波长校准用低压石英汞灯驱动电源的研制

张彬，杨欣欣，周赛，蔡晨，赵辉，韩吉庆，潘忠泉

(中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031)

波长校准用低压石英汞灯驱动电源的研制

张彬，杨欣欣，周赛，蔡晨，赵辉，韩吉庆，潘忠泉

(中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031)

研制波长校准用低压石英汞灯电源，用于驱动汞灯起辉并维持稳态发光。电路由EMI滤波电路、桥式整流电路、LCC半桥谐震逆变电路、控制电路和保护电路5部分组成。采用系统建模与仿真验证电路的可行性并计算电路参数理论值，利用示波器和功率表验证电源输出参数，功率输出稳定性不大于0.03 W。根据紫外可见近红外分光光度计国防最高计量标准对研制的电源驱动汞灯的工作效果进行评价。结果表明，汞灯能够输出系列特征谱线，谱线相对强度稳定性不大于5.16%；汞灯工作3 h后，灯管外壳表面温度为43℃。该驱动电源的性能参数满足JJG 112-2015《 低压石英汞灯波长标准器检定规程》的要求。

驱动电源；低压石英汞灯；保护电路；计量标准

低压石英汞灯在紫外、可见光区具有多条窄带谱线，具有特征谱线能量强、辐射强度稳定、使用寿命长、安装使用方便等特点，常用作光谱类仪器波长校准用计量标准器具［1］，由专用电源驱动以实现起辉发光和稳态工作。目前现有的驱动电源采用加入外部信号的方式控制起辉电压和工作电压的作用时间［2］，不足之处是电路设计较为复杂；或采用漏磁变压器产生高电压，汞灯起辉发光后两极间电压随着灯电流的增大而不断下降直至稳定状态［3］，其缺点是电源可调性差。笔者基于LCC半桥谐振逆变电路结构研制了低压石英汞灯驱动电源，该电源能够实现对低压石英汞灯起辉和稳态工作的驱动，具有开关器件少、电路设计简单、可调性强、工作可靠等特点［4-5］，同时还具有汞灯触发失败保护和故障保护功能。

1 技术参数

结合目前常用波长校准用笔形低压石英汞灯，设定的驱动电源技术参数见表1。

表1 低压石英汞灯驱动电源技术参数

2 设计原理

驱动电源主要由EMI滤波电路、桥式整流电路、LCC半桥谐振逆变电路、控制电路和保护电路5部分组成［6-10］。EMI滤波器能滤除市电电网与电源模块相互之间的电磁干扰；桥式整流电路输出的直流电压用于系统供电；LCC半桥谐振式逆变电路提供汞灯触发点亮和维持发光分别所需的电压和电流；控制电路提供频率可调的PWM信号，驱动LCC电路中MOSFET工作［11-12］；保护电路实时监测整流电路输出电压，电压过低时进行系统复位，同时实时监测谐振回路电流，在灯管触发失败和灯出现故障等情况发生时关断PWM驱动信号，提高电源工作的安全性和可靠性［13-14］。驱动电源设计框图见图1。

图1 低压汞灯电源设计框图

3 建模与仿真

3.1 系统建模

根据LCC半桥谐振逆变电路结构建立电源模型［15-17］，系统工作过程：交流市电经滤波、整流后得直流电源Vbus，用于控制电路和逆变电路供电，控制电路输出信号驱动逆变电路的两只功率管交替导通，逆变输出电压Vs驱动谐振电路工作，通过调节开关管的通断频率，改变谐振电路的工作频率，分别实现对低压汞灯的点亮和发光控制。

逆变输出电压Vs为周期性的方波电压，频率与逆变电路开关管通断频率相同，对LCC谐振电路进行交流分析，忽略直流分量的影响，Vs用傅里叶级数展开式按式(1)表达［18-19］：

式中：ω=2πf。

若谐振电路的谐振电容为Cs，谐振电感为L，低压汞灯内部阻抗为RL，与之并联的启动电容为Cp(Cp远小于Cs)，则电路的自然谐振频率，其中，C=CSCP／（CS+CP），表示CS与CP的串联电容，特征阻抗，品质因数。

令α=C／CP，Ω=ωω0=ωLC，则灯电压按式(2)表达：

汞灯尚未点亮时，可等效为兆欧级大电阻，控制电路控制谐振电路震荡频率ω在ω0附近时，Ω趋近于1，在负载两端可产生数倍于Vs的起辉电压，击穿灯管内气体使汞灯发光；汞灯点亮后，内阻急剧减小，可等效为小电阻，Q值变大，控制电路降低谐振电路震荡频率ω，使其远离ω0，灯电压变小，同时限制灯电流的大小，维持灯稳态工作。

控制电路实时监测整流电路输出电压和谐振回路电流，电压过低时进行系统复位，灯管触发失败和灯出现故障等情况发生时关断PWM驱动信号，提高电源工作的安全性和可靠性。

3.2 电路仿真

在Multisim环境下对电路模型进行仿真。低压汞灯模型较为复杂，仿真时用不同阻值电阻模拟汞灯点亮前和稳态工作两种状态，灯电压的仿真结果分别如图2、图3所示，起辉电压约1 600 V，工作电压约450 V，能够满足设计要求。通过仿真得到LCC谐振电路参数的理论值，作为电路调试参考。

图2 汞灯点亮前灯电压仿真结果

图3 汞灯稳态工作时灯电压仿真结果

4 结果测试

4.1 指标考核

用示波器观察低压石英汞灯稳态工作时驱动电源输出电压，为交流230 V（频率22 kHz）。

用功率表测量低压石英汞灯驱动电源输出功率，测量方式为灯点亮20 min后每10 s记录1次数据。按式(3)计算实验标准偏差，以表示电源输出的稳定性。输出功率结果见表2。

式中：sW——定值装置测量重复性；

Wi——测量值；

n——测量次数。

表2 低压石英汞驱动电源输出功率 W

由表2可知，低压石英汞灯驱动电源输出功率平均值为2.51 W，稳定性sW≤0.03 W。

4.2 实际应用

参照JJG 112-2015低压石英汞灯波长标准器检定规程［20］，基于紫外可见近红外分光光度计国防最高计量标准对设计的电源的工作效果进行评价。

(1)光谱谱线及相对强度

测量设计电源驱动下低压石英汞灯在紫外可见光区光谱谱线如图4所示，对应峰值波长见表3。

图4 研制电源驱动下的低压石英汞灯光谱谱线

表3 低压石英汞灯波长标准器发光谱线

(2)谱线相对强度稳定性

低压石英汞灯预热20 min后，在15 min内，每隔2 min测定并记录253.65，435.83，546.07 nm波长处谱线相对强度示值变化情况，按式(4)计算谱线相对强度稳定性△I，结果见表4。

ΔI——谱线相对强度，%；

Imax——20 min内谱线强度最大值，%；

Imin——20 min内谱线强度最小值，%。

表4 电源驱动下低压石英汞灯谱线相对强度稳定性

由表4可知，研制电源驱动下的低压石英汞灯谱线相对强度稳定性不大于5.16%。

(3)灯管外壳表面温度

将标准器置于工作台上，开启电源，点燃汞灯并连续工作3 h后，用表面温度计测量灯管外壳表面温度为43℃。

根据测试结果，研制的电源满足低压石英汞灯波长标准器检定规程中规定的使用要求。

5 结语

研制的波长校准用低压石英汞灯驱动电源基于LCC半桥谐振逆变电路结构设计，具有开关器件少、电路设计简单、可调性高、工作可靠等特点。经指标考核，技术指标满足设计要求，输出功率稳定性不大于0.03 W，同时具有汞灯触发失败保护、故障保护功能，确保了工作的安全性。基于紫外可见近红外分光光度计国防最高计量标准对电源驱动低压汞灯工作的效果进行评价，结果满足JJG 112-2015低压石英汞灯波长标准器检定规程的相关要求，能够应用于光谱类仪器的波长校准。

［1］ JJG 178-2007 紫外、可见、近红外分光光度计检定规程［S］.

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［20］ JJG 112-2015 低压石英汞灯波长标准器检定规程［S］.

2021年全球环境监测市场将达196亿美元

MarketsandMarkets不久前发布了全球环境监测市场最新发展报告。据报告称，到2021年，全球环境监测市场将达到195.6亿美元，复合年增长率保持7.7%。而在MarketsandMarkets 2015年底发布的全球环境监测市场报告中，预测复合年增长率保持7.5%，到2020年市场规模有望达到205亿美元。

据报告分析，全球环境监测市场能持续增长的原因主要是政府控制环境污染水平的积极性在增加；用于污染控制和监测的政府资金在增加；环境监测平台在持续安装、发展环境友好型工业的积极性在增加。

环境监测产品可分为环境监测仪(固定式和便携式)、环境传感器和环境软件三大类。环境传感器的产品类型主要有模拟式和数字式两种，应用于温度、湿度、生物、化学和噪声等的监测。根据采样方法的不同，环境监测可分为间断监测、连续监测、被动监测和主动监测4种类型。全球环境监测的主要监测对象包括空气污染、水体污染、土壤污染和噪声污染。

2016年全球环境监测市场中，市场份额最大的为环境监测仪，主要是因为污染监测仪的安装数量在增加，发展中国家对水和空气监测仪器的需求在增加以及环境监测仪器的保有量在增加。

不同采样方法的仪器中，连续监测仪器在2016年所占的市场份额最大，主要是因为对企业的环境要求在增加以及全球范围内主要环境监测市场的环境污染在加剧。

从地域范围来说，2016年全球环境监测市场最大的地区是北美，第二的是欧洲，但是市场增速最快的是亚太地区。亚太地区环境监测市场增速较快的原因有：亚太国家(如中国、印度)目前工业化速度比较快；亚太地区的环境法规也越来越严格；履行区域间环境安全协议。

对于各大厂商，环境监测市场是有很多机会的。过去几十年，快速的工业化和城镇化导致空气、水质和土壤质量严重下降，由于几大政府积极资助和推进高效的污染控制和监测项目，未来5年，全球环境监测市场有望保持不错的增长。

(可国分析计量网)

农药残留新国标发布 限量标准增至4 140个

《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》2016版不久前正式颁布实施，这一农药残留的新国标，在标准数量和覆盖率上都有了较大突破，规定了433种农药在13大类农产品中4 140项残留限量，较2014版增加490项，基本涵盖了我国已批准使用的常用农药和居民日常消费的主要农产品。

此次发布的新版农药残留限量标准具有三大特点：一是制定了苯线磷等24种禁用、限用农药184项农药最大残留限量，为违规使用禁限农药监管提供了判定依据；二是按照国际惯例，对不存在膳食风险的33种农药，豁免制定食品中最大残留限量标准，增强了我国食品中农药残留标准的科学性、实用性和系统性；三是除对标准中涉及的限量推荐了配套的检测方法外，还同步发布了106项农药残留检测方法国家标准。

据悉，我国现发布的食品中农药残留限量均是根据我国农药残留田间试验数据、我国居民膳食消费数据、农药毒理学数据和国内农产品市场监测数据，经过科学的风险评估后制定的。同时，为确保标准的科学、公正、公开，标准制定期间，广泛征求了生产、科研、管理等各方面和社会公众意见，接受了世界贸易组织成员对标准科学性的评议，在以保证农产品质量安全为基础的同时，又适应我国农业生产实际。

作为国际食品法典农药残留委员会主席国，我国是少数几个参与制定国际标准的国家之一，“十二五”期间，我国参与国际标准制定的能力和影响力逐步提升，使用我国残留数据制定国际限量标准数量已达到11项。目前我国农药残留膳食风险评估原则、方式、数据量需求等方面已与国际接轨。

据介绍，“十三五”农药残留标准制定已列出明晰的任务和规划——新制定6 000项农药残留限量标准，重点解决蔬菜水果和我国特色农产品的限量标准，完善与农药残留限量标准配套的检测方法。逐步实施“进口限量标准”和“一律限量标准”，扩大我国限量标准的覆盖面。同时，将以我国自主创新农药为重点，积极参与制定国际食品法典标准，推动我国农药自主创新。

（仪器信息网）

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

联系人：张彬；E-mail： yiming1216@126.com

2017-01-03