Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Метрология и автоматизация

Измерение времени

Измерение времени

Время — мера длительности существования всех объектов, характеристика последовательной смены их состояний в процессах изменения и развития.

2. Часы

Часы — прибор для определения текущего времени суток и измерения продолжительности временных интервалов в единицах, меньших, чем одни сутки.

По механизму измерения часы подназделяют:

  • солнечные часы;
  • огненные часы;
  • песочные часы;
  • механические часы;
  • камертонные часы;
  • кварцевые часы;
  • астрономические часы;
  • атомные часы;
  • системные часы.

Солнечные часы – старинный прибор для измерения времени по Солнцу. Вероятно, это древнейший научный инструмент, дошедший до нас без изменений и представляющий первое применение человеком его знаний о движении небесных тел.

Хотя известны самые разнообразные солнечные часы, все их можно разделить на несколько основных типов. Наиболее распространены часы горизонтального типа; их можно увидеть во многих парках и садах. Часы с вертикальным циферблатом обычно встречаются на стенах, ориентированных по сторонам света. Повернутый циферблат делают у вертикальных часов, размещенных на стенах, которые не ориентированы по сторонам света. А отклоненный и склоненный циферблаты наклонены соответственно от наблюдателя и к нему. Обычно они встречаются на многосторонних часах, объединяющих в себе три или более циферблатов и часто имеющих форму куба; их размещают на крышах и гребнях стен, ориентированных по сторонам света. Повернуто-отклоненный и повернуто-склоненный циферблаты размещают на неориентированных по сторонам света зданиях. У экваториальных и полярных часов плоскости циферблатов параллельны соответственно плоскости экватора и полярной оси. Армиллярные часы имеют экваториальный циферблат; их часто используют для декоративных целей. Они содержат от двух до десяти колец, представляющих большие круги земной и небесной сфер. Часовые деления нанесены внутри экваториального круга, а отбрасывающим тень гномоном служит стержень, представляющий полярную ось.

Солнечные часы
Солнечные часы.

«Гномон» – общее название для отбрасывающего тень индикатора, а «указатель» – это тот край гномона, по которому ведется отсчет. Для точного измерения времени угол между указателем и горизонтальным циферблатом должен быть равен географической широте места. Примерно в начале христианской эры был открыт принцип наклонного гномона, позволившего ввести «равные часы», обеспечившие более точное хранение времени. Было обнаружено, что если стержень гномона направить на полюс мира, то он как бы станет осью той параллельной экватору окружности, по которой обращается Солнце. Разделив ее на 24 равные части, получили часы одинаковой длительности. После этого изготовление точных и равномерно идущих солнечных часов стало простым геометрическим и тригонометрическим занятием. Эволюция солнечных часов шла бок о бок с развитием математики и астрономии. Однако многие века искусством создания солнечных часов владели только мастера, знакомые с гномоникой. С 14-го по 18-е столетие многие ремесленники проявили изобретательность и мастерство в изготовлении карманных солнечных часов высокой точности, ставших жемчужинами часового искусства. Появление механических часов не упразднило вплоть до 18 в. использование солнечных часов для хранения времени. Изготовители солнечных часов шли в ногу с конструкторами механических часов, изобретая солнечные приборы для определения «среднего времени». Когда было введено «поясное время», солнечные часы приспособили и для этого. (Поясное время – это среднее солнечное время на определенном меридиане.) В конце 19-го и начале 20-го столетий было сделано много очень точных солнечных часов для определения поясного времени, названных гелиохронометрами.

Огненные часы — удобное и не требующее постоянного надзора устройство для измерения времени. Огненные часы, которыми пользовались рудокопы древнего мира, представляли собой глиняный сосуд с таким количеством масла, которого хватало на 10 часов горения светильника. С выгоранием масла в сосуде рудокоп заканчивал свою работу в шахте.

В Китае для огненных часов из специальных сортов дерева, растертого в порошок, вместе с благовониями приготовляли тесто, тесто которого делали палочки разной формы или (чаще) длинные, в несколько метров спирали. Такие палочки (спирали) могли гореть в течение необходимого времени, не нуждаясь в надзоре. Известны огненные часы, представляющие собой одновременно и будильник. Для таких часов, а они впервые появились в Китае, к спирали или палочкам в определенных местах подвешивались металлические шарики, которые при сгорании спирали (палочки) падали в фарфоровую вазу, производя громкий звон.

Огненные часы
Огненные часы.

Европейский вариант огненных часов, которыми особенно часто пользовались в монастырях, представлял собой свечи, на которые наносили метки. Сгорание отрезка свечи между метками соответствовало определенному промежутку времени. Однако точность огненных часов была весьма низкой и во многом зависела от состояния окружающей среды — доступа свежего воздуха, ветра и других факторов.

Песочные часы использовались ещё древними греками и римлянами. Первые исторические ссылки на песочные часы появляются в III веке до нашей эры. История так же свидетельствует, что песочные часы использовались в Сенате Древнего Рима, во время выступлений и песочные часы становились всё меньше и меньше, возможно, в качестве показателя качества политических речей. В Европе первые песочные часы появились в восьмом веке. К началу XIV века песочные часы широко используются в Италии и к концу века во всей Европе. Принцип действия прост - две стеклянные колбы соединены узким горлышком, так что песок (с относительно однородным размером зерна) проходит от верхней колбы к нижней. Стеклянные ёмкости заключены в обрамляющий каркас, позволяющий легко переворачивать песочные часы, для того чтобы начать новый отсчёт времени. Песочные часы находят применение повсеместно, в частных домах на кухнях, в церквях для контроля длины проповеди, в лекционных залах университетов, в магазинах ремесленников. Медицинские работники используют миниатюрные песочные часы с длительностью пол или одной минуты, для отсчёта пульса и других медицинских процедур, практика применения таких часов продолжалась вплоть до 19 века.

Песочные часы
Песочные часы.

Стекло для песочных часов выполнено из того же материала, что и все другие виды выдувного стекла. Песок является самым сложным компонентом песочных часов. Не все типы песка можно использовать, так как крупинки песка могут быть слишком угловаты и не смогут должным образом протекать через горловину песочных часов. Песок с солнечных пляжей выглядит заманчиво, но совершенно не подходит для часов, так как он слишком угловатый. Мраморная пыль, пыль других скальных пород, мелкие круглые песчинки как у речного песка лучше всего подходят для песочных часов. Возможно лучший песок, это вовсе не песок, а стеклянные крохотные шарики диаметром 40-160 мкм. Кроме того такие стеклянные гранулы можно сделать в различной цветовой гамме, что даёт возможность подобрать песочные часы под интерьер помещения где они будут располагаться.Тело песочных часов выдувается на стеклянно-токарном станке до размера, соответствующего размеру временного интервала песочных часов. Рамка часов предоставляет возможность для фантазии и может быть выполнена в настоящее время из многих материалов. Одно из самых больших заблуждений является то, что существует формула для определения количества песка, находящегося в часах. Количество песка в песочных часах не подлежит анализу или расчёту. Тип зёрен песка, шероховатость стекла, дизайн и форма отверстия накладывают слишком много переменных для определения скорости прохождения песка через горловину песочных часов, так что количество песка не может быть математически рассчитано. Процесс обстоит так, перед тем как песочные часы загерметизировать верхнюю колбу в неё добавляют песок и пропускают его через горловину песочных часов в количестве соответствующем предписанному интервалу времени. После завершения расчётного периода времени, песок, оставшийся в верхней части колбы высыпают и герметизируют колбу. На сегодняшний день песочные часы являются эстетическим украшением, а не точными часами.

Механические часы — часы, использующие маятник, который периодом колебаний измеряет время в течение суток, месяца, года, колебания которого приводится в движение гиревым, пружинным или электрическим источником энергии с электромеханическим преобразователем. В качестве меры времени используются инерционные свойства колебательной системы в виде классического и пружинного маятника, при регулировании длинного маятника или спиральной пружины в виде балансового регулятора (+/-).

Принцип работы механических часов. Любой механизм нуждается в источнике энергии, который будет приводить его в движение. В механических часах двигателем может являться поднятая гиря ( в часах с маятником), либо пружина ( в часах с балансом). Пружина выглядит как свернутая полоса стали. Она располагается в специальном барабане , который снаружи имеет зубья. Барабан одет на вал и может вращаться независимо от него. Пружина же одним концом закреплена к барабану, а другим к валу. Если вращать этот вал, то есть заводить часы , пружина будет закручиваться, а раскручиваясь, давать энергию всему механизму. Но если пружину завести и отпустить, то она моментально раскрутится. Нам же нужно, чтобы пружина раскручивалась в течении определенного периода. В этом нам поможет регулятор.

Представляет собой круглый обод с перекладиной посередине, в центр которой вставляется ось вращения. Внутри обода расположена, тонкая как волосок, скрученная пружина. Если обод крутануть в одну сторону, то пружина потянет его назад. Но обод не остановится на начальной точке, а провернется на такой же угол в противоположное направление, тем самым, опять создаст напряжение в пружине и провернется в обратном направлении. Регулятор вращается с определенной частотой, и используется для стабилизации хода часов. Но, так как, законы трения еще никто не отменял, регулятор через какое то время остановится. Поэтому переодически его нужно подталкивать с помощью энергии двигателя. Эту функцию выполняет спуск (ход).

Почти во всех современных часах используется анкерный спуск. Он выполняет две роли: передает энергию от двигателя к балансу , а также обеспечивает равномерное вращение механизма стрелок используя равномерную частоту вращения баланса. Спуск состоит из анкерной вилки, имеющей специальную форму и анкерное колесо с зубьями.

Анкерное колесо под действием заводной пружины вращается на один зуб, тем самым поворачивает вилку, которая противоположным концом толкает баланс и придает ему дополнительную «энергию от двигателя». Вилка одновременно со своим поворотом запирает анкерное колесо и пружина двигателя не может прокрутить его, а следовательно не может и сама раскрутиться.

Затем баланс, при движении в обратном направлении , толкает вилку, тем самым освобождает анкерное колесо и оно опять может проврнуться на один зуб, затем снова запрется вилкой.

Камертонные часы — электронно-механический прибор для определения временных интервалов, в которых в качестве регулятора колебаний используется миниатюрный камертон.

Камертон применяется как эталон частоты, поскольку давно известно, что он обладает стабильными по частоте колебаниями. К примеру, камертон применяют при настройке музыкальных инструментов. Самый простой камертон выглядит как вилка с двумя зубцами, имеющий небольшую рукоятку. При легком ударе ножки камертона начинают колебаться сближаясь и отдаляясь друг от друга. Частота колебаний ножек зависит от упругости материала и геометрической формы ножек. Именно способность к стабильным колебаниям камертона нашла применение в часовых механизмах. Обычно, в механических наручных часах применяют в качестве регулятора балансир. В камертонных часах роль регулятора выполняет миниатюрная камертонная вилка. Техническое решение этого прибора измерения времени воплотило в себе гибрид электроники и механики.

Электрическая схема камертонных часов не сложная. В упрощенном варианте состоит из транзистора, резистора и конденсатора. Питание часов осуществляется от небольшого гальванического элемента. На концах ножек миниатюрного камертона установлены магнитопроводы, их обычно изготавливают из электротехнической стали. В днищах магнитопроводов закреплены постоянные магниты. Сама вилка жестко крепится к платине. Также, на платине часов закреплен пластмассовый каркас с намотанными на нем двумя катушками — импульсной и катушкой возбуждения. Катушки соединяются последовательно. Частота колебания камертона составляет 360Гц.

Магниты с магнитопроводом на концах вилки перемещаются вдоль катушек (импульсной и возбуждения), в катушке возбуждения возникает ЭДС которая отпирает переход транзистора. Ток от гальванического элемента через коллекторно-эмитерный переход транзистора поступит на импульсную катушку, а поле катушки, в свою очередь, будет воздействовать на камертон, сообщая ему импульс, тем самым поддерживая колебания.

На одной из ножек камертона, закреплен толкатель, который передает колебательные движения камертона храповому механизму. Ходовое колесо храпового механизма находится в зацеплении с другими колесами, что и приводит в движение весь часовой механизм. От проворота храповик фиксируется пружиной.

Камертонные часы
Камертонные часы.

Камертонные часы имеют высокую точность хода, что является несомненным достоинством для прибора измерения времени. Но большим минусом, бесспорно, есть сложность в производстве. Задумайтесь, в часах Bulova Accutron храповое колесо в диаметре 2.4 миллиметра, толщиной 0.04 мм, а имеет 300 зубьев высотой около одна сотая миллиметра! Представьте сложность изготовления детали. Эта шестерня должна выдерживать большие нагрузки, связанные с высокой амплитудой колебаний камертона. Интересный факт: данное храповое колесо в течение года совершает 38 миллионов оборотов. Зубья подвержены сильному износу в связи с высокой нагрузкой на них. Обычно, этот узел и выходит из строя. Сам же камертон, практически, не подвержен износу и поломкам. Следует отметить, что камертонные часы имеют ряд особенностей: звук напоминающий комариный писк и плавное движение секундной стрелки.

Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Хотя электронные часы также являются кварцевыми, выражение «кварцевые часы» обычно применяется только к электромеханическим часам (электронным часам со стрелками).

Кварц – природный минерал, являющийся частью песка. Для использования в часах его очищают и придают форму камертона и помещают в специальную камеру (то есть вы не увидите камертон, если разберете свои часы). У кварца есть одно потрясающее свойство, при ударе тока он начинает вибрировать в постоянном ритме, который равен 32 768 вибраций в секунду. Также есть и обратное свойство, вибрируя, кварц выделяет собственные электрические разряды, которые и управляют ходом часов.

Батарейка снабжает энергией электронный блок, который посылает электрический импульс кристаллу кварца. От этого кварц начинает вибрировать с частотой равной 32 768 колебаний в секунду. Ни больше, ни меньше. Каждая вибрация равна импульсу, который посылается в распределительный блок. Тот разделяет частотность кристалла, уменьшая его до одного импульса в секунду. Таким образом, мы получаем импульс через равные промежутки времени, то есть каждую секунду. Так как импульс в одну секунду слишком слаб, чтобы повернуть стрелки, он увеличивается приводным блоком и передается пошаговому двигателю , отвечающему за движение стрелок. Электрические импульсы создают в двигателе магнитное поле, которое проворачивает специальный ротор, а тот, в свою очередь, передвигает секундную стрелку ровно на одну секунду через набор шестерен.

Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.

Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

Атомные часы
Атомные часы.

У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты — это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.

Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.

Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.

В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.