Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zegar ze swobodnym wahadłem

tsmki 26 Lip 2018 13:37 2988 11
  • Zegar ze swobodnym wahadłem
    Popularne jest amatorskie budowanie najróżniejszych zegarów: na LEDach, na lampach NIXI, zegarów widmowych. Zbudowany przeze mnie zegar jest zegarem wahadłowym, a więc takim, który do odmierzania czasu wykorzystuje ruch drgający wahadła. Dlaczego nazywa się on zegarem ze swobodnym wahadłem?
    Zegar ze swobodnym wahadłem
    Dokładność takiego zegara zależy od konstrukcji jego wahadła, np. od minimalizowania wpływu temperatury, ale też od sposobu dostarczania energii podtrzymującej ruch drgający wahadła oraz pobierania energii od wahadła w celu wprawienia w ruch wskazówek. W klasycznych zegarach mechanicznych odpowiada za to mechanizm wychwytu oraz zestaw kół zębatych. Aby dokładność zegara była jak najlepsza, wahadło powinno wahać się całkowicie swobodnie, bez obciążania go żadnym mechanizmem. Natomiast energia powinna być dostarczana bardzo małymi porcjami, w momencie gdy wahadło znajduje się w najniższym położeniu i tylko wtedy, gdy amplituda drgań wahadła spada poniżej dopuszczalnej wartości. Dostarczanie energii w zbyt dużych dawkach powoduje wzrost amplitudy drgań, co skutkuje spadkiem dokładności. Amplituda drgań wahadła nie powinna przekraczać kilku stopni.
    "Sercem" mojego zegara jest wahadło z zamocowanym na jego końcu walcowym magnesem neodymowym. W podstawie zegara, w punkcie leżącym pod jego pozycją spoczynkową, umieszczona jest wielozwojowa cewka indukcyjna. W wyniku ruchu wahadła tuż nad cewką, w cewce indukuje się napięcie, które przesyłane jest do "mózgu" zegara. Jest nim mikroprocesor PIC12F683, który analizuje zaindukowane napięcie i w odpowiedniej chwili dostarcza do cewki impuls napięciowy, podtrzymujący ruch wahadła.
    Gdy magnes na końcu wahadła zbliża się do cewki, w cewce indukowane jest napięcie ujemne, gdy przechodzi nad środkiem cewki, napięcie ma wartość zerową, gdy się oddala, ma wartość dodatnią.
    Zegar ze swobodnym wahadłem
    Amplituda impulsów indukowanych w cewce zależy od szybkości przemieszczania się magnesu nad cewką, a zatem i od amplitudy drgań wahadła. Dokonując pomiaru zaindukowanego napięcia po ściśle określonym czasie od minięcia przez wahadło punktu równowagi, możemy ocenić, jaka jest amplituda drgań, a zatem czy należy dostarczyć impuls pobudzający drgania, czy też nie. Im większa będzie dobroć układu drgającego, tym rzadsza będzie potrzeba dostarczania tego impulsu. Przy ciężkim wahadle, odpowiednio zamocowanym na sprężynce wahadłowej, może to być raz na kilkanaście wahnięć.




    Zegar ze swobodnym wahadłem
    Do pokazywania czasu zastosowałem mechanizm zegara kwarcowego, napędzanego baterią 1,5V. Z mechanizmu usunąłem płytkę z rezonatorem i układem scalonym, wykorzystałem jedynie mechanizm zębatkowy napędzany silniczkiem krokowym. Wyprowadzenia tego silniczka podłączyłem do portów mojego procesora. Procesor generował impuls co jedną sekundę na zmianę to na jednym, to na drugim wyprowadzeniu silniczka.
    Wykonałem trzy różne zegary o różnej długości wahadła. Największy miał wahadło o tzw. długości zredukowanej 994 mm, a zatem półokres wahań wynosił dokładnie 1 sekundę (wahadło 2-sekundowe). Kolejne miały półokres wahań równy 1/3 sekundy(110 mm)oraz 1/4 sekundy (62 mm). Zatem impuls do silniczka krokowego generowany był odpowiednio co jedno, co trzecie lub co czwarte przejście wahadła nad punktem równowagi.
    Zegar ze swobodnym wahadłem Zegar ze swobodnym wahadłem Zegar ze swobodnym wahadłem Zegar ze swobodnym wahadłem Zegar ze swobodnym wahadłem Zegar ze swobodnym wahadłem
    Zegary zasilam popularną baterią litowo-jonową typu 18650, wystarczającą na wiele miesięcy pracy zegara. Do procesora dołączyłem diodę referencyjną typu LM385-1.2, dającą napięcie 1,2V. Wykorzystuję ją do sprawdzania napięcia baterii. Gdy procesor wykryje, że napięcie baterii spadło poniżej 3,28V wówczas sygnalizuje to podwójnym ruchem sekundnika co dwie sekundy. Zegar może pracować z baterią rozładowaną do około 2 V, ale należy unikać takiej sytuacji ze względu na możliwość zniszczenia baterii.
    Cewka indukcyjna powinna mieć kilka tysięcy zwojów. W zegarze dwusekundowym nawinąłem 2000 zwojów przewodem DNE0,12, natomiast w pozostałych nawinąłem 500 zwojów licą 7xDNE0,07. Końcówki uzwojeń rozplotłem, a następnie połączyłem szeregowo (koniec jednego druciku z początkiem kolejnego!) tak by uzyskać 3500 zwojów. Cewki nie mają rdzenia, nawijane na karkasie o średnicy 6 mm.
    Sprężynki do zawieszenia wahadła wykonywałem z 2 mm szerokości paska cienkiej blaszki wyciętej z żyletki. Pręt wahadła należy wykonać z materiału o możliwie małym współczynniku rozszerzalności termicznej, dobrze sprawdza się pręt z włókna węglowego. Długość wahadła należy dobrać tak, by uzyskać wymagany okres drgań wahadła. Należy uwzględnić możliwość precyzyjnego ustawienia okresu drgań, służy temu dodatkowy ciężarek umieszczany na wahadle - mosiężna nakrętka, której obracanie zmienia rozmieszczenie mas na wahadle.
    Trzeba pamiętać, że w pobliżu magnesu na końcu wahadła nie powinny znajdować się materiały ferromagnetyczne, stalowe gwoździe i śrubki. Również należy uważać z elementami mosiężnymi i miedzianymi. Poruszający się w ich pobliżu magnes wzbudza w nich prądy wirowe, które wyhamowują ruch magnesu. Dlatego podstawę zegara warto robić z drewna, tworzyw sztucznych, laminatu, marmuru itp. materiałów.
    Układ elektroniczny zawiera jedynie procesor w podstawce, diodę referencyjną zasilaną przez rezystor 100 kΩ oraz złącza do baterii, cewki i silniczka krokowego. Zmontowany został na niewielkiej płytce wyciętej z płytki uniwersalnej.
    Ideę zegara ze swobodnym wahadłem zaczerpnąłem ze strony:
    http://sound.whsites.net/clocks/free-pendulum.html
    Pliki typu hex zawierające wsad procesora należy uzyskać zmieniając ich rozszerzenie txt na hex.


    Fajne!
  • #2 26 Lip 2018 15:01
    3149400
    Użytkownik usunął konto  
  • #3 26 Lip 2018 15:42
    tsmki
    Poziom 10  

    Oczywiście z rezonatorem kwarcowym wahadło nie jest w stanie konkurować, zwłaszcza w wykonaniu amatorskim.
    Daje się ustawić dokładność rzędu pojedynczych sekund na dobę. Na dłuższą metę na pracę zegara wpływają czynniki środowiskowe: ruch powietrza w pokoju podczas wietrzenia, drgania przy otwieraniu szafek w regale, na którym stoi zegar, nagrzewanie przez bezpośrednie padanie promieni słonecznych w pewnej porze dnia. Oczywiście można te wpływy ograniczać, stosując osłony, masywne podstawy i tym podobne.
    Ale bez przesady - ten zegar nie jest wzorcem czasu, tylko efektem realizacji hobby.

  • #4 26 Lip 2018 19:53
    necavi
    Poziom 17  

    Retro w elektronice przybiera ciekawe postacie. O ile zastosowanie lamp w wzmacniaczach i wyświetlaczy Nixie w zegarach było pozostaniem w świecie elektroniki (tylko tej starszej), to tutaj mamy dosyć udaną próbę sprzęgnięcia konstrukcji mechanicznej z elektroniką. Mnie się ten kierunek (moda) podoba.

  • #5 26 Lip 2018 21:05
    omin172
    Poziom 12  

    tsmki napisał:
    Do pokazywania czasu zastosowałem mechanizm zegara kwarcowego, napędzanego baterią 1,5V. Z mechanizmu usunąłem płytkę z rezonatorem i układem scalonym, wykorzystałem jedynie mechanizm zębatkowy napędzany silniczkiem krokowym. Wyprowadzenia tego silniczka podłączyłem do portów mojego procesora. Procesor generował impuls co jedną sekundę na zmianę to na jednym, to na drugim wyprowadzeniu silniczka.


    Znaczy wahadło nie jest połączone z mechanizmem, a procesor nie tyle generuje impuls co sekundę, co w/g ruchu wahadła.

  • #6 27 Lip 2018 10:27
    PEJO
    Poziom 21  

    Piękne konstrukcje! Ale poco ten procesor? Spróbuj analogowo. Co myślisz o obrotowych "wachadłach"?

  • #7 27 Lip 2018 11:19
    szeryf3
    Poziom 15  

    Mogę tylko powiedzieć ,,chylę czoło".

  • #8 27 Lip 2018 12:16
    tsmki
    Poziom 10  

    Do Omin172:
    wahadło nie jest połączone z żadnym mechanizmem, na tym polega swobodne wahadło. Procesor generuje dla silniczka impuls co odpowiednią liczbę wahnięć. Czas wskazywany przez wskazówki jest wyznaczany przez ruch wahadła a nie wewnętrzny zegar procesora.

    Do PEJO:
    analogowy układ podtrzymywania ruchu wahadła zrobić dość łatwo, natomiast gorzej z generacją impulsów do silniczka i to w dodatku co któreś wahnięcie. Taki układ byłby dużo bardziej rozbudowany, pobierałby znacznie więcej prądu, co przekłada się na czas pracy na jednym ładowaniu akumulatora. Ponadto układ analogowy byłby znacznie mniej powtarzalny, kłopotliwy w doborze punktów pracy, stałych czasu itp.

  • #9 27 Lip 2018 12:44
    kris8888
    Poziom 27  

    tsmki napisał:
    Dokonując pomiaru zaindukowanego napięcia po ściśle określonym czasie od minięcia przez wahadło punktu równowagi, możemy ocenić, jaka jest amplituda drgań, a zatem czy należy dostarczyć impuls pobudzający drgania, czy też nie.

    A nie lepiej dostarczać niewielki impuls energii (zawsze dokładnie taki sam) przy KAŻDYM przejściu wahadła w okolicy cewki? Unika się wówczas tego pomiaru i przeliczania zaindukowanego napięcia oraz nieregularnego w czasie pobudzania wahadła, co może mieć jakiś wpływ na dokładność.
    Tak jest w zasadzie w tradycyjnych zegarach mechanicznych, gdzie wahadło też jest pobudzane co każdy okres albo energią sprężyny albo energią potencjalną ciężarków a dokładność jednak mają lepszą niż te parę sekund na dobę.
    Kiedyś Metron też produkował zegary elektroniczno-mechaniczne, co prawda z balansem sprężynowym z magnesami, ale pobudzanym cyklicznie przez zwykły generator LC na jednym tranzystorku. Dokładność chodu tych zegarów była całkiem przyzwoita.

  • #10 27 Lip 2018 15:47
    Mark II
    Poziom 20  

    kris8888 napisał:
    Kiedyś Metron też produkował zegary elektroniczno-mechaniczne, co prawda z balansem sprężynowym z magnesami, ale pobudzanym cyklicznie przez zwykły generator LC na jednym tranzystorku. Dokładność chodu tych zegarów była całkiem przyzwoita.

    Czy nie były to mechanizmy kamertonowe?

  • #11 27 Lip 2018 16:02
    omin172
    Poziom 12  

    tsmki napisał:
    Do Omin172:
    wahadło nie jest połączone z żadnym mechanizmem, na tym polega swobodne wahadło. Procesor generuje dla silniczka impuls co odpowiednią liczbę wahnięć. Czas wskazywany przez wskazówki jest wyznaczany przez ruch wahadła a nie wewnętrzny zegar procesora.


    Nie znam fachowej z tej dziedziny terminologii, ale sprzężenie tu występuje (elektromagnetyczne), więc nie jestem pewien, czy można mówić o wahadle swobodnym w ścisłym tego słowa znaczeniu. Lepiej by było zastosować sprzężenie zwrotne optyczne -- byłoby bliżej doskonałości ;).

  • #12 27 Lip 2018 16:13
    kris8888
    Poziom 27  

    Mark II napisał:

    Czy nie były to mechanizmy kamertonowe?

    Nie, tam był balans sprężynowy. Nie mam teraz jak zrobić zdjęcia takiego zegara, ale zdjęcie identycznego mechanizmu znalazłem gdzieś w sieci: