專利名稱：包含應力測量裝置的平板玻璃生產設備和操作平板玻璃退火窯的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及平板玻璃生產設備，其包含后面接著形成平板玻璃帶 的設備和退火窯的熔化和精煉爐，并且包括非接觸測量玻璃帶中的應 力的在線測量裝置。
背景技術：
平板玻璃退火窯是隧道爐，其配有使玻璃帶跟隨受控的加熱/冷 卻循環(huán)的加熱和冷卻裝置。在按照浮法工藝的生產線的情況下，它被
放在錫槽(bath of tin)的下游，而在夾層玻璃(laminated glass )生 產線的情況下，它被放在熔化/形成爐的下游。
平板玻璃條的冷卻循環(huán)的第一關鍵階段是在玻璃處在粘彈性狀 態(tài)下的退火窯區(qū)域中。冷卻導致熱梯度和應力。為了限制殘余應力的 形成和為了使它們減小，讓冷卻以降低的速率開始，以便允許玻璃經 歷"退火"。太高的殘余應力水平會引起像切割操作那樣的玻璃后續(xù) 處理中的問題。 一旦完成了這種在轉變溫度附近的退火，冷卻循環(huán)的 第二關鍵階段開始，其中的目的是迅速冷卻玻璃，以便限制退火窯的 長度。由于玻璃處在固態(tài)下，在這個冷卻步驟期間的熱梯度導致所謂 的"臨時"應力?，F(xiàn)在，在第一冷卻階段之后，殘余應力仍然存在于 玻璃中?？倯Ρ硎練堄鄳团R時應力的組合。
在冷卻期間，沿著玻璃帶厚度方向的溫度梯度導致如附圖的圖1 所示的所謂分層應力。最冷的表面層處在各向同性平面拉伸的狀態(tài)下， 而內部的層處在各向同性平面壓縮的狀態(tài)下。
帶的平面內的溫度梯度也導致平面應力，但其為膜型(membrane type)，也叫做形狀應力。在只在長帶的寬度方向上有梯度的情況下
5(參見圖1)，膜應力(membrane stress)的取向與該帶的長度方向平 行。在帶的長度方向上的這些應力為壓縮的或拉伸的，這取決于帶的 寬度方向上的溫度分布。在退火窯中，由于該帶的邊緣有較大的脆性， 所以目的是使該帶的邊緣保持輕度壓縮。這些熱應力在冷卻結束時隨 著熱梯度的消失而消失，因此它們的特性表現(xiàn)為臨時應力。
此外，可以容易地理解殘余應力的形成。玻璃帶首先在兩個表面 上固化。核心在這個時刻仍然是可塑的。隨后它固化，并且存在進一 步緊縮的趨勢。但是，由于核心附在兩個固化表面上，所以不可能再 這樣。因此，核心在固化期間經受拉伸應力。因此，兩個已固化表面 同時處在壓縮應力下。因此，該帶呈現(xiàn)中心區(qū)域處在拉伸應力下而兩 個表面區(qū)域處在壓縮應力下的殘余應力。這些區(qū)域中的殘余應力在板 的平面中是各向同性的。殘余應力水平在第一冷卻階段期間與冷卻速 率密切相關。高的冷卻速率，尤其對于厚玻璃，導致高的殘余應力， 并且在切割玻璃面板時會引起問題。上下表面的非對稱冷卻使厚度中 的應力分布移動，并且使帶變形。
取決于冷卻速率的帶狀固化的相同現(xiàn)象出現(xiàn)在帶的寬度方向上。 控制帶的邊緣的冷卻速率是一個特別困難的問題，尤其在厚帶的情況 下。在第 一冷卻階段期間調整冷卻必須保證邊緣處在輕度壓縮狀態(tài)下 和帶的中心處在輕度拉伸狀態(tài)下，以便減少帶斷裂問題。
這里回顧一下，在缺乏外力的情況下，內力必須平衡(柯西 (Cauchy )原理)。如果不計由滾筒傳送引起的力和由重力引起的力， 這對于退火窯中的玻璃帶是成立的。
玻璃是易碎材料。在張力的作用下，它沿著與在其中占優(yōu)勢的法 向拉伸應力(normal extensional stress )的方向垂直的方向斷裂。玻 璃通過延性變形對剪切作出響應。因此，有必要識別主應力的方向和 幅度，以便評估斷裂的風險。通過確定主應力，可以消除應力張量中 的剪切分量。玻璃帶的形狀已經能夠使維度減少到2D(二維)的平面 情況。另外，對于無限長帶和對于只在帶的寬度方向上的熱梯度，帶 的長度方向上的應力分量和主應力是一致的。不再有必要測量剪切應力來求出主應力。
玻璃材料的一個特別特征是它的表面在拉伸應力下斷裂的敏感
性。表面沒有肉眼可見缺陷的利用浮法工藝制造的玻璃在超過50 MPa (兆帕)的表面拉伸應力下可能已經破裂。表面缺陷可以進一步降低 這個極限。
因此，當在退火窯中冷卻玻璃帶時，重要的是細致地控制沿著帶 的厚度方向和在它的寬度方向上的應力分布。通過確定帶的表面上的 主應力，可以預見退火窯中的帶的整個表面上的過分大應力。因此， 應力測量必須能夠在退火窯中的帶上的任何點上確定總主應力，以便 使破裂風險受到控制，但也必須允許確定殘余應力。除了在固化溫度 附近固化帶之外，在退火窯中仍然同時存在殘余應力和臨時應力。通 過同時確定應力和溫度分布，可以將臨時應力從總應力中分離出來， 以便獲得殘余應力。確定殘余應力的另 一種方式是不冷卻地在退火窯 區(qū)域且因此在帶溫均勻的區(qū)域中進行應力測量。在有沿著厚度方向的 分布的情況下，這尤其有利，因為沿著厚度方向的溫度分布的測量結 果沒有在帶的寬度方向上的溫度分布的測量結果那么明顯。此外，如 果環(huán)境溫度和帶的溫度接近，則在退火窯的末端自然給出帶的熱均勻 性的條件。因此，在在"平板玻璃退火窯，，裝備上進行應力測量的情 況下感興趣區(qū)從開始建立應力的轉變溫度一直延伸到退火窯之后^f 的熱均勻化的位置。
一般說來，帶在退火窯中的不適當冷卻可能導致玻璃中不利于玻 璃的質量和不利于它的最后形成的過分大應力水平。
1. 在退火窯中
在臨界拉伸值之上，在玻璃中存在其主要分量的總應力導致帶破裂。
另外，玻璃中的大應力可能使帶沿著與帶的平面垂直的方向變 形。這可能嚴重地干擾帶經過退火窯的輸送。如果是永久性變形且在 切割操作之后仍然留在玻璃面板中，則這種類型的變形也是有問題的。
2. 在處在退火窯下游的切割部分中帶中的大殘余應力使得干凈利落地切割玻璃是很困難的，即使這 不是不可能。
因此，在退火和冷卻玻璃帶的整個工藝中，控制應力并使它們保 持在可接受水平是工業(yè)操作人員的主要關注點。
為了簡化如下討論，將采用與帶的幾何形狀共形的應力坐標系 (參見圖1)。對于一些特殊情形，主應力的方向可以與帶中的這些 幾4可應力一致。
因此，在帶的長度方向上定義分量(Tx，在帶的寬度方向上定義分 量(Ty，且在與帶垂直的方向上定義分量Oz。
在薄板的情況下，分量(Tx和Oy代表平面應力，即，分層應力場。
在生產線上，在寬度方向上測量退火窯之后的橫向分布圖(圖2)，
它描繪了在帶的厚度方向上積分的分量&,因此，是膜應力。按照現(xiàn) 有技術，橫向分布不是在退火窯內測量的。然而，它是這種應力，其 在沒有調整好寬度方向上的冷卻時可能達到高的數(shù)值，并且可能導致
帶破裂。按照現(xiàn)有技術，在帶的厚度方向上指示的膜分量(Ty也不是在 退火窯內測量的。但是，在某些情況下(例如，在寬度方向上的熱分 布沿著帶的長度方向不是不變的)，這種應力不是可忽略不計的。
垂直分布圖描繪了在帶的厚度方向上平面應力Ox或Oy的變化(圖 2)。對于從帶中切割的小樣品，分量^和(Jy相等，因為消除了^'R 應力或膜應力的貢獻。由于離線測量垂直分布，所以只測量到殘余應 力。按照現(xiàn)有技術，在退火窯內未測量總應力Ox或Oy的垂直分布。然 而，尤其在厚玻璃的情況下，它是這種應力，其可能達到臨界的高數(shù) 值。
在薄板的情況下，不存在分量Oz。但是，當接近浮法玻璃帶的邊
緣或與傳送滾筒接觸時，這個分量出現(xiàn)了。按照現(xiàn)有技術，在帶上未 進行這個應力的測量。
按照現(xiàn)有技術，存在各種非接觸測量帶中的應力的方法，尤其是
如下所述的那些。
常常用于測量玻璃中的應力的一種光學方法基于分析光束穿過
8玻璃后的偏振。這種方法基于與玻璃的光彈性相關的特性，其特征在 于在存在應力的情況下光折射率的方向上的變化。
在平板玻璃帶上，利用基本上與其表面垂直地穿過帶的光束進行 測量。在穿過帶的厚度一次或穿過其兩次之后分析光束的偏振。這種 方法要求利用在帶之上和之下的光學元件精確地調整光束。利用這種 方法在線進行的應力測量是在退火窯的下游很長距離上作出的，以便 減小臨時應力對測量的影響。這是以測量殘余膜應力為目的的(參見
專利US 4 619 681或DE 1 202 028)。在Ox的情況下，這些使平均值 能夠通過在板片的厚度方向上對應力進行積分來表征。但是，這些測 量只表征了沿著帶的長度方向的膜應力。尤其，它們致使有可能檢驗 帶的邊緣是否處在壓縮狀態(tài)下，因為在拉伸應力下，這些對斷裂尤其 敏感。此外，這種方法假設不存在分量Oy，以便作為主應力來識別分 量ox (通過測量垂直束的延遲，可以只測量兩個分量之差)。
在冷卻帶的第一階段期間，與設備在生產線中的位置有關的慣性 不允許迅速調整退火窯的操作參數(shù)。另外，該方法沒有提供有關在退 火窯中占優(yōu)勢的臨時應力的信息。將這種類型的儀器帶入退火窯中會 碰到兩個難題l)機械、光學和電子的部件不適合于溫度高達600。C 的熱環(huán)境；2 )來自玻璃帶的熱輻射嚴重干擾光學系統(tǒng)對偏振光的檢測。
基于分析光穿過玻璃之后的偏振的其它方法用于沿著樣品厚度 方向的垂直應力分布的實驗室測量。
由于樣品的切割，或多或少減小了膜應力。因此，測量殘余平面 應力&或(Ty的垂直分布，并且由于各向同性這兩個值相等。由于不存 在膜應力，所以對這樣樣品的垂直分布的積分實際上給出零應力。垂 直分布反映了玻璃退火的水平和性能。這種對切割樣品的測量只能夠 在從其中取出樣品的帶上的該位置處確定殘余應力分布。
測量垂直殘余應力分布的另一種方法牽涉到分析由光束或激光 束散射的光。這種方法牽涉到兩種變體
A)分析接著穿過處在應力下的物體的散射和偏振光；
B )分析由穿過處在應力下的物體的偏振光束所散射的光的強度。兩種變體優(yōu)選地使用叫做瑞利(Rayleigh)散射的彈性光散射的 效應，或作為一種變體，使用叫做布里淵(Brillouin)或拉曼(Raman) 散射的光與聲子相互作用的效應。這些方法稍后在本文件中將作更詳 細說明。
按照現(xiàn)有技術，散射光方法總是需要利用放置在玻璃表面上的棱 鏡在樣品的邊緣上或在表面處將光束耦合到玻璃中。在專利US 2003/ 0076487中，通過利用衍射光柵耦合光束，可以經過沒有棱鏡的表面 有效地將光引入玻璃中。衍射光柵通過利用激光局部加熱玻璃來制作。 然而，這種方法不可應用在行進的熱的帶上。此外，局部加熱損害了 低的熱應力(例如，存在在退火的玻璃中的那些)的測量。該方法主 要以應力水平高得多的鋼化玻璃(toughened glass )為目標。
在專利DE 10161914 Cl中提出了散射光方法的另一種變體。該 散射光方法的缺點是以掠射角穿過玻璃的光束的強度損失，尤其對于 有色玻璃(tinted glass)。所引用的專利提出了通過中性楔形濾光片 (neutral wedge filter)補償這種強度損失。但是，仍然需要用于很好 地將光耦合穿過樣品表面的棱鏡，從而限制了將這種方法應用于離線 測量。
由于取得樣品和從實驗室返回信息都需要時間，所以對樣品的所 有測量方法都會產生相當大的惰性。另外，它們提供不了有關厚度變 化的膜型臨時應力或平面應力的信息。臨時應力測量自動牽涉到退火 窯內的測量。
在專利US6 796 144中已經提出了間接方法。按照那個專利，通 過分析由光致發(fā)光從沿著厚度方向的區(qū)域發(fā)出的光，沿著玻璃板的厚 度方向進行溫度測量。借助于這種方法，通過幾次測量確定垂直溫度 分布。從這個溫度分布中計算垂直臨時應力分布。這種方法提供不了 有關在玻璃在退火窯中冷卻時疊加在垂直臨時應力分布上的殘余應力 和膜應力的信息。
在現(xiàn)有技術中用于確定玻璃帶中的應力水平的解決方案是令人 不滿意的，尤其因為-它們不允許直接監(jiān)視用于連續(xù)獲取經過退火窯之后具有良好
特性的玻璃的退火工藝；
-它們不允許在退火窯中測量垂直平面應力分布；
-它們不允許在退火窯中測量膜應力分布；
-它們不允許同時測量在帶的寬度方向上的膜應力分布和垂直 平面應力分布；以及
-它們不允許在退火窯中的任意點處確定總應力和它的主方向 以便預防帶破裂或帶的彎曲狀況。
在運行穿過退火窯的玻璃帶上測量應力的主要困難在于需要對 所有主要應力分量在沒有任何機械接觸、在處在高溫下的玻璃上、在 熱環(huán)境下和不干擾玻璃帶的冷卻的情況下進行非破壞性測量。

發(fā)明內容
為了提供對這些問題的解決方案，按照本發(fā)明， 一種平板玻璃生 產設備，其包含后面接著形成平板玻璃帶的設備和退火窯的熔化和精 煉爐，并且包括非接觸測量玻璃帶中的應力的在線測量裝置，其特征 在于在線應力測量裝置安裝在退火窯中。
直接在退火窯中的玻璃中總應力的非接觸在線測量允許退火窯 的操作參數(shù)得到迅速調整，從而使任何點上的總應力水平都保持為低 于預定值。
直接在退火窯中的非接觸在線測量還使確定存在殘余應力的帶 的固化區(qū)域成為可能。
直接在退火窯中的非接觸在線測量與帶的垂直或橫向溫度分布 的測量結合在 一起使推導出臨時應力對總應力的貢獻和從中推導出殘 余應力成為可能。
按照本發(fā)明的測量裝置包含將光束引到玻璃帶上的光發(fā)射器、以 及接收和分析光束與玻璃的相互作用所引起的沿著空間中各種方向散 射的光的裝置。
測量裝置包括光學部件和信號處理裝置，它們允許足夠靈敏地測量和分析光散射，以便省去光學附件，尤其是放在玻璃表面上的棱鏡。
有利地，該裝置包括測量和分析散射光的CCD相機。 因此，可以通過充分精確地表征散射光來測量平板玻璃中的應 力，以便分析退火窯中的玻璃帶特有的臨時和殘余應力。這種裝置的 另一個優(yōu)點在于，可以同時測量膜應力分布和沿著玻璃厚度方向的應 力分布。
有關臨時和殘余應力分量的完整信息允許調整退火窯中的冷卻 從而防止破裂以及允許更好地監(jiān)視殘余應力水平。因此，可以利用這
個信息，以便用包含測量、信號處理和冷卻的機動化調整的自動系統(tǒng) 來控制退火窯。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選示范性實施例，測量裝置通過測量應力分
量Ox使結合垂直應力分布和橫向應力分布的特征成為可能。這兩種分 布對應于當前在退火窯之后"低溫"進行的或在實驗室中對樣品進行 的測量。另外，按照本發(fā)明的測量使能夠在冷卻期間評估臨時應力和 總應力。
測量垂直和橫向分布的裝置有利地被放在退火窯的每個冷卻區(qū) 域中，以便單獨地監(jiān)視每個區(qū)域產生的應力。應力測量尤其使監(jiān)視在 每個區(qū)域的寬度方向上的冷卻量、上部和下部冷卻以及總冷卻量成為 可能。
按照另一個示范性實施例，測量裝置使將垂直分布測量與縱向分 布測量結合成為可能。這尤其使在退火窯的長度方向上識別殘余應力 和臨時應力沿著厚度方向的變化成為可能。如果在帶的寬度方向上的 幾個位置上重復該測量，也可以建立橫向膜應力分布。
按照另一個示范性實施例，在帶上的許多位置上測量這些分布， 從而使繪制在退火窯中的帶的整個長度上的應力成為可能。這樣，可 以識別玻璃帶中總應力高的點。
在存在膜應力的分量Oy的情況下，主應力的取向不再與應力<yx 平行。因此，兩個分量同時存在。光彈性原理使得只有與觀察束 (observation beam)垂直的應力差能夠被測量。但是，通過在各種
12取向上重復測量，可以分離各種應力的貢獻。因此，為了找出主應力 的方向和幅度，測試系統(tǒng)能夠進行旋轉。獲取主應力的另一種方式在 于在相對于玻璃板上的法線的各種角度上分析光學信號。
另一個示范性實施例的目的在于檢驗特殊點(例如，帶靠在滾筒 上的點)上的應力水平、和接近帶的邊緣的厚度上的變化。但是，光 彈性原理只允許測量與觀察束垂直的應力差。通過比較在分開很近的、 但帶有和沒有分量(Tz的位置上的測量，可以獲得它的值。
按照另一個示范性實施例，改變觀察束的取向，以便找出包含垂
直分量&的貢獻的3D主應力。
測量裝置可以包括位于帶的一側上的光源、和位于相對側上或優(yōu) 選與光源位于同一側上的光學分析器。光源可以位于帶的上面或下面。 測量裝置的發(fā)射器和接收器可以冷卻，以便將它們放置在退火窯
的相應高溫區(qū)域中。
測量裝置通過用于處理測量裝置遞送的數(shù)據(jù)和顯示應力的控制 臺來操作?？蛇x接口提供了這個控制臺與退火窯控制單元之間的鏈路
(link)。
配有含有光學系統(tǒng)的測量裝置的設備有利地包括用于過濾進入 測量裝置的光學系統(tǒng)的束以便除去不利于精確測量的熱輻射的裝置。 光學系統(tǒng)可以包括觀測管和配備在觀測管之后的截光器。 本發(fā)明還涉及在退火窯中非接觸在線測量玻璃帶中的應力的裝 置，其特征在于，其包括將光束引到玻璃帶上的光發(fā)射器、和接收和 分析由光束與玻璃的相互作用引起的沿著空間中各種方向散射的光的 裝置。
優(yōu)選地，在線測量裝置使用叫做"瑞利散射"的彈性光散射的效 應，或者叫做"布里淵或拉曼散射"的光與聲子相互作用的效應。有 利的是，該裝置包括測量和分析散射光的CCD相機。
在該裝置的一種變體中，利用傳統(tǒng)光彈性方法，通過偏振束的通 過和直接分析只測量膜應力。信號分析器有利地包括過濾進入測量裝 置的光學系統(tǒng)的束以便消除不利于精確測量的熱輻射的裝置。在該裝置的一種變體中，通過例如高溫計的已經測量裝置來測量
帶的橫向和/或縱向表面溫度分布。基于體輻射(volume radiation) 發(fā)射的其它方法用于獲取沿著帶的厚度方向的溫度分布。因此，可以 分離總應力測量中的臨時和殘余應力。
本發(fā)明還包含操作平板玻璃退火窯的方法，其特征在于，通過安 裝在退火窯中的測量裝置連續(xù)測量玻璃帶中的應力，并且通過控制環(huán) 路將它用于自動調整退火窯的操作參數(shù)。
有利的是，按照本發(fā)明的退火窯操作方法，退火窯控制系統(tǒng)和應 力測量系統(tǒng)的組合被設計成允許迅速調整退火窯的操作參數(shù)，以便使 總應力水平保持為低于預定值，從而使防止玻璃破裂或防止帶在與帶 的平面垂直的方向上變形成為可能，并且以便殘余應力水平保持為低 于預定值，允許玻璃進行后續(xù)處理。
此外，按照本發(fā)明的方法，可以在玻璃帶的寬度方向上進行應力 測量，并且可以將該應力測量用于調整帶的寬度方向上的熱分布和/ 或調整帶的寬度方向上的冷卻分布。
優(yōu)選地，按照本發(fā)明的方法，建立操作退火窯的數(shù)學模型，并且 將它用于按照所作的測量而定義應用于退火窯的最佳設定點，以便得 到所期望的溫度和應力水平。


除了上述布置之外，本發(fā)明還包括通過結合參照附圖詳細描述的 示范性實施例更全面說明的許多其它布置，但是，這些實施例決不是 限制性的。在這些附圖中
-圖1示意性地示出了玻璃帶以及分布和應力的方向；
-圖2是示出沿著玻璃帶的寬度方向y的應力的一種可能變化的
圖形；
-圖3是示出沿著玻璃帶的垂直方向z的應力的一種可能變化的
圖形；
-圖4是平板玻璃生產設備的示意性側視圖；-圖5是按照本發(fā)明包括裝好的應力測量系統(tǒng)的一個例子的退火 窯按較大比例畫出的垂直截面的局部示意圖； -圖6是在圖5上往下看的示意性頂視圖； —圖7是測量裝置和退火窯控制裝置的簡圖； -圖8是放置在玻璃帶上方的測量裝置的透視圖；以及 —圖9是用于接收和分析散射光的裝置的立面的示意圖。
具體實施例方式
附圖的圖1示意性地示出了沿著與帶的縱向邊緣平行的箭頭S的 方向前進、躺在水平面上的玻璃帶1。垂直虛線V指示帶的厚度方向。 水平虛線L指示與箭頭S正交的帶的橫向寬度方向y。玻璃帶中應力 的取向可以沿著三個正交方向定義，即，沿著帶的長度方向x的分量
<TX、沿著寬度方向y的分量Oy和沿著厚度方向Z的分量(Tz。在這些特
定情況下，主應力的取向可以與幾何取向之--致。
圖2示出了作為畫在水平軸上的沿著寬度L的方向y的點的位置 的函數(shù)、拉伸取正值且壓縮取負值的、畫在垂直軸上的應力的分布。 在圖2所示的例子中，帶的縱向邊緣處在壓縮狀態(tài)下，而中間區(qū)域處 在拉伸狀態(tài)下。
圖3示出了在帶的厚度方向臨時應力的一種可能分布。應力畫在 水平軸上，對于拉伸應力是正值，而對于壓縮應力是負值。在厚度方 向上玻璃帶上涉及到的點的位置畫在垂直軸上。從圖3中可明顯看出， 帶的上表面和下表面處在拉伸狀態(tài)下，而位于中間厚度處的區(qū)域處在 壓縮狀態(tài)下。
這種垂直分布尤其用于量化厚度方向上的每個點處的拉伸或壓 縮應力，并且尤其在帶的兩個表面上。
圖4示意性地示出了平板玻璃生產設備，其包含準備和裝填原材 料的站臺(station) P、熔化和精煉爐H、形成玻璃板的裝置J、退火 窯K、以及包含玻璃的切割和修整(conditioning)的輸出部分M。
退火窯K由傳統(tǒng)上定義成如下的各種相繼的區(qū)域構成區(qū)域A0:用于可能的特殊處理的可選輸入區(qū)域； 區(qū)域A:預處理區(qū)域； 區(qū)域B:退火區(qū)域； 區(qū)域C:間接冷卻區(qū)域； 區(qū)域D:適度直接冷卻區(qū)域；
區(qū)域E和F:退火窯的最終直接冷卻區(qū)域和最后區(qū)域。
在區(qū)域A0、 A、 B和C中，通過與常叫做交換器(exchanger) 的低溫部分，或加熱元件的輻射交換來控制玻璃的冷卻，而在區(qū)域D、 E和F中，通過與吹入空氣(blown air)的對流來進行冷卻。
按照本發(fā)明，測量玻璃帶中的應力的非接觸測量裝置G沿著退 火窯的長度方向裝配在表示退火過程特征的區(qū)域中，例如，朝向緩慢 冷卻區(qū)域A、 B和C的末端或朝向迅速冷卻區(qū)域E和F的末端。也可 以將幾個不同測量裝置放置在區(qū)域A、 B、 C、 D、 E和F中沿著退火 窯的長度方向的各種特征點上。
一個示范性實施例在圖5中示出，其中玻璃帶l行進在傳送滾筒 2上，該傳送滾筒2在裝配有通過輻射或對流冷卻玻璃的系統(tǒng)4的退 火窯K的殼體3內。應力測量系統(tǒng)5包含配有用于光學系統(tǒng)7的開口 的冷卻殼(cooled case) 6，光學系統(tǒng)7可以在光學窗口上配有像空氣 沖洗器(air flush)或擋板(shutter)那樣的熱保護裝置。整個應力 測量裝置G由安裝在移動裝置9和能夠蓋住玻璃帶的整個寬度的手動 或自動橫向位移(transverse displacement)系統(tǒng)11上的才幾械支承件 8支承著。該系統(tǒng)能夠表征在玻璃的厚度方向上的垂直應力分布和在 帶的寬度方向上的任何點上的膜應力分布。
可選旋轉裝置10用于使光學系統(tǒng)7沿著與帶的寬度相對應的方 向或與帶的長度相對應的方向取向。旋轉使得從玻璃中的應力的分量 Ox和Oy和中間分量的測量結果中識別主應力的方向和幅度成為可能。
測量裝置G包括將光束引到玻璃帶上的光發(fā)射器、以及接收和 分析由束與玻璃的相互作用引起的沿著空間中各種方向散射的光的裝
置。對測量裝置的更全面描述將在后面參照圖8和9給出。
16測量裝置G優(yōu)選使用彈性光散射，即瑞利散射的效應，或者，
作為一種變體，使用光與聲子相互作用，即布里淵或拉曼散射的效應。 光學部件和信號處理方法被設計成實現(xiàn)退火窯中的散射光測量
系統(tǒng)。有利的是，測量裝置包括有限大小的單個支承件中和只在帶的 一個表面上的光學元件的組合，從而能夠精確地和可靠地調整光學部 件。散射光可以利用CCD相機測量和分析。因此，測量系統(tǒng)相對于 帶的相對位置的任何變化可以通過該系統(tǒng)檢測并且通過信號的數(shù)據(jù)處 理加以考慮/開發(fā)。
按照另 一種可能性，將整個應力測量裝置放置在安裝在移動裝置 和蓋住退火窯的部分或全部長度的手動或自動縱向位移系統(tǒng)上的支承 件中，以便記錄帶的長度方向上的應力水平。
位移系統(tǒng)可以包含裝配有滑架(carriage)的水平伺服控制桿 (shaft),該滑架上安裝測量裝置。
本發(fā)明的其它可變實施例可以帶有，例如
-l.放置在玻璃帶下表面上的應力測量系統(tǒng)；
-2.包括放置在玻璃帶相同表面上兩個不同的分開的盒子和/或 支承件中的光發(fā)射器和光接收器的測量系統(tǒng)；
-3.包括放置在帶的一個表面上的發(fā)射器和放置在另一個表面 上的接收器的測量系統(tǒng)；
-4.包括放置在帶的一個表面上的發(fā)射器和接收器以及放置在 另一個表面上的反射器的測量系統(tǒng)；以及
-5.補充有帶的溫度測量系統(tǒng)的應力測量系統(tǒng)。
按照遍布在退火窯中進行測量的點上的溫度調整測量裝置。例 如，將該裝置合并到冷卻殼中，以便使它的所有部件都保持在與它們 的正確操作相兼容的溫度水平上。
可以將另外的測量裝置放在退火窯的下游。
測量裝置遞送的信息能夠供設備操作人員使用，以便手動調整退 火窯的操作參數(shù)。
按照另一個示范性實施例，對于退火窯操作人員的信息，可以顯示應力分量(尤其為<yx)和它們的分布，尤其沿著垂直和橫向方向的 測量結果，以便使他能夠確認在退火窯上操作的加熱和冷卻分布的設 置。也可以，例如以曲線的形式，特別為了監(jiān)視產品的質量而記錄這 些值，尤其是殘余應力。
優(yōu)選地，測量裝置G遞送的信息供控制設備的系統(tǒng)使用，以便 通過控制環(huán)路自動調整退火窯的操作參數(shù)，尤其為了調節(jié)玻璃沿著帶 的行進方向和在它的垂直方向上的加熱和冷卻。
可以有利地對控制環(huán)路補充物理的玻璃退火模型，該物理的玻璃 退火模型能夠從退火窯的一個截面中進行的測量中計算在玻璃退火過 程的每個步驟中用于加熱和冷卻玻璃帶的、測量部分的上游和下游的 各種區(qū)域的設定點。
圖7示意性地示出了利用應力測量裝置G遞送的信息的退火窯K 的控制環(huán)路的各種示范性實施例。
可以提供測量裝置G的一個或多個可選測量點12，以便測量應 力。將來自測量點的信息發(fā)送到處理/應力分析/控制臺13。臺(station ) 13將指令發(fā)送到退火窯控制單元14。這個控制單元14將指令發(fā)送到 控制面板15,以便用于諸如風扇、電熱器、閥門位置控制器等的各種 裝備。
可以提供在其中存儲玻璃退火物理模型的單元16。然后，將來自 分析臺13的信息發(fā)送到單元16，以便與該才莫型比較，并且將指令作 為輸出發(fā)送到控制單元14。而且，單元16可以接收來自互補裝置17 的結果，用于測量玻璃帶的參數(shù)，例如，溫度。
下面參照圖8和9更詳細地說明利用散射光方法的應力分析。 由于樣品中的散射，穿過玻璃樣品的普通光束一般不是100%透 過。可以認為這種散射是由主束激發(fā)的基體(matrix)的次級振動。 這通過散射光表示，該散射光在與光束的方向x垂直的平面y-z內從 主束徑向傳播。對這種散射光的觀察表明，它在無應力樣品中在y-z 平面內偏振。通過分析這種散射光的偏振，可以測量樣品中的應力， 因為玻璃中的應力場改變了它的偏振。按照這種測量原理，使用非偏振的、優(yōu)選單色的光源，并且，樣
品按照它的應力水平使散射光偏振。包含分析器和光傳感器(CCD相 機或光電倍增器)的分析系統(tǒng)俘獲離開(exit)玻璃的部分散射光， 以便測量該離開信號(exiting signal)的偏振。
這種測量原理還基于在光束經過樣品期間對散射光的分析，但使 用偏振光作為入射輻射的光源。存在于樣品中的應力場導致沿著它經 過樣品的路徑的光的偏振的改變。這導致了作為主束偏振取向的函數(shù) 的散射光強度的空間調制。由于基體的偶極子在y-z平面內與觀察者 平行或垂直地振動，所以只有偏振與觀察方向垂直的位置才有效地在 觀察方向上發(fā)出散射光。通過光傳感器(CCD相機或光電倍增器)獲 得、觀察到的條紋直接代表玻璃中的應力水平，因為它們對應于源束 的偏振的交替變化。對于這種測量原理，玻璃樣品起分析器作用。
A和B這兩種分析原理都能夠表征樣品中的應力。但是，B原理 更常用在實驗室樣品上，因為它較易實現(xiàn)。
下面參照圖8和9描述按照B原理的測量裝置G的一個實施例， 然后說明在系統(tǒng)基于A原理的情況下的幾種差異。
顛
原則上，波長位于玻璃的光學窗口內的任何光源Q (圖8)都可 以用于產生入射偏振光束。但是，某些準則使系統(tǒng)的性能能夠得到提 高
-短波長光源將得益于較大量散射光(更顯著的瑞利散射效應)； 單色激光源將提高信噪比并防止色散效應； 自發(fā)發(fā)射幾乎平行的小直徑光束的激光源將簡化放置在光源Q 與玻璃帶l之間的聚焦光學鏡片Ofl (圖8); 激光源能夠直接發(fā)射偏振光束；和
調制偏振光束以便產生周期性相移。樣品中的每個測量點按照 相移周期改變它的散射光強度。這種測量能夠提高它的空間分辨率。
在A原理情況下的適當光源的區(qū)別在于使用非偏振光束，而在B 原理情況下光束是偏振的。發(fā)抓
分析偏振光的光學系統(tǒng)DT受兩個要求支配 -1.在退火窯的熱環(huán)境下，它必須保持在低溫下；和 -2.它必須允許信號得到鐠過濾，以便除去熱輻射。 趁刺-鍵#趟錄
通過將它的所有部件放置在用經由觀測管T排放的空氣或氮氣 流來沖洗的水冷外殼N中(圖9),有效地防止光學系統(tǒng)DT受退火 窯中的熱量影響。
在由如下形成的幾個相繼步驟中，過濾進入的光線，以便除去熱
輻射
消除長于2.7微米的波長的、由鈉鈣玻璃(soda-limeglass)制成 的濾光片F(xiàn)L1;
-截去超過要分析的波長(優(yōu)選在可見范圍內)的輻射的短通IR 濾光片F(xiàn)L2;
消除比要分析的波長短的波長的長通濾光片F(xiàn)L3;和
與要檢測的波長匹配的高精度單色濾光片F(xiàn)L4 (例如，具有濾
波帶寬dX<20納米)。
這 一 系列的濾光片使得消除不利于測量精度的大多數(shù)熱輻射成
為可能。
接著，聚焦光學鏡片Ofl2將信號聚焦到檢測系統(tǒng)J(即，能夠檢 測極低強度的光(傳感器的高量子效率和低的暗電流)的高靈敏度相 機的CCD或CMOS傳感器)上。
檢測系統(tǒng)J的靈敏度可以通過間歇技術(包括斬波器)而得到進 一步提高，該間歇技術可以通過可選地與間歇源結合的截光器來消除 系統(tǒng)特有的噪聲。
然后，將獲得的信號發(fā)送到處理系統(tǒng)TR，以便獲取樣品發(fā)射的 光的空間調制的圖像，最后獲取玻璃中與這個光分布相對應的應力場。
用于按照A原理的裝置的檢測系統(tǒng)按照相同準則設計，并且包含 相同系列的濾光片。尤其要注意的是濾光片冷卻，它必須是軸對稱的，以便防止會修改要分析的信號的偏振的、在濾光片的材料中產生的任 何膜應力。同樣，這里的濾光片的質量較重要，以便防止它們扭曲信 號的偏振，因為測量這種偏振是為了表征應力水平。為此，將偏振分
析器ANL(圖9)加入按照B原理的裝置中。然后，將獲得的信號發(fā) 送到處理系統(tǒng)，以便獲取來自樣品的偏振光的分布的圖像，最后獲取 玻璃中與偏振光的這種分布相對應的應力場。
在通過散射光分析應力的最簡單配置中，光束經由樣品的邊緣而 穿入，以便與它的表面平行地穿過它。
由于難以取得樣品，所以這種方法不可應用于鋼化玻璃。在這種 情況下(參見圖8)，使用一種變體入射束1L以相對于玻璃表面的 傾角a穿過玻璃l的表面。束在樣品中的長度取決于這個傾角a，取 決于表面處的折射并取決于樣品的厚度。目的是在玻璃中保持非常長 的束，從而保持好的空間分辨率。
放在玻璃上的棱鏡使在玻璃中以掠射角獲得這種入射束成為可 能。它防止了玻璃表面處的束反射，并且，正如穿過具有不同折射率 的兩種材料之間的界面的光束所引起的那樣，它允許在它的垂直分量 與它的水平分量之間沒有強度差地保持束在進入樣品的點處的偏振。
但是， 一般不可以將棱鏡放在行進穿過退火窯的玻璃帶上，這使 測量更加困難。
在圖8中，入射束1L與玻璃的表面形成大于10。的角度a，以便 限制反射損失。然后，光束以大約40°的角度穿過玻璃的厚度，從而限 制了它在玻璃中的路徑的長度。偏振束的垂直和水平分量由玻璃中的 平面應力引起的漂移變小了。靜態(tài)信號的利用變得復雜，因為必須考 慮到在玻璃中偏振的束的垂直和水平分量的耦合、厚度方向上的應力
變化、束的水平和垂直分量相對于平面應力((7x或CTy)的角度、以及
信號從玻璃出來之前在它路徑上的衰減。
周期性調制進入光束的偏振能夠避免這樣的復雜利用。它能夠確 定沿著光束路徑的兩個相鄰點之間的相移，并且從中推導出這兩個點 之間的平均應力。盡管光束穿過玻璃的角度不利，但保持了在厚度方向上的分布測量的良好空間分辨率。然后，通過在厚度方向上積分平 面應力，獲得所涉及方向上的膜應力。
因此，當將這種方法應用在退火窯中時，最重要的是產生不受寄 生射線干擾的千凈信號。在退火窯的封閉部分中，自動排除了環(huán)境光
的干擾。在開放部分的情況下，例如，通過窗簾(curtain)使局部變 暗。
還要考慮退火窯中熱輻射的千擾。對于退火窯入口處60(TC的溫 度，"黑體"環(huán)境將產生33 kW/m2 (千瓦每平方米)的總半球能流。 因此，與用作光源的III類激光的0.5 W (瓦)相比，光學孔徑是直徑 20 mm的相機將因此接收大約10 W的熱輻射通量。因此，最重要的 是降低熱輻射，因此需要利用如上所述的系統(tǒng)FL1-FL4來過濾它。在 過濾系統(tǒng)之后，獲得的信號具有局限于大約20 nm的i瞽帶。在600。C 下的黑體的半球能流在500到520 nm之間不超過2.1 jiW/m2 (微瓦每 平方米)，并且在400到420 nm之間不超過2.5 nW/m2。進一步降低 了進入相機光學孔徑中的部分。對于直徑20 mm的孑Li徑，對應于0.8 pW (皮瓦)的通量。
在鈉鈣玻璃中可見光衰減幅度的數(shù)量級是60 dB/km。它取決于 波長且取決于玻璃的質量。在樣品中1 mm (毫米)的長度上，保持 不超過6xl0—5dB/mm。當使用偏振激光源時，對于以0.1W(瓦)的 功率進入玻璃的光束，在1 mm上瑞利散射損失的數(shù)量達到1.4 fiW(微 瓦)。如果假定俘獲了這個散射光的0.1%，則檢測系統(tǒng)接收到1.4 nW (納瓦)的通量。由于這個值比過濾之后熱輻射的0.8pW的殘余通量 大3倍，因此，能夠適當?shù)乩迷撔盘枴?br> 本發(fā)明的非接觸測量裝置尤其使在平板玻璃退火窯中在帶上的
任何點上測量所有三個分量CTx、 (Ty和(Tz成為可能，以確定主應力，并
且因此以識別出關鍵地方和優(yōu)化冷卻控制。當然，可以畫出兩種傳統(tǒng) 分布作為"垂直分布平面應力"和"橫向分布膜應力(Tx"。作為對現(xiàn) 有技術的補充，在退火窯中測量這些分布，因此獲得總應力和臨時應 力的直接測量結果。
22測量裝置用于沿著各種取向測量應力分量，以便從中推導出正交的主應力。
沿著玻璃帶的縱向方向所作的應力測量用于調整沿著帶的長度方向的加熱分布和/或冷卻分布。
權利要求
1. 一種平板玻璃生產設備，其包含后面接著用于形成平板玻璃帶的設備和退火窯的熔化和精煉爐，且包括用于非接觸測量玻璃帶中的應力的在線測量裝置，其特征在于，在線應力測量裝置(G)被安裝在退火窯(K)中，并且包括光發(fā)射器(Q)，將光束引到玻璃帶上，用于接收和分析由光束與玻璃的相互作用引起的沿著空間中各種方向散射的光的裝置，以及譜過濾裝置，用于過濾進入測量裝置(G)的光學系統(tǒng)(DT)的光束，以便除去不利于精確測量的熱輻射。
2. 如權利要求l所述的設備，其特征在于，所述測量裝置(G)使用叫做"瑞利散射"的彈性光散射的效應，或叫做"布里淵或拉曼散射"的光與聲子相互作用的效應。
3. 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于，其包括測量和分析所散射的光的CCD相機。
4. 如權利要求1到3之一所述的設備，其特征在于，所述測量裝置用于表征縱向行進的細長玻璃帶，以便在退火窯中在各種位置上跟蹤平面應力的垂直分布和膜應力的橫向或縱向分布。
5. 如權利要求1到4之一所述的設備，其特征在于，所述測量裝置用于在各種取向上測量應力分量，以便從中推導出正交的主應力。
6. 如權利要求1所述的設備，其特征在于，其包括控制系統(tǒng)(13，14)，所述控制系統(tǒng)利用測量裝置(G)遞送的信息通過控制環(huán)路來自動調整退火窯的操作參數(shù)。
7. 如權利要求6所述的設備，其特征在于，所述控制系統(tǒng)(13，14)和測量裝置(G)的組合被設計成允許迅速調整退火窯(K)的操作參數(shù)，以便使總應力水平保持為低于預定值，使得能夠防止玻璃破裂或防止帶沿著與帶的平面垂直的方向變形，從而使殘余應力水平保持為低于預定值，允許進行玻璃的后續(xù)處理。
8. 如權利要求1所述的設備，其特征在于，用于測量裝置橫向位移的系統(tǒng)(11)被用來在帶的寬度方向上測量應力水平。
9. 如權利要求8所述的設備，其特征在于，在玻璃帶的寬度方向上進行的應力測量用于調整帶的寬度方向上的加熱分布和/或調整帶的寬度方向上的冷卻分布。
10. 如權利要求l所述的設備，其特征在于，用于測量裝置縱向位移的系統(tǒng)被用來沿著帶的長度方向測量應力水平。
11. 如權利要求10所述的設備，其特征在于，在玻璃帶的縱向方向上進行的應力測量用于調整帶的長度方向上的加熱分布和/或冷卻分布。
12. 如前面權利要求之一所述的設備，其特征在于，建立用于操作爐子的數(shù)學模型(16)，并且將它用于根據(jù)所作的測量來定義將應用于退火窯的最佳設定點，以便得到所期望的應力水平。
13. 如前面權利要求之一所述的設備，其特征在于，其包括安裝在退火窯的相對高溫區(qū)域中的、用于冷卻測量裝置(G)的裝置。
14. 如權利要求1所述的設備，其中光學系統(tǒng)(DT)包括觀測管，其特征在于，在觀測管之后包括截光器。
15. —種裝置，其用于如前面權利要求中的任何一個所述的平板玻璃生產設備，用于在退火窯中非接觸在線測量玻璃帶中的,"*特征在于，包括光發(fā)射器(Q)，將光束引到玻璃帶上，以及用于接收和分析由光束與玻璃的相互作用引起的沿著空間中各種方向散射的光的裝置(DT)。
16. 如權利要求15所述的裝置，其特征在于，使用叫做"瑞利散射"的彈性光散射的效應，或叫做"布里淵或拉曼散射"的光與聲子相互作用的效應。
17. 如權利要求15或16所述的裝置，其特征在于，其包括測量和分析散射光的CCD相機。
18. —種在如權利要求1到14中的任何一項所述的平板玻璃生產設備中操作平板玻璃退火窯的方法，其特征在于，通過安裝在退火窯中的測量裝置連續(xù)測量玻璃帶中的應力，并且通過控制環(huán)路將所述應力用于自動調整退火窯的操作參數(shù)。
19. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，退火窯的控制系統(tǒng)和應力測量裝置的組合被設計成允許迅速調整退火窯的操作參數(shù)，以便使玻璃帶中的總應力水平保持為低于預定值，使得能夠防止玻璃破裂或防止帶沿著與帶的平面垂直的方向變形，從而使殘余應力水平保持為低于預定值，允許進行玻璃的后續(xù)處理。
20. 如權利要求18或19所述的方法，其特征在于，在玻璃帶的寬度方向上進行應力測量，并且將所述應力測量用于調整帶的寬度方向上的加熱分布和/或調整帶的寬度方向上的冷卻分布。
21. 如權利要求18或19所述的方法，其特征在于，建立用于操作退火窯的數(shù)學模型，并將所述數(shù)學模型用于按照所作的測量來定義將應用于退火窯的最佳設定點，以便得到所期望的溫度和應力水平。
全文摘要
本發(fā)明涉及生產平板玻璃的設備，包含后面接著形成平板玻璃帶的裝置和退火窯(K)的熔化和精煉爐。該新設備包含在生產線上非接觸測量玻璃帶中的應力的裝置(G)，所述裝置被合并到退火窯(K)中。
文檔編號G01N21/896GK101467029SQ200780021393
公開日2009年6月24日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權日2006年6月27日
發(fā)明者W·S·庫哈恩 申請人:法孚斯坦因公司