波長(zhǎng)校準(zhǔn)用低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源的研制

張彬，楊欣欣，周賽，蔡晨，趙輝，韓吉慶，潘忠泉

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

波長(zhǎng)校準(zhǔn)用低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源的研制

張彬，楊欣欣，周賽，蔡晨，趙輝，韓吉慶，潘忠泉

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

研制波長(zhǎng)校準(zhǔn)用低壓石英汞燈電源，用于驅(qū)動(dòng)汞燈起輝并維持穩(wěn)態(tài)發(fā)光。電路由EMI濾波電路、橋式整流電路、LCC半橋諧震逆變電路、控制電路和保護(hù)電路5部分組成。采用系統(tǒng)建模與仿真驗(yàn)證電路的可行性并計(jì)算電路參數(shù)理論值，利用示波器和功率表驗(yàn)證電源輸出參數(shù)，功率輸出穩(wěn)定性不大于0.03 W。根據(jù)紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研制的電源驅(qū)動(dòng)汞燈的工作效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，汞燈能夠輸出系列特征譜線，譜線相對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)定性不大于5.16%；汞燈工作3 h后，燈管外殼表面溫度為43℃。該驅(qū)動(dòng)電源的性能參數(shù)滿足JJG 112-2015《 低壓石英汞燈波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器檢定規(guī)程》的要求。

驅(qū)動(dòng)電源；低壓石英汞燈；保護(hù)電路；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

低壓石英汞燈在紫外、可見(jiàn)光區(qū)具有多條窄帶譜線，具有特征譜線能量強(qiáng)、輻射強(qiáng)度穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、安裝使用方便等特點(diǎn)，常用作光譜類儀器波長(zhǎng)校準(zhǔn)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具［1］，由專用電源驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)起輝發(fā)光和穩(wěn)態(tài)工作。目前現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電源采用加入外部信號(hào)的方式控制起輝電壓和工作電壓的作用時(shí)間［2］，不足之處是電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；或采用漏磁變壓器產(chǎn)生高電壓，汞燈起輝發(fā)光后兩極間電壓隨著燈電流的增大而不斷下降直至穩(wěn)定狀態(tài)［3］，其缺點(diǎn)是電源可調(diào)性差。筆者基于LCC半橋諧振逆變電路結(jié)構(gòu)研制了低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低壓石英汞燈起輝和穩(wěn)態(tài)工作的驅(qū)動(dòng)，具有開(kāi)關(guān)器件少、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可調(diào)性強(qiáng)、工作可靠等特點(diǎn)［4-5］，同時(shí)還具有汞燈觸發(fā)失敗保護(hù)和故障保護(hù)功能。

1 技術(shù)參數(shù)

結(jié)合目前常用波長(zhǎng)校準(zhǔn)用筆形低壓石英汞燈，設(shè)定的驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)原理

驅(qū)動(dòng)電源主要由EMI濾波電路、橋式整流電路、LCC半橋諧振逆變電路、控制電路和保護(hù)電路5部分組成［6-10］。EMI濾波器能濾除市電電網(wǎng)與電源模塊相互之間的電磁干擾；橋式整流電路輸出的直流電壓用于系統(tǒng)供電；LCC半橋諧振式逆變電路提供汞燈觸發(fā)點(diǎn)亮和維持發(fā)光分別所需的電壓和電流；控制電路提供頻率可調(diào)的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LCC電路中MOSFET工作［11-12］；保護(hù)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整流電路輸出電壓，電壓過(guò)低時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧振回路電流，在燈管觸發(fā)失敗和燈出現(xiàn)故障等情況發(fā)生時(shí)關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高電源工作的安全性和可靠性［13-14］。驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 低壓汞燈電源設(shè)計(jì)框圖

3 建模與仿真

3.1 系統(tǒng)建模

根據(jù)LCC半橋諧振逆變電路結(jié)構(gòu)建立電源模型［15-17］，系統(tǒng)工作過(guò)程：交流市電經(jīng)濾波、整流后得直流電源Vbus，用于控制電路和逆變電路供電，控制電路輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路的兩只功率管交替導(dǎo)通，逆變輸出電壓Vs驅(qū)動(dòng)諧振電路工作，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的通斷頻率，改變諧振電路的工作頻率，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓汞燈的點(diǎn)亮和發(fā)光控制。

逆變輸出電壓Vs為周期性的方波電壓，頻率與逆變電路開(kāi)關(guān)管通斷頻率相同，對(duì)LCC諧振電路進(jìn)行交流分析，忽略直流分量的影響，Vs用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式按式(1)表達(dá)［18-19］：

式中：ω=2πf。

若諧振電路的諧振電容為Cs，諧振電感為L(zhǎng)，低壓汞燈內(nèi)部阻抗為RL，與之并聯(lián)的啟動(dòng)電容為Cp(Cp遠(yuǎn)小于Cs)，則電路的自然諧振頻率，其中，C=CSCP／（CS+CP），表示CS與CP的串聯(lián)電容，特征阻抗，品質(zhì)因數(shù)。

令α=C／CP，Ω=ωω0=ωLC，則燈電壓按式(2)表達(dá)：

汞燈尚未點(diǎn)亮?xí)r，可等效為兆歐級(jí)大電阻，控制電路控制諧振電路震蕩頻率ω在ω0附近時(shí)，Ω趨近于1，在負(fù)載兩端可產(chǎn)生數(shù)倍于Vs的起輝電壓，擊穿燈管內(nèi)氣體使汞燈發(fā)光；汞燈點(diǎn)亮后，內(nèi)阻急劇減小，可等效為小電阻，Q值變大，控制電路降低諧振電路震蕩頻率ω，使其遠(yuǎn)離ω0，燈電壓變小，同時(shí)限制燈電流的大小，維持燈穩(wěn)態(tài)工作。

控制電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整流電路輸出電壓和諧振回路電流，電壓過(guò)低時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，燈管觸發(fā)失敗和燈出現(xiàn)故障等情況發(fā)生時(shí)關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高電源工作的安全性和可靠性。

3.2 電路仿真

在Multisim環(huán)境下對(duì)電路模型進(jìn)行仿真。低壓汞燈模型較為復(fù)雜，仿真時(shí)用不同阻值電阻模擬汞燈點(diǎn)亮前和穩(wěn)態(tài)工作兩種狀態(tài)，燈電壓的仿真結(jié)果分別如圖2、圖3所示，起輝電壓約1 600 V，工作電壓約450 V，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)仿真得到LCC諧振電路參數(shù)的理論值，作為電路調(diào)試參考。

圖2 汞燈點(diǎn)亮前燈電壓仿真結(jié)果

圖3 汞燈穩(wěn)態(tài)工作時(shí)燈電壓仿真結(jié)果

4 結(jié)果測(cè)試

4.1 指標(biāo)考核

用示波器觀察低壓石英汞燈穩(wěn)態(tài)工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓，為交流230 V（頻率22 kHz）。

用功率表測(cè)量低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率，測(cè)量方式為燈點(diǎn)亮20 min后每10 s記錄1次數(shù)據(jù)。按式(3)計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，以表示電源輸出的穩(wěn)定性。輸出功率結(jié)果見(jiàn)表2。

式中：sW——定值裝置測(cè)量重復(fù)性；

Wi——測(cè)量值；

n——測(cè)量次數(shù)。

表2 低壓石英汞驅(qū)動(dòng)電源輸出功率 W

由表2可知，低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率平均值為2.51 W，穩(wěn)定性sW≤0.03 W。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

參照J(rèn)JG 112-2015低壓石英汞燈波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器檢定規(guī)程［20］，基于紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)的電源的工作效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)光譜譜線及相對(duì)強(qiáng)度

測(cè)量設(shè)計(jì)電源驅(qū)動(dòng)下低壓石英汞燈在紫外可見(jiàn)光區(qū)光譜譜線如圖4所示，對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)見(jiàn)表3。

圖4 研制電源驅(qū)動(dòng)下的低壓石英汞燈光譜譜線

表3 低壓石英汞燈波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)光譜線

(2)譜線相對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)定性

低壓石英汞燈預(yù)熱20 min后，在15 min內(nèi)，每隔2 min測(cè)定并記錄253.65，435.83，546.07 nm波長(zhǎng)處譜線相對(duì)強(qiáng)度示值變化情況，按式(4)計(jì)算譜線相對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)定性△I，結(jié)果見(jiàn)表4。

ΔI——譜線相對(duì)強(qiáng)度，%；

Imax——20 min內(nèi)譜線強(qiáng)度最大值，%；

Imin——20 min內(nèi)譜線強(qiáng)度最小值，%。

表4 電源驅(qū)動(dòng)下低壓石英汞燈譜線相對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)定性

由表4可知，研制電源驅(qū)動(dòng)下的低壓石英汞燈譜線相對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)定性不大于5.16%。

(3)燈管外殼表面溫度

將標(biāo)準(zhǔn)器置于工作臺(tái)上，開(kāi)啟電源，點(diǎn)燃汞燈并連續(xù)工作3 h后，用表面溫度計(jì)測(cè)量燈管外殼表面溫度為43℃。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，研制的電源滿足低壓石英汞燈波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器檢定規(guī)程中規(guī)定的使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

研制的波長(zhǎng)校準(zhǔn)用低壓石英汞燈驅(qū)動(dòng)電源基于LCC半橋諧振逆變電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有開(kāi)關(guān)器件少、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可調(diào)性高、工作可靠等特點(diǎn)。經(jīng)指標(biāo)考核，技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，輸出功率穩(wěn)定性不大于0.03 W，同時(shí)具有汞燈觸發(fā)失敗保護(hù)、故障保護(hù)功能，確保了工作的安全性?；谧贤饪梢?jiàn)近紅外分光光度計(jì)國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源驅(qū)動(dòng)低壓汞燈工作的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果滿足JJG 112-2015低壓石英汞燈波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器檢定規(guī)程的相關(guān)要求，能夠應(yīng)用于光譜類儀器的波長(zhǎng)校準(zhǔn)。

［1］ JJG 178-2007 紫外、可見(jiàn)、近紅外分光光度計(jì)檢定規(guī)程［S］.

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2021年全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)將達(dá)196億美元

MarketsandMarkets不久前發(fā)布了全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)最新發(fā)展報(bào)告。據(jù)報(bào)告稱，到2021年，全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)將達(dá)到195.6億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率保持7.7%。而在MarketsandMarkets 2015年底發(fā)布的全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)報(bào)告中，預(yù)測(cè)復(fù)合年增長(zhǎng)率保持7.5%，到2020年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到205億美元。

據(jù)報(bào)告分析，全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)能持續(xù)增長(zhǎng)的原因主要是政府控制環(huán)境污染水平的積極性在增加；用于污染控制和監(jiān)測(cè)的政府資金在增加；環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)在持續(xù)安裝、發(fā)展環(huán)境友好型工業(yè)的積極性在增加。

環(huán)境監(jiān)測(cè)產(chǎn)品可分為環(huán)境監(jiān)測(cè)儀(固定式和便攜式)、環(huán)境傳感器和環(huán)境軟件三大類。環(huán)境傳感器的產(chǎn)品類型主要有模擬式和數(shù)字式兩種，應(yīng)用于溫度、濕度、生物、化學(xué)和噪聲等的監(jiān)測(cè)。根據(jù)采樣方法的不同，環(huán)境監(jiān)測(cè)可分為間斷監(jiān)測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、被動(dòng)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)4種類型。全球環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象包括空氣污染、水體污染、土壤污染和噪聲污染。

2016年全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)中，市場(chǎng)份額最大的為環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，主要是因?yàn)槲廴颈O(jiān)測(cè)儀的安裝數(shù)量在增加，發(fā)展中國(guó)家對(duì)水和空氣監(jiān)測(cè)儀器的需求在增加以及環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的保有量在增加。

不同采樣方法的儀器中，連續(xù)監(jiān)測(cè)儀器在2016年所占的市場(chǎng)份額最大，主要是因?yàn)閷?duì)企業(yè)的環(huán)境要求在增加以及全球范圍內(nèi)主要環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的環(huán)境污染在加劇。

從地域范圍來(lái)說(shuō)，2016年全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)最大的地區(qū)是北美，第二的是歐洲，但是市場(chǎng)增速最快的是亞太地區(qū)。亞太地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)增速較快的原因有：亞太國(guó)家(如中國(guó)、印度)目前工業(yè)化速度比較快；亞太地區(qū)的環(huán)境法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格；履行區(qū)域間環(huán)境安全協(xié)議。

對(duì)于各大廠商，環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)是有很多機(jī)會(huì)的。過(guò)去幾十年，快速的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化導(dǎo)致空氣、水質(zhì)和土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降，由于幾大政府積極資助和推進(jìn)高效的污染控制和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，未來(lái)5年，全球環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)有望保持不錯(cuò)的增長(zhǎng)。

(可國(guó)分析計(jì)量網(wǎng))

農(nóng)藥殘留新國(guó)標(biāo)發(fā)布 限量標(biāo)準(zhǔn)增至4 140個(gè)

《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》2016版不久前正式頒布實(shí)施，這一農(nóng)藥殘留的新國(guó)標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量和覆蓋率上都有了較大突破，規(guī)定了433種農(nóng)藥在13大類農(nóng)產(chǎn)品中4 140項(xiàng)殘留限量，較2014版增加490項(xiàng)，基本涵蓋了我國(guó)已批準(zhǔn)使用的常用農(nóng)藥和居民日常消費(fèi)的主要農(nóng)產(chǎn)品。

此次發(fā)布的新版農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)具有三大特點(diǎn)：一是制定了苯線磷等24種禁用、限用農(nóng)藥184項(xiàng)農(nóng)藥最大殘留限量，為違規(guī)使用禁限農(nóng)藥監(jiān)管提供了判定依據(jù)；二是按照國(guó)際慣例，對(duì)不存在膳食風(fēng)險(xiǎn)的33種農(nóng)藥，豁免制定食品中最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了我國(guó)食品中農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性、實(shí)用性和系統(tǒng)性；三是除對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中涉及的限量推薦了配套的檢測(cè)方法外，還同步發(fā)布了106項(xiàng)農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)悉，我國(guó)現(xiàn)發(fā)布的食品中農(nóng)藥殘留限量均是根據(jù)我國(guó)農(nóng)藥殘留田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)、我國(guó)居民膳食消費(fèi)數(shù)據(jù)、農(nóng)藥毒理學(xué)數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后制定的。同時(shí)，為確保標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)、公正、公開(kāi)，標(biāo)準(zhǔn)制定期間，廣泛征求了生產(chǎn)、科研、管理等各方面和社會(huì)公眾意見(jiàn)，接受了世界貿(mào)易組織成員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)性的評(píng)議，在以保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全為基礎(chǔ)的同時(shí)，又適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。

作為國(guó)際食品法典農(nóng)藥殘留委員會(huì)主席國(guó)，我國(guó)是少數(shù)幾個(gè)參與制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家之一，“十二五”期間，我國(guó)參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的能力和影響力逐步提升，使用我國(guó)殘留數(shù)據(jù)制定國(guó)際限量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量已達(dá)到11項(xiàng)。目前我國(guó)農(nóng)藥殘留膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原則、方式、數(shù)據(jù)量需求等方面已與國(guó)際接軌。

據(jù)介紹，“十三五”農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)制定已列出明晰的任務(wù)和規(guī)劃——新制定6 000項(xiàng)農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)解決蔬菜水果和我國(guó)特色農(nóng)產(chǎn)品的限量標(biāo)準(zhǔn)，完善與農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)配套的檢測(cè)方法。逐步實(shí)施“進(jìn)口限量標(biāo)準(zhǔn)”和“一律限量標(biāo)準(zhǔn)”，擴(kuò)大我國(guó)限量標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面。同時(shí)，將以我國(guó)自主創(chuàng)新農(nóng)藥為重點(diǎn)，積極參與制定國(guó)際食品法典標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)藥自主創(chuàng)新。

（儀器信息網(wǎng)）

Development of Driving Source of Low-Voltage Quartz Mercury Lamp for Wavelength Calibration

Zhang Bin, Yang Xinxin, Zhou Sai, Cai Chen, Zhao Hui, Han Jiqing, Pan Zhongquan
(Institute 53, China North Industries Group Corporation, Jinan 250031, China)

A driving source was developed for lighting low-voltage quartz mercury lamp and keeping it glowing for wavelength calibration. The circuit consisted of EMI filter，bridge rectifier, LCC halt-bridge converting-resonant, control and protection circuits. The feasibility and theoretical value of the parameters of the circuit structure were carried out through system modeling and simulation. The stability of power output was not more than 0.03 W. The effect of the source to drive lamp work was evaluated based on the highest metrological standards of uv-vis-nir spectrophotometer in defense system. The results indicated that the lamp could emit series of characteristic special lines, and the relative intensity stabilities of which were not more than 5.16%; the surface temperature of the hand shank of the lamp was 43℃after 3 hours of work. Performance parameters of the driving source can meet the requirements of JJG 112-2015 Wavelength Standard Instrument of Low-pressure Mercury Arc.

driving source; low-voltage quartz mercury lamp; protection circuit; metrological standard

O652.2

:A

:1008-6145(2017)02-0106-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2017.02.029

聯(lián)系人：張彬；E-mail： yiming1216@126.com

2017-01-03