Präzisionspendeluhren – Meisterwerke der Zeitmessung
Das Kompensations-Pendel
Das Pendel ist bis heute das genaueste mechanische Schwingsystem. Die Schwingungsdauer wird durch seine Länge und die uns umgebende Schwerkraft bestimmt. Diese Entdeckung machte Galileo Galilei 1585 und verhalf damit der Zeitmessung zum Durchbruch. Seinen Beobachtungen zufolge benötigt ein Pendel, unabhängig von seiner Schwingungsamplitude, immer die gleiche Zeit, wir sprechen heute von Isochronismus. Bei genauerer Betrachtung ist dies jedoch nur für sehr kleine Schwingungsweiten annähernd richtig. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Ganggenauigkeit des Pendels in einer Uhr von einer konstanten Länge, einer konstanten kleinen Schwingungsweite und einer konstanten Antriebskraft abhängt.
Die Länge eines Pendels, genauer gesagt die Länge der Pendelstange, ist jedoch von äußeren Einflüssen wie der Temperatur abhängig. Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt bei den meisten festen Stoffen eine Ausdehnung, beim Pendelstab also eine Verlängerung. Bei Abkühlung zieht sich der Pendelstab zusammen und wird kürzer. Das Ergebnis ist eine Verlängerung der Schwingungsdauer bei Erwärmung und eine Verkürzung der Schwingungsdauer bei Abkühlung. Die geringen, temperaturbedingten Längenänderungen unserer Pendelstäbe aus Invar werden zusätzlich durch ein exakt berechnetes, frei bewegliches Kompensationsrohr ausgeglichen. Somit findet weder bei Temperaturerhöhung, noch -verringerung eine Längenveränderung statt. Die wirksame Pendellänge bleibt gleich und somit auch der Gang der Uhr.
Die Luftdruckkompensation durch das Barometerinstrument
Neben Temperaturänderungen, deren Auswirkung durch die Temperaturkompensation ausgeglichen wird, verursachen auch Luftdruckschwankungen Gangänderungen. Daraus folgt, wie Messungen auf unserem eigenen Pendelprüfstand gezeigt haben, dass sich bei extremen Druckveränderungen von 100 mbar der Gang einer Pendeluhr um etwa ein bis zwei Sekunden pro Tag verändern kann. Zum Ausgleich dieser Abweichungen entwickelte die Firma Riefler eine Luftdruckkompensation durch Aneroiddosen, wie sie auch in Dosenbarometern und Höhenmessern Verwendung finden.
Eine gute Präzisionspendeluhr zeichnet sich durch ein konstantes Gangverhalten aus und wird durch äußere Störeinflüsse nicht beeinträchtigt. Das am Pendel befestigte Barometerinstrument kompensiert Gangschwankungen, die durch Luftdruckänderungen verursacht werden. Genauer gesagt sind es die Veränderungen der Luftdichte beziehungsweise des Luftgewichts, das sich proportional zum Luftdruck verhält. Die Gangschwankungen bei steigender Luftdichte resultieren aus dem stärkeren Auftrieb des Pendels. Dieser verursacht zusammen mit anderen Einflussfaktoren, wie dem erhöhten Luftwiderstand, eine Verlangsamung der Pendelschwingung. Die Funktion der Kompensation beruht auf Veränderungen des Trägheitsmoments des Pendels durch das Verschieben einer Masse am Pendelstab und bewirkt eine Änderung der Schwingungsdauer. Die Verschiebung erfolgt bei dieser Art der Kompensation durch die fünf Aneroiddosen oder Barometerdosen mit dem sich darauf befindlichen Gewicht. Jede dieser Dosen besteht aus zwei dünnen, im Unterdruck zusammen gelöteten Metallmembranen. Ein Ansteigen des Luftdrucks außerhalb der Dosen drückt diese zusammen und senkt so das Auflagegewicht ab. Temperatureinflüsse wirken sich durch die Konstruktion der Dosen nicht auf den Gesamthub aus.
Das Gegengesperr
Während Sie eine Präzisionspendeluhr aufziehen, wird das Stahlseil auf die Seilwalze aufgerollt und so das Gewicht nach oben bewegt. Weil das Gewicht in dieser Zeit nicht auf das Räderwerk wirken kann, würde die Uhr während des Aufziehvorgangs nicht angetrieben werden, die Zeitanzeige würde also zurückbleiben. Dies wird bei jeder Sattler Präzisionspendeluhr durch ein sogenanntes Gegengesperr auf der Walzenradwelle verhindert.
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