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Isochrones Pendel Die Erfindung bezieht sich auf die Korrektur eines
Uhrenpendels, insbesondere eines kontaktlosen, z. B. durch eine Transistorschaltung
mit einer Steuerspule und einer Antriebsspule induktiv zusammenwirkenden Magnetpendels,
dessen, Pendelmagnet mit einem außerhalb des Pendels vorgesehenen Kompensationskörper
magnetisch im Sinne der Erzeugung einer mit wachsendem Pendelausschlag zunehmenden
Rückstellkraft zusammenwirkt.
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Uhrenpendel führen Drehschwingungen aus und schwingen im allgemeinen.
auf einer Kreisbahn. Die Dauer T einer Drehschwingung mit dem zum Verdrehungswinkel
a proportionalen Drehmoment M bzw. dem Richtmoment D und dem Trägheitsmc.ment O
beträgt
Bei einem Kreispendel mit konstanter Pendellänge Z bleibt das Trägheitsmoment
O = znl2 konstant. Das Drehmoment M = Z# m - g- sina nimmt
dagegen nicht proportional mit dem Verdrehungswinkel a, sondern nur mit Sinus des
Verdrehungswinkels a zu. Denn auch die Tangentialkomponente der Erdbeschleunigung
g nimmt nur mit dem Sinus des Drehwinkels a zu. Das Pendel wird also um so langsamer
schwingen, je größer seine Auslenkung aus der Mittellage ist. Die genaue Dauer T
der Schwingung eines Kreispendels beträgt
Die Zeitgenauigkeit eines Pendels hängt also von der Konstanz der Pendellänge L
der Erdbeschleunigung g und der Schwingungsweite a zwischen der Nullage und dem
Umkehrpunkt des Pendels ab. Von diesen die Konstanz der Schwingungsdauer bestimmenden
Größen können die Erdbeschleunigung g und die Pendellänge l mit ausreichender Genauigkeit
konstant gehalten werden. Dagegen ändern sich die bei schwingendem Pendel auftretenden
Reibungsverluste und die Energiezufuhr in nicht kontrollierbarer Weise. Es entstehen
dadurch unvermeidbare Amplitudenschwankungen, und diese haben unterschiedliche Schwingungszeiten
und damit Gangfehler des Pendels zur Folge.
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Um diese Gangfehler zu vermeiden, strebt man konstante Amplituden
an. Dieses ist aber nur sinnvoll, wenn sich- das Verhältnis
der beiden anderen, die Schwingungsdauer bestimmenden Größen nicht gleichzeitig
ändert. Die Pendellänge Z bleibt konstant, und der Winkei a soll konstant gehalten
werden; es wird also jede zusätzliche Krafteinwirkung, welche die Amplitude beeinflußt
und einer Änderung der Erdbeschleunigung gleichzusetzen ist, die Schwingungszeit
verändern. Die bekannte Einwirkung auf den Pendelmagneten mittels eines zusätzlichen
Dauermagneten, wobei das Pendel in der Nähe des .Umkehrpunktes zur Energie der Lage
noch magnetische Energie speichert, kann demnach keinesfalls durch Konstanthalten
der Amplitude eine konstante Schwingungszeit erzielen. ..
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Bekannt ist auch eine Amplitudenkompensation durch Wirbelstromdämpfung,
wobei beispielsweise ein Stabmagnet mehr oder weniger tief in einen Kupferring hineinschwingt.
Da dem Pendel mehr oder weniger Energie entzogen wird, handelt es sich um einen
Regelvorgang, bei dem das Pendel um die gewünschte Amplitude herumschwankt. Es ist
also, wie bei jedem Regelvorgang, Konstanz der Amplitude möglich. Auch durch diese
kurzzeitigen Amplitudenänderungen entstehen jedoch auf jeden Fall Gangfehler, auch
wenn die Amplitude im Mittei
völlig konstant gehalten werden kann.
Wegen des nicht geradlinigen Verlaufs der Zeitänderung bei sich ändernder Amplitude
können nämlich Zeitfehler, welche bei einem von der Normalamplitude abweichenden
größeren Ausschlag entstehen, nicht durch einen entsprechend gleich viel von der
Normalamplitude abweichenden, kleineren Ausschlag ausgeglichen werden.
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Ferner ist auch bekannt, die Änderungen der Pendellänge L infolge
Temperaturschwankungen durch einen zusätzlichen Dauermagneten im Bereich des schwingenden
Magnetfeldes auszugleichen. Dazu wird der Dauermagnet durch temperaturabhängige
Mittel in seiner Wirklage derart verändert bzw. muß er seine magnetischen Eigenschaften
mit der Temperatur so ändern, daß nun die gemeinsame, durch die Erdbeschleunigung
und die magnetische Kraft gebildete Pendelkonstante g' mit der . geänderten Pendellänge
L' die gleiche Pendelschwingungszeitwie vor der Temperaturänderung ergibt. Ferner
ist es bei einer Unruh bekannt, die Veränderung der Elastizität der Unruhfeder durch
temperaturabhängige Änderung von auf die Unruh einwirkenden magnetischen Kräften
auszugleichen. r: .
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Wegen der unterschiedlichen, nicht kontrollierbaren Energiezufuhr
und Energieverluste ist also beim Pendel keine völlig konstante Amplitude zu erreichen.
Der Gangfehler kann also nur durch ein isochrones Pendel vermieden werden.-- Isochron
heißt zeitgleich und bedeutet die Eigenschaft schwingender Körper, kleine und große
Schwingungsamplituden in der gleichen Zeit auszuführen. Ein Pendel, dessen Massenmittelpunkt
sich statt aufsl'einer Kreislinie auf einer gemeinen Kreiszykloide bewegt, schwingt
isochron. Es ist nun bekannt, ein Kreispendel zu einem Zykloidenpendel zu machen,
indem man entsprechend der Amplitude die Pendellänge verkürzt. Ein Vorschlag von
H uy g en s , der auch den Isochronismusfehler entdeckte und seine Erklärung fand,
geht dahin, am Aufhängepunkt zylindrische Backen anzubringen. Diese zwingen ein
normales Pendel, wenn sich beim Schwingen der Pendelfaden bzw. die Aufhängefeder
an die Backen anlegt, in die Bahn einer Kreiszykloide, weil mit wachsendem Ausschlag
die Pendellänge verkürzt wird. Bei dieser Anordnung schleichen sich aber Reibungsfehler
und sonstige Ungenauigkeiten ein, so daß diese Nachteile die Vorteile aufwiegen.
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Ferner ist die Beeinflussung eines Pendels mittels ferromagnetischer
Stoffe oder durch eine stromdurchflossene Spule bekannt, wodurch ein normales Kreispendel
in einem gewissen Bereich mit konstanter Schwingungsdauer unabhängig von der Schwingungsweite,
also isochron schwingt. Die magnetischen Kräfte ergänzen dabei dieDrehmomentdifferenz,
welche entsteht, weil die Tangentialkornponente der Erdbeschleunigung nicht dem
Verdrehungswinkel, sondern dessen Sinus proportional ist. Es handelt sich hierbei
um sehr kleine, genau zu dimensionierende Kräfte. Ein Dauermagnet müßte deshalb
in einem solchen Abstand angeordnet werden, daß umgebende Störfelder seine Vorteile
aufheben würden, oder er müßte zur Vermeidung dieses Nachteiles so klein hergestellt
werden, daß dies technisch nicht möglich ist. Auch para- und diamagnetische Körper,
die in technisch brauchbarer Größe herzustellen bzw. in geringer Entfernung zum
Pendel anzuordnen wären, sind wegen der Wirbelstromverluste nicht schlechthin verwendbar.
So heben z. B. für Kupfer die Wirbelstromverluste die Vorteile einer magnetischen
Kompensation auf, und sogar eine stromdurchflossene Spule wirkt noch dämpfend, da
in ihr Induktionsströme entstehen.
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Die Erfindung bezweckt, die Schwingungsdauer eines normalen, für Präzisionsuhren
verwendeten Kreispendels unabhängig von seinen schwankenden Amplituden über einen
gewissen Bereich konstant zu halten, indem ein außerhalb des Pendels vorgesehener
Kompensationskörper magnetisch mit einem Pendelmagneten im Sinne der Erzeugung einer
mit wachsendem Pendelausschlag zunehmenden Rückstellkraft zur Erzielung einer von
der Schwingungsweite unabhängigen konstanten Schwingungsdauer des Pendels zusammenwirkt.
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Bei Uhrenpendeln der eingangs genannten Art. wird dies erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß der Pendelmagnet mit zwei gegenüberliegenden Polen den Ko@mpens@ationskörper,
vorzugsweise in der Nullage des Pendels, mit verhältnismäßig kleinem Luftspalt umfaßt
und für den Kompensationskörper ein paramagnetischer Stoff erheblich geringerer
Permeabilität als derjenigen ferromagnetischer Stoffe so ausgewählt wird, daß in
gewissen Grenzen die Schwingungsdauer des Pendels von der Schwingungsweite unabhängig
konstant bleibt, z. B. durch Verwendung von Chrom (III) -oxyd.
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Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung an Hand eines
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Fig. 1 und 2 dienen der Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden
Problems; Fig. 3 a und 3 b zeigen das Ausführungsbeispiel in Vorder- und Seitenansicht,
von welchem Fig. 4 einen Schnitt A-B (Fig. 3 b) in größerem. Maßstab durch den am
Pendel befestigten Dauermagneten darstellt; Fig. 4a bis 4c sind Diagramme zur Erläuterung
der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels.
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In Fig. 1 stellt der Kreis K die Bahn eines Kreispendels dar, und
die Kurve Z zeigt als Schwingungsbahn eine gemeine Kreiszykloide. In diese zwingen
die zylindrischen Backen B ein normales Pendel, weil sich beim Schwingen der Pendelfaden
bzw. die Pendelfeder an sie anlegt und so mit wachsendem Ausschlag die Pendellänge
verkürzt.
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Fig. 2 zeigt im Diagramm den Fehler eines Kreispendels, welches nicht
isochron schwingt; man ersieht daraus, daß dieser Fehler mit der Amplitude quadratisch
anwächst.
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In Fig. 3 ist das Pendel mit der Feder 1 aufgehängt. Der Schaft 2
trägt die Linse 3, die Stellschraube 4 und daran den Dauermagneten 5, dessen Luftspalt
so angeordnet ist, daß das darin befindliche homogene Kraftfeld senkrecht auf der
Schwingungsebene des Pendels steht. Ein paramagnetischer Körper 6 ist ortsfest im
Luftspalt des Dauermagneten 5 so angeordnet, daß beim Schwingen des Pendels der
Körper 6 aus dem homogenen Kraftfeld des Dauermagneten 5 herausschwingt und das
Pendel so beeinflußt, ohne dieses mechanisch zu berühren.
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Fig. 4 zeigt den Dauermagneten 5 im Schnitt A-B derart, daß die Feldlinien
7 im Luftspalt senkrecht zur Zeichenebene austreten,. Der Kompensationskörper 6
aus einem richtig ausgewählten paramagnetischem Werkstoff, z. B. eine Pille aus
Chrom(III)-oxyd von etwa 1o mg'Gewicht, befindet sich symmetrisch in der Mittelachse
des ruhenden Magneten 5. Im Diagramm 4a ist die Induktion 2 im Luftspalt als Funktion
der Strecke s längs des Magneten 5 dargestellt. Bewegt sich der Magnets beim Schwingen
des Pendels 1 in Pfeilrichtung mit der Geschwindigkeit
v,
so bewegt sich natürlich gleichzeitig das Magnetfeld des Luftspaltes (Induktion
2) in gleicher Richtung. Der paramagnetische Körper 6 kommt in das linke Gebiet
abnehmender Induktion. Einen paramagnetischen Körper sucht ein sich änderndes Feld
zu sich hereinzuziehen. Diese Kräfte sind vom Feldgradienten abhängig, so daß sich
bei Verwendung eines paramagnetischen Körpers der im Diagramm4b dargestellte Kräfteverlauf
als Funktion des Ausschlagwinkels a ergibt. Die Kraftrichtung P zur Pendelruhelage
hin sei als positiv angenommen. Dabei wurde der Kompensationskörper 6 so angeordnet,
daß bei einer normalen Schwingungsweite von n/90 (entsprechend einem Winkelausschlag
von 2°) die Krafteinwirkung noch gering ist, bei einem weiteren Ausschlag aber sofort
stark ansteigt. Diese starke Kraftzunahme in Richtung zur Ruhelage kurz vor dem
Umkehrpunkt bewirkt Isochronismus für gewisse Schwankungen der Schwingungsweite,
wie das korrigierte Diagramm 4c »der Gangänderung in Abhängigkeit vom Pendelausschlag«
im schraffierten Bereich zeigt.