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Wie funktioniert eine Funkuhr? Teil1

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Seit Jahren schon werden im Handel verschiedene Uhren angeboten, die über Funksignale gesteuert werden.

Sie werden meistens mit dem Begriff "Funkuhren" bezeichnet.

Hier ein Versuch in 2 Teilen, dem interessierten Laien diese Technik näherzubringen. 


Teil I


Allgemeines

Eine Funkuhr bezieht die Information Zeit, wie der Name schon sagt, per Funk von einem dafür betriebenen Sender. Dieser wiederum von Instituten die die genauesten Uhren der Welt betreiben nämlich Atomuhren. Diese Zeitzeichensender sind meist Mittel-, Kurz-, oder Langwellensender, wie der für unser Gebiet am meisten benutzte Langwellensender Mainflingen (Ortsteil von Mainhausen in Deutschland). Satelliten senden allerdings die Zeit auf hohen Frequenzen (Mikro oder Dezimeterwellen) wie dies zum Beispiel beim GPS-Sytem der Fall ist.


Auch in Österreich wird eine amtliche Zeit vom Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) durch eine Atomuhr ermittelt.

Die Atomuhr des BEV wird über Vergleichsmessungen mittels GPS-Satelliten mit anderen Atomuhren auf der ganzen Welt verglichen. Die Darstellung der Sekunde erfolgt mit so hoher Genauigkeit, dass diese Zeitskala in 1.000.000 Jahren eine Abweichung von weniger als 1 Sekunde hätte.

Die Abweichung der österreichischen Zeitskala von der internationalen Zeitskala UTC wird stets kleiner als 200 ns gehalten.

Direkt rückführbar auf dieses nationale Normal werden die Normalzeit in Form von Sekundenimpulsen, der Normalstimmton von 440 Hz (Kammerton a) und die Normalfrequenz von 1000 Hz über das öffentliche Telefonnetz bzw. drei Zeitservern verbreitet.

Diese Normalsignale sind unter folgenden Telefonnummern erreichbar:

Sekundenimpule: +43 1 21110-1505

440 Hz (Normalstimmton A): +43 1 21110-1507

1000 Hz: +43 1 21110-1509


Die Zeit ist eine physikalische Größe (t), die in der Einheit Sekunde (s) gemessen wird.

Das Meter ist durch die Strecke definiert, die Licht im Vakuum innerhalb des Zeitintervalls von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft (299 792 458 m/s = Lichtgeschwindigkeit). Die Längeneinheit ist somit über die Lichtgeschwindigkeit mit der Zeiteinheit verknüpft.

Die Sekunde ist folgendermaßen definiert:

Eine Sekunde ist das 9 192 631 770fache der Periodendauer der beim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von 133Cs-Atomen entsprechenden Strahlung.

Dies klingt sehr kompliziert.

Wenn also ein Cäsiumatom Energie verliert, wird diese Energie als elektromagnetische Strahlung ausgesandt. Diese Wellen haben exakt eine Frequenz von 9 192 631 770 Schwingungen pro Sekunde. Anders ausgedrückt: Die Frequenz (f) beträgt 9,192631770 GHz (Gigahertz). 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde.

Unter dem Begriff Periodendauer (T) versteht man die Zeit, die für eine volle Schwingung benötigt wird. Der Zusammenhang von f und T ist also folgender: f = 1/T und T = 1/f

Die Schwingungsdauer dieser Strahlung beträgt 0,000 000 000 108 782 775 707 766 65..... Sekunden. Multiplizert man diesen Wert mit der Frequenz (9 192 631 770), erhält man 1 Sekunde.

Die Frequenz eines Quarzoszillators wird nun mit dieser Frequenz des atomaren Resonanzsignals geregelt. Somit hat man eine extrem genau funktionierende Uhr denn die Frequenz von Schwingungen, die Atome in Form elektromagnetischer Wellen abgeben, ist zeitlich weitaus besser konstant als z.B. die Schwingfrequenz eines Pendels oder eines Quarzes bzw. die Drehfrequenz der Erde.

Als genaueste Atomuhr in der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig wird derzeit die CS2 angesehen und ist daher dieMutteruhr. Sie gibt ihre Sekunden mit einer geschätzten Abweichung von der idealen Sekunde von 1,5 Nanosekunden = 0,000 000 0015 Sekunden pro Tag bzw., was rein rechnerisch das gleiche ist wie eine Abweichung von einer Sekunde in 2 Millionen Jahren.

Die bei uns geltende Mitteleuropäische Zeit ist die Zeit des 15. Längengrads, der durch Gmünd im Waldviertel verläuft.

Der Unterschied zwischen MEZ bzw. MESZ und der koordinierten Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) beträgt

MEZ = UTC + 1h bzw.

MESZ = UTC + 2h.

Es ist festgelegt worden, dass die Sommerzeit am letzten Sonntag des Monats März beginnt und am letzten Sonntag des Monats Oktober endet.

Aussendung der Zeitsignale mit Funksendern (DCF77 Mainflingen)

Als Sendeantenne wird eine 200m hohe vertikale Rundstrahlungsantenne mit Dachkapazität verwendet. Die Senderleistung beträgt 50 kW, die abgestrahlte Leistung liegt bei etwa 30 kW. (Bild rechts aus Wikipedia)

Die DCF77-Zeitsignale werden am Sendeort Mainflingen bei Frankfurt am Main von Atomuhren der PTB abgeleitet. Die Trägerfrequenz 77,5 kHz von DCF77 ist eine hochstabile Normalfrequenz. Diese Trägerfrequenz wird mit Sekundenmarken, moduliert. Uhrzeit und Datum werden in kodierter Form übertragen.


Zum besseren Verständnis: Zu Beginn jeder Sekunde wird die Amplitude des Trägers um 25% abgesenkt. Geschieht dies 100ms lang, entspricht das einer 0. Bei einer Länge von 200ms, bedeutet es eine 1.




In der 59. Sekunde erfolgt keine Absenkung. Dies kennzeichnet den Minutenbeginn! (siehe nächstes Bild von Werner B. Schneider aus "Wege in der Physikdidaktik"  Band 2)

Aufgrund seiner zentralen Lage lässt sich DCF77 in Deutschland und weiten Teilen Europas mit großer Feldstärke empfangen.

Seine Reichweite beträgt ungefähr 2000 km. Die mit dem DCF77-Sender ausgesendete Zeitinformation hält Funkuhren im Bereich von einigen Millisekunden genau. Seit dem 22. November 2006 werden über den Sender neben Katastrophenmeldungen auch Wetterdaten übertragen.



Für den privaten Gebrauch sind verschiedene Funkuhrenmodelle im Handel.

Wegen bestimmter Unregelmäßigkeiten der Erdrotation laufen Sonnenzeit und Atomzeit nicht genau gleich.

Daher wird am 1. Juli 2012 in unsere gesetzliche Zeit eine Schaltsekunde eingefügt. Auf 01:59:59 MESZ folgt erst 01:59:60 und dann 02:00:00. Der Internationale Erdrotations-Service (IERS) in Paris hat diese Zugabe verordnet.

FAGU
Fortsetzung folgt