CN101500955B - 采用超声波照射表征玻璃熔体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了用于表征熔融玻璃的系统，其中，波导(20a)与保持一定量的玻璃熔体的容器(10)的外表面(34)声学耦合。使用第一转换器(24)通过第一波导(20a)给该玻璃熔体(15)施加声波，其中，部分波在玻璃熔体内被反射，并被第二波导(20b)接收，由第二转换器(24b)产生并分析所得信号，从而表征该玻璃熔体。

Description

采用超声波照射表征玻璃熔体的方法和设备
技术领域
本发明涉及表征流体，更具体而言，本发明涉及通过用超声照射玻璃熔体而表征玻璃熔体。
背景技术
通过玻璃熔体的受控冷却而形成高质量的玻璃。但是，玻璃熔体可能含有杂质如固体和气体包含物以及通常称为条纹(cord)的小体积偏离密度(deviating density)和化学组成。具体而言，条纹的形成导致局部区域具有不同的折射率。局部区域具有不同的折射率可能使得所得的玻璃不适用于多种精确用途。
通常，通过在工艺的各个阶段对玻璃采样或通过安装实时(in-line)传感器如热电偶来测定玻璃熔体的特征。在高温、工业玻璃制备工艺中，熔融的玻璃通常含于和/或流过内封的管道，该管道外部周界全部被隔热，这使得根本不可能采样。
另一方面，有少量实时传感器能够在加工玻璃使用的高温中持续工作。虽然已使用热电偶测量一些工艺中玻璃熔体的温度，但是使用热电偶是不理想的，因为热电偶以不可接受的速率裂化。此外，在玻璃熔体中插入传感器可能会腐蚀该传感器，产生流动中断，或者使系统产生不可接受的热损失，从而降低了产品质量。
发明内容
本发明系统非侵害性地表征玻璃熔体，其中，可响应于所检测的特性而对玻璃熔体工艺参数实施校正的程序或修改，以生产具有标称特征的所得玻璃。即，本系统提供一种对玻璃熔体特征的增加的知识，该知识允许工艺参数被相应地调整，从而增加所得的产品的品质。
更具体而言，本系统可提供一种通过将声波通过容器外表面与玻璃熔体相耦合而表征玻璃熔体的方法，该容器保持一定体积的玻璃熔体，该声波从该玻璃熔体内的杂质反射，检测反射的声波，并测定或检测玻璃熔体中对应于所检测的反射的声波的杂质(包括气体和固体)的存在。
在另一个构型中，用于表征玻璃熔体的系统包括用来容纳玻璃熔体的容器、与该容器的外表面耦合的用于使来自第一转换器的声波与该玻璃熔体声学耦合的第一声波导，与难熔金属容器的外表面耦合的用于使来自该玻璃熔体的反射声波与第二转换器声学耦合的第二声波导，该反射声波与玻璃熔体中的杂质相符，其中，该第一波导和第二波导都不与玻璃熔体直接接触。
应理解，前述一般描述和下文详细描述都仅仅是对本发明的示例性说明，仅仅是为理解所要求保护的本发明的性质和特征提供一概览或框架。
提供附图以更进一步了解本发明，附图也加入并构成本说明书的一部分。附图并不必定成比例，为了清楚起见，各元件的大小可失真。附图阐述了部分的一个或多个实施方式，它们与说明书一起解释了本发明的原理和操作。
附图说明
图1是用于检测和/或表征本发明一个实施方式的玻璃熔体的装置的横截面图。
图2是图1装置中波导和用于容纳玻璃熔体的容器的壁之间的耦合的横截面近视图。
图3是图1装置中耦合波导与用于容纳玻璃熔体的容器的壁的另一方法的横截面近视图。
图4是作为试验设置中声通路的温度的函数的声信号的传播时间的曲线图。
图5是使用了图1所述检测/表征装置的示例性玻璃生产系统的示图。
图6是显示随着时间推移作为样品(记录)的函数的检测转换器输出电压的曲线图。
具体实施方式
声音是通过介质如液体或空气行进或传播的一种振动。振源是介质的重复性扰动。例如，铃在击打时发生振动。铃的两侧相对于它周围的空气移动，随着一侧向外移动首先在空气中产生一高压区域，然后随着该侧向内移动而产生一低压区域。高压和低压区域已知分别为压缩和稀薄区域，它们通过介质通过影响空气相邻分子以波的形式传播：空气中的一个分子响应于交替的高压和低压来回移动，反过来又作用于相邻的分子，该相邻的分子又作用于它的相邻分子，依次类推。因此，高压和低压区域通过介质以具有确定的速度和波长的波的形式传播。
本发明公开了一种利用基本的脉冲-回声技术来表征熔融玻璃的方法：由高频脉冲发生器产生电脉冲，并由合适的转换器(例如通过第一波导与玻璃熔体声学耦合的压电转换器)将其转换成声波。超声波通过波导传播，并通过含有该熔体的容器传入玻璃熔体中。在熔体中，如果存在杂质的话，声波衰减并被散射，并被从边界反射。可通过经第二波导与玻璃熔体声学耦合的第二转换器检测该反射的波，其中，该声波可被转换回电信号。放大该信号，并采用适当的数据获取系统对其处理。例如，可使用例如可测量参数如声波的通过时间、幅度和频率的计算机处理该信号。这些参数传递关于熔融玻璃介质的物理和几何学特征的信息，如超声波衰减、杂质(气泡)存在、熔体中的流动物质、熔体的温度等。
术语“玻璃”包括具有随机、液体样(非结晶)分子结构的物质。玻璃的制造方法要求将原材料加热到足以产生较低粘度的熔体的温度，然后将其冷却，使其变得刚性而不需要结晶。玻璃熔体可以是任意各种组成，包括碱石灰玻璃、铅玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、96％石英玻璃、熔融石英玻璃和铝-硼硅酸盐玻璃。术语“玻璃熔体”或“熔融的玻璃”包括任意各种温度处于它们各自的熔点之上的玻璃组成。通常，玻璃熔体的温度为1200-1700℃。术语“声波”包括通过介质传播的机械振动。在一种构型中，声波在超声波的范围内，即大约100kHz到300kHz。
根据本发明的一个实施方式，图1显示了表征玻璃熔体的示例性装置8，该装置包括容器10，一对声波导组件12、14和控制器16。容器10可被热绝缘难熔套18环绕。
容器10可以是任意构型，它容纳一定体积的玻璃熔体。容器10可以是自包含的，具有打开或关闭的顶部，并容纳一定体积的玻璃熔体。在一种构型中，容器10限定一段流程，该流程依波导组件12、14而选择，以允许在该流程的给定百分比的横截面面积内进行检测。因此，容器10可保持或可从上游位置接受玻璃熔体流动物，并允许该玻璃熔体流到下游位置。容器10可以是例如一根管，玻璃熔体通过该管流动，图1还阐述了该管的横截面视图。
容器10应由可耐受玻璃熔体的预期工作温度的材料组成，该温度通常为约800℃到约1700℃。该容器宜含有选自铂系金属的金属，包括铂、铑、铱、钌、钯、锇、或其合金。但是，也可使用其它高温材料。例如，可单独用钼或可将其与其它材料一起作为有效的容器材料。
波导组件12、14与容器10声学耦合，以限定声路程为从第一波导组件12通过容器壁部分进入保留在该容器内的玻璃熔体15中，并从该熔体通过该容器壁的相对部分延伸并进入到剩下的波导组件14中。
图1公开了一对声学耦合的波导组件12、14，它们是共线的，并直接相对着跨过该容器，从而提供波导组件之间的直接的声路程。这种安排特别适用于检测对于声波而言具有明显尺寸的杂质，如横跨声路程的较大的玻璃泡，如直径为毫米级的。这种途径会导致接受转换器所检测到的超声信号的振幅降低。在另一种安排中，波导可安排成V形，以适用于检测小的杂质，如尺寸为亚毫米级的小气泡。
在另一构型中，预期多个波导组件对12、14可与容器声学耦合。波导对宜共线且相对于容器直接对置，但如果需要的话，可根据应用作成多个V形。
由于波导组件12、14基本上相同，因此下文描述将针对波导组件12，应理解，除非另有说明，否则对单个构件的描述同等适用于波导组件14。图中，波导组件12和14的构件分别以添加在各构件的后缀“a”和“b”区分。波导组件12包括含有芯棒21a和覆层管22a的波导20a，和转换器24a，其中波导20a的一端与转换器声学耦合，波导20a的另一端与容器10声学耦合。优选地，波导20a物理耦合或固定到容器10并与之声学耦合。在一些实施方式中，波导20a还与转换器24a物理耦合。物理耦合波导20a的方法可包括软焊/焊接、螺纹管件固定，或任何其它可实施的方法。
由于转换器24a无法可靠地在与玻璃熔体和难熔容器相关的高温下工作，因此将波导20a声学耦合于转换器24a和难熔容器10之间，以隔开转换器和容器。这种隔开沿着波导20a的长度产生一温度梯度，该梯度使得转换器可在低于难熔容器和玻璃熔体的温度下工作。
转换器24a是适合于生产超声波信号的转换器。例如，转换器24a可以是朗维(Langevin)或托皮兹(Tonpilz)型转换器。转换器24a将信号发生器23产生的电信号转换，并通过放大器25放大成声信号或波。信号发生器23和放大器25可通过控制线29、31以常规的方式操作地偶联于转换器24a。控制器16通过控制线27操作地连接于信号发生器23。控制器16可以是例如专用的处理器或计算机。
转换器24a与波导20a的声学耦合以将声信号或波传递给玻璃熔体可包括使波导20a相对于转换器24a偏置。可通过使波导(或转换器)负荷或通过独立的偏置元件如弹簧而实现该偏置。但是，更坚实的耦合如软焊/焊接或螺纹管件固定可增强信号从转换器向波导的传递。
波导20a是个能传播超声波信号的长元件。虽然波导20a可具有各种构型，如步进式的或逐渐变细的角或折叠的构型，但是发现长的元件是合适的波导。由于波导20a将有一端与容器10耦合，因此波导20a应能够抵抗容器所经受的高温，同时也能用作有效的波导。因此，波导20a优选由难熔金属芯棒21a如铂或铂合金如铂铑合金构成。在一种构型中，芯棒21a的外径约为3mm。波导20a优选还含有覆层管22a。覆层管22a优选是陶瓷材料，如莫来石(3Al2O32SiO2)，并为声波提供比芯棒高的速率路径。覆层管22a优选沿着芯棒21a的基本上全部的长度延伸。应选择芯棒21a的外径，以使其贴身地处于覆层管22a的孔内。在选择的构型中，可在芯棒21a和覆层管22a之间放置声耦合剂，以确保芯棒和覆层之间具有足够的声耦合。或者，波导覆层22a可在芯棒21a周围形成。
为了维持转换器24a的合适的操作温度，覆层管22a可变短，使得芯棒21a在邻近转换器24a的那一端有大约8-10mm长度暴露。可通过通路30a使一冷却的气流通过芯棒21a的该暴露部分，以维持转换器与波导之间的界面温度低于约50℃。
参看图1，外管32a可同心环绕于各个波导。外管32a应与波导20a隔开一定距离，使得在波导20a和外管32a之间形成一环面。该环面可以例如含有空气。
外管32a的一端与容器10的外表面34粘合。外管32a与容器壁的粘合能增强对该容器壁上用于辐射和接受声波能量(即声波)的区域的限定。由于容器10通常被难熔的绝缘材料18所包围，因此，外管32a起到保持绝缘材料与波导和容器之间的接触点的不相邻的作用。外管32a可例如含有陶瓷，如Al2O3。外管32a与容器10的粘合或物理耦合可利用使用难熔的粘合剂。
在一些实施方式中，可先通过软焊/焊接螺纹管件如插座35到容器10而将波导20a耦合到容器10，如图2所示。在波导20的一端形成互补的螺纹(如在芯棒21的一端)，然后将波导旋转入插座而使其与容器耦合。如图2所示，插座35成环管形式，具有内部螺纹，而波导20a在其一端包括外部螺纹，用于与插座35物理连接，从而与容器10连接。优选地，插座35含有铂或铂合金。或者，如图3所示，波导20a和容器10之间的耦合可通过将镙栓40连接到容器10(例如通过软焊(soldering)或焊接(welding))，并在波导20a中形成一互补的带螺纹的凹入(即芯棒21a)，然后使波导20a在该镙栓40上旋转，使波导20a与容器10通过镙栓40实现耦合，从而实现波导20a与容器10之间的耦合。在一个较简单的方法中，芯棒21a可直接软焊/焊接到容器10上。
已发现将波导20a耦合到螺纹管件35或镙栓40上能有益地确保物理耦合工具之间的良好的平面接触。即，芯棒21a的端面优选地应与波导的纵轴垂直，并与螺纹管件35中的内部螺纹孔的基底完全接触，使得芯棒的末端和螺纹管件之间的界面接触面36而不是其螺纹对于实质性的声学耦合是可靠的。如果使用芯棒21a和镙栓40的话，对于它们的末端之间的界面接触面38而言这一原理也是成立的。
在操作中，声信号(声波)由与波导20a声学耦合的转换器24a产生。声信号通过波导20a传播到容器10，接着被容器引入玻璃熔体15中。传播的声波被熔融玻璃中的杂质反射。反射的声波通过容器壁传播并被含有芯棒21b和覆层21b的第二波导组件14接收。声信号通过波导20b传播至接受转换器24b，在那里由该转换器产生相应的电信号，并通过导线37引向预放大器33和通过导线39引向放大器26，然后通过导线40到达控制器16。然后可采集和记录电信号。也可使用数字示波器来数字化所接受的信号，其中各数字化的样品含有“记录”。
选择转换器24产生的声波频率，以检测小气泡、条纹或其它感兴趣的缺陷的存在。但是，应理解，信号频率必须足够低，使得沿着声路程的损失是可接受的。优选地，声波的频率约为100kHz到300kHz。
所测得的玻璃熔体中声波的传播时间对应于该玻璃熔体的温度。已测定，在一定的温度范围内，传播时间与温度之间的关系基本上是线性的。因此，可测定波导组件之间的声波脉冲的传播时间，并用来计算熔体的温度。即，可测定一定温度范围内的传播时间。然后可使用所得的关联性在所测量的传播时间的基础上确定熔体。例如，图4描述了一个试验安排中作为温度的函数的传播时间(纵轴)，其中，通过玻璃熔体的容器的传播部分和接收部分之间的路径仅仅为55mm。该图显示，在大约1400℃到大约1550℃之间的温度范围内基本上成线性关系。曲线的方向在大约1550℃到1575℃之间发生改变，这被认为是在这些高温下铂容器的软化导致。据信通过解决此问题，如使用可替换的材料，该温度范围可延伸置大概约1600℃，其使用更长的路径将有可能获得几度范围内的精确性。
为了检测气泡的存在，检查储存设备中的数字化数据或示波器上的实时数据，用作作为接收的信号的脉冲时间和幅度(伏)的函数的通过时间或传播时间。
本构型因此允许检测声信号通过玻璃熔体的传播时间，以测定熔体的温度以及对玻璃熔体中的气泡进行检测。有利的是，本发明的装置和方法可用在玻璃生产系统中，如用于形成玻璃片的制造系统。
参看图5，它显示本发明一个实施方式的示例性玻璃生产系统42的视图，该系统使用熔融法制造玻璃片。该熔融法在例如美国专利3338696(Dockerty)中有描述。玻璃生产系统42包括熔炉44(熔化器44)，其中原材料如箭头46所示加入，然后熔化形成熔融的玻璃48。玻璃生产系统42还包括通常由铂或含铂金属如铂-铑、铂-铱和其组合制得的构件，但它还可含有难熔金属如钼、钯、铼、钽、钛、钨或其合金。含铂构件可包括精炼容器50(精炼管50)、连接熔化器与精炼管的管52、搅拌容器54(如搅拌室54)、连接精炼管与搅拌室的管56、运输容器58(如钵58)、连接搅拌室与钵的管60、和下导管62。将熔融的玻璃提供给与成形容器66(如融合管66)连接的入口64。通过入口64提供给成形容器66的熔融的玻璃溢出成形容器66，分成两股独立的玻璃流，流下成形容器66的汇聚外表面。两股独立的熔融玻璃流在汇聚的成形表面上相遇的线上重新合并，形成单块玻璃片68。通常，成形容器66由陶瓷或玻璃-陶瓷难熔材料制得。
由于从成形容器66的汇聚成形表面流下的独立玻璃流的外表面没有接触该成形表面，因此具有原始的外表面的合并的玻璃片很好地适用于生产液晶显示器。
根据本发明的一个实施方式，可有利地在玻璃生产系统42的含铂部分内利用装置8。例如，一个或多个装置8可偶联到一个或多个下述构件：连接熔化器与精炼管的管51、精炼管50、连接精炼管与搅拌室的管56或搅拌室54，以检测熔融玻璃中存在的杂质。如果检测到杂质，则可采取本领域周知的补救措施，以减少这些杂质。例如，可通过改变精炼管外部的气氛而减少气泡(如通过增加气氛中所含的氢的量)。通过增加搅拌室中的搅拌速率可减少条纹。当然，本发明的方法和装置并不限于用在本文所述的熔融玻璃生产系统中，它们还可用在使用金属容器来加工熔融玻璃的任何玻璃形成操作中。
实施例1
将各含有大约3mm直径的铂-铑芯棒的几个波导在干燥的情况下插入外径大约为9.5mm的莫来石覆层管中。将该芯棒以共线的方式软焊到铂-铑制得的通常为圆柱形的坩锅的外表面上，使得各波导的纵轴相符，该坩锅的直径大约为55mm。该莫来石覆层管要比该铂合金芯棒短，使得芯棒的暴露端可垂直通过不锈钢管中的孔。将市售获得的1MHz、0.25英寸的超声波转换器轻轻地压在各波导的各铂芯棒上(如传输转换器和接受转换器)，在转换器和芯棒之间放置有超声波耦合剂。不锈钢管携带有冷的气流，它使波导和转换器的界面温度维持在大约50℃。
其次，安排Al2O3外管，使其与各波导同心，并固定在坩锅上，以限定坩锅的辐射和接受区域。将所得的组件插入管式加热炉中，使波导延伸通过并超出该加热炉。
在独立的容器中预熔化铝硼硅酸盐玻璃，其确保除去玻璃中预先存在的气泡。然后将该玻璃转移到坩锅中。在一种构型中，由莫特泰科(Metrotek)MP 217脉冲发生器来驱动传输转换器，以最大的脉冲宽度、衰减电阻和振幅工作。由接受转换器通过第二波导检测到的接受信号通过具有0.1-1.4MHz过滤器的布鲁尔和卡尔(Bruel & Kaer)2637预放大器，以及设为0.05-2MHz带宽和20dB放大倍数的Bruel & Kaer 2638调节放大器。用勒考伊(LeCroy)9450数字示波器以8比特的分辨率数字化80μs启动延迟后开始的以10MHz采样速率记录的总共2500份样品的信号。
在本试验的第一部分，随着玻璃熔体中清晰的声路程，记录并均衡了大约250秒的时域响应。将外径约为10mm、内径约为6mm的薄陶瓷管通过熔炉的上部插入坩锅内的熔体中。通过该管将压缩氮气缓慢吹入玻璃熔体中，以在靠近坩锅的底部产生气泡，所述气泡上升到该熔体的表面。压缩氮气线中的起泡瓶允许大致即时指示各气泡的产生。熔炉的温度大约为1570℃。
没有气泡管，超声波路程是清晰的，示波器所示的时域响应也是相当稳定。随后将气泡管插到熔体中，大约在记录250时产生第一批气泡，其速率相当恒定，大约每1-2秒1个泡。在试验期间，使用示波器屏幕显示时间响应波动。这些波动以气泡产生的速率出现。
在上述实施例中，用200kHz四级巴氏(Butterworth)过滤器过滤这些记录，计算它们的包迹(envelope)，并减去起始非指定期间(在本例中为前150秒)的平均包迹。在记录250和550之间，在响应曲线上观察到13个气泡通过。
图6阐述了显示随着时间推移作为用于前述试验的样品(记录)的函数的检测转换器输出电压的曲线图。可清楚看到，所检测到的气泡存在显示为一系列13个电压峰，始于约记录(样品)250，它们对应于13个释放的气泡。奇怪的是，预计用于气泡指示的电压下降。据认为电压增加是传输和接受转换器组件不正确排列的结果，或者是气泡的聚焦效应。
虽然已结合具体实施方式阐述了本发明，但是明显的是，本领域技术人员根据前文描述能够显而易见地作出许多替换、修改和变化。因此，本发明意图包括所有这些替换、修改和变化，它们都在附带的权利要求的精神和宽范围之内。

Claims (5)

1.一种表征容器(10)中的玻璃熔体的方法，该方法包括：
通过该容器(10)的外表面(34)使声波与该玻璃熔体耦合；
检测该玻璃熔体中反射的声波；和
测定该玻璃熔体中对应于所检测到的反射的声波的杂质的存在。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测定玻璃熔体中杂质的存在相当于测量该反射的声波的通过时间、振幅和频率中的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，特征在于，所述使声波与该玻璃熔体耦合包括将第一超声波转换器(24a)通过第一波导(20a)耦合到容器(10)的表面(34)上。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该反射的声波通过第二波导(20b)与第二超声波转换器(24b)声学耦合，该第二波导(20b)与容器(10)的外表面(34)耦合。
5.一种用于表征玻璃熔体的装置，该装置包括：
用于容纳玻璃熔体(15)的容器(10)；
与容器(10)的外表面(34)耦合的第一波导(20a)，用于使来自第一转换器(24a)的声波与玻璃熔体(15)声学耦合；和
与容器(10)的外表面(34)耦合的第二波导(24b)，用于使来自玻璃熔体(15)反射的声波与第二转换器(24b)声学耦合，该反射的声波与该玻璃熔体中的杂质相符。
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