CN101467029B - 包含应力测量装置的平板玻璃生产设备和操作平板玻璃退火窑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产平板玻璃的设备，包含后面接着形成平板玻璃带的装置和退火窑(K)的熔化和精炼炉。该新设备包含在生产线上非接触测量玻璃带中的应力的装置(G)，所述装置被合并到退火窑(K)中。

Description

包含应力测量装置的平板玻璃生产设备和操作平板玻璃退火窑的方法
技术领域
本发明涉及平板玻璃生产设备，其包含后面接着形成平板玻璃带的设备和退火窑的熔化和精炼炉，并且包括非接触测量玻璃带中的应力的在线测量装置。
背景技术
平板玻璃退火窑是隧道炉，其配有使玻璃带跟随受控的加热/冷却循环的加热和冷却装置。在按照浮法工艺的生产线的情况下，它被放在锡槽(bath of tin)的下游，而在夹层玻璃(laminated glass)生产线的情况下，它被放在熔化/形成炉的下游。
平板玻璃条的冷却循环的第一关键阶段是在玻璃处在粘弹性状态下的退火窑区域中。冷却导致热梯度和应力。为了限制残余应力的形成和为了使它们减小，让冷却以降低的速率开始，以便允许玻璃经历“退火”。太高的残余应力水平会引起像切割操作那样的玻璃后续处理中的问题。一旦完成了这种在转变温度附近的退火，冷却循环的第二关键阶段开始，其中的目的是迅速冷却玻璃，以便限制退火窑的长度。由于玻璃处在固态下，在这个冷却步骤期间的热梯度导致所谓的“临时”应力。现在，在第一冷却阶段之后，残余应力仍然存在于玻璃中。总应力表示残余应力和临时应力的组合。
在冷却期间，沿着玻璃带厚度方向的温度梯度导致如附图的图1所示的所谓分层应力。最冷的表面层处在各向同性平面拉伸的状态下，而内部的层处在各向同性平面压缩的状态下。
带的平面内的温度梯度也导致平面应力，但其为膜型(membranetype)，也叫做形状应力。在只在长带的宽度方向上有梯度的情况下(参见图1)，膜应力(membrane stress)的取向与该带的长度方向平行。在带的长度方向上的这些应力为压缩的或拉伸的，这取决于带的宽度方向上的温度分布。在退火窑中，由于该带的边缘有较大的脆性，所以目的是使该带的边缘保持轻度压缩。这些热应力在冷却结束时随着热梯度的消失而消失，因此它们的特性表现为临时应力。
此外，可以容易地理解残余应力的形成。玻璃带首先在两个表面上固化。核心在这个时刻仍然是可塑的。随后它固化，并且存在进一步紧缩的趋势。但是，由于核心附在两个固化表面上，所以不可能再这样。因此，核心在固化期间经受拉伸应力。因此，两个已固化表面同时处在压缩应力下。因此，该带呈现中心区域处在拉伸应力下而两个表面区域处在压缩应力下的残余应力。这些区域中的残余应力在板的平面中是各向同性的。残余应力水平在第一冷却阶段期间与冷却速率密切相关。高的冷却速率，尤其对于厚玻璃，导致高的残余应力，并且在切割玻璃面板时会引起问题。上下表面的非对称冷却使厚度中的应力分布移动，并且使带变形。
取决于冷却速率的带状固化的相同现象出现在带的宽度方向上。控制带的边缘的冷却速率是一个特别困难的问题，尤其在厚带的情况下。在第一冷却阶段期间调整冷却必须保证边缘处在轻度压缩状态下和带的中心处在轻度拉伸状态下，以便减少带断裂问题。
这里回顾一下，在缺乏外力的情况下，内力必须平衡(柯西(Cauchy)原理)。如果不计由滚筒传送引起的力和由重力引起的力，这对于退火窑中的玻璃带是成立的。
玻璃是易碎材料。在张力的作用下，它沿着与在其中占优势的法向拉伸应力(normal extensional stress)的方向垂直的方向断裂。玻璃通过延性变形对剪切作出响应。因此，有必要识别主应力的方向和幅度，以便评估断裂的风险。通过确定主应力，可以消除应力张量中的剪切分量。玻璃带的形状已经能够使维度减少到2D(二维)的平面情况。另外，对于无限长带和对于只在带的宽度方向上的热梯度，带的长度方向上的应力分量和主应力是一致的。不再有必要测量剪切应力来求出主应力。
玻璃材料的一个特别特征是它的表面在拉伸应力下断裂的敏感性。表面没有肉眼可见缺陷的利用浮法工艺制造的玻璃在超过50MPa(兆帕)的表面拉伸应力下可能已经破裂。表面缺陷可以进一步降低这个极限。
因此，当在退火窑中冷却玻璃带时，重要的是细致地控制沿着带的厚度方向和在它的宽度方向上的应力分布。通过确定带的表面上的主应力，可以预见退火窑中的带的整个表面上的过分大应力。因此，应力测量必须能够在退火窑中的带上的任何点上确定总主应力，以便使破裂风险受到控制，但也必须允许确定残余应力。除了在固化温度附近固化带之外，在退火窑中仍然同时存在残余应力和临时应力。通过同时确定应力和温度分布，可以将临时应力从总应力中分离出来，以便获得残余应力。确定残余应力的另一种方式是不冷却地在退火窑区域且因此在带温均匀的区域中进行应力测量。在有沿着厚度方向的分布的情况下，这尤其有利，因为沿着厚度方向的温度分布的测量结果没有在带的宽度方向上的温度分布的测量结果那么明显。此外，如果环境温度和带的温度接近，则在退火窑的末端自然给出带的热均匀性的条件。因此，在在“平板玻璃退火窑”装备上进行应力测量的情况下感兴趣区从开始建立应力的转变温度一直延伸到退火窑之后的带的热均匀化的位置。
一般说来，带在退火窑中的不适当冷却可能导致玻璃中不利于玻璃的质量和不利于它的最后形成的过分大应力水平。
1.在退火窑中
在临界拉伸值之上，在玻璃中存在其主要分量的总应力导致带破裂。
另外，玻璃中的大应力可能使带沿着与带的平面垂直的方向变形。这可能严重地干扰带经过退火窑的输送。如果是永久性变形且在切割操作之后仍然留在玻璃面板中，则这种类型的变形也是有问题的。
2.在处在退火窑下游的切割部分中
带中的大残余应力使得干净利落地切割玻璃是很困难的，即使这不是不可能。
因此，在退火和冷却玻璃带的整个工艺中，控制应力并使它们保持在可接受水平是工业操作人员的主要关注点。
为了简化如下讨论，将采用与带的几何形状共形的应力坐标系(参见图1)。对于一些特殊情形，主应力的方向可以与带中的这些几何应力一致。
因此，在带的长度方向上定义分量σx，在带的宽度方向上定义分量σy，且在与带垂直的方向上定义分量σz。
在薄板的情况下，分量σx和σy代表平面应力，即，分层应力场。在生产线上，在宽度方向上测量退火窑之后的横向分布图(图2)，它描绘了在带的厚度方向上积分的分量σx，因此，是膜应力。按照现有技术，横向分布不是在退火窑内测量的。然而，它是这种应力，其在没有调整好宽度方向上的冷却时可能达到高的数值，并且可能导致带破裂。按照现有技术，在带的厚度方向上指示的膜分量σy也不是在退火窑内测量的。但是，在某些情况下(例如，在宽度方向上的热分布沿着带的长度方向不是不变的)，这种应力不是可忽略不计的。
垂直分布图描绘了在带的厚度方向上平面应力σx或σy的变化(图2)。对于从带中切割的小样品，分量σx和σy相等，因为消除了形状应力或膜应力的贡献。由于离线测量垂直分布，所以只测量到残余应力。按照现有技术，在退火窑内未测量总应力σx或σy的垂直分布。然而，尤其在厚玻璃的情况下，它是这种应力，其可能达到临界的高数值。
在薄板的情况下，不存在分量σz。但是，当接近浮法玻璃带的边缘或与传送滚筒接触时，这个分量出现了。按照现有技术，在带上未进行这个应力的测量。
按照现有技术，存在各种非接触测量带中的应力的方法，尤其是如下所述的那些。
常常用于测量玻璃中的应力的一种光学方法基于分析光束穿过玻璃后的偏振。这种方法基于与玻璃的光弹性相关的特性，其特征在于在存在应力的情况下光折射率的方向上的变化。
在平板玻璃带上，利用基本上与其表面垂直地穿过带的光束进行测量。在穿过带的厚度一次或穿过其两次之后分析光束的偏振。这种方法要求利用在带之上和之下的光学元件精确地调整光束。利用这种方法在线进行的应力测量是在退火窑的下游很长距离上作出的，以便减小临时应力对测量的影响。这是以测量残余膜应力为目的的(参见专利US4 619 681或DE 1 202 028)。在σx的情况下，这些使平均值能够通过在板片的厚度方向上对应力进行积分来表征。但是，这些测量只表征了沿着带的长度方向的膜应力。尤其，它们致使有可能检验带的边缘是否处在压缩状态下，因为在拉伸应力下，这些对断裂尤其敏感。此外，这种方法假设不存在分量σy，以便作为主应力来识别分量σx(通过测量垂直束的延迟，可以只测量两个分量之差)。
在冷却带的第一阶段期间，与设备在生产线中的位置有关的惯性不允许迅速调整退火窑的操作参数。另外，该方法没有提供有关在退火窑中占优势的临时应力的信息。将这种类型的仪器带入退火窑中会碰到两个难题：1)机械、光学和电子的部件不适合于温度高达600℃的热环境；2)来自玻璃带的热辐射严重干扰光学系统对偏振光的检测。
基于分析光穿过玻璃之后的偏振的其它方法用于沿着样品厚度方向的垂直应力分布的实验室测量。
由于样品的切割，或多或少减小了膜应力。因此，测量残余平面应力σx或σy的垂直分布，并且由于各向同性这两个值相等。由于不存在膜应力，所以对这样样品的垂直分布的积分实际上给出零应力。垂直分布反映了玻璃退火的水平和性能。这种对切割样品的测量只能够在从其中取出样品的带上的该位置处确定残余应力分布。
测量垂直残余应力分布的另一种方法牵涉到分析由光束或激光束散射的光。这种方法牵涉到两种变体：
A)分析接着穿过处在应力下的物体的散射和偏振光；
B)分析由穿过处在应力下的物体的偏振光束所散射的光的强度。
两种变体优选地使用叫做瑞利(Rayleigh)散射的弹性光散射的效应，或作为一种变体，使用叫做布里渊(Brillouin)或拉曼(Raman)散射的光与声子相互作用的效应。这些方法稍后在本文件中将作更详细说明。
按照现有技术，散射光方法总是需要利用放置在玻璃表面上的棱镜在样品的边缘上或在表面处将光束耦合到玻璃中。在专利US2003/0076487中，通过利用衍射光栅耦合光束，可以经过没有棱镜的表面有效地将光引入玻璃中。衍射光栅通过利用激光局部加热玻璃来制作。然而，这种方法不可应用在行进的热的带上。此外，局部加热损害了低的热应力(例如，存在在退火的玻璃中的那些)的测量。该方法主要以应力水平高得多的钢化玻璃(toughened glass)为目标。
在专利DE 10161914 C1中提出了散射光方法的另一种变体。该散射光方法的缺点是以掠射角穿过玻璃的光束的强度损失，尤其对于有色玻璃(tinted glass)。所引用的专利提出了通过中性楔形滤光片(neutral wedge filter)补偿这种强度损失。但是，仍然需要用于很好地将光耦合穿过样品表面的棱镜，从而限制了将这种方法应用于离线测量。
由于取得样品和从实验室返回信息都需要时间，所以对样品的所有测量方法都会产生相当大的惰性。另外，它们提供不了有关厚度变化的膜型临时应力或平面应力的信息。临时应力测量自动牵涉到退火窑内的测量。
在专利US 6 796 144中已经提出了间接方法。按照那个专利，通过分析由光致发光从沿着厚度方向的区域发出的光，沿着玻璃板的厚度方向进行温度测量。借助于这种方法，通过几次测量确定垂直温度分布。从这个温度分布中计算垂直临时应力分布。这种方法提供不了有关在玻璃在退火窑中冷却时叠加在垂直临时应力分布上的残余应力和膜应力的信息。
在现有技术中用于确定玻璃带中的应力水平的解决方案是令人不满意的，尤其因为：
-它们不允许直接监视用于连续获取经过退火窑之后具有良好特性的玻璃的退火工艺；
-它们不允许在退火窑中测量垂直平面应力分布；
-它们不允许在退火窑中测量膜应力分布；
-它们不允许同时测量在带的宽度方向上的膜应力分布和垂直平面应力分布；以及
-它们不允许在退火窑中的任意点处确定总应力和它的主方向以便预防带破裂或带的弯曲状况。
在运行穿过退火窑的玻璃带上测量应力的主要困难在于需要对所有主要应力分量在没有任何机械接触、在处在高温下的玻璃上、在热环境下和不干扰玻璃带的冷却的情况下进行非破坏性测量。
发明内容
为了提供对这些问题的解决方案，按照本发明，一种平板玻璃生产设备，其包含后面接着形成平板玻璃带的设备和退火窑的熔化和精炼炉，并且包括非接触测量玻璃带中的应力的在线测量装置，其特征在于在线应力测量装置安装在退火窑中。
直接在退火窑中的玻璃中总应力的非接触在线测量允许退火窑的操作参数得到迅速调整，从而使任何点上的总应力水平都保持为低于预定值。
直接在退火窑中的非接触在线测量还使确定存在残余应力的带的固化区域成为可能。
直接在退火窑中的非接触在线测量与带的垂直或横向温度分布的测量结合在一起使推导出临时应力对总应力的贡献和从中推导出残余应力成为可能。
按照本发明的测量装置包含将光束引到玻璃带上的光发射器、以及接收和分析光束与玻璃的相互作用所引起的沿着空间中各种方向散射的光的装置。
测量装置包括光学部件和信号处理装置，它们允许足够灵敏地测量和分析光散射，以便省去光学附件，尤其是放在玻璃表面上的棱镜。
有利地，该装置包括测量和分析散射光的CCD相机。
因此，可以通过充分精确地表征散射光来测量平板玻璃中的应力，以便分析退火窑中的玻璃带特有的临时和残余应力。这种装置的另一个优点在于，可以同时测量膜应力分布和沿着玻璃厚度方向的应力分布。
有关临时和残余应力分量的完整信息允许调整退火窑中的冷却从而防止破裂以及允许更好地监视残余应力水平。因此，可以利用这个信息，以便用包含测量、信号处理和冷却的机动化调整的自动系统来控制退火窑。
按照本发明的一个优选示范性实施例，测量装置通过测量应力分量σx使结合垂直应力分布和横向应力分布的特征成为可能。这两种分布对应于当前在退火窑之后“低温”进行的或在实验室中对样品进行的测量。另外，按照本发明的测量使能够在冷却期间评估临时应力和总应力。
测量垂直和横向分布的装置有利地被放在退火窑的每个冷却区域中，以便单独地监视每个区域产生的应力。应力测量尤其使监视在每个区域的宽度方向上的冷却量、上部和下部冷却以及总冷却量成为可能。
按照另一个示范性实施例，测量装置使将垂直分布测量与纵向分布测量结合成为可能。这尤其使在退火窑的长度方向上识别残余应力和临时应力沿着厚度方向的变化成为可能。如果在带的宽度方向上的几个位置上重复该测量，也可以建立横向膜应力分布。
按照另一个示范性实施例，在带上的许多位置上测量这些分布，从而使绘制在退火窑中的带的整个长度上的应力成为可能。这样，可以识别玻璃带中总应力高的点。
在存在膜应力的分量σy的情况下，主应力的取向不再与应力σx平行。因此，两个分量同时存在。光弹性原理使得只有与观察束(observation beam)垂直的应力差能够被测量。但是，通过在各种取向上重复测量，可以分离各种应力的贡献。因此，为了找出主应力的方向和幅度，测试系统能够进行旋转。获取主应力的另一种方式在于在相对于玻璃板上的法线的各种角度上分析光学信号。
另一个示范性实施例的目的在于检验特殊点(例如，带靠在滚筒上的点)上的应力水平、和接近带的边缘的厚度上的变化。但是，光弹性原理只允许测量与观察束垂直的应力差。通过比较在分开很近的、但带有和没有分量σz的位置上的测量，可以获得它的值。
按照另一个示范性实施例，改变观察束的取向，以便找出包含垂直分量σz的贡献的3D主应力。
测量装置可以包括位于带的一侧上的光源、和位于相对侧上或优选与光源位于同一侧上的光学分析器。光源可以位于带的上面或下面。
测量装置的发射器和接收器可以冷却，以便将它们放置在退火窑的相应高温区域中。
测量装置通过用于处理测量装置递送的数据和显示应力的控制台来操作。可选接口提供了这个控制台与退火窑控制单元之间的链路(link)。
配有含有光学系统的测量装置的设备有利地包括用于过滤进入测量装置的光学系统的束以便除去不利于精确测量的热辐射的装置。
光学系统可以包括观测管和配备在观测管之后的截光器。
本发明还涉及在退火窑中非接触在线测量玻璃带中的应力的装置，其特征在于，其包括将光束引到玻璃带上的光发射器、和接收和分析由光束与玻璃的相互作用引起的沿着空间中各种方向散射的光的装置。
优选地，在线测量装置使用叫做“瑞利散射”的弹性光散射的效应，或者叫做“布里渊或拉曼散射”的光与声子相互作用的效应。有利的是，该装置包括测量和分析散射光的CCD相机。
在该装置的一种变体中，利用传统光弹性方法，通过偏振束的通过和直接分析只测量膜应力。信号分析器有利地包括过滤进入测量装置的光学系统的束以便消除不利于精确测量的热辐射的装置。
在该装置的一种变体中，通过例如高温计的已经测量装置来测量带的横向和/或纵向表面温度分布。基于体辐射(volume radiation)发射的其它方法用于获取沿着带的厚度方向的温度分布。因此，可以分离总应力测量中的临时和残余应力。
本发明还包含操作平板玻璃退火窑的方法，其特征在于，通过安装在退火窑中的测量装置连续测量玻璃带中的应力，并且通过控制环路将它用于自动调整退火窑的操作参数。
有利的是，按照本发明的退火窑操作方法，退火窑控制系统和应力测量系统的组合被设计成允许迅速调整退火窑的操作参数，以便使总应力水平保持为低于预定值，从而使防止玻璃破裂或防止带在与带的平面垂直的方向上变形成为可能，并且以便残余应力水平保持为低于预定值，允许玻璃进行后续处理。
此外，按照本发明的方法，可以在玻璃带的宽度方向上进行应力测量，并且可以将该应力测量用于调整带的宽度方向上的热分布和/或调整带的宽度方向上的冷却分布。
优选地，按照本发明的方法，建立操作退火窑的数学模型，并且将它用于按照所作的测量而定义应用于退火窑的最佳设定点，以便得到所期望的温度和应力水平。
附图说明
除了上述布置之外，本发明还包括通过结合参照附图详细描述的示范性实施例更全面说明的许多其它布置，但是，这些实施例决不是限制性的。在这些附图中：
-图1示意性地示出了玻璃带以及分布和应力的方向；
-图2是示出沿着玻璃带的宽度方向y的应力的一种可能变化的图形；
-图3是示出沿着玻璃带的垂直方向z的应力的一种可能变化的图形；
-图4是平板玻璃生产设备的示意性侧视图；
-图5是按照本发明包括装好的应力测量系统的一个例子的退火窑按较大比例画出的垂直截面的局部示意图；
-图6是在图5上往下看的示意性顶视图；
-图7是测量装置和退火窑控制装置的简图；
-图8是放置在玻璃带上方的测量装置的透视图；以及
-图9是用于接收和分析散射光的装置的立面的示意图。
具体实施方式
附图的图1示意性地示出了沿着与带的纵向边缘平行的箭头S的方向前进、躺在水平面上的玻璃带1。垂直虚线V指示带的厚度方向。水平虚线L指示与箭头S正交的带的横向宽度方向y。玻璃带中应力的取向可以沿着三个正交方向定义，即，沿着带的长度方向x的分量σx、沿着宽度方向y的分量σy和沿着厚度方向z的分量σz。在这些特定情况下，主应力的取向可以与几何取向之一一致。
图2示出了作为画在水平轴上的沿着宽度L的方向y的点的位置的函数、拉伸取正值且压缩取负值的、画在垂直轴上的应力的分布。在图2所示的例子中，带的纵向边缘处在压缩状态下，而中间区域处在拉伸状态下。
图3示出了在带的厚度方向临时应力的一种可能分布。应力画在水平轴上，对于拉伸应力是正值，而对于压缩应力是负值。在厚度方向上玻璃带上涉及到的点的位置画在垂直轴上。从图3中可明显看出，带的上表面和下表面处在拉伸状态下，而位于中间厚度处的区域处在压缩状态下。
这种垂直分布尤其用于量化厚度方向上的每个点处的拉伸或压缩应力，并且尤其在带的两个表面上。
图4示意性地示出了平板玻璃生产设备，其包含准备和装填原材料的站台(station)P、熔化和精炼炉H、形成玻璃板的装置J、退火窑K、以及包含玻璃的切割和修整(conditioning)的输出部分M。
退火窑K由传统上定义成如下的各种相继的区域构成：
区域A0：用于可能的特殊处理的可选输入区域；
区域A：预处理区域；
区域B：退火区域；
区域C：间接冷却区域；
区域D：适度直接冷却区域；
区域E和F：退火窑的最终直接冷却区域和最后区域。
在区域A0、A、B和C中，通过与常叫做交换器(exchanger)的低温部分，或加热元件的辐射交换来控制玻璃的冷却，而在区域D、E和F中，通过与吹入空气(blown air)的对流来进行冷却。
按照本发明，测量玻璃带中的应力的非接触测量装置G沿着退火窑的长度方向装配在表示退火过程特征的区域中，例如，朝向缓慢冷却区域A、B和C的末端或朝向迅速冷却区域E和F的末端。也可以将几个不同测量装置放置在区域A、B、C、D、E和F中沿着退火窑的长度方向的各种特征点上。
一个示范性实施例在图5中示出，其中玻璃带1行进在传送滚筒2上，该传送滚筒2在装配有通过辐射或对流冷却玻璃的系统4的退火窑K的壳体3内。应力测量系统5包含配有用于光学系统7的开口的冷却壳(cooled case)6，光学系统7可以在光学窗口上配有像空气冲洗器(air flush)或挡板(shutter)那样的热保护装置。整个应力测量装置G由安装在移动装置9和能够盖住玻璃带的整个宽度的手动或自动横向位移(transverse displacement)系统11上的机械支承件8支承着。该系统能够表征在玻璃的厚度方向上的垂直应力分布和在带的宽度方向上的任何点上的膜应力分布。
可选旋转装置10用于使光学系统7沿着与带的宽度相对应的方向或与带的长度相对应的方向取向。旋转使得从玻璃中的应力的分量σx和σy和中间分量的测量结果中识别主应力的方向和幅度成为可能。
测量装置G包括将光束引到玻璃带上的光发射器、以及接收和分析由束与玻璃的相互作用引起的沿着空间中各种方向散射的光的装置。对测量装置的更全面描述将在后面参照图8和9给出。
测量装置G优选使用弹性光散射，即瑞利散射的效应，或者，作为一种变体，使用光与声子相互作用，即布里渊或拉曼散射的效应。
光学部件和信号处理方法被设计成实现退火窑中的散射光测量系统。有利的是，测量装置包括有限大小的单个支承件中和只在带的一个表面上的光学元件的组合，从而能够精确地和可靠地调整光学部件。散射光可以利用CCD相机测量和分析。因此，测量系统相对于带的相对位置的任何变化可以通过该系统检测并且通过信号的数据处理加以考虑/开发。
按照另一种可能性，将整个应力测量装置放置在安装在移动装置和盖住退火窑的部分或全部长度的手动或自动纵向位移系统上的支承件中，以便记录带的长度方向上的应力水平。
位移系统可以包含装配有滑架(carriage)的水平伺服控制杆(shaft)，该滑架上安装测量装置。
本发明的其它可变实施例可以带有，例如：
-1.放置在玻璃带下表面上的应力测量系统；
-2.包括放置在玻璃带相同表面上两个不同的分开的盒子和/或支承件中的光发射器和光接收器的测量系统；
-3.包括放置在带的一个表面上的发射器和放置在另一个表面上的接收器的测量系统；
-4.包括放置在带的一个表面上的发射器和接收器以及放置在另一个表面上的反射器的测量系统；以及
-5.补充有带的温度测量系统的应力测量系统。
按照遍布在退火窑中进行测量的点上的温度调整测量装置。例如，将该装置合并到冷却壳中，以便使它的所有部件都保持在与它们的正确操作相兼容的温度水平上。
可以将另外的测量装置放在退火窑的下游。
测量装置递送的信息能够供设备操作人员使用，以便手动调整退火窑的操作参数。
按照另一个示范性实施例，对于退火窑操作人员的信息，可以显示应力分量(尤其为σx)和它们的分布，尤其沿着垂直和横向方向的测量结果，以便使他能够确认在退火窑上操作的加热和冷却分布的设置。也可以，例如以曲线的形式，特别为了监视产品的质量而记录这些值，尤其是残余应力。
优选地，测量装置G递送的信息供控制设备的系统使用，以便通过控制环路自动调整退火窑的操作参数，尤其为了调节玻璃沿着带的行进方向和在它的垂直方向上的加热和冷却。
可以有利地对控制环路补充物理的玻璃退火模型，该物理的玻璃退火模型能够从退火窑的一个截面中进行的测量中计算在玻璃退火过程的每个步骤中用于加热和冷却玻璃带的、测量部分的上游和下游的各种区域的设定点。
图7示意性地示出了利用应力测量装置G递送的信息的退火窑K的控制环路的各种示范性实施例。
可以提供测量装置G的一个或多个可选测量点12，以便测量应力。将来自测量点的信息发送到处理/应力分析/控制台13。台(station)13将指令发送到退火窑控制单元14。这个控制单元14将指令发送到控制面板15，以便用于诸如风扇、电热器、阀门位置控制器等的各种装备。
可以提供在其中存储玻璃退火物理模型的单元16。然后，将来自分析台13的信息发送到单元16，以便与该模型比较，并且将指令作为输出发送到控制单元14。而且，单元16可以接收来自互补装置17的结果，用于测量玻璃带的参数，例如，温度。
下面参照图8和9更详细地说明利用散射光方法的应力分析。
由于样品中的散射，穿过玻璃样品的普通光束一般不是100％透过。可以认为这种散射是由主束激发的基体(matrix)的次级振动。这通过散射光表示，该散射光在与光束的方向x垂直的平面y-z内从主束径向传播。对这种散射光的观察表明，它在无应力样品中在y-z平面内偏振。通过分析这种散射光的偏振，可以测量样品中的应力，因为玻璃中的应力场改变了它的偏振。
按照这种测量原理，使用非偏振的、优选单色的光源，并且，样品按照它的应力水平使散射光偏振。包含分析器和光传感器(CCD相机或光电倍增器)的分析系统俘获离开(exit)玻璃的部分散射光，以便测量该离开信号(exiting signal)的偏振。
这种测量原理还基于在光束经过样品期间对散射光的分析，但使用偏振光作为入射辐射的光源。存在于样品中的应力场导致沿着它经过样品的路径的光的偏振的改变。这导致了作为主束偏振取向的函数的散射光强度的空间调制。由于基体的偶极子在y-z平面内与观察者平行或垂直地振动，所以只有偏振与观察方向垂直的位置才有效地在观察方向上发出散射光。通过光传感器(CCD相机或光电倍增器)获得、观察到的条纹直接代表玻璃中的应力水平，因为它们对应于源束的偏振的交替变化。对于这种测量原理，玻璃样品起分析器作用。
A和B这两种分析原理都能够表征样品中的应力。但是，B原理更常用在实验室样品上，因为它较易实现。
下面参照图8和9描述按照B原理的测量装置G的一个实施例，然后说明在系统基于A原理的情况下的几种差异。
光源
原则上，波长位于玻璃的光学窗口内的任何光源Q(图8)都可以用于产生入射偏振光束。但是，某些准则使系统的性能能够得到提高：
·短波长光源将得益于较大量散射光(更显著的瑞利散射效应)；
·单色激光源将提高信噪比并防止色散效应；
·自发发射几乎平行的小直径光束的激光源将简化放置在光源Q与玻璃带1之间的聚焦光学镜片Ofl(图8)；
·激光源能够直接发射偏振光束；和
·调制偏振光束以便产生周期性相移。样品中的每个测量点按照相移周期改变它的散射光强度。这种测量能够提高它的空间分辨率。
在A原理情况下的适当光源的区别在于使用非偏振光束，而在B原理情况下光束是偏振的。
检测
分析偏振光的光学系统DT受两个要求支配：
-1.在退火窑的热环境下，它必须保持在低温下；和
-2.它必须允许信号得到谱过滤，以便除去热辐射。
检测系统的热保护/过滤
通过将它的所有部件放置在用经由观测管T排放的空气或氮气流来冲洗的水冷外壳N中(图9)，有效地防止光学系统DT受退火窑中的热量影响。
在由如下形成的几个相继步骤中，过滤进入的光线，以便除去热辐射：
·消除长于2.7微米的波长的、由钠钙玻璃(soda-lime glass)制成的滤光片FL1；
·截去超过要分析的波长(优选在可见范围内)的辐射的短通IR滤光片FL2；
·消除比要分析的波长短的波长的长通滤光片FL3；和
·与要检测的波长匹配的高精度单色滤光片FL4(例如，具有滤波带宽dλ<20纳米)。
这一系列的滤光片使得消除不利于测量精度的大多数热辐射成为可能。
接着，聚焦光学镜片Ofl2将信号聚焦到检测系统J(即，能够检测极低强度的光(传感器的高量子效率和低的暗电流)的高灵敏度相机的CCD或CMOS传感器)上。
检测系统J的灵敏度可以通过间歇技术(包括斩波器)而得到进一步提高，该间歇技术可以通过可选地与间歇源结合的截光器来消除系统特有的噪声。
然后，将获得的信号发送到处理系统TR，以便获取样品发射的光的空间调制的图像，最后获取玻璃中与这个光分布相对应的应力场。
用于按照A原理的装置的检测系统按照相同准则设计，并且包含相同系列的滤光片。尤其要注意的是滤光片冷却，它必须是轴对称的，以便防止会修改要分析的信号的偏振的、在滤光片的材料中产生的任何膜应力。同样，这里的滤光片的质量较重要，以便防止它们扭曲信号的偏振，因为测量这种偏振是为了表征应力水平。为此，将偏振分析器ANL(图9)加入按照B原理的装置中。然后，将获得的信号发送到处理系统，以便获取来自样品的偏振光的分布的图像，最后获取玻璃中与偏振光的这种分布相对应的应力场。
在通过散射光分析应力的最简单配置中，光束经由样品的边缘而穿入，以便与它的表面平行地穿过它。
由于难以取得样品，所以这种方法不可应用于钢化玻璃。在这种情况下(参见图8)，使用一种变体：入射束i1以相对于玻璃表面的倾角α穿过玻璃1的表面。束在样品中的长度取决于这个倾角α，取决于表面处的折射并取决于样品的厚度。目的是在玻璃中保持非常长的束，从而保持好的空间分辨率。
放在玻璃上的棱镜使在玻璃中以掠射角获得这种入射束成为可能。它防止了玻璃表面处的束反射，并且，正如穿过具有不同折射率的两种材料之间的界面的光束所引起的那样，它允许在它的垂直分量与它的水平分量之间没有强度差地保持束在进入样品的点处的偏振。
但是，一般不可以将棱镜放在行进穿过退火窑的玻璃带上，这使测量更加困难。
在图8中，入射束i1与玻璃的表面形成大于10°的角度α，以便限制反射损失。然后，光束以大约40°的角度穿过玻璃的厚度，从而限制了它在玻璃中的路径的长度。偏振束的垂直和水平分量由玻璃中的平面应力引起的漂移变小了。静态信号的利用变得复杂，因为必须考虑到在玻璃中偏振的束的垂直和水平分量的耦合、厚度方向上的应力变化、束的水平和垂直分量相对于平面应力(σx或σy)的角度、以及信号从玻璃出来之前在它路径上的衰减。
周期性调制进入光束的偏振能够避免这样的复杂利用。它能够确定沿着光束路径的两个相邻点之间的相移，并且从中推导出这两个点之间的平均应力。尽管光束穿过玻璃的角度不利，但保持了在厚度方向上的分布测量的良好空间分辨率。然后，通过在厚度方向上积分平面应力，获得所涉及方向上的膜应力。
因此，当将这种方法应用在退火窑中时，最重要的是产生不受寄生射线干扰的干净信号。在退火窑的封闭部分中，自动排除了环境光的干扰。在开放部分的情况下，例如，通过窗帘(curtain)使局部变暗。
还要考虑退火窑中热辐射的干扰。对于退火窑入口处600℃的温度，“黑体”环境将产生33kW/m2(千瓦每平方米)的总半球能流。因此，与用作光源的III类激光的0.5W(瓦)相比，光学孔径是直径20mm的相机将因此接收大约10W的热辐射通量。因此，最重要的是降低热辐射，因此需要利用如上所述的系统FL1-FL4来过滤它。在过滤系统之后，获得的信号具有局限于大约20nm的谱带。在600℃下的黑体的半球能流在500到520nm之间不超过2.1μW/m2(微瓦每平方米)，并且在400到420nm之间不超过2.5nW/m2。进一步降低了进入相机光学孔径中的部分。对于直径20mm的孔径，对应于0.8pW(皮瓦)的通量。
在钠钙玻璃中可见光衰减幅度的数量级是60dB/km。它取决于波长且取决于玻璃的质量。在样品中1mm(毫米)的长度上，保持不超过6×10-5dB/mm。当使用偏振激光源时，对于以0.1W(瓦)的功率进入玻璃的光束，在1mm上瑞利散射损失的数量达到1.4μW(微瓦)。如果假定俘获了这个散射光的0.1％，则检测系统接收到1.4nW(纳瓦)的通量。由于这个值比过滤之后热辐射的0.8pW的残余通量大3倍，因此，能够适当地利用该信号。
本发明的非接触测量装置尤其使在平板玻璃退火窑中在带上的任何点上测量所有三个分量σx、σy和σz成为可能，以确定主应力，并且因此以识别出关键地方和优化冷却控制。当然，可以画出两种传统分布作为“垂直分布平面应力”和“横向分布膜应力σx”。作为对现有技术的补充，在退火窑中测量这些分布，因此获得总应力和临时应力的直接测量结果。
测量装置用于沿着各种取向测量应力分量，以便从中推导出正交的主应力。
沿着玻璃带的纵向方向所作的应力测量用于调整沿着带的长度方向的加热分布和/或冷却分布。

Claims (21)

1.一种平板玻璃生产设备，其包含熔化和精炼炉，后面接着用于形成平板玻璃带的设备和退火窑，且包括用于非接触测量玻璃带中的应力的在线测量装置，其特征在于，
在线应力测量装置(G)被安装在退火窑(K)中，并且包括：
光发射器(Q)，将光束引到玻璃带上，入射束(i1)以相对于玻璃表面的大于10°的倾角α穿过玻璃(1)的表面，
用于接收和分析由光束与玻璃的相互作用引起的沿着空间中各种方向散射的光的装置，以及
谱过滤装置，用于过滤进入所述测量装置(G)的光学系统(DT)的光束，以便除去不利于精确测量的热辐射，其中所述谱过滤装置由滤光片、短通IR滤光片、长通滤光片、单色滤光片和聚焦光学镜片依序排列组成。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量装置(G)使用叫做“瑞利散射”的弹性光散射的效应，或叫做“布里渊或拉曼散射”的光与声子相互作用的效应。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，其包括测量和分析所散射的光的CCD相机。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量装置用于表征纵向行进的细长玻璃带，以便在退火窑中在各种位置上跟踪平面应力的垂直分布和膜应力的横向或纵向分布。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量装置用于在各种取向上测量应力分量，以便从中推导出正交的主应力。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括控制系统(13，14)，所述控制系统利用测量装置(G)递送的信息通过控制环路来自动调整退火窑的操作参数。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述控制系统(13，14)和测量装置(G)的组合被设计成允许迅速调整退火窑(K)的操作参数，以便使总应力水平保持为低于预定值，使得能够防止玻璃破裂或防止带沿着与带的平面垂直的方向变形，从而使残余应力水平保持为低于预定值，允许进行玻璃的后续处理。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，用于测量装置横向位移的系统(11)被用来在带的宽度方向上测量应力水平。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，在玻璃带的宽度方向上进行的应力测量用于调整带的宽度方向上的加热分布和/或调整带的宽度方向上的冷却分布。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，用于测量装置纵向位移的系统被用来沿着带的长度方向测量应力水平。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，在玻璃带的纵向方向上进行的应力测量用于调整带的长度方向上的加热分布和/或冷却分布。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，建立用于操作炉子的物理的玻璃退火模型(16)，并且将它用于根据所作的测量来定义将应用于退火窑的最佳设定点，以便得到所期望的应力水平。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括安装在退火窑的相对高温区域中的、用于冷却测量装置(G)的装置。
14.如权利要求1所述的设备，其中光学系统(DT)包括观测管，其特征在于，在观测管之后包括截光器。
15.一种用于平板玻璃生产设备的在线测量装置，该在线测量装置用于在退火窑中非接触在线测量玻璃带中的应力，其特征在于，包括：
光发射器(Q)，将光束引到玻璃带上，入射束(i1)以相对于玻璃表面的大于10°的倾角α穿过玻璃(1)的表面，
用于接收和分析由光束与玻璃的相互作用引起的沿着空间中各种方向散射的光的装置(DT)，以及
谱过滤装置，用于过滤进入所述测量装置的光学系统的光束，以便除去不利于精确测量的热辐射，其中所述谱过滤装置由滤光片、短通IR滤光片、长通滤光片、单色滤光片和聚焦光学镜片依序排列组成。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，使用叫做“瑞利散射”的弹性光散射的效应，或叫做“布里渊或拉曼散射”的光与声子相互作用的效应。
17.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于，其包括测量和分析散射光的CCD相机。
18.一种在如权利要求1到14中的任何一项所述的平板玻璃生产设备中操作平板玻璃退火窑的方法，其特征在于，通过安装在退火窑中的测量装置连续测量玻璃带中的应力，并且通过控制环路将所述应力用于自动调整退火窑的操作参数。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，退火窑的控制系统和应力测量装置的组合被设计成允许迅速调整退火窑的操作参数，以便使玻璃带中的总应力水平保持为低于预定值，使得能够防止玻璃破裂或防止带沿着与带的平面垂直的方向变形，从而使残余应力水平保持为低于预定值，允许进行玻璃的后续处理。
20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，在玻璃带的宽度方向上进行应力测量，并且将所述应力测量用于调整带的宽度方向上的加热分布和/或调整带的宽度方向上的冷却分布。
21.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，建立用于操作退火窑的物理的玻璃退火模型，并将所述模型用于按照所作的测量来定义将应用于退火窑的最佳设定点，以便得到所期望的温度和应力水平。
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