Крупным достижением в области электрохронометрии были электрические маятниковые часы английского ученого В. X. Шорта с двумя (свободным и рабочим) маятниками, с подачей импульса через каждые полминуты при помощи рычагов-грузиков.

Часы Шорта имели электрический привод косвенного действия. Созданию этих часов в 1921 г. предшествовал ряд изобретений других авторов, в которых содержались уже не только отдельные элементы конструкции, нашедшие затем воплощение в часах Шорта, но и предвосхищалась идея создания таких часов. Технические решения, соответствующие этой идее, нашли наиболее удачное и полное отражение в устройстве часов В. X. Шорта.

Электрические часы со свободным ходом, с подачей импульса маятнику в пределах больших и в то же время постоянных интервалов времени. В электрических часах Гиппа подача импульса происходит в пределах большого, но не всегда постоянного интервала времени. После Гиппа было немало часовщиков-изобретателей, искавших средства и возможности подавать импульс в пределах продолжительного и неизменного интервала времени. Можно отметить ряд таких изобретений, на которые были выданы патенты, в Англии.

В 1893 г. британский патент был выдан двум часовщикам М. А. и Н. Камприче на применение счетного колеса для осуществления ежеминутного кон такта (рис. 246). Импульс подается маятнику посредством плоской пружины BD. Эти часы считаются первыми, в которых счетное колесо было использовано таким образом. Энергия, требующаяся для контакта, поступает от маятника L. Подача импульса осуществляется так. На оси счетного колеса 1 имеется рычаг 2, который каждую минуту замыкает пружинный контакт 3; магнит М притягивает якорь А, и через систему рычагов С, F, Е импульс передается маятнику. Между импульсами маятник совершает свободные колебания.

Рис. 246. Счетное колесо Камприче а — счетное колесо; б — устройство для передачи импульсов

Рис. 247. Счетное колесо Пальмера

В 1906 г. Лауну был выдан британский патент на применение счетного колеса с целью замера полуминутных интервалов от одного импульса до другого. Импульс маятнику сообщался непосредственно; он был постоянным, не зависящим от мощности батареи. Собачка на: маятнике поворачивала счетное колесо — зуб за зубом — в течение одной минуты. При каждом полуобороте колесо замыкало электрические контакты, пока маятник совершал колебание налево. От действия электромагнита изгибалась пружина, а затем зацеплялась защелкой. При следующем размахе маятник освобождал защелку и получал импульс от пружины. После этого маятник мог продолжать качаться свободно до следующего контакта. Маятник при этом не испытывал никакой помехи, кроме действия на него, оказываемого счетным колесом.

Итак, в часах конструкции Камприче и Лауна имелся длительный интервал времени между импульсами, но, в отличие от часов Гиппа, этот импульс осуществлялся в постоянных интервалах. Кроме того, в часах Лауна импульс был постоянным по величине.

В 1902 г. часовому мастеру Пальмеру был выдан британский патент на применение грузового рычага А, который подавал импульс маятнику посредством штифта В на коротком плече рычага (рис. 247). Маятник L двигал счетное колесо F, освобождавшее грузовой рычаг А через каждые полминуты. При падении рычаг подавал импульс маятнику и освобождал от защелки плоскую пружину D. Она осуществляла контакт, необходимый для возбуждения магнита, под действием которого рычаг снова устанавливался на прежнее место. В 1904 г. Парсонс и Балл в своих электрических часах применили отдельные элементы конструкций, которые были изобретены ранее, в том числе счетное колесо Камприче, грузовой рычаг Пальмера, действующий на маятник, подобно второй палете хода Грагама, некоторые элементы из предшествующих конструкций часов Хоуп-Джонса и т. д.

Выбор отдельных элементов из известных устройств и создание на их основе новых устройств не только вполне законный, но, можно сказать, единственный путь для технического прогресса.

Устройство Парсонса и Балла было прогрессивным, однако пока они про изводили расчеты и составляли чертежи для заявки на патент, Франк Хоуп- Джонс в марте 1905 г. сделал заявку на изобретение, очень похожее на устройство Парсонса и Балла, и получил британский патент.

Полуминутный интервал подачи импульса стал с тех пор стандартным для часов; в этом же интервале времени производится подача импульса и в часах Шорта, т. е. так же, как и в часах Хоуп-Джонса, известных под названием «синхроном».

Вклад Хоуп-Джонса в хронометрию. Большое значение для успеха электрохронометрии в Англии имела работа Франка Хоуп-Джонса (1863—1950), направленная на усовершенствование электрического привода косвенного действия. Первые результаты его изобретательской работы стали уже известны в 1895 г. К этому времени относится создание им привода, основанного на использовании спускового механизма гравитационного типа Гримторпа с тем отличием, что грузовые рычаги в устройстве Хоуп-Джонса возвращаются в свое первоначальное положение действием электромагнита. В часах Хоуп- Джонса импульсы секундному маятнику подаются при каждом его размахе двумя грузовыми рычагами.

Электропривод состоит из двух электромагнитов D и D’ (рис. 248, а), которые при замыкании цепи притягивают якоря А или А’, сидящие на одной и той же оси вращения, что и грузовые рычаги G и G1. Эти рычаги снабжены регулируемыми грузами и выступами в форме крючков. Штифты Р и Р’ являются ограничителями падения якорей вниз и поднятия грузовых рычагов кверху. На стержне маятника закреплены два контакта напротив концов грузовых рычагов.

Когда маятник совершает колебание вправо, рычаг G’ вступает с ним в контакт и находится в совместном движении до определенного момента. Элек трическая цепь, показанная на рисунке, идет от батареи вдоль линии 3 к маг ниту D, затем вдоль линии 4 к грузовому рычагу G’ до контакта, располо женного на правой стороне маятника 1; отсюда через пружинный подвес 5 к циферблату и далее обратно к батарее. Под действием этой электрической цепи возбуждается электромагнит D и притягивает якорь Л, который при своем движении к магниту захватывает крючок грузового рычага G и поднимает его в положение, показанное на рисунке.

Когда маятник совершает колебание влево, штифт Р останавливает дальнейшее падение якоря А’ и освобождает крючок грузового рычага от совместного движения с маятником. Маятник вступает в контакт с рычагом G. Электрическая цепь пойдет теперь от батареи по проводу 6 к магниту D’ и по про воду 7 к рычагу G, к контакту на левой стороне маятника, а через пружин ный подвес маятника к циферблату и обратно к батарее. Цикл действия одинаков на обеих сторонах и повторяется при каждом колебании маятника дей ствием симметрично расположенных механизмов. Грузовые рычаги G и G’ поднимаются электромагнитом на значительно боль шее расстояние, чем при совместном движении с маятникам. За счет разности этих двух работ получается та энергия, которая поддерживает колебание маятника.

Рис. 248. Схема электрического привода косвенного действия Хоуп-Джонса
а — с использованием хода гравитационного типа; 6 — с использованием хода Грагама

В своем следующем изобретении Хоуп- Джонс для создания электрического привода косвенного действия использовал спусковое устройство маятниковых часов Грагама (рис. 248, б). В этом устройстве спусковой механизм поддерживает колебание маятника, а грузовой рычаг использован для осуществления контакта с якорем. Спусковой механизм Грагама приводится в действие от грузового рычага А через собачку В, действующую на храповое колесо С. Задняя часть D грузового рычага падает постепенно, т. е. при малом перемещении к якорю Е, и таким образом замыкает электрическую цепь; электромагнит F притягивает якорь. Последний поднимает грузовой рычаг в его наивысшее положение. Для непрерывного хода часов в момент подъема грузового рычага в наивысшее его положение храповое колесо соединено с зубчатым колесом привода и шестеренкой спуска посредством пружины, которая и сообщает часам движение. Стопорная собачка предусмотрена для того, чтобы не допускать противоположного движения храпового колеса.

Рис. 249. «Синхронный переключатель» Хоуп-Джонса

Эти часы фактически являются обычными механическими часами с приводом от груза, который замыкает цепь электрического завода. Энергия завода передается спусковому колесу.

Электрический переключатель служит для последовательного включения в цепь вторичных часов, чтобы переводить минутную стрелку каждые полминуты и для передачи импульса маятнику через каждые 15 полных колебаний (что при секундном маятнике составляет 30 с). Посредством этого устройства контакты замыкаются через каждые 30 с; в промежутки между контактами маятник совершает свободные колебания.

В 1905 г. Хоуп-Джонс запатентовал особое устройство («синхронный переключатель»), которое в 1907 г. было значительно усовершенствовано (рис. 249). Здесь спусковой механизм совсем устранен.

Маятник Р при каждом колебании влево захватывает посредством собачки с полуспиленным корнеолевым штифтом новый зуб храпового колеса К, а при каждом правом колебании поворачивает это колесо на один зуб вправо (по направлению стрелки). На оси храпового колеса укреплен рычажок В, который, вращаясь вместе с колесом, подходит к защелке V через определенные промежутки времени и освобождает ее. Тогда левый конец F обратного рычага S начинает опускаться вниз под действием силы тяжести. При этом ролик F будет катиться по наклонной плоскости Q, которая укреплена на штанге Р маятника, сообщая ему импульс. Рычаг S будет поворачиваться влево до тех пор, пока контактная пружина Т не коснется винта W, укрепленного на верхнем конце железного якоря L.

Тогда ток батареи, питающей электромагниты, пойдет через обмотки Mt и М2, якорь L, винт W, пружину Т, тело рычага S и через гибкий проводник к минусу батареи. Якорь притянется, подбросит коленчатый рычаг S в прежнее положение и подхватится защелкой V. После этого маятник будет поворачивать колесо К до тех пор, пока рычажок В снова не подойдет к за щелке V, и т. д.

Маятник получает импульс после 15 полных колебаний, и если он секундный, то два раза в минуту. В цепь батареи последовательно включены вторичные неполяризованные часы, которые перебрасывают стрелку каждые полминуты, причем число подключенных часов определяется напряжением пи тающей батареи.

Размеры и форма наклонной поверхности Q и ее взаимное расположение с импульсным роликом F подбираются с таким расчетом, чтобы импульс был кратковременным, равномерным по всей длине импульсной поверхности и начинался до прохождения маятником положения равновесия. Это необходимо для того, чтобы импульс не мог сказаться на периоде колебания маятника. В конструкции «Синхронома» все это предусмотрено и составляет несомненное преимущество устройства.

В заключение следует отметить, что основной принцип синхронного переключателя был найден Хоуп-Джонсом уже в 1895 г., но успешно применен только в 1905 г. и переключатель, показанный на рис. 249, имеет уже ряд усовершенствований. Этот переключатель дал возможность сконструировать вполне удовлетворительные часы, приводимые в движение только электрическими импульсами. Переключатель Хоуп- Джонса («Синхронной компании») положен в основу работы Шорта над созданием электрических часов со свободным и «рабским» маятником.

Франк Хоуп-Джонс

Развитие электрических часов с двумя маятниками. В се редине XIX столетия астрономические обсерватории стали испытывать потребность в усовершенствовании прецизионных часов. В связи с этим все более актуальной становилась проблема создания электрических маятниковых часов со свободным ходом. Эта проблема при влекла внимание многих изобретателей, и в течение 65 лет было предложено немало вариантов конструкций часов со свободным ходом маятника, с применением для этого средств механики и электротехники. Во всех этих ранних проектах оказалось немало устройств и деталей, которые потом были использованы для создания астрономических часов с двумя маятниками: одним — рабским и другим — свободным.

В 1879 г. цель этой работы была ясно сформулирована Дэвидом Джил- лом в его рекомендациях комитету, которому ассоциацией поощрения науки было поручено изучение вопроса улучшения хода астрономических часов. Джилл ясно себе представлял, что точное измерение времени возможно только при применении маятника, совершающего колебания при неизменной амплитуде, при постоянстве атмосферного давления и температуры, а также в случае передачи функции отсчета колебаний вспомогательному устройству. Разрабатывая в обсерватории на мысе Доброй Надежды астрономические часы с таким вспомогательным устройством, он стремился к созданию совершенно свободного хода маятника часов. Однако ему не удалось довести эту работу до конца, часы оказались недостаточно надежными и дальнейшие работы по их совершенствованию были приостановлены после отставки Джилла, но в от чете обсерватории за 1904 г. сохранилось описание отдельных механизмов его часов. В этом отчете вспомогательному маятнику присвоено наименование «рабского» (slave pendulum), которое не вышло из употребления в технической литературе по часам до сих пор. Основные черты механизма часов Джил ла были уже намечены в работе Рэдда, которая, по-видимому, не была известна Джиллу, когда он создавал свои часы. Свое изобретение Рэдд описывает в двух статьях, опубликованных в «Британском часовом журнале» (1898 и 1899 гг.).

Рис. 250. Часы Рэдда с применением двух маятников Рис. 251. Схема часов О’Леру

Рэдд сумел практически решить задачи свободного маятника с помощью вспомогательного устройства (рабского маятника), необходимого для обеспечения свободы и приводимого в действие электромагнитом (рис. 250).

Маятник Р свободно колеблется; для счета этих колебаний нет особого счетного колеса. Вспомогательное устройство своим главным назначением имеет осуществление электромагнитных контактов притяжением якоря А к электромагниту М. Якорь А, будучи связан с рычагом В, а через него с устройством С и D, может освобождать механизм подачи импульса свободному маятнику, который приводится в действие гирей W. Сигнал для подачи импульса исходит от свободного маятника, который и согласует его действие со вспомогательным устройством.

Важность нововведений, содержавшихся в статьях Рэдда, не сразу была понята и признана, хотя в то время велось много работ над часами, приводимыми в действие от электромагнита, и по синхронизации хода часов. Успешное применение электрического привода к маятнику взамен груза требовало коренного отступления от прежней конструкции ходового механизма. Наконец, было установлено, что импульсы не должны быть частыми, а должны повторяться с 30-еекундными интервалами, причем импульс должен подаваться без возмущающего действия на маятник, т. е. при минимально возможном усилии. Выявилась в связи с этим необходимость подавать энергию отдельно для подачи импульсов я для осуществления контакта, синхронизирующего ход часов с главными часами.

В этой связи небезынтересно остановиться на имевших место уже после Рэдда и Джилла попытках ряда изобретателей (О’Леру, Парсонса, Бартрума и др.) создать механические и электромеханические устройства, нужные для обеспечения свободного хода маятниковых часов.

О’Леру, специалист в области сейсмографии, использовал обычные балансовые часы, приводимые в действие от ходовой пружины в качестве вспомогательного средства (рабский маятник), для измерения интервалов времени между подачами импульса свободному маятнику (рис. 251). Вспомогательные часы имеют некоторое опережение хода, чтобы этот ход подравнивать с главными часами.

Свободный маятник В совершает колебание без связи с механизмом часов до очередного импульса. Вспомогательные часы, отмерив минуту счетным коле сом /, ударяют по выступу рычага N рычагом К, расположенным на оси с ко лесом /. Тогда палета R соскакивает с контрпалеты Q, при этом выступ N по падает в выемку / рычага К, а пружинный палец О опускается в промежуток между любыми двумя штифтами Р, размещенными на балансовом колесе G, таким образом сразу же останавливая ход вспомогательных часов. Освобожденный рычаг С с импульсным роликом Е на левом конце падает на поверхность покоя палеты А маятника для подачи импульса.

После подачи импульса маятнику рычаг С с импульсным роликом Е спадает с палеты А маятника и свободно падает. При этом стойка W рычага С, ударяясь о рычаг S, приводит в действие кулачок Н, связанный через пружину с рычагом S. В свою очередь кулачок Н воздействует на рычаг U и стойку V. При этом поднимается N, и рычаг С снова возвращает Q под R. Ход вспомогательных часов освобождается и отмеряет следующую минуту до подачи импульса.

На свое изобретение О’Леру в 1918 г. получил в Англии патент.

Электрические часы со свободным маятником Бартрума впервые были описаны в 1917 г. самим автором. В них в новом исполнении воплощен принцип устройства свободного маятника с применением вспомогательных часов, впервые использованный в устройстве часов Рэдда. Часы Бартрума, по- видимому, были первыми часами такого типа, которые оказались надежными в работе.

Между импульсами маятник этих часов совершает колебание налево совершенно свободно. Импульс подается один раз в минуту в продолжение незначительной доли секунды. После получения импульса свободный маятник подает синхронизирующий сигнал вспомогательным часам. Последние приводятся в действие грузом и имеют ход Грагама.

Импульс сообщается свободному маятнику силой тяжести, падающей с одной и той же высоты, т. е. силой, постоянной по величине. Освобождение импульсного рычага осуществляется действием электромагнита вспомогательных часов. После импульса рычаг отходит и замыкает контакт, чтобы свободный маятник мог сообщить синхронизирующий сигнал вспомогательным часам. Возврат в прежнее положение импульсного рычага происходит также под действием электромагнита вспомогательных часов. Затем вспомогательные часы отмеривают интервал времени для подачи следующего импульса свободному маятнику ближе к концу 60-й секунды, т. е. перед освобождением импульсного рычага для подачи последующего импульса свободному маятнику. Любая по- грешность в синхронности работы вспомогательных часов с ходом свободного маятника устраняется автоматически изменением величины амплитуды колебания маятника вспомогательных часов, продолжающимся до тех пор, пока их действия не придут в полное согласие и погрешность таким образом не будет устранена. Синхронизатор обладает тем достоинством, что он может оказывать синхронизирующее действие не только на ход маятника вспомогательных часов, но и на фазу его колебания.

Рис. 252. Схема часов Бартрума

Рис. 253. Схема электрических часов Парсонса и Белла

Если в часах О’Леру вспомогательные часы немного спешат и для того, чтобы сравнять ход этих часов с главными часами, они останавливаются на время этого опережения, то в часах Бартрума сихронизация хода вспомогательных часов с ходом свободного маятника осуществляется путем автоматического регулирования хода вспомогательных часов (рис. 252).

Легкий рычаг /, присоединенный к маятнику вспомогательных часов GH, сцеплен со счетным колесом С, которое приходит в движение один раз в ми нуту. Штифт F на счетном колесе проходит между двумя контактными пружинами и ежеминутно замыкает контакт на небольшую долю секунды, согласованно с ходом вспомогательного маятника. Этот контакт приводит в действие электрическую цепь А, которая освобождает импульсный рычаг свободного маятника DE и позволяет камневому колесику рычага падать на горизонтальную поверхность импульсной палеты свободного маятника.

Если вспомогательные часы спешат, камневое колесико может находиться дольше на этой горизонтальной поверхности, если они отстают — более короткое время. Электрическая цепь А может также включать электромагнит для освобождения рычага, регулирующего колесо синхронизатора, находящегося подле маятника вспомогательных часов, с тем чтобы это колесо могло начать вращаться.

Если маятники первичных и вспомогательных часов находятся в одной и той же фазе колебания, регулирующее колесо (timing wheel) поворачивается на 1/4 оборота, когда синхронизирующий сигнал от первичных часов дойдет до вспомогательных часов. Звездчатое колесико, установленное ниже регулирующего колеса, не может начать вращаться, пока прерыватель имеет возможность проходить между двумя регулирующими палетами. Если вспомогательные часы отстают, регулирующее колесо сделает четверть оборота в момент подачи синхронизирующего сигнала. Тогда левосторонняя палета будет сцеплена с прерывателем. Благодаря этому звездчатое колесико продвинется на один зуб против часовой стрелки. Если вспомогательные часы спешат, регулирующее колесо сделает точно 1/ оборота, тогда как звездчатое правостороннее переместится палетой на один зуб в направлении часовой стрелки.

На барабан, сидящий на общей оси с звездчатым колесом, намотана нить, которая присоединена к нижнему концу геликоидальной пружины, связанной с маятником вспомогательных часов. Само собой разумеется, что, когда звездчатое колесо вращается против часовой стрелки, происходит растяжение пружины, вследствие чего вспомогательные часы в конце секунды будут спешить, вращение колеса по часовой стрелке вызовет уменьшение напряжения пружины и ход часов будет относительно медленным. Таким образом достигается устранение погрешности в ходе вспомогательных часов.

Электрические часы Парсонса и Белла 1919 г. (рис. 253), если их оценивать с технической точки зрения, являются часами того же типа, что и часы О’Леру. Если и существует между ними различие, оно заключается в том, что переустановка импульсного рычага гравитационного типа и подзавод осуществляются магнитным путем, а не механическим, как в часах О’Леру.

А — маятниковая вилка, В — штифт для сцепления маятника, С — спусковое устройство с малым маятником (балансиром) D вспомогательных часов. Это спусковое устройство и балансир опускают стержень Е и рычаг F каждые полминуты. При этом отросток G останавливает вспомогательные часы, а путем нажатия рычага F на Н освобождается импульсный рычаг L от рычага /. Тогда, при колебании маятника налево ролик J падает на дугообразную наклонную поверхность (если это падение было преждевременным) или на импульсную поверхность (в случае своевременного падения). По завершении колебания маятника импульсный рычаг L замкнет контакт М, электромагнит .V притянет якорь О, который передвинет рычаги L и Н в прежнее положение. Отросток G освободит вторичные часы, и они начнут отмерять следующие пол минуты.

Размыкание тока в положении М происходит механически. Освобождение L от I происходит на 1/ — 1/ часть ранее, чем J от К.