CCD-kameran tuuletinvärinät putkessa?

[Timpe]

Huomasin (uudelleen v.2008 jälkeen) tällaisen lisäongelman kuvausputkessani, kun siihen kiinnittää CCD-kameran jossa on tuulettimia. Se nimittäin värisee havaittavasti, kun CCD-kameran jäähdytys on päällä! Värinä varmaan vaikuttaa tähtien FWHM-lukemiin eli se turvottaa tarpeettomasti tähtien kokoa vai olenko tämän suhteen väärässä?

Tässä on alkuun tuo kaukoputki ja sen tarkennuslaitteen/kameran kiinnitys putkeen.



Putken sisäpuolella on tarkennuslaitteen vastinpintana 3mm paksu alumiinilevy ja sen koko on selvästi suurempi kuin tuo pyöreä teräsaluslevy tuossa tarkentimen alla. Putki itsessään on 6mm seinävahvuudella varustettua kartonkiputkea eli Sonotubea kuten jenkit tuota kutsuvat.
Niin tai näin, kun kosketan käytössä olevaa CCD-kameraani (jonka tuulettimet pyörivät), tunnen siinä selvää suurtaajuista tärinää/resonointia ainakin kamerassa ja hiukan vielä tuossa kartonkiputkessakin. Kameran kenno värisee siis suhteessa pääpeiliin, joka sijaitsee 1500 mm päässä kennosta (vipuvartta riittää)! En tiedä kuinka tämä näkyy tähtien koon kasvuna, mutta jo ajatuksena tällainen värinä on hiukan huolestuttavaa... 

Liitän nyt viestin mukaan vielä 100% cropin 15min luminanssikuvan tähdistä ja Maxim DL:n mittatyökalusta, kun otan sen alle tuollaisen FITS-ruudun himmeän tähden. En osaa arvioida onko tuossa mukana värinästä johtuvaa nopeataajuista tähtien vatkausta, kun tuo näyttää kuitenkin suhteellisen terävältä. Tarkennus on aivan marginaalisesti sivussa optimista (sen näkee tuosta kirkkaan tähden diffraktiopiikistä). Mutta mitäköhän tuon värinän kanssa nyt oikein tekisi? Kertokaapa muut CCD-kuvaajat kokemuksia tästä värinäaiheesta ja onko tämän huolehtiminen vain sadekelien aikaista haihattelua?

[naavis]

Pystyisitkö ottamaan koekuvia jäähdytyksen kanssa ja ilman?

[pnuu]

Tai tallenna guidauskameralla videota seurattavasta tähdestä. Luultavasti jokin muukin kohde, kuten kaukainen mastovalo tms. voisi paljastaa näkyykö värinä kameroille asti häiritsevänä.

[Timpe]

Tutkin QSI:n ajurin asetuksia Maxim DL:stä ja  sieltä löytyi myös tuulettimen tilan säätö (asennot Off, Quiet, Full Speed). Olen käyttänyt kameraani Quiet asennolla, mutta syyskylmässä kelissä taitaa riittää myös Off-asento. Tässä on pätkä QSI:n manuaalista:

"Keep in mind that the lowest temperature that the CCD can be cooled is limited by the ambient air temperature and the speed of the cooling fans. Achieving very low temperatures is easy when imaging outdoors during cooler weather. If it is particularly cold you may not even need to turn the fans on. If the weather is warm and humid you may not be able to
cool the CCD to the desired temperature."

Huoneenlämpö on nyt eilen lämmitetyn takan vieressä jotain +24°C ja kameran kenno on jäähdytetty nyt +3°C lämpöön. Maximin mukaan jäähdytystehoa kuluu 60...65% ja jäähdytys pysyy vakaana säätöarvossaan ilman tuulettimiakin. QSI:n jäähdytysrivat ovat nyt tasaisen lämpimiä (kuumemittarilla mitaten +36,4°C). Saattaa olla niin, etten tarvitse tuuletinjäähdytystä ulkoilmassa ehkä lainkaan ja ongelma olisi ratkaistu sillä. Toisaalta saattaa olla niin, ettei ulkoilman passiivijäähdytys riitä vielä -21°C jäähdytykseen ennen oikean pakkastalven tuloa. (-5°C jäädytyspyynnillä otetaan jäähdytystehoa jo 80...82%:n suuruudella tässä huonelämmössä.)  Tutkitaan tätä lisää eli siirrän kameran ulos 

[Timpe]

...nyt ulkona +13°C ja jäähdytyspyynti -13°C. Ottoteho on Maxim DL:n mukaan 97...100% ja jäähdytys pysyy vakaana.

Ei tuulettimia käytössä ja kamera värisee yhä (!) havaittavasti ja sanoisinko merkittävästi kun se on puupenkin päällä yhden kulmansa varassa. Syynä on siis rungon sisältä löytyvä Peltier-pumppu, joka resonoi (?) siirtäessään nesteitä edestakaisin. Värinä voimistuu ajoittain ja on välillä kokonaan pois. Jos pitäisi värinän ominaistaajuutta arvata, niin jokin 10-20 Hz voisi osua kohdalleen. Arghhhh... mitä tuollaiselle värinälle nyt osaa enää tehdä?

Testatkaapa muut, kuinka oma CCD-kamera värisee kun se lepää vapaasti paikallaan jossakin. Onko tämä vain QSI:n ominaisuus/vika/tjsp. vai mistä tässä nyt oikein on kyse? (->  Pitänee varmaan ottaa yhteyttä QSI:n tekniseen tukeen ja kysyä onko tällainen värinä normaalia.)

[einari]

Tuota, voin mennä tässä nyt metsään mutta oletko varma että sulla on joku peltier-pumppu käytössä ?
Käsittääkseni peltier-jäähdytyksessä se lämpö kadotetaan säteilemällä tai sillä tuuletuksella.
Sitten, kuten QSI:ssäkin, on mahdollista käyttää myös nestejäähdytystä.

[Timpe]

Juu en ole, mutta mikä muu siellä kameran sisällä sitten voi olla aiheuttamassa tällaista värinää? En tiedä tekniikasta sen enempää, kuin että siellä on kenno jäähdytettynä ja sen takana on tuo massiivinen jäähdytysripa viilentämässä Peltier-elementtiä. Joku tekniikka siellä siirtää lämpöä kennolta sen taakse jäähdytysputkiin tai muuhun. Tuo on jossakin määrin häkellyttävä tuntu, kun CCD-kamera värähtelee kädessä (tuulettimet pysähtyneenä) ja värähtelystä löytyy 5-10s jakso minimistä maksimiin sen tahtiin kuin tuota lämpöä pumpataan paikasta A paikkaan B.

Nyt tulikin jo QSI:n vastine kyselyyni: (vastaus tuli vain 30min kuluttua kyselystäni!)
---clip---
Timo,
There are only four moving parts in the camera other than the fans, the two stepper motors that power the shutter and CFW and those two passive rotating disks. We've never heard of any vibration caused by a faulty motor, but that seems the most likely source of the problem.

Just to confirm, you feel this vibration when the camera is powered up but not taking exposures? The two stepper motors do produce reasonably significant torque when they start and stop.  For instance, you can definitely feel a pulse when then the shutter starts and stops. But there shouldn't be any lingering "ringing" caused by that movement.

What I might suggest is to remove the cover from your camera. Power it up. It will through a self-test for a couple of seconds. The put your finger against each of the two stepper motors. Can you feel any vibration?

You asked about vibrations from the TECs. Those are solid state devices so I can't imagine that they could cause any vibration. However, this should be easy to confirm. Do you feel the vibration when the camera is first turned on or only when cooling is turned on?

Let me know what you find.

Regards,
Kevin

Siirryn siis tutkimaan asiaa...

[Timpe]

Lisätutkimukset paljastivat, että QSI värisee havaittavasti kun kamerassa on virta päällä. Tuulettimet eivät olleet testin aikana käytössä, eikä edes jäähdytyksen tarvitse olla päällä, kun tämän havaitsee. Parhaiten (pahiten) tämän värinän huomaa kun kamera on tarkentimessa lukittuna (sen Sonotube-putken nokassa) TAI jos kamera on kovalla pinnalla. Värinä lakkaa heti kun irroitan USB/virtakaapelit ja alkaa uudestaan kun kytken kaapelit takaisin. Kamera värisee myös Santel MCT:n tarkentimessa, muttei niin selvästi kuin tuossa Newtonissa. Luin täältä, että kaikissa askelmoottoreissa on resonaatiotaajuutensa ja sitä pyritään suunnittelulla vaimentamaan eri tavoin.

Tässä tilanteessa olisi hyvä tietää, onko vastaavaa "virrat-päällä-perusvärinää" myös muissa CCD-kameroissa (vai onko tämä sellainen asia, ettei kukaan halua sitä tutkia omasta kalliista CCD-kamerastaan?-). Vai onko tämä vain oman kamerayksilöni jonkinlainen vika stepperien suunnalla? Liitän tähän vielä kuvan tilanteesta, jossa tuollainen värinä tuntui selvästi käteen (kamera makaa kovan pinnan päällä). Pidin kättä kevyesti kamerarungon päällä ja kokeilin askelmoottoreita erikseen (=ei havaittavaa tärinää) ja kamerarunkoa erikseen (värinä tuntui kevyesti kameraa koskettaessa). Tässä on ikään kuin sellainen pieni vuotovirta menossa stepperille, mikä saa moottorin värisemään hitusen verran, muttei niin paljoa että tulisi askellus ja akseli liikkuisi mihinkään. QSI:n tekninen tuki ottaa varmaan myös kantaa tähän perusvärinään tulevassa vastausviestissään.

[Mika Luostarinen]

Lisätutkimukset paljastivat, että QSI värisee havaittavasti kun kamerassa on virta päällä. Tuulettimet eivät olleet testin aikana käytössä, eikä edes jäähdytyksen tarvitse olla päällä, kun tämän havaitsee. Parhaiten (pahiten) tämän värinän huomaa kun kamera on tarkentimessa lukittuna (sen Sonotube-putken nokassa) TAI jos kamera on kovalla pinnalla. Värinä lakkaa heti kun irroitan USB/virtakaapelit ja alkaa uudestaan kun kytken kaapelit takaisin. Kamera värisee myös Santel MCT:n tarkentimessa, muttei niin selvästi kuin tuossa Newtonissa. Luin täältä, että kaikissa askelmoottoreissa on resonaatiotaajuutensa ja sitä pyritään suunnittelulla vaimentamaan eri tavoin.

Tässä tilanteessa olisi hyvä tietää, onko vastaavaa "virrat-päällä-perusvärinää" myös muissa CCD-kameroissa (vai onko tämä sellainen asia, ettei kukaan halua sitä tutkia omasta kalliista CCD-kamerastaan?-). Vai onko tämä vain oman kamerayksilöni jonkinlainen vika stepperien suunnalla? Liitän tähän vielä kuvan tilanteesta, jossa tuollainen värinä tuntui selvästi käteen (kamera makaa kovan pinnan päällä). Pidin kättä kevyesti kamerarungon päällä ja kokeilin askelmoottoreita erikseen (=ei havaittavaa tärinää) ja kamerarunkoa erikseen (värinä tuntui kevyesti kameraa koskettaessa). Tässä on ikään kuin sellainen pieni vuotovirta menossa stepperille, mikä saa moottorin värisemään hitusen verran, muttei niin paljoa että tulisi askellus ja akseli liikkuisi mihinkään. QSI:n tekninen tuki ottaa varmaan myös kantaa tähän perusvärinään tulevassa vastausviestissään.

Heitän vähän lonkalta: syntyykö värinää jos kamera on kiinni maadoitetussa pistorasiassa? Oletko kokeillut kytkeä värkkiä ei pistorasioihin ja katsoa muuttuuko mikään?

Vuotovirta? Maadoitus? Virtalähde?

Oma CCD-kamerani  ei värise eikä tärise.

Kysytään vielä, että kun sanot "värisee" niin tarkoitatko varmasti selkeästi fyysistä värinää eli jos lasket laitteen pöydälle ja et koske siihen ollenkaan niin se tärisee pöydällä samaan tapaan kuin matkapuhelimen vibrahälytys?

Toisinaan ihmisen iho aistii sähkövuodon värinänä.  Näin on ollut joidenkin kannettavien tietokoneiden kanssa eli kanteen kosketettaessa sormissa tai kämmenessä tuntuu ikäänkuin "värinää". Se on sähkövirran aiheuttamaa hermoihin osuvaa ärsykettä. Laite (tietokone) ei ole kuitenkaan fyysisesti tärissyt.


-M

[Lithos]

Tuntuuko kyseinen värinä jokin eristävä hanska kourassa lienee varsin hyvä testi.

[Timpe]

Hyviä veikkauksia kummallakin, sillä kyseessä lienee kuitenkin sähköisen varauksen muodostama "värinä" iholla eli ihotuntuma fyysisestä liikkeestä

Meillä on töissä ollut muutaman hakkuvirtalähteen (+24 VDC) kanssa sellaista ongelmaa, että sellaiset pumppaavat tuon hakkurin lähdön maatason (GND) johonkin potentiaaliin suhteessa rakennuksen 220 VAC suojamaahan. Mittarilla mitaten tuosta maatasojen välistä löytyy vaihtelevasti vaihtojännitettä (hiukan vajaat 100 VAC), mutta tuossa ei kumminkaan kulje riittävästi virtaa jotta aiheutuisi varsinaista sähköiskua. Tämä 90...100 VAC tuntuu sitten iholla eräänlaisena "pintavärinänä".

Mittasin äsken tuosta QSI-kameran rungon ja 220 VAC jatkojohdon suojamaan välistä vastaavia jännitelukemia. Pitää miettiä onko tähän jotain hyvää välipalikkaa kaupallisessa muodossa (suojaerotusmuuntaja?) vai pitääkö tutkia kuinka tuo +12 V jännitelähdön maataso saadaan lukittua johonkin maatasoon/suojamaahan? Tuossa hakkurissa on nyt 2-pinninen/kapea verkkojohto. Yksi pistotulppamallinen vikavirtasuoja suojaerotusmuuntaja sanoi sopimuksensa irti viime talvena, kun irroitin kuvaussysteemini virtajohtoa seinästä (unohtui hankkia uusi tilalle tälle kaudelle ).

Ai niin, käyttämäni +12 VDC teholähde on tässä: http://www.partco.biz/verkkokauppa/product_info.php?cPath=2062_2077_1450&products_id=9637

Edit1: termit hukassa, korjasin...
Edit2: Löytyi vielä galvaaninen erotus eli taitaa mennä suojaerotusmuuntajan hankkimiseksi vai kuinka tämän asian kanssa on?

[Nurinniska Observatory]

Minulla oli vastaava ongelma hakkurivirtalähteen kanssa eräässä projektissa. Homma ratkesi kun liitin 24 vdc miinusnavan hyppyjohdolla maapotentiaaliin, eli n. metrin pätkään kuorittua kuparikaapelia jonka hautasin maahan.

[Timpe]

Tuota tee-se-itse lähestymistapaakin olen miettinyt. Olisi halpa korjaus, mutta syntyykö tuosta jotain muuta ongelmaa, jos teen kytkennän esim. jatkojohdon suojamaahan (ja sitä kautta talon sähköverkon maadoitukseen)? Käytössäni on siirrettävä kuvauskalusto, jonka puran aina havaintoillan jälkeen pois. Oma järkeni sanoo ettei 12 VDC maalähdön maadoittamisesta ole haittaa, mutta joku sähköalan ammattilainen tai asioista perillä oleva taho voisi kommentoida tätä. Kiitos!

Toisaalta olisi varmaan eduksi, jos kuvauskaluston erottaisi muuntajalla talon sähköverkosta. (Olen polttanut mm. yhden vikavirtasuojan kalustoa verkkosähköistä irroittaessani.) Trafoxilla on tarjolla mm. häiriövaimennusmuuntajaa (http://www.trafox.fi/index.php?id=299) ja liikuteltavaa suojaerotusmuuntajaa (http://www.trafox.fi/index.php?id=293) tähän tarpeeseen, mutten tiedä onko näiden hankkiminen kannattavaa. Kustannus olisi 100...200 euron välillä tuoteluettelon (PDF) mukaan, mikä on pieni summa kameran yms. hintaan nähden. Myös Partcolla näkyy olevan liikuteltavia erotusmuuntajia omassa verkkokaupassaan (link). Käytetyissä sähkölaitteissa ei ole maadoitettuja pistorasioita kuin läppärini laturissa. Lähetän vielä tästä asiasta kysymyksen Trafoxin myyntiin, arvaan jo myyntimiehen vastauksen laadun.

[Timpe]

Trafoxin vastaus oli lyhyt (hiukan liiankin lyhyt), jotta se olisi tuonut mitään uutta tähän asiaan. Sieltä selvisi kuitenkin, että Partco myy juurikin heidän tuotteitaan verkkokaupassaan yksityisille. Hyvä näin, sillä Partcosta tuo yllä mainittu hakkurikin on tilattu ja itselläni on jo käyttäjätili sinne. Kysymys siis Partcoon eristysmuuntajan tarpeesta ja odottelua pari päivää... ei mitään vastausta sieltä (pöh, luulisi sähkö/elektroniikkakaupan myyjien tietävän mitä myyvät ja miksi).
Kyselin sitten tätä asiaa työpaikalta kahdelta insinööriltä, joista fiksumpi kaivoikin netistä esiin tämän wiki-artikkelin hakkurivirtalähteen ja lineaarivirtaläheen eroista:
http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#SMPS_and_linear_power_supply_comparison

Tuolta löytyi sitten kohta "Risk of electric shock" ja sieltä tekninen selitys, miksi hakkurin tasajännitelähtö on tietyssä potentiaalissa maatasoon nähden:
"Common rail of equipment (including casing) is energised to half the mains voltage, but at high impedance, unless equipment is earthed/grounded or doesn't contain EMI/RFI filtering at the input terminals."
Ja tässä hiukan teknisempi selitys:
"Due to regulations concerning EMI/RFI radiation, many SMPS contain EMI/RFI filtering at the input stage before the bridge rectifier consisting of capacitors and inductors. Two capacitors are connected in series with the Live and Neutral rails with the Earth connection in between the two capacitors. This forms a capacitive divider that energises the common rail at half mains voltage. Its high impedance current source can provide a tingling or a 'bite' to the operator or can be exploited to light an Earth Fault LED. However, this current may cause nuisance tripping on the most sensitive residual-current devices."

Totta. Toisin sanoen hakkurin DC-lähtö makaa maapotentiaaliin nähden puolessa välissä omaa syöttöjännitettään (=n. 50% 220 VAC:sta), mutta lähtö on suuren impedanssin takana, mikä takaa sen ettei varsinaista sähköiskua synny (vaikka käyttäjä koskettaisikin tätä n. 100 VAC jännitettä ja maata samaan aikaan). Tuo viimeinen lause kertoo vielä hyvän syyn, miksi vikavirtasuojani paukahti laitteistoa purettaessa ja sitä edeltävä lause kertoo tämän ketjun aloittavassa viestissä kerrotun kameravärinän syyn. Nyt puuttui enää keino, millä tämän jännitepotentiaalin saa pois hakkurin lähdöstä ja CCD-kameran rungosta.

Lähetin kysymyksen samasta aiheesta nyt Mascotin tehtaalle, mistä tipahti perusteellinen vastaus tähän ongelmaani muutamassa tunnissa. Jotkut tahot osaavat asiakaspalvelun paremmin kuin toiset, mutta valitettavasti nämä tuntuvat löytyvän säännöllisesti Suomen ulkopuolelta!
Liitän tähän kuvan Mascotilta saamastani vastausviestistä, niin ymmärrätte miksi narisen kotosuomalaisten palvelualttiudesta. Käytännössä teen valintani Mascotin tuesta saatujen vaihtoehtojen 3 ja 4 väliltä (=joko lisään suojaerotusmuuntajan hakkurin syöttöpuolelle tai maadoitan hakkurin tasajännitelähdön havaintopaikalla maahan lyötyyn kuparitankoon, Nurinniskan Tero oli tässä oikeassa :). Itse taidan tilata tuon suojaerotusmuuntajan, kun siitä on muutakin turvaa sähköiskujen varalta ja koska sen käyttö ei ole sidoksissa havaintopaikkaani juuri kaukoputkijalustan luona. Pitkä tarina mokomasta, mutta selvisipä tämäkin asia loppujen lopulta! 

Edit: Mascotilta löytyi vielä 9726-2026 tyyppinen 96W (12V/7A) hakkuri, mikä olisi ollut suoraan Level I tason eristyssuojattu. Tätä mallia ei näkynyt Parton hinnastossa ja käyttämäni 9623 on Level II suojattu laite (olisi ollut hyvä tietää näiden erot, jos hankkii hakkuria tähän käyttöön).