Текст книги "Часы. От гномона до атомных часов"

Автор книги: Станислав Михаль

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)

Электрические хроноскопы и хронографы

Эксперименты с созданием первых электрических хроноскопов и хронографов начались в то же время, когда Бэйн и Гипп начали строить свои электромеханические часы. В 1840 г. Чарлз Уитстон вместе с Соутом и Пардэем построили электромагнитный кнопочный хроноскоп, управляемый электрическим сигналом, подаваемым с места регистрируемого события. Через два года после этого Уитстон испробовал свой усовершенствованный электрический хроноскоп в Кэмпденн Хилл Обсерватри для измерения скорости выстреленного снаряда и при свободном падении тел. Его хроноскоп работал тогда с точностью в 1/6 с.

Построением электрического хроноскопа занимался также и Л.Ф.Ц. Бреге – внук А.Л. Бреге. В 1844 г. он даже обеспечил свой приоритет в строительстве электромагнитных часов. На основе опыта хроноскопа Бреге Гипп построил через несколько лет новый прибор с невиданной дотоле разрешающей способностью в 0,001 с. В 1849 г. в обсерватории в Вашингтоне был впервые установлен хронограф с регистрацией прохождения звезд на подвижной регистрационной ленте или на вращающемся барабане. Временные отметки в секундах наносились на график электроконтактной системой от точных часов. Этот же принцип был значительно позднее использован в астрономической обсерватории Гринвич в Англии. Здесь Эйри построил в 1856 г. большой хронограф с коническим маятником, в задачу которого входило управление вращением регистрирующего цилиндра. Германская фирма «Сименс» попользовала для этого метод электроискровых записей знаков времени. Одним из самых удачных хронографов, особенно подходящим для измерения скорости выстреленных снарядов, был хронограф, изобретенный в 1865 г. Ф. Бешфортом. Большим достоинством этого прибора было наличие свободно вращающегося регистрационного барабана. Во второй половине прошлого века возникла серия других конструкций хронографов.

Электрические и электронные наручные часы

В 1952 г. появились в специальной печати сообщения, что фирмы «Лип-Безансон» во Франции и «Элджин Уотч Компани» в США начали работать над производством электрических наручных часов. Однако прошло еще целых 12 лет, прежде чем первые типы этих часов появились на рынке. Главной причиной такой задержки было отсутствие миниатюрных источников электроэнергии. Замена пружины энергией гальванического элемента тоже была связана с большими проблемами. Первые электрические элементы были крупногабаритными и обладали малой емкостью. Чтобы справиться с этим препятствием, часовые фирмы стали изыскивать различные пути. Фирма «Дойтче Урен-Роверке» в Пфор-шхайме разместила, например, гальванический элемент в браслете часов, а фабрика братьев Юнгханс в Шрамберге выбрала для этой цели просторный корпус часов декоративной формы. Некоторые французские и швейцарские часовые фирмы размещали микробатареи в крышках под часовым механизмом или же ухитрялись размещать их в самом механизме. Однако во всех случаях батарея увеличивала размер часов и их вес по сравнению с пружинным приводом.

Рис. 36. Схема электронных наручных часов с диодным выпрямителем

Примерно около 1960 г. многие французские часовые фирмы стали работать над идеей замены гальванического элемента маленьким аккумулятором с большим количеством зарядных циклов. Леон Хато в Париже встроил в электрические наручные часы маленький аккумулятор с диодным выпрямителем (рис. 36), который имел лишь вторичную обмотку трансформатора для зарядки от сети. Первичная обмотка, присоединяемая к сети, находилась в отдельном штативе, в который часы вкладывались при дозарядке аккумулятора. По несколько более сложному пути решения этой же проблемы пошла фирма «Эбош С.А.» в Невшателе. Она разместила в крышке футляра маленький аккумулятор, который заряжался током от полуторавольтовой карманной батареи через привод, идущий в полости кнопки для управления стрелками.

Технически оба способа дозарядки аккумуляторов этих часов осуществимы, но они были весьма неудобны. Попытка упрощения этих способов запатентована упомянутой выше фирмой «Дойтче Урен-Роверке»: 12 кремниевых солнечных элементов были расположены последовательно вместо цифр непосредственно на циферблате. Для получения электроэнергии, необходимой для питания этих часов в течение целых суток, достаточно было подержать эти часы несколько минут в сутки под действием интенсивного дневного света.

Другой способ, заимствованный у автоматического заводного механизма механических часов, заключался в том, что в футляр часов встраивался маленький генератор электрического тока. Это маленькое динамо вырабатывало электроэнергию, разумеется, лишь при движении прибора на руке и при этом заряжало миниатюрный аккумулятор.

Все эти уже на первый взгляд довольно сложные пути выработки и аккумулирования электрической энергии имели свои обоснования в период начинающегося развития миниатюрных электрических часов, когда эффективность их основных систем была по сравнению с нынешними пренебрежимо малой.

При анализе работы механических часов мы указали, что зубчатый механизм передает значительную энергию груза или пружины. Поэтому колеса тех часов находились друг с другом в постоянном зацеплении, а постоянное давление в опорах вызывало значительное трение, что вело к изнашиванию соприкасающихся поверхностей. У электрических и электронных часов роль передаточного механизма аналогична, но в отличие от механических часов они передают лишь показание времени, а не усилие пружины. Таким образом, зубчатые колеса и опоры в электрических и электронных часах испытывают значительно меньшую нагрузку, а потому обладают значительно большим сроком службы.

Итак, электрические или электронные часы. Пора выяснить различие между этими двумя типами часов. У электрических часов дозировкой энергии, необходимой для их хода, управляет электрический контакт механического типа. Передаточный механизм является простым механическим редуктором, осциллятором в обычных случаях бывает баланс. Переход от электрических часов на электронные характеризуется заменой сравнительно мало надежного электрического контакта электронным полупроводниковым элементом – транзистором. Функции остальных элементов электрических и электронных часов с балансовыми осцилляторами, по существу, аналогичны.

Важным и притом весьма чувствительным элементом каждых электрических часов является контактный механизм, отпирающий и прерывающий электрическую импульсную сеть. При отпирании этой цепи начинает проходить ток через катушку и в ней и вокруг нее возникает магнитное поле. Если это поле своими силовыми линиями пересекает ферромагнитное ярмо на балансе, то возникает силовой импульс, необходимый для поддержания постоянной амплитуды осциллятора. Импульсная система должна иметь либо стационарную катушку и ферромагнитное ярмо на осцилляторе, либо, наоборот, обмотка катушки должна быть закреплена на балансе, а ферромагнитное ярмо должно быть неподвижным. Во втором случае волосок баланса выполняет двоякую функцию: он действует, создает, как в механических часах, возвращающий момент и одновременно соединяет электрически катушку с Другими элементами электрической схемы часов. Ярмом бывает постоянный магнит, чаще всего ферритовый. Его собственное магнитное поле складывается с полем катушки, в результате чего возникает притягивающая или отталкивающая сила. Импульсный характер этой силы достигается кратковременным переключением контактов.

Недостатки электрических контактных схем в часовом деле совершенно ясны. Поэтому уже вскоре после 1950 г. стали проделывать многочисленные эксперименты по бесконтактному управлению балансовыми осцилляторами в малогабаритных часах. Удовлетворительным решением явилось только применение полупроводниковой техники, при которой транзистор полностью заменил несовершенное и ненадежное механическое контактное устройство.

С начала первых экспериментов возникла обширная серия типов электрических и электронных схем поддержания колебаний балансовых осцилляторов. По способу передачи энергии от источника на осциллятор можно подразделить эти системы на две основные группы, а именно системы с электродинамическим приводом и системы с электромеханическим приводом. Электродинамический принцип успешно использован для стационарных электрических часов еще в конце прошлого века[19]19
  Здесь речь идет о магнитоэлектрической и электромагнитной системах привода. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть]. Для наручных часов эту систему впервые использовала в 1957 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани», а теперь эту систему можно видеть в часах марки «Рула», «Таймекс», «Лейчер» и т.д. Электромагнитный привод отличается от электродинамического тем, что его катушка содержит ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитные силовые линии. Ярмо же изготовляется из магнитного мягкого материала. Электродинамическим системам часто отдают предпочтение потому, что они меньше поддаются вредным влияниям посторонних магнитных полей.

Электронные схемы современных балансовых наручных часов имеют много вариантов, но все они выполняют роль того или иного электронного ключа.

Интересное решение предложила известная электротехническая фирма «Филиппе» в Эйдховене, Голландия. Излучение небольшого количества радиоактивного вещества, нанесенного на баланс, воспринимает особый миниатюрный встроенный приемник, который трансформирует это излучение в электроэнергию, приводящую в действие балансовый осциллятор непосредственно через транзисторный усилитель.

Не менее интересный принцип, основанный на магнитострикционном явлении, использовала швейцарская фирма «Баэни Сосайте Аноним». Под магнитострикцией понимается изменение размеров ферромагнитного вещества (в данном случае волоска часов) в результате намагничивания его. Под действием магнитного поля изменяется кривизна волоска и происходит угловой поворот его витков, придающий силовой импульс балансу. Однако магнитострикционные материалы имеют весьма неустойчивый модуль упругости, что вызывает колебания возвращающей силы волоска, сопровождающиеся значительным изменением продолжительности времени колебания баланса.

Трудности со стабилизацией амплитуды привели к попыткам заменить волосковые осцилляторы крутильными осцилляторами, где обычный волосок заменили две несущие цилиндрические витые пружины. Опоры оси баланса здесь, собственно говоря, отпадают, и для них остается второстепенная роль предохранителя при резких сокращениях и ударах. В некоторых случаях удалось вместо цилиндрических витых пружин использовать торсионные пластины формы V, Y или X.

Электронные часы с механическим камертонным осциллятором

В 1961 г. американская фирма «Булова Уотч Компани» выпустила на рынок новый тип наручных часов марки «Аккутрон», решение которых вышло за рамки концепций ранее выпускавшихся электрических и электронных систем сразу в нескольких отношениях. Эти часы имели совершенно новый осциллятор в виде маленького камертона с длиной 25 мм. Частота камертона 360 Гц была для часовых осцилляторов того времени необычно высокой. Постоянство частоты поддерживалось электронной схемой, видной по рис. 37.

Рис. 37. Схема электронных часов с камертонным осциллятором: 1 – постоянные магниты, 2 – катушка привода, 3 – вспомогательная катушка для обратной связи, 4 – конденсатор, 5 – сопротивление для настройки рабочей точки, 6 – источник, 7 – толкатель, 8 – храповое колесо, 9 – фиксатор

Обе консоли камертона имели встроенные постоянные магниты. Работу этих часов можно описать следующим образом: при прохождении тока через катушку привода попеременно притягиваются и отталкиваются несущие втулки магнитов из мягкого железа. При колебании ветвей камертона в катушке возникает переменный ток, который передает камертону импульсы в те моменты, когда сила притяжения или отталкивания магнитов действует в фазе с колебаниями камертона. Синхронизацию обеспечивает вспомогательная обмотка на одной из двух катушек[20]20
  Явление синхронизации здесь не имеет места, обмотка одной из катушек раздвоена для обеспечения симметрии привода камертона. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть]. Главный контур тока образуется обмоткой этой катушки, а другая катушка соединена последовательно. Вторичный контур со вспомогательной синхронизационной обмоткой и элементом RC соединен с главным контуром транзистором. Питание обоих контуров обеспечивается миниатюрным ртутным элементом напряжением 1,3 В, который при потребляемой мощности в 8 мкВт способен обеспечивать работу часов в течение целого года.

Точность этих часов примерно на порядок, почти в 10 раз больше, чем точность прежних высококачественных наручных часов. Погрешность часов составляет около ±1 мин в месяц.

Изобретателем «Аккутрона» был швейцарец Макс Хетцель. В сотрудничестве с американцем В.О. Беннетом нью-йоркская фирма «Булова Уотч Компани» стала производить эти часы серийно. В настоящее время часы «Аккутрон» производит по лицензии и ряд других фирм под названием «Юнисоник 52», «Электроник F 300», «WIC Электроник» и т.д.[21]21
  Последние 5-7 лет эти часы не производятся. Они уступили место более точным кварцевым часам. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть]

Электрические часы с кварцевым осциллятором

В 1933-1934 гг. физики Шайбе и Адельсбергер из тогдашнего Имперского физико-технического института в Берлине занялись возможностями использования пьезоэлектрического эффекта для измерения времени. Однако они не были первыми в этой области. Еще за несколько лет до этого, в 1927 г., Гортон и Маррисон в США добились первых положительных результатов в создании кварцевых осцилляторов, первоначально разработанных ими для измерения частоты радиоволн.

Кристаллы некоторых веществ – кварца, сегнетовой соли, турмалина и т.п., – отшлифованные надлежащим способом, приобретают при механическом сжатии на их концевых поверхностях электрический заряд. Этот так называемый пьезоэлектрический эффект имеет двусторонний характер, т.е. при подаче электрического заряда на эти поверхности кристалла происходит, наоборот, его сжатие.

Пьезоэлектрические кристаллы применялись уже с 1922 г. в телеграфии и в радиовещании для управления высокочастотными переменными электромагнитными полями так, чтобы длина передаваемых волн оставалась постоянной. Однако полное использование пьезоэлектрических свойств кристалла кварца было достигнуто лишь после второй мировой войны, когда в экспериментальных лабораториях возникли первые кристаллические часы, надежные в эксплуатации и предназначенные для научных астрономических лабораторий и их лабораторий времени.

Развитие электроники, главным образом применение интегральных схем, открыло путь к использованию кварцевого кристалла и в малых наручных часах. В настоящее время производственная технология часов с осциллятором в виде кристалла кварца достигла такого уровня, что теперь уже многие зарубежные фирмы участвуют в производстве часов самых различных типов с классическим стрелочным циферблатом или с электронным цифровым индикатором. Главные функциональные элементы обеих систем, по существу, одинаковы, только у цифровых часов стрелочный механизм заменен электронным делителем частоты и дешифратором с дисплеем. Главными частями кварцевых часов, общими для часов обоих типов, являются кристаллы кварца, выполняющие функции осциллятора, и делителя частоты. Кристалл в первых кварцевых наручных часах, производившихся в 1968 г. в Швейцарии, колебался с частотой 8192 Гц. Большинство нынешних кристаллов колеблется с повсеместно установленной частотой в 32 768 Гц. Однако, несмотря на это, с точки зрения электроники и эти системы все еще сохраняют характер осцилляторов низкой частоты.

В качестве кристалла используется монокристалл натурального или синтетического кварца. Он вырезается из массы кристалла под определенным углом относительно его кристаллографических осей. Ориентация среза определяет такие важные свойства кристалла, как ход температурной зависимости, индуктивность и добротность. Кварцевый срез снабжен электродами и помещен в стеклянный или металлический корпус, заделанный холодным сварочным швом.

Возбуждение колебаний кварцевого кристалла обеспечивается однотранзисторной или двухтранзисторной схемой. Частота осциллятора, управляемого кристаллом, слишком высока, чтобы можно было ее использовать непосредственно для передачи информации о времени. Поэтому в такой системе используется многокаскадный делитель частоты, который дает секундные импульсы для электронной схемы цифрового индикатора. У часов со стрелочным индикатором сигнал от делителя частоты идет на электромеханический преобразователь. Таким преобразователем может быть камертон с колесом, который раскачивается электромагнитными импульсами катушки, или же вибрационный моторчик, образуемый катушкой, раскачивающей пружину с защелкой, которая толкает зубчики храпового колеса, соединенного со стрелочным индикатором[22]22
  В настоящее время вместо таких электродвигателей применяются исключительно микроминиатюрные шаговые двигатели. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть].

У цифровых систем электромагнитный преобразователь отпадает и заменяется электрооптической системой. Эту систему образуют два важных элемента – дешифратор и дисплей. Дешифратор преобразует кодированные сигналы делителя частоты в электрические сигналы, создающие цифровое изображение показаний времени на дисплее.

В текущей практике теперь используют семисегментные дисплеи. Отдельные сегменты состоят либо из светодиодов, либо из жидких кристаллов. Первая система обозначается в современном электронном часовом производстве символом LED (Light Emitting diodes Displau), а вторая – LCD (Liquid Crystals Displau). Диоды являются источником светового излучения, а потому показания диодных дисплеев всегда контрастны и очень хорошо читабельны независимо от того, освещаются ли они красным, зеленым или синим светом. Отрицательной стороной диодных дисплеев является сравнительно большой расход электроэнергии, колеблющийся в пределах 5 мА на сегмент. Поэтому производители наручных часов с диодными дисплеями снабжают эти часы кнопками, так что дисплеи зажигается лишь на время подачи информации о времени. В более благоприятном свете представляются жидкие кристаллы, особенно с низким рабочим напряжением в несколько вольт, которые упростили проблемы, связанные с транзисторным преобразователем и его трансформатором напряжения. Несмотря на это, значительным недостатком жидких кристаллов остается их сравнительно короткий срок службы, колеблющийся в пределах четырех-пяти лет. После этого периода приходится дисплей заменять новым. Принцип изображения данных о времени жидкими кристаллами заключается в том, что при подаче электрического напряжения на кристалл изменяется его цвет. В отличие от диодного дисплея окрашенные пластинки кристалла не светятся. Поэтому у циферблата должно иметься вспомогательное освещение, управляемое кнопкой, чтобы можно было видеть показание времени и в темноте.

Развитие последних лет говорит, однако, о том, что недостатки дисплеев типа светодиода и жидких кристаллов будут вскоре полностью преодолены более совершенными системами. Одной из первых, не весьма удачных таких систем был дисплей, комбинированный из дисплеев ЛЭД и ЛСД, использованный в часах «Лонжин Жемини». При недостаточном освещении можно было нажать кнопку и привести в действие светящийся дисплей ЛЭД, а в остальных случаях можно видеть показания времени непосредственно ЛСД. В 1977 г. американская фирма ISaA выпустила на рынок часы «Сенсор Лазер 440 Диджитал» в виде так называемого дисплея СДР (CDR – Crystal Diffusion Reflection). Эти часы имеют собственный автоматический источник освещения в виде стеклянной запаянной ампулки, заполненной фосфором и тритием. В случае падения интенсивности света тритий четко освещает дисплей. Расход энергии здесь падает до 0,0001 расхода энергии у дисплея типа ЛЭД (светодиода), что, конечно, приводит к многократному увеличению срока службы батареи.

Наряду с цифровыми дисплеями встречаются в электронных часах и другие электрооптические индикаторы времени. Принцип одного из них состоит в том, что циферблат сохраняет свою классическую круглую форму, но не имеет ни цифр, ни стрелок, а индикатором являются 72 точки, расположенные на двух концентрических круглых шкалах. На 60 точках внешней шкалы изображаются секунды и минуты, а на 12 точках внутренней шкалы указываются часы. Зажигание и потухание отдельных точек внешней шкалы проходит через секундные интервалы, причем индикации секунд отличаются от индикации минут лишь скоростью движущейся световой точки. Точками индикатора обеих шкал могут быть светодиоды или жидкие кристаллы. Представляется, что в отличие от цифрового дисплея этот циферблат несколько менее нагляден. Однако его изобразительная система связана с очень малым расходом энергии, а с точки зрения дальнейшего развития он интересен тем, что представляет собой переход от стрелочного индикатора к электронному псевдострелочному.

В последнее время происходит дальнейшая миниатюризация схем, при которой кварцевый осциллятор проникает и в существенно меньшие по размеру женские наручные часы. Малые размеры таких приборов поставили их конструкторов перед рядом проблем. Проблему объема решили интегральные схемы, которые заменяют сложные схемы, состоящие из нескольких сот транзисторов. Вопрос о хорошей читаемости индикации времени на маленьком дисплее женских наручных часов решила фирма «Хьюгс Эйкрафт Компани», например, тем, что для своих кристаллических часов с осциллятором, колеблющимся на необычайно высокой частоте в 768 кГц, она ввела новый способ индикации времени, при котором через секундные интервалы сначала указываются часы, а затем минуты.

О проблемах миниатюрных источников питания уже говорилось. В настоящее время используют для питания наручных электронных часов маленькие ртутные элементы, например типа «Мэллори», с напряжением 1,35 В или серебряноокисные элементы с напряжением 1,5 и до 1,75 В. При потреблении тока в пределах от 5 до 20 мкА и емкости от 100 до 200 мА·ч их срок службы колеблется в пределах одного года и больше. Новым и безусловно перспективным решением является внедрение солнечных микробатарей с большим сроком службы. Если такую батарею подвергнуть в течение нескольких минут воздействию солнечного или даже искусственного освещения, то этого достаточно для восполнения электрической энергии, нужной для работы этих часов в течение суток.

Переход на более высокую частоту осциллятора, управляемого кристаллом кварца, сказывается на повышении точности хода часов. Хорошие наручные часы с кварцевым осциллятором работают теперь с годовой ошибкой, не превышающей 1 мин. Однако более быстрому коммерческому распространению таких часов мешает пока что сравнительно высокая стоимость интегральных схем.

На современных мировых рынках имеются теперь наручные часы с осциллятором, управляемым кристаллом кварца обоих типов, т.е. ЛЭД и ЛСД. Такие часы производят в настоящее время многие фирмы. К наиболее известным часам этого типа относятся, например, швейцарские часы «Лонжин S 776» (ЛСД), работающие с точностью ±0,3 с/сутки, выпущенные на рынок еще в 1975 г. Более дешевые типы цифровых кристаллических часов обоих видов со средней точностью в ±0,5 с/сутки производит швейцарская фирма SGT. Более же дорогие часы – это цифровые часы марки «Арнекскварц» (ЛЭД) американского производства с точностью ±0,1 с/сутки, причем эти часы указывают час, минуты, секунды, месяц и день. Весьма сложные наручные часы производит японская фирма «Сейко-Хаттори», тесно сотрудничающая с американской фирмой «Макдоннелл Дуглас Астронавтикз Компани». Ее наручные часы серийного производства – хронограф системы ЛСД, указывающий все обычные данные времени, – можно нажатием кнопки превратить в технические или спортивные часы, с помощью которых можно измерять два происходящих независимо друг от друга процесса с любым количеством промежуточных индикаций времени.

В чехословацких магазинах кристаллические наручные часы впервые появились в начале 1976 г. Первыми из них были часы «Мондейн Диджи Кварц» (ЛЭД), затем последовали часы «Цертина Диджи Кварц» (ЛСД) (рис. 38а) и «Рондо Кварц» (рис. 38б) с классическим циферблатом с указанием даты, с центральной секундной стрелкой. Все эти часы швейцарского производства работают с точностью ±1 с/сутки.

Человеческая фантазия, стимулируемая коммерческими интересами производителей и острой конкурентной борьбой на мировых рынках, вынуждает конструкторов разрабатывать все более сложные приборы многоцелевого назначения. Эти обстоятельства привели в последнее время и к производству кварцевых наручных часов, сочетающихся с другими измерительными приборами или с электронной миниатюрной вычислительной машиной, со сложными интегральными схемами, заменяющими работу нескольких тысяч транзисторов.