CN104155749A - 一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置 - Google Patents

一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，包括热视场光阑(1)，流量调节模块(2)，空调机(3)，集水器(4)，温度传感器(5)，温度读取模块(7)，入水管(8)，出水管(9)等。该装置可同时实现冷却介质流量和温度的控制，并能通过调节流量和温度对热视场光阑进行温控，有效提高热视场光阑温控装置的响应速度和温控范围，同时降低因冷却介质流速过大带来的振动。

Description

一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置
技术领域
本发明涉及太阳望远镜热视场光阑温控技术领域，特别是针对一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置。
背景技术
随着太阳物理学研究的深入，科学界对太阳活动区高分力率观测的需求日渐迫切，同时促使太阳望远镜不断向大口径方向发展。相较于天基太阳望远镜，地基太阳望远镜因其相对低成本，易维护，多载荷等优势，已成为太阳望远镜发展的重要方向。按口径划分，有效口径达到米级及其以上的地基太阳望远镜即可称为大口径地基太阳望远镜。大口径太阳望远镜在提高系统空间、时间和光谱分辨力的同时，也因其集光能力的骤升带来了严重的热效应。为此，大口径太阳望远镜在主焦点处安装热视场光阑，通过视场限制将绝大部分能量截止在热视场光阑上，以保护后继光学系统。但是，不同于小口径太阳望远镜普遍采用真空式镜筒，由于大口径封窗制造困难以及易引发压力双折射效应等问题，大口径太阳望远镜放弃了真空式镜筒而采用开放式镜筒，即光学元件均暴露于空气中。因此，对于采用开放式镜筒的大口径地基太阳望远镜，主焦点处太阳辐射功率密度至少高达数MW/m2，热视场光阑在截止过量热流输入的同时也会造成其基体的急剧温升，温升不仅可能造成热视场光阑基体热损坏，还将破坏镜筒内空气的热稳定性，在望远镜光路中形成湍流，带来严重的内部视宁度效应，最终恶化望远镜成像像质。为保护热视场光阑结构安全，并尽可能减小内部视宁度效应对望远镜成像性能带来的不利影响，需要对热视场光阑配备高效的温控装置。
2003年，德国1.5米口径GREGOR太阳望远镜研究团队研究表明，热视场光阑工作过程中与环境的温差会引发望远镜内部视宁度效应，并根据GREGOR太阳望远镜光学设计及其热视场光阑结构，定性地提出为控制内部视宁度效应带来的不利影响，需将热视场光阑与环境温差控制在5℃范围内(Optical and thermal design of the main optic of the solar telescopeGREGOR,2003)。2006年，美国4米口径ATST太阳望远镜研究团队指出，为抑制热视场光阑温升带来的内部视宁度效应，需将该望远镜热视场光阑与环境温差控制在6℃范围内(HeatStop Specification,2006)。2010年，欧洲4米口径EST太阳望远镜研究团队对热视场光阑及其热影响区域进行了基于有限元法的流固耦合仿真，仿真结果表明，热视场光阑温升引发的内部视宁度效应影响程度与热视场光阑与环境温差成正比，根据EST太阳望远镜设计，为抑制内部视宁度效应带来的不利影响，需将其热视场光阑与环境温差控制在8℃内(The heat stopfor the 4-m European Solar Telescope EST,2010)。
根据以上背景可知，为降低热视场光阑内部视宁度效应对望远镜成像性能的影响，需将热视场光阑工作过程中与环境的温差进行主动控制，以削弱内部视宁度效应对太阳望远镜成像性能的不利影响。因此，需要为热视场光阑配备高效的温控装置，将其与环境的温差控制在尽可能小的范围。
另一方面，由于太阳望远镜所处的环境温度及其变化特点随站址、时间、季节等因素的不同而变化，为尽可能适应短时间内温度突变及极端温度等状况，应尽可能提高热视场光阑温控装置的适用范围，要求其具有较大的温度适用范围及较快的控制响应速度。
针对以上需求，本发明提出了一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置。该装置可以通过对冷却介质流量和温度的分别控制，以适当的冷却介质流量和温度，实现对热视场的温控，将热视场光阑与环境温差控制在较小的范围内，充分抑制热视场光阑内部视宁度效应对望远镜成像性能带来的不利影响，有效提高温控装置的响应速度；同时，采用低温空调机及冷却液，可以将该装置工作温度适用范围扩展至-40℃～50℃，满足绝大部分站址进行地基太阳观测时对热视场光阑的温控需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为大口径地基太阳望远镜热视场光阑提出一种高效的温控装置，主动控制热视场光阑工作过程中与环境的温差，尽可能削弱由温差引发的内部视宁度效应，降低内部视宁度效应对太阳望远镜成像性能的影响。
本发明的技术解决方案是：一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：由循环部分和控制部分构成。
循环部分包括：热视场光阑1，流量调节模块2，空调机3，集水器4，入口管8和出口管9。循环部分的主要作用是通过构建热视场光阑液冷循环系统以实现对热视场光阑的主动温控。
控制部分包括：温度传感器5，温度读取模块6和控制器7。控制部分的主要作用是根据温度反馈，对循环部分进行调节，以实现快速的主动温控。
其中，循环部分是该温控装置的基础。空调机3不断制备恒温冷却介质，通过流量调节模块2，由入口管8注入热视场光阑1；冷却介质经由出口管9回流至集水器4，构成一个完整的液冷循环。在具体实施过程中，可以采用具有低温制冷功能的空调机3，根据现有技术水平，能够该温控装置的工作温度范围扩展到-40℃～50℃，满足绝大部分站址进行地基太阳观测时对热视场光阑温控的需求。
其中，控制部分是该温控装置的核心。控制器7根据温度传感器5和温度读取模块6反馈的温度数据，计算出被控量——热视场光阑与环境的温差，依据相关控制算法，计算出将热视场光阑温控至与环境温度相同所需的热交换速率，通过对流量调节模块2和空调机3的分别控制，实现流量调节与温度调节相结合的控制方式，充分利用流量调节响应速度快和温度调节调节范围大的特点，最终通过改变温控装置的热交换速率对热视场光阑1进行快速的温控。
上述循环部分与控制部分的构成了进行热视场光阑主动温控的硬件基础。基于该硬件基础，可以根据温度反馈，通过对该温控装置冷却介质的流量以及温度的分别调节，实现对热视场光阑的快速、大温度范围的主动温控；同时，通过采用具有低温制冷功能的空调机，可将该温控装置的工作温度范围扩展到-40℃～50℃，满足绝大部分站址进行地基太阳观测时对热视场光阑温控的需求。
本发明的原理：本发明提出的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其实质是一个对热视场光阑温度进行控制的反馈系统。该反馈系统的被控量是热视场光阑与环境温差，被控对象是循环部分中的流量调节模块2和空调机3中的某一个或全部。
该温控装置的工作原理如下：通过温度传感器5采集热视场光阑与环境的实时温度，经过温度读取模块6和控制器7，计算出被控量——热视场光阑与环境温差；根据相关控制算法，计算出消除该温差所需的热交换速率，通过对被控对象的调节，改变循环部分中冷却介质的流量、温度，从而改变温控装置的热交换速率，保持热视场光阑与环境的热平衡。
需要特别指出的是，基于冷却介质流量控制的温控策略，其响应时间在毫秒量级，能够对被控量的突变做出迅速反应，但是可能会因较高的热交换速率需求造成冷却介质流量过大，从而带来明显的结构振动等问题；基于冷却介质温度控制的温控策略，其温度调控范围较大，根据现有技术，如选用低温空调机，其调温范围从-45℃～45℃，能够满足较大温度范围的温控需求，但其响应时间因空调机类型不同在分钟量级，难以满足系统快速响应的需求。
本发明提出的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，可以通过采用流量与温度相结合的控制方式，将两种控制方式响应快、调温范围大等优势结合起来，并有效避免采取单一控制方式可能带来的明显结构振动、响应慢等不利因素。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明提出的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，可以通过分别对冷却介质流量、温度或二者相结合的方式对热视场光阑进行温控，特别是采用流量和温度相结合的温控方式时，可以充分结合流量控制时响应速度快和调温范围大的特点，有效提高该装置的响应速度和温控范围。
(2)本发明提出的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，可以采用流量控制和温度控制相结合的控制方式，基于相关控制算法，以适当的冷却介质流量和温度实现控制器给定的热交换速率，有效避免因采用单一的控制方式，可能带来的冷却介质流量过大引发明显振动或冷却介质温度响应时间较长等不利因素。
(3)本发明提出的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，可以通过采用低温空调机及相应具有防冻功能的低温冷却介质，在-40℃～50℃环境中进行正常工作，可以满足绝大部分站址进行地基太阳观测时对热视场光阑温控装置的需求。
总之，采用本发明提出的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，可以通过对冷却介质流量和温度控制相结合的控制方式，有效提高温控装置的响应速度及温度适用范围，并避免单一控制策略可能带来的不利影响；同时，可以采用低温空调机及相应低温冷却介质，有效扩展温控装置的工作温度范围，满足绝大部分站址进行地基太阳观测时对热视场光阑温控装置的需求，创新性与实用性明显。
附图说明
图1为一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置；
图2为一种大口径地基太阳望远镜热视场光阑温控装置的具体实施方案；
图3为一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置控制系统图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图2所示，一种大口径地基太阳望远镜热视场光阑温控装置的具体实施方案。该实施方案选用能够低温制冷的半导体空调机，以60％含量的乙二醇防冻液作为冷却介质，同时采用对冷却介质的流量调节和温度调节相结合控制方式，实现大范围的快速温控。
该方案包含：热视场光阑a，集水器b，半导体空调机c，分水器d，流量阀e，光阑温度传感器f，空气温度传感器g，温度读取模块h，控制器i，入水管j和出水管k等。
其中，热视场光阑a，集水器b，半导体空调机c，分水器d，流量阀e，光阑温度传感器f，入水管j和出水管k构成循环部分。循环部分的工作流程如下所述：半导体空调机c不断制备恒温冷却液，经分水器e分为两条管路，分别通过流量阀e、入水管j注入热视场光阑a；冷却废液由出水管k经分水器d，回流至集水器b，完成一次温控循环。
其中，光阑温度传感器f，空气温度传感器g，温度读取模块h，控制器i构成控制部分。控制部分工作流程如下所述：光阑温度传感器f和空气温度传感器g分别实时采集热视场光阑a和环境温度，经温度读取模块h和控制器i，计算出热视场光阑与环境实时温差；依据该温差计算出热视场光阑所需的热交换速率，通过对流量阀e和半导体空调机c的调节，改变热视场光阑温控循环的热交换速率，保持热视场光阑与环境的热平衡。
上述一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置控制系统图如图3所示。该控制系统包含两个反馈子系统：冷却水恒温反馈模块和热光阑恒温反馈模块。冷却水恒温反馈模块将出水温度作为被控量，始终保持出水温度与环境温度的恒定温差ΔT。热光阑恒温反馈模块通过电加热和三通阀分别实现对水温和流量的调节，可实现其中某一种或两种方式相结合的热光阑温控方式。
以上所述为一种大口径地基太阳望远镜热视场光阑温控装置的具体实施方案，该方案仅为本发明一种可能的实现形式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明范畴内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：由循环部分和控制部分构成；
其中，循环部分包括：热视场光阑(1)，流量调节模块(2)，空调机(3)，集水器(4)，入口管(8)和出口管(9)；循环部分的作用是通过构建热视场光阑温控循环以实现对热视场光阑的主动温控；空调机(3)不断制备恒温冷却介质，通过流量调节模块(2)，由入口管(8)注入热视场光阑(1)；冷却介质经由出口管(9)回流至集水器(4)，形成一个完整的温控循环；
其中，控制部分包括：温度传感器(5)，温度读取模块(6)和控制器(7)；控制部分的作用是根据温度反馈，对循环部分进行调节，以实现快速的主动温控；控制器(7)根据温度传感器(5)和温度读取模块(6)反馈的温度数据，计算出被控量——即热视场光阑与环境温差，依据相关控制算法，计算出将热视场光阑温度控制到与环境温度相同所需要的热交换速率，通过对流量调节模块(2)和空调机(3)的分别控制，以流量调节和温度调节相结合的控制方式，改变温控装置的热交换速率，对热视场光阑(1)进行快速的温控。
2.根据权利要求1所述的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：循环部分的流量调节模块(2)，其作用是在控制器(7)的控制下实现对循环部分冷却介质流量的调节；在装置的具体实施方案中，可以采用建立流量阀及旁通回路的方式，通过控制流量阀调节流量；也可以采用对定量泵进行变频或采用变量泵的方式，通过对泵的控制直接进行流量调节。
3.根据权利要求1所述的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：循环部分采用空调机(3)，能够在一定温度范围内制备给定温度的冷却介质，满足装置进行温控的需求；需要注意的是，根据现有技术水平，该装置可以采用基于半导体制冷技术的空调机，其能够制备-45℃～45℃范围内的冷却介质，以实现热视场光阑在-40℃～50℃温度范围内的温控要求，基本满足绝大部分站址进行地基太阳观测所需的温控要求。
4.根据权利要求2或3所述的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：所述的循环部分，流量调节模块(2)或空调机(3)均可以被控制器(7)直接控制，以分别进行冷却介质流量和温度的调节，但并不要求在同一装置中同时实现冷却介质流量和温度的分别可调。
5.根据权利要求2或3所述的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：所述的循环部分，冷却介质的选取根据空调机(3)的具体类型、装置的工作温度范围等因素综合确定。
6.根据权利要求1所述的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：控制部分的温度传感器(5)至少能够实时采集热视场光阑温度和环境温度数据。
7.根据权利要求6所述的一种可用于大口径地基太阳望远镜的热视场光阑温控装置，其特征在于：所述的控制部分，控制部分中的温度读取模块(6)和控制器(7)协同工作，完成对温度传感器(5)信号的读取和被控量的计算。
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