舊的流量技術(shù)如何解決高科技問題以冷卻世界上靈敏的天文相機(jī)

世界上大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，上海自儀公司位于拉帕爾馬島加那利島上的10.4m Gran Telescopio Canarias（GTC）配備了由英國謝菲爾德大學(xué)制造的功能強(qiáng)大的新型天文相機(jī)。這款名為HiPERCAM的相機(jī)于2018年在望遠(yuǎn)鏡上調(diào)試，可以每秒同時(shí)拍攝五種光學(xué)顏色的1000張照片。謝菲爾德大學(xué)的Vik Dhillon教授是HiPERCAM的幕后負(fù)責(zé)人，他說：“ HiPERCAM是世界上靈敏的天文相機(jī)，已被用來研究黑洞，中子星，白矮星，系外行星，活躍的銀河核和太陽系。

太陽系的外圍區(qū)域”。

問題：HiPERCAM中使用的五個(gè)光傳感器是超靈敏電荷耦合器件（CCD），需要將其冷卻至183K（-90degC）才能將圖像中的噪聲降至非常低。這種冷卻是使用非常高性能的熱電（珀耳帖）冷卻器實(shí)現(xiàn)的，該冷卻器繼而需要液態(tài)冷卻劑（+5°C的水-乙二醇混合物）以除去它們提取的熱量。如果冷卻劑無法通過，珀?duì)柼娫吹臒崃枯斎雽p壞CCD，這將花費(fèi)超過500,000英鎊，并且需要數(shù)年的時(shí)間才能更換。在如此多的情況下，謝菲爾德團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種故障安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)流經(jīng)檢測器的冷卻液流造成任何干擾，從而使對(duì)珀耳帖的電源自動(dòng)關(guān)閉，從而保護(hù)其昂貴的設(shè)備。顯然，這就是Titan企業(yè)進(jìn)入故事的地方。我們初為HiPERCAM選擇了1000系列微型渦輪流量傳感器。需要六個(gè)這樣的流量傳感器，五個(gè)檢測器各一個(gè)，而控制電子設(shè)備（也被冷卻）中的第六個(gè)。這六個(gè)流量傳感器連接到安裝在HiPERCAM上的6通輸入歧管上，該6通輸入歧管用于向6個(gè)并聯(lián)冷卻回路供氣，如下圖所示。Titan 1000系列流量傳感器首先在英國的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，然后于2018年在拉帕爾瑪?shù)南鄼C(jī)上進(jìn)行調(diào)試。

乍一看似乎一切都很好，每個(gè)傳感器通常報(bào)告的流量為1.5升/分鐘。但是，隨著時(shí)間的推移（幾天-幾周），傳感器開始報(bào)告零流量，這導(dǎo)致珀?duì)柼娫搓P(guān)閉并且檢測器預(yù)熱，從而使HiPERCAM無法操作。鑒于望遠(yuǎn)鏡的每一晚費(fèi)用為50,000歐元，因此這是一個(gè)嚴(yán)重的問題。

在檢查有故障的傳感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)螺旋槳中的磁鐵隨時(shí)間積累了粘稠的金屬物質(zhì)，終阻止了它們?cè)谒{(lán)寶石軸承上旋轉(zhuǎn)，從而報(bào)告了零流量。顯然，盡管進(jìn)行了過濾，但天文臺(tái)提供的冷卻液供應(yīng)仍然不夠清潔，無法使用這種流量傳感器。

因此，HiPERCAM團(tuán)隊(duì)重新聯(lián)系了Titan企業(yè)以尋求建議。我們建議更換超聲波傳感器，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)滲透冷卻液中的金屬污泥。我們?yōu)镻rocess Atrato超聲波傳感器提供了定制外殼，并提供了特殊的校準(zhǔn)來模擬1000系列傳感器，因此它們是“即插即用”的替代產(chǎn)品。流量傳感器再次在謝菲爾德的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了廣泛測試，然后于2019年初運(yùn)往拉帕爾瑪島進(jìn)行HiPERCAM調(diào)試。

不幸的是，一旦將流量傳感器安裝在拉帕爾瑪島（La Palma）的HiPERCAM上，它們的行為就不穩(wěn)定，流量為零或變化很大，這在英國謝菲爾德的測試過程中在實(shí)驗(yàn)室中還沒有發(fā)現(xiàn)。該問題可歸因于望遠(yuǎn)鏡冷卻液供應(yīng)中存在微小氣泡，這些氣泡會(huì)削弱超聲波信號(hào)并使流量傳感器不可靠。由于望遠(yuǎn)鏡的冷卻劑供應(yīng)是由位于單獨(dú)建筑物中的全天文臺(tái)冷卻器系統(tǒng)提供的，HiPERCAM團(tuán)隊(duì)無法獲得這些東西，也無法對(duì)其進(jìn)行控制，因此無法去除這些微氣泡或金屬污泥。

結(jié)果，HiPERCAM團(tuán)隊(duì)再次求助于Titan企業(yè)以尋求進(jìn)一步的建議。是否可以使用另一種類型的傳感器，使其不受望遠(yuǎn)鏡冷卻液的不良（但不可避免）特性的影響？答案是肯定的– Titan FT2光學(xué)流量傳感器使用LED和光電二極管來測量流量。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電二極管可以檢測到與流量成正比的頻率的LED。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，光電二極管看不到LED，表明沒有流量。

盡管這是一種古老且很少使用的技術(shù)，但幸運(yùn)的是，對(duì)于HiPERCAM團(tuán)隊(duì)而言，它們?nèi)匀豢捎?，并且?019年10月交付了六種。上海自儀公司光流量傳感器剛剛在謝菲爾德的實(shí)驗(yàn)室中成功進(jìn)行了測試，現(xiàn)在已經(jīng)可以用于拉帕爾瑪島（La Palma）進(jìn)行HiPERCAM的終調(diào)試?，F(xiàn)在，每個(gè)參與人員都希望這將是故事的成功結(jié)局，并且Titan Enterprises將使HiPERCAM終發(fā)揮其全部科學(xué)潛力。