Электрические часы - Electric clock
Электрические часы это часы , которые питаются от электричества , в отличии от механических часов , который питается от веса висящего или горнила . Этот термин часто применяется к механическим часам с электрическим приводом, которые использовались до появления кварцевых часов в 1980-х годах. Первые экспериментальные электрические часы были построены примерно в 1840-х годах, но широко не производились до тех пор, пока в 1890-х годах не стало доступным электроснабжение . В 1930-х годах синхронные электрические часы заменили механические часы как наиболее широко используемый тип часов.
Типы
Электрические часы могут работать по нескольким типам механизмов:
- Электромеханические часы имеют традиционный механический механизм , который отслеживает время с помощью колеблющегося маятника или балансового колеса, приводимого в движение через зубчатую передачу от главной пружины , но используют электричество для перемотки основной пружины с помощью электродвигателя или электромагнита . Этот механизм чаще всего встречается в старинных часах.
- Часы с электрическим ремонтуаром имеют зубчатые передачи, вращаемые небольшой пружиной или утяжеленным рычагом, называемым ремонтуаром , который чаще заводился с помощью электродвигателя или электромагнита. Этот механизм был более точным, чем заводная пружина, потому что частый завод усреднял колебания хода часов, вызванные изменяющейся силой пружины при ее раскручивании. Он использовался в точных маятниковых часах и в автомобильных часах до 1970-х годов.
- Электромагнитные часы отсчитывают время с маятником или балансовым колесом, но импульсы, поддерживающие его движение, создаются не механическим движением и рычажным механизмом спуска , а магнитной силой от электромагнита ( соленоида ). Этот механизм использовался в первых электрических часах и встречается в старинных электрических маятниковых часах. Он также находится в нескольких современных декоративных каминных и настольных часах.
- Синхронные часы полагаются на 50 или 60 Гц частоты полезности от сети переменного тока сети электроснабжения в качестве источника синхронизации, путем приведения в действие тактовых передач с синхронным двигателем . По сути, они подсчитывают циклы подачи питания. Хотя фактическая частота может изменяться в зависимости от нагрузки в сети, общее количество циклов в 24 часа поддерживается строго постоянным, так что эти часы могут точно отслеживать время в течение длительных периодов времени, исключая отключения электроэнергии ; через несколько месяцев они становятся более точными, чем обычные кварцевые часы. Это был самый распространенный тип часов с 1930-х годов, но сейчас он в основном заменен кварцевыми часами.
- Часы Tuning Fork отслеживают время, считая колебания откалиброванного камертона с определенной частотой. Они были сделаны только с батарейным питанием. Часы с батарейным питанием были сделаны по схемам, приведенным выше, с очевидным исключением синхронного механизма. Все часы с батарейным питанием были в значительной степени заменены более дешевым кварцевым механизмом.
- Кварцевые часы - это электрические часы, которые отсчитывают время, считая колебания вибрирующего кристалла кварца . В них используются современные низковольтные схемы с питанием от постоянного тока, которые могут питаться от батареи или получать электроэнергию от сети. Сегодня это самый распространенный тип часов. Кварцевые часы и часы, поставляемые производителем, обычно показывают время с погрешностью в несколько секунд в неделю, а иногда и больше. Недорогие кварцевые механизмы часто предназначены для отсчета времени в пределах 30 секунд в месяц (1 секунда в день, 6 минут в год). Более низкая погрешность может быть достигнута индивидуальной калибровкой, если возможна регулировка, в зависимости от стабильности генератора, особенно при изменении температуры. Более высокая точность возможна при более высоких затратах.
- Радиоуправляемые часы - это кварцевые часы, которые периодически синхронизируются сошкалой времени атомных часов UTC с помощью радиосигналов времени, транслируемых специализированными станциями по всему миру. Они отличаются от радиочасов .
История
В 1814 году сэр Фрэнсис Рональдс из Лондона изобрел первые электрические часы. Он питался от сухих свай , высоковольтной батареи с чрезвычайно долгим сроком службы, но недостатком ее электрических свойств было изменение погодных условий. Он опробовал различные средства регулирования электричества, и эти модели оказались надежными в целом ряде метеорологических условий.
В 1815 году Джузеппе Замбони из Вероны изобрел и продемонстрировал другие электростатические часы с сухими батареями и колеблющимся шаром. Его команда в течение многих лет производила улучшенные часы, которые позже были названы «самым элегантным и в то же время самым простым механизмом, который когда-либо производила электрическая колонка». Часы Замбони имели вертикальную стрелку, поддерживаемую осью, и были настолько энергоэффективными, что могли работать от одной батареи более 50 лет.
В 1840 году шотландский производитель часов и инструментов Александр Бейн первым изобрел и запатентовал часы, работающие от электрического тока. Его оригинальный патент на электрические часы датирован 10 октября 1840 года. 11 января 1841 года Александр Бейн вместе с Джоном Барвайзом, изготовителем хронометров, получил еще один важный патент, описывающий часы, в которых электромагнитный маятник и электрический ток используются для удержания часы идут вместо пружин или гирь. Позднее патенты расширили его оригинальные идеи.
Многие люди были полны решимости изобрести электрические часы с электромеханической и электромагнитной конструкцией около 1840 года, такие как Уитстон, Штайнхейль, Хипп, Бреге и Гарнье, как в Европе, так и в Америке.
Маттеусу Хиппу , часовщику, родившемуся в Германии , приписывают создание серийного производства электрических часов, предназначенных для массового рынка. Хипп открыл мастерскую в Ройтлингене , где он разработал электрические часы для Hipp-Toggle, представленного в Берлине на выставке в 1843 году. Hipp-Toggle - это устройство, прикрепленное к маятнику или балансовому колесу, которое электромеханически допускает случайные импульсы. или привод на маятник или колесо, когда его амплитуда качания падает ниже определенного уровня, и настолько эффективен, что впоследствии более ста лет использовался в электрических часах. Хипп также изобрел небольшой мотор и построил хроноскоп и регистрирующий хронограф для измерения времени.
Первые электрические часы имели выступающие маятники, потому что это были знакомая форма и конструкция. Меньшие часы и часы со спиральным балансом сделаны по тем же принципам, что и маятниковые часы.
В 1918 году Генри Эллис Уоррен изобрел первые синхронные электрические часы в Ашленде, штат Массачусетс, которые отсчитывали время от колебаний электросети. В 1931 году Synclock были первыми коммерческими синхронными электрическими часами, проданными в Великобритании.
Электромеханические часы
Часы, которые используют электричество в той или иной форме для питания обычного часового механизма, представляют собой электромеханические часы. Любые часы с пружинным или весовым приводом, которые используют электричество (переменный или постоянный ток) для перемотки пружины или увеличения веса механических часов, тогда являются электромеханическими часами. В электромеханических часах электричество не выполняет функцию хронометража. Функция хронометража регулируется маятником. Ближе к концу девятнадцатого века появление сухих аккумуляторных батарей сделало практичным использование электроэнергии в часах. Затем использование электричества привело к появлению множества вариаций конструкции часов и двигателей. Электромеханические часы изготавливались как отдельные часы, но чаще всего использовались как неотъемлемые части синхронизированных установок времени. Опыт телеграфии привел к подключению удаленных часов (ведомых часов) по проводам к управляющим (ведущим часам). Цель состояла в том, чтобы создать систему часов, в которой все часы отображали бы одно и то же время. Ведущее устройство и ведомые устройства - электромеханические часы. Главные часы имеют обычный часовой механизм с автоподзаводом, который перематывается электрически. Подчиненные тактовый механизм не обычный часовой механизм , как она состоит только из храпового колеса и время поезда. Ведомые часы полагаются на электрические импульсы от главных часов, чтобы механически перемещать стрелки часов на одну единицу времени. Системы синхронизированного времени состоят из одних главных часов и любого количества подчиненных часов. Ведомые часы подключены проводами к ведущим часам. Эти системы можно найти в местах, где будет использоваться несколько часов, таких как учебные заведения, предприятия, фабрики, транспортные сети, банки, офисы и правительственные учреждения. Ярким примером этого типа системы являются часы Shortt-Synchronome , которые являются примером электромеханического гравитационного ремонтуара . Эти системы часов с автоподзаводом обычно были низкого напряжения постоянного тока. Они были установлены в 1950-х годах, и к тому времени системы с синхронным двигателем часов стали предпочтительными системами часов.
Электромагнитные часы
Конфигурация этого устройства сравнительно очень проста и надежна. Электрический ток питает либо маятник, либо электромеханический осциллятор .
Компонент электромеханического осциллятора имеет прикрепленный магнит, который проходит через две катушки индуктивности . Когда магнит проходит через первую катушку индуктивности или датчик, простой усилитель вызывает ток через вторую катушку индуктивности, а вторая катушка индуктивности работает как электромагнит , обеспечивая импульс энергии движущемуся генератору. Этот осциллятор отвечает за точность часов. Электронная часть не генерировала бы электрические импульсы, если бы генератор отсутствовал или не двигался. Резонансная частота механического осциллятора должна быть несколько раз в секунду.
Синхронные электрические часы
Синхронные электрические часы не содержат генератора хронометража, такого как маятник или балансовое колесо, а вместо этого подсчитывают колебания переменного тока от сетевой розетки , чтобы отсчитывать время. Он состоит из небольшого синхронного двигателя переменного тока , который вращает стрелки часов через редуктор . Двигатель содержит электромагниты, которые создают вращающееся магнитное поле, которое вращает железный ротор . Скорость вращения вала двигателя синхронизирована с частотой сети ; 60 циклов в секунду (Гц) в Северной Америке и некоторых частях Южной Америки, 50 циклов в секунду в большинстве других стран. Зубчатая передача масштабирует это вращение, поэтому минутная стрелка вращается один раз в час. Таким образом, синхронные часы можно рассматривать не столько как хронометрист, сколько как механический счетчик, стрелки которого показывают текущий счет количества циклов переменного тока.
Одна из шестеренок, поворачивающих стрелки часов, имеет вал со скользящей фрикционной муфтой, поэтому стрелки часов можно повернуть вручную ручкой на задней стороне, чтобы установить часы.
Часы с синхронным двигателем прочны, потому что у них нет изящного маятника или колеса баланса. Однако временное отключение электроэнергии остановит часы, которые покажут неправильное время при восстановлении питания. Некоторые синхронные часы имеют индикатор, который показывает, был ли он остановлен и перезапущен.
Количество полюсов
Некоторые электрические часы имеют простой двухполюсный синхронный двигатель, который работает с одним оборотом за цикл мощности, то есть 3600 об / мин при 60 Гц и 3000 об / мин при 50 Гц. Однако у большинства электрических часов есть роторы с большим количеством магнитных полюсов (зубцов), следовательно, вращающиеся с меньшей долей линейной частоты. Это позволяет изготавливать зубчатую передачу, поворачивающую стрелки, с меньшим количеством шестерен, что позволяет сэкономить деньги.
Точность
Точность синхронных часов зависит от того, насколько близко электроэнергетические компании поддерживают частоту своего тока на номинальном уровне 50 или 60 герц. Несмотря на то, что колебания нагрузки электросети вызывают колебания частоты, которые могут привести к ошибкам в несколько секунд в течение дня, коммунальные предприятия периодически регулируют частоту своего тока, используя время атомных часов UTC, так что общее количество циклов в день дает среднюю частоту. это в точности номинальное значение, поэтому синхронные часы не накапливают ошибку. Например, европейские коммунальные предприятия контролируют частоту своей сети один раз в день, чтобы общее количество циклов за 24 часа было правильным. Энергетические компании США корректируют свою частоту, когда совокупная ошибка достигает 3–10 секунд. Эта коррекция известна как коррекция ошибок времени (TEC).
В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (NERC), основанная на консенсусе отраслевая организация, обратилась в Федеральную комиссию по регулированию энергетики (FERC) с просьбой упразднить TEC. Хотя это освободило бы энергетические компании от угрозы штрафов, а также обеспечило бы чрезвычайно скромное повышение стабильности частоты, было также отмечено, что синхронные часы, которые включают настенные часы, будильники и другие часы, вычисляющие время на основе их электрическая мощность накапливала несколько минут ошибки между полугодовыми сбросами на летнее время . Об этом последствии сообщили в американских средствах массовой информации, и инициатива была отклонена. Однако в конце 2016 года аналогичное предложение было снова подано НКРЭ в FERC, которое было одобрено двумя месяцами позже. Это зависит от удаления стандарта WEQ-006, и NERC также обратилась в Североамериканский совет по энергетическим стандартам (NAESB), неправительственную организацию, ориентированную на бизнес, с просьбой отменить этот стандарт. Если FERC примет петицию NAESB, ТИК больше не будут использоваться в Соединенных Штатах и Канаде, и часы, отсчитываемые ими, вероятно, будут неконтролируемо блуждать до тех пор, пока не будут сброшены вручную; в техническом документе сотрудников Национального института стандартов и технологий и Военно-морской обсерватории США было отмечено, что, если бы TEC не были установлены в 2016 году, на большей части территории Соединенных Штатов было бы потеряно более семи минут электрически синхронизируемыми часами. и Канада, как показано на Рисунке 8 их статьи.
Часы с запуском отжима
Самые ранние синхронные часы 1930-х годов не запускались автоматически, и их нужно было запускать, вращая ручку стартера на задней панели. Недостатком конструкции этих часов с запуском отжима было то, что двигатель можно было запустить в любом направлении, поэтому, если ручка стартера вращалась не в ту сторону, часы вращались бы в обратном направлении, а стрелки вращались бы против часовой стрелки. Более поздние часы с ручным запуском имели храповики или другие рычаги, которые препятствовали запуску в обратном направлении. Изобретение двигателя с расщепленными полюсами позволило создать часы с самозапуском, но поскольку часы перезапускались после перебоя в подаче электроэнергии, потеря времени не указывалась.
Смотрите также
Примечания
использованная литература
- Вирадес, Мишель. История электрических часов
- Кац, Евгений. Александр Бэйн биография
- Вечный электромотив Джузеппе Замбони
- Чиркин, К. Электромеханические часы. Радио, 7 (1968): с. 43.