Quarzuhr - Quartz clock

Eine einfache analoge Quarzuhr
Platine aus einem Chronographen- Armbanduhr

Quarzuhren und Quarzuhren sind Zeitmesser, die einen elektronischen Oszillator verwenden , der von einem Quarzkristall geregelt wird , um die Zeit zu halten. Dieser Quarzoszillator erzeugt ein Signal mit einer sehr genauen Frequenz , so dass Quarzuhren und Armbanduhren mindestens eine sind um eine Größenordnung genauer als die mechanischen Uhren . Im allgemeinen zählt irgendeine Form von digitaler Logik , um die Zyklen dieses Signals und liefert ein numerisches Zeitanzeige, in der Regel in Einheiten von Stunden, Minuten und Sekunden.

Seit den 1980er Jahren, als das Aufkommen der digitalen Festkörperelektronik es ermöglichte, sie kompakt und kostengünstig herzustellen, haben sich Quarz-Zeitmesser zur weltweit am weitesten verbreiteten Zeitmessungstechnologie entwickelt, die in den meisten Uhren und Uhren sowie in Computern und anderen Geräten verwendet wird, die die Zeit messen .

Erläuterung

Demontiertes analoges Quarzuhrwerk; Echtzeituhr (RTC) Quarzkristalloszillatoreinheit (oben links), Schrittmotor vom Lavet-Typ (links) mit einem schwarzen Rotorkettenrad und angeschlossenen weißen und transparenten Zahnrädern (rechts). Diese Zahnräder steuern die Bewegung des Sekunden-, Minuten- und Stundenzeigers.
Grundlegendes Quarz-Armbanduhrwerk. Unten rechts: Quarzkristalloszillator , links: Knopfzelle Uhrenbatterie, oben rechts: Oszillatorzähler, digitale Frequenzteiler und Treiber für den Schrittmotor, links oben: die Spule des Schrittmotors , die Kräfte der Uhrzeiger.

Chemisch gesehen ist Quarz eine spezielle Form einer Verbindung namens Siliziumdioxid . Viele Materialien können zu Platten geformt werden, die mitschwingen . Quarz ist jedoch auch ein piezoelektrisches Material : Das heißt, wenn ein Quarzkristall mechanischer Belastung ausgesetzt ist, wie zum Beispiel Biegen, sammelt er elektrische Ladung über einige Ebenen. Umgekehrt biegen sich Quarzkristalle, wenn Ladungen über die Kristallebene gelegt werden. Da Quarz durch ein elektrisches Signal direkt angetrieben werden kann (zum Biegen), ist kein zusätzlicher Wandler erforderlich, um ihn in einem Resonator zu verwenden . Ähnliche Quarze werden in Low-End- Phonographen- Tonabnehmern verwendet: Die Bewegung des Stylus (Nadel) biegt einen Quarzkristall, der eine kleine Spannung erzeugt, die verstärkt und über Lautsprecher wiedergegeben wird. Quarzmikrofone sind noch verfügbar, wenn auch nicht üblich.

Quarz hat den weiteren Vorteil, dass sich seine Größe bei Temperaturschwankungen kaum ändert . Quarzglas wird oft für Laborgeräte verwendet, die ihre Form nicht mit der Temperatur ändern dürfen. Die Resonanzfrequenz einer Quarzplatte wird, basierend auf ihrer Größe, nicht wesentlich ansteigen oder abfallen. In ähnlicher Weise bleibt eine Quarzuhr relativ genau, wenn sich die Temperatur ändert, da ihr Resonator die Form nicht ändert.

Anfang des 20. Jahrhunderts suchten Funkingenieure nach einer präzisen, stabilen Quelle für Funkfrequenzen und begannen zunächst mit Stahlresonatoren. Als Walter Guyton Cady jedoch herausfand, dass Quarz mit weniger Ausrüstung und besserer Temperaturstabilität mitschwingen kann, verschwanden Stahlresonatoren innerhalb weniger Jahre. Später entdeckten Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (damals das US National Bureau of Standards), dass ein Quarzoszillator genauer sein könnte als eine Pendeluhr .

Die elektronische Schaltung ist ein Oszillator , ein Verstärker, dessen Ausgang durch den Quarzresonator geht. Der Resonator wirkt als elektronischer Filter , der alle interessierenden Frequenzen außer der einzelnen eliminiert. Der Ausgang des Resonators wird zum Eingang des Verstärkers zurückgeführt, und der Resonator stellt sicher, dass der Oszillator mit der genauen interessierenden Frequenz "heult". Wenn die Schaltung eingeschaltet wird, kann ein einzelner Schrotrauschen (in elektronischen Schaltungen immer vorhanden) kaskadieren, um den Oszillator mit der gewünschten Frequenz in Schwingung zu versetzen. Wenn der Verstärker vollkommen rauschfrei wäre, würde der Oszillator nicht starten.

Die Frequenz, mit der der Quarz schwingt, hängt von seiner Form, Größe und der Kristallebene ab, auf der der Quarz geschliffen ist. Auch die Positionen, an denen Elektroden platziert werden, können die Abstimmung leicht verändern. Wenn der Kristall genau geformt und positioniert ist, schwingt er mit einer gewünschten Frequenz. Bei fast allen Quarzuhren beträgt die Frequenz32 768  Hz , und der Kristall ist in einer kleinen Stimmgabelform auf einer bestimmten Kristallebene geschliffen. Diese Frequenz ist eine Zweierpotenz (32 768 = 2 15 ), gerade hoch genug, um den menschlichen Hörbereich zu überschreiten , aber niedrig genug, um den elektrischen Energieverbrauch auf einem bescheidenen Niveau zu halten und billigen Zählern zu ermöglichen, einen 1-Sekunden-Impuls abzuleiten. Der Datenleitungsausgang eines solchen Quarzresonators geht hoch und niedrig32 768 mal pro Sekunde. Dies wird in ein Flip-Flop (das im Wesentlichen aus zwei Transistoren mit etwas Querverbindung besteht) eingespeist, das von Low nach High oder umgekehrt wechselt, wenn die Leitung vom Quarz von High nach Low geht. Der Ausgang davon wird in ein zweites Flip-Flop eingespeist, und so weiter durch eine Kette von 15 Flip-Flops, von denen jedes als effektiver 2-Potenz- Frequenzteiler wirkt, indem die Frequenz des Eingangssignals durch 2 geteilt wird ist ein binärer digitaler 15-Bit- Zähler, der von der Frequenz gesteuert wird, die einmal pro Sekunde überläuft und einmal pro Sekunde einen digitalen Impuls erzeugt. Der Impuls-pro-Sekunde- Ausgang kann verwendet werden, um viele Arten von Taktgebern anzusteuern. Bei analogen Quarzuhren und Armbanduhren wird der elektrische Impuls pro Sekunde fast immer an einen Schrittmotor vom Lavet-Typ übertragen , der die elektronischen Eingangsimpulse der Flip-Flops-Zähleinheit in einen mechanischen Ausgang umwandelt, der zum Bewegen der Zeiger verwendet werden kann. Quarzuhren und -uhren können mehr als einmal pro Sekunde digitale Impulse erzeugen, einen analogen Sekundenzeiger mit einer höheren Leistung von 2 als einmal pro Sekunde antreiben, aber der elektrische Energieverbrauch (Entlastung der Batterie) steigt entsprechend, weil jede Aktivierung des Schrittmotors kostet Energie, so dass solche Quarzwerke relativ selten sind.

Mechanismus

Bild eines Quarzkristallresonators, der als Zeitmesskomponente in Quarzuhren und -uhren verwendet wird, mit entferntem Gehäuse. Es hat die Form einer Stimmgabel. Die meisten dieser Quarzuhrkristalle schwingen mit einer Frequenz von32 768  Hz .

In modernen Standard-Qualität Quarzuhr, das Quarzkristall - Resonator oder Oszillator ist in der Form eines kleinen Stimmgabel ( XY-cut ), Laser- -trimmed oder Präzisions zum Vibrieren bei geläppt32 768  Hz . Diese Frequenz entspricht 2 15 Zyklen pro Sekunde. Eine Potenz von 2 wird gewählt, damit eine einfache Kette von digitalen Division-by-2-Stufen das 1-Hz-Signal ableiten kann, das zum Antrieb des Sekundenzeigers der Uhr benötigt wird. Bei den meisten Uhren befindet sich der Resonator in einer kleinen Dose oder einem flachen Gehäuse, etwa 4 mm lang. Die32 768  Hz Resonator ist aufgrund eines Kompromisses zwischen der großen physikalischen Größe von Niederfrequenzquarzen für Uhren und der großen Stromaufnahme von Hochfrequenzquarzen so üblich geworden , was die Lebensdauer der Uhrenbatterie verkürzt .

Die Grundformel zur Berechnung der Grundfrequenz ( f ) der Schwingung eines Auslegers in Abhängigkeit von seinen Abmessungen (quadratischer Querschnitt) lautet

wo

1,875104 (gerundet) ist die kleinste positive Lösung der Gleichung cos( x ) cosh( x ) = −1,
l ist die Länge des Auslegers,
a ist seine Dicke in Bewegungsrichtung,
E ist sein Elastizitätsmodul ,
ρ ist seine Dichte .

Ein Cantilever aus Quarz ( E = 10 11  N /m 2 = 100  GPa und ρ = 2634  kg /m 3 ) mit einer Länge von 3 mm und einer Dicke von 0,3 mm hat somit eine Grundfrequenz um 33 kHz. Der Kristall ist genau auf 2 15 = . gestimmt32 768  Hz oder läuft mit einer etwas höheren Frequenz mit Inhibitionskompensation (siehe unten).

Genauigkeit

Die relative Stabilität des Quarzresonators und seiner Treiberschaltung ist viel besser als seine absolute Genauigkeit. 32-768-Hz-Resonatoren dieses Typs in Standardqualität haben eine garantierte Langzeitgenauigkeit von etwa sechs ppm (0,0006 %) bei 31 °C (87,8 °F): Das heißt, eine typische Quarzuhr oder Armbanduhr gewinnt an oder 15 Sekunden pro 30 Tage verlieren (innerhalb eines normalen Temperaturbereichs von 5 bis 35 °C oder 41 bis 95 °F) oder weniger als eine halbe Sekunde Zeitabweichung pro Tag, wenn sie in Körpernähe getragen wird.

Temperatur- und Frequenzvariation

Obwohl Quarz einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat , sind Temperaturänderungen die Hauptursache für Frequenzschwankungen bei Quarzoszillatoren. Der offensichtlichste Weg, den Einfluss der Temperatur auf die Oszillationsrate zu reduzieren, besteht darin, den Kristall auf einer konstanten Temperatur zu halten. Für Oszillatoren in Laborqualität wird ein ofengesteuerter Quarzoszillator verwendet, bei dem der Quarz in einem sehr kleinen Ofen auf konstanter Temperatur gehalten wird. Diese Methode ist jedoch für Quarzuhren- und Armbanduhrwerke für Verbraucher unpraktisch.

Die Kristallebenen und die Abstimmung von Quarzresonatoren für Verbraucheruhren, die in Armbanduhren verwendet werden, sind hinsichtlich ihres Einflusses auf die Frequenz auf minimale Temperaturempfindlichkeit ausgelegt und funktionieren am besten bei etwa 25 bis 28 ° C (77 bis 82 ° F). Bei dieser Temperatur schwingt der Kristall am schnellsten. Eine höhere oder niedrigere Temperatur führt zu einer –0,035  ppm /°C 2 (langsameren) Oszillationsrate. Eine Temperaturabweichung von ±1 °C führt also zu einer (±1) 2 × −0,035 ppm = −0,035 ppm Geschwindigkeitsänderung, was −1,1 Sekunden pro Jahr entspricht. Wenn der Kristall stattdessen eine Temperaturabweichung von ±10 °C erfährt, beträgt die Geschwindigkeitsänderung (±10) 2 × −0,035 ppm = −3,5 ppm, was −110 Sekunden pro Jahr entspricht.

Hersteller von Quarzuhren verwenden eine vereinfachte Version der ofengesteuerten Quarzoszillatormethode, indem sie empfehlen, ihre Uhren regelmäßig zu tragen, um die beste Leistung zu gewährleisten. Regelmäßiges Tragen einer Quarzuhr reduziert das Ausmaß der Umgebungstemperaturschwankungen erheblich, da ein richtig gestaltetes Uhrengehäuse einen zweckmäßigen Kristallofen bildet , der die stabile Temperatur des menschlichen Körpers nutzt, um den Kristall in seinem genauesten Temperaturbereich zu halten.

Genauigkeitsverbesserung

Einige Bewegungsdesigns verfügen über Funktionen zur Verbesserung der Genauigkeit oder zur Selbstbewertung und Selbstregulierung. Das heißt, statt nur Schwingungen zu zählen, nimmt ihr Computerprogramm die einfache Zählung und skaliert sie mit einem Verhältnis, das zwischen einer werkseitig eingestellten Epoche und der letzten Zeit, zu der die Uhr eingestellt wurde, berechnet wurde. Auch Uhren, die nach Verlassen des Werks manchmal von Service-Centern mit Hilfe eines Präzisionstimers und Justierterminals reguliert werden, werden genauer, da ihr Quarz altert und etwas unvorhersehbare Alterungseffekte entsprechend kompensiert werden.

Autonome hochgenaue Quarzwerke, auch in Armbanduhren , kann im Bereich von ± 1 bis ± 25 Sekunden pro Jahr genau sein und kann zertifiziert und verwendet werden als Seechronometer zu bestimmen Länge (die Ost - West Position eines Punktes auf der Erde ' s Oberfläche) mittels Himmelsnavigation . Wenn die Zeit am Nullmeridian (oder einem anderen Startpunkt) genau genug bekannt ist, kann die Himmelsnavigation den Längengrad bestimmen, und je genauer die Zeit bekannt ist, desto genauer ist die Breitengradbestimmung. Auf dem Breitengrad 45° entspricht eine Sekunde der Länge 1.077,8  Fuß (328,51  m ), oder eine Zehntelsekunde bedeutet 107,8 Fuß (32,86 m).

Thermische Kompensation

Omega 4,19 MHz (4 194 304 = 2 22 Hochfrequenz-Quarzresonator) Schiffs-Marinechronometer mit einer Genauigkeit von weniger als ± 5 Sekunden pro Jahr, ausgestellt von der französischen Marine
Citizen Analog-Digital- Chronograph mit 4-Bereich-Funkzeitsignalempfang (Nordamerika, Europa, China, Japan) und Synchronisation

Es ist möglich, dass ein computergesteuertes hochgenaues Quarzwerk seine Temperatur misst und sich darauf einstellt. Sowohl analoge als auch digitale Temperaturkompensation wurden in High-End-Quarzuhren verwendet. Bei teureren High-End-Quarzuhren kann eine thermische Kompensation implementiert werden, indem die Anzahl der zu verhindernden Zyklen in Abhängigkeit von der Ausgabe eines Temperatursensors variiert wird. Der COSC- durchschnittliche Tagessatzstandard für offiziell zertifizierte COSC-Quarzchronometer beträgt ±25,55 Sekunden pro Jahr bei 23 °C oder 73 °F. Um das COSC-Chronometer-Etikett zu erhalten, muss ein Quarzinstrument von Thermokompensation und strenger Verkapselung profitieren. Jeder Quarzchronometer wird 13 Tage lang in einer Position bei 3 verschiedenen Temperaturen und 4 verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeitswerten getestet. Nur etwa 0,2% der Schweizer Quarzuhren sind von der COSC chronometerzertifiziert. Diese COSC-Chronometer-zertifizierten Uhrwerke können als Marine-Chronometer verwendet werden, um den Längengrad mithilfe der Himmelsnavigation zu bestimmen.

Zusätzliche Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit

Ab 2019 wurde ein autonomes, lichtbetriebenes hochpräzises Quarzuhrwerk im Handel erhältlich, das eine Genauigkeit von ± 1 Sekunde pro Jahr haben soll. Schlüsselelemente, um die hohe behauptete Genauigkeit zu erreichen, sind die Anwendung eines für eine Uhr ungewöhnlich geformten Quarzkristalls ( AT-Schliff ), der bei 2 23 oder betrieben wird8 388 608  Hz Frequenz, thermische Kompensation und vorgealterte Quarze von Hand. Abgesehen davon, dass AT-Schnittvariationen größere Temperaturtoleranzen ermöglichen, insbesondere im Bereich von −40 bis 125 °C (−40 bis 257 °F), weisen sie geringere Abweichungen durch gravitative Orientierungsänderungen auf. Dadurch werden Fehler, die durch die räumliche Orientierung und Positionierung verursacht werden, weniger besorgniserregend. Im März 2019 wurden drei limitierte Armbanduhrenmodelle mit dem hochpräzisen Kaliber 0100 zum Verkauf angekündigt, die Auslieferungen werden voraussichtlich im Herbst 2019 erfolgen.

Hemmungskompensation

Viele preiswerte Quarzuhren und -uhren verwenden eine Bewertungs- und Kompensationstechnik, die als Hemmungskompensation bekannt ist . Der Kristall ist bewusst etwas schneller ausgeführt. Nach der Herstellung wird jedes Modul im Werk gegen eine Präzisionsuhr kalibriert und auf die genaue Zeit eingestellt, indem die digitale Logik so programmiert wird, dass sie in regelmäßigen Abständen eine kleine Anzahl von Quarzzyklen überspringt, z. B. 10 Sekunden oder 1 Minute. Bei einem typischen Quarzwerk ermöglicht dies programmierte Einstellungen in Schritten von 7,91 Sekunden pro 30 Tage für 10-Sekunden-Intervalle (bei einem 10-Sekunden-Messfenster) oder programmierte Einstellungen in Schritten von 1,32 Sekunden pro 30 Tage für 60-Sekunden-Intervalle (bei einem 60-Sekunden-Intervall). zweites Messtor). Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Verwendung digitaler Programmierung zum Speichern der Anzahl der zu unterdrückenden Impulse in einem nichtflüchtigen Speicherregister auf dem Chip weniger teuer ist als die ältere Technik des Trimmens der Quarzstimmgabelfrequenz. Die Hemmungskompensationslogik einiger Quarzwerke kann nach Verlassen des Werks von Servicestellen mit Hilfe eines professionellen Präzisionstimers und Einstellterminals reguliert werden, obwohl viele preiswerte Quarzuhrwerke diese Funktionalität nicht bieten.

Externe Zeitsignalkorrektur

Wenn ein Quarzwerk täglich „bewertet“ durch seine Zeitmessungseigenschaften gegen eine Messfunkzeitsignal oder Satelliten - Zeitsignal , um zu bestimmen , wie viel Zeit die movemnet zwischen Zeitsignal Empfänge gewonnen oder verloren, und Anpassungen an der Schaltung gemacht zu „regeln“ die Zeitmessung, dann ist die korrigierte Zeit auf ±1 Sekunde pro Jahr genau. Dies ist mehr als ausreichend, um die Längengradbestimmung durch die Himmelsnavigation durchzuführen . Diese Quarzwerke verlieren im Laufe der Zeit an Genauigkeit, wenn kein externes Zeitsignal erfolgreich empfangen und intern verarbeitet wurde, um ihre Zeit automatisch einzustellen oder zu synchronisieren, und greifen ohne eine solche externe Kompensation in der Regel auf eine autonome Zeitmessung zurück. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) der Vereinigten Staaten hat Richtlinien veröffentlicht, die empfehlen, dass diese Bewegungen die Zeit zwischen den Synchronisierungen auf ±0,5 Sekunden halten, damit die Zeit korrekt auf die nächste Sekunde gerundet wird. Einige dieser Bewegungen können die Zeit zwischen den Synchronisationen innerhalb von ±0,2 Sekunden halten, indem sie mehr als einmal über einen Tag verteilt synchronisiert werden.

Quarzkristall Alterung

Uhrenquarze werden in einer ultrareinen Umgebung hergestellt und dann durch ein inertes Ultrahochvakuum in hermetisch verschlossenen Behältern geschützt. Trotz dieser Maßnahmen kann sich die Frequenz eines Quarzkristalls im Laufe der Zeit langsam ändern. Die Auswirkung der Alterung ist jedoch viel geringer als die Auswirkung von Frequenzschwankungen, die durch Temperaturänderungen verursacht werden, und Hersteller können ihre Auswirkungen abschätzen. Im Allgemeinen verringert der Alterungseffekt schließlich die Frequenz eines bestimmten Kristalls, er kann jedoch auch die Frequenz eines bestimmten Kristalls erhöhen.

Faktoren, die im Laufe der Zeit zu einer geringen Frequenzdrift führen können, sind Spannungsabbau in der Montagestruktur, Verlust der hermetischen Abdichtung, Verschmutzung des Kristallgitters , Feuchtigkeitsaufnahme, Veränderungen im oder am Quarz, starke Stoß- und Vibrationseinflüsse sowie Belastung durch sehr hohe Temperaturen. Die Kristallalterung ist tendenziell logarithmisch , was bedeutet, dass die maximale Frequenzänderung unmittelbar nach der Herstellung auftritt und danach abklingt. Der größte Teil der Alterung findet innerhalb des ersten Jahres der Lebensdauer des Kristalls statt. Kristalle hören schließlich auf zu altern ( asymptotisch ), aber es kann viele Jahre dauern. Uhrwerkhersteller können Quarze voraltern, bevor sie sie in Uhrwerke einbauen. Um eine beschleunigte Alterung zu fördern, werden die Kristalle hohen Temperaturen ausgesetzt. Wenn ein Quarz vorgealtert ist, kann der Hersteller seine Alterungsraten (genauer gesagt die Koeffizienten in der Alterungsformel) messen und einen Mikrocontroller die Korrekturen im Laufe der Zeit berechnen lassen. Die anfängliche Kalibrierung eines Uhrwerks bleibt länger genau, wenn die Kristalle vorgealtert sind. Der Vorteil würde nach einer anschließenden Regelung enden, die jeden kumulierten Alterungsfehler auf Null zurücksetzt. Ein Grund dafür, dass teurere Uhrwerke in der Regel genauer sind, ist, dass die Kristalle länger vorgealtert und für eine bessere Alterungsleistung ausgewählt werden. Manchmal werden vorgealterte Kristalle für die Bewegungsleistung von Hand ausgewählt.

Chronometer

Quarz - Chronometer entwickelten als Zeitstandards enthalten oft ein Kristall Ofen , den Kristall bei einer konstanten Temperatur zu halten. Einige bewerten selbst und schließen "Kristallfarmen" ein, damit die Uhr den Durchschnitt einer Reihe von Zeitmessungen nehmen kann.

Geschichte

Vier präzise 100-kHz-Quarzoszillatoren beim US Bureau of Standards (jetzt NIST ), die 1929 der erste Quarzfrequenzstandard für die Vereinigten Staaten wurden. In temperaturgeregelten Öfen aufbewahrt, um Frequenzdrift aufgrund thermischer Ausdehnung oder Kontraktion des großen Quarzes zu verhindern Resonatoren (unter den Glaskuppeln auf den Einheiten montiert) erreichten sie eine Genauigkeit von 10 -7 , ungefähr 1 Sekunde Fehler in 4 Monaten.
Erste europäische Quarzuhr für Verbraucher "Astrochron", Junghans , Schramberg, 1967
Erstes Quarz-Armbanduhrwerk, Kaliber 35A, Seiko, Japan, 1969
Frühe Quarzuhren für Verbraucher
Eine Quarzuhr an der Wand, 2005

Eine Reihe von Innovationen und Entdeckungen führten zur Erfindung der modernen Quarzuhr.

Die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz wurden 1880 von Jacques und Pierre Curie entdeckt. Der Vakuumröhren-Oszillator wurde 1912 erfunden. Ein elektrischer Oszillator wurde erstmals 1919 vom britischen Physiker William Eccles verwendet, um die Bewegung einer Stimmgabel aufrechtzuerhalten ; Seine Leistung beseitigte einen Großteil der mit mechanischen Geräten verbundenen Dämpfung und maximierte die Stabilität der Schwingungsfrequenz. Der erste Quarzkristalloszillator durch gebaut wurde Walter G. Cady im Jahr 1921. Im Jahr 1923, DW Dye am National Physical Laboratory im UK und Warren Marrison bei Bell Telephone Laboratories hergestellt Sequenzen von Präzisions - Zeitsignale mit Quarzoszillatoren.

Im Oktober 1927 wurde die erste Quarzuhr von Joseph W. Horton und Warren A. Marrison in den Bell Telephone Laboratories beschrieben und gebaut . Die Uhr von 1927 verwendet einen durch Elektrizität angeregten Kristallblock, um Impulse mit einer Frequenz von 50.000 Zyklen pro Sekunde zu erzeugen. Ein unterteilergesteuerter Frequenzgenerator zerlegte dies dann auf einen nutzbaren, regelmäßigen Impuls, der einen Synchronmotor antreibt .

Die nächsten 3 Jahrzehnte sahen die Entwicklung von Quarzuhren als Präzisionszeitnormale in Laborumgebungen; die sperrige, empfindliche Zählelektronik, die mit Vakuumröhren gebaut wurde , schränkte ihre Verwendung an anderer Stelle ein. Im Jahr 1932 konnte eine Quarzuhr winzige Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde über Zeiträume von nur wenigen Wochen messen. 1932 entwickelte Issac Koga in Japan einen Kristallschliff, der eine Oszillationsfrequenz mit stark reduzierter Temperaturabhängigkeit ergab. Das National Bureau of Standards (jetzt NIST ) basierte den Zeitstandard der USA zwischen den 1930er und den 1960er Jahren auf Quarzuhren, wonach er zu Atomuhren überging . Der breitere Einsatz der Quarzuhrentechnologie musste in den 1960er Jahren auf die Entwicklung billiger digitaler Halbleiterlogik warten . Die überarbeitete 14. Ausgabe der Encyclopædia Britannica von 1929 stellte fest, dass Quarzuhren wahrscheinlich nie erschwinglich genug sein würden, um im Inland verwendet zu werden.

Ihre inhärente physikalische und chemische Stabilität und Genauigkeit führten zu einer späteren Verbreitung und bilden seit den 1940er Jahren die Grundlage für präzise Zeit- und Frequenzmessungen weltweit.

Der weltweit erste Prototyp einer analogen Quarz- Armbanduhr wurde 1967 vorgestellt: die Beta 1 vom Centre Electronique Horloger (CEH) in Neuchâtel, Schweiz, und der Prototyp der Astron von Seiko in Japan (Seiko arbeitete seit 1958 an Quarzuhren) .

Im Dezember 1969 produzierte Seiko die weltweit erste kommerzielle Quarz-Armbanduhr, die Seiko-Quartz Astron 35SQ, die jetzt mit IEEE Milestone ausgezeichnet wird . Der Astron hatte einen Quarzoszillator mit einer Frequenz von 8192 Hz und war auf 0,2 Sekunden pro Tag, 5 Sekunden pro Monat oder 1 Minute pro Jahr genau. Die Astron wurde weniger als ein Jahr vor der Einführung der Swiss Beta 21 auf den Markt gebracht, die von 16 Schweizer Uhrenherstellern entwickelt und von Rolex, Patek und Omega in ihren Elektroquarzmodellen verwendet wurde. Die inhärente Genauigkeit und die geringen Produktionskosten haben seit dieser Zeit zur Verbreitung von Quarzuhren und -uhren geführt.

In den 1970er Jahren ermöglichte die Einführung von integrierten Metall-Oxid-Halbleiter- (MOS) -Schaltkreisen eine 12-monatige Batterielebensdauer mit einer einzigen Knopfzelle, wenn entweder ein mechanischer Schrittmotor vom Lavet-Typ , ein sanft streichender Nicht-Schrittmotor oder ein Flüssigkristallanzeige (in einer LCD-Digitaluhr). Leuchtdioden- (LED-)Anzeigen für Uhren sind aufgrund ihres vergleichsweise hohen Batterieverbrauchs selten geworden. In Labor - Einstellungen Atomuhr hatten Quarzuhr als Grundlage für Präzisionsmessungen von Zeit und Frequenz, was ersetzt Internationalen Atomzeit .

In den 1980er Jahren hatte Quarztechnologie über Anwendungen wie Küche genommen Timer , Wecker , Banktresor Zeitschlösser und Zeitzündern auf Munition aus früheren mechanischen Unruh Bewegungen, eine Umwälzung bekannt in der Uhrmacherei als Quarzkrise .

Quarzuhren dominieren seit den 1980er Jahren den Markt für Armbanduhren und Heimuhren. Aufgrund des hohen Q-Faktors und des niedrigen Temperaturkoeffizienten des Quarzkristalls sind sie genauer als die besten mechanischen Zeitmesser, und der Wegfall aller beweglichen Teile macht sie robuster und macht eine regelmäßige Wartung überflüssig.

Kommerzielle analoge und digitale Wanduhren wurden 2014 auf den Markt gebracht, die einen Doppelofen-Quarzoszillator mit einer Genauigkeit von 0,2  ppb verwenden . Diese Uhren sind werkseitig mit dem Atomzeitstandard synchronisiert und erfordern normalerweise keine weiteren Zeiteinstellungen für die Lebensdauer der Uhr. Im Jahr 202132 768  Hz Standard 'Watch' oder Real-Time Clock (RTC) Quarzeinheiten sind zu billigen Massenprodukten geworden.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Externe Links