CN112051723A - 在其模拟时间显示装置中包括连续旋转机电换能器的时计的精度的测量 - Google Patents
在其模拟时间显示装置中包括连续旋转机电换能器的时计的精度的测量 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及在其模拟时间显示装置中包括连续旋转机电换能器的时计的精度的测量。本发明涉及用于测量数字信号的平均频率的方法,该数字信号是从由形成时计(2)的电子振荡器(石英振荡器)产生的参考周期性信号导出的,时计包括模拟时间显示装置和运动链接到该显示装置的连续旋转机电换能器(发电机或连续旋转马达),并且其中,由调节装置来调节平均转速。由测量装置(70)在不与时计的机芯电流接触的情况下确定数字信号的平均频率。该测量方法使得能够基于由磁传感器(72)检测到的调节脉冲并且在测量周期内确定时计的差率和电子振荡器的精度,所述测量周期限于参考周期性信号的数周期的禁止循环的持续时间。
Description
技术领域
本发明涉及测量包括连续旋转机电换能器的时计的精度的领域,所述换能器被布置在将动力源链接到模拟时间显示的运动链(kinematic chain)中、或者被布置在具有这样的运动链的运动联动装置(kinematic linkage)中。特别地,本发明涉及这样的钟表机芯(horological movement)、或者说这样的手表的“差率”的测量,并且还涉及形成内部电子时基的石英振荡器的精度的测量,所述内部电子时基适于调节机电换能器的转速。
术语“差率(rate)”在本文中表示由该时计显示的时间的每日时间漂移。石英振荡器的精度也可以以每日时间漂移的形式给出。每日时间漂移是相对于非常精确的外部时基测量的,这使得能够以非常高的精度测量时间间隔。
根据本发明的两个主要实施例,机电换能器分别由小型发电机以及由连续旋转马达形成,所述小型发电机与运动链相链接,所述运动链将形成机械能源的发条匣(barrel)链接到模拟时间显示,所述连续旋转马达由电能源来供能,并经由运动链来驱动模拟时间显示。
背景技术
在本发明的范围内考虑的机电换能器通常是可逆的,使得它们要么可以从机械能源产生电能,与此同时使得能够通过以受控方式使转子制动来调节该转子的转速,要么可以从电动力源产生机械能,更具体地产生马达转矩。在后一种情况下,可以向定子提供马达电脉冲,以便提供一定的力偶或一定的转速,特别是钟表机芯中的标定转速。考虑到转子-定子耦合是电磁类型的,这样的换能器有时也称为“电磁换能器”。实际上,在马达模式下,为了从电流切换为时间显示机构的机械驱动力,可以设想,这样的电流在至少一个线圈中流转以产生磁场,该磁场与转子所承载的永磁体耦合。在发电机模式下,为了从发电机转子的机械驱动力切换为可以向用于调节转子的平均(medium)转速的电子电路供能的电流,力偶使转子旋转,其中磁体然后在定子线圈中感生电流。
关于钟表发电机的设计和这样的发电机的可能操作,尤其是可以参考文献EP0679968、EP 0822470、EP 0935177、EP 1099990和WO 00/63749。关于连续旋转钟表马达的设计以及这样的连续旋转马达的可能操作,尤其是可以参考文献FR 2.076.493、CH 714041和EP 0887913。
对于常规的机电类型的手表,即包括与步进马达相关联的电子石英机芯的手表,已知的是,一旦将它们装好(case up)并准备好以供使用,就能够精确地测量这样的手表的差率,而不必打开背部或电池舱盖。为此,存在测量设备,其被布置成使用磁传感器来在马达的各步之间进行精确的时间测量,所述磁传感器能够相对于提供给步进马达以驱动它的每个电脉冲精确地检测一定的时间。电脉冲在马达的定子中感生磁脉冲,以使马达的配备有至少一个永磁体的转子旋转。磁脉冲部分地传播到定子外部,并且可以由手表外部的磁传感器检测到。考虑到马达脉冲是以有规律的时间间隔(尤其是每秒)产生的,因此这样的测量设备可以精确地确定机电手表的差率,这些时间间隔是由内部电子时基、即由石英振荡器确定的,以已知的方式禁止(inhibit)所述石英振荡器以调整该时基的平均频率。
与包括步进马达的常规机电型手表不同,如上文公开的在其机芯中包括连续旋转机电换能器的时计不具有可通过上述类型的测量装置从时计外部检测到的完美周期性的事件。实际上,尽管设想了用来伺服控制连续旋转机电换能器的平均转速的调节,使得所显示的时间平均起来是正确的,并且没有长期的时间漂移,但是瞬时转速却在标定转速附近变化。因此,在特定情况下,其中发电机手表在该发电机的线圈中产生的感生电压信号的每次交变中都会经历制动脉冲,如果这些制动脉冲之间的持续时间是用合适的手段测量的,并且如对于具有步进马达的机电手表而言,实行这些测量手段以获得平均速度,那么则需要非常长的测量周期(period)(例如一天)才能以足够的精度获得时计的差率,而对于上文提到的机电手表而言,例如两分钟就足以以相似的精度获得差率。在配备有连续旋转马达的手表的特定情况下,会出现相同的问题,所述马达会在上文提到的感生电压信号的每个周期接收马达脉冲。于是,在并非在感生电压信号的每次交变或每个周期中都有规律地设想制动脉冲或马达脉冲的情况下,测量变得甚至更加成问题。因此,要理解到,确实需要找到一种用于测量完整手表的差率的方法,其中时间显示机构与连续旋转机电换能器处于运动链接。“完整手表”表示其中机芯已装配于其中且表壳已闭合的手表。
发明内容
本发明的目的是要提供一种用于测量时计的差率的方法,其中,时间显示机构包括在马达装置与时间显示之间的运动链,该运动链结合有连续旋转电磁换能器,这虑及了以下事实:即使将其转子的转速调节为平均起来等于标定转速,该转速也通常是易变的。
为此,本发明总体上涉及一种用于测量数字信号的平均频率的方法,所述数字信号是从由形成时计的电子时基的振荡器产生的参考周期性信号导出的。该时计包括机芯,该机芯结合有由运动链形成的机构,该运动链布置在机芯的马达装置与模拟时间显示装置之间,该运动链包括或运动链接到连续旋转机电换能器,其中,平均转速是根据标定转速、与电子时基相关联地、由调节装置调节的。在连续旋转马达的情况下,要理解到,连续旋转马达形成了上述马达装置。调节装置被布置成向电磁换能器连续地提供调节脉冲以调节其平均转速,这些调节脉冲分别定义了相同的事件,这些相同的事件在所述数字信号的上升沿或下降沿上同步、并且可由测量装置在不与机芯电流接触的情况下在与所述相同的事件具有相同的时间相移的相应的检测时间处检测到。
该测量方法包括以下步骤:
A)在不与机芯电流接触的情况下测量多个连续的时间间隔,每个时间间隔出现在针对调节脉冲中的两个相应的调节脉冲进行检测的两个检测时间之间;
B)对于该多个时间间隔中的每个时间间隔,确定对应的整数,其等于该时间间隔除以理论平均周期的经舍入到最接近的整数的结果;
C)对在步骤B)中针对该多个时间间隔确定的整数求和,从而获得所述数字信号的总周期数;
D)对该多个时间间隔中的所测量的时间间隔求和,从而获得与总周期数相对应的总测量持续时间;
E)通过将总周期数除以总测量持续时间来计算所述数字信号的平均频率。
对于具有形成其内部电子时基的石英振荡器的时计,将注意到,该石英振荡器通常被制造为使得其固有的每日误差为正,即,其固有频率略大于其理论频率,但不超过最大每日误差,例如每天15秒。
根据该测量方法的主要实施例,数字信号是禁止数字信号,其具有持续时间可变的周期,所述持续时间在连续的禁止循环(inhibition cycle)期间根据对参考周期性信号的一定数量的周期的禁止而可变。按照惯例,机芯被布置成使得禁止数字信号的平均频率确定模拟时间显示装置的指示器机件的变快(gain)。
根据该主要实施例的优选备选实施例,所述禁止是根据如下方法执行的:该方法将对参考周期性信号的该一定数量的周期的禁止分布于每个禁止循环期间。此外,该多个连续的时间间隔被设想为使得该多个时间间隔中的任何时间间隔的持续时间的增大——所述增大是由于在该时间间隔期间对参考周期性信号的一个或多个周期的禁止而导致的——最多等于禁止数字信号的理论平均周期的一半。
于是,通过计算相对误差来确定模拟时间显示装置的精度,该相对误差是由上述步骤E)中获得的禁止数字信号的平均频率与针对该禁止数字信号的理论平均频率之差除以该理论平均频率的结果给出的。
最后,通过将上述相对误差乘以一天中的秒数来获得时计的差率。
根据本发明的测量方法适用于这样的时计:其中机电发电机是发电机或连续旋转马达。
附图说明
在下文中,将借助于以非限制性示例的方式给出的附图详细描述本发明,其中:
- 图1部分地示出了时计,在其机芯中包括连续旋转机电发电机,根据本发明的测量方法可以应用于该连续旋转机电发电机,
- 图2是图1中的机芯的局部横截面视图,另外示意性地示出了该机芯的各种元件,
- 图3示意性地示出了形成图1中的机芯的电子电路的实施例,
- 图4是用于实行根据本发明的测量方法的测量装置的示意性透视图,
- 图5A和5B示出了图1中的机芯的发电机的定子的两个端子处的电压信号,以及图4中的测量装置分别针对发电机转子的两种转速调节模式而接收到的磁场脉冲的检测,
- 图6以放大图的形式部分地示出了图5A和5B中所示的电压信号、以及在机芯的电子电路中出现的用以测定(pace)时间显示机件的变快并使得能够调节机电换能器的转速的各种数字信号,以及
- 图7是给出在略大于禁止循环的测量周期期间测得的一定数量的时间间隔的示例的表格,以及在根据本发明的测量方法的范围内从这些时间间隔导出的各种数字。
具体实施方式
借助于附图,将描述应用于时计2的根据本发明的测量方法的实施例,参考图1至图3,时计2在其机芯4中包括连续旋转机电发电机6(后文中为“发电机”),其具有带有运动链8的运动联动装置9,运动链8被布置在定义机械能源并形成马达装置的发条匣10与时间显示12之间。在所示的备选实施例中,运动链8包括示意性地表示的轮组件8A和齿轮系8B,其与包括指针14A、14B、14C的时间显示装置12啮合。
通常,发电机6由配备有永磁体的转子和包括至少一个线圈的定子形成,在转子旋转时由转子的磁体产生的可变磁通量穿过所述至少一个线圈。在所示的备选实施例中,定子16包括支撑件20,支撑件20承载三个线圈22A、22B和22C,这些线圈绕转子的旋转轴线19规则地布置并且连接到电子电路24。转子18包括中心轴32,其承载优选地由铁磁材料制成的两个凸缘盘28A、28B,在这两个凸缘盘中的每一个上、绕着旋转轴线规则地布置有具有交替的极性的六个永磁体30A和30B。换言之,同一凸缘盘的两个相邻的磁体30A和30B具有相反的极性,而分别由两个凸缘盘承载并沿旋转轴线19的方向对准的两个磁体30A或两个磁体30B具有相同的极性。转子的轴32承载与轮组件8A的轮啮合的小齿轮34。因此,在所示的备选实施例中,运动联动装置9由小齿轮34与轮组件8A的轮的齿轮传动形成。
机芯4还包括板36和桥38,其中分别布置有各自配备有抗震装置的两个轴承块40A和40B,并且其中转子18进行枢转。
在图3中,电子电路24连接到定子16的线圈的端子44A和44B。当转子18旋转时,由转子磁体产生的可变磁通量穿过线圈并在每个线圈中产生交变感生电压。考虑到线圈数量为三个,每个凸缘盘承载的磁体数量为六个,这些磁体极性交替,并且这些磁体和这些线圈绕转子的旋转轴线规则地布置,那么分别在这三个线圈中感生的三个电压基本同相。在第一备选实施例中,三个线圈串联布置,并且峰值电压基本上相加。将注意到,在第二备选实施例中,这三个线圈可以并联布置。当转子旋转时,这三个线圈一起将交变电压U1输送到电子电路24,电子电路24包括整流器46,整流器46将基本上直流的电压U1*提供给电压调节器48。电压调节器将电源电压U2提供给电子电路,特别是提供给用于调节转子18的平均转速的电路50。
调节电路50包括由晶体管形成的开关52,其由控制单元54来控制。开关52被布置在定子16的两个端子44A和44B之间,使得当该开关闭合(即导通)时,这两个端子电连接并且电压U1为零,于是定子的线圈22A-22C被短路。当该开关断开(即,不导通)时,电压U1与旋转的转子的磁体在三个线圈中感生的电压成比例。通过由调节电路50形成的调节装置来根据标定转速调节发电机6的平均转速。调节电路与电子时基25相关联,电子时基25由以下各项形成:- 石英振荡器26,其产生参考周期性信号SPR;- 第一频率除法器60,其接收参考周期性信号SPR并提供周期性数字信号SDP,周期性数字信号SDP的频率FDP等于参考周期性信号SPR的固有频率FNR除以给定的整数,例如2;以及- 第二频率除法器62,其接收信号SDP并向逻辑单元64提供禁止数字信号SDI,逻辑单元64对该禁止数字信号进行处理以产生时钟信号SHo。禁止数字信号SDI还被提供给控制单元54。将注意到,第一除法器和第二除法器通常形成除法单元的前两级,除法单元也形成逻辑单元64的至少第一部分。
通常,考虑到石英振荡器的制造无法获得非常精确的固有频率,于是设想生产这样的石英振荡器:其具有在一定的给定频率值范围内大于理论参考频率FRT的固有频率。通常,理论参考频率FRT等于32'768 Hz。在所描述的备选实施例中,频率除法器60是除以2的除法器,使得数字信号SDP的理论频率FTDP等于16'384 Hz,并且对应的理论周期PTDP等于1/16'384秒。例如,设想不被禁止的石英振荡器的每日误差在1到20秒之间。
第二频率除法器与禁止单元66相关联,禁止单元66通常禁止数字信号SDP中的确定数量的脉冲,以校正石英振荡器26的预定误差,该预定误差是由于制造公差以及由于如下事实造成的:如前所述,石英被生产为具有在一定频率范围内高于理论参考频率FRT的过高的固有频率。那么,对于所产生的每个石英振荡器,确定其固有频率FNR并计算每个禁止循环的禁止次数,将该禁止次数引入到禁止单元66中。通常,禁止分布在连续的禁止循环中的每一个上。在已知的备选实施例中,禁止循环持续64秒,并且所确定的禁止次数除以该秒数以获得每秒的单位禁止次数。每秒的单位禁止次数是实数。在禁止循环期间,在计数器中将单位禁止次数加到每一秒,并且禁止由该计数器执行的加法的结果的整数部分,随后仅将剩余的小数部分保留在计数器中。举两个简单的示例:a)所确定的禁止次数为32,并且于是单位禁止为0.5,因此,设想每两秒钟对周期性数字信号的周期禁止一次;b)所确定的禁止次数为96并且单位禁止次数为1.5,因此设想在禁止循环的连续数秒期间交替地禁止一次以及禁止两次。将注意到,有利地,当单位禁止次数大于一时,在同一秒期间执行的禁止不在禁止数字信号的同一周期内堆积,而是相隔一定的单位时间间隔,例如大致125ms(1/8秒)。
将注意到,禁止石英产生的参考信号的周期以调整电子表的精度并从而降低其差率是本领域技术人员众所周知的技术,本领域技术人员知道实施该技术的各种方式。因此,本发明不限于单种可能的实施方式,而是限于在某些条件保持有效的范围内的若干已知备选实施例,如下文所述。
为了调节发电机的速度,时钟信号SHo确定针对线圈中感生的电压的频率的设定点值,感生电压的频率对应于电压信号U1的频率。该设定点值是发电机的标定转速的函数,并且由时基25确定,使得其受到与时基的误差相对应的误差的影响。电压比较器58的一个输入连接到端子44A、44B之一并且另一个输入连接到参考电压59,电压比较器58产生信号FUG,该信号被提供给可逆计数器56和控制单元54。更特别地,信号FUG是数字信号,其中,周期对应于发电机的电周期,即,对应于发电机的定子中感生的电压的周期,因而对应于电压U1的周期。该信号FUG在检测到的每个电周期使可逆计数器56递减,而逻辑单元64在时钟信号SHo的每个周期使该可逆计数器递增。因此,可逆计数器表示从开始时间开始的发电机的时间漂移的总和,并且因此表示模拟时间显示相对于由设定点值确定的设定点变快的时间漂移的总和,该设定点值是从由内部时基25提供的禁止数字信号导出的。将可逆计数器的状态提供给控制单元54,控制单元54根据给定的方法管理发电机的平均转速。
调节电路50被布置成向发电机连续地提供调节脉冲,以调节其平均转速,使得其尽可能接近于为发电机转子设想的标定转速。在本文中,调节脉冲由发电机转子的制动脉冲形成,制动脉冲各自由形成该发电机的定子的(一个或多个)线圈的瞬时短路而产生。标定转速是由机芯4的设计确定的,特别是由运动链8和运动联动装置9确定的。在本文描述的备选实施例中,标定转速等于64/9=7.1111转/秒。对于上述发电机,交变电压信号U1的标定电频率是其三个线圈中感生的电压的标定电频率。该电频率等于标定转速的三倍,即64/3=21.3333 Hz。因此,标定电周期等于46.875ms,并且信号U1的交变的标定持续时间确切地等于23.4375ms。
在图4中,示意性地示出了测量装置70,其适于藉由合适的软件来实行根据本发明的测量方法,其内容在阅读该测量方法的详细描述时将变得显而易见。测量装置70包括能够检测来自时计2的磁场的变化的检测线圈72。实际上,磁场的变化会在检测线圈中产生感生电压。举例来说,测量装置70可以实质上是来自瑞士比伦的维兹电子公司(WitschiElectronic SA)的称为“Analyzer Twin”的设备,其中实施了用于实行根据本发明的测量方法的特定软件。也可以使用用于电子表的其他类似的测量设备。实际上,不必像“Analyser Twin”型号那样使该测量设备也能够用于机械表。
通常,根据本发明的测量方法设想,特别是针对诸如腕表的时计2或针对准备装好的机芯4,测量机芯4的电子电路的内部数字信号的平均频率,该数字信号是从由形成该机芯4的电子时基25的石英振荡器26产生的参考周期性信号SPR导出的。设想发电机6的平均转速由与电子时基相关联的调节电路根据标定转速来调节。调节装置被布置成能够通过使发电机的定子16的线圈的端子44A和44B短路来连续地向发电机提供制动脉冲,以便调节其平均转速。调节装置的控制单元54如下产生每个制动脉冲:当设想产生制动脉冲以调节发电机的转速时,特别是根据可逆计数器56的状态或可选地还根据其他检测到的事件来进行这样的调节时,根据备选实施例,控制单元等待在来自比较器58的数字信号FUG中检测接下来的上升沿、或者上升沿和下降沿中的下一个沿;然后控制单元经由其提供给开关52的控制信号SCom、通过在时间tdn(n=1,2,3,…)时闭合该开关来直接地或在给定的延迟之后触发制动脉冲。在特定的备选实施例中,如图6所示,控制信号SCom在跟随在信号FUG的所讨论的沿之后的禁止数字信号SDI的第一个上升沿处从其逻辑状态“0”(开关断开)切换为其逻辑状态“1”(开关闭合并因此导通),禁止数字信号SDI由控制单元接收以在时间上管理制动脉冲。在另一特定的备选实施例中,设想在跟随在检测到电压信号U1的所讨论的零截距之后的信号SDI的检测到的第一个沿(上升或下降)处开始制动脉冲。
在本发明的范围内,调节脉冲分别定义了相同的事件,这些事件在禁止数字信号SDI的上升沿上或下降沿上是同步的,并且可在对应的检测时间处由不与机芯电流接触的测量装置、并且优选地由磁场传感器72检测到。在借助于附图描述的根据本发明的测量方法的主要实施例中,该事件是每个制动脉冲的末端。如图6所示,制动脉冲BPn的相应的末端tfn(n=1,2,3,…)是同步的,并且另外与禁止数字信号SDI的上升沿以及还与周期性数字信号SDP的上升沿同相。将注意到,由于信号SDI的产生,该信号SDI的上升沿与周期性数字信号SDP的对应的上升沿同相。在图中,制动脉冲BPn通过控制信号SCom的对应的控制脉冲(图5A和5B)、或通过电压U1的扩展区域(即并非基于点的区域)来标识,其中电压U1具有零值(图6),是由控制脉冲产生的。制动脉冲BPn具有制动持续时间TBPn。
在所示的备选实施例中,信号SDI具有平均频率FMDI,该平均频率FMDI在禁止循环内略小于周期性数字信号SDP的平均频率FMDP的四分之一。禁止数字信号SDI是在应用了所设想的禁止来校正石英振荡器的相对误差的情况下从信号SDP导出的。为了产生禁止数字信号SDI,在除法器62中将周期性数字信号SDP两次除以2,在这两个连续的“除以2”中的第一个“除以2”期间应用所述禁止。为了解释禁止是如何发生的,在图6中引入了禁止假想(imaginary)信号SFI,其在经历禁止的周期之外具有信号SDP的频率。在没有禁止的情况下,信号SDI的周期PDI等于信号SDP的周期PDP的正好四倍。然而,当在信号SDP的第一个“除以2”期间发生禁止“禁止(Inh)”时,该信号的周期PDP被禁止,即被忽略,因此不予考虑,使得在该禁止期间产生的信号SDI的周期PDI*大于周期PDI,因为周期PDI*实际上具有等于周期PDP的五倍的持续时间。因此,要理解到,PDI*=1.25·PDI(+25%)。因此,禁止数字信号SDI由平均频率FMDI和平均周期PMDI来表征。由于时钟信号SHo是由信号SDI确定的,并且该时钟信号确定了针对发电机线圈中感生的电压的频率的设定点值,因此对于信号SDI来说,理论平均频率FMTDI和对应的理论平均周期PMTDI被设想为分别取决于电压U1的标定电频率和标定电周期(等于感生电压的标定电频率和标定电周期)。在禁止循环内,周期性数字信号SDP的频率FDP也可能会略有变化,从而在禁止循环CInh内以及还在整个测量持续时间TMes内,信号SDP具有平均频率FMDP和对应的平均周期PMDP。于是,也称为理论平均周期PTDP的相同的理论周期PTDP对应于信号SDP的周期PDP和平均周期PMDP,并且也称为理论平均频率的对应的相同的理论频率FTDP对应于信号SDP的对应的频率FDP和对应的平均频率FMDP。按照时基振荡器的设计,理论频率FTDP小于平均频率FMDP。
在附图中描述的备选实施例中,理论频率FTDP=16'384 Hz,并且理论周期PTDP=1/16'384秒。于是,理论平均频率FMTDI等于FTDP/4,即,FMTDI=4'096 Hz,并且理论平均频率PMTDI=1/4'096秒。最后,将注意到,参考周期性信号SPR的固有频率FNR在禁止循环或总测量持续时间内还具有平均固有频率FMNR,其等于信号SDP的平均频率FMDP的2倍。理论参考频率FRT=32'768 Hz对应于这些频率FNR和FMNR,按照振荡器的设计,理论参考频率FRT=32'768 Hz小于固有频率FNR。
借助于图4、5A、6和7,将针对机电换能器的平均转速的第一调节模式更详细地描述根据本发明的测量方法,其中,调节装置被布置为产生调节脉冲,使得在正常操作中,任何两个连续的调节脉冲在其相应的起始tdn之间具有感生电压信号的大致相同的正整数次交变,所述感生电压信号是在转子旋转时由转子的磁体在定子的(一个或多个)线圈中产生的。在该第一调节模式中,通过调节脉冲的持续时间TBPn的变化来获得转子的平均转速的调节。在本文描述的备选实施例中,针对其中平均转速通过制动脉冲来调节的发电机,设想在每次交变时产生制动脉冲。测量方法包括以下步骤:
A)由包括非常精确的外部时基或与非常精确的外部时基相关联的测量装置70测量多个连续的时间间隔TIn(n=1,2,3,…,N),所述多个连续的时间间隔各自出现在两个检测时间之间,所述两个检测时间分别对应于两个连续的制动脉冲BPn-1和BPn的两个结束时间tfn-1和tfn;
B)针对所述多个时间间隔TIn(n=1,2,3,…,N)中的每一个时间间隔TIn,确定整数Mn(SDP),其等于该时间间隔TIn除以周期性数字信号SDP的理论周期PTDP的经舍入到最接近的整数的结果NRn(SDP),即,NRn (SDP) = TIn / PTDP = TIn·FTDP,或/和,确定整数Mn(SDI),其等于时间间隔TIn除以禁止数字信号SDI的理论平均周期PMTDI的经舍入到最接近的整数的结果NRn(SDI),即,NRn (SDI) = TIn / PMTDI = TIn·FMTDI;
C)对在步骤B)中针对所述多个时间间隔TIn(n=1,2,3,…,N)确定的整数Mn(SDP)或者是Mn(SDI)求和,从而获得周期性数字信号SDP的总周期数TNP(SDP) 、或者是禁止数字信号SDI的总周期数TNP(SDI);
D)对在步骤A)中测量的所述多个时间间隔中的时间间隔TIn求和,从而获得与总周期数TNP(SDP)或者是TNP(SDI)相对应的总测量持续时间TMes;
E)通过将总周期数TNP(SDP)或者是TNP(SDI)除以总测量持续时间TMes来计算信号SDP或/和信号SDI的平均频率FMDP或者是FMDI,即,FMDP = TNP (SDP) / TMes并且FMDI = TNP (SDI) /TMes。
在此,在步骤A)中,通过测量装置的磁传感器72来检测结束时间,考虑到当在每个制动脉冲结束时断开开关52(使之不导通)时,在发电机定子线圈中感生的电流突然下降,于是磁传感器72被布置为能够检测出现在制动脉冲BPn结束时的短暂的感生电压脉冲DEn(n=1,2,3,…)。考虑到在发电机6的定子16的端子处在电压U1的每次交变时执行制动脉冲,为了专门检测感生电压脉冲DEn的相同的特定时间,设想两个并行的比较器,它们在这些脉冲的上升沿上检测感生电压达到阈值电压Us或-Us(分别是针对彼此交替地接续的正和负脉冲)时的时间。将注意到,检测时间与对应的制动脉冲的相应结束具有相同的较小的时间相移。
如上所述,在本发明的范围内,设想测量禁止数字信号SDI的平均频率FMDI,以便能够最终确定时计的差率,或者测量周期性数字信号SDP的平均频率FMDP,以便能够确定提供参考周期性信号SPR的振荡器26(通常是石英振荡器)的精度。因此,在第一备选实施例中,数字信号是周期性数字信号SDP,其中平均频率FMDP等于在参考周期性信号SPR的总测量持续时间TMes内的平均固有频率FMNR除以给定的整数,例如除以2。通过计算相对误差ER(SDP)来确定振荡器的精度,相对误差ER(SDP)是由步骤E)中获得的信号SDP的平均频率FMDP与该信号SDP的理论频率FTDP之差除以该理论频率的结果给出的,即,ER (SDP) = (FMDP - FTDP) / FTDP。将注意到,由振荡器26产生的参考周期性信号SPR的相对误差是相同的,即ER(SPR)=ER(SDP)。因此,在第二备选实施例中,数字信号是禁止数字信号SDI,其具有持续时间可变的周期PDI和PDI*,所述持续时间在连续的禁止循环期间根据对参考周期性信号的一定数量的周期的禁止而可变。由于禁止数字信号的平均频率FMDI确定模拟时间显示装置12的指示器机件14A至14C的变快,于是通过计算相对误差ER(SDI)来确定模拟时间显示装置的精度,相对误差ER(SDI)是由步骤E)中获得的禁止数字信号SDI的平均频率FMDI与该信号SDI的理论平均频率FMTDI之差除以该理论平均频率的结果给出的,即,ER (SDI) = (FMDI - FMTDI) / FMTDI。通过将相对误差ER(SDI)乘以一天中的秒数来获得时计的差率,即,差率 = ER (SDI)·86'400[秒/天]。
举例来说,以图7中的表格中给出的测量结果为例,总测量持续时间TMes=64.007533秒,总周期数TNP(SDP)=1'048'810,并且周期总数TNP(SDI)=262'175。这给出了:
FMDP=16'385.7276,并且FMDI=4'096.002263。
在FTDP=16'384 Hz并且FMTDI=4'096 Hz的情况下,这给出了:
ER(SPR)=ER(SDP)=105·10-6=105ppm,并且ER(SDI)=0.5525ppm。
ER(SPR)在此对应于约9秒/天,而ER(SDI)对应于差率=0.0477[秒/天],并且因此对应于针对年平均参考频率的约17.5s的年误差,年平均参考频率可对应于由FMDP的2倍给出的平均参考频率FMNR,即,FMNR=32'771.5 Hz。
将注意到,时间间隔TIn没有中断地一个接一个。因此,总测量持续时间TMes由连续的多个时间间隔TIn(n=1,2,3,…,N)组成,这些时间间隔由测量装置非常精确地测量。因此,总测量持续时间TMes对应于开始时间tf0和结束时间tfn之间的不间断的时间段。对于测量周期性数字信号SDP的平均频率来说,该有利的备选实施例是可选的,但是对于禁止数字信号SDI来说,该有利的备选实施例是优选的,因为通常不会在每个时间间隔TIn都发生禁止,并且这些禁止不一定随时间完美地均匀分布。
将注意到,总测量持续时间TMes被设想为非常微小地大于禁止循环CInh的持续时间,禁止循环CInh的持续时间在此在理论上等于64秒。实际上,最后一个时间间隔TIN对应于制动脉冲的两个结束tfN-1和tfN之间的时间间隔,在该时间间隔期间,发生从初始制动脉冲BP0的结束时间tf0开始的禁止循环CInh的时间测量的结束,该时间tf0被选择为测量的起始。禁止循环的时间测量也由测量装置来执行,测量装置包括非常精确的外部时基或与之相关联,例如原子时基。在所示的备选实施例中,连续时间间隔的总数N等于2731,即N=2731。电压信号U1的标定电频率等于64/3 Hz。因此,标定电周期等于46.8750毫秒。因此,电压信号U1的交变的标定持续时间等于23.4375ms。在此标定持续时间内的2731次交变得到了略大于64s的总持续时间,即64.0078125s。将注意到,交变的标定持续时间确切地对应于信号SDI的96个理论平均周期PMTDI=1/4'096s,并且对应于信号SDP的384个理论周期PTDP=1/16'384s。
图7中的表格给出了在测量方法的步骤A)中获得的多个时间间隔TIn,n=1,2,3,…,N=2731,以及实数NRn(SDP) 和NRn(SDI),和在该测量方法的步骤B)中获得的对应的经舍入的整数Mn(SDP)和Mn(SDI)。考虑到发电机的转速变化,可以观察到整数Mn(SDP)和Mn(SDI)可在相应的标定整数384和96附近变化。由于在标定整数96和384之间设想因数“4”,并且考虑到检测到的事件DEn与禁止数字信号SDI的上升沿同步,于是,当在对应的时间间隔TIn期间没有禁止时标定整数Mn(SDP)是偶数,并且当在对应的时间间隔期间发生禁止时为奇数(在本文描述的备选实施例中,设想每个时间间隔最多一次禁止)。因此,可以在图7中的表格中容易地确定在其期间发生了禁止的时间间隔。
在所描述的备选实施例中,禁止的总数等于110。此数字等于总周期数TNP(SDP)=1'048'810与乘以上面提到的因数“4”的周期总数TNP(SDI)=262'175之间的差。借助于在根据本发明的测量方法中执行的舍入,可以确定未被禁止的周期性数字信号SDP的有效周期数和禁止数字信号SDI的有效周期数二者,后者是在应用了禁止过程以校正该信号SDP的误差的情况下从信号SDP导出的。对实数NRn(SDI)执行舍入以获得整数Mn(SDI)的结果是这些整数Mn(SDI)由于在对应的时间间隔TIn期间发生或未发生禁止而是独立的。因此,借助于根据本发明的测量方法,尽管机电换能器具有可变转速的事实,但是仍确定了取决于应用于机电换能器的调节脉冲的时间间隔TIn期间的禁止数字信号SDI的有效周期数,这些调节脉冲可选地在这些时间间隔中的每一个时间间隔期间发生。此外,在根据本发明的测量方法的范围内,可以确定在时间间隔TIn期间未被禁止的周期性数字信号SDP的有效周期数,从而除了内部振荡器的精度之外,还可以确定针对所讨论的时计设想的每禁止循环的禁止次数,该禁止次数在测量时被存储在禁止单元66的存储器或该禁止单元可访问的内部存储器中。将注意到,通常可以更换或校正该禁止次数,特别是在观察到时计的差率不是最佳的或不在针对所讨论的时计所设想的特定范围内之后。如下容易地计算要设想的每个禁止循环的禁止的理论实数NTIC:将禁止循环CInh的持续时间乘以参考频率的相对误差ER(SPR),并将结果除以对其执行禁止操作的周期性数字信号SDP的平均周期PMDP,由于ER(SPR) = ER(SDP),即,NTIC = CInh·ER (SDP) / PMDP。对于所描述的备选实施例,这给出了NTIC=110.112。
在另一备选实施例中,在电压U1的每个周期处设想制动脉冲,使得根据是否在电压信号U1的上升沿或下降沿期间应用制动脉冲,仅出现正感生电压脉冲DE2n-1或仅出现负感生电压脉冲DE2n(见图5A),并使用单个电压比较器利用阈值电压US或者是-US来检测它们。时间间隔的理论平均持续时间于是等于46.8750ms。
为了确保根据本发明的测量方法的高精度,有利地应满足接下来描述的三个条件。
第一个条件为所测量的时间间隔TIn设置最大持续时间。执行步骤A)中的多个连续的时间间隔TIn的测量,使得每个时间间隔小于最大持续时间TIMax,其等于所讨论的数字信号的理论平均周期除以最大相对误差ERMax的2倍,最大相对误差ERMax是参考周期性信号SPR的固有频率FNR相对于理论参考频率FRT的最大相对误差,针对周期性数字信号SDP的平均频率FMDP的测量,即,TI Max (SDP) = PTDP / 2·ERMax (FNR),针对禁止数字信号SDI的平均频率FMDI的测量,即,TI Max (SDI) = PMTDI / 2·ERMax (FNR)。由于测量方法是基于舍入到最接近的整数值,以获得所讨论的数字信号的整周期数Mn(SDP)或者是Mn(SDI),其针对每个时间间隔TIn对应于所讨论的数字信号的有效整周期数,因此,所获得的每个实数NRn(SDP)或者是NRn(SDI)应相对于整数Mn(SDP)或者是Mn(SDI)最大偏离所讨论的数字信号的半个周期。由于PMTDI=4·PTDP,因此要理解的是针对信号SDP的平均频率FMDP以及因此的内部时基的振荡器的精度的测量的最严格条件。此外,对于信号SDI,由于设想了禁止以便校正振荡器的误差,并且这些禁止通常分布在禁止循环期间,因此本文讨论的该第一个条件对于确保高测量精度而言不是必需的,但该条件使得能够在所有情况下均提供高精度。通过数值示例,如果选取了二十秒/天的最大振荡器,则ERMax(FNR)大约等于230ppm(0.00023),TIMax(SDP) =132.7ms,并且TIMax(SDI)=530.8ms。在所讨论的备选实施例中,信号U1的交变的理论持续时间等于23.4375ms,使得需要每五次交变至少一个制动脉冲以精确地测量振荡器的平均频率,或者是需要每22次交变至少一个制动脉冲以在时间间隔TIn中的至少一个期间没有禁止的情况下精确地测量禁止数字信号的平均频率,从而精确地测量时计的差率。
第二个条件涉及在每个时间间隔TIn期间可发生的最大禁止次数。为了获得禁止数字信号SDI的整周期数Mn(SDI),其对于时间间隔TIn中的每一个对应于该禁止数字信号的有效整周期数,该多个连续的时间间隔被设想为使得该多个时间间隔中的任何时间间隔的持续时间的增大——所述增大是由于在该时间间隔期间对参考周期性信号的一个或多个周期的禁止而导致的——最多等于禁止数字信号的理论平均周期PMTDI的一半(应理解到,数字等于整数,并且一半被舍入到该整数)。在所描述的备选实施例中,周期性数字信号SDP的周期被禁止。因为禁止数字信号的理论平均周期PMTDI与信号SDP的理论周期PTDP之比等于四,即PMTDI=PTDP/4,因此对于该备选实施例,该第二个条件意味着每个时间间隔TIn最多有两次禁止。由于信号SDP的周期PDP在实践中小于理论周期PTDP,因此通过将每个所测量的时间间隔的禁止限制为两次禁止,有一定的余量。
将注意到,第二个条件在所有情况下都有利于提供高测量精度,但是并非在所有情况下都是必需的。实际上,在根据基本上均匀的时间表将禁止分布于禁止循环期间的禁止过程的实施例中,例如,通过尽可能(at best)将禁止次数分布于禁止循环的子周期中并避免在这些子周期中在较短的时间间隔中进行两个以上的脉冲,如果备选实施例中的时间间隔TIn相对较长,则每个时间间隔可能有两个以上的禁止。如在上述备选实施例中那样,在对于每次交变都有制动脉冲,可以观察到,每次交变期间的最大禁止次数实际上等于2。在图7中的表格中,以时间间隔TI233为例,其中已经发生了禁止,这得到NR233(SDI)=94.240。如果增加了另一次禁止,则这将得到大约NR(SDI)=94.490,正确地舍入为M(SDI)=94。在三次禁止的情况下,将具有NR(SDI)大于94.50,这将在禁止数字信号的有效周期数的计数中引起误差。另一方面,如果时间间隔TIn有足够长的持续时间,使得由振荡器引起的误差比信号SDP的理论周期PTDP更大,那么在这样的时间间隔期间可能有三次禁止,并且可能总会正确地舍入到信号SDI的有效周期数。根据关于上述第一个条件给出的计算和结果,因此可以得出结论,在大于电压信号U1的22次交变的时间间隔期间,即在确定所讨论的时间间隔的两个制动脉冲之间有至少23次交变、并且优选地至少24次交变、即12个电周期,可能有三次禁止。因此,本领域技术人员可以理解到,在根据本发明的测量方法的实施期间所测量的时间间隔与要设想的禁止过程之间存在一定的联系,因此,在根据本发明的测量方法的实施期间的每单位时间的调节脉冲数与在禁止循环期间的禁止分布模式之间存在一定的关系。
确保高测量精度的第三个条件涉及用于测量禁止数字信号的平均频率和时计的差率的总测量持续时间TMes。如所述,常规的禁止过程设想将禁止分布于每个禁止循环期间。在特定实施例中,安秒分布禁止,每个禁止循环的最大禁止整数为255或511。禁止循环在理论上持续64[秒]。如上文已经描述的,在一秒的每个子周期中,执行整数次禁止,其对应于所设想的禁止总数除以64的整数值,并在每当在所述秒期间的小数部分的总和超过单位1(unit)的情况下周期性地增加与该总和相对应的附加禁止。在一秒的每个子周期中,设想每TU=125ms执行禁止,TU从该子周期的起始处开始。因此,如果在给定的子周期中设想了这些脉冲,则第一脉冲发生在该子周期的零时间处,第二脉冲发生在125ms之后,并且第三脉冲发生在250ms(=2·TU)之后。于是,在此子周期中、即针对略小于750ms不再有更多的禁止。
由于不知道在禁止循环中的哪个时间开始测量方法的第一时间间隔TI1,因此有利地设想总测量持续时间TMes尽可能完全地涵盖禁止循环,以保证针对禁止循环设想的所有禁止都发生在该多个测量的时间间隔TIn期间。然而,由于时间间隔由特别依赖于发电机的可变转速的制动脉冲来确定,因此在实践中不可能获得确切地等于禁止循环的总测量持续时间TMes。因此,在优选的备选实施例中,设想根据对应于禁止循环的时间段来结束对第一制动脉冲处的时间间隔的测量。因此,TMes=CInh+Tadd。将注意到,如果附加持续时间Tadd超过TU=125ms,则禁止脉冲被过量计数的可能性很高,或者甚至大于一次禁止。为了防止这种情况,在优选的备选实施例中,设想时间间隔TIn小于TU/2。在所讨论的备选实施例中,这意味着对于电压信号U1的每个电周期需要至少一个制动脉冲。此外,设想在紧接在检测到禁止之后的制动脉冲结束时开始第一时间间隔TI1。因此,确保了不会相对于禁止循环中设想的禁止总数对禁止过量计数。因此,在本文公开的优选的备选实施例中,设想在开始针对确定总测量持续时间TMes的该多个时间间隔TIn的测量方法之前,执行制动脉冲之间的时间间隔测量并且进行结合图7中的表格描述的计算。
在图5B中,针对机电换能器的平均转速的第二调节模式,其中调节装置被布置为产生调节脉冲BPn,使得任何两个连续的调节脉冲在其相应的起始tdn处具有感生电压信号的大约正整数次交变,所述感生电压信号是在机电换能器的转子旋转时由定子(其是由至少一个线圈形成的)中的变化的磁通量产生的,示出了在根据本发明的测量方法的实施例中的控制信号SCom、电压信号U1和由测量装置检测到的电压信号UDet。在第二调节模式中,调节脉冲至少在一定的调节周期内具有基本相同的持续时间,并且通过调节脉冲之间的上述正整数次交变的变化来获得在该调节周期期间的转子的平均转速的调节。否则,测量方法保持与针对第一调节模式描述的测量方法相似,并且上述三个条件也适用。在配备有发电机的时计的情况下,要理解到,在组装了驱动该发电机的发条匣时执行测量方法是优选的,使得力偶相对较高,于是必须执行足够的制动脉冲以调节发电机的转速。
最后,在本发明的本说明书中结合配备有发电机的时计而提供的任何教导也类似地适用于配备有连续旋转马达和用马达电脉冲为该马达供能的电动力源的时计。因此,在这样的实施例中,机电换能器是形成钟表机芯的马达装置的连续旋转马达。该马达由配备有永磁体的转子和包括至少一个线圈的定子形成,在转子旋转时由转子的磁体产生的可变磁通量穿过所述至少一个线圈。在这种情况下,调节脉冲是各自由所述至少一个定子线圈的瞬时电动力源产生的马达脉冲。为此,调节电路的开关52于是被布置在定子的电端子和适于向线圈传递一定的动力源电流的电动力源的端子之间。
Claims (14)
1.用于测量数字信号(SDP、SDI)的平均频率的方法,所述数字信号是从由形成时计(2)的电子时基(25)的振荡器(26)产生的参考周期性信号(SPR)导出的,该时计(2)包括机芯(4),机芯(4)结合有由运动链(8)形成的机构,运动链(8)布置在机芯的马达装置(10)与模拟时间显示装置(12)之间,该运动链包括或运动链接到连续旋转机电换能器(6),其中,平均转速是根据标定转速、与所述电子时基相关联地、由调节装置(50)调节的,该调节装置被布置成向电磁换能器连续地提供调节脉冲(BPn)以调节其平均转速,这些调节脉冲分别定义了相同的事件(tfn),这些相同的事件在所述数字信号的上升沿或下降沿上同步、并且可由测量装置(70)在不与机芯电流接触的情况下在与所述相同的事件具有相同的时间相移的相应的检测时间处检测到;
该测量方法包括以下步骤:
A)在不与机芯电流接触的情况下测量多个连续的时间间隔(TIn),每个时间间隔出现在针对所述调节脉冲中的两个相应的调节脉冲进行检测的两个检测时间之间;
B)对于该多个时间间隔中的每个时间间隔,确定对应的整数(Mn(SDP)、Mn(SDI)),其等于该时间间隔除以由所述数字信号给出的理论平均周期(PTDP、PMTDI)的经舍入到最接近的整数的结果(NRn(SDP) 、NRn(SDI));
C)对在步骤B)中针对该多个时间间隔确定的整数求和,从而获得所述数字信号的总周期数;
D)对该多个时间间隔中的所测量的时间间隔求和,从而获得与所述总周期数相对应的总测量持续时间(TMes);
E)通过将总周期数除以所述总测量持续时间来计算所述数字信号的平均频率。
2.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于,执行步骤A)中的对该多个连续时间间隔的测量,使得每个时间间隔小于最大持续时间,该最大持续时间等于所述数字信号的理论平均周期除以最大相对误差的2倍,所述最大相对误差是针对参考周期性信号的固有频率(FNR)相对于理论参考频率(FRT)的最大相对误差。
3.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于,所述数字信号是周期性数字信号(SDP),其中,平均频率等于参考周期性信号在所述总测量持续时间内的平均固有频率除以给定的整数。
4.根据权利要求3所述的测量方法,其特征在于,通过计算相对误差来确定所述振荡器的精度,相对误差是由步骤E)中获得的周期性数字信号的所述平均频率与理论平均频率之差除以该理论平均频率的结果给出的,该理论平均频率等于所述理论平均周期(PTDP)的倒数。
5.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于,所述数字信号是禁止数字信号(SDI),其具有持续时间可变的周期(PDI、PDI*),所述持续时间在连续的禁止循环期间根据对参考周期性信号的一定数量的周期的禁止而可变;并且在于,禁止数字信号的平均频率确定模拟时间显示装置的指示器机件的变快。
6.根据权利要求5所述的测量方法,其特征在于,通过计算相对误差来确定模拟时间显示装置的精度,相对误差是由步骤E)中获得的禁止数字信号的平均频率与理论平均频率之差除以该理论平均频率的结果给出的,该理论平均频率等于所述理论平均周期(PMTDI)的倒数。
7.根据权利要求6所述的测量方法,其特征在于,通过将所述相对误差乘以一天中的秒数来获得时计的差率。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的测量方法,其特征在于,所述禁止是根据如下过程执行的:该过程使用每个禁止循环来分布对参考周期性信号的该一定数量的周期的禁止;并且在于,该多个连续的时间间隔被设想为使得该多个时间间隔中的任何时间间隔的持续时间的增大——所述增大是由于在该时间间隔期间对参考周期性信号的一个或多个周期的禁止而导致的——最多等于禁止数字信号的一个/所述理论平均周期的一半。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的测量方法,其特征在于,所述机电换能器是发电机(6),其由配备有永磁体的转子(18)和包括至少一个线圈(22A、22B、22C)的定子(16)形成,当转子旋转时由转子的磁体产生的可变磁通量穿过所述至少一个线圈;并且在于,所述调节脉冲是转子的制动脉冲,其各自由所述至少一个线圈的瞬时短路而产生。
10.根据权利要求1至7中的任一项所述的测量方法,其特征在于,所述机电换能器是连续旋转马达,其由配备有永磁体的转子和包括至少一个线圈的定子形成,在转子旋转时由转子的磁体产生的可变磁通量穿过所述至少一个线圈,连续旋转马达形成所述马达装置;并且在于,所述调节脉冲是马达电脉冲,其各自由所述至少一个线圈的瞬时电动力源产生。
11.根据权利要求9所述的测量方法,其特征在于,所述调节装置被布置为产生调节脉冲,使得在正常操作中,任何两个连续的调节脉冲在其相应的起始(tdn)之间具有感生电压信号的相同的正整数次交变,所述感生电压信号是在转子旋转时由所述可变磁通量在所述至少一个线圈中产生的;并且在于,通过调节脉冲的持续时间的变化来获得转子的平均转速的调节。
12.根据权利要求9所述的测量方法,其特征在于,所述调节装置被布置为产生调节脉冲,使得在正常操作中,任何两个连续的调节脉冲在其相应的起始(tdn)之间具有感生电压信号的相同的正整数次交变,所述感生电压信号是在转子旋转时由所述可变磁通量在所述至少一个线圈中产生的;在于,调节脉冲至少在一定的调节周期内具有基本相同的持续时间;并且在于,通过所述正整数的变化来获得在所述调节周期期间的转子的平均转速的调节。
13.根据权利要求10所述的测量方法,其特征在于,所述调节装置被布置为产生调节脉冲,使得在正常操作中,任何两个连续的调节脉冲在其相应的起始(tdn)之间具有感生电压信号的相同的正整数次交变,所述感生电压信号是在转子旋转时由所述可变磁通量在所述至少一个线圈中产生的;并且在于,通过调节脉冲的持续时间的变化来获得转子的平均转速的调节。
14.根据权利要求10所述的测量方法,其特征在于,所述调节装置被布置为产生调节脉冲,使得在正常操作中,任何两个连续的调节脉冲在其相应的起始(tdn)之间具有感生电压信号的相同的正整数次交变,所述感生电压信号是在转子旋转时由所述可变磁通量在所述至少一个线圈中产生的;在于,调节脉冲至少在一定的调节周期内具有基本相同的持续时间;并且在于,通过所述正整数的变化来获得在所述调节周期期间的转子的平均转速的调节。
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