kwarts klok en cesium klok

[always]

Loopt een kwarts horloge altijd langzamer dan een cesiumklok?
 
De meeste klokken/horloges lijken steeds achter te lopen op de juiste cesiumtijd. Maar is dat ook zo of zijn er ook kwartsklokken die steeds sneller lopen dan de cesiumklok en dus steeds achteruit moeten worden gecalibreerd?
 
Een kwartshorloge loopt dus op een kwartskristal die een trilling geeft van ongeveer 37000 trillingen per seconde die na wat halveringen (2^15) telkens de klok een seconde vooruit zet. Nu zijn het aantal trillingen van een cesiumklok tegen de 10 miljard trillingen per seconden. Op zich lijkt dat nog geen reden om te besluiten dat kwartsklokken altijd trager lopen. 
 
Maar is het dus zo dat een kwartsklok door het zogenaamde piezoelektrisch effect, niet alleen minder accuraat is als de cesium klok, maar ook trager? Zo ja hoe komt dat dan?

[Michel Uphoff]

Loopt een kwarts horloge altijd langzamer dan een cesiumklok?

 

Nee, zo'n kwartsoscillator in een horloge heeft de vorm van een stemvork met een resonantiefrequentie van meestal 32.768 Hz. Maar als het kwarts bijvoorbeeld te diep is ingesneden trilt het kristal te langzaam, en bij te kort insnijden te snel.

 

Tuningfork 1641 keer bekeken

 

Zo'n kwartsoscillator is inderdaad minder nauwkeurig dan een cesium klok (o.a. meer temperatuurgevoelig, met een afwijking in de orde van 0,4 ppm per graad Celsius).

[Benm]

Klopt, en die temperatuur heeft invloed: Sommige kwarts-klokken lopen in de zomer te langzaam en in de winter te snel.
 
Soms is de afwijking groot genoeg om enkele minuten te verzamelen in een half jaar, meestal valt het wel mee en kun je het bij verzetten ivm zomer/wintertijd wel bijstellen. 

[always]

In de zomer te langzaam?? Ik dacht dat een hoge temperatuur juist meer trillingen inhield? Is het niet net andersom?

[jkien]

Dat lijkt me een detail dat van veel factoren afhangt (elasticiteit en uitzettingscoefficient), te praktisch om over te filosoferen. Hier zie je een negatieve temperatuurcoefficient, terwijl wikipedia zegt dat de temperatuurcoefficient bij kamertemperatuur nul is:

A crystal's frequency characteristic depends on the shape or 'cut' of the crystal. A tuning fork crystal is usually cut such that its frequency over temperature is a parabolic curve centered around 25 °C. This means that a tuning fork crystal oscillator resonates close to its target frequency at room temperature, but slows when the temperature either increases or decreases from room temperature. A common parabolic coefficient for a 32 kHz tuning fork crystal is −0.04 ppm/°C².

Tegenwoordig leven overigens weinig mensen buitenshuis. Dan maakt winter en zomer dus weinig uit. Maar als je een dakloze bent moet je je kwartshorloge natuurlijk regelmatig bijstellen.

[Michel Uphoff]

De afwijking t.o.v. de top van de curve bij 25 graden is niet symmetrisch, en in de orde van 1 seconde per maand per graad (0,4 ppm).

Maar de standaardafwijking bij fabricage ligt vaak veel hoger +/- 20 ppm of zelfs +/- 100 ppm (tot enige minuten per maand).

Zie dit specsheet:

watch crystals

(238.66 KiB) 912 keer gedownload

 

 

 

[jkien]

De afwijking t.o.v. de top van de curve bij 25 graden is niet symmetrisch

Bedoel je met die afwijking de volgende informatie van Jauch, een andere kwartskristallenfabrikant? Goedkope klokken gebruiken een kristalfrequentie van 32 kHz, dat is een trilling die hoort bij kristalsnedes die niet "AT" zijn. In de fabriek is er altijd een kleine richtingsafwijking van de kristalsnede, waardoor de parabooltop niet op 25°C ligt, maar een paar graden hoger of lager. Daardoor is de raaklijn bij 25°C niet horizontaal maar scheef (rode en groene lijn). Of het exemplaar in je horloge een positieve of negatieve helling heeft is dan toeval.
 

quartz2 1642 keer bekeken

[always]

Wat betekent AT?
 
Toch vind ik het vreemd dat in eerste instantie bij een ATcut, bij temperatuurstijging de frequentie in eerste instantie omlaag gaat en bij verlaging de frequentie omhoog gaat; pas bij een sterkere daling of stijging wordt het anders. Maar hoe kan een temperatuursverhoging nu een kristal minder laten trillen? Heeft dat iets te maken met resonantie?
Daartegenover lijken de afwijkende kristallen (<32.700HZ) weer wel in eerste instantie te stijgen bij temperatuursverhoging. Hoe kan dat verschil ontstaan?

[jkien]

Wat betekent AT?

Klik op de link naar Jauch. In figuur 4 zag je dat het een kristalsnede is die een hoek van 35°15' maakt met de optische as van het kwartskristal.

 

Toch vind ik het vreemd dat in eerste instantie bij een ATcut, bij temperatuurstijging de frequentie in eerste instantie omlaag gaat en bij verlaging de frequentie omhoog gaat; pas bij een sterkere daling of stijging wordt het anders. Maar hoe kan een temperatuursverhoging nu een kristal minder laten trillen? Heeft dat iets te maken met resonantie?
Daartegenover lijken de afwijkende kristallen (<32.700HZ) weer wel in eerste instantie te stijgen bij temperatuursverhoging. Hoe kan dat verschil ontstaan?

Heel goed, je wilt de boeken induiken en de details van trillende kwartskistallen gaan uitzoeken! Ik ben benieuwd.

[always]

De afkorting AT kan ik nergens vinden in dat artikel.
 
Wat ik me wel afvraag is hoe ik die cut van 35,15 uit figuur 7 moet zien in vergelijking met de foto van Michel hierboven. Dat ziet er heel anders uit....

[jkien]

De afkorting AT kan ik nergens vinden in dat artikel.

Klopt. En de figuur bevat behalve de AT-cut ook de BT- en CT-cut. Ik vermoed dat het meer lettersoep dan afkorting is.

[Benm]

Kristallen voor hogere frequenties zien er ook heel anders uit. Niet zo'n stemvork, maar meestal een dun schijfje met electrodes aan weerszijden. 
 
Wat overigens niet is meegenomen is dat de frequentie een beetje te beinvloeden is door externe capaciteit in de vorm van vaak 2 condensatortjes. Soms is 1 daarvan variabel zodat je de frequentie kunt instellen als het kristal niet exact de juiste frequentie heeft maar dat wel van belang is (referentie in radiozenders oid).