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.