DE102016120672A1

DE102016120672A1 - Lampensystem mit einer Gasentladungslampe und dafür angepasstes Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102016120672A1
Application number: DE102016120672.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Winderlich
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2036-10-29
Also published as: JP2020501297A; EP3532434B1; DE102016120672B4; JP6828153B2; KR102241690B1; KR20190051047A; WO2018077678A1; US10652975B2; EP3532434A1; US20190254151A1; CN109923073B; CN109923073A

Abstract

Zur Regelung eines Lampensystems mit einer Gasentladungslampe, einem elektronischen Vorschaltgerät und mit einer Steuereinheit wird eine leistungsbeeinflussende Regelgröße des Lampensystems verwendet. Um hiervon ausgehend ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, das einen Betrieb mit hoher Emissionsleistung unabhängig von deren Bauform und etwaigen Änderungen infolge von Lampenalterung und auch ohne Kenntnis der optimalen Betriebstemperatur ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Lichtintensitätsregelung vorgesehen ist, bei der mittels eines Lichtsensors ein Ist-Wert einer von der Gasentladungslampe emittierten Lichtintensität gemessen und die emittierte Lichtintensität als Regelgröße eingesetzt wird.

Description

Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lampensystems, mit einer Gasentladungslampe, einem elektronischen Vorschaltgerät und mit einer Steuereinheit zur Regelung einer leistungsbeeinflussenden Regelgröße des Lampensystems.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Lampensystem zur Durchführung des Verfahrens, aufweisend eine Gasentladungslampe, einem elektronischen Vorschaltgerät und mit einer Steuereinheit zur Regelung einer leistungsbeeinflussenden Regelgröße des Lampensystems.
Bei Gasentladungslampen handelt es sich um Quecksilberdampflampen, Fluoreszenzlampen oder Natriumdampflampen. Die Emissionsleistung von quecksilberhaltigen UV-Entladungslampen zeigt ein Maximum bei einem spezifischen Quecksilberpartialdruck. Es gibt daher eine optimale Betriebstemperatur, bei der die Emissionsleistung der Gasentladungslampe maximal ist. Bei Entladungslampen, bei denen mindestens ein Teil des Quecksilbers nicht in flüssiger Form sondern als Legierung (Amalgam) vorliegt, bildet sich ein Gleichgewicht zwischen dem im Amalgam gebundenen und dem freien Quecksilber, das ebenfalls von der Betriebstemperatur der Gasentladungslampe, insbesondere von der Temperatur des Amalgamdepots, abhängt.
Die elektrische Anschlussleistung der Gasentladungslampe ist unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen auf eine möglichst hohe Emissionsleistung im Dauerbetrieb ausgelegt. Die sich im Einsatz tatsächlich einstellende Betriebstemperatur unterscheidet sich aber häufig von der projektierten Temperatur. Beispielsweise können eine Überhitzung wegen hoher Umgebungslufttemperatur oder unzulänglicher Belüftung zu einer Abweichung vom Betriebsoptimum führen. Ebenso kann die Lampenalterung zu Änderungen der Emission führen.
Stand der Technik
Um eine von den Umgebungsbedingungen unabhängige maximale Emissionsleistung zu gewährleisten, wurde eine Temperierung des Amalgamdepots vorgeschlagen. Bei der aus der DE 101 29 755 A1 bekannten Leuchtstoffröhre erfolgt ist ein Temperatursensor im Bereich des Amalgamdepots angeordnet, und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur wird das Amalgamdepot mittels einer einstellbaren Heizung beheizt.
Bei der aus der WO 2005/102401 A2 bekannten Sterilisierungsvorrichtung mit einer UV-Lampe werden die Oberflächentemperatur des Lampenkolbens mittels eines Temperatursensors und gleichzeitig die UV-Strahlungsemission mittels eines UV-Sensors gemessen. Um eine optimale Betriebstemperatur und Emissionsleistung der Lampe zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass die Lampe in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur über eine Gebläse-Einheit gekühlt oder erwärmt wird.
Die GB 2 316 246 A beschreibt eine dimmbare Fluoreszenzlampe, die mit einem unabhängigen und separat vom eigentlichen Leistungsstrom ansteuerbaren Heizstromkreis für die Lampenheizung ausgestattet ist. Der Strombedarf für die Elektrodenheizung wird mit einem Temperatursensor detektiert wird.
Bei der Gasentladungslampe gemäß der WO 2014/056670 A1 ist ein elektronisches Vorschaltgerät und ein über eine Steuereinheit einstellbares Kühlelement zur Kühlung der Gasentladungslampe vorgesehen. Um eine hohe Emissionsleistung zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass bei konstantem Lampenstrom als Regelgröße die Lampenspannung und als Stellgröße die Kühlleistung verwendet werden.
Technische Aufgabe
Bei den bekannten Steuerungsmethoden wird der nominelle Lampenstrom beim Einschalten der UV-Lampe angelegt und in der Regel während des Betriebs der UV-Lampe nahezu konstant gehalten. Veränderte Betriebsbedingungen der UV-Lampe, insbesondere der Temperatur, führen zu unerwünschten Änderungen der Emissionsleistung. Um dabei gegenzusteuern, wird ein gewisses Vorwissen über den Strahlertyp benötigt, um beispielsweise einen Temperatur-Regelkreis anzupassen. Infolge von Lampenalterung auftretende Änderungen, die eine Anpassung der elektrischen Anschlussleistung erfordern würden, werden auch nicht berücksichtigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, das einen Betrieb mit hoher Emissionsleistung unabhängig von deren Bauform und etwaigen Änderungen infolge von Lampenalterung ermöglicht, insbesondere auch dann, wenn die optimale Betriebstemperatur nicht bekannt ist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lampensystem bereitzustellen, die auch bei sich verändernden Betriebsbedingungen und etwaigen Änderungen infolge von Lampenalterung mit einer hohen Emissionsleistung betrieben werden kann.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Lichtintensitätsregelung vorgesehen ist, bei der mittels eines Lichtsensors ein Ist-Wert einer von der Gasentladungslampe emittierten Lichtintensität gemessen und die emittierte Lichtintensität als Regelgröße eingesetzt wird.
Gasentladungslampen werden üblicherweise leistungsgeregelt, manchmal auch stromgeregelt betrieben, wobei die Anschlussleistung beziehungsweise der Anschlussstrom auf eine optimale Konzentration des Ladungsträgers im Entladungsraum oder optimale Temperatur und damit maximale Lichtintensität ausgelegt sind. Demenentsprechend wird bei konventionellen Lampensystemen auf Abweichungen der Umgebungstemperatur und damit einhergehender Änderungen der Betriebstemperatur der Gasentladungslampe durch Anpassungen von Betriebsparametern wie Strom, Spannung oder Temperatur eines Amalgamdepots reagiert. ,
Im Unterschied dazu bildet beim erfindungsgemäßen Lampensystem die Lichtintensität der Gasentladungslampe den leistungsbeeinflussenden Sollwert der Regelung. Die emittierte Lichtintensität wird daher nicht nur gemessen, wie auch sonst auch üblich, sondern sie wird außerdem anhand eines auf die Lichtintensität wirkenden Stellwerts der Lampenregelung auf ein Maximum oder einen vorgegebenen Schwellwert, der niedriger ist als der eigentliche Maximalwert der Emission, geregelt.
Sofern im Folgenden von dem „Maximum“ der Lichtintensität die Rede ist, so umfasst dieser Begriff auch einen „vorgegebenen Schwellwert der Lichtintensität“, sofern nicht ausdrücklich Gegenteiliges gesagt wird.
Dadurch bleibt die Lichtintensität, insbesondere die emittierte UV-Leistung immer im Bereich des Sollwerts, also des Maximums oder des vorgegeben Schwellwerts, und zwar unabhängig von den Umgebungsbedingungen und zwar auch dann, wenn weder die aktuelle Betriebstemperatur noch eine optimale Betriebstemperatur bekannt sind.
Das Maximum der Lichtintensität kann allgemein für einen Lampentyp spezifiziert sein und muss dann gegebenenfalls nicht für jede einzelne Gasentladungslampe bestimmt werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Maximum der Lichtintensität für jede Gasentladungslampe werksseitig individuell bestimmt. In dem Fall wird der individuell bestimmte Sollwert in einer Speichereinheit des Lampensystems gespeichert, das beim Einschalten der Gasentladungslampe von der Steuereinheit ausgelesen wird. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das aktuelle Maximum der Lichtintensität beim Einschalten der Gasentladungslampe nicht bekannt und wird beim Einschalten der Gasentladungslampe individuell ermittelt. Gegebenenfalls erfolgt diese individuelle Ermittlung bei jedem Einschalten der Lampe oder in vorgegebenen Einschaltzyklen und/oder Betriebsdauern.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren wird bevorzugt bei einer Gasentladungslampe angewandt, die UV-Strahlung emittiert. Der für Gasentladungslampe maßgebliche Spektralbereich für Ultraviolettstrahlung erstreckt sich zwischen 184 nm über schwerpunktmäßig 254 nm bis zu 380 nm. Gegebenenfalls wird als zu regelnde Lichtintensität auch bevorzugt eine Lichtintensität herangezogen, die UV-Licht aus dem Wellenlängenbereich von 170 bis 380 nm enthält, und ganz besonders bevorzugt die Intensität einer von der Gasentladungslampe emittierten UV-Strahlung, die Strahlung der Wellenlänge von 254 nm umfasst. Das Emissionsspektrum von Quecksilberdampfentladungslampen zeigt eine charakteristische und ausgeprägte Linie bei 254 nm (UVC-Strahlung), die zur Regelung sehr gut geeignet ist.
Die Regelungstechnik kennt unter dem Stichwort „Extremwertregelung“ eine Anzahl von Methoden zum Auffinden eines Maximums einer Regelgröße und der anschließenden Regelung auf dieses aufgefundene Maximum.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass mittels Extremwertregelung ein Zielwert für eine Stellgröße ermittelt wird, bei dem die Lichtintensität ein Maximum oder einen vorgegebenen Schwellwert einnimmt.
Die Extremwertregelung umfasst eine Maximalwert-Findung der Lichtintensität und als Ergebnis davon wird der Steuerungseinheit ein Sollwert für die Regelungsgröße, also für die Lichtintensität, übergeben. Dieser Sollwert bleibt während der anschließenden Betriebsphase konstant oder er wird kontinuierlich, von Zeit zu Zeit oder bei Bedarf neu festgelegt.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Extremwertregelung ist diese als Zweipunkt-Regelung ausgeführt, bei der die Stellgröße während einer Startphase auf mindestens zwei Ausgangswerte eingestellt wird, von denen der eine Temperaturerhöhung, und von denen der andere eine Temperaturerniedrigung des Gasentladungslampe bewirkt, wobei sowohl in Folge der Temperaturerhöhung als auch in Folge der Temperaturerniedrigung ein Maximum der Lichtintensität erreicht und überschritten wird, und dass als Zielwert der Stellgröße ein Wert zwischen dem einen und dem anderen Ausgangswert eingestellt wird.
Die Zweipunkt-Regelung basiert darauf, dass die Regelgröße, also hier die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Stellgröße ein relatives Maximum aufweist. Beispielsweise zeigen Amalgamlampen eine maximale UV-Leistung bei einem spezifischen Quecksilberdampfdruck, der wiederum mit der Temperatur des Amalgamdepots korreliert ist. Die Temperatur des Amalgamdepots kann wiederum von einem anderen Parameter abhängen, wie beispielsweise der Kühl- oder Heizleistung eines auf das Amalgamdepot einwirkenden Temperierelements. Diese Art der Abhängigkeit der Lichtintensität von einer Stellgröße mit einem ausgeprägten Maximum ist schematisch in 3a dargestellt. Sie ermöglicht eine Findung des Maximums mit zwei Ausgangswerten der Stellgröße (oder des damit korrelierten Parameters) beiderseits des Maximums, wobei die Ausgangswerte so geändert werden, dass das Maximum in der Darstellung von 3a einmal von der linken Seite und einmal von der rechten Seite erreicht und überschritten wird.
Im Vergleich zu anderen Methoden der Extremwert-Regelung ist die hier angewandte Zweipunkt-Regelung besonders geeignet für den Einsatz bei vergleichsweise trägen Regelsystemen, wie dies bei der Lichtintensität der Gasentladungslampe der Fall ist.
Bei einer zweiten, gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform der Extremwertregelung umfasst diese eine Krümmungsbestimmung einer Übertragungsfunktion von Stellgröße und der Lichtintensität, wobei der Zielwert anhand des Maximums der Lichtintensität ermittelt wird.
Auch diese Art der Regelung basiert darauf, dass die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Stellgröße ein relatives Maximum aufweist. In der Praxis wird aber das Maximum der Lichtintensität nicht direkt, sondern nur mittelbar ermittelt, indem die Regelung als Differentialregelung ausgelegt ist, die mit der 2. Ableitung der Übertagungsfunktion arbeitet. Da die Übertragungsfunktion nicht monoton ist, ist es nicht möglich, bei Änderung der Lichtintensität auf die richtige Regelrichtung zu schließen. Die erste Ableitung ist jedoch monoton und hat bei der optimalen Stellgrößeneinstellung (= max. Lichtintensität) einen Null-Durchgang. Die Änderung der Stellgröße ergibt sich nun aus dem negativen Anstieg dieser Funktion (= 2. Ableitung der Übertragungsfunktion). Diese Ausführungsform der Extremwertbestimmung eignet sich besonders gut für die Regelung, da sich nach Erreichen des Optimums die Stellgröße unter konstanten Umgebungsbedingungen nicht mehr verändert (im Gegensatz zur 2-Punkt-Regelung und zu klassischen „Extremum Seeking Control“ Algorithmen). Die Regelung auf Basis der Krümmungsbestimmung benötigt keine aufwändige Ermittlung des Maximums der Lichtintensität und ermöglicht eine kontinuierliche Regelung ohne Stufen. Sie kommt mit vergleichsweise wenigen Regeleingriffen aus, was sich auf die Lebensdauer des die Stellgröße liefernden Stellglieds günstig auswirkt, wie etwa einem Lüfter, und sie ist daher auch akustisch weniger auffällig als andere Regelungen.
Auch dieses Regelverfahren erweist sich im Vergleich zu anderen Methoden der Extremwert-Regelung als besonders geeignet für den Einsatz bei dem vergleichsweisen trägen Regelsystem wie hier.
Eine Abweichung der Lichtintensität von einem vorher ermittelten Maximum kann auf eine Veränderung der Umgebung der Gasentladungslampe hinweisen, insbesondere auf eine Temperaturänderung mit Einfluss auf die Lichtintensität; wie beispielsweise die Temperatur eines Amalgamdepots. Es bietet sich an, die betreffende Temperatur oder einen mit der Temperatur mathematisch eindeutig korrelierten veränderbaren Parameter als Stellgröße der Lichtintensität-Regelung einzusetzen.
Im Hinblick darauf zeichnet sich eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante dadurch aus, dass eine die Lichtintensität beeinflussende Betriebstemperatur der Gasentladungslampe mittels eines Temperierelements mit regelbarer Temperierleistung veränderbar ist, und dass die Temperierleistung als Stellgröße der Regelung eingesetzt wird. Das Temperieren erfolgt durch Einsatz eines gasförmigen, flüssigen oder festen Temperiermediums. Bei einem festen Temperiermedium ist das Temperierelement beispielsweise als Pelltierelement oder als Array mehrere Pelltierelemente ausgeführt.
Die Betriebstemperatur ist beispielsweise eine charakteristische Temperatur im Bereich der Oberfläche der Gasentladungslampe oder die Temperatur eines Amalgamdepots. Das Temperieren umfasst ein Erhöhen, Verringern und Halten dieser Temperatur mittels des Temperierelements. Dabei hat sich der Einsatz eines Lüfters mit PWM-geregelter Lüftungsleistung als Temperierelement besonders bewährt, wobei die Lüftungsleistung als Stellgröße der Regelung eingesetzt wird.
Bei einer Lüfterregelung mittels PWM (Pulsweitenmodulation) verfügt der Lüfter über einen eigenen Steuerungs-Chip. Im Unterschied zur Lüfterregelung mit variabler Spannung, gibt es bei der PWM Lüfterregelung keine Anlaufspannung, unterhalb der sich Lüfterrotor nicht mehr dreht. Dadurch kann die Drehzahl bis auf sehr kleine Werte herabgeregelt werden. Außerdem entfällt bei der PWM-Regelung das Problem der Abwärme durch den variablen Widerstand bei der Spannungsregelung. Die Temperierleistung als Stellgröße der Regelung ist hierbei die Lüftungsleistung, die beispielsweise in Umdrehungen des Lüfterrotors pro Zeiteinheit oder als Massen- oder Volumenstrom eines gasförmigen Temperiermediums angegeben werden kann. Kühlungs- und Erwärmungsvorgänge, wie hier das Temperieren der Gasentladungslampe, bewirken grundsätzlich ein träges Regelsystem, für das sich eine Stetigregelung über PWM als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
In Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung vom Sollwert der Lichtintensität gibt die Steuereinheit zur Einstellung der Betriebstemperatur ein die Kühlleistung regulierendes Steuersignal an das Temperierelement.
Die als Regelgröße gemessene Lichtintensität kann sich auf die Emission einer spezifischen Wellenlänge und/oder auf die eines Wellenlängenbereichs beziehen. Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensvariante, bei der als Lichtintensität die Intensität einer von der Gasentladungslampe emittierten UV-Strahlung herangezogen wird, die Strahlung der Wellenlänge von 254 nm umfasst.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird ein Schwellwert der Lichtintensität vorgegeben, dessen Unterschreitung das Lebensdauerende der Gasentladungslampe markiert, wobei als Sollwert der Lichtintensitätsregelung dieser Schwellwert genutzt wird
Die Lichtintensität - und damit auch die spezifische UV-Intensität - nimmt über die Lebensdauer der Gasentladungslampe ab. Ein Abfall auf beispielsweise 50 % bis 90% der Anfangsleistung kann als Ende der Strahlerlebensdauer definiert werden. Mit Hilfe der Erfindung kann eine Gasentladungslampe mit konstanter UV-Leistung entsprechend dem festgelegten Schwellwert über ihre gesamte Lebensdauer betrieben werden. Diese Verfahrensweise wird im Folgenden als „Lebensdauerkompensation“ bezeichnet. Dazu wird der Sollwert UV_Dauer der Lichtintensität auf einen niedrigeren Schwellwert festgelegt, der das Strahlerlebensende markiert, beispielsweise auf einen Wert im Bereich von 50 bis 90 % der anfänglichen, maximalen Lichtintensität.
Bei einer ersten Verfahrensvariante der „Lebensdauerkompensation“ werden im Standardbetrieb Betriebsparameter, die sich auf die Lichtintensität auswirken, wie etwa Versorgungsspannung, -strom oder -leistung oder die Temperatur eines Amalgamdepots, so eingestellt, dass sich eine gegenüber der maximal möglichen Lichtintensität UV_max verringerte Lichtintensität bei einem niedrigeren, relativen Intensitätsmaximum UV_Dauer einstellt. Die Lichtintensität wird auf dieses niedriger gelegene Maximum UV_Dauer geregelt, wobei dafür die oben erläuterte Extremwertregelung gemäß der Erfindung angewandt werden kann. Das absichtlich verringerte, niedrigere, relative Maximum UV_Dauer der Lichtintensität tritt dabei als Sollwert an die Stelle des absoluten Maximums UV_max der Lichtintensität.
Bei einer anderen Verfahrensvariante der „Lebensdauerkompensation“ werden die Betriebsparameter, die sich auf die Lichtintensität auswirken, wie etwa Versorgungsspannung, -strom oder -leistung oder die Temperatur eines Amalgamdepots, im Standardbetrieb zwar optimal eingestellt, so dass theoretisch die maximal mögliche Lichtintensität UV_max erzeugt werden könnte. Allerdings wird der Schwellwert der Lichtintensität als Sollwert der Temperatur-Regelung nicht auf die maximale Lichtintensität UV_max eingestellt, sondern beispielsweise auf einen Wert, der um 10 bis 50 Prozentpunkte unterhalb dieses Maximalwerts liegt.
Bei beiden Verfahrensvarianten kann der niedrigere Schwellwert dabei anhand der Spezifikation - also ohne individuelle Messung - festgelegt werden, oder er wird als Anteil der anfänglichen Maximum (=100%) der Lichtintensität festgelegt, wie er bei beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme der Gasentladungslampe ermittelt wird. Im letztgenannten Fall werden das anfängliche Maximum und/oder der anfängliche Sollwert in einem Speicher des Lampensystems abgelegt und beim Einschalten der Gasentladungslampe aus dem Speicher ausgelesen.
Hinsichtlich des Lampensystems zur Durchführung des Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Lampensystem der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Lichtsensor zur Ermittlung eines Ist-Wert einer von der Gasentladungslampe emittierten Lichtintensität vorhanden ist, und die Regelung als Lichtintensitätsregelung ausgelegt ist, bei der die emittierte Lichtintensität als Regelgröße eingesetzt wird, wobei an einem Signaleingang der Steuereinheit der Ist-Wert der Lichtintensität als Eingangssignal anliegt.
Beim erfindungsgemäßen Lampensystem ist die Lichtintensität der Gasentladungslampe der leistungsbeeinflussende Sollwert der Regelung. Zur Messung der emittierten Lichtintensität, vorzugsweise der UV-Intensität bei einer UV-Strahlung emittierenden Gasentladungslampe, ist ein Sensor vorgesehen. Der Sensor, bevorzugt ein UV-Sensor, ist Bestandteil der Gasentladungslampe oder er wird im Emissionsbereich der Gasentladungslampe positioniert, beispielsweise in einem Sockel oder einem Rahmen oder einem Gehäuse des Lampensystems.
Der UV-Sensor ist so ausgelegt, dass er die Emission einer spezifischen Wellenlänge und/oder auf die Emission eines Wellenlängenbereichs erfasst, vorzugsweise von der Gasentladungslampe emittierte UV-Strahlung, die Strahlung der Wellenlänge von 254 nm umfasst.
Die Regelung ist für eine Extremwertregelung ausgelegt. Sie ist geeignet, die Lichtintensität auf ein Maximum oder einen vorgegebenen Schwellwert zu regeln. Dadurch bleibt die Lichtintensität, insbesondere die emittierte UV-Leistung, immer im Bereich des Sollwerts, also des Maximums oder des vorgegeben Schwellwerts, und zwar unabhängig von den Umgebungsbedingungen.
Das Maximum der Lichtintensität kann allgemein für einen Lampentyp spezifiziert sein, es kann für jede Gasentladungslampe werksseitig individuell bestimmt sein oder es wird beim Einschalten der Gasentladungslampe von der Steuereinheit ausgelesen.
Im Hinblick darauf umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lampensystems die Steuereinheit eine Vorrichtung zur Extremwertregelung, bei der ein Zielwert für eine Stellgröße ermittelt wird, bei der die Lichtintensität ein Maximum oder einen vorgegebenen Schwellwert einnimmt..
Die Extremwertregelung ist dabei bevorzugt als Zweipunkt-Regelung oder als Krümmungsbestimmung einer Übertragungsfunktion von Stellgröße und der Lichtintensität ausgeführt. Die diesbezüglichen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren gelten auch auf das Lampensystem.
Als Stellgröße wird vorzugsweise die Temperatur eines Amalgamdepots der Gasentladungslampe verwendet. Dabei ist das Lampensystem vorzugsweise mit einem Temperierelement mit regelbarer Temperierleistung ausgestattet, das geeignet ist, eine die Lichtintensität beeinflussende Betriebstemperatur der Gasentladungslampe zu verändern, wobei die Betriebstemperatur oder ein mit der Betriebstemperatur korrelierter Parameter an einem Signaleingang der Steuereinheit anliegt und als Stellgröße der Lichtintensitätsregelung verwendbar ist.
Das Temperierelement arbeitet mit einem gasförmigen, flüssigen oder festen Temperiermedium. Bei einem festen Temperiermedium ist das Temperierelement beispielsweise als Pelltierelement oder als Array mehrere Pelltierelemente ausgeführt.
Die Betriebstemperatur ist beispielsweise eine charakteristische Temperatur im Bereich der Oberfläche der Gasentladungslampe oder die Temperatur eines Amalgamdepots. Das Temperieren umfasst ein Erhöhen, Verringern und Halten dieser Temperatur mittels des Temperierelements.
Besonders bewährt hat sich ein Temperierelement mit regelbarer Kühl- oder Heizleistung, insbesondere ein Lüfter mit PWM-geregelter Lüftungsleistung, der mit der Steuereinheit verbunden ist.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:

1 ein Lampensystem zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit einem Niederdruck-Amalgamstrahler,
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Findung des Maximums der Lichtintensität anhand einer 2-Punkt-Regelung,
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einstellung des Maximums der Lichtintensität anhand einer Regelung basierend auf der Krümmungsbestimmung einer Übertragungsfunktion von Stellgröße und der Lichtintensität, und
4 ein Diagramm mit den zeitlichen Verläufen von UV-Intensität und Lüfterleistung beim erfindungsgemäßen Verfahren.

1 zeigt ein Lampensystem für die Erzeugung ultravioletter Strahlung, der insgesamt die Bezugsziffer 10 zugeordnet ist. Das Lampensystem umfasst einen Niederdruck-Amalgamstrahler 11, ein elektronisches Vorschaltgerät 14 für den Niederdruck-Amalgamstrahler 11, einen Radial-Lüfter 15 zur Kühlung des Niederdruck-Amalgamstrahlers 11 und eine Steuereinheit 16 für den Radial-Lüfter 15.
Der Niederdruck-Amalgamstrahler 11 wird mit einem im Wesentlichen konstanten Lampenstrom mit einer Nominal-Leistung von 200 W betrieben (bei einem nominalen Lampenstrom von 4,0 A). Er hat eine Leuchtlänge von 50 cm, einen Strahler-Außendurchmesser von 28 mm und eine Leistungsdichte von etwa 4 W/cm.
Im Entladungsraum 12, der mit einer Gasmischung aus Argon und Neon (50:50) gefüllt ist, liegen sich zwei wendelförmige Elektroden 18a, 18b gegenüber, zwischen denen Betrieb ein Entladungsbogen gezündet ist. Im Entladungsraum 12 an einem Goldpunkt des Hüllkolbens befindet sich mindestens ein Amalgamdepot 13.
Der Hüllkolben des Niederdruck-Amalgamstrahlers 11 ist an beiden Enden mit Quetschungen 17 verschlossen, durch die eine Stromversorgung 18 geführt ist und die in Sockeln 23 gehalten sind. In einem der Sockel 23 ist ein Speicherelement 22 in Form eines EEPROMs angeordnet. Bei einer alternativen Ausführungsform des Lampensystems wird auf den separaten Speicherchip im Sockel der Gasentladungslampe verzichtet und die benötigten Daten in der zentralen Steuereinheit 16 abgespeichert.
In der Nähe des einen Hüllkolben-Endes ist ein UV-Sensor 24 angeordnet. Es handelt sich um eine handelsübliche Photodiode aus Siliziumcarbid (SiC), die sich durch Tageslichtunempfindlichkeit und Langzeitstabilität auszeichnet. Sie detektiert UVC-Strahlung einschließlich der Wellenlänge von 254 nm, einer Hauptemissionslinie der Niederdruck-Amalgamstrahlers 11. Der UV-Sensor 24 ist über eine Datenleitung 25 mit der Steuereinheit 16 verbunden. Während des Betriebs ermittelt die Steuereinheit 16 die von dem UV-Sensor 24 gemessene UVC-Lichtintensität als Ist-Wert UV_Ist. der Lichtintensitäts-Regelung.
Der Niederdruck-Amalgamstrahler 11 wird an dem elektronischen Vorschaltgerät 14 betrieben und mit diesem über die Anschlussleitungen 20 verbunden. Das elektronische Vorschaltgerät 14 weist darüber hinaus einen Netzspannungsanschluss 19 auf.
Der Radiallüfter 15 verfügt über ein PWM-Signal (pulse width modulation) zur Drehzahlregelung des Rotors. Die Drehzahl bestimmt dessen Kühlleistung, die durch einen Kühlluft-Volumenstrom zwischen 0 und 200 m³/h einstellbar ist.
Die Lichtintensität dient als variabler Sollwert und die Kühlleistung des Radiallüfters 15 bildet den Stellwert der Lampenregelung. Dabei wird die Lichtintensität auf ein Maximum oder auf einen vorgegebenen Schwellwert, der niedriger ist als der eigentliche Maximalwert der Emission, geregelt. Dadurch bleibt die Lichtintensität stets im Bereich des Sollwerts, also des Maximums oder des vorgegeben Schwellwerts, und zwar unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Nachfolgend werden Betriebs- und Regelverfahren anhand dreier Methoden näher erläutert.
Das Diagramm von 2 veranschaulicht eine Prozedur zur Ermittlung des Sollwerts der Lichtintensität am Beispiel einer Zwei-Punkt-Regelung. Es zeigt zeitliche Verläufe von gemessener Lichtintensität (Kurve A), Kühlleistung (Kurve B; gemessen als PWM) und Temperatur des Amalgamdepots 13 (Kurve C; gemessen mittels eines IR-Sensors). Auf der linken Ordinate ist die vom UV-Sensor gemessene Lichtintensität UV in mW/cm² aufgetragen, und auf der rechten Ordinate ist der Kühlluft-Volumenstrom PWM in m³/h aufgetragen. Bei dem in das Diagramm außerdem eingetragenen Temperaturverlauf (Kurve C) sind die Temperaturen nicht eigens skalierte Relativwerte. Die Einheit der Zeitachse t sind Sekunden (s).
Der Lüfter 15 (Kurve B) bleibt zunächst ausgeschaltet. Die UV-Lichtintensität (Kurve A) steigt rasch an, erreicht ein Maximum und fällt danach ab. Der Abfall der UV-Lichtintensität kann auf eine zu hohe Temperatur des Hüllkolbens der Lampe und des Amalgamdepots 13 (Kurve C) zurückgeführt werden. Danach wird der Lüfter 15 so lange mit maximaler Drehzahl (Lüfter_max) betrieben, bis der Lampenkolben (genauer: die Temperatur des Amalgamdepots 13) unterkühlt ist und deswegen die UV-Lichtintensität erneut abfällt. Die Dauer dieses Zeitabschnitts beträgt tmax.
Danach wird der Lüfter 15 für eine Dauer t_min bei geringer Drehzahl (Lüfter_min) betrieben (so dass er sich gerade noch dreht) bis die Gasentladungslampe erneut überhitzt und die UV-Lichtintensität erneut abfällt.
Ergebnis dieser Startphase ist ein Anfangswert für die Standard-Drehzahl des Lüfters 15, wie sie im weiteren Betrieb der Gasentladungslampe als Maß für die Kühlleistung verwendet wird. Diese Standard-Drehzahl kann wie folgt berechnet werden: ${Lüfter}_{Standard} = ({Lüfter}_{max} * t_{max} + {Lüfter}_{min} * t_{min} / (t_{min} + t_{max}))$
Die sich bei der Kühlleistung Lüfter_Standard einstellende UV-Lichtintensität stellt den Sollwert UV_Soll für die Lampenregelung dar; sie repräsentiert gleichzeitig den Maximalwert. Sollte im Betrieb die UV-Lichtintensität unter eine kritische Schwelle fallen (beispielsweise 98% des Maximalwerts), wird der Lüfter auf Minimalbetrieb geschaltet (Lüfter_min) und während einer Reaktionsdauer t_crit geprüft, ob die UV-Lichtintensität wieder ansteigt. Gegebenenfalls wird der Wert für Lüfter_Standard verringert. Andernfalls wird der Lüfter im Maximum betrieben Lüfter_max und die Standardprüfrichtung umgestellt (von Lüfter_min auf Lüfter_max).
Die Zeitkonstante t_crit, kann durch einen einfachen Test mit einer Stufenfunktion bestimmt werden, sogar automatisch aus der Reaktionszeit der UV-Lichtintensität nach dem ersten Einschalten des Lüfters.
Eine andere Prozedur zur Ermittlung des Sollwerts der Lichtintensität und des Betriebs des Lampensystems veranschaulicht 3 am Beispiel einer Krümmungsbestimmung bei einer Übertragungsfunktion von Stellgröße und der Lichtintensität. Das Diagramm von 3a skizziert die Abhängigkeit der UV-Lichtintensität UV von der Kühlleistung PWM (beispielsweise der Lüfter-Drehzahl). Die UV-Lichtintensität zeigt ein ausgeprägtes Maximum bei einer optimalen Kühlleistung. Da die Übertragungsfunktion (3a) nicht monoton ist, ist es nicht möglich, bei Änderung der Lichtintensität auf die richtige Regelrichtung zu schließen.
Im Diagramm von 3b ist die mathematische Ableitung der Funktion von 3a schematisch dargestellt. Die erste Ableitung ΔUV/ΔPWM ist nun auch monoton und hat bei der optimalen Kühlleistung (= max. Lichtintensität) einen Null-Durchgang. Die Vorgabe zur Änderung der Stellgröße ΔPWM ergibt sich nun direkt aus dem negativen Anstieg dieser Funktion (~-dUV²/d²PWM = 2. Ableitung der Übertragungsfunktion = Krümmung).
Als technisch sinnvoll hat sich folgende Abwandlung erwiesen, wobei die Einstellung des Lüfters nach folgendem Schema erfolgt: $Δ PWM = Const . * sign (Δ {PWM}_{alt}) \cdot sign (d^{2} UV) \cdot abs (Δ UV)$
Die Richtung der Stellgrößenänderung zwischen Zeitschritt n und nächsten bei n+1 ergibt sich aus dem Vorzeichen der 2. Ableitung. Diese setzt sich aus den drei zuletzt gemessenen UV-Werten zusammen (d²UV = UV_n-2*UV_n-i+UV_n-2) und den beiden zuletzt eingestellten Lüftereinstellungen (ΔPWM_alt = PWM_n-PWM_n-1). Die Höhe der Änderung zum nächsten Zeitschritt ΔPWM = PWM_n+1-PWM_n wird allerdings mit der betragsmäßigen Veränderung der UV-Intensität ΔUV und einem Parameter Const. skaliert, also: Const * abs (UV_n-1+UV_n-2).
4 demonstriert anhand der zeitlichen Verläufe von UV-Lichtintensität (Kurve D) und dazugehöriger Kühlleistung (Lüfterdrehzahl beziehungsweise Kühlluft-Volumenstrom; Kurve E). Auf der linken Ordinate ist die Lichtintensität UV_relative (in %) als Relativwert bezogen auf die maximale Lichtintensität aufgetragen und auf der rechten Ordinate der Kühlluft-Volumenstrom PWM in m3/h. Diese Stetigregelung mittels PWM-geregeltem Radiallüfters 15 erzeugt trotz der Trägheit des Regelsystems, die sich durch das Temperieren der Gasentladungslampe als Stellgröße ergibt, eine weitgehend konstante UV-Lichtintensität, wie Kurve D zeigt.
Unter ungünstigen Bedingungen kann diese UV-Regelung über die Krümmungsbestimmung jedoch instabil werden und der Lüfter in die falsche Richtung verändert werden. Dieser Fall wird regeltechnisch abgefangen, sobald im Betrieb die UV-Lichtintensität unter eine kritische Schwelle fällt (beispielsweise 95% des Maximalwerts; UV< 95% von UV_max). Die Lüfterdrehzahl wird dann gezielt gestört, das heißt die Drehzahl wird drastisch verändert; beispielsweise bei einem bisherigen PWM-Wert von 50 % oder mehr auf Null, oder bei einem bisherigen PWM-Wert von weniger als 50 % auf maximalen PWM-Wert (100 %), um ein deutliches Regelsignal zu erzeugen. Diese Störung wird anschließend für x Zeitschritte nicht zugelassen, um der Regelung Zeit zum Einstellen zu lassen.
Eine weitere Methode zum Betrieb und für die Regelung des Lampensystems beruht auf einer Absolut-Messung der UV-Lichtintensität auf einen vorgegebenen Wert (und nicht auf Regelung auf das relative Maximum der UV-Lichtintensität, wie bei den beiden obigen Prozeduren beschrieben).
Es ist bekannt, dass über die Strahlerlebensdauer die UV-Leistung auf beispielsweise 90% der Anfangsleistung absinkt. Mit Hilfe der Absolut-Regelung kann eine Gasentladungslampe mit konstanter UV-Leistung über ihre gesamte Lebensdauer betrieben werden. Für diese „Lebensdauerkompensation“ wird beim erstmaligen Einschalten (@0h) der Gasentladungslampe die anfängliche Höhe der UV-Lichtintensität bestimmt (UV_max@0h=100%), und daraus die über die Lebensdauer konstant zu haltende UV-Lichtintensität UV_Dauer = 90% von UV_max@0h bestimmt und entweder im Speicherelement 22 des Lampensystems oder in der Lampensteuerung gespeichert.
Beim nächsten Einschalten der Gasentladungslampe wird bei einer ersten Verfahrensvariante die UV-Lichtintensität zunächst ins Maximum geführt und danach der Lampenstrom so lange reduziert bis der vorgegebene Sollwert UV_Dauer =90 % von UV_max@0h erreicht ist. Die Regelung führt die Lüftereinstellung immer wieder ins relative Maximum, um diesen Sollwert zu halten. Diese Verfahrensvariante mit einem auf UV_Dauer angepassten Betriebsparameter (Lampenstrom) ist in 3a durch den gestrichelten Kurvenverlauf V1 mit dem relativen Maximum UV_Dauer der Lichtintensität angedeutet.
Bei einer anderen Verfahrensvariante vergleicht die Steuereinheit 16 den vom UV-Lichtsensor 24 übermittelten Istwert der UV-Lichtintensität mit dem Sollwert UV_Dauer, ermittelt die Abweichung des Ist-Wertes vom Sollwert und gibt ein Steuersignal aus, das die Kühlleistung des Radial-Lüfters 15 regelt. Die Verringerung der Lichtintensität auf UV_Dauer erfolgt hierbei durch eine absichtlich nicht optimierte Lüfterleistung, eine Anpassung der Betriebsparameter ist dafür nicht erforderlich. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lüfterleistung so eingestellt, dass sich am Amalgamdepot 13 eine Temperatur einstellt, die niedriger ist als die zum Erreichen des absoluten Maximums erforderliche Temperatur. Diese Verfahrensvariante ohne Anpassung der Betriebsparameter ist in 3a durch den Regelpunkt V2 angedeutet.
Es kann selbstverständlich auch sinnvoll sein, die beiden beschriebenen Verfahrensvarianten für die „Lebensdauerkompensation“ miteinander zu kombinieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10129755 A1 [0005]
WO 2005/102401 A2 [0006]
GB 2316246 A [0007]
WO 2014/056670 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Lampensystems (10), mit einer Gasentladungslampe (11), einem elektronischen Vorschaltgerät (14) und mit einer Steuereinheit (16) zur Regelung einer leistungsbeeinflussenden Regelgröße des Lampensystems (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtintensitätsregelung vorgesehen ist, bei der mittels eines Lichtsensors (24) ein Ist-Wert einer von der Gasentladungslampe (11) emittierten Lichtintensität gemessen und die emittierte Lichtintensität als Regelgröße eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasentladungslampe (11) eingesetzt wird, die UV-Strahlung emittiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Extremwertregelung ein Zielwert für eine Stellgröße ermittelt wird, bei dem die Lichtintensität ein Maximum (UV_max) oder einen vorgegebenen Schwellwert (UV_Dauer) einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Extremwertregelung als Zweipunkt-Regelung ausgeführt ist, bei der die Stellgröße während einer Startphase auf mindestens zwei Ausgangswerte eingestellt wird, von denen der eine Temperaturerhöhung, und von denen der andere eine Temperaturerniedrigung des Gasentladungslampe (11) bewirkt, wobei sowohl in Folge der Temperaturerhöhung als auch in Folge der Temperaturerniedrigung ein Maximum der Lichtintensität erreicht und überschritten wird, und dass als Zielwert der Stellgröße ein Wert zwischen dem einen und dem anderen Ausgangswert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Extremwertregelung eine Krümmungsbestimmung einer Übertragungsfunktion von Stellgröße und der Lichtintensität umfasst, wobei der Zielwert der Stellgröße anhand des Maximums der Lichtintensität ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Lichtintensität beeinflussende Betriebstemperatur der Gasentladungslampe (11) mittels eines Temperierelements (15) mit regelbarer Temperierleistung veränderbar ist, und dass die Temperierleistung als Stellgröße der Regelung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperierelement (15) ein Lüfter mit PWM-geregelter Lüftungsleistung eingesetzt wird, und dass die Lüftungsleistung als Stellgröße der Regelung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtintensität die Intensität einer von der Gasentladungslampe (11) emittierten UV-Strahlung herangezogen wird, die Strahlung der Wellenlänge von 254 nm umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert der Lichtintensität (UV_Dauer) vorgegeben ist, dessen Unterschreitung das Lebensdauerende der Gasentladungslampe (11) markiert, und dass als Sollwert der Lichtintensitätsregelung dieser Schwellwert genutzt wird.
Lampensystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, mit einer Gasentladungslampe (11), einem elektronischen Vorschaltgerät (14) und mit einer Steuereinheit (16) zur Regelung einer leistungsbeeinflussenden Regelgröße des Lampensystems (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtsensor (24) zur Ermittlung eines Ist-Wert einer von der Gasentladungslampe (11) emittierten Lichtintensität vorhanden ist, und die Regelung als Lichtintensitätsregelung ausgelegt ist, bei der die emittierte Lichtintensität als Regelgröße eingesetzt wird, wobei an einem Signaleingang der Steuereinheit (16) der Ist-Wert der Lichtintensität als Eingangssignal anliegt.
Lampensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) eine Vorrichtung zur Extremwertregelung umfasst, bei der ein Zielwert für eine Stellgröße ermittelt wird, bei die Lichtintensität ein Maximum (UV_max) oder einen vorgegebenen Schwellwert (UV_Dauer) einnimmt.
Lampensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Extremwertregelung als Zweipunkt-Regelung oder als Krümmungsbestimmung einer Übertragungsfunktion von Stellgröße und der Lichtintensität ausgeführt ist.
Lampensystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentladungslampe (11) eine UV-Strahlung emittierende Gasentladungslampe ist.
Lampensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperierelement (15) mit regelbarer Temperierleistung vorgesehen ist, das geeignet ist, eine die Lichtintensität beeinflussende Betriebstemperatur der Gasentladungslampe (11) zu verändern, und dass die Betriebstemperatur oder ein mit der Betriebstemperatur korrelierter Parameter an einem Signaleingang der Steuereinheit anliegt und als Stellgröße der Lichtintensitätsregelung verwendbar ist.
Lampensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperierelement (15) mit regelbarer Kühl- oder Heizleistung, insbesondere ein Lüfter mit PWM-geregelter Lüftungsleistung mit der Steuereinheit (16) verbunden ist.