автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Моделирование и управление оптическим излучением тепловых источников света при термоциклических режимах работы

На правах рукописи

Анашкин Петр Михайлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ПРИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Специальность 05 09 07 - Светотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ172396

Саранск-2008

003172396

Работа выполнена на кафедре источников света ГОУВПО "Мордовский государственный университет им Н П Огарева"

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор_

| Харитонов Анатолий Васиньевич 1

доктор технических наук, профессор

Панфилов Степан Александрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Кокинов Андрей Михайлович

кандидат технических наук, доцент

[Сарьгин Игорь Петрович

Ведущая организация - ГУГ1 "ЛИСМА"

Защита состоится «02» июля 2008 г в 14 00 часов на заседании диссертационного Совета Д212 117 13 при Мордовском государственном университете им Н П Огарева по адресу 430005, Саранск, ул Большевистская, д 68, ауд

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета им Н П Огарева

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу 430005, г Саранск, ул Большевистская, д 68, Мордовский государственный университет им Н П Огарева, диссертационный совет Д212 117 13

Автореферат разослан «31» мая 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

243

Д212.117.13 к т.н. доцент

И.Н. Кошнн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Источники оптического излучения получили широкое распространение практически во всех областях человеческой деятельности В свою очередь среди источников оптического излучения выделяют отдельный класс, получивший название тепловые источники света Основу тепловых источников света составляют прежде всего лампы накаливания, которые являются самыми массовыми и наиболее распространенными среди всех источников света Несмотря на все большее применение газоразрядных и полупроводниковых источников света, обладающих высокой экономичностью и долговечностью, лампы накаливания общего и специального назначения еще многие годы будут преобладать в разных областях светотехники, а для целого ряда специальных назначений, пожалуй, никогда не будут вытеснены газоразрядными и полупроводниковыми источниками света из-за особенностей их технико-эксплуатационных характеристик Учитывая вышесказанное, особую актуальность приобретают исследования по изысканию принципиально новых подходов к совершенствованию тепловых источников света, в первую очередь связанных с повышением их эффективности Одним из направлений увеличения эффективности тепловых источников света предлагается эксплуатация данного типа источников света при высокочастотных термоциклических режимах Дальнейшее совершенствование и развитие тепловых источников света требует углубленного понимания механизмов оптических и физико-химических процессов, происходящих в объеме теплового источника света, разработки методов расчета, прогнозирования и диагностики при термоциклических режимах эксплуатации

Степень разработки проблемы. Исследования проблемы велись Литвиновым В С, Рохлиным Г Н , Вугманом С М , Мордюк В.С, Лимановым В И , Киселевой Н П , Харитоновым А В , Алексеевым Е Г , Жогиной О Д , Касимо-вым Л Н , Шаньгиным Е.С, Аникиным В Ф , Богуславским Р Е, однако степень изученности недостаточна

Цель работы: проведение комплекса расчетных и экспериментальных исследований специальных источников света при термоциклических режимах работы с целью использования результатов этих исследований для повышения эффективности эксплуатации данного типа источников света Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс следующих задач

- построить математическую модель, описывающую функциональные зависимости электрических и световых характеристик теплового источника света от различных параметров термоциклических режимов эксплуатации, построить и исследовать математическую модель, описывающую структуру теплового поля теплового источника света

- разработать методику расчета структуры теплового поля теплового источника света при различных термоциклических режимах эксплуатации,

- разработать программное обеспечение для расчета электрических, световых характеристик и структуры теплового поля^ теплового источника света при различных режимах эксплуатации;

- разработать и создать ряд экспериментальных установок для исследования электрических и светотехнических характеристик специальных тепловых источников света при вариации термоциклических режимов их работы;

- разработать методики измерения динамических и статических температурных характеристик специальных тепловых источников света, а также спектральных энергетических характеристик вольфрамового излучателя, используя разработанные экспериментальные установки,

- определить степень влияния режимов термоциклирования на переходные и стационарные процессы специальных тепловых источников света, а именно на время выхода в квазистационарный режим, результирующую эффективную температуру вольфрамового излучателя в квазистационарном режиме.

- определить термоциклические режимы эксплуатации, позволяющие более эффективно преобразовать электрическую энергию в оптическое излучение в тепловых источниках света

Объект исследования: специальные тепловые источники света; особенности математических моделей и экспериментального исследования характеристик специальных тепловых источников света при термоциклических режимах эксплуатации

Методы исследования:

- экспериментальные методы исследования специальных тепловых источников света в условиях эксплуатации при вариации термоциклических режимов,

- методы расчета электрических и светотехнических характеристик вольфрамового излучателя тепловых источников света при термоциклических режимах,

- методы расчета структуры теплового поля тепловых источников света при термоциклических режимах эксплуатации,

- сопоставление полученных расчетных данных с результатами экспериментальных исследований,

- методы статистической обработки экспериментальных данных

Научная новизна:

- построена математическая модель расчета электрических и светотехнических характеристик тепловых источников света для термоциклических режимов эксплуатации,

- построена математическая модель расчета структуры теплового поля теплового источника света для различных термоциклических режимов эксплуатации,

- представлены результаты комплексных расчетно-экспериментальных исследований характеристик тепловых источников света при широком варьировании термоциклических режимов работы,

-разработана методика определения динамических и статистических характеристик, спектральных энергетических характеристик вольфрамового излучателя, оценки оптического излучения тепловых источников света при термоциклических режимах,

-предложен способ управления световым потоком тепловых источников

света

Практическая ценность и реализация результатов работы

- создано программное обеспечение, реализующее автоматизированный расчет характеристик тела накала теплового источника света без применения таблиц и приближенных графических методов нахождения решений Пакет программ позволяет производить расчет характеристик тела накала теплового источника света как при работе теплового источника света в термоциклическом режиме, так и при режимах частых включений и работе на постоянном напряжении,

- разработано программное обеспечение для расчета структуры теплового поля теплового источника света с учетом функции распределения температуры по радиусу колбы и параметров структуры теплового поля, позволяющее произвести расчет распределения температуры по объему теплового источника света при термоциклическом режиме работы, средней температуры, рабочего давления наполняющего газа источника света, количества тепла, отводимого газом от вольфрамового излучателя, в зависимости от режимов термоциклиро-вания, которые определяют тепловые потери в источнике света,

- разработан и апробирован ряд экспериментальных установок, позволяющих производить исследования динамических и статических характеристик специальных и общего назначения тепловых источников света, а также иссае-довать спектральное распределение энергии вольфрамового излучателя при различных режимах электрического питания,

- получены экспериментальные данные, иллюстрирующие поведение основных характеристик специальных и общего назначения тепловых источников света при широком варьировании условий и режима питания,

- определены режимы термоциклирования специальных тепловых источников света, позволяющие повысить эффективность их эксплуатации

Научные результаты, выносимые на защиту:

- метод расчета структуры теплового поля теплового источника света при различных термоциклических режимах эксплуатации,

- способ регулирования тепловых режимов и оптического излучения теплового источника света,

- условия повышения эффективности эксплуатации специальных тепловых источников света,

- технические требования к устройству, обеспечивающему увеличение световой отдачи и срока службы специальных тепловых источников света, а также возможности регулирования теплового режима и оптического излучения теплового источника света

Апробация работы и публикации. Материалы, вошедшие в диссертационную работу докладывались и обсуждались на II - V Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (г Саранск, 2004 - 2007 гг), V Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (г С?р?иск, 2007 г), Международной научной конференции Российской Академии Естествознания (г Сусс, Тунис, 2007 г), X - XII Конференциях молодых ученых

Мордовского государственного университета имени Н П Огарева (г. Саранск, 2004 - 2007 гг), Огаревских чтениях, проводившихся на базе Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 2004 - 2007 гг)

Личный вклад Основные теоретические и экспериментальные положения диссертации разработаны совместно с профессором А В Харитоновым, профессором С А Панфиловым Численное моделирование, конкретные расчеты, эксперименты и анализ результатов проведены автором самостоятельно

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в отечественных сборниках, журналах, тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях, совещаниях, семинарах

Структура и объем! диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложения и актов об использования работы Общий объем диссертации 158 страницы, включая 76 рисунков и 9 таблиц Список литературы содержит 127 наименование (включая 17 работ автора по теме диссертации, опубликованных к моменту оформления работы)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту

1. Тепловые источники оптического излучения, перспективы развития. Методы расчета нестационарных процессов. На сегодняшний день наиболее распространенными источниками света являются лампы накаливания, ежегодное их потребление в России составляет более 1,5 млрд штук, в стоимостном выражении - более 42 млрд рублей Их главными достоинствами выступают относительно низкая стоимость, простота в изготовлении, компактность, удобство и надежность в эксплуатации Однако лампы накаливания и обладают существенными недостатками, такими, как низкая световая отдача, неэкономичность эксплуатации, небольшой срок службы

Основными направлениями в совершенствовании характеристик современных тепловых источников света являются повышение световой отдачи, снижение спада светового потока в процессе эксплуатации, повышение цветности излучения и стабильности цветовой температуры в течение срока службы, в частности, для ламп с интерференционным покрытием, миниатюризация, электронизация схем включения

Анализ режимов эксплуатации тепловых источников света выявил основные используемые режимы - режим постоянного напряжения (постоянный ток и переменный ток частоты 50 Гц), режим частых включений Между тем, представляет интерес такое направление повышения эффективности тепловых источников света как эксплуатация тепловых источников света при термоциклических режимах Данный режим является промежуточным режимом эксплуатации между режимом постоянного напряжения и режимом частых включений Термоциклический режим несколько отличен от традиционных режимов экс-

плуатации, поэтому работа теплового источника света в таком режиме будет иметь свои особенности

Проведенный обзор работ и публикаций по изучению переходных процессов показал

а) большее число исследований переходных процессов в тепловых источниках света велось в режимах постоянного напряжения и частых включений,

б) практически отсутствуют работы по исследованию и расчету основных характеристик тепловых источников света при термоциклических режимах эксплуатации,

в) практически не представлены математические модели по данному направлению

Построение и исследование матемагических моделей тепловых источников света является одним из важных направлений по совершенствованию и развитию источников света Математическое моделирование дает возможность исследования сложных нелинейных процессов теплообмена, обладает большей информативностью и позволяет выбирать научно обоснованные инженерные решения

Большинство существующих математических моделей расчета газополных тепловых источников света используют представления о существовании застойного слоя вокруг тела накала и распределении температуры в объеме колбы по модели Ленгмюра, в соответствии с которой температура на границе застойного слоя равна температуре колбы теплового источника света Анализ математических моделей показал несовершенство такой модели распределения температуры по радиусу колбы В последних работах по моделированию и расчету процессов, протекающих внутри тепловых источников света, модель Ленгмюра усовершенствована значение температуры от границы застойного слоя монотонно снижается к значению температуры колбы Поэтому использование «усовершенствованной» модели Ленгмюра к построению математической модели при термоциклических режимах эксплуатации тепловых источников света позволит повысить точность расчетов характеристик в математическом моделировании

Исходя из вышесказанного, возникает необходимость в аналитическом и экспериментальном исследовании термоциклических режимов эксплуатации

2. Математическое моделирование и расчет характеристик тепловых источников света при термоцикличсских режимах работы. Режим работы теплового источника свега при термоциклическом режиме представляет собой периодическое изменение температуры тела накала с достаточно высокой частотой Работа в термоциклических режимах обеспечивается подачей на тепловой источник света импульсов напряжения, длительностью и частотой / При данном режиме работы принимаются условия1

а) длительность импульса напряжения /„, меньше времени разогрева '„, тела накала ((и < ),

б) пауза между импульсами напряжения /„ (<„ = у-'„) меньше времени остывания 1Р тела накала (/„ < 1р) (рисунок 1). Данный режим работы теплового

источника света, как сказано выше, является промежуточным режимом работы между режимом частых включений (i„ > tm и t„itp) и режимом работы при постоянном токе (<„ -><»), так как эти два режима являются предельными случаями исследуемого режима работы теплового источника света.

В общем случае термоциклический режим состоит из «-го количества рабочих циклов (лампа включена) и «отдыха» (лампа выключена). Время «включения» /„ и время «выключения» t„ могут варьироваться (/„=var, / = const; /„ = const, / = var; t„ = var, f = var.).

Рисунок 1 - Динамика температуры тела накала при термоциклическом режиме работы (разогрев тела накала)

Отдельный рабочий цикл, состоящий из импульса напряжения и паузы, представляет собой частный случай работы при постоянном напряжении, для которого условием является то, что в момент действия одиночного импульса напряжения, температура излучателя не достигает квазистационарного состояния (рисунок 2).

-И

tu ---- 1 с

Рисунок 2 - Динамика температуры тела накала при импульсе напряжения

В любой момент разогрева тела накала при термоциклическом режиме справедливо уравнение внутреннего баланса энергии в дифференциальной форме

-щ$-Л = Ф,(Г)Л + Р^Т)Л + С(.1)11Г, (1)

где / - время, Г- темперагура ТН, 11(1) - напряжение, подводимое к лампе, <1\ (Г) - мощность, отводимая с тела накала излучением, ЩТ) - сопротивление тела накала, Рг(Т) - тепловые потери мощности тела накала в газовой среде, СП) - теплоемкость материала тела накала

Длительность импульса напряжения будет соответствовать времени, за которое температура изменится от Т1Ы до Тл

1„ =4,18

РтС„

еМ и Ч _

-с/7,

(2)

и £

время между импульсами напряжения /„ будет соответствовать времени изменения температуры ТН с 7„ до Г„,,

1,045-^ \^-<ГГ ЕМ ^ /?,

(3)

где <1 - диаметр нити тела накала, у - удельный вес вольфрама, с - интегральный коэффициент излучения вольфрамового тела накала, Л/ - атомный вес вольфрама, /9/ - удельное электрическое сопротивление вольфрама при температуре длина нити тела накала, Я/ - плотность излучения для вольфрама при температуре Т

Интегралы в формулах (2) и (3) являются несобственными интегралами, так как неизвестен верхний предел интегрирования, а все подынтегральные величины являются функциями температуры, поэтому справедлива следующая система дифференциальных уравнений (4)

с1Т = М (игт ¿-4 е рГ I? <11 ~ 4,18/ С, [ рТ I1 а

л/ё. "Ри птс £/<«/;+/„, Л [о, при пТе +/„ <1<(п +1)7;

(4)

где ит - амплитуда напряжения, ис - действующее напряжение, В, <2 - скважность

Предварительно произведя аппроксимацию функционально-зависимых характеристик вольфрамового излучателя от температуры, получаем систему из двух уравнений, которая определяет изменение температуры излучателя при наличии напряжения и при его отсутствии (5) и (6)

¿А/. =4,9 »(>-"•<£ , 7'26 -ЛГ„

... ^-5,57 10""Г7" (5)

У>„, =-4,8 10"V Г5т5ДГ4, .м еМ %

1„ = 0,96 10 V

Г -/.. =-10'!i/

(1п(Г„,) + 7,08) (Г„,-Г„„.„)

—'^-4,8 10"'" 7 * '4 £

«n(r,(„tn) + 7,08>C-7;w„>

(6)

Начальными условиями будут являться

а) длительность импульса напряжения /„, которая для отдельно взятого импульса напряжения будет представлять время разогрева,

б) время между импульсами напряжения Tc-tu, которое является временем охлаждения tm,

в) начальная температура излучателя, от которой будет происходить увеличение температуры Для первого рабочего цикла это значение соответствует температуре окружающей среды, тогда как для каждого последующего рабочего цикла представляет собой значение температуры излучателя в момент начала действия импульса напряжения, установившееся за время охлаждения предыдущего рабочего цикла

По результатам циклических вычислений по формулам (6) строятся кривые поведения температуры тела накала при термоциклическом режиме T(t) Когда разность темперагур тела накала в момент действия импульса напряжения и момент прекращения импульса напряжения станет величиной постоянной, процесс считают установившимся 7;,, -7"(Ы)„ = Tm-T(lH]n

Основные характеристики тепловых источников света при термоциклическом режиме эксплуатации рассчитываются на основе их зависимости от температуры вольфрамового излучателя

Предложенная математическая модель позволяет производить расчет электрических и световых характеристик тепловых источников света как непосредственно при высокочастотном термоциклическом режиме эксплуатации, так и в режимах частых включений и работы на постоянном токе (0 = 1)

На основе данной математической модели была создана программа расчета характеристик тепловых источников света при термоциклических режимах

работы Программа "Расчет характеристик тепловых источников света при термоциклических режимах эксплуатации" разработана как программное средство для расчета основных характеристик тепловых источников света, в частности ламп накаливания общего и специального назначения, работающих при следующих режимах электрического питания термоциклический режим, режим частых включений, постоянный ток

Программа позволяет оценить и исследовать функциональную зависимость основных характеристик тепловых источников света при включении (неравновесное состояние), а также в квазистационарном режиме (равновесное состояние) при различных вариациях режимов электрического питания и мощностей рассчитываемых тепловых источников света

3. Математическое моделирование и расчет структуры тепловых полей источников света при термоцнклических режимах работы. Структура теплового поля определяется распределением температуры в объеме теплового источника света Основными факторами, определяющими распределение температуры в объеме колбы и задающими рабочие характеристики теплового ис-ючника света, являются средняя температура наполняющего газа, давление в работающей лампе и тепловые потери в газе При моделировании и расчете структуры теплового поля при термоциклических режимах эксплуатации использовалась «усовершенствованная» модель Ленгмюра, согласно которой температура от границы застойного слоя линейно уменьшается до температуры колбы теплового источника света, т е значение температуры на границе застойного слоя превышает значение температуры колбы теплового источника света

При термоциклическом режиме работы тела накала результирующая эффективная температура вольфрамового излучателя отличается от той, которая устанавливается при непрерывном режиме горения, так как происходит периодическое изменение температуры тела накала Поэтому расчет параметров застойного слоя теплового поля при термоциклических режимах работы теплового источника света имеет особенности в расчете основных параметров теплового поля

При работе тепловых источников света температура тела накала принимает циклически два крайних значения Ттах и Тт/„ (рисунок 3) через определенные промежутки времени, которые зависят от длительностью импульса /„ и частоты импульсного напряжения / Время достижения телом накала температуры крайнего значения 7'„,„, определяется длительностью импульса напряжения, а значения Ттт - промежутком времени (!//- 1и)

ТI - распределение температуры по радиусу тела накала, 72 - распределение температуры по толщине застойного слоя, Т3 - распределение температуры от границы застойного слоя до колбы теплового источника света, Т„,„ - температура тела накала, 1Х - температура застойного слоя на его границе, Тк - температура колбы, <1,„,1 - диаметр тела накала, с1к - диаметр застойного слоя, с/» -диаметр колбы

Рисунок 3 - Распределение температуры по радиусу колбы в зависимости

от термоциклического режима работы Предложенные аналитические выражения, описывающие распределение температуры в объеме колбы теплового источника света, позволяют определить уравнение расчета средней температуры газа Тср

Т =

2Д г

-Дг,

71, +71,

Лг, 1п

(Г.....- 2Т г + 7.....,)

Аг

(7)

где Дг, = г1С - г„,, Агг ДГ = гк- гш

Как видно из выражения (7), средняя температура газа б тепловых источниках света Т1р в значительной степени определяется термоциклическим режимом, т е зависит от предельных значений температур тела накала

Рабочее давление внутри теплового источника света значительно влияет на эксплуатационные характеристики теплового источника света, так как изменение рабочего давления газа внутри колбы приводит к изменению его срока службы В частности, увеличение давления наполняющего газа приводит к уменьшению скорости испарения вольфрама с тела накала Для определения рабочего давления в тепловых источниках света используем равенство частиц в объеме колбы при комнатной температуре и в рабочих режимах

2Г„

Т т

-Узс-^,,)1

У 81

г(1г

ТУ)

Г +г

г г

Таким образом, полученное выражение (8) позволяют рассчитать рабочее давление в тепловых источниках света при различных термоциклических режимах эксплуатации Анализ полученных выражений показывает, что на рабочее давление наполняющего газа оказывает влияние вариация режимов термо-циклирования

По предложенной модели разработан пакет программ, обеспечивающий расчет структуры теплового поля теплового источника света при варьировании термоциклических режимов работы Исходными данными математической модели являются а) параметры термоциклического режима (длительность импульса напряжения /„, частота питающего напряжения /), б) максимальная и минимальная температура тела накала при термоциклировании, определяемые при использовании математической модели, описанной в главе 2; в) диаметр тела накала, г) температура колбы теплового источника света, д) температура окружающей среды, е) род и давление наполняющего газа в «холодной лампе», з) геометрические параметры колбы Выходными данными модели являются а) параметры застойного слоя - температура и диаметр, б) средняя температура газа в колбе теплового источника света, в) рабочее давление теплового источника света, г) потери в газе

С помощью пакета программ были проведены расчетные исследования поведения структуры теплового поля ламп накаливания толщины застойного слоя, температуры и градиента температуры на границе застойного слоя, средней температуры газа, рабочего давления газа в тепловых источниках света при варьировании термоциклических режимов работы тепловых источников света (рисунок 4)

Т-и. К т™ К 20511 2 ЯМ

200 300 «» 500 61Ю '00 800 900

200 121» 2200 1200 <200 5200 «00 7200 8200 9200

-Средня* тсмт.рт}]*а III —Тсм1и.[ии\ро ЗС

а)/< 1 кГц

цСрс имя 1смш_рат>ра ТН^. Тсмшритуря ЗС

б)/> 1 кГц

Рисунок 4 - Зависимость средней температуры тела накала тШсг и температуры застойного слоя Тж от термоциклических режимов эксплуатации

Таким образом, в соответствии с результатами исследования математической модели варьирование высокочастотных термоциклических режимов предоставляет возможность регулировать тепловые режимы источников света Тепловое поле неразрывно связано с размерами теплового источника света, которые определяют его себестоимость, стабильность светового потока и срок службы, а также коэффициент полезного действия комплекта «тепловой источник света - световой прибор» Температура колбы источника света, как средняя, так и на ее определенных участках оказывает значительное влияние на срок службы лампы, так как с увеличением температуры происходит повышение газовыделения из материала ее оболочки Кроме того увеличение температуры вызывает увеличение рабочего давления внутри колбы, что в свою очередь приводит к увеличению срока службы теплового источника света

4. Экспериментальное исследование термоциклического режима работы теплового источника света Для проведения исследовании был разработан ряд экспериментальных установок, позволяющих проводить изучение динамических, статических температурных характеристик тела накала тепловых источников света при термоциклических режимах работы, определять минимальные, средние и максимальные значения температуры в квазистационарных состояниях, а также изучения спектральных характеристик излучателей

Для изучения динамических и статических температурных характеристик тела накала тепловых источников света разработана методика исследования, согласно которой для определения зависимости температуры тела накала от времени ДО необходимо связать величину сигнала (напряжение) (У< с приемника оптического излучения со спектральной плотностью интенсивности свечения вольфрама, которая является функцией температуры Взаимосвязь сигнала фотоприемника со значением температуры участка вольфрамового излучателя определяется системой уравнений, содержащей функциональную зависимость фототока приемника оптического излучения от спектральной плогности интенсивности свечения вольфрама и закона Вина Температура участка вольфрамового излучателя определяется выражением

г = _-Яз.----(9)

1пС,-51пА-1п|

Л К

где Т- температура исследуемой точки ТН, К, Л- длина волны, нм, 4 - коэффициент пропорциональности, ис - напряжение приемника оптического излучения, В, 1<т - внутреннее сопротивление приемника оптического излучения, Ом, <ГфЛА)~ спектральная чувствительность приемника оптического излучения, С,= 3,741 10~16 Вгм2, С2= 1,439 КГ2 м-К

С применением экспериментальных установок были исследованы кривые разгорания, охлаждения и динамика температуры в установившихся процессах

тепловых источников света при различных режимах электрического питания. Для исследования использовались лампы общего и специального назначения различной мощности Вариация параметров последовательности импульсов напряжения, позволила изучить работу тепловых источников света при различных термоциклических режимах Непременным условием при всех режимах работы оставалось постоянное действующее напряжение =сот1) на тепловых источниках света

Были получены и проанализированы зависимости Т = /(/)(рисунок 5) и Т = /(0) при определенных термоциклических режимах эксплуатации

& чо-с

1 -/= 800 Гц, /„ = 10~3 с, 2 -/= 500 Гц, /„ = 10~3 с, 3 -/= 220 Гц, /„ = 10 1

с,

4-/= 123 Гц, 1„ = 10~3 с

Рисунок 5 - Зависимость средней температуры тела накала от времени (переходные процессы и квазистационарный режим)

'»■с 009 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

0

0 200 400 600 800 1000

Л Гц

Рисунок 6 - Зависимость времени достижения температуры тела накала о г частоты питающего напряжения в квазистационарном режиме (Рт > РЛ1)

Изучение полученных экспериментальных данных позволило сделать вывод о том, что варьирование режимов термоциклирования оказывает влияние на

Рт___

динамические и статические температурные характеристики излучателя тепловых источников света

В свою очередь, экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы'

- термоциклические режимы влияют на переходные процессы при включении тепловых источников света,

-увеличение частоты питающего напряжения уменьшает броски тока при включении тепловых источников света, при отсутствии бросков тока их срок службы увеличивается, как известно, более чем на 50% по сравнению со стандартными условиями включения

- увеличение частоты питающего напряжения увеличивает время выхода температуры тела накала на квазистационарный режим,

- скорость разогрева тела накала различна на разных участ ках тела накала Так скорость разогрева тире выше скорости разогрева остальных участков тела накала, что может служить причиной выхода из строя тепловых источников света через перегорание тела накала в области тире

- термоциклические режимы оказывают влияние на среднюю температуру тела накала, с увеличением разности предельных температур уменьшается средняя эффективная температура излучателя

Одной из важнейших характеристик излучателей, в частности, раскаленных твердых тел, является спектральное распределение энергии, существенно зависящее от вида материала и температуры. Учитывая, что эффективность преобразования подведенной к тепловым источникам света электрической энергии в световую оценивают величиной световой отдачи, которая является функцией температуры, то исследование особенностей спектров свечения излучателей может служить инструментом оценки энергоэффективности такого преобразования, и использоваться с той же целью при вариации способов электрического питания ламп

Для исследования спектральных характеристик тела накала при термоциклических режимах работы была разработана методика оценки оптического излучения, в основе которой лежит зависимость спектрального распределения плотности энергии излучения М(ЯГ) объекта от температуры, определяемая для излучателя формулой Планка

Экспериментальные результаты исследования выявили изменение спектральных характеристик тела накала при различных термоциклических режимах работы тепловых источников света Так, на рисунке 7 показано изменение спектральной энергетической светимости вольфрамового излучателя при изменении режима термоциклирования специальных тепловых источников света типа КМ 24-90, А 24-2

— 0»8 3 -»-0-2 -«-0-12

Рисунок 7 - Зависимость спектральной энергетической светимости вольфрамового излучателя от термоциклических режимов работы теплового источника

света

Исходя из рисунка 7 в соответствии с тепловыми законами (закон Кирхгофа и закон смещения Вина), можно утверждать, что изменения параметров термоциклических режимов вызывает изменение спектральных характеристик тела накала В частности, с изменением скважности питающего напряжения меняется энергетическая светимость тела накала по отношению к значению при постоянном и переменном токе, для вышеуказанных типов ламп, в сторону уменьшения на 40% и в сторону увеличения на 12 - 14%, что, в свою очередь, приводит к изменению светового потока и световой отдачи тепловых источников света при их неизменной мощности Такие изменения светового потока при варьировании режимов термоциклирования можно рассматривать как один из способов управления оптическим излучением тепловых источников света

Таким образом, термоциклический режим при частоте порядка 10 кГц и скважности 1,5 является наиболее эффективным режимом работы для ряда специальных тепловых источников света коммутаторных КМ 24 - 35, КМ 24 - 90, сигнальных аэродромных СГ 24 - 3, автомобильных А 24 -1, А 24 - 1,2, А 24 -2, миниатюрных МН 24 - 0,07, МН 26 - 0,12, ЕД 26 - 1,2), а при частоте В кГц и скважности 1,4 для специальных тепловых источников света железнодорожных Ж 28 - 4, автомобильных софитных АС 24 - 5, автомобильных миниатюрных АМН 24-4 Так, эти режимы позволяют увеличить срок службы, вследствие отсутствия бросков тока при включении и увеличить светимость теплового источника света на 12 - 14% по отношению к традиционным режимам эксплуатации

Результаты расчетов и экспериментов показали, что расчетные значения температуры тела накала удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным (рисунок 8) с относительной погрешностью отклонения 3 - 6%

Тт К 2"00 -26*0 • 2600 -2"0 -2ЗД0 -2-150 • 2-100 • 'ДО -2300 -22^0 • 2200 • 0

1 кГц -*-i= 1 кГц 1 кГц -+-П0С1 нопр ^

— расчет -- расчет расчет

Рисунок 8 - Расчетные и экспериментальные зависимости температуры тела накала от скважности и частоты питающего напряжения

Проведенный анализ результатов исследования специальных тепловых источников света при термоциклических режимах эксплуатации показывает, что термоциклический режим работы наиболее эффективен для эксплуатации определенных специальных тепловых источников света Для каждого конкретного специального теплового источника наиболее эффективный термоциклический режим возможно подобрать, используя предложенные методы расчета и программное обеспечение

Исходя из вышесказанного, сформулированы технические требования к устройству (источники импульсного напряжения), обеспечивающему увеличение световой отдачи и срока службы специальных тепловых источников света, а также возможности регулирования теплового режима и оптического излучения теплового источника света (таблица 1) и рекомендованы типы специальных тепловых источников света (приведены в диссертационной работе) для использования при термоциклических режимах эксплуатации

Таблица 1 - Требования к источникам импульсного напряжения

Параметр Значение

Входные параметры

Напряжение, В 85 264

Частота, Гц 47 63

Выходные параметры

Напряжение, В 1,2 240

Максимальный ток, А 1,7 20

Частота, кГц 0,1 15

Скважность 1 .10

Интервал рабочих температур, °С - 40 +70

Нестабильность , % 2

Заключение

1 Построена математическая модель, описывающая функциональные зависимости электрических и световых характеристик тепловых источников света при нестационарных процессах, во время разогрева тепловых источников света и при квазистационарных режимах при различных термоциклических режимах эксплуатации Предложен алгоритм и программное обеспечение, позволяющие произвести расчет основных характеристик тепловых источниках света при следующих режимах эксплуатации высокочастотный термоциклический режим, режим частых включений, режим постоянного напряжения

2 Построена математическая модель, которая позволяет описать происходящие процессы внутри оболочки тепловых источников света при высокочастотных термоциклических режимах Предложен алгоритм и программное обеспечение, позволяющие осуществлять расчет структуры теплового поля тепловых источников света при термоциклических режимах эксплуатации

3 Предложена методика расчета средней температуры наполняющего газа, рабочего давления наполняющего источник света газа, количества тепла, отводимого наполняющим газом от тела накала, определяющего тепловые потери тепловых источников света

4 В работе показано, что варьирование режимов термоциклирования позволяет изменять тепловые потери тепловых источников света, вследствие чего предоставляется возможность менять соотношение видимого излучения к инфракрасному

5 Для экспериментального изучения работы тепловых источников света при термоциклических режимах работы изготовлены экспериментальные установки и методики, позволяющие получать функциональные зависимости основных характеристик тепловых источников света в переходных процессах и в квазистационарных режимах, определять динамические и статические температурные параметры тепловых источников света, получать распределения энергетических характеристик по спектру излучения, также проводить исследование теплового режима тепловых источников света при различных режимах электрического питания

6 Выявлено, что термоциклические режимы эксплуатации тепловых источников света оказывают значительное влияние на переходные процессы при разогреве изменяя время выхода характеристик тепловых источников света на квазистационарный режим и отношение пускового к номинальному току, в квазистационарном режиме, изменяя среднюю эффективную температуру тела накала

7 Термоциклический режим эксплуатации позволяет изменять спектральные характеристики вольфрамового излучателя путем смещения спектрального распределения характеристик тела накала относительно длин волн излучения при стандартных режимах питания, осуществляет изменение точки максимума спектрального распределения характеристик тела накала

8 Определены наиболее эффективные термоциклические режимы эксплуатации для ряда специальных тепловых источников света, позволяющие по-

высить срок службы специальных тепловых источников света более чем на 50 %, в связи с отсутствием пускового тока и увеличить светимость вольфрамового ТН на 12 % по отношению к традиционным режимам электрического питания

9. Разработан способ управления оптическим излучением и тепловым полем тепловых источников света, основанный на изменении параметров термоциклических режимов эксплуатации при сохранении номинального действующего напряжения питания теплового источника света

10 Разработаны технические требования к источникам питания для термоциклического режима работы специальных тепловых источников света

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1 Анашкин, П M Тенденция развития и перспективы совершенствования тепловых источников оптического излучения / П M Анашкин, А В Харитонов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики II Всерос науч. - техн конф сб науч тр / Саранск Средневолж матем общ, Мордов roc ун-т - Саранск, 2004 - С 84-87

2 Анашкин, П M Методика измерения температуры различных участков раскаленного тела накала / П M Анашкин, А В Харитонов, M В Романов // Естественные и технические науки X науч, конф. молодых ученых, аспирантов и студентов Мордов гос ун - та сб науч тр / Саранск Мордов гос ун-т - Саранск, 2005 -С 214-216

3 Анашкин, П M Модернизация ламп типа Н4 для автомобилей с правосторонним рулевым управлением / П. М. Анашкин, А. В. Харитонов, С M Маталыгин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. III Всерос науч - техн конф сб науч тр / Саранск Средневолж матем общ, Мордов, гос ун-т, - Саранск, 2005 -С 64-68

4 Анашкин, П M Методика измерения стационарной температуры различных участков раскаленного тела накала / П M Анашкин, А В Харитонов, С С Душутин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики III Всерос, науч - техн конф сб науч тр / Саранск Средневолж матем общ, Мордов гос ун -т - Саранск,2005 -С 101-103.

5 Анашкин, П M Измерение динамических температурных характеристик различных участков тела накала тепловых источников оптического излучения / П M Анашкин, А В Харитонов, С С Душутин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики III Всерос науч - техн конф. сб науч тр / Саранск Средневолж матем общ, Мордов гос. ун-т - Саранск, 2005 - С 81 - 83

6 Анашкин, П M Пути совершенствования галогенных ламп накаливания / П M Анашкин // Естественные и технические науки XXXIV Огарев-

ские чтения сб науч тр / Саранск Мордов roc ун-т - Саранск, 2006 -с 245-246

7 Анашкин, П M Методика измерения вложенной мощности при импульсном питании / П M Анашкин, А В Харитонов, В К Самородов // Технические науки. XI науч конф. молодых ученых, аспирантов и студентов Мордов гос ун - та сб науч тр / Саранск Мордов гос ун - т -Саранск, 2006 - С 51-52

8 Анашкин, П M Моделирование и расчет оптического излучения при импульсном питании излучателя / П M Анашкин, А В Харитонов // Труды СВМО сб науч тр / Саранск Средневолж. матем общ Мордов гос ун-т -Т 8, № 2 - Саранск, 2006 -С 51-57

9 Анашкин, Il M Апроксимация теплоемкости и плотности излучения вольфрама / П M Анашкин, А В Харитонов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики III всерос науч - техн конф сб науч тр / Саранск Средневолж матем общ. Мордов гос ун-т - Саранск, 2006 - С 81-83

10 Анашкин, П M Установка для исследования характеристик тепловых источников света / П M Анашкин, А В Харитонов, С С Душутин // Учебный эксперимент в высшей школе' науч - метод журн - 2006 — № 1 - С 33-40

11 Анашкин, П M Моделирование и расчет температуры излучателя тепловых источников оптического излучения в термоциклических режимах работы / П M Анашкин, AB// Материалы XII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студен гов Мордов гос ун-та им H П Огарева В двух частях Ч, 2, Естест и техн науки - Саранск Изд-во Мордов ун-та, 2007 - С 179-181

12 Анашкин, П M Разогрев ламп накаливания при различных режимах импульсного тока / П M Анашкин, А В Харитонов, В Д Золотков // Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света V всерос конф тез докл. / Саранск Мордов гос пед ин - т - Саранск, 2007 - С 71 - 72

13 Анашкин, П. M Автоматизация измерений светотехнических параметров источников света / П M Анашкин, О В Пивкин // Фундаментальные исследования / учредитель Российская Академия Естествознания. - M Российская Академия Естествознания - 2007 - № 8 - С 45-47

14 Анашкин, П. M Моделирование и расчет температуры излучателя тепловых источников света при термоциклических режимах работы / П M Анашкин, А В Харитонов // Научное обозрение - M «Наука» - 2007 -№3 -С 32-34

15 Анашкин, П M Моделирование структуры теплового поля теплового источника оптического излучения при термоциклических режимах работы / П M Анашкин, А В Харитонов // Научно - технические ведомости СПбГПУ - С - Пб Политехнический университет - № 4. - Т 1. - 2007 -С 161-164

16 Анашкин, П М Программа "Расчет характеристик тепловых источников света при термоциклических режимах работы" / П М Анашкин, С А Панфилов // Инновации в науке и образовании телеграф отраслевого фонда алгоритмов и программ - М.. ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" -№4(39) -2008 - С 4 17. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10399 на разработку Программа "Расчет характеристик тепловых источников света при термоциклических режимах работы" Дата регистрации 10 04 2008 Авторы разработки Панфилов С А , Анашкин П М

Бумага офсетная Формат 60x84 1/16 Гарнитура Тайме Печать способом ризографии Уел печ л 1,39 Уч - изд л 1,99 Тираж 100 экз Заказ № 141

01 печатано с оригинала-макета заказчика в ООО «Референт» 430000, г Саранск, пр Ленина, 21 тел (8342)48-25-33

Список основных условных обозначений и сокращений.

Введение.

1 Тепловые источники оптического излучения, перспективы развития и совершенствования. Методы исследования нестационарных режимов эксплуатации.

1.1 Тепловые источники оптического излучения.

1.2 Перспективы развития и совершенствования тепловых источников света.

1.3 Методы расчета нестационарных режимов работы тепловых источников оптического излучения.

1.4 Математические методы расчета нестационарного режима работы тепловых источников оптического излучения.

1.5 Постановка задачи.

2 Математическое моделирование и расчет параметров тепловых * источников света при высокочастотных термоциклических режимах работы.

2.1 Термоциклический режим работы тепловых источников света.

2.2 Математическое моделирование термоциклического режима работы.

2.3 Алгоритм расчета электрических и световых характеристик тепловых источников света при термоциклических режимах работы.

2.4 Структурная схема алгоритма расчета характеристик тепловых источников света при термоциклическом режиме эксплуатации.

2.5 Выводы.

3 Математическое моделирование и расчет структуры тепловых полей источников света при различных термоциклических режимах работы.

3.1 Распределения температуры газа по радиусу колбы при высокочастотном термоциклическом режиме работы.

3.2 Расчет тепловых потерь источников света при термоциклическом режиме работы.

3.3 Расчетное определение средней температуры газа теплового источника света при термоциклических режимах работы.

3.4 Расчет рабочего давления тепловых источников света при термоциклических режимах работы.

3.5 Выводы.

4 Экспериментальное исследование термоциклического режима работы тепловых источников света.

4.1 Исследование динамических и статических температурных характеристик тепловых источников света в термоциклических режимах.

4.2 Экспериментальное исследование спектральных характеристик тепловых источников света при термоциклических режимов работы.

4.3 Методика измерения мощности теплового источника света при работе в термоциклическом режиме.

4.4 Требования к источнику импульсного напряжения и рекомендации по использованию термоциклического режима эксплуатации для специальных тепловых источников света.

4.5 Выводы.

Источники оптического излучения (ИОИ) получили достаточно широкое распространение практически во всех областях человеческой деятельности.

В свою очередь, среди ИОИ выделяют отдельный класс электрических источников света (ИС), получивших название «тепловые источники света» (ТИС). В ТИС электрическая энергия преобразуется в световую через нагрев рабочего тела ИС. Основу ТИС составляют, прежде всего, лампы накаливания (ЛН), которые являются самыми массовыми и наиболее распространенными среди всех ИС. Их выпуск нарастает, области применения расширяются, увеличивается количество типоразмеров, высокими темпами механизируется и автоматизируется производство. Несмотря на все большее применение газоразрядных ИС, обладающих высокой экономичностью и долговечностью, ЛН общего и специального назначения еще многие годы будут преобладать в разных областях светотехники, а для целого ряда специальных назначений, пожалуй, никогда не будут вытеснены газоразрядными лампами. Это прежде всего обусловлено низкой себестоимостью ЛН, удобством в обращении, возможностью создавать ИС от микроминиатюрных ламп (доли ватта) до ламп, потребляющих десятки киловатт.

Среди основных этапов развития электрических ТИС следует выделить изобретение технологии получения тянутой вольфрамовой нити (1906 г.) [23]; появление ЛН с азотным, аргоновым, криптоновым и ксеноновым газовыми наполнениями (1910 г.); переход от моноспирального тела накала (ТН) к спиральному и биспиральному (1913 - 1934 гг.) и, наконец, изобретение галогенных ламп накаливания (ГЛН) (1959 г.).

Резервы эффективного ТИС к настоящему времени еще далеко не исчерпаны. И сегодня стоит задача поиска принципиально новых путей дальнейшего развития и совершенствования ТИС. Одним из направлений увеличения эффективности ТИС предлагается эксплуатация данного типа ИС при высокочастотных термоциклических режимах (ТЦР). Дальнейшее совершенствование и развитие ТИС требует углубленного понимания механизмов оптических и физико-химических процессов, происходящих в ТИС, оптимизации протекания этих процессов, разработки новых методов расчета, прогнозирования, диагностики при ТЦР эксплуатации.

Цель работы: проведение комплекса расчетных и экспериментальных исследований специальных ИС при ТЦР работы для повышения эффективности эксплуатации данного типа ИС. Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс следующих задач: построить математическую модель, описывающую функциональные зависимости электрических и световых характеристик ТИС от различных параметров ТЦР эксплуатации; построить и исследовать математическую модель, описывающую физические процессы внутри колбы ТИС; разработать методику расчета структуры теплового поля ТИС при различных ТЦР эксплуатации; разработать программное обеспечение для расчета электрических, световых характеристик и структуры теплового поля ТИС при различных режимах эксплуатации; разработать и создать ряд экспериментальных установок для исследования электрических и светотехнических характеристик специальных ТИС при вариации ТЦР их работы; разработать методики измерения динамических и статических температурных характеристик специальных ТИС, а также спектральных энергетических характеристик вольфрамового йзлучателя, используя разработанные экспериментальные установки; определить степень влияния режимов термоциклирования на переходные и стационарные процессы специальных ТИС, а именно на время выхода в КСР и результирующую эффективную температуру вольфрамового излучателя в КСР. определить ТЦР эксплуатации, позволяющие более эффективно преобразовать электрическую энергию в оптическое излучение в ТИС.

Объект исследования: специальные ТИС; особенности математических моделей и экспериментального исследования характеристик специальных ТИС при ТЦР эксплуатации.

Методы исследования: экспериментальные методы исследования специальных ТИС в условиях эксплуатации при вариации ТЦР; методы расчета электрических и светотехнических характеристик вольфрамового излучателя ТИС при ТЦР; методы расчета структуры теплового поля ТИС при ТЦР эксплуатации; сопоставление полученных расчетных данных с результатами экспериментальных исследований; методы статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна: построена математическая модель расчета электрических и светотехнических характеристик ТИС для ТЦР эксплуатации; предложена математическая модель расчета структуры теплового поля ТИС для различных ТЦР эксплуатации; получены результаты комплексных расчетно — экспериментальных исследований характеристик ТИС при широком варьировании ТЦР работы; разработана методика определения динамических и статистических характеристик, спектральных энергетических характеристик вольфрамового излучателя, оценки оптического излучения ТИС при ТЦР; предложен способ управления световым потоком ТИС.

Научные результаты, выносимые на защиту: метод расчета структуры теплового поля ТИС при различных ТЦР эксплуатации; способ регулирования тепловых режимов и оптического излучения

ТИС; условия повышения эффективности эксплуатации специальных ТИС; технические требования к устройству, обеспечивающему увеличение световой отдачи и срока службы специальных ТИС, а также возможности регулирования теплового режима и оптического излучения ТИС.

Практическая ценность и реализация результатов работы: создано программное обеспечение, реализующее автоматизированный расчет характеристик ТН1 ТИС без применения таблиц и приближенных графических методов нахождения решений. Пакет программ позволяет производить расчет характеристик ТН ТИС как при работе ТИС в ТЦР, так и при РЧВ и работе на постоянном напряжении; разработано программное обеспечение для расчета структуры теплового поля ТИС с учетом функции распределения температуры по радиусу колбы и параметров структуры теплового поля, позволяющее произвести расчет распределения температуры по объему ТИС при ТЦР работы, средней температуры, рабочего давления наполняющего газа ИС, количества тепла, отводимого газом от вольфрамового излучателя, в зависимости от режимов термоциклирования, которые определяют тепловые потери в ТИС; разработан и апробирован ряд экспериментальных установок, позволяющих производить исследования динамических и статических характеристик специальных и общего назначения ТИС, а также исследовать спектральное распределение энергии вольфрамового излучателя при различных режимах электрического питания; получены экспериментальные данные, иллюстрирующие поведение основных характеристик специальных и общего назначения ТИС при широком варьировании условий и режима питания; определены режимы термоциклирования специальных ТИС, позволяющие повысить эффективность их эксплуатации.

Теоретические и экспериментальные исследования были выполнены на кафедре источников света Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева.

Апробация работы и публикации. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на II - V Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (г. Саранск, 2004 — 2007 гг.); V Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (г. Саранск, 2007 г.); Международной научной конференции Российской Академии Естествознания (г. Сусс, Тунис, 2007 г.); X — XII Конференциях молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева (г. Саранск, 2004 — 2008 гг.); Огаревских чтениях,. проводившихся на базе Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 2004 - 2007 гг.).

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в отечественных журналах и сборниках трудов конференций, совещаний, семинаров.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы, приложений и актов об использовании работы. Общий объем диссертации 158 страниц, включая 76 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 127 наименований.

4.4 Выводы

1. Разработан и создан комплекс экспериментальных установок, позволяющих производить исследования динамических, статических характеристик ТН ТИС, а также исследовать спектральное распределение энергии ИС при различных режимах электрического питания.

2. Предложена методика оценки оптического излучения ТИС при работе в различных режимах электрического питания, а также методика определения динамических и статических температурных характеристик ТН ТИС.

3. Экспериментально показано > влияние вариации режимов термоцик-лирования на переходные процессы при включении ТИС, в частности, изменение времени разогрева вольфрамового излучателя, отношения пускового тока к номинальному и в КСР, для которого характерно изменение средней эффективной температуры излучателя.

4. Предложен способ регулирования оптическим излучением ТИС, основанный на зависимости их светового потока от параметров режимов тер-моциклирования.

6. Произведена оценка точности расчета температурных кривых разогрева и работы ТН в высокочастотном ТЦР, полученных с помощью предложенной математической модели.

7. Выявлена зависимость спектральных энергетических характеристик вольфрамового излучателя от вариации ТЦР эксплуатации ламп в контексте изменения максимума кривой энергетической характеристики относительно абсолютного значения и длин волн.

8. Определен наиболее эффективный режим работы ряда специальных ТИС при ТЦР, позволяющий увеличить срок службы специальных ТИС и повысить световую отдачу.

Заключение

В данной диссертационной работе были рассмотрены вопросы, связанные с моделированием и исследованием процессов, протекающих в тепловых источниках света при ТЦР эксплуатации и его особенностях данного режима электрического питания ЛН. В литературном обзоре подробно рассмотрены методы расчета нестационарных режимов .работы ТИС, методы расчета ТЦР работы оболочек ГЛН. На основе анализа данных научно — технической литературы, предложенных методов и методик, выполненных расчетных и экспериментальных исследований были получены следующие результаты:

1. Построена математическая модель, описывающая функциональные зависимости характеристик ТН и ЛН при нестационарных процессах, во время разогрева ТИС и при КСР. Предложен алгоритм расчета и программное обеспечение, позволяющие произвести расчет основных характеристик ЛН при следующих режимах эксплуатации: высокочастотный ТЦР, РЧВ и постоянное напряжение.

2. Построена математическая модель, которая позволяет описать происходящие процессы внутри оболочки ТИС при высокочастотном ТЦР. Предложен алгоритм и программное обеспечение, осуществляющие расчет структуры теплового поля ТИС при ТЦР эксплуатации.

3. Предложена методика, позволяющая производить расчет средней температуры наполняющего газа, рабочее давление наполняющего источник света газа, количества тепла, отводимое наполняющим газом от ТН, определяющее тепловые потери ТИС.

4. Показано в работе, что варьирование режимов термоциклирования позволяет изменять тепловые потери ТИС, что предоставляет возможность изменять соотношение теплового излучения к оптическому.

5. Для экспериментального изучения работы ТИС при ТЦР было изготовлено ряд экспериментальных установок. Разработаны методики, позволяющие с помощью экспериментальных установок получать функциональные зависимости основных характеристик ТИС в переходных процессах и в КСР, определять динамические и статические параметры ТИС, получать распределения энергетических характеристик по спектру излучения, также проводить исследование теплового режима ТИС при различных режимах электрического питания.

6. Доказано, что ТЦР эксплуатации ТИС оказывает значительное влияние на нестационарные процессы в ходе разогрева ТИС: изменяет время выхода характеристик ТИС на КСР, изменяет отношение пускового тока к номинальному; на стационарные процессы: изменяет среднюю эффективную температуру ТН в КСР.

7. ТЦР эксплуатации позволяет изменять спектральные характеристики вольфрамового излучателя, путем смещения спектрального распределения характеристик ТН относительно длин волн излучении осуществляет изменение точки максимума спектрального распределения характеристик.

8. Определены наиболее эффективные ТЦР эксплуатации ряда специальных ТИС, позволяющие ожидать повышения срока службы ИС более чем на 50 % и увеличить светимость вольфрамового ТН на 10 — 12 % по отношению к традиционным режимам электрического питания.

9. Разработан способ управления оптическим излучением и тепловым полем ТИС, основанный на изменении параметров ТЦР эксплуатации при сохранении номинального действующего напряжения питания ТИС.

10. Предложены технические требования к устройству, обеспечивающему увеличение световой отдачи и срока службы специальных тепловых источников света, а также возможности регулирования теплового режима и оптического излучения теплового источника света.

1. Алексеев, Е.Г. Моделирование процессов в галогенных лампах накаливания. Особенности расчета и конструирования: автореф. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук: 05.09.07 — Светотехника / Алексеев Евгений Геннадьевич. Саранск. — 2000. - 20 с.

2. Алексенко, А. Г., Основы микросхемотехники / А. Г. Алексеенко. — Изд. 3-е, перера., доп. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. - 448 с.

3. Анашкин, П. М. Пути совершенствования галогенных ламп накаливания. / П. М. Анашкин // Естественные и технические науки. XXXIV Огаревские чтения: сб. науч. тр. / Саранск. Мордов. гос. ун-т. Саранск, 2006. - с. 245 - 246.

4. Анашкин, П. М. Моделирование и расчет оптического излучения при импульсном питании излучателя / П. М. Анашкин, А. В. Харитонов // Труды СВМО: сб. науч. тр. / Саранск. Средневолж. матем. общ. Мордов. гос. ун-т. Т. 8, № 2 - Саранск, 2006. - С. 51 - 57.

5. Анашкин, П. М. Установка для исследования характеристик тепловых источников света / П. М. Анашкин; А. В. Харитонов, С. С. Душутин // Учебный эксперимент в высшей школе: науч. метод, журн. — 2006. — № 1.-С. 33-40.

6. Анашкин, П. М. Моделирование и расчет температуры излучателя тепловых источников света при термоциклических режимах работы / П. М. Анашкин, А. В. Харитонов // Научное обозрение. М.: «Наука». -2007.-№3.-С. 32-34.

7. Аникин, В. Ф. К расчету переходных процессов в цепях с лампами накаливания / В. Ф. Аникин // Изв. Томского политех, ин та. - Томск, 1972.-Выи. 225.-С. 169-172.

8. Афанасьев, М. А. Становление и развитие электроламповой промышленности, в СССР / М. А. Афанасьева // Электрические источники света. Саранск: Морд, книж.изд-во.:—1971.-С. 312 314.

9. Афанасьева, Е. Ш Источники света и пускорегулирующая аппаратура / Е. И; Афанасьева, В. М. Скобелев // М.: Энергия. 1973. - 368 с.

10. Белькинд, Л. Д. Томас Альва Эдисон. (1847 • 1931) / Л. Д. Белькинд // М.: Наука. -1964. -328 с.

11. Богуславский, Р. Е. О расчете переходных режимов в лампах накаливания / Р. Е. Богуславский // Светотехника. — 1982. — № 9. С. 12 - 13.

12. Бутиков, Е. И. Оптика / Е. И. Бутиков // С-11.: Невский Диалект, — 2003.-511 с.

13. Волькенштейн, Ф. Ф. Радикало — рекомбинационная люминесценция полупроводников / Ф. Ф. Волькинштейн, А. Н. Горбань, В. А. Соколов // М.: Наука. 1976. - 278 с.

14. Вдовин, Н. С. Состояние и перспективы развития ламп накаливания общего назначения / Н. С. Вдовин, О. М. Муратов // Светотехника.г1993.-№5-6.- с. 60-61.

15. Вознесенская, 3. С. Электрические источники света / 3. С. Вознесенская, В. М. Скобелев // М.: Энергия. 1957. - 216 с.

16. Вознесенская, 3. С! Электрические лампы накаливания / 3:С. Вознесенская // М.: Энергия. 1953; - 144 с.

17. Вугман, С. М. Изменение температуры тела накала при включении ламп накаливания / С. М. Вугман, А. К. Николаев // Светотехника. — 1971. № 6 - с. 4 - 8.

18. Вугман, С. М. Расчет и экспериментальное определение инерционных параметров вакуумных ламп накаливания / С.М. Вугман, А.Г. Николаев // Светотехника. 1972. - №12. - С. 14 - 15.

19. Гольденберг, Л. М. Теория и расчёт импульсных устройств на полупроводниковых приборах / Л. М. Гольденберг // М.: Связь. — 1969. — 754 с.

20. Гончаренко, Г. М. Испытательные установки и измерительные устройства в лабораториях высокого напряжения / Г. М. Гончаренко, Е. М. Жаков, Л. Ф. Дмоховская // М.: МЭИ. 1966. - 478 с.

21. Гордов, А. Н. Основы пирометрии / А. Н. Гордов. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Металлургия. — 1971. — 448 с.

22. ГОСТ 8.508 84. Метрологические характеристики средств измерения и точностные характеристики средств автоматизации ГСП. Общие методы оценки и контроля. - Введ. 1984 — 06 — 29. — М.: Изд — во стандартов, 1984.-56 е.: ил.

23. ГОСТ Р 8.568 97. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения. - Введ. 1997 — 11 — 10. — М.: Изд - во стандартов, 1997.- 8 е.: ил.

24. Иванов, А.П. Электрические источники света: 4.1. Лампы накаливания. / А. П. Иванов // М: ГОНТИ. 1938. - 355 с.

25. Игольников^ Ю. С. К измерению мощности осветительных ламп. IV всерос. с м еж дун ар. участ. совещ. по материалам для ист. света, электронных приборов исветотех. изделий: сб.науч. тр. / Саранск. Мордов. гос. ун т. - Саранск, 1996. - С. 39 - 40.

26. Ицхоки, Я. С. Импульсные устройства / Я. С. Ицхоки // М.: Советское радио: 1959.-600 с.

27. Ицхоки, Я. С. Импульсные цифровые устройства / Я. С. Ицхоки, Н. И. Овчинников // М.: Советское радио. 1972.- 592 с.45; Капица, И. JT1 Эксперимент, теория, практика / И: JI. Капица // М.: Наука.-1974.-288 с. • ■ ,

28. Капцов, Н. А. Павел Никлаевич Яблочков. Его жизнь и деятельность / Ht А. Капцов // М.: Гос. изд во технико - теорет. лит - ры. - 1957. -96 с.

29. Карташевская^ В; Е. Измерение распределения энергии излучения ламп накаливания в видимой; области спектра / В. Е. Карташевская, М. С. Матвеев // Светотехника. - 1974. - № 10. - С. 5 - 8.

30. Киселева^ Н. П. Методы расчета и исследования ламп накаливания, работающих в режимах частых включений: автореф. на соиск. ученой степ. канд. техн: наук: 05.09.07 — Светотехника / Киселева Н.П. М., 1991.-22 с.

31. Киселева, H. I I. Математическое и физическое моделирование нестационарных режимов ламп накаливания / Н. П. Кисилева, В. С. Литвинов, П. F. Черников // Тр. ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина. Саранск, 1986. - Вып. 18. - С. 88 - 93.

32. Киселева, H. I I. О методе расчета характеристик ламп накаливания в схемах с емкостными накопителями энергии / Н.П: Киселева, И. Н. Ку150дашкин, В. С. Литвинов и др. // Тр. ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина. Саранск, 1988. - Вып. 20. - С. 113 - 120.

33. Комельков, В. С. Техника больших импульсных токов и магнитных полей / В. С. Комельков, П. Н. Дашук, С. Л. Зайенц // М.: Атомиздат. -1970.-472 с.

34. Коленчиц, О. А. Процессы тепломассопереноса в лампах накаливания / О. А. Коленчиц, В. И. Алейникова, В. И. Туровская // Минск: Наука и техника. 1989. — 160 с.

35. Корочков, В. Н. Исследование и методы определения оптимальных условий наполнения аргоновых ламп накаливания: автореф. на соиск. ученой степ. канд. тех. наук: 05.09.07 Светотехника / Корочков В.Н. -М., 1974.-24 с.

36. Курносов, Г. А. Об адекватности математической модели лампы накаливания / Г. А Курносов / Проблемы и прикладные вопросы физики. I Междунар. науч. — техн. конф.: сб. науч. тр. / Саранск. Мордов. гос. ун -т.-Саранск, 1997.-С. 117-118.

37. Курносов, Г. А. Построение и исследование математических моделей тепловых источников оптического излучения общего и специального назначения: моногр. / Г. А. Курносов, И. Н. Кудашкин, В. Н. Щенников // Саранск: Морд. гос. ун-т, 2003. — 264 с.

38. Ландсберг, Г. С. Оптика: уч. пос. для ВУЗов / Г. С. Ландсберг. — Изд: 6- е. М.: Физматлит. - 2003. - 848 с.

39. Литвинов, В. С. Тепловые источники оптического излучения / В. С. Литвинов, Г. Н. Рохлин // М.: Энергия. 1975. - 247 с.

40. Литвинов, В. С. Методика расчета нестационарного теплового режима колбы источника света / В. С. Литвинов, В. Н. Пчелин // Светотехника.- 1973.-№10.-С. 14-15.

41. Литвинов, В. С. О методике расчета низковольтных ламп накаливания / В. С. Литвинов, В. И. Лиманов // Светотехника. 1975. - № 11. - С. 4 -5.

42. Литвинов, В. С. О методе расчета параметров низковольтных ламп на-' каливания при включении / В. С. Литвинов, В. И. Лиманов, И. И. Мар-ковникова // Светотехника. 1976. - № 2. - С. 14—16.

43. Литвинов, В. С. К расчету переходных процессов в лампах накаливания / В. С. Литвинов, В. Д. Дудинов, Н. П. Кисилева и др. // Светотехника. 1987.-№ 8. - С. 17 - 18.

44. Литвинов, В. С. Срок службы ламп накаливания в режимах частых включений / В. С. Литвинов, Н. П. Киселева, В. С. Мордюк // Светотехника. 1989. - № 8. - С. 4 - 6.

45. Литвинов, В. С. Перспективы развития ламп накаливания / В. С. Литвинов, В. Д. // Светотехника. 1983. - № 12. - С. 6 - 9.

46. Магнитные генераторы импульсов / под ред. Л. А. Мееровича // М.: Советское радио. 1968. - 476 с.

47. Матвеев, А. Н. Оптика / А. Н. Матвеев // М.: Высшая школа. 1985. -351 с.

48. Месяц, Г. А. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения / Г. А. Месяц, А. С. Насибов, В. В. Кремнев // М.: Энергия. -1970.-453 с.

49. Методы спектрального анализа / под. ред. В. Л. Левшина, М: МГУ им. М.В.Ломоносова. 1962. - 56 с.

50. Миллман, Я. Импульсные и цифровые устройства: пер. с англ. / Я. Миллман, Г. Тауб // М. 1960. - 416 с.

51. Моругин, JI. А. Наносекундная импульсная техника / JI. А. Моругин, Г. В. Глебович // М.: Советское радио. 1964. - 624 с.

52. Моцкус, И. Б. Многоэкстремальные задачи в проектировании / И. Б. Моцкус // М.: Наука. 1967. - 216 с.

53. Николаев, Ю. Н. Принципы преобразования электрической в световую / Ю. Н. Николаев, М. В. Фок // Труды ФИАН. Т.50. М.: Наука. - 1970. - 106 с.

54. Орлов, В.И. Трактат о вдохновенье, рождающем великие изобретения / В. И. Орлов // М.: Знание. 1980. - 336 с.

55. Оптика и атомная физика: лабор. практикум по физике / под ред. Р.И.Солоухина. — Новосибирск. — 1976. 134 с.

56. Овсянкин, В. В. Кооперативная сенсибилизация люминесценции в кристаллах, активированных редкоземельными ионами / В. В. Овсянкин, П. П. Феофилов // Письма в ЖЭТФ. 1966. - Т.4. - С. 473 - 477.

57. Овсянкин, В. В. О механизме суммирования электронных возбуждений в активированных кристаллах / В. В. Овсянкин, П. П. Феофилов // Письма в ЖЭТФ. 1966. - Т.З. - С. 494 - 497.

58. Пат. 2920222 Соединенные штаты Америки, B60G11/02 (20060101), Н01К5/00 Halogen incandescent lamp containing bromine and phpsphorus / Торрингтон; опубл. 5.01.1960

59. Планк, М. Теория теплового излучения / М. Планк. — Изд. 2-е, пере-раб. М.: КомКнига. - 2006. - 210 с.

60. Пляскин, П. В. Оптимизация параметров и перспективы ламп накаливания промышленного освещения: автореф. на соиск. ученой степ, канд. техн. наук: 05. 09. 07 — Светотехника / Пляскин П.В. — М. — 1974. -22 с.

61. Пляскин, П. В. Развитие источников света в СССР за 50 лет / П. В. Пляскин, Ф. А. Бутаева, Р. А. Нилиндер и др. // Светотехника. — 1967. — № 11.-С. 5-10.

62. Пляскин, П. В. Перспективы развития источников света / П. В. Пляскин, В. П. Денисов// Светотехника. 1969. — № 12.-С. 1-5.

63. Пляскин, П. В. О перспективах развития электрических ламп накаливания общего назначения / П. В. Пляскин // Светотехника. — 1972. — № 2. С. 4 - 8.

64. Пускачей, А. А. Оптико — электронные системы измерения температуры / А. А. Поскачей, Е. П. Чубаров // М.: Энергия. 1979. - 210 с.

65. Раков, А. В. Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур / А. В. Раков // М.: Советское радио. 1975. - 176 с.

66. Рибо, Г. Оптическая пирометрия: пер. с франц. / Г. Рибо // М.: ГТТИ, 1934.-455 с.

67. Рохлин, Г. Н. О возможном повышении световой отдачи ламп накаливания / Г. Н. Рохлин, Е. Б Волкова // Светотехника. 1979. - № 2. - С. 1 -3.

68. Рохлин, Г. Н. Возможности применения люминесценции кристалло-фосфоров под действием атомарного водорода для создания эффективного источника света / Г. Н. Рохлин, 3. Н. Кобина и др.// Светотехника. 1965. -№1.- С. 8- 10.

69. Сависько, П. А. Исследование характеристик ламп накаливания при одиночных и периодических переключениях / П. А. Сависько // Светотехника. 1975. -№3. - с. 16-17.

70. Справочник по импульсной технике / под ред. В. Н. Яковлева // — К.:1. Техника. 1970. - 655 с.

71. Старостин, А. Н. Импульсная техника: уч. пособие / А. Н. Старостин // М.: Высшая школа. 1973. — 334 с.

72. Стыров; В. В. Зависимость выхода радикало — рекомбинационной люминесценции фосфоров 7п8 А§ от условий возбуждения / В. В. Стыров, В. А. Соколов, А. В. Харитонов // Известия ВУЗов. Физика. - 1975. -№3.-С. 139-141.

73. Сиротинский, Л. И. Техника высоких напряжений / Л. И. Сиротин-ский, А. А. Акопян, Г. В. Буткевич и др. II Ч. 1. М.: Госэнергоиздат. -1951.-368 с.

74. Томпсон, С. Добывания света / С. Тоипсон // Одесса: МАТНЕ818. -1909.-92 с.

75. Ульмишек, Л. Г. Производство электрических ламп накаливания / Л. Г. Ульмишек // М.: Энергия. 1966. - 154 с.

76. Фастовский, В. Г. Инертные газы / В. Г. Фастовский, А. Е. Ровин-ский, Ю. В. Петровский// М.: Атомиздат. 1964. - 146 с.

77. Фиалков, А. С. Углеграфитовые материалы / А. С. Фиалков // М.: Энергия. 1979.-319 с.

78. Физика быстропротекающих процессов: пер. с нем. / под ред. Н. А. Златина // Т. 1. -М.: Мир. 1971. -518 с.

79. Фок, М. В. О предельных возможностях повышения световой отдачи источников света / М. В. Фок // Светотехника. 1990. - №6. - С. 1-3.

80. Фрюнгель, Ф. Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов: пер. с нем. / Ф. Фрюнгель / под ред. К. К. Хренова // М.: Энергия. 1965. - 488 с.

81. Харитонов, А. В. Радикало рекомбинационная люминесценция кристаллофосфоров Zn - Mn, Zn - Mn, CI-(количественные данные) / А. В. Харитонов, Ю. И. Тюрин, В. В. Стыров // Деп. в ВИНИТИ, 1975. -№1757.

82. Харитонов, А. В. Выход радикало рекомбинационной люминесценции кристаллофосфоров / А. В. Харитонов, Ю. И. Тюрин, В. В.156

83. Стыров // 23 Всесоюзная конференция по люминесценции: сб. науч. тр. / Кишинев. 1976. - С. 90 - 92.

84. Харитонов, А. В. Радикало — рекомбинационная люминесценция кри-сталлофосфора ZnS — Си (количественные данные) / А. В. Харитонов, Ю. И. Тюрин, В. В. Стыров // Деп. в ВНИТИ, 1975. №2519.

85. Харитонов, А. В. О возможности создания люминесцентно — накаль-ного источника света / А. В. Харитонов, В. А. Горюнов // Деп. в ВИНИТИ, 1981.-№1179.

86. Харли, Р. Б., Логические схемы на транзисторах: пер. с англ. / Р. Б. Харли / под ред. Д. Ю. Панова // М.: Мир. 1965. - 429 с.

87. Чжоу, В. Ф. Принципы построения схем на туннельных диодахгпер. с англ. / В. Ф. Чжоу // М.: Мир. 1966. - 488 с.

88. Чукова, Ю. П. Применение антистоксовой люминесценции-, в источниках света. Электротехническая промышленность. Светотехнические изделия / Ю. П. Чукова // М.: Информэлектро. — Вып. 5. — 1973. — С. 17 -20.

89. Чукова, Ю. П. О перспективах увеличения световой отдачи ламп накаливания с помощью антистоксовых люминофоров / Ю. П. Чукова // Светотехника. 1974. - №2. - С. 6 - 9.

90. Эрглис, К. Э. Электронные усилители / К. Э. Эрглис, И. П. Степанен-ко // М.: Наука. 1964. - 154 с.

91. Auzel, F. Comter guantique par transfert d'energie entre deux ions de terres rares dans un tungstate mixte et dans un ferre / F. Auzel // C.R. Acad. Se. Paris, B. 1966. - v.262-P. 1016 - 1019.

92. Auzel, F. Comter guantique par transfer! d'energie de Tm3+ dans un tung-state mixte et dans un verre germinate / F. Auzel // C.R. Acad. Sc. Paris, B.- 1966.-v.263.-P. 819-821.

93. Gupta, K. C. Some transient characteristics of electrically heated tungsten filaments / K. C. Gupta, M. Satyan // J. Sci. Instrum. 1963. - Vol. 40. - P. 244 - 246.

94. Koedam, M. Materials vital to the lighting industry. Lighting Design & Application / M. Koedam // January, 198. P. 18 - 27.

95. Schmidt, K. Trends in light souers / K. Schmidt // I. Light Visual Environ.- 1984. -№1.- P. 2-8.

96. Vabre, I. P. Electronique des impulsions / I. - P. Vabre // T. 3. - 1970. -P. 13-14.

97. Willoughby, A. H. Electric Lamps The First One Hungred Years and Beyond / A. H. Willoughby // IPLE Lighting Journal. - December, 1984. -P. 250-254.127. http://www.uralstroyportal.ru/news/news2003.html