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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Halten eines Glaskörpers
während der Umwandlung in einen Glas-Kristall-Mischkörper auf praktisch konstanter
Viskosität mit einer Anzeigeeinrichtung für den Verformungsgrad des Glaskörpers
unter konstanter Beanspruchung und mit einer Regelvorrichtung für seine Temperatur.
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Es ist technologisch schwierig, kristallisierbare Materialien zu jedem
Augenblick auf den Temperaturen zu halten, die für die Bildung der gewünschten kristallinen
Phasen optimal sind und die gleichzeitig so zu wählen sind, daß ein Durchhängen
und eine Deformation der Materialien verhindert wird. Aus dem Fachwissen ist lediglich
bekannt, daß die günstigsten Erwärmungs- und/oder Verweiltemperaturen dadurch bestimmt
werden können, daß die Deformation eines bestimmten Glasstabes in Abhängigkeit von
der Temperaturbehandlung ermittelt wird (deutsche Auslegeschrift 1045 056).
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Es tritt nämlich das Problem unter anderem auf; eine genügend hohe
Viskosität zu schaffen, um ein Fließen der der Wärmebehandlung ausgesetzten Glaskörper
auf ein Minimum herabzusetzen und gleichzeitig aber die Viskositäten ausreichend
niedrig zu halten, damit eine Kristallisation gleichmäßig fortschreiten kann und
hierdurch ein Spontanbruch verhindert wird, der durch starke Dichteänderungen auf
Grund einer abrupten Kristallentwicklung im Material hervorgerufen wird. Solche
Änderungen in der Dichte führen zu Spannungen, die zum Bruch der Probe dann führen,
wenn die Viskosität des Glaskörpers bereits zu hoch ist.
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Es wurde erkannt, daß z. B. Glas-Kristall-Mischkörper in der Viskosität
nicht nur von der Temperatur, sondern auch -von der Dauer abhängen, während der
eine Temperatur beim Wärmebehandlungsverfahren aufrechterhalten wird. Der optimale
Kristallisationszyklus oder die Verfahrenstemperatur wurde bisher durch Versuch
und ein rechnerisches Annäherungsverfahren ermittelt.
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Bei Glas-Kristall-Mischkörpern kann aber die Viskosität nicht dadurch
konstant gehalten werden, daß das Material bei konstanter Temperatur gehalten wird,
da bei fortschreitender Kristallisation die Viskosität zunimmt. Die Temperatur muß
daher gesteigert werden, um eine konstante Viskosität überhaupt aufrechterhalten
zu können.
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Die Lösung dieses Problems wird bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art zum Halten eines Glaskörpers während der Umwandlung in einen Glas-Kristall-Mischkörper
auf praktisch konstanter Viskosität erreicht durch eine Tauchkern--anordnung mit
Antrieb zum Liefern eines Fehlersignals entsprechend. der Differenz _ zwischen einem
gewünschten und dein tatsächlichen Verformungsgrad sowie durch auf das Fehlersignal
ansprechende Regeleinrichtungen, die die Temperatur des Glaskörpers entsprechend
dem gewünschten Verformungsgrad verändern.
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Zweckmäßig weist die Anordnung zum Liefern des Fehlersignals einen
linear veränderlichen Differentialtransformator mit Wicklungen auf, der durch einen
linearen Antriebsmotor mit bestimmter Geschwindigkeit entsprechend der ermittelten
Abweichung mitgenommen wird, und einen vertikal zwischen den Wicklungen in Null-Stellung
zentrierten, mit dem Glaskörper verbundenen Kern.
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Sollen mehr als eine einzige Probe untersucht werden, soll vor allem
eine Testprobe dem Ofen entnommen und analysiert werden können, ohne daß die anderen
Proben zerstört oder auch nur gestört werden, so ordnet man einen zusätzlichen Ofen
mit einem Thermoelementpaar an, dessen positive Elemente gegeneinander, die negativen
an die Eingangsklemmen eines Null-Mittelpunktsreglers unter Regelung der Temperatur
des Ofens als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den Öfen angeschlossen sind.
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Es ist darum möglich, aus dem Ofen zur Untersuchung eine Probe zu
irgendeinem Zeitpunkt der Wärmebehandlung zu entnehmen und andere Proben für eine
spätere Untersuchung darin zu belassen. Bei einer solchen Untersuchung kann es sich
um eine Analyse hinsichtlich der prozentualen Kristallausbildung, der Geschwindigkeit
des Kristallwachstums od. dgl. handeln.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden,
in denen F i g. 1 schematisch eine Ausführungsform eines Ofens und eines Steuerkreises
zur Herstellung von Glas-Kristall-Mischkörpern zeigt; F i g. 2 zeigt schematisch
ein Zwei-Ofen-System zur Herstellung von Proben aus Glas-Kristall-Mischkörpern zur
Prüfung in verschiedenen Stufen der Kristallbildung.
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F i g.1 gibt bei 10 im senkrechten Schnitt einen Ofen wieder, der
mit Hilfe von Wderstandsheizelementen 11 beheizt wird. Innerhalb der Kammern 42
des Ofens 10 ist als Glaskörper ein Glasstab 13 an seinen Enden gelagert,
dessen optimaler Kristallisations-Temperaturfahrplan _ bestimmt werden soll. An
einem Haken 14, der in der Mitte des Glasstabes 13 angehängt ist; befindet sich
ein Gewicht 15.
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Es ist bekannt, daß bei Auflagerung eines rechteckigen Stabes von
richtiger Viskosität an seinen Enden und Aufhängung eines Gewichtes in der Mitte
dieses Stabes die Mitte infolge des zähen Flusses nach einer anfänglichen elastischen
Verformung mit einer Geschwindigkeit nach unten gezogen wird, die für kleine Durchbiegungen
und für eine gegebene Viskosität konstant ist entsprechend der folgenden Formel:
Dabei bedeutet m die aufgebrachte Belastung, g die Erdbeschleunigung, d den Abstand
zwischen den beiden Unterstützungspunkten, w die Breite des Stabes, t die Dicke
des Stabes und v die Viskosität des Stabes.
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Umgekehrt gilt, daß für ein gegebenes System eine konstante Ausbiegungsgeschwindigkeit
eine konstante Viskositäf bedeutet.
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Diese überlegung dient im erfindungsgemäßen Steuersystem zur Bestimmung
des optimalen Temperaturfahrplanes für die Kristallbildung und außerdem als Basis
zur raschen und bequemen Erzeugung von Analysenproben von Glas-Kristall-Mischkörpern
neuartiger Zusammensetzungen.
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Das in F i g. 1 wiedergegebene Regelsystem bestimmt den optimalen
Temperaturablauf wie folgt: -Die oben wiedergegebene Formel dient zur Bestimmung
der Geschwindigkeit der Ausbiegung entsprechend der gewünschten Viskosität, die
im allgemeinen zwischen 1010 und 1013 Poises liegt. Die Wicklungen 16 eines linear
veränderlichen Diffe- .
rentialtransformators 17 werden unterhalb
des Stabes und außerhalb des Ofens angeordnet und durch einen Motor 25 mit der Geschwindigkeit
nach unten bewegt, die sich für die Auslenkung eines Stabes gewünschter Viskosität
errechnet. Der Kern 18 des Transformators 17 wird an dem Gewicht 15 aufgehängt und
bewegt sich deshalb mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der die Mitte des Stabes
13 durchgebogen wird.
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Zuerst wird der Kern 18 in senkrechter Richtung auf einer Nullstellung
zwischen den Wicklungen 16 zentriert, so daß vom Transformator kein Signal ausgesendet
wird. Solange der Kern mit einer Geschwindigkeit sinkt, die mit der Geschwindigkeit
der angetriebenen Wicklungen identisch ist, wird kein Signal ausgesendet. Sobald
sich jedoch der Stab mit einer anderen Geschwindigkeit auszubiegen beginnt als derjenigen,
die für die gewünschte Viskosität errechnet ist, gerät der Transformator 17 aus
dem Tritt, und ein Signal 40 wird als Fehlersignal zu der Aufzeichnungs-
und Regelvorrichtung 19 gesandt, bei der es sich um eine normale Vorrichtung handelt,
die jederzeit im Handel erhältlich ist. Die Vorrichtung 19 sendet ein Signal 41
aus, welches dem Signal 40 proportional ist. Das Signal 41 wird in einem Komperator
20 eingespeist.
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_ Damit sich der Kern 18 nicht aus dem Bereich der Wicklungen 16 bewegt
und damit das Fehlersignal 40 über die Skala der Vorrichtung 19 hinausläuft, ist
die Vorrichtung 19 mit Grenzschaltern versehen. Ist der Kern entweder nach oben
oder unten über ein vorbestimmtes Stück verschoben, dann schließt der Grenzschalter,
und das Signal 42 gelangt zu einer Programmiervorrichtung 22, welche aus einer Vielzahl
üblicher, von den Grenzschaltern betätigter-Relais aufgebaut ist. In der Programmiervorrichtung
22 wird ein Relais geschlossen, und mit Hilfe des Signals 44 wird der Kreis
zwischen der Aufzeichnungs- und Regelvorrichtung 19 und dem Null-Korrektionsmotor
23 geschlossen. Beim Schließen dieses Kreises gelangt das Signal 41 mit einer
dem Fehlersignal 40 proportionalen Spannung zum Null-Korrektionsmotor 23.
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Dieser Motor entkuppelt den geradlinig antreibenden Motor 25 und führt
selbst die Wicklungen 16 in eine Null-Stellung zurück, d. h. in eine Stellung, in
der vom Transformator 17 kein Fehlersignal ausgesendet wird.
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Da diese Rückstellung auf den Null-Wert zu einem Null betragenden
Fehlersignal 40 aus dem Transformator 17 führt, wird auch das in den Komparator
20 eingespeiste Signal 41 Null. Dieses den Fehler Null anzeigende
Signal gibt nunmehr keine Änderung der Viskosität des Stabes 13 mehr an, da es ja
als Ergebnis von von der Viskosität unabhängigen Faktoren auf den Wert Null zurückgekehrt
ist. Daher muß, damit das Signal, welches endgültig die Temperatur in der Kammer
12 reguliert, wegen dieser mechanischen Rückstellung auf Null unverändert ist, dem
Signal 41 ein weiteres Signal hinzugefügt werden, welches das Ausmaß der durch die
Rückstellung auf Null bewirkten Einstellung kompensiert. Der Komperator 20, bei
dem es sich um einen üblichen Verstärker-Gleichrichter handelt, hat die Aufgabe,
diese Addition vorzunehmen.
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Infolgedessen wird das Signal 46, bei dem es sich um das durch den
Komparator 20 zum Signal 41 addierte Signal handelt, wie folgt erzeugt: Nimmt die
Programmiervorrichtung 22 das Signal 42 auf, dann leitet sie nicht nur die Rückstellung
auf den Null-Wert ein, sondern sendet gleichzeitig auch das Signal 45 zu der Motorstufenregelung
21, bei der es sich um einen Stufenschalter handelt, welcher durch das Signal 45
erregt wird und in eine solche Stellung wandert, daß er ein neues Signal 46 aussendet,
welches durch eine Spannungsänderung gleicher Größe, jedoch umgekehrten Vorzeichens
wie die Einstellung im Signal 41 infolge der Rückstellung auf Null geändert wird.
Der Komparator 20 nimmt deshalb die gleiche Gesamteingangsspannung auf, wie diejenige,
die er vor der Rückstellung auf Null erhalten hat. Der Stufenschalter wird jedesmal
dann bewegt, wenn der Transformator 17 auf Null zurückgestellt ist, und zwar, indem
er zur oder von der Spannung des Signals 46 zum Ausgleich der entsprechenden Verluste
oder Zunahmen durch das infolge der Rückstellung auf Null erzeugte Signal 41 addiert
oder subtrahiert.
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Das Ergebnis der Addition der Signale 41 und 46 durch den Komparator
20 besteht darin, daß das Ausgangssignal 48 des Komparators immer den Fehler
wiedergibt, den der Transformator 17 messen würde, wenn die Rückstellung.
auf Null nicht notwendig gewesen wäre. Daher wird das Signal 48, welches zu dem
in seiner Geschwindigkeit veränderlichen Motor 27 gelangt, nur.durch Viskositätsänderungen
beeinflüßt und nicht durch von außen wirkende Einstellungen.
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Das Signal 48 vom Komparator 20 wird in den in seiner
Geschwindigkeit veränderbaren Motor 27 eingespeist, welcher wiederum die
Temperaturmeßstelle in der Temperaturaufzeichnungs- und -regelvorrichtung
30 antreibt, bei der es sich um ein bekanntes Temperaturregelgerät handelt,
welches mit Stromregelung und Magnetverstärkerer ausgerüstet ist und den Strom in
der Heizspule 11 verändert. Die Temperatur in der Kammer 12 wird durch das Thermoelement
35 festgestellt und von der Temperaturaufzeichnungs- und -regelvorrichtung 30 aufgezeichnet.
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Man erkennt aus der vorhergehenden Beschreibung, daß die beschriebene
Viskositätsregelung auf verschiedene Weise zur Herstellung von Glas-Kristall-Mischkörpern
geeignet ist.
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Sollen die Eigenschaften eines neuartigen Glas-Kristall-Mischkörpers
untersucht werden, dann wird eine Probe aus solchem Glas genommen und in dem in
F i g. 1 wiedergegebenen Ofen kristallisiert.
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Die Temperaturaufzeichnungs- und -regelvorrichtung 30 regelt
nicht nur die Temperatur in der Kammer 12, sondern zeichnet die Temperaturänderungen
gegen die Zeit auf. Diese Aufzeichnung dient zur Einstellung der Temperaturgradienten
in einem beim Anlassen üblicherweise verwendeten Kühlofen, in dem die Gegenstände
auf einem Förderer durch einen Tunnel wandern, der eine hinsichtlich der Temperatur
geregelte Atmosphäre umschließt. In diesem Fall wird der Kühlofen in Zonen unterschiedlicher
Temperaturen unterteilt, so daß die sich kontinuierlich bewegenden Glasgegenstände
bei ihrer Wanderung durch den Kühlofen Temperaturänderungen ausgesetzt werden, wodurch
man die Schwierigkeiten beim Versuch, rasche Temperaturänderungen in einem großen
Ofen zu erzielen, vermeidet.
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Will man Glasproben in verschiedenen Stufen des Kristallisationsvorganges
ohne Störung des Regelsystems nach F i g. 1 entnehmen, dann kann man
einen
zweiten Ofen vorsehen, wie es in F i g. 2 wiedergegeben ist. Heir ist der Ofen
10 identisch mit dem Ofen nach F i g. 1 und mit dem gleichen Viskositätsregelsystem
ausgerüstet. Der Ofen 70 enthält eine Anzahl von Proben einer Glaszusammensetzung,
deren Eigenschaften auf verschiedenen Stufen während der Kristallisation geprüft
werden sollen. Die Öfen sind mit Thermoelementen 81 und 82 versehen, deren positive
Elemente, wie in der Zeichnung wiedergegeben, gegeneinander geschaltet sind, während
die negativen Elemente an die entsprechenden Eingangsklemmen des Null-Mittelpunktreglers
75 angeschaltet sind. Ein Temperaturunterschied in den beiden Öfen liefert ein Potential,
welches durch den Regler 75 verstärkt wird und den Leistungseingang zur Regelung
der Temperatur des Versuchsprobeofens liefert, wie es durch das Signal 77 angedeutet
ist.
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Selbstverständlich kann man auch andere Kräfte als Biegemomente zur
Anzeige der Viskosität verwenden. So kann beispielsweise die Geschwindigkeit der
Längung eines unter Spannung stehenden Fadens oder die Geschwindigkeit der Torsten
in einer Probe; die einem konstanten Drehmoment ausgesetzt ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung geregelt werden. Außerdem kann man außer dem wiedergegebenen rechteckigen
Querschnitt der Probestäbe auch ändere Querschnitte verwenden.