JP2018070439A - ストランドの温度決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ストランドの温度を決定する方法の提供。
【解決手段】ストランド１０が、その長手方向軸の方向に、既知の温度の背景ラジエータ１６に沿って搬送される工程と、搬送中に、ストランド１０が、空間分解熱結像センサ１２を使用して背景ラジエータ１６の前方で迎えられる工程と、熱結像センサ１２の背景ラジエータ１６の前方に位置するストランド部を常に完全に検出する測定値領域にわたって、積分が形成される工程と、ストランド１０の温度が、形成した積分を基準値と比較することによって推定される工程と、を含む方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ストランド、例えばガラス繊維またはワイヤの温度を決定するための方法に関する。

例えば、ガラス繊維は、３０メートルより相当高くなり得る線引き塔で生産される。この場合、ガラス繊維は、直径約１００〜２５０ｍｍのプレフォームから引き出され、これはおよそ３，０００ｍ／分の速度で溶融温度まで加熱される。例えばそれが現在のデータ伝送経路に用いられる場合、ガラス繊維自体は通常、およそ１２５μｍの直径を有し、それはナノメートル範囲の精度で製造されなければならない。

この場合、線引き塔の高温領域におけるガラス繊維の線引き温度は、極めて重要である。可能な場合、線引き速度が可変であれば、不合格品を最小限にするために、ガラス繊維の正確な直径が始動プロセスにおいて既に達成されるように、プレフォームの温度は調整されなければならない。ガラス繊維は、線引き塔の下部領域で冷却区域を通り抜け、この区域では、例えば７０℃の常に低い温度までできる限り冷却される。このような冷却区域は、極めて高価なヘリウムを使用して操作されることが多く、その結果、線引き塔プラントの運転経費を不必要に増加させないように、不必要な冷却を防止しなければならない。このため、ガラス繊維の温度についての正確な認識も同様に重要である。加えて、冷却区域の終端で、ガラス繊維には通常、被覆が設けられる。この被覆の必要条件は、ここまでの精密公差被覆の厚みおよび同心度の変動を最小限にするためにガラス繊維の定温である。同様に、ガラス繊維の温度が被覆の最適温度特性に合致しない場合、液垂れ効果により線引き塔で塊および括れも生じ得る。

国際公開第２０１４／０９０９９４号公報

ガラス繊維またはワイヤなどの、このような移動しているストランドの温度を熱結像カメラによって決定する試みが行われているが、その試みは無駄になっている。この場合、測定されるストランドは、熱結像カメラに焦点を合わせたレンズ系を用いて撮像される。次に、熱結像カメラによって検出される測定値の最大値から、温度が決定される。しかし、この手順は、実際に信頼性が高いと判明したわけではない。鍵となる課題は、熱結像カメラの画素の時定数に関連して測定されるストランドの急速な移動である。例えば、長手方向軸に沿って搬送されるガラス繊維の高周波振動が、ガラス繊維を生産するための線引き塔で必然的に生じる。例えば、直径約１２５μｍのガラス繊維は、線引き塔の測定面に対して横方向および長手方向の両方に１ミリメートル容易に揺れ得る。標準的な熱結像センサの典型的な熱時定数は、１０ミリ秒の範囲である。生産時の他の移動、または撮像する熱結像カメラに対する非直交配向により、測定誤差が生じる。製造中に、ストランドはまた、例えば、場合により正確に垂直に起立していないプレフォームにより生じる、中心から離れたその繊維のゆっくりとした方向性のない移動などにより、焦点がずれやすくなり得る。ガラス繊維製造業者によっては、これは、場合により特定され得るが、ある程度以降からしか修正しない場合がある。

測定されるストランドに伴う例示した難しさが特に問題であり、その中で温度信号は背景の温度信号よりも少し目立っているだけである。これは、例えば石英ガラスで作られるガラス繊維にも当てはまり、これは約７〜１４μｍの赤外線波長域で熱放射を放ち、これは、ほとんど黒体（放射率ｅ＝０．９５）のような熱結像カメラに関して通常興味深いものである。測定されるストランド、例えば金属ワイヤまたはガラス繊維が、熱結像カメラの撮像系およびレンズ系の光学的分解能より小さい寸法であるという事実に更なる課題がある。

すべてのこれらの課題は、現在のところ、熱結像センサを用いては、説明した種類のストランドの十分に正確かつ信頼性の高い非接触温度測定が可能ではないということを意味する。

説明した従来技術を発端として、それゆえに、本発明は、上述した種類の方法を提供する目的に基づいており、これを用いて、ストランド、例えばワイヤおよびガラス繊維の温度を正確かつ確実に測定することができる。

本発明は、請求項１の主題によって目的を解決するものである。有利な実施形態は、従属請求項、説明および図面で見出すことができる。

本発明は、ストランドの温度を決定するための方法によって目的を解決するものであり、本方法は、
−ストランドが、その長手方向軸の方向に、既知の温度の背景ラジエータに沿って搬送される工程と、
−搬送中に、ストランドが、背景ラジエータの前方で空間分解熱結像センサを使用して受けられる工程と、
−背景ラジエータの前方に位置するストランド部を常に完全に検出する熱結像センサの測定値領域にわたって積分を形成する工程と、
−ストランドの温度が、形成した積分を基準値と比較することによって推定される工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ストランドは、その長手方向軸の方向に、背景ラジエータに沿って搬送され、その間、ストランドは空間分解熱結像センサ、特にラインセンサまたは表面センサ（熱結像カメラ）によって迎えられる。いかなる場合であっても、熱結像センサによって形成された測定領域は、適用可能な場合にそのレンズ系を使用して、測定時の背景ラジエータの前方に位置するストランド部の幅、およびさらに、その後方に位置する背景ラジエータの少なくとも一部分を、常に完全に検出し、すなわち、特に作動中に生じるストランドの移動またはそれぞれの偏位位置を考慮しても常に完全に検出する。本発明による教示は、熱結像センサの測定値の最大値の代わりに、形成される評価された測定値領域におけるすべての測定値にわたる積分、すなわち、測定値領域の放射画素などの面積であるという事実に基づいている。この場合、この積分は、それぞれの測定時間での背景ラジエータの前方に位置するストランド部、ならびに、背景ラジエータが測定値領域に位置するならば、背景ラジエータの両方を含む。ストランドの温度は、この積分を基準値と比較すること、特にその積分をその基準値と区別することによって推定することができる。本明細書では、本発明は、例えばストランドの焦点ずれまたは移動を考慮すると、本発明によって評価される積分がストランドの温度に関するすべての情報を常に実質的に再現するという認識に基づいている。したがって、熱結像センサ上のストランドの再現がモデルの近似表現として正規分布に基づく場合、ストランドの異なる合焦位置に対するこの正規分布を考慮すると、正規分布の幅および高さが両方とも互いに応じて変化するため、結果として常に積分に対する一定値となる。これは、測定値領域の全体にわたる積分がストランドの温度および寸法とほぼ比例していて、ストランドの位置から生じる合焦にわずかしか依存しないことを意味する。合焦に相当依存するこの正規分布の最大値の評価とは対照的に、本発明による方法は、焦点ずれまたは可変的な合焦を考慮しても、確実に正しい温度値を提供する。

背景ラジエータの背景温度が既知であるため、ストランドの寸法および放射率の認識、例えば測定値領域にわたる積分、ならびに一方では測定値領域に位置するストランドと他方では測定値領域に位置するストランドのない状態との比較を考慮すると、熱結像センサおよびそのレンズ系がストランドに最適に焦点を合わしていないか、または熱結像センサの合焦レベルに対してストランドの位置が変化する場合であってもそれぞれ、ストランドの絶対温度を決定することが可能である。この場合、好適な較正プロセスの間、ストランドのない熱結像センサの測定値領域にわたる積分として背景ラジエータの背景温度を決定することが可能であり、背景ラジエータの対応する温度を示す温度センサを使用して、これまで受信したスカラを参照する。

したがって、振動ストランドが測定値領域のかなり大きな部分にわたってその熱放射しか分布せず、それゆえに、ストランドが静止位置にあるかまたは移動により焦点がずれているかどうかに関係なく、測定値領域にわたる積分が温度値を生成することを本発明者らは理解した。さらに、本発明による方法を用いて、較正プロセス後、直径が既知である非常に細いストランドの温度を測定することも可能である。ストランドと背景ラジエータとの間のごくわずかの温度差であっても、本発明によって正確に決定することができる。

本発明による方法が熱結像センサ、および適用可能な場合、そのレンズ系に対してストランドの合焦または焦点ずれにそれぞれ無関係であるという事実に基づくと、例えば熱結像センサの最大値が超えないようにし、それにより測定値が減少しないようにするために、焦点ずれを意図的に引き起こすことさえできる。測定されるストランドに関して熱結像センサの傾いた位置または表面センサのレベルであってもそれぞれ、問題ではない。

例えば、ストランド、例としてワイヤまたはガラス繊維が中心位置周辺で振動する場合、説明したように、本発明によって評価される積分に平均的に一定値が生成され、これはほとんど合焦とは無関係である。熱結像センサの方向に、または熱結像センサから離れて移動するストランドに関して、測定された温度は実際には、まだある程度その位置に依存しており、これは結果的に、合焦位置の変化だけでなく熱結像センサに達する全体の熱量の変化となるためでもある。しかし、この依存は、補償手段によって、特に互いに対して熱結像センサの基準面の決定された温度にすることによって最小限にすることができる。加えて、この点において、本発明によれば、ストランドと熱結像センサとの間の距離が変化する場合であっても、本発明による方法は驚くべきことに、確実に正確な値を提供することを示した。これは、熱結像センサに達する対象物によって発せられる全体の熱量が常に二次曲線的に距離に依存するので驚きである。本発明による測定値領域にわたる積分により、信頼性の高い測定結果の達成が依然として可能になる。

原則として既に説明したように、これは特に、背景ラジエータの前方に位置するストランドのない測定値領域にわたる積分であり、これは基準値として選択することができる。対応する較正に基づいて、本発明によって形成される積分をこの基準値と比較することによって、ストランドの温度に対する絶対値が決定され得る。

背景ラジエータは、黒体ラジエータに似通ったものであってもよい。この点において、これが実現可能であり、合理的な努力で達成可能であるので、できる限り黒体ラジエータに近いラジエータが用いられる。背景ラジエータの温度は、温度測定装置によって測定することができる。さらに、背景ラジエータは、加熱装置によって所定の温度まで加熱することができる。背景ラジエータおよびその既知の温度を用いて、熱結像センサは、この温度値まで調整することができる。

更なる実施形態によれば、ストランドの温度は、ストランドの想定直径または測定直径を考慮に入れて、形成された積分を基準値と比較することによって、推定することができる。概円筒状ストランドの断面または直径はそれぞれ、直径に依存しない温度結果を受信するために既知でなければならない。利用分野に応じて、必要であるのは、所定の直径値を想定し、それに基づいて温度決定をすることだけである。しかし、直径値は、好適な測定装置によって、次いでこの測定された直径値に基づいて温度決定をするために別々に決定することもできる。

さらに、ストランドの温度は、ストランドの想定放射率または測定放射率を考慮に入れながら、形成された積分を基準値と比較することによって推定することができる。ストランドの放射率は、熱結像センサの画像から絶対温度値を推定することが可能であるためには、既知でなければならない。それぞれの利用分野の放射率の恒常性に応じて、必要であるのはこの場合も同様に、放射率を想定し、それに基づいて測定をすることだけである。しかし、これが相当な変動を受けることになる場合に特に、放射率を決定することもまた必要であってもよい。

ストランドが背景ラジエータによってほとんどまたは完全に囲まれる、更なる実施形態を提供する。具体的には、背景ラジエータは、入口開口部および出口開口部を有する空洞ラジエータであってもよく、ストランドは、入口開口部および出口開口部を通じて空洞ラジエータを通って搬送され、空洞ラジエータは、少なくとも１つの測定開口部を含み、そこを通って空間分解熱結像センサが背景ラジエータの内壁の前方でストランドを検出する。熱放射は、以下の式に従って３つのパラメータによって決定されることが知られている。
ｅ＋ｒ＋ｔ＝１

ここでは、「ｅ」は放射率、「ｒ」は反射率、「ｔ」は透過率と定める。例えば、金属ワイヤでは、例として赤外線測定範囲の透過率が実質的にゼロであると想定することができる。次に、上記の式は、以下の通りに簡略化することができる。
ｅ＋ｒ＝１

理想的な黒体ラジエータでは、反射率はゼロであり、すなわち、ｅ＝１が適用される。それに対して、実際の対象物、例えば金属ワイヤでは、反射率ｒは通常、放射率ｅよりもかなり高い。さらに、表面の構造または温度などの要素に応じて、放射率は変化する。したがって、測定される移動しているストランドの放射率は、特に金属ワイヤでは実際には知られていないことが多い。

それゆえに、上述の実施形態によれば、測定されるストランドにあらゆる面で外部から放射することによって、式ｅ＋ｒ＝１において放射率ｅ＜１による、１欠けた放射の部分は、空洞ラジエータの外部放射によって補正することができる。具体的には、空洞ラジエータによって測定されるストランドへ導かれる熱放射は、その反射率ｒに従って対象物によって反射され、その結果、熱放射の欠けた部分は外部から放射されることによって１まで、言うなれば「充填」される。それに基づいて、非接触温度センサは、放射率が分かっていない場合であっても、再現可能な温度測定値において較正することができる。未知の放射率を考慮した温度の非接触決定のためのこのような方法は、例えば、国際公開第２０１４／０９０９９４号公報により既知であり、これは本出願人に由来する。

熱結像センサの全測定領域は常に、測定値領域として選択することができる。しかし、当然のことながら、全測定領域、すなわち、具体的にはその領域を含む熱結像センサのすべての画素を使用する代わりに、単に熱結像センサの全測定領域の一部が測定値領域（関心領域ＲＯＩ）として使用され得ることもまた考えられる。この点において、この効果は、例えばラインセンサまたは表面センサを用いて、不可避の製造上の公差により、個々の画素が異なる温度値へのそれらの反応およびそれらの依存に関して、最初に未知の形で異なり得るということである。これは、個々の画素の異なるゼロ点および温度への依存の異なる増加の両方の懸念となり得る。単に熱結像センサの全測定領域の一部が測定値領域として選択される場合、計算するときに上述の異なる温度依存を取り除くために標準化が必要である。一方では、熱結像センサの全測定領域が測定値領域として使用される場合、このような標準化は必要ではない。
特に実際の形では、熱結像センサとして赤外線熱結像カメラ（いわゆるボロメータ）を使用することができる。

前に説明したように、ストランドは、特にガラス繊維または金属ワイヤであり得る。金属ワイヤは、例えば金属導体として機能することができる。ストランドがこのような金属ワイヤである場合、これは、例えば、本発明による温度決定後に押出システムでプラスチック絶縁を設けることができる。ガラス繊維に関して、温度を決定するときの要件および課題は最初に説明した。本発明に従って解決される本明細書で生じる特定の課題は、石英ガラスで作られる典型的なガラス繊維の約０．９５の放射率である。最初にも説明したように、確実で正確な温度値は依然として、本発明による方法を使用して決定することができる。

最初にも説明したように、具体的には、より小さい寸法を有するストランドは、本発明による方法を用いて確実に測定することができる。したがって、例えば、円筒状ストランドは、直径５００μｍ未満、好ましくは２５０μｍ未満、さらに好ましくは１５０μｍ未満であり得る。例えば、ガラス繊維は典型的に、直径約１２５μｍである。許容厚み偏差は、一般に１０μｍ未満であり、特に非被覆ガラス繊維は、１μｍ未満の許容厚み偏差を有することができる。非常に細いストランドは、それらの直径が熱結像センサ、および適用可能な場合そのレンズ系の分解能未満である場合であっても、本発明に従って確実に測定することができる。

更なる実施形態によれば、ストランドは、背景ラジエータに沿った搬送前または搬送後、かつ本発明による温度決定に従って、冷却装置、好ましくはヘリウム冷却装置において冷却することができる。
さらに、ストランドは、本発明による温度決定に従って、背景ラジエータに沿った搬送後、特に冷却装置による誘導後、被覆装置において被覆を設けることができる。
具体的には、本発明による方法は、ガラス繊維の線引き塔において実施することができる。
以下の図において本発明の例示的な実施形態をさらに詳細に説明する。図面を模式的に示す。

本発明による方法を実施するためのデバイスの上面図である。 図１のデバイスの側面図である。 ２つの理論上の測定結果のグラフである。 図３による測定結果から形成された２つの積分のグラフである。 本発明による温度決定の２つの実際の測定結果のグラフである。 本発明による方法と従来技術による方法との比較のグラフである。

特に記載しない限り、図面では、同一参照番号は同一対象物を示す。
図１および２は、本発明による方法を実施するための測定構成を示す。この測定構成によって導かれる円筒状ストランド、例えば金属ワイヤまたはガラス繊維は、参照番号１０に隣接する部分に示される。レンズ系１４、ここではレンズ１４を備えた熱結像センサ１２が、背景ラジエータ１６、ここでは実質的に黒体ラジエータの前方でストランド１０を検出する。背景ラジエータ１６の温度は、温度センサ１８によって決定される。

背景ラジエータ１６に沿った搬送中に、ストランド１０は、
熱結像センサ１２、例えば赤外線ラインセンサまたは表面センサ１２によって、背景ラジエータ１６の前方で受けられる。より詳細に図示されていない評価装置が、熱結像センサ１２の測定領域の全体にわたる積分を、例えば測定値領域として決定し、この積分と基準値との差を形成する。本実施例では、測定値領域にわたる積分は、測定構成によって導かれるストランド１０がない状態で基準値として選択することができる。ストランド１０の直径および放射率が既知であれば、それに基づいて、かつ温度センサ１８を使用して測定した背景ラジエータ１６の温度を考慮に入れて、ストランド１０の温度は、本発明に従った形で確実かつ正確に決定することができる。

これは、図３〜図６のグラフによってさらにより詳細に説明されるものである。同じストランドおよび同じ温度を考慮すると、図３は、一方では静止ストランド１０に対する参照番号２０に隣接し、かつ振動ストランド１０に対する参照番号２２に隣接した、図１および図２のｘ方向に沿った測定信号の理論上の進展を示す。熱結像センサによって測定される温度は、全域に適用される。図３に適用される両曲線の最大値が相当異なるが、ストランドはどちらの場合も同じ温度を有すると理解することができる。これは、温度決定に対する最大値の評価が相当な測定誤差を伴うことを意味する。

図４は、図３による曲線２０にわたる積分を参照番号２４に隣接して示し、図３による曲線２２にわたる積分を参照番号２６に隣接して示す。この積分は、曲線２４、２６の下の各表面積という結果となる。曲線２４、２６の下の表面内容が実質的に同一であるという事実は図４において明白であり、したがって、積分に基づいて温度を決定することは、ストランド１０の振動または移動によるぼやけにそれぞれ無関係である。

実際の測定値が説明のために図５に適用される。良好な合焦に対する測定値および静止ストランドの進展は、参照番号２０’に隣接して示される。同じ温度および同じストランド１０を考慮すると、不十分な合焦に対する測定値またはストランド１０の振動の進展がそれぞれ、参照番号２２’に隣接して示される。

参照番号２８に隣接して、図６のグラフは、同じストランドおよび同じストランド温度に対する測定曲線の最大値の評価を有する従来技術の方法に従って結果として生じる温度値を示すが、図１では、ストランド１０の位置は、ｚ方向に、すなわち、熱結像センサ１２に向かう方向に、または熱結像センサ１２から離れて変化する。熱結像センサ１２およびそのレンズ１４の焦点に対してストランド１０の変化する位置は、決定された温度値から相当な偏差を生じると理解することができる。換言すれば、図５に示した測定曲線の最大値の評価中に決定される温度値は、熱結像センサ１２およびそのレンズ１４の合焦レベルに対するストランド１０の位置にかなり依存する。

本発明による方法に対する温度測定値の同じ進展は、参照番号３０に隣接して示される。この場合、熱結像センサ１２およびそのレンズ１４の合焦レベルに対するｚ方向でのストランド１０の位置は、本発明による温度決定の結果にあまり影響を及ぼさないことが明白である。

Claims (16)

1. ストランド（１０）の温度を決定する方法であって、
   −前記ストランド（１０）が、その長手方向軸の方向に、既知の温度の背景ラジエータ（１６）に沿って搬送される工程と、
   −前記搬送中に、前記ストランド（１０）が、前記背景ラジエータ（１６）の前方で空間分解熱結像センサ（１２）を使用して迎えられる工程と、
   −前記熱結像センサ（１２）の前記背景ラジエータ（１６）の前方に位置するストランド部の全部を常に検出する測定値領域にわたって、積分が形成される工程と、
   −前記ストランド（１０）の温度が、前記形成された積分を基準値と比較することによって推定される工程と、を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記基準値は、前記背景ラジエータ（１６）の前方に位置するストランド（１０）のない前記測定値領域にわたる積分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記背景ラジエータ（１６）は、黒体ラジエータに似通っていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記背景ラジエータ（１６）の温度は、温度測定装置によって測定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記背景ラジエータ（１６）は、加熱装置によって所定の温度まで加熱されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ストランド（１０）の前記温度は、前記ストランド（１０）の想定直径または測定直径を考慮に入れて、前記形成された積分を前記基準値と比較することによって推定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ストランド（１０）の前記温度は、前記ストランド（１０）の想定放射率または測定放射率を考慮に入れて、前記形成された積分を前記基準値と比較することによって推定されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ストランド（１０）は、前記背景ラジエータ（１６）によってほとんどまたは完全に囲まれることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記背景ラジエータ（１６）は、入口開口部および出口開口部を有する空洞ラジエータであり、前記ストランド（１０）が、前記入口開口部および前記出口開口部を通じて前記空洞ラジエータを通って搬送され、前記空洞ラジエータが、少なくとも１つの測定開口部を含み、前記空間分解熱結像センサ（１２）が前記測定開口部を通って、前記背景ラジエータ（１６）の内壁の前方で前記ストランド（１０）を検出することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記熱結像センサ（１２）の全測定領域が測定値領域として選択されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記熱結像センサ（１２）は、赤外線熱結像カメラであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ストランド（１０）は、ガラス繊維または金属ワイヤであることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ストランド（１０）は、５００μｍ未満、好ましくは２５０μｍ未満、さらに好ましくは１５０μｍ未満の直径を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記背景ラジエータ（１６）に沿った搬送前または搬送後、前記ストランド（１０）は、冷却装置、好ましくはヘリウム冷却装置において冷却されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記背景ラジエータ（１６）に沿った搬送後、前記ストランド（１０）は、被覆装置において被覆を設けることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記方法は、ガラス繊維線引き塔において実施されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
    

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