Die Bestandteile eines Uhrwerks im Detail – Das Uhrwerk einer Quarzuhr
Jede Uhr hat ein Uhrwerk, welches den Takt angibt und die Zeiger bewegt. Abbildung: ThomasWolter/pixabay.com
Jede Uhr hat ein Uhrwerk, welches den Takt angibt und die Zeiger bewegt. Die Energie für das Werk kann von einem Pendel (Gewichtskraft), oder einer Feder mit Handaufzug- oder Automatikspannung kommen. Die Quarzuhr bedient sich nicht dieser altmodischen Energiezufuhr. Sie ist selbständig und interagiert nur selten mit dem Menschen, wenn es um ihre Energiebedürfnisse geht. Die Quarzuhr ist die Unabhängigste von allen und nutzt andere Energiequellen.
Das Uhrwerk ist im Gehäuse untergebracht und wird mit einer Schraube dort fixiert. Das ist der letzte Arbeitsschritt, bevor das Uhrengehäuse an der Rückseite verschlossen wird. So endet die Reise eines Uhrwerks mit dieser Schraube, und ist am Bestimmungsort angekommen. Verschiedene Bauteile kommen bei diesem fein abgestimmten mechanischen Aufbau zum Einsatz.
Energie für die Uhr
Der Energieablauf hat drei Abschnitte. Eine Bewegungsenergie befüllt einen Energiespeicher, und dieser wird wieder in Bewegungsenergie umgewandelt. Bewegungsenergie wird von außen dem Energiespeicher im inneren der Uhr zugeführt, und wird dann in Bewegungsenergie über die die Zeiger, außerhalb des Uhrengehäuses umgesetzt. Der Handaufzug ist die Bewegungsenergie von außen. Die Feder ist der Energiespeicher im inneren der Uhr. Die Speicherenergie bewegt das Uhrwerk und setzt über die Zeiger die Energie wieder nach außen in Bewegung um.
Die andere Art der Bewegung
Die Quarzuhr und ihre Präzision kommen ohne das kinetische Dazutun des Menschen aus. Die Feder stellt potenzielle Energie (Energiespeicher) für den Taktgeber und die Unruh zur Verfügung. Sie löst diese Aufgabenstellung elektrisch. Sie ist batteriebetrieben, und durch den geringen Energieverbrauch, hält die Batterie als elektrischer Energiespeicher mehrere Jahre. Ein Solarpaneel im Ziffernblatt ermöglicht einen Akku zu laden, und macht somit den Austausch einer Batterie überflüssig.
Ihre Uhrwerke funktionieren unterschiedlich im Vergleich zu mechanischen Uhren. Sie haben immer noch Gänge, um die Sekunden zu zählen, und die Zeiger zu bewegen. Die Zahnräder und Bauteile um das Ausgleichsrad, Sperrrad, Aufzugsrad, Ankerrad und Unruh, werden durch Komponenten um einen winzigen Quarzkristall angeordnet ersetzt.
Funktionsweise
- Eine Batterie versorgt einen Mikrochip.
- Die Mikrochip-Schaltung sorgt dafür, dass ein Quarzkristall, geformt wie eine Stimmgabel, 32768 Mal pro Sekunde schwingt (vibriert).
- Die Mikrochip-Schaltung erkennt die Schwingungen des Kristalls und verwandelt diese in reguläre elektrische Impulse um. Einen pro Sekunde.
- Dieser Impuls treibt den elektrischen Miniatur-Schrittmotor an und wandelt somit elektrische in mechanische Energie um.
- Der elektrische Schrittmotor dreht das Getriebe.
- Die Zahnräder schwenkt die an der Welle befestigten Zeiger.
Sand im Getriebe
Quarz ist eines der häufigsten verwendeten Mineralien der Erde und kommt in Sand und den meisten Gesteinsarten vor. Die chemische Verbindung Siliziumdioxid ist piezoelektrisch. Das bedeutet, wenn ein Quarzkristall Druck erfährt, erzeugt dieser eine geringe elektrische Spannung. Im Gegenteil dazu, schwingt Quarz mit einer präzisen Frequenz, wenn eine Spannung angelegt wird. Exakt dieselbe Anzahl von Schwingungen pro Sekunde.
Weniger ist mehr
Das Uhrwerk einer Quarzuhr braucht weniger Bauteile und hält sich gleichermaßen an den Takt.
Wie folgt, die markantesten Bauteile eines vollmechanischen, federgetriebenen Uhrwerks, die eine Quarzuhr nicht hat.
Die Unruh ist der Taktgeber und liefert eine Schwingungsfrequenz, die die Gangpräzision des Uhrwerks realisiert. Standard sind im Mittel um die 24.000 Schwingungen pro Stunde. Je höher die Frequenz, desto geringer sind Abweichungen des Taktes. Eine höhere Güte kann bei 36.000 Schwingungen erreicht werden.
Das Ankerrad bringt die Uhr zum Ticken und gibt neben dem Takt auch den Ton an. Das ist das von Menschen hörbare tickende Sekundengeräusch. Diese Funktion ist die notwendige Hemmung, damit die Energie der Feder gleichmäßig, im Sekundentakt weitergegeben wird.
Eine Sperrklinke und das dazugehörige Sperrrad sorgen dafür, dass die aufgezogene Spannung der Feder erhalten bleibt. Das Aufzugsrad mit der Krone hat eine Quarzuhr auch, doch dient diese hier ausschließlich, um die Zeit einzustellen.
Abbildung: chronodepot.de
Was die Präzision der Quarzuhr beeinflusst
Sie verliert nicht die Zeit im wörtlichen Sinne, es sind ein paar Sekunden hier und da, von Zeit zu Zeit. Doch wird die Ganggenauigkeit von zwei Faktoren beeinflusst. Der Piezoquarz vibriert mit einer etwas anderen Frequenz bei Temperaturschwankungen und veränderten atmosphärischen Drücken. Die minimalste Abweichung, dieser so präzisen Schwingung, wird durch die örtliche Veränderung von warm zu kalt und umgekehrt verursacht. Wenn die Uhr vom Handgelenk abgelegt wird, wo diese eine annähernd konstante Temperatur hat. Geschieht das sehr oft, summiert sich das zu ein paar Sekunden im Monat.
Gesetzt dem Fall, die Bedingung für eine konstante Schwingung und der daraus resultierenden Frequenz ist erfüllt, gibt es weitere Einflüsse. Diese rühren von den mechanischen Komponenten wie dem Getriebe und dem Zeigerwerk her. Die Reibung dieser Bauteile kann diese, wenn auch geringen Fehler, in der Zeithaltung hervorrufen. Diese Faktoren reichen aus, um eine Ungenauigkeit von bis zu einer Sekunde pro Tag, bei Standard-Quarzuhren hervorzurufen. Doch ist zu bedenken, dass eine Sekunde des eines Tages, durch eine Sekunde des Folgetages kompensiert werden kann. Diese wenigen Sekunden im Monat, macht die Quarzuhr in ihrer Präzision einzigartig. So verrichtet sie verlässlich ihre Arbeit, ob auf Meereshöhe oder im Gebirge.
