用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的方法与流程

2021-01-31 05:01:51|

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本发明涉及一种用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的方法。

本发明还涉及一种用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的系统。

背景技术：

已知的热成型系统和方法使用气体燃烧器单元和工具来形成玻璃元件。燃烧器单元的加热功率通常不可再现，时间上也不恒定。因此，在热成型期间对玻璃元件的热效应也不能在不同的成型机器上或在不同的生产地点处以完全相同的方式提供。因此，温度条件和其他参数(如热成型过程期间的玻璃粘度)必须被视为未定义、不稳定且随时间变化的。这导致玻璃元件的性能不稳定且不可再现，并因此(比如基于过度的表面碱性)导致废品率较高。

de19827554c2示出了一种用于在制造期间对从玻璃元件发射的光进行光电检测的方法和系统，以确定该玻璃元件的随后的碱释放。然而，缺点之一在于，只能对玻璃元件在热成型过程后的碱释放做出预测。

技术实现要素：

因此，本发明的实施例所解决的问题之一是提供一种方法和系统，其能够以容易的方式操作、成本低廉、稳健并且无需太多空间。

本发明的实施例所解决的其他问题之一是提供一种方法和系统，其使得关于碱排放的受控的、稳定的且可再现的玻璃元件形成过程能够与基础设备或生产场所无关。

因此，本发明的实施例所解决的其他问题之一是提供一种用于控制在玻璃元件的热成型过程期间的碱排放的在线控制过程。

在实施例中，本发明提供了一种用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的方法，包括以下步骤：

-通过使用一个或多个燃烧器单元来加热玻璃元件，每个燃烧器单元都提供燃烧器火焰；

-经由一个或多个传感器单元优选地至少周期性地、特别是连续地感测加热后的玻璃元件的光发射和所述一个或多个燃烧器单元的燃烧器火焰的光发射，其中对所述一个或多个传感器单元进行调整，使得玻璃元件的总发光区域和燃烧器火焰区域被感测；

-当感测到所述光发射时，通过所述传感器单元提供一个或多个信号；

-将所述一个或多个信号与一个或多个参考信号进行比较；

-基于所述一个或多个信号与所述一个或多个参考信号的所述比较，确定所述玻璃元件的碱排放；以及

-基于所确定的碱排放来控制所述一个或多个燃烧器单元，使得所确定的碱排放在预先给定的间隔内。

在又一实施例中，本发明提供了一种用于玻璃元件在热成型期间的碱排放的控制系统，该控制系统包括一个或多个燃烧器单元，每个燃烧器单元提供用于加热玻璃元件的燃烧器火焰；一个或多个传感器单元，该一个或多个传感器单元用于感测加热后的玻璃元件的光发射和所述一个或多个燃烧器单元的燃烧器火焰的光发射，对所述一个或多个传感器单元进行调整使得玻璃元件的总发光区域和燃烧器火焰区域被感测；计算装置，该计算装置用于将所述一个或多个燃烧器单元的一个或多个信号与一个或多个参考信号进行比较，并且用于基于所述一个或多个信号与所述一个或多个参考信号的比较来确定所述玻璃元件的碱排放；以及控制单元，该控制单元连接到所述计算装置，用于基于所确定的碱排放来控制至少所述一个或多个燃烧器单元，使得碱排放处于预先给定的间隔内。

换言之，本发明使用由燃烧器单元执行的在热成型过程期间发射的光发射的感测。对光发射进行感测，使得传感器单元覆盖玻璃元件的总发光区域和燃烧器火焰区域，而无需以限定的物理量进行聚焦、同步或校准。

本发明的实施例的优点之一在于提供了一种用于精确控制玻璃元件的碱排放的系统，其灵活、易于实施、稳健且成本低廉。另一优点在于在无需完成热成型过程的情况下提供了一种用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的在线控制方法，特别是在连续控制回路中。

对其他特征、优点和优选实施例进行了描述，或者根据以下描述，它们可以变得显而易见。

根据优选实施例，通过调整所述一个或多个燃烧器单元的流体的质量流率的参数和/或所述一个或多个燃烧器单元的燃烧器火焰的施加时间的参数来执行燃烧器单元的控制。这使得能够简单快速地控制燃烧器单元，以将所确定的碱排放保持在所述预先给定的间隔内。

根据用于控制燃烧器单元的另一优选实施例，仅同时对一个参数进行调整。这尤其使得能够进行精确控制，以将所确定的碱排放保持在所述预先给定的间隔内。

根据用于控制所述流体的质量流率的另一优选实施例，对所述流体的至少两种成分的混合进行调整。这使得能够可靠地调整流体的质量流率。

根据另一优选实施例，通过利用质量流率控制器改变所述至少两种成分中的每种成分的质量流率来执行对混合的调整。优点之一在于能够单独精确地控制质量流率。

根据另一优选实施例，执行对燃烧器单元的控制，以提供玻璃元件的预先给定的恒定温度，其中对与预先给定的温度的测量偏差在该质量流率下进行线性调整。这使得能够进行精确调整和快速精确的控制，以提供玻璃元件的预先给定的温度或温度分布，并且因此将所确定的碱排放保持在所述预先给定的间隔内。

根据另一优选实施例，通过改变燃烧器单元相对于玻璃元件的定向和/或位置来执行对燃烧器单元的控制。优点之一在于可以在玻璃元件的热成型期间提供精确的加热，而不必移动玻璃元件本身。

根据另一优选实施例，连续执行这些步骤。这使得能够进行连续调整并且控制碱排放。

根据另一优选实施例，基于信号在预先给定的时间间隔内在时间上的变化，比较所述一个或多个信号与一个或多个参考信号，优选地，通过比较所述信号的时间积分与所述参考信号的时间积分来进行所述比较。信号的时间相关比较使得能够基于测量的信号来更精确地确定碱排放，从而避免了例如在某个时间点由于测量错误而导致的调整。

根据另一优选实施例，比较所述信号的不同时间段的时间积分之和与所述参考信号的对应积分值。在生产多个玻璃元件期间，这样“平滑了”用于确定碱排放的测量信号，从而使得即使变化情况很小也要把它考虑在内。换言之，测量信号的微小偏差或误差对控制过程没有重大影响。

根据另一优选实施例，基于移动平均信号、指数加权信号和/或所述一个或多个信号与(优选地平滑的)一个或多个参考信号的样条插值来比较所述一个或多个信号与所述一个或多个参考信号。优点之一在于可以在比较之前对信号进行预处理，以实现更精确的比较结果，例如，通过进一步对测量信号的偏差、漂移或错误测量等进行平滑。

根据另一优选实施例，优选地通过红外相机确定加热后的玻璃元件的表面的温度的空间分布；在所述分布内标识最大值；该最大值与最大阈值进行比较，并且基于所述比较，控制所述一个或多个燃烧器单元，使得最大值低于所述最大阈值。这避免了局部温度过高而导致碱蒸发呈指数上升。因此，避免了生产误差。

根据另一优选实施例，确定了钠排放形式的碱排放。这使得能够可靠地检测相应的光发射，从而控制最相关的碱排放。

根据用于确定钠排放的另一优选实施例，对波长为589nm的光发射进行检测。由于相应的传感器单元可以调整为在整个光谱内的对应波长区域中提供非常高的分辨率，因此能够进行精确的检测。波长589nm对应于弗劳恩霍夫(fraunhofer)钠双峰线。

根据另一优选实施例，使用红外相机来提供所述一个或多个参考信号。这使得能够检测玻璃元件的等温分布，并且使观察到的玻璃表面的最大温度值与传感器单元所获得的对应值相关。

根据系统的另一优选实施例，至少一个所述燃烧器单元布置在定位单元上，其中对所述定位单元进行调整，以改变至少一个燃烧器单元相对于玻璃元件的定向和/或位置，优选地其中所述定位单元可由所述控制单元控制。这使得能够以简单容易的方式移动至少一个所述燃烧器单元，使得相应的燃烧器单元相对于最后处理的玻璃元件具有不同的定向和/或位置，因此提高了玻璃元件在热成型期间的柔韧性。

根据系统的另一优选实施例，调整所述定位单元以提供用于改变所述燃烧器单元的位置的三维运动，特别是直立于玻璃元件的轴线或表面的运动。这以非常灵活的方式实现了燃烧器单元相对于玻璃元件的定位。进一步地，例如，由于轴向地和垂直地可调节的定位单元，使得能够更精确地定位燃烧器火焰，特别是在分离过程和随后的底部成型方面。

根据系统的另一优选实施例，所述定位单元包括致动器，优选地伺服马达和/或千分尺螺钉。这使得燃烧器单元能够自动地和/或可靠地移动。

根据该系统的另一优选实施例，该系统包括至少一个燃烧器流体预混合单元，优选地每个燃烧器单元具有一个燃烧器流体预混合单元，该燃烧器流体预混合单元用于提供用于供给所述至少一个燃烧器单元的燃烧器流体的至少两种成分的恒定混合比。这使得能够以容易的方式例如将燃烧器气体混合物的热值用作用于质量流量控制的受控过程变量。

根据系统的另一优选实施例，玻璃元件在被加热时布置在支撑设备中，调整所述支撑设备以改变玻璃元件相对于至少一个燃烧器单元的定向和/或位置，优选地其中所述支撑设备可由所述控制单元控制。这使得玻璃元件能够例如在燃烧器单元固定的情况下旋转。提供了易于生产的玻璃元件。

根据系统的另一优选实施例，至少一个传感器单元包括硅二极管、光纤和/或带通滤波器。这增强了传感器单元的灵活性，以及使得能够简单可靠地由传感器单元检测光发射，特别是当使用侧翼陡斜的带通滤波器时。例如，使得带通滤波器能够从背景中排除杂光发射以及背景热辐射。

根据系统的另一优选实施例，至少一个传感器单元包括传感器定位单元，该传感器定位单元用于改变所述至少一个传感器单元相对于一个或多个所述燃烧器单元和/或相对于玻璃元件的定向和/或位置，优选地其中所述传感器定位单元可由所述控制单元控制。这使得能够以简单容易的方式移动至少一个所述传感器单元，使得相应的传感器单元相对于玻璃元件具有不同的定向和/或位置。进一步地，在不同玻璃元件的热成型期间提高了灵活性，特别是通过把不同玻璃元件的不同尺寸考虑在内。

根据系统的另一优选实施例，至少一个传感器单元布置在相对于燃烧器单元固定的位置。由于不需要传感器单元相对于燃烧器单元的移动，所以这样能够很容易地确定参考信号。避免了改变所述部件的条件，并因此避免改变测量信号。

根据系统的另一优选实施例，至少一个传感器单元包括一个或多个透镜，优选地所述一个或多个透镜由塑料制成。进一步地，由于可以精确地监测发光区域，所以提高了精度。使用至少一个透镜能够限定辐射所需的空间检测区域。

附图说明

存在以有利的方式来设计和进一步开发本发明的教导的若干方式。为此，其一方面应当参考从属于权利要求1的权利要求，而另一方面应当参考下面由附图所示的对本发明的实施例的优选示例的解释。借助于附图，结合对本发明的实施例的解释，通常将对优选实施例和该教导的进一步开发进行解释。

在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的系统；

图2示出了根据本发明的实施例的由传感器单元随时间测量的测量信号；以及

图3示出了根据本发明的实施例的用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的方法的步骤。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的系统。

详细地，图1示出了用于控制玻璃元件2的碱排放的系统1。玻璃元件2由上支撑单元14和下支撑单元15支撑。两个支撑单元14、15都可以通过使玻璃元件2围绕垂直轴线24旋转(以附图标记20描绘)来改变玻璃元件2的定向。此外，在玻璃元件2的垂直的中间部分的左侧和右侧分别设有燃烧器单元3、4，从而提供对应的燃烧器火焰3a、4a。将燃烧器单元3、4的燃烧器火焰3a、4a引导到玻璃元件2上以进行热成型。经由位于不同水平侧和/或以与玻璃元件2成不同角度布置的两个传感器单元5、6感测从玻璃元件2(发光区域10)发出的光以及从燃烧器火焰3a、4a(燃烧器火焰区域11)发出的光。传感器单元5、6之一或两者都包括透镜23，该透镜附接到玻璃纤维22的端部，用于测量光发射。玻璃纤维的另一端附接到硅二极管21形式的检测器。两个传感器单元5、6都连接到个人计算机8，用于分析传感器信号并且用于基于传感器信号来确定碱排放。个人计算机8还基于所确定的碱排放来计算控制信号，以向连接到个人计算机8的控制单元9提供控制信号。控制单元9连接到质量流量控制器18、19，每个燃烧器单元3、4具有一个质量流量控制器，从而能够控制用于供给各个燃烧器单元3、4或多个燃烧器单元3、4的流体(优选地气体)的质量流率。

燃烧器单元3、4可以分别与相应的指定的定位单元12、13一起移动，该定位单元12、13也可以由控制单元9控制。定位单元12、13可以各自包括伺服马达，该伺服马达用于直立的和平行于垂直轴线24的运动(即，水平运动)，从而使得能够针对具有不同直径的玻璃元件精确定位各个燃烧器火焰3a、4a。具体地，定位单元12、13可以布置燃烧器单元3、4成使得燃烧器单元3、4与不同玻璃元件2的表面相隔的距离可以保持恒定。例如，如果不同的玻璃元件2的直径是从一组四个不同的直径中获得的，则燃烧器单元3、4与相应的玻璃元件2的垂直轴线24相隔四个对应的最佳距离，并且燃烧器单元3、4各自与不同的玻璃元件2中的每个玻璃元件2的相应表面相隔相同的距离。这同样适用于可移动的传感器单元5、6，即，它们相对于燃烧器单元3、4和/或相对于玻璃元件2的位置可以通过相应的传感器定位单元16、17来改变。

用于燃烧器单元3、4的流体可以包括氧气和/或丙烷，特别是丙烷/氧气的比例为1:4至1:6。燃烧器单元3、4可以与至少一个燃烧器流体预混合单元连接。优选地，每个燃烧器单元3、4具有一个燃烧器流体预混合单元。该燃烧器流体预混合单元用于向燃烧器单元3、4提供流体的至少两种成分的恒定混合比。

燃烧器单元3、4可以相对于玻璃元件2的表面倾斜定位，从而能够通过燃烧器火焰3a、4a实现更大的加热区域并且增强到玻璃元件2中的热量引入。传感器单元5、6可以具有矩形测量区域，例如，在150mm/200mm/250mm的距离中，测量区域的边长为60mm/70mm/80mm。传感器单元5、6中的一个或多个传感器单元可以与燃烧器单元3、4位于同一位置，并且与对应的燃烧器单元3、4一起移动。传感器单元5、6中的一个或多个传感器单元也可以布置在旋转台式的机器上。

本文中对传感器单元5、6进行调整，以感测589nm附近的光谱区域中的光发射，该589nm是钠的主要波长。在其他碱金属和碱土金属(如钾或钙)中，钠是主要的且相关的材料。因此，待检测的总光发射的相关的部分是与钠有关的部分。因此，为了使得能够预测随后释放到玻璃元件2的内容物中的钠，测量并且使用钠在对应波长处的强度。该强度不仅包括从玻璃元件2发射的部分，而且还包括从各个燃烧器火焰3a、4a发射的部分，并且因此在计算碱排放时已经考虑或包括在内。这同样适用于作为背景辐射的玻璃元件2的热发射。

当加热玻璃元件2时，包括碱金属和碱土金属的玻璃成分(尤其是钠)蒸发。蒸发速率与玻璃元件2的温度成指数比例。蒸发不仅限于玻璃元件2的外部。某些部分也蒸发到内部。虽然蒸发到外部导致燃烧器火焰3a、4a的钠光发射，但是蒸发到玻璃元件2的内部也导致钠在内部富集，并且在冷却之后，钠在玻璃元件2的内表面上冷凝。某些部分保持化学地固定到内表面上可能会污染玻璃元件的内容物，导致该内容物(例如医学试剂)的ph值发生变化。

特别是当对传感器单元5、6进行调整以感测钠双峰线时，该传感器单元5、6可以具有玻璃纤维22，该玻璃纤维22附接有微透镜23，使得传感器单元5、6的检测器21可以感测到来自距离例如20cm的钠光发射。检测器21可以是硅二极管。

对由传感器单元5、6提供的感测信号可以进行放大或进一步处理。进一步地，滤波器可以布置在玻璃纤维22与检测器21之间的光路上，以实现对热辐射的滤波，特别是对波长比589nm长或短的光谱的一部分进行滤波。该滤波器可以是带通滤波器，优选地以滤波窗口为589nm+/-20nm或更小的干涉滤波器的形式。干涉滤波器的优点是侧翼非常陡斜，从而使得能够进行精确滤波。

传感器单元5、6无需聚焦、同步和/或校准(换言之，以空间整合、时间连续和相对的方式)就可以检测钠d线整体时间相关强度(d-lines-overall-time-dependentintensity)。传感器信号或值在任何时候都取决于燃烧器火焰的几何形状、与钠有关的玻璃元件2的发射区域的大小、以及所述区域内的温度分布。

作为控制信号，可以提供温度传感器7，该温度传感器也连接到个人计算机8。温度传感器可以是高温计。

术语“空间整合”在此意指传感器单元5、6具有检测区域，该检测区域覆盖玻璃元件2的所有钠d线发射区域以及燃烧器火焰3a、4a的所有空间点或区域。这种传感器单元的传感器信号即使在与传感器单元5、6的理想固定位置发生小的偏差时也不会改变。

术语“时间连续”在此意指没有施加触发信号，并且不必限定开始或结束时间点。由于某个时间间隔内的以及用于每个可能的制造位置的参考信号值已知，所以个人计算机8可以对传感器单元5、6的不断循环的时间相关传感器信号序列与对应参考信号序列进行比较，以确定玻璃元件的碱排放。

术语“相对”本文中意指传感器信号与任何物理量无关。如上所述，由于参考信号已知，所以只需比较传感器单元5、6的传感器信号的绝对实际值与对应参考值即可。可替代地，可以计算实际传感器信号的累积值(例如平滑平均值或样条展开)，并且比较该累积值与对应平滑的参考信号。

图2示出了根据本发明的实施例的由传感器单元随时间测量的测量信号。

图2示出了随时间测量的电压信号形式的传感器单元5、6的时间连续传感器信号的两个周期，该时间以秒为单位进行测量。

所示出的是两个加热阶段hp1、hp2和两个冷却阶段cp1、cp2，而无需施加燃烧器火焰。传感器信号的时间相关波形基于相应的制造位置处的玻璃元件内的等温分布的时间相关波形、该位置处最高温度的温度的时间相关波形，尤其是系统的总体和发展状态。

根据本发明的系统1可以部分地或总体地用作控制回路的测量装置、用作用于制造过程控制的测量装置、或用作对制造系统的设定的辅助。

如果燃烧器火焰3a、4a的空间尺寸(即，燃烧器单元3、4的几何形状及其相对于玻璃元件2的发射表面的位置、玻璃元件2的钠发射表面的几何形状、以及燃烧器火焰3a、4a内的能量分布(即，燃烧器气体的化学计量组成))固定，则系统1还基于传感器信号来确定发射玻璃元件2内的温度和/或最大温度值。为了确定在玻璃元件2的发射表面内在任何时间与实际传感器信号相关的最高温度可以使用红外相机来获得参考信号。

具体地，因为不同的制造位置具有不同的温度并且发射的强度与温度指数相关，所以传感器单元3、4的可检测强度范围可针对每个制造位置特别地单独进行调整。

甚至进一步地，系统1使得能够精确可靠地预测耐水解性(换言之，表面碱性)。表面碱性可以在实验室中高精度地测量，并且在此基础上，可以提供耐水解性参考值，用于与实际传感器值相关性。

图3示出了根据本发明的实施例的用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的方法的步骤。

在图3中所示出的是用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的方法的步骤。该方法包括以下步骤：

第一步骤s1执行通过使用一个或多个燃烧器单元对玻璃元件执行加热，每个燃烧器单元提供燃烧器火焰。

另一步骤s2执行经由一个或多个传感器单元优选地至少周期性地、特别是连续地感测加热后的玻璃元件的光发射和所述一个或多个燃烧器单元的燃烧器火焰的光发射，其中对所述一个或多个传感器单元进行调整，以感测玻璃元件的总发光区域和燃烧器火焰区域。

另一步骤s3执行在感测到所述光发射时通过所述传感器单元提供一个或多个信号。

另一步骤s4执行所述一个或多个信号与一个或多个参考信号进行比较。

另一步骤s5执行基于所述一个或多个信号与所述一个或多个参考信号的比较来确定所述玻璃元件的碱排放。

最后的步骤s6执行基于所确定的碱排放来控制所述一个或多个燃烧器单元，使得所确定的碱排放在预先给定的间隔内。

综上所述，本发明的至少一个实施例提供或实现以下各项中的至少一项：

·灵活、易于实施、稳健并且成本低廉的控制系统，其用于精确控制玻璃元件的碱排放；和

·用于控制玻璃元件在热成型期间的碱排放的在线方法。

本文中所阐述的本发明的很多修改和其他实施例对于受益于在前面描述和相关附图中展示的教导的本发明所属领域的技术人员而言是显而易见的。因此，应当理解，本发明不受限于公开的特定实施例，并且所附权利要求的范围中旨在包括该修改和其他实施例。尽管本文中采用了特定术语，但是仅以一般性和描述性的意义来使用它们，并且它们不用于限制性的目的。

附图标记列表

1系统；

2玻璃元件；

3、4燃烧器单元；

3a、4a燃烧器火焰；

5、6碱传感器单元；

7温度传感器；

8计算机；

9控制单元；

10、11发光区域；

12、13定位单元；

14、15支撑设备；