kvartsklokke

En kvartsur er en elektro-mekanisk eller fullt ut elektronisk klokke hvis takt (som tidsstandard ) som klokken krystall trent kvarts-krystall er. I tillegg til kvartsklokker med urskive eller numerisk display, er det de uten skjerm, som i datasystemer vanligvis sender ut informasjon om tiden som et elektrisk signal og blir referert til som sanntidsklokker . Bevegelsen til et elektronisk kvartsur kalles en kvartsbevegelse . Mange klokkeprodusenter bruker den engelske stavemåten "Quartz".

Tidlig kvarts vekkerklokke med urskive

Fysisk-teknisk bakgrunn

Nærbilde av en stemningsgaffelformet urkvarts uten etui

Kvarts er et piezoelektrisk materiale: mekaniske deformasjoner skaper et elektrisk felt, og eksterne elektriske felt forårsaker mekaniske deformasjoner. Oscillerende krystaller er derfor komponenter som er i stand til elektromekaniske resonansoscillasjoner. De holder den nominelle frekvensen innenfor svært lave relative feilgrenser (typ .: 10 −5 ≈ 1 s per dag) og er derfor egnet som presise klokkegeneratorer i klokker. Resonansfrekvensen til en krystallblokk på noen få millimeter i størrelse, som lett passer inn i en standard urkasse, er veldig høy med dette harde materialet, nemlig i megahertz-området. Imidlertid er slike høye frekvenser uhåndterlige for klokker.

På grunn av sin innstillingsgaffeldesign har urkrystaller blitt utviklet med lav frekvens for krystaller av deres størrelse som standardfrekvensen på 32 768 Hz, hvorfra en andre puls kan utledes ved å dele frekvensen med 2 15 . 15 T-flip-flops koblet i serie , som halverer frekvensen, brukes til delingen. Kvartsfrekvensen er et kompromiss, ettersom strømforbruket til flip-flops er proporsjonalt med frekvensen, dvs. det reduseres mot en lavere frekvens, slik at klokkens batteri kan levere strøm i lang tid. Videre er strukturen optimalisert for en minimumstemperaturkoeffisient i arbeidsområdet på 25 ... 28 ° C, ved at frekvensen i dette området bare når et maksimum.

Den andre pulsen driver enten en Lavet trinnmotor eller en elektrisk balansoscillator i et mekanisk urverk eller setter tempoet for en elektronisk krets . Den skjerm er gjort med mekaniske pekere, flytende krystallskjermer (LCD) eller lysemitterende dioder (LED).

konstruksjon

Baksiden av et armbåndsur.
Under: klokke kvarts til høyre, knappecelle (batteri) til venstre.
Over: på høyre oscillator og klokkedeler (under svart tetning), til venstre spolen til Lavet trinnmotor med rød emaljert ledning for å kjøre hendene.
Kvarts bevegelse; gjenkjennelig med klokken: spolen til trinnmotoren Lavet og kvartsoscillatoren

Hovedkomponentene til et kvartsur er en klokkegenerator basert på kvartssvingninger, elektronikk for behandling av klokker og brukerinnganger, en skjermdel for visning av tidsinformasjon og, hvis aktuelt, driftsstatus for klokken og en strømforsyning.

I stedet for et mekanisk pendel eller balanseringshjul drevet av vekter eller fjærer, brukes følgende energikilder :

Kvartsklokker - akkurat som mekaniske klokker - kan ha forskjellige "komplikasjoner" , slik at for eksempel armbåndsur har flere hender og kan vise dato, kronograf , evigvarende kalender , månefase , to vekkerklokker, nedtidsur og en andre tidssone. (24-timers visning).

Nøyaktighet

Kvartsur med temperaturkompensasjon "Twin Quartz", 1979

Kvartsklokker med klokkekvarts med vanlig svingningsfrekvens på 32 768 (2 15 ) Hz kan normalt ha en klokkefrekvens (progressivt avvik) på ± 60 sekunder per år (hastighetsavvik: ± 2 ppm) til ± 30 sekunder per måned ( hastighetsavvik: ± 10 ppm) å ha. Siden disse avvikene akkumuleres over tid, må et kvartsur av og til justeres i henhold til tidspunktet for en mer presis klokke eller en tidsmelding i radioen.

Hastighetsavvik for et kvartsur kan minimeres ved å:

Krystaller og klokker med høy presisjon (1 ... 50 ppb):

  • For aldring av kvartset
  • Drift i en varmeovn ved konstant temperatur (Ovnstyrt krystalloscillator (OCXO)). Varme ovner er nå miniatyrisert med volum på mindre enn 0,1 cm 3 til noen få cm 3 .

Ytterligere tiltak:

  • utdatert: finjustering av frekvens ved hjelp av en trimningskondensator ,
  • Finjustering ved hjelp av digital kalibrering (inhiberingskompensasjon), krystallene vibrerer litt for raskt. B. å bli ignorert på slutten av et minutt.
  • temperaturkompensert design, både analog (kompensasjonskrets) og digital mulig (temperaturavhengig inhiberingskompensasjon)
  • Tilkobling til radioklokker som synkroniseres daglig eller hver time via radio (i Midt-Europa mottak av tidssenderen DCF77 ) med den koordinerte verdenstiden , eller til andre klokker via USB , Bluetooth eller Internett og synkronisering med mer presise klokker. Mange bærbare enheter synkroniserer seg til PC-tiden når de er koblet til PC-en, PC-er for deres del kan synkronisere seg med Internett- tidsservere via NTP .

historie

Tekniske krav

Kvartsuret ble utviklet i forbindelse med høyfrekvent forskning som startet under første verdenskrig. På 1920-tallet ble enheter opprettet for å generere og kontrollere overføringsfrekvensene for de raskt økende radiostasjonene. Siden frekvens er definert som den resiproke verdi av den periode , kan teknikken med kvarts-stabiliserte normal frekvensgeneratorer også bli brukt for konstruksjon av de første kvartsur.

Forutsetningene for utvikling av kvartsklokker var:

  • oppdagelsen av piezoelektrisitet av Jacques og Pierre Curie i 1880.
  • Elektroniske kretser for å spenne kvarts og stabilisere en oscillerende krets, utviklet av Walter Guyton Cady i 1920 og 1921, samt forenkling av kretsen av George W. Pierce og RL Miller i 1922. Pierce-Miller-kretsen er den mest utbredte type en til i dag piezoelektrisk krets.
  • Utgangsenheter for andre syklus. Frekvensdelere og høyhastighets synkronmotorer måtte utvikles for dette.

Den banebrytende fasen opp til andre verdenskrig

Nasjonal frekvensstandard i USA 1929, bestående av fire oppvarmede krystalloscillatorer ved Bell Laboratories

13. oktober 1927 presenterte Joseph W. Horton og Warren Alvin Marrison fra Bell Laboratories i New York den første kvartsuret på konferansen for International Union of Scientific Radio Telegraphy. En oscillerende krystall med en resonansfrekvens på 50  kHz styrte en elektronisk oscillerende krets der vekselstrøm drev en liten synkron motor med en pekemekanisme.

En gruppe på fire videreutviklede krystalloscillatorer fra Bell Laboratories fungerte som den nasjonale frekvensstandarden i USA i 1929, som vist i figuren ved siden av. For å minimere eksterne temperatursvingninger og dermed termisk induserte svingninger i oscillatorens nøyaktighet, ble de fire kvartsoscillatorene holdt ved en konstant temperatur i oppvarmede skap. Oppvarmede kvartsoscillatorer som kvartsovn ( engelsk ovnstyrt krystalloscillator OCXO heretter), og takket være en genial metode for sammenligning av oscillatorer med hverandre, var National Bureau of Standards normfrekvensen med en nøyaktighet på 1 × 10-7 spesifiserte.

I 1928 tilbød General Radio fra Cambridge (MA) en standard frekvensstandard som var utstyrt med en synkron klokke fra fabrikken. Denne elektroniske enheten ble bare brukt i enestående tilfeller, men mest som en måleinstrument for vitenskapelige eksperimenter. Skiven ble bare sjelden brukt som en tidspresisjon med høy presisjon, men vanligvis som et grensesnitt for kalibrering av standardfrekvensen ved å sammenligne den med det offisielle tidssignalet.

I de påfølgende to tiårene ble kvartsklokken videreutviklet som en laboratorieenhet. Viktige milepæler i definisjonen av nasjonale standarder for tid og frekvens ble satt i Tyskland og England. Men andre land som Italia, Japan eller Nederland har også markert seg i den videre utviklingen av kvartsursteknologi siden 1920-tallet.

Fra 1932 og utover bygde Adolf Scheibe og Udo Adelsberger en serie kvartsklokker i forskjellige design ved Physikalisch-Technische Reichsanstalt i Berlin. I 1935 var de i stand til å forbedre den gjennomsnittlige daglige hastighetsfeilen til ± 0,002 sekunder ved å bruke en oscillator med omtrent 60 kHz (etter frekvensdeling, driv av synkronmotoren med 333 Hz), hvis temperatur ble holdt konstant opp til 0,001 ° C. Samme år lyktes Scheibe og Adelsberger å bruke en av disse klokkene for å bevise at jordens rotasjon er utsatt for både sesongmessige og kortsiktige svingninger . For første gang var en menneskeskapt klokke mer nøyaktig enn den forrige referansen for tidsmåling, jordens rotasjon.

Kvartsurene med ringformet kvarts designet av Louis Essen ved National Physical Laboratory fra 1938 og fremover setter også nye standarder. På begynnelsen av 1940-tallet hadde Storbritannia det største nettverket av kvartsklokker i verden.

Den første kommersielt tilgjengelige kvartsuret for industri og vitenskap ble utviklet av Physikalisch-Technische Entwicklungslabor Dr. Rohde og Dr. Schwarz (i dag: Rohde & Schwarz ) utviklet seg i München. CFQ-kvartsuret, som dyktig omgått det ufattelige med tidlig ventilelektronikk med en patentert kombinasjon av kvartsoscillator og tuninggaffel, kom på markedet i 1938. På grunn av sin presisjon og pålitelighet ble to klokker av denne typen brukt i den tyske tidstjenesten fra oktober 1939. De ble inkludert i beregningen av standardtiden og fungerte også som en kontrollenhet for tidssignalet.

Etterkrigs kvartsklokker

I perioden etter 1945 erstattet kvartsklokker presisjonspendelklokker over hele linja som den industrielle og vitenskapelige standarden. De beste enhetene oppnådde i mellomtiden en nøyaktighet på 1 · 10 −9 .

Patek Philippe Chronotome. Første bærbare batterikvartsur produsert i liten serie, fra 1960

Innsatsen for å miniatyrisere kvartsklokker skal vise seg å være spesielt viktig. Under andre verdenskrig var det allerede gjort forsøk på å utvikle bærbare kvartsklokker på Borg-Gibbs Laboratory i USA og på Rohde & Schwarz i Tyskland. Disse mislyktes imidlertid på grunn av det overdrevne strømforbruket til rørelektronikken. Først på slutten av 1950-tallet klarte produsenten av Genève-klokker Patek Philippe å produsere sine første bærbare kvartsklokker takket være halvlederteknologi, innovative synkronmotorer og pålitelige batterier. I likhet med batteridrevne kvartsklokker fra andre klokkefabrikker ( Seiko eller Junghans ), var disse kvartsklokkene betydelig dyrere enn mekaniske klokker av høy kvalitet på 1960-tallet.

Kvartsklokker for alle

Prototype av et kvarts armbåndsur, modell Beta 1, Center Electronique Horloger (CEH), Sveits, 1967

Takket være mikroelektronikk var det mulig å bygge de første kvartsklokkene til massemarkedet rundt 1970. Frekvensene til kvartsoscillatorene var stort sett fortsatt under 10 kHz på dette tidspunktet. Prisen på bilklokker, veggklokker og bordklokker falt raskt. Fra midten av 1970-tallet var kvartsklokker billigere enn konvensjonelle mekaniske klokker, de var mye mer nøyaktige og stort sett vedlikeholdsfrie, bortsett fra å bytte batteri.

Litt senere begynte denne utviklingen innen armbåndsur. Kvartsuret for håndleddet ble "oppfunnet minst åtte ganger" i Sveits, Japan og USA. Rett etterpå presenterte også selskaper i Tyskland og Frankrike sine egne design.

Kvarts armbåndsur kom først inn i offentligheten i 1967 gjennom kronometerkonkurransen på observatoriet i Neuchâtel, Sveits. Det sveitsiske forskningssenteret for elektroniske klokker “Center Electronique Horloger” (CEH) og Seiko sendte inn prototyper av kvarts armbåndsur. Kvartsurene var overlegne alle andre mekaniske armbåndsur. Takket være temperaturkompensasjon oppnådde de sveitsiske kvartsklokkene enda bedre verdier enn konkurrentene fra Japan.

Seiko Astron med Cal. 35A, første kvarts armbåndsur solgt til jul 1969 i en utgave på 100 stykker

Men det burde lønne seg for Seiko at når de utviklet kvartsarmbåndsur, fulgte de konsekvent oppmerksomhet til senere masseproduksjon. I julen 1969 solgte Seiko i Tokyo den første lille serien av kvarts armbåndsur, Astron, men fremdeles til enhetsprisen på en liten bil. Med sitt banebrytende design for kvartsbevegelser la Seiko grunnlaget for japansk markedsdominans over hele verden. Innen 1972/73 hadde Seiko utviklet tre viktige teknologier som var klare for serieproduksjon, som den dag i dag karakteriserer praktisk talt hvert kvartsarmbåndsur med en analog tidsvisning: den justerbare gaffelformede, fotolitografisk produserte kvartsresonatoren, den integrerte kretsen til CMOS type og trinnmotor.

Kvartsklokker med digitale skjermer klarer seg vanligvis uten mekaniske deler. Den første solid state kvartsuret, den opprørende dyre Pulsar fra Hamilton (USA), hadde fremdeles røde tall med lysdioder (LED) i 1972. Imidlertid ble energisparende flytende krystalldisplayer (LCD) snart brukt.

Ved midten av 1970-tallet hadde prisen på kvartsklokker allerede falt under 100 DM, og den fortsatte å falle raskt. Mekaniske bevegelser var ikke lenger konkurransedyktige når det gjelder pris og kvalitet. Mange tradisjonelle urfabrikker måtte stenge i kvartskrisen på 1970- og 1980-tallet.

Rundt 1975 ble det klart at den grunnleggende strukturen til kvarts armbåndsur utviklet av Seiko ville seire. Noen år senere byttet også produsenter av store urverk til dette designet. All senere utvikling gjaldt bare ytterligere reduksjon av antall og størrelse på de enkelte delene eller tilleggsfunksjoner:

  • I 1973 lanserte Staiger CQ 2002-bevegelsen i St. Georgen (Black Forest). Takket være en 4,194,304 (2 22 ) Hz kvarts oppnår den et betydelig høyere nøyaktighetsnivå enn tidligere kvartsbevegelser for sluttbrukeren.
  • I 1974 bygde Omega i Sveits Constellation “Megaquarz” marinekronometer, et analogt kvartsarmbåndsur som har en oscillerende krets som svinger ved 2.359.296 (3 2  · 2 18 ) Hz.
  • I 1976 var Omega den første produsenten som introduserte en ny type kvartsklokke, den vanntette serien "Seamaster".
  • De første digitale klokkene med lommekalkulatorer dukket opp på midten av 1970-tallet, inkludert HP-01 fra Hewlett-Packard i 1977 , som også gjorde det mulig å beregne tider / perioder.
  • I 1980 bygde Omega "Dinosaure", den tynneste kvartsuret (1,46 mm).
  • Det første radiostyrte uret dukket opp i 1986 (samtidig fra Junghans fra Schramberg og Kundo fra St. Georgen), og i 1990 det første radiostyrte armbåndsuret fra Junghans.
  • I 1988 ble den første kvartsklokken med automatisk energiproduksjon (AGS - Automatic Generating System), senere omdøpt til "Kinetic", introdusert av Seiko (kaliber 7M22).
  • I 1998 introduserte Seiko "Ruputer", det første armbåndsuret med PDA- funksjoner ("Wrist PDA").
  • I 2005 introduserte Seiko Spring Drive som en fjæredrevet, kvartsstyrt urverk.
Kvartsklokke med tidssignalkontroll (radioklokke)

litteratur

  • Gisbert L. Brunner : Den lange veien til elektronisk presisjon. I: Klokker - Juveler - Smykker. Heft 2, 1995, s. 95-104, og Heft 3, 1995, s. 71-78.
  • Johannes Graf (red.): Kvartsrevolusjonen. 75 år med kvartsur i Tyskland. Foredrag i anledning konferansen i German Watch Museum i Furtwangen 20. og 21. august 2007, Furtwangen 2008. ISBN 3-922673-27-9 .
  • Helmut Kahlert , Richard Mühe , Gisbert L. Brunner, Christian Pfeiffer-Belli: Armbåndsur: 100 års utviklingshistorie. Callwey, München 1983; 5. utgave, ibid. 1996, ISBN 3-7667-1241-1 , s. 105-115 og 505.
  • Michael A. Lombardi: The Evolution of Time Measurement, Part 2: Quartz Clocks, i: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Vol. 14, 2011, s. 41-48.
  • Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Elektrifiseringen av armbåndsuret, München 2011. ISBN 978-3-87188-236-4 .

weblenker

Commons : Quartz Watches  - Samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Quartz watch  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ^ Helmut Kahlert, Richard Mühe, Gisbert L. Brunner, Christian-Pfeiffer-Belli: armbåndsur: 100 års utviklingshistorie. 1996, s. 505.
  2. ↑ Wolfgang Reinhold: Elektronisk kretsteknologi: Grunnleggende om analog elektronikk. Karl Hanser, 2. utgave 2017, s. 296
  3. ↑ Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Den store kvartskokeboken. Utdrag i [1] , s. 4; PDF-fil åpnet 17. april 2018
  4. ↑ Michael A. Lombardi: The Evolution of Time Measurement, Part 2: Quartz Clocks, i: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Vol. 14, 2011, s. 41–48, her s. 42.
  5. ^ Joseph W. Horton, Warren A. Marrison: Precision Determination of Frequency, i: Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 16, 1928, s. 137-154.
  6. ↑ Michael A. Lombardi: NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second, i: Measure, Vol. 2, No. 4, 2007, s. 74-89, her s. 76.
  7. ↑ http://www.ietlabs.com/pdf/GR_Experimenters/1935/GenRad_Experimenter_June_1935.pdf , s. 13.
  8. ↑ Johannes Graf: Kvartsklokker er ikke laget av kvarts. Serie kvartsklokker fra mellomkrigstiden, i: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, bind 54, 2015, s. 67–90.
  9. ^ Shaul Katzir: Forfølger frekvensstandarder og kontroll. Oppfinnelsen av kvartsklokke-teknologier, i: Annals of Science 2015, doi : 10.1080 / 00033790.2015.1008044 .
  10. ^ Horst Hassler: A. Scheibe og U. Adelsberger - fysikere og urmakere fra Tyskland. (PDF; 426 kB)
  11. ↑ Hemmeligheten bak klokken. I:  Salzburger Chronik für Stadt und Land / Salzburger Chronik / Salzburger Chronik. Tagblatt med illustrert supplement “Die Woche im Bild” / Die Woche im Bild. Illustrert underholdningstillegg til “Salzburger Chronik” / Salzburger Chronik. Dagsavis med illustrert supplement “Oesterreichische / Österreichische Woche” / Österreichische Woche / Salzburger Zeitung. Tagblatt med illustrert supplement “Austrian Week” / Salzburger Zeitung , 28. januar 1935, s. 6 (online på ANNO ).Mal: ANNO / Vedlikehold / sch
  12. ↑ Ingen dag er like lang som den andre? I:  Gratis stemmer. Tyske Carinthian State Newspaper / Free Voices. Sør-tysk-alpin dagsavis. Deutsche Kärntner Landeszeitung , 12. mai 1936, s. 2 (online på ANNO ).Mal: ANNO / Vedlikehold / fst
  13. ↑ Eduard C. Saluz: Kvartsur og presisjonstidsmåling i England og Frankrike fra 1930 til 1950, i: The Quarzrevolution. 75 år med kvartsur i Tyskland. Redigert av Johannes Graf, Furtwangen 2008, s. 40–51, om England spesielt s. 42–46.
  14. ↑ Firmahistorie: 75 år med Rohde & Schwarz
  15. ↑ Johannes Graf: Kvartsklokker er ikke laget av kvarts. Serie kvartsklokker fra mellomkrigstiden , i: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, bind 54, 2015, s. 67–90, her s. 77.
  16. ^ Marvin E. Whitney: The Ship's Chronometer, Cincinnati (OH) 1985, s. 307-310.
  17. ↑ Johannes Graf: Kvartsklokker er ikke laget av kvarts. Serie kvartsklokker fra mellomkrigstiden , i: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, bind 54, 2015, s. 67–90, her s. 83–86.
  18. ↑ Michael Schuldes: Første bærbare, batteridrevne kvartsklokke fra Patek Philippe , i: The Quarzrevolution. 75 år med kvartsur i Tyskland. Redigert av Johannes Graf, Furtwangen 2008, s. 52–61.
  19. ^ Helmut Kahlert, Richard Mühe, Gisbert L. Brunner, Christian-Pfeiffer-Belli: armbåndsur: 100 års utviklingshistorie. 1996, s. 505.
  20. ↑ Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Elektrifisering av armbåndsur , München 2011, s 99..
  21. ↑ Trueb, s. 102.
  22. ↑ Som følgende: Trueb, s. 108–111.