Содержание к диссертации
стр.
Основные сокращения, обозначения и подстрочные индексы 5
Введение 8
1 .Анализ технологии производства информационно-измерительных 13 приборов, систем и их элементов. Принципы их конструирования
1.1.Способы уменьшения ртутной опасности при эксплуатации 19 информационно-измерительных приборов, систем и элементов
Требования, предъявляемые к защитным покрытиям, анализ 21 характеристик полимеров
Компактные люминесцентные лампы 24
Принципы и направления конструирования компакт- 24 ных люминесцентных ламп
Изменение характеристик компактных люминесцент- 41 ных ламп от условий эксплуатации
Анализ экспериментальных исследований плазмы по- 44 ложительного столба компактных люминесцентных ламп
Анализ расчетных математических моделей плазмы 48 положительного столба люминесцентных ламп
1.4. Выводы по аналитическому обзору 60
2. Технология производства компактных люминесцентных ламп и 62
разработка технологии нанесения защитного покрытия. Экспери
ментальные исследования характеристик выпускаемых компактных
люминесцентных ламп с защитными полимерными покрытиями
2.1.Технология производства компактных люминесцентных 62 ламп и формирование на них защитных покрытий
Схема технологического процесса производства ком- 62 пактных люминесцентных ламп
Основные функции и требования к узлам и элементам 63 компактных люминесцентных ламп
Технология производства и оборудование для нанесе- 69 ния и формирования покрытий. Классификация методов нанесения полимерных покрытий
2.2. Методы и средства повышения точности технологических 74 процессов для измерений характеристик компактных люминесцентных ламп
Процесс стабилизации характеристик компактных лю- 75 минесцентных ламп
Метод определения оптимальных режимов эксплуата- 78 ции компактных люминесцентных ламп
Особенности температурных измерений характеристик 82 компактных люминесцентных ламп
Компьютеризированный метод исследования процес- 84 сов стабилизации компактных люминесцентных ламп
2.3. Выбор защитных покрытий и технологический режим нане- 89
сения покрытий на компактные люминесцентные лампы
2.4. Исследование эффективности защитных покрытий на ком- 92
пактных люминесцентных лампах различной конструкции при
изменении параметров эксплуатации
2.4.1. Влияние теплопроводности окружающей среды на све- 110 товые и электрические характеристики компактных люминесцентных ламп
Исследование распределения температуры по поверхности 121 компактных люминесцентных ламп
Выводы по главе 123
3. Технологические способы повышения эффективности и эколо- 125
гичности информационно измерительных приборов, систем и их
элементов. Исследования характеристик положительного столба
компактных люминесцентных ламп
Способ определения удельных характеристик положительно- 125 го столба разряда компактных люминесцентных ламп
Способы и результаты экспериментального определения ко- 128 эффициента экранирования светового потока в многоканальных компактных люминесцентных лампах
Результаты исследования спектральных характеристик раз- 136 ряда и определение давления инертного газа в компактных люминесцентных лампах спектральным методом
Методы и результаты использования в компактных люми- 141 несцентных лампах амальгам вместо ртути в жидкой фазе
Использование амальгамного регулирования давления 141 паров ртути в компактных люминесцентных лампах
Повышение экологичности компактных люминесцент- 146 ных ламп путем применения низкотемпературных амальгам
Разработка технологии изготовления амальгам 146 в системе свинец-ртуть РЬ - Hg
Изготовление партий ламп КЛА9/ТБЦ и их ис- 148 пытания
Определение количества ртути, испаряющейся 150 из амальгам при термовакуумной обработке и остающейся в амальгаме
Способ изменения электрических и световых характеристик 151 при изменении положения катодного пятна на электродах
Выводы по главе 153
4. Конструкция и технология производства, экспериментальные 155
исследования характеристик компактных амальгамных люминес
центных ламп
4.1. Разработка конструкции и технологии изготовления ком- 155
пактной амальгамной люминесцентной лампы с внешней колбой
Особенности измерений характеристик амальгамных ламп 158
Исследование разгорания амальгамных ламп 160
Исследование характеристик амальгамных ламп при измене- 172 нии окружающей их среды, электрического режима и положения горения
Исследование характеристик амальгамных ламп в различных 175 средах с подогревом внешней колбы
Выводы по главе 177
5. Теория расчета характеристик положительного столба и характе- 179
ристик информационно измерительных приборов, систем и их эле
ментов
Основные процессы и характеристики, подлежащие учету в 179 математической модели положительного столба
Алгоритм и программа расчета микрохарактеристик плазмы 181 и удельных характеристик положительного столба
Алгоритм расчета 181
Программа LUMEN-COMPACT 187
Результаты расчетных исследований и их сравнение с ре- 189 зультатами экспериментов
Расчет характеристик компактных люминесцентных ламп 204 различного исполнения
Выводы по главе 212
6. Технология производства информационно-измерительных при- 214
боров на базе компактных и амальгамных люминесцентных ламп и
их систем
Установки для обеззараживания воздуха ультрафиолетовым 216 излучением
Установки для обеззараживания воды ультрафиолетовым из- 221 лучением
Заключение 225
Список литературы 227
Приложения 243
Акты об использовании результатов работ 284
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ЛЛ - люминесцентная лампа
ПС - положительный столб
КЛЛ - компактная люминесцентная лампа
КЛА - компактная люминесцентная амальгамная лампа
ПРА - пускорегулирующий аппарат
ЭВЧ ПРА - электронный высокочастотный ПРА
КПД - коэффициент полезного действия
ЭВМ - электронная вычислительная машина
ММ - математическая модель
РИС - разрядный источник света
ИС - источник света
ЛН - лампа накаливания
ЛОН - лампа общего назначения
РТ - разрядная трубка
ДОИ - дроссель образцовый измерительный
НД - низкое давление
ГИС- газоразрядный источник света
ОУ - осветительная установка
ЦВ - цоколем вверх
ЦН - цоколем вниз
ГП - горизонтальное положение
ВК - вакуумная колба
ВО - вакуумная оболочка
ЗВП - замкнутое воздушное пространство
ОВП - открытое воздушное пространство
ДНаТ - дуговая натриевая трубчатая
ДРЛ - дуговая ртутная люминесцентная
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
ПК - персональный компьютер
УС - усилитель сигнала
СП - световой прибор
ИИП - информационно - измерительный прибор
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Е - градиент потенциала Ф - световой поток, лучистый поток
F, f - функция распределения электронов по энергиям, частота тока I - ток, сила света, интенсивность излучения С - емкость j - плотность тока
К - коэффициент мощности, теплопроводности, экранирования к - коэффициент поглощения для центра линии излучения, постоянная Больц-мана
L - яркость, длина, энергетическая яркость, расстояние 1 - расстояние, длина
M - масса атома, молекулы
m - масса частицы, отношение напряжения на лампе к напряжению сети п - концентрация
N - полное число частиц на единицу длины разряда Р - мощность, давление
Q - поперечное сечение для неупругого процесса, площадь поверхности зонда R - радиус трубки, квантовое отношение, сопротивление, резистор D - диаметр трубки
г - текущий радиус, радиус трубки, расстояние S - площадь Т - температура (К) t - температура (С), время U - падение напряжения, потенциал V - разность потенциалов, энергия электронов в эВ, объем var - варьируемая величина W - потери энергии электронами А, - длина волны излучения, длина свободного пробега а - коэффициент поглощения
J3 - коэффициент отклонения распределения излучения от ламбертовского, коэффициент диффузии метастабильных атомов
г| - световая отдача, энергетический КПД, КПД слоя для выхода излучения jli - молекулярная масса, подвижность v - частота излучения, частота ионизации р - коэффициент отражения
х - продолжительность горения, время жизни возбужденного атома а - эффективное сечение столкновения атомов Hg и Аг Ф - функция, фазовый угол со - телесный угол, круговая частота Ье - подвижность электронов є, - энергия, средняя энергия электронов
ОСНОВНЫЕ ПОДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ а - амбиполярный ак - анодно-катодный в - возбужденный D - доплеровский з - зонд
и - ион, ионизация иг - инертный газ г- газа Аг - аргон Кг - криптон Ne - неон Hg - ртуть изл - излучение
к - кинетический, колба, обозначение порядкового номера
л - лампа
люм - люминесценция, люминофор
ос - окружающая среда
рез - резонансный
рек - рекомбинация
ел - слой
тр-трубка
ст - стекло
у - упругий
уд - удельный
хз - холодная зона
фу- фотометрическая установка
ш- фотометрический шар
э - энергетический, экранирование, эталон
эфф - эффективный
е - электронный, энергетический
і - обозначение порядкового номера
L - лоренцовский
г - расстояние от оси трубки
1 - удельный
+ -ИОН
Введение к работе
В настоящее время информационно-измерительные приборы (ИИП) и системы на базе компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) находят широкое применение в различных областях жизни и деятельности человека: в промышленном производстве, транспорте, энергетике, вычислительной технике, космическом приборостроении, в банковском деле и многих других областях.
Современные потребности в КЛЛ составляют несколько сотен миллионов штук в год. Однако существующие КЛЛ не полностью удовлетворяют современным техническим и эксплуатационным требованиям из-за недостаточно высоких светотехнических характеристик и надежности, ограниченного срока службы, а также низкого уровня экологической безопасности как самих КЛЛ, так и технологии их производства. Экологической безопасности и улучшению состояния окружающей среды в последние годы уделяется особое внимание. Это подтверждается множеством документов, в частности:
законом РФ от 10.01.2002 г. №7-ФЗ «Об охране окружающей среды»,
санитарно-эпидемиологическим заключением центра Госсанэпиднадзора
в г. Москве №73.01.16.000.М.482.01.03 от 23.01.2003 г. «Сбор, транспортировка
и утилизация ртутьсодержащих люминесцентных ламп и других ртутьсодер-
жащих отходов».
Современное интенсивное развитие информационно-измерительных приборов и систем постоянно требует уменьшения геометрических размеров КЛЛ, расширения спектральной области излучения и увеличения его интенсивности, расширения диапазона питающего напряжения постоянного или переменного тока, расширения температурного рабочего диапазона, увеличения срока службы и уменьшения стоимости КЛЛ.
Острая необходимость разработки новых КЛЛ для информационно-измерительных приборов и систем, а также технологических процессов их изготовления, удовлетворяющих вышеуказанным повышенным техническим и экологическим требованиям, определяет актуальность настоящей диссертационной работы.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Цель диссертационной работы заключается в решении комплекса теоретических и практических задач, составляющих проблему по разработке компактных люминесцентных ламп информационно-измерительных приборов и систем с улучшенными светотехническими, энергосберегающими, экологическими характеристиками, создание и внедрение технологии их производства.
Для достижения поставленной цели были решены следующие научно-технические задачи:
определены и разработаны методы и средства измерений с необходимой точностью внутренних и внешних параметров (характеристик) КЛЛ информационно-измерительных приборов и систем;
разработаны технологические приемы и способы изменения внутренних параметров КЛЛ;
разработаны лампы с использованием амальгамы вместо металлической ртути и технология введения амальгамы в разрядные трубки КЛЛ (КЛЛ с амальгамой будем далее обозначать КЛА);
предложено защитное органическое покрытие из полимера типа Ф-32Л, разработан технологический процесс его получения и нанесения на наружную поверхность колбы КЛЛ;
разработан более совершенный технологический процесс производства КЛЛ с учетом использования амальгамы и нанесения защитного покрытия;
разработаны методы анализа и оптимального подбора внутренних рабочих характеристик КЛЛ, позволяющие реализовать заданные внешние параметры;
создана программа многовариантных численных расчетов с целью получения заданных выходных характеристик путем варьирования внутренних характеристик ламп на основе физических параметров процессов, имеющих место в разряде КЛЛ, работающих в реальных условиях.
Объект исследования: лампы типа КЛЛ, КЛА с многокомпонентным люминофорным слоем, с нанесенным защитным покрытием и без него, различного конструктивного исполнения, отличающиеся размерами положительного столба по длине и радиусу трубки, наполнением. Методы исследования. Для решения поставленных задач в качестве методов и средств исследований использованы:
методы автоматизированных исследований характеристик КЛЛ с помощью ЭВМ;
математическое моделирование с использованием программы обработки электронных таблиц Quattro Pro for Windows;
статистические методы обработки экспериментальных данных;
аналитические методы и теория точности.
Достоверность результатов обеспечивается использованием различных диагностических методов при проведении экспериментов и учете погрешностей, согласием результатов, полученных разными методами, согласием с имеющимися данными других авторов, обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью поставленных задач и согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Впервые предложено использовать КЛА с внешней оболочкой для расширения рабочего диапазона при широком изменении внешних климатических условий, что позволило эксплуатировать лампы не только в воздушной среде с пониженным давлением, но также в воде и вакууме.
Впервые предложено защитное покрытие на внешнюю колбу ламп для улучшения экологических и эксплуатационных характеристик КЛЛ. Экспериментально обоснован выбор полимера типа Ф-32Л, используемого в качестве защитного покрытия для элементов информационно-измерительных приборов
и систем, разработана технология его нанесения на внешнюю поверхность колб КЛЛиКЛА.
Разработана технология производства ИИП и систем на основе КЛЛ и КЛА.
Предложены технологические методы определения оптимальных режимов эксплуатации КЛЛ и КЛА, основанные на анализе процессов стабилизации их характеристик. Экспериментально установлены комплексные характеристики КЛЛ и КЛА при работе их в различных средах (воздух, вода, вакуум, полимерное покрытие) при изменении температуры, положения горения разряда, электрического режима; установлена степень влияния защитного покрытия, нанесенного на поверхности лампы в зоне положительного столба, на ее световую отдачу.
Разработаны новые технологические способы повышения эффективности (КПД, ресурс, световые отдача и поток) и экологичности КЛЛ за счет нанесения на них защитных покрытий и применения амальгамы (защита от люминофора и растекания ртути (Hg) при бое колбы, уменьшение количества Hg и использование ее в связанном состоянии при сборке ламп). Предложены способы определения давления инертного газа по спектральным характеристикам разряда и коэффициентов экранирования (Кэ) светового потока в многоканальных лампах.
Получены математические выражения и формулы для многовариантных расчетов основных микрохарактеристик положительного столба (ПС) с учетом процессов, имеющих место в разряде КЛЛ. Разработана программа определения выходных характеристик КЛЛ на основе их микрохарактеристик и реальных условий работы.
Практическая ценность, реализация и внедрение результатов работы заключается в том, что:
разработанная технология нанесения защитного покрытия внедрена на (ОАО «Лисма-ВНИИИС», ОАО «Лисма» г. Саранск; ЗАО НПО «ЛИТ», ОАО НИИ «Зенит», ФГУП «РНИИ КП» г. Москва);
разработана и внедрена программа LUMEN-COMPACT для многовариантных расчетов многоканальных КЛЛ с различным расположением трубок и в учебном процессе (МГУ, МГПИ, ОАО «Лисма-ВНИИИС» г. Саранск, ОАО СКТБ «Ксенон» г. Москва);
предложены и внедрены методы улучшения световых характеристик, повышения эффективности и экологичности при эксплуатации ламп за счет нанесения на их поверхность неразрушающихся защитных покрытий и применения амальгамы индия, образуемой непосредственно в лампе наличие которых позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды ртутью на производствах (ФГУП «РНИИ КП», ЗАО НПО «ЛИТ», ОАО «Лисма-ВНИИИС»);
разработан, испытан и внедрен в производстве ламп в ОАО «Лисма-ВНИИИС», ОАО «Лисма» и ЗАО НПО «ЛИТ» (при настройке и контроле системы газового наполнения на откачном полуавтомате) спектральный метод определения давления аргона в лампах;
разработана конструкция и технология изготовления ламп и методы контроля технологической цепочки их производства в ОАО «Лисма» и ЗАО НПО «ЛИТ»;
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
технология производства информационно-измерительных приборов с более высокими технико-эксплуатационными показателями на базе КЛЛ и КЛА.
способ выбора оптимальных конструкций КЛА и технологии их изготовления;
фторполимерное защитное покрытие типа Ф-32Л, технология и технологические режимы его получения и нанесения на колбы КЛЛ и КЛА;
результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик выпускаемых КЛЛ и разработанных КЛА с нанесенными на них защитными покрытиями и без них, способы определения оптимальных режимов эксплуатации КЛЛ и КЛА для различных параметров окружающей среды и положения горения лампы, основанные на анализе процессов стабилизации их характеристик;
результаты повышения эффективности и экологичности КЛЛ, за счет применения амальгам (минимизация количества ртути, дозирования ртути в связанном состоянии, исключение ртути в жидкой фазе при сборке КЛЛ);
способы определения давления инертного газа по спектральным характеристикам разряда и коэффициентов экранирования светового потока в многоканальных лампах;
математические выражения и формулы для многовариантных расчетных исследований основных характеристик положительного столба с учетом изотопных характеристик атомов Hg, состава инертного газа и физических процессов, имеющих место в разряде КЛЛ, работающих в реальных условиях.
Апробация результатов диссертации. Основные научные и практические результаты исследований по теме работы докладывались и обсуждались на:
I Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Светоизлучающие системы. Эффективность и применение» (г. Саранск, 1994 г.),
II Международной светотехнической конференции (г. Суздаль, 1995г.),
Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1995 г.),
IV и V Всероссийских с международным участием совещаниях по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (г. Саранск 1996,2000 гг.),
Международной конференции «Осветление 96» (г. Варна (Болгария), 1996 г.),
Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (г. Саранск 1997 г.),
III Международной светотехнической конференции (г. Новгород, 1997 г.),
Научно-технической конференции «32 Евсевьевские чтения». Философия. Физика. Информатика (г. Саранск 1997 г.),
II Всероссийской научно-технической конференции «Светоизлучаю-щие системы. Эффективность и применение» (г. Саранск 1997 г.),
IV Международной светотехнической конференции «Светотехника на рубеже веков: достижения и перспективы» (г. Вологда, 2000 г.),
III Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (г. Саранск 2001 г.),
V Международной светотехнической конференции «Свет и прогресс» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.),
III республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса региона» (г. Саранск 2004 г.),
VI Международной светотехнической конференции «Свет без гра
ниц!» (г. Калининград, 2006 г.),
научно-технических совещаниях предприятий ЗАО НПО «ЛИТ»,
ОАО СКТБ «Ксенон», ОАО НИИ «Зенит», МГАПИ, ФГУП «РНИИ КП» (г.
Москва), «Лисма-ВНИИИС», МГУ, МГПИ, СЭЛЗ, ОАО «Лисма» (г. Саранск), в
период с 1994 по 2007 г.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 227 наименований и приложений. Общий объем 289 страниц машинописного текста, 41 таблица и 115 рисунков по тексту, 9 приложений, в которых приведены акты об использовании результатов работы.
