Navegando por los foros de watchuseek he encontrado este interesante artículo sobre los relojes de cuarzo termocompensados, he creído conveniente traducirlo, aunque mis conocimientos de ingles dejan mucho que desear espero que sea inteligible. Tambien ruego que perdoneis los errores de traducción que seguro son muchos.
Enlace al articulo original:
http://forums.watchuseek.com/showthread.php?t=2087
EN BUSQUEDA DE LA PERFECCIÓN: RELOJES DE CUARZO TERMOCOMPENSADOS Y SUS MOVIMIENTOS.
El objetivo de un reloj es marcar correctamente el paso del tiempo. Los relojes de cuarzo termocompensados hacen esto mejor que cualquier otro reloj nunca antes fabricado. En los relojes mecánicos de una calidad razonable puede esperarse que hagan esto con una precisión de unos 15 segundos por día. De los relojes de cuarzo estándar se puede esperar que hagan esto con una precisión de unos 15 segundos por mes. Los relojes de cuarzo termocompensados llevan las prestaciones a otro nivel. Los modelos actuales son creados por sus fabricantes para obtener una precisión de unos 15 segundos por año aunque normalmente su precisión es mucho mayor. Para hacernos una idea 15 segundos por año son 500 partes por billón. Esto es el equivalente de comparar la distancia de Ginebra a Tokio con la longitud de un automóvil. Los relojes radio controlados pueden superar estas prestaciones, por supuesto, pero solo porque ellos se sincronizan periódicamente con un reloj de referencia. Mientras que el aspecto de radiocontrol de estos relojes es una interesante e impresionante tecnología la forma de medir el tiempo de sus movimientos no es excepcional. Los relojes termocompensados por ora parte, logran sus prestaciones por medio de la excelencia de sus movimientos. Son los actuales campeones en largos siglos de búsqueda de mayor precisión. Aunque tal vez ellos puedan ser superados en el futuro por las nuevas tecnologías como los relojes con microprocesador de escala atómica ( CSACS) *Traducción aproximada, su lugar en la historia de la relojería esta asegurada.
Los autores de este articulo–Bruce Reding y George Palasti—muestran todo lo que ellos saben sobre la termo compensación en este artículo. Esta dividido en cuatro partes. La primera parte repasa la información de fondo pertinente sobre los relojes de cuarzo. La segunda parte describe los varios métodos de termo compensación. La tercera parte lista los movimientos termocompensados, los relojes que los usan, su método de termo compensación (sí es conocido) y otra información pertinente. La última parte contiene las referencias útiles. Nosotros esperamos hacer un pequeño homenaje a los científicos e ingenieros que diseñaron estas máquinas magnificas. La historia está asegurada.
Hemos intentado hacerlo lo mejor posible para tratar este tema completamente aunque hay huecos en nuestra información. Esto es especialmente cierto en los métodos de termo compensación usados en movimientos específicos. Hemos resaltado estas carencias y damos la bienvenida a cualquier información que nos ayude a rellenar estos espacios en blanco. También información incorrecta o cuestionable sobre los relojes termocompensados esta flotando en la web. Hemos tenido especial cuidado en asegurarnos que la información mostrada en este articulo sea correcta. La mayor parte de nuestras fuentes de información son los fabricantes del reloj o expertos en la materia, si a pesar de nuestros mejores esfuerzos se nos ha colado algún error apreciaremos las correcciones
Antes de proceder nuestro reconocimiento y agradecimiento por orden. Primero, los sitios reunidos por otros entusiastas eran un punto de partida excelente en nuestra demanda de la información. Cuatro sitios en particular, aquellos de Gino Mancini, Gary Frazier (GMF), Pierre de Brial, y Bob Thayer (referencias 6, 8, 13 y 14 en la sección de las Referencias), eran bastante útiles, y es un buen valor visitarlos. Segundo, nos gustaría resaltar la excelente guía didáctica de los resonadores de cuarzo y osciladores que Dr. John Vig ha hecho disponible en la web (referencia 1 en la sección de las Referencias), y le agradecemos su autorización para usar el material de su guía didáctica en este artículo y su buena predisposición de contestar las preguntas en este tema. Nos gustaría también agradecer a oficiales de ETA su ayuda confirmando detalles del pasado y del presente de los movimientos de ETA, particularmente Sr. Martin Bieri y Sr. Jean-Claude Robert. También agradecemos a Robert Logie (Roba) por su ayuda editorial y las traducciones japonesas, Dr. Walt Arnstein por repasar el artículo y proporcionar la información sobre los movimientos de ETA, y Gino Mancini por repasar el artículo y proporcionar la información sobre el Omega Megaquartz el Cronómetro Marino. Somos afortunados de poder usar las excelentes fotografías de Walt Arnstein, Reto Castellazzi, Gino Mancini, y Joacim Olsson (Jocke). Finalmente, apreciamos el apoyo de nuestros aficionados a los cuarzos de alto nivel cuyo entusiasmo nos estimuló a escribir este artículo.
Parte 1: Todo lo que usted siempre quiso saber sobre los mecanismos de cuarzo y no se atrevía a preguntar.
La termo compensación en un cuarzo es una manera de asegurar una precisión estable ante una temperatura ambiente variable. Esto no nos asegura una buena exactitud. Para entender la diferencia entre precisión y exactitud consideremos los antiguos cronómetros marinos mecánicos usados para la navegación. La marina de los estados unidos requirió que la precisión de sus cronómetros marinos se encontrara dentro de un pequeño margen de 1.55 segundos / día. Dado que los cronómetros marinos no se ponían nunca en hora durante años en sus largos desplazamientos esto significaba que el tiempo indicado podía diferir en varios minutos del tiempo real. La Armada exigió una precisión considerablemente más firme ( estabilidad), sin embargo, con las especificaciones separadas en cómo la temperatura afecta a la precisión y cómo el grado en que la precisión se ve afectada (llamado isocronismo), y las variaciones intrínsecas de proporción con el tiempo. Teniendo un cronómetro con una precisión muy estable, y sabiendo el error de la precisión de ese cronómetro, un navegante puede determinar el tiempo correcto. El proceso sería algo como lo siguiente: 'El error en la precisión es + 1. 2 segundos por día y yo conozco el tiempo correcto de hace 20 días. Por consiguiente, para conseguir el tiempo correcto actual, yo necesito restar 1. 2 x 20 = 24 segundos del tiempo que mi cronómetro indica que ha pasado desde la ultima vez. Pudiendo contar con la misma precisión en el cronometro todos los días–no un segundo más lento en algunos días y cinco segundos más rápido en otros-- tengo la llave para determinar el tiempo correctamente.
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Figura 1: Cronómetro de caja Hamilton modelo 21.
Por supuesto, no es razonable esperar que los propietarios de un reloj realicen los cálculos de corrección tal y como hacían los marinos. Por consiguiente, los fabricantes de relojes termocompensados tienen la precaución de regular los relojes al máximo. Quizás sorprendentemente, sin embargo, lograr una gran exactitud es más fácil que lograr una gran precisión. Una comparación con los relojes mecánicos puede ayudarnos a entender esto: Para los relojes mecánicos modificar la exactitud es relativamente sencillo. (También llamado “regular” el reloj), es tan solo cuestión normalmente de mover una palanca. Mejorar la precisión es sin embargo mucho más desafiante , aquí actúan efectos como el isocronismo, el efecto de la gravedad según la posición del reloj, la temperatura, etc. Minimizar estos efectos es una gran prueba de maestría por parte del relojero ( También llamado “ajustar” el reloj). Lo mismo sirve para los relojes de cuarzo, la exactitud es un ajuste rápido (normalmente realizado por el fabricante) y la precisión entra dentro del ámbito de la ciencia y el diseño del mecanismo. Para abreviar, para lograr una buena medición del tiempo la estabilidad es la clave, la estabilidad es el desafío y la estabilidad debe ser nuestro lema, no que el reloj unos días adelante y otros atrase, esa la clave para que el reloj muestre el tiempo correctamente.
La estabilidad empieza con el resonador que es el corazón de cualquier reloj. Contando de un lado a otro los movimientos (llamó ciclos, o hertzios) es cómo se hace la medición del tiempo. Para ser estable, cada ciclo del resonador debe tomar la misma cantidad de tiempo para completar para la proporción. (En el lenguaje técnico, su frecuencia debe ser constante. ) Para lograr esto, los resonadores en todos los relojes tienen una propiedad especial–ellos son armónicos. Esto significa que ellos tienen una frecuencia especial (llamada frecuencia natural) a laque ellos prefieren operar. Para un reloj mecánico, el resonador es el volante y la espiral. Su frecuencia natural es determinada por dos cosas: la masa angular del volante (más propiamente llamado momento de inercia), y la tensión de la espiral. Cuanto mayor sea el momento de inercia del volante, más lento oscilará. Cuanto más tensión tenga la espiral , más rápido oscilara. (Para entender esto, piense en el experimento del colegial de hacer vibrar a una regla en el borde de una mesa. Cuando la regla se introduce más en la mesa, la frecuencia del sonido aumenta. Esto es porque la parte que cuelga encima del borde de la mesa está poniéndose más tensa y con menos masa. ) El resonador se alimenta de energía por la palanca del escape que también pasa sus pulsaciones adelante al resto del reloj para el tren de engranajes. Porque son armónicos, el volante y la espiral del resorte son muy estables. (Su predecesor, el foliot, no era armónico, y la invención del volante y la espiral fue uno de los más grandes logros en la historia de la relojería. )
En un reloj de cuarzo su resonador es un cristal de cuarzo. La figura 2 muestra un dibujo simplificado de un cristal de cuarzo usado en un reloj de cuarzo corriente.
Figura 2:
La estabilidad empieza con el resonador que la figura muestra, el cristal se corta como un diapasón. (La orientación de cristal mostrada en la figura se discutirá después. ) Muchos entusiastas de los relojes no comprenden que, como el volante y espiral de un reloj mecánico, el cristal de cuarzo actúa de la misma manera. Específicamente, sus púas se mueven de un lado a otro, normalmente 32,768 veces cada segundo. Los componentes electrónicos sirven para mismo propósito que el sistema de escape en un reloj mecánico: ellos prporcionan la energía al cristal para mantener su movimiento, y ellos transmiten las oscilaciones del cristal a otras partes del reloj para ser contadas. Hacen esto a través del efecto piezoeléctrico que es una propiedad que tiene el cristal de cuarzo y otros cristales de vibrar al serle aplicada una tensión eléctrica y viceversa… Mientras su movimiento se mantenga por la tensión eléctrica el cristal de cuarzo se comporta como un resonador mecánico: se mueve físicamente, y su frecuencia natural es determinada por el momento de inercia de cada brazo y la tensión de cada brazo (las mismas propiedades mecánicas que determinan la frecuencia natural del conjunto volante-espiral). Por estas similitudes, los resonadores de cuarzo y equilibrio y el conjunto volante-espiral son parientes cercanos. Nosotros damos énfasis a su similitud por dos razones. Primero, las causas potenciales de inestabilidad en los dos son similares. Segundo, nosotros esperamos modificar el punto de vista de algunos entusiastas del reloj que sienten que el cuarzo es un extraño usurpando la tecnología. Desde nuestro punto de vista, el resonador de cuarzo es simplemente la última mejora en siglos que renueva la antigua tradición relojera de toda la vida, una de las mejoras más grandes alguna vez se haya hecho en los relojes. )
Los relojes de cuarzo son mejores cronómetros que los relojes mecánicos. Algunas veces uno oirá que esto es debido a que su frecuencia de oscilación es mucho más alta, pero aún teniendo algo de cierto esta afirmación su estado incompleto encierra una verdad mucho mayor, simplemente los relojes de cuarzo tienen mayores prestaciones porque el resonador de cuarzo tiene mayor estabilidad que un conjunto volante-espiral. ¿Pero, porque?, Hay dos principales razones: la estabilidad intrínseca, y estabilidad en la presencia de efectos externos. En el lado de la estabilidad intrínseca, la vibración del cristal de cuarzo es casi pura, una sola frecuencia. Desde un punto de vista musical, usa un tono muy puro, más puro, de hecho, que cualquier instrumento musical o campana jamás fabricado… Debido a este tono tan puro, no hay esencialmente alteraciones en la frecuencia. (En el lenguaje técnico, un resonador que tiene un tono muy puro tiene un alto’ Factor de Calidad’, o Q. Otra propiedad de un resonador Q de alta calidad es que vibran durante mucho tiempo después de ser activados. Esto significa que un cuarzo necesita una energía muy pequeña para hacerlo vibrar y eso es bueno para la vida de la batería. ) Moviéndonos de lo teórico a lo práctico, al revés que los mecánicos, los cuarzos no necesitan ningún aceite que puede engomarse con el paso del tiempo, ni emplean componentes mecánicos como reguladores que puedan moverse.
La estabilidad en presencia de efectos externos no se ve afectada en tantas áreas como en los relojes mecánicos. Primero porque los cuarzo vibran a una frecuencia mucho más alta y los movimientos del brazo no lo afectan apenas en su vibración. En términos técnicos la frecuencia natural del cuarzo es muy alta y no se vera afectado salvo por frecuencias de ruido extrañas . También las causas de error en un mecánico como la posición, el isocronismo, y la temperatura tienen un menor efecto en los cuarzos. Respecto a la posición del reloj el cuarzo es apenas afectado por su posición respecto de la gravedad (posición), también es mucho menos afectado por variaciones en la amplitud de su oscilación (isocronismo), finalmente el cuarzo se expande y contrae muy poco con los cambios de temperatura, es decir, que su coeficiente de dilatación es muy pequeño, de hecho, tiene uno de los más bajos de cualquier material, esto significa que su momento de inercia (recordemos el experimento con la regla) varía muy poquito esto resulta en muy pequeñas variaciones en su frecuencia de oscilación. El Cuarzo no es absolutamente insensible a la temperatura, sin embargo, y la temperatura es de hecho la fuente más grande de variabilidad de la frecuencia en los relojes de cuarzo. Combatir esta variabilidad es el tema principal de la próxima sección. Todavía, con respecto a las fuentes de error clásicas de los relojes,el cuarzo se comporta muy bien. Si los relojes de cuarzo hubieran sido hecho al final del siglo, ellos habrían merecido una inscripción orgullosa como “adjusted 6 positions, isochronism, temperature”.
Antes de ahondar en los efectos de la temperatura y cómo minimizarlos, merece la pena ver otros fenómenos como el envejecimiento. Envejecer es un fenómeno en que la frecuencia de vibración del oscilador cambia despacio con el tiempo. Puede tener muchas causas: Contaminantes en el recipiente que contiene el cristal podrían pegarse a la superficie de cristal (por absorción), aumentando la masa de la estructura vibrante, y disminuyendo su frecuencia por consiguiente. Recíprocamente, contaminantes que estaban inicialmente en el cristal podrían despegarse, o gases que habían disueltos en el cuarzo podrían liberarse fuera del cuerpo del cristal esto haría que disminuyera la masa de la estructura vibrante y aumentaría su frecuencia. También, las estructuras que sostienen el cristal o la conexión de los electrodos al cristal podrían cambiar con el tiempo. Finalmente, la electrónica en el circuito analógico puede ser una fuente también de envejecimiento.Los condensadores ajustables que se usaron en los movimientos de cuarzo más viejos para ajustar la frecuencia son particularmente culpables de fallos en la frecuencia.
Si no se tiene gran cuidado para evitar estas causas de envejecimiento, la frecuencia puede variar significativamente con el tiempo. Como es nombrado en la referencia 3 de abajo, los osciladores de cuarzo usados en la electrónica digital pueden variar en 5 partes por millón (el ppm). Mientras que esto puede parecer estable, consideremos que es el equivalente de una frecuencia que varía 13 segundos al mes cada mes. Si la proporción se mantuviera en enero, sería 13 segundos de diferencia en el mes de febrero, 26 segundos de diferencia en el mes de marzo, 39 segundos de diferencia en el mes de abril, y así sucesivamente. En un reloj esto sería de hecho algo normal. Como se evidencia por muchas docenas de patentes, sin embargo, los fabricantes de cristales de cuarzo para los relojes han trabajado para minimizar estos efectos diligentemente. El resultado es que ellos han eliminado el envejecimiento esencialmente en sus cuarzos más buenos. Nosotros hemos visto numerosos informes de relojes termocompensados que guardan su frecuencia constante dentro de unos segundo por año después de varios años. Anotar que uno a veces oye las declaraciones entre los entusiastas de los relojes de cuarzo de alto nivel de que los fabricantes envejecen sus cristales, probablemente para permitir minimizar los efectos. Esto es creíble. Esta práctica sería sólo una parte de la solución global al envejecimiento, sin embargo. El diseño acurado y la diligencia extrema en la fabricación del cristal y su envoltorio son los ingredientes principales para el éxito. De hecho, ganar la batalla al envejecimiento es probablemente una épica pero inusual batalla en la saga de desarrollo del cuarzo.
- Métodos de termo compensación. ( O a algunos les gusta caliente y a otros frío)
Es un concepto erróneo común entre los aficionados a los relojes que los fabricantes simplemente escogen algunos cristales más buenos de los millones que ellos fabrican y los usan para sus movimientos de alto nivel. Éste no es el caso. Cómo la frecuencia del cristal se verá afectada con la temperatura esta completamente determinado por su diseño. Todos los cristales con el mismo tamaño, forma, y la orientación de cristal tendrán la misma respuesta a la temperatura. Aquí hay buenas y malas noticias. Las noticias malas son que los fabricantes no fabrican cristales insensibles a la temperatura por cuestión de suerte. Cada cristal de un tipo dado tendrá la misma sensibilidad de temperatura. Nótese que la suerte puede afectar de alguna manera en la actuación real de un reloj. Uno oye hablar de vez en cuando de un reloj milagroso que indica el tiempo con un margen de error de unos segundos al año. Esto puede pasar debido a una cancelación fortuita de errores. Si no es termo compensado, sin embargo, la actuación de este reloj cambiará significativamente cuando entre en un ambiente termal diferente. Las noticias buenas son que el efecto puede preverse y puede evitarse con un buen diseño. Aquí es donde entra en acción la magia de la ingeniería.
La manera más obvia de reducir el efecto de la temperatura en la frecuencia es mantener el cristal a una temperatura constante. Esta estrategia se usa para osciladores de alta calidad de laboratorio en que el cristal se contiene un muy pequeño chorno que se mantiene a una temperatura constante. En el lenguaje de industria, es un Horno Controlador de Oscilador De cristal, u OCXO dónde el X representa cristal. Esta medida, debido a su tamaño necesario y consumo de energía, no es práctica para un reloj de pulsera. Es notorio, sin embargo, que algunos fabricantes hacen pensar en una versión pobre de esta estrategia recomendando que sus relojes se lleven puestos regularmente para asegurar la precisión. Seiko, por ejemplo, recomienda llevar puestos sus movimientos 8F diariamente doce horas para asegurar los valores de +/- 20 segundos por año. Citizen recomienda el mismo tiempo de uso para asegurar la sus valores de +/- 5 segundos año. ¿Cómo ayuda usted a que el reloj sea más preciso ? Primero, la temperatura del reloj variará menos que la temperatura ambiente porque esta unido a un objeto de temperatura constante (usted). De hecho, por las mismas razones que su cerveza se refresca más rápidamente en un cubo de hielo que en la nevera, su reloj estará más próximo a la temperatura del cuerpo que a la temperatura ambiente. Llevándolo así se reduce que su temperatura varíe en un buen rato. Segundo, llevándolo, usted mantiene su reloj a una temperatura que a el “le gusta” … (Esto se explicará brevemente. ) Destacar que, si un fabricante recomienda un tiempo de uso mínimo por su reloj para asegurar sus prestaciones, uno debe pensar que el reloj no es ningún termo compensado.
Un método más sofisticado de reducir el efecto de temperatura en la frecuencia es usar un tallado del cristal de cuarzo para que se minimicen los efectos de temperatura. Como en la mayoría de los cristales, el cuarzo es anisótropo. Ésta es simplemente una manera elegante de decir que sus propiedades, incluso la tensión y coeficiente de expansión termal, difieren como una función de dirección dentro del cristal. Estas propiedades determinan la frecuencia natural del cristal, así el truco es encontrar un tallado del cristal para que, los cambios en estas propiedades nos cancelen lo que se refiere a su efecto en la frecuencia con cambios de temperatura. El Cuarzo es tallado con varios cortes (las orientaciones) para que se minimicen los efectos de la temperatura debido a las tales cortes. Se muestra uno de estos cortes en la Figura 1, y se usa en todos los cristales de cuarzo normales.La Figura 4 muestra cómo la forma de diapasón de un cristal con este corte varía con la temperatura:
Figura 4: Promedio diario error vs. Temperatura en un típico reloj de cuarzo de 32 Khz. .
Como puede verse, la precisión está en un máximo a alrededor de 28C que es la temperatura del reloj en la muñeca. Este máximo es en donde los cambios en las propiedades que afectan a la frecuencia están anulados . Desde que la curva es parabólica, la tasa de cambio crece como el cuadrado de la diferencia de esta temperatura. Permítame poner algunos números al gráfico. Si el cristal está inicialmente en las 28C y entonces consigue enfriarse 1 grado, entonces, usando el Coeficiente de Temperatura de Frecuencia de -0. 035 ppm/C^2 (nombrado en la figura), la frecuencia cambiará por (-1)^2 x -0. 035 = -0. 035 ppm que son -1. 1 segundos por año. Si, en cambio, el cristal consigue enfriarse 10 grados, entonces la tasa de cambio será (-10)^2 x -0. 035 ppm = 100 x -0. 035 ppm = -3. 5 ppm que son -110 segundos por año. En resumen, con tal de que la temperatura del cristal permanezca cerca de 28C, o’ la temperatura de la muñeca’, la variación de su proporción será pequeña. Las desviaciones grandes de esta temperatura producen los cambios de frecuencia mucho más grandes. (Esto explica el comentario más temprano que a el cristal ’ le gusta’ estar a esta temperatura. ) Para que, incluso a fuerza de la mejor ingeniería, los relojes de cuarzo normales tienen una sensibilidad reducida a los cambios de temperatura.
Un comentario final sobre los relojes de cuarzo de no termocompensados es que los fabricantes típicamente los regulan para que ellos corran ligeramente más rápido a la temperatura de la muñeca. Esto es porque, normalmente al quitarlo el reloj se enfría y late más lentamente, con lo que la media diaria de error tiende a cero.
A pesar de que este bien diseñado, la frecuencia de oscilación de un cristal normal cambiará significativamente si la temperatura es substancialmente diferente del nominal 28C. Dado que esa temperatura puede afectar su precisión en 100 segundos por año o más, si relojeros desean garantizar la precisión a unos segundos por año, entonces ellos deben modificar el esquema del tallado del cristal, o usar un método diferente en total. Aquí es donde entra en juego la termo compensación. Pueden separarse los métodos de termo compensación en las familias siguientes:
1-Métodos de cristal único:
Cristal de alta frecuencia.
Frecuencia forzada constante.
Ajuste digital de la cuenta, también llamado supresión de cuenta.
2-Métodos de doble cristal.
3-Otros métodos.
El primero de estos métodos—El cristal de alta frecuencia–podría describirse más justamente como thermo-desensibilizador que como thermocompensacion, dado que es una extensión del método de tallado del cristal pasivo usada en los relojes de cuarzo normales. Los movimientos Seiko 8F son los únicos movimientos de alta frecuencia actualmente disponibles. Ellos tienen cristales de 196 kilohercios (seis veces los 32 kilohercios de frecuencia normales). Nosotros especulamos que estas frecuencias más altas usan un tallado diferente que el que se usa para la norma de 32 Khz. Que ponen a punto cristales tipo horquilla, y que este corte es menos sensible a la temperatura. Seiko especifica el error de estos relojes en veinte segundos por año, y sólo si son llevados regularmente. Esto no supone ninguna mejora respecto de los relojes termocompensados modernos, pero es bastante mejor que un cuarzo actual. La Figura 6 muestra un ejemplo de un reloj con este movimiento:
Figure 6: Seiko with 8F 196 kHz movement. (Photos by George Palasti and Reto Castellazzi respectively. Used with permission.)
Movimientos con cristales de alta frecuencia pueden mejorar las prestaciones.
La Figura 7 muestra la variación de frecuencia con la temperatura en un cristal con corte AT.
http://i7.photobucket.com/albums/y279/BReding/7JRVslide135--ATcut.jpg
En esta figura, el eje de x es la temperatura, y el eje y es el cambio de frecuencia en ppm. Las curvas coloreadas muestran el cambio de frecuencia como una función de temperatura para varios cortes de cristal estrechamente relacionados (sus ángulos cortados difieren ligeramente, como se ve en el gráfico).Si el S se orienta apropiadamente, rinde en un rango ancho de temperaturas donde la frecuencia es esencialmente constante (nótese las curvas verdes). Usando un cristal así en un reloj rendirá en una proporción que es prácticamente constante en un rango de temperatura muy amplio. En un tallado AT, las oscilaciones ocurren en el cuerpo del propio cristal, en lugar de entre las púas. Debido a que un cristal de cuarzo sólido es mucho más rígido que uno en forma de Y, estas oscilaciones son de muy alta frecuencia. Dos cuarzos antiguos–el Citizen de 4Mh Crystron Mega y los 2. 4 MHz del Omega Megaquartz 2400–usan cristales de corte AT. Fueron diseñados para variar respectivamente menos de 3 segundos por año y 12 segundos por año sin termo compensación. Esto es impresionante considerando que estos relojes fueron diseñados hace treinta años.
La Figura 8 muestra uno de estos veteranos campeones:
Figure 8: The Omega Megaquartz 2400 (Photos by Gino Mancini. Used with permission.)
No tenemos constancia de ningún reloj actual que use cristales de corte A. Dado su excelente rendimiento, es natural preguntarnos por qué esto es así. Una razón es que estos cristales de alta frecuencia consumen más energía. Las baterías duran sólo un año en el Citizen y el Omega. Nosotros especulamos que el costo juega un papel importante también. La versión del Cronómetro Marino del Omega costaba casi $2000 a mediados de los años setenta, y el Citizen costaba $15,000 a mediados de los años setenta. Es razonable creer que sus cristales exóticos tienen mucho que ver en ello. (Un A cristal del tipo es muy rencoroso. Como ejemplo, un error de unas milésimas de grado en su ángulo cortado degradará su insensibilidad a la temperatura substancialmente. Fabricar con tales tolerancias probablemente es muy caro. ) Poner a punto cristales de tipo horquillar, por otro lado, es bastante más barato. También, dado que millones de ellos son ahora anualmente fabricados, se ha puesto la tecnología industrial en un lugar que los hace bastante más baratos. Nosotros sospechamos que los fabricantes han determinado que poner a punto cristales tipo horquilla ayudados por un sistema de termo compensación rinden unas prestaciones similares con un más bajo costo industrial. Estos relojes eran muy caros pero muy interesantes desde el punto de vista de la ingeniería y realzan el virtuoso potencial del cuarzo.
El próximo método del termo compensación en la categoría de cristal único es el método de frecuencia constante forzado. Este método usa un Voltaje Controlador del Oscilador De cristal (VCXO). Éste es un paquete de cristal especial que se diseña para que su frecuencia pueda ajustarse en un rango pequeño variando el voltaje de entrada. (Nótese que el propio cristal todavía es de tipo horquilla. ) Los diseñadores crean un circuito de compensación analógico para que el voltaje varíe con la temperatura. Cuando el rendimiento del circuito de compensación se acopla a la entrada del VCXO, se obliga a la frecuencia del oscilador de cuarzo a ser constante en de un ancho rango de temperatura. Este circuito global se llama una Temperatura Compensada por Voltaje Controlador del Oscilador De cristal (TCVCXO). Como este método logra la termo compensación a través de técnicas completamente analógicas, era útil en la era pre-digital. Los Rolex 5035 y sus variantes usadas en el Oysterquartz son el precedente (y posiblemente los únicos) de ejemplos de movimientos que usan este método. Aunque elegante, este método tiene algunas desventajas. Primero, la variación de temperatura del circuito de compensación y el cristal ha de ser mínima. La desigualdad de sólo un uno por ciento llevará errores del orden de segundos por año. Tal igualdad es difícil para un circuito analógico. Segundo, ajustando el condensador variable cambiamos la curva de temperatura del oscilador, comprometiendo el circuito de compensación. Finalmente, porque su frecuencia es ajustable, los VCXOs son más propensos a variaciones por ruidos de bajo nivel .
Figure 9: The Rolex Oysterquartz – a unique breed. (Photos by Jocke. Used with permission.)
El próximo y mayor paso en termo compensación–el método de ajuste de cuenta digital–elimina muchos de los problemas del método de TCVCXO. En este método, la frecuencia de cristal se permite variar con la temperatura, tal y como el cristal en un reloj no-termo compensado hace. Sin embargo, un sensor independiente (probablemente un thermistor) se usa para medir la temperatura del cristal. Teniendo un conocimiento preciso de la frecuencia y de las características de temperatura del cristal, la cuenta digital que se deriva de las oscilaciones de cristal se ajusta para corregir el efecto de la variación de temperatura. Para un movimiento que cuenta hasta 32,768 todos los segundos (i. e. , un 32 movimiento del Khz. normal), substrayendo una cuenta cada 16 minutos (960 segundos) aumentará la proporción por dos segundos por año. Específicamente, si la segundera estuviera avanzada cada tiempo que el contador alcanzó 32,768 seguidos durante 959 veces, y en el 960 segundo, estaba avanzado después de contar hasta sólo 32,767 (uno menos de normal), entonces esto aumentaría la proporción por 1. 0 segundos por año. Con esta perspectiva, una versión interactiva de la lógica digital podría ir algo así: 'El thermistor me dice que, durante los últimos 959 segundos, la temperatura de cristal promedió 20 C. Y yo conozco que, a esta temperatura, el cristal vibra 1. 7 ppm, o sea 54 segundos por año, más despacio. Por consiguiente, desde una cuenta de 960 segundos igual a 1. 0 segundos por año, yo necesitaré ajustar la cuenta por 54. Así que, durante estos 960 segundos, yo diré al motor paso a paso que mueva la segundera después de que el cristal haya vibrado 32,768 - 54 = 32,714 veces. ’ Nóteseque el esquema digital exacto (los intervalos de ajuste, trozo vs. las correcciones distribuidas, etc., ) usados por los fabricantes puede variar. Todavía, el método trabaja substancialmente tal como se ha descrito.
El método de ajuste de cuenta digital tiene varias ventajas sobre el método de frecuencia constante forzada (TCVCXO). Primero, como la frecuencia del resonador no puede ponerse a punto, es menos susceptible al ruido. (También es más simple y por consiguiente menos caro. ) Segundo, como la compensación es digital, puede hacerse emparejar la dependencia de temperatura del cristal sin problemas aproximándose al rendimiento de un circuito de compensación analógico. (La compensación digital podría ser tan sofisticada como una tabla con el ajuste exacto necesario para el cristal por cada grado centígrado. Para lograr una precisión de 1segundo-por-año sobre un rango de temperatura razonable la compensación exige ser correcta en menos de un uno por ciento. Nótese, que este método requiere muchos datos almacenados digitalmente y lógica. Por consiguiente, mientras es capaz de rendir lunas buenas prestaciones, no se introdujo hasta por lo menos una década después que el método de TCVCXO. En ETA los movimientos de Thermoline (incluso el Breitling Superquartz ) usan este método de termo compensación.
La Figura 10 muestra un ejemplo excelente de un tal modelo:
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Figure 10: Longines Flagship VHP Perpetual Calendar (Photos by George Palasti.)
En el método de cristal dual, uno de los cristales trabaja en la frecuencia normal de 32 Khz., y el otro cristal es de una frecuencia más alta. Uno oirá a veces que el cristal de frecuencia más alta “corrige” al cristal de frecuencia más baja. Esto no nos debe hacer creer que el cristal de frecuencia más alta es correcto en un sentido absoluto. (En otros términos, que no varía con la temperatura. De hecho, si éste fuera el caso, uno se preguntaría el papel que desempeña el cristal de frecuencia más baja. En los movimientos de cristal duales que conocemos , el oscilador de frecuencia más alta está sólo 1 MHz por encima de la frecuencia del otro cristal, y variará por consiguiente también con la temperatura.) ¿Para que?¿Cómo trabajan estos cristales? Muy sencillo, aunque ambos cristales varían con la temperatura, varían de forma diferente. Para una temperatura dada, hay una única diferencia en las frecuencias de los dos cristales. Como tal, la diferencia de frecuencia es una eficaz medida de la temperatura, y puede usarse como modificador del circuito de compensación. Hagamos esto más concreto examinando un antiguo método de cristal dual usado por el calibre 9923A de Seiko usado en el Seiko Twin Quartz. Este método es el descrito en la figura 9:
http://i7.photobucket.com/albums/y279/BReding/11TwinQuartzcompmethod.jpg
En la Figura 11, se muestra como varía la curva de frecuencia del cristal de cuarzo principal respecto de la del cristal de 32 MHz con la temperatura. El cristal de frecuencia alta es escogido para que su curva se forme igual la del de 32 MHz (las dos parábolas tienen el mismo coeficiente cuadrático), pero su cresta está en una temperatura diferente. Restando de los dos rendimientos de las curvas una línea recta que se muestra como una línea en la parcela correcta de la figura. La línea una eficaz medida de la temperatura. Como se indica en la figura, la línea se transforma entonces digitalmente en la curva b que es la curva de compensación. Como la curva de compensación b refleja la curva del oscilador de cuarzo principal, sumando las dos líneas de los rendimientos obtenemos la línea c (mostrado en la parcela correcta) que es una proporción que no varía con la temperatura. Nótese que éste es esencialmente un método de ajuste de cuenta digital: la temperatura es medida a través de la diferencia de frecuencia de los dos cristales), y la cuenta del cristal de 32 MHz se ajusta entonces basándose en esta temperatura. El método de inferir la temperatura en esta técnica es bastante avanzado y completamente digital e inmune a las variaciones de medición que podrían ocurrir con un sensor de temperatura analógico. También, el proceso digital está muy avanzado para un movimiento diseñado a mediados años setenta.
Otro movimiento notable de cristal dual es el ETA 255. 561 que se usó primero en el Longines ConquestVHP (el más antiguo, no el VHP perpetuo). Nosotros tenemos menos información sobre este movimiento. Fundamentalmente, sin embargo, funciona indudablemente por el mismo método–i. e. ,que usa la diferencia de frecuencia de los dos cristales para determinar la temperatura (implícitamente o explícitamente), y usa esta señal de temperatura como la entrada a su electrónica de corrección. Como este movimiento se diseñó una década después que el Twin Quartz, la electrónica digital más sofisticada estaba disponible para los diseñadores. Esto les permitió dar un paso más hacia un sistema completamente digital. Por ejemplo, escogieron el sistema de corrección digital en vez de el mejor condensador analógico disponible usado en el Twin Quartz. Es posible que incorporaran otras mejoras digitales también, como otros métodos más sofisticados de determinar cuántas cuentas de compensación se necesitan, qué habilitarían una compensación más exacta de la curva de temperatura del cristal de 32 Khz… También pueden haberse sentido tentados de usar un cristal de frecuencia más alta cuya curva de temperatura sea igual que el cristal de frecuencia más baja. (Escogiendo un corte que fuera más sensible a los cambios de temperatura rendiría aún mejor, aunque no linealmente. ) Éstos dos comentarios son especulaciones, sin embargo. Más allá de las especulaciones, sabemos bastante poco realmente sobre los detalles del método de termo compensación usado en este movimiento, y apreciaríamos cualquier información posterior.
La Figura 12 muestra un ejemplo de un reloj con este movimiento:
http://i7.photobucket.com/albums/y279/BReding/12Krieger--Arnstein.jpg
Figure 12: Krieger Marine Chronometer (Photos by Walt Arnstein. Used with permission.)
Éstos son los métodos de termo compensación usados en relojes que conocemos. Es muy posible, sin embargo, que nuestra lista está incompleta. Varios relojes permanecen ocultos en el misterio. También, uno de nosotros (Bruce) ha visto varios patentes para métodos de termo compensación que son completamente diferentes de los descritos anteriormente. Entre éstos estaba un cristal composyte con orientaciones de cristal múltiples. Otro era tres capas de cristal que combinaba torsión con flexión. La mayoría de estas patentes alternativas son de principios de los años ochenta . Sospechamos que son un producto de los inicios de la tecnología del reloj de cuarzo, y no han sobrevivido hasta el momento. Aunque es posible que éstos u otros métodos todavía estén en uso.
Aunque estos métodos son muy eficaces no sabemos como aproximarnos a los límites del cuarzo. Los osciladores de cuarzo de laboratorio son estables a 0. 01 segundos por año o más. Mientras el diseño de los relojes sea cada vez más avanzado, no sabemos cuanto tardará en mejorarse el promedio de 5 segundos por año a menos de 1 segundo (o incluso 0. 1 segundos) por año. Un camino obvio sería aparejar los cristales tallados tipo A con un sistema de termo compensación activo en la variedad de ajuste de cuenta digital. Puede haber otros y más sutiles caminos también. Tristemente para nosotros los aficionados tecno-obsesivos de los relojes, no hay ninguna demanda de mercado para tales movimientos en la próxima generación. (Hay demanda pequeña francamente, pero incluso la generación actual de cuarzos termocompensados son mirados como bestias raras. ) Hay esperanza, sin embargo. Otras aplicaciones como las comunicaciones inalámbricas necesitarán del desarrollo de métodos de medir el tiempo de bajo costo precisos y portátiles. El Cuarzo podría ser un contendedor viable, junto con los relojes de microprocesador de escala atómica y posiblemente otras tecnologías. Sólo podemos esperar que, cualquiera que sea la tecnología ganadora ella acabe en nuestros queridos relojes.