Die Zeitwaage

ein neues Instrument zur schnellen Uhrenkontrolle

The time balance

Measuring the deviations in seconds/day, considering a reference- and a watch (horloge) sample

Verfasser: Prof. Dr.-Ing. Gg. Keinath, Berlin

ATM Series: J154-5, March 1934

Anforderungen

Die Schnellkontrolle von Uhren soll imstande sein, den Gang der Uhr möglichst momentan nach seinem Vorzeichen anzuzeigen, ob zu schnell oder zu langsam, ohne irgendwelche Rechnungen oder Handhabungen. Die Anzeige soll auch über lange Zeiten ohne Ermüdung des Beobachters vor sich gehen, also objektiv und bei vollem Tageslicht sichtbar sein.

Bisherige Arbeitsweise

Am einfachsten ist der Vergleich  der X-Uhr mit einer Sekunden-Normaluhr unter Benutzung des Sekundenzeigers. Da man nur aus 1 s genau ablesen kann, so erfordert dieses Verfahren sehr großen Pausen, in der Regel wird nur alle 24 h abgelesen. Genauere Werte erhält man bereits, wenn man zu prüfende Uhr (im folgenden stets X-Uhr genannt) mit einer Normal-Uhr vergleicht, die die gleiche Zahl von Schwingungen ausführt. Der tägliche Gang des Normals darf nicht mehr als 1 s/Tag betragen, wenn in der Fabrikation 3..5 s/Tag gefordert werden.

Der Vergleich erfolgt mit dem sich am schnellsten bewegenden Teil der beiden Uhren, durch Beobachtungen der Schwingungen der Unruh nach Zahl und Phase.

Die akustische Kontrolle erfolgt durch Abhorchen der einzelnen Schwingungen, der Schläge beider Uhren. Die Unruh macht bei normalen Taschenuhren fünf halben, zweieinhalb volle Schwingungen. Beträgt die Gangdifferenz in 24 h 10 s, so sind das 50 halbe Schwingungen in 24 h, also etwa eine halbe Schwingung in 30 min. Obwohl das menschliche Ohr, was das Richtungshören anbelangt, außerordentlich empfindlich ist auf die Beobachtung von Zeitdifferenzen, wenn es sich um Einzelimpulse handelt, so ist doch die Beobachtung zweier Uhren sehr langwierig, wenn man auch die Koinzidenzen durch Verwendung von verschiedene Normalen mit festgelegten Gangdifferenzen auf wesentlich kürzere Zeitdifferenzen legen kann. Gibt man z.B. der „Normaluhr“ einen Gang von 60 s/Tag, so erfolgt bei genau gehender X-Uhr alle 9,6 min eine Koinzidenz. Hat die X-Uhr aber ein gang von 10 s/Tag, so erfolgen die Koinzidenzen alle 11, 5 bzw. 8,2 min. Durch das Messen dieser Koinzidenzzeiten kann man den gang bereits ziemlich genau festlegen. Immerhin bleibt aber ein solches akustisches Verfahren zeitraubend und anstrengend.

Neue Methoden

Man strebt deshalb eine optische möglichst eine objektive Beobachtung an der Stelle der akustischen an und stellt die Phaselage der Unruhschwingungen optisch dar. Man nimmt die Unruheschwingungen der beiden Uhren akustisch durch das Geräusche oder dynamisch durch die Erschütterungen auf, verwandelt sie ein Stromstösse und verstärkt diese so weit, dass man damit Lichtblitze in Leuchtröhren erzeugen kann, die man entweder selber rotieren lässt oder nur zur Beleuchtung rotierender Scheiben verwendet, um Marken hervortreten zu lassen.[1]  Dieses Verfahren mit Neonröhren gestattet außerordentlich viele Varianten, es ist aber sicher, dass man damit arbeiten kann und nach Informationen des Verfassers sind bereits Einrichtungen dieser Art in Amerika versuchsweise in Gebrauch.

Wenn man die Möglichkeiten überprüft , die an einen solchen Verfahren liegen, so ergibt sich folgendes: Der  Sollwert zwischen zwei Schlägen ist bei gewöhnlichen Taschenuhren 200 ms, der Schlag ist aber, wie wir (Bild 5) keineswegs scharf markiert, sondern er besteht aus einer größeren Zahl von Schwingungen , die von Schlag zu Schlag verschieden ausfallen. Wenn man nun eine Umdrehung des Lichtblitzes gegebenen Neon-rohres in 200 ms ausführen lässt, so dass 1 ms etwa 2 Winkelgraden entspricht, so ist das noch nicht identisch mit der erreichbaren Genauigkeit. Die Lichtmarke wird vielmehr ziemlich breit sein, 10..20 ms entsprechend, und, da sie trägheitslos ist, von Schlag zu Schlag schwanken, um 5…10 ms, bei schlechten Uhren noch mehr, und es kann nur die resultierende Bewegung vorwärts oder rückwärts verwendet werden.

Ein sehr präzis arbeitendes verfahren, das allerdings wesentlich komplizierter und teuerer ist als die unten zu beschreibende „Zeitwaage“ ist von Luckey und Holtz für das Laboratorium der Hamiliton Watch Co. Durchgebildet worden und wird dort als „Zeitmikroskop“ bezeichnet. [2] Hier wird die Unruhe unter einen Mikroskop durch Lichtblitze beleuchtet, die von einem mit einem Synchronmotor rotierenden Spiegel beleuchtet werden, der über ein Stimmgabel und ein ¼ -Sekunden-Hilfspendel von einer Riefleuhr mit einem täglichen Gang von nicht mehr als einigen hundertstel Sekunden gesteuert wird und mit dem  man sehr präzise, zeitlich abgegrenzte Lichtblitze erzeugen kann. Der Motor macht 5 Umdrehungen in der Sekunde, und man trifft die Einrichtung so, dass grade die Speiche der Unruh beleuchtet wird. Geht nun die X-Uhr vor oder nach, so wird nach längerer oder kürzerer Zeit der Lichtblitz nicht mehr genau die Speiche an dem Punkt ihrer größten Geschwindigkeit (Ruhelage) treffen. Die Verschiebung soll auf ¼ Grad genau zu beobachten sein. Ist das nach einer Minute der Fall, so entspricht es einem täglichen Gang von 0,2 Sekunden abzulesen an der Skala des Phasenschiebers.

Es erscheint sehr fraglich, ob es überhaupt möglich ist, mit Rücksicht auf die Gang-Ungenauigkeiten auch bester Uhren die Genauigkeit bei kurzer Beobachtungszeit wirklich so weit zu steigern. Nach Meinung des Verfassers wird es bei sehr genauen Uhren nötig sein, den Gang über etwas längere Zeit, vielleicht eine halbe Stunde zu registrieren, wie noch beschrieben werden wird. Das Verfahren hat wie alle bisher bekannten den Nachteil, dass es nur subjektiv ist, und keine Registrierung ermöglicht, die allein imstande ist selbsttätig alle Unregelmäßigkeiten während der ganzen Laufzeit aufzunehmen. 

Zu erwähnen ist noch das von den Bell Telephone Laboratories ausgedachte Verfahren [3, 4], das aber lediglich ein akustisches ist unter Verwendung von Verstärkern und Lautsprechern für das Tischgeräusch.

Anwendung eines Zeiger-Phasenmessers

Mit Lichtblitze arbeiteten die ersten Versuche, die von Dipl.-Ing. R. Straumann (Thommens Uhrenfabriken in Waldenburg in der Schweiz) angeregt wurden. Es ergab sich aber lange Zeit keine voll befriedigende Lösung, bis nach dem Vorschlag von Tamm bei der Siemens & Halske A.-G., Wernerwerk, erstmalig versucht wurde, die Phasendifferenz durch ein normales Zeigerinstrument darzustellen. Bei dem ersten Vorschlag wurde ein Wattmetersystem benutzt, von dem beispielsweise die festen Spulen durch Impulse aus der Normaluhr gespeist wurde, die bewegliche durch die X-Uhr. Der Zeiger führt dann mit der Phasenwanderung der Unruhschwingungen der beiden Uhren pendelende Bewegungen aus, genau wie ein normales Zeiger-Synchronoskop, und man konnte schon sehr kleine Bruchteile einer solchen Schwingung beobachten, beispielsweise eine Phasendifferenz von 2 Millisekunden. Leider hat aber diese Anordnung den schweren Nachteil dass sie nicht den Sinn des Ganges der zu prüfende Uhr erkennen lässt und umständliche Zusatzeinrichtungen nötig sein würden, um den gang der Normal-Uhr zu beschleunigen oder zu verlangsamen.

Prinzip der neuen Zeitwaage

Tamm hat deshalb ein neuen Vorschlag gemacht, der zur fertigen Einrichtung durchgebildet worden ist und der alle Vorzüge ausweist, die einem solchen Apparat eigen sein können.

Der Grundgedanke ist der folgende: (Bild 1)

Man erzeugt möglichst kurze Stromstösse im Takt der Schwingungen sowohl der Normaluhr als der X-Uhr und betätigt mit diese Schaltorgane, die den Strom aus einer Batterie konstanter Spannung über einen stark gedämpften Stromesser ein- bzw. ausschalten. Die Schaltung ist so, dass die Normaluhr ein- und die X-Uhr ausschaltet. Man erhält so rechteckige Stromstösse, deren Dauer proportional der Phasenverschiebung der beiden Uhrenschwingen ist (Bild 2).

Bild 2

Arbeitsweise der Zeitwaage. Die oberste reihe zeigt den Verlauf der Stromimpulse für zwei verschiedene Phasenlagen der X-Uhr gegen die Normaluhr. Das Anzeigeinstrument zeigt den Mittelwert der Stromimpulse.

Das Instrument zeigt den arithmetischen Mittelwert an, der seinerseits also wieder der Phasenverschiebung proportional ist.  

Bild 3

Gesamtbild der Zeitwaage unter Verwendung einer Unruhuhr als Zeitnormal. Bei Verwendung eines Sekundenpendels und eines Frequenzwandlers entfällt Aufnahmegerät und der linke der beiden Verstärker (Siemens & Halske)

Bild 3 zeigt die Gesamteinordnung. Jeder Phasenverschiebung entspricht also eine bestimmte Zeigerstellung. Geht nun beispielsweise die X-Uhr zu langsam, so schaltet das mit ihr verbundene Stromtor den durch die Normaluhr eingeschalteten Strom immer später aus, die Rechtecke Werden immer länger, der Strom-Mittelwert steigt an, bis schließlich die Ausschaltung unmittelbar vor dem Wiedereinschalten durch die Normaluhr erfolgt. Wir haben dann den höchsten Stromwert gleich den Dauerstrom. Dann fallen normal- und X-Impuls zusammen, der Strom wird sofort wieder abgeschaltet, sein Mittelwert sinkt auf Null, um dann langsam wieder zuzunehmen, wie vorher beschrieben. Der Übergand geht dann theoretisch sprungweise vor sich, praktisch aber nicht so vollkommen, weil die Länge der Schwingungsperioden bei jeder Uhr nicht vollkommen konstant ist, vielmehr bis zu 10 % verschieden. In diesem Gebiet ist also die Anzeige unsicher, es kann nicht benutzt werden. Kommt man zufälligerweise gerade in dieses Gebiet, so muss man entweder das Abklingen der Kipp-Periode abwarten oder durch Anhalten einer der beiden Uhren ein anderes Gebiet auswählen.

Erzeugung der Stromimpulse

Bei der amerikanischen Ausführung einen neuen Uhrenkontrolleinrichtung [3, 4] wird das Geräusch der Uhr durch ein Kohlemikrophon aufgenommen. Es hat sich gezeigt, dass solche Einrichtungen in viel zu hohen Grade durch unbeabsichtigte, aber auch unvermeidbare Geräusche gestört werden.

Bild 4

Aufnahmegerät. Die Uhr ruht auf einem Stück Schwammgummi, die Erschütterungen werden mit einen Stift abgetastet, der auf die Uhr drückt.

Es wird deshalb ein elektromagnetisches System verwendet (Bild 4), das die Erschütterungen  durch die Uhr in Stromschwankungen übersetzt, die verstärkt zur Schaltung benutzt werden. Da aber diese Erschütterungen – ebenso wie die Tischgeräusche – über einen beträchtlichen Teil der Schwingzeit erstrecken, muss man durch eine Zusatzschaltung den größten Teil der Geräusche unterdrücken, so dass nur die Spitzen bleiben.

Bild 5

Oszillogramm der Schwingungen einer Taschenuhr. Das linke der beiden Bilder zeigt die vom Verstärker aufgenommenen Stromstösse im "ungereinigtem" Zustande, das rechte Bild zeigt sie nach Unterdrückung der kleinen mittleren Werte.

Bild 5 zeigt in zwei Oszillogrammen die von der Uhr abgenommene Erschütterung als Stromstösse, vor und nach der „Reinigung“ von den unnützen Vor- und Nachschwingungen. Es lässt sich aber mit keiner Uhr eine vollkommen präzise Schaltung erreichen, man muss sich zufrieden geben, mit nur einen Teil der Periode oder Schwingungskoinzidenzen für die Messungen auszunützen.

Bild 6

Diagramm einer Zeitwaage-Registrierung an einer Taschenuhr mit einen täglichen Gang von etwa 5 Sekunden. Originalstreifen 120 mm breit. Das Bild zeigt die Unsicherheit der Messung während der Kipp-Periode.

Bild 6 zeigt diese Erscheinung klar an einem Registrierstreifen.

Verwendung eines Sekunden-Normals mit Frequenzumformer

Gerade die Versuche mit der Zeitwaagehaben gezeigt, dass es unmöglich ist, eine Unruhuhr mit über lange Zeit genau gleichmäßigem Gang herzustellen. Obwohl, über den Tag gerechnet, der gang nur 1 s/Tag ist, treten zwischendurch Gangdifferenzen bis zu 60 s/Tag , sogar noch mehr auf, die sich allerdings über längere Zeit ausgleichen. Da aber der wert der Zeitwaage gerade in der schnellen Arbeitsweise liegen soll, kann man solche Fehler für genaueste Messungen nicht zulassen. Als Normal für genaueste Uhrenkontrolle kann nur eine Sekundenpendel im Frage kommen. Man muss also entweder die Frequenz der X-Uhr von 2,5 Hz auf 0,5 Hz reduzieren oder die Frequenz des Normalpendels auf 2,5 Hz erhöhen und damit den Phasenvergleich durchführen. Es bestehen dafür verschiedene Möglichkeiten, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Jedenfalls arbeitet man so, das man Stromstösse erhält , die direkt, ohne Verstärker, auf den Ionensteuer gegeben werden können, wodurch die Einrichtung auch einfacher wird Bild 3.

Durchführung der Uhrenprüfung

Die zu prüfende Uhr wird (auf einem entsprechenden Halter) in der Gebrauchslage auf den Tisch gesetzt, nachdem vorher alles eingeschaltet wurde. Der Zeiger des Anzeige-Instrumentes nimmt dann, sofern man nicht ein Kippgebiet eingeschaltet hat, sofort eine bestimmte Lage ein, von der er sich langsam nach links oder rechts entfernt. Langsame Linksbewegung bedeutet, dass die X-Uhr zurückbleibt, langsame Rechtsbewegung, dass sie zu schnell geht. Die Schnelligkeit dieser Bewegung hängt vom Gang ab. Eine Bewegung um 1% der Skalenlänge, die die grade noch gut sichtbar ist und die 2 ms entspricht erfolgt

Will man also eine Uhr auf 10 s/Tag regeln, so wird die letzte Beobachtungszeit ca. 20 s dauern, die vorhergehenden samt dem Regeln zusammen vielleicht 40 s, so das sich als kurze Regelzeit etwa 1 min ergibt. Für 1 s/Tag wird man etwa 10 min rechnen müssen. Durch Verwendung eines größeren Instrumentes mit ca 300 mm Skalenlänge (Lichtzeiger) oder durch Unterdrückung des ersten und letzten Viertels kann man die Ablesegenauigkeit ohne weiteres auf das Doppelte bringen.

Bild 7

Registrierung der Gangschwankungen einer sehr genau gehenden Taschenuhr über einige Stunden. Der Gang wurde willkürlich durch geringfügige Erwärmung und Abkühlung der Uhr beeinflusst. Die vorübergehende Zeitdifferenz betrug etwa 0,1 s (die ganze Papierbreite entspricht 0,2 s); sie wurde wieder berichtigt.

Für Studienzwecke wird man ein Registrierapparat verwenden, der es gestattet, alle Unregelmäßigkeiten des Ganges genau aufzuzeichnen (Bild 7).

Auf diese Weise kann man bei Chronometern Gangänderungen von wenigen Millisekunden fortlaufend verfolgen.

Direkte Gang-Anzeige

Will man die tägliche Gang der Uhr mit der neuen Zeitwaage direkt messen, so verfährt man so, dass man eine Zeitmesser, z.B. eine Synchron-Sekundenuhr beim Passieren einer gewissen Zeit auf dem Anzeigeinstrument (z.B. bei 100 ms, in der Mitte der Skala) einschaltet, und nach einer weiteren Zeitverschiebung um einen gewissen Betrag (z.B. 20 ms) wieder abschaltet. Die so gemessene Zeit ist dem täglichen Gang umgekehrt proportional. Wir erhalten dann folgende Zeiten

Ungünstig ist allerdings die logarithmische Skala. Es wäre sicher angenehmer, den täglichen Gang an einer Proportionalteilung abzulesen. Man hätte dazu nur nötig, mit dem Instrumentenstrom entweder eine Zähler-Gleichstromdynamo anzutreiben und über einen Kondensator einen Strommesser anzuschließen. Diese würde direkt den Gang anzeigen, evtl. auch registrieren. Den großen Stoss im Moment des Kippens kann man, weil er entgegengesetzte Richtung hat, durch einen entsprechend gepolten parallel geschalteten Trocken-Gleichrichter vom Instrument fernhalten. Auch eine zweite Drehspule, mit dem eigentliche Instrument gekuppelt, oder nur auch eine zweite Wicklung auf der Drehspule, würden im Prinzip einen dem Gang proportionale Gleichspannung liefern. Leider ist aber die Bewegung zu langsam, dass diese Wege alle fast hoffnungslos geringe Spannungen liefern werden, es sei den, dass man zu Verstärkern greifen würde. Immerhin ist das Ziel, den Gang über den ganzen Laufzeit zu registrieren, besondere Aufwendungen wert.

Literatur

[1] R. Straumann, Schweitzer Patent 122631 vom 14.6.1926

[2] G.P. Luckey, Rev. Sci. Instr. 4 (1933) (S 504…506)

[3] Bell Laboratories Record 12 (1933) (S. 85..88)

[4] Uhrmacherkunst 59 (1934) (S. 36..37)      

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