CN111442854B - 一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统，包括检测系统和计算机处理系统，检测系统包括温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机；温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机的检测输出均与计算机处理系统连接，计算机处理系统根据检测输出值与热光阑表面各点待测温度值之间的函数关系，得到热光阑温度场的实时温度。本发明的测温系统结合测温方法为热光阑温控系统提供了测温数据，实现了对于热光阑反光面温度场的实时精确测量。

Description

一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统及测温方法

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，尤其是涉及一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统及测温方法。

背景技术

太阳望远镜作为实时监测、研究太阳活动规律的主要观测仪器，正如其它类型天文望远镜一样，现今太阳望远镜也以扩大其口径作为主要技术指标，因为大口径的太阳望远镜主要具有如下两点优势：1、口径越大，空间分辨率越高；2、增加其聚光能力。

随着太阳望远镜口径扩大，为了减轻后端光学系统热压力，大口径太阳望远镜视场外能量往往需要提前控制或处理掉。现代大口径太阳望远镜多采用格里高利结构，在主镜M1和副镜M2之间的焦点F1处安装视场光阑(亦称为热光阑)，作用是控制视场，仅允许视场内光线通过；视场外的光线或反射或吸收，不再继续传播。

视场光阑处的局部视宁度对望远镜最终成像效果有着重要影响，视场光阑位于望远镜的焦面上，承受的热载荷最高，产生热致湍流的效应最明显；同时其与像面互为共轭关系，视场光阑发热产生的湍流会引起像面抖动、像面离焦、像质下降等恶劣影响。通过计算机仿真实验表明：为抑制热致湍流对成像产生的不利影响，需要控制光阑反光面温度，使其温度分布均匀并接近于环境温度。现有技术通过在光阑体内部设置冷却腔，通入低于环境温度的冷却液对其进行温控。由于热光阑温度场随观测条件(太阳辐照度、光斑照射位置)和自身因素(光洁度、膜层老化程度)的影响而变化，因此对其温度场的实时测量具有重要意义，以便在热光阑温度场变化时对温控系统做出及时调整。值得指出的是，关于热光阑测温，仅获得一个表面平均温度数值是不够的，需获得表面温度空间分布情况(温度场)才行；因为热光阑被太阳光斑加热后，表面温度场分布极其不均匀，只有在获得温度场后，根据成像光线的空间分布与热光阑的温度场分布之间的相对位置关系才能够评估热光阑温控效果对成像效果产生的影响，以便给温控系统的判断与调节提供依据。

但是，由于光阑体位于望远镜焦点F1处，承受能量密度极高，温度场测量很困难。原因是：1、接触式测温：测温装置若安装在阳光照射区，由于其吸收率高于光阑反光面，受光照后其温度测量值更高，且在强光照射下其自身易被烧毁；其还会破坏光阑体反光面光洁度，导致光阑体吸收更多的热量并产生大量杂散光；若是将测温装置安装在其它位置，又无法测量得到的被照射区域核心温度。2、非接触式测温，主要是红外辐射测温，通过测量被测物自身热辐射来间接测量其温度，亦有两个困难，一是测温同时易受强太阳光干扰，焦点位置阳光汇聚后产生的漫射光很强，强烈的太阳漫射杂散光噪声掩盖了光阑体的热辐射信号，无法直接用该方法进行测温；二是热光阑反光面光洁度较高，易反射周围环境热辐射，导致测量系统接收到的辐射信号，来自光阑体的少而来自周围环境的多，测温过程中易受到周围环境热辐射干扰，影响热像仪对热光阑测温的准确度。

因此，现有技术仍存在无法对太阳望远镜热光阑温度场进行实时精确测量的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统及测温方法，该测温系统结合测温方法为热光阑温控系统提供了测温数据，实现了对于热光阑反光面温度场的实时精确测量。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统，该测温系统可获得热光阑表面温度空间分布情况(温度场)，包括检测系统和计算机处理系统，所述检测系统包括温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机；

所述温差检测装置为基于赛贝克热电效应的半导体温差检测装置，该半导体温差检测装置包括冷端和热端，所述冷端置于热光阑冷却系统的冷却液入口处，热端置于热光阑冷却系统的冷却液出口处，由于冷却液带走了热光阑热量，导致热端与冷端的冷却液之间存在温度差，会在该半导体两端产生相应电压信号，通过将该电压信号处理得到所述热端与冷端的温差数据；

所述温度检测装置对应半导体温差检测装置的冷端，设置在热光阑冷却系统的冷却液入口处，以检测冷端温度；

所述流量计设置在热光阑冷却系统的冷却管路中，以获得冷却液流量；

所述监视相机对应热光阑设置，以实时拍摄获取太阳光斑在热光阑反光面上的位置；

所述温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机的检测输出均与计算机处理系统连接，所述计算机处理系统根据检测输出值与待测温度值之间的函数关系，得到热光阑温度场的实时温度。

本发明中，上述温度检测装置为，在热光阑冷却液入口处设置的热电阻温度传感器，以测量冷却液入口温度。

热光阑在实际工况下，为达到较好的冷却效果，通入的冷却液流量较大，故进出口冷却液温差极小。传统热量计大多是通过测量进出口液体温度，再相减得到温差，该种测量方法对于极小温差的测量不敏感，测量精度不高。本发明提出利用塞贝克热电效应测量温差，该效应是指半导体热电偶的两端出现温度差时，在这两端会产生电压差，且电压差与温差之间成正比例关系，再将许多半导体热电偶串联后组成半导体热电堆，则热电堆端头电压差为所有热电偶端头电压差之和，微小的温差都将产生可观的电压差信号，通过对电压差的测量便可得知端头温差，提高了对极小温差测量的灵敏度。

进一步地，该热光阑冷却系统的冷却液入口、出口处均设置换热片，换热片是由热导率高的金属材料制成的金属板，金属板内通有供液体流动的沟槽，沟槽扩大了冷却液与金属板相接触的表面积，强化换热效率，缩短热平衡时间。所述温差检测装置的半导体热电堆的冷端和热端分别与对应的换热片相接触，当达到热平衡时，半导体热电堆的冷端和热端温差与冷却液温升一致，并在该半导体两端产生相应电压信号。

进一步地，所述换热片通过隔热材料包裹。

在热光阑进出口处设置换热片，换热片与冷却液之间有较高的换热效率，冷却液流经换热片后会让换热片温度趋近于冷却液温度，将半导体热电堆的冷端、热端分别与入口、出口换热片相接触，在达到热平衡后，可通过测量换热片之间的相对温差得到进出口端冷却液相对温差，用隔热材料包裹换热片以屏蔽环境温度对温差测量系统的干扰。

进一步地，所述监视相机的镜头前设置减光片。由于焦点处光斑非常明亮，故须在监视相机镜头前设置减光片。

进一步地，所述计算机处理系统包括数据库和运算系统，所述数据库中存储，由通过实测手段或计算机仿真手段得到的检测值与待测值之间的映射关系，生成的检测值与待测值的函数关系，所述运算系统获取到检测系统输出的检测值，根据该函数关系，输出热光阑温度场的实时温度。

本发明的一种如上述实时测温系统的测温方法，包括如下步骤：

S1、通过实测手段或计算机仿真手段获得，特定流量不同光斑位置处的多个检测值与待测值之间的基础定标函数关系，并将该多个函数关系存储于数据库中；

由于热光阑温度场各位置处的温升ΔT_i与冷却液温升Δt近似成正比例关系，得到该基础定标函数关系：k_i＝ΔT_i′÷Δt′；

S2、运算系统获取由温差检测装置输出的冷却液温升Δt、温度检测装置输出的冷却液入口温度T₀、流量计输出的流量数据和监视相机输出的光斑位置，并根据特定流量的当前光斑位置信息，在数据库中选择对应的k_i函数关系，根据该函数关系：ΔT_i＝k_i×Δt，计算得到ΔT_i；

S3、通过公式T_i＝ΔT_i+T₀，计算得到实际工况下的热光阑温度场的当前温度T_i。

进一步地，S1中，通过计算机仿真手段获得基础定标函数关系时，首选通过计算机仿真的灰度图获得T_i′，再通过公式ΔT_i′＝T_i′-T₀′计算得到热光阑温度场的温升，最后生成ΔT_i′与Δt′之间的基础定标函数关系，即：k_i＝ΔT_i′÷Δt′；其中，T₀′为计算机仿真时设定的冷却液初始温度。

本发明提供的用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统及测温方法，其有益效果在于：该测温系统结合测温方法能够在太阳望远镜观测过程中实时测温，且不会干扰到太阳望远镜的正常观测过程，为热光阑温控系统提供了测温数据，实现了对于热光阑反光面温度场的实时精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实时测温系统结构示意图；

图2a、图2b、图2c是本发明测温方法中，光斑照射于不同位置的计算机仿真热光阑温度场图像；

图3是本发明测温方法中，热光阑温升与冷却液温升成线性正比例关系图；其中，图中A、B、C分别对应于图2a中A、B、C三点位置。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1所示，说明本发明的一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统，包括检测系统和计算机处理系统，所述检测系统包括温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机；

所述温差检测装置为基于赛贝克热电效应的半导体温差检测装置，该半导体温差检测装置包括冷端和热端，所述冷端置于热光阑冷却系统的冷却液入口处，热端置于热光阑冷却系统的冷却液出口处，由于热端与冷端的冷却液之间存在温度差，会在该半导体两端产生相应电压信号，通过将该电压信号处理得到所述热端与冷端的温差数据；

所述温度检测装置对应半导体温差检测装置的冷端，设置在热光阑冷却系统的冷却液入口处，以检测冷端温度；

所述流量计设置在热光阑冷却系统的冷却管路中，以获得冷却液流量；

所述监视相机对应热光阑设置，以实时拍摄获取太阳光斑在热光阑反光面上的位置；

所述温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机的检测输出均与计算机处理系统连接，所述计算机处理系统根据检测输出值与待测温度值之间的函数关系，得到热光阑温度场的实时温度。

在一种优选的实施方式中，该热光阑冷却系统的冷却液入口、出口处均设置换热片，所述温差检测装置的半导体热电堆的冷端和热端分别与对应的换热片相接触，当达到热平衡时，半导体热电堆的冷端和热端温差与冷却液温升一致，并在该半导体两端产生相应电压信号。

由于焦点处光斑非常明亮，故须在监视相机镜头前设置减光片。

进一步地，所述计算机处理系统包括数据库和运算系统，所述数据库中存储，由通过实测手段或计算机仿真手段得到的检测值与待测值之间的映射关系，生成的检测值与待测值的函数关系，所述运算系统获取到检测系统输出的检测值，根据该函数关系，输出热光阑温度场的实时温度。

本发明的一种如上述实时测温系统的测温方法，包括如下步骤：

S1、通过实测手段或计算机仿真手段获得，特定流量不同光斑位置处的多个检测值与待测值之间的基础定标函数关系，并将该多个函数关系存储于数据库中；

由于热光阑温度场各位置处的温升ΔT_i与冷却液温升Δt近似成正比例关系，得到该基础定标函数关系：k_i＝ΔT_i′÷Δt′；

S2、运算系统获取由温差检测装置输出的冷却液温升Δt、温度检测装置输出的冷却液入口温度T₀、流量计输出的流量数据和监视相机输出的光斑位置，并根据特定流量的当前光斑位置信息，在数据库中选择对应的k_i函数关系，根据该函数关系：ΔT_i＝k_i×Δt，计算得到ΔT_i；

S3、通过公式T_i＝ΔT_i+T₀，计算得到实际工况下的热光阑温度场的当前温度T_i。

进一步地，S1中，通过计算机仿真手段获得基础定标函数关系时，首选通过计算机仿真的热光阑温度场图像获得T_i′，再通过公式ΔT_i′＝T_i′-T₀′计算得到热光阑温度场的温升，最后生成ΔT_i′与Δt′之间的基础定标函数关系，即：k_i＝ΔT_i′÷Δt′；其中，T₀′为计算机仿真时设定的冷却液初始温度。

在本发明一个实施例中，上述T₀′设定为20℃。

上述的计算处理系统，根据测量系统提供的一组测量值(温差、温度、流量、光斑位置)通过映射关系给出一个待测值(光阑温度场分布)。理论上映射关系可通过计算机流体热力学类仿真软件建立，但该种方法所需计算时间较长(小时量级)，无法满足实时测温需求。

本发明在考虑热光阑工况(热斑强度和位置会发生变化，光斑大小不会发生变化)基础上，提出一种新的算法。该算法不考虑光斑大小带来的影响，需要数据库为运算系统提供基础定标，运算系统再依据待测值与测量值之间的函数映射关系，建立真实工况下的映射关系并给出待测值。该算法避免了进行流体热力学仿真运算，基于基础定标与特定函数(正比例函数)映射关系的运算速度是极快的(毫秒级)，故该算法可实现温度场实时测量。

上述的实测手段是指由云南天文台提出的一种用于热光阑测温方法(CN109959454A)，仿真手段是指基于有限元算法的流体热力学类软件通过仿真模拟温度场的方法，这两种算法互相得到了印证，保证了数据的映射准确度。这两种方法虽需要耗费大量时间进行准备，不过因其是在数据库准备阶段，不在运算阶段(相比于传统算法，仿真步骤在运算阶段)，故可提升运算效率。映射关系与热光阑结构、望远镜在F1焦点处的光斑位置和大小有关，即不同的望远镜需为其匹配相应数据库。

数据库中存储的用于定标的基础映射关系应具有代表性、完备性。所谓代表性，指存储的映射关系应接近于实际工况，以保证计算系统外推其它映射关系的准确度。所谓完备性，指数据库应包含足够多的基础映射关系，以保证所有工况下运算系统都能得到基础定标。

关于光斑位置的选取，考虑以热光阑通光孔中心为坐标原点，垂直于光轴的平面为坐标平面，建立极坐标系；对于轴对称式热光阑(如圆锥式热光阑)，因其温度场分布也具有轴向对称性，故位置采样点只需考虑不同径向距离处即可；对于非轴对称式热光阑，由图2a、2b、2c知：当太阳光斑照射于热光阑不同位置时(其它仿真条件均一致)，其温度场分布亦不同，故位置采样点需同时考虑极角与径向距离。至于采样点密度，取决于测温精度要求，精度要求越高，采样点越密集；具体的，若预期测温精度为±a℃，则相邻采样点温度最高值的差值应小于±2a℃。因为实测光斑位置不可能与数据库中的光斑位置完全重合，故光斑匹配过程需根据实测光斑位置，选取数据库中最接近于实测光斑的预存光斑温度数据进行匹配，该过程会产生误差。为减小误差，优选的是：可选用数据库中，实测光斑附近的几个光斑数据集，进行插值运算求解实测位置光斑温度数据。

关于冷却液流量的选取，在变流量情况下，流体热力学理论表明冷却液在换热面的对流换热系数分布与流量间的函数关系极其复杂，非线性较强，工程应用中多采用经验性公式，无解析解，难以进行精确计算，故本发明提出需利用实测数据和计算机仿真数据建立的数据库进行基础定标。而在定流量情况下，液体的换热能力基本恒定(液体温度变化带来的影响极微弱，本工程问题中可忽略)，根据傅里叶导热定律，可知热光阑平均温升与液体带走的热量成正比，再由热量计的原理知进出口冷却液温差与液体带走热量成正比，即热光阑平均温升与冷却液温升亦成线性正比例关系；因此热光阑各位置处的局部温升也具备类似于平均温升的这种关系，该关系得到了图3的验证(选取图2a、图2b、图2c位置中A、B、C三点位置，计算机仿真结果)。值得指出的是，对于运算系统而言，若是在变流量情况下，映射关系复杂，仍需要通过流体热力学仿真软件进行求解，无法通过本发明提出的方法(数据库+运算系统)提高运算效率；而在定流量条件下映射关系才可简化为正比例函数关系，故该测温方法要求温控系统工作时流量应尽可能保持稳定。事实上，温控系统主要通过调节冷却液流量和温度进行温控，高动态范围温控要求同时调节冷却液流量和温度，而低动态范围温控只要求在冷却液流量恒定情况下调节温度即可；故为配合该种测温方法，要求温控系统工作模式为：1、冷却液温度调控为主要手段，而流量调控为辅助手段。2、冷却液流量控制在某几个常用状态并尽可能维持恒定。实践表明，温控系统常用工作流量状态数2-3个便可满足温控需求，让数据库中预存流量与常用流量匹配便可实现热光阑实时测温。

数据库根据上述光斑位置和流量状态进行采样，相应的热光阑温度场分布数据以图像形式(通常为灰度图像以便于数据处理)存储，如图2a、图2b、图2c所示。由于在定流量工况下映射关系近似于正比例函数，故每个光斑位置状态至少存储一组映射关系即可。为了实现测量值(流量、光斑位置)与数据库之间的匹配，控制系统根据数据库来调节实际工况下的流量实现流量匹配；运算系统以监视相机拍摄得到的光斑位置，经图像处理后选取数据库中最接近的光斑位置图像实现光斑位置匹配。

完成匹配后，运算系统首先根据数据库中的数据T₀′、ΔT_i，求解基础定标映射关系，求解k_i，再通过基础定标映射关系k_i和测量系统给出的测量值Δt、T₀求解T_i，实现热光阑温度场实时测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于太阳望远镜热光阑的实时测温系统，其特征在于：包括检测系统和计算机处理系统，所述检测系统包括温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机；

所述温差检测装置为基于赛贝克热电效应的半导体温差检测装置，该半导体温差检测装置包括冷端和热端，所述冷端置于热光阑冷却系统的冷却液入口处，热端置于热光阑冷却系统的冷却液出口处，由于热端与冷端的冷却液之间存在温度差，会在该半导体两端产生相应电压信号，通过将该电压信号处理得到所述热端与冷端的温差数据；

所述温度检测装置对应半导体温差检测装置的冷端，设置在热光阑冷却系统的冷却液入口处，以检测冷端温度；

所述流量计设置在热光阑冷却系统的冷却管路中，以获得冷却液流量；

所述监视相机对应热光阑设置，以实时拍摄获取太阳光斑在热光阑反光面上的位置；

所述温差检测装置、温度检测装置、流量计和监视相机的检测输出均与计算机处理系统连接，所述计算机处理系统根据所述温差检测装置、温度检测装置的检测输出值与待测温度值之间的函数关系，得到热光阑温度场的实时温度；

通过实测手段或计算机仿真手段获得，特定流量不同光斑位置处的多个检测值与待测值之间的基础定标函数关系，并将该多个函数关系存储于数据库中,该函数关系为：ki＝ΔTi′÷Δt′，热光阑温度场各位置处的温升ΔTi与冷却液温升Δt近似成正比例关系。

2.根据权利要求1所述的实时测温系统，其特征在于：该热光阑冷却系统的冷却液入口、出口处均设置换热片，所述温差检测装置的半导体热电堆的冷端和热端分别与对应的换热片相接触，当达到热平衡时，半导体热电堆的冷端和热端温差与冷却液温升一致，并在该半导体两端产生相应电压信号。

3.根据权利要求2所述的实时测温系统，其特征在于：所述换热片通过隔热材料包裹。

4.根据权利要求3所述的实时测温系统，其特征在于：所述监视相机的镜头前设置减光片。

5.根据权利要求1所述的实时测温系统，其特征在于：所述计算机处理系统包括数据库和运算系统，所述数据库中存储，由通过实测手段或计算机仿真手段得到的检测值与热光阑待测温度值之间的映射关系，生成的检测值与热光阑待测温度值的函数关系，所述运算系统获取到检测系统输出的检测值，根据该函数关系，输出热光阑温度场的实时温度。

6.如权利要求1至5任一项所述的实时测温系统的测温方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、通过实测手段或计算机仿真手段获得，特定流量不同光斑位置处的多个检测值与热光阑待测温度值之间的基础定标函数关系，并将该多个函数关系存储于数据库中；

由于热光阑温度场各位置处的温升ΔTi与冷却液温升Δt近似成正比例关系，得到该基础定标函数关系：ki＝ΔTi′÷Δt′；

S2、运算系统获取由温差检测装置输出的冷却液温升Δt、温度检测装置输出的冷却液入口温度T0、流量计输出的流量数据和监视相机输出的光斑位置，并根据特定流量的当前光斑位置信息，在数据库中选择对应的ki函数关系，根据该函数关系：ΔTi＝ki×Δt，计算得到ΔTi；

S3、通过公式Ti＝ΔTi+T0，计算得到实际工况下的热光阑温度场的当前温度Ti。

7.根据权利要求6所述的测温方法，其特征在于：S1中，通过计算机仿真手段获得基础定标函数关系时，首选通过计算机仿真的灰度图获得Ti′，再通过公式ΔTi′＝Ti′-T′0计算得到热光阑温度场的温升，最后生成ΔTi′与Δt′之间的基础定标函数关系，即：ki＝ΔTi′÷Δt′；其中，T′0为计算机仿真时设定的冷却液初始温度。

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