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Stoppuhr
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Die Erfindung betrifft eine Stoppuhr der im Oberbegriff des Hauptanspruchs
genannten Art.
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Überlicherweise besitzen Stoppuhren mit analoger Zeitanzeige federgetriebene
Uhrwerke.
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Daneben sind seit einigen Jahren elektronische Stoppuhren mit Digitalanzeige
bekannt, welche außerordentlich genau und, da die erforderlichen Bauelemente in
großen Stückzahlen für Uhren allgemein produziert werden, auch preisgünstig sind.
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Außerdem sind Uhren mit Analoganzeige bekannt, welche von mit Quarzschaltungen
synchronisierten Laufwerken angetrieben werden. Solche Uhren weisen in der Regel
einen quarzsynchronisierten Impuls geber auf, welcher einen das Zeigerwerk antreibenden
Schrittmotor mit Impulsen wechselnder Polarität versorgt. Da die hierfür erforderlichen
Impuls geber und Schrittmotoren bereits erhältlich sind, sind auch solche elektronischen
Uhren mit Analoganzeige noch preisgünstig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,ausgehend von
diesem Stand der Technik eine Stoppuhr mit Analoganzeige zu schaffen, bei welcher
die bereits auf dem Markt angebotenen Baugruppen verwendbar sind und welche in allen
Schaltpositionen, also nach dem Starten, nach dem Stoppen bzw. nach dem Nullstellen
einen fehlerfreien Anlauf des Zeigerwerks in der richtigen Drehrichtung gewährleistet.
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Verwendet man nämlich einen herkömmlichen Impulsgeber zur Ansteuerung
eines Schrittmotors,so ist nicht sichergestellt, daß dieser nach Nullsetzen des
Zeigerwerkes als ersten Impuls einen solchen erzeugt, der das Zeigerwerk, wie für
eine genaue Zeitmessung erforderlich ist, mit dem ersten Schritt im Uhrzeigersinn
-antreibt.
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Diese Problematik ist nach vorliegender Erfindung mit den im Hauptanspruch
angegebenen Maßnahmen grundsätzlich gelöst. Mit diesen Maßnahmen wird bei gleichzeitiger
mechanischer Nullstellung des Zeigerwerkes die Elektronik
in definierter
Weise derart nullgestellt, daß bei erneuter Anschaltung der richtige Anlauf im Uhrzeigersinn
gewährleistet ist. Die im Effekt sehr einfache Maßnahme besteht darin, daß der Impulsgeber
bei der mechanischen Nullstellung des Zeigerwerks kurzfristig spannungslos gemacht
wird. Das geschieht in der Praxis dadurch, daß mit Betätigen der mechanischen Nullstelltaste
ein im Stromversorgungszweig zwischen Versorgungsspannung und Impuls geber angeordneter
Schalter betätigt wird. Dieser Schalter kann beliebiger trt sein. Bevorzugt wegen
seiner geringen Störanfälligkeit ist ein Schutzrohrkontakt, ein sogenannter Reed-Kontakt,
der von einem mit dem Nullstellstößel mechanisch gekoppelten Permanentmagneten schaltbar
ist.
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Eine zur Lösug der Aufgabe weiterhin sehr wichtige Voraussetzung ist,
daß völlig unabhängig von der Stellung des Zeigerwerks eine mechanische Nullstellung
möglich ist. Auch bei der erfindungsgemäßen Stoppuhr wird zur Nullstellung ein Nullstellherz
verwendet, auf dessen Umfang der Nullstellstößel einwirkt. Bei ungünstiger Position,
nämlich dann, wenn sich das Nullstellherz in einer bezüglich der Kraftrichtung des
Nullstellstößels symmetrischen Stellung befindet, kann eine Selbstblockierung eintreten.
Um dies zu vermeiden, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen,
zwischen Nullstellstößel und Nullstellherz eine verformbare Blattfeder einzuschalten,
welche bei Betätigung des Nullstellstößels ihre relative Lage zum Nullstellherz
verändert.
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Hiermit wird erreicht, daß sich die Geometrie der Funktionsbauelemente
so ändert, daß eine Selbstblockierung mit einem äußerst einfachen Element, nämlich
beim Ausführungsbeispiel
mit einer U-förmig gebogenen Schenkelfeder,
vermieden wird.
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Der preisgünstige Aufbau der erfindungsgemäßen Stoppuhr ermöglicht
schließlich die Herstellung großer Stand-oder Tischstoppuhren mit beidseitig angeordneten
analogen Zeitanzeigen ohne ins Gewicht fallenden Mehrpreis. Da die Schrittmotoren
sehr preisgünstig erhältlich sind, können in Weiterführung der erfindungsgemäßen
Vorschläge an auf gegenüberliegenden Seiten eines Gehäuses vorgesehenen Zifferblätter
eigene Zeigerwerke vorgesehen werden, welche aus einem gemeinsamen Impulsgeber gespeist
werden. Solche Stoppuhren sind sowohl für den industriellen Laborbedarf als auch
für Schulzwecke oder auch in Form von Schachuhren, jedenfalls überall dort verwendbar,
wo man die gestoppten Zeiten von zwei unterschiedlichen Seiten bequem und aus großer
Entfernung ablesen muß.
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Konstruktive Einzelheiten einer derarigen doppelseitigen Stoppuhr
sind mit den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
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Anhand der Figuren wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Vorderansicht einer als Tischstanduhr ausgebildeten
Ausführungsform der- erfindungsgemäßen Stoppuhr, Fig. 2 einen schematischen vertikalen
Mittelschnitt parallel zu den Zifferblättern durch die in Fig. 1 dargestellten Stoppuhr,
Fig. 3 einen zu Fig. 2 senkrechten Vertikalschnitt durch die gleiche Ausführungsform,
Fig. 4 vergrößerte Seitenansicht des Schrittmotors 20 mit Herzkurvenmechanik zur
Nullstellung, Fig. 5 bis 7 vergrößerte Ansichten des Schrittmotors 20 entsprechend
der Darstellung gem. Fig. 2, jedoch in verschiedenen Schaltpositionen, Fig. 8 Funktions-Blockbild
für die erfindungsgemäße Stoppuhr und Fig. 9 Stromlaufplan für die Steuerschaltung
der erfindungsgemäßen Stoppuhr.
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Das in Vordersicht kreisrunde Gehäuse 10 der Stoppuhr weist ein vorderes
Zifferblatt 12 und ein dazu paralleles rückwärtiges Zifferblatt 14 auf. Das Gehäuse
ist auf einem Standfuß 16 befestigt. Sowohl dem vorderen Zifferblatt 12 als auch
dem rückwärtigen Zifferblatt 14 ist je ein quarzgesteuerter Schrittmotor 18 bzw.
20 zum Antrieb der Sekundenzeiger 42, 42' und der Minutenzeiger 43 bzw. 43' zugeordnet.
Beide Schrittmotoren 18, 20 sind mit einer gemeinsamen Starttaste 22 und einer gemeinsamen
Stopptaste 24 über eine nachstehend noch näher erläuterte Elektronik schaltbar.
Die mechanischen Taster 22a und 24a sind an der Oberseite des Gehäuses 10 nach außen
geführt. Durch Betätigen der Starttaste 22a bzw. Stopptaste 24b können beide Schrittmotoren
gleichzeitig gestartet bzw. gestoppt werden. Jedem Schrittmotor 18 bzw. 20 sind
Nullstellstößel 26, 28 zugeordnet, welche auf eine nachstehend noch näher beschriebene
Herzkurvenmechanik zur Nullstellung wirken. Die Nullstellstößel 26 und 28 überragen
das Gehäuse 10 in Form von Nullstelltasten 30 und 32, welche mittels eines Querbügels
34 zur gemeinsamen Rückstellung beider Uhrwerke starr miteinander verbunden sind.
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Jeder der beiden Schrittmotoren 18 und 20 ist mit einer Herzkurvenmechanik
zur Nullstellung ausgestattet, welche für den Schrittmotor 20 anhand der Figuren
4 bis 7 erläutert ist.
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Der Schrittmotor 20 ist mit einem nicht näher dargestellten Untersetzungsgetriebe
für das Zeigerwerk versehen,welches die Welle 40 für den Sekundenzeiger 42 und Hohlwelle
41 für den Minutenzeiger 43 antreibt. Auf den Wellen 40 und 41
sind
jeweils herzkurvenförmige Steuerkurven, sogenannte Herzkurven 44 und 45, drehfest
angebracht. Auf diesen symmetrisch ausgebildete, jedoch exzentrisch an der Welle
befestigte Herzkurvenwirkt z.B.der ein allgemein mit 47 bezeichnetes Hebelglied
der Stößel 28 der Nullstelltaste 32.
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Das um die Drehachse 48 verschwenkbare Hebelglied 47 weist einen Stellhebelarm
47a auf, auf dessen Oberseite kraftschlüssig das untere Ende des Nullstellstößels
28 aufliegt. Der andere Hebelarm ist von einer Schenkelfeder 46 gebildet, deren
erster Schenkel 46a bei 47b fest eingespannt und damit mit dem Stellhebelarm 47a
fest verbunden ist. Der zweite Schenkel 46b der Schenkelfeder 46, welcher auf dem
die Steuerkurve bildenden Umfang des Nullstellherzens 45 - unter Federdruck aufliegt,
liegt mit seinem freien Ende in einer nach oben offenen Federaufnahme 47c des Hebelgliedes
47. Bei dieser Anordnung kann der Schenkel 46b gegen den starren Schenkel 46a bewegt
werden, was aus folgendem Grund wichtig und vorteilhaft ist.
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Die Zeiger befinden sich in Nullstellung, wenn sich das Nullstellherz
in der in Fig. 7 dargestellten Position befindet. Um diese Position aus einer beliebigen
Position zu erreichen, muß die Welle 41 durch Betätigen des Nullstellstößels 28,
des Hebels 47, der Feder 46 und des Herzens 45 in eine Drehbewegung versetzt werden.
Befindet sich das Nullstellherz 45 in der gem. Fig. 5 dargestellten Position, in
welcher die Symmetrieachse des Nullstellherzens 45 senkrecht zu enemauf der Steuerkurve
aufliegenden starren Betätigungsarm stünde,wäreeine Drehung durch Niederdrücken
des Stößels 28 nicht möglich. Vielmehr wäre eine Zerstörung oder zumindest Beschädigung
des Schrittmotors 20 bei Niederdrücken des Stößels 28 zu befürchten.
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Die Beschädigungsgefahr wird gem. der Erfindung dadurch vermieden,
daß der Arm 46b nicht starr sondern als frei beweglicher Schenkel ausgebildet ist.
Wird auf die Anordnung gem. Fig. 5 in der dargestellten Position eine Kraft ausgeübt,
so wird zunächst bei Niederdrücken des Stößels 28 der Schenkel 46b in die in Figur
6 dargestellte Position überführt.
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Die geringfügige Verschwenkung des freien Schenkels 46b gegenüber
dem starren Schenkel 46a führt dazu, daß jetzt der Winkel zwischen der Symmetrieachse
des Nullstellherzens und dem freien Schenkel 46b von 900 abweicht, so daß eine Drehbewegung,
bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 6 im Gegenuhrzeigersinn möglich ist.
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Die Folge ist, daß das Nullstellherz 45 auch aus der kritischen Position
gem. Fig. 5 in die Nullstellposition gem. Fig. 7 mit einfachen mechanischen Elementen
überführt werden kann.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stoppuhr ist mit dem Funktionsblockbild
gem. Fig. 8 veranschaulicht.
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Das Blockbild symbolisiert die mechanischen und elektronischen Vorgänge
insbesondere beim Nullstellen. So soll es vor allem verdeutlichen, daß beim Nullstellen
die mechanischen und elektrischen Vorgänge so verkoppelt sind, daß die Zeigerbewegung
fehlerfrei gestartet wird.
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Der handelsübliche Schrittmotor 18, 20 wird durch Steuerimpulse wechselnder
Polarität angetrieben. Diese Steuerimpulse werden von einem Impulsgenerator 50 erzeugt,
der im wesentlichen aus einem Quarzschwingkreis 51, einem Teiler und Impulsformer
52 und einem Impulsselektor 53 besteht. Der Schrittmotor 18,20 ist mit einem Zeigerwerk
kombiniert, welcher die Sekunden- und Minutenzeiger 42,43 antreibt.
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Gestartet und gestoppt wird die Stoppuhr durch Ansteuern des Impulsselektors
53 über eine Start-Stoppschaltung, die von den Start- bzw. Stopptasten 22 und 24
ausgelöst wird.
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Um das Zeigerwerk so auf Null zu stellen, daß es beim Neustarten fehlerfrei
anläuft, ist außer der mechanischen Nullstellung über die Nullstellstößel 26, 28
und die Herzkurven, z.B. 44 und 45, eine elektromechanische Nullstellung notwendig.
Zu diesem Zweck ist im Stromversorgungsweg zwischen der Versorgungsspannung UB und
dem Impuls geber 50 ein Urlerbrecherschalter 61 vorgesehen, welcher bei dem praktischen
Ausführungsbeispiel aus einem elektromagnetisch betätigbaren Schutzrohrkontakt,
einem sogenannten Reed-Schalter, besteht. Das Kontaktbauelement 61b ist hieran der
die übrigen elektronischen Bauelemente tragenden Leiterplatte 60 nahe des Nullstellstößels
28 angebracht.
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Im Nullstellstößel 28 ist ein Permanentmagnet 61a untergebracht, dessen
magnetisches Feld auf den Schaltkontakt des Kontaktelementes 61b wirkt.
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Bei Nullstellung mittels des Stößels 26 bzw. 28 wird also nicht nur
das Zeigerwerk über die Herzkurvenmechanik nullgestellt, sondern auch der Impulsgeber
durch Abschalten der Betriebsspannung UB in eine eindaltige Schaltposition gebracht
so daß beim Starten mittels des Startschalters 22 der erste vom Impuls geber 50
abgegebene Impuls den Schrittmotor im Uhrzeigersinn antreibt.
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Die hierfür erforderliche Schaltung ist anhand des konkreteren Stromlaufplanes
gem. Fig. 9 erläutert.
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Wie erwähnt ist diese Schaltung so aufgebaut, daß der bipolare Schrittmotor
18, 20 aus der Nullstellung drehrichtungsrichtig und schrittkorrekt anläuft.
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Der Motor 18, 20 ist mit den Ausgängen 50e und f einer integrierten
Schaltung 50 verbunden, welche bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel aus einem
BauelementTyp 1429 der Firma Eurosil besteht. Der in dem Funktionsblockbild gem.
Fig. 8 allgemein mit 51 bezeichnete Quarzschwingkreis wird durch externe Anschaltung
eines Quarzes 54 realisiert, der an die Eingänge 50c und 50d der integrierten Schaltung
50 angeschlossen ist. Ihm parallel geschaltet ist die Reihenschaltung der Kondensatoren
C1 und C2, deren gemeinsamer Punkt mit dem Eingang 50g der integrierten Schaltung
sowie dem negativen Pol der Betriebsspannung verbunden ist.
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Der bereits im Zusammenhang mit dem Funktionsblockbild gem. Fig. 8
erwähnte Unterbrecherschalter 61 liegt zwischen dem positiven Pol der Versorgungsspannung
UB und dem Eingang 50b der integrierten Schaltung. Es versteht sich von selbst,
daß dieser Schalter auch in anderer Weise, z.B. in Form eines rein mechanischen
Endschalters oder auch eines vollelektronischen Schalters ausgebildet sein kann.
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Dem Starten bzw. Stoppen der integrierten Schaltung 50 dient ein Multivibrator
mit den Transistoren T1 und T2 und den Widerständen R1 bis R4. Der Ausgang des Multivibrators
ist über die Diode Dl mit dem Steuereingang 50a der integrierten
Schaltung
verbunden. Je nach Betätigung des Startschalters 22 bzw. Stoppschalters 24 liegt
bei dieser Schaltung am Eingang 50a ein positives oder negatives Potential. Die
integrierte Schaltung 50 ist so aufgebaut, daß nur eines dieser beiden Potentiale
die Schaltung öffnet, so daß die vom Quarz 54 erzeugten Impulse nach der erforderlichen
Teilung im richtigen Takt den Ausgängen 50e und 50f und damit den Schrittmotoren
18 und 20 zugeführt werden. Bei entgegengesetztem Potential am Eingang 50a ist die
Schaltung dagegen gesperrt. Zum Stippen der Elektronik genügt die Betätigung der
Stopptaste 24. Bei Betätigung der Starttaste 22 ist sichergestellt, daß die Schrittmotoren
ohne Meßfehler drehrichtig anlaufen. Werden die Schrittmotoren 18 , 20 jedoch mechanisch
über die erläuterte Herzkurvenmechanik nullgestellt, ist ohne besondere Vorkehrungen
nicht sichergestellt, daß der erste an den Ausgängen 50e und f nach Betätigen der
Starttaste erzeugte Impuls einen Drehantrieb im Uhrzeigersinn bewirkt. Um dies sicherzustellen,
wird die integrierte Schaltung über den Unterbrecherschalter 61 durch Abschalten
der Betriebsspannung UB beim Nullstellen stets in eine definierte Ausgangslage gebracht.
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Ohne diese Maßnahme könnte es passieren, daß der Motor mit dem ersten
Antriebs impuls zunächst im Gegenuhrzeigersinn anläuft und erst nach ein oder zwei
Impulsen die Drehrichtung durch Zusammenwirken von integrierter Schaltung 50 und
Schrittmotor 18, 20 korrigiert würde.
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Ds würde zwangsläufig zu einem Meßfehler von wenigstens einer Sekunde
führen.
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Trotz Verwendung handelsüblicher und damit preisgünstiger Bauelemente,
wie z.B. Schrittmotorenwund Impulsgeber in integrierter Bauweise läßt sich dieser
Mangel mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen mit relativ geringem technischen Aufwand
beseitigen.
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Figurenlegende 10 Gehäuse 12 vorderes Zifferblatt 14 rückwärtiges
Zifferblatt 16 Standfuß 18,20 Schrittmotoren für Zeigeruhrwerk 22 Startschalter
22a Starttaste 24 Stoppschalter 24a Stopptaste 26,28 Nullstellstößel 30,32 Nullstelltaste
34 Querbügel 40,41 Schrittmotorwellen 42,42' Sekundenzeiger 43,43' Minutenzeiger
44,45 Herzkurven 46 Schenkelfeder 46a starrer Schenkel 46b freier Schenkel 47 Hebelglied
47a Stellhebelarm 47b feste Einspannung 47c nach oben offene Schenkelaufnahme 48
Drehachse
50 integrierte Schaltung 50a Steuereingang 50b Versorgungsspannungseingang
50c,d Eingänge für Quarzosszillator 50e,f Ausgänge für Schrittmotor 50g zweiter
Versorgungsspannungseingang (Masse) 51 Quarzschwingkreis 52 Teiler, Impulsformer
53 Impulsselektor 60 Le-iterplatte 61 Schutzkontaktschalter (Reed-Schalter) 61 a
Permanentmagnet 61b Kontaktbauelement
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