Исследование и разработка метода и установки для контроля количества ртути в люминесцентных лампах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.07, кандидат технических наук Горбунов, Алексей Алексеевич

• Горбунов, Алексей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горбунов, Алексей Алексеевич

Введение.

1 Современное состояние разработок в области экологичности разрядных источников света, дозировки и контроля количества ртути в люминесцентных лампах.

1.1 Виды и методы дозировки ртути в люминесцентных лампах.

1.2 Причины проявления «тусклых» люминесцентных ламп и рекомендации по их устранению.

1.3 Анализ методов определения количества ртути в люминесцентных лампах.

1.4 Выводы по главе.

2 Конструкции и технологии изготовления контрольных и экспериментальных люминесцентных ламп.

2.1 Особенности конструкций и технология изготовления контрольных ламп с известным количеством ртути.

2.2 Амальгамы.

2.3 Методы изготовления амальгам.

2.4 Технология приготовления амальгамы.

2.5 Технология изготовления контейнеров (ампул) с амальгамой.

2.6 Технология изготовления экспериментальных амальгамных люминесцентных ламп.

2.7 Оксид ртути. Физико-химические свойства.

2.8 Газопоглотители. Классификация, свойства, требования.

2.9 Технология изготовления контейнеров (ампул) с оксидом ртути.

2.10 Особенности конструкции и технология изготовления экспериментальных ЛЛ с оксидом ртути.

2.11 Выводы по главе.

3 Математическое описание физических процессов в ЛЛ при работе на постоянном токе.

3.1 Особенности люминесцентных ламп.

3.2 Работа ламп на постоянном токе.

3.3 Анализ физических процессов в люминесцентных лампах, работающих на постоянном токе при изменении температурного режима.

3.4 Оценка скорости массопереноса ртути в люминесцентных лампах.

3.5 Оценка основных микро- и макрохарактеристик разряда при работе

ЛЛ на постоянном токе.

3.6 Выводы по главе.

4 Устройство и способ для контроля количества ртути в люминесцентных лампах.ВО

4.1 Описание экспериментальной установки.

4.2 Режим работы установки.

4.3 Методика проведения эксперимента.

4.4 Исследование и результаты измерения характеристик контрольных люминесцентных ламп с известным количеством ртути.

4.5 Исследование и результаты измерения характеристик амальгамных люминесцентных ламп.

4.6 Исследование и результаты измерения характеристик люминесцентных ламп с оксидом ртути.

4.7 Исследование и результаты измерения характеристик люминесцентных ламп малого диаметра.

4.8 Разработка опытного образца компьютеризированной установки для определения количества ртути в трубчатых люминесцентных лампах.

4.9 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка метода и установки для контроля количества ртути в люминесцентных лампах»

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 фактором; определяющим 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 время; Замечательной особенностью; амальгамных 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 снижения- зартученности 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 № 2410791 «Способ неразрутающего контроля количества ртути в трубчатой люминесцентной лампе и устройство для его осуще

Заключение диссертации по теме «Светотехника», Горбунов, Алексей Алексеевич

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 стабилизации; блок регулировки; блок питания испытуемой лампы;: блок измерений; блок регистрации и блок охлаждения.

3. Разработана электрическая схема блока питания люминесцентной лампы на постоянном токе, позволяющая создавать дуговой разряд с двумя катодными пятнами; с, целью: облегчения- работы, 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°С и полностью охватывающие участок лампы.

5. Приведены; особенности конструкций и технология изготовления контрольных люминесцентных ламп с известным количеством» ртути; экспериментальных амальгамных люминесцентных ламп и экспериментальных ламп с оксидом ртути.

6. Предложено математическое.описание; физических 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 действия; расчет массы ртути в Л Л с использованием программной среды МаШСаё: Проведен анализ основных микро- и 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горбунов, Алексей Алексеевич, 2011 год

1. Айзенберг, Ю.Б. Справочная книга по светотехнике. / Ю.Б. Айзенбрег. // С. 74 3-е изд. перераб. доп. М.: Знак, 2006. 972 с.

2. Айзенберг, Ю.Б. Современные проблемы энергоэффективного освещения. / Ю.Б. Айзенбрег. // «Энергосбережение» № 1,2009.

3. Брошюра «Энергосбережение, Philips Electronics, 2010, 32 с.

4. Журнал "Энергополис", №5, 2011 г. (http://energypolis.ru/portal/ 201 l/843-strategicheskoe-preimushhestvo.html).

5. Арутюнян, А.А. Основы энергосбережения. / А.А. Арутюнян. // Издательство: Энергосервис, 2007 г., — 600 с.

6. Мальцев, В. Замена ламп накаливания на энергосберегающие светильники. Позиция Минпромторга. / В.Мальцев. Портал-энерго. Эффективное энергосбережение, 2010т. // (http://portal-energo.ru/articles/details/id/247).

7. Каталог ламп'2008-2009, Philips Electronics N.V., 2008 г., 368 с.

8. Требования к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения / ПостановлениеI

9. Правительства Российской Федерации от 20 июля 2011 г. № 602.

10. Федоренко, A.C. О перспективах повышения экологичности люминесцентных ламп. / A.C. Федоренко, A.A. Дурдаев, A.A. Ашрятов. // Электротехнический рынок. №11, Москва, 2007. С. 26-27.

11. Горбунов, A.A. Исследования по повышению экологичности производства* и применения люминесцентных ламп. / A.A. Горбунов; Е.А. Карасев, A.C. Федоренко. // Светотехника, 2009, №6. С. 17-20.

12. Кокинов, A.M. Экологические проблемы люминесцентных ламп. / А.М. Кокинов, В.И. Логинов, Л.В. Ступакова, A.C. Федоренко, P.A. Кирсанов. // Международная конференция по осветительной технике. «Осветление 90». Варна.-1990,-С. 85.

13. Кандрёнков, В.В. О возможности создания кадмиевых люминесцентных ламп низкого давления. / В.В. Кандрёнков, A.A. Прытков, A.C. Федоренко. // Светотехника, 1973 г., № 10, С. 4-6.

14. Патент ФРГ. №1274228, кл. 82Н01 Опубл. 20.03.69.

15. Патент США. №3227907 Опубл. 04.01.66.

16. Японский стандарт ХЕЬЗОЗ. Измерение количества ртути в люминесцентных лампах. 2004.

17. Окончательный проект международного стандарта МЭК 62554. Подранск, 2007. С. 58-59.

18. Федоренко, A.C. Технология материалов и изделий электронной техники, учебное пособие / А.С.Федоренко, JI.B. Цыганова.- Саранск: Изд-во СВМО, 2011.- 127 с.

19. Гавзе, М. Н. Взаимодействие ртути с металлами и сплавами. / М.Н. Гавзе. М.: Наука, 1966. 158 с.

20. Смирнов, В. А. Восстановление амальгамами. / В.А. Смирнов. JL: Химия, 1970.-228 с.

21. Пугачевич, П. П. Техника работы с ртутью в лабораторных условиях. / П.П. Пугачевич. М.: Госхимиздат, 1961. 142 с.

22. Дурдаев, A.A. Разработка конструкции и технологии изготовления амальгамных люминесцентных ламп. / A.A. Дурдаев, A.C. Федоренко. // Тезисы докладов на науч.-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, ВИГ-МА, 2007. С. 43-45.

23. Дробашева, Т. И. Общая химия. / Т.И. Дробышева. Учебник, 2004 г.448 с.

24. Черепин, Н.В. Вакуумные свойства материалов для электронных приборов. / Н.В. Черепин. Издательство «Советское радио» М.: 1966 г.

25. Фролов, Е. С. Вакуумная техника. / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др. Машиностроение, 1985. 360 с.

26. Рохлин, Г. Н. Газоразрядные источники света. / Г.Н: Рохлин. M.-JL: Энергия. 1966 г., 560 с.

27. Айзенберг, Ю.Б. Основы конструирования световых приборов. / Ю.Б. Айзенберг. // Уч. Пос. для вузов. М.: Энергоиздат, 1996, - 704 с. 35: ил.

28. Федоров, В.В. Производство люминесцентных ламп. / В.В. Федоров. // 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1981. - 232 с.

29. Рохлин, Г. Н. Газоразрядные источники света. / Г.Н. Рохлин. // M.-JL: Энергия, 1966.-560 с.

30. Новик, А.Е. Люминесцентные лампы постоянного, тока. / А.Е. Новик, В.П. Сасоров. // «Светотехника», 1958, №7.

31. Уэймаус, Д. Газоразрядные лампы. / Д. Уэймаус. // М.: Энергия, 1977,344 с.

32. Охонская, Е.В. Расчет и конструирование люминесцентных ламп. / Е.В. Охонская, A.C. Федоренко. // Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1998. 184 с.

33. Смирнов, Б.М. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. / Б.М. Смирнов. // М.: Атомиздат, 1968, 364 с.

34. Chanin, L.M. / Phys. Rev. // L.M. Chanin, M.A. Biondi. // 1957, vol. 107, p. 1219.

35. Дэшман, С. Научные основы вакуумной техники. / С. Дэшман. // Изд-во «МИР», 1964,716 с.

36. Эспе, В. Технология электровакуумных материалов. / В. Эспе. // Том 1: Металлы и материалы с металлической проводимостью. М.-Л., Государственное энергетическое издательство, 1962, 631 с.

37. Международной науч.-тех. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 25-26 ноября 2010 г. /ред-кол.: JI.B. Абрамова (отв. ред.) и др.. Саранск: СВМО, 2010. С. 82-84.

38. Исследование и разработка метода и установки для контроля количества ртути в люминесцентных лампах»

39. Зав. кафедрой светотехники,доцент

40. Декан светотехнического факультета, доцент