К мониторингу температуры зеркала БТА
Jun. 25th, 2013 04:57 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
eddy_emВ 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).
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.
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.
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.
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!
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.
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.
Стоимость других решений варьируется от порядка $700 до порядка $22000 (без учета стоимости работы).
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.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2013-06-25 01:08 pm (UTC)no subject
Date: 2013-06-25 01:11 pm (UTC)no subject
Date: 2013-06-25 01:13 pm (UTC)no subject
Date: 2013-06-25 01:20 pm (UTC)А вообще, конечно, по себестоимости эта схема, наверное, даже дешевле схемы с терморезисторами (правда, дороже схемы с цифровыми термодатчиками), но ведь нужно паять! Поэтому этот вариант неприемлем!
P.S. Понятное дело, что наиболее дешевый вариант — за полтора килобакса — тоже отпадает из-за того, что нужно что-то паять и разрабатывать. Если бы был какой-нибудь готовый комплекс подобного типа, чтобы и программировать не нужно было бы, я бы его порекомендовал. А то ведь мне же голову ломать забесплатно!
no subject
Date: 2013-06-25 01:41 pm (UTC)- Это все вместе называется микроконтроллер, например,
"Arduino Mega 2560 плата микроконтроллера. Цена: 671.10 руб. ... Arduino Mega построена на базе микроконтроллера ATmega2560"
> Если бы был какой-нибудь готовый комплекс подобного типа, чтобы и программировать не нужно было бы, я бы его порекомендовал. А то ведь мне же голову ломать забесплатно!
Не надо забесплатно. Ардуинщиков сейчас море, лучше всего не ломать свою голову а нанять за средние деньги компанию, которые потом будут везде хвалиться, что делали систему термоконтроля для самого большого телескопа России. И фотка на фоне главного зеркала.
no subject
Date: 2013-06-25 01:55 pm (UTC)Нанимать никто никого не будет, у нас бюджетная организация! Я и сам прекрасно представляю себе, как можно недорого сделать эту систему "на коленке". Но: я ее делать не буду (т.к. мне за это ничего не заплатят), а "наемники" стопудово запросят столько, что все равно проще будет реализовать блочную систему.
А так-то даже на резонаторах можно сделать: опорный резонатор стыкуем с несколькими терморезисторами (чтобы точно знать его температуру), устанавливаем несколько микросхем — коммутаторов сигнала (штуки 4 16-канальных, рубликов по 30 штучка), покупаем микросхемку-АЦП (хоть на SPI, пофиг: микроконтроллеры много разных интерфейсов умеют), паяем все это дело, на выходе ставим элементарный сумматор-интегратор на операционнике с RC-цепочкой, с него снимаем напряжение и измеряем. Еще один АЦП — для измерения опорной температуры. А рулит этим всем какая-нибудь STM32F4discovery с ethernet-модулем (это чтобы не париться с пайкой 100-ножечных микроконтроллеров).
В итоге дешево и сердито получилась бы искомая система. А вот какой-нибудь сторонний исполнитель взял бы, наверное, тысяч 5 баксов за разработку и внедрение.
no subject
Date: 2013-06-27 11:30 am (UTC)no subject
Date: 2013-06-27 11:40 am (UTC)Этот шаг почти нереален. Да и необязательно: можно ведь просто запихать все резонаторы в металлический корпус, а его — в ведро с водой. Выдержать сутки — наверняка температура будет у всех резонаторов одинаковая.
Но, все-таки, измерение частоты — задачка посложней измерения сопротивления.
no subject
Date: 2013-06-27 11:45 am (UTC)а генераторы для опорных нынче есть даже рубидиевые :)
no subject
Date: 2013-06-27 12:31 pm (UTC)