Разработка способа измерения количества ртути в люминесцентных лампах диаметром 16 мм

Серия «Естественные и технические науки»

В настоящее время проблема повышения экологичности разрядных источников света (ИС) является весьма актуальной, особенно для люминесцентных ламп (ЛЛ) в трубках малого диаметра и компактных ЛЛ (КЛЛ) ввиду их прогрессирующего использования в освещении офисных и жилых помещений. Главным фактором, определяющим экологическую опасность данных ламп, является наличие в них ртути в жидкой фазе и отсутствие высокопроизводительных методов введения малых количеств ртути в ЛЛ.

Известно, что для обеспечения работоспособности ЛЛ в течение всего срока службы в нее достаточно ввести около 5 мг ртути. Однако сделать это с помощью дозировочных головок, установленных на откачных полуавтоматах с вертикальным расположением ламп при откачке, невозможно. Даже если удастся поместить такое количество ртути в штенгель лампы, она осядет на его стенке и не попадет в объем лампы. Поэтому для надежного попадания ртути в лампу головки рассчитаны на дозирование 30–60 мг ртути за одно срабатывание.

Необходимость проведения исследований по избранной теме обусловлена потребностью в решении проблемы

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

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, а также снижения зартученности помещений как при производстве ламп, так и в процессе их эксплуатации.

В 2008 г. сотрудниками кафедры источников света светотехнического факультета ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва» был разработан метод контроля количества ртути в линейных ЛЛ. В 2011 г. был получен патент на данный метод, а также устройство для контроля количества ртути [1]. Метод основан на применении двух физических явлений: переносе положительных ионов ртути в область катода при работе ЛЛ в цепи постоянного тока (явление продольного катафореза) и диффузии нейтральных атомов ртути в специально созданную холодную зону в прикатодной части положительного столба разряда из более нагретых участков лампы. Таким образом, перенос ртути осуществляется синхронно ионами и нейтральными атомами в одну сторону (прикатодную), что существенно ускоряет его время.

Процесс переноса еще больше сокращается при увеличении значения тока в 2–2,5 раза по сравнению с номинальным значением тока лампы, при этом работа лампы обеспечивается в режиме двух катодных пятен (ток идет на оба конца электродов). Дополнительное ускорение процесса переноса также осуществляется путем утепления лампы вне холодной зоны.

Перед определением времени переноса ртути происходит предварительный ее сбор в зоне охладителя. Это необходимо потому, что после транспортирования лампы ртуть оказывается неравномерно распределенной по внутренней поверхности лампы. Определение времени переноса осуществляется согласно изменению напряжения и тока на лампе, которое регистрируется с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) USB-6008 фирмы National Instruments.

На рис. 1 показано устройство определения количества ртути в люминесцентных лампах в трубках диаметром 16 мм.

1 – ЛЛ в трубке диаметром 16 мм;

2 – водоохлаждаемый контактный охладитель;

3 – утепляющая манжета;

4 – блок питания ЛЛ;

5 – делитель напряжения;

6 – АЦП National Instruments USB-6008;

7 – персональный компьютер

Р и с . 1. Схема устройства для измерения количества ртути в ЛЛ в трубках диаметром 16 мм

Устройство состоит из ЛЛ, водоохлаждаемого контактного охладителя (рис. 2), помещенного в прикатод-ную зону положительного столба ЛЛ, утепляющей манжеты, надетой на ЛЛ вне охладителя, блока питания ЛЛ для создания интенсивного режима работы лампы от цепи постоянного тока с преобразователем переменного тока в постоянный, стабилизатора напряжения переменного тока, устройства сбора данных (УСД) National Instruments USB-6008 (рис. 3) служащего как АЦП, персонального компьютера (ПК) для отображения и обработки временной диаграммы.

Рис. 2. Водоохлаждаемый контактный охладитель

Работа устройства осуществляется следующим образом. Контактный охладитель 1 (рис. 2) с помощью штуцера для подвода воды 2 ( 3 – штуцер для слива циркулирующей в охладителе воды) подключается к водопроводу, сверху на охладителе размещается ЛЛ 1 (рис. 1), которая подключается к блоку питания 4. После включения лампы устанавливается требуемый ток и начинается процесс переноса ртути в зону охладителя, который фиксируется с помощью УСД National Instruments USB-6008 и передается на ПК.

После завершения процесса блок питания 4 ЛЛ выключается, охладитель 2 перемещается к противоположному концу ЛЛ 1 , меняясь местоположением с утепляющей манжетой 3 . Далее в схеме питания ЛЛ 1 меняется полярность (переключением на панели блока питания 4 ЛЛ тумблера), включается блок питания 4 ЛЛ и процесс переноса повторяется. C помощью АЦП National Instruments USB-6008 регистрируются зависимости напряжения на лампе от времени выхода лампы в состояние полного катафореза. Полученные измерительные данные сохраняются на ПК и накапливаются в виде массива.

Количество ртути определяется по градуировочному графику [1], который будет получен после проведения описанного выше эксперимента с ЛЛ с известным количеством ртути, изготовленными амальгамным методом на базе ГУП РМ «НИИИС им. А. Н. Лодыгина».

Технология изготовления таких ламп отличается от промышленной и имеет следующие особенности:

Рис. 3. Устройство сбора данных (УСД) National Instruments USB-6008

Серия «Естественные и технические науки»

– после заварки ламп их откачка проводилась на откачном посту, снабженном краном-дозатором штабика амальгамы (рис. 4) с измеренной заранее массой, при этом в штенгель лампы перед откачкой помещалась трубочка из стекла, препятствующая прохождению штабика амальгамы в объем лампы (амальгама должна быть в штенгеле);

– штабик амальгамы дозировался в штенгель лампы, прошедшей стандартную термовакуумную обработку и охлажденную до комнатной температуры (состав амальгамы – 70 % Pb + 30 % Hg);

– лампа отпаивалась с удлиненным штенгелем и переносилась на установку для перегонки ртути из амальгамы в объем лампы;

– конец лампы с удлиненным штенге-лем помещался в печь установки перегонки ртути;

– путем нагрева печи до температуры на 20–30 °C меньшей температуры плавления амальгамы (~250 °С) в течение заданного времени ртуть из амальгамы испарялась в объем лампы;

– удлиненный штенгель с оставшейся (обедненной ртутью) амальгамой отпаивался от лампы;

– отпаянный штенгель вскрывался и амальгама взвешивалась второй раз;

– определялось количество ртути в лампе как разница масс штабиков амальгамы до откачки лампы и после вскрытия штенгеля.

Р и с . 4. Кран-дозатор штабика амальгамы

Таким образом удалось получить опытные образцы ЛЛ со следующими количествами ртути: 1,0; 1,5; 2,0; 4,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 12,0 мг.

Разработка и реализация данного способа измерения количества ртути позволит оперативно и без разрушения лампы определять количество ртути, что приведет к увеличению производства качественной, экологически безопасной и ресурсосберегающей продукции.