Kompensation (Uhr)

Als Kompensation bezeichnet man in der Uhrmacherei eine spezielle Konstruktion oder Materialauswahl, die störende physikalische Einflüsse auf den Gang einer Uhr ausgleichen soll. Ziel einer Kompensation ist die möglichst isochrone Schwingung des Taktgebers.

Störende Einflüsse auf den Uhrgang, die einer Kompensation bedürfen, entstehen erst bei häufiger Änderung der äußeren Umstände, z. B. bei täglichen Temperaturschwankungen. Statische Umweltbedingungen, z. B. der Aufstellort einer Uhr, können bereits durch Feinregulierung ausgeglichen werden.

Dieser Artikel bezieht sich auf Räderuhren, wie sie als Gebrauchsuhren Verwendung fanden und teilweise noch heute in Gebrauch sind. Behandelt werden Mechanismen zur Reduzierung von Einflüssen auf den Gang der Taktgeber. Diese Taktgeber sind entweder das Pendel oder die Unruh. Unberücksichtigt bleiben Sonderkonstruktionen für Chronometer und wissenschaftliche Präzisionsuhren.

Definitionen

Als „Uhrstand“ bezeichnet man die Abweichung der angezeigten Zeit von der wahren Zeit. Der Uhrstand wird durch das Stellen der Zeiger korrigiert, er ist kein Qualitätskriterium.

Der „Uhrgang“ ist eine Änderung des Uhrstandes in Abhängigkeit von der Zeit; die Uhr geht ggf. vor oder nach. Der Gang lässt sich z. B. durch Veränderung der Pendellänge oder durch Veränderung der freien Spiralfederlänge mittels des Rückers an Uhren mit Unruh korrigieren. Er ist ebenfalls kein Qualitätskriterium, da er von äußeren Einflüssen verursacht sein kann. Verändert sich der Uhrgang in Abhängigkeit von der Zeit, spricht man vom „Gangfehler“. Ziel einer Kompensation ist der Ausgleich des Gangfehlers, um einen möglichst konstanten Uhrgang zu erreichen.

Maßnahmen zur Temperaturkompensation

Materialien mit geringer Temperaturabhängigkeit

Schon früher lieferte ausgewähltes, präpariertes Holz recht brauchbare Resultate. Die Ausdehnungskoeffizienten in Faserrichtung liegen bereits deutlich unter denen der meisten Metalle. Gegen den quellenden Einfluss der Luftfeuchtigkeit werden Pendelstangen aus Holz gut imprägniert, indem man sie mit Leinöl behandelt und meist noch zusätzlich lackiert.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts verbreiteten sich vor allem im Bereich der Präzisionspendeluhren Werkstoffe mit möglichst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Hier hat sich das Standard-Invar FeNi36, die zuerst entdeckte Invar-Legierung aus ca. 36% Nickel und 64% Eisen, gegenüber dem noch ausdehnungsärmeren Quarzglas durchgesetzt. Neben der bestehenden Sprödigkeit erweist sich bei Glas-Stangen auch die Verbindung mit Pendelaufhängung und Pendelmasse kritischer.
Invar-Stangen werden vor ihrem Einsatz in Präzisionsuhren einer künstlichen Alterung in Form von wechselnder mechanischer und thermischer Beanspruchung unterzogen. Dies dient dem Abbau innerer Spannungen, die zu unvorhersehbaren Längenänderungen führen würden.

Rostpendel

Aufbau eines einfachen Rostpendels

Hier benutzte man die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Messing (oder anderen Legierungen) derart, dass mehrere Stangen aus diesen Metallen an einem unteren und einem oberen Steg nebeneinander so befestigt waren, dass die Gesamtlänge dieser Anordnung bei Temperaturänderungen weitgehend konstant blieb (ca. 1725, John Harrison bzw. 1753, John Ellicott d. J. (1706-1772)). Diese Rostpendel waren bei den so genannten Regulatoren sehr beliebt, doch hatten sie häufig nur einen dekorativen Wert, weil die Roststangen alle fest miteinander verbunden waren.

Quecksilberpendel

Die Quecksilberkompensation war eine Methode zur Kompensation des Temperaturfehlers bei mechanischen Uhren des 18. Jahrhunderts. Die große Wärmeausdehnung und die starke Reaktion des Quecksilbers auf Temperaturveränderungen wurde in der Uhrmacherei benutzt um die damals recht ungenauen Uhren in Ihrer Ganggenauigkeit zu steigern.

Schon 1726 entwickelte der Engländer George Graham ein mit Quecksilber gefülltes Pendel, das bei Erwärmung die Dehnung der Pendelstange ausglich und somit zur Kompensation beitrug. Als Pendelgewicht wurde eine oben offene, mit Quecksilber gefüllte Röhre benutzt. Die Ausdehnung von Pendelstange und Quecksilber kompensierten sich bei wechselnder Temperatur.

Da die Unruhen der Uhren damals aus einfachen Metallen hergestellt wurden, welche sich durch Temperatureinwirkung dehnten oder zusammenzogen, ergab sich das Problem des "unrunden" Laufs und somit eine nicht unerhebliche Ungenauigkeit der Zeitmessung. Der Franzose Pierre Le Roy entwickelte um 1770 eine Kompensationsunruh mit einem geschlossenen Metallreif auf dem zwei kleine Quecksilberthermometer zur erhöhten Kompensationswirkung angebracht waren.

Erst 1880, mit der Einführung von Bimetall-Unruhen, bekam man den Temperaturfehler in den Griff.

Aufbau einer Unruh mit Bimetallreif
in der Mitte bei erniedrigter, rechts bei erhöhter Temperatur.

Maßnahmen zur Temperaturkompensation bei Uhren mit Unruh

Sehr wirkungsvoll sind doppelt geschlitzte Reife der Unruh aus Bimetall . Bei einer Längenänderung der Speiche bei wechselnden Temperaturen, wird das Trägheitsmoment der Unruh durch entsprechende Krümmung der beiden Reifsegmente konstant gehalten.

Maßnahmen zur Luftdruckkompensation

Präzisionspendeluhr

Die Luftdruckkompensation (auch:barometrische Kompensation) dient zum Ausgleich der durch Luftdruckschwankungen hervorgerufenen Gangänderungen einer Pendeluhr.^[1]

Aneroiddose für die Luftdruckkompensation des Pendels von Riefler

Die Schwingungsdauer eines Pendels wird durch äußere Einflüsse beeinträchtigt. Neben Temperaturänderungen, deren Auswirkung durch die Temperaturkompensation ausgeglichen werden, verursachen auch Luftdruckschwankungen Gangänderungen. Diese Gangabweichung, auch Luftdruckkonstante des Pendels genannt, beträgt, abhängig von der Form des Pendelkörpers und dessen spezifischem Gewicht, ca. 0,01 bis 0,02 Sekunden pro Tag je Millibar Druckänderung. Der Fehler wird durch die Änderung des Luftwiderstands und des Auftriebs des Pendels verursacht. Im Mittel beträgt der Luftdruck auf Meereshöhe 1.013 mbar (hPa) und schwankt zwischen 930 und 1.070 mbar. Daraus folgt, dass bei extremen Druckveränderungen von 100 mbar der Gang einer sehr genauen mechanischen Präzisionspendeluhr in Zeitdienstanlagen um ca. 1 bis 2 Sekunden pro Tag variieren kann. Bei den im Zeitdienst eingesetzten Präzisionspendeluhren, die im Monat auf wenige Sekunden genau gehen sollen, kann eine solch erhebliche Abweichung nicht toleriert werden.

Zum Ausgleich der Abweichungen entwickelten Uhr- und Chronometermacher im 19. Jahrhundert entsprechende Lösungen. Nach wenig befriedigenden Versuchen mit Quecksilber- und Heberbarometern entwickelte auf Anraten des Astronomen Professor Wanach Ende des 19. Jahrhunderts die Firma Clemens Riefler in Nesselwang und München eine Luftdruckkompensation durch Aneroiddosen,^[2] wie sie auch in Dosenbarometern und Höhenmessern Verwendung finden. Die Anordnung der sogenannten Aneroiddosenkompensation besteht aus mehreren in Serie geschalteten Dosen, die mit einem Auflagegewicht belastet sind. Das Gewicht wird von den Dosen in Abhängigkeit vom Luftdruck längs des Pendelstabs bewegt und ändert so das Trägheitsmoment des Pendels. Noch heute werden mit genau berechneten Luftdruckkompensationsinstrumenten bei Präzisionspendeluhren hervorragende Ergebnisse erzielt.

Andere Überlegungen führten dazu, dass Präzisionsuhren in druckfesten Behältern, z.B. Glastanks, montiert wurden, in denen ein konstanter Luftdruck herrschte. Hierbei handelte es sich streng genommen aber nicht um eine Kompensation, sondern um eine Vermeidung von Luftdruckunterschieden.

Die Schwankungen des Luftdrucks sind in der Regel kurzfristig. Da sie sich eventuell ausgleichen können, fallen sie bei längeren Gangbeobachtungen von etwa einem Monat kaum ins Gewicht. Der Einsatz der Luftdruckkompensation ist jedoch sinnvoll. Man kann nicht davon ausgehen, dass sich der Luftdruck zwischen den Kontrollen des Uhrenstandes exakt ausgeglichen hat. Eine gute Präzisionspendeluhr zeichnet sich durch ein konstantes Gangverhalten aus und wird nicht durch äußere Störeinflüsse beeinträchtigt.

Einzelnachweise

1. ↑ Erbrich, Klaus: Präzisionspendeluhren: von Graham bis Riefler; Callwey Verlag; München 1978; ISBN 3-7667-0-429-X; S.38f.
2. ↑ Riefler, Dieter: Riefler-Präzisionsuhren: 1890-1965; Callwey Verlag; München 1991; ISBN 3-7667-1003-6; S.74f.

Literatur

• Bassermann-Jordan, Ernst von, Uhren, Verlag Klinkhardt und Biermann, Braunschweig 1969, (ohne ISBN)
• Ebrich, Klaus, Präzisionspendeluhren, Verlag Callwey, München 1978, (ISBN 3-7667-0429-X)
• Guye, Samuel und Michel; Henri, Uhren und Messinstrumente, Orell Füssli Verlag, Zürich 1971, (ohne ISBN)
• Koch, Rudi (Hsg.), Uhren und Zeitmessung (BI-Lexikon, VEB Bibliographisches Institut Leipzig, 1986, (ISBN 3-323-00100-1)
• Lübke, Anton, Die Uhr, VDI-Verlag, Düsseldorf 1958, (ohne ISBN)
• Das Uhrenlexikon, Heel Verlag 2005, ISBN 3-89880-430-5
• The right Time, Austin Books London 1882