Balanswiel - Balance wheel

Balanswiel in een wekker uit de jaren 50, de Apollo, van Lux Mfg. Co. met de balansveer (1) en regelaar (2)

Modern balanswiel in een uurwerk

Evenwichtswiel in pendule . De spiraalvormige balansveer is bovenaan zichtbaar.

Een balanswiel , of balans , is het tijdwaarnemingsapparaat dat wordt gebruikt in mechanische horloges en kleine klokken , analoog aan de slinger in een slingeruurwerk . Het is een verzwaarde wiel dat heen en weer draait en naar zijn middenpositie wordt teruggebracht door een spiraalvormige torsieveer , bekend als de balansveer of haarveer . Het wordt aangedreven door het echappement , dat de roterende beweging van de tandwieltrein van het horloge omzet in impulsen die aan het balanswiel worden afgegeven. Elke zwaai van het wiel (een 'tick' of 'beat' genoemd) stelt de tandwieltrein in staat om een ​​bepaalde hoeveelheid vooruit te gaan, waarbij de wijzers naar voren worden bewogen. Het balanswiel en de veer vormen samen een harmonische oscillator , die door resonantie bij voorkeur oscilleert met een bepaalde snelheid, de resonantiefrequentie of 'beat', en weerstand biedt aan oscilleren met andere snelheden. De combinatie van de massa van het balanswiel en de elasticiteit van de veer houdt de tijd tussen elke oscillatie of 'tik' zeer constant, goed voor het bijna universele gebruik als tijdwaarnemer in mechanische horloges tot op heden. Vanaf de uitvinding in de 14e eeuw totdat stemvork- en kwartsuurwerken beschikbaar kwamen in de jaren zestig, gebruikte vrijwel elk draagbaar tijdwaarnemingsapparaat een vorm van balanswiel.

Overzicht

Tot in de jaren 1980 balans wielen werden de tijdwaarneming technologie die wordt gebruikt in chronometers , bankkluis tijd sloten , tijd ontstekers voor munitie , wekkers , keuken timers en stopwatches , maar kwarts technologie is meer dan deze aanvragen genomen, en de belangrijkste overige toepassingen in de kwaliteit van mechanische horloges .

Moderne (2007) balanswielen voor horloges zijn meestal gemaakt van Glucydur , een legering met lage thermische uitzetting van beryllium , koper en ijzer , met veren met een lage thermische coëfficiënt van elasticiteitslegeringen zoals Nivarox . De twee legeringen zijn op elkaar afgestemd, zodat hun resterende temperatuurreacties opheffen, wat resulteert in een nog lagere temperatuurfout. De wielen zijn glad, lucht wrijving te verminderen en de scharnierpunten worden ondersteund op precisie juweel lagers . Oudere balanswielen gebruikten gewichtsschroeven rond de velg om de balans (balans) aan te passen, maar moderne wielen zijn in de fabriek computergestuurd, waarbij een laser een precieze put in de velg brandt om ze in evenwicht te brengen. Balanswielen draaien ongeveer 1½ omwenteling bij elke zwaai, dat wil zeggen ongeveer 270° naar elke kant van hun centrale evenwichtspositie. De snelheid van het balanswiel wordt aangepast met de regelaar , een hendel met een smalle spleet aan het uiteinde waar de balansveer doorheen gaat. Dit houdt het deel van de veer achter de spleet stil. Door de hendel te bewegen, schuift de spleet op en neer door de balansveer, waardoor de effectieve lengte verandert, en dus de resonerende trillingssnelheid van de balans. Omdat de regelaar de werking van de veer verstoort, hebben chronometers en sommige precisiehorloges 'vrij geveerde' balansen zonder regelaar, zoals de Gyromax . Hun snelheid wordt aangepast door gewichtsschroeven op de balansrand.

De trillingssnelheid van een balans wordt traditioneel gemeten in beats (ticks) per uur, of BPH, hoewel beats per seconde en Hz ook worden gebruikt. De lengte van een slag is één slag van het balanswiel, tussen omkeringen van richting, dus er zijn twee slagen in een volledige cyclus. Balansen in precisiehorloges zijn ontworpen met snellere beats, omdat ze minder worden beïnvloed door bewegingen van de pols. Wekkers en kookwekkers hebben vaak een snelheid van 4 slagen per seconde (14.400 BPH). Horloges die vóór de jaren 70 waren gemaakt, hadden meestal een snelheid van 5 slagen per seconde (18.000 BPH). Huidige horloges hebben een snelheid van 6 (21.600 BPH), 8 (28.800 BPH) en een paar hebben 10 slagen per seconde (36.000 BPH). Audemars Piguet produceert momenteel een horloge met een zeer hoge balanstrillingssnelheid van 12 slagen/sec (43.200 BPH). Tijdens de Tweede Wereldoorlog produceerde Elgin een zeer nauwkeurige stopwatch met een snelheid van 40 slagen per seconde (144.000 BPH), wat hem de bijnaam 'Jitterbug' opleverde.

De precisie van de beste balanswielhorloges om de pols is ongeveer een paar seconden per dag. De meest nauwkeurige uurwerken met balanswielen waren scheepschronometers , die op schepen werden gebruikt voor hemelnavigatie , als een nauwkeurige tijdsbron om de lengtegraad te bepalen . Tegen de Tweede Wereldoorlog hadden ze een nauwkeurigheid van 0,1 seconde per dag bereikt.

Periode van oscillatie

De oscillatieperiode van een balanswiel T in seconden, de tijd die nodig is voor één volledige cyclus (twee slagen), wordt bepaald door het traagheidsmoment I van het wiel in kilogram-meter ² en de stijfheid ( veerconstante ) van de balansveer κ in newton -meter per radiaal:

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$

Foliot (horizontale balk met gewichten) van De Vick klok, bouwjaar 1379, Parijs

Geschiedenis

Misschien is de vroegste bestaande tekening van een handwiel, in Giovanni de Dondi 's astronomische klok , gebouwd 1364, Padua, Italië. Het balanswiel (kroonvorm, bovenkant) had een slag van 2 seconden. Traceren van een illustratie uit zijn 1364 klokverhandeling , Il Tractatus Astrarii .

Het balanswiel verscheen met de eerste mechanische klokken, in het 14e-eeuwse Europa, maar het lijkt onbekend wanneer of waar het voor het eerst werd gebruikt. Het is een verbeterde versie van de foliot , een vroege inertiële tijdwaarnemer bestaande uit een rechte staaf die in het midden is gedraaid met gewichten aan de uiteinden, die heen en weer oscilleert. De foliotgewichten konden op de bar worden in- of uitgeschoven om de snelheid van de klok aan te passen. De eerste klokken in Noord-Europa gebruikten foliots, terwijl die in Zuid-Europa balanswielen gebruikten. Toen klokken kleiner werden gemaakt, eerst als beugelklokken en lantaarnklokken en daarna als de eerste grote horloges na 1500, werden balanswielen gebruikt in plaats van foliots. Omdat meer van zijn gewicht zich op de velg bevindt, weg van de as, kan een balanswiel een groter traagheidsmoment hebben dan een foliot van dezelfde grootte en een betere tijd houden. De wielvorm had ook minder luchtweerstand en de geometrie compenseerde gedeeltelijk de thermische uitzettingsfout als gevolg van temperatuurveranderingen.

Toevoeging van balansveer

Vroeg balanswiel met veer in een 18e-eeuws Frans horloge

Deze vroege balanswielen waren ruwe tijdwaarnemers omdat ze het andere essentiële element misten: de balansveer . Vroege balanswielen werden door het echappement in één richting geduwd totdat de bermvlag die in contact was met een tand op het ontsnappingswiel voorbij de punt van de tand ("ontsnapte") en de werking van het echappement omgekeerd, het wiel terugduwen de andere weg. Bij zo'n "traagheidswiel" is de versnelling evenredig met de aandrijfkracht. In een klok of horloge zonder balansveer levert de aandrijfkracht zowel de kracht die het wiel versnelt als ook de kracht die het vertraagt ​​en omkeert. de aandrijfkracht wordt verhoogd, zowel acceleratie als vertraging worden verhoogd, hierdoor wordt het wiel sneller heen en weer geduwd.Dit maakte de tijdwaarneming sterk afhankelijk van de kracht die door het echappement wordt uitgeoefend.In een horloge de aandrijfkracht geleverd door de drijfveer , toegepast op het echappement door de tandwieltrein van het uurwerk, daalde tijdens de looptijd van het horloge als de hoofdveer afwikkelde.Zonder enige manier om de aandrijfkracht gelijk te maken, vertraagde het horloge tijdens de loopperiode tussen de windingen als de veer kracht verloor, waardoor het verloor Dit is de reden waarom alle pre-balance veerhorloges zekeringen nodig hadden (of in enkele gevallen stackfreeds ) om de kracht van de hoofdveer die het echappement bereikt gelijk te maken, zelfs minimale nauwkeurigheid. Zelfs met deze apparaten waren horloges vóór de balansveer erg onnauwkeurig.

Het idee van de balansveer is geïnspireerd op waarnemingen dat verende stoepranden van varkenshaar, toegevoegd om de rotatie van het wiel te beperken, de nauwkeurigheid vergrootten. Robert Hooke bracht in 1658 voor het eerst een metalen veer aan op de balans en Jean de Hautefeuille en Christiaan Huygens verbeterden deze in 1674 tot zijn huidige spiraalvorm. De toevoeging van de veer maakte van het balanswiel een harmonische oscillator , de basis van elke moderne klok . Dit betekent dat het wiel trilde met een natuurlijke resonantiefrequentie of 'beat' en weerstand bood aan veranderingen in de trillingssnelheid veroorzaakt door wrijving of veranderende aandrijfkracht. Deze cruciale innovatie verhoogde de nauwkeurigheid van horloges enorm, van enkele uren per dag tot misschien 10 minuten per dag, waardoor ze veranderden van dure nieuwigheden in handige tijdwaarnemers.

Temperatuurfout

Nadat de balansveer was toegevoegd, was een belangrijke resterende bron van onnauwkeurigheid het effect van temperatuurveranderingen. Vroege horloges hadden balansveren van gewoon staal en balansen van messing of staal, en de invloed van de temperatuur hierop had een merkbaar effect op de snelheid.

Een temperatuurstijging vergroot de afmetingen van de balansveer en de balans als gevolg van thermische uitzetting . De sterkte van een veer, de herstelkracht die hij produceert als reactie op een doorbuiging, is evenredig met zijn breedte en de derde macht van zijn dikte, en omgekeerd evenredig met zijn lengte. Een temperatuurstijging zou een veer zelfs sterker maken als deze alleen de fysieke afmetingen zou beïnvloeden. Een veel groter effect bij een balansveer van gewoon staal is echter dat de elasticiteit van het metaal van de veer aanzienlijk afneemt naarmate de temperatuur stijgt, met als netto-effect dat een veer van gewoon staal zwakker wordt bij toenemende temperatuur. Temperatuurverhoging verhoogt ook de diameter van een staal of messing handwiel, verhoging van de rotatietraagheid, het traagheidsmoment , waardoor het moeilijker voor de balansveer te versnellen. De twee effecten van toenemende temperatuur op de fysieke afmetingen van de veer en de balans, de versterking van de balansveer en de toename van de rotatietraagheid van de balans, hebben tegengestelde effecten en heffen elkaar tot op zekere hoogte op. Het belangrijkste effect van temperatuur dat de snelheid van een horloge beïnvloedt, is de verzwakking van de balansveer bij toenemende temperatuur.

In een horloge dat niet wordt gecompenseerd voor de effecten van temperatuur, duurt het langer voordat de zwakkere veer het balanswiel terug naar het midden brengt, dus de 'beat' wordt langzamer en het horloge verliest tijd. Ferdinand Berthoud ontdekte in 1773 dat een gewone messing balans en stalen veer, onderworpen aan een temperatuurstijging van 60 ° F (33 ° C), 393 seconden verliest ( 6+1 ⁄ 2 minuten) per dag, waarvan 312 seconden door afname van veerelasticiteit.

Temperatuurgecompenseerde balanswielen

De behoefte aan een nauwkeurige klok voor hemelnavigatie tijdens zeereizen zorgde voor veel vooruitgang in de balanstechnologie in het 18e-eeuwse Groot-Brittannië en Frankrijk. Zelfs een fout van 1 seconde per dag in een scheepschronometer kan resulteren in een fout van 17 mijl in de scheepspositie na een reis van 2 maanden. John Harrison was de eerste die in 1753 temperatuurcompensatie toepaste op een balanswiel, met behulp van een bimetalen 'compensatieband' op de veer, in de eerste succesvolle scheepschronometers, H4 en H5. Deze behaalden een nauwkeurigheid van een fractie van een seconde per dag, maar de compensatiecurb werd vanwege de complexiteit niet verder gebruikt.

Bimetaal temperatuurgecompenseerd handwiel, van een zakhorloge uit het begin van de 20e eeuw. 17 mm doorsnee. (1) Door tegenover elkaar liggende gewichtenparen dichter bij de uiteinden van de armen te plaatsen, wordt de temperatuurcompensatie verhoogd. (2) Het losschroeven van gewichten bij de spaken vertraagt ​​de oscillatiesnelheid. Het aanpassen van een enkel gewicht verandert de balans, of balans.

Een eenvoudigere oplossing werd rond 1765 bedacht door Pierre Le Roy en verbeterd door John Arnold en Thomas Earnshaw : het Earnshaw of compenserende balanswiel. De sleutel was om het balanswiel van grootte te laten veranderen met de temperatuur. Als de diameter van de balans zou kunnen krimpen naarmate het warmer werd, zou het kleinere traagheidsmoment de verzwakking van de balansveer compenseren, waardoor de oscillatieperiode hetzelfde zou blijven.

Om dit te bereiken, werd de buitenste rand van de balans gemaakt van een 'sandwich' van twee metalen; een laag staal aan de binnenkant versmolten met een laag messing aan de buitenkant. Strips van deze bimetalen constructie buigen bij verwarming naar de staalzijde, omdat de thermische uitzetting van messing groter is dan die van staal. De velg was op twee punten naast de spaken van het wiel opengesneden, zodat het leek op een S-vorm (zie figuur) met twee cirkelvormige bimetalen 'armen'. Deze wielen worden soms "Z-balansen" genoemd. Een temperatuurstijging zorgt ervoor dat de armen naar binnen buigen in de richting van het midden van het wiel, en de verschuiving van de massa naar binnen vermindert het traagheidsmoment van de balans, vergelijkbaar met de manier waarop een draaiende schaatser haar traagheidsmoment kan verminderen door haar armen in te trekken. Deze vermindering van het traagheidsmoment compenseerde het verminderde koppel geproduceerd door de zwakkere balansveer. De hoogte van de compensatie wordt aangepast door verplaatsbare gewichten op de armen. Marine chronometers met dit type balans hadden fouten van slechts 3-4 seconden per dag over een breed temperatuurbereik. Tegen de jaren 1870 begonnen gecompenseerde saldi te worden gebruikt in horloges.

Middentemperatuurfout

Marine chronometer balanswielen uit het midden van de 19e eeuw, met verschillende 'hulpcompensatie'-systemen om middentemperatuurfouten te verminderen

De standaard Earnshaw-compensatiebalans verminderde de fout als gevolg van temperatuurvariaties drastisch, maar elimineerde deze niet. Zoals voor het eerst beschreven door JG Ulrich, zal een gecompenseerde balans die is aangepast om de juiste tijd bij een bepaalde lage en hoge temperatuur te houden, een paar seconden per dag snel zijn bij tussenliggende temperaturen. De reden is dat het traagheidsmoment van de balans varieert als het kwadraat van de straal van de compensatiearmen, en dus van de temperatuur. Maar de elasticiteit van de veer varieert lineair met de temperatuur.

Om dit probleem te verminderen, hebben chronometermakers verschillende 'hulpcompensatie'-schema's aangenomen, waardoor de fout tot minder dan 1 seconde per dag werd teruggebracht. Dergelijke schema's bestonden bijvoorbeeld uit kleine bimetalen armen die aan de binnenkant van het handwiel waren bevestigd. Dergelijke compensatoren kunnen slechts in één richting naar het midden van het handwiel buigen, maar naar buiten buigen zou door het wiel zelf worden geblokkeerd. De geblokkeerde beweging veroorzaakt een niet-lineaire temperatuurrespons die de elasticiteitsveranderingen in de veer iets beter zou kunnen compenseren. De meeste chronometers die als eerste binnenkwamen in de jaarlijkse Greenwich Observatory- proeven tussen 1850 en 1914 waren hulpcompensatieontwerpen. Extra compensatie werd nooit gebruikt in horloges vanwege de complexiteit ervan.

Betere materialen

Balans en veer van legering met lage temperatuurcoëfficiënt, in een ETA 1280-uurwerk van een horloge van Benrus Co. gemaakt in de jaren 50

Het bimetaal gecompenseerde balanswiel werd in het begin van de 20e eeuw achterhaald door de vooruitgang in de metallurgie. Charles Edouard Guillaume won een Nobelprijs voor de uitvinding van 1896 Invar , een nikkel-staallegering met een zeer lage thermische uitzetting en Elinvar ( El asticité invar iable ) een legering waarvan de elasticiteit onveranderd over een breed temperatuurbereik voor balansveren. Een solide Invar-balans met een veer van Elinvar werd grotendeels niet beïnvloed door de temperatuur, dus verving het de moeilijk aan te passen bimetaalbalans. Dit leidde tot een reeks verbeterde legeringen met lage temperatuurcoëfficiënten voor balansen en veren.

Voordat hij Elinvar ontwikkelde, vond Guillaume ook een legering uit om middentemperatuurfouten in bimetaalbalansen te compenseren door deze een negatieve kwadratische temperatuurcoëfficiënt te geven. Deze legering, genaamd anibal, is een kleine variatie van invar. Het maakte het temperatuureffect van de stalen veer bijna volledig teniet, maar er was nog steeds een bimetaal gecompenseerd balanswiel nodig, bekend als een Guillaume-balanswiel. Dit ontwerp viel later buiten gebruik ten gunste van enkele metalen Invar-balansen met Elinvar-veren. De kwadratische coëfficiënt wordt bepaald door zijn plaats in de uitzettingsvergelijking van een materiaal;

${\displaystyle \ell _{\theta }=\ell _{0}(1+\alpha \theta +\beta \theta ^{2})\,}$

waar:

${\displaystyle \scriptstyle \ell _{0}}$ is de lengte van het monster bij een bepaalde referentietemperatuur

${\displaystyle \scriptstyle \theta}$ is de temperatuur boven de referentie

${\displaystyle \scriptstyle \ell _{\theta}}$ is de lengte van het monster bij temperatuur ${\displaystyle \scriptstyle \theta}$

${\displaystyle \scriptstyle \alpha}$ is de lineaire uitzettingscoëfficiënt

${\displaystyle \scriptstyle \beta}$ is de kwadratische uitzettingscoëfficiënt

Referenties

• "Marine chronometer" . Encyclopedie Britannica online . Encyclopædia Britannica Inc. 2007 . Ontvangen 2007-06-15 .
• Britten, Frederick J. (1898). Over het veren en afstellen van horloges . New York: Spon & Chamberlain . Ontvangen 20-04-2008 .. Heeft gedetailleerd verslag van de ontwikkeling van de balansveer.
• Brearley, Harry C. (1919). Tijd vertellen door de eeuwen heen . New York: dubbele dag . Ontvangen 16-04-2008 ..
• Glasgow, David (1885). Horloge en klokken maken . London: Cassel & Co . Ontvangen 16-04-2008 .. Gedetailleerde sectie over balanstemperatuurfout en hulpcompensatie.
• Gould, Rupert T. (1923). De zeechronometer. Zijn geschiedenis en ontwikkeling . Londen: JD Potter. blz. 176-177. ISBN 0-907462-05-7.
• Headrick, Michael (2002). "Oorsprong en evolutie van de ankerklok echappement" . Control Systems tijdschrift, Inst. van elektrische en elektronische ingenieurs . 22 (2). Gearchiveerd van het origineel op 25-10-2009 . Ontvangen 2007-06-06 .. Goed technisch overzicht van de ontwikkeling van klok- en uurwerkechappementen, met de nadruk op foutenbronnen.
• Milham, Willis I. (1945). Tijd en tijdwaarnemers . New York: Mac Millan. ISBN 0-7808-0008-7.. Uitgebreid 616 blz. boek van astronomieprofessor, goed overzicht van herkomst van klokonderdelen, maar historisch onderzoek gedateerd. Lange bibliografie.
• Odets, Walt (2005). "Balance wiel montage" . Woordenlijst van horlogeonderdelen . TimeZone Kijkschool. Gearchiveerd van het origineel op 14 juni 2007 . Ontvangen 2007-06-15 .. Gedetailleerde illustraties van onderdelen van een modern horloge, op horlogereparatiewebsite watch
• Odets, Walt (2007). "Het balanswiel van een horloge" . Het Horologie . TimeZone.com. Gearchiveerd van het origineel op 6 juli 2007 . Ontvangen 2007-06-15 .. Technisch artikel over de constructie van horlogebalanswielen, te beginnen met compensatiebalansen, door een professionele horlogemaker, op een horlogereparatiewebsite.

Externe links

• Choi, Fred (2007-05-26). "William Simcock Massey Type III zakhorloge" . YouTube . Opgehaald op 26-04-2008 . Video van een antiek horloge uit het midden van de 19e eeuw dat het balanswiel laat zien
• Costa, Alan (1998). "De geschiedenis van horloges" . Atmos mens. Gearchiveerd van het origineel op 17-07-2007 . Ontvangen 2007-06-19 . Geschiedenis van horloges, op commerciële website.
• Markl, Xavier (2016). "Monochrome-Horloges Een technisch perspectief het regelorgaan van het horloge" . Monochrome-Horloges Een technisch perspectief het regelorgaan van het horloge
• Oliver Mundy, The Watch Cabinet Foto's van een privécollectie antieke horloges van 1710 tot 1908, met veel verschillende soorten balanswielen.

voetnoten