TWI359119B - Method and apparatus for characterizing a glass me - Google Patents

Description

1359119 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 這項發明是和闡述一種流體有關，尤其是和閣述一種 藉由超音波照射玻璃熔體的玻璃熔體有關。 【先前技術】 高品質的玻璃是藉由控制玻璃熔體的冷卻而形成。但 是，玻璃熔體可能包括諸如固體氣體夾雜物，小量的偏差密 度’以及通常被稱為索狀物的化學成分等不勻雜質。尤其 是索狀物的形成導致局部區域有不同的折射率。這此具有 不同折射率的局部區域可能會使所產生的玻璃不適合於某 些精確的使用。 一般而言，玻璃熔體的特徵是藉由在各階段的處理過 私抽彳篆玻璃，或藉著設置像是熱電偶的軸向感測器而決定 。在工業玻璃製造過程的高溫之下，熔態玻璃通常被包含 並且/或者流經絕緣於導管整個外圍的密閉導管，因此幾乎 不可能做抽樣。 另一方面，極少的轴向感測器可以承受在玻璃處理過 程中持續的高溫。在玻璃熔體的一些處理過程中,雖說熱 電偶冒被用來測量溫度，但因為熱電偶以令人難以接受的 速率劣化，因此熱電偶的使用也是行不通的。更且，在玻璃 炫體内插入一個感測器可能會弄髒感測器，產生流程中斷， 或對系統產生無法接受的熱耗損，因而降低產物的品質。 【發明内容】 本系統非侵入性地表示出玻璃熔體特徵，在這裡針對 ___參數_正狱雜_應感測的 特徵，以產生具標稱特徵的玻璃。也就是說本系統提供玻 璃熔體特徵的新知識，這些知識可以處理相對應被調整的 參數，因而提高產物的品質。 尤其，本系統可提供說明一種玻璃熔體藉著結合聲波 屬曰的外料Φ至麟雜的方法此槽㈣的玻璃 不輪f反射，綱皮反射 的聲波，和確定或細對應於偵糊的反射聲波的玻璃熔 體中，不勻雜質的存在(包括氣體和固體）。 在進一步的設置中，為了說明玻璃熔體，本系統包括了 -個包含玻璃熔體的槽，第一聲波導管被耦合到槽的一個 外部表面，以便從第一轉換器聲耗合一個聲波到玻璃熔體， 而第一聲波導管則被搞合至耐火金屬槽的外部表面以便從 破璃熔體絲合-個反鱗_帛二轉關，此反射聲波 在玻璃炼體内和不勻雜質相對應，因而第一第二聲波導管 都不會直接接觸玻璃熔體。 如我們所知，前面的概和以下詳細的描述只是此項 發明的最佳範例，用來提供一個如其所聲明的讓人瞭解此 項發明本質和特性的大綱或架構。 所包含的附圖是用來讓人們對此項發明有進一步的理 解’因而也併入並構成這份規格書的一部份。附圖不一定 知：知、比例，而且為了清晰起見，各種元素的大小也許被扭曲 了。附圖說明了一個或更多此項發明的實施範例，和這些 描述一起用來解釋此項發明的原理和運作。 k實施方式】 聲音是經由或傳導一個像是液體或空氣介質的一麵 。振動的來源S此介質反覆性的擾動。例如，當觸擊變 ，時產生縣。響細雜雜_它啦_動找 向外邊移鰣產生一高舰域，然後在空氣向内邊 ΓΓ產生:峨域。高低壓區域分別稱為所謂的壓縮 二域，猎者影響空氣_鄰分子如同波—般來_ =皮空氣中的分子根據交替的高低壓向後或向前移動然 錄雜用在毗鄰分子上，接著再作用在其毗鄰分子上等 ^此高健_如_雜定細啵長的波-般通過 介質。 依據本項㈣，提出—彻基本輯_的方法來表 二觀態玻璃特徵:藉著高解脈衝發生器產生電脈衝， 接著由當哺換||，例如藉由第—波導管聲搞合至 破魏體的-麵電轉換器，轉換成音(聲)波。超音波通 \槽傳輸至玻璃炼體。在炫 體内，聲波會因村灿現料_質喊減及纖，並且 從邊緣反射。反射波可以由透過第二波歸軸合至破璃 炫體=第二轉換器偵測出來，因此聲波可以被轉換回一個 電子城嘯f號會触A並且由適當的簡採集系統加 以處理。例如，信號可以交給可測量聲波通過時間、振幅 和頻率等參數的電腦處理。這些參數顯示了雜玻璃介質 的物理和4何特性，譬如超音波衰減、不勻雜質的出現(氣 /包）、溶體内的流量、炫體的溫度等等。 •I35?119 ”玻璃"一詞包含一種隨機的、液體狀(非晶形)分子結 構的材料。玻璃的製造過程要求將原材料加熱到足以產生 相對低點度炼體的溫度，當炼體冷卻時，變得堅硬而沒有结 晶。玻璃熔體可能是任何各種各樣的成分，包括蘇打石灰 玻璃、紹玻璃、棚碎酸玻璃、向紹碎g楚玻璃、96%碎石玻 ㈣、炼化的梦石玻璃和南銘棚碎酸玻璃。"玻璃炼體"咬” 炼態玻璃” 一詞則包含各種在其個別軟化點之上的玻璃成 分。通常玻璃炼點大約是在1200〇C和170(TC之間。”聲波" 一詞則是涵蓋藉由介質傳輸的機械振動。在某一設置中 聲波是在超音波範圍之内，大約是在1〇〇千赫和3〇〇千赫之 間。 依據本項發明的一個實施範例，圖1顯示一個用來說明 玻璃炫體的範例設備8,其中包括槽1〇, 一對聲波導管組件 12,14’以及控制器16。槽1〇可由熱絕緣的耐火夾套丨8所圍 繞。 槽10可以是保留一定玻璃熔體體積的任何各式各樣的 ό又置。槽1〇可以是自足的，具有開放或閉合的頂端，並保留 一定的玻璃熔體體積。在這個設置中，槽10定義了選來連 結波導管元件12,14的流動路徑，允許在流動路徑橫截面一 定百分比之内的區域可偵測到。因而槽1〇可以保有或接受 由上游位置而來的玻璃熔體流，也可允許玻璃炫體流至下 游位置。槽10可以是玻璃熔體流經過的管線，圖丨所示即為 此管線的橫截面。 槽10應由可承受所需的玻璃炫體操作溫度的材質所構 第 8 .頁 1359119 成:通常大約是在800〇c和1700t之間。槽最好包含一種白 ，類的金屬，包括Ιό、錄、銀、釕、纪、餓或其合金。或 是’其它耐高溫材料也可被使用。修肩也可單獨作為有 效的槽材料或與其它材料組合使用。 波導管元件12,14聲轉合至槽10,定義出一個從第一波 導督元件12延伸，通過—部份槽壁，進入保留在槽内的玻璃 «^熔_過槽壁的相反部份進入另 一個波導管元件14。 圖1顯示了這對共線並沿直徑橫跨槽，聲輕合波導管元 =12,14,因而提供一條波導管元件之間直線的聲音路徑。 =安排特別適合偵測具有針對聲波長有效尺寸的不勾雜 質’譬如更大的玻璃氣泡，譬如跨越聲音路徑，大約公釐直 控的不勾雜質。這種通路可能導致由接收轉換器偵測到的 超音波信號麵度降低。而另-種安麵適合小型不勻雜 質的偵測，譬如次公敎的小魏A ®此料管可以被安 排成V字型。 在進一步的配置中，可想成多個波導管元件對12和14， 可以被聲#合至槽。料管對最好是躲並沿紐和槽相 對’但也可視應用上的需要建置多個V字型管。 因為波導管元件12,14根本上是相同的，以下的描述將 針對波導管元件12,如眾所知，個別元件的描述，除非特別提 及，不然就等同於元件14。波導管元件12和14的元件在附圖 内是不相同的，各自在侧元件編號字尾加上a和b。波導管 元件12包括由心蕊棒2ia和包層22a構成的波導管2〇a，以 第 9 頁 1359119 1 t 及轉換器24a，並且波導管20a的一端聲耦合至轉換器，而波 導管20a的另一端則聲柄合至槽10。波導管2〇a最好是實體 連結或加至槽10,並且還要聲輕合至槽1〇。有些實施範例中 ，波導管20a也實體連結至轉換器24a。實體連結波導管咖 的方法包括軟焊/熔接，引線接頭或任何其它實用的方法。

因為轉換器24a在上升的溫度下無法可靠地與破璃炫 體和财火槽一起運作，波導管2〇a在轉換器24a和耐火槽之 間加以聲耦合，以便間隔轉換器和耐火槽。這個間隔動作 順著波導管的長度產生-溫度梯度，使得轉換器可以在比 耐火槽和玻璃熔體較低的溫度下運作。 轉換器24a是一種適合產生超音波信號的轉換器。例 如’也許是Langevin或Tonpilz類型的轉換器。轉換器2如 轉換由信號赴H 23產生的電子信號並且由放大器的放a 大成聲信號或波。信號產生器23和放大器25在操作上可以 傳統方經由控制線29,31連結至轉換器24a。控制p 16= 可透過控制線27連結至信號產生器23。或許，控 1器° 可以是一台專屬處理器或電腦。 。 轉換器 撕雜合至波導管20a，以傳鱗信號或 玻璃熔體，可能包括對轉魅24a偏斜波導管胍。 能因波導管⑽換器)的載入，或因另外一個偏斜是 彈簧的元件。但是-種更加堅合，譬如軟焊/ 引線接頭等方法都可提升從轉換器到波導管， 波導管施是-種可以傳送超音波信號的拉伸 =件 。雖然波導管20a可以是各式各樣的設置，像是階形或角錐 頁 第10 1359119 管32a的功用就是保持讓絕緣材㈣和波導管和槽之間從 ，點的附近分開，並且提供波導管冷卻的空間。二外 官32a可以包括像是氧化雑ω)的陶質。或者，外管咖 接合或物雜合至槽1G也可赠啊麵膠點劑。 在某些實施範例，如圖〗所示，藉著先軟谭/雜一個像 是插座35的引線接頭至槽1〇，波導管施可以麵合至槽1〇。 互補引線是姐導管20的-端軸(即私蕊棒21的末端） ’一因而藉由波導官引線至插座將波導管耗合至槽。如圖2所 示，插座35是内部引線環的形式，而波導管2〇a則在一端包 括外部引線，以此物理耦合至插座35以及槽1〇。插座％最 好包括翻賴合金。或者，如圖3所示波導管施和槽ι〇 的耦合也可藉由下列步驟完成，添加一引線短線4〇到槽ι〇( 譬如使用料絲接)，然後形成—互補躲喊到波導管 20a(即心蕊棒21a)，在這裡波導管2〇a可以引線到短線4〇， 也因而透過短線40 ϋ合波導管2〇a至槽1〇。一個較簡單的 方法可以將心蕊棒2ia直接軟焊或炫接到槽1〇。 當耦合波導管2Ga到接頭35或轉40 $ 在物理麵合綠_猶好辭自摘。姐歧，心蕊 棒21a的末端面最好應該橫越波導管的縱向轴，使其和接頭 35内引線内控的基底完全接觸，好讓實質的聲搞合是藉由 心蕊棒端和接頭之間的介面接觸區36,而不是該處的引線。 如果有使用的話，這個原則也適用於心蕊棒犯的末端和短 線40之間的介面接觸區38。 在運作時，聲信號(聲i：皮)由轉換器24a產生並聲搞合至 1359119 波導管20a。聲信號傳播通過波導管2〇a至槽1〇，因此藉由 槽引入玻璃熔體15。傳播的聲波在熔態玻璃内被不勻雜質 反射。反射的聲波通過槽壁，然後被由心蕊棒21b和包層 22b構成的第二波導管元件接收❶聲信號經由波導管2〇b 流至轉換器24b，在這裡轉換器產生一個相應的電子信號， 在經由管線40到達控制器16之前先通過管線37到前置放 大器33,以及通過管線39到放大器26。然後電子信號可以 擊被抽樣和記錄。也可以利用數位示波器來將接收的信號數 位化，這裡的每筆數位化樣本包含一筆"紀錄”。 我們可以選擇由轉換器產生聲波的頻率以摘測出小氣 >包、索狀物’或其他不好雜㈣出現。但是就我們所瞭解 信號頻率必須約低，好讓沿著聲音路徑的損耗是可接受的 。最，聲波的頻率是在大約1〇〇千赫和3〇〇千赫之間。 聲波在破璃炫體内所測量的通過時間相對應玻璃溶體 的溫度。已經確定的是，在特定溫度範圍，通過時間和溫度 φ 之間的相關大致疋線性的。因而我們可以破定波導管元件 間聲脈衝的經過時間，並且用來計算熔體的溫度。也就是 說在某溫度範圍經過時岐可以確定的。所產生的相關也 可用來確定炫體的溫度是根據所測量的經過時間。例如，圖 4所顯示的是在—個實驗性設定中’經過_作為溫度函數 的縱軸，通過玻璃熔體的路徑在槽的傳輸部分和接收部分只 ί 55公釐。圖中顯示從'約1靴到155(TC間，溫度和時間之 ^的線性相綱。而在約·。⑶15说之間，趨勢線的改 邊方向被認為是在這樣的高溫下靖軟化的緣故。_ 第13 頁 1359119 • . · 相信藉著提出這個問題，譬如利用替換材料，便可以延伸溫 度範圍到或許約16〇(Tc，在這些度數内，較長的路徑也可能 達到較高的準確性。 為了偵測氣泡的存在，可以從儲存設備檢查數位化資 料，或即時從示波器上檢查，因為運輸或通過時間作為接受 信號的脈衝時間和量值(電壓）的函數。 目前的設置因此可以確定聲信號通過玻璃熔體的時間 ，以達到確定熔體溫度以及玻璃熔體内氣泡偵測的目的。 更有利的是，此項發明的設備和方法還可以使用在玻璃製造 系統，譬如形成玻璃片的製造系統。 請參照圖5,所顯示的概要圖是一個依據本項發明實施 範例的範本玻璃製造系統42,使用熔化處理方式製造玻璃片 。例如，熔化處理方式被描述在美國專利第3,338, 696號 (Dockerty)。玻璃製造系統42包括一個熔爐44(熔化器44) ，在裡未加卫的材料由圖中箭頭46處引入然後炫化以形成 炫態玻璃48。再者，玻璃製造系統42通常包括由鈾或含麵 金屬4如鉑铑、鉑銥和其組合所製成，但也可以包括耐火 金屬像是銦’、銖，、鈦、鶴或是其合金。含翻的元 件可包括精雜卩麟鮮50)，雜n域煉槽連接 官52’混合槽54 (即餅室54)，精煉槽至攪拌室連接管讥 配达槽58(即碗槽58)，攪拌室至碗槽連接管6〇和降流管62 。溶態玻璃經由形成槽66(即熔化管66)的入σ 64處供應。 由入口 64處供絲形細66的賴玻顧絲秘66分 成二股分開的玻璃流，流動聚合在形成槽66的外表面。這刀 第14 頁 股二開的玻㈣机，再結合在聚飾成表面的交界線處以 7成單玻璃片68。通常形成槽66是由陶曼或玻璃陶充而寸 火材料做成。 由於分開的玻璃流下降到形成槽66聚合形絲面的外 。陳面’並不與形成表面接觸有原始外表面的結合玻璃片 ’很適合用來製造液晶顯示板。 依據本項發明的實施範例設備8最好也可以使用在玻 φ 鄕造系統42含始的部份之内。例如，-個或以上的設備8 ，耦合至任何錢乡她下元件:魏器至精煉槽連接 管52,精煉槽50,精煉槽域拌室連接管56或授拌室％，以 細維態玻璃内的不勻雜質。如果偵測到不勻雜質，就 知採取業界熟知此技術者的補救措施，以降低這種不勻雜 貝。例如，氣泡可以藉由改變精煉槽外部的空氣層而減少 (¾如’增加空氣中的氫含量）。也可以藉由增加擾摔室的 授拌速度來緩和索狀物的產生。當然此項發明的方法和設 , 備並不限制使用在目前所描述的溶化玻璃製造系統，還可 應用在任何利用金屬槽處理熔態玻璃的玻璃形成處裡作業 JL ° 八 範例1: 幾支波導管，每個包括大约3公釐直徑的鉑鍺心蕊棒被 乾燥插入至大約有9. 5公董外徑的多鋁紅柱石包層。心 蕊棒被焊接到鉑铑的外表面，通常是有共線關係大約55毫 米直徑的圓柱形掛禍，以使各支波導管的縱轴相符合。多 銘紅柱^包層在各個鉑合金棒上縮短，以使暴露的棒端 第15 頁 1359119 了以在不鏽鋼管裡垂直地通過洞孔。—種商業上 兆赫〇. 25英叶超音波轉換器，以一置於轉換器和棒之_ 超音波輕合器，輕輕對各波導管的各轉^下(譬如一種傳 送轉換器和一種接受轉換器）。不鑛鋼管運載冷卻的空氣 流’在波導管和轉換器的介面處維持大約5(TC的溫度。 接著，氧化銘(Al2〇3)外管同心地圍繞各波導管，並添 加到掛禍上以界定出掛堝的輕射和接收區域。這個元件再 被插入至一個管式烘箱，使波導管延伸至烘箱之外。 高銘硼矽酸玻璃先在另一個槽預先熔化以確保能去除 玻璃内預先存在的氣泡。然後再將玻璃轉移到坩堝。在一 項配置中，傳送的轉換器是由Metrotek粑217以最大脈衝 寬度，阻尼電阻和振幅運作來驅動。透過第二波導管由接 ' 受轉換器偵測到的接受信號，透過具0.1-1.4兆赫過濾器的

Bruel & Kaer 2637前置放大器，結合設定成0 〇5—2兆赫帶 寬和20dB放大作用的Bruel & Kaer 2638調節放大器導引 • 通過。這個信號由一臺LeCroy 9450數位示波器以8位元解 析度數位化，在觸發器延遲80微秒之後，以1〇兆赫採樣速率 一共記錄了 2,500個樣本。 在本項實驗的第一部份，利用玻璃炫體内一個清晰的 聲音路徑，在時間域回應大約有250筆紀錄被記錄下來並力口 以平均。一支大約有1〇公釐外徑和6公釐内徑的陶瓷管通 過溶爐的頂部，被插入坩堝内的熔體。壓縮的氮氣通過此 管慢慢地吹入玻璃熔體，在坩堝的底部附近，產生上升到熔 體表面的氣泡。在壓縮的氮氣管線中的起泡瓶可約略顯示 第16 頁 1359119 瞬間產生的每個氣泡。疼爐的溫度約是157〇°C。 如果;又有氣泡管，超音波路徑是清晰的，由示波器所顯 示的時間域回應也相當穩定。氣泡管隨後被引入炫體並且 在約第250筆紀錄處，產生第一個氣泡而且以相當固定的 速率每1-2秒產生一個氣泡。在實驗期間，示波器螢幕被用 來顯示時間反應波動。這触動是以氣泡產生的速率出現。 如同先前的例子，這些紀錄藉著一部2〇〇千赫第四代巴 特沃斯(Butterworth)濾波器來過濾，他們的包絡線被計算 出，並且扣掉初期未微擾期間的平均包絡線(在這種情況下 第一個150筆紀錄）。於第25〇和550筆紀錄之間，我們在反 應圖中觀察到13個氣泡通過。 圖6顯示的簡單輸出說明了上述實驗，細'j轉換器輸出 電壓作為樣本(紀錄)時間上的函數。可以清楚地看出大約 在紀錄(樣本）250的地方，偵測到氣泡的出現，以一系列十 三個電壓尖峰，對應於十三個發出的氣泡。令人驚奇地電 壓減少被認為是氣泡的指標。一般認為，電壓增加是傳送 和接讀換器元件不完美對準的結果，或者是氣泡的聚集 作用。 熟知此技術者連接本發明能夠作各種變化及改變而並 不會脫離本發明之精神及範圍。本發明各種變化及改變均 含蓋於下列申請專利範圍及其同等情況範圍内。 【附圖簡單說明】 第-圖是依據本系統實施範例，用來偵測和/或說明玻 璃炼體特徵的設備截面圖。 第17 頁 1359119 第二圖是第一圖设備中，搞合波導管和包含玻璃熔體 的槽壁間的一個放大截面圖。 第三圖是第一圖設備中，以另一種方式耦合波導管和 包含玻璃炼體的槽壁間的一個放大截面圖。 第四圖是在一個實驗性設定中，以聲信號作為聲音路 徑溫度的函數的經過時間圖。 第五圖是一個利用第一圖偵測和/或說明設備的最佳 範例玻璃製造系統的示意圖。 第六圖是顯示偵測轉換器輸出電壓作為樣本(紀錄） 時間的函數圖。 附圖元件數字元號說明： 設備8;槽1〇;波導管元件12,14;破璃炫體15;控 制器16;耐火夾套18;波導管20a，2〇b;心蕊棒21a 21b; 包層22a，22b;信號產生器23;轉換器24a，24b;放大器 25, 26;控制線 27, 29, 31;通道 30a，30b;外管 32a，32b; 前置放大器33;外部表面34;插座35;介面接觸區36; 管線37,39;短線38, 40;玻璃製造系統42;炫爐44;箭 頭46;熔融玻璃48;精煉槽50;連接管52, 56;攪拌室 54;配送槽58;連接管60;降流管62;入口 64;形成槽 66;玻璃片68。 ’曰

Claims (1)

1359119 十、申請專利範圍： 1. -種表示在槽中玻魏體特徵之方法，該方法包含： 耦合聲波經由槽的外部表面至玻璃熔體内， . 感測玻璃熔體中被反射的聲波；以及 相對應於被感測之反射聲波以測定出玻璃溶體中不句雜 質的存在。 ” 2·依齡請專利細第i項之方法，其中更進—步包含 玻璃溶體通過槽。 3.依據申請專利範圍第1項之方法其中在玻璃 不__#在相_於至少—個所量測反射聲波之通過& 時間，振幅以及頻率。 4·依射請專利範圍第丨項之方法，其中不勻雜質為氣體。 5. 依射請專利範圍第丨項之方法，其中不勻雜質為固體。 6. 依射請細繼1項之綠，其帽合聲波包含輕合 第-超音波轉換器經由第-波導管至槽之表面。 7·依據申請專娜圍第6奴方法射轉絲為 換器。 8. 依據申請專利範圍第6項之方法，其中反射聲波被_合 至第二超音波轉換器，其經由第二波導管輕合至槽外側表 面。 9. 依據”翻_第丨項之方法其中槽由賴構成。 10. 依據申請專利範圍第8項之方法其中第一及第二波導 管均包含拉伸金私、蕊棒錢非金屬包層。 11·依據申請專利範圍第8項之方法其中第一及第二波導 第 19 官 1359119 管均包含喊聽層。 IdJJi正替換頁丨 12. 依據申請專利範圍幻項之方法其中測定不勾雜質的 存在更進一步包含測定玻璃熔體之溫度。 13. —種表示玻璃熔體特徵之裝置，該裝置包含： 容納玻螭熔體之槽； 第波導管，其麵合至槽之外側表面以聲輕合地來自第 一轉換器之聲波至玻璃熔體；以及 由第二波導管，其耦合至槽之外側表面以聲耦合地來自 玻璃熔體之聲波至第二轉換器，反射聲波與破璃熔體中不 勻雜質相對應； 其中第一及第二波導為共線的或排列成v形狀。 14. 依據申請專利範圍第13項之裝置，其中槽由鉑所構成。 15. 依據申請專利範圍第13項之裝置，其中更進一步包含第 一及第二管件，其實際地耦合至槽與第一及第二波導管同 心的以分別地界定出聲波槽之輻射以及接收區域。 16·依據申靖專利範圍第13項之裝置，其中第一及第二波導 管係沿著該管共同縱向軸對準。 Π.依據申請專利範圍第16項之裝置，其中第一及第二波導 官均包含具有非金屬包層護套之金屬心蕊。 18·依據申請專利範圍第17項之裝置其中第一及第二波導 管沿著槽之直徑對準。 19.依據申請專利範圍第13項之裝置其中該裝置構成玻璃 製造系統 第 20 頁 1359119 1/4

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1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1®0 IKK) 温度rc) 第四圖

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