Хронограф

ХронографХРОНОГРАФ, часовой механизм, служащий для измерения вполне определенного, ограниченного промежутка времени с большой точностью - до сотых или тысячных долей секунды. Слово хронограф происходит от греческого hronograf t1 - время и hronograf t2 - пишу, т. е. обозначает прибор, записывающий время или во всяком случае фиксирующий его. Фиксация начала и конца измеряемого промежутка времени может производиться или посредством включаемого при начале и выключаемого в конце стрелочного механизма, который показывает непосредственно секунды и доли их, или           путем отметки на двигающейся бумажной ленте начала и конца процесса, параллельно с секундными отметками нормальных часов.

Кроме того, возможно использовать и иные процессы, зависимость которых от времени хорошо изучена и наперед известна, например, свободное падение тел. Остановимся сначала на этом последнем типе приборов. Представителем их является классический хронограф для измерения скорости артиллерийских снарядов, предложенный в 1864 г. бельгийским артиллеристом Ле-Буланже и усовершенствованный Бреже. Он основан на измерении высоты свободного падения тел и определении времени этого падения.

Время свободного падения hronograf t3 где h - высота, с которой падает тело, и g - ускорение силы тяжести. Хронограф системы Ле-Буланже состоит из двух укрепленных на специальном штативе электромагнитов а и б (фиг. 1), к сердечникам которых подвешены два жезла в и задерживаемых магнитами только до тех пор, пока по обмоткам их течет ток. Короткий жезл в при разрыве цепи электромагнита б падает вниз и ударяет своею тяжестью о правое плечо рычага д, который, поворачиваясь против часовой стрелки, освобождает нож е. Нож под действием пружины соскакивает и делает на цинковой оболочке стержня длинного жезла г метку 1.

Хронограф системы Ле-Буланже

Если цепи обоих электромагнитов разомкнуть одновременно, то на жезле г получится т. н. метка размыкания 2. Если же цепь электромагнита а будет разомкнута позже, чем цепь б, то на жезле г получится окончательная метка 3, которая и даст возможность определить искомое время. Если перед дульным срезом орудия поставить рамку из проволоки, включенной в цепь а, и на расстоянии 50 м от нее по направлению траектории снаряда - другую рамку, включенную в цепь б, то при выстреле будет сперва разорвана цепь а, а затем, после того как снаряд пролетит 50 м, цепь б. Обозначая длину стержня жезла г от метки 1 до метки 3 через l1-3 и длину стержня жезла от 1 до 2 через l1-2, получим время полета снаряда между решетками:

hronograf t4

Обыкновенно величину l1-2 подбирают таким образом (путем поднимания и опускания электромагнита б относительно рычага д), чтобы она была равна 110,37 мм; тогда второй член вышеприведенного равенства будет равен 0,150 сек. В этом случае время полета будет:

hronograf t5

На масштабной линейке, прилагаемой к прибору, кроме миллиметровой шкалы имеется еще другая шкала, которая при l1-2 = 110,37 мм и расстоянии между решетками в 50 м дает непосредственно значения v25= 50/t, т. е. средней скорости снаряда на участке в 50 м. Хронограф этот м. б. использован и для других целей, когда необходимо точно измерить время в пределах от 0,001—0,16 сек.; он очень прост по устройству и регулировке, почему и пользуется всеобщим распространением.

Наряду с хронографом, основанными на принципе свободного падения тел (Le-Boulenger, Siebert— Bianchi, Watkin), маятника (Navez), камертона (Siebert—Beetz), принципах струнного гальванометра и осциллографа (Edelmann, Duda), искры (W. Siemens, Noble, Caspersen, de Brettes, Hans Boas), пружины (Schmidt), разряда конденсатора (Sabine und Radakovic), а в последние годы электронных ламп (G. Cranzund Th. Rossmann) вошли в практику измерительной техники хронографы, устроенные по принципу механических часов с электромагнитным или ручным управлением. Среди них первое место занимает хронограф системы Гиппа-Уитстона, изображенный на фиг. 2.

Хронограф системы Гиппа-Уитстона

В этом хронографе использован своеобразный ход Гиппа, который состоит из ходового колеса а, имеющего 100 зубцов, и колеблющейся пластинки б. Ходовое колесо поддерживает колебания упругой пластинки, которая в свою очередь при каждом полуколебании вверх пропускает, а при полуколебании вниз задерживает ближайший зубец ходового колеса. Пластинка отрегулирована т. о., что число собственных колебаний ее в секунду (частота) равно 1000, тогда ходовое колесо будет делать полный оборот в 0,1 секунды. Стрелка верхнего циферблата в, разделенного на 100 частей, насажена на оси легкого колеса, сцепляющегося при помощи осевого перемещения то с ходовым колесом, то с неподвижным колесом, укрепленным на пластине механизма. Перемещение это осуществляется рычагом, управляемым двумя электромагнитами, включенными в измеряемые цепи. Разрыв цепи первого электромагнита пускает стрелку, разрыв цепи второго электромагнита останавливает ее. Т. о. верхняя стрелка будет делать полный оборот в 0,1 сек. и одно деление верхнего циферблата будет равно 0,001 сек. Стрелка нижнего циферблата г, разделенного также на 100 частей, делает полный оборот в 10 сек., и, следовательно, одно деление нижнего циферблата будет равно 0,1 сек. Прибор может измерять промежутки времени 0,001—10 сек. с точностью до 0,001 сек. Механизм работает при помощи гири д, а ходовое колесо а пускается и останавливается посредством двух рычажков е и ж, приводимых в движение шнурками. Хронографы системы Гиппа нуждаются в регулировке для того, чтобы периоды времени, в течение которого происходят сцепления стрелочного колеса с ходовым и неподвижным, были друг другу равны, т. к. в противном случае хронограф может дать ошибку, далеко превосходящую его номинальную точность. Регулировке подлежит натяжение пружин, возвращающих якорь электромагнитов в положение равновесия. Поверяются часы Гиппа при помощи хронографа системы Ле-Буланже или маятника Гельмгольц-Вольфа.

Вопрос об измерении малых промежутков времени с большой точностью в области мелкой хронометрии был разрешен до 0,01 сек. в том смысле, что вместо обыкновенных секундомеров с балансом, дающим 18000 колебаний в час, были построены часы, баланс которых делает 180000 и даже 360000 колебаний в час. Это дало возможность увеличить предельную точность показаний хронографа с 1/5 сек. до 1/50 или 1/100 сек. пропорционально числу колебаний. Следует, однако, иметь в виду, что в громадном большинстве случаев точность в 1/5 сек. является более чем достаточной, и только в специальных случаях, при исследовании скорости фотографических затворов, исследовании дистанционных трубок и аналогичных работах требуется большая точность. Конструктивное выполнение баланса, пружины и хода со столь легкими частями представляет довольно большие затруднения. Представителем часов этого рода являются терцийные часы Лёбнера (фиг. 3), баланс которых делает 100 колебаний в 1 секунду. Верхний циферблат показывает сотые доли сек., правый циферблат - минуты и левый - секунды. Нижний циферблат показывает имеющееся в распоряжении время хода часов, предположительность завода которых равна 45 мин. Часы снабжены двумя кнопками, из которых задняя пускает и останавливает баланс, а передняя служит для установки стрелок на нуль. Диаметр циферблата этих часов равен 75 мм.

Терцийные часы Лёбнера

На фиг. 4 показано применение терцийных часов а для измерения времени горения дистанционных трубок. На колонке б укреплена ось вращения рычага в с винтом и контргайкой для нажима на пусковую кнопку г часов. Рычаг этот оттягивается вверх шелковой ниткой, проходящей мимо бокового отверстия трубки д (через которое в этом опыте производится зажигание пороховой мякоти).

Применение терцийных часов для измерения времени горения дистанционных трубок

Другой рычаг е под действием тяжелого груза стремится своим коротким плечом поднять вверх первый рычаг и остановить т. о. часы. Но он так же, как и первый рычаг, оттянут шелковой ниткой, проходящей мимо запального отверстия трубки. Трубка в этом опыте зажигается при помощи стоппина с бокового отверстия, причем перегорает верхняя шелковая нить, верхний рычаг опускается, нажимает кнопку хронографа, и механизм часов начинает работать. После того как выгорит пороховая мякоть в канале обеих тарелей, огонь передается в хвост трубки, пережжет нижнюю нить, и рычаг е поднимет рычаг в, остановив т. о. хронограф. При спортивных состязаниях в беге, авто-, мото- и велогонках состязающиеся при старте разрывают первую нить, соединенную путем системы блоков с пусковой кнопкой, а при финише разрывается вторая нить, останавливающая часы. Очень удобно использовать электромагнит для обслуживания пусковой кнопки; применение электричества делает всю систему очень гибкой и удобоприменяемой в самых различных условиях науки, техники и спорта. Хронограф с балансом, делающим в час 180000 и 360000 колебаний, изготовляются также в виде карманных часов под различными названиями: «Micrograph», «Semicrosplit» и т. п.

Двухстрелочный хронограф

На фиг. 5 показан такой двухстрелочный хронограф с периодом баланса, равным 1/100 сек. Большая стрелка обегает циферблат в 6 сек.; пуск в ход и остановка обеих стрелок одновременно, начиная с нуля (цифра 6), производятся нажатием ремонтуарной головки, которая также используется и по прямому назначению для заводки часов. При нажатии боковой кнопки добавочная стрелка останавливается, а главная продолжает идти, при вторичном нажатии ее добавочная стрелка мгновенно нагоняет главную стрелку, сливается с ней, и обе стрелки снова движутся вместе.

При следующем нажатии ремонтуарной головки обе стрелки останавливаются и при третьем нажатии одновременно становятся на нуль. Маленькая стрелка указывает целые кратные 6 сек. и минуты и передвигается скачками при переходе главной стрелки через нуль. Хронограф с двумя стрелками (франц. avec aiguille ratrappente - с нагоняющей стрелкой) очень удобен при наблюдении различного рода производственных процессов, хронометраже, научных исследованиях и лабораторных работах, т. к. дает возможность наблюдать параллельно два процесса, не затрудняя наблюдателя обслуживанием двух хронографов. Все перечисленные до сих пор приборы нельзя назвать в полном смысле слова хронографами, т. к. они, хотя и фиксируют продолжительность какого-нибудь явления, но не записывают его на бумаге.

Хронограф системы Гиппа-Фаварже

Приборы, которые производят подобную запись, правильнее было бы назвать компараторами времени, т. к. при помощи этих приборов в действительности производится сравнение продолжительности наблюдаемого явления с продолжительностью секундных отметок на бумажной ленте. Представителем приборов этого рода является электрический хронограф системы Гиппа-Фаварже (фиг. 6). В нем бумажная лента двигается с равной скоростью посредством механизма, управляемого таким же ходом, какой применяется в хронографе системы Гиппа-Уитстона, и перья, соединенные системой рычагов - каждое со своим электромагнитом, - чертят на бумажной ленте чернилами прямые линии. Один из электромагнитов получает секундные кратковременные импульсы от нормальных контактных часов с электрическим контактом или от контактного хронографа. Другое перо включено в цепь, замыкаемую и размыкаемую (или наоборот) в начале и конце исследуемого явления от руки или автоматически. Длина отрезка, отвечающего 1 сек., получается равной ~40 мм. При обработке результатов и измерении отрезков на ленте целые сек. считаются непосредственно, а дробные части 1 сек. легко сосчитать при помощи т. н. компаратора Оппольцера (фиг. 7), на котором вообще можно производить всю разработку ленты хронографа.

Компаратор Оппольцера

Удобство прибора Оппольцера заключается в том, что он дает возможность сильно увеличить величину сек. чисто геометрическим приемом и сразу же отсчитать дроби сек. по шкале с указателем. При поверке нормальных (звездных) часов при помощи астрономических наблюдений в пассажном инструменте применяется т. н. окулярный микрометр Репсольда, включаемый в цепь электромагнита одного из перьев хронографа системы Гиппа-Фаварже. Устроен он т. о., что если наблюдатель будет держать крест нитей микрометрического окуляра трубы в совпадении с наблюдаемым светилом, начиная с момента появления его в поле зрения трубы, посредством поворачивания головки микрометрического винта, передвигающего крест нитей, то в момент прохождения светила через меридиан данного места барабан из агата с платиновым сектором, укрепленный на микрометрическом винте, замкнет цепь хронографа, и на бумажной ленте появится отметка, указывающая точное время прохождения светила через меридиан.

Сравнивая эту точку с прерывистой линией от пера нормальных часов посредством компаратора Оппольцера, определяют точно состояние нормальных часов в момент прохождения звезды через меридиан, после чего определяют поправку нормальных часов. Для удобства отсчетов в контактном колесе нормальных часов зубец, отвечающий 60-й (или нулевой) сек., выпилен, поэтому более длинный интервал между секундными отметками соответствует началу каждой минуты, и зигзаг черты, следующий за длинным промежутком, будет первая секунда. Микрометр Репсольда удобен тем, что не отвлекает внимания наблюдателя и исключает личное уравнение ошибки наблюдения.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 25 - 1934 г.