Автоматизированная система подогрева околозеркального объема телескопа для защиты от конденсации влаги

Цитирование: Эссельбах Р. В. Автоматизированная система подогрева околозеркального объема телескопа для защиты от конденсации влаги / Р. В. Эссельбах, Д. П. Дзюба, С. А. Горельников // Журн. Сиб. федер. ун‑та. Техника и технологии, 2026, 19(7). С. 962–969. EDN: EVEQVD процедура чрезвычайно трудоемка: она требует привлечения квалифицированного персонала, сложного демонтажа и последующей прецизионной юстировки всей оптической системы. Именно поэтому профилактика запотевания для данного инструмента является не просто мерой удобства, а насущной технической необходимостью.

Традиционные методы борьбы с росой, такие как пассивная вентиляция, обдув вентилято‑ рами или разовые включения подогрева вручную, для ТПЛ‑1М либо недостаточно эффективны, либо требуют постоянного внимания наблюдателя и создают риск неравномерного термического расширения массивной оптики, что может привести к искажениям изображения. Решением стала разработка автоматизированной системы обогрева бленды, которая способна превентивно под‑ держивать температуру воздуха около главного зеркала на 1–3 °C выше точки росы, исключая образование конденсата без вмешательства оператора.

Целью настоящей работы было создание простой, недорогой и надежной системы активной защиты зеркала, способной автоматически поддерживать температуру оптической поверхности чуть выше температуры окружающего воздуха. Особое внимание уделено дистанционному управлению, мониторингу и накоплению данных для последующего анализа условий наблюде‑ ний. Использование связки из микроконтроллера ESP8266, прецизионных цифровых датчиков DS18B 20 и твердотельных реле позволило создать полностью автоматическое устройство с веб‑ интерфейсом, гибкой логикой управления и циклическим архивированием температурных данных.

В статье последовательно описаны конструкция системы, ее аппаратная и программная части, логика регулирования и результаты практического применения на телескопе ТПЛ‑1М. Принципиальная схема устройства, блок‑схема алгоритма управления и полный листинг програм‑ мы могут быть полезны для повторения разработки на аналогичных оптических инструментах.

Методика и материалы исследования

Защита зеркала от выпадения росы реализована путем размещения в бленде двух грею‑ щих кабелей, уложенных в два ряда в непосредственной близости к оправе главного зеркала, но без контакта с его поверхностью [5]. Кабели питаются от сети 220 В через твердотельный двухканальный модуль реле, управляемый микроконтроллером (рис. 1). Такой подход позво‑ ляет передавать тепло зеркалу преимущественно излучением и конвекцией, равномерно про‑ гревая его периферию и предотвращая локальные перегревы.

Контроль температур осуществляется пятью цифровыми датчиками DS18B 20. Четыре из них установлены по периметру внутренней поверхности бленды вблизи греющих кабелей (позиции T1–T4) и служат для оценки температуры в зоне зеркала; пятый (T5) вынесен наружу и измеряет температуру окружающего воздуха

Г +7^+1 +Т.

Средняя температура по четырем внутренним датчикам ^mg 4 сравнива‑ ется с наружной температурой T5. Разность Δ = Тavg – T5 является основным управляющим параметром. Задача системы – удерживать Δ вблизи заданной уставки dTset, вводимой пользо‑ вателем через веб‑интерфейс. При Δ < dTset – 0.5 °C включаются нагревательные кабели; при Δ > dTset + 0.5 °C – выключаются. Гистерезис в 1 °C предотвращает частые переключения и обе‑ спечивает устойчивый тепловой режим.

Рис. 1. Передняя часть телескопа ТПЛ‑1М с блендой, греющим кабелем и датчиками DS18B 20

Fig. 1. Front part of the TPL‑1M telescope with baffle, heating cable and DS18B 20 sensors

Центральным элементом служит модуль NodeMCU на базе ESP8266 (ESP‑12E). Выбор об‑ условлен наличием встроенного Wi‑Fi, достаточным количеством цифровых входов/выходов, низкой стоимостью и возможностью программирования в Arduino IDE. В отличие от распро‑ страненных решений с питанием от USB‑адаптера, в данной конструкции применен встро‑ енный изолированный AC/DC‑преобразователь HLK‑PM03 (220 В / 3,3 В, 0,9 А), который запитывает ESP8266 непосредственно от сети. Этот компактный модуль обеспечивает гальва‑ ническую развязку и стабилизированное напряжение 3,3 В, исключая необходимость во внеш‑ них блоках питания и упрощая монтаж.

Принципиальная схема и внешний вид устройства представлены на рис. 2 и 3.

Пять датчиков DS18B 20 подключены к одному цифровому выводу GPIO4 (D 2) по про‑ токолу 1‑Wire. Для надежной идентификации каждому датчику заранее присвоен уникальный

Рис. 2. Принципиальная схема блока управления системой обогрева

Fig. 2. Schematic diagram of the heating system control unit

– 965 –

Рис. 3. Внешний вид блока управления системой обогрева

Fig. 3. External view of the heating system control unit адрес, что исключает путаницу при опросе и позволяет однозначно сопоставить физическое расположение с логической переменной. Точность измерения ±0,5 °C в диапазоне –10…+85 °C вполне достаточна для решаемой задачи.

Двухканальный твердотельный модуль реле с управляющим сигналом высокого уровня (High level trigger) подключен к выходам GPIO16 (D 0) и GPIO5 (D 1). Каждое реле способно коммутировать нагрузку до 240 В / 2 А, что с запасом перекрывает мощность двух греющих кабелей (суммарная мощность около 100 Вт). Твердотельные реле выбраны ради бесшумной работы и отсутствия искрения, важного при работе вблизи чувствительной электроники.

Энергонезависимое хранение уставки и состояний реле реализовано в EEPROM‑памяти микроконтроллера, а циклический буфер измерений – во встроенной файловой системе LittleFS на флеш‑памяти ESP8266. Светодиодный индикатор на плате NodeMCU сигнализирует о режимах работы: частое мигание – подключение к внешней сети Wi‑Fi, медленное – работа в режиме точки доступа.

Программа микроконтроллера написана в среде Arduino IDE с использованием библиотек ESPAsyncWebServer, LittleFS, GyverDS18Array и EEPROM. Она выполняет три основные функ‑ ции:

• •    циклический опрос датчиков температуры, вычисление среднего и дельты;

• •    управление реле в соответствии с выбранным режимом;

• •    обслуживание веб‑интерфейса и ответы на асинхронные HTTP‑запросы.

Общий алгоритм работы в бесконечном цикле loop() представлен в виде блок‑схемы на рис. 4.

Веб‑интерфейс построен на асинхронном сервере. Главная страница (index.html) содержит слайдер для задания дельты dTset, две группы кнопок «Вкл/Выкл/Авто» для каждого канала, кнопку сохранения настроек в EEPROM и поля отображения текущих температур и состояний (рис. 5). Еще две страницы (log1.html и log2.html) отображают графики изменения температур и дельты за последний час и за сутки, используя библиотеку Chart.js.

Особенностью реализации является циклический суточный буфер. Каждую минуту сред‑ ние значения температур сохраняются в структуру hour_data. По истечении часа массив из 60 – 966 –

Рис. 4. Блок‑схема основного цикла управления

Fig. 4. Flowchart of the main control loop записей записывается в отдельный файл /hhX.txt, где X – номер часа (0–23). Индексная струк‑ тура, хранящаяся в /hindex.txt, отслеживает закольцованность буфера, позволяя перезаписы‑ вать старые данные новыми без потери информации о текущем периоде. Пользователь может получить текстовый файл с данными за конкретный час. Предусмотрена также страница с под‑ сказками, автоматически возвращаемая при ошибочных запросах.

Беспроводное подключение организовано гибко: при старте контроллер последовательно пытается соединиться с двумя предварительно заданными Wi‑Fi сетями. Если ни одна недо‑ ступна, создается собственная точка доступа с фиксированным SSID и паролем, что гаранти‑ рует доступ к веб‑интерфейсу в полевых условиях.

Результаты и обсуждение

Описанная система была смонтирована и испытана на телескопе ТПЛ‑1М в течение не‑ скольких месяцев, включая периоды с температурой воздуха от +15 °C до –5 °C и относитель‑ ной влажностью до 95 %. При заданной дельте 2,0 °C за все время наблюдений ни одного случая – 967 –

Управление термостатом

Время работы 0:02:59 Индекс 0
Т1: 23.94 °с	Т2: 22.75 °с
ТЗ: 23.88 °с	Т4: 23.81 °с
Внутренняя температура (Т1-Т4) 23.59°с
Внешняя температура (Т5) 22.75 °с
Текущая ДТ 0.84=с
Заданная ДТ 3.5 °с
0123456789 10
Реле №1 Режим:	Реле №2 Режим:
Выкл Вкл Авто	Выкл Вкл Авто

Записать конфигурацию

Рис. 5. Веб‑интерфейс с отображением температур, ползунком уставки и индикаторами состояния реле

Fig. 5. Web interface showing temperatures, setpoint slider and relay status indicators запотевания главного зеркала зафиксировано не было. Термограммы, полученные из суточных логов, показали, что реальная разность температур колебалась в пределах 1,5–2,5 °C, что соот‑ ветствует настройкам гистерезиса. Избыточного нагрева оптики, способного вызвать тепловые потоки и деградацию изображения, не наблюдалось.

Веб‑интерфейс позволил оператору дистанционно менять режим работы и уставку, не при‑ ближаясь к телескопу, что особенно удобно при удаленных наблюдениях. Возможность извле‑ чения логов через HTTP упростила анализ метеоусловий прошедшей ночи.

Потребляемая мощность в дежурном режиме не превышает 1 Вт (с учетом КПД HLK‑ PM03), а при включенных нагревателях составляет порядка 100 Вт, что приемлемо при пи‑ тании от автономного источника (аккумулятор + инвертор). Использование единого сетевого ввода 220 В благодаря модулю HLK‑PM03 свело к минимуму внешние соединения и повысило надежность.

Заключение

Предложена и реализована эффективная, недорогая и простая в повторении система ан‑ тизапотевания главного зеркала телескопа‑дальномера ТПЛ‑1М. Использование микрокон‑ – 968 – троллера ESP8266 с датчиками DS18B 20 и твердотельными реле, а также компактного AC/ DC‑преобразователя HLK‑PM03 для питания логической части позволило создать полностью автоматическое устройство с веб‑управлением, гибкой логикой и циклическим архивировани‑ ем температурных данных, запитываемое прямо от сети 220 В. Система доказала свою работо‑ способность в реальных условиях и может быть рекомендована для аналогичных телескопов после незначительной адаптации под габариты бленды и мощность нагревателей.

Дальнейшее развитие может включать введение ПИД‑регулирования для более точного поддержания дельты, интеграцию датчика влажности для адаптивного выбора уставки и син‑ хронизацию времени с NTP‑сервером для привязки логов к астрономическому времени.