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。

主权项

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，其特征在于：由主镜面板(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)七个部分组成；其中，环境温度传感器(3)安装在主镜附近，用于监测环境温度；空气射流温度传感器(4)安装在空气喷管(2)出口，用于监测空气射流温度；总辐射传感器(5)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(6)安装在主镜附近，用于检测望远镜周边风速；数据处理模块(7)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：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)$$h_n=0.037[{\left({\mathrm{Re}}_L^i\right)}^{4/5}-871]{{\mathrm{Pr}}_1}^{1/3}\frac{{\lambda }_1}{L}---\left(3\right)$主镜面板背侧对流传热系数h_C计算：$h_c=2{\left(\frac{u_{D}D}{{\nu }_2}\right)}^{0.5}{{\mathrm{Pr}}_2}^{0.42}{\left(1+0.005{\left(\frac{u_{D}D}{{\nu }_2}\right)}^{0.5}\right)}^{0.5}\frac{{\lambda }_2}{D}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(4\right)$最后，将上述参数代入递推方程：其中，$A=\tau =\frac{k\Delta t}{\rho C_p{\mathrm{\Delta x}}^2},B=-(1+2\tau ),C=-(1+2\tau +2\tau \frac{\Delta x·h_C}{k}),D=2\tau \frac{\Delta x·h_C}{k},$$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，可作为初始条件，通过递推公式(5)，即可求得每一时刻主镜镜面温度