Viel gemeiner sind Luftdruckschwankungen: Das Pendel "schwimmt"
in der Luft, steigt der Luftdruck kriegt es mehr Auftrieb.
Gleichzeitig wird die Luft etwas zäher.
Nein!
Die Viskosität von Gasen ist vom Druck unabhängig. Erst im Bereich von Feinvakuum ändert sich das.
Aber die Viskosität ist stark temperaturabhängig, und zwar werden Gase -anders als Flüssigkeiten- mit zunehmender Temperatur zäher.
Ausserdem hängt die Viskosität von der Gasart (Molekulargewicht) ab. Die Zusammensetzung von Luft ändert sich aber ständig (Feuchtigkeit, CO2-Gehalt). Möglicherweise bewirken Luftschadstoffe auch noch Korrosion oder Verschmutzung des Mechanismus.
Das mit dem Auftrieb stimmt allerdings, und dieser Druck- und temperaturabhängige Fehler ist garnicht so klein. Man muss ihn schon bei genauen Wägungen mit der Apothekerwaage berücksichtigen.
Optimal ist es, wenn sich das aufhebt.Aber auch dafür gibt es
mechanische Lösungen (Quecksilber, Anerodiddosen ...)
Viel einfacher ist es das Uhrengehäuse zu evakuieren. Dann sind alle durch die Luft hervorgerufenen Fehler vom Tisch. Insbesondere entfällt dann die Luftreibung völlig, und somit steigt die Güte des Resonators und die Schärfe der Resonanz.
Eine Pendeluhr in einem
Kupfergehäuse mit Vakuum, die schwingungsmäßig vom Fundament isoliert im
Keller steht, möchte wohl niemand
Wenn die Uhr nur als Anschauungsmodell dienen soll, braucht auch niemand die Genauigkeit und Stabilität eines solchen Aufbaus.
Dann kann man die Uhr auch unter eine luftdicht verschlossene Glasglocke stellen, damit zumindest die Menge und Art des eingeschlossenen Gases konstant ist, und der Auftrieb sich nicht ändert.
Evtl kann man dann mittels eines leichten Unterdrucks den Auftrieb und damit den Gang regulieren und gleichzeitig die Glasglocke auf der Bodenplatte fixieren.
Eine vollständige Evakuierung sollte man aber wegen der Implosionsgefahr vermeiden.
...und ab und an bastelt die PTB noch eine Schaltsekunde hinein, weil
die Erde sich immer langsamer dreht...
... und das wird von Jahr zu Jahr häufiger, weil der Mond durch die Gezeiten immer weiter angehoben wird. Die Energie dafür wird von der Erdrotation abgezapft, so dass die Tage immer länger werden und die Jahreslänge, gerechnet in Erdtagen, immer weiter abnimmt.
Den PC auf genauere Uhrzeit zu trimmen, sollte doch möglich sein,
bleibt die Anbindung der Sensoren.
Die Uhrzeit des PC ist nicht monoton da Windows nicht echtzeitfähig ist. Von Linux gibt es Versionen die das mit gewissen Einschränkungen können. Ich habe meine Zeitmessungen daher mit ESP32 gemacht und die Messungen per Timer-Ticks mit einem GPS-1PPS-Signal verglichen, letzteres ist monoton wenn das GPS genug Satelliten hat.
Ein Kollege aus dem Uhrmacherforum hat z.B. eine Soundkarte
samt zugehöriger Software für (hier allerdings kurzzeitige)
Messungen missbraucht.
Kannst du das Ticken der Pendeluhr mit einem Mikrofon über einige Stunden aufnehmen?
Ich kann dir ein Matlab Skript schreiben, dass die Intervalle zwischen den Ticks mit einer einfachen PLL auswertet. Wie genau das wird, müsste man ausprobieren.
Die Temperatur und Luftdruck kannst du mit einem USB Logger parallel aufzeichenn (VOLTCRAFT DL-220 oder ähnlich). Eventuell kannst du nach einer Stunde das Fenster aufmachen, damit der Temperatureffekt deutlicher ist.
Für die Aufnahme kannst du Audacity verwenden: Das Icon Audioeinrichtung klicken, Mono auswählen und 16 Bit, 16000 Hz. Das ergibt für 24 Stunden 2.8 GByte.
Kannst du das Ticken der Pendeluhr mit einem Mikrofon … aufnehmen?
Hatte ich schon mal nach gefragt.
Wäre eine schöne kleine Aufgabe für einen 4€ Controller.
Hüllkurve und FFT, da sollte was gehen.
Temp. und Baro. macht er dann noch nebenher.
Das Ziel soll sein,
nach 100 Tagen eine Abweichung zur Referenzuhr? von 1-10 Sekunden
zu bestimmen.
Aus dem Mittel was rauszufinden dürfte schwierig sein.
Das wird ein Mischmasch aus schwankenden Temperaturen und Drücken und im Mittel sinds sowas wie 21°C+-0.2°C und 965mbar+-5mbar auf 300m.
Für sinnvolle Ergebnisse würde ich da eher kucken, die Ganggenauigkeit nach spätestens 1 Tag auswerten zu können. Wäre auch für die Entwicklung sinnvoller. Nach jedem der mindestens 10 (eher 50-100) Tests 100 Tage warten, um zu sehen, dass was falsch ist oder das Konzept doch nichts taugt ist kaum praktikabel.
Und dann will man ja auch noch die Modifikation testen. Also wieder 100 Tage warten ...
Evtl. nen Klimaschrank aus nem Kühlschrank basteln, um zumindest die Temperatur kontrolliert zu testen. Das ganze im Keller aufgestellt.
Die Referenz muss dann natürlich deutlich besser als 10ms/Tag und auch deutlich besser als +-10ms Jitter sein. Keine Ahnung, ob das über günstige GPS-Empfänger machbar ist. Lokal brauchts vermutlich trotzdem einen TCXO besser als 100ppb.
Korrekturen durch GPS o.Ä. lassen sich zwar statistisch grob rausrechnen, aber das wird dann auch schnell anspruchsvoll.
Für den Druck ggf. nen sehr gut regelbaren Hochdrucklüfter und den Klimaschrank abdichten. PC-Lüfter dürften zu wenig statischen Druck haben.
Aber fertig wirds das halt kaum geben. Und dann wirds ohne MC-Kenntnisse ziemlich dünn.
Wenn man die Abweichung auf 1 ms genau messen kann, dann reichen 10.000 Sekunden (= 2 3/4 h), um in den Bereich von 2 ppm zu kommen. Das ganze 3-4x und nach einem halben Tag hat man brauchbare Werte.
Das geht nur, wenn man alles auf dem Tisch hat. Für jede kleine Änderung auf Verdacht (undurchführbare) Ratschläge zu geben oder den Postweg zu bemühen, ist sehr aufwendig.
Die Sensoren und eine kleine RP2040-Platine samt GPS-Empfänger zusammenzuschalten, ist recht überschaubar. Der zeitliche Aufwand hingegen, alles zusammen für einen elektronischen Laien handhabbar zu machen, ist m.E. schlecht einzuschätzen. Wer hat denn Langeweile? ;-)
Somit bleibt hier wohl alles im Konjunktiv.
Die Referenz muss dann natürlich deutlich besser als 10ms/Tag und auch
deutlich besser als +-10ms Jitter sein. Keine Ahnung, ob das über
günstige GPS-Empfänger machbar ist. Lokal brauchts vermutlich trotzdem
einen TCXO besser als 100ppb.
ich habe mit einem NEO 7M als Zeitbasis einen 8stelligen Frequenzzähler gebaut. Das pps-Signal wird direkt als Torzeit verwendet. Der Messwert eines 10Mhz OCXO schwankt damit um max.1digit. Der Jitter des GPS-Empfängers liegt also deutlich unter 100ns.
An anderer Stelle hier hat jemand +-30ns gemessen.
Das ganze soll ebenfalls eine Messeinrichtung für eine Uhr werden, allerdings nur mit einer Anzeige, ohne Aufzeichnung.
Für sinnvolle Ergebnisse würde ich da eher kucken, die Ganggenauigkeit
nach spätestens 1 Tag auswerten zu können.
Das ist gemeinhin der Sinn einer Zeitserie. Sonst würde es reichen, am ersten und am 100. Tag den Stand der Uhr zu bestimmen und man könnte sich den Datenlogger sparen.
Die Referenz muss dann natürlich deutlich besser als 10ms/Tag und auch
deutlich besser als +-10ms Jitter sein.
Eine zeitgemäße Referenz ist ohne Probleme etwa einen Faktor 10^5 besser (GNSS 1PPS).
Man könnte (Konjunktiv?) es doch wenigstens versuchen. Aufgeben kann man immer noch ;) Meine Vorstellungen von dem Teil sind ziemlich konkret. Natürlich kann man alles und jedes Detail anders machen, aber wenn's auch so funktioniert...
Besonders interessant ist wohl die Lichtschranke. Ich würde es mit einer Reflexlichtschranke versuchen. Im Datenblatt vom TCND5000 wird Karton, also Papier, als Reflektor verwendet. Man könnte eine Rändelmutter statt der Sechskantmutter auf die Pendelstange schrauben und da einen Klebepunkt mit 12mm Durchmesser aufkleben.
Die Platine ist z.Zt. 50x50mm groß, etwas weniger geht wohl noch. Die Lichtschranke sitzt in der Mitte und hohe Bauteile gibt es nur am Rand. Die Platine muss wohl fest am Fuß angeschraubt werden (z.Zt. nur 2xM3). Damit kann der Erdbebensensor hoffentlich etwas sinnvolles messen.
Alle Chips auf der Platine liefern auch Temperaturdaten, teils mit perverser Auflösung. Da der absolute Fehler nicht kritisch ist, hat man zumindest einen Wert unterhalb des Pendels. Zusätzlich gibt es 3 Eingänge für 10kΩ-NTCs; die liefern ca. 0.2K Auflösung. Reichelt hat diverse Ausführungen, z.B. mit Ringöse zum Anschrauben am Rahmen.
Feine Litzen zum Anschluss könnten zwischen Sockel und Glas-
haube eingeklemmt werden.
Wie fein ist fein? Flachkabel ist 0.65mm dick und knapp 8mm breit. Das gibt es fertig konfektioniert oder zum Selbstbau bis 3 Meter. Vor allem gibt es passende und solide Stecker. FFC/FPC ist halb so dick, aber ich finde nur sehr wenig lieferbares, was zusammen passt. Und RM0.5 muss es doch wirklich nicht sein. Einzelne Kupferlackdrähte gibt es theoretisch mit 0.05mm... Wie kommen eigentlich die Kabel zum Aufzugsmotor?
Wenn man die Abweichung auf 1 ms genau messen kann, dann reichen 10.000
Sekunden (= 2 3/4 h), um in den Bereich von 2 ppm zu kommen. Das ganze
3-4x und nach einem halben Tag hat man brauchbare Werte.
Ist das evtl. zu kurz?
Die Zentripetalkraft der Sonne könnte so +-0.06% Schwankung an der Gewichtskraft im Tagesverlauf verursachen (bei Tag-Nachtgleiche am Äquator und ohne Bahnneigung).
Oder deformiert sich die Erde da auch und gleicht das damit aus?
Das Pendel müsste dann nachts etwas langsamer laufen als tagsüber. In unseren Breiten vielleicht ein Schwankung von +-0.5Sek/Stunde zwischen Mitternacht und Mittag.
Dass die Lage der Uhr eine Rolle spielt, ist bekannt. Ist hier irrelevant, da eine Pendeluhr meist immer gleich steht und an der gleichen Stelle.
Ich schrieb ja oben, dass man die Messung (je 2 3/4 h) wiederholen sollte, da sollte das dann auffallen, falls reproduzierbar. Da haben wir aber wieder Änderungen des Luftdruckes und ggf. auch der Temperatur.
Sind grob 0.06% der Erdbeschleunigung und wirken verstärkend oder abschwächend dazu.
Das wären dann mit der Wurzel in der Pendelgleichung und Linearisiert +-0.03% Gangfehler je nach Tageszeit.
Wenn man die Abweichung auf 1 ms genau messen kann, dann reichen 10.000
Sekunden (= 2 3/4 h), um in den Bereich von 2 ppm zu kommen.
Das Problem ist nicht die Abweichung so genau zu messen, sondern der
Jitter bei der Erfassung des Pendeldurchgangs.
Bei einer (1) Messung nach 20.000 Pendeldurchgängen spielt der Jitter
keine Rolle mehr.
Nach 3h eher nicht mehr das Problem. Interessant wären aber vmtl. noch deutlich schnellere Messungen. So sie denn auf Grund der Physik Sinn machen (die eventuelle Tageszeitabhängigkeit und nach Temperaturänderungen dauerts ja auch erst mal, bis alle Teile durchgewärmt sind).
Könnte da nicht was in der Art wie 2 schwache Laser rechts und links vom Pendel in der untersten Position gehen?
Sauber ausgerichtet, so dass im Stillstand beide Strahlen zu 25+-5% durchgelassen werden.
Das ganze auf 2 schnelle Photodioden und nen Komparator. Photodioden mit eher großer Öffnung oder ne Linse davor.
Der Komparator dann noch mit ner langsamen Offsetkorrektur, so dass im stationären Zustand wirklich 50%+-0.1% Tastverhältnis rauskommen.
Darf das Pendel dann natürlich nur um ca. +-90% des Durchmessers schwingen.
Man kann dann ja zusätzlich noch nur auf eine der beiden Flanken gehen und die Daten über nen längeren Zeitraum aufzeichnen.
Oder eher analog: Ne eng fokusierte LED hinter dem Pendel jede Sekunde aus dem PPS-Signal vom GPS für 20µs Blitzen lassen. Braucht dann natürlich ne Offset-Einstellung, damit die auch bei der richtigen Pendelstellung blitzt. Dafür sollte aber auch ein normaler Quarz reichen.
Der Quarz ist aber eigentlich immer im Subsekundenbereich zwischen den GPS-Signalen relevant.
Sollte dann mit jedem Handy (im dunklen Zimmer) gut erkennbar sein und im Bereich von 5ms auflösen.
Wäre halt ohne Log. Dafür eher schnell. Wenn die Uhr nicht grob ungenau geht wärs aber zumindest keine Frage, ob der beobachtete Offset über Nacht um eine Pendelschwingung übergelaufen ist.
Bei einer (1) Messung nach 20.000 Pendeldurchgängen spielt der Jitter
keine Rolle mehr.
Alle 5h ist nun wirklich eine erbärmliche Auflösung, die wahrschwinlich deutlich geringer ist, als alle Systemzeitkonstanten. Die Zeitkonstante für die Änderung der Pendellänge als Reaktion auf Temperaturänderungen wird z.B. eher im Minutenbereich liegen (zumindest wenn die Vitrine offen ist).
Das ganze auf 2 schnelle Photodioden und nen Komparator. Photodioden mit
eher großer Öffnung oder ne Linse davor.
Was bezeichnest du als "schnelle Photodiode"?
Hast du einmal die Geschwindigkeit eines Sekundenpendels im 0-Durchgang ausgerechnet. Da brauchst du keine 1µs-Photodiode.
Indem man das Pendel sauber auf die Photodiode abbildet, bekommt man zumindest eine scharfe Kante auf dem Detektor, die unabhängig von der Strahldicke ist.
Ja. In unseren Breiten dann eher nur 200ppm oder max. +-0,7Sekunden pro Stunde.
Da müsste so ne Mittags gestellte Pendeluhr dann gegen 18 Uhr um 2.5 Sekunden vor gehen, Mitternacht wieder stimmen, um 6 Uhr 2.5 Sekunden nach gehen und Mittags wieder stimmen.
Indem man das Pendel sauber auf die Photodiode abbildet, bekommt man
zumindest eine scharfe Kante auf dem Detektor, die unabhängig von der
Strahldicke ist.
Dann hängts halt exakt am Aufbau. Und die Kennlinie/Temperatur beeinflusst den Schaltzeitpunkt.
Drum dachte ich eher an was differenzielles mit 2 Sensoren.
Ja. In unseren Breiten dann eher nur 200ppm oder max. +-0,7Sekunden pro
Stunde.
Da müsste so ne Mittags gestellte Pendeluhr dann gegen 18 Uhr um 2.5
Sekunden vor gehen, Mitternacht wieder stimmen, um 6 Uhr 2.5 Sekunden
nach gehen und Mittags wieder stimmen.
Wie gesagt noch nie von so nem Effekt gehört.
Das müsste in Uhrenkreisen ja bekannt sein. Bernd F. (metallfunk) weiss vielleicht mehr.
Die Zentripetalkraft der Sonne könnte so +-0.06% Schwankung an der
Gewichtskraft im Tagesverlauf verursachen (bei Tag-Nachtgleiche am
Äquator und ohne Bahnneigung).
Oder deformiert sich die Erde da auch und gleicht das damit aus?
Das Pendel müsste dann nachts etwas langsamer laufen als tagsüber. In
unseren Breiten vielleicht ein Schwankung von +-0.5Sek/Stunde zwischen
Mitternacht und Mittag.
Glaubs aber irgendwie selber nicht.
hier ist von anderen Zahlen dir Rede:
Steht der Mond senkrecht über einem 100 Kilogramm schweren Menschen, wird dieser – im Moment der Mondpassage – ganz sachte angehoben und dadurch um 0.01 Gramm leichter!
Die Gravitation der Sonne erleichtert ihn zur Mittagszeit noch einmal um weitere 0.005 Gramm.
(Quelle:https://www.thomasjermann.ch/meeresblog/auswirkungen-des-vollmondes/)
wie der zu den Zahlen kommt, steht da allerdings nicht. Selbst ausgerechnet hat er es vermutlich nicht.
Jetzt. So 0.25m/s. Da sollte die Geschwindigkeit eher kein Thema sein.
Die Geschwindigkeit hängt auch noch von der Pendelamplitude ab, aber nehmen wir die 0.25 m/s.
Um da den Pendeldurchgang auf 1 µs genau zu bestimmen, müsste die Position des Pendels auf 250 nm genau detektiert werden, also im Bereich der Wellenlänge von recht hartem UV-Licht. Im Vergleich zu LIGO ist das ein Witz, aber mit Hausmitteln wird das schwierig. So viel zum Thema "schnelle Photodiode".
Das Problem ist, die Strahlunterbrechung so scharfkantig hin zu bekommen, dass man nicht auf mit einer vergleichweise flachen Flanke über den Schwellwert des Empfängers rutscht.
Dann hängts halt exakt am Aufbau. Und die Kennlinie/Temperatur
beeinflusst den Schaltzeitpunkt.
Nochmal: Wenn man den Abstand aufeinanderfolgender Pendeldurchgänge misst, ändert sich die Temperatur dazwischen praktisch nicht. Der Schaltpunkt verschiebt sich dazwischen nicht. Eher dürfte das Rauschen für Jitter bei der Detektion sorgen - auch bei einer differentiellen Messmethode.
Der Meeresblog sollte da eher hinkommen.
Ich hatte die Gravitation der Sonne als nicht relevant angenommen. Die hat aber grob den umgekehrten Effekt. In Summe ist die Schwankung nur noch minimal.
Das Problem ist, die Strahlunterbrechung so scharfkantig hin zu
bekommen, dass man nicht auf mit einer vergleichweise flachen Flanke
über den Schwellwert des Empfängers rutscht.
Ich hatte die Gravitation der Sonne als nicht relevant angenommen.
Der Gravitationseinfluss der Sonne ist etwa halb so groß, wie der des Mondes. "Nicht relevant" beschreibt das nur bedingt zutreffend. ;-)
Was meinst du wohl, wieso es auf der Erde Spring- und Nipptiden gibt?
Um da den Pendeldurchgang auf 1 µs genau zu bestimmen, müsste die
Position des Pendels auf 250 nm genau detektiert werden, also im Bereich
der Wellenlänge von recht hartem UV-Licht. Im Vergleich zu LIGO ist das
ein Witz, aber mit Hausmitteln wird das schwierig.
Andersrum gerechnet: die haushaltsübliche Gabellichtschranke hat eine 0.5mm Blende. Der Fotostrom hat daher eine Anstiegszeit von 2ms für 0 bis 1mA. An 1kΩ macht ein 10mV-Fehler der Schaltschwelle also 20µs oder 5µm aus. Die Anstiegszeit des Fototransistors selbst ist ziemlich genauso groß. Ein normaler Komparator gibt auch nicht mehr her. Und dann die Wellenlänge der IR-LED... Irgendwie passt das alles gut zusammen, mehr kann ich als Bastler wohl nicht verlangen.
Man könnte eine Rändelmutter statt
der Sechskantmutter auf die Pendelstange schrauben und da einen
Klebepunkt mit 12mm Durchmesser aufkleben.
Jegliche Veränderungen an der Mechanik wären für mich tabu! Ebenso ein Tabu, die Drehung um die Sonne während der Messung anzuhalten, um katastrophale Fehlmessungen zu verhindern :-(
Man könnte (Konjunktiv?) es doch wenigstens versuchen. Aufgeben kann man
immer noch ;) Meine Vorstellungen von dem Teil sind ziemlich konkret.
Dann beginne Deine Versuche mit der Lichtschranke und berichte.
Bei Deinem Schaltplan vermisse ich den Eingang für die Referenzfrequenz. Ich hoffe, Du hast den Schaltplan doch noch abgespeichert ;-)
Man könnte eine Rändelmutter statt der Sechskantmutter...
Jegliche Veränderungen an der Mechanik wären für mich tabu!
OK, ihr habt mich überzeugt, die Reflexlichtschranke taugt nicht. Die war auch nur wegen der schnellen Fotodiode drin. Eine normale Gabellichtschranke ist gerade richtig. Allerdings passt die Pendelstange nicht durch den 3mm-Spalt, 5mm finde ich auch sehr knapp und mit 8mm Spalt und 0.5mm Blende ist nur genau eine lieferbar (EE-SX1070). Insofern wäre eine winzige Veränderung am Pendel sehr vorteilhaft, also eine schmale Verlängerung ohne Außengewinde als "Unterbrecher".
Bei Deinem Schaltplan vermisse ich den Eingang für die Referenzfrequenz.
Das ist erstmal nur eine kleine Sensorplatine. Man möchte nicht so viel Elektronik innerhalb der Haube unterbringen (und wenig Kabel nach draußen).
Andersrum gerechnet: die haushaltsübliche Gabellichtschranke hat eine
0.5mm Blende.
Das bekommt man durch Abbildung der Pendelkante auf den Empfänger sicher besser hin.
... ein 10mV-Fehler der Schaltschwelle ...
Der Fehler ist schnell zusammen, falls man den Empfänger nicht extrem gut gegen Raumlicht abgeschirmt bekommt. Es reicht, wenn jemand das Licht einschaltet und damit den Lichtuntergrund gegenüber der Schwelle verschiebt, egal wie stabil die Schwelle ist. Man könnte das Umgebungslicht mit messen und nur Messungen auswerten, zwischen denen sich der Pegel nicht nennenswert ändert.
Um mit der Auflösung der Ganggenauigkeit in den Bereich 1 s/a zu kommen, muss man einen Zeitfehler von etwa 30ns/s sicher messen können. Bei 20µs Messfehler bräuchte man also ein Messintervall in der Gegend von mindestens 1000s, falls ich mich da nicht irgendwo verrechnet habe.
Das Problem ist, die Strahlunterbrechung so scharfkantig hin zu
bekommen, dass man nicht auf mit einer vergleichweise flachen Flanke
über den Schwellwert des Empfängers rutscht.
Dafür gibt es Schmitt-Trigger.
Ein Schmitt-Trigger mag das Signal für die nachfolgende Zeitmessung mundgerecht machen.
Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass der Zeitfehler durch einen bestimmten Amplitudenfehler um so größer wird, je flacher die Flanke des Signals des elektrischen Signals ist, das vom Empfänger kommt.
Ich hatte die Gravitation der Sonne als nicht relevant angenommen.
Der Gravitationseinfluss der Sonne ist etwa halb so groß, wie der des
Mondes. "Nicht relevant" beschreibt das nur bedingt zutreffend. ;-)
Was meinst du wohl, wieso es auf der Erde Spring- und Nipptiden gibt?
Ja. War ein Denkfehler.
Nur mit der Gravitation der Sonne komme ich auch auf die "0.005g bei 100kg" aus dem Meeresblog. Mit der sich ändernden Fliehkraft sinds noch "0.0026g". Ausgehend vom Mittelwert dann "+-0.0013g" oder +-13ppb.
Für die Periodendauer des Pendel wärens dann +-6.5ppb. Bzw. für den "doppelt so starken" Mond +-13ppb.
Jedenfalls grob Faktor 10 weniger als die 1 Sekunde in 100 Tagen und damit nicht mehr relevant.
Um mit der Auflösung der Ganggenauigkeit in den Bereich 1 s/a zu kommen,
muss man einen Zeitfehler von etwa 30ns/s sicher messen können. Bei 20µs
Messfehler bräuchte man also ein Messintervall in der Gegend von
mindestens 1000s, falls ich mich da nicht irgendwo verrechnet habe.
Kommt hin. Allerdings war das Ziel ja 1s in 100 Tagen. Dann wär das Messinterval nur mindestens 300s.
Schneller muss es meines Erachtens auch nicht gehen.
Zum einen werden die Abweichungen anfangs eher größer sein und damit auch Abweichungen früher sichtbar werden. Für finale Tests, wenn die Methodik erst mal passt, dürften auch längere Messintervalle nicht mehr kritisch sein.
Zum anderen ändern sich weder Temperatur noch Luftdruck so schnell. Und die Uhr muss auch annähernd durchgewärmt sein. Wenn ich eh nen Tag oder ne Woche auf Tief-/Hochdruck warten muss ists egal, ob ne Messung dann 10 Sekunden oder ne Stunde dauert.
Und falls Temperatur / Druck simuliert werden können, dann kann man ja auch die Amplitude z.B. 3x höher machen als in der Natur realistisch. Dann sieht man auch schneller was.
Im Moment ist die Uhr zerlegt, alle Messingteile werden (home)
vernickelt.
Morgen wird das endgültig zusammengebaut.
Zum Pendel: Unterhalb der Pendellinse ist ein M3 Gewindestab,
an dem Reguliermutter und Feinreguliermutter sitzen.
Dieses Teil werde ich nochmal bauen, um mehr Gewinde für
die Feinreguliermutter zu erhalten.
Bei der Aktion könnte ich das Ende des Gewindestabes noch
weiter Verlängern und Vierkantik (2 x 2 mm) ausführen.
Das wäre dann der Teil, der durch die Gabellichtschranke durch-
läuft.
Das Pendel schwingt mit max. 2 Grad Auslenkung. Die Geschwindigkeit
eines Durchgangs durch die Lichtschranke ist eher moderat.
Das Pendel schwingt mit max. 2 Grad Auslenkung. Die Geschwindigkeit
eines Durchgangs durch die Lichtschranke ist eher moderat.
2° bei 25 cm sind knapp 9 mm, dafür braucht das Pendel 0.5 sec, da müsste man sich das Signal der Lichtschranke ansehen, das dürfte eine ziemlich flache Flanke werden
2° bei 25 cm sind knapp 9 mm, dafür braucht das Pendel 0.5 sec, da
müsste man sich das Signal der Lichtschranke ansehen, das dürfte eine
ziemlich flache Flanke werden
Dieses Teil werde ich nochmal bauen, um mehr Gewinde für
die Feinreguliermutter zu erhalten.
Bei der Aktion könnte ich das Ende des Gewindestabes noch
weiter Verlängern und Vierkantik (2 x 2 mm) ausführen.
Das wäre dann der Teil, der durch die Gabellichtschranke durch-
läuft.
Passt ein 2 x 2 mm Vierkant durch eine Lichtschranke mit 3 mm Spalt? Ich finde nämlich nur eine einzige Lichtschranke mit 3 mm breitem Spalt (TCST1202). Die breiteren haben anscheinend alle kein Tageslichtfilter, Omron und Lite-On erwähnen das mit keiner Silbe.
Der Fehler ist schnell zusammen, falls man den Empfänger nicht extrem
gut gegen Raumlicht abgeschirmt bekommt. Es reicht, wenn jemand das
Licht einschaltet und damit den Lichtuntergrund gegenüber der Schwelle
verschiebt, egal wie stabil die Schwelle ist. Man könnte das
Umgebungslicht mit messen und nur Messungen auswerten, zwischen denen
sich der Pegel nicht nennenswert ändert.
Man kann die Schaltschwelle und den LED-Strom mit ca. 10 Bit einstellen. Aber die Diode sieht nur reflektiertes Fremdlicht, z.B. von der Wand hinter der Uhr oder dem Gewicht. Das sieht ganz unterschiedlich aus, je nachdem, wo sich das Pendel gerade befindet. Und messen kann ich nur, wenn das Pendel weit genug weg ist. Ein zweiter Sensor sitzt sich woanders und hat eine andere Empfindlichkeit. Naja, man kann immer noch 100 Tage lang die Sekunden zählen ;)
Diesen letzten Zipfel des Pendel könnte ich auch 1 mm dick machen,
dann passt das.
Zur Lichtschranke: Wenn sie exakt mittig sitzt, gäbe es 4 Aus-
lösungen/Sekunde.
Etwas seitlich versetzt, gäbe es
x...x......x......x...x...x.......x......x...
/......1 Sekunde....../
Es wäre also möglich, die Durchgangsrichtung eindeutig zu bestimmen.
ich würde keine Lichtschranke nehmen, sondern einen Spiegel am Pendel anbringen, wie bei einem Spiegelgalvanometer. Den Spiegel mit einem Laser anstrahlen und den Leuchtpunkt in größerer Entfernung detektieren. Die Geschwindigkeit des Leuchtpunktes ist wesentlich größer als die des Pendels Das würde sogar von außen durch die Glasglocke funktionieren.
Eine fertige Alternative zur Lichtschranke ist ein Fahrradcomputer mit Satistikauswertung am PC. Der Magnetsensor dürfte weniger empfindlich auf Störungen sein, wie eine Lichtschranke (Tageslichtschwankungen!). Zumindest wenn in der Nähe keine Starkstromleitungen vorbeigehen, aber 50 Hz Störungen lassen sich leicht durch eine PLL rausmitteln. Wenn der Quarz zu temperaturempfindlich ist, kann man ihn mit einem temperaturkompensierten Referenzoszillator ersetzen.
Die Auswertung direkt am Pendel ist ungenau. Da braucht man eine PLL, die man mit dem Triggersignal mitlaufen lässt. Den Schleifenfilter der PLL setzt man auf ein paar Minuten. Damit ist man noch deutlich unter der Temperaturzeitkonstante für das Pendel. Oder mann misst gleich am Minutenzeiger, mit einer 60x besseren Genauigkeit. Schliesslich wird die Zeit auch nicht am Pendel abgelesen.
Ein zweiter Sensor sitzt sich woanders und hat eine andere Empfindlichkeit.
Warum willst du einen zweiten Sensor nehmen. Die Lichtschranke hat doch einen. Den müsste man nur zusätzlich analog auswerten, um vergleichbare Lichtverhältnisse zu haben, z.B. unmittelbar nachdem das Pendel durchgegangen ist.
IR LED LD274, IR Phototransistor TEFT4300, dann spielt das Tageslicht
keine Rolle mehr
Ja, elektrisch und optisch ist der TEFT sehr nett. Aber was ist mit der Blende, wie baust du einen 0.5 mm Schlitz? Wenn das mit dem 1 mm Vierkant doch zu eng wird, schneide ich lieber einen TCST2300 in der Mitte durch. Die beiden Hälften wären dank Flansch immer noch an 3 Punkten befestigt. Der hat übrigens eine 0.25 mm Blende, passend zur Miniaturisierung der Pendelbewegung.
Ein zweiter Sensor sitzt sich woanders und hat eine andere Empfindlichkeit.
Warum willst du einen zweiten Sensor nehmen.
Will ich nicht; das sind 2 Gründe, warum ein zweiter nutzlos ist.
Die Lichtschranke hat doch einen. Den müsste man nur zusätzlich
analog auswerten, um vergleichbare Lichtverhältnisse zu haben,
z.B. unmittelbar nachdem das Pendel durchgegangen ist.
Ganz genau so, die Hardware dafür gibt es geschenkt.
ich würde keine Lichtschranke nehmen, sondern einen Spiegel am
Pendel anbringen
Jede Änderung am Pendel ändert das Zeitverhalten und ist nicht erwünscht
Der Reguliermutter könnt man doch nen sauber zylindrischen „Hals“ verpassen. So 4mm hoch.
Das ganze vernickelt und poliert.
Dazu ein ordentlicher „Laserpointer“ mit zusätzlicher Blende in Stecknadelgröße. Besser wäre aber ne Schlitzblende.
Mit nem recht neuen Teelöffel sahs ganz gut aus. Die silbrige Spitze von nem Plastikkugelschreiber dagegen war Müll weil zu uneben.
Die Mutter könnte man denke ich auch später austauschen. Dann halt nochmal einstellen. Aber auf Temperatur- und Druckkompensation sollte die keinen Einfluss haben.
Genau - seit 19 Jahren bist du dabei und hast immer noch nicht verstanden, wie die Sache mit Zitaten und Links auf andere Beiträge in diesem Forum funktioniert ...
Feine Litzen zum Anschluss könnten zwischen Sockel und Glas-
haube eingeklemmt werden.
das wird ein 0.125 mm dickes FFC-Kabel, RM1.0 und 10 Adern, also 11 mm breit. Inzwischen gibt es immerhin Bestellnummern und ein fast richtiges Muster. Das fühlt sich sehr flexibel und erstaunlich robust an. Trotzdem würde ich es direkt außerhalb der Haube mit einem normalen Kabel verlängern.
Das Kabel verbindet die Sensor-Platine ("pensor") unter dem Pendel mit der eigentlichen Logger-Platine ("penhub" -- da fehlt noch ein vernünftiger Name). Auf der sitzt auch ein SAM-M10Q, deshalb muss das Kabel evt. ein paar Meter lang werden. Kernstück sind ca. sechs 32-Bit Capture Register, die die Sekundenmarken vom Pendel, GPS, drei RTCs und (mehr oder weniger) NTP erfassen. Die Daten werden zusammen mit Luftdruck, bis zu 5 Temperaturen und Erschütterungen in 190 MByte NOR-Flash gespeichert.
Ein RPi-3B exportiert diese Daten ins Netzwerk, mindestens als CSV-Datei per HTTP. Aber da läuft ein Debian, also sollte deutlich mehr machbar sein. Der RPi kann ohne USV mit einer SD-Karte laufen, weil da nichts gespeichert wird (ro root). Wenn die 190 MByte Flash nicht reichen, muss man auf einen normalen PC kopieren. Was man ja sowieso macht, zwecks Backup ;)
Der uC auf dem penhub wird von einem VCTCXO mit 10MHz getaktet, das ist mehr als schnell genug (laut diverser Beiträge in diesem Thread). Außerdem gibt es eine 9V Lithium Batterie als USV. Versorgt wird alles zusammen aus einem 5.1V Netzteil, natürlich ein original Raspberry.
Zur pensor Platine fällt mir nichts weiter ein, die könnte ich fast bestellen. Die andere Schaltung ist auf dem Stand "noch 7 Signale und nur noch 7 freie Pins" ;)
Edit: noch können Änderungswünsche eingebaut werden...
Zur pensor Platine fällt mir nichts weiter ein, die könnte ich fast
bestellen. Die andere Schaltung ist auf dem Stand "noch 7 Signale und
nur noch 7 freie Pins" ;)
Edit: noch können Änderungswünsche eingebaut werden...
Aber, wie haben die das überprüft? Ich habe mal was über spezielle
astronomische Instrumente zum Sterndurchgang gelesen.
(Aber woher will ich wissen, dass das stimmt?).
Das ist eine Frage des Zeitnormals. Wie lang eine Sekunde ist, war bis 1960 offiziell durch die astronmisch meßbare Länge des sogenannten tropischen Jahrs ("Sonnenjahr") bestimmt. Da diese Länge etwas schwankt, hat man die Länge des Sonnenjahrs 1900 gewählt. Damit war die astronomische Messung im Rahmen der damaligen Verfahrenspräzision per definitionem genau.
https://de.wikipedia.org/wiki/Tropisches_Jahr
Man konnte damit bei den mechanischen Uhren deren Schwankungen/Abweichungen im Vergleich zur nicht exakt bekannten Erddrehung messen. Mehr nicht.
Aber, wie haben die das überprüft? Ich habe mal was über spezielle
astronomische Instrumente zum Sterndurchgang gelesen.
(Aber woher will ich wissen, dass das stimmt?).
Das ist eine Frage des Zeitnormals. Wie lang eine Sekunde ist, war bis 1960 offiziell durch die astronomisch meßbare Länge des sogenannten tropischen Jahrs ("Sonnenjahr") bestimmt. Da diese Länge etwas schwankt, hat man die Länge des Sonnenjahrs 1900 gewählt. Damit war die astronomische Messung im Rahmen der damaligen Verfahrenspräzision per definitionem genau.
https://de.wikipedia.org/wiki/Tropisches_Jahr
Man konnte damit in der alten Zeit bei den mechanischen Uhren deren Schwankungen/Abweichungen im Vergleich zur nicht exakt bekannten Erddrehung messen. Mehr nicht.
Ich habe mal was über spezielle
astronomische Instrumente zum Sterndurchgang gelesen.
Der mittlere Abstand zwischen zwei Sterndurchgängen, wenn man einmal von unserem eigenen absieht, beträgt 23h 56m 4,0989s und schwankt natürlich etwas mit der Dicke der Gletscher in den Gebirgen und dem Laub auf den Bäumen. Übersichtlicher wird ein Uhrabgleich dadurch nicht.
Messing vernickelt, Pendelstange länger ausgeführt, um
mehr Weg für die Feinreguliermutter und Platz für die Gabellicht-
schranke zu erhalten. Glashaube UV verklebt.
Ziffernringe in Neusilber und vernünftige Zeiger kommen noch.
Genaue Ortsmessungen mit "Lichtschranken" gehen relativ einfach.
Eine statische, helle Lichtquelle, z.B. einen Laser, ein Stück Rasierklinge am unteren Ende des Pendels, eine Kombination aus konvexer Linse, Lochblende und Photodiode in einem lichtdichten Röhrchen verpackt und ein simpler Transimpedanzverstärker mit Komparator sind völlig ausreichend.
Die konvexe Linse bildet die Ebene, in der die Rasierklinge schwingt, auf die Lochblende ab. Nach der Linsengleichung kann man hier sinnvoll rund 10x Vergrößerung z.b. mit einer Linse mit 50mm Fokuslänge erreichen. Lochblenden gibt es runter bis 1um Durchmesser frei erwerblich. Das gibt also eine theoretische Auflösung von 100nm an der Rasierklinge.
Allerdings müsste es dafür dann wohl schon etwas mehr als eine einfache Linse sein. Einfache, im endlichen abbildende 10x Mikroskopobjektive gibt's aber z.B. auch gebraucht spottbillig. Nimmt man dazu dann eher eine 10um Lochblende, hat man 1um theoretische Auflösung, das sollte langen.
Den Fokus finden ist hierbei auch sehr einfach, so lange verschieben bis die Flanke am steilsten ist. :)
Ich verstehe (Als Nichtelektroniker) nicht das Problem mit
der Lichtschrankenauswertung.
1: Könnte man das Hemmrad auswerten, mit exakten Sekundensprüngen.
2: Beim Pendel alle Halbsekunde messen.
3: 2 Lichtschranken nebeneinander einbauen zur Richtungserkennung.
Es geht ja bei dem Datenlogger nicht darum, in Sekundenbruchteilen
einen Messwert zu erhalten, sondern um eine Langzeitbeobachtung
über Wochen, Monate und Jahre.
Es geht ja bei dem Datenlogger nicht darum, in Sekundenbruchteilen
einen Messwert zu erhalten, sondern um eine Langzeitbeobachtung
über Wochen, Monate und Jahre.
eine Langzeitmessung sagt wenig aus, wenn du den Einfluss von Umweltparametern ermitteln möchtest. Deine Messrate sollte so schnell ein, wie sich die Parameter ändern. Und wenn du in diesem Intervall eine Aussage über den Gang der Uhr machen möchtest, musst du entsprechend genau messen.
Das Problem ist das langsame Pendel und dementsprechend die verhältnismäßig langsame Intensitätsänderung. Irgendwo zwischen Lichtschranke ist komplett offen und Lichtschranke ist komplett dicht musst du einen Grenzwert für die Helligkeit definieren. Wird dieser unterschritten, wird digital z.B. über einen Komparator weiter gemeldet, dass das Pendel gerade in der Lichtschranke ist. In Kombination mit Rauschen und unterschiedlich hellem Umgebungslicht kann sich dieser Umschaltpunkt signifikant verschieben. Mit einer einfachen Lichtschranke kannst du die gewünschten paar ppm also schon direkt auf der Ebene Helligkeit über Zeit vergessen - völlig unabhängig von dem danach, wo auch noch genug schief gehen kann.
Das Problem ist das langsame Pendel und dementsprechend die
verhältnismäßig langsame Intensitätsänderung. Irgendwo zwischen
Lichtschranke ist komplett offen und Lichtschranke ist komplett dicht
musst du einen Grenzwert für die Helligkeit definieren. Wird dieser
unterschritten, wird digital z.B. über einen Komparator weiter gemeldet,
dass das Pendel gerade in der Lichtschranke ist. In Kombination mit
Rauschen und unterschiedlich hellem Umgebungslicht kann sich dieser
Umschaltpunkt signifikant verschieben. Mit einer einfachen Lichtschranke
kannst du die gewünschten paar ppm also schon direkt auf der Ebene
Helligkeit über Zeit vergessen - völlig unabhängig von dem danach, wo
auch noch genug schief gehen kann.
Soweit verstanden.
Aber: Nach 30 Tagen wäre der Unterschied zwischen Hell-Dunkel
im Tausendstel Sekundenbereich.
Diese Grenze (Hell-Dunkel) ließe sich konstruktiv über scharfe
Kante und mattschwarze Oberfläche bestimmt besser definieren.
Ich erkenne das Problem immer noch nicht.
Unsere Vorfahren waren da schon weiter:
Hier ein Auszug aus; " Riefler, Präzisions-Pendeluhren 1890-1965"
eine Langzeitmessung sagt wenig aus, wenn du den Einfluss von
Umweltparametern ermitteln möchtest. Deine Messrate sollte so schnell
ein, wie sich die Parameter ändern. Und wenn du in diesem Intervall eine
Aussage über den Gang der Uhr machen möchtest, musst du entsprechend
genau messen.
Es reicht wenn man den Zeitbedarf für ca 10.000 "Pendelsekunden" misst und mit echten 10.000 Sekunden (z.B. aus GPS) vergleicht, dann kann man schon mit einem ESP32 leicht auf 1-2 ppm kommen. In diesen knapp 3 Stunden wird sich der Luftdruck nicht relevant ändern und die Temperatur muss man halt einigermassen konstant halten.
Die Langzeitmessungen über Monate sind dann halt viele solcher 3-h-Intervalle.
Das Problem ist das langsame Pendel und dementsprechend die
verhältnismäßig langsame Intensitätsänderung. Irgendwo zwischen
Lichtschranke ist komplett offen und Lichtschranke ist komplett dicht
musst du einen Grenzwert für die Helligkeit definieren. Wird dieser
unterschritten, wird digital z.B. über einen Komparator weiter gemeldet,
dass das Pendel gerade in der Lichtschranke ist. In Kombination mit
Rauschen und unterschiedlich hellem Umgebungslicht kann sich dieser
Umschaltpunkt signifikant verschieben.
Das Umgebungslicht ist für eine IR-Schranke mit schmalbandigem Empfänger kein Problem und das Messintervall von 10.000 "Pendelsekunden" mittelt das raus. Notfalls schaltet man einen Schmitt-Trigger hinter die Lichtschranke.
Es reicht wenn man den Zeitbedarf für ca 10.000 "Pendelsekunden" misst
und mit echten 10.000 Sekunden (z.B. aus GPS) vergleicht, dann kann man
schon mit einem ESP32 leicht auf 1-2 ppm kommen.
der Vergleich mit den echten Sekunden ist nicht das Problem. Bernd hatte eine Abweichung von 1 bis 10s in 100 Tagen in den Raum geworfen. 1s in 100 Tagen ist ca. 0,1 ppm.
Bei einem Messintervall von 10 000s entspricht das 1ms.
Bei 2° Auslenkung und 25cm Pendellänge bewegt sich das Pendel mit 45mm/s, also 0,045mm in 1ms.
Ich weiß nicht, ob man das mit einer Lichtschranke mit 0,5mm Schlitzbreite erreicht.
Ich hoffe, dass ich mich nicht verrechnet habe.
Das Umgebungslicht ist für eine IR-Schranke mit schmalbandigem Empfänger
kein Problem
Hier scheint gerade die Sonne und die billigen Lichtschranken EE-SX1070 oder TCST2300 sind damit hoffnungslos überfordert. Den Unterschied zwischen direktem Sonnenlicht und den Reflexionen von hellem Beton sieht man schon deutlich. Und wenn die nur die Reflexionen im Zimmer erwischen, sehe ich ab 20 bis 30 mA LED-Strom keinen Einfluss mehr. Also so freihändig, mit dem Ohmmeter. Messen geht nur mit einem halbwegs realistischen Aufbau.
Die TCST2300 dürfte 2 Vorteile gegenüber der EE-SX1070 haben:
0.25 statt 0.5 mm Blende
nur 3 statt 8 mm Spaltbreite. Der Fototransistor sieht umso mehr Umgebungslicht, je größer der Abstand zwischen Fototransistor und Pendel ist. Erstens direkt und zweitens als Reflexion am Pendel. Dabei fällt mir ein: die Platine mit der Lichtschranke sollte Langlöcher bekommen.
Mit der EE-SX_1_070 hat man mehr Möglichkeiten als mit 3070 oder 4070. Man könnte den Fotostrom messen und den LED-Strom regeln. Auch wenn's nachher nichts bringt, man sollte es probieren.
Bei 2° Auslenkung und 25cm Pendellänge bewegt sich das Pendel mit
45mm/s, also 0,045mm in 1ms.
Ich weiß nicht, ob man das mit einer Lichtschranke mit 0,5mm
Schlitzbreite erreicht.
Hier scheint gerade die Sonne und die billigen Lichtschranken EE-SX1070
oder TCST2300 sind damit hoffnungslos überfordert.
Probieren geht über studieren. Ich hatte gottseidank 2 Stücke aus meinem Fundus zur Hand:
eine alte Pendeluhr meines Grossvaters
eine Lichtschranke mit IR-Sender (LD274-3) und -Empfänger (TEFT4300). Letzterer reagiert auf Sonnenlicht praktisch gar nicht (> 880 nm)
Dazu ein Mini-Oszi und einen Logik-Analysator plus Pulseview.
Jetzt zu den Bildern: die "situation" zeigt Bild 1. Die Sonne steht tief und scheint ins Zimmer. Vorne ist der Sensor, hinten die IR-LED (das "lila" Licht). Man sieht, dass das Pendel schräg auf den Sensor trifft, also eher ungünstig. Daraus resultiert eine Flanke von immerhin 15 ms (flanke1), die aber im LA sogar ohne Schmitt-Trigger verschönert wird (flanke 2, Abtastrate = 8 MHz).
Das dürfte für eine Auswertung ausreichend sein, sofern man das Messintervall lang genug macht (siehe oben). Selbst diese extrem schlechte Flanke reicht für die Messung aus.
Edit1: vor dem LA sitzt ein SN74LVC244
Edit2: der Sensor hatte keine Loch- oder Schlitz-Blende davor, die 15 ms kann man also noch verbessern
Aber: Nach 30 Tagen wäre der Unterschied zwischen Hell-Dunkel
im Tausendstel Sekundenbereich.
Nach 30 Tagen hat sich die Temperatur 135 Mal geändert der Luftdruck 53 mal. Du lernst also aus dem Unterschied nach 30 Tagen kein bisschen über die Korrelation zwischen Gang und Temperatur bzw. Luftdruck, weil du keinen Zusammenhang mehr herstellen kannst, sondern nur den mittleren Gang über diesen Zeitraum kennst.
Daraus resultiert eine Flanke von immerhin 15 ms
(flanke1), die aber im LA sogar ohne Schmitt-Trigger verschönert wird
(flanke 2, Abtastrate = 8 MHz).
Das dürfte für eine Auswertung ausreichend sein, sofern man das
Messintervall lang genug macht
Wenn du den Gang der Uhr jede Stunden auf 1s/a genau bestimmen willst, muss du dazu dazu den Durchgang des Pendels auf etwa 100µs genau erfassen. Der Schmitt-Trigger redet nur die Flank schön und verhindert Flackern des digitalen Signals durch Rauschen - sonst nicht.
Oder anders ausgedrückt: Du musst dazu die Position deiner 15ms langen Flanke auf 100µs genau auf der Zeitskala verorten.
Oder anders ausgedrückt: Du musst dazu die Position deiner 15ms langen
Flanke auf 100µs genau auf der Zeitskala verorten.
Wenn man die Gesamtdauer von 10.000 Flanken auf 1 ms genau messen kann, dann ist man unter 1 ppm (10.000 Sekunden sind 10.000.000 ms - entspräche 0.1 ppm). Das Pendel pendelt ja monoton, nicht mal so und ein andermal so - von Erdbeben o.ä. abgesehen, da muss man halt ein anderes Mal nochmal messen - und einzelne Abweichungen mitteln sich bei 10.000 Pendelschlägen raus.
Wenn Bernd dann mehrere Messintervall bei gleichen Bedingungen auswertet, würde er ja Abweichungen sehen.
Alle 18 Stunden bekommt man einen Referenzwert in ppm. Wenn man diesen Eingeregelt hat, dann bekommt man in 24 Tagen raus, wie viel die Jahresabweichung beträgt, bei den aktuellen Umweltbedingungen.
Eine statische, helle Lichtquelle, z.B. einen Laser, ein Stück
Rasierklinge am unteren Ende des Pendels, eine Kombination aus konvexer
Linse [oder unendlich korrigiertem Mikroskopobjektiv], [10um] Lochblende und Photodiode in einem lichtdichten Röhrchen verpackt
und ein simpler Transimpedanzverstärker mit Komparator sind völlig
ausreichend.
Der Aufbau klappt mit ein bisschen handwerklichem Geschick oder 3D-Druck im Handumdrehen, das Material liegt grob geschätzt unter 50€.
Alle 18 Stunden bekommt man einen Referenzwert in ppm.
Bei typische Temperaturänderungszyklen in einem bewohnten Haus reichen 18h als Zeitauflösung bestimmt nicht aus (s. Abtasttheorem v. Shannon). Aliasing-Effekte sind absolut schädlich, wenn es um die Korrelation der Gangwerte mit den anderen Größen geht.
Ich verstehe (Als Nichtelektroniker) nicht das Problem mit
der Lichtschrankenauswertung.
Wenn Du die Gelegenheit und viel Geduld hast, zerlege mal eine Zeiger-Funkwanduhr. Die haben je ein Loch in den Zahnrädern und erkennen per Lichtschranke, wann diese ihre 12:00-Stellung haben.
Natürlich könnte ich Sensorscheiben auf der Sekundenwelle
(1x Auslösung/Minute) oder Stundenwelle (1x Auslösung/Stunde)
anbringen.
Würde die Datenmenge reduzieren, aber die Nachverfolgung kleiner
Störungen durch Temperaturänderungen (Türöffnung) oder Erschütterungen
(Vorbeifahrender Autokran) fast unmöglich machen.
Erst die synchrone Aufzeichnung von Temperatur, Luftdruck und
Erschütterungen im Vergleich zu den Gangwerten der Uhr ist doch
aussagekräftig. All diese Werte sollten als Graph synchron sein.
Würde die Datenmenge reduzieren, aber die Nachverfolgung kleiner
Störungen durch Temperaturänderungen (Türöffnung) oder Erschütterungen
(Vorbeifahrender Autokran) fast unmöglich machen.
Und damit das bei den geforderten paar ppm nicht erst nach 10000 Sekunden klappt, muss man den Durchgang des Pendels wiederholbar im us-Bereich erfassen können. Das klappt am einfachsten wie oben beschrieben, eine stupide Lichtschranke mit dank den langsamen Bewegungen 15ms Flanke ist damit völlig überfordert.
In dem Video von der Turmuhr gibt es ein Bauteil, das sich deutlich schneller bewegt als der ganze Rest. Bei den meisten Uhren gibt es sowas nicht, aber:
Gibt es hier auch so einen "springenden Hebel"? Evt. kann man den sogar noch verlängern, einmal für eine noch steilere Flanke und zweitens, damit man die sperrige Lichtschranke leichter unterbringt. An der Stelle wäre auch Platz für eine Abdeckung gegen Tageslicht.
Evt. kann man den sogar noch verlängern, einmal für eine noch steilere
Flanke und zweitens, damit man die sperrige Lichtschranke leichter
unterbringt.
Soetwas macht man mit einem Lichtzeiger bzw. optischer Abbildung und bastelt nicht an der Uhr rum.
Ein Doppelphotodiode zusammen mit vernünftiger Optik dürfte es erlauben, den Pendeldurchgang auf bestimmt 10µm genau zu erfassen, wenn man die beiden Signale auf einen Komparator gibt (z.B. PR5001 S.4).
https://www.tme.eu/Document/2d3a2176dc8709997338748b84fb58cc/PR5001.pdf
Spektrum geht weit in das sichtbare Licht -> Fehlfunktionen
vorprogrammiert
Eine vernünftige Optik darf auch gerne ein IR-Filter enthalten ;-)
Aber du scheinst das Prinzip nicht verstanden zu haben.
Beide Photodioden bekommen das gleiche Störlicht. Prinzipbedingt bleibt damit die Position des Schnittpunktes unabhängig vom Untergrundlicht. Das Empfindlichkeitsmaximum liegt sowieso außerhalb des sichtbaren Spektrums. Falls es beruhigt, kann man vor dem Empfänger ein IR-Filter einbauen.
Stephan hatte so eine differentielle Messung auch schon angeregt.
Beide Photodioden bekommen das gleiche Störlicht. Prinzipbedingt bleibt
damit die Position des Schnittpunktes unabhängig vom Untergrundlicht.
...wenn beide die gleiche Empfindlichkeit haben. Mit der PR5001 könnte es funktionieren: "Produced as one chip, the photodiodes offer a very good symmetry". Dann fehlen nur noch 2 logarithmische Verstärker mit ähnlich gutem Gleichlauf. Normal misst man ja den Kurzschlussstrom, aber könnte man nicht doch die Spannung messen? Dann hätte man doch log(Helligkeit)?
Aber du scheinst das Prinzip nicht verstanden zu haben.
Beide Photodioden bekommen das gleiche Störlicht. Prinzipbedingt bleibt
damit die Position des Schnittpunktes unabhängig vom Untergrundlicht.
Das Empfindlichkeitsmaximum liegt sowieso außerhalb des sichtbaren
Spektrums. Falls es beruhigt, kann man vor dem Empfänger ein IR-Filter
einbauen.
Das dürfte für eine Auswertung ausreichend sein, sofern man das
Messintervall lang genug macht (siehe oben). Selbst diese extrem
schlechte Flanke reicht für die Messung aus.
Danke für diese Information.
Kannst Du vielleicht die Einzelintervalle über 24 h aufzeichnen, nachdem die Aufwärmphase der Messeinrichtung erreicht ist?
Da würde man sicherlich den kurzzeitigen Jitter und längerfristig eine Tag-Nacht Abweichung erkennen.
Das dürfte für eine Auswertung ausreichend sein, sofern man das
Messintervall lang genug macht (siehe oben). Selbst diese extrem
schlechte Flanke reicht für die Messung aus.
Danke für diese Information.
Kannst Du vielleicht die Einzelintervalle über 24 h aufzeichnen, nachdem
die Aufwärmphase der Messeinrichtung erreicht ist?
Da würde man sicherlich den kurzzeitigen Jitter und längerfristig eine
Tag-Nacht Abweichung erkennen.
Die Uhr meines Grossvaters (vermutlich sogar Urgrossvaters) stammt aus der Mitte des 19. Jahrhunderts und wird nur zur Zierde genutzt. Ich habe die für den Versuch gestern nur ganz kurz aufgezogen (lief dann vielleicht 1 Minute, die Feder hat eine Macke). Es ging mir nur darum, ob eine schräge Flanke des Phototransistors sauber zu einem digitalen Impuls gewandelt werden kann (ohne bzw. ggf. mit Schmitt-Trigger). Ob die Uhr 24 Stunden durchhält möchte ich nicht riskieren.
Dann fehlen nur noch 2 logarithmische Verstärker mit
ähnlich gutem Gleichlauf.
Niemand braucht einen hohen Dynamikbereich. So weit sollte man das Untergrundlicht schon im Zaum halten. Den Kurzschlussstrom kann man mit je einem Transimpedanzverstärkern in eine Spannung für einen Komparator umwandeln. Der Gleichlauf ist dann recht gut durch die Paarung von zwei Widerstand definiert, falls man für den Komparator und die OPs nicht den billigsten Müll nimmt (Offsetspannung).
Es ging mir nur darum, ob eine schräge Flanke des Phototransistors
sauber zu einem digitalen Impuls gewandelt werden kann (ohne bzw. ggf.
mit Schmitt-Trigger).
Natürlich geht das irgendwie. Die hier geforderten paar ppm hast du aber um Größenordnungen verfehlt.
An der Hemmung ist kein Platz für eine Lichtschranke, siehe Bild.
Also gehört die Fotodiode senkrecht über die Hemmung, so weit oben wie möglich. Sie muss nur den entscheidenden "Hebel" sehen können. Eine Laserdiode müsste irgendwo schräg darüber montiert werden, so, dass der reflektierte Lichtpunkt über die Fotodiode wandert. Dieses bewegliche Teil könnte z.B. poliert und verchromt werden. Oder könnte man direkt einen Spiegel aufkleben, weil das Gewicht an der Stelle keine Rolle spielt?
Das hört sich fast zu einfach an. Wahrscheinlich sind zu viele Zahnräder im Weg. Aber im Prinzip könnte das die Auflösung deutlich verbessern, besonders, wenn sich der Spiegel sprunghaft bewegt.
Den Kurzschlussstrom kann man mit
je einem Transimpedanzverstärkern in eine Spannung für einen Komparator
umwandeln. Der Gleichlauf ist dann recht gut durch die Paarung von zwei
Widerstand definiert, falls man für den Komparator und die OPs nicht den
billigsten Müll nimmt (Offsetspannung).
Ja: Siehe Beitrag Zifferblätter unter Platinen.
Mit der Uhr bin ich fast durch, gäbe es nicht ein Problem:
Der einzige Kontakt zwischen Uhrwerk und Pendel ist die kleine
Rolle ( 5 mm Durchmesser, 1,2 mm breit).
Ein Miniaturkugellager (2 x 5 x 2,5) war das Optimum.
Leider nur kurzfristig. Um praktisch Nullreibung zu erreichen, müssen
die Deckscheiben entfernt werden und jeglicher Schmierstoff muss
ausgewaschen werden.
Nach mehreren Stunden/Tagen ist der absolute Leichtlauf leider
vorbei. Das Lager ist nun offen, im Glassturz sind ca.10 Liter
Umgebungsluft. Die Toleranzen zwischen Laufflächen und Kugeln
sind so eng, daß selbst eine Polle oder ein anderer winziger
Staubbrösel nicht zermatscht wird. Das liegt natürlich auch
daran, daß das Lager außerhalb jeder Spezifikation (Drehzahl,
Lagerdruck) betrieben wird.
Im Moment mache ich eine Versuchsreihe. Die Rolle aus Messing
auf polierter Stahlachse, ohne Schmierung, ergibt 3 Grad Pendel-
ausschlag. Das frisch geputzte Kugellager hat 4 Grad.
Selbst minimale Ölgaben mit extra dünnem Öl verschlechtern
den Ausschlag.
Noch zu testen wäre Graphit und Teflon.
Ebenso eine hohle Konstruktion der Rolle. Nur noch 2 Lager mit
0,2 mm Breite, statt der 1,2 mm Auflagerfläche.
(Hier komme ich aber an Grenzen meiner Fertigungsmöglichkeiten).
Grundsätzlich läuft die Uhr gut, wenn die Rolle gerade keine
Probleme macht, komme ich auf 1 Sekunde/ Woche, ohne die Fein-
reguliermutter nur anzufassen.
Hast Du mal ein Keramik-Lager probiert, z.B. HC 682 ZZ? Wenn Du eines mit Nachsetz-Zeichen 2Z bzw ZZ nimmst, gibt es keine Reibung zwischen Achse und Scheibe.
Hast Du mal ein Keramik-Lager probiert, z.B. HC 682 ZZ? Wenn Du eines
mit Nachsetz-Zeichen 2Z bzw ZZ nimmst, gibt es keine Reibung zwischen
Achse und Scheibe.
Vollkeramiklager in der Größe gibt es nur in offener Ausführung.
Das Staubproblem würde bleiben.
Diese Lager wären prinzipell nicht schlecht, haben aber ein Problem:
Sie sind gefettet. Dadurch laufen sie viel zu schwergängig.
Mit montierten Deckscheiben lässt sich das Fett aber nicht auswaschen.
Ich brauche ein Lager, dass nach einmaligem Anstupsen 10 Umdrehungen
macht. Der Auflagedruck als Rolle beträgt nur einige Milligramm.
Dann wird die Rolle pro Sekunde einmal 300 Grad in die eine Richtung
bewegt, dann 320 Grad in die andere Richtung.
Im Testlauf ist die Messingrolle ohne Schmierstoff schon besser,
als das Kugellager. Mit reduzierter Auflagefläche auf der Welle
kann ich bestimmt auch die 4 Grad Pendelausschlag erreichen.
Mit montierten Deckscheiben lässt sich das Fett aber nicht auswaschen.
Glaub ich nicht. Einige Stunden / Tage je nach Fettart in Aceton, Benzin oder Spiritus löst jedes Fett. Ab und zu mal durchblasen.
Die Metallscheiben haben einen kleinen Spalt - im Gegensatz zu den Kunststoffscheiben. Siehe Datenblatt.
Mit montierten Deckscheiben lässt sich das Fett aber nicht auswaschen.
Glaub ich nicht. Einige Stunden / Tage je nach Fettart in Aceton, Benzin
oder Spiritus löst jedes Fett. Ab und zu mal durchblasen.
Die Metallscheiben haben einen kleinen Spalt - im Gegensatz zu den
Kunststoffscheiben. Siehe Datenblatt.
Links sieht man das Pendel mit seiner schiefen Bahn und die
Rolle. Hier gerade angehoben, weil sie nur während einer halben
Pendelschwingung Kontakt zur schiefen Bahn hat.
Das Bild ist etwas unscharf, aber man sieht, wie die Rolle in
das Pendel eingreift.
Die Kräfte sind hier äußerst gering, deswegen wirkt sich jeder
Widerstand drastisch aus.
Was Grundsätzliches zu mechanischen Uhren:
Aus Technikersicht sind das "Wurfpassungen". Aber mit geignetem
Öl funktioniert das 100 Jahre.
Ein Kugellager mit einem Tausendstel Lagerluft ist viel zu
empfindlich. Gleitlager mit Ölfilm lassen den Dreck draußen.
Deswegen teste ich jetzt mal die Alternativen zum Kugellager.
Schaue Dich mal bei https://www.glycodur.de/de/index/ um. Deren Gleitbuchsen haben wir früher in Prüfmittelmechaniken verwendet. Die sind leider sehr kritisch, nicht zu eng eingesetzt zu werden - Du musst also auf Hundertstel genau reiben.
In 4-6 Wochen läuft meine Uhr perfekt. Dann könnte ich mal dran
denken, den Datenlogger einzusetzen. Die Feinheiten sind ja
Temperaturkompensation und Luftdruck.
Was macht die Elektronik? :-)
Als nächstes steht an:
Komplett zerlegen, Reinigen, mit Handschuhen zusammenbauen, frisch
Ölen, noch ein paar Zeiger bauen.
Die Fingerdatschen auf den vernickelten Teilen gehen gar nicht.
Hast Du mal POM oder PTFE als Rolle probiert? Die Aussenseite der Rolle
könntest Du mit einer WSP RCGT wunderbar glatt kriegen.
POM 4,9 mm und 12 mm hätte ich da, falls ich Dir einen Abschnitt
schicken soll, schreib mir eine PM.
POM habe ich da, PTFE nicht. Graphit (Motorkohlen) ist auch da.
Dann gäbe es noch was Exotisches: "Pockholz", manche Uhrmacher schwören
auf das Material. (Habe ich auch im Fundus, Gleitsohle eines alten
Holzhobels)
Das Röllchen ist ja einfach zu fertigen. Das perfekte Messinstrument
ist meine Uhr.
