Как обеспечить качество неоновых установок

Неоновые лампы относятся к разряду эксклюзивной продукции, поскольку изготавливаются, как правило, вручную по индивидуальным шаблонам. Электровакуумный цикл включает в себя откачку, обезгаживание, заполнение газами. Эти процессы осуществляются на специализированном оборудовании с ручным либо автоматизированным управлением. Контроль качества в неоновом производстве носит, в основном, визуальный характер. В этих условиях возрастает опасность получения продукции со скрытыми дефектами, которые проявляются в первые две недели работы световой установки.

Среди этих дефектов можно выделить следующие:
- пониженная яркость отдельных ламп либо группы ламп;
- длительный период "разгорания" ламп при низких температурах;
- неравномерное свечение ламп и темные пятна на поверхности;
- мигание световых элементов в сложных погодных условиях.

Большинство специалистов фирм, производящих неоновые рекламные установки, довольно слабо представляют, как реально обеспечивается качество световых элементов (неоновых ламп). Наиболее продвинутые специалисты интуитивно связывают образование дефектов с тремя факторами: во-первых, с неправильным выбором комплектующих (стекла и электродов), во-вторых, с использованием низкокачественного откачного оборудования, в-третьих, с низкой квалификацией работников. Но в реальности этого понимания бывает недостаточно.

К примеру, качество комплектующих одной и той же фирмы может меняться, например, при хранении в неблагоприятных погодных. Причем об изменении качества комплектующих можно судить только по поведению готовых ламп. Что касается оборудования, то уровень качества продукции определяется не столько его составом и характеристиками отдельных агрегатов, сколько состоянием всех его систем. Это состояние (а вместе с ним и качество оборудования) зависит от условий эксплуатации и обслуживания, а также от степени контроля параметров всех систем (проверки работоспособности). Не бывает оборудования, которое гарантировало бы постоянное качество продукции на весь период эксплуатации.

Качество оборудования следует постоянно контролировать и поддерживать на высоком уровне. Производственные навыки не сводимы к простому повторению одних и тех же операций производственного цикла. В зависимости от состояния комплектующих, необходима тонкая настройка производственного процесса, а также постоянный контроль качества продукции. Причем в производственном цикле есть операции, которые оказывают доминирующее влияние на качество продукции. К ним относится, прежде всего, операция тренировки, требующая не столько дорогостоящего оборудования, сколько интеллектуальных усилий. Таким образом, качество неоновой продукции есть результат повседневных, простых и понятных действий, направленных на поддержание качества оборудования, стабилизацию физических параметров готовых ламп с надлежащим их контролем. На этих достаточно простых и наглядных приемах управления качеством мы и остановимся.

Обеспечение стабильности работы откачного оборудования

Стабильность работы оборудования есть величина переменная. Во время работы оборудование находится под воздействием двух групп факторов: случайных и постоянных. К случайным факторам, ухудшающим работу вакуумных постов, относятся следующие: потеря герметичности вакуумной и газовой систем, выход из строя вакуумных насосов и системы высокого напряжения. Негерметичность бывает внешней и внутренней. Под внешней негерметичностью следует понимать дефекты трубопроводных систем постов (трещины, сколы и т. д.), а также поверхностные и внутренние дефекты в полимерных прокладках и гибких шлангах. Их поиск осуществляется с помощью специальных методов и средств течеискания и требует отдельного рассмотрения, что выходит за рамки данной статьи.

Внутренняя негерметичность связана с неполным перекрытием вентилей либо кранов, отсекающих отдельные участки вакуумной и газовых систем. Она появляется с образованием продольных царапин и других поверхностных дефектов на полимерных прокладках стеклянных кранов и металлических частях вентилей. В этом случае, к примеру, могут загрязняться рабочие газы. Поиск таких течей связан с конкретной реализацией систем поста. Вакуумные механические насосы, особенно производства ведущих западных фирм, относятся к агрегатам повышенной надежности. Однако они слабо защищены от проникновения в их полости твердых частиц, способных повредить рабочие поверхности, после чего резко падает скорость их откачки. Такими частицами могут быть люминофорный порошок и кусочки стекла. Последние могут попасть в вакуумную систему при случайной разгерметизации неоновой лампы на откачном посту. Дело в том, что в большинстве вакуумных постов предусмотрены только простейшие механические ловушки, не дающие 100% защиты, которую способны обеспечить только сорбционные форвакуумные ловушки.

Вторая причина внезапного выхода из строя механического насоса связана с помехами сети питания и увеличением нагрузки на валу электродвигателя насоса, например, из- за повышенного трения в его полости. Эти причины приводят к перегреву обмоток и пробою фазосдвигающего конденсатора, предназначенного для подключения трехфазных двигателей по однофазной схеме. Для защиты двигателей механических насосов принято использовать специальные тепловые защитные устройства, которые в электрических схемах большинства вакуумных постов отсутствуют.

Схема жидкостного U-образного манометра v - вакуумный кран h - разность уровней жидкости P - давление

Похожие проблемы могут возникнуть при эксплуатации высоковольтной электрической системы, состоящей из высоковольтного трансформатора (бомбардера) и регулятора мощности. Последний может быть выполнен в виде дросселя с выдвижным сердечником (чок), дросселя с насыщением или тиристорного регулятора. При обработке ламп на посту происходит увеличение реактивной составляющей потребляемого тока, что может привести к перегреву обмоток трансформатора и дросселя, а также к пробою тиристоров. Высоковольтные системы большинства иностранных постов не снабжаются штатными защитными устройствами ни токового, ни теплового типа. Вместо этого нам предлагают использовать трансформаторы с избыточной для практики мощностью (порядка 20 кВА). Для трансформаторов с мощностью 5ч10 кВА тепловые перегревы обмоток, особенно в летнее время, уже являются проблемой. Поэтому они должны обязательно снабжаться автоматическими устройствами тепловой защиты. К постоянно действующим факторам следует отнести:
- уменьшение скорости откачки насосов;
- загрязнение внутренних поверхностей вакуумной системы;
- изменение систематической ошибки манометрических датчиков.

Большинство используемых в неоновом производстве насосов - маслонаполненные. Параметры масла, определяющие предельные характеристики этих насосов, скорость откачки и предельное остаточное давление - при работе постоянно ухудшаются из-за термо- и трибодеструкции. Последняя возникает из-за трения рабочих поверхностей в механических насосах. С течением времени масло темнеет, меняется его вязкость и давление остаточных газов, что и приводит к ухудшению откачивающих свойств насосов. Поэтому рекомендуется периодически, не реже двух раз в год, менять масло в механическом насосе. Более того, перед заливкой рабочего масла насос рекомендуется промывать специальным промывочным маслом для лучшего удаления остатков отработанного масла.

Скорость деградации масла в диффузионном насосе зависит от схемы его включения, от случайных "прорывов атмосферы" во время его работы (разгерметизации), от типа масла и, разумеется, от типа самого насоса. Наименьшая скорость деградации масла при прочих равных условиях достигается при использовании схем разделенной и байпасной откачки. В этих случаях обеспечивается подключение диффузионного насоса к откачной системе по достижении давления не выше 10 -2 ч10 -1 Торр. В этом случае не происходит окисления рабочего масла.

Разные масла имеют разную стойкость к термоокислительным процессам. Наибольшую стойкость показывают кремни-йорганические (силиконовые) масла, наихудшую - синтетические. Конструктивно диффузионные насосы могут быть одно- и многоступенчатыми и, соответственно, отличаться количеством масла. В низкопроизводительных (не более 5ч10 л/с) насосах масло приходится менять три-четыре раза в год. Для масляных насосов характерно явление обратного тока паров масла в вакуумную систему при скорости откачки, близкой к нулю. Это возможно в двух случаях: при достижении предельного остаточного давления или при срыве откачки. Последний наблюдается в самом начале откачки и при случайной разгерметизации вакуумной системы. В результате вакуумная система поста постепенно загрязняется парами вакуумных масел. Этот вид загрязнений наиболее опасен, поскольку пары масла имеют сильную химическую связь с поверхностями. Поэтому откачкой их удалить невозможно. Оторвать от поверхности такие молекулы возможно либо нагревом (обезгаживание), либо потоком чистого инертного газа (промывка). Поэтому при заполнении ламп чистыми газами в них проникают пары органики, которые "отравляют" поверхности электродов и люминофора.

Сильные загрязнения органикой могут быть причиной образования темных пятен на люминофоре и быстрого распыления электродов. В современных постах не предусмотрены защитные ловушки от обратного потока масляных паров, поэтому необходимо обеспечить периодическую промывку элементов вакуумной системы (манифольда). Для стеклянных систем эта операция требует предельной аккуратности и тщательной проверки на герметичность после сборки системы. В металлической системе операция очистки предельно упрощается, поскольку металл допускает нагрев до 60ч1000°С при постоянной откачке и промывке инертным газом. Этого бывает достаточно для быстрой и качественной очистки.

Изменение систематической погрешности манометрических датчиков - часто встречающееся явление, на которое, к сожалению, обращают мало внимания. Например, для тепловых манометрических датчиков, используемых в вакуумметрах, характерен постепенный рост погрешности из-за загрязнения полости датчика парами масла. Это происходит потому, что чувствительный элемент - термопара либо терморезистор - обладают селективной чувствительностью по отдельным компонентам вакуумной газовой среды. В результате длительной работы в вакуумной установке начинает наблюдаться "ложное" ухудшение предельного вакуума, которое чаще всего интерпретируют как ухудшение работы насоса либо как образование течи в системе. Восстановить работу датчика весьма непросто. Иногда помогает промывка полости датчика спиртом или эфиром с последующим обезгаживанием. Однако такая операция часто заканчивается обрывом чувствительного элемента. Поэтому самое разумное - это замена датчика.

Однако следует отметить, что для импортных вакуумметров данная процедура обходится очень дорого. Дешевле производить частую промывку вакуумной системы или использовать отечественные вакуумметры, датчики, которые на порядок дешевле. Механические манометрические датчики, к примеру, мембранные, которые используются для заполнения ламп газами, также со временем могут менять свои показания. Происходит это, например, за счет изменения деформационных свойств мембраны. Практика показывает, что большинство датчиков, поступающих из-за рубежа, имеют нескомпенсированую погрешность, то есть поступают без поверки. В некоторых типах датчиков есть механизм подстройки "нуля", однако и это не дает основания считать погрешность измерения нулевой. Речь идет о том, что для приборов этого класса необходима периодическая поверка в организациях Ростеста. Это условие является неприемлемым для большинства производителей неоновых ламп. Поэтому предлагается проводить поверку датчиков этого типа на рабочем месте с помощью жидкостного манометра (масляного либо ртутного), который может быть изготовлен самостоятельно.

Давлению в 1Торр в масляном манометре соответствует перемещение масляного столба h = 1/ мg, где м - плотность масла, g - ускорение свободного падения. Плотность вакуумных масел - величина табличная. Так, к примеру, для отечественной марки масла ВМ1-С плотность при комнатной температуре составляет 887 кг/куб. м. Для поверки механического мембранного датчика масляный манометр подсоединяют к вакуумной системе вместо неоновой лампы, дают фиксированные значения давления и проводят сверку показаний механического датчика с показаниями масляного манометра, который играет роль образцового прибора

Роль тренировки и контроля в обеспечении качества неоновой продукции

Времени, отводимого на основные операции цикла изготовления ламп, недостаточно для полного завершения всех физико-химических процессов. Лампа, снятая с откачного поста, еще не готова к нормальной эксплуатации, особенно в сложных погодных условиях. Для стабилизации всех параметров лампы существует специальная операция, носящее название - тренировка. В чем же ее смысл?

Во-первых, ртуть, находящаяся в полости лампы, не способна сразу выполнять свою основную функцию - поставлять в нужном количестве пары в объем лампы. Шарики ртути для этого имеют слишком малую поверхность. Вначале ртуть нужно частично испарить. Это трудно выполнить при рабочих токах, особенно в условиях низких температур. Но и этого мало. В процессе тренировки часть ртутных паров и положительно заряженных ионов под действием радиальной составляющей электрического поля мигрируют к стенкам лампы и сорбируются люминофором. Этот равномерный по всей поверхности сорбционный слой и является основным поставщиком паров ртути при последующей работе лампы в составе рекламной установки. Толщина и равномерность этого слоя зависят от тренировочного тока, времени, а также от длины и геометрии лампы. Многочисленные повороты и большая длина увеличивают время установления равномерного насыщения поверхностей. От величины тока зависит скорость испарения ртути из шариков и глубина проникновения паров в толщу люминофора. Поэтому для тренировки используют токи, превышающие допустимый рабочий ток.

Во-вторых, после изготовления электродов на рабочих поверхностях лампы и в газовой среде содержится много молекул активных газов, препятствующих нормальной работе. Повышенное содержание таких газов снижает яркость излучения. Во время тренировки активно протекают сорбционно-десорбционные процессы на поверхностях люминофора и активированного слоя электродов. Часть молекул отрывается от поверхностей и поступает в газовую среду (десорбция). С другой стороны под действием электрического поля молекулы загрязняющих газов вновь устремляются к поверхностям и активно поглощаются ими (сорбция). Причем часть этих молекул связываются с поверхностями более сильными сорбционными связями (хемосорбция), препятствующими последующему удалению, то есть происходит поглощение этих вредных молекул. В конце концов, скорости прямого и обратного процессов сравниваются при значениях, гораздо более низких, чем в начале тренировки.

Таким образом, во время тренировки лампа очищается от вредных газов, и яркость свечения достигает максимальных значений. Ускорения этих процессов можно достигнуть: увеличением тока тренировки (1,5ч 2)Iраб; увеличением времени тренировки; путем периодического включения-выключения тренируемых ламп. Последний прием особенно эффективен в случае возникновения локальных неустойчивостей в газовом разряде, к примеру, волнообразных перемещений плазменного столба (шнурование разряда) и забросов плазмы на внешнюю сторону электродов. Время тренировки необходимо выбирать с учетом индивидуальных особенностей ламп. Лампы большего диаметра, к примеру, требуют большего времени. Могут возникнуть трудности и с лампами сложной конфигурации. Единых критериев нет. Поэтому в выборе времени принято руководствоваться опытом.

В-третьих, когда мы упоминали об интеллектуальном характере тренировки, то имели в виду выработку критериев "отсева" ламп с явными и скрытыми дефектами. При отсутствии аппаратурной базы полагаться приходится только на опыт, который связывает поведение ламп в процессе тренировки с их последующей работой в рекламной установке. Более того, нужно иметь определенную смелость, чтобы посчитать лампу дефектной по едва заметным отклонениям от нормальной работы и, соответственно, изъять ее из партии. Поэтому тренировка считается последним барьером на пути дефектов. Определенную помощь в идентификации дефектов может оказать контроль напряжения горения, который можно осуществить, например, с помощью киловольт- метра. В этом случае объективность принятия решения заметно возрастает.

Перечисленные выше основные проблемы характерны для тренировки на переменном токе. Как показала практика, этот вид тренировки имеет ряд ограничений. К примеру, если электроды тренируемой лампы имеют разную эмиссионную способность, то такую лампу полноценно оттренировать просто невозможно. Так, к примеру, в лампах, заполненных неоном, будет наблюдаться "синева" в одном из электродов либо в середине лампы. В ртутных лампах наблюдается неравномерное свечение люминофора. В этом случае мы сталкиваемся с явлением катафореза.

Второе ограничение связано с тем, что перед тренировкой ртутных ламп шарики ртути следует равномерно распределить (например, встряхиванием) по всей длине трубки. Однако это не всегда возможно. Длинные лампы, имеющие множество поворотов и обратных ходов, при встряхивании могут разрушиться. А если "встряхивание" не проводить, то долго будет наблюдаться неравномерность свечения. Перечисленные ограничения могут быть сняты использованием тренировки на постоянном токе с периодической сменой полярности. В этом случае явление катафореза обеспечит движение ионов и атомов ртути в дальний конец лампы и равномерное их распределение по люминофорному слою. Кроме того, при таком режиме рабочим катодом является только один из электродов. Следовательно, мы можем оттренировать каждый из электродов отдельно, устранив при этом разницу в их параметрах. Такой подход снижает вероятность катафореза в работающих лампах, который и проявляется в неравномерности их свечения.

Выводы

В статье были рассмотрены основные пути обеспечения качества неоновой продукции. Все они сводимы к простейшим и вполне понятным действиям. Подробные пояснения, которые представлены в данной статье, призваны лишь к тому, чтобы показать важность перечисленных способов обеспечения качества и прояснить внутренние механизмы их действия. Знание основных закономерностей достижения высокого качества неоновой продукции позволит избавить специалистов от "блужданий в тумане" и мифических заблуждений, которые мешают реальной работе.

Примечания

1. Высоковакуумная откачка в большинстве неоновых откачных постов реализуется на диффузионных насосах, которые могут работать только начиная с определенного значения остаточного давления в системе (10 -1 ч10 -2 Торр) как на входе, так и на выходе насоса. Для получения этого предварительного давления обычно используются механические насосы низкого давления. Для обеспечения необходимого начального давления на выходе диффузионного насоса, механический и диффузионный насосы подключаются последовательно. Начальное значение остаточного давления на входе насоса можно получить двумя путями. Во-первых, можно использовать для этой цели второй механический насос. Такая схема носит название схемы разделенной откачки. Во-вторых, можно использовать дополнительную магистраль, снабженную системой вентилей, которая соединяет вакуумную систему и механический насос в обход магистрали высоковакуумной откачки на время, необходимое для достижения нужного разряжения. Такая обводная магистраль носит название байпасной. Отсюда и происходит название второй схемы откачки.

2. Активными называют газы, способные создавать отрицательно заряженные ионы, снижающие выход излучения, и/или способные химически взаимодействовать с ртутью. В результате действия этих газов возрастают тепловые потери, повышается напряжение горения и уменьшается яркость излучения лампы.

3.Катафорез - явление миграции примесных (не основных) газов или паров к одному из электродов. В ртутных лампах это явление носит название миграции ртути.

Автор - технолог неонового производства, к.т.н. Виктор Марков