К мониторингу температуры зеркала БТА
В свете приемки нового старого зеркала БТА(наверное, через год уже примем) возник вопрос о разработке системы контроля качества поверхности (мы над этим работаем: это будет смесь классического Гартманна и Шака-Гартманна). А еще возник вопрос о реализации полноценного мониторинга распределения температуры по зеркалу, ведь даже сравнительно небольшой перепад температуры (оценочно около 0.15°C) даст заметное искажение волнового фронта (1λ для 500нм).
Здесь - небольшой обзор возможных решений системы мониторинга, полученный в результате опроса мнений на сайте kazus.ru, здесь, в ЖЖшке и при помощи google.
Согласно официальной документации, в главном зеркале БТА высверлено 60 глухих отверстий диаметром 810 мм и глубиной 430 мм для размещения механизмов разгрузки (57 разгрузок) и фиксирующих опор (3 опоры); 6 площадок глубиной около 20 мм для упора домкратов; 1 сквозное отверстие диаметром 360 мм в центре для центрирующего стакана.
Каждый механизм разгрузки разгружает 1/60 часть веса зеркала (т.е. ∼700 кг). Верхняя часть разгрузки отделена от зеркала воздушным промежутком, в который возможна установка температурного датчика.
При размещении в отверстиях разгрузок термодатчиков появится возможность мониторинга распределения температурных градиентов по поверхности зеркала. Температурный коэффициент линейного расширения, αL, стекла имеет значение от 4·10−6°C−1 до 9·10−6°C−1 (эту величину необходимо уточнить для стекла марки «С-316», из которого сделано зеркало БТА). Для αL = 5·10−6°C−1 отклонение формы поверхности зеркала между двумя выбранными точками на одну длину волны (λ = 500нм) будет наблюдаться при разности температур между этими точками в ∼0.15°C. Таким образом, регистрация температур зеркала БТА требуется с крайне высокой точностью (не хуже 0.1°C).
1. Температурные датчики
1.1 Цифровые температурные датчики
Популярные недорогие 1-wire термодатчики (например, датчики DS18S20) имеют низкую точность (±0.5∘C с возможностью улучшения до ±0.25°C при калибровке), что не позволяет использовать их в данной задаче.
Компания «IST innovative sensor technology» производит цифровые датчики TSicTM 506F с интерфейсом ZACwire, обеспечивающих (по утверждению производителя) точность измерения температуры не хуже ±0.1°C в диапазоне 5÷45°C. Стандартный интервал измерений - −10÷60°C. Цена одного такого датчика - около $12.
1.2 Аналоговые температурные датчики
1.2.1 Терморезисторы
Компания U.S. Sensor предлагает терморезисторы, имеющие погрешность ±0.05°C на интервале температур 0÷50°C с различными значениями сопротивления при температуре 25°C (от 2.252кОм для PR222J2 до 50кОм для PR503J2. Цена одного такого датчика - около $20.
Еще один вариант высокоточных термосопротивлений от этой компании - USP3021/USP3986 (сопротивление, соответственно, 10кОм и 100кОм) с заявленной точностью не меньше ±0.01°C! Однако, и цена этих датчиков соответствует точности: около $500 за штуку!!!
Pico Technology предлагает погружные терморезисторы серии PT100 в металлическом корпусе - SE012, точность которых по заявлению производителя не ниже ±0.03°C! Стоимость - около $80 за штуку. Компания предлагает и терморезисторы «потребительского класса» - SE011, обладающих точностью ±0.15°C по цене около $40. 1.2.2 Термопары
Термопары применяются обычно для измерения высоких (тысячи Кельвин) температур. Для измерения абсолютных температур с высокой точностью термопары обычно не применяют. Однако, термопары - хорошее средство для измерения разностей температур с высокой точностью (вплоть до ±0.01°C).
В аризонской обсерватории «Multiple Mirror Telescope» используется система мониторинга градиентов температуры по составному главному зеркалу (диаметром 6.5 метров) на основе диффернциальных измерений с использованием термопар.
Высокоточное измерение температуры при помощи термопар - технически сложная задача. Ее реализация требует значительно бóльших затрат времени и средств. 1.2.3 Кварцевые терморезонаторы и дифференциальные схемы
Кварцевые терморезонаторы позволяют с очень высокой точностью измерять температуры в небольших пределах. За счет теплового расширения кварцевого резонатора изменяется его собственная частота колебания. При помощи прецизионного измерения частоты (скажем, на основе измерения мощности биений, возникающих при суммировании опорной и измеряемой частоты) возможно измерять температуру с точностью вплоть до долей милликельвинов.
Однако, учитывая техническую сложность подобных измерений, данная схема будет иметь крайне высокую стоимость.
Другим методом повышения точности измерения градиентов температур является включение двух термосопротивлений или термопар в мостовую схему. В этом случае измеряется разность температур между двумя точками. А т.к. относительная точность при этом остается прежней, абсолютная точность повышается вплоть до двух порядков!
1.3 Оценка стоимости
Стоимость 61 датчика температуры в зависимости от выбранного типа варьируется от $700 (около 23000 рублей) до $30000 (около 980000 рублей).
2 Средства регистрации
2.1 АЦП
Для работы с термосопротивлениями серии PT100 компания Pico Technology предлагает модуль PT104 - четырехканальный АЦП, позволяющий измерять температуру с разрешением 0.001°C. PT104 снабжен интерфейсами USB и Ethernet. К сожалению, SDK модуля не позволяет использовать его в данной задаче.
Микросхема ADS1222 от Texas Instruments является двухканальным 24-битным АЦП, который можно использовать для измерения температуры с высокой точностью в самодельных схемах (стоимость самодельного блока для обслуживания одной термопары составит около $10). Готовым промышленным (полным аналогом) является модуль I-7016D от ICPCon с интерфейсом RS-485 за $250.
Кроме того, существуют готовые АЦП с интерфейсом RS-485 для измерения температуры, например, Temp-485-Pt100. Стоимость - около $300 на один терморезистор. Модуль T3-PT10-RS485 позволяет работать с десятью термосопротивлениями, его стоимость - около $170.
Модуль Siemens SM331-7PF01-0AB0 является восьмиканальным 16-битным АЦП, позволяющим обслуживать четыре термосопротивления. Стоимость - около $1100.
32-х канальный мультиплексный модуль NI 9205 от National Instruments позволяет измерять температуру с 16 терморезисторов. Стоимость одного блока - около $1000.
2.2 Средства опроса АЦП и передачи данных на сервер БД
В случае использования решения от National Instruments, помимо модулей АЦП необходим еще общий контроллер (например, NI cRIO-9076). Стоимость контроллера составляет около $2500. Еще около тысячи долларов будет стоить сервер БД.
В остальных случаях необходимы компактный контроллер с ethernet и интерфейсом RS-485. Здесь также существует значительный разброс по цене: от одноплатников за $25, до промышленных компьютеров за тысячи долларов.
При использовании в качестве промежуточного устройства компьютера потребуется также преобразователь интерфейсов (например, автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 «ОВЕН АС4» примерно за 2000 рублей). При использовании устройств с RS-232 понадобится преобразователь RS-485/RS-232 по цене около 600 рублей.
В качестве промежуточного устройства возможно также использовать компактный одноплатный микрокомпьютер, например, Qubieboard (цена около $50) или Raspberry Pi (отпускная цена около $25, реальная - около $100).
Использовать в качестве промежуточного устройства промышленный компьютер нецелесообразно. Однако, если этот компьютер будет размещен в одной из опор телескопа и будет совмещать в себе функции устройства сбора информации с АЦП и сервера баз данных, стоимость будет выше примерно на $2000, чем стоимость решения с одноплатником и «обычным» компьютером, размещенным в теплом помещении.
2.3 Оценка стоимости
Стоимость решения на базе NI составляет около $8000 (без учета стоимости работы).
Стоимость других решений варьируется от порядка $700 до порядка $22000 (без учета стоимости работы).
3 Резюме
В зависимости от выбранного аппаратного решения стоимость одной только аппаратуры системы регистрации температуры главного зеркала БТА варьируется от примерно полутора до более чем пятидесяти тысяч долларов США.
Стоимость работ наиболее высока в случае самодельного решения, немного меньше в случае решения на базе NI и наиболее низка при использовании готовых блоков с подключением АЦП непосредственно к серверу БД. Оценочно стоимость работ составит от тысяч до десятков тысяч долларов США.
Наиболее оптимальная система получается с использованием 60 датчиков PT100 SE012 ($4800), 10 АЦП T3-PT10-RS485 ($1700), преобразователя RS-485/USB ($60), Qubieboard ($50) и выделенного сервера БД ($1000). С учетом стоимости работ, а также неуказанных мелких расходов (проводники, источники питания и т.д., и т.п.) оценочная стоимость системы регистрации температур главного зеркала БТА составит около десяти-двенадцати тысяч долларов США.
Здесь - небольшой обзор возможных решений системы мониторинга, полученный в результате опроса мнений на сайте kazus.ru, здесь, в ЖЖшке и при помощи google.
Согласно официальной документации, в главном зеркале БТА высверлено 60 глухих отверстий диаметром 810 мм и глубиной 430 мм для размещения механизмов разгрузки (57 разгрузок) и фиксирующих опор (3 опоры); 6 площадок глубиной около 20 мм для упора домкратов; 1 сквозное отверстие диаметром 360 мм в центре для центрирующего стакана.
Каждый механизм разгрузки разгружает 1/60 часть веса зеркала (т.е. ∼700 кг). Верхняя часть разгрузки отделена от зеркала воздушным промежутком, в который возможна установка температурного датчика.
При размещении в отверстиях разгрузок термодатчиков появится возможность мониторинга распределения температурных градиентов по поверхности зеркала. Температурный коэффициент линейного расширения, αL, стекла имеет значение от 4·10−6°C−1 до 9·10−6°C−1 (эту величину необходимо уточнить для стекла марки «С-316», из которого сделано зеркало БТА). Для αL = 5·10−6°C−1 отклонение формы поверхности зеркала между двумя выбранными точками на одну длину волны (λ = 500нм) будет наблюдаться при разности температур между этими точками в ∼0.15°C. Таким образом, регистрация температур зеркала БТА требуется с крайне высокой точностью (не хуже 0.1°C).
1. Температурные датчики
1.1 Цифровые температурные датчики
Популярные недорогие 1-wire термодатчики (например, датчики DS18S20) имеют низкую точность (±0.5∘C с возможностью улучшения до ±0.25°C при калибровке), что не позволяет использовать их в данной задаче.
Компания «IST innovative sensor technology» производит цифровые датчики TSicTM 506F с интерфейсом ZACwire, обеспечивающих (по утверждению производителя) точность измерения температуры не хуже ±0.1°C в диапазоне 5÷45°C. Стандартный интервал измерений - −10÷60°C. Цена одного такого датчика - около $12.
1.2 Аналоговые температурные датчики
1.2.1 Терморезисторы
Компания U.S. Sensor предлагает терморезисторы, имеющие погрешность ±0.05°C на интервале температур 0÷50°C с различными значениями сопротивления при температуре 25°C (от 2.252кОм для PR222J2 до 50кОм для PR503J2. Цена одного такого датчика - около $20.
Еще один вариант высокоточных термосопротивлений от этой компании - USP3021/USP3986 (сопротивление, соответственно, 10кОм и 100кОм) с заявленной точностью не меньше ±0.01°C! Однако, и цена этих датчиков соответствует точности: около $500 за штуку!!!
Pico Technology предлагает погружные терморезисторы серии PT100 в металлическом корпусе - SE012, точность которых по заявлению производителя не ниже ±0.03°C! Стоимость - около $80 за штуку. Компания предлагает и терморезисторы «потребительского класса» - SE011, обладающих точностью ±0.15°C по цене около $40. 1.2.2 Термопары
Термопары применяются обычно для измерения высоких (тысячи Кельвин) температур. Для измерения абсолютных температур с высокой точностью термопары обычно не применяют. Однако, термопары - хорошее средство для измерения разностей температур с высокой точностью (вплоть до ±0.01°C).
В аризонской обсерватории «Multiple Mirror Telescope» используется система мониторинга градиентов температуры по составному главному зеркалу (диаметром 6.5 метров) на основе диффернциальных измерений с использованием термопар.
Высокоточное измерение температуры при помощи термопар - технически сложная задача. Ее реализация требует значительно бóльших затрат времени и средств. 1.2.3 Кварцевые терморезонаторы и дифференциальные схемы
Кварцевые терморезонаторы позволяют с очень высокой точностью измерять температуры в небольших пределах. За счет теплового расширения кварцевого резонатора изменяется его собственная частота колебания. При помощи прецизионного измерения частоты (скажем, на основе измерения мощности биений, возникающих при суммировании опорной и измеряемой частоты) возможно измерять температуру с точностью вплоть до долей милликельвинов.
Однако, учитывая техническую сложность подобных измерений, данная схема будет иметь крайне высокую стоимость.
Другим методом повышения точности измерения градиентов температур является включение двух термосопротивлений или термопар в мостовую схему. В этом случае измеряется разность температур между двумя точками. А т.к. относительная точность при этом остается прежней, абсолютная точность повышается вплоть до двух порядков!
1.3 Оценка стоимости
Стоимость 61 датчика температуры в зависимости от выбранного типа варьируется от $700 (около 23000 рублей) до $30000 (около 980000 рублей).
2 Средства регистрации
2.1 АЦП
Для работы с термосопротивлениями серии PT100 компания Pico Technology предлагает модуль PT104 - четырехканальный АЦП, позволяющий измерять температуру с разрешением 0.001°C. PT104 снабжен интерфейсами USB и Ethernet. К сожалению, SDK модуля не позволяет использовать его в данной задаче.
Микросхема ADS1222 от Texas Instruments является двухканальным 24-битным АЦП, который можно использовать для измерения температуры с высокой точностью в самодельных схемах (стоимость самодельного блока для обслуживания одной термопары составит около $10). Готовым промышленным (полным аналогом) является модуль I-7016D от ICPCon с интерфейсом RS-485 за $250.
Кроме того, существуют готовые АЦП с интерфейсом RS-485 для измерения температуры, например, Temp-485-Pt100. Стоимость - около $300 на один терморезистор. Модуль T3-PT10-RS485 позволяет работать с десятью термосопротивлениями, его стоимость - около $170.
Модуль Siemens SM331-7PF01-0AB0 является восьмиканальным 16-битным АЦП, позволяющим обслуживать четыре термосопротивления. Стоимость - около $1100.
32-х канальный мультиплексный модуль NI 9205 от National Instruments позволяет измерять температуру с 16 терморезисторов. Стоимость одного блока - около $1000.
2.2 Средства опроса АЦП и передачи данных на сервер БД
В случае использования решения от National Instruments, помимо модулей АЦП необходим еще общий контроллер (например, NI cRIO-9076). Стоимость контроллера составляет около $2500. Еще около тысячи долларов будет стоить сервер БД.
В остальных случаях необходимы компактный контроллер с ethernet и интерфейсом RS-485. Здесь также существует значительный разброс по цене: от одноплатников за $25, до промышленных компьютеров за тысячи долларов.
При использовании в качестве промежуточного устройства компьютера потребуется также преобразователь интерфейсов (например, автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 «ОВЕН АС4» примерно за 2000 рублей). При использовании устройств с RS-232 понадобится преобразователь RS-485/RS-232 по цене около 600 рублей.
В качестве промежуточного устройства возможно также использовать компактный одноплатный микрокомпьютер, например, Qubieboard (цена около $50) или Raspberry Pi (отпускная цена около $25, реальная - около $100).
Использовать в качестве промежуточного устройства промышленный компьютер нецелесообразно. Однако, если этот компьютер будет размещен в одной из опор телескопа и будет совмещать в себе функции устройства сбора информации с АЦП и сервера баз данных, стоимость будет выше примерно на $2000, чем стоимость решения с одноплатником и «обычным» компьютером, размещенным в теплом помещении.
2.3 Оценка стоимости
Стоимость решения на базе NI составляет около $8000 (без учета стоимости работы).
Стоимость других решений варьируется от порядка $700 до порядка $22000 (без учета стоимости работы).
3 Резюме
В зависимости от выбранного аппаратного решения стоимость одной только аппаратуры системы регистрации температуры главного зеркала БТА варьируется от примерно полутора до более чем пятидесяти тысяч долларов США.
Стоимость работ наиболее высока в случае самодельного решения, немного меньше в случае решения на базе NI и наиболее низка при использовании готовых блоков с подключением АЦП непосредственно к серверу БД. Оценочно стоимость работ составит от тысяч до десятков тысяч долларов США.
Наиболее оптимальная система получается с использованием 60 датчиков PT100 SE012 ($4800), 10 АЦП T3-PT10-RS485 ($1700), преобразователя RS-485/USB ($60), Qubieboard ($50) и выделенного сервера БД ($1000). С учетом стоимости работ, а также неуказанных мелких расходов (проводники, источники питания и т.д., и т.п.) оценочная стоимость системы регистрации температур главного зеркала БТА составит около десяти-двенадцати тысяч долларов США.