Развитие электрических часов

На начальной стадии развития электрических часов совершенно четко видны следы долгой эры механических часов, причем как крупных стационарных, так и малых портативных часов. В обоих случаях электроэнергия служила сначала лишь для завода механического ведущего устройства — груза или пружины.

Пионером в конструировании первых электрических часов, принцип которых существенно отличался от принципа классических шестеренчатых часов, был Александр Бэйн (1811-1877) из Эдинбурга, изобретатель электромеханического печатающего телеграфа. В 1840 г. он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были, правда, еще механические часы, приводимые пружиной, но индикатор времени был решен на принципе суммирования электрических импульсов, подаваемых маятником часов. Лишь в период 1845-1847 гг. Бэйн завершил свою работу над первыми действительно электрическими часами, главным механизмом которых был электрический контакт, управляемый движением часового маятника, приводимого в движение импульсами электромагнита. Железное ярмо на линзе маятника проходило через полости катушек соленоидов. Изменение полярности магнитного поля и попеременные притягивания и отталкивания ярма обеспечивали электрический контакт на маятнике. Количество колебаний регистрировал электромагнитный счетчик, связанный колесной передачей со стрелками на циферблате часов.

Одновременно с Бэйном создал электрические часы и другой англичанин — Чарлз Уитстон (1802-1875), но часам Бэйна принадлежит приоритет в части электромагнитного привода осциллятора. Систему Бэйна перенял и несколько изменил в начале нашего века француз Булль. В коммерческом исполнении стала производить эти часы под маркой «АТО» известная фирма Юнгханса в Шрамберге. Часы Булля, маятник которых получал электромагнитные импульсы при каждом колебании, питались от элементов Лекланше, тогда как Бэйн вынужден был пользоваться еще намного более примитивными источниками электроэнергии. Его гальваническим элементом был угольный электрод, закопанный в землю, окруженный на расстоянии нескольких дециметров цинковыми пластинами, соединенными проволокой в один отрицательный электрод. Элемент давал электрический ток, если оба электрода постоянно находились в достаточно влажной среде. Еще до Булля и Юнгханса система Бэйна привлекла некоторых английских предпринимателей. В 70-х годах прошлого века эта была, например, фирма «Стандард Тайм Компани» в Лондоне и фирма «Ритче» в Эдинбурге, где модифицировали конструкцию Бэйна.

Позднее были основаны на электромагнитном принципе многие другие электрические часы, в создании которых принимали участие Липпман, Фери, Госселен и другие. Эти часы, хотя и удовлетворяли теоретическим положениям, но на практике работа над ними наталкивалась на многие трудности с поддержанием амплитуды и постоянного периода колебаний осцилляторов. Величина электрического импульса зависела от качества контакта электрической схемы. Электрический контакт был главной причиной значительных колебаний хода первых электрических часов.

Рис. 35. Схема включения электрических часов Гиппа: 1 — маятник, 2 — ярмо, 3 — импульсная катушка, 4 — контакт Гиппа, 5 — источник, 6 — счетчик колебаний

Необходимо было устранить или хотя бы ограничить недостатки контактного включающего механизма. В сторону второй возможности — ограничения недостатков — склонялся швейцарский механик и часовщик Маттеус Гипп (1813-1893), работавший в Ульме и в Сант Галлене, Берне и Невшателе. У часов Гиппа, построенных в первой половине сороковых годов прошлого века (рис. 35), движением маятника управляют два электромагнита с сердечниками из магнитомягкого материала, соединенных последовательно и приводимых в действие так называемым контактом Гиппа. При достаточной амплитуде маятника язычок контакта проскакивал, и контакт оставался разъединенным, но если. амплитуда падала ниже определенного предела, то язычок защемлялся в тонких вырезах контактной пластинки, прикрепленной к стержню маятника, вследствие чего происходил контакт. В отличие от часов Бэйна маятник здесь качался преимущественно свободно и получал импульсы лишь периодически. Часы Гиппа были весьма надежными в работе. Большинство этих часов, снабженных позднее полусекундным маятником, построили фирмы «Пейер», «Фаваржер и Цие» и «Телеграф Мануфактуринг Компани» в Невшателе.

В 1898-1899 гг. идею Гиппа о свободном электромагнитном маятнике развил Р. Рудд, который отсоединил от маятника механизм, регистрирующий количество его колебаний, и устранил переменное влияние этого механизма на маятник. Эти электрические часы имели, собственно говоря, по два синхронизированных маятника — главный и вспомогательный. Вспомогательные маятниковые часы посылали импульс механизму главного маятника, а синхронизирующий механизм посылал, в свою очередь, сигналы, синхронизирующие вспомогательные часы. Первые синхронизирующие импульсы, управляемые вспомогательным маятником, не были точными, но их ход определял главный маятник.

Новая система Рудда стала важной вехой в развитии точных электрических хронометрических приборов. Впервые в истории хронометрии спусковой механизм уступил место вспомогательному маятнику. Этот вспомогательный маятник, соединенный с электромагнитным синхронизирующим элементом, позволил выделять лишь периодические, в данном случае до четырехминутных, импульсы и одновременно существенно сократить их во времени. За 1904-1919 гг. свободный электромагнитный маятник прошел большой путь интенсивного развития, что было заслугой таких конструкторов, как Дэвид Джилл, Ц.О. Бартрум, О'Лири, Парсон и Болл.

Верхом совершенства в строительстве свободных электромагнитных маятников, примененных на практике, были электрические часы В.Х. Шортта. Его часы со сводным маятником, установленные впервые в 1921 г. на обсерватории в Эдинбурге, были в принципе построены на идее конструкции Рудда, развитой путем усовершенствования обоих синхронизированных маятников, работавших с 30-секундным интервалом между импульсами привода. Часы Шортта стали в период между обеими мировыми войнами обязательной принадлежностью всех крупных астрономических обсерваторий мира. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, установленных последовательно в 1924, 1926 и 1927 гг. в Гринвичской обсерватории, вычислили среднесуточную общую погрешность в 1/300 с, что приблизительно соответствует ошибке в 1 с в год. Точность, достигнутая свободным маятником Шортта, вызвала надежды на возможность измерений изменения продолжительности оборота Земли. В 1931 г. это привело к пересмотру абсолютной единицы времени — звездного времени — с учетом нутации земной оси. Отсюда происходила ошибка, которой до сих пор пренебрегали и которая достигала при своем максимуме 0,003 с в сутки. Новая скорректированная абсолютная единица времени была позднее названа средним звездным временем. Результаты, достигнутые часами Шортта, были в течение многих лет — вплоть до появления кварцевых часов — непревзойденными по точности.

Часы Шортта явились вершиной использования возможностей маятника как осциллятора часов, хотя и тогда не использовали все имевшиеся к тому времени возможности. И здесь был необходим некоторый, точно управляемый силовой импульс, который, несмотря на все принимавшиеся меры, оставался источником дестабилизирующих влияний на маятник и остальной механизм часов. Эти дестабилизирующие влияния пытались после Шортта устранить некоторые другие конструкторы.

В 1925 г. Ферре построил свой свободный маятник с фотоэлектромагнитным приводом, а через два года появился маятник Шулера с электродинамическим приводом. В теоретическом отношении наиболее разработанным было решение Томлинсона в 1933 г. Г.А. Томлинсон первым использовал сугубо электрические элементы — фотоэлемент, управляющий схемой чувствительного электронного реле на радиолампах. Это реле выполняло роль переключателя электромагнитных импульсов для маятника. Достоинством решения Томлинсона было то упрощение, при котором отпал вспомогательный маятник, и то обстоятельство, что при электрически посылаемом бесконтактным способом импульсе можно по сравнению с прежними механическими средствами существенно ограничить интерференционные влияния на маятник. Следующим бесспорным достоинством была малая инерция светового контакта, что хотя бы частично компенсировало недостаток часов Томлинсона — чувствительное электромагнитное реле. Хотя маятник Томлинсона и не получил большого практического применения, его главным теоретическим вкладом был показ возможности отхода от электромагнитных систем в сторону современных схем с электронным управлением.

 

Электрочасовые системы с централизованным управлением

К разряду электрических часов относятся также те хронометрические устройства, у которых в качестве единицы времени используется период измерения напряжения электрической сети, централизованно управляемые хронометрические системы, состоящие из главных управляющих, первичных, часов и большого количества управляемых, вторичных, часов, с которыми мы встречаемся в виде городских уличных часов и т.п.

Главной частью часов первой группы является синхронный двигатель, питаемый переменным током сети частоты 50 Гц и напряжением 220 и 120 В. Двигатель приводит через передаточный элемент либо стрелочный, либо цифровой индикатор с механическим или с электрооптическим преобразователем.

Централизованно управляемые хронометрические системы работают с часами, которые можно было бы назвать электромеханическими часами. Главные управляющие или маточные часы имеют механический часовой механизм со спуском Грагама, инварным маятником и электрическим заводом. Переключающее устройство, расположенное непосредственно в главных часах, посылает через полуминутные или минутные интервалы с помощью дифференциального реле во вторичные часы с поворотным или колеблющимся анкером сигналы времени в виде управляющих импульсов тока. Вторичные часы являются лишь электромеханическими счетчиками импульсов тока и тем самым счетчиками интервалов времени.

В ЧССР в последние годы работают над принципом беспроволочной передачи информации о времени. Институт радиотехники и электротехники Чехословацкой Академии наук в Праге разработал новый метод радиопередачи данных о времени. В сотрудничестве с предприятием «Праготрон», автором механической части этого оборудования, были построены сначала первые четыре хронометрические системы. Три из них были введены в действие в начале 1978 г. фирмой «Праготрон» и сданы в центре Праги в опытную эксплуатацию. Данные о времени передаются с помощью пяти импульсов либницким радиопередатчиком ОМА на частоте 50 кГц. Мощность этого передатчика достаточна для передачи данных о времени на расстояние до 2000 км. В случае перерыва в работе передатчиков радиочасы автоматически переходят на автономный режим, в котором они работают в качестве самостоятельной единицы, выводящей данные о времени от встроенных в них электронных часов, управляемых кварцевым осциллятором. Передатчик контролирует ход часов через регулярные отрезки времени и в случае выхода из строя источника электроэнергии устанавливает на цифровом индикаторе за 2-3 мин передачу правильных данных о времени. Беспроволочная передача данных о времени имеет большое будущее, в чем мы убедимся при рассмотрении перспектив дальнейшего развития хронометрических приборов.

 

Электрические хроноскопы и хронографы

Эксперименты с созданием первых электрических хроноскопов и хронографов начались в то же время, когда Бэйн и Гипп начали строить свои электромеханические часы. В 1840 г. Чарлз Уитстон вместе с Соутом и Пардэем построили электромагнитный кнопочный хроноскоп, управляемый электрическим сигналом, подаваемым с места регистрируемого события. Через два года после этого Уитстон испробовал свой усовершенствованный электрический хроноскоп в Кэмпденн Хилл Обсерватри для измерения скорости выстреленного снаряда и при свободном падении тел. Его хроноскоп работал тогда с точностью в 1/6 с.

Построением электрического хроноскопа занимался также и Л.Ф.Ц. Бреге — внук А.Л. Бреге. В 1844 г. он даже обеспечил свой приоритет в строительстве электромагнитных часов. На основе опыта хроноскопа Бреге Гипп построил через несколько лет новый прибор с невиданной дотоле разрешающей способностью в 0,001 с. В 1849 г. в обсерватории в Вашингтоне был впервые установлен хронограф с регистрацией прохождения звезд на подвижной регистрационной ленте или на вращающемся барабане. Временные отметки в секундах наносились на график электроконтактной системой от точных часов. Этот же принцип был значительно позднее использован в астрономической обсерватории Гринвич в Англии. Здесь Эйри построил в 1856 г. большой хронограф с коническим маятником, в задачу которого входило управление вращением регистрирующего цилиндра. Германская фирма «Сименс» попользовала для этого метод электроискровых записей знаков времени. Одним из самых удачных хронографов, особенно подходящим для измерения скорости выстреленных снарядов, был хронограф, изобретенный в 1865 г. Ф. Бешфортом. Большим достоинством этого прибора было наличие свободно вращающегося регистрационного барабана. Во второй половине прошлого века возникла серия других конструкций хронографов.

 

Электрические и электронные наручные часы

В 1952 г. появились в специальной печати сообщения, что фирмы «Лип-Безансон» во Франции и «Элджин Уотч Компани» в США начали работать над производством электрических наручных часов. Однако прошло еще целых 12 лет, прежде чем первые типы этих часов появились на рынке. Главной причиной такой задержки было отсутствие миниатюрных источников электроэнергии. Замена пружины энергией гальванического элемента тоже была связана с большими проблемами. Первые электрические элементы были крупногабаритными и обладали малой емкостью. Чтобы справиться с этим препятствием, часовые фирмы стали изыскивать различные пути. Фирма «Дойтче Урен-Роверке» в Пфор-шхайме разместила, например, гальванический элемент в браслете часов, а фабрика братьев Юнгханс в Шрамберге выбрала для этой цели просторный корпус часов декоративной формы. Некоторые французские и швейцарские часовые фирмы размещали микробатареи в крышках под часовым механизмом или же ухитрялись размещать их в самом механизме. Однако во всех случаях батарея увеличивала размер часов и их вес по сравнению с пружинным приводом.

Рис. 36. Схема электронных наручных часов с диодным выпрямителем

Примерно около 1960 г. многие французские часовые фирмы стали работать над идеей замены гальванического элемента маленьким аккумулятором с большим количеством зарядных циклов. Леон Хато в Париже встроил в электрические наручные часы маленький аккумулятор с диодным выпрямителем (рис. 36), который имел лишь вторичную обмотку трансформатора для зарядки от сети. Первичная обмотка, присоединяемая к сети, находилась в отдельном штативе, в который часы вкладывались при дозарядке аккумулятора. По несколько более сложному пути решения этой же проблемы пошла фирма «Эбош С.А.» в Невшателе. Она разместила в крышке футляра маленький аккумулятор, который заряжался током от полуторавольтовой карманной батареи через привод, идущий в полости кнопки для управления стрелками.

Технически оба способа дозарядки аккумуляторов этих часов осуществимы, но они были весьма неудобны. Попытка упрощения этих способов запатентована упомянутой выше фирмой «Дойтче Урен-Роверке»: 12 кремниевых солнечных элементов были расположены последовательно вместо цифр непосредственно на циферблате. Для получения электроэнергии, необходимой для питания этих часов в течение целых суток, достаточно было подержать эти часы несколько минут в сутки под действием интенсивного дневного света.

Другой способ, заимствованный у автоматического заводного механизма механических часов, заключался в том, что в футляр часов встраивался маленький генератор электрического тока. Это маленькое динамо вырабатывало электроэнергию, разумеется, лишь при движении прибора на руке и при этом заряжало миниатюрный аккумулятор.

Все эти уже на первый взгляд довольно сложные пути выработки и аккумулирования электрической энергии имели свои обоснования в период начинающегося развития миниатюрных электрических часов, когда эффективность их основных систем была по сравнению с нынешними пренебрежимо малой.

При анализе работы механических часов мы указали, что зубчатый механизм передает значительную энергию груза или пружины. Поэтому колеса тех часов находились друг с другом в постоянном зацеплении, а постоянное давление в опорах вызывало значительное трение, что вело к изнашиванию соприкасающихся поверхностей. У электрических и электронных часов роль передаточного механизма аналогична, но в отличие от механических часов они передают лишь показание времени, а не усилие пружины. Таким образом, зубчатые колеса и опоры в электрических и электронных часах испытывают значительно меньшую нагрузку, а потому обладают значительно большим сроком службы.

Итак, электрические или электронные часы. Пора выяснить различие между этими двумя типами часов. У электрических часов дозировкой энергии, необходимой для их хода, управляет электрический контакт механического типа. Передаточный механизм является простым механическим редуктором, осциллятором в обычных случаях бывает баланс. Переход от электрических часов на электронные характеризуется заменой сравнительно мало надежного электрического контакта электронным полупроводниковым элементом — транзистором. Функции остальных элементов электрических и электронных часов с балансовыми осцилляторами, по существу, аналогичны.

Важным и притом весьма чувствительным элементом каждых электрических часов является контактный механизм, отпирающий и прерывающий электрическую импульсную сеть. При отпирании этой цепи начинает проходить ток через катушку и в ней и вокруг нее возникает магнитное поле. Если это поле своими силовыми линиями пересекает ферромагнитное ярмо на балансе, то возникает силовой импульс, необходимый для поддержания постоянной амплитуды осциллятора. Импульсная система должна иметь либо стационарную катушку и ферромагнитное ярмо на осцилляторе, либо, наоборот, обмотка катушки должна быть закреплена на балансе, а ферромагнитное ярмо должно быть неподвижным. Во втором случае волосок баланса выполняет двоякую функцию: он действует, создает, как в механических часах, возвращающий момент и одновременно соединяет электрически катушку с Другими элементами электрической схемы часов. Ярмом бывает постоянный магнит, чаще всего ферритовый. Его собственное магнитное поле складывается с полем катушки, в результате чего возникает притягивающая или отталкивающая сила. Импульсный характер этой силы достигается кратковременным переключением контактов.

Недостатки электрических контактных схем в часовом деле совершенно ясны. Поэтому уже вскоре после 1950 г. стали проделывать многочисленные эксперименты по бесконтактному управлению балансовыми осцилляторами в малогабаритных часах. Удовлетворительным решением явилось только применение полупроводниковой техники, при которой транзистор полностью заменил несовершенное и ненадежное механическое контактное устройство.

С начала первых экспериментов возникла обширная серия типов электрических и электронных схем поддержания колебаний балансовых осцилляторов. По способу передачи энергии от источника на осциллятор можно подразделить эти системы на две основные группы, а именно системы с электродинамическим приводом и системы с электромеханическим приводом. Электродинамический принцип успешно использован для стационарных электрических часов еще в конце прошлого века. Для наручных часов эту систему впервые использовала в 1957 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани», а теперь эту систему можно видеть в часах марки «Рула», «Таймекс», «Лейчер» и т.д. Электромагнитный привод отличается от электродинамического тем, что его катушка содержит ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитные силовые линии. Ярмо же изготовляется из магнитного мягкого материала. Электродинамическим системам часто отдают предпочтение потому, что они меньше поддаются вредным влияниям посторонних магнитных полей.

Электронные схемы современных балансовых наручных часов имеют много вариантов, но все они выполняют роль того или иного электронного ключа.

Интересное решение предложила известная электротехническая фирма «Филиппе» в Эйдховене, Голландия. Излучение небольшого количества радиоактивного вещества, нанесенного на баланс, воспринимает особый миниатюрный встроенный приемник, который трансформирует это излучение в электроэнергию, приводящую в действие балансовый осциллятор непосредственно через транзисторный усилитель.

Не менее интересный принцип, основанный на магнитострикционном явлении, использовала швейцарская фирма «Баэни Сосайте Аноним». Под магнитострикцией понимается изменение размеров ферромагнитного вещества (в данном случае волоска часов) в результате намагничивания его. Под действием магнитного поля изменяется кривизна волоска и происходит угловой поворот его витков, придающий силовой импульс балансу. Однако магнитострикционные материалы имеют весьма неустойчивый модуль упругости, что вызывает колебания возвращающей силы волоска, сопровождающиеся значительным изменением продолжительности времени колебания баланса.

Трудности со стабилизацией амплитуды привели к попыткам заменить волосковые осцилляторы крутильными осцилляторами, где обычный волосок заменили две несущие цилиндрические витые пружины. Опоры оси баланса здесь, собственно говоря, отпадают, и для них остается второстепенная роль предохранителя при резких сокращениях и ударах. В некоторых случаях удалось вместо цилиндрических витых пружин использовать торсионные пластины формы V, Y или X.

 

Электронные часы с механическим камертонным осциллятором

В 1961 г. американская фирма «Булова Уотч Компани» выпустила на рынок новый тип наручных часов марки «Аккутрон», решение которых вышло за рамки концепций ранее выпускавшихся электрических и электронных систем сразу в нескольких отношениях. Эти часы имели совершенно новый осциллятор в виде маленького камертона с длиной 25 мм. Частота камертона 360 Гц была для часовых осцилляторов того времени необычно высокой. Постоянство частоты поддерживалось электронной схемой, видной по рис. 37.

Рис. 37. Схема электронных часов с камертонным осциллятором: 1 — постоянные магниты, 2 — катушка привода, 3 — вспомогательная катушка для обратной связи, 4 — конденсатор, 5 — сопротивление для настройки рабочей точки, 6 — источник, 7 — толкатель, 8 — храповое колесо, 9 — фиксатор

Обе консоли камертона имели встроенные постоянные магниты. Работу этих часов можно описать следующим образом: при прохождении тока через катушку привода попеременно притягиваются и отталкиваются несущие втулки магнитов из мягкого железа. При колебании ветвей камертона в катушке возникает переменный ток, который передает камертону импульсы в те моменты, когда сила притяжения или отталкивания магнитов действует в фазе с колебаниями камертона. Синхронизацию обеспечивает вспомогательная обмотка на одной из двух катушек. Главный контур тока образуется обмоткой этой катушки, а другая катушка соединена последовательно. Вторичный контур со вспомогательной синхронизационной обмоткой и элементом RC соединен с главным контуром транзистором. Питание обоих контуров обеспечивается миниатюрным ртутным элементом напряжением 1,3 В, который при потребляемой мощности в 8 мкВт способен обеспечивать работу часов в течение целого года.

Точность этих часов примерно на порядок, почти в 10 раз больше, чем точность прежних высококачественных наручных часов. Погрешность часов составляет около ±1 мин в месяц.

Изобретателем «Аккутрона» был швейцарец Макс Хетцель. В сотрудничестве с американцем В.О. Беннетом нью-йоркская фирма «Булова Уотч Компани» стала производить эти часы серийно. В настоящее время часы «Аккутрон» производит по лицензии и ряд других фирм под названием «Юнисоник 52», «Электроник F 300», «WIC Электроник» и т.д.

 

Электрические часы с кварцевым осциллятором

В 1933-1934 гг. физики Шайбе и Адельсбергер из тогдашнего Имперского физико-технического института в Берлине занялись возможностями использования пьезоэлектрического эффекта для измерения времени. Однако они не были первыми в этой области. Еще за несколько лет до этого, в 1927 г., Гортон и Маррисон в США добились первых положительных результатов в создании кварцевых осцилляторов, первоначально разработанных ими для измерения частоты радиоволн.

Кристаллы некоторых веществ — кварца, сегнетовой соли, турмалина и т.п., — отшлифованные надлежащим способом, приобретают при механическом сжатии на их концевых поверхностях электрический заряд. Этот так называемый пьезоэлектрический эффект имеет двусторонний характер, т.е. при подаче электрического заряда на эти поверхности кристалла происходит, наоборот, его сжатие.

Пьезоэлектрические кристаллы применялись уже с 1922 г. в телеграфии и в радиовещании для управления высокочастотными переменными электромагнитными полями так, чтобы длина передаваемых волн оставалась постоянной. Однако полное использование пьезоэлектрических свойств кристалла кварца было достигнуто лишь после второй мировой войны, когда в экспериментальных лабораториях возникли первые кристаллические часы, надежные в эксплуатации и предназначенные для научных астрономических лабораторий и их лабораторий времени.

Развитие электроники, главным образом применение интегральных схем, открыло путь к использованию кварцевого кристалла и в малых наручных часах. В настоящее время производственная технология часов с осциллятором в виде кристалла кварца достигла такого уровня, что теперь уже многие зарубежные фирмы участвуют в производстве часов самых различных типов с классическим стрелочным циферблатом или с электронным цифровым индикатором. Главные функциональные элементы обеих систем, по существу, одинаковы, только у цифровых часов стрелочный механизм заменен электронным делителем частоты и дешифратором с дисплеем. Главными частями кварцевых часов, общими для часов обоих типов, являются кристаллы кварца, выполняющие функции осциллятора, и делителя частоты. Кристалл в первых кварцевых наручных часах, производившихся в 1968 г. в Швейцарии, колебался с частотой 8192 Гц. Большинство нынешних кристаллов колеблется с повсеместно установленной частотой в 32 768 Гц. Однако, несмотря на это, с точки зрения электроники и эти системы все еще сохраняют характер осцилляторов низкой частоты.

В качестве кристалла используется монокристалл натурального или синтетического кварца. Он вырезается из массы кристалла под определенным углом относительно его кристаллографических осей. Ориентация среза определяет такие важные свойства кристалла, как ход температурной зависимости, индуктивность и добротность. Кварцевый срез снабжен электродами и помещен в стеклянный или металлический корпус, заделанный холодным сварочным швом.

Возбуждение колебаний кварцевого кристалла обеспечивается однотранзисторной или двухтранзисторной схемой. Частота осциллятора, управляемого кристаллом, слишком высока, чтобы можно было ее использовать непосредственно для передачи информации о времени. Поэтому в такой системе используется многокаскадный делитель частоты, который дает секундные импульсы для электронной схемы цифрового индикатора. У часов со стрелочным индикатором сигнал от делителя частоты идет на электромеханический преобразователь. Таким преобразователем может быть камертон с колесом, который раскачивается электромагнитными импульсами катушки, или же вибрационный моторчик, образуемый катушкой, раскачивающей пружину с защелкой, которая толкает зубчики храпового колеса, соединенного со стрелочным индикатором.

У цифровых систем электромагнитный преобразователь отпадает и заменяется электрооптической системой. Эту систему образуют два важных элемента — дешифратор и дисплей. Дешифратор преобразует кодированные сигналы делителя частоты в электрические сигналы, создающие цифровое изображение показаний времени на дисплее.

В текущей практике теперь используют семисегментные дисплеи. Отдельные сегменты состоят либо из светодиодов, либо из жидких кристаллов. Первая система обозначается в современном электронном часовом производстве символом LED (Light Emitting diodes Displau), а вторая — LCD (Liquid Crystals Displau). Диоды являются источником светового излучения, а потому показания диодных дисплеев всегда контрастны и очень хорошо читабельны независимо от того, освещаются ли они красным, зеленым или синим светом. Отрицательной стороной диодных дисплеев является сравнительно большой расход электроэнергии, колеблющийся в пределах 5 мА на сегмент. Поэтому производители наручных часов с диодными дисплеями снабжают эти часы кнопками, так что дисплеи зажигается лишь на время подачи информации о времени. В более благоприятном свете представляются жидкие кристаллы, особенно с низким рабочим напряжением в несколько вольт, которые упростили проблемы, связанные с транзисторным преобразователем и его трансформатором напряжения. Несмотря на это, значительным недостатком жидких кристаллов остается их сравнительно короткий срок службы, колеблющийся в пределах четырех-пяти лет. После этого периода приходится дисплей заменять новым. Принцип изображения данных о времени жидкими кристаллами заключается в том, что при подаче электрического напряжения на кристалл изменяется его цвет. В отличие от диодного дисплея окрашенные пластинки кристалла не светятся. Поэтому у циферблата должно иметься вспомогательное освещение, управляемое кнопкой, чтобы можно было видеть показание времени и в темноте.

Развитие последних лет говорит, однако, о том, что недостатки дисплеев типа светодиода и жидких кристаллов будут вскоре полностью преодолены более совершенными системами. Одной из первых, не весьма удачных таких систем был дисплей, комбинированный из дисплеев ЛЭД и ЛСД, использованный в часах «Лонжин Жемини». При недостаточном освещении можно было нажать кнопку и привести в действие светящийся дисплей ЛЭД, а в остальных случаях можно видеть показания времени непосредственно ЛСД. В 1977 г. американская фирма ISaA выпустила на рынок часы «Сенсор Лазер 440 Диджитал» в виде так называемого дисплея СДР (CDR — Crystal Diffusion Reflection). Эти часы имеют собственный автоматический источник освещения в виде стеклянной запаянной ампулки, заполненной фосфором и тритием. В случае падения интенсивности света тритий четко освещает дисплей. Расход энергии здесь падает до 0,0001 расхода энергии у дисплея типа ЛЭД (светодиода), что, конечно, приводит к многократному увеличению срока службы батареи.

Наряду с цифровыми дисплеями встречаются в электронных часах и другие электрооптические индикаторы времени. Принцип одного из них состоит в том, что циферблат сохраняет свою классическую круглую форму, но не имеет ни цифр, ни стрелок, а индикатором являются 72 точки, расположенные на двух концентрических круглых шкалах. На 60 точках внешней шкалы изображаются секунды и минуты, а на 12 точках внутренней шкалы указываются часы. Зажигание и потухание отдельных точек внешней шкалы проходит через секундные интервалы, причем индикации секунд отличаются от индикации минут лишь скоростью движущейся световой точки. Точками индикатора обеих шкал могут быть светодиоды или жидкие кристаллы. Представляется, что в отличие от цифрового дисплея этот циферблат несколько менее нагляден. Однако его изобразительная система связана с очень малым расходом энергии, а с точки зрения дальнейшего развития он интересен тем, что представляет собой переход от стрелочного индикатора к электронному псевдострелочному.

В последнее время происходит дальнейшая миниатюризация схем, при которой кварцевый осциллятор проникает и в существенно меньшие по размеру женские наручные часы. Малые размеры таких приборов поставили их конструкторов перед рядом проблем. Проблему объема решили интегральные схемы, которые заменяют сложные схемы, состоящие из нескольких сот транзисторов. Вопрос о хорошей читаемости индикации времени на маленьком дисплее женских наручных часов решила фирма «Хьюгс Эйкрафт Компани», например, тем, что для своих кристаллических часов с осциллятором, колеблющимся на необычайно высокой частоте в 768 кГц, она ввела новый способ индикации времени, при котором через секундные интервалы сначала указываются часы, а затем минуты.

О проблемах миниатюрных источников питания уже говорилось. В настоящее время используют для питания наручных электронных часов маленькие ртутные элементы, например типа «Мэллори», с напряжением 1,35 В или серебряноокисные элементы с напряжением 1,5 и до 1,75 В. При потреблении тока в пределах от 5 до 20 мкА и емкости от 100 до 200 мА·ч их срок службы колеблется в пределах одного года и больше. Новым и безусловно перспективным решением является внедрение солнечных микробатарей с большим сроком службы. Если такую батарею подвергнуть в течение нескольких минут воздействию солнечного или даже искусственного освещения, то этого достаточно для восполнения электрической энергии, нужной для работы этих часов в течение суток.

Переход на более высокую частоту осциллятора, управляемого кристаллом кварца, сказывается на повышении точности хода часов. Хорошие наручные часы с кварцевым осциллятором работают теперь с годовой ошибкой, не превышающей 1 мин. Однако более быстрому коммерческому распространению таких часов мешает пока что сравнительно высокая стоимость интегральных схем.

На современных мировых рынках имеются теперь наручные часы с осциллятором, управляемым кристаллом кварца обоих типов, т.е. ЛЭД и ЛСД. Такие часы производят в настоящее время многие фирмы. К наиболее известным часам этого типа относятся, например, швейцарские часы «Лонжин S 776» (ЛСД), работающие с точностью ±0,3 с/сутки, выпущенные на рынок еще в 1975 г. Более дешевые типы цифровых кристаллических часов обоих видов со средней точностью в ±0,5 с/сутки производит швейцарская фирма SGT. Более же дорогие часы — это цифровые часы марки «Арнекскварц» (ЛЭД) американского производства с точностью ±0,1 с/сутки, причем эти часы указывают час, минуты, секунды, месяц и день. Весьма сложные наручные часы производит японская фирма «Сейко-Хаттори», тесно сотрудничающая с американской фирмой «Макдоннелл Дуглас Астронавтикз Компани». Ее наручные часы серийного производства — хронограф системы ЛСД, указывающий все обычные данные времени, — можно нажатием кнопки превратить в технические или спортивные часы, с помощью которых можно измерять два происходящих независимо друг от друга процесса с любым количеством промежуточных индикаций времени.

В чехословацких магазинах кристаллические наручные часы впервые появились в начале 1976 г. Первыми из них были часы «Мондейн Диджи Кварц» (ЛЭД), затем последовали часы «Цертина Диджи Кварц» (ЛСД) (рис. 38а) и «Рондо Кварц» (рис. 38б) с классическим циферблатом с указанием даты, с центральной секундной стрелкой. Все эти часы швейцарского производства работают с точностью ±1 с/сутки.

Человеческая фантазия, стимулируемая коммерческими интересами производителей и острой конкурентной борьбой на мировых рынках, вынуждает конструкторов разрабатывать все более сложные приборы многоцелевого назначения. Эти обстоятельства привели в последнее время и к производству кварцевых наручных часов, сочетающихся с другими измерительными приборами или с электронной миниатюрной вычислительной машиной, со сложными интегральными схемами, заменяющими работу нескольких тысяч транзисторов.

 

Электронные наручные часы с передачей информации о времени по радио

В 1962 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани» получила патент на электрические балансовые наручные часы со встроенным микрорадиоприемником для приема радиосигнала, синхронизирующего ход часового механизма. Электрические импульсные сигналы в виде радиосигналов времени принимались и использовались для синхронизации частоты баланса наручных часов. Первоначальная конструкция, разработанная 15 лет назад, исходила еще из электроконтактной системы с балансовым осциллятором. Нынешняя техника интегральных схем в сочетании с высокочастотными кварцевыми осцилляторами воскрешает эту идею. При условии, что в международном масштабе были бы унифицированы частота передачи, вид модуляции и способ передачи информации о времени, можно было бы вновь вернуться к созданию системы синхронизации часов сигналами точного времени, передаваемого радиоволнами в целях весьма точного и надежного обеспечения измерения времени.

Если представить себе радиопередачу сигналов эталона времени на миллионы микрорадиоприемников, встроенных в наручные часы граждан земного шара, живущих в той же полосе, то мы поймем, насколько неэкономично и излишне сложно то, что в часах каждого из нас работает отдельный часовой механизм. Ведь его ход также приходится дополнительно корректировать по сигналу времени, передаваемому с центральной часовой станции, но делать это вручную. Напрашивается перспективное решение, согласно которому вместо часового механизма мы бы имели на своих «часах» лишь электронное устройство — радиоприемник с подходящим дешифратором сигналов времени, который дешифровал бы первоначальные сигналы от сильно удаленного передатчика и превращал бы их в оптические или акустические сигналы времени. Такой приемник имел бы совершенно незначительный расход энергии, поскольку энергия расходовалась бы лишь в тот момент, когда нажимается кнопка информации о времени, а во все остальное время приемник был бы выключен. Одновременно отпала бы надобность в сложной и сравнительно дорогой системе из кварцевых кристаллов и генераторов, делителей частоты и счетчиков колебаний, которые теперь являются обязательным элементом для выработки сигналов времени в каждых электронных часах с кварцем.

 

Атомные часы

Если оценивать точность кварцевых часов с точки зрения их кратковременной стабильности, то надо сказать, что эта точность значительно выше, чем у маятниковых часов, которые, однако, при длительных измерениях обнаруживают более высокую стабильность хода. У кварцевых часов неправильность хода вызывается изменениями во внутренней структуре кварца и нестабильностью электронных систем.

Главным источником нарушения стабильности частоты является старение кристалла кварца, синхронизирующего частоту осциллятора. Правда, измерения показали, что старение кристалла, сопровождающееся повышением частоты, протекает без больших колебаний и резких изменений. Несмотря на. это, старение нарушает правильную работу кварцевых часов и диктует необходимость регулярного контроля другим устройством с осциллятором, имеющим устойчивую, неизменную частотную характеристику.

Быстрое развитие микроволновой спектроскопии после второй мировой войны открыло новые возможности в области точного измерения времени посредством частот, соответствующих подходящим спектральным линиям. Эти частоты, которые можно было считать эталонами частоты, привели к идее использовать квантовый генератор в качестве эталона времени.

Это решение было историческим поворотом в истории хронометрии, поскольку оно означало замену ранее действовавшей астрономической единицы времени новой квантовой единицей времени. Эта новая единица времени была введена как период излучения точно определенных переходов между энергетическими уровнями молекул некоторых специально выбранных веществ. После интенсивных исследований этой проблемы в первые послевоенные годы удалось построить прибор, работающий на принципе управляемого поглощения микроволновой энергии в жидком аммиаке при весьма низких давлениях. Однако первые опыты с прибором, оснащенным абсорбционным элементом, не дали ожидаемых результатов, поскольку расширение абсорбционной линии, вызываемое взаимными столкновениями молекул, затрудняло определение частоты самого квантового перехода. Лишь методом узкого пучка свободно летящих молекул аммиака в СССР А.М. Прохоров и Н.Г. Басов, а в США Таунс из Колумбийского университета сумели существенно понизить вероятность взаимных столкновений молекул и практически устранить расширение спектральной линии. В этих обстоятельствах молекулы аммиака могли уже играть роль атомного генератора. Узкий пучок молекул, впущенный через сопло в вакуумное пространство, проходит через неоднородное электростатическое поле, в котором происходит разделение молекул. Молекулы в более высоком квантовом состоянии направлялись на настроенный резонатор, где они выделяют электромагнитную энергию с неизменной частотой 23 870 128 825 Гц. Эта частота затем сравнивается с частотой кварцевого осциллятора, входящего в схему атомных часов. На этом принципе был построен первый квантовый генератор — аммиачный мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Таунс получили в 1964 г. за эти работы Нобелевскую премию по физике.

Изучением стабильности частоты аммиачных мазеров занимались также ученые Швейцарии, Японии, ФРГ, Великобритании, Франции и, не в последнюю очередь, Чехословакии. В период 1968-1979 гг. в Институте радиотехники и электроники Чехословацкой Академии наук построено и пущено в опытную эксплуатацию несколько аммиачных мазеров, которые выполняли роль частотных эталонов для хранения точного времени в атомных часах чехословацкого производства. У них была достигнута стабильность частоты порядка 10-10, что соответствует суточным изменениям хода в 20 миллионных частей секунды.

В настоящее время атомные стандарты частоты и времени используются в основном для двух главных целей — для измерения времени и для калибровки и контроля основных стандартов частоты. В обоих случаях сравнивают частоту генератора кварцевых часов с частотой атомного стандарта.

При измерении времени частота атомного стандарта и частота генератора кристаллических часов регулярно сравниваются, и по выявленным отклонениям определяют линейную интерполяцию и среднюю поправку времени. Истинное время получается тогда из суммы показаний кварцевых часов и этой средней поправки времени. При этом погрешность, возникшая вследствие интерполяции, определяется по характеру старения кристалла кварцевых часов.

Исключительные результаты, достигнутые с атомными стандартами времени, с погрешностью, равной лишь 1 с за целую тысячу лет, были причиной того, что на Тринадцатой генеральной конференции по мерам и весам, проходившей в Париже в октябре 1967 г., было дано новое определение единицы времени — атомной секунде, которая определялась теперь как 9 192 631 770 колебаний излучения атома цезия-133.

Как мы указали выше, при старении кристалла кварца постепенно нарастает частота колебаний кварцевого осциллятора и непрерывно увеличивается разница между частотами кварцевого и атомного осциллятора. Если кривая старения кристалла правильна, то достаточно корректировать колебания кварца лишь периодически, хотя бы через интервалы в несколько дней. Таким образом, атомный осциллятор может не быть постоянно связан с системой кварцевых часов, что весьма выгодно, поскольку ограничивается проникание мешающих влияний в измерительную систему.

Швейцарские атомные часы с двумя аммиачными молекулярными осцилляторами, демонстрировавшиеся на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г., достигли точности в одну стотысячную секунды в сутки, что превышает точность точных маятниковых часов примерно в тысячу раз. Эта точность уже позволяет изучать периодические нестабильности скорости вращения земной оси. График на рис. 39, который представляет собой как бы изображение исторического развития хронометрических приборов и совершенствования методов измерения времени, показывает, как чуть ли не чудодейственным образом повысилась за несколько столетий точность измерения времени. Лишь за последние 300 лет эта точность увеличилась более чем в 100000 раз.

Рис. 39. Точность хода хронометрических приборов в период с 1930 до 1950 г.

Химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) первым открыл цезий, атомы которого при надлежаще выбранных условиях способны поглощать электромагнитное излучение с частотой около 9192 МГц. Это свойство использовали Шервуд и Мак Кракен для создания первого цезиевого пучкового резонатора. На практическое использование цезиевого резонатора для измерения частот и времени направил свои усилия вскоре за этим Л. Эссен, работающий в Национальной физической лаборатории в Англии. В сотрудничестве с астрономической группой «Юнайтед Стейтс Нэвел Обсерватори» он уже в 1955-1958 гг. определил частоту квантового перехода цезия в 9 192 631 770 Гц и связал с действующим тогда определением эфемеридной секунды, что намного позднее, как указано выше, привело к установлению нового определения единицы времени. Следующие цезиевые резонаторы были сконструированы в Национальном исследовательском совете Канады в Оттаве, в лаборатории «Суисс де Речерс Хорлоджерес» в Невшателе и др. Первый коммерческий тип атомных часов промышленного производства выпустила на рынок в 1956 г. под названием «Атомихрон» американская фирма «Нешнл Компани Уолден» в Массачусетсе.

Сложность атомных часов заставляет предполагать, что применение атомных осцилляторов возможно лишь в области лабораторного измерения времени, выполняемого с помощью крупных измерительных аппаратов. В действительности так и было до последнего времени. Однако миниатюризация проникла и в эту область. Известная японская фирма «Сэйко-Хаттори», производящая сложные, хронографы с кристаллическими осцилляторами, предложила первые наручные атомные часы, изготовленные опять-таки в сотрудничестве с американской фирмой «Мак-Доннелл Дуглас Астронавтике Компани». Эта фирма производит также миниатюрный топливный элемент, являющийся энергетическим источником для упомянутых часов. Электрическую энергию в этом элементе размером 13 × 6,4 мм производит радиоизотоп прометия-147; срок службы этого элемента равен пяти годам. Корпус часов, изготовленный из тантала и нержавеющей стали, является достаточной защитой от бета-лучей элемента, излучаемых в окружающую среду.

Астрономические измерения, изучение движения планет в космосе и различные радиоастрономические исследования не обходятся теперь без знания точного времени. Точность, которая в таких случаях требуется от кварцевых или атомных часов, колеблется в пределах миллионных долей секунды. С растущей точностью подаваемой информации о времени нарастали проблемы синхронизации хода часов. Когда-то вполне удовлетворяющий всех метод передаваемых по радио сигналов времени на коротких и длинных волнах оказался недостаточно точным для синхронизации двух недалеко друг от друга расположенных хронометрических приборов с точностью большей, чем 0,001 с, а теперь и эта степень точности уже неудовлетворительна.

Одно из возможных решений — перевозки вспомогательных часов на место сравнительных измерении — дала миниатюризация электронных элементов. В начале 60-х годов были построены специальные кварцевые и атомные часы, которые можно было транспортировать на самолетах. Их можно было перевозить между астрономическими лабораториями, и при этом они давали информацию о времени с точностью одной миллионной доли секунды. Так, например, когда в 1967 г. осуществили межконтинентальную перевозку миниатюрных цезиевых часов, изготовленных калифорнийской фирмой «Хьюлетт-Паккард», этот прибор прошел через 53 лаборатории мира (он был и в ЧССР), и с его помощью был синхронизирован ход местных часов с точностью 0,1 мкс (0,0000001 с).

Для микросекундного сравнения времени можно использовать и спутники связи. В 1962 г. этот метод использовали Великобритания и Соединенные Штаты Америки путем передачи сигнала времени через спутник «Телестар». Намного более благоприятные результаты при меньших затратах дала, однако, передача сигналов с помощью телевизионной техники.

Этот метод передачи точного времени и частоты с помощью синхронизирующих телевизионных импульсов был разработан и развит в чехословацких научных учреждениях. Вспомогательным носителем информации о времени тут являются синхронизирующие видеоимпульсы, которые ни в какой степени не нарушают передачу телевизионной программы. При этом нет никакой надобности вводить в телевизионный сигнал изображения какие-либо дополнительные импульсы.

Условием для использования этого метода является возможность приема одной и той же телевизионной программы в местах нахождения сравниваемых часов. Сравниваемые часы предварительно регулируются до точности в несколько миллисекунд, а измерение должно потом производиться на всех измерительных постах одновременно. Кроме того, необходимо знать разницу во времени, потребную для передачи синхронизирующих импульсов от совместного источника, которым является телевизионный синхронизатор, к приемникам в месте нахождения сравниваемых часов.