EP4020094B1 - Verfahren und anordnung zur beeinflussung eines pendels einer mechanischen pendeluhr - Google Patents

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EP4020094B1
EP4020094B1 EP21216049.3A EP21216049A EP4020094B1 EP 4020094 B1 EP4020094 B1 EP 4020094B1 EP 21216049 A EP21216049 A EP 21216049A EP 4020094 B1 EP4020094 B1 EP 4020094B1
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EP
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pendulum
clock frequency
clock
permanent magnet
magnetic field
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Olaf Böttcher
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Olaf Boettcher Firma
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Olaf Boettcher Firma
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/02—Oscillators acting by gravity, e.g. pendulum swinging in a plane
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/225—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature with pendulums
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means
    • G04C3/02—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a pendulum
    • G04C3/027—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a pendulum using electromagnetic coupling between electric power source and pendulum

Definitions

  • the invention relates to a method and arrangement for influencing the movement of a pendulum of a mechanical pendulum clock.
  • Pendulum clocks have been known for centuries and their operating principle has been studied in detail and described in specialist literature.
  • a pendulum clock pendulum oscillates in the earth's gravitational field, with small swings, almost harmoniously, at a frequency that depends largely on the length of the pendulum and the acceleration due to gravity.
  • a simplified model which is also called a mathematical pendulum (in contrast to the physical pendulum, which is closer to reality but requires more complex considerations).
  • the pendulum movement with a resulting oscillation frequency or its reciprocal, the oscillation period is converted into a movement of the clock's hands.
  • a fundamental approach to solving the problem is to synchronize the oscillation of the pendulum of such a mechanical pendulum clock with an electronically generated oscillation of exactly the desired frequency, which is done, for example, in the DE 10 2007 061 333 A1 , GB 2 171 229 A or the BE 560 354 A
  • the oscillation period and/or oscillation width are influenced by regularly pushing or braking the pendulum, whereby an electromagnet is excited synchronously with a reference oscillation and thereby attracts a magnetizable element on the pendulum.
  • This electronically rather complex procedure forces the pendulum to behave differently when corrections are made than when it is oscillating freely.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and in particular to create a method and an arrangement for influencing the oscillation frequency of a pendulum of a mechanical pendulum clock, whereby a characteristic oscillation behavior of the pendulum should be disturbed as little as possible.
  • a corresponding computer program product should also be created.
  • a magnetic field which is constant for at least the duration of 10 pendulum oscillations is generated in the area of the pendulum or at least a partial area thereof, which runs essentially vertically, and a permanent magnet is arranged on the pendulum, in particular near the lower end of the pendulum, with a magnetic field orientation (orientation of the connecting line of its north and south poles) along the pendulum.
  • a non-magnetic magnetizable element in particular made of soft iron, can also be used, although with a much lower effect and only a limited area of application.
  • a permanent magnet is mentioned below, a magnetizable element is also included, as far as this is possible.
  • the magnetic coil is arranged centrally below the lower end of the pendulum, with the permanent magnet being arranged near the lower end of the pendulum.
  • the magnetic coil can be arranged e.g. 1 to 50 cm [centimeters], preferably 5 to 20 cm below the pendulum, while the permanent magnet is arranged 0.5 to 10 cm, preferably 2 to 5 cm from the lower end.
  • the method also works with other configurations of magnetic coil and permanent magnet, because the principle does not depend on the height of the pendulum at which the permanent magnet is arranged and/or whether the magnetic coil is arranged above or below or at the same height as the permanent magnet.
  • the magnetic coil below the pendulum, for example for optical reasons and/or because of the movement and accessibility of the pendulum. It can also be useful, for example, to arrange the magnetic coil and permanent magnet in an upper area of the pendulum, because this is where the movement of the permanent magnet (circular path segment) is smaller and therefore a smaller magnetic coil with a stronger magnetic field can be used.
  • the invention takes a special approach to influencing a pendulum that can be seen as particularly suitable for the typical mechanical processes of a pendulum clock.
  • it does not work with magnetic fields that change briefly as needed, which accelerate or decelerate the pendulum at short intervals and thus disturb the harmony of its oscillation, but rather a magnetic influence is generated that acts almost like a gravitational field, i.e. it exerts a constant force or acceleration on the pendulum over long periods of time, e.g. over at least 10, 100 or more oscillations of the pendulum.
  • the strength and direction of this is set so that the pendulum oscillates at exactly the desired frequency in its current state (in particular with a given length).
  • the magnetic field would be set so that it partially compensates for the acceleration due to gravity; if the clock were to run too slowly, a magnetic field would be added to the gravitational field. If the earth's gravitational field were variable, a pendulum would move faster as the gravitational field increased and slower as it decreased. This is precisely the effect that is achieved by superimposing the earth's gravity with a magnetic field according to the invention.
  • a permanent magnet and a magnetizable element as the latter is only magnetized by the magnetic coil (and is always attracted), and therefore cannot produce a repulsive effect.
  • a magnetizable element can only make clocks run faster, not slower than without a magnetic field.
  • a magnetic coil with an (iron) core can also be used for this, as the element only interacts with the core when it is magnetic due to the magnetic coil, whereas a permanent magnet would always interact with a core of the magnetic coil.
  • a magnetic influence according to the invention cannot be generated, as has been attempted in the prior art, with one or more bar magnets or magnetizable elements and one or more magnetic coils that are operated with current pulses.
  • a magnetic coil in particular an air coil with a diameter preferably in the order of magnitude of the oscillation range of the pendulum, is arranged in a horizontal position and used to generate an approximately homogeneous magnetic field parallel to the earth's gravity by means of a direct current flowing in the magnetic coil, namely in the area of the lower end of the pendulum, where the permanent magnet is attached and is constantly attracted or repelled by the magnetic field of the coil.
  • Each direct current flowing in the magnetic coil therefore results in a change in the overall acceleration that acts on the pendulum, as if the gravitational constant were changing.
  • the direct current is set depending on a difference between the first clock frequency and a predeterminable second clock frequency so that the pendulum oscillates at the second clock frequency, if necessary up to an adjustment of the phases of the oscillations.
  • a measuring unit measures the first clock frequency and/or derives it from at least one measured value characteristic of the first clock frequency, whereby the first clock frequency is then compared in a comparator with a predeterminable second clock frequency (or a phase angle) and whereby the direction and strength of the magnetic field is determined and set from the result of the comparison. Since the changes in the clock frequency are tiny and take place over long periods of time, no particular accuracy is required for the timing of the comparison and changes. The typical procedure of synchronization with synchronization pulses that run at exactly the right time is not required.
  • phase-accurate control or tracking is possible, for example with electronics as used in the DE 25 43 171 A1
  • the phases of the clock pendulum and the comparison clock are counted and the clock pendulum is influenced in such a way that the same number of phases (transitions) occur per unit of time or that any deviations that occur are compensated.
  • Even for old mechanical clocks, long-term accuracies of less than 1 second deviation from a reference time can be achieved, which is very useful, for example, for a bell to ring at certain times.
  • the maximum speed of the pendulum and/or the duration of a pendulum oscillation is measured using the induction generated by the permanent magnet in the magnetic coil.
  • the movement of the permanent magnet relative to the magnetic coil induces a voltage or current in the coil which is superimposed on the supply current of the magnetic coil, provided the supply current is not switched off for the measurement.
  • the speed of the pendulum at the lowest point of the pendulum oscillation can be measured with or without a magnetic field and adjusted to a reference speed (at which the clock runs accurately), even with phase accuracy. Knowing the maximum speed also makes it possible to determine the maximum width of the pendulum oscillation, so that, for example, a warning or countermeasures can be given if the pendulum threatens to fall below a minimum width required for the clock in question.
  • an arrangement for magnetically influencing a pendulum of a mechanical pendulum clock is proposed.
  • the pendulum has an upper pivot point and a lower end, which can oscillate on a circular path segment at a first clock frequency due to the acceleration of gravity in a plane.
  • at least one iron-free magnetic coil also called an air coil
  • a permanent magnet or a non-magnetic magnetizable element
  • a variable direct current source is available to supply the magnetic coil with direct current.
  • the direct current can be changed in direction and/or strength manually in order to compensate for an observed inaccuracy in the clock.
  • a measuring device for measuring a voltage induced by the permanent magnet in the magnetic coil and for determining the first clock frequency and/or maximum speed of the permanent magnet relative to the magnetic coil. This makes it possible to measure precisely whether or not the clock has a desired oscillation frequency for each pendulum oscillation or at predeterminable time intervals.
  • a reference frequency generator for outputting a second clock frequency (reference frequency) and a comparator are provided which is set up to compare the first and second clock frequencies and to regulate the direct current source by means of a control unit so that the first clock frequency matches the second clock frequency.
  • This type of synchronization is very simple and not very susceptible to interference, but ultimately results in the influenced pendulum oscillating at exactly the desired frequency.
  • the direct current source, measuring unit, reference frequency generator, comparator and control unit are integrated together to form an electronic unit which controls all of the described processes by means of a microprocessor. As mentioned, it is even possible to regulate and synchronize the pendulum clock with a reference clock with precise phase accuracy.
  • a further aspect of the invention also relates to a computer program product comprising instructions which cause the described arrangement to carry out the described method.
  • the electronic unit controls the sequence of the method with the aid of a program, and this program can be updated, for example, by a computer program product.
  • the explanations of the procedure can be used to characterize the arrangement in more detail, and vice versa.
  • the arrangement can also be set up in such a way that the procedure is carried out with it.
  • FIG. 1 the schematic structure of the arrangement according to the invention.
  • a mechanical pendulum clock 2 is shown with a pendulum 1 which is suspended so that it can rotate on a pivot point 3 and has a weight 5 in the area of its lower end 4.
  • a pendulum 1 shown here in the resting position, swings back and forth on a circular path segment 6 in a plane of oscillation under the influence of gravity or the acceleration due to gravity g (indicated by an arrow) when it is repeatedly pushed by a clockwork.
  • the frequency of the oscillation depends essentially on the length L of the pendulum 1 (and the constant acceleration due to gravity g), whereby this length L in a real pendulum (physical pendulum) is the distance between the pivot point 3 and the center of gravity 16 of the pendulum 1.
  • a permanent magnet 7 is attached to the pendulum 1, in the present embodiment near the lower end 4 of the pendulum 1, with its north pole N or south pole S in the direction of the pivot point 3 and with the other pole in the direction of the lower end 4.
  • the exact shape of the permanent magnet 7 and the way it is attached are not important.
  • an ironless magnetic coil 8 air coil
  • the magnetic coil 8 can also have an iron core.
  • An electronics unit 11 has a direct current source 10 which supplies the direct current for the magnetic coil 8.
  • a measuring unit 12 is used to measure the clock frequency of the oscillation of the pendulum 1, which can be done in particular by measuring a voltage (or current) induced in the magnetic coil 8 by the movement of the permanent magnet 7.
  • the first clock frequency determined in this way is compared by a comparator 14 with a second clock frequency generated by a reference frequency generator 13, with the result of the comparison being used to control the direct current source via a control unit 15 so that the first clock frequency adjusts to the second clock frequency (reference frequency).
  • the comparator 14 can also be designed for a phase comparison.
  • the invention is particularly suitable for large clocks where adjusting the time and/or changing the length of the pendulum is very time-consuming.
  • the clock's oscillation frequency can be synchronized with a reference frequency, thus greatly increasing the clock's accuracy.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Beeinflussung der Bewegung eines Pendels einer mechanischen Pendeluhr.
  • Pendeluhren sind seit Jahrhunderten bekannt und ihr Funktionsprinzip ist ausführlich untersucht und in der Fachliteratur beschrieben. Ein Pendel einer Pendeluhr führt im Gravitationsfeld der Erde eine bei kleinen Ausschlägen annähernd harmonische Schwingung mit einer Frequenz durch, die maßgeblich von der Länge des Pendels und von der Erdbeschleunigung abhängt. Für Zwecke der vorliegenden Erfindung genügt die Betrachtung eines vereinfachten Modells, welches auch mathematisches Pendel (im Gegensatz zum physikalischen Pendel, welches der Realität näher kommt, aber komplexere Betrachtungen erfordert) genannt wird. Die Pendelbewegung mit einer sich ergebenden Frequenz der Schwingung bzw. deren Kehrwert, der Schwingungsdauer, wird in eine Bewegung der Zeiger der Uhr umgesetzt.
  • Die Frequenz wird z. b. kleiner bei Vergrößerung der Länge des Pendels. Da sich diese in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wurden große Anstrengungen zur Kompensation dieses Effektes unternommen. Trotzdem kann kaum eine mechanische Pendeluhr selbst bei sogfältiger Einstellung und Wartung die Genauigkeit einfacher elektronischer Uhren erreichen. Je nach Art des mechanischen Energiespeichers (z. B. Gewicht zum Aufziehen, Spiralfeder und dergleichen) kann es noch zu anderen (oft nicht linearen) Effekten kommen, die die Ganggenauigkeit beeinflussen. Dies gilt in besonderer Weise auch für sehr alte Pendeluhren und insbesondere für große Uhren (sogenannte Großuhren oder Turmuhren), wie sie auch heute noch in Kirchtürmen, Rathaustürmen und historischen Gebäuden Verwendung finden. Trotz guter Wartung gehen diese Uhren oft vor oder nach und können auch nicht nachhaltig richtig eingestellt werden, weil sie z. B. Wind und Wetter (vor allem aber Temperaturschwankungen) ausgesetzt sind. Da das (regelmäßige) Nachstellen sehr aufwändig ist und Kosten verursacht, wird schon lange nach Lösungen für dieses Problem gesucht. Dabei kommt es nicht so sehr darauf an, dass die Uhr von sich aus richtig geht, sondern darauf, dass die Uhr trotz Erhaltung ihrer ursprünglichen Substanz und Mechanik für die Öffentlichkeit die richtige Uhrzeit anzeigt.
  • Ein grundsätzlicher Ansatz zur Lösung des Problems besteht darin, die Schwingung des Pendels einer solchen mechanischen Pendeluhr mit einer elektronisch erzeugten Schwingung genau der gewünschten Frequenz zu synchronisieren, was beispielsweise in der DE 10 2007 061 333 A1 , GB 2 171 229 A oder der BE 560 354 A beschrieben ist. Durch regelmäßiges Anstoßen oder Abbremsen des Pendels wird die Schwingungsdauer und/oder Schwingungsweite beeinflusst, wobei ein Elektromagnet synchron zu einer Referenzschwingung erregt wird und dabei ein magnetisierbares Element am Pendel anzieht. Dieses elektronisch recht aufwändige Vorgehen zwingt dem Pendel bei Korrekturen ein anderes Verhalten auf als bei einer freien Schwingung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere die Schaffung eines Verfahrens und einer Anordnung zur Beeinflussung der Schwingungsfrequenz eines Pendels einer mechanischen Pendeluhr, wobei ggf. ein charakteristisches Schwingungsverhalten des Pendels möglichst wenig gestört werden soll. Insbesondere soll eine Einstellung der Schwingungsfrequenz auf eine vorgebbare Referenzfrequenz ermöglicht werden. Auch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt soll geschaffen werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur magnetischen Beeinflussung eines Pendels einer mechanischen Pendeluhr, wobei das Pendel einen oberen Drehpunkt und ein unteres Ende hat, welches aufgrund der Erdbeschleunigung in einer Ebene mit einer ersten Taktfrequenz auf einem Kreisbahnsegment schwingen kann, wird ein für mindestens die Dauer von 10 Pendelschwingungen konstantes Magnetfeld im Bereich des Pendels oder zumindest einem Teilbereich davon erzeugt, welches im Wesentlichen vertikal verläuft, und wobei an dem Pendel, insbesondere in der Nähe des unteren Endes des Pendels ein Permanentmagnet angeordnet wird, und zwar mit einer Magnetfeldausrichtung (Ausrichtung der Verbindungslinie seines Nord- und Südpoles) entlang des Pendels. Statt eines Permanentmagneten kann auch ein unmagnetisches magnetisierbares Element, insbesondere aus Weicheisen verwendet werden, allerdings mit weit geringerer Wirkung und nur begrenztem Anwendungsbereich. Wenn im Folgenden von einem Permanentmagneten die Rede ist, ist auch ein magnetisierbares Element eingeschlossen, soweit dies möglich ist.
  • Bevorzugt wird die Magnetspule mittig unterhalb des unteren Endes des Pendels angeordnet, wobei der Permanentmagnet in der Nähe des unteren Endes des Pendels angeordnet ist. Je nach Größe des Pendels kann die Magnetspule z. B. 1 bis 50 cm [Zentimeter], vorzugsweise 5 bis 20 cm unterhalb des Pendels angeordnet sein, während der Permanentmagnet 0,5 bis 10 cm, vorzugsweise 2 bis 5 cm vom unteren Ende entfernt angeordnet ist. Gleichwohl funktioniert das Verfahren auch mit anderen Konstellationen von Magnetspule und Permanentmagnet, weil das Prinzip nicht davon abhängig ist, in welcher Höhe des Pendels der Permanentmagnet angeordnet ist und/oder ob die Magnetspule über oder unter oder in gleicher Höhe des Permanentmagneten angeordnet ist.
  • Im Allgemeinen wird es aber z.B. auch aus optischen Gründen und/oder wegen der Bewegung und Zugänglichkeit des Pendels bevorzugt sein, die Magnetspule unterhalb des Pendels anzuordnen. Es kann beispielsweise auch sinnvoll sein, Magnetspule und Permanentmagnet in einem oberen Bereich des Pendels anzuordnen, weil dort die Bewegung des Permanentmagneten (Kreisbahnsegment) kleiner ist und daher auch eine kleinere Magnetspule mit stärkerem Magnetfeld eingesetzt werden kann.
  • Die Erfindung wählt einen besonderen Ansatz zur Beeinflussung eines Pendels, den man als besonders passend zu den typischen mechanischen Abläufen der Pendeluhr ansehen kann. Es wird insbesondere nicht mit bei Bedarf kurzzeitig wechselnden Magnetfeldern gearbeitet, die das Pendel in kurzen Zeitintervallen beschleunigen oder abbremsen und damit die Harmonie seiner Schwingung stören, sondern es wird eine magnetische Beeinflussung erzeugt, die sich nahezu wie ein Gravitationsfeld auswirkt, also über große Zeiträume, z. B. über mindestens 10, 100 oder mehr Schwingungen des Pendels, eine konstante Kraft bzw. Beschleunigung auf das Pendel ausübt. Diese wird in Stärke und Richtung gerade so eingestellt, dass das Pendel in seinem aktuellen Zustand (insbesondere mit einer gegebenen Länge) genau mit der gewünschten Frequenz schwingt. Würde die Uhr von sich aus zu schnell gehen, so wird das Magnetfeld so eingestellt, dass es die Erdbeschleunigung teilweise kompensiert, würde die Uhr zu langsam gehen, wird ein Magnetfeld zum Gravitationsfeld hinzuaddiert. Wäre das Gravitationsfeld der Erde veränderlich, so würde sich ein Pendel bei zunehmendem Gravitationsfeld schneller bewegen und bei abnehmendem langsamer. Genau dieser Effekt wird durch das Überlagern der Erdanziehung mit einem erfindungsgemäßen Magnetfeld erreicht. Hier gibt es allerdings einen Unterschied zwischen Permanentmagnet und magnetisierbarem Element, da letzteres nur durch die Magnetspule magnetisiert (und immer nur angezogen) wird, also keine abstoßende Wirkung erzeugen kann. Neben der sehr viel schwächeren Wirkung gegenüber einem Permanentmagneten kann ein magnetisierbares Element Uhren nur schneller gehen lassen, nicht aber langsamer als ohne Magnetfeld. Dafür kann allerdings anders als bei Verwendung eines Permanentmagneten auch eine Magnetspule mit (Eisen-)Kern verwendet werden, da das Element nur mit dem Kern wechselwirkt, wenn dieser durch die Magnetspule magnetisch ist, ein Permanentmagnet aber immer mit einem Kern der Magnetspule wechselwirken würde.
  • Eine erfindungsgemäße magnetische Beeinflussung kann nicht, wie es im Stand der Technik bisher versucht wurde, mit einem oder mehreren Stabmagneten oder magnetisierbaren Elementen und einer oder mehreren Magnetspulen, die mit Stromstößen betrieben werden, erzeugt werden. In Abkehr davon wird vielmehr eine Magnetspule, insbesondere eine Luftspule mit einem Durchmesser vorzugsweise in der Größenordnung der Schwingungsweite des Pendels, in waagerechter Lage angeordnet und genutzt, um durch einen in der Magnetspule fließenden Gleichstrom ein annähernd homogenes Magnetfeld parallel zur Erdanziehung zu erzeugen, nämlich im Bereich des unteren Endes des Pendels, wo der Permanentmagnet befestigt ist, und von dem Magnetfeld der Spule dauernd angezogen oder abgestoßen wird. Jeder in der Magnetspule fließende Gleichstrom bewirkt also im Ergebnis eine Veränderung der Gesamtbeschleunigung, die auf das Pendel wirkt, so als würde die Gravitationskonstante verändert.
  • Dies kann man in einfachster Form vorteilhaft ausnutzen, um z. B. manuell bei erkannter und/oder gemessener Gangungenauigkeit einer Pendeluhr einen bestimmten Gleichstrom einzustellen, der die Ungenauigkeit möglichst genau ausgleicht. Eine Veränderung der Länge des Pendels ist dazu nicht erforderlich. Sofern gewisse Abweichungen von der wirklichen Uhrzeit tolerierbar sind, kann man auch bei Erreichen einer Toleranzschwelle das Magnetfeld entsprechend ändern, um die Uhr wieder in Richtung der richtigen Uhrzeit zu beeinflussen (und dann das Magnetfeld z. B. wieder ändern oder abschalten). Dies alles kann ohne Manipulationen an der Uhr und sogar aus der Ferne vorgenommen werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es aber, eine automatische Synchronisation mit einer elektronischen Schwingung konstanter Frequenz vorzunehmen. Dazu wird der Gleichstrom in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der ersten Taktfrequenz und einer vorgebbaren zweiten Taktfrequenz, so eingestellt, dass das Pendel in der zweiten Taktfrequenz schwingt, bei Bedarf bis hin zu einem Angleich der Phasen der Schwingungen.
  • Bevorzugt misst eine Messeinheit die erste Taktfrequenz und/oder leitet diese aus mindestens einem für die erste Taktfrequenz charakteristischen Messwert ab, wobei die erste Taktfrequenz dann in einem Vergleicher mit einer vorgebbaren zweiten Taktfrequenz (oder einem Phasenwinkel) verglichen wird und wobei aus dem Ergebnis des Vergleiches die Richtung und Stärke des Magnetfeldes bestimmt und eingestellt wird. Da es sich um winzige Änderungen der Taktfrequenz und um lange Zeiträume handelt, ist keine besondere Genauigkeit für die zeitlichen Abläufe von Vergleich und Änderungen erforderlich. Das typische Vorgehen einer Synchronisation mit zeitlich exakt ablaufenden Synchronisationspulsen ist nicht erforderlich. Trotzdem ist sogar eine phasengenaue Regelung bzw. Nachführung möglich, beispielsweise mit einer Elektronik, wie sie in der DE 25 43 171 A1 beschrieben ist. Dabei werden die Phasen von Uhrpendel und Vergleichsuhr gezählt, und das Uhrpendel gerade so beeinflusst, dass gleichviele Phasen(durchgänge) pro Zeiteinheit erfolgen oder auftretende Abweichungen ausgeglichen werden. Dabei können selbst für alte mechanische Uhren auf Dauer Genauigkeiten von weniger als 1 sec Abweichung von einer Referenzzeit erreicht werden, was z. B. für einen Glockenschlag zu bestimmten Zeiten sehr nützlich ist.
  • Bevorzugt wird die maximale Geschwindigkeit des Pendels und/oder die Dauer einer Pendelschwingung anhand der Induktion gemessen, die der Permanentmagnet in der Magnetspule erzeugt. Durch die Bewegung des Permanentmagneten relativ zur Magnetspule wird in dieser eine Spannung bzw. ein Strom induziert, der sich dem Versorgungsstrom der Magnetspule überlagert, sofern der Versorgungsstrom zur Messung nicht abgeschaltet wird. So kann man die Geschwindigkeit des Pendels im tiefsten Punkt der Pendelschwingung mit oder ohne Magnetfeld messen und an eine Referenzgeschwindigkeit (bei der die Uhr genau geht) anpassen, sogar phasengenau. Nebenbei erlaubt die Kenntnis der maximalen Geschwindigkeit auch eine Bestimmung der maximalen Weite der Pendelschwingung, so dass z. B. eine Warnung oder Gegenmaßnahme erfolgen können, wenn das Pendel eine für die betreffende Uhr notwendige Mindestweite zu unterschreiten droht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Anordnung zur magnetischen Beeinflussung eines Pendels einer mechanischen Pendeluhr vorgeschlagen. Hierbei hat das Pendel einen oberen Drehpunkt und ein unteres Ende, welches aufgrund der Erdbeschleunigung in einer Ebene mit einer ersten Taktfrequenz auf einem Kreisbahnsegment schwingen kann. Weiter ist mindestens eine im Wesentlichen waagerecht und mittig zu dem Pendel angeordnete eisenfreie Magnetspule (auch Luftspule genannt) vorhanden, die ein im Wesentlichen vertikales Magnetfeld im Bereich des Pendels oder zumindest einem Teilbereich davon erzeugen kann, wobei ein Permanentmagnet (oder ein unmagnetisches magnetisierbares Element) an dem Pendel angeordnet ist, und zwar mit einer Magnetfeldausrichtung entlang des Pendels.
  • Je größer der Durchmesser (bzw. bei einer nicht runden Spule die größte Ausdehnung) der Magnetspule ist im Vergleich zur Größe des Kreisbahnsegmentes, welches der Permanentmagnet durchläuft, desto gleichmäßiger wirkt das Magnetfeld auf den Permanentmagneten bei dessen Bewegung mit dem Pendel. Dafür wird das Magnetfeld aber mit zunehmender Fläche der Spule lokal schwächer, so dass ein geeigneter Kompromiss gefunden werden muss. Dabei stehen noch andere Parameter (z. B. Anzahl der Windungen, Widerstand des Spulendrahtes, vertikale Höhe der Spulenwicklung etc.) für eine Anpassung der Eigenschaften der Spule an ein bestimmtes Pendel und den Permanentmagneten (auch dessen Größe, Stärke und Form etc. sind anpassbar) zur Verfügung. Es können auch zwei oder mehr Magnetspulen (z. B. in einer Anordnung als sogenannte Helmholtz-Spulen) Verwendung finden. Wichtig ist, dass der Permanentmagnet mit seinem Nordpol oder Südpol zum unteren Ende des Pendels hin ausgerichtet ist und mit dem anderen Pol zum oberen Drehpunkt des Pendels.
  • Bevorzugt ist eine veränderbare Gleichstromquelle zur Beaufschlagung der Magnetspule mit Gleichstrom vorhanden. Dabei kann die Veränderung des Gleichstromes in Richtung und/oder Stärke im einfachsten Fall manuell erfolgen, um eine beobachtete Gangungenauigkeit der Uhr auszugleichen.
  • Besonders bevorzugt ist aber eine Messeinrichtung zur Messung einer von dem Permanentmagneten in der Magnetspule induzierten Spannung und zur Bestimmung der ersten Taktfrequenz und/oder maximalen Geschwindigkeit des Permanentmagneten relativ zur Magnetspule vorhanden. Damit lässt sich bei jeder Pendelschwingung oder in vorgebbaren Zeitabständen genau messen, ob die Uhr eine gewünschte Schwingungsfrequenz hat oder nicht.
  • Zur bevorzugten automatischen Nutzung der Erfindung sind ein Referenzfrequenzerzeuger zur Abgabe einer zweiten Taktfrequenz (Referenzfrequenz) vorhanden und ein Vergleicher, der eingerichtet ist, die erste und die zweite Taktfrequenz zu vergleichen und mittels einer Regeleinheit die Gleichstromquelle so zu regeln, dass die erste Taktfrequenz sich der zweiten Taktfrequenz angleicht. Diese Art der Synchronisation ist sehr einfach und wenig störanfällig, führt aber im Ergebnis dazu, dass das beeinflusste Pendel genau in einer gewünschten Frequenz schwingt. Typischerweise werden Gleichstromquelle, Messeinheit, Referenzfrequenzerzeuger, Vergleicher und Regeleinheit gemeinsam zu einer Elektronikeinheit integriert, die mittels eines Mikroprozessors alle beschriebenen Vorgänge kontrolliert. Wie erwähnt ist dabei sogar eine phasengenaue Regelung und Synchronisation der Pendeluhr gegenüber einer Referenzuhr möglich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Elektronikeinheit steuert mit Hilfe eines Programms den Ablauf des Verfahrens, und dieses Programm kann z. B. durch ein Computerprogrammprodukt aktualisiert werden.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
    Fig. 1: den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.
  • In Fig. 1 ist eine mechanische Pendeluhr 2 mit einem Pendel 1 dargestellt, welches an einem Drehpunkt 3 drehbar aufgehängt ist und im Bereich seines unteren Endes 4 ein Gewicht 5 aufweist. Ein solches Pendel 1, hier in Ruhestellung dargestellt, schwingt, wenn es von einem Uhrwerk immer wieder angestoßen wird, unter dem Einfluss der Schwerkraft bzw. Erdbeschleunigung g (durch einen Pfeil angedeutet) auf einem Kreisbahnsegment 6 in einer Schwingungsebene hin und her. Dabei hängt die Frequenz der Schwingung im Wesentlichen von der Länge L des Pendels 1 (und der konstanten Erdbeschleunigung g) ab, wobei diese Länge L bei einem realen Pendel (physikalischen Pendel) der Abstand zwischen Drehpunkt 3 und Schwerpunkt 16 des Pendels 1 ist. Bei großen Uhren kann die Dauer einer vollständigen Schwingung deutlich mehr als eine Sekunde betragen. Neben anderen Störfaktoren ist es gerade die Länge L, die sich unter dem Einfluss von Temperatur und anderen Umgebungsbedingungen bei einer Pendeluhr mit der Zeit ändert, so dass Pendeluhren eine gewisse Gangungenauigkeit haben, die mit der vorliegenden Erfindung kompensiert werden soll. Dazu ist an dem Pendel 1, im vorliegenden Ausführungsbeispiel nahe dem unteren Ende 4 des Pendels 1, ein Permanentmagnet 7 befestigt, und zwar mit seinem Nordpol N oder Südpol S in Richtung Drehpunkt 3 und mit dem anderen Pol in Richtung des unteren Endes 4. Auf die genaue Form des Permanentmagneten 7 und seine Art der Befestigung kommt es nicht an. Er kann ein Stabmagnet oder auch ein axial magnetisierter Ringmagnet sein, der auf das Pendel 1 aufgeschoben oder aufgeschraubt ist. Unterhalb (eine andere Position ist aber möglich) des unteren Endes 4 des Pendels 1 ist eine eisenlose Magnetspule 8 (Luftspule) waagerecht und mittig zu dem Pendel 1 (in seiner Ruhestellung) angeordnet, die über Zuleitungen 9 mit einem Gleichstrom beaufschlagt werden kann. (Bei der nicht dargestellten Verwendung eines magnetisierbaren Elementes statt eines Permanentmagneten 7 kann die Magnetspule 8 auch einen Eisenkern haben.) Dabei entsteht ein vertikal gerichtetes Magnetfeld (Magnetkraft b durch Pfeile angedeutet und parallel zur Richtung der Schwerkraft g), je nach Richtung des Gleichstroms gleich oder entgegen der Schwerkraft wirkend. Eine Elektronikeinheit 11 weist eine Gleichstromquelle 10 auf, die den Gleichstrom für die Magnetspule 8 liefert. Eine Messeinheit 12 dient zur Messung der Taktfrequenz der Schwingung des Pendels 1, was insbesondere durch Messung einer durch die Bewegung des Permanentmagneten 7 in der Magnetspule 8 induzierten Spannung (bzw. eines Stromes) erfolgen kann. Die dabei ermittelte erste Taktfrequenz (bzw. Schwingungsdauer oder auch Schwingungsphasen) wird von einem Vergleicher 14 mit einer von einem Referenzfrequenzerzeuger 13 erzeugten zweiten Taktfrequenz verglichen, wobei mit dem Ergebnis des Vergleiches über eine Regeleinheit 15 die Gleichstromquelle so geregelt wird, dass die erste Taktfrequenz sich der zweiten Taktfrequenz (Referenzfrequenz) angleicht. Der Vergleicher 14 kann auch für einen Phasenvergleich ausgelegt sein.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere für Großuhren, bei denen ein Nachstellen der Uhrzeit und/oder eine Veränderung der Pendellänge mit großem Aufwand verbunden sind. Durch Überlagerung des konstanten Schwerefeldes der Erde mit einem einstellbaren Magnetfeld, kann die Schwingungsfrequenz der Uhr mit einer Referenzfrequenz synchronisiert und damit die Ganggenauigkeit der Uhr stark erhöht werden.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Pendel
    2
    Pendeluhr
    3
    Drehpunkt
    4
    Ende
    5
    Gewicht
    6
    Kreisbahnsegment
    7
    Permanentmagnet
    8
    Magnetspule
    9
    Zuleitung
    10
    Gleichstromquelle
    11
    Elektronikeinheit
    12
    Messeinheit
    13
    Referenzfrequenzerzeuger
    14
    Vergleicher
    15
    Regeleinheit
    16
    Schwerpunkt
    L
    Länge
    g
    Schwerkraft / Erdbeschleunigung
    b
    Magnetkraft
    N
    Nord
    S
    Süd

Claims (11)

  1. Verfahren zur magnetischen Beeinflussung eines Pendels (1) einer mechanischen Pendeluhr (2), wobei das Pendel (1) einen oberen Drehpunkt (3) und ein unteres Ende (4) hat, welches aufgrund der Erdbeschleunigung (g) in einer Ebene mit einer ersten Taktfrequenz auf einem Kreisbahnsegment (6) schwingen kann, wobei ein für die Dauer von mindestens 10 Pendelschwingungen konstantes Magnetfeld (b) im Bereich des Pendels (1) oder zumindest einem Teilbereich davon erzeugt wird, welches über diese Dauer eine konstante Kraft bzw. Beschleunigung auf das Pendel ausübt und im Wesentlichen vertikal verläuft, und an dem Pendel (1) ein unmagnetisches magnetisierbares Element oder ein Permanentmagnet (7) angeordnet wird, und zwar mit einer Magnetfeldausrichtung entlang des Pendels (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld (b) mittels eines Gleichstromes in mindestens einer Magnetspule (8) erzeugt wird und wobei die Magnetspule (8) im Wesentlichen in einer waagerechten Ebene liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Gleichstrom zumindest in seiner Stärke oder seiner Richtung zur Veränderung der ersten Taktfrequenz verändert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Gleichstrom in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der ersten Taktfrequenz und einer vorgebbarenzweiten Taktfrequenz, so einstellbar ist oder eingestellt wird, dass das Pendel (1) in der zweiten Taktfrequenz schwingt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Messeinheit (12) die erste Taktfrequenz misst oder aus mindestens einem für die erste Taktfrequenz charakteristischen Messwert ableitet, die in einem Vergleicher (14) mit einer vorgebbaren zweiten Taktfrequenz verglichen wird, und wobei aus dem Ergebnis des Vergleiches die Richtung und Stärke des Magnetfeldes (b) bestimmt und eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei zumindest die maximale Geschwindigkeit des Pendels (1) oder die Dauer einer Pendelschwingung anhand der Induktion, die der Permanentmagnet (7) in der Magnetspule (8) erzeugt, gemessen wird.
  7. Anordnung zur magnetischen Beeinflussung eines Pendels (1) einer mechanischen Pendeluhr (2), wobei das Pendel (1) einen oberen Drehpunkt (3) und ein unteres Ende (4) hat, welches aufgrund der Erdbeschleunigung (g) in einer Ebene mit einer ersten Taktfrequenz auf einem Kreisbahnsegment (6) schwingen kann, wobei mindestens eine im Wesentlichen waagerecht und mittig zu dem Pendel (1) angeordnete eisenfreie Magnetspule (8) vorhanden ist, die ein im Wesentlichen vertikales Magnetfeld (b) im Bereich des Pendels (1) oder zumindest einem Teilbereich davon erzeugen kann, und wobei ein unmagnetisches magnetisierbares Element oder ein Permanentmagnet (7) an dem Pendel (1) angeordnet ist, und zwar mit einer Magnetfeldausrichtung (N-S) entlang des Pendels, und wobei die Anordnung eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei eine veränderbare Gleichstromquelle (10) zur Beaufschlagung der Magnetspule (8) mit Gleichstrom vorhanden ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Messeinheit (12) zur Messung einer von dem Permanentmagneten (7) in der Magnetspule (8) induzierten Spannung und zur Bestimmung zumindest der ersten Taktfrequenz oder maximalen Geschwindigkeit des Permanentmagneten (7) relativ zur Magnetspule (8) vorhanden ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Referenzfrequenzerzeuger (13) zur Abgabe einer zweiten Taktfrequenz vorhanden ist und ein Vergleieher (14), der eingerichtet ist, die erste und die zweite Taktfrequenz zu vergleichen und mittels einer Regeleinheit (15) die Gleichstromquelle (10) so zu regeln, dass die erste Taktfrequenz sich der zweiten Taktfrequenz angleicht.
  11. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 das Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6 ausführt.
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