CN101095378A - 用于监测电弧管中汞凝结的方法和监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了监测汞蒸汽放电灯(1)的充气电弧管(2)内汞凝结的方法，其中确定并且分析灯电压和灯电流以给出电弧管内的气体中汞饱和状态的指示。此外，本发明描述了用于执行该方法的适合的监测装置。

Description

用于监测电弧管中汞凝结的方法和监测装置

本发明涉及监测汞蒸汽放电灯的充气电弧管(arc tube)中汞凝结的方法。此外，本发明涉及用于监测汞蒸汽放电灯的充气电弧管中汞凝结的监测装置。而且，本发明涉及用于驱动汞蒸汽放电灯的方法，其中根据这种方法监测灯的电弧管中的气体的汞饱和状态，并且涉及用于驱动包括这种监测单元的汞蒸汽放电灯的驱动单元，还涉及包括汞蒸汽放电灯和这种驱动单元的投影系统。

汞蒸汽放电灯包括外壳，其由能够耐高温的材料例如石英玻璃组成。由钨制成的电极从相对侧深入该外壳。该外壳，以下也称为“电弧管”，包括主要由汞和一种或多种稀有气体组成的填充物。通过在电极之间施加高电压，在电极的尖端之间产生光弧，然后其可以保持在较低的电压。由于它们的光学性质，为了投影目的其中优选使用汞蒸汽放电灯。对于这种应用，要求光源尽可能的是点光源。而且，希望发光强度(尽可能的高)同时光的光谱组成(尽可能的自然)。这些性质优选最后可以使用所谓的“高压气体放电灯”或者“HID灯”(高强度放电灯)以及，特别地，“UHP-灯”(超高性能灯)来获得。

通常，这种高压放电灯的电弧管具有很小的尺寸，例如具有几10mm³的体积。这种灯的高电极负载导致钨从电极中蒸发，然后其沉积在电弧管的壁上，导致电弧管的非常不希望的变黑。这种壁变黑必须避免，否则由于吸收热辐射的增加，在电弧管工作寿命期间电弧管的壁温度会增加，最后破坏电弧管。在避免这种由于钨迁移引起的壁变黑的尝试中，已经在电弧管的气体中添加了精确量的氧和卤素优选溴。这种灯气氛中的添加物防止了钨由电极蒸发沉积在灯泡壁上，因为在接近灯泡壁的灯泡的更冷区域，钨原子发生化学反应以形成挥发性卤氧化物分子，其通过例如对流迁移到接近电极的灯的较热区域，在这里这些分子离解。这样，钨原子以再生的方式返回到灯电极中。这种迁移循环通常称之为“再生循环”。

如果使用远低于灯的额定功率的操作功率驱动灯时会产生问题。在一定的功率水平之下，由于汞凝结，卤素例如溴通过液态汞粘结。因此，再生循环不再有效。

然而，投影灯逐渐变暗的可能性(其中灯功率由视频内容决定)被希望用于下一代多媒体投影仪。通常对于较暗的场景可以通过适当控制投影仪的图片-再现(render)部件例如显示器变暗图片，就像至今为止一直做地那样。然而，对于具有特定数目亮度级的显示器(例如8比特)，由于部分比特不能使用，这项技术导致部分动态范围丢失。因此，利用图片-再现部件变暗投影仪导致对比度损失。另一方面，通过变暗光源，可以利用由图片-再现部件提供的整个对比度，即使在暗场景中。例如，由Takashi Toyooka等人在SID 04 Digest，174，2004上发表的文章“Illumination Control System for Adaptive Dynamic Range Control”描述了灯功率的减小应该是用于光输出的动态减小的最优选措施，但是由于受UHP灯的变暗范围的强加限制，其不能使用。如上所述，对于UHP灯变暗的这些限制通常由汞凝结决定。因此，为了在视频投影应用中在暗场景期间增加对比度，希望减小灯功率而大大低于汞凝结水平。

在关于电弧管中汞凝结状态的的精确信息可获得的情况下，减小灯功率是可能的，至少暂时是可能的，然后由此在中断再循环能够导致显著变暗发生之前提高灯功率。由于灯的热惯性，汞的凝结和蒸发不会精确地跟随功率变化。如果调整灯的强制冷却以适应功率水平时，这种情形变得更加复杂。因此，使用凝结汞操作的灯的持续时间取决于灯功率以前的变化曲线(prehistory)，还取决于每个低和高功率水平的情况，以及取决于强制冷却强度的之前的变化曲线(history)。因此，电弧管中汞凝结的状态不能通过简单地监测灯功率得到满意地控制。

因此，本发明的目的是提供用于更好监测汞凝结的容易并且廉价的方法以及相应监测装置。

为此，本发明提供了在汞蒸汽放电灯的充气电弧管中监测汞凝结的方法，其中确定和分析灯电压和灯电流以给出电弧管中气体的汞饱和状态的指示。

在正常操作模式中，汞蒸汽放电灯显示负电流-电压特性。通常通过减小电流实施灯功率的减小，引起操作电压的增加。然而，可以发现如果部分汞已经凝结，响应于功率(或电流)变化的电压主要由汞压力的变化确定。这导致灯电压对电流减小的不同响应。相对于不饱和灯的情况，饱和灯的电压由于汞凝结而降低并且导致汞压力的减小。在电压响应特性中的类似差别可以在电流增加的情况中观察到。这种特性可以作如下解释：如果在不饱和状态期间即正常操作模式下电流减小，在电极之间的等离子体冷却至较低温度并且离子化程度降低。结果，灯电阻如操作电压一样增加。另一方面，在饱和状态，增加的电流导致灯热量输出的增加。这首先导致汞由熔融体蒸发。在气体中蒸发的汞原子的增加还导致灯电阻的增加。对于饱和灯如果电流增加，这种影响扮演了重要角色并且导致电压增加。

关于作为电流水平函数的电压特征的这种观察在根据本发明的方法中起到好的作用，从而通过同时地测量电压和电流以及这些测量彼此之间的关系，以容易和不复杂的方式确定灯泡中汞饱和状态的指示。

用于监测汞蒸汽放电灯的充气电弧管中汞凝结的合适监测装置应该包括以下部件：用于确定灯电压的电压确定单元、用于确定灯电流的电流确定单元、用于分析确定的灯电压和确定的灯电流并且用于根据该分析结果给出关于电弧管中气体的汞饱和状态的指示的分析单元。

这种监测装置基本上可以在用于控制汞蒸汽放电灯的任何灯控制单元中实现。同样地，这种灯控制单元可以包括在包括汞蒸汽放电灯的几乎任何投影系统或者其它图像再现系统中。至少该分析单元可以作为图像再现控制单元或者灯控制单元的可编程微处理器中的软件来实现。例如，由于大部分投影系统已经具有用于控制电压和电流的适合的电压和电流测量单元，以及由于这种设备通常也具有可编程微处理器，可以通过安装适合的软件更新简单调整已有的控制单元和/或投影系统。

根据本发明如果灯的电弧管中气体的汞饱和状态被监测，这种测量可以用于驱动汞蒸汽放电灯的方法中，其中根据汞饱和状态控制灯功率和/或冷却该灯。例如，对于汞饱和状态的典型值可以提交给控制循环中使用的功率控制器和/或冷却控制器。特别地，借助于汞凝结状态的这种监测，其可以以这种方式控制灯功率，使得灯的临时变暗在其中汞开始凝结的功率水平之下起作用。借助本发明，确定其中灯功率必须增加以便避免电弧管的壁的显著变黑的点是可能的。

从属权利要求和之后的描述公开了本发明的特别优选实施例和特征。

在本发明的特别基本实施例中，仅仅确定性质例如灯的电流/电压特性的斜率符号，以给出关于汞凝结状态的定性指示。换句话说，其简单监测电压随着电流增加是增加还是减小，或者电流降低是导致电压增加还是减小。然后，该信息被用于指示灯是在饱和状态还是在不饱和状态操作。

电流电压的斜率符号分析可以通过对测量的灯电压和灯电流的斜率的简单分析实现，例如通过测量在一定短时间周期内的灯电压以及在短时间周期内的灯电流，以及确定灯电流和灯电压的斜率。测量的灯电流的斜率与测量的灯电压的斜率之间的关系产生电流/电压特性斜率并且因此还产生所需要的斜率的符号。

在本发明的再一实施例中，灯电压的斜率与灯电流的斜率的比用于给出关于灯中汞饱和状态的定量指示。

通常，本发明可以用于所有类型的汞蒸汽放电灯。优选地，用于HID灯以及特别用于UHP灯。本发明还可以用于其它灯，这些灯不是用于投影系统，而是例如用于汽车照明系统的灯。

根据以下详细描述并且结合附图，本发明的其它目的和特征将变得更加明显。然而，应该理解这些附图仅仅是为了解释的目的设计的，并且不作为限制本发明的界定。在附图中，在全文中相同的附图标记表示相同的部件。

图1是高压汞蒸汽放电灯的纵向图；

图2是对于200瓦特UHP灯整体光输出和汞压力随操作功率变化的曲线；

图3是包括根据本发明的监测单元的灯控制单元的示意框图；

图4是包括根据本发明的监测单元的另一灯控制单元的详细框图；

图5示出了在灯功率变化期间120瓦特UHP灯的电压变化。

在附图中物体的尺寸已经为了清晰的目的进行了选择并且不需要反映真实的相对尺寸。

图1中示出的高压汞蒸汽放电灯1具有石英玻璃制成的椭圆形电弧管2。电弧管2的端部通过圆柱形石英部6、7相连接，钼箔8、9以真空密闭方式密封在其中。钼箔8、9的内端部连接到伸入电弧管2内部的电极4、5上。这些电极4、5由钨制成。在伸入灯泡内部的端部上，电极4、5支撑钨的卷绕体或者线圈体。钼箔8、9的外端部连接到电流供电线10、11上，该电流供电线通往灯外部。

电弧管2填充有稀有气体和汞。而且，少量的溴还存在于电弧管2中。这种灯1的操作原理，以及特别是借助在气体中添加的溴确保钨不会在电弧管的内壁上沉淀的再生循环，在以上描述中已经进行了详细解释。汞凝结成液体形式还带来一个问题，由于这样的事实：溴原子被液态汞包围，然后导致再生循环中断，这也已经进行了详细解释。

图2示出了对于200瓦特UHP灯在汞压力和操作功率之间的关系。汞压力由菱形标记指示。可以明显看出，在120W的操作功率以下，汞开始凝结。图2还示出了整体光输出和该操作功率之间的关系(圆形标记)。这解释了对于200W UHP灯，当希望确保UHP灯不在其中汞以液体形式存在的饱和状态操作时，光输出的减少限于30％。使用普通的120W UHP灯时会产生同样的问题。如果要避免汞的凝结，这些灯不能在100W下变暗。另一方面，由于汞凝结状态仅仅以一个延迟跟随灯功率的减少，通常允许该灯在较低的功率范围操作一定长的时间，而不会导致灯的损坏。为此，根据本发明监测汞的状态。

以下将借助附图3描述具有监测装置14的灯控制单元13，其可以用于监测电弧管中汞饱和状态。该附图示意性的示出了与本发明有关的部件。灯控制单元13还可以包括操作汞蒸汽放电灯通常需要的任何其它部件。这种灯控制单元通常称之为“灯驱动器”。

灯控制单元13的核心是具有两个连接器21、22的电源单元20，其通过引线10、11连接灯1。在这种情况中，灯1是冷却UHP灯1，其装备有冷却单元12。冷却单元12被冷却控制单元19控制，其也是灯控制单元13的一部分。灯控制单元13通过两个连接器23、24连接电源18。

根据本发明，灯控制单元13包括监测装置14。其进而又包括电压测量单元15，其并联连接灯1至电源单元20的极点21、22，并且其测量灯1的引线10、11间的电压。进一步，被置于到灯1的引线10中的电流测量单元16测量流过灯1的电流。这种电流测量单元16可以例如利用感应测量电流。

监测装置14还包括分析单元17，其与电压测量单元15和电流测量单元16连接，并且他们向分析单元17报告测量结果。在分析单元17中，记录电压测量单元15和电流测量单元16的测量值，并且分析作为结果得到的电流和电压曲线。

图4示出了具有根据本发明的监测装置的灯驱动器26的可能的实例的更详细的电路。驱动电路26包括直流转换器28、换向级(commutationstage)40、点火装置45、控制电路27、电压测量单元35和电流测量单元36。

控制电路27控制转换器28、换向级40和点火装置45，并且监测在气体放电灯1中的灯驱动器26的电压状态。换向级40包括驱动器50，其控制四个开关46、47、48、49。点火装置45包括点火控制器41和点火变压器，其借助两个扼流圈43、44产生对称高压，从而点亮灯1。

转换器28由外部直流电源25供电，例如380V的直流电源。直流转换器28包括开关32、二极管29、电感33和电容31。控制电路27经由电平转换器39控制开关32，并且由此控制灯1中的电流。

电压测量单元35并联连接于电容31，并且以具有两个电阻37、38的分压器的形式实现。电容34并联连接于电阻38。

对于电压测量，降低的电压经由分压器37、38在电容31上转向(divert)，并且利用模拟/数字转换器在控制电路27中测量。电容34起到在测量信号时减少高频失真的作用。在灯1中的电流通过电流测量单元36在控制电路27中监测，其还根据感应原理操作。由于控制电路27利用电平转换器39和开关32控制灯1中的电流，瞬间电流水平还可以在控制电路27中被接收。在这种情况中，根据本发明需要的电流测量单元直接集成在控制电路中，如图4所示的外部电流测量单元36例如可以用于检查目的或者对于某些类型的灯可以被完全省去。

控制电路27包括可编程微处理器。在此分析单元17以在控制电路的微处理器上运行的软件形式实现。分析单元17记录并且分析由电压测量单元15和电流测量单元16报告的测量值。

图5示出了在相同时间周期内平行记录的电流(上部)和电压(下部)曲线的实例。在一定区域，不同的网格线可以使得它们彼此区分开，分析作为灯功率变化(以及由此引起的灯电流的变化)函数的电压特性。由此，确定当电流减小时电压是否降低，或者确定电压是否升高。通过单独进行这种观察，确定电弧管中汞饱和状态是可能的。

从图5中可以明显看出，作为电流变化函数的电压特性(在这些区域中发生汞凝结)与其中灯在不饱和状态下操作时的区域中的特性明显不同。虽然在汞凝结状态期间电流的减小导致电压相应的降低，并且电流的增加导致电压相应的增加，但是在汞不饱和状态期间电流的减小导致电压增加，并且反之亦然。因此，在汞凝结状态下，灯表现出正电流-电压特性，然而其在汞不饱和状态下表现出(正常的)负电流-电压特性。利用作为电流减少函数的电压减少的关系的精确评估，可以得出关于定量汞凝结的结论。

借助于监测装置14，由此直接确定灯1中的汞饱和状态成为可能。因此，合适的控制信号可以由监测装置14发送至灯控制单元13的电源单元20和冷却控制单元19，使得，例如通过提升操作灯功率或者通过减小冷却水平，可以及时采取措施以防止变黑发生以及损坏灯。这允许在操作期间灯的变暗大大低于额定功率，至少对于一定周期时间。在实验中运行超过几个小时，通过适当控制冷却单元12和电源单元20，以变暗灯至UHP灯在饱和状态驱动的水平是可能的。其甚至可以变暗灯低至额定功率的40％。这证明，例如借助本发明，通过变暗灯可以实现之前描述的自适应动态范围控制，并且由此实现最优化性能。

尽管本发明已经以优选实施例和其变形的形式公开，应该理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以进行各种额外的修改和变形。为了清楚起见，还应该理解在本申请全文中使用的“一”或“一个”不排除多个，以及“包括”不排除其它的步骤或者部件。而且，“单元”可以包括大量块或设备，除非明确说明作为单个实体。

Claims (9)

1、一种监测汞蒸汽放电灯(1)的充气电弧管(2)中汞凝结的方法，其中：

确定和分析灯电压和灯电流以给出关于电弧管(2)中气体的汞饱和状态的指示。

2、根据权利要求1的方法，其中，确定灯(1)的电流-电压特性的性质以给出关于汞饱和状态的指示。

3、根据权利要求1或2的方法，其中，对已确定的灯电压和灯电流的分析包括对灯电压过程和灯电流过程的斜率的分析。

4、根据权利要求3的方法，其中，灯电压过程的斜率与灯电流过程的斜率的比值用于指示汞饱和状态。

5、根据权利要求1-4任何一个的方法，其中，汞蒸汽放电灯(1)是高强度放电灯，特别是超高性能灯。

6、一种用于驱动汞蒸汽放电灯(1)的方法，其中，根据权利要求1-4任何一个的方法监测灯的电弧管内气体中汞的饱和状态，以及根据汞饱和状态控制灯(1)的灯功率和/或冷却。

7、一种用于监测汞蒸汽放电灯(1)的充气电弧管中汞凝结的监测装置(14)，包括：

用于确定灯电压的电压确定单元(15、35)；

用于确定灯电流的电流确定单元(16、36)；

用于分析已确定的灯电压和已确定的灯电流的分析单元(17)，以便根据分析结果给出电弧管内气体中汞饱和状态的指示。

8、一种用于驱动汞蒸汽放电灯(1)的驱动单元(13、26)，包括根据权利要求7的监测装置(14)。

9、一种图像再现系统，特别是投影系统，包括汞蒸汽放电灯(1)和根据权利要求8的驱动单元(13、26)。

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