Schwarz auf Weiß

Auch als Buch mit dem Titel '10 Selbstbauprojekte', ISBN-Nr. 978-3-7448-3433-9 und als e-book mit der ISBN-Nr. 9783744806299 erschienen.

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Samstag, 19. Oktober 2019

Kleine Historie der Zeitmessung


Inhaltsverzeichnis

Sonnenuhr
Kerze
Sanduhr
Gehemmter Wasserfluss
Uhr mit Pendel
Kleinuhr mit Unruh
Quarzuhr
Atomuhr
Eigenes DCF77-Projekt

Dieser Artikel liegt auch als Vortrag im PowerPoint-Format vor.
Ein Artikel über das eigene DCF77-Projekt ist in den DGC-Mitteilungen 2017 Nr. 151 erschienen. 


Sonnenuhr
  • Seit der Antike (13.Jh.v. Chr.)
  • Stand der Sonne am Himmel



Äquatorialsonnenuhr, Quelle: Wikipedia, gifmania



Kerze

  • Vor dem 14. Jh.

  • Markierung 1/4, 1/2 oder 1h

  • nicht reversibel, das Kerzenwachs verbraucht sich



Kerze mit Markierungen, Quelle: wikipedia, Bild: Animaatjes



Sanduhr
  • Seit dem 14. Jh.
  • Laufzeit ca. 3 min. oder 1 h
kleine Zahlenspielerei:
  • ca. 700 000 Sandkörner
  • Menschenleben sind ca. 650 000 Stunden
  • Herz macht ca. 800 000 Schläge/Woche

Sanduhr, Bild: area77

Gehemmter Wasserfluss
  • Seit dem 3. Jh. v. Chr. (Ktesibios)
  • Regelung Ablauf in einen darunter liegenden Behälter 
  • daher der Spruch: Deine Zeit ist abgelaufen
  • Moderne Anwendung: Auslaufwasseruhr Teeautomat


Wasseruhr (Ktesibios), Animation: Karl-Heinz Omet


Uhr mit Pendel
  • Seit 1650 (Ch. Huygens), Abweichung ca. 1 min/Tag
  • Seit 1721 (George Graham) Abweichung einige ms/Tag (temperaturkompensiertes Pendel)

Pendeluhr, Quelle: Wikipedia, gifmania

Kleinuhr mit Unruh
  • Seit 15. Jh. (Peter Henlein 1. tragbare Uhr)
  • Gangregler: Unruh

Unruh, dezentraler Sekundenzeiger, Film: Karl-Heinz Omet

Quarzuhr
  • Seit 1970
  • Frequenz Uhrenquarz 32,768 kHz
  • Erhöhung der Frequenz - höhere Genauigkeit
  • Oszillator und Teiler 2^15
  • Lavet-Schrittmotor
  • Energiequelle: Batterie
Schwingquarz Quelle: wikipedia

Lavet-Schrittmotor, Quarz und Batterie, Bild: Karl-Heinz Omet


Animation: Karl-Heinz Omet 


Atomuhr
  • 1960 Übergang Zeitnormal auf Atomuhr
  • 1999 CSF1 (Cäsium-Fontänenuhr, PTB)
  • Unsicherheit CSF1 1x10^-15
  • 1 s = 9 192 631 770 Perioden der Strahlung die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes vom Cäsium-133-Atom entspricht
  • Früher 1 s = 86 400 ste Teil des mittleren Sonnentages                         Quelle: PTB
Aufbau CSF1

Die Abbildung zeigt eine ungefähr maßstäbliche Schnittzeichnung durch das Vakuumsystem der Caesium-Fontäne CSF1. In einer magneto-optischen Falle (MOT) werden ca. 107 Cs-Atome aufgesammelt und durch Laserkühlung und sogenannte  "optische Melasse" auf eine Geschwindigkeit von einigen cm/s abgebremst. Durch geeignet eingestrahlte Laserfelder wird die Wolke kalter Cs-Atome auf eine Höhe von fast 1 m geworfen. Die Wechselwirkungszeit entspricht der Flugzeit zwischen den beiden Passagen durch den Mikrowellen-Resonator und liegt im Bereich von 0,5 s. Am Ende eines Messzyklus wird mit einem optischen Nachweisverfahren der Energiezustand der Cs-Atome nach der Mikrowellen-Anregung bestimmt.

Schema CSF1, Bild: PTB

Zeitverteilung durch den DCF77
  • 1959 Beginn Aussendung der Zeitsignale, gesetzlicher Auftrag an die PTB
  • Zeitquelle aktuell CSF1/CSF2
  • Rufzeichen DCF77
  • Trägerfrequenz 77,5 kHz
  • Sendeleistung 50 kW
  • Standort Mainflingen
  • Reichweite bis 2000 km  

DCF77, Aufbau Zeitzeichensignal
  • amplitudenmoduliert
  • logisch 0 = 0,1 s, logisch 1 = 0,2 auf 15% abgesenkt
  • Zeitzeichen BCD-codiert

DCF77 Minutenkreis
  • M=Minutenmarke (0,1 s)
    R=Rufbit
    A1=Ankündigungsbit eines bevorstehenden Wechsels von MEZ auf MESZ oder umgekehrt
    Z1 und Z2=Zonenzeitbits
    A2=Ankündigung einer Schaltsekunde
    S=Startbit der kodierten Zeitinformation (0,2 s)
    P1, P2 und P3=Prüfbits für den farbig markierten Bereich.
    Dabei werden die vorhergehenden Informationswörter (7 Bits für die Minute, 6 Bits für die Stunde und 22 Bits für das Datum einschließlich der Nummer des Wochentages) auf eine gerade Zahl von Einsen ergänzt.


Minutenkreis, Grafik: Karl-Heinz Omet


Eigenes DCF77-Projekt (für Details siehe mein Projekt DCF77 vom August 2015)

Hardware, Empfänger
  • Fertiges Modul mit Ferrit-Antenne 
  • Es wird bereits ein sauberer Sekundenimpuls mit 100 ms Dauer für logisch ‚0‘ und
    200 ms für  logisch ‚1‘ geliefert
Empfänger, Bild: Karl-Heinz Omet

Hardware, Zentraleinheit
  • Bestehend aus Prozessor, Anzeige und USB-Schnittstelle zum PC
Zentraleinheit Innenansicht, Bild: Karl-Heinz Omet


Zentraleinheit Gehäuse geschlossen, Bild: Karl-Heinz Omet

Hardware, Anzeige, Bedeutung Anzeigefelder

1. Zeile
- Qualität des Signals
- Gesamtstatus DCF77-Daten
  :) = gut  :( = schlecht
- serielles Bit _ = Low  - = High
- S = Sommerzeit  W = Winterzeit
- Zeit in HH:MM:SS
- PTB-Rufbit N = normal R = gesetzt

2. Zeile
- Temperatur Sensor
- Datum
- Monat
- Wochentag
Display, Bild: Karl-Heinz Omet



PC-Software, Frontend


Frontend, Grafik: Karl-Heinz Omet


Folgende Funktionen sind implementiert:
- Signalqualität DCF77 als analoger Balken von schlecht bis gut
- Protokoll DCF77 zeigt an, ob die Übertragung über USB erfolgreich war
- BIT-Nr. entspricht den auf das Trägersignal modulierten Sekunden
- Uhrzeit/Datum wie über die Schnittstelle übermittelt
- COM erlaubt die Einstellung der passenden COM-Nr. (s. Gerätemanager
  19200 Bits/s, 8Bit, keine Parität, 1 Stoppbit, keine Flusssteuerung
- Sommer/Winterzeit wie über die Schnittstelle übermittelt, als Bild dargestellt
- Quelle schaltet um von DCF77-Hardware zu PC-interner Uhr und umgekehrt
- Ticken kann die Sekunden hörbar machen, Schieber unten bedeutet aus
  (zum Bedienen auf den Schieber klicken)
- Alle Zeiger der analogen Uhr sind per VB animiert.



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