TW202014658A - 用於決定熔融爐中電極長度的裝置及方法 - Google Patents

Abstract

用於監測熔融爐操作的方法和裝置包括容器和電極。電極的前向面通向容器的熔融室。電磁輻射輸入信號被傳送到設置在電極內的光纖，並且接收返回信號（例如，背向散射光）。基於返回信號生成指示電極的實際長度的長度資訊。基於返回信號產生指示熔融室內材料溫度的溫度資訊。可以產生電極或電極組的磨損輪廓。在一些實施例中，光纖的至少一部分具有基於藍寶石的芯。

Description

用於決定熔融爐中電極長度的裝置及方法

本申請根據專利法要求2018年8月21日提交的美國臨時申請序列號62/720416的優先權，其內容依賴於此並透過引用整體併入本文。

本發明一般涉及用於熔融批量材料的系統和方法。更具體地，本發明涉及用於決定用於熔融批量材料的系統的一個或多個操作參數的裝置和方法，例如，用於熔融玻璃批量材料的系統中使用的一部分電極。

熔融爐可用於熔融各種批量材料，例如玻璃和金屬批量材料(僅舉幾例)。批量材料可以放置在具有兩個或更多電極的容器中，並透過在電極上施加電壓來熔融以驅動電流透過批量材料，從而加熱和熔融批量材料。熔融爐的壽命週期取決於電極的磨損。作為參考，電極的「熱面」（或「前向面」）是與熔融爐內的批量材料最接近或接觸的電極端面。「冷面」（或「後向面」）與熱面相對，並且是離熔融批量材料最遠的電極端面。電極的長度是熱面和冷面之間的距離。在熔融處理中，電極的熱面可逐漸磨損，由於與熔融的批量材料接觸，從而降低了電極的長度。在某些時候，電極可能變得太短並且可能損害爐子的安全和/或有效操作。

對於一些熔融爐配置，電極週期性地前進到容器中以將磨損的熱面重新定位在相對於容器壁、批量材料的體積、其他電極等的所需位置。只要保留足夠長度的電極，就可以進行該電極的前進。對於其他熔融爐配置，電極在爐子的整個壽命（或「活動」）期間保持靜止。無論如何，如果電極磨損超過預定的操作點，則批量材料可能與爐組件接觸，而爐組件又可能污染批量材料。例如，在玻璃熔體的情況下，這種接觸可能會將不需要的污染物和/或顏色引入玻璃熔體或最終玻璃產品中。而且，電極和/或容器壁中的任何孔可以提供批量材料洩漏的通道，這可能損害爐的操作安全性。此外，所需的爐操作可以至少部分地基於批量材料體積內和/或相對於其他電極的熱面的相對一致的空間位置。

鑑於上述情況，準確地預測電極的長度（以及熔融爐的其他壽命終止參數）可以顯著節省成本（透過避免爐子的過早關閉），同時還保持操作安全性。對於其中電極週期性地前進的熔融爐配置，何時前進電極的決定可以基於估計的電極的實際長度或估計的磨損率。如果沒有準確估計實際長度或磨損率，則電極可能比所必要的(速度)更快前進或者比所必要的(速度)更晚前進；在任何一種情況下，都可能出現效率低下和其他問題。然而，在熔融操作期間，可能無法直接觀察或測量容器內的電極長度。另外，在操作期間，若干變量可影響電極磨損率，例如批量材料組成和/或操作溫度，這可能使電極磨損的預測複雜化或不太可能進行正確的預測。

因此，本文公開了用於監測熔融爐的操作和估計熔融爐中的電極長度的裝置和方法。

本發明的一些實施例涉及一種監測熔融爐操作的方法。熔融爐包括容器和電極。電極具有在前向面和後向面之間的長度，並且前向面通向容器的熔融室。該方法包括將電磁輻射輸入信號（例如，光）傳遞到設置在電極內的光纖。接收回應於輸入信號的來自光纖的返回信號。基於返回信號生成指示電極的實際長度的長度資訊。基於返回信號產生指示熔融室內的材料（例如，熔融玻璃前驅物批量材料）的溫度的溫度資訊。在一些實施例中，返回信號是背向散射光。在一些實施例中，該方法還包括基於來自兩個或更多個光纖的返回信號產生電極或電極組的磨損輪廓。在一些實施例中，該方法還包括基於電極的磨損輪廓歷史生成推動資訊。

本發明的其他實施例涉及用於熔融批量材料的系統。該系統包括容器、電極、光纖、輸入源、光學收集器和分析器。該容器包括熔融室。電極包括在前向面和後向面之間的長度。電極相對於容器佈置，使得前向面向熔融室開放。輸入源光學耦合到光纖並且被配置成將電磁輻射輸入信號傳遞到光纖。光學收集器則光學耦合到光纖並且被配置為從光纖接收返回信號以回應於輸入信號。對分析器進行編程以基於返回信號生成指示電極的實際長度的長度資訊。分析器還被編程為基於返回信號產生指示熔融室內材料溫度的溫度資訊。在一些實施例中，分析器可以被編程為生成表示沿光纖長度的熱分佈的資訊。在一些實施例中，光纖的至少一部分包括具不低於攝氏1100度的熔點的芯材料。在一些實施例中，光纖的至少一部分包括單晶藍寶石芯。在相關實施例中，光纖的第一部分包括單晶藍寶石芯且光纖的第二部分包括非藍寶石芯，例如二氧化矽芯。在一些實施例中，電極被提供為包括多個電極的電極組的一部分，並且多個光纖被設置在電極組內，用於產生指示電極組的磨損輪廓的資訊。

附加的特徵和優點將在隨後的詳細描述中闡述，並且部分地對於本領域技術人員來說將從該描述中顯而易見，或者透過實踐本文描述的實施方式，包括下面的詳細描述、申請專利範圍，以及附圖。

應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都描述了各種實施方式，並且旨在提供用於理解所要求保護的主題的性質和特性的概述或框架。包括附圖以提供對各種實施例的進一步理解，並且附圖被併入並構成本說明書的一部分。附圖示出了本文描述的各種實施例，並且與說明書一起用於解釋所要求保護的主題的原理和操作。

現在將詳細參考用於熔融批量材料的系統和方法的各種實施方案，並且特別是用於監測熔融爐操作的裝置和方法的各種實施方案，例如估計熔融爐的容器中的電極的實際長度。只要有可能，在整個附圖中使用相同的元件符號表示相同或相似的部分。然而，本發明可以以許多不同的形式體現，並且不應該被解釋為限於這裡闡述的實施例。

將參考圖1討論本發明的實施例，其描繪了用於熔融批量材料32的示例性熔融爐系統30。熔融爐30可包括容器34、至少一個電極36，和監測裝置38。下面提供了各種組件的詳細資訊。一般而言，容器34可呈現各種形式，並且通常包括或限定側壁40和底板或底部42，其組合起來以限定腔室44。批量材料32可以透過入口46而引入腔室44中。然後可以透過任何合適的方法或它們的組合在容器34中加熱和熔融批量材料32，例如，透過與側壁40和/或底板42接觸的常規熔融技術，其可以利用在容器34中和/或透過與電極36接觸來透過燃燒器加熱（未示出）。熔融的批量材料32可以透過出口48流出容器腔室44以進行進一步處理。監測裝置38用於在熔融爐30的操作期間估計或決定至少一個電極36的實際長度。

術語「批量材料」及其變體在本文中用於表示前驅物組分的混合物，其在熔融時反應和/或結合以形成最終所需的材料組合物。批量材料可以例如包括玻璃前驅物材料或金屬合金前驅物材料，在此僅舉幾個例子而言。可以透過用於組合前驅物材料的任何已知方法製備和/或混合批量材料。例如，在某些非限制性實施方案中，批量材料可包括乾燥或基本上乾燥的前驅物顆粒混合物而（例如）沒有任何溶劑或液體。在其他實施方案中，批量材料可以是漿料的形式，例如，在液體或溶劑存在下的前驅物顆粒的混合物。

根據各種實施方案，批量材料可包括玻璃前驅物材料，例如二氧化矽、氧化鋁和各種另外的氧化物，例如硼、鎂、鈣、鈉、鍶、錫或氧化鈦。例如，玻璃批量材料可以是二氧化矽和/或氧化鋁與一種或多種另外的氧化物的混合物。在各種實施方案中，玻璃配料材料包括約45至約95重量％（wt％）的氧化鋁和/或二氧化矽，以及約5至約55wt％的至少一種硼、鎂、鈣、鈉、鍶、錫和/或鈦的氧化物。

批量材料32可根據任何合適的方法熔融，例如常規玻璃和/或金屬熔融技術。例如，批量材料32可以加入到腔室44中並加熱至範圍從約攝氏1100度的溫度下（℃）至約1700℃，例如從約1200℃至約1650℃、約1250℃至約1600℃、約1300℃至約1550℃、約1350℃至約1500℃、或從約1400℃至約1450℃，包括所有範圍和其間的子範圍。在某些實施方案中，批量材料可以在容器32中具有幾分鐘至幾小時至幾天或更長的停留時間，這取決於各種變量，例如操作溫度和批量，以及批量材料32的成分的顆粒尺寸。例如，停留時間可以為約30分鐘至約3天、從約1小時至約2天、從約2小時至約1天、從約3小時至約12小時、從約4小時至約10小時，或從約6小時至約8小時，包括其間的所有範圍和子範圍。

在玻璃處理的情況下，熔融玻璃材料可以隨後經歷各種額外的處理步驟，包括澄清以除去氣泡，以及攪拌以使玻璃熔體均勻化（僅舉幾例）。然後可以使用任何已知的方法處理熔融玻璃，例如，以產生玻璃帶，例如熔合拉製，狹縫拉製和浮法技術。隨後，在非限制性實施方案中，熔融玻璃或玻璃帶可以形成玻璃板、三維玻璃製品、切割、拋光和/或以其他方式處理的製品。本發明的特徵可以與其他熔融玻璃基材料一起使用，例如玻璃陶瓷。

容器34可由適用於所需熔融處理的任何絕緣或耐熱材料形成，例如，耐火材料，如鋯石、氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、碳化矽、氮化矽和氮氧化矽、珍貴金屬如鉑和鉑合金，以及它們的組合。根據各種實施例，部分（例如，側壁38、底板40等）可包括外層，該外層具有耐熱材料的內襯，例如耐火材料或貴金屬。容器34可以具有用於所需應用的任何合適的形狀或尺寸，並且在某些實施例中，可以具有例如圓形、橢圓形、正方形或多邊形的橫截面。容器34的尺寸，包括長度、高度、寬度和深度（僅舉幾個例子），可以根據所需的應用而變化。可以根據特定過程或系統選擇尺寸。而圖1示出了具有入口46和出口48的容器34，其可以適合於連續處理，應當理解，可以使用其他容器配置，其可以包括或不包括入口和/或出口，可用於批量或半批量處理。

圖1示出了在一些實施例中，電極36連接在側壁40中並且延伸穿過相應的一個側壁40。作為參考，圖1示出了組裝到側壁40a中的電極36a中的第一個。特別地，第一電極36a設置在開口50中而穿過第一側壁40a的厚度，並且佈置成暴露於容納在腔室44中的批量材料32或與之接觸。例如，第一電極36a被示出為延伸穿過開口50，突出超過第一側壁40a的內表面52（並因此伸入腔室44中）。在其他實施例中，電極36中的一個或多個可以佈置成與相應的側壁內表面齊平或在其內部，以允許電極36直接與容納在腔室44中的批量材料32接合。例如，第一電極36a可以替代地佈置成終止於第一側壁40a的內表面52；或者，第一電極36a可以佈置成終止於第一側壁40a的厚度內，並且經由內表面52處的開口50直接暴露於容納在腔室44中的批量材料32。無論如何，在最終組裝到容器34時，可以看到或認為每個電極36限定了與後向面（或「冷面」）62相對的前向面（或「熱面」）60。前向面60是與批量材料32最接近或接觸的電極端面，並且向腔室44開放（例如，前向面60位於腔室44內，或者在側壁40的厚度內並透過開口50暴露於腔室44內的批量材料32。）後向面62是離批量材料32最遠的電極端面，並且不在腔室44內或不對腔室44開放。電極36的長度66是相應的前向面60和後向面62之間的距離。

在一些實施例中，每個電極36到容器34的組裝（例如，到相應的一個側壁40）使得電極36可以相對於相應的側壁40前進（且因此相對於相應的腔室44前進）。例如，在一些非限制性實施例中，將第一電極36a安裝到第一側壁40a使得第一電極36a可相對於第一側壁40a滑動或推動，從而相對於腔室44重新定位前向面60。在操作期間，第一電極36a將經歷主要在前向面60處的磨損，導致長度66的減小。換句話說，前向面60將朝向後向面62而實體地侵蝕。當第一電極36a相對於第一側壁40a靜止或固定時，前向面60相對於第一側壁40a的實體位置將因此在第一電極36a經歷磨損時改變。在這些情況下並且利用其中第一電極36a可滑動地安裝到第一壁40a的可選的實施例，第一電極36a可以週期性地朝向腔室44前進（即，相對於圖1的取向向右移動）而將現在磨損的前向面60重新定位在相對於內表面52的期望位置處。在其他實施例中，一個或多個（包括所有）電極36可以永久地固定到相應的容器結構（例如，側壁40中的一個）。

雖然圖1示出了三個電極36，但是應該理解，可以根據特定應用的需要或期望使用任何數量的電極。在一些實施例中，電極對可以在容器34的尺寸上彼此對齊。例如，在圖1的非限制性示例中，第二電極36b與第一電極36a對齊；電傳導可以穿過第一和第二電極36a、36b並因此穿過批量材料32。其他電極佈置也是可接受的。雖然圖1示出了連接在側壁40內的電極36，但是應該理解，電極36可以以任何方向配置在容器34內，並且可以連接到容器34的任何壁上，例如底板42或容器34的屋頂。

電極36可具有適合於在熔融爐中操作的任何尺寸和/或形狀。例如，在一些實施例中，電極36可以成形為桿或塊。電極36可具有任何合適的橫截面形狀，例如正方形、圓形或任何其他規則或不規則形狀。而且，電極36的初始長度可以根據容器34的應用和/或尺寸而變化。在一些非限制性實施方案中，電極36的初始長度可以為約10厘米（cm）至約200cm，例如約20cm至約175cm、約30cm至約150cm、40cm至約125cm、約50cm至約100cm，或約60cm至約75cm，包括其間的所有範圍和子範圍。

電極36可包括適合於所需熔融應用的任何材料。例如，可以選擇電極材料，使得在操作期間電極36的正常磨損或腐蝕對批量材料組合物和/或最終產品幾乎沒有或沒有不利影響。在各種非限制性實施方案中，例如玻璃熔融操作，一個或多個電極36可包括一種或多種氧化物或可存在於最終玻璃組合物中的其他材料。例如，電極36可以包括已經存在於批量材料32中的氧化物（例如，名義上增加最終產品中的氧化物的量）或者不存在於批量材料32中的氧化物（例如，引入少量或微量的氧化物進入最終組合物）。作為非限制性實例，一個或多個電極36可包括錫氧化錫、氧化鉬、氧化鋯、鎢、鉬鋯氧化物、鉑和其他貴金屬、石墨、碳化矽和其他合適的材料和它們的合金。

監測裝置38可以採用各種形式，並且通常包括光纖80和控制單元82，控制單元82包括輸入源84、光學收集器86和分析器88。一般而言，光纖80與電極36中的一個（例如，圖1的示例中的第一電極36a）相關聯（例如，嵌入在、耦合到其中等等）。輸入源84光學耦合到光纖80並且被配置為將電磁輻射輸入信號（例如，光）傳遞到光纖80。光學收集器86光學耦合到光纖80並且被配置為接收返回信號（例如，返回光）以回應於輸入信號。分析器88是類似電腦的設備，其被編程為基於返回信號來決定與光纖80相關聯的電極36的實際長度（例如，圖1的示例中的第一電極36a），並且基於返回信號來產生指示腔室44內的批量材料32的溫度的溫度資訊。雖然圖1示出了一根光纖80，在其他實施例中，可以提供兩根或更多根光纖。例如，並且如下面更詳細描述的，可以為兩個或更多個（包括所有）電極36提供光纖。替代地或另外地，兩個或更多個光纖80可以與電極36中的一個相關聯。

光纖80可呈現適合於攜帶或傳輸電磁輻射或光信號的各種形式。一般而言，光纖80可包括由於兩者之間的折射率差異而選擇用於全反射的芯和包覆層。光纖80可以是單模光纖或多模光纖。另外，光纖80可以作為包括兩根或更多根光纖的光纜的一部分來提供。

在一些實施例中，光纖80的一部分或全部可包括芯，其由一材料所形成，該材料適於透射出具有預期在監測裝置38的操作期間使用的波長的光。在相關實施例中，光纖80的芯的一部分或全部由適於透射預期波長的光的材料形成，其中光纖80的芯和/或其他組件的熔點大於約1100℃，任選地大於約1850℃。例如，在一些非限制性實施例中，光纖80的芯的一部分或全部是基於藍寶石的材料，例如單晶藍寶石。在其他實施例中，光纖80的芯的一部分或全部可包括摻雜有至少一種摻雜劑（例如，Ge、Cl、Bo、Fl、Fe、P、Al和/或Ti）的純二氧化矽或二氧化矽。如本領域中已知的，也可以設想其他光纖芯材料。在一些示例性實施例中，光纖80的芯可包含具有不大於約攝氏1100℃的熔點的材料，並且覆蓋有限制或防止腐蝕或芯的磨損的在預期溫度和操作條件下的外遮罩或包覆層。作為非限制性示例，光纖80的芯可以用對在熔融的批量材料32中溶解或熔融有抗性（例如，不會溶解在熔融的錫基玻璃批量材料中）的材料來覆蓋（例如，電鍍），例如氧化鋁管和/或鉑箔。

已經令人驚訝地發現光纖80的任選的高熔點特性（例如，光纖芯材料，例如單晶藍寶石或熔點大於熔融批量材料32的預期溫度的其他材料）以便於光纖80能長期操作以產生有用的電極36的長度和批料32的溫度信息。例如，如圖2A所示，光纖80終止於第一端90。可以基於電極36的初始長度或起始長度來選擇第一端90相對於電極36的佈置。作為參考，將回顧在批量材料熔融操作過程中，電極36的前向面60隨時間而腐蝕。因此，電極36的長度隨時間減小。圖2A表示最初提供的電極36（即，在批量材料熔融操作中使用電極36之前的初始狀態）並且具有初始長度100。可選的光纖80裝配到在初始狀態下的電極36的最終裝配上，第一端90可以是鄰近前向面60的（例如，向其對齊的、從其稍微凹進的，或略微突出超過的）。在可選實施例中，光纖80（或另包括第一端90的光纖80的至少一部分）被配置成在會導致電極36磨損的相同的條件下卻不會腐蝕（或侵蝕程度較小），第一端90相對於前向面60的關係將隨時間改變。圖2B表示這種可能的結構，描繪了在熔融操作期間的稍後時間點，電極36在熔融的批量材料32存在下被侵蝕，並且現在具有中間長度102（另小於初始長度100（圖2A）），而光纖80經歷了最小的磨損（如果有的話）。第一端90現在超出前向面60，並暴露批量材料32。透過任選地採用光纖80的芯材料（其不會以與電極36相同的速率（如果有的話）磨損或腐蝕）光纖80可以提供指示批量材料32的溫度的資訊，以及指示電極36的實際長度的資訊，如下面更詳細描述。

在其他實施例中，光纖80可以在與另會導致電極36磨損的相同條件下經歷一些磨損，但是與電極36的磨損相比係以較低的速率或程度。例如，圖2C表示這種可能的結構，描繪了在熔融操作期間的稍後時間點（即，從圖2A的初始狀態起始的稍後時間點），電極36已如上所述侵蝕到中間長度102，並且光纖80也從圖2A的初始狀態侵蝕。然而，光纖80的磨損率小於電極36的磨損率，並且光纖80的第一端90超出電極36的前向面60。

在其他實施例中，光纖80以與電極36大致相同的速率磨損。例如，圖2D表示這種可能的結構，描繪了在熔融操作期間的稍後時間點（即，從圖2A的初始狀態起始的稍後時間點），如上所述，電極36已被侵蝕到中間長度102，並且光纖80從圖2A的初始狀態被以與電極36相同的速率侵蝕。光纖80的第一端90與電極36的前向面60對齊。

回到圖2A所示，光纖80的第一端90與電極36的前向面60之間的其他關係（初始狀態）也是可接受的。例如，第一端90可以位於電極36的厚度內，在預定位置處（例如，對應於電極36的最小長度）凹入或「在」前向面60的「後面」。一旦前向面60已經侵蝕到第一端90，光纖80就可以產生獨特的資訊（例如，與在前向面60「到達」第一端90之前產生的資訊明顯不同），該資訊容易被解釋為電極36已磨損到預定位置。然後，可以根據測量的光纖80的持續磨損來監測或決定連續電極36磨損率的直接測量。在其他實施例中，第一端90可以位於前向面60之外（在電極36的初始狀態下）。

在一些實施例中，光纖80的至少一部分可包括芯材料上的塗層或包覆層。例如，可以沿著位於電極36內的光纖80的至少一部分（並且可能突出超過電極36的前向面60）提供塗層或包覆層。在一些實施例中，光纖80的一部分可包括基於藍寶石的芯（例如，單晶藍寶石）和基於非藍寶石的材料的塗層或包覆層，例如金屬材料（例如，鉑）或非金屬材料（例如，二氧化矽）。在一些實施例中，可選的塗層或包覆層可包括摻雜有至少一種摻雜劑的純二氧化矽或二氧化矽（例如，諸如F和/或B的折射率降低的摻雜劑，或諸如Ge、P、Al的指數增加摻雜劑，和/或Ti）。在其他實施方案中，可以省略塗層或包覆層。

光纖80的直徑，特別是設置在電極36內的光纖80的部分，可以根據操作參數而變化。在一些實施例中，光纖80的直徑至少沿著設置在電極36內的光纖80的部分的範圍可以在例如約10微米(microns)至約1000微米的範圍內，例如從約25微米至約500微米、從約50微米至約125微米，包括其間的所有範圍和子範圍。在其他實施例中，光纖80的直徑，包括設置在電極36內的光纖80的那部分，可以具有大於1000微米的直徑。光纖80可以以各種方式組裝或安裝到電極36，例如透過在電極36中形成具有與光纖80的直徑相當的直徑的孔。

在一些實施例中，光纖80的至少一部分可包括光纖80的芯中或芯上的光柵或其他光散射機構。在一些示例中，光柵可以是光纖布拉格光柵（FBG），其根據定義在光纖內。作為參考，當光從光纖耦合到另一光學設備中時，精確的空間對準對於避免主要的光學損失是重要的。如果可以在光纖中執行濾波處理，則可以避免不必要的損失。FBG是光纖芯內部折射率的週期性調制。在基本配置中，FBG充當濾光器，允許所有光透過，但所選波長除外。該特定波長沿光纖反射回來，稱為布拉格波長。它是折射率變化的週期性實體間隔以及芯中光柵的有效折射率的函數。如普通技術人員所理解的其他光柵格式或光散射機制也是可接受的。例如，可以沿著位於電極36內的光纖80的至少一部分（並且可能突出超過電極36的前向面60）提供光柵或其他光散射機構。在其他實施例中，可以在光纖80中或上形成軌道或其他微結構（例如，平行的雷射寫入軌道），其在光纖80中產生應力以引導光。在其他實施例中，可以省略光柵或其他光散射機制。

在一些實施例中，光纖80可包括具有不同結構的兩個或更多個部分，例如圖3A和3B所示的第一部分110和第二部分112。一般而言，第一部分110限定上述第一端90，以及與第一端90相對的第二端114；類似地，第二部分112限定與第二端118相對的第一端116。第一部分110光學耦合或連接到第二部分112，並且被配置（例如，尺寸和形狀）成用於組裝到電極36或在電極36內，使得第一端90與第二端114相比更靠近或更鄰近於前向面60。第二部分112具有與第一部分110不同的芯材料或其他性質，並且從第一部分110延伸到控制單元80（圖1）。可以基於電極36的初始長度或起始長度來選擇第一部分110的長度和第一部分110相對於電極36的佈置。圖3A和3B表示最初提供的電極36（即，在批量材料熔融操作中使用電極36之前）並且具有初始長度100。可以選擇光纖80的第一部分110的長度120，以將前端90定位在相對於前向面60的期望位置，如上所述，並且將第二端114定位成接近（例如，與其對準、與其略微凹陷或略微突出）如圖3B所示的電極36的後向面62。因此，在一些示例中，第一部分110的長度120可以近似（例如，可以等於，略微大於，略小於等等）電極36的初始長度100。在一些實施例中，第一部分110的直徑與第二部分112的直徑基本相同（即，在真正相同直徑的5％內）。在其他實施例中，第一和第二部分110、112可以具有不同的直徑。例如，第二部分112的直徑可以大於第一部分110的直徑。在一些非限制性實施例中，第一部分110（另位於電極36內）可以具有大約125微米的直徑，正如通常在光纖通信應用中使用般，而第二部分112具有直徑約為500-1000微米。利用這些和類似的實施例，較大直徑的第二部分112可以表現出（與第一部分110相比）增加的強度和穩定性並且因此可以非常適合於延伸到控制單元82（圖1）。還設想了其他直徑。在其他實施例中，光纖80可包括三個或更多個部分。

第二部分112從第一部分110延伸並且位於電極36的有用區域之外。作為參考，通常熔融爐30（圖1）的使用壽命或活動會在整個電極36被消耗之前結束。例如，雖然如上所述在活動期間電極36可以相對於容器34（圖1）週期性地前進，但通常情況是一旦電極36磨損到最小長度，熔融爐30的操作將被中斷（例如，出於安全原因）。圖3A和3B總體上標識了分配給電極36的可能最小長度130的一個示例。換句話說，一旦前向面60已經侵蝕到假設的終點132，電極36可能不再被認為是可行的並且中斷熔融爐30的操作。當電極36從初始長度100磨損到最小長度130時，在任何時間點估計或決定電極36的實際長度和/或磨損率可能是有益的。因此，相對於電極36的初始狀態，電極36的有用區域134是假設的端點132和前向面36之間的區域。考慮到這些解釋，第一和第二部分110、112的尺寸可以設定成使得第一部分110沿著有用區域134定位，並且第二部分112位於有用區域134之外（例如，不沿著有用區域134延伸）。在一些實施例中，第二部分112的第一端116可位於電極36的厚度內，其在後向面62和假設的端點132之間。在其他實施例中，第二部分112的第一端116可以位於電極36的外部（例如，第一部分112的第二端114超出後向面62）。無論如何，在一些實施例中，第二部分112的長度大於第一部分110的長度。

利用上述可選結構，第一部分110的芯可以由與第二部分112的芯的材料不同的材料形成。例如，第一部分110的芯可以是基於藍寶石的材料（例如，單晶藍寶石），而第二部分112的芯可以是非基於藍寶石的材料（例如，二氧化矽、經摻雜的二氧化矽、其他具熔點低於藍寶石或單晶藍寶石的熔點的透光材料等）。在相關實施例中，第一部分110可包括不具有第二部分112或與第二部分112不同的組件。例如，第一部分110可包括在芯上的包覆層或保護層，第二部分112不包括該相同的包覆層或保護層。無論確切的格式如何，在一些非限制性實施例中，第一部分110因此被配置為在導致電極36磨損的條件下保持其結構完整性，而第二部分112可以在這些相同的條件下侵蝕或不侵蝕。在這些和其他示例中，透過形成具有不同材料和/或不同結構的第一和第二部分110、112，與在其中有具有單一結構（例如，整個光纖80具有單晶藍寶石芯）的光纖80的配置相比，光纖80的總成本可以更小。在其他示例中，上述可選的光柵或其他光散射機構可以設置有第一部分110並且從第二部分112中省略。

第一和第二部分110、112可以以各種方式光學耦合到彼此。圖4A示出了在一些實施例中，接頭132形成在第一和第二部分110、112之間，而第一部分110的第二端114鄰接第二部分112的第一端116。可以採用機械固定裝置將第一部分110的第二端114和第二部分112的第一端116相對於彼此對準和保持。例如，固定裝置的一個部分可以具有支撐兩個光纖部分110、112的V形凹槽，以及保持抵靠光纖部分110、112的壓力並將它們保持在凹槽中的第二部分。有用的機械固定裝置的一個非限制性實例是可從紐約Corning的Corning Inc.獲得的UniCam®連接器。在其他實施例中，第一部分110的第二端114放置在適合於第一部分110的配置的第一連接器內，並且第二部分112的第一端116放置在適合於第二部分112的配置的第二連接器內；然後，第一和第二連接器彼此實體配合。其他光學耦合格式也是可以接受的。而且，圖4B示出了第一部分110和可替代的第二部分112'之間的另一示例光學耦合。如圖所示，第二部分112'的直徑可在其第一端116'處逐漸變細到直徑接近第一部分110的直徑。

回到圖1，輸入源84、光學收集器86和分析器88可選地設置為單個控制單元82，其被配置成將光傳輸到光纖80，接收或收集從光纖80返回的光，並分別分析返回的光。在一些實施例中，控制單元82操作以基於背向散射決定長度和其他資訊。一般而言，輸入源84（例如，掃頻雷射器、同調光源、寬頻光源等）將信號注入光纖80，並且光學收集器86從光纖80的同一端提取被散射（瑞利背向散射）或從沿光纖80的點反射的光。被回收的散射或反射光被分析器88用於表徵光纖80。測量返回信號的振幅和/或相位，並且可以將其作為時間的函數進行積分，並且可以繪製為光纖80的長度的函數。瑞利散射是當光與粒子或其它遠小於其波長的不均勻性彈性地相互作用且改變方向時發生。當光被散射使得光沿相反方向傳播時，這被稱為瑞利背向散射。因為光與粒子彈性地相互作用，所以它不會改變能量，因此不會改變其波長以促進干涉測量感測。例如，控制單元82可以是或作為光時域反射計、光頻域反射計等操作。在一些非限制性實施例中，控制單元82可以是可從維吉尼亞州布萊克斯堡的Luna Innovations Inc.獲得的光學背向散射反射計，該超高分辨率反射測量設備具有用於詢問組件的背向散射水平靈敏度。利用這些和相關的實施例，控制單元使用掃描波長同調干涉測量法來測量光纖80中的微小反射作為長度的函數。該技術可以測量（例如，透過可調雷射源和偏振偵測器）光纖80的全純量響應，包括相位和振幅資訊。可以以例如在10微米的空間分辨率測量背向散射，並且可以以該分辨率決定沿著光纖80的事件的位置。光纖80的一部分及其相關的背向散射可用於決定空間分辨的溫度，其典型分辨率為約1毫米至數厘米。沿著光纖80的溫度變化可用於決定電極磨損或實際長度，以及其他與溫度相關的特徵，例如批量材料32的溫度。其他控制單元或光學系統配置也是可接受的，通常操作以解釋來自發送到光纖80的光束的信號以及從光纖80返回或發射的任何光，例如，係由於光纖80達到升高的溫度並發射輻射。

參考圖5A的簡化俯視圖，本發明的一些方法可以包括首先如圖所示佈置熔融爐30。在圖5A的初始佈置中，電極36尚未被啟動以執行熔融操作，因此具有初始長度100。光纖80設置在電極36內，其中第一端90與前向面60對準，因此與後向面62處於已知或預定的距離（可以回想起光纖80的第一端90與和電極36的前向面60的其他關係也是可接受）。然後操作熔融爐30以熔融批量材料32，例如透過供給能量於電極36。透過這些操作，電極36將隨著時間的推移而磨損，在前向面60處受侵蝕。圖5B表示稍後的熔融爐30；圖5A和5B的比較示出了電極36的前向面60已經被侵蝕。因此，在圖5B的時間點，電極60具有小於初始長度100的實際長度140（圖5A）。如果有的話，光纖80不會以與電極36相同的速率磨損。因此，在圖5B的時間點，光纖80的第一端90現在超出前向面60並且暴露於批量材料32。作為參考，雖然圖5B的佈置一般反映光纖80沒有經歷任何侵蝕（與圖5A相比），在其他實施例中，與電極36相比，光纖80可能經歷一些侵蝕但速率較低（例如，以上關於圖2C所解釋的）；在其他實施例中，光纖80可以以與電極36相同的速率磨損（例如，如上面關於圖2D所解釋的）。

在熔融爐30操作期間的不同時間以熔融批量材料32，監測裝置38（圖1）被操作以產生與例如電極36有關的資訊（例如，監測裝置38可以連續地操作在整個熔融操作中，可以在預定的時間操作，可以透過使用者等提示操作）。例如，監測裝置可以在圖5B的時間點操作。將電磁輻射輸入信號傳送到光纖80，接收或收集回應於輸入信號的返回信號，並分析收集的信號。圖6A和6B是可能的返回信號或由圖5B的電極36/光纖80關係產生的資訊的表示。圖6A是沿著光纖80的長度的背向散射信號或強度150。背向散射信號150沿第一部分152具有相對均勻的外觀，其可另被解釋或指定為對應於光纖80在電極36內的區域。背向散射信號150中的第一可辨別偏差154可以被解釋或指定為與光纖80的區域相對應，該區域不另在電極36內或被電極36包圍（即，第一偏差154在與前向面60的一位置對應的點處起始）。換句話說，電極36影響沿第一部分152的後向散射，並且沿第一偏差154不存在相同的影響。第二可辨別偏差156可被解釋或指定為對應於光纖80的第一端90（例如，由於來自光纖80端部處的光纖/批量材料界面的反射而導致的背向散射信號150中的峰值）。可以從這些（或其他）返回解釋決定或估計電極36的實際長度140。例如，在電極36的初始狀態下第一端90與前向面60對準的情況下（即，圖5A），第一偏差154和第二偏差156的起始之間的距離或長度可以被決定或估計為電極長度的減少。例如，如果電極36的初始長度100是60cm並且第一偏差154和第二偏差156的起始之間的長度是2cm，則可以決定或估計電極36的實際長度140（再次，在圖5B的時間點）是58cm（即，60cm-2cm）。作為參考，圖6A中標識的區域158可以是儀器噪聲的結果。用於根據返回信號資訊決定或估計電極36的實際長度140的其他算法也是可接受的。附加地或替代地，一旦捕獲了初始長度，光纖區域的長度的變化率（例如，第一偏差154開始沿光纖長度的起始的位置，或第二偏差156起始的距離等）可用於決定電極36的長度隨時間減小的速率，或者作為其他過程變量（例如批量材料32的溫度等）的函數。

除了在任何時間點決定或估計電極36的實際長度140之外，返回信號還可用於產生指示批量材料32的溫度（或溫度分佈）的資訊。例如，並繼續參考圖5B，圖6B是根據本領域已知的接收後向散射返回信號，由光學背向散射反射計產生的沿光纖80長度的（相對於容器34外部的基線溫度的）溫度變化的曲線圖160。從上面的討論中，可以回想起光纖80的第一端90超出電極36並且直接在批量材料32內。因此，沿著與第一端90對應（例如，指定為直接在批量材料32內）的區域162處的曲線160的溫度資訊指示批量材料32的溫度（至少在容器34的區域中另與光纖80的位置相對應）。可選地或另外地，可以估計其他裝置的溫度曲線。例如，可以檢查由來自光纖80的返回信號所體現的溫度相關資訊，以評估其中設置有電極36的容器側壁40的溫度分佈。

其他基於光學的控制單元可以與光纖80一起使用以產生暗示電極36的實際長度140的資訊，其可以或可以不以背向散射為前提。在其他實施例中，光纖80可以被配置為以與電極36大致相同的速率熔融或侵蝕，並且根據光學返回信號，可以從決定的長度估計或決定電極36的實際長度140（或者改變光纖80的長度）。或者，光纖80可以被配置成隨時間以不同的速率磨損。例如，光纖80可以被配置成最初磨損回到電極36中（例如，光纖80最初以大於電極36的磨損率的磨損率磨損）然後穩定在電極36內部而距前向面60一定距離處，然後以與電極36相同的速率繼續磨損，保持與前向面60的距離。在本發明的這些和其他可選實施方案中，可以不決定批量材料32的溫度或溫度曲線。

圖7A和7B中示出了根據本發明原理的熔融爐200的另一個實例的部分，包括如上所述的容器34、電極組202和監測裝置204（一般參考）。電極組202可以是常規用於大規模熔融操作（例如，玻璃前驅物批量材料的熔融）的類型，並且通常包括以陣列佈置的上述兩個或更多個電極36。電極組202的前向面206由每個單獨電極36的前向面共同限定。在一些實施例中，電極組202的電極36可以由單個源（未示出）共同供電或供能。此外，電極組202相對於容器34的側壁40安裝，使得電極組202的所有的電極36可相對於側壁40集體地移動。換句話說，為了實現前向面206相對於側壁40的位置的改變，整個電極組202作為單個單元移動。

監測裝置204可以類似於上述監測裝置38（圖1），並且包括如上所述的光纖80和控制單元82中的兩個或更多個。光纖80在各個間隔開的位置處設置在電極組202內。例如，圖7A和7B反映了第一光纖80a可以與第二光纖80b水平對齊並垂直間隔開；圖7B反映了第三光纖80c可以與第一光纖80a垂直對齊並水平間隔開。在一些實施例中，為電極組202內的每個電極36提供光纖80。在其他實施例中，為少於電極組202內的所有電極提供光纖80。光纖80相對於電極組202的佈置和位置可以採用許多不同的格式。在一些實施例中，光纖80中的相應光纖可位於在其中預期電極組202的磨損會更普遍的那個位置。無論光纖80如何佈置在電極組202內，每根光纖80都可以連接控制單元82（例如透過本領域已知的光開關主框架（未示出）），或者可以提供兩個或更多的與所選擇的光纖80接合的控制單元82。

在執行熔融操作的熔融爐200的操作期間，監測裝置204週期性地或連續地操作以評估電極組202。例如，圖8是在稍後的時間點處的電極組202的表示，並且通常沿著前向面206反映磨損或腐蝕。雖然光纖80被示出為沒有被侵蝕或磨損到與電極36相同的程度（如果有的話），但是在本發明的其他實施例中，可以格式化一個或多個（包括所有）光纖80以與其中光纖80所在的電極36的腐蝕相對應地腐蝕或熔融。無論如何，利用監測裝置204的操作，電磁輻射（光）輸入信號被傳遞到每個光纖80（例如，同時或串聯），並且來自每個光纖80的相應返回信號會經收集和分析。然後，共同檢查與每個光纖80相關聯的電極長度資訊（或與感興趣的其他電極相關資訊，例如溫度或溫度變化），以產生電極組202的前向面206的磨損輪廓。如此產生的磨損輪廓可以提供對沿前向面206的實際磨損輪廓的有意義的理解。例如，利用圖8的佈置，來自每個垂直間隔開的光纖80的資訊可致磨損輪廓，該磨損輪廓指示前向面206的垂直或從頂部到底部的部分已被不同地侵蝕。藉取決於光纖80相對於電極組202的數量和位置，所產生的磨損輪廓可以指示前向面206的水平或從左到右的部分已經不同地侵蝕。因此，取決於光纖80相對於電極組202的數量和位置，由本發明的一些實施例提供的磨損輪廓可以是二維或三維的。在相關實施例中，所有光纖陣列80的相對變化率可用於決定電極組202的電極36的相對變化率。一旦測量了一組變量（例如批量材料含量和處理熱設置），電極長度的相對變化率就可以應用於光纖裝置無法繼續預測前向面206的位置的例子。

電極組磨損輪廓可以可選地用於各種操作評估和改變，並且在一些實施例中，評估由軟體或其他編程自動執行。例如，基於電極組磨損輪廓，可以做出關於電極組202是否應該相對於側壁40移動或推動的明智決定（例如，在至少一部分前向面206已經顯著侵蝕之情況下），如果是這樣，則移動一期望的移動距離。在相關實施例中，可以隨時間檢查或監測電極組磨損輪廓的系列或歷史，以增加電極組202移動時間和距離的準確度。利用這些和相關的實施例，由於電極組202的推動或移動而導致的電極組202周圍的批量材料可能滲漏的可能性降低（正如同過度推動導致電極「板坯化」的可能性）。電極組磨損輪廓可用於更精確地預測熔融爐200的使用壽命，並且可提供有用的數據，例如，用於排除氧化鋯或錫缺陷對電極溫度變化的干擾。

儘管已經將一些實施例描述為包括嵌入在電極36內的光纖80，但是在本發明的其他實施例中，本發明的監測裝置可以為熔融爐的除電極之外的其他組件提供溫度分佈資訊。例如，圖9中示出了根據本發明原理的另一熔融爐系統30'，包含監測裝置38的光纖80，其嵌入第一側壁40a的厚度內（並且不與任何電極36直接相關聯）。監測裝置38可以如上所述操作，以在整個操作活動期間提供指示第一側壁40a的溫度分佈的資訊。

本發明的熔融爐，監測裝置和方法提供了對先前設計的顯著改進。在批量材料熔融操作期間，可以獲得併檢查電極或電極組的可靠長度和任選的前向（或「熱」）面磨損輪廓資訊。此外，還可以提供批量材料溫度資訊。本發明的基於光纖的監測裝置，例如包含藍寶石（例如，單晶藍寶石）芯的那些，非常適合於提供長度分辨的溫度數據，該溫度數據又可以用於分析電極磨損。

在不脫離所要求保護的主題的範圍的情況下，可以對這裡描述的實施例進行各種修改和變化。因此，本說明書旨在涵蓋本文所述的各種實施例的修改和變化，只要這些修改和變化落入所附請求項及其等同物的範圍內。

32:批量材料 30:熔融爐系統 30:熔融爐 34:容器 36:電極 38:監測裝置 40:側壁 42:底部 44:腔室 46:入口 42:底板 48:出口 44:容器腔室 40a:側壁 36a:電極 36a:第一電極 50:開口 40a:第一側壁 52:內表面 62:後向面 60:前向面 66:長度 36b:第二電極 80:光纖 82:控制單元 84:輸入源 86:光學收集器 88:分析器 90:第一端 100:初始長度 102:中間長度 110:第一部分 112:第二部分 114:第二端 118:第二端 116:第一端 80:控制單元 120:長度 90:前端 82:控制單元 130:最小長度 132:終點 134:有用區域 132:端點 132:接頭 112':第二部分 116':第一端 140:實際長度 150:背向散射信號 152:第一部分 154:第一可辨別偏差 154:第一偏差 156:第二可辨別偏差 158:區域 160:曲線圖 162:區域 200:熔融爐 202:電極組 204:監測裝置 206:前向面 80a:第一光纖 80b:第二光纖 80c:第三光纖 30':熔融爐系統 40a:第一側壁

圖1是示出包括根據本發明原理的監測裝置的熔融爐系統的橫截面視圖的示意圖；

圖2A是可用於圖1的熔融爐系統的電極和光纖的簡化側視圖，包括處於初始狀態的電極；

圖2B是圖2A的電極和光纖的簡化側視圖，包括將電極磨損到具有一種光纖結構的中間狀態；

圖2C是圖2A的電極和光纖的簡化側視圖，包括將電極磨損到具有另一種結構的光纖的中間狀態；

圖2D是圖2A的電極和光纖的簡化側視圖，包括將電極磨損到具有另一種結構的光纖的中間狀態；

圖3A是可用於圖1的熔融爐系統的電極和光纖的簡化分解圖；

圖3B是圖3A的最終組裝的電極和光纖的簡化側視圖；

圖4A是圖3A的光纖的一部分的放大的簡化橫截面圖；

圖4B是可用於圖1的熔融爐系統的另一光纖的一部分的放大的簡化橫截面圖；

圖5A和5B是說明圖1的在批量材料熔融操作的不同階段的熔融爐系統的一部分的示意圖；

圖6A是作為因圖5B的佈置產生的光纖長度的函數的背向散射強度的圖形描繪；

圖6B是作為因圖5B的佈置產生的光纖長度的函數的溫度的圖形描繪。；

圖7A是根據本發明原理的另一熔融爐系統的部分的簡化側視圖，包括電極組和監測裝置；

圖7B是圖7A的熔融爐系統的一部分的簡化端視圖；

圖8是圖7A的在批量材料熔融操作的後期階段的熔融爐系統的簡化側視圖；和

圖9是示出包括根據本發明原理的監測裝置的另一熔融爐系統的橫截面視圖的示意圖。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

32:批量材料

30:熔融爐

34:容器

36:電極

38:監測裝置

40:側壁

42:底部

44:腔室

46:入口

48:出口

40a:側壁

36a:電極

50:開口

52:內表面

62:後向面

60:前向面

66:長度

36b:第二電極

80:光纖

82:控制單元

84:輸入源

86:光學收集器

88:分析器

Claims (20)

1. 一種用於監測一熔融爐的操作的方法，其中該熔融爐包括一容器和一電極，該電極具有一長度，該長度在一前向面和一後向面之間，並且其中該前向面向該容器的一熔融室開放，該方法包括以下步驟： 將一電磁輻射輸入信號傳遞至設置在該電極內的一第一光纖； 從該第一光纖接收一返回信號以回應於該輸入信號； 根據該返回信號產生長度資訊，該長度資訊指示該電極的一實際長度；和 基於該返回信號產生溫度資訊，該溫度資訊指示在該熔融室內一材料的一溫度。
2. 如請求項1所述的方法，其中該電磁輸入信號包括光。
3. 如請求項2所述的方法，其中，該返回信號包括背向散射光。
4. 如請求項1所述的方法，其中，該第一光纖在一第一位置處與該前向面相交，該方法還包括以下步驟： 基於該返回信號決定在該第一位置處的該電極的該實際長度。
5. 如請求項1所述的方法，其中該電極被提供作為包括多個電極的一電極組的部分，該方法還包括以下步驟： 將一電磁輻射輸入信號傳送到一第二光纖，該第二光纖設置在該電極組內的與該第一光纖間隔開的一位置處； 從該第二光纖接收一返回信號以回應於到該第二光纖的該輸入信號； 其中產生長度資訊的步驟還基於來自該第二光纖的該返回信號。
6. 如請求項5所述的方法，進一步包括以下步驟： 基於來自該第一光纖的該返回信號和來自該第二光纖的該返回信號決定該電極組的一磨損輪廓。
7. 如請求項1所述的方法，進一步包括以下步驟： 重複傳遞、接收和生成隨時間的長度資訊的步驟；和 基於隨時間的該長度資訊決定該電極的一磨損輪廓歷史。
8. 如請求項7所述的方法，其中，該熔融爐被配置成使得該電極突出穿過該容器的一壁並且能夠相對於該壁選擇性地前進，該方法還包括以下步驟： 基於該磨損輪廓歷史產生推動資訊，該推動資訊指示與該電極相對於該壁的前進所相關聯的一參數。
9. 如請求項8所述的方法，其中，該參數選自包括時間和距離的一組。
10. 如請求項1所述的方法，其中該第一光纖的一第一部分具有不小於1100℃的一熔點。
11. 如請求項10所述的方法，其中，該第一部分包括一單晶藍寶石芯。
12. 如請求項11所述的方法，其中該第一光纖的一第二部分包括一二氧化矽芯，該第一部分經光學耦合到該第二部分。
13. 一種熔融批量材料的系統，包括： 一容器，該容器包括一熔融室； 一電極，該電極包括一長度，該長度在一前向面和一後向面之間，其中該電極相對於該容器加以佈置，使得該前向面向該熔融室開放； 一第一光纖，該第一光纖設置在該電極內； 一輸入源，該輸入源經光學耦合到該第一光纖並被配置成將一電磁輻射輸入信號傳遞到該第一光纖； 一收集器，該收集器經光學耦合到該第一光纖並且被配置成從該第一光纖接收一返回信號以回應於該輸入信號；和 一分析器，該分析器經編程為： 根據該返回信號產生長度資訊，該長度資訊指示該電極的一實際長度，和 基於該返回信號產生溫度資訊，該溫度資訊指示該熔融室內的一材料的一溫度。
14. 如請求項13所述的系統，其中該第一光纖包括一第一部分，該第一部分具有不小於1100℃的一熔點。
15. 如請求項14所述的系統，其中該第一部分包括一單晶藍寶石芯。
16. 如請求項15所述的系統，其中該第一部分位於該前向面附近。
17. 如請求項15所述的系統，其中該第一部分還包括在該單晶藍寶石芯中形成的光柵。
18. 如請求項15所述的系統，其中該第一光纖還包括一第二部分，該第二部分經光學耦合到該第一部分，該第二部分包括一非藍寶石材料芯。
19. 如請求項18所述的系統，還包括一接頭，該接頭保持該第一部分和該第二部分之間的光學耦合。
20. 如請求項13所述的系統，其中該電極被提供作為包括多個電極的一電極組的一部分，該系統還包括： 一第二光纖，該第二光纖設置在該電極組內與該第一光纖間隔開的一位置處； 且其中該輸入源和該收集器經光學耦合到第二光纖； 進一步地，其中該分析器還被編程為： 基於來自該第一光纖的該返回信號和來自該第二光纖的一返回信號決定該電極組的一磨損輪廓。

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