CN113735422B - 一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非接触式红外测温相关技术领域，并公开了一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统及方法。该系统包括吊拉炉和红外热像仪，吊拉炉用于石英玻璃的吊拉成形，该吊拉炉中石英玻璃发生初始塑性变形的区域的一侧设置有观察窗口，红外热像仪设置在该观察窗口外，用于监测吊拉炉中保温层上的温度和石英玻璃融化区域的温度；红外热像仪与控制器连接，当其测量获得保温层的温度后，将测量获得的温度传递给控制器，并在该控制器中进行多物理场模拟，以此获得模拟的石英玻璃融化区域的模拟温度，利用该模拟温度对监测的融化区域温度进行修正，以此作为真实的融化区温度。通过本发明，解决吊拉炉内温度测量不准确以及测量困难的问题。

Description

一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统及方法

技术领域

本发明属于非接触式红外测温相关技术领域，更具体地，涉及一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统及方法。

背景技术

随着国家尖端科技的发展与进步，对基础材料的性能提出了更高的要求，石英玻璃作为一种特种光电功能玻璃，拥有较好的光谱透过性和化学稳定性、低热膨胀系数和电导率、以及极端条件下较长的工作寿命等优点，被广泛应用于光学、半导体等国家战略性新兴企业和国防科技领域。而实际工业应用过程中往往需要对石英玻璃进行改型使用，比如在半导体产业中经常需要用到石英玻璃管、石英玻璃棒等二次改型产品，目前的改型方法主要集中为热改型法，即将石英玻璃母棒在高温下加热融化再拉制成所需的形状，因此在实际生产过程中温度场的控制对石英玻璃产品的成型过程十分重要。

传统生产设备大多采用金属热电偶进行测温，而对于石英玻璃生产过程中炉腔内温度可达2000摄氏度，工艺材料的限制使其必须采用非接触式高温测量。目前的非接触式光学测温方法大多采用红外辐射测温，通过测量一定波段的辐射光来计算某个单点的温度，但这种测量方法对测量环境的要求非常高，实际应用过程中由于测温点温度变化受多种因素影响，比如石英玻璃熔融界面特征的形变、成型玻璃棒的下拉等，都会使测量预设点的温度变得十分困难，测得的温度波动明显且测温误差较大，从而影响到加热炉腔内温度的均匀性调节。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统及方法，解决吊拉炉内温度测量不准确以及测量困难的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，该系统包括吊拉炉和红外热像仪，其中：

所述吊拉炉用于石英玻璃的吊拉成形，该吊拉炉中石英玻璃发生初始塑性变形的区域的一侧设置有观察窗口，所述红外热像仪设置在该观察窗口外，用于监测所述吊拉炉中保温层上的温度和石英玻璃融化变形区域的温度；

所述红外热像仪与控制器连接，当其测量获得所述保温层的温度后，将测量获得的温度传递给控制器，并在该控制器中进行多物理场模拟，以此获得模拟的石英玻璃融化变形区域的模拟温度，利用该模拟温度对监测的融化变形区域温度进行修正，以此作为最终的融化变形区温度，实现石英玻璃拉制过程中温度的在线监测。

进一步优选地，所述吊拉炉包括炉壳、加热器和感应线圈，待加热的石英玻璃悬挂在所述吊拉炉中心，所述加热器设置在所述吊拉炉的上部，环绕所述悬挂的石英玻璃，所述感应线圈与所述加热器相对设置，在所述感应线圈中通入交变电流产生强电磁场，产生感应电流，所述加热器在该强电磁场中产生感应电流，并以此产生热量加热所述石英玻璃，该石英玻璃在高温下融化下拉。

进一步优选地，所述加热器和感应线圈之间为保温层，保温层中设置有保温材料。

进一步优选地，所吊拉炉中充满氮气，避免所述石英玻璃加热过程中被氧化。

进一步优选地，所述炉壳的材料为不锈钢，感应线圈的材料为铜，保温层的材料为碳毡，加热器的材料为石墨。

进一步优选地，所述红外热像仪的测温范围为-40℃～2000℃，精度为±2％。

进一步优选地，所述观察窗口与红外热像仪位于同一水平线，以此保证测温的准确。

按照本发明的另一方面，一种上述所述的测温系统的测量方法，该测量方法包括下列步骤：

S1红外热像仪测量保温层和石英玻璃融化变形区域的温度，并反馈给控制器；

S2控制器根据测量的保温层的温度采用多物理场模拟，以此获得石英玻璃融化变形区域的模拟温度；

S3根据模拟温度对测量的融化变形区域的温度进行修正，修正后的温度则为融化变形区域的真实温度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中采用红外热像仪测量保温层的温度，是由于在石英玻璃棒实际的拉制过程中，变形区的温度受玻璃熔融界面的影响，传统的测温方法测得的温度波动较大，测量结果存在较大误差，而整个工艺过程中保温层区域受影响较小，温度测试环境较为稳定，因此该处区域的温度容易测量且精度较高，本发明正是利用保温层测温环境稳定的优势，结合多物理场模拟的方法可以获得相应工况下变形区的模拟温度值，通过该温度值对测温仪器实际测得的变形区温度进行修正，从而获得精确的温度值；

2.本发明中采用的红外热像仪与吊拉炉中的观察窗口相配合，二者在同一水平线上，红外热像仪采用非接触式的测量，既能保证测量的准确性，也能保证测量过程对石英玻璃变形过程不产生干扰；

3.本发明中采用的红外检测实现吊拉炉内温度的实时检测，并能将测量结果实时输出，方便外界实时检测石英玻璃的融化过程，并进行实时的调整，提高了设备的运行稳定性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于环境和过程特征识别的红外温度在线监测反馈系统正视图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗口测温点示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-炉壳，2-观察窗口，3-红外热像仪，4-控制器，5-感应线圈，6-石英玻璃母棒，7-保温层，8-加热器，9-变形区，10-成型玻璃棒，11-变形区测温点，12-保温层测温点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于环境和过程特征识别的红外温度在线监测反馈系统，包括炉壳1、石英玻璃母棒6、加热器8、变形区9、保温层7、成型玻璃棒10、红外热像仪3、控制器4、感应线圈5、观察窗口2、变形区测温点11和保温层测温点12，变形区测温点11在石英玻璃母棒融化从粗到细的变形处，保温层测温点12设置在保温层上，石英玻璃母棒6呈圆柱状悬挂在炉壳1上端入口，以一定速度下降至加热区，通过对感应线圈5施加交变电流，空间出现强电磁场使加热器8中产生感应电流和高温热量，高温使石英玻璃母棒6在变形区9发生软化，经下拉后获得成型玻璃棒10。

如图2所示，红外热像仪3与控制器4的一侧相连，通过观察窗口2获得变形区测温点11和保温层测温点12的温度，获得的温度值经数据传输至控制器4进行处理，控制器4以保温层测温点12的温度值为标准工况得到多物理场模拟下变形区测温点11温度的模拟值，以该值对红外热像仪3的测温结果进行修正，提高温度测量的准确性，其中修正的方法有很多种，例如采用误差值来补偿测量值等。

进一步优选地，保温层7用于使内部加热区温度场保持稳定，保温区测温点12处于与过程工艺相对无关的区域，且表面状态稳定。

进一步优选地，红外热像仪3与观察窗口2处位于同一水平面，且应保证可以观察到变形区测温点11和保温区测温点12。

进一步优选地，利用红外热像仪3可以获得变形区测温点11和保温区测温点12的实时温度值，温度值传输至控制器进行处理。

进一步优选地，控制器内预设有多物理场模拟结果，将红外热像仪提取的保温区测温点的温度值作为标准工况，得到该工况下变形区测温点的温度模拟值，使用该值对红外热像仪测得的变形区测温点的温度值进行修正，提高了测温的准确性。多物理场模拟是通过将吊拉炉的几何结构，材料物性参数、保温层的材料和加热器的设定的加热温度等参数，采用有限元软件进行分析，以此获得变形区的模拟温度。

进一步优选地，红外热像仪3的测温范围为-40℃～2000℃，精度为±2％。

进一步优选地，炉壳1的材料为不锈钢，感应线圈5的材料为铜，保温层7的材料为碳毡，加热器8的材料为石墨。

进一步优选地，工作状态下吊拉炉炉腔内充满氮气，防止内部材料在高温下发生氧化。

下面介绍本发明的实施原理及方法：

如图3所示，对感应线圈5施加交变电流，加热器8对炉膛进行加热升温，升温过程中红外热像仪3记录变形区测温点11和保温层测温点12的温度，信号传输至控制器后，控制器通过多物理场模拟结果获得保温层测温点12的温度对应工况下变形区测温点11温度的模拟值，使用该模拟值对红外热像仪测得变形区测温点11的温度进行修正，从而获得变形区温度的准确值，达到整个石英玻璃拉制过程中温度测量的目的，就可以使整个工艺过程达到预期的温度稳定性，对高质量石英玻璃改型产品的生产有着重要意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，该系统包括吊拉炉和红外热像仪（3），其中：

所述吊拉炉用于石英玻璃的吊拉成形，该吊拉炉中石英玻璃发生初始塑性变形的区域的一侧设置有观察窗口，所述红外热像仪（3）设置在该观察窗口外，用于监测所述吊拉炉中保温层上的温度和石英玻璃融化变形区域的温度；

所述红外热像仪（3）与控制器（4）连接，当其测量获得所述保温层的温度后，将测量获得的温度传递给控制器，并在该控制器中进行多物理场模拟，以此获得模拟的石英玻璃融化变形区域的模拟温度，利用该模拟温度对监测的融化变形区域温度进行修正，修正后获得的温度为真实的融化区变形温度，实现石英玻璃拉制过程中温度的在线监测。

2.如权利要求1所述的一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，所述吊拉炉包括炉壳（1）、加热器（8）和感应线圈（5），待加热的石英玻璃悬挂在所述吊拉炉中心，所述加热器（8）设置在所述吊拉炉的上部，环绕所述悬挂的石英玻璃，所述感应线圈（5）与所述加热器相对设置，在所述感应线圈（5）中通入交变电流产生强电磁场，产生感应电流，所述加热器（8）在该强电磁场中产生感应电流，并以此产生热量加热所述石英玻璃，该石英玻璃在高温下融化下拉。

3.如权利要求2所述的一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，所述加热器（8）和感应线圈（5）之间为保温层（7），保温层中设置有保温材料。

4.如权利要求1或2所述的一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，所吊拉炉中充满氮气，避免所述石英玻璃加热过程中被氧化。

5.如权利要求3所述的一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，所述炉壳（1）的材料为不锈钢，感应线圈（5）的材料为铜，保温层（7）的材料为碳毡，加热器的材料为石墨。

6.如权利要求1或2所述的一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，所述红外热像仪（3）的测温范围为-40℃～2000 ℃，精度为 ±2%。

7.如权利要求1或2所述的一种石英玻璃拉制过程中在线监测温度的测温系统，其特征在于，所述观察窗口（2）与红外热像仪（3）位于同一水平线，以此保证测温的准确。

8.一种权利要求1-7任一项所述的测温系统的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

S1 红外热像仪测量保温层和石英玻璃融化变形区域的温度，并反馈给控制器；

S2 控制器根据测量的保温层的温度采用多物理场模拟，以此获得石英玻璃融化变形区域的模拟温度；

S3根据模拟温度对测量的融化变形区域的温度进行修正，修正后的温度则为融化变形区域的真实温度。

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