Das untere Ende des Pendels in der untersten
Position mit starker Vergrösserung und einer Kamera beobachten war meine erste Idee, aber da fängt man sich die Abweichungen der Befestigung der Kamera ein, die sicher weit grösser sind.
Zwischen Pendelfeder und Pendel ein weiteres Bauteil einfügen, das die Änderung von Feder und Beschlag ausgleicht?
Ich denke dass du eher die Längenänderung der Aufhängung misst. Diese ändert sich ja auch temperaturabhängig das heißt nur das Wachstum zu messen ist eher schwierig.
Und was ist mit dem Einfluss des Mondes auf die Gravitation?
Wie möchtest du die dann kompensieren?
Ach ja, da ist auch noch mehr…
Sonne, Mars, Jupiter ….
Ganz großes Kino 🤪
Das Problem, daß alle Erbauer solcher Uhren haben ist:
Was ist nicht perfekte Temperaturkompensation, was kommt aus anderen
Faktoren? Ohne Messungen nicht rauszufinden.
Es geht also darum, ein stillstehendes Pendel bei einer Änderung
von 1-20 K Unterschied zu vermessen.
Dann zum Messen die anderen Faktoren vermeiden.
Pendel im luftdichten Gehäuse betreiben und dieses mit trockenem Stickstoff fluten. Wie hoch ist eigentlich der Mondeinfluss auf die Schwerkraft?
Ich schlage vor, den Temperatureinfluss nicht im Stillstand über die Länge, sondern im Betrieb über einige tausend Perioden zu messen.
Mit GPS disziplinierten Oszillatoren kann man mit Amateurmitteln weit genauer messen, als für 1s/Jahr notwendig wäre.
Wahrscheinlich reicht schon ein eingeschwungener OCXO.
Bernd, ich bin ja bei Dir, der Weg ist das Ziel.
Ich habe in Kopenhagen mal die damalige Normal-Pendel-Uhr gesehen.
Literatur-Recherche zu den bisher erzielten Unsicherheiten und die, die geplante Jahundert,,Jahrtausend .. Uhr erziehlen soll hast Du ja sicher schon gemacht.
Wenn du es nicht messen kannst, nutze es. Also statt Längen zu messen, messe doch die Pendelfrequenz. Frequenzmessung ist heutzutage mit relativ günstigen Mitteln sehr präzise möglich.
Da gibt es hier zum Beispiel das Counterprojekt... GPS stabilisierte Zeitbasis ...
Vakuum und Temperaturstabilisierung sind wahrscheinlich der Weg.
Meine Kollegen, die Länge sehr genau messen wollen, kämpfen mit sub Millikelvin..
Im Vakuum und im Bunker und und..
Wenn du es nicht messen kannst, nutze es. Also statt Längen zu messen,
messe doch die Pendelfrequenz. Frequenzmessung ist heutzutage mit
relativ günstigen Mitteln sehr präzise möglich.
Da gibt es hier zum Beispiel das Counterprojekt... GPS stabilisierte
Zeitbasis ...
Wenn du es nicht messen kannst, nutze es. Also statt Längen zu messen,
messe doch die Pendelfrequenz. Frequenzmessung ist heutzutage mit
relativ günstigen Mitteln sehr präzise möglich.
Da gibt es hier zum Beispiel das Counterprojekt... GPS stabilisierte
Zeitbasis ...
Keine Schnapsidee.
Das ist der übliche Weg.
Das Problem: Sobald das Pendel schwingt kommen die Faktoren
Pendelantrieb und Luftdichte (Luftwiderstand) mit ins Spiel.
Deswegen hat man nie die Antwort, ob das Pendel wirklich in
der Temperatur auf 0 kompensiert ist.
Natürlich rechne ich die Kompensation aus, aber die Grundlage
sind Datenblätter der Materialien, die alle Streuwerte haben.
Ein leicht zu bekommender, unstabilisierter HeNe-Laser ist gut für 3e-6.
Das reicht net bei 1m Messlänge, 1e-8 ist ja gefragt. Da braucht es einen Jod stabilisierten HeNe..
Wie gut Bragg-Grating stabilisierte Halbleiterlaser aktuell sind, bei welchen Preisen ?
Das Problem: Sobald das Pendel schwingt kommen die Faktoren
Pendelantrieb und Luftdichte (Luftwiderstand) mit ins Spiel.
Etwas weiter oben schlug ich deswegen Pendel im Vakuum vor.
Pendelantrieb? Du bist Mechaniker, Dir wird da schon was einfallen.
(Klassische Gewichte an Seilen/Ketten, die elektromotorisch aufgezogen werden, wg. Vakuumdichte, oder auch Federwerk mit Aufzug über eine Magnetkupplung, auch die wäre vakuumdicht)
"Die durch Shortt verfeinerte Zeitmessung erlaubte erstmals den Nachweis, dass die Erdrotation aufgrund der durch Sonne und Mond hervorgerufenen Nutation nicht völlig gleichmäßig ist." (wikipedia)
Das Pendel kann noch durch weitere Störgrößen beeinflusst werden. Wie ist es denn überhaupt gelagert? Wenn ich an das Aquarium eines Bekannten denke, so erzeugte jedes vorbeifahrende Fahrzeug ausreichend Wellen im Aquarium :-) Von Erdbeben reden wir noch nicht. https://geofon.gfz.de/waveform/archive/
Irgendwie erinnert mich diese Frage an die hochgenaue Widerstandsberechnung eines Studenten bis viele Stellen hinter dem Komma, der dann einen 20%-Widerstand einlöten mußte.
Meine homepage www.stoppi-homemade-physics.de funktioniert im Moment nicht, da gibt es unter Laser/Optik etliche Projekte, mit denen man Längenänderungen im Nanometerbereich erfassen kann.
Dieses Projekt hört sich spannend an. Inwieweit dann die vielen Einflußfaktoren das ganze unmöglich machen zeigt die Praxis.
Pendelantrieb? Du bist Mechaniker, Dir wird da schon was einfallen.
Harald,
es wird eine elektrische Uhr werden. Wahrscheinlich elektromechanisch.
Direkter Pendelantrieb mit Magnetspule hat Nachteile.
Ein elektromechanischer Antrieb kann so ausgelegt werden, dass er die
Amplitude stabilisiert. Steigt die Amplitude, wird automatisch
weniger Energie zugeführt.
Der Antrieb soll nur das Pendel bewegen. Die Zeitanzeige erfolgt
über ein separates Zählwerk, das über Lichtschranke am Pendel
ausgelöst wird. Es gibt also kein konventionelles Uhrwerk.
(Das könnte ich in der hier geforderten Präzision auch nicht mehr
selbst herstellen).
Material wird Glaskeramik
(Ausdehnungsfaktor 0 (+- 0,5) ppm.
Sei mir nicht böse, aber du übernimmst dich um mehrer Größenordnungen.
Nur mal biss Kontext:
1 nm sind 1 * 10^-6 mm. Ein Druckerpapier hat 0.1 mm Dicke. Das teilst du jetzt in 100000 gleich dicke Teile und bist schon bei 1 nm. Nicht mal Faktor 10 weniger hast du den Atomdurchmesserbereich.
Wie willst du denn den Laser fixieren, dass er nicht um 1 nm verschoben wird?
Kauf eine Stange Invar 36 (1 m Drm 12 kostet ca. 130 €), dann bist Du bei einem Ausdehnungskoeffizienten von 1.6 * 10^-6. Und bekommst ein Zertifikat mit dazu (k.A. was da drinn steht). Den Rest kannst dann, nur durch Rechnen, mit anderem Material ausgleichen.
Ich kann 100 nm relativ messen, da musst du schon aufpassen in welche Richtung du ausatmest.
In der mechanischen Bearbeitung gibt es die Toleranzen, Und dabei die IT-Klassen (Grundtoleranzen). Bei 1 m (geht aber nur bis 500 mm, einfach hochgerechnet) und Genauigkeitsklasse 01 (genauer gibts nicht) hat man 0.008 mm Spielraum. Das ist halt dann auch halbwegs realistisch messbar. Aber jeder wird dich rauswerfen wenn du mit der Zeichnung kommst.
Den nm Abweichung bekommst du schon, wenn der Schmierfilm im Pendellager grad mal weniger Lust hat.
Ich will dich nicht abhalten! Mach gerne weiter damit, das ist super interessant. Aber deine Ziele sind zu hoch gesteckt.
Meine homepage http://www.stoppi-homemade-physics.de funktioniert im
Moment nicht, da gibt es unter Laser/Optik etliche Projekte, mit denen
man Längenänderungen im Nanometerbereich erfassen kann.
Christoph, er möchte 1m mit 1e-8 messen, über Stunden, Tage, absolut!
Da braucht es ein sehr sorgfältig aufgebautes Interferometer, mindestens homodyne Quadratur. Dann muss der Referenzarm auch entsprechend stabil sein...
(Da gibt es aber ggf einen Trick)
Und er braucht dennoch einen Laser dessen Wellenlänge etwas besser als 1e-8 stabil ist. CD oder allgemein unstabilisierte Diodenlaser sind das nicht.
Ich erinnere mich an ein paar YT Videos von jemanden, der ein kleveres Interferometer mit temperaturgeregltem Diodenlaser und Stabilisierung über eine (Zerodur) Referenzstrecke gebaut hat. Wie genau er es geschafft hat??
Ich kalibriere Laserdopplervibrometer, die können pm Schwingwege messen, aber keinen Meter mit nm Genauigkeit, u.a. da der Laser nicht die erforderliche Stabilität hat (einfacher HeNe).
Zeit kann man erheblich genauer messen, zu deutlich geringeren Kosten. Time to digital converter, TDC, in Verbindung mit GPS stabilisierten OCXO ..
Genaue Lichtschranken arbeiten typischerweise differentiell. Am Ende des Pendels zwei Photodioden an die Kanten, seriell verschaltet, zwei Widerstände seriell,Nulldurchgang der Brückenspannung, und eine dritte PD dazwischen, um über einfache Logik nur dann zu messen, wenn das Pendel dazwischen ist, sollte der Schwingweg so groß sein, dass er die Lichtschranke verlässt.
Ich suche noch nach einer Möglichkeit die Pendelschwingungen hoch-
präzise zu erfassen (Lichtschranke).
Du könntest eine Reflexlichtschranke, etwa nach dem Prinzip des
Spiegelgalvanometers aufbauen. D.h. mit einem planen Spiegel am
Pendelende, der genau im Nullpunkt des Pendels reflektiert.
Ein, oder mehrere Spiegel könnten noch eingefügt werden, um das
mechanisch besser unterzubringen.
Die Abtastung erfolgt dann bei der grössten Pendelgeschwindigkeit.
Als Lichtquelle würde sich ein schwacher (1 mW) grüner Halbleiter-
laser anbieten. Die haben ein deutlich höheres Strahlungsmaximum
im Infrarotbereich.
Bereits nach 2-3 Tagen sollte ablesbar sein, wie der Gang auf Temperatur
reagiert. ( 0,00xx Sekunden).
Wenn die Lichtschranke gut funktioniert, wirst du nicht so lange
warten müssen. ☺
Gps-basierte Referenz.
Die kannst du bei einem Zeitmesser später immer noch nachrüsten.
Ich habe nicht die Zeit, nach jeder Änderung Monate zu warten.
Genaue Lichtschranken arbeiten typischerweise differentiell. Am Ende des
Pendels zwei Photodioden an die Kanten, seriell verschaltet, zwei
Widerstände seriell,Nulldurchgang der Brückenspannung, und eine dritte
PD dazwischen, um über einfache Logik nur dann zu messen, wenn das
Pendel dazwischen ist, sollte der Schwingweg so groß sein, dass er die
Lichtschranke verlässt.
Das ist ein Thema, das auch mich sehr interessiert. Ein Langzeit Projekt ist auch bei mir hin und wieder aktiv. Wenn es Euch interessiert, bitte weiterlesen:
Bei mir entschied ich mich eine optisch erfasste Pendel Auslenkungssteuerung nach dem Hipp Verfahren zu entwickeln. Das 0.8s Pendel wird elektromagnetisch angetrieben sobald die +/- 2Grad Pendelauslenkung einen bestimmten Betrag unterscheidet und pendelt fortwährend zwischen diesen zwei genau eingehaltenen Grenzwerten. Dieses "Pendeln" geschieht in 45-60s Intervallen, was bedeutet, daß das Hauptpendel nur dann neue Energie zur Aufrechterhaltung der Bewegung empfängt, wenn der Pendelausschlag eine bestimmte Grenze unterschreitet. Der Elektromagnet is im oberen Viertel von der Pendelaufhängung platziert und besteht aus zwei Spulen und gefrästen Zungen. Das mittelt sich aus und bedeutet keine Einbuße an die Langzeit-Genauigkeit. Ein uC wertet die Pendelsteuersignale aus, welche auch zum Loggen der Uhroperation dienen. Das Pendel besteht nur aus Invar. Mir ging es nicht um eine ultimative Genauigkeit. Ich hoffe aber +/-2s Ganggenauigkeit im Monat zu erreichen.
Die optische Auswertung geschieht nicht direkt vom Hauptpendel, sondern über ein sehr massenarmen Mitnahmestab aus Kohlenfaser, welches vom Hauptpendel mitgesteuert wird. Die Längenausdehnung dieser Hilfseinrichtung ist bedeutungslos, weil es nur dazu dient die Lichtschranken mit einer Fahne zu unterbrechen. Die Optik ist in einen 3D gedruckten UV gehärteten Gehäuse aus dunklem Harz eingefasst und kaum sichtbar.
Mit dem 0.8s Takt synchronisiere ich einen 1s Takt zur Ansteuerung eines hochwertigen Schritt Uhrwerks alle 4s. Die Sekunden zwischen den 4s Intervallen werden künstlich vom Takt des uC asynchron abgeleitet. Da der summierte Gangfehler alle 4s zurückgesetzt wird, wirkt sich das in der Praxis nicht aus. Ein 1s Pendel empfand ich was Gehäuseabmessungen betrifft als etwas zu lang. Der einzige Nachteil ist, daß der Sekundenzeiger nicht Sekundensynchron mit dem Pendelausschlag mitschaltet und nur alle 4s passt. Ich werde später damit noch eine TN Nebenuhr damit mitbetreiben.
Für die Erfassung des Luftdrucks, Temperatur dienen Sensoren, die vom uC ausgewertet werden, um restliche Temperatur Einflüsse und den Luftauftrieb ausgleichen zu können. Eine oben angebrachte Gewichtsverlagerung Einrichtung bewirkt in der Mitte des Pendels eine Feineinstellungsmöglichkeit um diese Restpendel-Temperatureinflüsse und den Luft-Auftrieb des Pendels ausgleichen zu können. In der Mitte des Pendels lässt sich das reproduzierbar beeinflussen. Durch die aktive uC Korrektur der Gangeinflüsse, erübrigt sich die Notwendigkeit das Pendel in einen Unterdruckbehälter einzubauen, wie es früher bei den astronomischen Uhren üblich war. Da auch Invar gewisse unkontrollierbare Mängel bezüglich Stabilität aufweisen kann und das Pendelgewicht nicht komplett stabil in der Längenausdehnung ist, ferner die Pendelaufhängung selber nicht komplett von Temperaturempfindlichkeit befreibar ist, ist das ein ziemlich schwieriges Unterfangen - deshalb der Versuch einer aktiven Gangkorrektur was die Pendelperiode betrifft. Eine Quarzstange mit Null Ausdehnungskoeffizient war aus Bearbeitungs und Kostengründen nicht meine erste Wahl.
Mal sehen wie es weitergehen wird, wenn ich wieder weitermache. Erste Versuche im Prototypenstadium waren erfolgversprechend.
Pate des Designs und Inspiration war diese Webseite, dessen Author mir übrigens persönlich bekannt ist:
Ich habe übrigens bei mir eine 1970er transistorierte TN Mutteruhr mit 0.5s Invarpendel und elektromagnetischen Antrieb in Betrieb. Die Auslenkung des Pendels wird durch eine elektromagnetische Sensoreinrichtung auf Basis eines HF-Oszillator dessen Schwingung beim Durchfahren eines Aluminiumwinkels aussetzt und so berührungslos die Pendelauslenkung erfasst, bewirkt. Diese Mutteruhr hat im Monat übrigens ein paar Sekunden Ganggenauigkeit. Die Pendelperiode lässt sich elektronisch durch Poti-Einstellung feinfühlig abgleichen. Siehe hier:
Nun kommt die Luftdichte ins Spiel, jede Änderung der Temperatur
ändert auch die Luftdichte. Das wirkt auf das Pendel.
Um beide Faktoren getrennt zu betrachten, bräuchte ich ein Pendel
mit 0 Ausdehnungsfaktor.
Man könnte alternativ die Luft durch andere Gase mit von Luft abweichender Dichte ersetzen. Ballongas (Helium) wäre eine Möglichkeit, Kohlendioxid eine andere. Eine Umhausung wird das Pendel sicher schon haben.
...die erreichbare Auflösung in der Größenordnung der halben Wellenlänge des verwendeten Lichts liegt. Bei sichtbarem Laserlicht beträgt die Wellenlänge einige hundert Nanometer.
Könnte eventuell eine interessante Herausforderung an den Grenzen des physikalisch machbaren sein für das ptb Braunschweig :-)
Für "normalos" ist ein µm schon eine fast unüberwindbare Herausforderung, selbst mit Temperaturstabilisierten Räumlichkeiten usw. ist das schon nicht mehr einfach.
Nur noch mal zur Klarstellung:
Es geht um das einmalige Vermessen des kompletten Pendel
im Stillstand. 10-20 Grad Unterschied sollten reichen.
Mechanisch wird es halt um Größenordnungen ungenauer.
Ein dickes Holzbrett als Basis. Pendelaufhängung und Aufnahme
Meßgerät (Hier wäre das genau Mitte Pendelscheibe) festschrauben.
Zusätzliche Isolierung mit 2 cm Styropor.
Als Meßgerät eine Tausendstel-Messuhr. Mit Hebel wäre evtl.
das Zehntausendstel Millimeter möglich.
Den Kasten mit Styropor und Stegdoppelplatten umhausen.
Haarfön dran und langsam erwärmen. (Nur das Pendel).
Die Dichte der Luft ist eigentlich egal, denn sie macht ja nur die Daempfung. Falls der Verstaerker zur Kompensation der Verluste eine Phasenverschiebung bringt kommt es allerdicng auf die Daempfung an.
Die Pendelperiode misst man anders. Man laesst einen Counter durchgehend laufen und liest die Zaehlerstaende beim Durchgang aus. So gibt es keine Rundungsfehler, die Zaehlerdifferenzen, gemittelt ergeben dann eine zunehmend genauere Periode. Siehe Fraktional counter
Material wird Glaskeramik
(Ausdehnungsfaktor 0 (+- 0,5) ppm.
Sei mir nicht böse, aber du übernimmst dich um mehrer Größenordnungen.
Nur mal biss Kontext:
1 nm sind 1 * 10^-6 mm. Ein Druckerpapier hat 0.1 mm Dicke. Das teilst
du jetzt in 100000 gleich dicke Teile und bist schon bei 1 nm. Nicht mal
Faktor 10 weniger hast du den Atomdurchmesserbereich.
Wie willst du denn den Laser fixieren, dass er nicht um 1 nm verschoben
wird?
Wie möchtest du denn die Temperatur in Kern des Pendels messen? Und ist
sie überall gleich? 😂
Das ist im Grunde nicht relevant. Er muss nur warten, bis sich die Temperatur stabilisiert hat (sieht er am Zeiger) Er will nur feststellen, dass sich das Pendel bei Erwärmung nicht in der Länge ändert. Das erreicht man durch geeignete Kombination von zwei Materalien.
Man könnte alternativ die Luft durch andere Gase mit von Luft
abweichender Dichte ersetzen.
Was soll das bringen? Wesentlich ist es, das Klima innerhalb der Umhausung konstant zu halten. Luftdichte, Feuchtigkeit und Temperatur. Käseglocke drüber (muss natürlich dicht sein) und Punkt 1 & 2 ist abgehakt. Temperatur gleicht er durch das Pendel aus.
Nur unter den Taupunkt sollte die Temperatur nicht sinken. Das sieht er aber dann schnell. :-)
Nachdem er sowieso schon Elektronik verwendet (Pfui Deibel) kann er auch noch heizen und sich dann einigen Aufwand sparen.
Ist nur meine persönliche Meinung:
Bei einer mechanischen Uhr darf keine Elektronik rein. Mechanisch einen riesen Aufwand treiben (nix dagegen!) und dann Elektronik-Krücken hinpappen. Ich denk schon, dass der TO das Durchhaltevermögen, den Willen und die Fähigkeiten hat etwas rein mechanisches hinzubekommen das dann auch sehr gut funktioniert.
Entoder weder.
Die Pendelperiode misst man anders. Man laesst einen Counter durchgehend
laufen und liest die Zaehlerstaende beim Durchgang aus. So gibt es keine
Rundungsfehler, die Zaehlerdifferenzen, gemittelt ergeben dann eine
zunehmend genauere Periode. Siehe Fraktional counter
Beim Lesen der Zählerstände muß immer einer übersprungen werden, um eine volle und nicht zwei halbe Perioden zu erfassen.
Dem TO könnte ich leihweise ein Zählermodul mit STM32G431 zur Verfügung stellen, wozu aber eine schnelle Lichtschranke benötigt wird oder zumindest eine mit wenig 'Zittern' der Flanken. Vielleicht hat dazu jemand einen Vorschlag.
Auch ohne 'fraktional' wird bei 1 s Messzeit jede Periode auf 8 Stellen genau angezeigt. GPS Stabilisierung ist möglich und sinnvoll.
Die ganze Geschichte scheint mir zwar wie ein Anrennen gegen Windmühlen, aber warum nicht ;-)
Dem TO könnte ich leihweise ein Zählermodul mit STM32G431 zur Verfügung
stellen, wozu aber eine schnelle Lichtschranke benötigt wird oder
zumindest eine mit wenig 'Zittern' der Flanken. Vielleicht hat dazu
jemand einen Vorschlag.
Beschreibung einer hochgenauen Pendelmessung keine Lichtschranke genommen?
Auch ohne 'fraktional' wird bei 1 s Messzeit jede Periode auf 8 Stellen
genau angezeigt. GPS Stabilisierung ist möglich und sinnvoll.
Selbst wenn man nur auf eine µs genau messen würde ist das mit einer normalen Lichtschranke wohl kaum machbar, diese müsste dann im µm Bereich reproduzierbar auslösen.
Als Meßgerät eine Tausendstel-Messuhr. Mit Hebel wäre evtl.
das Zehntausendstel Millimeter möglich.
Ach so. Dann nimm doch einfach zehn Hebel…
Ein Nanometer verhält sich zum Mikrometer deiner deiner Tausendstel-Meßuhr wie ein Millimeter zum Meter.
Vergiß die Idee, das irgendwie mechanisch lösen zu wollen.
Mein alter Prof an der Uni hat den Mikrometer mal so erklärt: wenn du dir mach dem Schxxxen den Arx mit den Fingern abwischst, und die aneinander reibst, ist das, was man danach noch riecht, ein Mikrometer…
Wie möchtest du denn die Temperatur in Kern des Pendels messen? Und ist
sie überall gleich? 😂
Das ist im Grunde nicht relevant. Er muss nur warten, bis sich die
Temperatur stabilisiert hat (sieht er am Zeiger) Er will nur
feststellen, dass sich das Pendel bei Erwärmung nicht in der Länge
ändert. Das erreicht man durch geeignete Kombination von zwei
Materalien.
Man könnte alternativ die Luft durch andere Gase mit von Luft
abweichender Dichte ersetzen.
Was soll das bringen? Wesentlich ist es, das Klima innerhalb der
Umhausung konstant zu halten. Luftdichte, Feuchtigkeit und Temperatur.
Käseglocke drüber (muss natürlich dicht sein) und Punkt 1 & 2 ist
abgehakt. Temperatur gleicht er durch das Pendel aus.
Nur unter den Taupunkt sollte die Temperatur nicht sinken. Das sieht er
aber dann schnell. :-)
Nachdem er sowieso schon Elektronik verwendet (Pfui Deibel) kann er auch
noch heizen und sich dann einigen Aufwand sparen.
Ist nur meine persönliche Meinung:
Bei einer mechanischen Uhr darf keine Elektronik rein. Mechanisch einen
riesen Aufwand treiben (nix dagegen!) und dann Elektronik-Krücken
hinpappen. Ich denk schon, dass der TO das Durchhaltevermögen, den
Willen und die Fähigkeiten hat etwas rein mechanisches hinzubekommen das
dann auch sehr gut funktioniert.
Entoder weder.
Rein mechanisch (Uhrwerk) ist ein großer Aufwand.
Elektromechanische Pendeluhren gab es schon 1880.
Hier hätte ich kein Problem, empfindliche Kontakte oder Relais
gegen elektronische Komponenten zu tauschen.
Deswegen wird das noch längst keine Quarzuhr.
Herausforderung angenommen. :-)
Nein, nicht ich. Ich find das Thema trotzdem sehr faszinierend. Insbes. was man vor 100++ Jahren Gehirnschmalz und Aufwand in das Thema gesteckt hat. War ja u.a. extrem wichtig für die Navigation. Und die Erkentnisse für die Astronomie erst ermöglicht.
Ich könnte dir einen TESA TTA20 leihen. Das ist ein Anzeigegerät für induktive Wegaufnehmer. Auflösung 0.1 µm / Teilstrich.
ABER! Ich hab keinen Wegaufnehmer zum Ausleihen. Und die sind inzwischen teuer geworden (200++ €). Ausleihdauer wäre kein Problem, ich hab nicht nur eines.;-)
Schreib mir eine PN wenn du das leihen willst.
Elektromechanische Pendeluhren gab es schon 1880.
Hier hätte ich kein Problem, empfindliche Kontakte oder Relais
gegen elektronische Komponenten zu tauschen.
Deswegen wird das noch längst keine Quarzuhr.
Auch ein Quarz ist ein mechanisches Bauteil welches schwingt.
Meine Armbanduhr, auch als "Terroristenuhr" bekannt, läuft mit ca 3,5 Sekunden/Monat der PTB-Zeit voraus. Da ist die Sekunde Abweichung/Monat bei Harrison wirklich beeindruckend.
Beitrag "Re: Das Hundertstausendstel Millimeter messen?"
Beschreibung einer hochgenauen Pendelmessung keine Lichtschranke
genommen?
Weil dort die ausklingende Auslenkung eines Pendels gemessen wird. Ein Messaufbau und das Ziel des Experimentes werden allerdings nicht beschrieben. Ich sehe nicht, wie dies dem TO nützen könnte.
Beim TO soll die Amplitude des Pendels konstant bleiben und das Bewertungsintervall ist zunächst noch offen. Natürlich wäre es schön, mit Messung einer einzigen Periode die zeitliche Abweichung eines ganzen Jahres einschätzen zu können.
So, wie ich die Sache einschätze, kann ein Messintervall auch 100 Sekunden oder 10 Minuten betragen. Der TO wird diesbezüglich eh Kompromisse eingehen müssen.
Weil dort die ausklingende Auslenkung eines Pendels gemessen wird. Ein
Messaufbau und das Ziel des Experimentes werden allerdings nicht
beschrieben. Ich sehe nicht, wie dies dem TO nützen könnte.
Nach meinem Verständnis möchte der TO in möglichst kurzer Zeit feststellen wie genau die Pendeluhr ist, die gewünschte Genauigkeit soll im Bereich 1 s pro Jahr liegen. Das geht mit "normalen" Lichtschranken aber nicht, man braucht andere Messmethoden z.B. so wie in der verlinkten Messung.
Ich habe vor einer Weile bei einer normalen Pendeluhr mit verschiedenen Lichtschranken aus dem Industriebereich für Maschienensteuerung gemessen, dabei kam man auf eine Streuung von etwa 1 ms je Pendelausschlag. Für die 1 s pro Jahr müsste man auf etwa 30 ns je Pendelausschlag genau messen.
Eben, der "Trick" dieses Herren um den vom Parlament ausgelobten Wettbewerb (Preisgeld: 20.000 £) um eine genau gehende Uhr zu gewinnen, lag u.a. darin eben kein Pendel als Periodenmass zu verwenden.
Diese Erkenntnis ("Pendel ist hinsichtlich Genauigkeit und Praktikabilität Scheisse") war schon damals weit verbreitet und bspw. wichtige Erkenntnisse zum zeitlichen Verlauf der Erdbewegung gewann man erst nach Einführung der elektronischen quarzstabilisierten Uhr durch Rohde und Schwarz im Jahre 1938:
Ich habe vor einer Weile bei einer normalen Pendeluhr mit verschiedenen
Lichtschranken aus dem Industriebereich für Maschienensteuerung
gemessen, dabei kam man auf eine Streuung von etwa 1 ms je
Pendelausschlag.
Die sind zu langsam und können intern mit im >= 10 kHz Bereich modulierten LEDs zur Störunterdrückung arbeiten. Für Steuerungen mit ms-Takt reicht das ja aus.
Da ich selber daran Interesse habe, mal meine Pendeluhren zu kontollieren, hatte ich mich nach Laserlichtschranken umgesehen und Angebote mit deutlich schnellerer Reaktionszeit gesehen aber nicht weiter bezüglich Daten, Verfügbarkeit und Preis verfolgt.
Aktuell fehlt mir allerdings die Zeit, das weiter zu verfolgen. Mit hoher Priorität perfektioniere ich gerade eine Fräskugel zur Reinigung meiner Abwasserleitung ;-)
Die sind zu langsam und können intern mit im >= 10 kHz Bereich
modulierten LEDs zur Störunterdrückung arbeiten. Für Steuerungen mit
ms-Takt reicht das ja aus.
Ist mir bekannt, aber auch mit einer "klassischen" Lichtschranke aus IR-Diode und Photodiode hat sich am Ergebnis wenig geändert (dieser Aufbau kam in einem Test mit gepulster Ansteuerung der IR-Diode problemlos in den Bereich von 10 µs Streuung). Ich denke dass es an der räumlichen Auflösung der Lichtschranke liegt, die liegt wohl eher im Bereich von mm anstelle von µm.
Wenn man das Pendel aus einem Buntmetalll macht,
könnte man das mit gelegentlichen kurzen Stromstössen
in einem nahe anliegenden Elektromagnet beeinflussen.
DC zum Abbremsen,
passende AC in passend dazu angeordnetem Magnet zum Anschubsen.
Ja, mit der Quintessenz, dass akustisch aufgenommenes, mechanisches
/Geticke/, für eine genaue Zeitmessung nicht recht taugt.
Was auch nicht verwundert, wenn man die verfügbare Bandbreite des
Triggersignals betrachtet.
Vorschläge, wie man optisch ein besseres Triggersignal erhält,
werden ja auch scheinbar ignoriert.
Ich fürchte mal, dass es mit der hochgenauen Messung der Pendellänge
hier genauso endet.
Ich fürchte mal, dass es mit der hochgenauen Messung der Pendellänge
hier genauso endet.
Das scheitert schon daran das der TO nicht in der Lage ist seine Pendellänge reproduzierbar, sagen wir mal, zehnmal ausreichend genau zu bestimmen. Also nicht nur die Messung anstoßen (Knöpfchen drücken, sondern die Messeinrichtung aufbauen, das Pendel einlegen und dann messen...
Früher reichte der Gong zur Tagesschau in der ARD um 20 Uhr.Oder man
wählte die "117" Beim nächsten Ton ist es:
Noch früher hat man einen Stock in die Erde gepiekt und geschaut wo der Schatten hinfällt. Wenn kein Schatten da war, war schlechtes Wetter und man ist im Bett geblieben.
Das schöne an Hobbies ist halt, man darf sich mit Problemen beschäftigen, die man eigentlich gar nicht hat :-)
Ja, mit der Quintessenz, dass akustisch aufgenommenes, mechanisches
Geticke, für eine genaue Zeitmessung nicht recht taugt.
Das das taugt beweisen Uhrmacher. Die verwenden sowas seit Jahrzehnten.
Bernd schafft es halt nicht ein ordentliches Wav File aufzunehmen.
Die sind doch schon froh, wenn sie eine Uhr mit ihren Schätzeisen
auf das 1/86400 eines Tages genau justieren können.
Was ja auch zur Bandbreite des Messaufnehmers passt.
Schon ein richtiger Körperschallsensor hätte seinerzeit bessere
Ergebnisse gebracht, als das so /hochwertige/ ☺ Mikrofon.
Aber über die Messung einzelner Nanometer lässt sich halt viel schöner
diskutieren :-)
Er könnte einfach die Atomlagen zählen...
Was auch nicht verwundert, wenn man die verfügbare Bandbreite des
Triggersignals betrachtet.
Die Bandbreite sollte niedrig sein, sonst misst du nur das Rauschen.
Zu kurzsichtig gedacht.
Optisch könnte noch schlechter sein. Umgebungslicht- und
Termperaturabhängigkeit.
Optisch hat man /viel/ bessere Möglichkeiten ein scharfes Maximum
bei der grössten(!) Pendelgeschwindigkeit zu erhalten.
Anwendung des Lichtzeigerprinzips analog zum Spiegelgalvanometer
Man könnte den Spiegel noch mit einem optischen Gitter aufwerten,
der dass reflektierte Signal mit einem /Chirp/ moduliert.
Das wirkt etwa wie ein Nonius an einem Messschieber.
Infrarot 2 Quadrantensensor für eine einfache Maximumdetektrion.
Magnetisch könnte genauer sein, und einfach in der Anwendung. Da
braucht man nur einen kleinen Magneten auf das Pendel kleben.
Luftspulen sind nur Luftnummern. ☺
Und nicht rückwirkungsfrei.
Da könnte man genauso behaupten, dass Luftspulen sich bei Erwärmung ausdehnen und der Impuls dewegen an einem anderen Ort die Triggerschwelle überschreitet.
Meine erste "Versuchsuhr" läuft auf ca. 1 Sekunde in 10
Tagen genau (Invarpendel).
Damit kennst du aber auch nur die /mittlere/ Gangabweichung.
Untauglich, wenn men kurzlebigere einzelne Einflussfaktoren
untersuchen will. Wolltest du das nicht mal?
Eben, der "Trick" dieses Herren um den vom Parlament ausgelobten
Wettbewerb (Preisgeld: 20.000 £) um eine genau gehende Uhr zu gewinnen,
lag u.a. darin eben kein Pendel als Periodenmass zu verwenden.
Diese Erkenntnis ("Pendel ist hinsichtlich Genauigkeit und
Praktikabilität Scheisse") war schon damals weit verbreitet
Fakenews.
Zu jeder Zeit waren und sind die genauesten mechanischen Uhren Pendeluhren. Bei dem Wettbewerb ging es um eine genaue Schiffsuhr. Auf Schiffen sind Pendeluhren keine gute Idee.
Luftspulen sind nur Luftnummern. ☺
Und nicht rückwirkungsfrei.
Klar sind die rückwirkungsfrei, wo warst du in Physik.
Alberne Polemik:
Wenn in der Spule eine Spannung induziert wird, hat eine Wechselwirkung
stattgefunden. Wechselwirkungen sind nie rückwirkungsfrei.
Ausser im Quantenbereich.
Und die viel interessantere Frage: Schätze doch mal ab, mit welchem
Jitter/zeitlicher Auflösung, man die Pendeldauer /einzelner/
Pendelperioden bestimmen kann.
Meine erste "Versuchsuhr" läuft auf ca. 1 Sekunde in 10
Tagen genau (Invarpendel).
Damit kennst du aber auch nur die /mittlere/ Gangabweichung.
Untauglich, wenn men kurzlebigere einzelne Einflussfaktoren
untersuchen will. Wolltest du das nicht mal?
Aber wenn du damit zufrieden bist.
Bisher hat es gereicht. Beim neuen Projekt "Präzisionspendeluhr"
muss genauer gemessen werden.
(Ich bin zu alt, um Monate oder Jahre zu beobachten).
Klar sind die rückwirkungsfrei, wo warst du in Physik.
Alberne Polemik:
Wenn in der Spule eine Spannung induziert wird, hat eine Wechselwirkung
stattgefunden. Wechselwirkungen sind nie rückwirkungsfrei.
Ausser im Quantenbereich.
Noch einer der in Physik geschlafen hat.
Und die viel interessantere Frage: Schätze doch mal ab, mit welchem
Jitter/zeitlicher Auflösung, man die Pendeldauer einzelner
Pendelperioden bestimmen kann.
Meine erste "Versuchsuhr" läuft auf ca. 1 Sekunde in 10
Tagen genau (Invarpendel).
Damit kennst du aber auch nur die /mittlere/ Gangabweichung.
Untauglich, wenn men kurzlebigere einzelne Einflussfaktoren
untersuchen will. Wolltest du das nicht mal?
Aber wenn du damit zufrieden bist.
Bisher hat es gereicht. Beim neuen Projekt "Präzisionspendeluhr"
muss genauer gemessen werden.
(Ich bin zu alt, um Monate oder Jahre zu beobachten).
Grüße Bernd
Dann machen wir doch die Rechnung einfach einmal auf:
1 Jahr hat 31,536,000 Sekunden. Der Fehler für eine Gangabweichung
von 1 Sekunde per Jahr, wäre der Kehrwert davon: 31,7 ns.
Das ist für die Messung einer Periode ganz sicher etwas zu
ambitioniert. Misst man über 1000 Schwingungen, werden daraus
schon 31,7 µs. 1000 Schwingungen wären etwas mehr als eine
Viertelstunde. Und dieser Wert von 31,7 µs wäre bei einer optischen
Abtastung des Pendels durchaus realistisch erreichbar.
Klar sind die rückwirkungsfrei, wo warst du in Physik.
Alberne Polemik:
Wenn in der Spule eine Spannung induziert wird, hat eine Wechselwirkung
stattgefunden. Wechselwirkungen sind nie rückwirkungsfrei.
Ausser im Quantenbereich.
Noch einer der in Physik geschlafen hat.
Was ist das für eine Aussage?
Und die viel interessantere Frage: Schätze doch mal ab, mit welchem
Jitter/zeitlicher Auflösung, man die Pendeldauer einzelner
Pendelperioden bestimmen kann.
Und die viel interessantere Frage: Schätze doch mal ab, mit welchem
Jitter/zeitlicher Auflösung, man die Pendeldauer einzelner
Pendelperioden bestimmen kann.
0.1 ppm oder 100 ns
Glaube ich. [ ]
Ich würde die Abschätzung mal als /praxisfremd/ bezeichnen.
In Anbetracht der geringen, in einer Luftspule induzierten Spannung,
ist der durch das Rauschen enstehende Jitter ja schon grösser.
Aber auch hier steht wieder das Problem
im Raum: Stimmt die Temperaturkompension?
Vor allem verändert sich die Luftdruckkompensation auch mit der Temperatur.
Jetzt musst du die Längenänderungsmesserei mit einem zweiten Parameter, dem Luftdruck, durchführen. Die Luftfeuchte pfuscht dann auch noch rein...
Aber auch hier steht wieder das Problem
im Raum: Stimmt die Temperaturkompension?
Vor allem verändert sich die Luftdruckkompensation auch mit der
Temperatur.
Jetzt musst du die Längenänderungsmesserei mit einem zweiten Parameter,
dem Luftdruck, durchführen. Die Luftfeuchte pfuscht dann auch noch
rein.
Das ist mir bekannt. Die Temperaturkompensation des Pendels muß
evtl. angepasst werden. Also schneller, wenn warm.
1000 Schwingungen wären etwas mehr als eine
Viertelstunde. Und dieser Wert von 31,7 µs wäre bei einer optischen
Abtastung des Pendels durchaus realistisch erreichbar.
Was auch ich nicht im Hinterkopf hatte: das Pendel schwingt mit 0,5 Hz.
Misst man jede Periode, so könnte man bei 500 Einzelwerten eine kleine Verbesserung mit linearer Regression gewinnen.
Bleibt immer noch offen, welche (Laser-)Lichtschranke konkret geeignet ist.
1000 Schwingungen wären etwas mehr als eine
Viertelstunde. Und dieser Wert von 31,7 µs wäre bei einer optischen
Abtastung des Pendels durchaus realistisch erreichbar.
Was auch ich nicht im Hinterkopf hatte: das Pendel schwingt mit 0,5 Hz.
Du bist ein schnell Merker
Der TO schrieb im Eingangsposting: "Ich plane gerade eine Präzisionspendeluhr.
Mit 0,5 Hz Pendel, ca. 1 Meter lang. Material wird Glaskeramik
(Ausdehnungsfaktor 0 (+- 0,5) ppm."
Meine erste "Versuchsuhr" läuft auf ca. 1 Sekunde in 10
Tagen genau (Invarpendel).
Glück gehabt, das in den 10 d keine Müllabfuhr oder anderer Schwerlasttransporter vorbeigerumpelt kam. In 'ner Stadt quietscht aller 10 Minuten die Strassenbahn um die Kurve, dann scheppert das Geschirr im Schrank und vorbei es ist mit der Genauigkeit.
Wobei, Stimmgabel, mechanisch abgetastet, gibt es auch noch.
Inzwischen hat aber auch die Laserabtastung erfunden, damit kann man Fensterscheiben zum Lauschangriff Mikrophonie missbrauchen.
Ich hatte mal von Omma eine Standardstanduhr, die konnte ich mit Hausmitteln soweit einjustieren, dass sie ca 6 Wochen konstant lief. War mir genau genug.
Ich hatte mal von Omma eine Standardstanduhr, die konnte ich mit
Hausmitteln soweit einjustieren, dass sie ca 6 Wochen konstant lief. War
mir genau genug.
Ist normal, aber hier kein Thema.
Bernd F. (metallfunk) baut besondere Uhren.
Ich hatte mal von Omma eine Standardstanduhr, die konnte ich mit
Hausmitteln soweit einjustieren, dass sie ca 6 Wochen konstant lief. War
mir genau genug.
Hausmittel ... Opa schrieb auf 'nen Zettel der an der Uhr klebte immer das Datum und den Gangunterschied zum Zeitsignal in den Radionachrichten wenn er mal wiederdie Rändelschraube um eine Position veränderte, in der Hoffnung so mal die richtige Position zu treffen...
"Standard-uhr" war wohl damals ein Qualitätsbegriff (gemeint ist wohl eher "Normal-Uhr" also eine Uhr die das zZitnormal vorgibt) und kein Synonym für "Massenweise Consumerscheiss".
In der Schweiz wurden die Normaluhren von einem Himmelsobservatorium ("Observatoire cantonal de Neuchâtel") gestellt. Irgendwas Astronomisches, Zeitpunkt des Höchstens Abstands über den Horizont oder Ähnliches. Die Schweizer waren ganz schön perplex, als sie feststellen mussten, das die Himmelsuhr auch nicht so konstant "tickt".
Es geht also darum, ein stillstehendes Pendel bei einer Änderung
von 1-20 K Unterschied zu vermessen.
Das ist nicht machbar, da ein Pendel - gerade in den Bereichen die du messen willst - nie still stehen kann. Anziehungskraft des Mondes, Erdachsrotation, Ausdenhung des Erdmantels über den Tagesverlauf zum Erdmittelpunkt... und noch viele andere Faktoren. Ein Pendel kann physikalisch auf der der Erde nicht still stehen.
Ich hatte mal von Omma eine Standardstanduhr, die konnte ich mit
Hausmitteln soweit einjustieren, dass sie ca 6 Wochen konstant lief. War
mir genau genug.
Dir ist bewusst WAS für Uhren der TO baut!? Er weiß schon wovon er spricht, glaub mir...
Ein Pendel kann
physikalisch auf der der Erde nicht still stehen.
Man kann sich natürlich ein Monat daneben stellen und hoffen, dass zu den Mondeffekten noch die Erdachse kippt, ein Erdbeben kommt und das Messmittel altert.
Oder 5 Minuten lang das Pendel erwärmen und dir die Schlaftabletten wegnehmen. Denn irgendwie scheint bei dir eine arge Zeitkrümmung vorzuliegen.
Oder 5 Minuten lang das Pendel erwärmen und dir die Schlaftabletten
wegnehmen. Denn irgendwie scheint bei dir eine arge Zeitkrümmung
vorzuliegen.
Eine Ausdehnung in 5 Minuten messen zu wollen... Da kann man es auch gleich sein lassen. Sowas wird in Langzeitmessungen mit wechselnden Bedingungen gemacht. "Eine Messung ist keine Messung!" Du arbeitest mit Sicherheit nicht in einem Labor, richtig?!
Eine Ausdehnung in 5 Minuten messen zu wollen... Da kann man es auch
gleich sein lassen.
Wenn er das Pendel erwärmst, dann ist es warm und änderte dadurch seine Länge. Was willst Du dabei noch abwarten?
Zusätzlich ist es egal ob das Pendel vollständig durchgewärmt ist. Es geht ihm darum die Längenausdehnung auf Null zu bringen. Egal wie groß die tatsächliche Temperaturänderung (im sinnvollen Bereich) war.
Sag einmal, bei deinem vorletzten Projekt sind mir die Zeiger
aufgefallen.
hast du die ausbalanziert?
hast du auch den Auftrieb der Zeiger berücksichtigt?
Deshalb, weil sie so fürchterlich lang sind frage ich hier noch einmal
nach.
Der Sekundenzeiger ist gewuchtet. Minutenzeiger und Stundenzeiger nicht.
Das spielt bei dieser Uhr auch keine Rolle.
Die hat eine Schwerkrafthemmung mit konstanter Kraft.
Das Räderwerk samt Zeigern hat keinen Einfluss auf die Antriebskraft
des Pendels. Natürlich muss das auch sauber laufen, da es in einer
Zehntelsekunde einen Hebel wieder anhebt. Der Zeitraum ist aber
unkritisch, während des Anhebens gibt es keinen Kontakt zum Pendel.
Luftdichte Änderungen sind nur beim Pendel interessant.
Einerseits schwimmt das Pendel in der luft. Größere Luftdichte
bedeuet mehr Auftrieb, das Pendel läuft schneller.
Andererseits bremst größere Luftdichte auch das Pendel, es wird
langsamer.
"Blöderweise hebt sich das nicht gegenseitig auf."
Ist angeblich machbar - ich kann es leider nur nicht momentan mit Beweisen belegen. Durch gezielt größere Auslenkung des Pendels lässt sich der Einfluß der Luftdichte größtenteils kompensieren. Die Luftdichte ist bekanntlich vom Luftdruck und seiner Temperatur abhängig (ideales Gas Gesetz). Es war vielleicht ohnehin J. Harrison der mit diesem Konzept Versuche machte.
Es gibt übrigens ein nützliches Buch über Pendel Design von Robert J. Matthys,
"Accurate Clock Pendulums".
Wobei dort doch eher der Weg der Schweizer Uhrenfabrikation gegangen ist, sauteurer repraesentativer Schmuck statt Messinstrument essentieller Notwendigkeit pragmatisch realisiert.
Bei Sattler finden sich auch konstruktive Hinweise (bspw.: Luftdruckkompensation):
Im Bild sieht man die Genauigkeit einer Fedchenko und einer Shortt Uhr im Vergleich zu einer Quarzuhr. Die Fedchenko hat einen Offset von 48 ms/Tag. Die Shortt hat ein Temperaturproblemchen.
Der Einfluss von Ebbe und Flut stimmt mit dem berechneten Einfluss gut überein. An einer Pendeluhr kann man die Mondstellung ablesen.
Bei der Genauigkeitsangabe über muss man immer aufpassen, dass sich die Temperaturunterschiede Winter/Sommer und Tag/Nacht nicht aufheben.
Mein Kollege hat in seiner Diss einen STM32F767ZI Evalboard mit einem U-Blox GPS zum Absolutzeitstempeln verheiratet. So ca. 40€ Hardware, sicher incl. Software irgendwo auf Gitlab (oä). Damit kann man Digitaleingänge auf ~40 ns zu UTC genau Zeitstempeln. Zeitstempel mit geschätzter Unsicherheit wird über Ethernet rausgeschickt. Nebenbei kann der auch über die div digitalen Schnittstellen i2c etc div Sensoren einlesen.. auch mit Zeitstempel, das war der eigentliche Zweck. Damit wären Luftdruck und Temperatur Feuchte etc auch gleich erfasst.
Meine erste Idee/Frage auf deinen Post:
ist es nur "zum Spielen"? Oder "zeigen"? Nach dem Motto - schaut her, ich habe eine "PräzisionspendeluhrmitWahnsinnsKompensation".
oder
verfolgt es einen bestimmten Zweck?
