kvartsur

Et quartz ur er en elektro-mekanisk eller fuldelektronisk ur hvis ur (som tid standard ) som ur krystal uddannet kvartskrystal er. Ud over kvartsure med urskive eller numerisk display er der dem uden display, som i computersystemer normalt udsender information om tiden som et elektrisk signal og kaldes realtidsure . Bevægelsen af ​​et elektronisk kvartsur kaldes en kvartsbevægelse . Mange urproducenter bruger den engelske stavemåde "Quartz".

Tidligt kvarts vækkeur med urskive

Fysisk-teknisk baggrund

Nærbillede af en tuningsgaffelformet urkvarts uden etui

Kvarts er et piezoelektrisk materiale: mekaniske deformationer skaber et elektrisk felt, og eksterne elektriske felter forårsager mekaniske deformationer. Oscillerende krystaller er derfor komponenter, der er i stand til elektromekaniske resonansoscillationer. De holder deres nominelle frekvens inden for meget lave relative fejlgrænser (typ .: 10 -5 ≈ 1 s pr. Dag) og er derfor velegnede som nøjagtige urgeneratorer i ure. Resonansfrekvensen for en krystalblok på nogle få millimeter i størrelse, der let passer ind i en standard urkasse, er meget høj med dette hårde materiale, nemlig i megahertz-området. Imidlertid er sådanne høje frekvenser uhåndterlige for ure.

På grund af deres stemmegaffeldesign er urkrystaller blevet udviklet med en lav frekvens for krystaller af deres størrelse som standardfrekvensen på 32 768 Hz, hvorfra en anden puls kan udledes ved at dividere frekvensen med 2 15 . 15 T-flip-flops forbundet i serie , som halverer frekvensen, bruges til divisionen. Kvartsfrekvensen er et kompromis, da flip-flops strømforbrug er proportionalt med frekvensen, dvs. det falder mod en lavere frekvens, så urets batteri kan levere strøm i lang tid. Desuden er strukturen optimeret til en minimumstemperaturkoefficient i arbejdsområdet på 25 ... 28 ° C, idet frekvensen i dette område lige når et maksimum.

Den anden puls driver enten en Lavet-trinmotor eller en elektrisk balanceoscillator i et mekanisk urværk eller indstiller tempoet for et elektronisk kredsløb . Den Displayet sker med mekaniske pointere, flydende krystaller skærme (LCD) eller lysemitterende dioder (LED).

konstruktion

Bagsiden af ​​et armbåndsur.
Nedenfor: ur kvarts til højre, knapcelle (batteri) til venstre.
Ovenfor: på højre oscillator og urdeler (under sort forsegling) til venstre Lavet-trinmotorens spole med rød emaljeret ledning til håndkørsel.
Kvarts bevægelse; genkendeligt med uret: spolen til lavet-stepmotoren og kvartsoscillatoren

Hovedkomponenterne i et kvartsur er en urgenerator baseret på kvartssvingninger, elektronik til behandling af ure og brugerindgange, en displaydel til visning af tidsinformation og, hvis relevant, driftsstatus for uret og en strømforsyning.

I stedet for et mekanisk pendul eller balancehjul , der drives af vægte eller fjedre, anvendes følgende energikilder :

Kvartsure - ligesom mekaniske ure - kan have forskellige “komplikationer” , så f.eks. Armbåndsure har ekstra hænder og kan vise dato, kronograf , evig kalender , månefase , to vækkeure, timer ned og en anden tidszone (24-timers visning).

Nøjagtighed

Kvartsur med "Twin Quartz" temperaturkompensation, 1979

Kvartsure med et urkvarts med den sædvanlige svingningsfrekvens på 32 768 (2 15 ) Hz kan normalt have en urfrekvens (progressiv afvigelse) på ± 60 sekunder om året (hastighedsafvigelse: ± 2 ppm) til ± 30 sekunder om måneden ( hastighedsafvigelse: ± 10 ppm) at have. Da disse afvigelser akkumuleres over tid, skal et kvartsur lejlighedsvis justeres i henhold til tidspunktet for et mere præcist ur eller en tidsmeddelelse i radioen.

Satsafvigelser for et kvartsur kan minimeres ved:

Krystaller og ure med høj præcision (1 ... 50 ppb):

  • Forældning af kvartset
  • Drift i en ovn ved konstant temperatur (Ovnstyret krystaloscillator (OCXO)). De varmeovne er nu miniaturiseret med volumener på mindre end 0,1 cm 3 til nogle få cm 3 .

Yderligere foranstaltninger:

  • forældet: finjustering af frekvens ved hjælp af en trimningskondensator ,
  • Finjustering ved hjælp af digital kalibrering (inhiberingskompensation), krystallerne vibrerer lidt for hurtigt. B. at blive ignoreret i slutningen af ​​et minut.
  • temperaturkompenseret design, både analog (kompensationskredsløb) og digital mulig (temperaturafhængig inhiberingskompensation)
  • Forbindelse til radioure , der synkroniseres dagligt eller hver time via radio (i Centraleuropa modtagelse af tidssenderen DCF77 ) med den koordinerede verdens tid eller til andre ure via USB , Bluetooth eller internettet og synkronisering med mere præcise ure. Mange bærbare enheder synkroniserer sig til pc'en tid når den er tilsluttet til pc'en, kan pc'er til deres del synkronisere sig med Internet tidsservere via NTP .

historie

Tekniske krav

Kvartsuret blev udviklet i forbindelse med den højfrekvente forskning, der begyndte under første verdenskrig. I 1920'erne blev enheder oprettet til at generere og kontrollere transmissionsfrekvenser for de hurtigt voksende radiostationer. Da frekvens er defineret som det reciprokke af den periode , kunne teknikken med kvarts-stabiliserede normal frekvensgeneratorer også anvendes til konstruktion af de første Quartzure.

Forudsætningerne for udvikling af kvartsure var:

  • opdagelsen af piezoelektricitet af Jacques og Pierre Curie i 1880.
  • Elektroniske kredsløb til spænding af kvarts og stabilisering af et oscillerende kredsløb, udviklet af Walter Guyton Cady i 1920 og 1921 samt forenkling af kredsløbet af George W. Pierce og RL Miller i 1922. Pierce-Miller kredsløbet er den mest udbredte type af et til i dag piezoelektrisk kredsløb.
  • Udgangsenheder til anden cyklus. Der skulle udvikles frekvensdelere og højhastigheds-synkronmotorer til dette.

Den banebrydende fase op til anden verdenskrig

National frekvensstandard i USA 1929, bestående af fire opvarmede krystaloscillatorer på Bell Laboratories

Den 13. oktober 1927 præsenterede Joseph W. Horton og Warren Alvin Marrison fra Bell Laboratories i New York det første kvartsur på konferencen for International Union of Scientific Radio Telegraphy. En oscillerende krystal med en resonansfrekvens på 50  kHz styrede et elektronisk oscillerende kredsløb, hvis vekselstrøm kørte en lille synkron motor med en markørmekanisme.

En gruppe på fire yderligere udviklede krystaloscillatorer fra Bell Laboratories fungerede som USA's nationale frekvensstandard i 1929, som vist i den tilstødende figur. For at minimere eksterne temperatursvingninger og dermed termisk inducerede udsving i oscillatorens nøjagtighed blev de fire kvartsoscillatorer holdt ved en konstant temperatur i opvarmede skabe. Opvarmede kvartsoscillatorer som kvartsovn ( engelsk ovnstyret krystaloscillator OCXO i det følgende) og takket være en genial metode til sammenligning af oscillatorer med hinanden var National Bureau of Standards normfrekvensen med en nøjagtighed på 1 × 10-7 specificeret.

I 1928 tilbød General Radio fra Cambridge (MA) en standardfrekvensstandard, der var fabriksudstyret med et synkront ur. Denne elektroniske enhed blev kun anvendt som et ur i undtagelsestilfælde, men for det meste som en måleenhed til videnskabelige eksperimenter. Skiven blev kun sjældent brugt som en tidspræcis med høj præcision, men normalt som en grænseflade til kalibrering af standardfrekvensen ved at sammenligne den med det officielle tidssignal.

I de følgende to årtier blev kvartsuret videreudviklet som et laboratorieudstyr. Vigtige milepæle i definitionen af ​​nationale standarder for tid og frekvens blev sat i Tyskland og England. Men andre lande som Italien, Japan eller Holland har også markeret sig i den videre udvikling af kvartsurteknologi siden 1920'erne.

Fra 1932 og frem byggede Adolf Scheibe og Udo Adelsberger en serie kvartsure i forskellige designs på Physikalisch-Technische Reichsanstalt i Berlin. I 1935 var de i stand til at forbedre den gennemsnitlige daglige hastighedsfejl til ± 0,002 sekunder ved hjælp af en oscillator med ca. 60 kHz (efter frekvensdeling, drev af den synkronmotor med 333 Hz), hvis temperatur blev holdt konstant op til 0,001 ° C. Samme år lykkedes Scheibe og Adelsberger at bruge en af ​​disse ure til at bevise, at jordens rotation er udsat for både sæsonbetingede og kortsigtede udsving . For første gang var et menneskeskabt ur mere nøjagtigt end den tidligere reference for tidsmåling, jordens rotation.

Kvartsure med ringformet kvarts designet af Louis Essen ved National Physical Laboratory fra 1938 og frem sætter også nye standarder. I begyndelsen af ​​1940'erne havde Storbritannien det største netværk af kvartsure i verden.

Det første kommercielt tilgængelige kvartsur til industri og videnskab blev udviklet af Physikalisch-Technische Entwicklungslabor Dr. Rohde og Dr. Schwarz (i dag: Rohde & Schwarz ) udviklede sig i München. CFQ-kvartsuret, der dygtigt omgåede de uundværlige ting ved tidlig ventilelektronik med en patenteret kombination af kvartsoscillator og tuninggaffel, kom på markedet i 1938. På grund af deres præcision og pålidelighed blev to ure af denne type brugt i den tyske tidstjeneste fra oktober 1939. De blev medtaget i beregningen af ​​standardtiden og fungerede også som en kontrolenhed for tidssignalet.

Efterkvarts kvartsure

I perioden efter 1945 erstattede kvartsure præcisionspendulure over hele linjen som den industrielle og videnskabelige standard. I mellemtiden opnåede de bedste enheder en nøjagtighed på 1 · 10 −9 .

Patek Philippe Chronotome. Første bærbare batterikvartsur produceret i små serier fra 1960

Bestræbelserne på at miniaturisere kvartsure skal vise sig at være særlig vigtige. Under anden verdenskrig var der allerede gjort forsøg på at udvikle bærbare kvartsure på Borg-Gibbs Laboratory i USA og hos Rohde & Schwarz i Tyskland. Disse mislykkedes imidlertid på grund af det overdrevne strømforbrug af rørelektronikken. Først i slutningen af ​​1950'erne lykkedes det Genève-urproducenten Patek Philippe at producere sine første bærbare kvartsure takket være halvlederteknologi, innovative synkronmotorer og pålidelige batterier. Ligesom de batteridrevne kvartsure fra andre urfabrikker ( Seiko eller Junghans ) var disse kvartsure betydeligt dyrere end mekaniske ure i høj kvalitet i 1960'erne.

Quartz ure til alle

Prototype af et kvartsur, model Beta 1, Center Electronique Horloger (CEH), Schweiz, 1967

Takket være mikroelektronik var det muligt at bygge de første kvartsure til massemarkedet omkring 1970. Frekvensen af ​​kvartsoscillatorer var for det meste stadig under 10 kHz på dette tidspunkt. Prisen på bilure, vægure og bordure faldt hurtigt. Fra midten af ​​1970'erne og fremefter var kvartsure billigere end konventionelle mekaniske ure, de var meget mere nøjagtige og stort set vedligeholdelsesfrie bortset fra at udskifte batteriet.

Lidt senere begyndte denne udvikling inden for armbåndsur. Kvartsuret til håndleddet blev "opfundet mindst otte gange" i Schweiz, Japan og USA. Kort efter præsenterede virksomheder i Tyskland og Frankrig også deres egne designs.

Kvarts armbåndsure kom først ind i offentligheden i 1967 gennem kronometerkonkurrencen på observatoriet i Neuchatel, Schweiz. Det schweiziske forskningscenter for elektroniske ure "Center Electronique Horloger" (CEH) og Seiko indsendte prototyper af kvarts armbåndsure. Kvartsurene var bedre end alle andre mekaniske armbåndsure. Takket være temperaturkompensation opnåede de schweiziske kvartsure endnu bedre værdier end konkurrencen fra Japan.

Seiko Astron med Cal. 35A, første kvarts armbåndsur solgt til jul 1969 i en udgave på 100 stykker

Men det burde betale sig for Seiko, at når de udviklede kvarts armbåndsure, blev de konsekvent opmærksomme på senere masseproduktion. I julen 1969 solgte Seiko i Tokyo den første lille serie kvartsur, Astron, men stadig til enhedsprisen for en lille bil. Med deres banebrydende design til kvartsbevægelser lagde Seiko grundlaget for den japanske markedsdominans over hele verden. I 1972/73 havde Seiko udviklet tre nøgleteknologier, der var klar til serieproduktion, som til i dag karakteriserer næsten ethvert kvartsur med et analogt tidsdisplay: den tuningsgaffelformede, fotolitografisk fremstillede kvartsresonator, det integrerede kredsløb i CMOS type og trinmotor.

Kvartsure med digitale skærme klarer sig normalt uden mekaniske dele. Det første solid state kvartsur, den uhyrligt dyre Pulsar fra Hamilton (USA), havde stadig røde tal med lysdioder (LED) i 1972. Imidlertid blev der snart brugt energibesparende flydende krystalskærme (LCD).

I midten af ​​1970'erne var prisen på kvartsure allerede faldet under 100 DM, og den fortsatte med at falde hurtigt. Mekaniske bevægelser var ikke længere konkurrencedygtige med hensyn til pris og kvalitet. Mange traditionelle urfabrikker måtte lukke i kvartskrisen i 1970'erne og 1980'erne.

Omkring 1975 blev det klart, at den grundlæggende struktur af kvartsuret, der blev udviklet af Seiko, ville sejre. Et par år senere skiftede producenter af store urværk også til dette design. Al senere udvikling vedrørte kun yderligere reduktion af antallet og størrelsen af ​​de enkelte dele eller yderligere funktioner:

  • I 1973 lancerede Staiger CQ 2002-bevægelsen i St. Georgen (Schwarzwald). Takket være en 4,194,304 (2 22 ) Hz kvarts opnår det et væsentligt højere niveau af nøjagtighed end tidligere kvartsbevægelser for slutbrugeren.
  • I 1974 byggede Omega i Schweiz Constellation ”Megaquarz” marine kronometer, et analogt kvarts armbåndsur, hvis oscillerende kredsløb svinger ved 2.359.296 (3 2  · 2 18 ) Hz.
  • I 1976 var Omega den første producent, der introducerede en ny type kvartsur, den vandtætte serie "Seamaster".
  • De første digitale ure med lommeregnere dukkede op i midten af ​​1970'erne, inklusive HP-01 fra Hewlett-Packard i 1977 , hvilket også gjorde det muligt at beregne tidspunkter / perioder.
  • I 1980 byggede Omega "Dinosaure", det tyndeste kvartsur (1,46 mm).
  • Det første radiostyrede ur dukkede op i 1986 (samtidig fra Junghans fra Schramberg og Kundo fra St. Georgen) og i 1990 det første radiostyrede armbåndsur fra Junghans.
  • I 1988 blev det første kvartsur med automatisk energiproduktion (AGS - Automatic Generating System), senere omdøbt til "Kinetic", introduceret af Seiko (kaliber 7M22).
  • I 1998 introducerede Seiko "Ruputer", det første armbåndsur med PDA- funktioner ("Wrist PDA").
  • I 2005 introducerede Seiko Spring Drive som en fjederdrevet, kvartsstyret urværk.
Quartz ur med tidssignalstyring (radiour)

litteratur

  • Gisbert L. Brunner : Den lange vej til elektronisk præcision. I: Ure - Juveler - Smykker. Heft 2, 1995, s. 95-104, og Heft 3, 1995, s. 71-78.
  • Johannes Graf (red.): Kvartsrevolutionen. 75 års kvartsur i Tyskland. Foredrag i anledning af konferencen i det tyske urmuseum i Furtwangen den 20. og 21. august 2007, Furtwangen 2008. ISBN 3-922673-27-9 .
  • Helmut Kahlert , Richard Mühe , Gisbert L. Brunner, Christian Pfeiffer-Belli: Armbåndsure: 100 års udviklingshistorie. Callwey, München 1983; 5. udgave, ibid. 1996, ISBN 3-7667-1241-1 , s. 105-115 og 505.
  • Michael A. Lombardi: Evolutionen af ​​tidsmåling, del 2: kvartsure, i: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, bind 14, 2011, s. 41-48.
  • Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Elektrificering af armbåndsuret, München 2011. ISBN 978-3-87188-236-4 .

Weblinks

Commons : Quartz ure  - Samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Quartz watch  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. ^ Helmut Kahlert, Richard Mühe, Gisbert L. Brunner, Christian-Pfeiffer-Belli: armbåndsure: 100 års udviklingshistorie. 1996, s. 505.
  2. Gang Wolfgang Reinhold: Elektronisk kredsløbsteknologi: Grundlæggende om analog elektronik. Karl Hanser, 2. udgave 2017, s.296
  3. ↑ Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Den store kvarts kogebog. Uddrag i [1] , s. 4; PDF-fil åbnet den 17. april 2018
  4. ↑ Michael A. Lombardi: Evolutionen af ​​tidsmåling, del 2: kvartsure, i: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, bind 14, 2011, s. 41–48, her s. 42.
  5. ^ Joseph W. Horton, Warren A. Marrison: Præcisionsbestemmelse af frekvens, i: Proceedings of the Institute of Radio Engineers, bind 16, 1928, s. 137-154.
  6. ↑ Michael A. Lombardi: NIST Primary Frequency Standards and Realization of the SI Second, i: Measure, Vol. 2, No. 4, 2007, s. 74-89, her s. 76.
  7. ↑ http://www.ietlabs.com/pdf/GR_Experimenters/1935/GenRad_Experimenter_June_1935.pdf , s.13.
  8. ↑ Johannes Graf: Quartz ure er ikke lavet af kvarts. Serie kvartsure fra mellemkrigstiden i: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, bind 54, 2015, s. 67-90.
  9. ^ Shaul Katzir: Forfølger frekvensstandarder og kontrol. Opfindelsen af ​​kvartsurteknologier i: Annals of Science 2015, doi : 10.1080 / 00033790.2015.1008044 .
  10. ^ Horst Hassler: A. Scheibe og U. Adelsberger - fysikere og urmagere fra Tyskland. (PDF; 426 kB)
  11. ↑ Hemmeligheden bag uret. I:  Salzburger Chronik für Stadt und Land / Salzburger Chronik / Salzburger Chronik. Tagblatt med det illustrerede supplement “Die Woche im Bild” / Die Woche im Bild. Illustreret underholdningstilskud til "Salzburger Chronik" / Salzburger Chronik. Dagblad med det illustrerede supplement “Oesterreichische / Österreichische Woche” / Österreichische Woche / Salzburger Zeitung. Tagblatt med det illustrerede supplement “Austrian Week” / Salzburger Zeitung , 28. januar 1935, s. 6 (online på ANNO ).Skabelon: ANNO / Vedligeholdelse / sch
  12. ↑ Ingen dag er så lang som den anden? I:  Gratis stemmer. Tyske Carinthian State Avis / gratis stemmer. Sydtysk-alpine dagblad. Deutsche Kärntner Landeszeitung , 12. maj 1936, s. 2 (online på ANNO ).Skabelon: ANNO / Vedligeholdelse / fst
  13. ↑ Eduard C. Saluz: Kvartsure og præcisionstidsmåling i England og Frankrig fra 1930 til 1950, i: Quarzrevolutionen. 75 års kvartsur i Tyskland. Redigeret af Johannes Graf, Furtwangen 2008, s. 40–51, især England, s. 42–46.
  14. ↑ Virksomhedshistorie: 75 år med Rohde & Schwarz
  15. ↑ Johannes Graf: Quartz ure er ikke lavet af kvarts. Serie kvartsure fra mellemkrigstiden i: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, bind 54, 2015, s. 67–90, her s. 77.
  16. ^ Marvin E. Whitney: Skibets kronometer, Cincinnati (OH) 1985, s. 307-310.
  17. ↑ Johannes Graf: Quartz ure er ikke lavet af kvarts. Serie kvartsure fra mellemkrigstiden i: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, bind 54, 2015, s. 67-90, her s. 83-86.
  18. ↑ Michael Schuldes: Første bærbare, batteridrevne kvartsur fra Patek Philippe i: The Quarzrevolution. 75 års kvartsur i Tyskland. Redigeret af Johannes Graf, Furtwangen 2008, s. 52–61.
  19. ^ Helmut Kahlert, Richard Mühe, Gisbert L. Brunner, Christian-Pfeiffer-Belli: armbåndsure: 100 års udviklingshistorie. 1996, s. 505.
  20. ↑ Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Den elektrificering af armbåndsuret , München 2011, s 99..
  21. ↑ Trueb, s. 102.
  22. ↑ som følgende: Trueb, pp 108-111..