СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА РТУТИ В ТРУБЧАТОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR NONDESTRUCTIVE CHECK OF MERCURY CONTENT IN TUBULAR LUMINESCENT LAMP AND RELATED DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при испытаниях и контроле качества люминесцентных ламп.
Известен способ определения количества ртути в люминесцентных лампах (ЛЛ) по изменению напряжения горения тлеющего разряда, заключающийся в том, что при контроле массы ртути исследуют зависимость напряжения горения лампы, работающей от сети переменного тока, от температуры колбы. Горение происходит в режиме тлеющего разряда (ток до 100 мА, напряжение более 140 В) при температурах 20÷350°С, которые достигаются помещением лампы в специальную печь, и при поддержании постоянного уровня тока разряда. Электроды лампы разогревают до температуры, превышающей температуру колбы. Контроль массы ртути осуществляют по излому кривой температурной зависимости. При нагревании лампы, горящей при постоянном значении тока разряда, наблюдается рост напряжения на лампе, который приводит к тому, что при температурах, превышающих температуры полного испарения введенной в лампу ртути, напряжение горения будет тем больше, чем больше масса введенной в лампу ртути. Таким образом, по соотношению напряжений горения ламп при температурах, меньших и превышающих температуру полного испарения введенной ртути, можно контролировать ее массу в лампе (SU 1661865, МПК Н01J 9/395, 9/42, опубл. 07.07.1991).
Известна установка для осуществления способа неразрушающего контроля массы ртути в люминесцентных лампах, состоящая из печи-термостата с регулируемой температурой, которую измеряют с помощью термодатчика.
Недостатком известного способа является следующее: для его реализации необходимо применение специальной печи, а нагрев лампы до достаточно высокой температуры приводит не только к испарению всей ртути, но и к вероятности зартучивания помещения в случае разрушения лампы. Кроме того, при нагреве снижается электрическая прочность цоколей, что исключает возможность дальнейшего использования лампы.
Технический результат заключается в сокращении времени определения количества ртути в ЛЛ без ее разрушения и высокотемпературного термического воздействия на нее, что позволяет сократить энергетические затраты. Кроме того, способ легко осуществим, а также позволяет контролировать экологический показатель производства люминесцентных ламп.
Технический результат заключается в том, что в способе неразрушающего контроля количества ртути в трубчатой люминесцентной лампе, заключающемся в изменении ее электрических характеристик, при работе лампы от источника постоянного тока в интенсивном режиме вначале собирают ртуть в зоне положительного столба разряда вблизи отрицательно заряженного электрода путем охлаждения указанной зоны с одновременным утеплением всей остальной зоны положительного столба разряда, затем переключают полярность источника постоянного тока, а зоны охлаждения и утепления меняют местами, повторно собирают ртуть в холодной зоне, при этом измеряют время с начала повторного переноса ртути до момента резкого уменьшения напряжения на лампе при поддержании постоянного значения тока и по градуировочной зависимости определяют количества ртути. Градуировочные зависимости определяют с использованием контрольных ламп с известным количеством ртути.
В устройстве неразрушающего контроля количества ртути в трубчатой люминесцентной лампе, подключенной к источнику постоянного тока, трубчатая люминесцентная лампа зоной охлаждения для конденсации ртути вставлена в контактный охладитель, остальная ее поверхность, находящаяся вне зоны конденсации ртути, покрыта теплоизолирующей многослойной манжетой, при этом источник постоянного тока подключен к средствам контроля изменения напряжения во времени на трубчатой люминесцентной лампе. Контактный охладитель содержит корпус с жестко закрепленными на его противоположных сторонах штуцерами для подвода и слива воды и цилиндрический канал, расположенный по оси внутренней полости корпуса. Теплоизолирующая многослойная манжета выполнена из картона.
пер
пер
Предлагаемый способ основан на применении двух физических явлений: переносе положительных ионов ртути в область катода при работе ЛЛ в цепи постоянного тока (явление продольного катафореза); диффузии нейтральных атомов ртути в специально созданную холодную зону в прикатодной части положительного столба разряда из более нагретых участков лампы. Таким образом, перенос ртути идет синхронно ионами и нейтральными атомами в одну сторону (прикатодную), что существенно ускоряет время переноса. При завершении времени переноса ртути (τ) изменяются не только свечение по длине лампы и характеристики прианодной части разряда (отсутствие излучения ртутных линий, усиление излучения инертного газа и др.), но и изменяется (падает на 10÷15%) напряжение на лампе (при поддержании постоянным значения тока). Это обусловлено разницей градиента потенциалов в разряде смеси Hg+Аr (прикатодная половина лампы) и разряде в Аr (прианодная половина лампы). Процесс переноса еще больше сокращается при увеличении значения тока в 2÷2,5 раза по сравнению с номинальным значением тока лампы, при этом обеспечивается работа лампы в режиме двух катодных пятен (ток идет на оба конца электродов). Дополнительное ускорение процесса переноса осуществляется надеванием на лампу вне холодной зоны теплоизолирующей многослойной манжеты из картона. Перед определением τ осуществляется предварительный сбор ртути в зоне охладителя. Это необходимо потому, что после транспортирования лампы от изготовителя до установки, реализующей предлагаемый способ, ртуть оказывается распределенной неравномерно по всей внутренней поверхности лампы.
На фиг.1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ, на фиг.2 - контактный охладитель, на фиг.3 - график зависимости времени переноса ртути от ее количества.
Устройство содержит (фиг.1) трубчатую люминесцентную лампу (ЛЛ) 1 с электродами 2, 3, контактный охладитель 4, помещенную в прикатодную зону положительного столба ЛЛ 1, теплоизолирующую многослойную манжету 5 из картона, надетую на ЛЛ 1 вне охладителя 4, источник постоянного тока 6 ЛЛ 1 для создания интенсивного режима работы лампы от цепи постоянного тока с преобразователем переменного тока в постоянный. Источник постоянного тока 6 подключен к средствам контроля изменения напряжения на ЛЛ, содержащим стабилизатор напряжения переменного тока 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 и персональный компьютер (ПК) 9 или самопишущий вольтметр. Контактный охладитель 4 (фиг.2) содержит корпус 10 с жестко закрепленными на его противоположных сторонах штуцерами для подвода 11 и слива 12 воды, соединенными с цилиндрическим каналом 13, расположенным по оси внутренней полости корпуса 10.
пер
Способ осуществляется следующим образом. Контактный охладитель 4 с помощью штуцера для подвода воды 11 подключается к водопроводу, ЛЛ 1 помещается в цилиндрический канал 13 контактного охладителя 4, подключается к источнику постоянного тока 6 и зажигается. Устанавливается требуемый ток и начинается процесс переноса ртути в зону контактного охладителя 4. Изменения электрических характеристик контролируются АЦП 8, подключенным через последовательный порт системного блока разъемным соединителем к ПК 9. В АЦП 8 полученный электрический сигнал усиливается и преобразуется в цифровой. С АЦП 8 цифровой сигнал, попадая в последовательный порт ПК 9, обрабатывается программой и выводится на экран монитора ПК в графическом виде. После завершения процесса переноса ртути блок питания 6 ЛЛ выключается, контактный охладитель 4 перемещается к противоположному концу ЛЛ 1, меняясь местоположением с теплоизолирующей многослойной манжетой 5. Далее в схеме питания ЛЛ 1 меняется полярность (переключением на панели источника постоянного тока 6 ЛЛ специального тумблера), включается источник постоянного тока 6 ЛЛ и процесс переноса повторяется. Время повторного переноса (τ) используется для определения массы ртути по градуировочным зависимостям, построенным для каждого типоразмера ламп.
Для построения градуировочных зависимостей были изготовлены контрольные образцы люминесцентных ламп мощностью 20 и 40 Вт. Технология изготовления ламп отличалась от промышленной следующими особенностями:
1) после заварки ламп их откачка проводилась на откачном посту, снабженном дозатором штабика амальгамы в объем лампы (амальгама должна быть в штенгеле);
2) прежде взвешенный штабик амальгамы дозировался в штенгель лампы, прошедшей стандартную термовакуумную обработку и охлажденную до комнатной температуры (состав амальгамы 70% Pb+30% Hg);
3) лампа отпаивалась с удлиненным штенгелем и переносилась на установку для перегонки ртути из амальгамы в объем лампы;
4) конец лампы с удлиненным штенгелем помещался в печь установки перегонки ртути;
5) путем нагрева печи до температуры, на 20-30°С меньшей температуры плавления амальгамы (около 250°С), в течение заданного времени (для разных ламп это время варьировалось от 0,5 до 3 часов) ртуть из амальгамы испарялась в объем лампы;
6) удлиненный штенгель с оставшейся (обедненной ртутью) амальгамой отпаивался от лампы;
7) отпаянный штенгель вскрывался и амальгама взвешивалась второй раз;
8) определялось количество ртути в лампе как разница масс штабиков амальгамы до откачки лампы и после вскрытия штенгеля.
л
л
л
пер
Hg
Hg
пер
Сначала с использованием контрольных ламп строятся графики зависимости напряжения на лампе от времени протекания процесса переноса ртути (U=φ(t)). Затем по падению U в конце процесса переноса по графикам (U=φ(t)) определяют значение времени переноса ртути (τ). По результатам измерений всех контрольных ламп (с разными значениями массы ртути (m)) строятся графики m=φ(τ) (фиг.3) для обоих типов ламп. Подобные градуировочные зависимости должны быть построены для всех типоразмеров ламп, в которых предлагается контролировать количество ртути.
По сравнению с известным решением предлагаемый способ имеет следующие преимущества: способ не предусматривает вскрытие лампы и применение печей для нагревания до высоких температур, а также трудоемких химических анализов и расчетов. Способ легко осуществим при наличии в помещении водопровода и сети 220 В. Способ отличается оперативностью и простотой выполнения, позволяет контролировать экологический показатель производства люминесцентных ламп, т.е. количество ртути в них, что особенно важно при декларировании малых количеств ртути в люминесцентной лампе.