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Mechanisches Schwingsystem, insbesondere Pendel oder Unruh zum Anfrieb
von Uhren und anderen zeithaltenden Geräten Die Erfindung betrifft ein mechanisches
Schwingsystem, insbesondere Pendel oder Unruh zum Antrieb von Uhren und anderen
zeithaltenden Geräten, das von einem durch einen elektronischen Kreis erzeugten
Magnetfeld angetrieben wird und Mittel zur Kompensation der temperaturabhängigen
Gangänderung (des Temperaturganges) des Schwingsystems aufweist.
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Als Nachteil hat sich bei diesen Anordnungen die ebenfalls bekannte
Tatsache herausgestellt, daß die meisten elektronischen Schaltungsanordnungen eine
verhältnismäßig starke Temperaturabhängigkeit besitzen, weil die in ihnen verwendeten
Schaltungsbauelemente, beispielsweise Transistoren, besonders solche aus Germanium,
temperaturabhängige Widerstandskennlinien aufweisen. Diese Temperaturabhängigkeit
überträgt sich im allgemeinen auch auf das mechanische Schwingsystem bzw. auf die
durch dieses bestimmte Frequenz, was sich besonders bei dessen Anwendung zum Antrieb
und/oder zur Steuerung von Uhren und anderen zeithaltenden Geräten nachteilig auswirkt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, diesen Nachteil dadurch zu vermeiden,
daß der Temperaturgang des elektronischen Kreises durch einen passend gewählten
und geeignet geschalteten temperaturabhängigen Widerstand, beispielsweise einen
Heißleiter, kompensiert wird. Diese Kompensation läßt sich jedoch nur schwer in
idealer Weise verwirklichen, weil man die Temperaturkurve des Kompensationselementes
nicht mit völliger Genauigkeit der gewünschten Form anpassen kann.
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Eine bekannte Maßnahme zur Kompensation der Temperatureinflüsse auf
den Gang des Pendels besteht darin, einem am Pendelende angeordneten Magneten, der
mittels einer an einen elektronischen Kreis angeschlossenen Steuer- und Generatorspule
in Schwingung gehalten wird, einen ortsfesten Magneten aus temperaturabhängigem
Magnetmaterial zuzuordnen, dessen magnetische Feldkraft unter dem Einfluß der Temperatur
variiert und somit einen ehtsprechend variablen Einfluß auf den Pendelgang ausübt,
wodurch dessen Temperaturabhängigkeit kompensiert wird.
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Eine andere bekannte Anordnuna zur Kompensation des Temperaturganges
besteht darin, dem schwingenden Magneten eine Kurzschlußspule zuzuordnen, bei der
selbsttätig eine von der Amplitude des Pendels abhängige elektromagnetische Bremskraft
beim -periodischen Hin- und Herschwingen des ZD Pendelmagneten erzeugt wird.
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- - Die beiden bekannten Maßnahmen sind jedoch zur hinreichenden
Kompensation der durch die bei elektronischen Uhren auftretenden, stark temperaturabhängigen
Transistorrestströme bedingten Temperaturfehler des Ganges der Uhr nicht geeignet,
da die Kompensationswirkung entweder nur bei zu großer oder nur bei zu kleiner Schwingungsamplitude
eintritt, nicht aber je nach Erfordernis in beiden Fällen nebeneinander.
Im üb#rigen entsteht durch diese bekannten Kompensation#maßnahinen ein wenn .auch
nur vergleichsweise geringfügiger Energieverbrauch des Schwingers.
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Es ist zwar bereits vorgeschlagen -worden, durch Anwendung eines Bimetallkörpers
die Abstimmung des mechanischen Gebildes zu.-verändern und hierdurch den Temperatureinfluß
des elektronischen Kreises zu kompensieren, ohne diesen selbst primär zu beeinflusssen.
Dies hat jeä#ch.den Nachteil, daß eine Korrektur dieser Maßnaliffie einen Eingriff
in den Gang der mechanischen Anordnung voraussetzt und deshalb beispielsweise nicht
bei laufender Uhr vorgenommen werden kann.
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Die -Erfindung setzt sich die Aufgabe, einen anderen Weg zür Temperaturkompehsation
zu finden, der die Einstellung bei laufender Uhr, ohne Einflußnahme auf den durch
den elektronischen Antriebskreis erzeugten Antriebsimpuls ermöglicht und der nach
einmaliger Einstelluftg der Kompensation des Temperaturganges sowohl hinsichtlich
zu großer als auch zu kleiner Amplitude wirksam,ist.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe unter Vermeiduna der erwähnten
Nachteile dadurch gelöst, daß dem die Antriebsenergie liefernden Magnetfeld ein
weitgehend temperaturunabhängiges, gleichsinniges Zusatzgleichfeld solcher Größe
überlagert ist, daß das durch den temperaturabhängigen Transistors reststrom bedingte
Dauerfeld durch das Zusatzfeld so weit verstärkt wird, daß der, Temperaturgang ein
Minimum ist.
Es wird dabei also die überraschende Maßnahme angewendet,
das durch den Transistorreststrom gebildete, den Temperaturgang in erster Linie
hervorrufende Dauerfeld auch noch zu verstärken. Der erzielte Vorteil
- nämlich eine sehr weitgehende Kornpensation des Temperaturganges mit einfachen,
leicht zu bedienenden Mitteln - überwiegt bei weitem den Nachteil einer Vergrößerung
des Dauerfeldes mit entsprechender, allerdings nur geringfügiger Erhöhung des Energiebedarfs
und des entstehenden vergrößerten, jedoch nunmehr praktisch konstant bleibenden
Gangfehlers, dessen Ausregelung durch die ohnehin erforderliche Regellage ohne weiteres
möglich ist.
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Durch die Erfindung wird also der Vorteil erreicht, daß durch die
überlagerung eines im wesentlichen konstanten Zusatzgleichfeldes von bestimmter
Größe mit dem die Antriebsenergie liefernden Magnetfeld die Abhängigkeit des Ganges
des Schwingungssystems von Änderungen des Kreiswiderstandes der elektronischen Schaltung
und mithin von Änderungen des Dauerfeldes ein Minimum erreicht und damit auch der
Einfluß des stark temperaturvariablen Transistorreststromes ganz oder angenähert
aufgehoben wird.
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Die Fachwelt hat bisher noch nicht von der Tatsache Gebrauch gemacht,
daß - wie nachstehende Gleichung (5) zeigt - diese Abhängigkeit
bei zunehmendem Dauerfeld zunächst einem Minimum und sodann wieder höheren Werten
zustrebt. Dieses Minimum ist nicht sehr scharf ausgeprägt, so daß die bei der versuchsweisen
Einstellung der Kompensation des Temperaturganges nur einer Uhr ermittelten Werte,
auch bei anderen Uhren der gleichen Type ohne vorherigen weiteren Versuch eingestellt
werden können, ohne daß wesentliche, durch die Toleranzen der Bauelemente bedingte
Abweichungen in der Kompensation des Temperaturganges der Uhren zu be,-fÜrchten
wären.
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Die physikalischen Grundlagen der erfindungsgemäßen Kompensation des
Temperaturganges seien an Hand der folgenden rechnerischen Betrachtung erläutert:
Die Kreisfrequenz der Schwingung eines freien und gedämpften Pendels berechnet sich
zu (vergleiche z. B. »Die Uhr«, Bielefeld, 1957, Heft 4, S. 13)
Hierin ist c die Richtkraft pro Zentimeter, und zwar in Richtung der Schwingungsbahn.
Beim Pendel ist dies die Tangentialkomponente des Gewichtes G.
Die von der
Richtkraft ausgeübteXraft p wächst also mit dem Weg, mit dem Ausschlag x,
so daß bei gerader Kennlinie der Richtkraft p = c - x
wird.
. k bedeutet die Dämpfungskraft pro Einheitsgeschwindigkeit, also
pro cm/sec. Die von ihr ausgeübte Widerstandskraft W wächst also mit der Ge, schwindigkeit
so daß W = k - Y wird, Ihr Wort wird experimentell ermittelt und hat
die Dimension g-sec-l.
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m bedeutet die Masse (g), rm den- Radius des Schwingungsmittelpunktes
(cm) und v die Zeit einer Volfschwingung .(sec).
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Aus Gleichung (2) wird durch Einsetzen von Gleichung (1)
und unter Benutzung von Gleichung (3), also bei CP Bezugnahme auf das Feld
gl, ergibt sich dann die Zeit einer Vollschwingung zu
Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht das mechanische System aus einem Pendel, das
einen Permanentmagneten trägt, welcher in oder über einer Spule 2 schwingt, die
über einen Transistor an eine Batterie angeschlossen ist. In diesem Falle sind die
Masse m und der, Radius rm unabhängig vom Transistor, d. h. diesem gegenüber
konstant. Anders verhält es sich dagegen mit den Größen gl und k, d. h. mit
jenen Kräften, die den Schwinger in die Ruhelage zu ziehen versuchen.
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Die Größe gi drückt das Kraftfeld aus, in dem sich der Schwinger bewegt,
Dieses enthält jedoch nicht nur das Schwerefeld der Erde, sondern auch das Magnetfeld
der Spule, das durch den Reststrom des Transistorkreises erzeugt wird in Verbindung
mit dem Magnetfeld des Dauermagneten. Die Feldkraft gi ist also diejenige Größe,
in die die Temperaturabhängigkeit des elektronischen Kreises eingeht und auf Grund
deren nach Gleichung (5) auch die Frequenz des mechanischen Systems temperaturabhängig
wird, Steigt die Temperatur, so wird der Widerstand des Transistors kleiner, also
sein Reststrom größer, folglich auch das durch ihn erzeugte Magnetfeld und folglich
auch gl größer. Wie Gleichung (5)
zeigt, wird hierdurch die Schwingungszeit
kleiner, d. h., der Schwinger oder sonstige mechanische Körper bewegt sich
schneller.
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Bei der vorangehenden überlegung ist vorausgesetzt, daß das Feld des
Dauermagneten des Schwingsystenis sowie rm praktisch temperaturunabhängig sind.
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Die Größe k enthält alle Kräfte, welche der Bewe-"ung (Y des
mechanischen Körpers, vorzugsweise Schwingers, entgegenwirken, d. h. die
Schwingung des Pendels dämpfen. Die Dämpfungskraft setzt sich zusammen vor allem
aus der mechanischen Dämpfung auf Grund der Reibung des Schwingers am umgebenden
Medium, insbesondere der Luftreibung und der Lagerreibung, ferner der elektrischen
Dämpfungskraft auf Grund der vom schwingenden Magneten in den Spuleriwindungen induzierten
elektrischen Spannung.
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Wird diese Spannung durch einen Widerstand verbraucht, so wirkt der
entstehende Strom als dämpferide Kraft auf den Schwinger. Im vorliegenden Fall wird
der erwähnte Widerstand gebildet durch den Widerstand der Spulenwindungen, durch
den Transistor
und durch den Widerstand etwa kurzgeschlossener
Strombahnen. Alle diese Widerstände unterliegen den Temperaturänderungen. Steigt
hierbei die Temperatur, so wird der Widerstand des Transistors kleiner, derjenige
der Spulenwindungen - sofern Kupfer verwendet wurde - jedoch größer.
Sie wirken also gegensinnig. Wird aber ein solches Verhältnis beider gebildet, daß
der Gesamtwiderstand durch den Temperaturabstieg dennoch kleiner wird, so wird der
induzierte Strom größer, folglich wird auch k
größer. Wie Gleichung
(5) zeigt, wird dann die Schwingungszeitr größer, so daß der Schwinger langsamer
geht.
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Der Versuch bestätigt die aus der Gleichung (5)
C aewonnenen
Ergebnisse. Sie wurden an Hand eines Ausführungsbeispieles der Erfindung ermittelt,
das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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5 bedeutet eine Pendelstange, an deren Ende über einen Bügel
6 ein Dauermagnet 7 befestigt ist, welcher beim Schwingen periodisch
in drei Spulen 1, 2, 3
taucht. Die Spulen 1 und 2 liegen in
an sich bekannter Weise im Ein- und Ausgang eines Transistors 8.
Die Spule
1 dient als Steuerspule, während die im Ausgang des Transistors und in Serie
mit einer Spannungsquelle 9 liegende Spule 2 als Motorspule treibend auf
den Magneten 7 wirkt. Parallel zur Spule 2 liegt in bereits vorgeschlagener
Weise ein Dämpfungswiderstand 10.
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Die Spule 3 dient zur überlagerung eines geeigneten magnetischen
Zusatzfeldes. Sie ist über einen einstellbaren Widerstand 11 an eine Gleichspannungsquelle
12 angeschlossen. An Stelle der Spule 9 kann zur Erzeugung des Zusatzfeldes
auch die Antriebsspule 2 herangezogen werden. Der Erfindungsgedanke läßt sich sinngemäß
auch dann realisieren, wenn die Kennlinien der Richtkraft anders verlaufen als beim
Ausführungsbeispiel, also z. B. auch dann, wenn die Richtkraft nicht in einem linearen
Verhältnis zur Auslenkung des Schwingers steht.