ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ РЕГУЛЮВАННЯ СВІТЛОВОГО ПОТОКУ КВАРЦЕВО-ГАЛОГЕННИХ ТА НОРМАЛЬНО-ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ ЛАМП РОЗЖАРЮВАННЯ

Мета роботи: Вивчити будову і особливості роботи кварцево-гало­генних ламп розжарювання та особливості регулювання світлового потоку цих ламп в порівнянні з нормально освітлювальними.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

До теперішнього часу, не дивлячись на створення нових, більш ефективних конструкцій ламп розжарювання (ЛР), багато типів ламп виготовляється у вакуумному виконанні. Суттєвим недоліком вакуумних ЛР є порівняно низька світлова віддача, що пов'язано з неможливістю експлуатації тіла розжарювання при температурах вище 2600...2800 К. при яких випаровування вольфраму сильно зростає. В умовах вакууму вольфрам без перешкод випаровується і сідає на внутрішню стінку колби, що приводе до зниження світлового потоку.

Одним з шляхів протидії випаровуванню вольфраму є наповнення ламп азотом та інертними газами - Аr, Кr, Хе, Поява газоповних ламп - це був крупний крок в напрямку подальшого удосконалення конструкції ламп і підвищення їх ефективності.

Одначе газове наповнення в ЛР не усуває шкідливої дії термічного випаровування вольфраму, воно лише значно його зменшує. Відповідно, якщо термічне випаровування вольфраму є неминучим фізичним процесом, необхідно якимось чином очищувати стінки оболонок від осідаючих частинок вольфраму.

І рішення було знайдено: почали використовувати так званий галогенний цикл. Завдяки введенню всередину ламп спеціальних домішок до інертного газу створюються можливості та умови для виникнення і протікання таких фізико-хімічних реакцій, які приводять до повної очистки стінок оболонок від осідаючого вольфраму і переносу його назад на тіло розжарювання (ТР).

У зв'язку з інтенсивним розвитком робіт в області космічної техніки,в 50-х роках виникла необхідність дослідження поведінки космічних об'єктів при входженні в густі шари атмосфери. Можливість імітації таких теплових ударів вимагала швидкого інтенсивного нагріву металевих поверхонь і забезпечення великих опромінювань поверхонь, які нагрівалися. Для цього фірма "Дженерал Електрик" (СПІА) створює трубчасті кварцеві нагрівані. Кварцеві оболонки були використані тому, що у кварца висока температура плавлення, а трубчаста форма у вигляді довгого циліндра прівняно малих Діаметрів давала можливість створення шляхом набору великої кількості таких ламп високої поверхневої густини опромінювання - сотні кіловат на 1м² Однак швидке розпилення вольфраму на стінки кварцевих трубок сильно обмежувало строк служби нагрівачів. Саме тоді і "згадали" про регенеративні галогенні цикли.

Ще в 1882 р. Скрібнер в СПІА отримав патент на безпосереднє введення у вакуумну ЛР малої кількості хлору В 1933 р. Ван Лімп отримує патент на використання сумішей хлору, брому, йоду разом з інертними газами для забезпечення протікання регенеративного циклу. Але регенеративний цикл діяв в таких лампах дуже короткий час і припиняв свою дію внаслідок зв'язування галогенів сторонніми металами, які були в "класичній" конструкції лампи (нікелевими електродами, молібденовими тримачами). Довго йодний цикл міг проходити тільки при відсутності сторонніх металів і наявності в середині лампи тільки вольфраму. Останній крок був зроблений в кінці 1959 р., коли співробітники фірми "Дженерал Електрик" Цаблер та Мосбі отримали повноцінну трубчасту кварцеву ЛР з домішками йоду. Підтримки спіралі були зроблені також з вольфраму.

Інколи вольфрамово-галогенний цикл називають регенеративним. тому що. вольфрам, який випаровується з ТР, повертається назад на ТР. Але в дійсності він не є таким, оскільки не може відновити ТР в його первісному вигляді. Частинки вольфраму випаровуються з одних ділянок, а осідають на інші. Таким чином, в процесі роботи ЛР ТР потоншується в одних місцях і потовщується в інших. Але завдяки галогенному циклу загальна маса вольфрамового ТР залишається практично незмінною. Якщо в звичайних ЛР критична втрата маси ТР може служити якимось критерієм строку служби джерел світла, то в галогенних лампах цей "фактор" втрачає зміст. На строк служби впливає не загальна кількість вольфраму, який випаровується, або критична втрата маси ТР, а температурне- поле ТР, випаровування повернення вольфраму на окремі ділянки спіралі.

Вольфрамо-галогенні цикли можливі при використанні з якості переносника будь-якого з чотирьох галогенів - йоду, брому, хлору, фтору - і проходять, в принципі по однаковій схемі. Схематично процес виглядає слідуючим чином: при температурі вище 300^оС і нижче 1200°С пари йоду з'єднується на стінці колби з вольфрамом, який випарувався, і утворюється йодистий вольфрам WI₂. Ця сполука при температурах вище 250...300°С переходе в пароподібний стан. Дифундуючи в об'ємі і попадаючи в зону поблизу ТР і інших деталей з температурою вище 1600°С, розпадаються. Частинки вольфраму залишаються поблизу ТР та інших деталей з температурою вище 1600°С і осідають на них. Атоми йоду, які вивільнилися, знову дифундують в зони з більш низькою температурою і на стінках кварцевої колби з'єднуються з частинками вольфраму. Цей процес відбувається безперервно.

На рис.6.1 схематично показана дія зворотнього йодно-вольфрамового циклу.

Рис.6.1

1 - тіло розжарювання; 2 - стінка колби

Для підтримання йодно-вольфрамового циклу на протязі тривалого часу необхідно, щоб виконувалися слідуючі вимоги:

1) температура внутрішньої стінки колби всюди повинна бути вище 250°С, інакше йодистий вольфрам WІ2 буде конденсуватися і цикл порушиться, стінки колби швидко почорніють. Максимальна температура стінки повинна бути помітно нижче 1200°С, тому що при цій і більш високій температурі починається розкладання WI2;

2.) мінімальна температура ТР повинна бути більше 1600°С, щоб відбувалася повна дисоціація молекул WІ2. Максимальна температура ТР визначається необхідною світловою віддачею і строком служби;

3.) повинні бути створенні умови, при яких йод не міг виходити з циклу на протязі всього строку служби, інакше цикл може порушитися. Враховуючи те, що йод хімічно активний в кварцево-галогенних ЛР неприпустимо використання традиційних для нормально освітлювальних ламп матеріалів таких, як нікель, молібден, алюміній, цирконій, фосфор.

Слід відзначити, що йодно-вольфрамовий цикл в основному перешкоджає конденсації вольфраму на колбі, але не забезпечує повернення частинок вольфраму в дефектні ділянки ТР. Тому механізм перегорання ТР в кварцево-галогенних лампах такий самий, як і у звичайних ЛР. Будова лінійної кварцево-галогенної ЛР показана на рис.6.2.

Рис.6.2

Вона складається з: 1) вольфрамового спірального ТР (вольфрам марки ВА), розташованого строго по осі трубки. Температура плавлення вольфраму 3653 К. В галогенних лампах вольфрам працює при температурах 0,85...0,90 температури плавлення. Густина вольфраму дорівнює 19,3 г/см3;

2.) тримачів з вольфрамового дроту, які знаходяться на відстані близько 20 мм один від одного на прямій частині лампи і на відстані 8...10 мм в місцях згинів. Тримач являє собою кільце вольфрамового дроту діаметром 0,2...0,3 мм, яке з допомогою спеціального приспосіблення називають прямо на спіраль;

3.) вакуумно щільний впай, для утворення якого використовується молібденова фольга, у якої температурний коефіцієнт лінійного розширення близький до кварцевого скла. До країв молібденової фольги за допомогою точкової зварки приварені дротинки. Внутрішня дротинка з вольфраму служить для від'єднання ТР; зовнішня - з молібдену служить для під’єднання до джерела живлення;

4) вивід з молібденового дроту;

5) колби з кварцевого скла у вигляді вузької трубки, щоб забезпечити по всій поверхні колби температуру не нижче 250...300°С. Кварцеве скло вибране тому, що у нього висока температура розмягчення (1525 К), висока прозорість в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектра (див. рис.6.3) мала газопроникненість, малий температурний коефіцієнт лінійного розширення, мала чутливість до термоудару. Воно хімічно інертно до наповнюючих газів та галогенних з'єднань.

6) потовщення, яке залишається на середній частині колби ЛР після відпайки штенгеля. ІІІтенгель необхідний для відкачки, вакуумної обробки та наповнення лампи;

7) цоколь - для кріплення та під'єднання лампи до мережі.

Рис.6.3 Крива коефіцієнта спектрального пропускання

кварцевого скла товщиною 1 мм

Умовні позначення:

- перший елемент буква К - кварцева;

- другий елемент буква И - йодна, Г - галогенна, М - малогабаритна, МН - мініатюрна, СМ - для літаків, А - автомобільна, ММ - маячна, Т - термовипромінювач, Д - диференційне ТР, у якого ділянки спіралі чергуються з тире, КГК - з концентрованим ТР, О - з відігнутими кінцями.

Перше число після букви - номінальна електрична напруга у вольтах;

друге - номінальна електрична потужність, Вт;

третє після знаку "+" - номінальна потужність другої спіралі, цифра після дефісу - модифікація лампи.

Наприклад: КГТД220-1000-1 - кварцево-галогенний термовипрмінювач з диференційним ТР на напругу 220 В, потужністю 1000 Вт. На початку 70-х років з'явилися перші галогенні ЛР з коригованими спектрами випромінювання. Ці лампи потрібні для опромінення рослин, біологічних та інших об'єктів, які не терплять перегріву. В спектрі таких ламп повністю або частково повинна бути відсутня інфрачервона радіація. Для термічної обробки об'єктів, які бояться видимого випромінювання, необхідні спеціальні лампи, Для кольорових телевізійних передач, кіно- і фотозйомок необхідні джерела світла з кольоровою температурою 5000...6500 К. Для випробувань геліотехнічних установок сонячних елементів і батарей використовують лампи, які імітують спектр Сонця в діапазоні довжини хвиль 0,4—1,1 мкм.

Необхідної корекції спектра випромінювання ЛР з вольфрамовим ТР можна досягнути за рахунок використання оптичних покрить на колбах. Найбільш ефективними вважаються багатошарові інтерференційні покриття, в яких відсутнє або має місце поглинання. Конструкція галогенних ЛР з корегованими спектрами випромінювання визначаються схемами показаними на рис.6.4.

Рис.6.4. Схеми конструкцій галогенних ЛР з коригованими

спектрами випромінювання:

1 - ТР; 2 - колба; 3 - цоколь; 4 - оптичне покриття; 5 - контрвідбивач;

6 - оптичне покриття на контрвідбивачі; 7 - зачорнена частина колби

Лампа складається з ТР і колби, на яку нанесені оптичні покриття, які працюють як на пропускання, так і на відбивання. Колба може мати різний профіль. В лампах можуть використовуватися контрвідбивачі різного профілю, які мають різні за спектральними характеристиками оптичні покриття на робочій поверхні. В деяких конструкціях ламп використовується чорніння елементів колби.

Галогенні ЛР "холодного" світла представляють собою лампу типу КГМ (пальник), жорстко вмонтовану в еліптичний відбивач, покритий всередині багатошаровим інтерференційним покриттям, яке розділяє випромінювання ТР на видиму та інфрачервону складові. Видиме випромінювання після відбивання від покриття виходе до споживача, а інфрачервоне випромінювання проходе через багатошарове покриття і відбивач в сторону, протилежну від споживача. В порівнянні з лампами-пальниками типу КГМ у випромінюванні ламп "холодного" світла інфрачервона (ІЧ) складова знижена на 50%.

Галогенні ЛР ІЧ випромінювання. Для створення високих температур На площадках або в об'ємах використовують лампи-концентратори ІЧ-випромінювання. Схема їх конструкції може відповідати наведеній на рис.6.4в...е. З допомогою цих ламп деталі розміром від 5 до 25 мм можна буде нагрівати до 850...1000°С на протязі декількох секунд.

Галогенні ЛР з кольоровою температурою більше 5000 К. Вони знаходять примінення в кольоровій кінозйомці, на телестудіях та поліграфії. Виготовлення галогенних ЛР з такою Ткол в традиційній конструкції - задача нереальна. Тільки за рахунок примінення відбиваючих покрить (рис.6.4) можна створити в просторі кольорність, яка відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла, нагрітого до температури 5000...6500 К. При цьому ТР галогенної ЛР нагріто до Ткол= 2800...3400 К, а тривалість горіння може досягати в залежності від потужності від 200 до 2000 год.

Галогенні ЛР - імітатори Сонця. В області довжин хвиль 0,38...1,2 мкм вони відповідають атмосферному спектру, мають максимальне наближення до сонячної сталої (1360 Вт/м2). Рівномірність опромінення площадки не гірше ± 5%. Конструкція відповідає тим схемам, що зображені на рис.6.4. Кольорність випромінювання ТР при Т_кол від 2800 до 3200 К переходе в кольорність випромінювання Сонця при температурі 5785 К за рахунок примінення спеціального багатошарового інтерференційного покриття на колбі або відбивачі, в який вмонтовується пальник,

Галогенні ЛР кольорового випромінювання базуються на приміненні кольорових оптичних покрить замість скла, забарвленого в масі, а також інших адсорбційних фільтрів. Заміна фільтрів на багатошарові інтерференційні покриття дає очевидну вигоду, тому що вони мають приблизно на 20% більш високе спектральне пропускання. Це можуть бути лампи червоного, синього, зеленого, жовтого та теплорожевого кольорів.

Зараз найбільш активно проводиться реклама про доцільність впровадження для місцевого (зонного) освітлення низьковольтних кварцево-галогенних ЛР типу КГМН замість звичайних ЛР на напругу 220 В. Розглянемо обгрунтованість таких тверджень. Для цього розглянемо табл.6.1, в якій на перехресті відповідних напруг і потужностей приведе:ні значення світлових віддач для звичайних і кварцево-галогенних ЛР. Так як для включення в мережу 220 В ламп типу КГМН потрібен понижуючий трансформатор, то в табл 6.1 приведені значення світлових віддач з урахуванням ККД трансформатора, який прийнятий рівним 0.85.

Таблиця 6.1

ЛР загального призначення (лм/Вт)
	-	-		-	8,8	-		-		12,8	13,5
Вітчизняні ЛР типу КГМН (лм/Вт)
	-	11,9	-	11,9	-	15,3	-	14,5	-	15,3	17,0
ЛР типу КГМН фірми “OSRAM” (лм/Вт)
	10,2	11,9	-	14,9	-	-	-	16,2	-	-	21,3

Аналіз даних табл.6.1 показує, що найбільша різниця у світлових віддачах звичайних і кварцево-галогенних ЛР складає 5,3 лм/Вт для вітчизняних ЛР і 7,8 лм/Вт для фірми "OSRAM". Спираючись на вищесказане, сформулюємо основні переваги та недоліки ЛР типу КГМН в порівнянні із звичайними ЛР. Переваги: а) більша світлова віддача на 19...70%; б) краща кольоропередача; в) більший строк служби (в 2 рази); г) компактність, діаметр менше в (61 мм/12 мм) 5 разів, довжина в (110мм/44мм) ≈ 2,5 рази.

Недоліки: а) висока вартість, яка в 5 і більше разів перевищує вартість звичайних ЛР; б) необхідність застосування понижуючого трансформатора для живлення від мережі напругою 220 В, що помітно підвищує вартість освітлювальних приладів і світлову віддачу; в) висока чутливість до кидків струму при вмиканні і відхилень напруги мережі. Коливання напруги не повинні перевищувати 3...5%; г) чутливість до забруднення зовнішньої поверхні колби. Кварцево-галогенні ЛР не можна брати безпосередньо руками за колбу, інакше в місцях забруднення (залишки жиру з рук) буде відбуватися рекристалізація кварцу що приведе до виходу лампи з ладу. Забруднені місця завжди необхідно протирати спиртом.

Прості підрахунки показують, що при існуючих співвідношеннях цін більші світлова віддача і строк служби не можуть компенсувати витрат, пов'язаних з необхідністю використання понижуючих трансформаторів і значно дорожчих, в порівнянні із звичайними ЛР (≈ в 5 разів), кварцево-галогенних ЛР. Тобто, при впровадженні в побут для місцевого освітлення ламп типу КГМН ми не будемо мати економічного ефекту.

ОПИС ДОСЛІДНОЇ ПАНЕЛІ ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Всі необхідні для виконання лабораторної роботи прилади (амперметр, вольтметр, ватметр, люксметр, трансформатор і ЛАТР) разом з вимірювальним ящиком і набором ЛР різного призначення знаходяться на столі лабораторного стенда. На верхній зйомній кришці вимірювального ящика закріплено 5 патронів для підєднання дослідних ЛР.

ЗАВДАННЯ

А. Виконується при підготовці до роботи

1. Кожній бригаді, спираючись на дані табл.6.2, розрахувати строк служби ЛР, якщо вона буде працювати якийсь час (n₁) при завищеній, якийсь час (n₂) при номінальній і якийсь час (n₃) при заниженій на заданий процент напрузі. При розрахунках спиратися на дані табл.6.2, рис.6.8 і формулу:

де n_i - число, яке показує, яку частину часу ЛР горить при завищеній на якийсь % номінальній і заниженій на якийсь визначений процент напрузі;

τ_ном - номінальний строк служби ЛР при номінальній напрузі без будь-яких коливань;

τ_і % - процент строку служби ЛР від номінального значення (при номінальній напрузі τ % — 100%) для кожного з режимів роботи: коли напруга завищена, номінальна і занижена (рис.6.8).

Приклад: нехай ЛР працює весь час в такому режимі 4 год. (n₁=4) при завищеній на 10% напрузі, 2 год (n₂=2) при номінальній напрузі і 6 год (n₃=6) при заниженій на 10% напрузі. Розрахувати, скільки часу пропрацює в цьому випадку ЛР.

Таблиця 6.2

2. Для заданого кожній бригаді типу ЛР (табл.6.3) розрахувати температуру ТР та світлову віддачу ЛР при номінальній напрузі. Світлову віддачу ЛР визначити, спираючись на фізичні параметри ідеальної вольфрамової нитки (табл.6.4).

Таблиця 6.3

Продовження таблиці 6.3

Таблиця 6.4

* - температури, при яких працюють більшість ТР ЛР;

** - температура плавлення вольфраму, К.

Температуру ТР визначити з формули

де R_r, R_хол - опір ТР в гарячому, при номінальній напрузі мережі жив­лення, і холодному, при кімнатній температурі, стані, відповідно, Ом;

α₁ - температурний коефіцієнт опору вольфраму;

α_w= 0,0052 1/град.

Б. Виконується в лабораторії

1. Зібрати схему рис.6.5 і зняти вольтамперні характеристики лампи типу КГМ12-50 та М024-25. Результати вимірів занести в таблиці 6.5, 6.6.

Рис.6.5

Таблиця 6.5

КГМ12-50, R_хол= 0,58 Ом

Таблиця 6.6

МО24-25, R_хол= 1,99 Ом

За даними табл.6.5 та 6.6 побудувати на одному графіку залежності Т=f(U_л). Для лампи типу КГМ12-50 визначити з графіку Т=f(U_л) значення напруги, при якій температура ТР дорівнює 1600°К і зафіксувати його. Зробити висновок, для якої з досліджених ЛР коливання напруги небезпечніше.

2. Почергово, спочатку лампу КГМ12-50, а потім М024-25, схеми рис.6.5 розмістити у вимірювальний ящик, на дні якого знаходиться люксметр і зафіксувати номінальну (при номінальній напрузі на лампі) і мінімальну освітленості. Для лампи типу М024-25 - освітленість, яка відповідає температурі ТР в 1600 К. Для мінімальних значень освітленості зафіксувати значення напруги (U_л.min).

КГМ12-50 М024-25

U_л.min = В U_л.min = В

Е _min = лк Е _min = лк

Е_ном = лк Е_ном = лк

Зробити висновки щодо кратності регулювання освітленості.

3.Зібрати схему рис.6.6.

Рис.6.6

Розмістити лампу КГМ12-15 у вимірювальний ящик і при номінальній потужності виміряти освітленість і записати Е_кгм = лк.

Зібрати схему рис.6.7.

Рис.6.7

Розмістити 2 паралельно з'єднані ЛР М024-25 у вимірювальний ящик і при споживаній потужності 50 Вт виміряти освітленість Е_2МО= лк.

Зробити висновок, що вигідніше одна лампа КГМ12-50 чи 2 ЛР М024-25.

4. У вимірювальному ящику виміряти освітленість від однієї ЛР Р=100 Вт і 4-х ЛР потужністю 25 Вт Е₁₀₀= лк, Е_4Х25= лк. Якщо освітленість від однієї ЛР 100 Вт вийде більшою за освітленість 4-х ЛР по 25 Вт тоді від однієї ЛР 100 Вт добитися, за рахунок зменшення напруги, такої ж освітленості, як від 4-х ЛР потужністю 25 Вт і зафіксувати потужність, яку при цьому споживає ЛР і напругу на ній. Розрахувати її світлову віддачу і строк служби.

Зробити висновок, що вигідніше одна ЛР потужністю 100 Вт чи 4 ЛР по 25 Вт, з урахуванням строку служби.

5. Зібрати схему рис.6.7 і виміряти освітленість при номінальній напрузі від 2-х однакових ЛР. Зафіксувати Е2лр= лк. Потім підключити до цих 2-х ЛР паралельно точно такі ж 2 ЛР і зменшуючи ЛАТРом напругу, добитися того, щоб освітленість від 4-х ЛР була такою ж, як і від двох в попередньому досліді. Записати значення напруги і споживаної потужності. Зробити висновок, що вигідніше для освітлення, 2 ЛР, які горять на повну потужність, чи 4 ЛР, які горять не на повну потужність, але забезпечують таку ж саму освітленість. При цьому врахувати збільшення строку служби ЛР, які працюють при пониженій напрузі з графіка рис.6.8.

Рис.6.8

1 – тривалість горіння; 2 – світловий потік; 3 – світлова

віддача; 4 – споживана потужність; 5 – струм.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Який недолік у вакуумних ЛР? Чому?

2. Як можна протидіяти випаровуванню вольфрамового ТР?

3. Дайте характеристику галогенного циклу.

4. Що послужило поштовхом для створення кварцево-галогенних ЛР?

5. Чому у галогенних ЛР колба виготовляється з кварцевого скла?

6. Чому у звичайних ЛР не може довго існувати галогенний цикл?

7. Чим обумовлена трубчаста форма колб галогенних ЛР?

8. Яка історія створення галогенних ЛР?

9. Чи можна вольфрамово-галогенний цикл назвати чисто регенератив­ним?

10. Чи може критична втрата маси ТР в галогенних ЛР служити критерієм строку служби? Чому?

11. Назвіть галогени, які можна використати в якості переносчика вольфраму.

12. Опишіть схематично вольфрамово-галогенний цикл.

13. Яких вимог необхідно дотримуватися для того, щоб йодно-вольфрамовий цикл мав місце на протязі тривалого часу?

14. Які матеріали не можна використовувати при виготовленні кварцево-галогенних ламп? Чому?

15. Розкажіть будову кварцево-галогенних ЛР.

16. Намалюйте криву коефіцієнта спектрального пропускання кварцевого скла.

17. Яка структура умовного позначення кварцево-галогенних ЛР?

18. Яка будова кварцево-галогенних ЛР з корегованим спектром?

19. Дайте характеристику галогенним ЛР:

- холодного світла;

- ІЧ-випромінювання;

- з кольоровою температурою більше 5000 К;

- імітаторів Сонця;

- кольорового випромінювання.

20. Сформулюйте недоліки і переваги кварцево-галогенних ЛР.

21. Яка економічна ефективність від впровадження галогенних низьковольтних ЛР для місцевого освітлення?

22. На скільки світлова віддача КГМН ЛР більша від світлової віддачі звичайних ЛР?

23. Як визначити гарячий опір (R_г) ТР будь-якої ЛР?

24. В діапазоні яких температур працюють ТР сучасних ЛР?

25. Як визначити температуру ТР при відомих його гарячому (R_г) і холодному (R_хол) опорах?

26. Яка температура плавлення вольфраму?

27. Як визначається срок служби ЛР при коливаннях напруги мережі від номінального значення?

Поиск по сайту: