Zahlenwerte übertragen lassen.
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Zur Veränderung der Eigenschwingungszahl des Schwingkreises 8, 10
sind außer der Anzapfung der Spule natürlich alle bekannten Maßnahmen anwendbar,
z. B. eine Änderung der Kapazität des Kondensators 8 oder eine Änderung eines Luftspaltes
in einem Eisenkern der Spule 10. Besonders durch die zuletzt genannte Maßnahme ergibt
sich die zusätzliche Möglichkeit, der Trägerfrequenz eine Frequenzmodulation zu
erteilen. Dies kann ebenfalls durch mindestens eine Nockenscheibe geschehen, die
nach den hier für die Erzielung einer Amplitudenmodulation gegebenen Regeln ein
Modulationsglied betätigt und damit auf rein mechanischem Wege durch Luftspaltänderung
oder durch Zu- und Abschaltung von elektrischen Gliedern eine periodische Verstimmung
des Schwingkreises 8, 10 erzeugt. Die Referenzfrequenz der Korrelationssysteme
46, 47 des Signalempfängers 37 ist dann der verwendeten Modulationsart anzupassen.