一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置

摘要

本发明提出了一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置，包括主镜面板(1)，空气喷管(2)，环境温度传感器(3)，空气射流温度传感器(4)，总辐射传感器(5)，风速仪(6)和数据处理模块(7)。在太阳望远镜工作过程中，主镜镜面温升将造成镜面视宁度效应及镜面热变形，极大地限制了望远镜性能。该装置能够对主镜镜面温度进行实时监测，为太阳望远镜主镜镜面温控提供重要依据；同时，也为镜面视宁度效应及热变形的分析提供数据。相比于传统接触式温度测量装置，该装置能够有效避免传统装置对镜面镀膜的损伤及温度传感器暴露于太阳辐射下造成的测量误差。此外，该装置结构简单，操作方便，成本低廉，具有较强的实用性和创新性。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳望远镜温度控制领域，特别是针对一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面 温度测量的非接触式测量装置。

背景技术

随着现代太阳物理学研究的发展，对太阳表面活动观测所需的空间、时间和光谱分辨率 要求不断提高，并促使太阳望远镜的口径不断增大。目前，太阳物理学研究已深入到对太阳 表面精细结构的高分辨力观测，要求对太阳表面的空间分辨力达到50-70km，这就要求相应 太阳望远镜的口径必须达到1m或更大。

由于大口径封窗制造困难以及压力双折射效应，传统的真空式镜筒逐步被适用于大口径 太阳望远镜的开放式镜筒所替代。然而，开放式镜筒使得主镜镜面直接暴露于空气中，除了 镜面温升导致的镜面热变形外，镜面温升还将引发镜面视宁度效应(Mirror Seeing Effect) 进一步恶化望远镜成像像质。为了减小镜面热变形及镜面视宁度效应对望远镜性能的不利影 响，目前，世界范围内各大口径太阳望远镜，如DKIST，EST，GREGOR，NST，CLST和 GREGOR，均对主镜安装了主动温控系统。无论对于薄主镜还是轻质主镜，主镜温控系统均 通过安装在镜面面板下方的空气喷管阵列，利用特定温度的空气射流对镜面温度进行主动控 制。

然而，由于主镜镜面的高反射率金属薄膜极易损坏，且直接暴露于太阳直接辐照下的温 度传感器由于被动加热难以准确测温。因此，在太阳望远镜实际工作过程中，镜面温度无法 通过粘贴温度传感器等传统的接触式测量方法进行温度实时监测。目前，部分望远镜采用在 主镜边缘或支撑结构阴影内，即非通光区域，粘贴贴片式温度传感器的方式对镜面温度进行 直接测量。但是，该方法不仅无法全面地反映镜面各个区域的温度，更可能造成粘贴区域的 镀膜损坏甚至进一步影响周边通光区域的镀膜。因此，急需一种能够对太阳望远镜镜面温度 进行准确测量的非接触式温度测量方法。

基于以上背景，本发明提出了一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式 测量装置。本发明将太阳望远镜带有主动冷却装置的主镜简化为空气射流冷却下的平板传热 模型，建立镜体各点温度与镜体周围空气参数的定量关系，实现了通过对镜体周围空气参数 的测量达到对镜体各点温度，特别是镜面温度的间接测量。此外，该装置结构简单，操作方 便，成本低廉，具有较强的实用性和创新性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在各传感器不直接接触主镜镜体，特别是主镜镜面的前提 下，通过对镜体周围空气参数的实时测量间接测量出主镜镜体，特别是镜面的温度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度 测量的非接触式测量装置，由主镜面板，空气喷管，环境温度传感器，空气射流温度传感器， 总辐射传感器，风速仪和数据处理模块七个部分组成。

其中，环境温度传感器安装在主镜附近，用于监测环境温度；空气射流温度传感器安装 在空气喷管出口，用于监测空气射流温度；总辐射传感器安装在望远镜机架上，并正对太阳， 用于检测太阳辐照度；风速仪安装在主镜附近，用于检测望远镜周边风速；数据处理模块与 上述所有传感器相连，用于对上述所有传感器实时数据的记录、处理与显示。

该装置的数据处理过程如下所述：

环境参数定义：环境温度传感器在第i时刻测得的环境温度为(单位：℃)；空气射 流温度传感器在第i时刻测得的空气射流温度为(单位：℃)；总辐射传感器在第i时刻测 得的太阳辐照度为qⁱ(单位：W/m²)，风速仪在第i时刻测得的环境空气流速为(单位： m/s)。

主镜面板参数定义：面板材料热传导系数、比热容和密度分别为：k(单位：W/m·℃)， C_p(单位：J/Kg·℃)，ρ(单位：Kg/m³)。主镜厚度L_thickness(单位：m)，空间域步长 (N为空间离散化点数)，时间域步长△t(单位：s)。

环境空气参数定义：主镜直径L(单位：m)，环境空气动力学黏度系数ν₁(查表，单 位：m²·s)，环境空气热传导系数λ₁(查表，单位：W/m·℃)，环境空气普朗特数Pr₁(查 表，无量纲数)。

射流空气参数定义：空气喷管内径D(单位：m)，喷管出口与镜面面板间距H(单位： m)，射流区半径r(单位：m)，空气射流动力学黏度系数ν₂(查表，位：m²·s)，空气射 流热传导系数λ₂(查表，单位：W/m·℃)，空气射流普朗特数Pr₂(查表，无量纲数)。

然后，计算热传导参数。

主镜镜面对流传热系数h_n计算：

${\mathrm{Re}}_L^i=\frac{u_L^{i}L}{{\nu }_1}---\left(1\right)$

当Re_L≤5×10⁵时，使用方程(2)；当Re_L>5×10⁵时，使用方程(3)。

$h_n=0.664{\left({\mathrm{Re}}_L^i\right)}^{1/2}{\mathrm{Pr}}_1^{1/3}\frac{{\lambda }_1}{L}---\left(2\right)$

$h_n=0.037[{\left({\mathrm{Re}}_L^i\right)}^{4/5}-871]{\mathrm{Pr}}_1^{1/3}\frac{{\lambda }_1}{L}---\left(3\right)$

主镜面板背侧对流传热系数h_C计算：

$h_c=2{\left(\frac{u_{D}D}{v_2}\right)}^{0.5}{{\mathrm{Pr}}_2}^{0.42}{(1+0.005{\left(\frac{u_{D}D}{v_2}\right)}^{0.5})}^{0.5}\frac{{\lambda }_2}{D}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(4\right)$

最后，将上述参数代入递推公式：

其中，$A=\tau =\frac{k\Delta t}{{\mathrm{\rho C}}_p{\mathrm{\Delta x}}^2},B=-(1+2\tau ),C=-(1+2\tau +2\tau \frac{\Delta x·h_C}{k}),D=2\tau \frac{\Delta x·h_C}{k},$$E=-(1+2\tau +2\tau \frac{\Delta x·h_n}{k}),F=2\tau \frac{\Delta x·h_n}{k},G=2\tau \frac{\Delta x}{k},\tau =\frac{k}{{\mathrm{\rho C}}_p}\times \Delta t/{\mathrm{\Delta x}}^2,\Delta x=\frac{L_{thickness}}{N}.$

经过一夜恒温，认为望远镜镜体各处温度与环境温度相同(作为初始条件)，通过递推 公式(5)，即可求得每一时刻主镜镜面温度

本发明的原理：

无论采用主动冷却技术的薄主镜还是轻质主镜，均可以简化为空气射流冷却下的平板传 热模型，如图2所示，其中a-1为主镜镜面，a-2为主镜面板背侧，a-3为空气喷管。进一步 将模型转化为主镜面板一维瞬态热传导模型，如图3所示。

根据相关传热学理论，上述一维瞬态热传导模型及其上下边界条件可以用以下微分方程 组表示：

$\left(\begin{array}{c}k\frac{{\partial }^{2}T(x,t)}{\partial x^2}={\mathrm{\rho C}}_p\times \frac{\partial T(x,t)}{\partial t}\left(t>0,0\le x\le L\right)\\ -k\times \frac{\partial T(0,t)}{\partial x}=h_c\times (T(0,t)-T_c\left(t\right))\\ -k\times \frac{\partial T(N,t)}{\partial x}=h_n\times T((N,t)-T_{amb}\left(t\right))+q\left(t\right)\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，k,ρ和C_p分别为主镜面板材料热传导系数，密度和比热容；T_c(t),T_amb(t)和q(t) 分别为空气喷管(a-2)出口空气温度，环境温度和镜面吸收的太阳辐照度随时间变化的函数； h_n和h_c分别为主镜镜面(a-1)和主镜面板背侧(a-3)的空气热传导系数。T(x,t)为t时刻在x 位置的镜体温度。

其中，h_n和h_c分别可以用相关经验公式解出，如方程(1)-(4)所示。

求解微分方程组(6)，分别对温度对位置的二阶微分项和温度对时间的一阶微分项采用 中心和向前差分，相应的差分方程组如方程组(7)所示。

$\left(\begin{array}{c}k\left(\frac{T_{m-1}^{i+1}-2T_m^{i+1}+T_{m+1}^{i+1}}{{\mathrm{\Delta x}}^2}\right)={\mathrm{\rho C}}_p\frac{\left(T_m^{i+1}-T_m^i\right)}{\Delta t}\\ k\frac{\left(T_1^{i+1}-T_0^{i+1}\right)}{\Delta x}+h_c(T_c^{i+1}-T_0^{i+1})={\mathrm{\rho C}}_p\frac{\Delta x}{2}\frac{\left(T_0^{i+1}-T_0^i\right)}{\Delta t}\\ k\frac{\left(T_N^{i+1}-T_{N-1}^{i+1}\right)}{\Delta x}+h_n(T_{amb}^{i+1}-T_N^{i+1})+q={\mathrm{\rho C}}_p\frac{\Delta x}{2}\frac{\left(T_N^{i+1}-T_N^i\right)}{\Delta t}\end{array}\right)---\left(7\right)$

继续求解方程组(7)，最终得到方程组(5)，即镜面各处温度与环境空气参数的递推公 式。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1).本发明提出的一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置， 实现了在不接触主镜镜体的前提下，通过对主镜镜体周围的空气温度，太阳辐照度以及空气 流速的测量间实现了对镜体各处温度，特别是主镜镜面温度值的间接测量。相比于传统接触 式测量装置，该装置无需与主镜镜体，特别是主镜镜面直接接触，避免了接触式测量对镜面 金属膜系可能的损伤。

(2).本发明提出的一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置， 实现了对主镜镜体温度，特别是镜面温度的非接触式测量，有效避免了传统接触式测量装置 中贴片式温度传感器直接暴露于镜面太阳辐射之下被加热，并最终造成较大测量误差的情 况。

(3).本发明提出的一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置， 所需仅数个各类传感器，体积小，安装方便，成本低廉，操作方便，具有较强的实用性和创 新性。

总之，依靠本发明提出的一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量 装置，可以采用非接触的方式对太阳望远镜主镜镜体各处温度，特别是主镜镜面的温度，进 行有效的测量，并同时避免了传统接触式温度测量装置带来的各种不利影响。同时，该装置 具有低成本，结构简单，易于实现等特点，具有较强的实用性和创新性。

附图说明

图1为一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置。其中，1为 主镜面板，2为空气喷管，3为环境温度传感器，4为空气射流温度传感器，5为总辐射传感 器，6为风速仪，7为数据处理模块。

图2为空气射流冷却下的平板传热模型。其中，a-1为主镜镜面，a-2为主镜面板背侧， a-3为空气喷管。

图3为主镜面板一维瞬态热传导模型。其中，T_c，T_amb和q分别为空气喷管(a-2)出口 空气温度，环境温度和镜面吸收的太阳辐照度随时间变化的函数；h_n和h_c分别为主镜镜面 (a-1)和主镜面板背侧(a-3)的空气热传导系数；L为主镜面板厚度；x为主镜热传导方向； N为空间离散化点数。

图4为一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置的可能实施方 案。其中，b-1为制冷机，b-2为热交换器，b-3为电加热器，b-4为控制器，b-5为风机，b-6 为分风箱，b-7为总辐射传感器，b-8为风速仪，b-9为计算机，s1为空气射流温度传感器， s2为环境空气温度传感器。

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1至3所示，本发明的基本思想在于提供一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度 测量的非接触式测量装置，由主镜面板，空气喷管，环境温度传感器，空气射流温度传感器， 总辐射传感器，风速仪和数据处理模块等7个模块组成。

一种用于大口径太阳望远镜主镜镜面温度测量的非接触式测量装置的可能实施方案，具 体的，如图4所示：

其中，b-1为制冷机，b-2为热交换器，b-3为电加热器，b-4为控制器，b-5为风机，b-6 为分风箱。以上六部分共同构成了轻质蜂窝主镜温控系统。该温控系统分为两级，第一级由 制冷机b-1和热交换器b-2构成液冷循环，对循环空气进行冷却；第二级由热交换器b-2、电 加热器b-3、风机b-5和分风箱b-6等构成空冷循环，通过热交换器b-2和电加热器b-3的在 控制器b-4控制下协同工作，实现对循环空气的温度控制，并最终对镜体温度进行控制。

其中，该主镜镜面温度测量的非接触式测量装置由b-7为总辐射传感器，b-8为风速仪， b-9为计算机，s1为空气射流温度传感器，s2为环境空气温度传感器五部分组成。环境空气 温度传感器s2安装在主镜附近，用于监测环境温度(单位：℃)；空气射流温度传感器 s1安装在空气喷管出口，用于监测空气射流温度(单位：℃)；总辐射传感器b-7安装在 望远镜机架上，并正对太阳，用于监测太阳辐照度qⁱ(单位：W/m²)；风速仪b-8安装在 主镜附近，用于监测望远镜周边风速(单位：m/s)；计算机b-9与上述所有传感器相连， 用于对上述所有传感器实时数据的处理、记录及显示。

该装置的数据处理过程如下所述：

首先，定义参数。

环境参数定义：环境温度传感器3在第i时刻测得的环境温度为(单位：℃)；空气 射流温度传感器在第i时刻测得的空气射流温度为(单位：℃)；总辐射传感器5在第i 时刻测得的太阳辐照度为qⁱ(单位：W/m²)，风速仪6在第i时刻测得的环境空气流速为(单位：m/s)。

主镜面板参数定义：面板材料热传导系数、比热容和密度分别为：k(单位：W/m·℃)， C_p(单位：J/Kg·℃)，ρ(单位：Kg/m³)。主镜厚度L_thickness(单位：m)，空间域步长 (N为空间离散化点数)，时间域步长△t(单位：s)。

环境空气参数定义：主镜直径L(单位：m)，环境空气动力学黏度系数ν₁(查表，单 位：m²·s)，环境空气热传导系数λ₁(查表，单位：W/m·℃)，环境空气普朗特数Pr₁(查 表，无量纲数)。

射流空气参数定义：空气喷管2内径D(单位：m)，喷管出口与镜面面板间距H(单 位：m)，射流区半径r(单位：m)，空气射流动力学黏度系数ν₂(查表，位：m²·s)，空 气射流热传导系数λ₂(查表，单位：W/m·℃)，空气射流普朗特数Pr₂(查表，无量纲数)。

然后，计算热传导参数。

主镜镜面对流传热系数h_n计算：

${\mathrm{Re}}_L^i=\frac{u_L^{i}L}{{\nu }_1}---\left(1\right)$

当Re_L≤5×10⁵时，使用方程(2)；当Re_L>5×10⁵时，使用方程(3)。

$h_n=0.664{\left({\mathrm{Re}}_L^i\right)}^{1/2}{\mathrm{Pr}}_1^{1/3}\frac{{\lambda }_1}{L}---\left(2\right)$

$h_n=0.037[{\left({\mathrm{Re}}_L^i\right)}^{4/5}-871]{\mathrm{Pr}}_1^{1/3}\frac{{\lambda }_1}{L}---\left(3\right)$

主镜面板背侧对流传热系数h_C计算：

$h_c=2{\left(\frac{u_{D}D}{v_2}\right)}^{0.5}{{\mathrm{Pr}}_2}^{0.42}{(1+0.005{\left(\frac{u_{D}D}{v_2}\right)}^{0.5})}^{0.5}\frac{{\lambda }_2}{D}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(4\right)$

最后，将上述参数代入递推公式：

其中，$A=\tau =\frac{k\Delta t}{{\mathrm{\rho C}}_p{\mathrm{\Delta x}}^2},B=-(1+2\tau ),C=-(1+2\tau +2\tau \frac{\Delta x·h_C}{k}),D=2\tau \frac{\Delta x·h_C}{k},$$E=-(1+2\tau +2\tau \frac{\Delta x·h_n}{k}),F=2\tau \frac{\Delta x·h_n}{k},G=2\tau \frac{\Delta x}{k},\tau =\frac{k}{{\mathrm{\rho C}}_p}\times \Delta t/{\mathrm{\Delta x}}^2,\Delta x=\frac{L_{thickness}}{N}.$

经过一夜恒温，认为望远镜镜体各处温度与环境温度相同(作为初始条件)，通过递推 公式(5)，即可求得每一时刻主镜镜面温度

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 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，都应涵盖在本发明的包 含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。