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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Dampfdruckes in einer Metalldampflampe, insbesondere einer Amalgamlampe, wobei die Metalldampflampe eine Elektrode, eine Gegenelektrode und ein den Metalldampf enthaltendes Entladungsgefäß aufweist, wobei die Elektrode und die Gegenelektrode innerhalb des Entladungsgefäßes angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung mit Mitteln zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie eine Verwendung der Vorrichtung zum Betreiben einer Metalldampflampe.
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Metalldampflampen sind Gasentladungslampen, in denen Metallatome durch Stoßvorgänge mit Elektronen angeregt werden und in der Folge Energie in Form von Licht abgegeben wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einer Metalldampflampe insbesondere auch eine Amalgamlampe zu verstehen.
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Bevor eine Metalldampflampe im Normalbetrieb als Lichtquelle betrieben werden kann, muss sie zunächst gezündet werden. Dazu sowie zum Betrieb der Lampe werden in der Regel Vorschaltgeräte wie konventionelle Vorschaltgeräte (KVG) oder elektronische Vorschaltgeräte (EVG) genutzt. Heutzutage kommen zumeist EVGs zum Einsatz, da durch diese eine flackerfreie Zündung der Metalldampflampe ermöglicht wird.
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In 1 ist ein Schaltbild einer Metalldampflampe mit einer EVG-Schaltung gezeigt.
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Bei dem gezeigten Schaltbild einer Metalldampflampe 1 ist das Entladungsgefäß 2 in Reihe mit einer Drossel 7 und parallel zu einem Kondensator 9, der auch als Starter-Kondensator 9 bezeichnet wird, geschaltet. Diese Schaltung stellt einen sogenannten Drossel-Schwingkreis dar. An den daraus resultierenden Stromkreis wird eine hochfrequente Wechselspannung 14 mit Frequenzen zumeist größer als 20 kHz angelegt. Die Wechselspannung 14 wird in 1 schematisch anhand eines Spannungs-Zeit-Diagramms mit einer Zeitachse 13 und einer Spannungsachse 12 gezeigt. Die Wechselspannung liegt zwischen den Anschlüssen 6' und 6'' an.
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Für die hochfrequente Wechselspannung 14 stellt das Entladungsgefäß der Metalldampflampe 1 zunächst einen hochohmigen Widerstand dar. Die Frequenz der Wechselspannung wird so gewählt, dass über die Elektroden 3, die Gegenelektrode 4 und den Starter-Kondensator 9 ein hoher Strom fließt. Dieser Strom erwärmt die Elektrode 3 und die Gegenelektrode 4, sodass eine thermische Emission von Elektronen innerhalb des Entladungsgefäßes 2 erfolgt. Anschließend wird die Frequenz hin zu der Resonanzfrequenz des Drossel-Schwingkreises verschoben, sodass eine Spannungsüberhöhung am Starter-Kondensator 9 erfolgt.
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Aufgrund der damit verbundenen Spannungsspitze kommt es innerhalb des Entladungsgefäßes 2 zur Beschleunigung der aus der Elektrode 3 ausgetretenen Elektronen hin zur Gegenelektrode 4. Auf dem Weg der Elektronen durch das Entladungsgefäß 2 kommt es zu ionisierenden Stößen mit im Entladungsgefäß 2 enthaltenen gasförmigen Metall-Teilchen des Metalldampfes, und in der Folge zu einer lawinenartigen Vermehrung freier Ladungsträger innerhalb des Entladungsgefäßes 2. Der Metalldampf wird dadurch elektrisch leitfähig. Das zuvor hochohmige Entladungsgefäß 2 ist nun ein niederohmiger Widerstand, durch den ein Strom fließt.
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Wenn der Strom, der durch das Entladungsgefäß 2 fließt, nicht begrenzt wird, fließt er solange bis die initial hervorgerufene Spannung ausgeglichen ist. In einem solchen Fall wird die betreffende Metalldampflampe 1 aufgrund der dabei auftretenden hohen Stromstärke in der Regel zerstört. Durch die in Reihe geschaltete Drossel 7 wird der Strom allerdings begrenzt, da ein in der Drossel 7 durch Selbstinduktion hervorgerufenes elektrisches Feld dem Stromfluss entgegenwirkt. Daher stellt sich nach kurzer Zeit ein Gleichgewicht ein, sodass eine Spannung zwischen Elektrode 3 und Gegenelektrode 4 (die Lampenspannung) bestehen bleibt und ein Strom (der Lampenstrom) durch das Entladungsgefäß 2 fließt. Der Zündungsprozess ist nach Erreichen dieses Gleichgewichts abgeschlossen. Anschließend wird die Frequenz der Wechselspannung auf eine Betriebsfrequenz geändert und es kommt zu einem regelmäßigen Lampenbetrieb.
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Die eigentliche Funktion einer Metalldampflampe 1 als Lichtquelle entsteht dadurch, dass die im Entladungsgefäß 2 gasförmig vorliegenden Metall-Teilchen durch die im Entladungsgefäß 2 stattfindenden Stöße zur Emission von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden. Je nach Metall oder Metallzusammensetzung kann es sich dabei um eine Anregung einer ganz bestimmten Wellenlänge oder um die Anregung eines breiteren Spektrums handeln. Zusätzlich kann die Innenseite des Entladungsgefäßes 2 mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet sein.
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Wie sich aus der oben beschriebenen Funktionsweise einer Metalldampflampe ergibt, hängt die Effizienz einer Metalldampflampe u. a. von der Anzahl der emissionsrelevanten gasförmigen Metall-Teilchen innerhalb des Entladungsgefäßes ab. Emissionsrelevante gasförmige Metall-Teilchen sind solche, bei denen es durch eine Kollision mit einem geladenen Teilchen zur Emission von elektromagnetischer Strahlung kommt.
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Bei den hier diskutierten Metalldampflampen liegt das Metall bei Zimmertemperatur zumeist sowohl in der gasförmigen als auch in der flüssigen bzw. festen Phase vor. Am kühlsten Punkt des Entladungsgefäßes kondensiert bzw. resublimiert oftmals ein Teil des Metalldampfes. Im Gleichgewicht von Verdampfung zu Kondensation bzw. Sublimation zu Resublimation ist an diesem kühlsten Punkt ein flüssiges bzw. festes Metall-Reservoir ausgebildet. Ein solches Reservoir 5 ist beispielhaft in 1 gezeigt. Als Metallreservoir kann ein an das Lampenrohr angelötetes Amalgamkügelchen dienen. Es können aber auch kleine metallgefüllte Gefäße, Ausbuchtungen im Lampenrohr oder ein Appendix als Reservoir dienen. Angelötetes Amalgam kann im Bereich zwischen den Elektroden angeordnet sein. Gefäße oder ein Appendix können beispielsweise hinter einer Elektrode angeordnet sein.
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Der Dampfdruck des Metalls und somit die Anzahl der in der gasförmigen Phase vorliegenden Metallteilchen erhöht sich mit der Temperatur des Metalls am kühlsten Punkt des Entladungsgefäßes, d. h. mit der Temperatur des Metall-Reservoir. Eine Erhöhung der Temperatur des Metall-Reservoirs über die Zimmertemperatur führt daher in der Regel zu einer gesteigerten Effizienz der Metalldampflampe, d. h. zu einer größeren Lichtausbeute. Bei den meisten Metalldampflampen liegt die optimale Temperatur des Metall-Reservoirs hinsichtlich der Lichtausbeute in einem Bereich von 60 bis 200 Grad Celsius. Die optimale Temperatur ist allerdings stark abhängig von dem verwendeten Lampendesign, d.h. im Wesentlichen von der Zusammensetzung des Amalgams. So kann die optimale Temperatur beispielsweise bei einer ersten Amalgamlampe bei ca. 90 Grad Celsius und bei einer anderen Amalgamlampe bei ca. 150 Grad Celsius liegen. Steigt die Temperatur weiter über die optimale Temperatur hinaus, kommt es zu einem Abfall der Lichtemission.
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Für einige Anwendungen von Metalldampflampen wie beispielsweise bei Leuchtstofflampen zur Beleuchtung von Räumen ist es oft ausreichend, dass eine Erwärmung der Metalldampflampe durch die lawinenartige Elektronenstoßionisation betriebsbedingt stattfindet. Durch diesen Prozess kann auch das Metall-Reservoir eine Temperatur nahe oder gleich der optimalen Temperatur annehmen.
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Oftmals sind Metalldampflampen allerdings wechselnden Betriebsbedingungen ausgesetzt. Dies ist beispielsweise bei dimmbaren Metalldampflampen oder bei Metalldampflampen zum Einsatz in Flüssigkeiten mit wechselnden Flüssigkeitstemperaturen der Fall. Insbesondere dabei ist es vorteilhaft, ein zusätzliches Heizelement einzusetzen, um das Metall-Reservoir bei einer optimalen Temperatur zu halten und somit den optimalen Dampfdruck zu gewährleisten. Das Heizelement wird dabei derart angeordnet, dass das Metall-Reservoir von den Heizelementen geheizt wird.
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Insbesondere wenn Metalldampflampen zur Desinfektion von Wasser eingesetzt werden (zumeist in Form von UV-C Strahlern), sind sie oftmals einem stark wechselhaften Wasserdurchfluss ausgesetzt. Daher wird bei einem geringen Wasserdurchfluss die Lampe zur Energieeinsparung gedimmt mit der Folge, dass die Temperatur der Lampe sinkt, sodass ein zusätzliches Heizen des in dem Entladungsgefäß enthaltenen Metall-Reservoirs erforderlich ist, um einen reibungslosen Betrieb der Metalldampflampe gewährleisten zu können. Zu diesem Zwecke werden Heizelemente eingesetzt, um das Metall-Reservoir zu heizen und somit einen optimalen Metalldampfdruck zu halten.
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Kommen solche Heizelemente zum Einsatz, so ist es wünschenswert, dass ihre Funktionsfähigkeit überwacht werden kann, da ein Ausfall der Heizung auch ein Ausfall der Metalldampflampe oder zumindest eine Verminderung der Leistung der Metalldampflampe bedeuten kann. Wird eine Metalldampflampe beispielsweise zur Desinfektion von Wasser in einer Wasseraufbereitungsanlage verwendet, kann der Ausfall eines entsprechenden Heizelements schlussendlich dazu führen, dass das Wasser nur unzureichend desinfiziert wird. In diesem Fall ist eine Überwachung der Funktionsfähigkeit der Heizelemente zwingend notwendig.
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Bei einigen gängigen Heizelementen, die integral mit der Metalldampflampe und dem EVG oder KVG verbaut sind, besteht allerdings keine Möglichkeit, Signale im Falle einer Fehlfunktion des Heizelements abzusetzen, sodass eine Fehlerbehandlung erst verspätet oder gar nicht erfolgt. Solche Heizelemente sind mit anderen Worten als Black-Box ausgebildet. Eine Metalldampflampe mit einem entsprechenden Black-Box-Heizelement ist beispielsweise aus der
DE102015107694A1 bekannt, deren Inhalt in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.
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Bisher kann eine Überwachung der Funktionsfähigkeit eines solchen Black-Box-Heizelements nur durch den Einsatz zusätzlicher elektronischer Bauteile (Sensorik, Kabel, etc.) realisiert werden. Dies ist mit zusätzlichem Aufwand und hohen Kosten verbunden und läuft dem Sinn solcher Black-Box-Heizelemente zuwider, der gerade darin besteht, die Anzahl elektronischer Bauteile zu minimieren. Zudem können die Lampen dann nicht mit üblichen Betriebsgeräten betrieben werden.
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Darüber hinaus wird bei UV-Desinfektionsgeräten mit mehreren Lampen üblicherweise nur eine Lampe mit einem zusätzlichen UV-Sensor überwacht. Mit dem UV-Sensor kann man dann erkennen, ob die überwachte Lampe ausreichend Strahlung emittiert also auch ob die Amalgamheizung arbeitet. Alle anderen Lampen werden aus Kostengründen nur hinsichtlich ihrer Hauptfunktion, d. h. ob die Lampe gezündet ist, überwacht. Dies erfolgt meist über eine Messung des Lampenstroms. Fließt ein Strom größer als ein vorbestimmter minimaler Stromwert, ist die Lampe gezündet. Ein Ausfall der Amalgamheizung kann mit solche einer Zündüberwachung nicht erkannt werden. Bei einem Ausfall der Heizung emittiert die betreffende Lampe zu wenig Strahlung und das Wasser wird nicht ausreichend desinfiziert. Dies bleibt dann unbemerkt.
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Vor diesem Hintergrund, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem kostengünstig und effizient die Funktionsfähigkeit eines verwendeten Heizelements der Metalldampflampe, insbesondere auch eines Black-Box-Heizelements, überwacht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs genannte Verfahren gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- A) Inbetriebnehmen der Metalldampflampe,
- B) Messen oder Bestimmen eines Wertes eines Lampenbetriebsparameters zu einem ersten Zeitpunkt t1 während des Betriebes der Metalldampflampe,
- C) Prüfen, ob der Betrag des in Schritt B) bestimmten Wertes des Lampenbetriebsparameters unterhalb eines vorbestimmten ersten Schwellenwertes liegt,
- D) Ausgeben eines Warnsignals, falls die in Schritt C durchgeführte Prüfung positiv ausgefallen ist.
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Der Lampenbetriebsparameter ist dabei die Lampenspannung zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode oder eine von der Lampenspannung abhängige Größe.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet eine kontinuierliche Messung des Lampenbetriebsparameters statt. Dies bedeutet, dass die Schritte B) und C) kontinuierlich wiederholt werden, wobei zumindest Schritt B) bevorzugt mit einer Abtastrate von 0,1 bis 10 sec wiederholt durchgeführt wird und am besten die erfassten Werte innerhalb eines Zeitbereichs von 1 bis 100s gemittelt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Änderung der Temperatur des Metall-Reservoirs mit eine Änderung des Dampfdruckes in der Lampe und weiter mit einer Änderung der Lampenspannung oder einer hiervon abhängigen Größe, wie z.B. eine Lampenleistung oder ein zeitlicher Mittelwert der Lampenspannung, einhergeht. Diese Erkenntnis macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu Nutze, indem es die Lampenspannung oder von der Lampenspannung abhängige Messgrößen durch Messungen überwacht und entsprechend des oben beschriebenen Zusammenhangs daraus Rückschlüsse über den Dampfdruck des Metalls in der Metalldampflampe zieht. Der Dampfdruck gibt wiederum Aufschluss über die Temperatur des Metall-Reservoirs und somit über die Funktionsfähigkeit eines ggf. verbauten Heizelements.
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Von der Lampenspannung abhängige Größen sind beispielweise die Lampenleistung oder die mittlere Lampenspannung. Die Lampenleistung lässt sich aus dem Produkt aus der Lampenspannung und dem Lampenstrom berechnen. Die mittlere Lampenspannung ist ein zeitlich gemittelter Lampenspannungswert, da konstruktionsbedingt bei manchen Metalldampflampen die Lampenspannung nicht exakt konstant ist, sondern um einen mittleren Spannungswert, nämlich die mittlere Lampenspannung, fluktuiert. Zur Ermittlung der mittleren Lampenspannung wird die Lampenspannung bevorzugt über einen Mittelungszeitraum von 1 bis 100 s gemittelt.
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Aus den genannten Merkmalen ergibt sich ein großer Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Überwachungsmethoden: Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Temperatur des Metall-Reservoirs und somit die Funktionsfähigkeit eines ggf. verbauten Heizelements überwacht werden, ohne dass elektronische Bauteile zusätzlich zu den sowieso in einer Metalldampflampe enthaltenen Bauteilen verwendet werden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei bestehenden Metalldampflampen ohne die Verwendung zusätzlicher Hardware, d. h. rein softwarebasiert verwirklicht werden. Das Verfahren kann daher kostengünstiger und ressourcensparender durchgeführt werden als herkömmliche Verfahren zur Überwachung des Dampfdruckes bzw. der Funktionalität von Heizelementen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schwellenwert vorbestimmt. „Vorbestimmt“ ist derart zu verstehen, dass der erste Schwellenwert vor Inbetriebnahme der Metalldampflampe, d. h. vor Schritt A), bestimmt wird. Hierzu kann beispielsweise auf durch Messungen an Metalldampflampen des gleichen Typs gewonnene Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. Ausreichend ist dabei eine Messung oder Messreihe, die an der betroffenen Lampe oder einer einzigen Lampe des gleichen Typs durchgeführt worden ist.
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In einer alternativen Ausführungsform wird vor Schritt B) ein weiterer Wert des Lampenbetriebsparameters während des Betriebs der Metalldampflampe zum Zeitpunkt t1- Δt, wobei Δt ein vorbestimmtes Zeitintervall ist, bestimmt, die Differenz zwischen dem weiteren Wert und einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert gebildet und in Schritt C) die Differenz als erster Schwellenwert verwendet. Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt ein Messwert zu einem Zeitpunkt bestimmt, zu dem eine funktionierende Heizvorrichtung angenommen werden kann.
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Dadurch, dass der erste Schwellenwert von dem Messwert abhängt, kann das Verfahren auf die individuelle Metalldampflampe angepasst werden. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform geprüft, ob die Lampenspannung einen zu starken Abfall erfährt, wobei der Grenzwert für den Spannungsabfall dem zweiten vorbestimmten Schwellenwert entspricht.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine weitere Metalldampflampe zeitgleich zu der ersten Metalldampflampe betrieben wird, wobei vor Schritt C) folgende Schritte vorgesehen sind: AA) Bestimmen der Emissionsleistung der zweiten Metalldampflampe mit einem Sensor, BB) Prüfen, ob die Emissionsleistung innerhalb eines vorbestimmtem Soll-Emissionsleistungsintervall liegt, CC) Falls die Prüfung in Schritt BB) positiv ausfällt, Bestimmen der Lampenspannung der zweiten Metalldampflampe, wobei die Lampenspannung der zweiten Metalldampflampe gemindert um einen vorbestimmten Spannungsminderungswertes als erster Schwellenwert verwendet wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte B), C) und D) derart durchgeführt, dass ein Ausgeben eines Warnsignals in Schritt B) nur dann erfolgt, wenn eine vorbestimmte Verzögerungszeit nach der in Schritt A) erfolgten Inbetriebnahme der Metalldampflampe abgelaufen ist, wobei die Verzögerungszeit vorzugsweise derart gewählt ist, dass der Dampfdruck in der Lampe einen im Wesentlichen konstanten Wert nach der Zündung und Ablauf der Verzögerungszeit erreicht hat. Das Leuchtmittel befindet sich dann in einem Gleichgewichtszustand bezüglich seines zweiphasigen Aggregatszustandes, d. h. gasförmige Metall-Teilchen wandeln sich mit der gleichen Rate in nicht-gasförmige Metall-Teilchen um wie umgekehrt.
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Solange dieses Gleichgewicht nicht erreicht ist, kann in Schritt C) eine Prüfung prinzipiell positiv ausfallen, da eine gewollte Änderung des Dampfdruckes, nämlich eine Erhöhung, und ggf. damit verbundene Fluktuationen stattfindet. Dies wird bei der hier diskutierten Ausführungsform aber vorteilhaft vermieden.
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Um das Ausgeben eines Warnsignals für diese Fälle auszuschließen, kann an unterschiedlichen Stellen des Verfahrens eingegriffen werden. Beispielsweise kann das Verfahren im Sinne der hier diskutierten Ausführungsform derart durchgeführt werden, dass es vor Ablauf der Verzögerungszeit überhaupt nicht zu einem Messen oder Bestimmen eines Wertes bzw. eines weiteren Wertes des Lampenbetriebsparameters kommt. Alternativ kann ein derartiges Messen oder Bestimmen auch vor Ablauf der Verzögerungszeit durchgeführt werden, aber auf ein Prüfen nach Schritt C) oder das Ausgeben eines Warnsignals nach Schritt D) verzichtet werden. Entscheidend für diese Ausführungsform ist, dass die Schritte B), C) und D) derart angepasst werden, dass vor Ablauf der Verzögerungszeit kein Warnsignal ausgegeben wird.
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Die Dauer der Verzögerungszeit kann auch derart gewählt werden, dass die Lampenspannung nach Ablauf der Verzögerungszeit oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt.
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Die Dauer der Verzögerungszeit beläuft sich - abhängig vom Typ der betreffenden Metalldampflampe - auf 1-20 min.
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Alternativ kann auch ein Emissionssensor vorgesehen sein, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er die Stärke der Lichtemission der Metalldampflampe misst, wobei die Ausgabe eines Warnsignals nicht erfolgt, solange die Stärke der Lichtemission kein stabiles Emissionsniveau misst, d. h. solange wesentliche Änderungen der Stärke der Lichtemission nach dem Einschalten der Metalldampflampe von dem Emissionssensor gemessen werden oder aus den Daten des Emissionssensors abgeleitet werden. Bei diesen Änderungen der Stärke der Lichtemission handelt es sich in der Regel um einen Anstieg.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Metalldampflampe ein Heiz-oder Kühlelement zum Heizen oder Kühlen des Metallreservoirs auf, wobei das Heiz-oder Kühlelement während des Betriebs der Metalldampflampe in einem eingeschalteten - aber nicht zwingend funktionsfähigen - Zustand ist. Das Warnsignal in Schritt D) bewirkt in diesem Zusammenhang das Ausgeben einer Warnmeldung über eine Fehlfunktion des Heiz- oder Kühlelements.
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In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem oben allgemein beschriebenen Heiz- oder Kühlelement um ein Heizelement. In den meisten Fällen muss das Metall auf eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur gebracht werden, um den Dampfdruck und damit die Anzahl der emissionsrelevanten Teilchen zu erhöhen. In seltenen Fällen muss die Temperatur abgesenkt werden, um eine optimale Lichtausbeute zu erhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft für den Fall einer maximalen Lichtausbeute eingesetzt werden, da sich gezeigt hat, dass die Lampenspannung und die Lampenleistung umgehend abfallen, sobald die optimale Temperatur oder der optimale Termperaturbereich des Metall-Reservoirs nicht mehr eingehalten wird, z.B. weil das Heizelement eine Fehlfunktion aufweist. Bei Amalgam-Lampen liegt der optimale Temperaturbereich zwischen 10°C und 20°C. Dies ermöglicht es, durch die Wahl eines lampenspezifischen ersten oder zweiten Schwellenwertes, möglichst schnell und sicher eine Änderung des Dampfdruckes festzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die folgenden weiteren Schritte vorgesehen: E) Messen einer Umgebungstemperatur des Entladungsgefäßes der Entladungslampe mit einem Temperatursensor, F) Bestimmen oder Anpassen des ersten oder zweiten Schwellenwertes in Abhängigkeit von der in Schritt E) gemessenen Umgebungstemperatur.
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Es hat sich gezeigt, dass für manche Metalldampflampen die Schwellenwerte vorteilhaft in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gewählt werden können. So kann beispielsweise die Untergrenze der Lampenspannung, bis zu der ein normaler Lampenbetrieb möglich ist je nach Umgebungstemperatur variieren. Die hier diskutierte Ausführungsform ermöglicht es, diese Variation im Verfahren abzubilden, in dem die Schwellenwerte in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur angepasst werden. Dies ist insbesondere bei UV-Strahlern sinnvoll, die zur Desinfektion von Wasser innerhalb eines Wasserstroms angeordnet werden. Hier wird dann die Temperatur des Wasserstroms als Umgebungstemperatur gemessen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind in dem erfindungsgemäßen Verfahren die folgenden weiteren Schritte vorgesehen: G) Messen oder Bestimmen des zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode fließenden Lampenstroms, H) Bestimmen oder Anpassen des ersten oder zweiten Schwellenwertes in Abhängigkeit von dem in Schritt G) gemessenen Lampenstrom.
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Analog zu einer Abhängigkeit des ersten oder zweiten Schwellenwertes von der Umgebungstemperatur kann auch eine entsprechende Abhängigkeit von dem Lampenstrom vorliegen. Auch diese Variationen lassen sich mit den oben genannten Schritten auf vorteilhafte Weise im erfindungsgemäßen Verfahren abbilden, sodass die Schwellenwerte derart an den Lampenstrom angepasst sind, dass ein Normalbetrieb oder gar optimierter Betrieb der Metalldampflampe möglich ist, solange die Prüfung der Schwellenwerte in Schritt C) kein positives Ergebnis ergibt. Ein Bestimmen des Lampenstroms liegt insbesondere auch dann vor, wenn der Wert eines voreingestellte Lampenstroms für die Abhängigkeit genutzt wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Metalldampflampe zur Desinfektion von Wasser verwendet.
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Hierzu können eine Vielzahl von Metalldampflampen auf engem Raum und bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen von oftmals deutlich unter 20 °C eingesetzt werden. Für diesen Verwendungszweck ist das erfindungsgemäße Verfahren daher besonders vorteilhaft, da ein Vielfaches Einsparen an Hardwarekomponenten ermöglicht wird und gleichzeitig eine sichere Überwachung der Temperatur des Metall-Reservoirs bzw. der Funktionsfähigkeit etwaig verbauter Heizelemente sichergestellt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt dem ersten und dem zweiten Schwellenwert eine besondere Bedeutung zu, da durch diese Schwellenwerte festgelegt wird, wann ein Warnsignal aufgrund einer Temperaturänderung ausgegeben wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste oder zweite Schwellenwert oder der Spannungsminderungswert daher mit den folgenden Schritten vorbestimmt:
- a) Betreiben der Metalldampflampe unter Verwendung eines Heizelements zum Heizen des Metalls während eines ersten Betriebsintervalls,
- b) Betreiben der Metalldampflampe ohne Verwendung des Heizelements während eines zweiten Betriebsintervalls,
- c) Messen oder Bestimmen eines ersten Wertes eines Lampenbetriebsparameters innerhalb des ersten Betriebsintervalls,
- d) Messen oder Bestimmen eines zweiten Wertes des Lampenbetriebsparameters innerhalb des zweiten Betriebsintervalls,
- e) Bestimmen des ersten oder zweiten Schwellenwertes oder des Spannungsminderungswertes für das Überwachen des Dampfdrucks aus dem in Schritt c) gemessenen ersten Wert und dem in Schritt d) gemessenen zweiten Wert.
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Mit dieser Ausführungsform des Verfahrens kann festgestellt werden, auf welchen Wert die Lampenspannung oder Lampenleistung sinkt, wenn der Dampfdruck des Metalls aufgrund eines Ausfalls des zusätzlichen Heizelements abfällt. Daraus lässt sich der erste oder zweite Schwellenwert oder der Spannungsminderungswert im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen des Dampfdruckes ableiten.
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Die Bestimmung der Schwellenwerte oder des Spannungsminderungswert kann auch an einer oder mehreren Musterlampen erfolgen.
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In einer Ausführungsform wird im Schritt B) der Lampenstrom gemessen oder der Wert des voreingestellten Lampenstroms genutzt und daraus der Lampenbetriebsparameter bestimmt. Beispielsweise kann die Lampenspannung als Lampenbetriebsparameter aus dem Lampenstrom und der Lampenleistung näherungsweise berechnet oder anhand einer Tabelle, die entweder einen stromabhängigen Schwellenwert oder einen Faktor enthalten mit dem der Normalstrom-Schwellenwert auf einem dem aktuellen Strom angepassten Schwellenwert korrigiert wird, ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Außer-Betrieb-Nehmen und Austauschen der Metalldampflampe erfolgt, falls eine in Schritt C) durchgeführte Prüfung positiv ausfällt.
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In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist die Metalldampflampe eine Amalgamlampe. Amalgamlampen weisen als Metall zumindest Quecksilber auf. Beispielweise kann eine Amalgamlampe eine Indium-Quecksilber-Legierung als Metall aufweisen.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Umgebungstemperatur eingesetzt, die kleiner als 30°C und vorzugsweise kleiner als 20°C ist. Im Betrieb weist das Metall zumeist eine Temperatur zwischen 50 und 200 Grad Celsius auf. Bei Umgebungstemperaturen unterhalb der genannten Obergrenzen ist ein Temperaturabfall des Metalls, der auf dem Ausfalls eines etwaig verbauten Heizelements beruhen kann, dann direkt oder zumindest äußerst schnell mit einem Abfall der Lampenspannung oder der Lampenleistung verbunden, sodass die Temperaturänderung und somit die Änderung des Dampfdruckes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr schnell erkannt wird.
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Zudem umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung, umfassend Mittel zum Durchführen eines Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung als elektronisches Vorschaltgerät (EVG), das zum Betreiben einer Metalldampflampe geeignet ist, oder als Steuereinheit, die mit einer Metalldampflampe verbindbar ist, ausgebildet ist.
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Die Vorrichtung kann eine Metalldampflampe und ein Wasserleitungsmodul umfassen, wobei das Wasserleitungsmodul derart ausgebildet ist, dass es in ein Wasserleitungssystem integrierbar ist, wobei das Wasserleitungsmodul einen Hohlkörper zum Durchleiten von Wasser aufweist und die Metalldampflampe innerhalb dieses Hohlkörpers angeordnet ist.
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Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Verwendung einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben einer Metalldampflampe zur Desinfektion von Wasser.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren werden deutlich anhand der folgenden Figuren und ihrer Beschreibungen. Diese zeigen
- 1: ein Schaltbild einer Metalldampflampe mit EVG wie eingangs beschrieben,
- 2: eine Schnittansicht eines Wasserleitungsmoduls mit einer Amalgamlampe zur Desinfektion von Wasser und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3: eine Außenansicht des Wasserleitungsmoduls aus 2 von oben,
- 4: ein Diagramm, bei dem die Lampenspannung gegen den Lampenstrom aufgetragen ist bei einer Wassertemperatur von 15 Grad Celsius, für den Fall, dass eine Amalgamheizung, d. h. ein Heizelement, eingeschaltet ist und für den Fall, dass die Amalgamheizung ausgeschaltet ist,
- 5: ein Diagramm, bei dem die Lampenspannung gegen den Lampenstrom aufgetragen ist, für zwei unterschiedliche Wassertemperaturen, d. h. Umgebungstemperaturen, wobei in beiden Fällen die Amalgamheizung eingeschaltet ist,
- 6: ein Diagramm, bei dem die Lampenspannung gegen den Lampenstrom aufgetragen ist, für zwei unterschiedliche Wassertemperaturen, d. h. Umgebungstemperaturen, wobei in beiden Fällen die Amalgamheizung ausgeschaltet ist,
- 7: einen zeitlichen Verlauf der Lampenspannung nach dem Inbetriebnehmen einer Metalldampflampe.
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1 zeigt wie eingangs beschrieben ein Schaltbild einer Metalldampflampe mit EVG. Für solche Lampen 1 kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft verwendet werden. Die hier gezeigte Lampe 1 weist zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen an der die Elektrode 3 bildenden Leitung ein Strommessgerät 11 zur Überwachung bzw. zum Regeln des Lampenstroms und ein Spannungsmessgerät 10 am Starterkondensator 9 zum Bestimmen der Lampenspannung auf. Zudem ist ein mit der Drossel 7, die als Spule ausgebildet ist, ein weiterer Kondensator 8 vorgesehen. Der Kondensator 8 soll hier Gleichspannungs- oder Gleichstromanteile blockieren. Ein Gleichstrom könnte eine Migration des Quecksilbers bewirken und sollte deshalb unterdrückt werden. Die Kapazität des Kondensators 8 wird allerdings relativ groß gewählt, um den durch den Starterkondensator 9 und die Drossel 7 gebildeten Schwingkreis möglichst wenig zu beeinflussen.
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Die 2 und 3 zeigen ein Beispiel für ein Wasserleitungsmodul 20, in dem eine Metalldampflampe 1 zur Desinfektion von Wasser eingesetzt ist. Die Metalldampflampe 1 ist dabei innerhalb einer Lampenschutzröhre 21 angeordnet. Die 2 zeigt das Wasserleitungsmodul in einer Schnittansicht und die 3 zeigt das Wasserleitungsmodul in einer Außenansicht von oben. Das gezeigte Modul 20 verfügt über einen Einlass und einen Auslass für das hindurchgeleitete Wasser. Während des Durchflusses des Wassers durch das Modul 20 wird das Wasser von der Metalldampflampe 1 bestrahlt und dadurch desinfiziert. Bei der Metalldampflampe handelt es sich vorzugsweise um eine Amalgamlampe, die als UVC-Strahler ausgebildet ist.
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Das in den 2 und 3 gezeigte Modul weist zusätzlich eine Sensoröffnung 23 und einen UVC-Sensor 22 auf, mit dem die Stärke der Lichtemission der Metalldampflampe 1 überwacht werden kann. Sind mehrere des in den 2 und 3 gezeigten Moduls innerhalb eines Wasserleitungssystems verbaut, kann der Sensor 22 eines bestimmten Moduls als Referenzsensor verwendet werden, um den ersten Schwellenwert im Sinne des Anspruchs 4 zu bestimmen. Dieser erste Schwellenwert kann dann für Metalldampflampen weiterer Wasserleitungsmodule verwendet werden.
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Die 4 bis 6 zeigen Diagramme, welche die Erkenntnisse widerspiegeln, auf denen die vorliegende Erfindung beruht.
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In 4 wird das Ergebnis zweier Messreihen von Lampenstrom- und Lampenspannung einer Metalldampflampe gemäß der 3 und 4 dargestellt, wobei die Umgebungstemperatur, d. h. die Wassertemperatur, während der Messreihen bei 15 Grad Celsius lag. Bei der ersten Messreihe war ein Heizelement zum Heizen eines Amalgam-Reservoirs (kurz: Amalgamheizung) eingeschaltet (kreisförmige Marker) und bei der zweiten Messreihe war das Heizelement ausgeschaltet (dreieckiger Marker). Es ist eindeutig erkennbar, dass die Lampenspannung im eingeschalteten Zustand des Heizelements über ein großes Spektrum von voreinstellbaren Lampenströmen (zwischen ca. 2,5 und 4 A) hinweg um ca. 20 V höher ist als im ausgeschalteten Zustand. Zusätzlich zu den oben bereits beschriebenen theoretischen Erkenntnissen zeigt dies anhand von 4 auch experimentell, dass die Lampenspannung ein sehr guter Indikator für die Funktionsfähigkeit eines Heizelements eines Metall-Reservoirs ist. Kommt es im Betrieb zu einem Ausfall des Heizelements, so wäre bei einer Umgebungstemperatur von ca. 15 Grad Celsius und einem Lampenstrom von ca. 2,6 A für die vermessene Amalgamlampe von einem Abfall der Lampenspannung von ca. 100 V auf ca. 80 V auszugehen.
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Die 4 zeigt zudem die Abhängigkeit der Lampenspannung vom Lampenstrom und somit auch die Abhängigkeit eines ersten Schwellenwertes im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens vom Lampenstrom. Mit zunehmendem Lampenstrom sinkt die Lampenspannung, sowohl für den Fall des eingeschalteten als auch für den Fall des ausgeschalteten Heizelements. Bei dem oben genannten Beispiel für 2,6 A kann der erste Schwellenwert beispielsweise sinnvollerweise bei 90 V definiert werden. Für einen Lampenstrom von 4 A liegt der Wert von 90 V allerdings bereits nahe an der Lampenspannung (ca. 92 V), die für ein intaktes Heizelement erwartet wird. Da bei einem unveränderlichen ersten Schwellenwert von 90 V daher für einen Lampenstrom von 4 A die Gefahr einer falsch-positiven Detektion des Ausfalls eines Heizelements gegeben wäre, ist der erste Schwellenwert vorzugsweise in Abhängigkeit vom Lampenstrom zu definieren. Bei der Amalgamlampe, von der die in den 4 bis 6 gezeigten Messwerte stammen, würde der erste Schwellenwert folglich mit steigendem Lampenstrom sinken.
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In 5 ist die Lampenspannung gegen den Lampenstrom für verschiedene Wassertemperaturen (8 und 15 Grad Celsius) aufgetragen, wobei in beiden Fällen das Heizelement zum Heizen des Amalgam-Reservoirs eingeschaltet und funktionsfähig ist. Die Messwerte unterscheiden sich nicht, was verdeutlicht, dass durch das Heizelement ein Betrieb der Amalgamlampe unabhängig von der Umgebungstemperatur des Amalgam-Reservoirs gewährleistet wird.
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Das gegenteilige Fall ist in dem Diagramm in 6 gezeigt. Hier ist die Lampenspannung gegen den Lampenstrom für verschiedene Wassertemperaturen (8 und 15 Grad Celsius) aufgetragen, wobei in beiden Fällen das Heizelement zum Heizen des Amalgam-Reservoirs ausgeschaltet ist.
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Hier ist ein klarer Unterschied zwischen den Spannungswerten für eine Umgebungstemperatur von 15 Grad Celsius und eine Umgebungstemperatur von 8 Grad Celsius zu erkennen. Der beobachtete Effekt hängt vom Lampendesign und den gewählten Betriebsparameter ab.
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In 7 ist ein Zeit-Lichtemissions-Diagramm 30 gezeigt, welches den prinzipiellen zeitliche Verlauf 33 der Stärke der Lichtemission einer Metalldampflampe nach dem Einschalten der Lampe gezeigt. Die Achse 32 gibt dabei die Stärke der Lichtemission der Lampe und die Achse 31 die Zeit an. Hier ist klar erkennbar, dass die Metalldampflampe eine gewisse Vorlaufzeit benötigt bis sie ein stabiles Lichtemissionsniveau erreicht hat. Die dafür benötigte Zeitdauer wird dadurch bestimmt, wie schnell sich die Lampe und insbesondere das Metall-Reservoir auf die erforderliche Betriebstemperatur aufheizen.
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Da sich auch die Lampenspannung im Wesentlichen äquivalent zur Stärke der Lichtemission verhält, wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform derart angewendet, dass ein Warnsignal erst dann ausgegeben wird, wenn die für das Aufheizen benötigte Zeitdauer nach dem Einschalten der Lampe abgelaufen ist. In 7 wird mit der Zeitmarkierung 34 eine beispielhafte Zeitdauer definiert, die dazu verwendet werden kann. Die Dauer zwischen der Inbetriebnahme der Lampe und der Zeitmarkierung 34 stellt die sogenannte Verzögerungszeit dar. Erst in einem Zeitraum, der hinter der Zeitmarkierung 34 liegt, kann es im Sinne dieser bevorzugten Ausführungsform zu einer Ausgabe eines Warnsignals kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metalldampflampe mit EVG
- 2
- Gasentladungsgefäß
- 3
- Elektrode
- 4
- Gegenelektrode
- 5
- Metall-Reservoir
- 6'
- Elektrischer Anschluss
- 6"
- Elektrischer Anschluss
- 7
- Drossel (Spule)
- 8
- Kondensator
- 9
- Starter-Kondensator
- 10
- Spannungsmessgerät
- 11
- Strommessgerät
- 12
- Spannungsachse
- 13
- Zeitachse
- 14
- Zeitlicher verlauf einer Wechselspannung
- 20
- Wasserleitungsmodul
- 21
- Lampenschutzröhre
- 22
- Lichtemissions-Sensor (UVC-Sensor)
- 23
- Sensoröffnung
- 30
- Zeit-Lichtemissions-Diagramm
- 31
- Zeitachse
- 32
- Lichtemissionsachse
- 33
- Zeitlicher Verlauf der Stärke der Lichtemission
- 34
- Zeitmarkierung für Verzögerungszeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015107694 A1 [0018]
