世界钟表史网上连载（十八）
（苏）B.H.∏ИПyЬIрOB著 张遐龄 译
温度和气压补偿摆
补偿摆与一般的摆不同，在温度可能变化的条件下，它能够使悬挂中心和摆动中心之间的长度保持为常量。早期的摆钟，从惠更斯钟到格拉哈姆钟，不存在对温度补偿摆的特殊需要。公元1700年之前，温度变化对摆钟走时的影响，还不如钟机心和擒纵机构不完善的影响大，因此，还不能足够地了解温度变化对摆钟影响的意义。只是在完善锚式擒纵机构和齿轮传动方面取得了很大成绩之后，才开始注意到温度变化对摆钟走时的影响。格拉哈姆，完善的锚式擒纵机构和水银摆的发明者，是第一个开始从根本上研究温度变化对钟走时影响的钟表匠。这些研究的成果，他用于制造水银补偿摆。我们已经了解了它的结构。
加利松筛形摆 琼•加利松（Дҗон Гаррисон）（公元1693~1776年）从事制造摆的温度补偿装置时，格拉哈姆也正从事这项工作，但彼此是独立的。筛形摆由5根钢条和4根黄铜条组成，连结成筛子形状。组成筛子的条，用铜的或黄铜的横梁坚固地连结在一起（图1）。这个摆的补偿是建立在铜和黄铜的线性膨胀不一样的基础上。
图1示出筛摆基本部分。BI——钢摆杆；A——横梁，使筛架牢固连结；K——下横梁；E——钢条（прутки）；F——黄铜条，连结在下横梁，上端与上边内横梁C联着；G——钢条，同样连结在上边内横梁，下端是用下边内横梁J来支撑；两个黄铜条H下端也支撑在J上，条的上端连结在短的内横梁D上。摆杆也连结在这个横梁上，通过下边的横梁，下边带有摆锤（重物）。摆锤安装在螺母上。螺母可以调整摆锤距摆悬挂中心的距离。
制造得很好的筛摆，相对于水银摆有许多优点：它的每一部分几乎一样地承受周围大气的作用。在温度升高和降低时，水银摆钟不能达到完全的温度补偿。在温度变化和补偿作用之间，造成延迟或延误，是水银摆主要不方便之处。
虽然水银摆和筛摆几乎是同时发明的（约公元1726年），但加利松的发明不为人们所知，因为他在公元1735年来到伦敦之前，根据格奥尔格•格拉哈姆的建议，在继续完善自己的发明。格拉哈姆很快了解到，筛摆比自己的水银补偿摆更具优越性，甚至也制造了一些筛摆钟。公元14世纪，筛摆的摆钟比水银摆的摆钟制造得更多。
筛摆的主要缺点是，摆杆弯曲和压缩时金属下陷。
为了使水银能较快地跟踪上温度的变化，曾设想过使用两个或更多的容器（图2），这可以增加水银的表面，又不减小它的质量，但增加了辅助部分的质量。
应用在利弗列尔摆的水银补偿，被认为是更为完善的。这个摆的摆杆是铜套管，灌入其中的水银到2/3的高度。在摆杆下部安装一很重的黄铜透镜，用在它中心的两个调整螺母来支撑。在它的下边和上边有2个或3个不大的圆盘，改变圆盘的重量，可以调整摆的附加补偿。虽然利弗列尔水银摆是根据精确的计算制造的，套筒中2/3的长度灌着水银，当高度为1米、温度变化1℃时，日误差仍然达0.3秒钟。
锌和铜的补偿装置，套管摆 公元1800年前后，发明了各种不同的补偿装置，都应用了锌、铜条。由于锌的线性膨胀系数很大，对于补偿装置所需条的数量，比应用黄铜和铜条要少。在摆的温度补偿工作中，由于应用同心放置的两种金属（锌和铜）套管，代替铜、黄铜或铁条，取得了显著效果。这样的套管摆比筛摆更为紧凑。它是著名的伦敦天文仪器工匠爱德瓦尔德•特洛乌统（Эдвард Троутон）发明的。在这个原理基础上，例如，制造了著名的威斯敏斯特钟的摆，它的套管就是用锌和钢代替黄铜制造的。
在图3上给出了套管摆的结构。在内钢杆1的端部有调整螺母8，它被拧在摆锤（重物）的底部。锌管沿着内杆表面滑动，支撑在由很厚垫片7的方凹槽内，垫片7也支撑在调整螺母上。当转动调整螺母时，垫片不应随之转动。钢管的下端被凸台5限制，摆锤6也支撑在凸台5上，略低于它的中心。同时，摆锤与钢管相联结。
随着温度升高，支撑摆锤的钢管向下膨胀，把摆锤也带向下边；锌管4带着钢管向上膨胀，将摆锤升高，结果是摆的有效长度保持不变。
现代的补偿，铟钢摆杆 为了摆的补偿，如今已应用线性膨胀系数很低的现代材料，这样，只要很小的补偿就可以了。最为普及的是使用铟的合金钢。成份是36%镍、59%铁、4%锰和1%碳。它是约在公元1895年由察尔利兹•爱杜阿尔德•吉利奥姆（Чарлъз Эдуард Гильом）博士得到的。为此，不列颠钟表学院授予了他金质奖章。铟钢的线性膨胀系数很小（从0.0000010到0.0000030）。在英国冶炼的类似成份的合金，至今仍在应用。
摆锤A（图4）是圆柱体，低于它的中心2.5厘米的补偿器B支撑着A。补偿器装在调整螺母C上，可以在摆杆上沿螺纹D移动螺母C。调整螺母的端部有凸缘，用以调整摆锤的位置。
早期铟钢杆的摆，不仅有一般金属的摆锤，也有不少是铟钢摆锤的，但对于实用目的来说，是没有必要的。
摆的气压补偿 摆在空气介质中振动，不能把摆放置在没有空气的空间，没有放入不透空气罩里的钟摆的振动周期，完全取决于大气压力。随着压力的升高，摆的振动周期增大，相反，随着压力的降低，振动周期减小。
消除空气气压变化的影响，可采用两种办法：第一种，使钟连同摆与表面空气隔离，但是钟没有和周围空气隔离；第二种，应用自动补偿装置。
使用第一种方法更为有效。利弗列尔和列鲁阿的精确摆钟装在玻璃罩里，其内保持的压力，比大气压小100~150毫米水银柱。和钟一起放入玻璃罩里的有：虹吸管型气压计、温度计和测定湿度的湿度计。钟装备有自行车气筒式的空气泵，用它可以在任何时候变化压力，很准确地调整走时。钟安装在地下不取暖的房子里，这里一年的温度变化保持在0.5~1℃范围内。温度稳定是贮藏器里压力稳定的必需条件。钟采用电上条方式上条。
应用第二种方法，也有很大的实际意义，尽管在这种情况下，不是永远可以达到补偿空气压力变化的影响。
这种补偿的思想属于劳宾松（Робинсон），他在公元1831年建议给摆装虹吸管气压计。为此，别谢尔（Бессель）在公元1843年也给摆装备了虹吸管气压计。《Дент》商行在公元1872年给格林威治天文台制造的钟，有更为可靠和精确的补偿；在气压计敞开的刻度内，水银面的升高和降低，使置于摆本身上的两根杆状磁铁附近的永久磁铁作用。
现在，经常用两种方法来实现气压补偿摆：借助水银气压计和无液气压表。
借助水银气压计的气压补偿原理，是克留格尔（Крюгер）在公元1864年建议的，基于这个原理的结构（图5），是由一个气压管1组成，这个气压管固定在摆杆2中间偏下一点。大气压变化时，在封闭曲管里的水银相应地升高或下降，振动周期也就变化。这个结构有一系列缺点。较为完善的是用利弗列尔无液气压表进行气压补偿。
利弗列尔装置（图6）是由一系列相互连结的无液气压盒组成。在盒上固定有重物，它的上升或下降取决于无液气压表盒的膨胀或压缩，同时改变振动周期。无液气压表也是装在摆杆中间偏下一些。利弗列尔无液气压表是按惠更斯原理工作的。
非携带式摆钟
作为调速器的摆，在精密天文钟、塔钟、挂钟、落地钟以及其他钟里得到了应用。
精密摆钟在全世界到处都有，可能有几千只。精密摆钟制造者中，在公元19世纪最为著名的有：爱•坚特（З•дент）（伦敦）、利•列鲁阿（巴黎）、兹•利弗列尔（慕尼黑）。
从一次天文观测到另一次之间，精确时间的守时问题，在应用格拉哈姆锚式擒纵机构的摆钟之后，已得到很好的解决。这种摆钟的日差可以达到0.1秒钟。公元1726年，琼•加利松制造了两个天文摆钟，装有他自己发明的擒纵机构和补偿筛摆，其中一个摆钟的误差14年为1分钟。公元1758年，勃列德里（Бредли）制造的摆钟，走时非常稳定，日误差在0.102秒范围之内。
公元18世纪后半世纪，可以认为这些钟是唯一的，不仅在公元1800年，甚至以后很晚，最优秀的钟表匠也不能制造这样稳定度和精度的摆钟。
表中引用的数字甚至还可证明，公元19世纪后半世纪，在提高天文摆钟走时精度方面取得了巨大成就。这些成绩的取得，主要是由于温度补偿摆的完善和应用自由式擒纵机构代替了格拉哈姆非自由式擒纵机构。所有这些成就，都可以在公元1893年兹•利弗列尔制造的，走时精度和稳定性在0.02秒钟范围之内的天文台摆钟里找到具体的表现。公元19世纪末，以及我们世纪的第一个十年，利弗列尔和列鲁阿钟曾在世界许多天文台应用。
在应用萧尔特（Щорт）双摆电天文钟之前，用天文仪器测定时间的精度，超过世界上最完善的天文摆钟的走时精度。在公元18世纪末，借助天文观察测定的时间精度达0.12秒钟，在公元20世纪初，精度达到0.015秒钟，公元1965年达到0.004秒钟。
公元19世纪，不但对旧塔钟进行了改造，同时，还安装了新塔钟。现代的斯特拉斯堡塔钟记忆的仅仅是旧钟的形状和尺寸。旧钟现已成为博物馆的珍藏品。新的钟是伊奥甘•巴波契斯特•施维尔格（Иоганн Баптист Щвильге）经过多年的计算和研究的成果。图7所示的是该钟的机心。钟的制造从公元1838年1月开始，延续到公元1842年10月。这只钟的附件装置达到了空前的复杂程度，可以演示各种天象 ，指示日历、周历、月、年，表演多种舞台艺术等等。
图1-加利松的筛摆。
图2-两个水银容器作为摆钟锤的补偿装置。
图3-套管摆中由锌和钢组成的补偿装置。
图4-
温度和气压补偿摆
补偿摆与一般的摆不同，在温度可能变化的条件下，它能够使悬挂中心和摆动中心之间的长度保持为常量。早期的摆钟，从惠更斯钟到格拉哈姆钟，不存在对温度补偿摆的特殊需要。公元1700年之前，温度变化对摆钟走时的影响，还不如钟机心和擒纵机构不完善的影响大，因此，还不能足够地了解温度变化对摆钟影响的意义。只是在完善锚式擒纵机构和齿轮传动方面取得了很大成绩之后，才开始注意到温度变化对摆钟走时的影响。格拉哈姆，完善的锚式擒纵机构和水银摆的发明者，是第一个开始从根本上研究温度变化对钟走时影响的钟表匠。这些研究的成果，他用于制造水银补偿摆。我们已经了解了它的结构。
加利松筛形摆 琼•加利松（Дҗон Гаррисон）（公元1693~1776年）从事制造摆的温度补偿装置时，格拉哈姆也正从事这项工作，但彼此是独立的。筛形摆由5根钢条和4根黄铜条组成，连结成筛子形状。组成筛子的条，用铜的或黄铜的横梁坚固地连结在一起（图1）。这个摆的补偿是建立在铜和黄铜的线性膨胀不一样的基础上。
图1示出筛摆基本部分。BI——钢摆杆；A——横梁，使筛架牢固连结；K——下横梁；E——钢条（прутки）；F——黄铜条，连结在下横梁，上端与上边内横梁C联着；G——钢条，同样连结在上边内横梁，下端是用下边内横梁J来支撑；两个黄铜条H下端也支撑在J上，条的上端连结在短的内横梁D上。摆杆也连结在这个横梁上，通过下边的横梁，下边带有摆锤（重物）。摆锤安装在螺母上。螺母可以调整摆锤距摆悬挂中心的距离。
制造得很好的筛摆，相对于水银摆有许多优点：它的每一部分几乎一样地承受周围大气的作用。在温度升高和降低时，水银摆钟不能达到完全的温度补偿。在温度变化和补偿作用之间，造成延迟或延误，是水银摆主要不方便之处。
虽然水银摆和筛摆几乎是同时发明的（约公元1726年），但加利松的发明不为人们所知，因为他在公元1735年来到伦敦之前，根据格奥尔格•格拉哈姆的建议，在继续完善自己的发明。格拉哈姆很快了解到，筛摆比自己的水银补偿摆更具优越性，甚至也制造了一些筛摆钟。公元14世纪，筛摆的摆钟比水银摆的摆钟制造得更多。
筛摆的主要缺点是，摆杆弯曲和压缩时金属下陷。
为了使水银能较快地跟踪上温度的变化，曾设想过使用两个或更多的容器（图2），这可以增加水银的表面，又不减小它的质量，但增加了辅助部分的质量。
应用在利弗列尔摆的水银补偿，被认为是更为完善的。这个摆的摆杆是铜套管，灌入其中的水银到2/3的高度。在摆杆下部安装一很重的黄铜透镜，用在它中心的两个调整螺母来支撑。在它的下边和上边有2个或3个不大的圆盘，改变圆盘的重量，可以调整摆的附加补偿。虽然利弗列尔水银摆是根据精确的计算制造的，套筒中2/3的长度灌着水银，当高度为1米、温度变化1℃时，日误差仍然达0.3秒钟。
锌和铜的补偿装置，套管摆 公元1800年前后，发明了各种不同的补偿装置，都应用了锌、铜条。由于锌的线性膨胀系数很大，对于补偿装置所需条的数量，比应用黄铜和铜条要少。在摆的温度补偿工作中，由于应用同心放置的两种金属（锌和铜）套管，代替铜、黄铜或铁条，取得了显著效果。这样的套管摆比筛摆更为紧凑。它是著名的伦敦天文仪器工匠爱德瓦尔德•特洛乌统（Эдвард Троутон）发明的。在这个原理基础上，例如，制造了著名的威斯敏斯特钟的摆，它的套管就是用锌和钢代替黄铜制造的。
在图3上给出了套管摆的结构。在内钢杆1的端部有调整螺母8，它被拧在摆锤（重物）的底部。锌管沿着内杆表面滑动，支撑在由很厚垫片7的方凹槽内，垫片7也支撑在调整螺母上。当转动调整螺母时，垫片不应随之转动。钢管的下端被凸台5限制，摆锤6也支撑在凸台5上，略低于它的中心。同时，摆锤与钢管相联结。
随着温度升高，支撑摆锤的钢管向下膨胀，把摆锤也带向下边；锌管4带着钢管向上膨胀，将摆锤升高，结果是摆的有效长度保持不变。
现代的补偿，铟钢摆杆 为了摆的补偿，如今已应用线性膨胀系数很低的现代材料，这样，只要很小的补偿就可以了。最为普及的是使用铟的合金钢。成份是36%镍、59%铁、4%锰和1%碳。它是约在公元1895年由察尔利兹•爱杜阿尔德•吉利奥姆（Чарлъз Эдуард Гильом）博士得到的。为此，不列颠钟表学院授予了他金质奖章。铟钢的线性膨胀系数很小（从0.0000010到0.0000030）。在英国冶炼的类似成份的合金，至今仍在应用。
摆锤A（图4）是圆柱体，低于它的中心2.5厘米的补偿器B支撑着A。补偿器装在调整螺母C上，可以在摆杆上沿螺纹D移动螺母C。调整螺母的端部有凸缘，用以调整摆锤的位置。
早期铟钢杆的摆，不仅有一般金属的摆锤，也有不少是铟钢摆锤的，但对于实用目的来说，是没有必要的。
摆的气压补偿 摆在空气介质中振动，不能把摆放置在没有空气的空间，没有放入不透空气罩里的钟摆的振动周期，完全取决于大气压力。随着压力的升高，摆的振动周期增大，相反，随着压力的降低，振动周期减小。
消除空气气压变化的影响，可采用两种办法：第一种，使钟连同摆与表面空气隔离，但是钟没有和周围空气隔离；第二种，应用自动补偿装置。
使用第一种方法更为有效。利弗列尔和列鲁阿的精确摆钟装在玻璃罩里，其内保持的压力，比大气压小100~150毫米水银柱。和钟一起放入玻璃罩里的有：虹吸管型气压计、温度计和测定湿度的湿度计。钟装备有自行车气筒式的空气泵，用它可以在任何时候变化压力，很准确地调整走时。钟安装在地下不取暖的房子里，这里一年的温度变化保持在0.5~1℃范围内。温度稳定是贮藏器里压力稳定的必需条件。钟采用电上条方式上条。
应用第二种方法，也有很大的实际意义，尽管在这种情况下，不是永远可以达到补偿空气压力变化的影响。
这种补偿的思想属于劳宾松（Робинсон），他在公元1831年建议给摆装虹吸管气压计。为此，别谢尔（Бессель）在公元1843年也给摆装备了虹吸管气压计。《Дент》商行在公元1872年给格林威治天文台制造的钟，有更为可靠和精确的补偿；在气压计敞开的刻度内，水银面的升高和降低，使置于摆本身上的两根杆状磁铁附近的永久磁铁作用。
现在，经常用两种方法来实现气压补偿摆：借助水银气压计和无液气压表。
借助水银气压计的气压补偿原理，是克留格尔（Крюгер）在公元1864年建议的，基于这个原理的结构（图5），是由一个气压管1组成，这个气压管固定在摆杆2中间偏下一点。大气压变化时，在封闭曲管里的水银相应地升高或下降，振动周期也就变化。这个结构有一系列缺点。较为完善的是用利弗列尔无液气压表进行气压补偿。
利弗列尔装置（图6）是由一系列相互连结的无液气压盒组成。在盒上固定有重物，它的上升或下降取决于无液气压表盒的膨胀或压缩，同时改变振动周期。无液气压表也是装在摆杆中间偏下一些。利弗列尔无液气压表是按惠更斯原理工作的。
非携带式摆钟
作为调速器的摆，在精密天文钟、塔钟、挂钟、落地钟以及其他钟里得到了应用。
精密摆钟在全世界到处都有，可能有几千只。精密摆钟制造者中，在公元19世纪最为著名的有：爱•坚特（З•дент）（伦敦）、利•列鲁阿（巴黎）、兹•利弗列尔（慕尼黑）。
从一次天文观测到另一次之间，精确时间的守时问题，在应用格拉哈姆锚式擒纵机构的摆钟之后，已得到很好的解决。这种摆钟的日差可以达到0.1秒钟。公元1726年，琼•加利松制造了两个天文摆钟，装有他自己发明的擒纵机构和补偿筛摆，其中一个摆钟的误差14年为1分钟。公元1758年，勃列德里（Бредли）制造的摆钟，走时非常稳定，日误差在0.102秒范围之内。
公元18世纪后半世纪，可以认为这些钟是唯一的，不仅在公元1800年，甚至以后很晚，最优秀的钟表匠也不能制造这样稳定度和精度的摆钟。
表中引用的数字甚至还可证明，公元19世纪后半世纪，在提高天文摆钟走时精度方面取得了巨大成就。这些成绩的取得，主要是由于温度补偿摆的完善和应用自由式擒纵机构代替了格拉哈姆非自由式擒纵机构。所有这些成就，都可以在公元1893年兹•利弗列尔制造的，走时精度和稳定性在0.02秒钟范围之内的天文台摆钟里找到具体的表现。公元19世纪末，以及我们世纪的第一个十年，利弗列尔和列鲁阿钟曾在世界许多天文台应用。
在应用萧尔特（Щорт）双摆电天文钟之前，用天文仪器测定时间的精度，超过世界上最完善的天文摆钟的走时精度。在公元18世纪末，借助天文观察测定的时间精度达0.12秒钟，在公元20世纪初，精度达到0.015秒钟，公元1965年达到0.004秒钟。
公元19世纪，不但对旧塔钟进行了改造，同时，还安装了新塔钟。现代的斯特拉斯堡塔钟记忆的仅仅是旧钟的形状和尺寸。旧钟现已成为博物馆的珍藏品。新的钟是伊奥甘•巴波契斯特•施维尔格（Иоганн Баптист Щвильге）经过多年的计算和研究的成果。图7所示的是该钟的机心。钟的制造从公元1838年1月开始，延续到公元1842年10月。这只钟的附件装置达到了空前的复杂程度，可以演示各种天象 ，指示日历、周历、月、年，表演多种舞台艺术等等。
图1-加利松的筛摆。
图2-两个水银容器作为摆钟锤的补偿装置。
图3-套管摆中由锌和钢组成的补偿装置。
图4-
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