DE3512851C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Spannungen in Float-Glas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff von Patentanspruch 9.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Messung von Spannun­ gen von Float-Glas auf der Fertigungsstraße.

Während der im Anschluß an die Herstellung des Glasbandes er­ folgenden Kühlbehandlung versucht man, die im Glasband vor­ handenen Spannungen auf die für den Anwender annehmbaren Werte zu verringern.

Die Kühlbehandlung soll ferner die Gefahren des Bruchs im Au­ genblick des Schneidens, insbesondere die, wenn sie entste­ hen, schwierig zu handhabenden Erscheinungen des "Bruchs in der Länge" verhindern. Es ist bekannt, durch lokalisierte Wärmebehandlungen die Temperatur des Glasbands derart aus­ zugleichen, daß die Spannungen reduziert werden. Hierfür ist es jedoch erforderlich, sehr schnell einzugreifen und die Messungen der Spannungen, die für diese korrigierenden Be­ handlungen durchgeführt werden, müssen kontinuierlich und so schnell wie möglich auf der Bahn des Glasbands vorgenommen werden.

Die Kenntnis der permanenten Spannungen ist ferner für die Optimierung des Schneidvorgangs von Bedeutung. Tatsächlich ermöglicht die Kenntnis der permanenten Spannungen im Float- Glasband die Wahl eines Schnitts, der zu einem Maximum an Scheiben führt, in welchen die Spannungen akzeptabel sind. Mit anderen Worten erlaubt es die Kenntnis der Spannungen, den Anteil des hergestellten Glases zu verringern, der nicht den festgesetzten Normen genügt.

Bislang ist die Messung von Spannungen im Float-Glasband mittels optischer Einrichtungen vorgenommen worden. Das Vor­ handensein von Spannungen führt zur Erscheinung einer Doppel­ brechung des Glases. Die Ermittlung und die Messung dieser Doppelbrechung dienen zur Bestimmung der Spannungen im Glas.

Die Messung der Doppelbrechung wird mittels eines Verfahrens durchgeführt, welches polarisiertes Licht verwendet. Nach einem solchen Verfahren durchquert ein zuvor polarisiertes Lichtbündel das Glasband und ein Viertel-Wellenlängenplätt­ chen. Das Vorhandensein von Spannungen bedingt eine Umwand­ lung des Bündels. Das Bündel gelangt dann in einen zweiten Polarisator und wird dann von einer Zelle aufgenommen, welche das Lichtsignal in ein elektrisches Signal wandelt. Einer der Polarisatoren wird relativ zum anderen drehend angetrieben, was zu einem sich periodisch ändernden Intensitätssignal führt. Das Viertelwellenlängenplättchen wird zwischen dem zu untersuchenden Glas und dem drehend angetriebenen Polarisator angeordnet. Das Vorhandensein der Doppelbrechung im Glas führt zu einer Phasenverschiebung der Intensitätsänderungen bezüglich denen, die einem isotropen Glas entsprechend (oder im Falle des Fehlens von Glas). Man zeigt, daß die beobach­ tete Änderung bzw. Phasenverschiebung unmittelbar von den im untersuchten Glasband vorhandenen Spannungen nach der folgen­ den mathematischen Gleichung abhängt:

α = P.C.d x Π./λ,

wobei

• - α der Winkel der Messung der Phasenverschiebung ist, ausgedrückt im Bogenmaß,
• - P die Spannung bezeichnet,
• - C eine vom Glas abhängige Konstante ist, die als photoelastische Konstante oder Brewster-Konstante bezeichnet wird,
• - d die Dicke des Glases
• - λ die Wellenlänge des Lichtbündels der Analyse.

Bei einem Band aus Float-Glas sind die Längsspannungen norma­ lerweise sehr viel höher als die Querspannungen, wenn man die Messung in einem ausreichenden Abstand vom Ende des Bands durchführt. Infolgedessen wird lediglich eine Messung zur Be­ stimmung der Längsspannungen durchgeführt.

Die Erfahrung zeigt, daß auf einer Fertigungsstraße für Float-Glas die Verteilung der Längsspannungen über relativ lange Zeitperioden im wesentlichen gleich bleibt. Messungen, deren Dauer über die gesamte Breite des Bands einige Minuten beträgt, eignen sich gut für die beabsichtigten Prüfungen. Aus diesem Grund ist es üblich, eine bewegliche Meßeinheit zu verwenden, die in Querrichtung hin und herbewegt wird, um kontinuierlich die Spannungen über die gesamte Breite des Glasbands zu bestimmen. Eine Vorrichtung dieser Art ist bei­ spielsweise in der US-PS 2 993 402 beschrieben. Obgleich vom Prinzip her die beschriebenen Verfahren bislang die Messungen von Spannungen ermöglichen, so können jedoch in der Praxis zahlreiche Fehler bzw. Störungen die Verwendbarkeit dieser Messungen gefährden, bzw. in Frage stellen. Diese Störungen basieren entweder auf der Wahl der verwendeten Einrichtungen, deren Genauigkeit oder Zuverlässigkeit nicht ausreichend ist, oder auf physikalischen Faktoren, deren Veränderungen die Messungen beeinflussen und die bei den zuvor beschriebenen Verfahren nicht in Betracht gezogen worden sind.

Die Verbesserung dieser Spannungsmessungen, die eine der Auf­ gaben der Erfindung ist, ist umso mehr erstrebenswert, als man bestrebt ist, durch die Normen in diesem Gebiet defi­ nierte Toleranzen gewissenhaft einzuhalten. Die systematische Unsicherheitsmarge bei der Messung der Spannungen führt zur Auferlegung einer noch strikteren Norm, um das Einhalten der offiziellen Norm zu garantieren.

Im übrigen haben die Spannungsmessungen außer der Überwachung der Gleichmäßigkeit der Erzeugnisse auch einen korrigierenden Eingriff auf das Erzeugnis im Verlauf der Herstellung zum Ziel. Das Auftreten anormaler Spannungen im Glasband wird beispielsweise durch lokale Veränderung der thermischen Be­ dingungen durch den Kühlofen korrigiert, in welchem die Küh­ lung vorgenommen wird. Eine bessere Kenntnis der Spannungen erlaubt eine genauere Regelung der Betriebszustände und folg­ lich eine Verbesserung der Qualität der hergestellten Pro­ dukte.

Die bei Float-Glas vorgenommenen Spannungsmessungen treffen auf bestimmte Schwierigkeiten, die auf Bedingungen beruhen, unter welchen diese durchgeführt werden. Im besonderen ist es erstrebenswert, Messungen am Glas schon beim Austritt aus dem Kühlofen vorzunehmen, um so schnell als möglich eventuelle ermittelte Störungen mittels dieser Messungen korrigieren zu können. Am Ausgang des Kühlofens besitzt das Glasband noch eine relativ hohe Temperatur, die 100°C erreichen oder über­ steigen kann. Es kann somit ein thermisches Ungleichgewicht vorhanden sein, das zu "temporären" Spannungen, die nach vollständiger Abkühlung, wenn infolgedessen die Temperatur gleichmäßig wird, verschwinden werden.

In der Praxis ist es nützlich, die temporären Spannungen von denjenigen Spannungen zu unterscheiden, die bleiben, sobald das Glas die Umgebungstemperatur erreicht hat und die aus diesem Grund permanente Spannungen heißen.

Die Erfahrung zeigt, daß für Temperaturgradienten in der Größenordnung von zehn Grad die Temperaturspannungen einen wesentlichen Teil der gemessenen Spannungen bilden, die 50% erreichen oder übersteigen können.

Aus dem Dokument DE 33 26 555 A1 ist eine Meßvorrichtung be­ kannt, welche die Phasendifferenz von polarisiertem Licht, das durch ein doppelbrechendes Element gegangen ist, in ein elektrisches Signal umsetzt, das den Wert der Phasendifferenz repräsentiert. Dieses Dokument vernachlässigt jedoch völlig den Einfluß der Temperatur auf das Meßergebnis und befaßt sich weiterhin in keiner Weise mit einer Vorrichtung zur Mes­ sung von Doppelbrechungen, wobei die Anwendung auf Spannungs­ messungen nur am Rande Erwähnung findet.

Bei bekannten, den Einfluß der Temperatur nicht unterschät­ zenden Verfahren bemüht man sich, deren Einfluß zu begrenzen, indem die Messung an einem Punkt der Fertigungslinie vorge­ nommen wird, wo das Glas sich auf einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur befindet oder den ungefähren Einfluß der Temperatur auf die durchgeführte Messung abzuschätzen. In letzterem Fall wurde eine systematische Korrektur angewendet, die einen geschätzten Temperaturwert berücksichtigt. Ersicht­ lich ist ein solches Verfahren nicht präzise.

Nach der Erfindung wird fortlaufend gleichzeitig die Messung der Spannungen und der Temperaturen des Bandes aus Float-Glas in einer Richtung quer zur Vorschubbewegung vorgenommen. Diese Messungen werden derart durchgeführt, daß man für jeden Punkt des Glasbandes die Messung der Spannungen und der ent­ sprechenden Temperatur vornimmt, wobei die beiden zusammenge­ faßten Informationen insbesondere die Berechnung der perma­ nenten Spannungen erlauben, wobei diese Berechnung vorteil­ hafterweise automatisch durchgeführt wird.

Veränderungen der Dicke beeinflussen, wie man es aus der For­ mel der oben angegebenen Phasenverschiebung ersieht, unmit­ telbar die Genauigkeit der Messung.

Float-Gläser besitzen eine große Gleichmäßigkeit in der Dicke, jedoch beobachtet man Dickenänderungen, die, selbst wenn sie sehr gering sind (in der Größenordnung von 0,02 mm), die Meßergebnisse der Spannungen beeinflussen und zwar umso mehr, je geringer die Dicke des Glases ist.

Je nach Art der Herstellung des Glasbandes besitzen dessen Ränder sehr häufig eine unterschiedliche Dicke gegenüber dem mittleren Bereich. Eine Korrektur der Dicke ist notwendig, um die Spannungen in den Rändern zu bestimmen.

Die Erfindung ist bemüht, den Ungenauigkeitsfaktor auf die Spannungsmessungen zu eliminieren, den die Schwankungen in der Dicke des Glasbandes bilden.

Es ist festzuhalten, daß die Art der Bestimmung der Spannun­ gen, die im folgenden detailliert beschrieben wird, nicht empfindlich gegenüber eventuellen Änderungen der Transmission des untersuchten Glases ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines Meßaufbaus nach der Erfindung, bei dem das Glasband sich senkrecht zur Ebene des Blatts bewegt,

Fig. 2 eine schematische teilweise Seitenansicht der be­ weglichen Meßelemente nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Anordnung von optischen Elementen für die Durchführung der erfindungsgemäßen Messung,

Fig. 4 relative Winkelanordnungen der optischen Elemente in Fig. 3,

Fig. 5 ein Schema eines vereinfachten optischen Aufbaus unter Verwendung einer Laserquelle,

Fig. 6 die Art einer Phasenverschiebungsbestimmung für die Berechnung der Spannungen,

Fig. 7 ein Schema zur Dickenmessung des Glases,

Fig. 8 ein Schema einer weiteren Art einer Dickenmessung des Glases,

Fig. 9 ein Beispiel der Messung von Spannungen und der Temperatur quer zum Glasband.

Die Meßvorrichtung besitzt in der üblichen Weise einen Säu­ lenrahmen mit zwei Säulen 1, 2, welche beiderseits der Bahn des Bandes 3 aus Float-Glas angeordnet sind. Die Ständer 1, 2 stützen Querbalken 5 und 6, die jeweils oberhalb und unter­ halb des Glasbands 3 angeordnet sind.

Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung am Ausgang eines Kühl­ ofens angeordnet. Das Glas ist an dieser Stelle durch Rollen 7 aufgenommen, die in Fig. 2 dargestellt sind.

Auf jedem Querbalken 5 und 6 sind zwei horizontal angeordnete zylinderförmige Gleitschienen 8, 9 und 10, 11 angeordnet. Auf diesen Gleitschienen sind Schlitten 12, 13 verfahrbar, die auf Gleitlagern 14, 15, 16, 17 angeordnet sind. Auf diesen Schlitten sind ein oberer und ein unterer Gehäusekasten 18, 19 befestigt, welche die für die Messung verwendeten Elemente aufweisen. Die entsprechenden Befestigungsmittel sind nicht dargestellt. Sie erlauben eine momentane Abnahme der Gehäuse­ kästen für beispielsweise die Wartung, ohne den mechanischen Aufbau, der die Verschiebung sicherstellt, zu berühren.

Die Schlitten 12 und 13 sind durch eine einzige Kette 26 an­ getrieben. Diese Kette 26 und das Spiel der Umlenkräder 21, 22, 23, 24, 25 erlauben eine genau identische Verschiebung der beiden Schlitten 12, 13.

Der Motor für die Verschiebebewegung und seine Stell- bzw. Betätigungsteile sind am Ständer 1 befestigt, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt. Das mit dem Motor durch ein Un­ tersetzungsgetriebe verbundene Zahnrad 27 überträgt die Bewe­ gung.

Die gleichzeitige Bewegung der Gehäusekästen kann auch durch elektrisch gesteuerte Antriebseinrichtungen erfolgen, um je­ den Koordinationsfehler bei der Bewegung zu vermeiden, wobei Störungen im Falle von rein mechanischen Einrichtungen auf beispielsweise Verschleiß beruhen können.

Der Innenaufbau der Gehäusekästen 18 und 19 ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei sind die für die Befestigung der ver­ schiedenen Elemente dieser Gehäusekästen verwendeten Teile, wie etwa Laschen, Flansche u. dgl., nicht dargestellt.

Der obere Gehäusekasten enthält zuerst eine zur Bildung einer punktförmigen Lichtquelle bestimmte Einrichtung.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau ist diese Lichtquelle durch eine Lampe 28 für weißes Licht gebildet. Zweckmäßiger­ weise wird eine Halogenlampe verwendet, um Erhitzungsprobleme in Grenzen zu halten.

Eine Linse 29 kondensiert das von der Lampe abgestrahlte Licht. Das punktuelle Abbild der Lampe wird auf einer Blende 30 lokalisiert, welche die Punktlichtquelle bildet. Das von der Blende 30 ausgehende Licht gelangt durch eine Linse 31 (oder ein äquivalentes Bauteil), welches beispielsweise das Bild auf dem Glasband oder in dessen Nähe abbildet.

Für eine präzise Lokalisierung der Spannungen ist es zweck­ mäßig, die dem Lichtbündel ausgesetzte Zone zu begrenzen. In vorteilhafter Weise begrenzt man diese Zone auf einen Durch­ messer weniger als 50 mm und insbesondere weniger als 20 mm.

Das Lichtbündel gelangt dann in einen Polarisator 32 und ein Viertelwellenlängenplättchen 33, dessen neutrale Linien bzw. Indifferenzlinien vorzugsweise 450 zur Achse des Glasbandes verlaufen bzw. gerichtet sind.

Nach Durchquerung der Glasscheibe wird das Lichtbündel durch Elemente aufgenommen, die im unteren Gehäusekasten angeordnet sind. In der Ausführungsform nach Fig. 3 umfassen diese Ele­ mente im wesentlichen einen Analysator 34, dessen Polarisati­ onsebene vorzugsweise unter 45° zur Achse des Glasbandes aus­ gerichtet ist, ein Filter 35 sowie eine lichtempfindliche Zelle 36.

Die Lage der Teile des optischen Systems zueinander wird bei der Montage durch Justierung insbesondere der Relativlage von Gehäuse 37 und 38 geregelt, welche jeweils die Punktlicht­ quelle bildende Einrichtung und die das Analysebündel bil­ dende Optik tragen.

Um eine zufriedenstellende Messung zu erhalten, muß im übri­ gen die optische Achse der Bauteile des oberen Gehäusekastens und des unteren Gehäusekastens über die gesamte Länge gleich sein. In der Praxis übersteigen die Abweichungen nicht 0,5 mm und sind vorzugsweise kleiner als 0,2 mm. Die Regelung bzw. Einstellung muß folglich präzise sein.

Das Prinzip dieser Art von Messung verlangt, daß der Polari­ sator oder der Analysator mit einer Rotationsbewegung ange­ trieben werden. Das Viertelwellenlängenplättchen ist in bei­ den Fällen auf derselben Seite der Glasscheibe angeordnet, wie das der Elemente, welches in einer Rotationsbewegung an­ getrieben wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um den Polarisator 32, der in einem auf einen Bund­ ring 39 geschraubten Rahmen 41 angeordnet ist. Der Bundring 39 ist am Ende des Gehäuses 38 durch eine schematisiert dar­ gestellte Einrichtung befestigt, welche eine Kugellagerung 40 enthält, die eine freie Drehung von Bundring und Rahmen 39, 41 bezüglich des Gehäuses 38 ermöglicht.

Ein Zahnrad 42 ist zwischen dem Bundring 39 und dem Rahmen 41 gehalten. Für das bessere Verständnis der Figur ist einzig der Teil des Rades, der vor dem optischen System liegt, nicht dargestellt worden.

Das Rad 31 erteilt dem Polarisator die durch das Zahnrad 43 übertragene Drehbewegung, welches auf der Achse eines elek­ trischen Synchronmotors 44 angeordnet ist.

Das Viertelwellenlängenplättchen 33 und seine Lagerung 45 sind ebenso wie der Analysator 34 unbeweglich.

Eine Scheibe 46, die Teil einer optischen Codiereinrichtung ist, wird durch die mit dem Polarisator verbundene Drehein­ richtung rotatorisch angetrieben. Die Scheibe besitzt auf ih­ rem Umfang eine sehr große Anzahl von Perforationen, die re­ gelmäßig auf einer einzigen Linie angeordnet sind. Ein Reiter 47 übergreift den Rand der Scheibe 46, wo sich die Perfora­ tionen befinden. Ein Arm des Reiters umfaßt eine Lichtquelle und der andere Arm des Reiters eine lichtempfindliche Zelle. Die Anordnung von Reiter 47 und Scheibe 46 ist derart, daß für jeden Durch- bzw. Vorbeilauf einer Perforation ein Signal durch die lichtempfindliche Zelle gegeben wird.

Dem System zur Messung der Spannungen ist eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur des Glases beigeordnet. Aus Ein­ fachheitsgründen erfolgt die Temperaturmessung mittels eines optischen Pyrometers.

Berücksichtigt man die relativ niedrige Temperatur des Glases am Meßpunkt (in der Größenordnung von 100°C), so müssen die verwendeten Einrichtungen sehr empfindlich sein. Die Einrich­ tungen müssen ferner um so empfindlicher sein, als die nach­ zuweisenden Temperaturgradienten normalerweise etwa 40° nicht übersteigen.

Die Messung mit Hilfe eines optischen Pyrometers ist sehr empfindlich gegenüber verschiedenen äußeren Bedingungen bei der Messung. Um jeden Fehler zu vermeiden, muß man periodisch eine Eichung vornehmen. Es ist möglich, das Pyrometer, wel­ ches mit derselben Bewegung wie die zur Messung der Doppel­ brechung dienenden Einrichtungen angetrieben wird, periodisch nachzueichen (eventuell in jedem Zyklus entsprechend einem Vorlauf und Rücklauf). Die Eichung kann beispielsweise mit einer Glasprobe durchgeführt werden, die mittels einer ther­ mostatisch gesteuert beheizten Platte auf einer exakt defi­ nierten Temperatur gehalten ist.

Das optische Pyrometer muß ferner eine gute Empfindlichkeit gegenüber den von Glas abgegebenen Strahlen besitzen und praktisch unempfindlich gegenüber Umgebungslicht sein. Die Wahl der verwendeten Strahlung muß im übrigen indifferent ge­ genüber der Dicke des zu prüfenden Glases sein. Die Luft muß ferner für die in Frage stehende Strahlung transparent sein.

Vorteilhafterweise wird zur Durchführung ein optisches Pyro­ meter verwendet, welches bei einer Strahlung entsprechend einem schmalen Band der Wellenlänge arbeitet, das auf 5 Mi­ krometer zentriert ist. Dieses Band umfaßt den Bereich zwi­ schen 4,5 und 5,5 Mikrometer, und zwar vorzugsweise zwischen 4,8 und 5,2 Mikrometer.

Es ist ferner wesentlich, ein Pyrometer zu wählen, dessen An­ sprechzeit selbst bei einer geringen Emissivität kurz ist. Je länger die Ansprechzeit bei der im Verlaufe der Verschiebung der Meßvorrichtung bewirkten Messung ist, desto mehr verrin­ gert sich die Auflösung.

Der Umstand, daß die Messung nicht momentan ist, sondern wäh­ rend einer begrenzten Verschiebung bewirkt wird, entspricht der Bildung eines Mittelwerts in einem Bereich, dessen Breite durch die Ansprechzeit des Pyrometers bestimmt ist. Je gerin­ ger diese Zeit ist, desto schmaler ist der Bereich. Berück­ sichtigt man die Empfindlichkeit der vorhandenen Pyrometer, so ist bei den in Betracht kommenden Temperaturen die An­ sprechzeit notwendigerweise in der Größenordnung von 1 Se­ kunde oder weniger.

Selbstverständlich kann die Verschiebegeschwindigkeit der Meßvorrichtung geändert werden, um den der Ansprechzeit ent­ sprechenden Bereich zu reduzieren.

Das Pyrometer kann so ausgerichtet werden, daß es denselben Bereich der Oberfläche des Glases erfaßt, der für die Messung der Doppelbrechung beobachtet wird. Das Pyrometer ist in einem der beweglichen Gehäusekästen angeordnet. Um eine Staubablagerung auf dem Objektiv des Pyrometers zu vermeiden, ist es zweckmäßig, das Pyrometer im oberen Gehäusekasten an­ zuordnen. Das in Fig. 3 dargestellte Pyrometer 48 ist auf den für die Messung der Spannungen beobachteten Punkt des Glases gerichtet. Bei dieser Anordnung bildet das Pyrometer mit der Vertikalen einen Winkel von etwa 30°.

Bei einer anderen Anordnung kann die Zielrichtung des Pyrome­ ters senkrecht zur Glasscheibe sein, um die Gefahr von Stö­ rungen durch parasitäre Strahlungen zu vermindern. Diese An­ ordnung entspricht auch dem Maximum an eingefangener Strah­ lungsenergie und erlaubt folglich den Betrieb mit einer er­ höhten Empfindlichkeit.

Wenn die Ausrichtung des Pyrometers senkrecht zum Glas er­ folgt, sind in einem gegebenen Zeitpunkt die für die Messun­ gen der Temperaturen und der Spannungen beobachteten Zonen notwendigerweise unterschiedlich, selbst wenn diese nicht weit entfernt sind. Wenn in diesem Fall eine kontinuierliche Korrektur beabsichtigt ist, führt man in die Meßeinrichtung eine Verweil- bzw. Verzögerungszeit ein, um die für denselben Punkt gemachten Messungen zusammenfallen zu lassen. Die ein­ geführte Verschiebung wird folglich eine Funktion des die beiden beobachteten Zonen trennenden Abstands und der Ver­ schiebegeschwindigkeit der Vorrichtung sein.

Die zuvor beschriebenen Bauteile bzw. Elemente bilden nur eine Ausführungsform der Vorrichtung, jedoch sind Abänderun­ gen durch Austausch bestimmter Bauteile durch analoge Bau­ teile möglich.

Insbesondere ist es möglich, die Lampe durch eine Laserquelle zu ersetzen, um den optischen Teil der Vorrichtung leichter zu machen und auch die Leistung zu verbessern. Das durch eine Laserquelle erzeugte Strahlenbündel ist geometrisch sehr gut bestimmt, so daß man die gesamte zur Bildung des Bündels bestimmte Optik, nämlich die Linse 29, die Blende 30 und die Linse 31 entfallen lassen kann.

Im Sinne einer Vereinfachung des Aufbaus der für die Messung der Spannungen verwendeten Einrichtungen bzw. der Teile ist es möglich, eine polarisierte Laserquelle zu verwenden. In dies ein Fall enthält der optische Aufbau nicht mehr den Pola­ risator und der Analysator wird im Sinne einer Rotationsbewe­ gung angetrieben.

Die in Fig. 5 schematisiert wiedergegebene vereinfachte Meßvorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Laserquelle 50 auf der einen Seite der untersuchten Glasscheibe und auf der an­ deren Seite der Glasscheibe ein Viertelwellenlängenplättchen 51, einen drehenden Analysator 53 und die Empfängerzelle 54.

Ferner erlaubt ein Laserbündel, welches monochromatisch ist, die Erhöhung der Präzision der Vorrichtung.

Wie oben bereits angegeben worden ist, geht in die Formel für die Messung die Wellenlänge des verwendeten Strahlenbündels ein. Die Wahl von monochromatischem Licht unterdrückt die Dispersion, die notwendigerweise die Verwendung eines weißen Lichts begleitet. Die beobachteten Erscheinungen sind dann besser definiert. Das Viertelwellenlängenplättchen kann so gewählt werden, daß es exakt der der Lichtquelle entspricht.

In vorteilhafter Weise verwendet man beispielsweise eine He- Ne-Laserquelle mit einer Wellenlänge von 632,8 nm.

Die Messung der Spannungen wird nach einem üblichen Kompensa­ tionsverfahren bewirkt, nach S´narmont, Friedel oder Tardy. Die in diesen verschiedenen Fällen verwendeten Elemente füh­ ren zu einigen Unterschieden, jedoch ist die resultierende Analyse im wesentlichen derselben Art.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Art ist eine Messung nach Friedel.

Bei diesem Meßverfahren bestimmt die Richtung der Spannungen die des Viertelwellenlängenplättchens und des festen Analysa­ tors.

Wenn bei dem oben beschriebenen Typus der Polarisator rotato­ risch angetrieben wird, wäre das Verfahren exakt identisch zur Verwendung eines festen Polarisators und eines drehenden Analysators entsprechend dem Verfahren nach S´narmont.

Das Viertelwellenlängenplättchen ist derart angeordnet, daß seine neutralen Linien vorzugsweise unter 45° zur Vor­ schubrichtung des Glasbands liegen, d. h. zur Richtung der ge­ messenen Spannungen. Der Analysator ist gleichermaßen unter 45° zur Richtung der Spannungen (Fig. 4) angeordnet. Diesen Stellungen entspricht ein Maximum an Empfindlichkeit für die­ ses Meßverfahren. Man hat dann tatsächlich einen maximalen Unterschied zwischen dem Minimum und dem Maximum der empfan­ genen Lichtintensität. Für ein monochromatisches Lichtbündel ist das Minimum selbst 0.

Wenn das optische Prinzip der Vorrichtung gut eingehalten wird, verändert sich die Intensität des durch den Analysator übertragenen Lichts im Laufe der Zeit in sinusförmiger Weise mit der Drehung des Polarisators. Die Einführung des Glases mit Doppelbrechung in die Bahn des Bündels erzeugt eine Pha­ senverschiebung der Minima und Maxima der Intensität. Diese Phasenverschiebung erlaubt die Bestimmung des Werts der Span­ nungen, wie oben angegeben worden ist.

Die Änderungen der Lichtintensität hinter dem Analysator wer­ den in ein elektrisches Signal durch das lichtempfindliche Element 36 umgewandelt. Zuvor eliminiert der in der Bahn des Lichtbündels angeordnete Filter 35 einen Teil der schädlichen Strahlungen, die die Messung stören könnten.

Die Wahl des Durchlaßbandes des Filters ist selbstverständ­ lich eine Funktion der Lichtquelle, aber auch der anderen verwendeten optischen Elemente. Wenn man beispielsweise ein Viertelwellenlängenplättchen verwendet, das für Werte von 400 und 700 nm korrigiert ist, ist es vorteilhaft, einen Filter zu wählen, dessen Durchlaßband im korrigierten Bereich, d. h. 400 bis 700 nm, liegt.

Fig. 6 zeigt das Meßprinzip einer hervorgerufenen Phasenver­ schiebung während der Messung der Spannungen. Die Kurve A zeigt schematisch das allgemeine Bild der durch die licht­ empfindliche Zelle aufgenommenen Intensität in Abhängigkeit von der Zeit. Die Periodizität der Erscheinung ist durch die Geschwindigkeit der Rotation des Polarisators bestimmt.

Die von der Zelle 36 weitergegebenen Signale werden durch eine Datenverarbeitungsanlage verarbeitet, die gleichzeitig die Impulse von dem optischen Codierer 47 erhält.

Man bestimmt die Intensitätsminima, könnte aber auch in der­ selben Weise die Maxima bestimmen. Angesichts der Ungenauig­ keit der Bestimmung von einzelnen Punkten arbeitet man mit einer indirekten Bestimmung. Hierzu fixiert man einen Schwellwert in der Datenverarbeitungsanlage, welcher die In­ tensitätskurve sauber schneidet und nicht sehr abweicht von den Minimas. Dieser Schwellwert ist durch die Linie S ge­ zeichnet. Die Lage des Minimums wird als mit gleichem Abstand von zwei benachbarten Schnittpunkten n₁, n₂ errechnet. Selbst wenn die Kurve nicht exakt symmetrisch ist, ist der auf diese Weise erhaltene Fehler erheblich geringer als der, der syste­ matisch bei der unmittelbaren Bestimmung der Minima resultie­ ren würde.

Die "Lage" der Schnittpunkte mit dem Schwellwert und infolge­ dessen die der Minima wird lokalisiert in Bezug auf die Zäh­ lung der Impulse, die von der Drehung der Scheibe 46 abhän­ gen.

Je mehr die Anzahl der Impulse pro Umlauf erhöht wird, desto größer ist somit die Genauigkeit der Messung. In Praxis ver­ wendet man in vorteilhafter Weise eine Scheibe, die minde­ stens 2000 Perforationen und vorzugsweise 4000 Perforationen oder mehr besitzt.

Die Messung beginnt, wenn die Vorrichtung auf der Seite jen­ seits des Glasbands ist. Die Lage der so gebildeten Sinus­ welle dient als Bezug. Wenn infolge einer Querverschiebung die Vorrichtung sich oberhalb des Glases befindet, ist die Sinuskurve bezüglich der vorhergehenden phasenverschoben. Der Abstand zwischen den Minima, die durch die Anzahl von Impul­ sen des optischen Codierers definiert sind, welche die Minima trennen, ist die Messung dieser Phasenverschiebung.

Es ist hervorzuheben, daß bei dem Zählsystem nach der Erfin­ dung ein nicht einwandfreies Funktionieren oder einfach eine Ungenauigkeit des Motors, der den Polarisator in Drehung ver­ setzt, ohne Einfluß auf das Meßergebnis ist. Die Zählung der Impulse ist durch die Konstruktion genau mit der Bewegung des Polarisators verbunden. Das ist nicht der Fall bei den Anord­ nungen, bei denen die Bewegung durch eine chronometrische Messung definiert ist.

Die Einrichtungen für die Analyse und die Verarbeitung der Signale empfangen im übrigen die durch das optische Pyrometer abgegebenen Informationen bezüglich der Temperatur des Glases in der untersuchten Zone. Eine Korrektur der Spanung wird so­ mit vorzugsweise automatisch durch die Verarbeitungseinrich­ tung durchgeführt, um unmittelbar den Wert der permanenten Spannung zu geben.

Die Korrektur der Temperatur wird nach der folgenden Relation durchgeführt:

P = P_m - E. α Δ T,

wobei:

• - P_m die gemessene Spannung,
• - E der Young-Modul,
• - α der Ausdehnungskoeffizient,
• - Δ T die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der mittleren Temperatur des Glases ist, welche über die gesamte Breite der Scheibe bestimmt ist.

Die Verfahren zur Bestimmung der Dicke, die nach der Erfin­ dung durchgeführt werden, sind gleichermaßen vorteilhafter­ weise optischer Natur. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, ein geometrisch gut definiertes Bündel (beispielsweise ein Laser-Lichtbündel) auf den Punkt der untersuchten Glas­ scheibe 55 mit einem genau bestimmten Einfallswinkel derart zu werfen, daß man auf beiden Seiten der Scheibe Reflexionen erhält, wie in Fig. 7 dargestellt ist.

Es ist festzuhalten, daß sich die wesentlichsten Änderungen der Dicke als Wellenlinien in Zylinderform mit geringer Amplitude ergeben, deren Erzeugende im Vorschubrichtung des Glasbands gerichtet sind.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren verläuft die in Fig. 7 dar­ gestellte Einfallsebene in Richtung der Länge des Glasbandes.

In Fig. 7 ist der Einfallswinkel relativ groß, nämlich in der Größenordnung von 30°. Dies ist nur zum Zwecke der Darstel­ lung und zur Erleichterung des Verständnisses gemacht. Ein nahe der Normalen einfallendes Lichtbündel kann bevorzugt sein, insbesondere um zu bewirken, daß die reflektierten Lichtbündel auf der ersten und der zweiten Seite des Bandes sich wenig voneinander unterscheidende Intensitäten ergeben. Ferner wird deren Ermittlung erleichtert.

Die auf jeder der Seiten reflektierten Bündel R₁, R₂ werden auf einem lichtempfindlichen Detektor 56 aufgenommen, der aus einer Anzahl von Photodioden mit kleinen Abmessungen gebildet ist, welche miteinander verbunden sind und die Bestimmung des Abstands d erlauben, welcher die beiden Bündel trennt. Dieser Abstand ist unmittelbar mit der Dicke der Scheibe e verbun­ den. Für geringe Einfallswinkel ist der Ausdruck e:

e = nd/2i,

wobei

• - i der Einfallswinkel,
• - n der Index der Glasscheibe

ist.

Es ist möglich, nach einem analogen Prinzip die Messung des Abstands d durch eine Zeitmessung zu ersetzen.

Das Prinzip dieses Verfahrens ist schematisch in Fig. 8 wie­ dergegeben. Das in diesem Fall verwendete Lichtbündel wird auf einem mit großer Winkelgeschwindigkeit umlaufenden Dreh­ spiegel 57 reflektiert. Die Lichtquelle ist hierbei so ange­ ordnet, daß der auf dem Drehspiegel reflektierte Strahl nach Durchgang durch die Linse 60 parallel in derselben Richtung und in der Ebene der Figur bleibt. Ein reflektierter Strahl bestreicht somit ein Segment der Ebene. Eine Blende 58 mit sehr kleiner Abmessung ist in der durch die auf der Oberflä­ che der Glasscheibe reflektierten Strahlen bestrichenen Bahn an einem Punkt angeordnet, daß sie alternativ jeweils zu den Zeiten t₁ und t₂ einen auf der ersten und der zweiten Seite der Scheibe reflektierten Strahl empfängt. In Kenntnis der Winkelgeschwindigkeit des Drehspiegels ist die Messung des Zeitintervalls, welches zwei Signale trennt, die durch eine hinter der Blende 58 angeordnete Zelle 59 aufgenommen werden, eine Messung des Winkels, um den sich der Spiegel gedreht hat.

Der Winkel, der notwendig ist, um den einfallenden Strahl zu drehen, damit die zwei Reflexionen koinzident sind, steht in einer geometrischen Beziehung zu der Dicke des Glasbandes, wie im vorhergehenden Verfahren.

Nach diesen Verfahren wird die Dicke mit einer sehr hohen Präzision bestimmt. Diese Verfahren erlauben es, Dickenände­ rungen von zehn Mikrometer zu erfassen.

Die Messung der Dicke wird unmittelbar von der Verarbeitungs­ einrichtung für die Korrektur der Messungen der Spannungen verwendet.

Die gefundenen Werte unter Berücksichtigung der verschiedenen vorgenommenen Korrekturen erlauben die Abschätzung des Endzu­ stands der Spannungen für das Glas bei Umgebungstemperatur, aber selbstverständlich gleichermaßen die temporären Spannun­ gen, die bei Regelungen von Bedeutung sind, die bei Kühlbe­ handlungen angewendet werden.

Nach der Erfindung ist es auch möglich, der Meßvorrichtung Regeleinrichtungen für die thermische Behandlung zuzuordnen, so daß automatisch Korrekturen nach vorbestimmten eingespei­ cherten Instruktionen vorgenommen werden.

Die Funktion einer Vorrichtung nach der Erfindung ist im De­ tail im folgenden beispielshalber beschrieben.

Die Meßanlage ist am Ausgang des Kühlofens für das Float-Glas an einer Stelle angeordnet, wo die Temperatur des Glases bei etwa 100°C liegt.

Das Glasband besitzt eine Breite von 3200 mm und eine Dicke von 7 mm. Diese Dicke, die auf dem Gleichgewichtszustand des Glases auf dem Zinnbad beruht, führt zu einem Band, dessen Ränder praktisch dieselbe Dicke aufweisen wie der Rest des Bandes.

Die Vorschubgeschwindigkeit des Glases beträgt 7 m/min.

Die translatorisch angetriebene Meßvorrichtung bewirkt eine Querverschiebung in einer Minute. Nach Wahl können die Mes­ sungen einfach beim Vorlauf oder beim Vorlauf und Rücklauf vorgenommen werden.

Die Verschiebegeschwindigkeit kann selbstverständlich geän­ dert werden, jedoch muß man die Ansprechzeit der Meßvorrich­ tungen, insbesondere der Temperaturmessung, berücksichtigen. Im übrigen ist eine Erhöhung der Abtastfrequenz praktisch nutzlos. Die ermittelten Veränderungen sind relativ träge und die Änderungen der Regelungen bzw. Einstellungen für die ther­ mischen Behandlungen können nicht schnell genug wahrgenommen werden aufgrund der thermischen Trägheit des Kühlofens. Aus diesen Gründen ist ein sehr schnelles Ansprechen normaler­ weise nicht notwendig und das Wesentliche ist, die eventuel­ len Abweichungen im Betrieb über lange Betriebsperioden er­ mitteln und korrigieren zu können.

Für die Temperaturmessung beträgt unter Berücksichtigung des Temperaturniveaus und der Empfindlichkeit des verwendeten Py­ rometers die Zeit des Gleichgewichts größenordnungsmäßig 5 Sekunden, was der Bestimmung der mittleren Temperatur in den Bereichen entspricht, die einem Zwölftel der Breite der Glas­ scheibe entsprechen, nämlich 250 mm. Unter Berücksichtigung dessen, daß die Temperaturgradienten über die Breite der Scheibe sehr progressiv sind, reicht diese Art der Messung aus.

Der Synchronmotor dreht mit 1800 U/min und treibt den Polari­ sator mit 360 U/min an.

Die Messung der Dicke ist kontinuierlich und momentan.

Die Diagramme in Fig. 9 zeigen in typischer Weise die Verän­ derungen der (gemessenen und korrigierten) Spannungen und die Veränderungen der Temperaturen über die gesamte Breite der Scheibe.

Die drei Kurven a, b, c stellen jeweils die gemessene Span­ nung, die Temperatur und die aus dieser Temperatur resultie­ rende Spannung und die verbleibende Spannung dar, die der Differenz der zwei ersteren entspricht.

Sämtliche Messungen sind über die gesamte Breite des Glas­ bands gemacht, die in der Abszisse dargestellt ist.

Die beobachteten Spannungen sind Druckspannungen an den Rän­ dern und Zugspannungen im mittleren Bereich.

Die Temperaturen sind im mittleren Bereich höher als an den Rändern.

Die Korrektur der gemessenen Spannungen abhängig unter Be­ rücksichtigung der Temperatur führt zu sehr verschiedenen bleibenden Spannungen bzw. Restspannungen und dies, obgleich die gemessenen Temperaturgradienten relativ gering sind (etwa 25°C).

Claims (13)

1. Verfahren zur Messung der Spannungen in einem Band aus Floatglas auf der Fertigungsstraße, das durch überstreichen der gesamten Breite des Glasbandes durchgeführt wird, und das die Einleitung eines Bündels von polarisiertem Licht in das Glasband und die Analyse des austretenden polarisierten Lichtes umfaßt, das infolge der Spannungen und der dadurch bedingten Doppelbrechung eine Phasenverschiebung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen an gewählten Stellen auf dem Glasband hinter dem Ausgang des Kühlofens bei verhältnismäßig hoher Temperatur gemessen werden und an den selben Stellen zur selben Zeit auch die lokale Temperatur des Glasbandes bestimmt wird, und daß aus der Kombination der gemessenen Spannungs- und Temperaturwerte sowohl die momentanen Spannungen im warmen Glasband wie auch die Spannungen berechnet werden, die nach dem Abkühlen des Glasbandes verbleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung des Glases an dem Analysenpunkt für die Bestimmung der Spannungen optisch aufgrund von Strahlung durch das Glas durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit einem Teil der emittierten Strahlung mit Wellenlängen zwischen 4,5 und 5,5 Mikrometer bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung periodisch durch Messung einer auf eine bestimmte Temperatur gebrachten Glasprobe ge­ eicht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessungen für jede Verschiebung fest­ gehalten und automatisch verarbeitet werden, um einen Mittelwert der Temperatur über die Breite des Glasbands zu bilden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig eine optische Messung der Dicke des Glasbands an der Meßstelle der Spannungen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenmessung mittels eines monochromatischen Lichtbündels erfolgt, welches auf das Glasband gerich­ tet und auf beiden Seiten des Glasbands reflektiert wird, wobei der die beiden reflektierten Lichtbündel trennende Abstand eine indirekte Messung der Dicke ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenmessung mittels einer monochromatischen Lichtquelle bewirkt wird, welche auf einen Drehspiegel gerichtet ist, wobei der auf dem Spiegel reflektierte Strahl auf das Glasband gerichtet und zeitlich von einer lichtempfindlichen Zelle aufgenommen wird, welche hinter einer Blende mit sehr geringer Abmessung angeordnet ist, deren Lage derart gewählt ist, daß die Blende abwechselnd den von jeder der beiden Seiten des Glasbands reflektier­ ten Strahl aufnimmt, wobei die Messung der die beiden Strahlen trennenden Zeitspanne die Winkelveränderung er­ gibt, die notwendig ist, um die beiden Strahlen zusammen­ fallen zu lassen, und somit die Messung der Dicke ermög­ licht.

9. Vorrichtung zum Bestimmen der Spannungen in einem Band aus Floatglas auf der Fertigungsstraße hinter dem Aus­ gang des Kühlofens bei verhältnismäßig hoher Tempera­ tur, gekennzeichnet durch

• - an oberhalb und unterhalb des Glasbandes angeordneten horizontalen Querbalken (5, 6) syn­ chron verfahrbare Schlitten (12, 13),
• - eine Lichtquelle (28) und einen das von der Lichtquelle (28) emittierte Lichtbündel linear polarisierenden Polarisator (32), oder einen li­ near polarisiertes Licht emittierenden Laser (50), an einem der Schlitten (12, 13),
• - einen an dem anderen Schlitten (12, 13) angeord­ neten Analysator (34, 53) und einen lichtempfind­ lichen Empfänger (36, 54) für das den Analysator (34, 53) durchdringende Licht, auf derselben op­ tischen Achse wie die Lichtquelle (28, 50) und der Polarisator (32),
• - einen den Polarisator (32) oder den Analysator (34, 53) in kontinuierliche Rotationsbewegung versetzenden Antrieb (42, 43, 44),
• - ein an dem den mit der Rotationsbewegung ange­ triebenen Polarisator (32) oder den mit der Rota­ tionsbewegung angetriebenen Analysator (34, 53) tragenden Schlitten im Strahlengang des polari­ sierten Lichts angeordnetes Viertelwellenlängen­ plättchen (33, 51), das das linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt,
• - eine Vorrichtung (48) zur Messung der lokalen Temperatur des Glases an der Stelle, an der die Doppelbrechung bestimmt wird, und
• - eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Berechnung der permanenten Spannungen aus den gemessenen Spannungs- und Temperaturwerten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des drehenden Polarisators (32) oder des drehenden Analysators (34, 53), die als Grundlage für die Bestimmung der Messung der Doppelbrechung dient, durch eine optische Codiervorrichtung (46, 47) lokali­ siert wird, welche eine mit dem Polarisator (32) oder dem Analysator (34, 53) verbundene und mit einer Anzahl von Durchgangsöffnungen versehene Scheibe (46) auf­ weist, welche sich zwischen einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Empfänger bewegt, wobei die Lage der Scheibe (46) und somit des drehenden Polarisators (32) oder Analysators (34, 53) durch Abzählung der durch den lichtempfindlichen Empfänger bei jedem Durchgang einer Öffnung aufgenommenen Impulse bestimmt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung durch ein optisches Pyrometer (48) gebildet ist, welches gegen­ über Wellenlängen zwischen 4,5 und 5,5 Mikrometer empfindlich ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Pyrometer (48) auf einem der die Ein­ richtung zur Messung der Doppelbrechung tragenden Schlitten (18, 19) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekenn­ zeichnet durch eine Dickenmeßeinrichtung mit einem Emitter für ein Lichtbündel, das auf die Meßstelle auf dem Glasband gerichtet ist, an welcher die Messung der Doppelbrechung erfolgt, und einem Empfänger für die von den beiden Oberflächen des Glasbands reflektierten Lichtbündel, um den die Lichtbündel trennenden Abstand zu bestimmen.