B22 Исследование КПД импульсных цезиевых ламп с двумя сап-фировыми оболочками

Гавриш С.В., Кугушев Д.Н., ЗАО «СКБ «ЗЕНИТ»; Градов В.М., Сидоренко Д.С., МГТУ им. Н.Э. Баумана; г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Измерениям интегральных по спектру КПД импульсных ламп с разрядом в парах щелочных металлов посвящено ограниченное число работ. В отличие от разряда в инертных газах излучение плазмы щелочного металла зависит от теплового режима горелки, которое, в свою очередь, определяется условиями электрического питания разрядной лампы.

Для измерения КПД в зависимости от электрических режимов работы лампы пригоден метод,  суть которого заключается в измерении колориметрическим приемником энергии излучения спектрального интервала,  выделенного различными оптическими  фильтрами. В этом случае для определения спектральной мощности цезиевой лампы необходимо знать эквивалентный телесный угол (индикатрису), энергию излучения лампы по нормали в различных интервалах длин волн и коэффициенты пропускания используемых фильтров.

Измерение индикатрисы в относительных единицах проводилось при помощи горизонтального поворотного стола через 10 º. В качестве приемника ИК излучения использовался фотодиод ФД119 с корригирующим фильтром на диапазон 3,5-5,5 мкм, для видимого диапазона был применен фотометр Ф005. Каждая точка индикатрисы получалась путем усреднения не менее трех измерений пиковой силы излучения или освещенности.

Эквивалентные телесные углы в видимом и ИК диапазонах рассчитывались по полученным  индикатрисам методом зональных телесных углов [1] с шагом линейного угла 10 º по формуле:


где f(θ) -текущее значение индикатрисы для угла θ в относительных единицах.

По полученным индикатрисам был рассчитан эквивалентный  угол Ω для видимого диапазона - 11,01; а для ИК - 10,51.

Пространственное распределение излучения  в различных областях спектра изменяется в соответствии с ростом  показателя поглощение плазмы. По этой причине индикатриса для ИК области проходит внутри индикатрисы для видимого диапазона [2].

Энергия некогерентного излучения лампы по нормали определялась посредством калориметрического измерителя импульсов ИМО-2Н. Этот прибор характеризуется неселективностью в широком спектральном интервале, большим диапазоном линейности, высокой воспроизводимостью и надежностью метрологических свойств. Приемник располагался перпендикулярно оптической оси лампы на расстоянии более 10 значений межэлектродного промежутка (в нашем случае расстояние между плоскостью измерительной диафрагмы и осью канала разряда лампы составляло 90 см). Измерительная головка ИМО-2Н была оборудована специально встроенной точной диафрагмой, площадь которой была равна 165 мм2. Для выделения спектральных диапазонов использовались интерференционные фильтры, диапазоны пропускания которых приведены в табл.1. Показания измерителя энергии импульсов ИМО-2Н расчетным путем приводились к 100 %-ному пропусканию спектральных фильтров.  Исследовались две мощности на лампе, которые определялись значением напряжения на разрядном конденсаторе.

Доли излучения источника Ри от электрической мощности Pл , вводимой в разряд, определялась по формуле: ηи=(Рил)· 100% . Полученные экспериментальные результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1
КПД (ηи) излучения в различных спектральных интервалах

 

Тип лам-пы

Режим испытаний

Спектральный диапазон, мкм

0,3-3,0

0,8-3,0

2,0-4,0

3,5-6,0

0,3-10,6

1

2

3

4

5

6

7

7/90

L=54мкГн; C=40мкФ; Uф = 220В; Pср =1,5 кВт; Руд =160Вт/см

35,0

12,0

2,4

2,2

39,0

7/90

L =54мкГн;C=40мкФ;  Uф = 280В; Pср =2,5 кВт; Руд =280 Вт/см

40,0

15,0

2,8

2,4

44,0

7/90

L =29мкГн;C=40мкФ;  Uф = 220В; Pср =1,5 кВт; Руд =160 Вт/см

35,0

11,0

2,0

1,5

36,0

7/90

L =29мкГн;C=40мкФ;  Uф = 220В; Pср =2,5 кВт; Руд =280 Вт/см

40,0

15,0

3,6

2,2

35,0

7/90

L =73мкГн;C=60мкФ;  Uф = 238В; Pср =2,5 кВт; Руд =280 Вт/см

40,0

13,0

2,4

2,2

42,0

11/90

L=54мкГн; C=40мкФ; Uф = 220В; Pср =1,5 кВт; Руд =160 Вт/см

38,0

10,0

2,4

2,0

40,0

11/90

L =54мкГн;C=40мкФ;  Uф = 280В; Pср =2,5 кВт; Руд =280 Вт/см

44,0

23,0

4,0

3,0

50,0

 

Для проверки достоверности полученных экспериментальных данных проведем оценку КПД излучения лампы по результатам  Государственных испытаний.

Для диапазона длин волн 3,5-5,5 мкм пиковая сила излучения составляет 60 Вт/ср при длительности импульса по уровню 0,5  t=195 мкс, частоте 450 Гц и удельной нагрузке 300 Вт/см. Считая форму импульса близкой к равнобедренному треугольнику, получаем среднюю мощность излучения лампы Аср=60·195·10-6·450·10,51=55,3 Вт и КПД - 2,04 %. Заниженные расчетные результаты связаны с неучтенным излучением в диапазоне 5,5 - 6,0 мкм. Кроме этого, из приведенных в [4] результатов спектральных исследований следует, что в диапазоне длин волн 0,3-3,5 мкм мощность излучения составляет 1000 Вт, что соответствует КПД 40 %  при Руд=280 Вт/см, что подтверждает достоверность полученных результатов.

В данной работе были проведены расчетные исследования спектрального распределения КПД в интервале длин волн. Для этих целей авторами разработана математическая модель и реализующее ее программное обеспечение. В модели учитывается многокомпонентный состав плазмы, нестационарность процессов, перенос излучения в непрерывном и дискретном спектрах в плазме и системе двойных оболочек, газодинамика, внешняя электрическая цепь [3].

 В результате ее реализации получено спектральное распределение КПД для различных удельных мощностей разряда Руд.. Так в табл. 2 приведены результаты расчета КПД в спектральном диапазоне 3,5 - 5,5 мкм для  импульсной цезиевой лампы 7/90 при фиксированном составе плазмообразующей среды Cs-Hg-Xe (5-1-1,5), работающей с частотой 500 Гц.

В табл. 2 приведены следующие обозначения: I-пиковое значение тока, E- градиент напряжения, T0, Tст - температура на оси и стенке разрядной трубки, PCs, PXe - рабочее давление ксенона и цезия, Pуд- удельная мощность разряда.

Сопоставление экспериментальных результатов, приведенных в табл.1 (см. выделенные ячейки) для лампы, работавшей в оптимизированном разрядном контуре, с расчетными данными таблицы 2 для аналогичных режимов электрического питания показывает удовлетворительную точность математической модели.
 
Таблица 2
Расчетные значения КПД (η) излучения в спектральном интервале 3,5-5,5 мкм

I

E, В/см

T0, K

Tст, K

PXe,

мм рт. ст

PCs,

мм рт. ст

Pуд, Вт/см

η3,5-5,5

%

50

27,1

4204

900

80

280

81,2

4,1

100

25,7

4861

1100

67

235

154

2,8

200

26,9

5701

1300

53

185

322

1,7

300

29,7

6448

1700

44

156

534

1,2

 

В работе был проведен расчет спектрального распределения КПД излучения ламп с различными конструктивными характеристиками и работающих в различных электрических цепях. В качестве примера  на рис. 1 приведены полученные расчетные результаты  для импульсной цезиевой лампы с размерами разрядного промежутка 7/90 при работе с Руд.=80 Вт/см и частотой следования токовых импульсов 500 Гц.


  Рисунок 1. Спектральное распределение КПД излучения импульсного цезиевого разряда

В заключение необходимо отметить, что предложенная экспериментальная методология и разработанная математическая модель позволяют оперативно определять КПД излучения в требуемом спектральном диапазоне.

Литература:

  1. Сапожников Р. А. Теоретическая фотометрия. - М: Энергия, 1977. - 264с.
  2. Импульсные источники света./ И.С. Маршак, А.С. Дойников, В.П. Жильцов и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978.- 472 с.
  3. Гавриш С.В., Градов В.М., Кузнецова А.В., Тереньтьев Ю.И. Математическое моделирование и исследование импульсных разрядных ламп инфракрасного излучения// Светотехника. - 2008. - №5.- С. 14-18.
  4. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника ИК излучения с разрядом в парах цезия: Автореф. дисертация к.т.н - М., 2005. - 16 с.

Тематика:

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
22 queries. 0.101 seconds.