Автор: Павел Тишин
Проблема регулировки точности хода механических часов существует с давних времен. Особенно важным это было для навигационных часов, которые использовались на кораблях для определения географической долготы. Этот вопрос подробно рассматривается ещё в работе 1673 года Horologium Oscillatorium (Маятниковые часы) выдающегося математика и механика, изобретателя маятниковых часов Христиана Гюйгенса (рис. 1) [1]. Чтобы регулировать погрешность хода часов своей конструкции, Гюйгенс предусмотрел возможность изменения длины маятника. Для регулировки точности предлагался следующий метод: нужно было выбрать звезду на небе, которая бы в определенное время скрывалась бы за каким-нибудь объектом (например, за домом или трубой). В этот же момент записывались показания часов. Подобное наблюдение повторяли на следующий день или через несколько дней. Зная различие в показаниях, можно было определить, как изменить длину маятника для корректировки точности хода. Здесь нужно отметить, что Гюйгенс предполагал, что длина суток существенно зависит от времени года (согласно его измерениям, разница в длине суток составляла почти полчаса). Для учета этого отклонения он разработал специальную таблицу поправок. Как мы знаем сегодня, длина суток действительно не совсем постоянна в течении года, но отклонение намного меньше, чем считал Гюйгенс. Вероятнее всего, такие большие величины у него возникли из-за того, что он не знал об изменении длины маятника в зависимости от температуры окружающей среды.
(Рис. 1) Маятниковые часы Гюйгенса
С дальнейшим развитием науки стало ясно, температура окружающей среды влияет на погрешность хода часов. Высокоточные астрономические маятниковые часы стали располагать в помещениях, где в течение года поддерживалась постоянная температура. Совершенствовалась и конструкция морских хронометров. Уже в 20-е годы 19-го века в Гринвичской обсерватории были разработаны методики официальной проверки хронометров для определения их пригодности к мореходству [2]. Испытания проводились в течение 29-ти недель при различных температурах. Проводили измерения суточного хода при фиксированных внешних условиях, а потом определяли изменение суточного хода при изменении температуры. Показатель качества определяли с помощью оценочного числа, высчитываемого по формуле:
N = a + 2b
где a – разность между наибольшим и наименьшим значением недельного хода, b – максимальная разность двух последовательных значений недельного хода.
В 60-е годы 19-го века более продвинутая методика испытаний хронометров была разработана русским ученым О.В. Струве [3], работавшим в Пулковской обсерватории. Ход хронометра определяли последовательно три раза при 5, 15, 25, 35 R с выдержкой при каждой температуре в течение 4-5-ти суток. Смежные периоды испытаний разделялись двумя сутками, в течение которых осуществлялся переход от одной температуры к другой. Поправки испытуемых хронометров определяли при помощи специального хронометра – тридцатибойщика, который в течение 6 секунд делал 13 ударов с промежутком 0.462 сек. Поправка определялась при совпадении ударов обоих хронометров, причем ошибка определения поправки составляла не более 0.038 сек. Сам тридцатибойщик регулировали по астрономическим маятниковым часам, которые, в свою очередь, регулировали по результатам астрономических наблюдений.
Зависимость суточного хода хронометра от температуры выражалась по формуле:
Коэффициенты A и B определяли с помощью метода наименьших квадратов по результатам 12-ти испытаний. При выборе посредине диапазона температур, в которых проходили испытания, коэффициент A обозначали буквой C и называли температурным коэффициентом хода.
В связи с появлением высококачественных карманных часов, для них в конце 19-го века также стали разрабатываться методы испытаний и регулировки. Была установлена важность определения позиционной ошибки, вызванной некоторым несовпадением центра масс баланса с его геометрическим центром. Программа испытаний карманных часов первоначально была разработана в Женевской обсерватории в 1879 году. По ней часы испытывали в продолжении 44-х суток. Испытания делились на 8 периодов. Первые 3 периода часы испытывали при 18 С в положениях головкой вверх, вправо и влево, с 4 по 7 периоды часы испытывали в положении циферблатом вверх при 4, 18, 38, 18 С, в 8 периоде проводились испытания при температуре 18 С заводной головкой вверх. Определяли отклонение суточного хода, позиционные погрешности, погрешность изохронности (зависимость точности хода от степени завода пружины), температурный коэффициент хода (характеризует зависимость точности хода от температуры)
Комплексный показатель качества часов определяли по формуле [4]:
где N оценочное число (от 0 до 1000), E – среднее отклонение суточного хода Ep, – среднее отклонение суточного хода по позиционным испытаниям, C – температурный коэффициент хода, R – восстановление хода, которое определяется как разность между средними арифметическими значениями суточного хода при максимальном и минимальном заводе пружины.
Весьма подробно процесс регулировки точности хода высококачественных часов рассматривается в книге Юлиуса Гене [5]. Помимо методики проверки часов в разных положениях, Гене описывает конструкцию климатических камер для определения суточного хода часов при повышенных и пониженных температурах.
До начала 20-го века погрешность хода часов определяли либо посредством астрономических наблюдений, либо при сравнении с эталонными часами. Процесс занимал весьма длительное время, но уже в 30-е годы были разработаны приборы, которые позволяли измерять отклонение суточного хода посредством сравнения хода часов и эталонного генератора (патенты US1851835A, US1851781A). В дальнейшем появились более совершенные приборы, позволявшие записывать диаграмму хода на бумажную ленту (рис. 2) (Чарльз Феттер, Джон Мэттьюс, US2155646A). Принцип действия таких приборов заключался в сравнении частоты шумов спуска часов (тиканья) (рис. 3), возникающего из-за ударов анкерного колеса о палеты вилки, а также взаимодействия баланса с анкерной вилкой с частотой эталонного генератора. Прибор состоял из микрофона, в котором можно было закрепить часы в разных положениях, генератора эталонной частоты, усилителя, электрического мотора, специального электромагнитного печатающего устройства и наушников, позволявших услышать тиканье часов. Разработка этих приборов существенно понизила погрешность и ускорила процесс регулировки часов массового производства. По диаграмме можно было не только узнать погрешность хода, но и определить различные неисправности часового механизма (рис. 4).
(Рис. 2) Первый прибор для проверки точности часов
Выборочный контроль погрешности изохронности, позиционной погрешности и расчет оценочных чисел для наручных часов впервые были введены во Франции в 1949 году в техническом центре часовой промышленности Cetehor. В нашей стране выборочный контроль наручных часов по оценочным числам был введен в 1956 году [9], в Швейцарии – в 1962 г.
(Рис. 3) Осциллограмма шумов часового механизма
Для диагностики применялись описанные выше электромеханические приборы проверки точности хода типа ППЧ, амплитудомеры и климатические камеры. Схема испытаний состояла в следующем: на первом этапе часы заводили, и они выхаживали в течение 24-25 часов, на втором этапе снимались диаграммы мгновенного хода при температуре 20С, потом часы ещё раз заводили, они выхаживали в течение 15-20 минут, еще раз при температуре 20С записывали диаграмму мгновенного хода. Потом часы заводили в третий раз, они выдерживались в течение 2-2.5 часов в климатической камере при температуре 36С, затем при этой же температуре снимали диаграмму мгновенного хода. В СССР в основном применялись приборы-вибрографы классической на тот момент конструкции с записью на бумажную ленту типа ППЧ-6М и ППЧ-7М (рис.5), выпускавшиеся московским заводом Физприбор и Раменским приборостроительным заводом. Конструктивно приборы отличались тем, что в ППЧ-7М имелся встроенный генератор эталонной частоты, а для ППЧ-6М требовалось подключение к заводской электросети со стабилизированной частотой 50Гц. К недостаткам этих приборов можно было отнести небольшую производительность: для определения точности хода требовалось, чтобы часовой механизм находился на микрофоне в течение нескольких минут.
(Рис. 4) Диагностика неисправностей по диаграмме хода
В начале 70-х годов за рубежом начали серийно выпускаться более производительные приборы проверки хода, которые позволяли получать значение точности хода в цифровом виде. К такого рода приборам, например, относилась установка Digital производства фирмы Greiner. Данная установка позволяла проверить за 8 часов 580 штук часовых механизмов. У подобных установок, тем не менее, был минус: диаграмма хода отсутствовала, и таким образом было невозможно провести диагностику возможных неисправностей часового механизма. В начале 70-х годов в СССР начали разрабатываться компьютеризированные установки для проверки точности хода, предназначенные для применения в условиях массового производства [10].
В связи с развитием промышленности и началом серийного выпуска кварцевых часов, перед приборостроительной промышленностью была поставлена задача разработки приборов проверки точности хода специально предназначенных для работы с кварцевыми механизмами. Задача была успешно решена, и во второй половине 70-х годов начался выпуск приборов для проверки кварцевых часов П-157 и П-159. Данные приборы содержали высокоточный кварцевый генератор, построенный на базе термостабилизированного кварцевого резонатора, имевшего частоту 4320 кГц. Данный кварц был разработан специально для применения в приборах, не имевших микропроцессора. Его частота была такова, что позволяла применять схемы деления с помощью простых логических элементов.
В конце 70-х годов Челябинский часовой завод Молния начал выпуск приборов для калибровки приборов проверки хода П151М Имитик. Данный электронный прибор позволял выдавать на пьезоголовку приборов типа ППЧ сигналы, имитирующие импульсы механических часов.
(Рис. 5) Приборы П-180 и ППЧ-7М
Из более поздних малогабаритных приборов проверки хода следует выделить прибор П-180, разработанный в 1987 году в СКБ часового и камневого станкостроения, серийно выпускавшийся на 2-м Московском часовом заводе и Владикавказском приборостроительном заводе. Блок кварцевого генератора в данном приборе был аналогичен описанным выше приборам П-157 и П-159. Данный прибор имел гибридную индикацию: помимо традиционной бумажной ленты, он мог самостоятельно с помощью встроенного микропроцессора КР580ВМ80А обрабатывать шумы часового механизма и выводить на цифровой индикатор параметры точности хода, выкачки и амплитуды колебаний, а также самостоятельно определять частоту колебаний баланса. Кроме того, данный прибор имел возможность подключения индуктивного датчика для регулировки кварцевых часов. Прибор П-180 создавался в годы начала развала часовой промышленности, поэтому планов по его развитию и доработке уже не было.
В начале 90-х годов по заказу 1 Московского часового завода имени Кирова Минским приборостроительным заводом был разработан принципиально новый для отечественной промышленности прибор ППЧ-1Э, имевший жидкокристаллический дисплей для вывода диаграммы хода и параметров в цифровом виде. Данный прибор и его модификации выпускались до 2010 года.
(Рис. 6) ППЧ-1Э
С конца 00-х годов в Новосибирске малыми сериями выпускался прибор Analog Master для работы с механическими часами..
В 2007 году бывшие сотрудники СКБ Часового и камневого станкостроения организовали фирму НПФ Полет, специализацией которой был выпуск приборов для часовой промышленности. Одной из первых разработок стал прибор проверки точности хода ППЧ-2007. Данный микропроцессорный прибор отличался от своих предшественников портативностью, малыми габаритами, наличием жк дисплея и встроенным пьезо датчиком. Он предназначался для работы с кварцевыми и механическими часами. ППЧ-2007 выпускался до 2014 года. На смену ему пришел прибор ППЧ-2010, предназначенный для работы с кварцевыми часами, выпускающийся до сих пор. Для работы с механическими часами с 2014 года стали выпускаться приборы ППЧ-2007М и его модификации. Все устройства портативны и обладают возможностью подключения внешних микрофонов.
(Рис. 7) ППЧ-2007М для диагностики механических часов
(Рис. 8) ППЧ 2010 для диагностики кварцевых часов
Также компания НПФ Полет выпускает микропроцессорный тестер АЛИОТ. Данное устройство позволяет измерять напряжение и состояние батареек, проверять работоспособность кварцевых часов и проводить диагностику кварцевых часов MIYOTA.
В последние годы активно развиваются приборы проверки точности хода механических часов с возможностью автоматической диагностики неисправностей с помощью методов компьютерного анализа спектров шумов часового механизма [11].
Автор благодарит Виктора Сергеевича Буторина за консультации в процессе подготовки материала.
Приобрести приборы проверки часов производства НПФ Полёт можно через Первую часовую школу или напрямую в компании – НПФ Полёт
Литература
- Christiaan Huygens. Horologium Oscillatorium: Sive de Motu Pendulorumad Horologia Aptato Demonstrationes Geometricae (Маятниковые часы, или геометрические построения о движении маятника, в применении к часам), 1673.
- Rickett G.W. The Chronometer Department of the Royal Greenwich Observatory/ — Horological Journal, 1955, № 1160 (May).
- Струве О.В. Исследование о компенсации хронометров. – Морской сборник, 1856, т. XXI, № 4.
- Detisheim Paul. La spiral reglant et la balancier depuis Huygens jusqu’a nos jours. Lausanne. Editions du Journal Suisse d’Horlogerie. MCMXLV.
- Гене Ю. Полный курс часового мастерства по новейшим данным. Тбилиси, 1896
- Патент США US1851835A
- Патент США US1851781A
- Патент США US2155646A
- Пацин Н.И. Методы и средства ускоренного выборочного контроля наручных часов массового выпуска. Дисс. канд. техн. н. Москва, 1978.
- Вашкевич Н.П. и др. Исследование потока сигналов на входе системы массового автоматического контроля качества хода часов. Приборы и устройства автоматического управления и контроля. Сб. трудов. Пензенский политехнический институт, Пенза, 1970.
- Su Shuang. Signature analysis of mechanical watch movements. M.Phil. thesis. The Chinese University of Hong Kong, 2007
Copyright Watchschool.ru
Great