DE4001480A1 - Automatische einstellvorrichtung fuer die oeffnung einer blende - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Einstellvorrichtung für die Öffnung einer Blende zur Abdichtung eines Rohres, mit einer Meßeinrichtung, mit einem Rechner als Regler zur Ableitung der Stellgröße zum Einstellen der Blende mittels Stellmotoren.

Bei der Durchführung chemischer Prozesse werden oft Verfahren benutzt, bei denen ein rohrförmiges Reaktionsgefäß verwendet wird. Schutzgas wird immer dann notwendig, wenn ein Widerstandsofen verwendet wird, dessen Heizelemente durch den Luftsauerstoff angegriffen werden. Um das relativ kostbare Schutz­ gas nicht unnötig in die Atmosphäre zu entlassen, sind Dichtungen vorge­ sehen, welche insbesondere beiderseits der heißen Zone, in welcher die Reaktion stattfindet, angebracht sind.

Bei den festen Blenden ergibt sich insbesondere der Nachteil, daß sie sich dem Rohrdurchmesser nicht beliebig gut anpassen. Dies ist besonders in den Fällen störend, bei denen ein längeres Rohr durch die Blende geführt wird und ein besonders kostbares Schutzgas verwendet wird. Durchmesserschwan­ kungen des Rohres und Änderungen in der zentrischen Lage können von Hand nur sehr schwer ausgeglichen werden.

Beispielsweise wird bei dem Abscheiden von Quarzglas nach dem Innenbe­ schichtungsverfahren ein Reaktionsgas durch das zu beschichtende Substrat­ rohr geleitet und durch die Erhitzung im Widerstandsofen umgesetzt. Als Reaktionsprodukt entsteht bei der chemischen Reaktion je nach Dotierung im Reaktionsgas auf dem Innenmantel des Substratrohres das Mantel- oder Kern­ material der späteren optischen Faser. Das Substratrohr wird durch den Widerstandsofen geführt, welcher in seiner Mitte eine Öffnung aufweist, welche durch eine Blende verschließbar sein muß. Bei diesem Beispiel werden Quarzrohre von etwa 20 mm Durchmesser benutzt, welche durch die im Ofen stattfindende Erwärmung sich verformen und daher mittels fester Blenden gegen den Ofen nicht abzudichten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vollkommenere Abdichtung des Zwischenraumes zwischen dem Reaktionsrohr und dem Heizofen zu gewährleisten, wodurch ein Eindringen der äußeren Atmosphäre zwischen Reaktionsrohr und Heizofen verhindert wird. Die Abdichtung soll automatisch vonstatten gehen und einen gewissen Regelbereich umfassen, der durch die vorgegebenen Durch­ messerschwankungen des Reaktionsrohres vorgegeben ist.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 eine Daraufsicht auf die Meßanordnung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regeleinheit,

Fig. 3 ein Querschnitt durch die Blende und das Reaktionsrohr,

Fig. 4 die Bildsignale,welche von der Videokamera geliefert werden und

Fig. 5 die Umsetzung in ein Frequenzraster.

Der in Fig. 1 dargestellte Grundaufbau der geregelten Blendennachführung zeigt die als Detektoren vorgesehenen Kameras 6 und 7, sowie die Stell­ motoren 9 und 10 für die Regelung der zentrischen Lage der Blende bezüglich des Rohres 1, sowie den Stellmotor 11 für die Regelung des Blendendurch­ messers. Die drei Stellmotoren 9, 10 und 11 haben die Aufgabe, den Luftspalt 12, 13, 14 und 15 zwischen Blende 8 und dem Rohr 1 konstant auf einen bestimmten Wert, beispielsweise 0,5 mm, zu halten. Die Lage der Blende muß nachgeregelt werden, da das Rohr exzentrisch sein kann. Die Stellmotoren bekommen die Ansteuerimpulse aus einem Steuerrechner bzw. einer Regelein­ heit. Diese wiederum erhält die Informationen über die Größe der Luftspalte 12 bis 15 aus den Kameras 6 und 7. Ein Steuerrechner mit Display gibt den Durchmesser des Rohres an.

Am Blendenrand befinden sich zur Vermessung des Luftspaltes vier Meßnippel 3, 5 und 4, 2. Diese erzeugen zusammen mit dem beleuchteten Rohr 1 in den Kameras 6 und 7 Videobilder, die in Fig. 4 dargestellt sind.

Prinzipiell kann die Auswertung des Videosignals in der Zeilenebene - die Zeilen stehen senkrecht auf der Rohrachse oder in der Bildebene (da sind die Zeilen parallel zur Rohrachse) - durchgeführt werden. Im letzteren Fall braucht der Rechner 16, welcher in Fig. 2 mit den peripheren Geräten darge­ stellt ist, nur die Informationen aus dem Videosignal auszuwerten; d. h. er detektiert, welche Zeilen dunkel und welche hell beleuchtet sind. Zur Unterscheidung zwischen hell und dunkel wird im Rechner 16 eine Schwell­ wertbildung durchgeführt. Dadurch wird es möglich, alle zur Ableitung der Stellmotor-Steuerimpulse notwendigen Informationen zu erhalten.

Eine Auswertung in der Zeilenebene erfordert zur Ausmessung der gewünschten Abstände 12, 13 und 14, 15 sowie 27 eine Überlagerung eines Frequenzrasters 28 mit dem Videosignal (siehe Fig. 5). Durch Auszählen der überlagerten Impulse erhält der Rechner Angaben über die Exzentrizität des Rohres in der Blende (durch Differenzauswertung 12 minus 13 bzw. 14 minus 15) und Angaben über die Breite des Luftspaltes (12, 13, 14 oder 15). Nach Ausregeln der Exzentrizität ist die Spaltbreite an allen Stellen 12, 13, 14, 15 gleich groß. Außerdem wird die gewünschte Größe der Luftspaltbreite eingeregelt.

Zur Auswertung in der Zeilenebene kann eine beliebige Zeile benutzt werden. Vorzugsweise wird ein in der Mitte des CCD-Targets geschriebene Zeile angewählt und ausgewertet. Eine CCD-Kamera ist eine Halbleiter-Kamera mit einem speziellen Halbleitersensor. CCD ist die Abkürzung von "charged coupled device" und deutet auf das Auswerteverfahren in der Kamera hin. Eine Halbleiterkamera dieser Art stellt den Stand der Technik dar, es können aber natürlich auch Röhren-Kameras eingesetzt werden.

Da die Meßnippel, welche als Referenzquellen 3, 5 und 4, 2 dienen, unter Umständen nicht so hell beleuchtet werden wie das Rohr, welches durch die Strahlung aus dem für den chemischen Prozeß vorgesehenen Ofen 19 beleuchtet wird, könnten sich die Videosignale der Referenzquellen u. U. nur wenig über das Grundrauschen des Videosignals herausheben. In diesem Falle wäre es erforderlich, den Bildinhalt mehrerer darauffolgender Zeilen auszuwerten. Dazu müßte der Bildinhalt jeder vorangehenden Zeile für genau eine Zeilen­ periodendauer abgespeichert und dieses Signal mit dem Bildinhalt der darauf folgenden Zeile überlagert werden. Um von den Referenzquellen möglichst große Helligkeitsunterschiede zu erhalten, sollten diese aus spiegelndem Material bestehen, das von dem glühenden Rohr oder separaten Lichtquellen angestrahlt wird. Dabei können runde Ausführungen oder um einen bestimmten Winkel zur Bildebene versetzte, spiegelnde Plättchen zur Anwendung kommen. Zur Verarbeitung des großen Helligkeitsbereiches muß von der Kameraseite her eine vom Videosignal gesteuerte Blendenautomatik eingesetzt werden.

Anstelle einer CCD-Kamera können auch Zeilenkameras benutzt werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann an den Rechner 16 auch ein übergeordneter Rechner über die Schnittstelle 18 angeschlossen werden. Der übergeordnete Rechner hat beispielsweise die Aufgabe, die Luftspaltbreite vorzugeben. Derartige Informationen bekommt er aus der Aufgabe, den Gesamtprozeß zu optimieren. Er steuert die Reaktionsgasströme und die Reaktionstemperatur sowie Durch­ laufgeschwindigkeiten und ähnliche Prozeßparameter. Die Referenzquellen 3 und 5 (siehe Fig. 3) sind am Rand der Blende 8 befestigt und werden vor­ zugsweise von einer Fremdlichtquelle beleuchtet. Selbstverständlich können hier beispielsweise LEDs (lichtemittierende Dioden) eingesetzt werden.

In Fig. 4 stellt 20 das Bildsynchronsignal dar. Mit 21 sind die Zeilen­ synchronsignale angedeutet. Das Bildsignal 22 zeigt die über dem Schwarz­ pegel und insbesondere über den Schwellwert 26 hinausragenden Pegel der Referenzquellen 23, 24 sowie des Rohres 25. Der Pegel für Weiß 28 ist durch die oberste, gestrichelte Linie angedeutet. Aus diesem Bildsignal können die Informationen über den Durchmesser des Quarzrohres 27 sowie über die Ab­ stände 12 und 13 (entsprechend 14 und 15) abgeleitet werden. In Fig. 5 ist angedeutet, in welcher Weise das Frequenzraster 28 die Informationen über die Exzentrizität und die Größe der Luftspalte 29 liefert. Die Elektronik liefert aus dem obersten Bild durch Schwellwertbildung zunächst ein ideali­ siertes, aus drei Rechtecken bestehendes Signal. Aus dem mittleren Rechteck bekommt man durch Auszählen der Impulse des Frequenzrasters die Information über den Durchmesser 27 des Rohres.

Claims (11)

1. Automatische Einstellvorrichtung für die Öffnung einer Blende zur Abdichtung eines Rohres, mit einer Meßeinrichtung, mit einem Rechner als Regler zur Ableitung der Stellgröße zum Einstellen der Blende mittels Stellmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stellmotoren (9, 10) für die Lage der Blende (8) und ein Stell­ motor (11) für den Blendendurchmesser vorgesehen sind, daß zwei Videokameras (6, 7) vorgesehen sind, deren optische Achsen sich unter einem rechten Winkel schneiden, daß zur Vermessung der Spalten (12, 13 und 14, 15) zwischen Rohr (1) und Blende (8) jeder Kamera Referenzquellen (2, 4 und 3, 5) am Blendenrand zugeordnet sind, deren Verbindungslinie senkrecht auf der optischen Achse der zugeordneten Kamera (6, 7) steht, und daß eine Strahlenquelle (19) zur Beleuchtung der Anordnung vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) transparent und von einer ringförmigen Lichtquelle beleuchtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) die Strahlung reflektiert und die Strahlenquelle (19) außerhalb des Rohres (1) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Messung der Abstände (12, 13 und 14, 15) und des Durchmessers (27) das von den Kameras (6, 7) erzeugte Videosignal so aufbereitet wird, daß Impulse erzeugt werden, deren Breite ein Maß für die Abstände 12, 13, 14, 15 und 27 sind und diese mit einem Frequenzraster (28) überlagert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstände (12, 13 und 14, 15) gleichgroß ein­ stellbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kameras (6, 7) Zeilenkameras mit Halbleiter­ sensoren sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kameras (6, 7) CCD-Kameras sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stellmotoren (9, 10) Schrittmotoren sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Regler ein Steuerrechner (16) verwendet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein übergeordneter Rechner über eine Schnittstelle (18) anschließbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Kameraebene zusätzlich Strahlenquellen vor­ gesehen sind.