时差钟

德国制造，1591年。
时差钟是一种机械的时钟，它包括一个模拟均时差的机制，以便使用者可以读取或计算真太阳时，就像日晷所显示的那样。1657年，由钟摆控制的第一个精确时钟由克里斯蒂安·惠更斯申请了专利。在接下来的几十年里，人们仍然习惯于使用日晷，并希望能够使用时钟来找到太阳时。时差钟就是为了满足这一需求而发明的。
早期的时差钟有一个指标，该指标会移动以在刻度盘或刻度上显示均时差。时钟本身以恒定速度运行。使用者通过将均时差添加到时钟读数中来计算太阳时。后来，在18世纪制造的时差钟，自动进行补偿，因此时钟直接显示太阳时。其中一些还显示平太阳时，也就是通常所说的「时钟时间」。
均时差的年度变化。在轴上方，日晷（太阳）时间早于时钟（平均）时间，反之亦然。

**模拟机制**
所有时差钟都包含一个模拟均时差的机制，因此杠杆移动或轴旋转，以表示均时差随着年份的进展而变化的方式。有两种常用的机制类型：

**凸轮和杠杆机构**
在这种类型的机构中，轴由时钟驱动，因此它每年以恒定速度旋转一次。轴带有一个凸轮，它大约是「肾形」的，因此其半径基本上是均时差的年度变化图。从动件和杠杆靠在凸轮上，因此当凸轮旋转时，杠杆以代表均时差变化的方式移动。该控制杆驱动时钟中的其他元件。

**双轴机构**
近似而言，均时差可以表示为两个正弦波的总和，一个周期为一年，另一个周期为六个月，相对的相位变化非常缓慢（在一个世纪的过程中略显明显）。 有关详细资讯，请参阅「均时差」中的说明。
双轴机构有两个以恒定速度旋转的轴：一个每年转动一次，另一个每年转动两次。曲柄或连接到两个轴的销钉使组合杆的两端正弦移动；如果尺寸选择正确，杆的中点将以模拟均时差的方式移动。

**时差钟的类型**
时差钟制作和使用期间，所有的钟表都是手工制作的。没有两个是完全相同的。许多时差钟还具有其他功能，例如显示月相或日出和日落时间。撇开这些添加不谈，时差钟有四种不同的运作方式。以下段落的目的不是对单个时差钟的详细描述，而是对这四种不同类型的时差钟的一般原理进行说明。特定时差钟的基本工作原理与这些相似，但细节有所不同。博物馆中仍然存在的各种时差钟的图片和描述，可以通过「外部连结」在下面列出。

**不显示太阳时的时差钟**
许多时差钟，尤其是早期的时差钟，都有一个正常的时钟机制，显示平均时间，还有一个显示均时差的显示幕。时间模拟机制方程驱动此显示器上的指标。使用者必须将均时差与时钟时间相加才能计算太阳时。

**直接显示太阳时的时差钟**
大多数后来的时差钟，制造于18世纪，直接显示太阳时。其中许多还显示平均时间和均时差，但使用者不必执行加法，并存在三种类型：

**带有可移动分钟标记的时差钟**
在钟表中，分钟标记位于一个圆形板上，该圆板可以绕与指标相同的轴线转动。轴穿过板中心的一个孔，指针位于板的前面。时差钟显示时间的分钟部分由分针相对于铭牌上标记的位置给出。指针由时钟机构以恒定速度驱动，板由模拟均时差的机构转动，当均时差增加时逆时针旋转，当均时差减少时顺时针旋转。如果齿轮比正确，时钟会显示太阳时。平太阳时也可以通过表盘上一组单独的、静止的分钟标记来显示，该标记位于表盘边缘外侧。小时显示未根据均时差进行调整，因此小时读数感觉为近似值。但这没有实际的影响，因为总是很容易看出哪个小时是正确的。这种时差钟在机械上比下面描述的其它类型更简单，但它们有缺点：如果不仔细观察分钟标记，就很难阅读太阳时，而且时差钟不能在太阳时中进行整点报时。

**带可变摆锤的时差钟**
这种时差钟包括一个位于钟摆顶部的装置，该装置会略微改变其有效长度，因此时钟的速度会有所不同。该设备由模拟机构驱动，该模拟机构移动以模拟均时的变化率，而不是其实际值。例如，在 12 月和 1 月期间，当均时差减少时，日晷的运行速度比平时慢，该机制实际上使钟摆比平时更长，因此时钟运行得更慢并与日晷时间保持同步。在一年中的其它时候，钟摆会缩短，因此时钟运行得比较快，再次与日晷时间保持同步。 这种类型的机制只显示太阳（日晷）时间。使用这种机制的时差钟，除非包含一个单独的时钟机制，并且有自己的摆锤，否则不能轻易地显示平太阳时。有一些时差钟可以做到这一点，但它要求钟壳非常坚固，以避免在盘架之间的耦合。可变摆钟的另一个缺点是均时差不容易显示。

**做机械加法的钟表**
在后来的一些时差钟中，钟摆以恒定的频率摆动，控制正常的时钟机制。通常，这种机制会驱动显示平太阳时（时钟）的显示器。但是，还有其它组件：如上所述的均时差模拟机制，以及自动将均时差添加到时钟时间并驱动显示太阳时间的显示器的设备。加法是通过使用差速齿轮的模拟方法完成的。这种类型的时差钟机制是最通用的。太阳时和平太阳时都可以很容易地显示出来，均时差也是如此。在这两种时间段内安排报时也很容易。在1720年发明后，这种机制成为标准机制，并在18世纪的大部分时间里被使用，直到对时差钟的需求停止

**均时差的缓慢变化**
地球运动的缓慢变化导致均时差的年度变化也逐渐变化。本文顶部的图表显示了现时，大约西元2000年左右的年变化。在过去或未来的许多世纪里，图形的形状将会大不相同。大多数时差钟都是在大约三个世纪前建造的，因为那时均时差的年变化很小，但很明显。这些钟体现了它们制造时的年度变化。它们无法补偿当时未知的缓慢变化，因此现在的准确性比刚制成的时候稍低。目前，此原因的最大误差约为一分钟。如果这些时钟幸存下来，在未来的几个世纪里，误差将会更大。

**类似的现代设备**
因此，时差钟不再被广泛使用。然而，在功能上与时差钟中相同的组件仍然用于一些组件中，例如太阳跟踪器中，这些组件会随着太阳在天空中的运动而移动。它们中的许多感觉不到太阳的位置。取而代之的是，它们有一个以每小时15度的恒定速度绕极轴旋转的机制，以与地球相对于太阳的平均旋转速度保持同步。有时，会以数位方示生成这种旋转，而不是组件的物理旋转。然后将均时差加到这个恒定的旋转中，产生与视太阳运动保持同步的跟踪器旋转。一般来说，这些机器使用现代科技，涉及电子和电脑，而不是历史时差钟中使用的机械设备，但功能是相同的。

**相关条目**
 均时差- 日晷- 时钟- 差速器

**参考资料与注解**

**外部连结**
Note: In some of these historical materials, clock time is called "equal time", and sundial time is called "apparent time" or "true solar time".-  Variable pendulum clock date=20120826032740  in the British Museum.-  British Museum equation clocks, with descriptions.-  Pocket watch that works as an equation clock. date=20151018162646  The description suggests that it does mechanical addition.-  Clock with movable minute markings on a ring.-  Letter from Joseph Williamson written c.1715, claiming the invention of clocks showing solar time, working by movable minute marks or variable pendula.-  The Equation of Time date=20240717171409  gives illustrated examples of the development of equation clocks