Základní křemenné hodiny
Křemenné hodiny a křemenné hodinky jsou hodinky, které používají elektronický oscilátor regulováno a křemen krystal, aby si udržel čas. Tento krystalový oscilátor vytváří signál velmi přesně frekvence, takže ten křemen hodiny a hodinky jsou alespoň řádově přesnější než mechanické hodiny. Obecně platí, že nějaká forma digitální logiky počítá cykly tohoto signálu a poskytuje číselnou hodnotu čas displej, obvykle v jednotkách hodin, minut a sekund.
První křemenné hodiny na světě byly postaveny v roce 1927 Warrenem Marrisonem a J. W. Hortonem v Bell Telephone Laboratories. První křemenné hodinky na světě však byly představeny japonským hodinářem Seiko jako Astron v prosinci 1969.[1][2] Od 80. let, kdy příchod pevné skupenství digitální elektronika umožnila, aby byly kompaktní a levné, křemíkové časoměřiče se staly nejpoužívanější časomírovou technologií na světě, používanou ve většině hodin a hodinky stejně jako počítače a další zařízení, která udržují čas.
Vysvětlení
Chemicky křemen je specifická forma sloučeniny zvané oxid křemičitý. Mnoho materiálů může být formováno do desek, které budou rezonovat. Křemen je však také a piezoelektrický materiál: to znamená, že když je křemenný krystal vystaven mechanickému namáhání, jako je ohýbání, hromadí elektrický náboj v některých rovinách. V opačném případě, pokud jsou náboje umístěny napříč rovinou krystalu, křemenné krystaly se ohnou. Vzhledem k tomu, že křemen může být přímo poháněn (aby se ohýbal) elektrickým signálem, žádné další převodník je povinen jej použít v a rezonátor. Podobné krystaly se používají v low-endech fonograf kazety: Pohyb stylusu (jehly) ohýbá křemenný krystal, který vytváří malé napětí, které je zesíleno a přehráváno prostřednictvím reproduktorů. Křemenné mikrofony jsou stále k dispozici, i když to není běžné.[Citace je zapotřebí ]
Křemen má další výhodu v tom, že se jeho velikost příliš nemění teplota kolísá. Tavený křemen se často používá pro laboratorní vybavení, které nesmí měnit tvar spolu s teplotou. Rezonanční frekvence křemenné desky na základě její velikosti nebude významně stoupat ani klesat. Podobně, protože jeho rezonátor nezmění tvar, zůstanou křemenné hodiny při změnách teploty relativně přesné.
Na počátku 20. století hledali radiotechnici přesný a stabilní zdroj rádiových frekvencí a nejprve začali s ocelovými rezonátory. Kdy však Walter Guyton Cady zjistili, že křemen může rezonovat s menším vybavením a lepší teplotní stabilitou, ocelové rezonátory během několika let zmizely. Později vědci z NIST (tehdy Národní úřad pro standardy USA) zjistil, že krystalový oscilátor může být přesnější než a kyvadlové hodiny.
Elektronický obvod je oscilátor, an zesilovač jehož výstup prochází křemenným rezonátorem. Rezonátor funguje jako elektronický filtr, což vylučuje všechny kromě jediné frekvence zájmu. Výstup rezonátoru se přivádí zpět na vstup zesilovače a rezonátor zajišťuje, že oscilátor „vyje“ s přesnou sledovanou frekvencí. Když se obvod spustí, dokonce i jediný výstřel může kaskádovat k uvedení oscilátoru na požadovanou frekvenci. Pokud je zesilovač příliš dokonalý, oscilátor se nespustí.
Frekvence, při které krystal osciluje, závisí na jeho tvaru, velikosti a rovině krystalu, na které je křemen řezán. Polohy, ve kterých jsou umístěny elektrody, mohou také mírně změnit ladění. Pokud je krystal přesně tvarován a umístěn, bude oscilovat na požadované frekvenci. Téměř ve všech křemenných hodinkách je frekvence 32768 Hz,[3] a krystal je vyříznut v malém tvaru ladičky na konkrétní rovině krystalu. Tato frekvence je síla dvou (32768 = 215), dostatečně vysoká, aby překročila dosah lidského sluchu, přesto dostatečně nízký, aby umožnil levným čítačům odvodit 1sekundový puls.[4] 15bitový binární digitální Čítač poháněný frekvencí přeteče jednou za sekundu a vytvoří digitální puls jednou za sekundu. Výstup puls za sekundu lze použít k pohonu mnoha druhů hodin.
Ačkoli křemen má velmi nízkou hodnotu koeficient tepelné roztažnosti, změny teploty jsou hlavní příčinou kolísání frekvence v krystalových oscilátorech. Nejviditelnějším způsobem, jak snížit účinek teploty na rychlost oscilace, je udržovat krystal na konstantní teplotě. U laboratorních oscilátorů an krystalový oscilátor řízený troubou se používá, ve kterém se krystal udržuje ve velmi malé peci, která se udržuje při konstantní teplotě. Tato metoda je však nepraktická pro křemenné hodiny spotřebitelů a pohyby náramkových hodinek.
Křišťálové roviny a ladění hodinového krystalu pro spotřebitele jsou navrženy pro minimální teplotní citlivost, pokud jde o jejich vliv na frekvenci, a fungují nejlépe při teplotě přibližně 25 až 28 ° C (77 až 82 ° F). Při této teplotě krystal osciluje nejrychleji. Vyšší nebo nižší teplota způsobí −0,035ppm / ° C2 (pomalejší) rychlost oscilace. Takže odchylka teploty ± 1 ° C bude odpovídat za (± 1)2 × −0,035 ppm = −0,035 ppm změna rychlosti, což odpovídá -1,1 sekundy ročně. Pokud se místo toho u krystalu vyskytne teplotní odchylka ± 10 ° C, bude změna rychlosti (± 10)2 × −0,035 ppm = −3,5 ppm, což odpovídá −110 sekund za rok.
Výrobci křemenných hodinek používají zjednodušenou verzi metody krystalového oscilátoru řízeného troubou doporučením pravidelného nošení hodinek, aby byl zajištěn nejlepší výkon. Pravidelné nošení křemenných hodinek výrazně snižuje rozsah výkyvů teploty prostředí, protože správně navržené pouzdro hodinek tvoří účel křišťálová trouba který používá stabilní teplotu lidského těla k udržení krystalu v jeho nejpřesnějším teplotním rozsahu.
Mechanismus
Obrázek rezonátoru z křemenného krystalu, který se používá jako součást měření času v křemenných hodinkách a hodinách, s odstraněným pouzdrem. Je vytvořen ve tvaru ladičky. Většina takových křemenných hodinových krystalů vibruje na frekvenci 32 768 Hz .
V moderních křemenných hodinách křemenný krystal rezonátor nebo oscilátor je ve tvaru malého ladička (XY řez ), laser - ořezané nebo přesně lapované, aby vibrovalo při 32768 Hz. Tato frekvence se rovná 215 cyklů za sekundu. Je zvolena síla 2, takže jednoduchý řetězec digitálních stupňů dělení na 2 může odvodit signál 1 Hz potřebný k ovládání druhé ruky hodinek. U většiny hodin je rezonátor v malé plechovce nebo plochém obalu o délce přibližně 4 mm. The 32768 Hz rezonátor se stal tak běžným v důsledku kompromisu mezi velkou fyzickou velikostí nízkofrekvenčních krystalů pro hodinky a velkým odběrem proudu vysoká frekvence krystaly, což snižuje životnost baterie hodinek. Během sedmdesátých let, zavedení kov – oxid – polovodič (MOS) integrované obvody umožnil 12měsíční výdrž baterie z jediného knoflíková buňka při řízení buď mechanickým Krokový motor typu Lavet, hladký zametací krokový motor, nebo a displej z tekutých krystalů (v digitálních hodinkách LCD). Světelná dioda (LED) displeje pro hodinky se staly vzácnými kvůli své poměrně vysoké spotřebě baterie.
Základní vzorec pro výpočet základní frekvence (F) vibrací a konzola jako funkce jeho rozměrů (kvadratický průřez) je[5]
F = 1.875104 2 2 π A l 2 E 12 ρ , {displaystyle f = {frac {1.875104 ^ {2}} {2pi}} {frac {a} {l ^ {2}}} {sqrt {frac {E} {12ho}}},}
kde
1,875104 (zaokrouhleno) je nejmenší kladné řešení rovnice cos (X) cosh (X) = −1,[6] l je délka konzoly, A je jeho tloušťka ve směru pohybu, E je jeho Youngův modul, ρ je jeho hustota.
Konzola vyrobená z křemen (E = 1011 N / m2 = 100 GPa a ρ = 2634 kg / m3[7]) o délce 3 mm a tloušťce 0,3 mm má tedy základní frekvenci kolem 33 kHz. Krystal je naladěn přesně na 215 = 32768 Hz nebo běží s mírně vyšší frekvencí s kompenzací inhibice (viz níže).
Přesnost
Relativní stabilita křemenného rezonátoru a jeho budicího obvodu je mnohem lepší než jeho absolutní přesnost. U standardních rezonátorů 32 768 Hz tohoto typu je zaručeno, že mají dlouhodobou přesnost přibližně šest dílů na milion (0,0006%) při 31 ° C (87,8 ° F): to znamená, že typické křemenné hodiny nebo náramkové hodinky získají nebo ztratit 15 sekund za 30 dní (v normálním teplotním rozsahu 5 až 35 ° C (41 až 95 ° F)) nebo méně než půl sekundy drift hodin za den při nošení v blízkosti těla.
Inhibiční kompenzace
Mnoho levných křemenných hodin a hodinek používá techniku známou jako inhibiční kompenzace.[3] Krystal je záměrně vytvořen tak, aby běžel o něco rychleji. Po výrobě je každý modul ve výrobě kalibrován proti přesným hodinám a upraven tak, aby udržoval přesný čas programováním digitální logiky tak, aby přeskočil malý počet cyklů krystalů v pravidelných intervalech, například 10 sekund nebo 1 minuta. U typického křemenného pohybu to umožňuje naprogramované úpravy v krocích po 7 dnech na 30 sekund po 10denních intervalech (na 10sekundovém měřicím hradle) nebo naprogramované úpravy v intervalech po 1,32 sekundy na 30 dní po 60sekundových intervalech (na 60- druhá měřící brána). Výhodou této metody je, že použití digitálního programování k uložení počtu pulzů k potlačení v energeticky nezávislém paměťovém registru na čipu je levnější než starší technika ořezávání frekvence křemenné ladičky. Logika inhibice a kompenzace některých křemenných pohybů může být regulována servisními středisky pomocí přesného časovače a nastavovacího terminálu po opuštění továrny, ačkoli mnoho levných křemenných hodinek tuto funkci nenabízí.
Vnitřní nastavení
Vydáno lodní chronometr Omega 4,19 MHz, vydáno francouzským námořnictvem
Některé prémiové návrhy pohybu se samy hodnotí a samoregulují. To znamená, že spíše než jen počítání vibrací jejich počítačový program bere jednoduchý počet a upravuje je pomocí poměru vypočítaného mezi epocha nastaveno z výroby a poslední čas, kdy byly hodiny nastaveny. S přibývajícím věkem jsou tyto hodiny přesnější.[Citace je zapotřebí ]
Je možné, aby počítačový vysoce přesný křemenný pohyb změřil jeho teplotu a přizpůsobil se jí také. Oba analogový a digitální u špičkových křemenných hodinek byla použita teplotní kompenzace. U dražších křemenných hodinek vyšší třídy může být tepelná kompenzace implementována změnou počtu cyklů, které mají být potlačeny v závislosti na výstupu z teplotního senzoru. The COSC průměrná denní sazba standard pro oficiálně certifikované křemenné chronometry COSC je ± 25,55 sekundy za rok při 23 ° C. K získání štítku chronometru COSC musí křemenný nástroj těžit z termokompenzace a důsledného zapouzdření. Každý křemenný chronometr je testován po dobu 13 dnů, v jedné poloze, při 3 různých teplotách a 4 různých úrovních relativní vlhkosti.[8] Pohyby křemene s termokompenzací, dokonce i u náramkových hodinek, mohou být přesné s přesností ± 5 až ± 25 sekund za rok a lze je použít jako námořní chronometry určit zeměpisná délka pomocí nebeská navigace.[9][10][11]
Vnější úprava
Pokud je křemenný pohyb "hodnocen" měřením jeho časových charakteristik proti a rádiové hodiny S časovým vysíláním, aby se určilo, kolik času hodinky denně získají nebo ztratí, a provedou se úpravy obvodů za účelem „regulace“ časomíry, pak bude opravený čas snadno přesný do ± 10 sekund za rok. To je více než dostačující k provedení nebeská navigace.
Stárnutí křemenného krystalu
Krystaly hodinového křemene se vyrábějí ve velmi čistém prostředí a jsou chráněny inertním prostředím s velmi vysokým vakuem v hermeticky uzavřených nádobách. Frekvence křemenného krystalu se stále může pomalu měnit v průběhu času, což způsobuje, že se frekvence v průběhu času zvyšuje nebo snižuje. Účinek stárnutí je mnohem menší než účinek kolísání frekvence způsobený změnami teploty a výrobci mohou jeho účinky odhadnout. Účinek stárnutí obecně frekvenci nakonec snižuje. Faktory, které mohou v průběhu času způsobit malý frekvenční drift, jsou úleva od napětí v montážní konstrukci, ztráta hermetického těsnění, znečištění obsažené v krystalové mřížce, absorpce vlhkosti, změny v nebo na křemenném krystalu, účinky silných rázů a vibrací, vystavení velmi vysoké teploty.[12] Stárnutí krystalů má tendenci být logaritmické, což znamená, že maximální rychlost změny frekvence nastává bezprostředně po výrobě a poté klesá. Většina stárnutí nastane během prvního roku životnosti krystalů. Krystaly nakonec zastaví stárnutí (asymptoticky), ale může to trvat mnoho let. Výrobci pohybů mohou před stárnutím krystaly před jejich sestavením do hodinových pohybů. K podpoře zrychleného stárnutí jsou krystaly vystaveny vysokým teplotám.[13] Pokud je krystal předem stárnut, může výrobce měřit jeho rychlost stárnutí (přísně koeficienty ve vzorci stárnutí) a nechat mikrokontrolér vypočítat opravy v průběhu času. Počáteční kalibrace pohybu zůstane přesná déle, pokud jsou krystaly starší. Výhoda by skončila po následné regulaci, která vynuluje všechny kumulativní chyby stárnutí na nulu. Důvodem, že dražší pohyby mají tendenci být přesnější, je to, že krystaly jsou předem stárnuty déle a jsou vybrány pro lepší výkon stárnutí. Někdy jsou pro pohybový výkon ručně vybrány předem zestárlé krystaly.[14]
Chronometry
Křemen chronometry navržené jako časové standardy často zahrnují a křišťálová trouba, aby se krystal udržoval na konstantní teplotě. Některé samy hodnotí a zahrnují „křišťálové farmy“, aby hodiny mohly trvat průměrný sady časových měření.
Dějiny
−7, zhruba 1 sekundová chyba za 4 měsíce. Čtyři přesné křemenné oscilátory 100 kHz v Úřadu pro standardy USA (nyní NIST ), který se stal prvním standardem křemenného kmitočtu ve Spojených státech v roce 1929. Udržovány v teplotně řízených pecích, aby se zabránilo driftu kmitočtu v důsledku tepelné roztažnosti nebo kontrakce velkých křemenných rezonátorů (namontovaných pod skleněnými kopulemi na horní části jednotek), kterých dosáhli přesnost 10, zhruba 1 sekundová chyba za 4 měsíce.
La Chaux-de-Fonds První švýcarské křemenné hodiny, které byly vyrobeny po druhé světové válce (vlevo), k vidění na Mezinárodní horologické muzeum
Piezoelektrické vlastnosti křemene byly objeveny Jacques a Pierre Curie v roce 1880. První křemen krystalový oscilátor byl postaven Walter G. Cady v roce 1921. V roce 1923 D. W. Dye na Národní fyzikální laboratoř v Spojené království a Warren Marrison v Bell Telephone Laboratories produkoval sekvence přesných časových signálů s křemennými oscilátory. V roce 1927 vyrobili první křemenné hodiny Warren Marrison a J. W. Horton v Bell Telephone Laboratories.[15][16] V následujících 3 desetiletích se vývoj křemenných hodin stal přesným časovým standardem v laboratorních podmínkách; objemná jemná počítací elektronika, zabudovaná do vakuové trubky, omezili jejich použití jinde. V roce 1932 byly křemenné hodiny schopny měřit malé odchylky v rychlosti rotace Země po dobu pouhých několika týdnů.[17] V Japonsku v roce 1932 Issac Koga vyvinul krystalový řez, který poskytoval oscilační frekvenci s výrazně sníženou teplotní závislostí.[18][19][20] Národní úřad pro standardy (nyní NIST ) založil časový standard USA na křemenných hodinách mezi 30. a 60. lety, poté přešel na atomové hodiny.[21] Širší využití technologie křemenných hodin muselo čekat na vývoj levných polovodič digitální logika v šedesátých letech. Revidované 14. vydání Encyklopedie Britannica[když? ] uvedl, že křemenné hodiny by pravděpodobně nikdy nebyly natolik cenově dostupné, aby se mohly používat v tuzemsku.[Citace je zapotřebí ]
První prototyp analogového křemene na světě náramkové hodinky byly odhaleny v roce 1967: Beta 1 odhalená společností Center Electronique Horloger (CEH) v Neuchâtel Švýcarsko,[22][23] a prototyp Astron odhalil Seiko v Japonsku (Seiko pracoval na křemenných hodinách od roku 1958).[22]
V prosinci 1969 Seiko vyrobila první komerční křemenné náramkové hodinky na světě, Seiko-Quartz Astron 35SQ[24] který je nyní poctěn Milník IEEE.[25] Astron měl křemenný oscilátor s frekvencí 8192 Hz a byl přesný na 0,2 sekundy denně, 5 sekund měsíčně nebo 1 minutu ročně. Astron byl vydán necelý rok před zavedením švýcarské verze Beta 21, kterou vyvinulo 16 výrobců švýcarských hodinek a kterou používají Rolex, Patek a Omega ve svých elektroquartzových modelech. Vrozená přesnost a nízké výrobní náklady vedly od té doby k rozšíření křemenných hodin a hodinek. V 80. letech převzala křemenná technologie aplikace, jako je kuchyně časovače, budíky, bankovní trezor časové zámky a čas fuzes na munici, z dřívějších mechanických vyvažovací kolo pohyby, pozdvižení známé v hodinářství jako křemenná krize.
Křemenné hodinky dominovaly náramkové hodinky a hodinový trh od 80. let. Kvůli vysoké Q faktor a nízký teplotní koeficient křemenného krystalu, jsou přesnější než nejlepší mechanické hodinky a eliminace všech pohyblivých částí je činí odolnějšími a eliminuje potřebu pravidelné údržby.
Na zdi viseli křemenné hodiny
V roce 2014 byly k dispozici komerční analogové a digitální nástěnné hodiny, které využívají křemenný oscilátor s dvojitou troubou, s přesností na 0,2ppb. Tyto hodiny jsou továrně synchronizovány s atomovým časovým standardem a po dobu životnosti hodin obvykle nevyžadují žádné další časové úpravy.[Citace je zapotřebí ]
Viz také
Reference
12. 04. 2021
Není žádným tajemstvím, že „srdcem“ hodinek je jejich mechanismus, na kterém závisí přesnost hodinek, proto věnujte zvláštní pozornost kvalitě montáže a spolehlivosti mechanismu. Existují dvě kategorie moderních pohybů: mechanické a křemenné. Mechanické vyžadují pravidelné vinutí. Některé modely jsou vybaveny funkcí automatického natahování, díky níž každý pohyb ruky hodinky „nabíjí“. Pohyby křemene jsou napájeny baterií, její nabití zajišťuje pohyb po dobu 2-3 let.
Balance
Balance je zařízení, které reguluje pohyb hodinového mechanismu. Regulační část se skládá z kyvadla a jeho pružiny. Prodloužením a smrštěním vyrovnávací pružiny se kyvadlo pohybuje rychleji nebo pomaleji. A tento pohyb ze strany na stranu se nazývá zakolísání.
Systém kol
Mechanismus má své vlastní malé mechanismy neboli převodovky, které dávají hodinky do pohybu jemnými otřesy. Přenášejí energii do ovladače, který měří čas pomocí pulzů.
Spouštěcí mechanismus
Toto zařízení řídí mechanické i elektrické impulsy, měří a rozděluje zdvih na stejné části.
Motor
Mechanismus, který přijímá energii ze systému kol a únik se nazývá motor, distribuuje energii a otáčí šipky.
Hnací síla
Hnací síla je hlavní hnací silou, zdrojem energie mechanických hodinek, které slouží k napájení pohybu. Pružina je navinuta buď ručně (pomocí korunky) nebo automaticky (samonavíjením) díky pohybu ruky. Když jsou hodinky navinuty, pružina je zkroucená, veškerá energie je soustředěna v nich. Když se roztočí, uvolní se energie, tlačí pružina, která uvádí buben do pohybu; to zase spustí regulátor a motor hodinek, který pohybuje rukou na číselníku.
Shrnutí
Čas na hodinkách se zobrazuje díky interakci tří důležitých prvků - číselníku, hodinového strojku a zdroje energie. Napájení může být elektronické nebo mechanické. Moderní hodinky mohou mít dva typy hodinek: mechanické a křemenné. Níže je uveden popis práce obou mechanismů.
Samonatahovací mechanické hodinky
Mechanické hodinky obsahují velké množství detailů. Průběh času se počítá otřesy systému kol, které se uvedou do pohybu pomocí pružiny. Mechanismus hodinek se automaticky natahuje, když se ruka pohybuje. Systém kol poté přenáší energii do regulátoru a kyvadlo začíná oscilovat. Balance je odpovědný za uspořádání pohybu mechanismu a roztažení a stlačení spirálové pružiny zajišťuje její oscilaci. Mechanismus, který přijímá a transformuje energii, se nazývá motor, je to on, kdo šípy otáčí.
Křemenné hodinky
Křemenné hodinky jsou série interagujících částí, které jsou na malém diagramu. Na rozdíl od mechanických hodinek jsou křemenné hodinky napájeny z baterie. Baterie přenáší elektrickou energii do rotoru za účelem generování elektrického proudu. Přesné časování zajišťuje proud protékající magnetickými cívkami a křemenný krystal vibrující při vysokých frekvencích (32 768krát za sekundu). Takové impulsy procházejí „motorem“, který přeměňuje elektrickou energii na energii mechanickou, která je nezbytná pro pohyb rukou na číselníku.
Dnes je většina vyráběných hodinek křemenná. Možná chyba zdvihu je 1 minuta ročně, baterie se musí měnit nejvýše jednou za dva až tři roky. Ciferník může být elektronický, analogový nebo kombinovaný.
Hlavní
Pro jasné pochopení si pamatujme - co je v autě nejdůležitější? Zná to asi každý: hlavní věcí je motor! Plus samozřejmě palivo, kterým se motor živí. A plus převodovka, kterou motor pohání, a ta tento pohyb převádí na otáčení kol. V hodinách je vše v zásadě stejné! A také v krystalech křemene: baterie hraje roli paliva (zpravidla typu „pilulka“), role motoru je křemenný krystal, role převodovky je krokový motor, který přímo vytváří šipky se pohybují.
Baterie tedy dodává křemennému krystalu konstantní proud. V 80. letech XNUMX. století objevil Pierre Curie piezoelektrický efekt: když se krystal deformuje, generuje se elektřina. A naopak: když je krystal vystaven elektřině, deformuje se a vibruje. Navíc to dělá s přesně definovanou frekvencí, takzvanou vlastní frekvencí.
Při výrobě krystalů křemen (ano, průmysl používá uměle pěstovaný, syntetizovaný křemen) jsou naladěni na jednu nebo jinou frekvenci. Je velmi stabilní a o mnoho řádů vyšší než frekvence vibrací čistě mechanických systémů. V drtivé většině moderních křemenných hodinek je to 32768 50 hertzů! Připomeňme, že například frekvence střídavého proudu v domácích elektrických sítích je pouze XNUMX hertzů ...
Proč je to na první pohled podivné číslo - 32768? Ukazuje se to z jednoduchého důvodu: je to 15 až 14. Stupeň mohl být jiný - 16., 15. atd., To není tak důležité. To dva jsou zásadní, protože do hry vstupuje náš „převod“ - krokový motor. Před přenesením pohybu do ručiček hodin on, dělící počáteční frekvenci dvěma, opět dvěma, a tak XNUMXkrát, sníží ji na jeden hertz, v důsledku čehož sekundová ruka „skočí“ přesně jednou za sekundu.
To je ve skutečnosti všechno naše „hlavní“.
