ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΚΟΠΟΣ

Η διαφορά της θερμοκρασίας αποθήκευσης ενός νευτώνειου τηλεσκοπίου π.χ. μέσα σε ένα ντουλάπι στο σπίτι, με αυτή του χώρου παρατήρησης π.χ. μια ταράτσα ή ένα βουνό, είναι παράγοντας που δύναται να προκαλέσει προβλήματα στην οπτική απόδοσή του κατά τις πρώτες ώρες παρατήρησης. Το πρωτεύον κάτοπτρο είναι αυτό που συνήθως επηρεάζεται περισσότερο από τη διαφορά αυτή.

Το πρωτεύον κάτοπτρο από τη μεγαλύτερη θερμοκρασία χώρου που βρίσκονταν και το ίδιο είχε περίπου αποκτήσει, εγκαθίσταται στον υπαίθριο χώρο όπου η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι μικρότερη.

Το σώμα του κατόπτρου, το γυαλί, χρειάζεται αρκετή ώρα, ανάλογη με τη διάμετρό του, προκειμένου η θερμοκρασία του να έρθει σε ισορροπία με τη νέα θερμοκρασία χώρου.

Όλη αυτή την ώρα, η μεγαλύτερη θερμοκρασία του κατόπτρου αποδίδεται στον χώρο με μορφή δινών αέρα στο εσωτερικό του οπτικού σωλήνα που είναι η αιτία της μειωμένης οπτικής απόδοσής του αφού παρεμβάλλονται στην οπτική του γραμμή.

Σε αυτή τη φάση το τηλεσκόπιο δεν είναι έτοιμο για παρατήρηση διότι τα αντικείμενα θα φαίνονται να "βράζουν". Χρειάζεται όπως λέμε "χρόνος για να κρυώσει". Ο χρόνος αυτός όπως προείπα είναι ανάλογος της διαμέτρου του κατόπτρου.

Έχει υπολογισθεί ότι διαφορά θερμοκρασίας μεγαλύτερη των 0,5^oC δημιουργεί πρόβλημα. Όσο  μεγαλύτερη η διαφορά τόσο μεγαλύτερο το πρόβλημα. Όσο μεγαλύτερη η μάζα του γυαλιού, τόσο μεγαλύτερη η θερμοχωρητικότητά του, τόσο περισσότερος ο χρόνος που χρειάζεται για να εξισορροπηθούν οι θερμοκρασίες.

Στο διαδίκτυο βρήκα ένα πολύ καλό σχετικό άρθρο που περιγράφει  παρουσιάζοντας με video το φαινόμενο. Θα το βρείτε εδώ:

http://www.fpi-protostar.com/bgreer/sep2000s%26t.htm

PREFACE

The difference between the storage temperature of a Newtonian telescope i.e. inside the house, with the operating temperature on the observing site i.e. a rooftop or a mountain, is a factor that affects the image quality and the performance of the telescope at the early observation hours.

The primary mirror is mainly affected by this temperature difference.

The telescope, from the room where it was stored and its primary mirror had almost the same as the room temperature, is installed on the observing site where the ambient temperature is usually lower.

The mirror body, made of  glass, need some time so its temperature reach equilibrium to the ambient temperature. This time is

proportional to the mirror diameter.

All this time the higher mirror temperature is conveyed to the neighboring atmosphere by means of air turbulences inside the optical path of the telescope tube. That's the reason of the degraded image quality the scope gives at that time.

In such a condition the telescope is not ready for observation because the image seems that "boiling". We usually say that "It needs some cooling time". As I said this time is proportional to the diameter of the mirror.

Generally it is calculated that temperature differences larger than 0,5^oC can cause problems. The larger the difference, the larger the problem. The larger the mirror mass, the larger its heat capacity, the larger the time period needed to reach equilibrium.

I found in the web a nice article that describes the phenomenon and gives in video a visual explanation of it. You can find it here:

http://www.fpi-protostar.com/bgreer/sep2000s%26t.htm

ΣΚΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

Η δική μου προσέγγιση για το σύστημα ταχείας ψύξης του κυρίως κατόπτρου έγινε με βάση τους εξής στόχους σχεδίασης:

1. Ευκολία χρήσης - αυτόματη λειτουργία

2. Απλή και φθηνή κατασκευή

3. Ελάχιστο βάρος

4. Ελάχιστη δυνατή μικρο-δόνηση του οπτικού σωλήνα

Η κατασκευή βασίστηκε σε έναν μικροελεγκτή της Atmel. Υπάρχουν δύο αισθητήρες θερμοκρασίας. Ένας μετρά τη θερμοκρασία στο πάνω μέρος του κατόπτρου και ο άλλος τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το μέσο ψύξης είναι ένας ηλεκτρικός ανεμιστήρας 12V που μπορεί να βρεθεί πολύ εύκολα από ένα παλιό τροφοδοτικό υπολογιστή.

Η επιλογή του ανεμιστήρα είναι πάντως σημαντική καθώς ένας καινούργιος με ρουλεμάν άξονα και καλοζυγισμένα πτερύγια θα κάνει λιγότερο θόρυβο και θα προκαλεί μικρότερο κραδασμό στον οπτικό σωλήνα.

Το λειτουργικό της συσκευής (firmware) χτίστηκε έτσι ώστε να είναι ευέλικτο και με ελάχιστες ενέργειες να επιτυγχάνεται η λειτουργία που επιθυμώ, κάτι πολύ σημαντικό μέσα στο σκοτάδι πάνω στο βουνό.

THOUGHTS BEFORE THE CONSTRUCTION

My primary mirror fast cool down system approach was based on the following concepts:

1. Easy to use - automatic operation

2. Simple and cheap to build

3. Less weight

4. Less possible micro-vibration of the optical tube

The project based on an Atmel microcontroller. There are two temperature sensors. One measures the temperature above the primary mirror area and the second measures the ambient temperature. The mirror cooling is achieved by means of an electric fan commonly found in the pc power supplies or in the stores.

The fan choice is very important since a new fan with ball-bearing in its shaft and well weighted blades will result in less micro-vibration of the optical tube.

The system firmware (build-in software) built in such a way so with very few button presses the user may perform any operation; something very important when you're found in a mountain in the dark.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

Η κατασκευή ξεκινά με τη σχεδίαση του ηλεκτρονικού κυκλώματος σε μια πλακέτα δοκιμών. Αποφάσισα να χρησιμοποιήσω τους αισθητήρες θερμοκρασίας της Maxim-Dallas DS18B20 που είναι συσκευή 1wire και δίνει 12bit ανάλυση αποτελέσματος. Όλα δέθηκαν γύρω από έναν μικροελεγκτή Atmel AVR Mega8515 που προσφέρει 8KB μη πτητική μνήμη για μόνιμη αποθήκευση του firmware. Ως οθόνη του συστήματος χρησιμοποιήθηκε ένα display υγρών κρυστάλλων 2 γραμμών 16 χαρακτήρων με οπίσθιο φωτισμό. Αφού όλες οι ηλεκτρικές συνδέσεις πραγματοποιήθηκαν άρχισε ο προγραμματισμός του chip.

Το firmware κατέβηκε στον μικροελεγκτή 233 φορές μέχρι να πάρει την τελική του μορφή στις 14/4/05. Προσφέρει έλεγχο του ανεμιστήρα σε συνεχή λειτουργία και αυτόματα διακοπτόμενη. Το κύκλωμα μετρά τις δύο θερμοκρασίες και αποφασίζει τι θα κάνει. Υπάρχει ρύθμιση εύρους διαφοράς θερμοκρασιών μέσα στο οποίο να λειτουργεί ο ανεμιστήρας με ανάλυση τους +-0,05^οC ή αλλιώς τους 0,1^οC. Ακόμη υπάρχει λειτουργία εξισορρόπησης των ενδείξεων των δύο αισθητήρων υπό τις ίδιες συνθήκες αφού οι αισθητήρες έχουν κάποιες ελάχιστες διαφορές μεταξύ τους και μετρούν ελαφρώς διαφορετικά. Το firmware ακόμη ελέγχει το φωτισμό της οθόνης με χρόνο αυτόματου σβησίματος και τον ήχο που παράγεται στα πατήματα των πλήκτρων ελέγχου και σε άλλες περιπτώσεις.

Υπάρχουν δύο καταστάσεις του μενού ελέγχου. Η κανονική και η κατάσταση ρυθμίσεων. Στην κανονική κατάσταση η οθόνη δείχνει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και κυρίως κατόπτρου και τη μεταξύ τους διαφορά. Με το πάτημα ενός πλήκτρου γίνεται εισαγωγή στη κατάσταση ρυθμίσεων όπου όλες οι παράμετροι είναι διαθέσιμες προς αναθεώρηση.

CONSTRUCTION

The construction begins with the design of the electronic circuit in a breadboard. I decided to use temperature sensors manufactured by Maxim-Dallas; the DS18B20 which is a 1wire device and offers 12bit resolution. Everything was built around an Atmel AVR Mega 8515 microcontroller with 8KB build-in non volatile memory to permanently store the system firmware. The display of the system is a liquid crystal display of 2 lines x 16 characters with backlit. When all the electrical connections were made I started to write the code for the chip.

The firmware was downloaded almost 233 times before it takes its final form on 14/4/05. It offers fan rotation control in a continuous and interruptible mode; the last one is fully automated. The circuit measures both temperatures and decides on it's own what it will do; there are two cooling methods though which are user selectable. There is an adjustment of the temperature range within the fan will operate whose resolution is +-0,05^oC or 0,1^οC. There is also a temperature compensation adjustment between the two sensors (setoff range) since the reading of each sensor varies from component to component. The firmware also controls the backlit of the lcd, its auto shut off time and the sound produced on button presses or other circumstances.

There are two menu states; the "normal" and the "adjustments" state. The "normal" state shows continuously both temperatures and their difference. With one button press the system enters the "adjustments" state where all the system parameters can be altered.

Αφού οι δοκιμές ηλεκτρονικών και λογισμικού τελείωσαν η κατασκευή συναρμολογήθηκε σε μια πλακέτα διάτρητη.

Από το τηλεσκόπιο αφαιρέθηκε το πίσω μέρος του στο οποίο υπάρχει το πρωτεύον κάτοπτρο. Στο πίσω μέρος υπάρχει ένα καπάκι στερεωμένο με τρεις βίδες. Αυτό χρησιμοποιήθηκε σαν μακέτα για να κοπεί ένα κυκλικό κομμάτι κόντρα-πλακέ που θα αποτελούσε το νέο πίσω καπάκι του τηλεσκοπίου. Το κόντρα-πλακέ είναι πολύ εύκολο να κατεργαστεί (με μια σέγα ξυλοκοπτικής) και πολύ πιο ελαφρύ από την αφαιρεθείσα λαμαρίνα.

Σύμφωνα με την ωφέλιμη διάμετρο του ανεμιστήρα που επέλεξα, τρύπησα και έκοψα με τη σέγα μια ομόκεντρη με την περιφέρεια του κόντρα-πλακέ τρύπα ώστε μέσα από αυτή να περνά ο αέρας προς το πίσω μέρος του κατόπτρου. Σε αυτή τη φάση το ξύλο τρυπήθηκε για τα led, την οθόνη, τα πλήκτρα χειρισμού, τον αισθητήρα θερμοκρασίας περιβάλλοντος και τα βίζματα τροφοδοσίας και προγραμματισμού.

Επόμενο βήμα μετά το τρύπημα και το τρίψιμο με γυαλόχαρτο ήταν το βάψιμο. Ένα μαύρο ματ σπρέι έδωσε μια πιο φινιρισμένη μορφή στο κομμάτι του ξύλου.

Και ... αρχίζει η συναρμολόγηση. Ότι βιδώνεται σταθεροποιείται με βίδα και τα υπόλοιπα με θερμόκολα. Δίπλα φαίνεται η συσκευή συναρμολογημένη πάνω στη νέα ξύλινη πλάτη του τηλεσκοπίου.

Τα καλώδια προσέχθηκε να είναι όλα μαζί δεμένα και τακτοποιημένα ώστε να μην εμπλακούν αφενός με τη φτερωτή του ανεμιστήρα και αφετέρου να μην εμποδίζουν την ομοιόμορφη ροή του αέρα προς το πίσω μέρος του κατόπτρου.

Since all the tests were finished and the system was operational in the breadboard it was time to build it in the final pcb. So, I assembled it in a general purpose pre-drilled pcb for my convenience.

From the back side of the optical tube I removed the round metal plate hold in place with three screws.

That metal plate was used as a template to cut a round piece of 5mm thick plywood which will be the new back of the tube. I choose plywood because it is very easy to find, to use or to cut it even in a circular shape. It is also very lighter than the removed metal plate.

According to the diameter of the selected fan I drilled a whole in the center of the plywood so through this hole the air will be blowing towards the back side of the mirror. In this stage I also drilled holes for the leds, the display, the ambient temperature sensor, the two buttons and the power & programming connectors.

The next step after the drilling was sanding with a fine sandpaper and finally the painting. A black color mat spray is fine and gives a more professional view to the piece of plywood.

And now the assembly ... begins. Everything that can be secured in place with screws is screwed and all the others (i.e. the leds) are secured with some hotglue. The picture in the left shows the assembled system.

I paid special attention to keep the cables tide with cable-wraps and route them to the pcb in such a way that they'll never engage to the fan blades and will not block the air from being evenly distributed to the back of the mirror.

O αισθητήρας θερμοκρασίας του κατόπτρου στερεώνεται με αυτοκόλλητη ταινία στη μία από τις τρεις δαγκάνες που το συγκρατούν στη θέση του. Το καλώδιο δρομολογείται με προσοχή στην περιφέρειά του έτσι ώστε να περαστεί από κάτω και να βγει στο σημείο που θα συνδεθεί με το βίζμα της πλακέτας του μικροελεγκτή. Στη φωτογραφία δίπλα φαίνεται μια γενική άποψη του κατόπτρου με τον αισθητήρα τοποθετημένο στο κάτω δεξιά μέρος του.

Εξυπακούεται ότι χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στο χειρισμό του κατόπτρου και της βάσης του διότι χτυπήματα ή δακτυλιές μπορεί να προκαλέσουν προσωρινά ή και μόνιμα προβλήματα σε αυτά.

The mirror temperature sensor in situated in one of the three metal brackets that hold the mirror on its mount. The cable is routed around its circumference and it passes under the mirror in the spot where it will connect to the microcontroller pcb. The picture on the left shows a general view of the mirror with its temperature sensor installed in the bottom right corner.

It clearly mentioned here that the mirror needs special care and precise manipulation because scratches, shocks or fingerprints on it may cause temporary or permanent problems to its optical behavior.

Στην φωτογραφία δίπλα υπάρχει μια πιο κοντινή απεικόνιση της τοποθέτησης το αισθητήρα.

Φαίνεται καθαρά ότι οι εκτεθειμένοι ακροδέκτες του αισθητήρα έχουν καλυφθεί με μικρά κομμάτια θερμοσυστελόμενο σωληνάκι.

Ο ίδιος ο αισθητήρας έχει καμφθεί προς το εσωτερικό του κατόπτρου προκειμένου και κατά το δυνατό να λαμβάνει τη θερμοκρασία αυτού και όχι τη θερμοκρασία του περιβλήματος του τηλεσκοπίου.

Προφανώς κάμπτεται τόσο ώστε να μην εμπλέκεται στο ωφέλιμο οπτικό πεδίο του κατόπτρου.

The picture on the left is a closer snapshot of the sensor installation. It is obvious that the exposed sensor terminals are protected with small pieces of heat-shrink hose.

The sensor itself is bended a little to the inner area of the mirror so it will sense easier its temperature than the optical tube's exterior cover.

Apparently it is so bended so it is not interfere to the mirror's useful optical area.

Και εδώ μια φωτογραφία της εξόδου του καλωδίου πίσω από το κάτοπτρο προς την πλακέτα του μικροελεγκτή.

Here's a photo of the routed under the mirror sensor cable to the microcontroller pcb.

Τέλος κατασκευής. Η ξύλινη πλάτη που τώρα φιλοξενεί τον ανεμιστήρα και το κύκλωμα ελέγχου του, βιδώνεται στο πίσω μέρος του τηλεσκοπίου στη θέση της αρχικής μεταλλικής τάπας.

Μια ρύθμιση ευθυγράμμισης  του κυρίως κατόπτρου είναι τώρα αναγκαία και το τηλεσκόπιο είναι έτοιμο για νέες εμπειρίες.

So, this is the end of the project. The plywood which now hosts the fan and the control circuit is reassembled to the back of the optical tube and after a collimation of the optics the telescope is ready for new adventures.