ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

ствами. Тогда стало возможным при помощи микрографа про­ изводить отсчет интервалов времени в 0,001 с.

Часы Шорта впервые стали применяться в астрономической практике в 1925 г. и быстро завоевали всеобщее признание.

Сначала предполагалось, что ход часов значительно изме­ няется с течением времени. Однако исследования, проведенные Джексоном в Гринвичской обсерватории, дали возможность обнаружить, что часы Шорта столь точны, что способны изме­ рить непостоянство вращения Земли вследствие нутации зем­ ной оси. За 14-дневный период вращения Земли это непостоян­ ство выражается в 0,02 с, а наибольшее изменение за сутки исчисляется в 0,003 с. Значительно легче обнаружить наличие флуктуации, продолжающихся несколько лет. Короткий цикл нутации был долгое время камнем преткновения для астроно­ мов. После того как удалось определить величину нутации с помощью часов Шорта, оказалось возможным вносить поправ­ ку в определении среднего звездного времени. В 1931 г. Грин­ вичская обсерватория опубликовала цифры, полученные в результате определения среднего звездного времени с учетом влияния на них нутации.

Эволюция маятниковых часов от Гюйгенса до Шорта шла от несвободного хода к свободному, т. е. к такому ходу, при ко­

часам удалось прежде всего благодаря созданию новой ориги­

ней. Благодаря особому креплению средней пружины создается

какого-либо нарушения изохронности колебания маятника, достигаемой при помощи изохронирующего подвеса. Такой ме­ ханизм, сначала с механическим, а потом с электромагнитным импульсом был создан Ф. А. Федченко (АНФ-3). Описание его устройства дано ниже (см.. с. 415). Маятниковые астрономиче­ ские часы АЧФ-3 отличаются простотой конструкции и высо­ кой точностью, в 10 раз превышающей точность хода часов Шорта. Вариации их хода находятся в пределах 0,2—0,3 мс в сутки, т. е. (2-^-3) • 10-4 с.

Глава II

РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОННОМЕХАНИЧЕСКИХ И КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ВРЕМЕНИ

Применение электроники для создания приборов времени и си­ стемы единого времени. Научно-технический прогресс с 30—40-х годов XX в. до наших дней характеризуется, в частности, бур­ ным развитием квантовой механики и радиоэлектроники, что наложило отпечаток почти на все сферы науки и техники. Не осталась в стороне от этой общей линии развития и хроно­ метрия.

Благодаря применению в приборах времени квантовых осцилляторов хронометрия породнилась с квантовой механикой

иэлектроникой. Последние дали возможность поддерживать высокочастотные колебания таких осцилляторов, как атом, моле­ кула, для создания атомных часов, и камертон, кварц — для современных наручных часов. Со времени появления ламповых усилителей фотоэлемент превратился в техническое средство, используемое и в электрохронометрии. Применение здесь фото­ электрических схем, работающих на проходящем и отражен­ ном свете, началось еще до второй мировой войны. В Париже, в Международном бюро времени, по предложению Фери, в маятниковых часах была применена одна из таких схем. Ток от фотоэлемента после усиления поступал в импульсную катушку

иподдерживал колебания маятника, на конце которого был закреплен постоянный магнит.

Макс Шулер в 1932 г. предложил использовать фотоэлемент

После окончания Великой Отечественной войны М. П. Пав­ лов создал часы, в которых для управления импульсным ме­ ханизмом свободного маятника использовался фотоэлектриче­ ский эффект вместо второго рабочего маятника, используемого

вчасах Шорта [201, 165—166].

Вэлектрических маятниковых часах со свободным ходом

имеется счетное колесо, которое непосредственно влияет на ход маятника при каждом его размахе, подобно тому как влия­ ет изменение атмосферного давления и плотности воздуха. Со счетным колесом связано изменение величины трения — в опо­ рах колеса и от действия собачки и защелки. Освободиться от отрицательного их действия невозможно, если используются только средства механики.

Рис. 256. Часы с применением фотоэлемента

Рис. 257. Магнитоэлектрический привод в часах Федченко (АЧФ-3)

Раньше всего эту трудность удалось преодолеть путем ис­ пользования фотоэффекта для счета колебаний маятника А. Свет от лампы D (рис. 256) проходил через отверстие в маят­ нике и падал в соответствующий момент на фотоэлемент Е. Ток, выдаваемый фотоэлементом, после его усиления действо­ вал на магниты F и Н и вместо маятника шаг за шагом пово­ рачивал счетное колесо /. Освобождение грузового рычага С также может непосредственно управляться таким же элемен­ том.

Весьма перспективно использование фотоэлемента для за­ рядки аккумулятора или батареи с целью увеличения ресурсов источника питания генератора незатухающих колебаний балан­ сового осциллятора.

За рубежом фотоэлектрические часы выпускаются фирмами «Филипп Патек», «Кинцле», «Юнганс» и «Сейко». В часах используются селеновые (первые три фирмы) и кремниевые (японская фирма «Сейко») фотоэлементы. Фотоэлектрические часы фирмы «Сейко» на 11 камнях выпускаются с 1964 г. Име­ ют восемь кремниевых фотоэлементов, никель-кадмиевый щелочный аккумулятор на 1,2 В, балансовый осциллятор и тран­ зисторный генератор.

Несмотря на высокие качества современных электронных ламп и их постоянную миниатюризацию, возможности их при­ менения ограничены. Эти ограничения в электронике были сня-

ты с появлением и развитием полупроводниковой техники, основу которой составляет устройство, называемое полупро­ водниковым триодом, или транзистором. Средства полупровод­ никовой техники в хронометрии используются как для дальней­ шего усовершенствования маятниковых часов, так и для созда­ ния электронно-механических часов с камертонным и кварце­ вым осциллятором. В конструкции электрических маятниковых часов АТО (1953 г.), по предложению М. Леве и Ж. Литча, устранено контактное устройство G. Это стало возможным благодаря использованию в электронной схеме этих часов тран­ зистора. При движении маятника левый конец дугообразного постоянного магнита индуцирует ток в управляющей катушке. Ток усиливается в полупроводниковом триоде и поступает в рабочую катушку, в которой усиливается магнитное поле, втя­ гивающее правый конец постоянного магнита. Таким образом, при помощи управляющей катушки и одностороннего усиления тока в транзисторе покрываются потери механической энергии при движении маятника и обеспечивается постоянство его амплитуды колебаний [324, 31—39].

Широкое использование получили полупроводниковые при­ боры для повышения надежности и долговечности действия крупногабаритных контактных часов. В этих часах германие­ вые диоды применяются для предохранения контактов от раз­ рушающего действия искры при их размыкании.

В электронно-механических маятниковых астрономических часах Ф. А. Федченко (АЧФ-3), упомянутых выше, применен специальный бесконтактный импульсный механизм магнито­ электрического действия, который позволяет, вместе с изохронирующим подвесом, осуществлять в маятниковых часах ана­ логию хронометрового хода. Магнитоэлектрический привод со­ стоит из двух частей—-подвижной и неподвижной. Подвижная часть (рис. 257) состоит из замкнутого симметричного магнитопривода 1 и двух постоянных призматической формы магнитов 2, 3. Подвижная часть привода крепится с помощью втулки 5 к нижнему концу штанги маятника 5. Для создания однородного концентрированного магнитного поля сходящиеся противопо­ ложные полюсы магнитов сделаны достаточно узкими. Магнитопровод разборный. Нижняя его часть заводится в катушку и лишь после этого соединяется с верхней частью.

Неподвижная часть привода состоит из прямоугольной ка­ тушки W и электронной схемы. Схема смонтирована в спе­ циальном вырезе на пластмассовой пластине, на которой укреп­ лена катушка. Обмотка катушки имеет две секции. Одна — сек­ ция освобождения, с нее снимается сигнал, отпирающий схему. Другая — импульсная, на нее подается импульс тока от внеш­ него источника. Электронная схема механизма собрана на кри­ сталлических триодах Т1 Т2. Неподвижная часть механизма крепится с помощью втулки 6 на конце отдельной инварной штанги 7, опускающейся параллельно маятнику. Между полю-

сами магнитов с одинаковыми зазорами устанавливается от­ крытая часть катушки на неподвижном маятнике. Наличие двух штанг из одного и того же материала гарантирует по­ стоянство этих зазоров.

В секциях катушки во время движения маятника возникают противоположные токовые импульсы. Они почти совмещены во времени, так как оба появляются в момент пересечения поля магнитов проводниками катушки. Несколько раньше имеет место отрицательный импульс, заканчиваются они одновремен­ но. Взаимодействие магнитного поля катушки, определяемое величиной разности положительного и отрицательного импуль­ сов, с полем постоянных магнитов создает необходимый под­ талкивающий импульс. Он подается только при движении маятника в одном направлении. Часы смонтированы в барока­ мере. Для установления необходимой амплитуды одно из соп­ ротивлений схемы расположено вне барокамеры и окончатель­ но подбирается после создания в барокамере давления (10,64-13,3) • 102 Па. Нормальная амплитуда для часов АЧФ-3 находится в пределах 90—110 дуговых минут. Источником пи­

привод с катушкой освобождения и с импульсной катушкой. Катушка освобождения служит для отпирания транзистора, после чего ток, проходящий через транзистор, передается на импульсную катушку для поддержания незатухающих колеба­ ний камертона. В 1967 г. благодаря развитию и совершенство­ ванию микроэлектроники, приведшей к созданию интегральных

пружинных наручных часов. Электродвигатель питается от су­ хого ртутнозакисного гальванического элемента Меллори и имеет ротор, представляющий собой постоянный магнит с диа­ метральным расположением полюсов. Ротор вращается между полюсными наконечниками двух электромагнитов, образующих

После определенного времени раскручивания пружины (напри­ мер, один раз в час) ротор поворачивается и возбуждает пра­ вую обмотку, вследствие чего срабатывает транзисторная схе­ ма и включается электродвигатель для подзавода.

Применение кварцевых и атомных часов в комплексе с астрономическими маятниковыми часами открыло возможность их использования в качестве первичных часов для передачи вы-

сокоточного времени ко вторичным часам. Такие комплексы не­ однократно демонстрировались на периодически устраиваемых в Базеле и Брюсселе выставках. Так, в комплексе, демонстри­ ровавшемся на Брюссельской выставке 1960 г., использова­ лись двое молекулярных часов. Была применена следующая

24 млн. кГц). Вспомогательный кварцевый осциллятор выраба­ тывает частоту 8,5 мГц, которая преобразуется с помощью не­ скольких каскадов до значения, близкого к частоте молекуляр­ ных осцилляторов. Сигнал рассогласования (частота биений) подается на экран катодного осциллографа; подстройка квар­ цевых часов проводится до тех пор, пока сигнал рассогласова­ ния не исчезнет. Одновременно производится измерение часто­ ты вспомогательного кварцевого осциллятора с помощью де­ кадных счетчиков. В кварцевых часах применен кварцевый брусок с частотой колебаний 100 кГц. Показания часов могут корректироваться с помощью фазовращающего устройства. Кварцевые часы каждые 2 с подают импульс первичным маят­ никовым часам и синхронизируют колебания маятниковых пер­ вичных часов, питающих сеть вторичных часов. Блок молеку­ лярных осцилляторов и кварцевых часов позволяет добиться точности порядка 10~10 с.

Известна попытка использовать в качестве первичных ча­ сов электрические часы, состоящие из кварцевого генератора и прецизионных часов с секундным маятником, помещенным вместе с органами управления в общем корпусе. Специальная электрическая система синхронизовала импульсы кварцевого генератора с импульсами маятниковых часов, подаваемыми на вторичные часы.

Прогресс, достигнутый в области хронометрии, открыл но­ вые возможности для создания систем единого времени, отве­ чающих высоким требованиям точности, надежности и долго­ вечности. Наличие в настоящее время, например, в Москве не­ скольких самостоятельно работающих станций электрочасофикации (время по телефону, сеть трамвайных часов, часы метро­ политена, мелкие часы сети различных учреждений), создало неудобства из-за отсутствия общего стандарта времени, не го­ воря уже о неизбежных значительных эксплуатационных рас­ ходах при децентрализованном обслуживании.

Корректирование хода синхронных часов с двигателем Уоррена может осуществляться различно, но самым радикаль­ ным средством является электронное управление этими часа­ ми. В настоящее время известна система электрочасофикации, обеспечивающая постоянство хода синхронных часов наложе­ нием на несущую промышленную частоту коротких управляю­ щих импульсов тока с частотой 3500 Гц. Подача этих управ­ ляющих импульсов осуществляется от первичных маятниковых часов с пружинным двигателем, имеющим автоматическую

электроподзаводку. Погрешность хода первичных часов не превышает ±15 с в месяц. Сигнал с частотой 3500 Гц продол­ жительностью 4 с подается в течение 58-й минуты каждого часа через усилитель, входной трансформатор и емкостную связь на каждую фазу низковольтной стороны трансформатора. Кроме того, первичные часы имеют барабан, совершающий один обо­ рот за 6 ч и снабженный 360 пазами, позволяющими посылать дополнительные сигналы по любому регламенту, установлен­ ному вперед на целую неделю.

Вторичные синхронные часы, помимо двигателя Уоррена, снабжены электронной лампой с холодным катодом, служащей для детектирования и усиления сигнала. Усиленный сигнал включает электромагнитное реле и механическое устройство

вперед для блокирования механизма на 1 мин в конце часа. Центральная часовая станция также может работать нало­ жением частот 4, 200, 5000 и 6000 Гц для подачи различных световых и звуковых сигналов, включения механизмов автома­

тического открывания и закрывания дверей.

Нет сомнения, что такое сложное и дорогое средство кор­ ректирования хода синхронных часов, как электронное управ­ ление, не может иметь всеобщего распространения. Поэтому широкое внедрение синхронных часов предполагает как непре­ менное условие обеспечение контроля и постоянства частоты тока в распределительной сети.

Появились устройства для автоматической установки часов по сигналам точного времени, подаваемым с центральной станции по телефонным проводам на определенной частоте и воспринимаемым специальными частотно-управляемыми элект­ ромагнитными реле. Реле воздействует на механизм коррекции показания стрелок часов, принудительно приводя их к эталон­ ному времени. Предусмотрено автоматическое включение са­ мими первичными часами частоты корректирующего канала, например в полночь, а также вариант схемы для включения этого канала ручным набором условного числа на обычном те­ лефонном шаговом искателе.

Хотя вопрос о создании радиоэлектрической системы наруч­ ных часов является проблемой будущего, однако возможность ее осуществления не следует отрицать. Применение интеграль­ ных элементов обеспечивает размещение миниатюрного радио­ приемника в корпусе наручных часов. Тогда система баланс — спираль будет синхронизироваться посредством принимаемых сигналов точного времени [361, 41].

В настоящее время запатентовано устройство, позволяющее вытягиванием заводной головки часов останавливать централь­ ную секундную стрелку на нулевой отметке секундной шкалы и пускать ее в момент подачи радиосигнала точного времени воз­ вратом головки в положение заводки [306].

Кварцевые часы

Точность астрономических часов Шорта была превзойдена кварцевыми часами, условия для появления которых были под­ готовлены развитием радиотехники и электроники.

История применения пьезоэлектрического кристалла квар­ ца. Изучение физико-технических свойств кварца и их исполь­ зование в технике (в частности, в области хронометрии) имеют свою небольшую, но интересную и во многом поучительную историю. Изучение свойств кварца привело к открытию пьезо­ электрического эффекта, который заключается в появлении на поверхности кристалла кварца при его сжатии или растяжении одинаковых по величине, но разноименных электрических заря­ дов. Этот эффект впервые обнаружили и изучили в 1880 г. братья П. и Ж. Кюри на кристаллах турмалина и кварца; он получил название прямого пьезоэлектрического эффекта. В 1881 г. немецкий ученый Липпман, ознакомившись с работа­ ми Кюри, предположил существование обратного пьезоэлект­

используется в системе кварцевых часов.

Первая серьезная попытка использовать пьезоэлектрический эффект в электрической цепи была сделана в 1917 г. А. М. Никольсоном. Он применил сегмент сегнетовой соли (пьезоэлектрик),, чтобы создать устройство для превращения электриче­ ской энергии в звук и обратно. На этой основе он создал гром­ коговоритель и микрофон. Никольсон был одним из первых, кто сумел использовать пьезоэлектрические свойства кварца для контроля частоты. В 1918 г. французский физик П. Ланжевен применил пьезоэлектрический эффект кварца для подвод­ ной сигнализации при помощи ультразвуковых колебаний.

Исследовательские работы по использованию пьезоэффекта кварца в технике в качестве эталона частоты и времени были начаты в 1921 г. американским ученым Кеди, однако лишь в 1927—1930 гг. В. А. Маррисону — сотруднику телефонной лабо­ ратории Белла (США)—первому удалось применить высоко­ частотные колебания кварца для создания часов. С этой целью был вырезан кусок кварца в форме кольца из кристалла таким образом, чтобы изменения частоты его колебаний с изменением температуры были возможно малы. Кристаллическое кольцо было установлено в камере с управляемой температурой, ее колебания допускались только в пределах ±0,01° С. В камере, где помещался кварц, атмосферное давление поддерживали на постоянном уровне. Камера находилась под герметическим кол­ паком. Колебания кристалла были отрегулированы на частоту 100 кГц.

В 1937 г. большая работа по усовершенствованию конструк­ ции кварцевых часов была проведена в Германии А. Шейбе и У. Адельсбергом, обратившими особое внимание на выбор наи­ более рационального способа изготовления кварцевой пластин­ ки. Они доказали существование зависимости частоты резонан­ са от ориентации и форм волн упругих колебаний кварца от­ носительно кристаллографических осей. Выводы из этих иссле­ дований позволили установить нужные направления среза кус­ ков кварца для уменьшения влияния изменения температуры на резонансные частоты колебаний кварца.

В кварцевых часах, созданных Шейбе и Адельсбергом, при­ менены кварцевые бруски длиной 91 мм со сторонами сечения 11,4 мм; частота их продольных колебаний составляла 60 кГц.: Кварцевый стержень помещался в трубку с разреженным водо­ родом, где прикреплялся в узлах упругих волн. Опытами было установлено, что если вырезать стержни так, чтобы их ось была параллельна электрической оси кварца, то можно добить­ ся весьма малого температурного коэффициента, меняющего при температуре 36° С свой знак.

Когда первый каскад установки помещали в совершенный термостат при температуре 36° С, то удавалось значительно снизить влияние колебания температуры на частоту колебаний кварца. Благодаря этому и другим усовершенствованиям квар­ цевые часы Шейбе и Адельсберга оказались высокого качества.

Исключительное значение для дальнейшего усовершенство­ вания конструкции кварцевых часов имели результаты иссле­ дований Дайя и Эссена, проведенные в Англии в Национальной физической лаборатории над кварцем, вырезанным из кристал­ лического кварца в виде кольца. Эти исследования позволили английским инженерам в 1934 г. создать весьма совершенные кварцевые часы с осциллятором в виде кварцевого кольца, плоскость которого перпендикулярна оси Z. В том же году они были применены в Гринвичской обсерватории в качестве этало­ на частоты и времени вместо маятниковых часов Шорта.

Отличительные свойства кварца как осциллятора. Кварц

физической и химической стойкости, кварц обладает малым упругим гистерезисом и малым внутренним трением. Поэтому для поддержания его колебаний требуется небольшая энергия. Обладая слабым затуханием колебаний, кварц, как осцилля­ тор, имеет высокую добротность (Q), равную 10-6 и более. В на­ стоящее время нет другой колебательной системы, которая мог­ ла бы обладать такой остротой и стабильностью резонанса, как кварц.

Кристалл кварца имеет сложную структуру, которая харак­ теризуется рядом кристаллографических осей: оптической (Z), трех электрических (X) и трех механических (У). Они располо­ жены в системе координатных осей так, как показано на рис. 258.