Messung an einem Pendel mit elektromagnetischem Antrieb

Nach dem ich eine 24-Stunden Messung der Pendelschwingung an einer älteren Pendelwanduhr gemacht habe ist hier das Ergebnis einer weiteren Messung.

Details zur ersten Messung siehe hier:

Beitrag "Re: Datenlogger Pendeluhr"

Beitrag "Re: Datenlogger Pendeluhr"

Mir geht es darum zu schauen wie genau man mit relativ geringem Aufwand messen kann, nicht darum die Pendeluhr zu optimieren.

Die erste Messung zeigt ziemlich deutlich den Einfluss der Mechanik bzw. des Schlagwerks der Uhr auf die Schwingungsdauer. Daher wurde die zweite Messung an einer Pendelwanduhr mit Quarzuhrwerk und elektromagnetischem Antrieb des Pendels gemacht da sich die Mechanik hier auf das Pendellager beschränkt. Wichtig: auch wenn es sich um ein Quarzuhrwerk handelt, der elektromagnetische Antrieb des Pendels hat nichts mit dem Uhrwerk zu tun, das Pendel gibt die Schwingungsdauer vor und der elektromagnetische Antrieb sorgt nur dafür dass das Pendel nicht stehen bleibt (das Pendel ist bei dieser Uhr nur zur Zierde und hat keine weitere Funktion). Details zum Uhrwerk siehe weiter unten.

Ansonsten wurde die zweite Messung wie die erste Messung mit demselben Setup durchgeführt (auch im selben Raum wie die erste Messung). Die Pendellänge beträgt ca. 55 cm, Pendelweg an der Spitze (unten) ca. 11 cm, Breite des schmalen Streifens, der die Lichtschranke unterbricht ca. 16 mm

Ergebnisse:

• Der Takt des STM32F4 ist etwa 22 ppm zu langsam gegenüber dem 1PPS Impuls (999978 µs laut des 180 MHz Cycle Count zwischen zwei Impulsen). Diese Abweichung ist über die gesamte Laufzeit konstant, was zu erwarten war da die Temperatur in dem Raum, in dem gemessen wurde, annähernd konstant während der Laufzeit war.

• Für die Auswertung wurde einfach die Zeit anhand des Cycle Count verwendet und die Abweichung gegenüber dem 1PPS Impuls vernachlässigt. Und da die Schwingungsdauer nicht zu einer Sekunde passt ist der Vergleich mit dem 1PPS Impuls auch nicht besonders hilfreich.

• Da die Lichtschranke nicht ganz genau in der Mitte angebracht war sind die Zeiten für den Durchgang des Pendels "von links" bzw. "von rechts" unterschiedlich (ca. 741 ms gegenüber ca. 796 ms). Die Schwingungsdauer ist aber sowieso die Summe eines Durchgangs des Pendels "von links" und "von rechts", daher ist die ungenau Position der Lichtschranke nicht so wichtig.

• Im Anhang ist ein Bild mit der Streuung der Messwerte der Schwingungsdauer ("Streuung.PNG", 260 Werte, ca. 6:40 Minuten oder ca. 400 Sekunden), der Verlauf der Schwingungsdauer über die gesamte Laufzeit der Messung ("Schwingungsdauer.PNG") sowie die Dauer der Unterbrechung des Pendels ("Unterbrechungsdauer.PNG", daraus könnte man die Geschwindigkeit des Pendel in der Mitte ermitteln falls diese gemessen werden soll), ebenfalls über die gesamte Laufzeit der Messung. Bei den beiden Diagrammen über die gesamte Laufzeit wurde der gleitende Mittelwert über jeweils 39 Werte (etwa eine Minute) verwendet. Beim Vergleich mit der ersten Messung die Skalierung der Y-Achse beachten (bzw. der X-Achse bei "Streuung.PNG").

Zum Uhrwerk, es handelt sich um ein "Hermle Quartz 2212" ("Quartz" genau so geschrieben). Das Uhrwerk ist wohl älter als 1990 ("Made in W.Germany"). Bilder vom Uhrwerk sind im Anhang. Der Schaltung des elektromagnetischen Antriebs ist relativ einfach, siehe Schaltplan im Anhang (ohne Garantie, der "in circuit" gemessene Wert des Kerko ist eventuell nicht richtig). Die beiden Spulen sind wohl gemeinsam gewickelt, das lässt sich aber relativ schwer genau bestimmen da der Draht extrem dünn ist.

Das Quarzuhrwerk und der Gong (soll wohl der "Westminsterschlag" des Big Ben sein) wird fast komplett in dem IC realisiert (der 32.768 kHz Quarz ist tatsächlich so weit vom IC entfernt). Mit dem Schalter wird das Schlagwerk abgeschaltet, den optionalen Lautstärkenpoti gibt es nicht. Vielleicht noch interessant: das Zahnrad links hat Schleifer für die Erkennung der 12 Stunden, das Zahnrad rechts für die volle Stunde. Sobald die erste volle Stunde per Schleifer erkannt wurde wird auch der Viertelstundenschlag erzeugt, dafür gibt es keinen Schleifer. Und wie schon geschrieben, der elektromagnetische Antrieb des Pendels hat nichts mit dem Quarzuhrwerk zu tun.

Es gibt auch ein Patent von 1959 zum elektromagnetischen Antrieb eines Pendels (US3100278, "Electromagnetic pendulum drive"), eventuell hat der Einreicher des Patents auch etwas mit Hermle zu tun, das Breisgau und der Firmensitz von Hermle sind ja nicht allzu weit voneinander entfernt.

Die grüne Leitung führt übrigens das Signal am Emitter von Q1 heraus, eventuell werde ich bei Gelegenheit noch schauen inwieweit sich dieses Signal für eine Messung verwenden lässt.