DE102004034693A1

DE102004034693A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen optischen Messung der Dicke von heißen Glaskörpern mittels der chromatischen Aberration

Info

Publication number: DE102004034693A1
Application number: DE102004034693A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Wilke; Andre Dr. Witzmann; Rupert Fehr; Johann Faderl; Otmar Schmittel; Ernst-Walter Schäfer; Christopher Fritsch
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-07-17
Filing date: 2004-07-17
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-18
Also published as: US7414740B2; DE102004034693B4; US20060012804A1; FR2873200B1; FR2873200A1; ITTO20050479A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur berührungslosen optischen Messung der Dicke von Glaskörpern mittels der chromatischen Aberration durch Fokussieren eines Lichtstrahls auf dem Glaskörper beschrieben, bei dem die Glasdicke am heißen Glaskörper unmittelbar nach seiner Herstellung gemessen wird und die Fokussiereinheit (3) in einem gekühlten Gehäuse (11) auf einer Temperatur von unterhalb 120 DEG C gehalten und die Einwirkung von Wärmestrahlung auf die Fokussiereinheit (3) mittels wenigstens eines Wärmeschutzfilters (17) weitgehend verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen optischen Messung der Dicke von heißen Glaskörpern mittels der chromatischen Aberration unmittelbar nach ihrer Herstellung im noch heißen Zustand.
Bei der Produktion von Glaskörpern ist es erforderlich, bestimmte Maße einzuhalten. Meistens werden diese vom Kunden vorgegeben und dürfen ein gewisses Toleranzband weder über- noch unterschreiten.

Bisher sind genaue Messungen der Glasdicke häufig erst am Ende der Kühlstrecke möglich, da durch eine frühere Messung bei mechanischer Abtastung die Glasoberfläche beschädigt werden kann und da berührungslose Messungen bei heißem Glas versagen. So scheidet z.B. die Lasertriangulation aus, da die über dem heißen Glas entstehenden Luftschlieren den optischen Weg verfälschen, die Ultraschallmessung ist nicht anwendbar, da sie ein Koppelmedium zwischen Glas und Ultraschallquelle erfordert, die Weißlichtinterferometrie funktioniert nicht unter den rauhen Produktionsbedingungen und die konfokale Mikroskopie gekoppelt mit einem Autofokussystem ist mit Kosten von mehreren Hundertausend Euro pro Messeinrichtung zu teuer.

Eine möglichst frühe Messung der Glasdicke ist aber erwünscht, da die Menge an fehlerhaft erzeugten Teilen um so kleiner wird, je früher in der Produktionskette der Fehler erkannt und beseitigt werden kann. Das kann zu erheblichen Vorteilen in der Produktion führen, da es je nach erzeugtem Produkt bis zu mehreren Stunden dauern kann, bis das Produkt das Ende der Kühlstrecke, das sogenannte „kalte Ende" erreicht hat und damit die Messwerte zur Verfügung stehen, die für eine Korrektur am heißen Ende benötigt werden.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dicke von Glaskörpern zu finden, mit dem bzw. der die Dicke die Dicke bereits am heißen Glaskörper unmittelbar nach seiner Herstellung („am heißen Ende") mit hoher Präzision gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren und der Vorrichtung gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht von der für Abstands- und Schichtdickenmessungen bereits bekannten Dispersion des Lichts bei der Brechung in Linsen oder beim Durchgang durch diffraktive Materialien Gebrauch. Bei der Fokussierung von weißem Licht gibt es dadurch keinen einheitlichen Brennpunkt, sondern jede Farbe hat auf der Strahlachse ihren eigenen Fokus, d.h. es gibt eine Strecke auf der Strahlachse, innerhalb derer sich die Brennpunkte der Farben befinden. In der Photographie wird die chromatische Aberration durch Kombination von Linsen aus unterschiedlichen Gläsern unterdrückt, da im Bild Farbsäume unerwünscht sind. Unter chromatischer Aberration versteht man das optische Phänomen, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge (=Farbe) durch die Linse oder ein korrigiertes Objektiv unterschiedlich stark gebrochen wird. Bei dem Verfahren zur Dickenmessung kann dieses Phänomen hingegen ausgenützt werden. Die Länge der Strecke auf der Strahlachse auf der sich die einzelnen Brennpunkte befinden, hängt von der verwendeten Linse und deren Material ab. Bei einer Linse mit einem Fokusbereich von 22 cm bis 25 cm lassen sich Glasdicken von bis zu etwa 3 cm bestimmen. Bei diesem wohlbekannten Messverfahren wird ein polychromatischer, im allgemeinen weißer, Lichtstrahl durch ein Glasfaserkabel in eine Fokussiereinrichtung (Messkopf oder Lichtstift) geleitet und von dort auf den Glaskörper fokussiert. Infolge der chromatischen Abbildungseigenschaften der Optik werden verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Abständen von der Optik fokussiert. Befindet sich nun eine Grenzfläche (z.B. Übergang Luft auf Glas) in einem solchen Fokus, wird diese spezielle Wellenlänge stark reflektiert. Alle anderen Wellenlängen werden deutlich schwächer zurückgeworfen und bilden innerhalb des reflektierten Spektrums einen schwachen, diffusen Untergrund. Das reflektierte Licht gelangt wieder über die Fokussiereinrichtung in das Glasfaserkabel und wird in ein Spektrometer geleitet. Dort werden die stark reflektierten Wellenlängen als Intensitätsmaxima im Spektrum detektiert.

Bei einem transparenten Glaskörper ergeben sich immer zwei Intensitätsmaxima, da eine Reflexion an der Außenseite und an der Innenseite des Glases, vom Messkopf aus gesehen, auftritt. Aus einer einfachen Differenzbildung der Abstandssignale kann man dann direkt die Wanddicke nach Berücksichtigung des Brechungsindexes des zu messenden Glases ermitteln. Messgeräte, die auf dem geschilderten Prinzip der chromatischen Aberration beruhen, sind allgemein bekannt und können im Handel bezogen werden, z.B. von der Firma Precitec Optronic GmbH, Rodgau, Deutschland unter der Bezeichnung CHR 150 E. Messung, Auswertung und Ausgabe bzw. Anzeige der ermittelten Werte erfolgen mittels eines Computers, wobei bis zu 1000 Messungen pro Sekunde und mehr erfolgen können. Diese hohe Messfrequenz erleichtert eine Mittelwertbildung und erhöht damit die Genauigkeit der Messung.

Die Messung der Wanddicke des Glaskörpers, z.B. eines Rohres, der Dicke eines Barrens oder der Dicke eines Glasbandes in einer Anlage zur Herstellung von Flachglas soll sobald als möglich nach der Formgebung des Körpers erfolgen. Zweckmäßig ist eine Messung allerdings erst dann, wenn der Körper sein endgültige Form erreicht hat, was im allgemeinen einer Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur (softening point) entspricht, bei der das Glas eine Viskosität von 10⁶⁶ Pa·s besitzt. Bei dem Abkühlen des Glases von dieser Temperatur auf Raumtemperatur unterliegt das Glas natürlich noch einem Schrumpf, die am heißen Glas gemessenen Werte entsprechen nicht den Endmaßen und müssen um einen Faktor, der dem Schrumpf entspricht, vermindert werden, was bei Kenntnis der Glastemperatur an der Messstelle und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glases kein Problem darstellt.

Um die thermische Belastung der Fokussiereinrichtung zu mindern, wird die Fokussiereinrichtung durch Kühlung auf einer Temperatur von unterhalb 120°C gehalten, ferner wird die Einwirkung von Wärmestrahlung auf die Fokussiereinrichtung durch Vorschalten eines Wärmeschutzfilters in den Strahlengang zwischen Glas und Fokussiereinrichtung verhindert. Wärmeschutzfilter sind bekannt und werden in großer Zahl in Diaprojektoren, Kinoprojektoren, Beamern und dergleichen eingesetzt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie das sichtbare Licht praktisch ungehindert passieren lassen, für infrarotes Licht (Wärmestrahlung) aber undurchlässig sind. Wärmeschutzfilter arbeiten nach zwei unterschiedlichen Prinzipien. Das eine Prinzip ist das der Reflexion, das andere das der Absorption. Bei reflexiven Wärmeschutzfiltern ist die der Strahlungsquelle zugewandte Seite des Filters mit einer IR-reflektierenden Schicht versehen, z.B. aus Gold, Platin oder einem reflektierenden Schichtenpaket (Interferenzfilter). Absorptive Filter bestehen aus Gläsern, die durch eine geeignete Dotierung die IR-Strahlen weitgehend absorbieren. Da letztere sich dabei naturgemäß erwärmen und deshalb gekühlt werden müssen, ist es von Vorteil, in den Strahlengang zunächst ein reflektierendes Wärmeschutzfilter einzubauen, wodurch bis zu 98% der IR-Strahlung reflektiert werden kann und danach, falls erforderlich, die durch das reflektive IR-Filter hindurchgehende IR-Reststrahlung in einem nachgeschalteten absorptiven Filter zu absorbieren. Geeignete Filter für beide Filterprinzipien sind in großer Anzahl im Handel erhältlich.

Zur Vermeidung von Alterungseffekten der Fokussiereinrichtung ist es von Vorteil, wenn die Temperatur der Fokussiereinrichtung auf einer Temperatur von 20 bis 100°C gehalten wird. Zur Erreichung einer guten Messgenauigkeit sollte die Temperatur der Fokussiereinrichtung um nicht mehr als ± 10°C vom eingestellten Sollwert schwanken. Das Verfahren eignet sich zur Bestimmung der Glasdicke bei Gläsern, die eine Temperatur von bis zu 1200°C besitzen. Bevorzugt werden Gläser gemessen, die eine Temperatur von 200 bis 1000°C haben.

Bei der Messung von Rohren ist es von Vorteil, wenn die Messung mittig erfolgt, d.h., dass der Messstrahl im Winkel von 90° auf die Glasoberfläche trifft oder anders ausgedrückt, dass die Verlängerung des Messstrahls durch die Rohrachse verläuft.

Bei jedem außermittigen Auftreffen des Messstrahls auf das Rohr nimmt die Genauigkeit der Messung ab, da durch die unterschiedliche Krümmung der Innenwandung im Vergleich zur Außenwandung Winkelfehler auftreten, die zur Anzeige einer unrichtigen Dicke führen. Diese Fehler bei außermittiger Messung treten umso stärker auf, je kleiner der Durchmesser des Rohres ist. Generell kann gesagt werden, dass bei Rohren mit ca. 10 bis 20 mm Durchmesser und einer Wandstärke von ca. 0,4 bis 1 mm ein seitlicher Versatz von ca. 0,5 bis 1 mm zu einer Abweichung von 2 μm vom tatsächlichen Dickenwert führt. Es ist also sehr wichtig, dass der Messstrahl immer mittig auf das Rohr fällt. Bei nicht-mittigem Auftreffen des Messstrahls ergeben sich nicht nur Fehlmessungen sondern es wird auch die Intensität des reflektierten Lichts geringer, da der Lichtstrahl unter einem von 90° abweichenden Winkel auf die Glasoberfläche trifft und daher nicht alles reflektiert wird. Verschiebt man den Messkopf quer zur Rohrachse so lange, bis die Intensität der reflektierten Wellenlängen mit hoher Intensität ihr Maximum erreichen, so trifft der Messstrahl mittig auf das Rohr. Auf diese Weise ist eine optimale Justierung des Messkopfs sehr einfach möglich. Diese Justierung kann manuell vorgenommen werden, es ist aber auch möglich, diese Justierung mittels Stellmotoren und eines entsprechenden Computerprogramms zu automatisieren, so dass auch während des laufenden Betriebs immer auf die optimale Lage des Sensors nachgeregelt werden kann.

Anhand der Abbildung werden Verfahren und Vorrichtung weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Meßverfahrens,
2 eine Darstellung der Fokussiereinrichtung mit ihrem gekühlten Gehäuse.
1 zeigt den Aufbau einer Messeinrichtung. Aus der polychromatischen Lichtquelle 1 wird das Licht mittels des Stranges 2a des Glasfaserkabels 2, das aus den Glasfasersträngen 2a und 2b besteht, in die Fokussiereinrichtung 3 geleitet. Das aus der Fokussiereinrichtung austretende Licht fällt auf den zu messenden Glaskörper 4 mit seiner Vorderseite 5 und Rückseite 6. Die Fokussiereinrichtung 3 fokussiert Licht der verschiedenen Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen von der Lichtaustrittsstelle. Die Vorderseite 5 des Glaskörpers 4 ist im Fokus von Licht der Wellenlänge λ 1, die Rückseite 6 des Glaskörpers 4 ist im Fokus von Licht der Wellenlänge λ 2. Das in den Glaskörper 4 reflektierte Licht gelangt über den Strang 2b des Glasfaserkabels 2 in das Spektrometer 7. Da die auf die Vorderseite 5 und Rückseite 6 fokussierten Wellenlängen stärker reflektiert werden, als die Wellenlängen, deren Brennpunkt nicht auf der Vorder- bzw. Rückseite des Glaskörpers liegen, können diese Wellenlängen anhand ihrer Intensität im Spektrum detektiert werden. An das Spektrometer 7 schließt sich dann eine digitale Signalverarbeitung 8 an, die das Messergebnis in verwertbarer Form als analoge und/oder digitale Daten zur Verfügung stellt, z.B. durch Anzeige der gemessenen Dicke oder durch zur Verfügung stellen von Steuersignalen zur Beeinflussung des Produktionsprozesses.
In 2 ist beispielhaft eine Fokussiereinrichtung in ihrem Gehäuse dargestellt. Die Fokussiereinrichtung 3, die mit einer Linse 9 versehen ist, ist über ein Glasfaserkabel 2 mit der Auswahleinheit 9 verbunden. Die Fokussiereinheit 3 befindet sich in einem doppelwandigen Gehäuse 11, das mit einem Zulauf 12 und Ablauf 13 für ein Kühlfluid, im allgemeinen Wasser, versehen ist. Das Gehäuse kann mit nicht dargestellten, z.B. spiraligen, Einbauten oder anderen Mitteln versehen sein, um eine Zwangsführung des Kühlfluids und damit eine gleichmäßige Kühlung des gesamten Gehäuses 11 zu erzeugen. Weiterhin ist das Gehäuse 11 mit einer Öffnung 14 versehen, durch die Licht von der Fokussiereinrichtung auf den zu messenden Gegenstand und zurück gelangen kann. Rückseitig ist das Gehäuse 11 mit einem Deckel 15 versehen, durch den das Glasfaserkabel 2 nach außen geführt ist. Die Fokussiereinrichtung ist innerhalb des Gehäuses durch nicht dargestellte Mittel, z.B. durch drei im Winkel von 120° stehende Klemmschrauben, mittig über der Austrittsöffnung 14 fixiert. Der Innenraum des Gehäuses 11 wird vor dem Eintritt von Wärmestrahlen durch das IR-Absorptionsfilter 16 und das IR-Reflexionsfilter 17 geschützt. Bei geringer IR-Strahlungsbelastung ist auch die Verwendung nur eines IR-Filters möglich. Ferner ist die Öffnung 14 noch mit einer transparenten Scheibe 18 versehen, die die Einwirkung von aggressiven Gasen auf die Filterscheiben 16 und 17 verhindern soll. Diese Scheibe 18 kann aus Korund bestehen. Die Scheiben 16, 17 und 18 sind zwischen elastischen Zwischenringen 19 angeordnet, die zum einen die Funktion haben, den Innenraum des Gehäuses gegen die äußere Atmosphäre abzudichten und zum anderen Spannungen zwischen Gehäuse 11 und den Scheiben 16, 17, 18, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten oder unterschiedliche Temperaturen, auszugleichen. Bewährt haben sich als Material für die Zwischenringe Silikongummi oder elastische Fluorharze, jedoch sind auch andere Materialien denkbar, solange sie über die erforderliche Elastizität zum Spannungsabbau und die notwendige Temperaturstabilität vertilgen. Das Gehäuse 11 kann ferner noch mit einem Strahlungsschutzblech 20 versehen sein, das das direkte Auftreffen der Hitzestrahlung auf das Gehäuse verhindert. Das Strahlungsschutzblech ist, wie bei Strahlungsschutzblechen üblich, mit Abstand vor dem zu schützenden Objekt angeordnet. Es kann aus Metallblech, aber auch aus schlecht wärmeleitenden Materialien, z.B. refraktären Oxiden oder porösen Sintermetallscheiben bestehen. In dem Zwischenraum zwischen Strahlungsschutzblech 20 und Gehäuse 11 kann durch die Leitung 21 ein Spülgas, insbesondere Luft, eingeleitet werden, durch das ein Gasschleier vor die Öffnung 14 gelegt werden kann. Damit kann der Eintritt von aggressiven Gasen in die Öffnung 14 oder die Kondensatbildung durch verdampfte Glasbestandteile verhindert und die Filter 16 und 17 sowie die Scheibe 18 besonders gut geschützt werden.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung ist es erstmals möglich geworden, die Wandstärke von Glasartikeln (z.B. Rohren, Barren, Linsen oder Flachglas) unmittelbar nach ihrer Herstellung mit höchster Genauigkeit am heißen Ende zu messen, d.h. beim Walzen von Flachglas direkt hinter der Walzmaschine und bei der Herstellung von Flachglas nach dem Floatverfahren direkt im Floatbad. Bei der Herstellung von Linsen oder Linsenrohlingen durch Pressen können diese stichprobenartig noch vor der Einbringung in die Kühlstrecke vermessen werden, so dass ein Verschleiß des Preßwerkzeugs wesentlich früher als bisher erkannt werden kann. Dadurch kann bei fehlerhafter Produktion wesentlich früher und schneller in den Produktionsprozess regelnd eingegriffen werden, wodurch Ausbeute und Qualität der Produkte steigen.

Claims

Verfahren zur berührungslosen optischen Messung der Dicke von Glaskörpern mittels der optischen Dispersion, wobei ein Lichtstrahl aus einer polychromatischen Lichtquelle mittels einer Fokussiereinrichtung (Messkopf) auf das Glas fokussiert wird, das von dem Glas reflektierte Licht in einen Spektrometer geleitet und dort detektiert wird, wobei von der Vorder- und der Rückseite des Glases zwei Wellenlängen im Vergleich zu den übrigen Wellenlängen mit hoher Intensität reflektiert werden und aus der Wellenlängendifferenz dieser Wellenlängen mit hoher Intensität unter Berücksichtigung des Brechungsindexes des zu vermessenden Glases die Glasdicke ermittelt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdicke am heißen Glaskörper unmittelbar nach seiner Herstellung gemessen wird, wobei die Fokussiereinrichtung durch Kühlung auf einer Temperatur unterhalb 120° gehalten wird und die Einwirkung von Wärmestrahlung auf die Fokussiereinrichtung mittels wenigstens eines Wärmeschutzfilters weitgehend verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Fokussiereinrichtung auf 20 bis 100° C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Fokussiereinrichtung auf ± 10°C konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das die Messung bei einer Temperatur des Glaskörpers von 200 bis 1100 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung der Glasdicke von Glasrohren die Fokussiereinrichtung quer zur Rohrachse verschoben wird, bis die Wellenlängen mit hoher Intensität ihre maximale Intensität erreicht haben.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem wenigstens einen Wärmeschutzfilter ein Gasschleier zur Verhinderung von Kondensatbildung oder zur Verhinderung des Angriffs aggressive Gase erzeugt wird.
Vorrichtung zur Messung der Dicke eines heißen Glaskörpers, bei der ein polychromatischer weißer Lichtstrahl mittels einer Fokussiereinrichtung auf den Glaskörper fokussiert und das reflektierte Licht einer Auswertungseinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (3) in einem doppelwandigen Gehäuse (11) angeordnet ist, das eine Zuleitung (12) und Ableitung (13) für ein Kühlfluid und ein Sichtfenster (14) für den Ein- und Austritt des Lichtstrahls und des reflektierten Lichts besitzt, wobei das Sichtfenster (14) durch wenigstens ein Wärmeschutzfilter (17) verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeschutzfilter (17) zwischen zwei elastischen temperaturbeständigen Zwischenringen (19) insbesondere bestehend aus Silikongummi oder einem Fluorkohlenstoffharz, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass, von der Außenseite gesehen, vor dem Wärmeschutzfilter eine transparente Scheibe (18) aus korrosionsbeständigem Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Scheibe aus Korund (Al₂O₃) oder einem fluorhaltigen Glas besteht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Öffnung (14) ein Einlass (21) für ein Spülgas vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlungsrichtung gesehen vor dem Gehäuse (11) ein mit einem Fenster für den Lichtstrahl versehenes Strahlungsschutzblech (20) beabstandet angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaß (21) für ein Spülgas zwischen Gehäuse und Strahlungsschutzblech angeordnet ist.