Часы и частотомеры

Часы – прибор для счета количества одинаковых промежутков времени, принятых за единицу, от какого-то условного начала отсче­та. Часы – один из древнейших приборов. Наиболее древними яв­ляются солнечные часы – шест, тень от которого перемещается по некоторой поверхности, вообще говоря, любой и любым образом расположенной в пространстве (рис. 12).

Рис. 12. Солнечные часы а – с горизонтальным циферблатом,

б – с вертикальным, в – с равномерными делениями.

Но для того чтобы шка­ла была равномерной (деления, соответствующие часу, были бы оди­наковыми и равными 360°/24 = 15°), надо, чтобы шест был располо­жен параллельно оси вращения Земли, а плоскость круга-циферблата была перпендикулярна к ней, т. е. и то и другое надо накло­нить к северу (в Северном полушарии) на угол 90° – , где – широта местности. Од­нако такие часы будут работать только в летнем полугодии, так как в зимнем солнце окажется ниже плоскости цифербла­та. Для измерения малых промежутков времени применялось пересыпание песка из одного сосуда в другой или перелива­ние воды (песочные, водяные часы).

Однако значительно большую точность обеспечивают часы, опирающиеся на ка­кие-либо периодические про­цессы. Чем строже периодичность этих опорных процессов, тем точнее часы, а чем больше их частота, тем, как известно, легче это обеспечить и, кроме того, точнее отсчет.

В механических часах в качестве та­ких процессов используют колебания ма­ятника (в стенных часах) или балансира – маховичка, который возвращается спираль­ной пружиной к нулевому положению, но по инерции проскакивает его (рис. 13). Су­щественной частью и тех и других часов является анкерный механизм, состоящий из колесика с зубцами определенной фор­мы (храповик) и коромысла с двумя зуб­цами, скрепленного с колеблющимся телом и приходящего от него в колебания (ан­кер). Расстояние между зубцами анкера равно полуцелому числу зубцов храпови­ка, например 3,5. Задача анкерного ме­ханизма двойная. С одной стороны, отпус­кая при каждом колебании зубчатое коле­со на один зубец, он обеспечивает более равномерное вращение всех сцепленных друг с другом зубчатых колес, которым сообщает вращательное движение гиря или пружина. С другой стороны, зубцы анкерного механизма устроены так, что зубчатое колесо слегка подталкивает каждый раз коромысло, а с ним и маятник или балансир, делая их колебания незатуха­ющими.

Рис.13. Основные детали механических часов: а – маятниковые часы,

б – балансовые (1 – маятник, 2 – анкер, 3 – храповик)

Главным параметром часов является стабильность хода – вариа­ция суточного хода. Этот параметр не следует путать с тем, что часы могут быть плохо отрегулированы (спешат или отстают). Скорость хода часов можно отрегулировать высотой груза на маятнике или длиной работающей части пружины балансира, кроме того, это легко учесть, вводя поправку. Вариация суточного хода – непредска­зуемые колебания скорости хода часов, возникающие в результате изменения температуры, давления, влажности, состояния смазки, износа, изменения положения часов в пространстве, вибрации и т. д. В бытовых механических часах ее трудно сделать менее 10 с. В морских механических хронометрах, по которым до недавнего вре­мени определяли долготу места, суточная вариация не более 0,1 с.

Значительно большую равномерность хода имеют часы, опирающие­ся на акустические колебания, – так называемые кварцевые часы. Кристалл кварца, являясь пьезоэлектриком, будучи приведен в коле­бания, превращает механические колебания высокой частоты в элек­трические, которые далее усиливаются электронным усилителем. В то же время усилитель, получая энергию от блока питания, отдает часть ее кристаллу, поддерживая незатухающие колебания. Как и в механических часах, слишком высокая частота уменьшается в нуж­ное число раз делителем частоты, только в кварцевых ча­сах это делает не механический редуктор, а электронное устройство. Индикатор используется также электронный цифровой. Вариация суточного хода кварцевых часов доводится до 10^-6 с, а в стационарных условиях может быть еще меньше. Кварцевые часы в настоящее время интенсивно вытесняют механические даже из до­машнего обихода.

Наиболее точными современными часами являются атомные (или квантовые) часы, в которых в качестве опорных используются оптиче­ские колебания атомов. Таковы, например, цезиевые часы. Поскольку часто­та опорных колебаний в этом случае очень велика (порядка 10^-15 с^-1), она не поддается делению. Взаимодействие блоков атомных часов та­ково: источник возбужденных атомов цезия поставляет их в оптиче­ский резонатор, в котором и возникают электромагнитные колебания. В атомные часы в качестве их составной части входят кварцевые часы.

Взаимодействие блоков атомных часов та­ково: источник возбужденных атомов цезия поставляет их в оптиче­ский резонатор, в котором и возникают электромагнитные колебания. В атомные часы в качестве их составной части входят кварцевые часы. Частота колебаний, вырабатываемых кварцевыми часами, умножает­ся во столько раз, чтобы результирующую частоту можно было сравнить с в специальной схеме сравнения, куда поступают обе частоты. Схема сравнения вырабатывает сигнал ошибки, пропорцио­нальный разности . Этот сигнал подается на кварцевые часы, подправляя так, чтобы. Так атомные коле­бания используют для контроля хода кварцевых часов, по которым и определяется время. Суточная вариация атомных часов менее 10^-11 с.

В связи с наличием вариации суточного хода часы необходимо про­верять (производить поверку), т. е. сверять с другими, более точными, или с периодическим процессом, период которого принят за эталон. Поскольку за основу шкалы времени был принят период обращения Земли вокруг своей оси (сутки), часы устанавливались по астрономи­ческим наблюдениям за суточным вращением звездного неба. Однако с появлением кварцевых и атомных часов в результате точнейших измерений выяснилось, что Земля вращается неравномерно, и за ос­нову шкалы времени был выбран период вращения Земли вокруг Солн­ца (год). Часы стали устанавливать по астрономическим наблюдениям за годичным кажущимся перемещением Солнца по небесной сфере.

Этот процесс принят в настоящее время за эталон, а рабочими мерами для поверки всех часов служат атомные часы. Однако точность атом­ных часов сейчас выше, чем результаты астрономических наблюде­ний, и для некоторых целей эталонным считают «атомное время», отсчитываемое атомными часами.

Для отмеривания определенного отрезка времени служат секундо­меры, механические таймеры, в быту – будильники. В электрических реле времени отрезки времени (от 10^-3 с до нескольких минут) отме­ряются по времени зарядки (или разрядки) конденсатора через рези­стор по закону . При изменении напряжения, напри­мер, в е раз (за t = RC) срабатывает реле, включающее или выключаю­щее любое устройство.

Частотомер (герцметр) – прибор, отличающийся от часов тем, что измеряет не общее количество одинаковых промежутков времени, а число этих промежутков за единицу времени. Частотомер включают только во время измерений, часы же не останавливают вообще.

Дата добавления: 2014-01-13