Электрические часы

Электрические часы — это часы , которые приводятся в действие электричеством , в отличие от механических часов, которые приводятся в действие подвешенным грузом или ходовой пружиной . Этот термин часто применяется к механическим часам с электрическим приводом, которые использовались до того, как в 1980-х годах были представлены кварцевые часы . Первые экспериментальные электрические часы были сконструированы примерно в 1840-х годах, но они не получили широкого производства до тех пор, пока сетевая электроэнергия в 1890-х годах не стала доступна . В 1930-х годах синхронные электрические часы заменили механические часы как наиболее широко используемый тип часов.

Типы

Электрические часы могут работать с помощью нескольких типов механизмов:

Электромеханические часы имеют традиционный механический механизм , который отсчитывает время с помощью колеблющегося маятника или балансового колеса, приводимого в действие через зубчатую передачу от ходовой пружины , но для перемотки ходовой пружины используется электричество с помощью электродвигателя или электромагнита . Этот механизм встречается в основном в старинных часах.
Электрические часы-ремонтуар имеют зубчатую передачу, вращаемую небольшой пружиной или утяжеленным рычагом, называемым ремонтуар , который чаще всего заводился с помощью электродвигателя или электромагнита. Этот механизм был более точным, чем ходовая пружина, поскольку частый завод усреднял колебания хода часов, вызванные различной силой пружины при ее раскручивании. Он использовался в точных маятниковых часах и в автомобильных часах до 1970-х годов.
Электромагнитные часы отсчитывают время с помощью маятника или балансового колеса, но импульсы, поддерживающие его ход, обеспечиваются не механическим движением и спусковым механизмом, а магнитной силой электромагнита ( соленоида ). Этот механизм использовался в первых электрических часах и встречается в старинных электрических маятниковых часах. Он также встречается в некоторых современных декоративных каминных и настольных часах.
Синхронные часы используют частоту сети переменного тока 50 или 60 Гц в качестве источника синхронизации, приводя в движение часовые механизмы с помощью синхронного двигателя . Они по сути считают циклы питания. Хотя фактическая частота может меняться в зависимости от нагрузки в сети, общее количество циклов за 24 часа поддерживается строго постоянным, так что эти часы могут точно показывать время в течение длительных периодов времени, за исключением отключений электроэнергии ; в течение нескольких месяцев они более точны, чем обычные кварцевые часы. Это был наиболее распространенный тип часов 1930-х годов, но сейчас его в основном заменили кварцевые часы.
Часы с камертоном отсчитывают время, подсчитывая колебания калиброванного камертона с определенной частотой. Они были сделаны только с батарейным питанием. Часы с батарейным питанием изготовлены по приведенным выше схемам, за очевидным исключением синхронного механизма. Все часы с батарейным питанием были в значительной степени заменены более дешевыми кварцевыми механизмами.
Кварцевые часы — это электрические часы, которые отсчитывают время, отсчитывая колебания вибрирующего кристалла кварца . В них используются современные низковольтные схемы постоянного тока, которые могут питаться от батареи или получать питание от сети. Сегодня это самый распространенный тип часов. Кварцевые часы и часы, поставляемые производителем, обычно показывают время с погрешностью в несколько секунд в неделю, хотя иногда и больше. ^[1] Недорогие кварцевые механизмы часто используются для поддержания времени в пределах 30 секунд в месяц (1 секунда в день, 6 минут в год). ^[2] Меньшая погрешность может быть достигнута путем индивидуальной калибровки, если регулировка возможна, при условии стабильности генератора, особенно при изменении температуры. Более высокая точность возможна при более высоких затратах.
Радиоуправляемые часы представляют собой кварцевые часы, которые периодически синхронизируются со UTC шкалой времени атомных часов посредством радиосигналов времени, транслируемых специализированными станциями по всему миру. Они отличаются от радиочасов .

История

Одни из первых электромагнитных часов Александра Бейна, 1840-е годы.

Мужской из Лестера Pulsynetic, C40A, Ожидающий поезд, Револьверные часы (1940-е/50?). Снято в здании министров (Секретариат), Янгон .

В 1814 году сэр Фрэнсис Рональдс из Лондона изобрел первые электрические часы. ^[3] Он питался от сухих свай , высоковольтной батареи с чрезвычайно долгим сроком службы , но недостатком ее электрических свойств было то, что ее электрические свойства менялись в зависимости от погоды. ^[4] Он опробовал различные способы регулирования электричества, и эти модели оказались надежными в различных метеорологических условиях. ^[5]

В 1815 году Джузеппе Замбони из Вероны изобрел и продемонстрировал еще одни электростатические часы, работающие на сухих батареях и колеблющемся шаре. Его команда на протяжении многих лет производила улучшенные часы, которые позже были обозначены как «самый элегантный и в то же время самый простой механизм, производимый электрической колонной». ^[6] Часы Замбони имели вертикальную стрелку, поддерживаемую шарниром, и были настолько энергоэффективными, что могли работать от одной батарейки более 50 лет.

В 1840 году шотландский часовщик и приборостроитель Александр Бейн первым изобрел и запатентовал часы, работающие от электрического тока. Его первоначальный патент на электрические часы датирован 10 октября 1840 года. 11 января 1841 года Александр Бейн вместе с Джоном Барвайзом, производителем хронометров, получил еще один важный патент, описывающий часы, в которых электромагнитный маятник и электрический ток. для поддержания часов используется часы идут вместо пружин или гирь. Более поздние патенты расширили его оригинальные идеи.

Около 1840 года многие люди намеревались изобрести электрические часы с электромеханической и электромагнитной конструкцией, такие как Уитстон, Штайнхейл, Хипп, Бреге и Гарнье, как в Европе, так и в Америке.

Маттеусу Хиппу , часовщику, родившемуся в Германии , приписывают создание серийного производства электрических часов для массового рынка. Хипп открыл мастерскую в Ройтлингене , где разработал электрические часы для Hipp-Toggle, представленных в Берлине на выставке в 1843 году. Hipp-Toggle — это устройство, прикрепленное к маятнику или балансовому колесу, которое электромеханически обеспечивает случайный импульс. или привод к маятнику или колесу, когда амплитуда его колебаний падает ниже определенного уровня, и он настолько эффективен, что впоследствии его более ста лет использовали 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 была знакомая форма и конструкция. Часы меньшего размера и часы со спиральным балансом изготовлены по тому же принципу, что и маятниковые часы.

В 1918 году Генри Эллис Уоррен изобрел первые синхронные электрические часы в Эшленде, штат Массачусетс, которые измеряли время на основе колебаний электросети. ^[7]^[8] В 1931 году Synclock стали первыми коммерческими синхронными электрическими часами, проданными в Великобритании. ^[8]

Электромеханические часы

Часы, которые в той или иной форме используют электричество для питания обычного часового механизма, являются электромеханическими часами. Любые часы с пружинным или грузовым приводом, которые используют электричество (переменного или постоянного тока) для перематывания пружины или увеличения веса механических часов, являются электромеханическими часами. В электромеханических часах электричество не выполняет функцию отсчета времени. Функция хронометража регулируется маятником. Ближе к концу девятнадцатого века появление сухой батареи сделало практичным использование электроэнергии в часах. Использование электричества привело к появлению множества вариаций конструкций часов и двигателей. Электромеханические часы изготавливались как отдельные часы, но чаще всего использовались как составные части установок синхронизированного времени. Опыт работы в телеграфии привел к подключению удаленных часов (ведомых часов) по проводам к управляющим (главным часам). Целью было создать систему часов, в которой все часы отображали бы одинаковое время. Ведущие и ведомые — электромеханические часы. Главные часы имеют обычный часовой механизм с автоподзаводом и электрическим подзаводом. Механизм подчиненных часов не является обычным часовым механизмом, поскольку он состоит только из храпового колеса и поезда времени. Подчиненные часы полагаются на электрические импульсы от главных часов для механического перемещения стрелок часов на одну единицу времени. Системы синхронизированного времени состоят из одних главных часов и любого количества подчиненных часов. Ведомые часы подключаются проводами к главным часам. Эти системы можно найти в местах, где будет использоваться несколько часов, например, в учебных заведениях, предприятиях, фабриках, транспортных сетях, банках, офисах и государственных учреждениях. Ярким примером системы этого типа являются часы Shortt-Synchronome , которые являются примером электромеханического гравитационного ремонтуара . Эти системы часов с автоподзаводом обычно работали при низком напряжении постоянного тока. Они были установлены в 1950-х годах, и к тому времени системы с синхронными двигателями стали предпочтительными системами часов.

Электромагнитные часы

Конфигурация этого устройства сравнительно очень проста и надежна. Электрический ток приводит в действие либо маятник , либо электромеханический генератор .

Компонент электромеханического генератора имеет прикрепленный магнит , который проходит через две катушки индуктивности . Когда магнит проходит через первый индуктор или датчик, простой усилитель вызывает ток через второй индуктор, а второй индуктор работает как электромагнит , обеспечивая импульс энергии движущемуся генератору. Этот генератор отвечает за точность часов. Электронная часть не генерировала бы электрические импульсы, если бы генератор отсутствовал или не двигался. Резонансная . частота механического генератора должна составлять несколько раз в секунду

Синхронные электрические часы

Синхронные электрические часы не содержат генератора времени, такого как маятник или балансовое колесо, а вместо этого подсчитывают колебания переменного тока, поступающего от сетевой вилки, для измерения времени. Он состоит из небольшого синхронного двигателя переменного тока , который вращает стрелки часов посредством понижающей передачи . ^[9] Двигатель содержит электромагниты , которые создают вращающееся магнитное поле , вращающее 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 совершает оборот один раз в час. Таким образом, синхронные часы можно рассматривать не столько как хронометрист, сколько как механический счетчик, стрелки которого ведут текущий отсчет количества циклов переменного тока. ^[9]

Одна из шестерен, вращающих стрелки часов, имеет вал со скользящим фрикционным приспособлением, поэтому стрелки часов можно поворачивать вручную с помощью ручки сзади или снизу для установки часов.

Часы с синхронным двигателем прочны, поскольку у них нет тонкого маятника или балансового колеса. Однако временное отключение электроэнергии остановит часы, которые покажут неправильное время при восстановлении подачи электроэнергии. Некоторые синхронные часы (например, Telechron ) имеют индикатор, который показывает, остановились ли они и перезапустились.

Количество полюсов

Некоторые электрические часы имеют простой двухполюсный синхронный двигатель, который вращается со скоростью один оборот за цикл мощности, т. е. со скоростью 3600 об/мин при 60 Гц и 3000 об/мин при 50 Гц. ^[10] Однако большинство электрических часов имеют роторы с большим количеством магнитных полюсов (зубцов), следовательно, вращающиеся с меньшей долей линейной частоты. Это позволяет изготовить зубчатую передачу, вращающую стрелки, с меньшим количеством передач, что позволяет сэкономить деньги. ^[11]

Точность

Точность синхронных часов зависит от того, насколько электроэнергетические предприятия поддерживают частоту своего тока на номинальном значении 50 или 60 герц. Хотя изменения нагрузки на коммунальные предприятия вызывают колебания частоты, которые могут привести к ошибкам в несколько секунд в течение дня, коммунальные предприятия периодически корректируют частоту своего тока, используя UTC, атомные часы так, чтобы общее количество циклов в день давало среднюю частоту. это именно номинальное значение, поэтому синхронные часы не накапливают погрешностей. ^[12] Например, европейские коммунальные предприятия контролируют частоту своей сети один раз в день, чтобы общее количество циклов за 24 часа было правильным. ^[13]^{[ не удалось пройти проверку ]} Коммунальные предприятия США корректируют свою частоту, как только совокупная ошибка достигает 3–10 секунд. Эта коррекция известна как коррекция ошибок времени (TEC).

Ошибка времени более 7 минут, которая могла бы возникнуть в электрических часах на большей части территории Северной Америки, если бы они не были сброшены после перехода на летнее время в марте 2016 года и если бы не использовались TEC. ^[12]

В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (NERC) ^[14] отраслевая организация, основанная на консенсусе, обратилась с петицией в Федеральную комиссию по регулированию энергетики (FERC). ^[15] ликвидировать ТЭК. Хотя это избавило бы энергокомпании от угрозы штрафов, а также обеспечило бы крайне скромное повышение стабильности частоты, было также отмечено, что синхронные часы, к которым относятся настенные часы, будильники и другие часы, вычисляющие время на основе их электрическая мощность накапливала бы несколько минут ошибок между полугодовыми сбросами летнего времени . ^[16] Об этом последствии сообщили в американских средствах массовой информации, ^[17] и инициатива была сброшена. Однако в конце 2016 года НКРЭ снова подала аналогичное предложение в FERC, которое было одобрено два месяца спустя. ^[12] Это зависит от отмены стандарта WEQ-006, и NERC также подала петицию в Североамериканский совет по энергетическим стандартам (NAESB). ^[18] неправительственной организации, ориентированной на бизнес, за отмену этого стандарта. Если FERC примет петицию NAESB, TEC больше не будет использоваться в Соединенных Штатах и Канаде, а часы, рассчитанные ими, скорее всего, будут бесконтрольно перемещаться до тех пор, пока не будут сброшены вручную, однако по состоянию на 2021 год WEQ-006 все еще действовал. ^[19] В техническом документе сотрудников Национального института стандартов и технологий и Военно-морской обсерватории США было отмечено , что, если бы ТЕС не были установлены в 2016 году, на большей части территории Соединенных Штатов было бы потеряно более семи минут из-за электрически синхронизированных часов. и Канада, как показано на рисунке 8 их статьи. ^[12]

Часы со спин-стартом

Самые ранние синхронные часы 1930-х годов не имели автоматического запуска, и их нужно было запускать, поворачивая ручку стартера на задней панели. ^[9] Недостаток конструкции этих часов с запуском от вращения заключался в том, что двигатель можно было запустить в любом направлении, поэтому, если ручка стартера была повернута в неправильном направлении, часы шли в обратном направлении, а стрелки поворачивались против часовой стрелки. Более поздние часы с ручным запуском имели храповые механизмы или другие механизмы, предотвращавшие запуск назад. Изобретение двигателя с экранированным полюсом позволило создать самозапускающиеся часы, но, поскольку часы затем перезапускались после отключения электроэнергии, часы показывали неправильное время вместо того, чтобы останавливаться во время отключения электроэнергии.

См. также

Примечания

^ Эллиотт, Род. «Построить синхронные часы» . Эллиот Саунд. Архивировано из оригинала 11 июля 2018 г. Проверено 13 декабря 2016 г.
^ Brimarc, типичный кварцевый механизм часов с точностью до ± 30 секунд в месяц. Архивировано 4 июля 2015 г. на Wayback Machine.
^ Акед, СК (1973). «Первые электрические часы». Антикварное часовое дело .
^ Рональдс, БФ (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа . Лондон: Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-78326-917-4 .
^ Рональдс, БФ (июнь 2015 г.). «Вспоминая первые часы на батарейках» . Антикварное часовое дело . Проверено 8 апреля 2016 г.
^ Вечный электродвигатель
^ Патент США № 1283434 Уоррен, Генри Э. Устройство синхронизации , подан 26 февраля 1917 г., выдан 29 октября 1918 г., в Google Patents.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Знаменитые имена в электрическом часовом деле» . Группа электрочасового искусства . Антикварное часовое общество, Лондон, Великобритания. 2011. Архивировано из оригинала 7 мая 2012 г. Проверено 16 декабря 2011 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Мудрый, SJ (1952). Электрические часы, 2-е изд. (PDF) . Лондон: Heywood & Co., стр. 95–100. Архивировано из оригинала (PDF) 23 февраля 2014 г.
^ Wise (1952) Электрические часы , стр.101–104
^ Скорость синхронного двигателя v в оборотах в минуту (об/мин) связана с количеством полюсов следующим образом:
$v={\frac {120f}{p}}\,$
где f — частота сети (50/60 Гц), а p — количество полюсов ротора. Многие конструкции имеют 30 полюсов, поэтому двигатель работает со скоростью 240 об/мин (при 60 Гц) или 200 об/мин (при 50 Гц).
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д НИСТ Бумага
^ «Частотная характеристика — Национальная сеть» . www2.nationalgrid.com . Архивировано из оригинала 03.11.2017 . Проверено 3 июня 2016 г.
^ «НЕРК» . www.nerc.com .
^ «Федеральная комиссия по регулированию энергетики» . www.ferc.gov .
^ http://www.gps.gov/cgsic/meetings/2011/matsakis.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ «При испытании электросети опасаются сбоев в работе приборов» . Новости CBS . 27 июня 2011 г.
^ «Североамериканский совет по энергетическим стандартам» . www.naesb.org .
^ «Обновление оптового электрического квадранта NAESB (WEQ)» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2022 г. Проверено 7 января 2022 г.

Ссылки

Вирадес, Мишель. История электрических часов
Кац, Евгений. Биография Александра Бэйна
Вечный электромотор Джузеппе Замбони
Чиркин К. Электромеханические часы. Радио, 7 (1968): с. 43.

[error-1] Эллиотт, Род. «Построить синхронные часы» . Эллиот Саунд. Архивировано из оригинала 11 июля 2018 г. Проверено 13 декабря 2016 г.

[2] Brimarc, типичный кварцевый механизм часов с точностью до ± 30 секунд в месяц. Архивировано 4 июля 2015 г. на Wayback Machine.

[3] Акед, СК (1973). «Первые электрические часы». Антикварное часовое дело .

[4] Рональдс, БФ (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа . Лондон: Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-78326-917-4 .

[5] Рональдс, БФ (июнь 2015 г.). «Вспоминая первые часы на батарейках» . Антикварное часовое дело . Проверено 8 апреля 2016 г.

[6] Вечный электродвигатель

[WarrenPatent-7] Патент США № 1283434 Уоррен, Генри Э. Устройство синхронизации , подан 26 февраля 1917 г., выдан 29 октября 1918 г., в Google Patents.

[AHS-8] Перейти обратно: ^а ^б «Знаменитые имена в электрическом часовом деле» . Группа электрочасового искусства . Антикварное часовое общество, Лондон, Великобритания. 2011. Архивировано из оригинала 7 мая 2012 г. Проверено 16 декабря 2011 г.

[Wise-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Мудрый, SJ (1952). Электрические часы, 2-е изд. (PDF) . Лондон: Heywood & Co., стр. 95–100. Архивировано из оригинала (PDF) 23 февраля 2014 г.

[10] Wise (1952) Электрические часы , стр.101–104

[11] Скорость синхронного двигателя v в оборотах в минуту (об/мин) связана с количеством полюсов следующим образом:
$v={\frac {120f}{p}}\,$
где f — частота сети (50/60 Гц), а p — количество полюсов ротора. Многие конструкции имеют 30 полюсов, поэтому двигатель работает со скоростью 240 об/мин (при 60 Гц) или 200 об/мин (при 50 Гц).

[nist.gov-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д НИСТ Бумага

[13] «Частотная характеристика — Национальная сеть» . www2.nationalgrid.com . Архивировано из оригинала 03.11.2017 . Проверено 3 июня 2016 г.

[14] «НЕРК» . www.nerc.com .

[15] «Федеральная комиссия по регулированию энергетики» . www.ferc.gov .

[16] ttp://www.gps.gov/cgsic/meetings/2011/matsakis.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[17] «При испытании электросети опасаются сбоев в работе приборов» . Новости CBS . 27 июня 2011 г.

[18] «Североамериканский совет по энергетическим стандартам» . www.naesb.org .

[19] «Обновление оптового электрического квадранта NAESB (WEQ)» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2022 г. Проверено 7 января 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

v т и Технология электрических часов
Powerline synchronized	Synchronous Motor and the Master Clock Utility frequency Synchronous motor
Electronic	Quartz clock Atomic clock Radio clock