С помощью зрения человек получает более 80% информации об окружающем мире. Поэтому такое большое значение придается качеству искусственного освещения, без которого невозможно обойтись в промышленности, сельском хозяйстве, в административных, культурных, учебных учреждениях и организациях, на транспорте, в быту, то есть там, где искусственное освещение помогает продлить активную трудовую деятельность человека, обеспечить его отдых и комфорт.
При этом качественное освещение должно быть еще и экономным. Выполнению этого требования способствует новое поколение люминесцентных ламп (ЛЛ), все больше и больше заменяющих электрические лампы накаливания (ЛН) в различных областях применения. Эти источники света являются важнейшим реальным средством энергосбережения и сохранения окружающей среды и играют главенствующую роль в государственных программах энергосбережения всех экономически развитых стран.
Появление в конце 70-х годов-ЛЛ нового поколения, так называемых компактных ЛЛ, существенным образом повлияло на рост доли ЛЛ среди источников света, применяемых для освещения жилых и общественных зданий: Новые лампы объединили в себе преимущества ламп накаливания (небольшие габариты, возможность включения в электрическую сеть через обычный патрон для ламп накаливания, хорошая цветопередача) и стандартных ЛЛ' (высокая световая отдача и длительный срок службы).
Преимущества этих новых энергоэкономичных источников света стимулировали быстрое наращивание объемов их производства в большинстве стран мира. По данным зарубежных источников информации темпы ежегодного прироста объемов производства КЛЛ составляют около 30%, при этом 35% КЛЛ имеют встроенный электронный балласт (ЭПРА) и резьбовой цоколь для прямой замены ЛН.
Наконец, самыми «молодыми» источниками света (ИС) являются светодио-ды (СД). Они характеризуются низким энергопотреблением, продолжительными сроками службы и низкой стоимостью обслуживания.
В последнее время проблема повышения экологичности разрядных ИС приобретает все большую актуальность. Особенно эта проблема обостряется для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) ввиду прогрессирующего их использования в освещении жилых помещений. Главным факторомопределяющим экологическую опасность разрядных ламп, является наличие в них ртути в жидкой фазе.
Работы по решению данной проблемы ведутся достаточно давно. Дозирование в ЛЛ ртути в связанном состоянии (в виде твёрдых амальгам) — является наиболее перспективным способом в настоящее времяЗамечательной особенностьюамальгамных ЛЛ (АЛЛ) является то, что амальгама во время работы лампы выделяет оптимальное количество ртути (0,076 мг/см в ЛЛ мощностью 40 Вт), а в выключенном состоянии практически полностью поглощает ее из объема лампы. Утилизация АЛЛ также представляется более, надежной ввиду того, что ртуть не «разбросана» в. лампе,"а находится в амальгаме. Кроме всего прочего, амальгамный метод введения ртути в ЛЛ оказывается практически незаменимым в случае ламп, работающих в условиях повышенных термических или электрических нагрузок (например, в закрытых светильниках):. В данном случае использование вместо чистой ртути высокотемпературных амальгам (на основе С<1 и ^ позволяет обеспечить оптимальное давление паров ртути в лампе (РНе=0,8-^1,0 Па) и, следовательно, максимальный: световой поток (при использовании ртути в жидком состоянии он снижается на 20−30%). При работе ЛЛ в открытых светильниках используют низкотемпературные амальгамы (на основе РЬ, 8п и В1). Лампы с такими амальгамами имеют одинаковые с ртутными ЛЛ зависимостями светового потока от температуры окружающей среды.
Еще одним из вариантов является изготовление ламп с применением окиси ртути вместо ртути в жидком состоянии. Но при зажигании лампы окись ртути диссоциирует, выделяя кислород, который в свою очередь отрицательно влияет на работу лампы. Выход из данной ситуации состоит в применение геттеров — реагентов, поглощающих остаточные газы, — титан, цирконий, молибден, уголь и др.
В связи с тем, что в настоящее время специалистами по сертификации светотехнической продукции разработан стандарт ГОСТ Р МЭК 6096 «Лампы со встроенными пускорегулирующими аппаратами для общего освещения. Требования безопасности», где включены требования к фирмам-производителям светотехнической продукции о наличии в товарно-сопроводительной документации информации об эксплуатационных характеристиках лампы, в том числе о количестве содержащейся в ней ртути, встаёт вопрос о разработке методики и оборудования-для контроля количества ртути в ЛЛ (у изготовителя и потребителя).
Работы, проводимые в рамках настоящего диссертационного исследования, призваны устранить недостатки в существующих методиках, оперативно и без разрушения лампы определить количество’ртути в ней, что позволит использовать метод и установку на линиях сборки в качестве промежуточного выборочного контроля.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Необходимость проведения исследований по избранной теме обусловлена потребностью в< решении проблемы сокращения ртути в ЛЛ до минимально допустимых количеств, снижения! расхода ртути в производстве ЛЛ, ускорения и удешевления испытаний’ЛЛ на соответствие количества ртути нормативной документации и снижениязартученности помещений как при производстве ламп, так и при их потреблении.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью настоящего диссертационного исследования является разработка методики и средств неразрушающего контроля количества ртути в люминесцентных лампах. На сегодняшний момент, ввиду отсутствия необходимых методик и установок, большинство производителей ЛЛ не могут гарантировать потребителю их безопасность с позиции минимизации содержания ртути.
Для достижения поставленной цели в процессе диссертационного исследования решались следующие задачи:
— анализ литературных и патентных источников по способам введения ртути в ЛЛ, причинам их выхода из строя, отечественным и зарубежным разработкам методик и средств для контроля количества ртути;
— разработка конструкции и технологии изготовления контрольных ЛЛ с известным количеством ртути, экспериментальных ЛЛ с амальгамой и оксидом ртути;
— разработка неразрушающего метода и установки для определения количества ртути в Л Л с ртутью, амальгамных Л Л и Л Л с оксидом ртути и оптимизация режима работы ЛЛ с целью сокращения времени переноса ртути;
— математическое описание физических процессов в ЛЛ при работе на постоянном токе;
— изготовление и испытание опытных образцов и опытных партий ламп (контрольных, амальгамных и с оксидом ртути).
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЙ являются линейные ЛЛ с ртутью, амальгамные ЛЛ и ЛЛ с оксидом ртути, метод и установка для контроля содержания ртути.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ заключалась в экспериментальном исследовании электрических характеристик опытных образцов ЛЛс ртутью, амальгамой и оксидом ртути и определении количества ртути в них. Теоретическая часть исследования заключалась в разработке математического описания процессов, протекающих в разряде ЛЛ при работе ламп на< постоянном-токе, который используется в созданном методе контроля количества ртути в ЛЛ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационного исследования заключается в разработке оперативного неразрушающего метода контроля количества ртути в линейных ЛЛ. Конкретные результаты, определяющие новизну проведенного исследования, состоят в следующем:
— предложена методика неразрушающего контроля количества ртути в ЛЛ, основанная на форсированном переносе ионов и атомов ртути к катоду ЛЛ при ее работе от сети постоянного тока при дополнительном охлаждении катодного конца лампы. Время полного переноса ртути в катодную часть лампы контролируется по изменению электрических характеристик и пропорционально массе ртути в ЛЛ (определяется по соответствующему градуировочному графику). Предполагаемое время контроля одной лампы 1^-1,5 часа при содержании ртути в ЛЛ от 1,4 до 8 мг (такое содержание ртути декларируется в последние годы передовыми зарубежными фирмами, выпускающими ЛЛ, например в [7]);
— разработан опытный образец установки, обеспечивающий форсированный режим переноса ртути (работа ЛЛ на повышенном постоянном токе, работа катода с двумя катодными пятнами, повышенный температурный градиент между анодной и катодной частями ЛЛ) — предложено математическое описание физических процессов в ЛЛ при работе на постоянном токе, в частности, оценка скорости массопереноса ртути в ЛЛ с использованием программной среды МаШСас!
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ диссертационного исследования состоит в осуществлении указанной выше метода и установки для испытаний ламп, предоставляемых изготовителями.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы предложены для использования в стандарте ГОСТ Р МЭК 6096 «Лампы со встроенными пускорегулирующими аппаратами для общего освещения. Требования^ безопасности», который наряду с рекомендациями4 МЭК использует разработанные метод и средства измерений количества ртути в ЛЛ. Материалы диссертационной работы используются также в учебном процессе кафедр «Источники света» и «Светотехника» Мордовского государственного университета им Н. П. Огарева по дисциплинам «Источники оптического излучения», «Энергообеспечение светотехники и проблемы экологии», «Современные проблемы энергосбережения, энергоаудита и экологии» и «Технология материалов и изделий электронной техники.
СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ, ГРАНТАМИ. Тема диссертационной работы была частью научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, в рамках которой был получен грант на проведение научных исследований от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участника молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.). На основании протокола заседания Экспертного совета по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2007» от 26 октября 2007 г. заключен государственный контракт № 5474 р/7987 от 17 декабря 2007 г.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы, физики полупроводников и источников света» (2007 г., г. Саранск) — V, VI, VII, VIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (2007, 2008, 2009, 2010 гг., г. Саранск) — научно-технической конференции «Молодые светотехники России» (2007, 2008, 2009 гг., г. Москва) — VI республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (2007 г., г. Саранск) — XII, XIII, XIV научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (2007, 2008, 2010 гг., г. Саранск) — IV и VI Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (2008, 2011 гг., г. Варна, Болгария) — IV Международной, молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (2009fr., г. Казань) — V Международной научно-технической" конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (2009 т., г. Саранск) — Российской светотехнической Интернет-конференции «Свет без границ!» (2009 г., г. Хабаровск) — Итоговой научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи — будущему Мордовии» (2010 г., г. Саранск).
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, по работе, включает список литературы (87 наименований, в том числе 30 работ автора по теме диссертации, опубликованных к моменту оформления работы), 64 страницы иллюстраций (91 рисунок), 4 таблицы по тексту, получены патенты на изобретение № 2 410 791 «Способ неразрутающего контроля количества ртути в трубчатой люминесцентной лампе и устройство для его осуще.
Заключение
.
В диссертационной работе разработан и исследован метод и установка для контроля количества ртути в люминесцентных лампах.
В процессе диссертационного исследования получены следующие результаты:
1. Разработан неразрушающий метод контроля количества ртути в люминесцентных лампах, основанный на изменении электрических характеристик ламп при работе ее в интенсивном режиме от источника постоянного тока с активным балластным сопротивлением, с предварительным сбором ртути в зоне положительного столба разряда вблизи катода с помощью охлаждения указанной зоны и одновременным утеплением всей остальной зоны положительного столба разряда. Суть метода заключается в использовании процессов продольного катафореза (движения ионов ртути к катоду при работе люминесцентной лампы от сети постоянного тока) и переноса нейтральных атомов ртути при создании градиента концентрации их в положительном столбе (создание холодной зоны в прикатодной части положительного столба люминесцентной лампы, и горячей зоны1 в прианодной области положительного столба). Затем в схеме питания лампы меняется полярность и процесс переноса повторяется. При этом измеряется время с начала повторного переноса ртути до момента резкого уменьшения напряжения на лампе при поддержании постоянного значения тока. Зависимости изменения напряжения на лампе от времени переноса фиксируются с помощью АЦП (или самопишущего вольтметра). Количество ртути определяют по градуировочным зависимостям. Градуировочные зависимости определяются с использованием контрольных ламп, в которых известно количество ртути.
2. Разработан опытный образец установки для определения количества ртути в люминесцентных лампах, позволяющий осуществлять форсированный режим работы лампы при токах, в 1,5-^-2 раза превышающих номинальный ток люминесцентной лампы. Установка включает в себя шесть блоков: блок стабилизацииблок регулировкиблок питания испытуемой лампы-: блок измеренийблок регистрации и блок охлаждения.
3. Разработана электрическая схема блока питания люминесцентной лампы на постоянном токе, позволяющая создавать дуговой разряд с двумя катодными пятнамис, целью: облегченияработы, электродов в установке, обеспечения: равенство токов в каждом токовводе анода и. максимального сокращения времени испытания лампы. При такой схеме подключения лампы возможно получение максимального однополярного тока: (в 1,5 — 2 раза превышающего номинальный).
4. Для охлаждения катодного конца испытуемой лампы (необходимого для? диффузии атомов, ртути в сторону катода с целью ускорения наступления катафореза? разработаны и изготовлены два металлических (латунных) радиатора, с различной конструкцией и размерами (для разных типоразмеров ламп), с постоянно циркулирующей* холодной проточной водой с температурой 10 °C и полностью охватывающие участок лампы.
5. Приведеныособенности конструкций и технология изготовления контрольных люминесцентных ламп с известным количеством" ртутиэкспериментальных амальгамных люминесцентных ламп и экспериментальных ламп с оксидом ртути.
6. Предложено математическое. описаниефизических процессов. в люминесцентных лампах при работе на постоянном токе, в частности, оценка скорости массопереноса ртути в люминесцентных лампах, зависящая от переноса за счет ионного тока, скорости диффузионного переноса атомов ртути и от совместного их действиярасчет массы ртути в Л Л с использованием программной среды МаШСаё: Проведен анализ основных микрои макрохарактеристик, которые могут применяться для! оценки, массопереноса ртути в, условиях, отличающихся от экспериментальных.
7. Показаны, и проанализированы результаты измерения характеристик контрольных люминесцентных ламп с известным количеством ртути, экспериментальных амальгамных люминесцентных ламп и экспериментальных ламп с оксидом ртути.
8. Разработан опытный образец компьютеризированной установки для определения количества ртути в линейных люминесцентных лампах, где блоком измерения являлся АЦП NI cDAQ-9205, управление которым осуществлялось с помощью виртуального прибора, разработанного в графической среде программирования Lab VIEW.
