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Dokumentenidentifikation DE102005015651A1 19.10.2006
Titel Verfahren und Schaltungsanordnung zur Impedanzbestimmung an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne sowie Verwendung des Verfahrens und Vorrichtung zur Herstellung von Glas
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Keding, Ralf, Dr., 07743 Jena, DE;
Weidmann, Günter, 55237 Flonheim, DE;
Pfeiffer, Thomas, Dr., 55218 Ingelheim, DE;
Hahn, Michael, 65329 Hohenstein, DE;
Röth, Gernot, 55278 Dalheim, DE
Vertreter Patentanwälte Kewitz & Kollegen Partnerschaft, 60325 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 05.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005015651
Offenlegungstag 19.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.2006
IPC-Hauptklasse G01N 27/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne, bei welchem Verfahren ein mit einer vorbestimmten Frequenz moduliertes Signal an zueinander beabstandeten Messstellen (10, 11) angelegt wird und von den Messstellen zumindest ein Messsignal abgeleitet wird, das jeweils mit einem zu dem modulierten Signal phasenstarren Referenzsignal demoduliert wird, um zumindest eine Messgröße zu bestimmen, die repräsentativ für die Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur qualitativen oder quantitativen Impedanzbestimmung an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne, insbesondere zur qualitativen oder quantitativen Bestimmung der Impedanz der Glasschmelze selbst, sowie die Verwendung dieses Verfahrens und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas.

Zur elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen werden Heizstäbe aus hoch schmelzenden Metallen, wie beispielsweise Molybdän, Wolfram oder Platin, in die Glasschmelze geschoben. An die Heizstäbe werden hohe Wechselspannungen angelegt, sodass zwischen den Heizstäben hohe Heizströme fließen. Es hat sich gezeigt, dass sich die metallischen Heizstäbe allmählich auflösen, was durch ein mechanisches Nachstellen der Heizstäbe kompensiert werden kann. Dieses Nachstellen erfolgt üblicher Weise durch eine Bedienperson aufgrund einer subjektiven Bestimmung der Länge und des Abbrands der Heizstäbe. Wünschenswert für ein genaueres Nachstellen der Heizstäbe wäre jedoch die Bestimmung einer elektrischen Größe, die als Grundlage für eine elektronische Steuerung oder Regelung an der Glasschmelzwanne dienen könnte.

Die Bestimmung von elektrischen Größen an elektrisch beheizten Glasschmelzwannen stößt jedoch aufgrund der hohen Spannungen, die im Glasbad gegen Erde herrschen, auf Schwierigkeiten. So erfolgt die Beheizung der Schmelzwannen üblicherweise mit 3-Phasen-Wechselstrom, sodass drei Gruppen von Heizstäben gebildet werden, zwischen denen der vergleichsweise hohe Heizstrom fließt. Durch die hierzu erforderliche Phasenanschnittsteuerung wird ein breites Spektrum an elektrischen Störungen erzeugt, was die Ableitung aussagekräftiger elektrischer Messgrößen erheblich erschwert. Die an elektrisch beheizten Glasschmelzwannen anliegenden vergleichsweise hohen Wechselspannungen erschweren überhaupt elektrische Messungen erheblich. Diese sind mit üblichen, käuflich erhältlichen Messgeräten praktisch nicht möglich.

Im Stand der Technik wird deshalb häufig von alternativen Messverfahren Gebrauch gemacht. So offenbart DE 198 47 318 C1 der Anmelderin die Verwendung einer Ultraschallmessung zum betrieblichen Einstellen der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen, wobei die Laufzeit eines Ultraschall-Echoimpulses, der vom in die Glasschmelze hineinragenden vorderen Endes des jeweiligen Heizstabes reflektiert wird, gemessen wird und mit einem Sollwert verglichen wird. Auf der Grundlage dieses Vergleichs werden die Heizstäbe anschließend nachgestellt, dass heißt weiter in die Glasschmelze geschoben oder herausgezogen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine elektrische Messgröße zuverlässig an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne zur Charakterisierung des Betriebszustands abgeleitet werden kann. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll auf der Grundlage einer so abgeleiteten elektrischen Messgröße ein Prozess zur Herstellung von Glas in einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne überwacht, gesteuert oder geregelt werden. Gemäß weiteren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung soll ferner eine Schaltungsanordnung zur Verwendung bei einem solchen Verfahren sowie eine Vorrichtung mit einer solchen Schaltungsanordnung zur Herstellung von Glas bereitgestellt werden. Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1, dessen Verwendung nach Anspruch 14, eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 26 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne bereitgestellt. Dabei kann die Impedanz qualitativ bestimmt werden, das heißt eine für die Impedanz repräsentative Messgröße abgeleitet werden, beispielsweise ein Messstrom oder eine Messspannung. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die Impedanz auch quantitativ bestimmt werden. Wie nachfolgend noch ausführlicher dargelegt werden wird, eignet sich die Impedanz, insbesondere die Impedanz der Glasschmelze in überraschend vorteilhafter Weise als Parameter, auf dessen Grundlage verschiedenste Prozesse im Rahmen der Herstellung von Glas mittels elektrisch beheizter Glasschmelzwannen überwacht, gesteuert oder geregelt werden können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein mit einer vorbestimmten Frequenz moduliertes Signal an zueinander beabstandete Messstellen in oder an der elektrisch beheizten Glasschmelzwanne angelegt und wird von diesen Messstellen zumindest ein Messsignal abgeleitet, das jeweils mit einem Referenzsignal, das zu dem modulierten Signal phasenstarr (phase-locked) ist, demoduliert, um so zumindest eine Messgröße zu bestimmen, die repräsentativ für die Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz ist.

Erfindungsgemäß wird somit eine Detektionsanordnung verwendet, die präzise auf die Frequenz des Referenzsignals abgestimmt ist. Das Messsignal kann somit sehr schmalbandig hochverstärkt werden, sodass der Einfluss von elektrischen Störungen vernachlässigbar ist. Zur Demodulation wird das zu messende Signal mit dem phasenstarren Referenzsignal moduliert, das insbesondere von einem Signalgenerator, der das modulierte Signal bei der vorbestimmten Frequenz erzeugt, bereitgestellt wird. Weil jegliches Rauschen, das ebenfalls mit dem phasenstarren Referenzsignal multipliziert wird, keine feste Frequenz- oder Phasenbeziehung zu dem Referenzsignal aufweist, trägt Rauschen nicht zu dem durch die Demodulation erzeugten DC-Messsignal bei. Somit kann erfindungsgemäß ein hoher Verstärkungsfaktor gewählt werden, was die Bestimmung bzw. Messung von elektrischen Größen selbst bei Vorliegen von beträchtlichen elektrischen Störungen ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil ist, dass erfindungsgemäß bei nahezu beliebigen Frequenzen, insbesondere bei anderen Frequenzen als der Frequenz der Heizspannung, gemessen werden kann. Störungen aufgrund der elektrischen AC-Heizspannung können somit wirkungsvoll ausgeschlossen werden. Insbesondere kann erfindungsgemäß auch kontinuierlich gemessen werden, das heißt auch während eine AC-Heizspannung an die Heizstäbe angelegt wird. Dies ist vorteilhaft, da in einer Glasschmelzwanne aufgrund von unterschiedlichen lokalen Temperaturen und Konzentrationen teilweise erhebliche Thermospannungen auftreten können und die Leitfähigkeit der Glasschmelze mit der Temperatur variiert. Durch die erfindungsgemäß mögliche kontinuierliche Beheizung der Glasschmelzwanne können jedoch solche lokalen Temperatur- oder Konzentrationsunterschiede minimal gehalten werden.

Erfindungsgemäß ist das modulierte Signal insbesondere ein sinusförmiges Signal ohne Gleichstromanteil. Somit können Beläge auf den Heizstäben, die von Gleichstromanteilen hervorgerufen werden, wirkungsvoll unterbunden werden. Ferner können so Elektrolyse-Vorgänge, die insbesondere zu einer störenden Sauerstoffbildung in der Glasschmelze führen können, wirkungsvoll unterbunden werden.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das modulierte Signal mithilfe eines rückstromfesten Verstärkers verstärkt und an die jeweilige Messstelle angelegt. Somit kann das modulierte Signal präzise erzeugt werden, beispielsweise mithilfe eines Präzisions-Signalgenerators, und auf die zur Messung benötigten höheren Spannungen hoch verstärkt werden, ohne dass der Signalgenerator durch die in der Glasschmelzwanne vorherrschenden hohen Wechselspannungen beeinträchtigt wird. Insbesondere kann das modulierte Signal so an spannungsführende Messstellen, insbesondere auch unmittelbar an die zur elektrischen Beheizung der Glasschmelzwanne dienenden Heizstäbe, angelegt werden, ohne dass die Messgenauigkeit leidet oder die Messanordnung zerstört wird.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der rückstromfeste Verstärker ein Vier-Quadrantenverstärker, der eine Mehrzahl von Verstärkern zum unabhängigen Verstärken von jeweiligen Eingangssignalen des Signalgenerators aufweist, die an die jeweilige Messstelle angelegt werden können. Somit können gleichzeitig mehrere elektrische Größen abgeleitet werden, um beispielsweise getrennt oder gemeinsam miteinander weiterverarbeitet zu werden. Dabei kann das modulierte Signal bei der vorbestimmten Frequenz in den mehreren Verstärkern mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren hoch verstärkt werden, um an die jeweilige Messstelle angelegt zu werden. Stets sind dabei jedoch die hochverstärkten Signale phasenstarr zu dem von dem Signalgenerator erzeugten modulierten Signal.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird dabei ein Signaleingang des Verstärkers über ein Trennelement, das zwischen den Ausgang des Signalgenerators und den jeweiligen Signaleingang geschaltet ist, von dem Signalgenerator getrennt. Somit ist nur der Vier-Quadrantenverstärker direkt mit den Messstellen, insbesondere spannungsführenden Messstellen, wie beispielsweise den Heizstäben, verbunden, der Signalgenerator aber nicht gefährdet. Ein solches Trennelement verhindert insbesondere eine direkte elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ausgang des Signalgenerators und dem jeweilige Signaleingang. Insbesondere kann das Trennelement als Trenntrafo, Bauelement mit Frequenzfilterfunktion in Form eines Hoch-, Tief- oder Bandpassfilters oder als Kombination aus einem Trenntrafo und einem solchen Bauelement mit Frequenzfilterfunktion ausgebildet sein. Die Frequenzfilterfunktion ist dabei bevorzugt so gewählt, dass die störende AC-Heizspannung gesperrt wird, gleichzeitig jedoch die vorbestimmte Frequenz zur Messung durchgelassen wird. Zur noch wirkungsvolleren Isolierung kann das Trennelement mit einer gesonderten Netzspannung versorgt und in ein isoliertes Gehäuse eingebaut sein.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird als Demodulator zum Demodulieren des jeweiligen Messsignals ein Lock-In Verstärker verwendet, der das zu messende Signal mit einem internen Signal, das phasenstarr zu dem Referenzsignal ist, multipliziert. Bekanntermaßen ist das Ausgangssignal des verwendeten Demodulators ein Signal bei dem zweifachen der Referenzfrequenz, das eine Gleichstromkomponente aufweist, die direkt mit der Amplitude des zu messenden Signals bei der vorbestimmten Frequenz korreliert. Diese Gleichstromkomponente wird üblicher Weise mittels eines Tiefpassfilters isoliert und als Messgröße ausgegeben, die repräsentativ für die Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz ist.

Dabei können Potenzialtrenner bzw. Trennelemente analog zu den vorgenannten Trennelementen vor die Eingänge des Lock-In Verstärkers bzw. der Demodulatoren geschaltet sein, um die Eingänge konsequent von der AC-Heizspannung zu isolieren, zugleich jedoch Signale mit der vorbestimmten Frequenz zur Messung durchzulassen. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die vorbestimmte Frequenz, mit der das Messsignal moduliert wird, kein ganzzahliges Vielfaches der zum Heizen der Glasschmelzwanne verwendeten Heizspannung. Höhere Harmonische der AC-Heizspannung können somit nicht auf die Messgröße durchdrücken und diese verfälschen. Beispielsweise kann der zur Messung verwendete Lock-In Verstärker einen nach einer Walsh-Funktion schaltenden Demodulator aufweisen, ohne Signalantwort bei der dritten und fünften Harmonischen der Referenzfrequenz.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die vorbestimmte Frequenz so gewählt, dass ein ausreichender Frequenzabstand zu üblicherweise verwendeten Frequenzen für AC-Heizströme gewahrt ist, sodass durch Bauelemente bzw. Schaltungen mit geeignet gewählter Frequenzfilterfunktion gewährleistet werden kann, dass der AC-Heizstrom nicht auf den Eingang des Lock-In Verstärkers bzw. Demodulators und den Signalausgang des Signalgenerators durchschlagen kann, zugleich jedoch Signale bei der zur Messung verwendeten vorbestimmten Frequenz bevorzugt im Wesentlichen ungedämpft durchgelassen werden. Zweckmäßig wird erfindungsgemäß die vorbestimmte Frequenz so gewählt, dass diese im Bereich zwischen etwa 800 Hz und 3 kHz liegt, sodass einerseits Elektrolyseeffekte keine Rolle mehr spielen, andererseits aber genügend Abstand zu den herkömmlich verwendeten Heizwechselspannungen bei entweder 50 Hz oder 10 kHz im Falle eines elektronisch (synthetisch) erzeugten sinusförmigen Heizstroms besteht und sich zugleich der Aufwand zur schaltungstechnischen Realisierung einer geeigneten Frequenzfilterfunktion noch in vertretbaren Grenzen hält. Oberhalb der vorgenannten 10 kHz kommt es in Glasschmelzwannen zu einer deutlichen Zunahme kapazitiver und induktiver Effekte, was die Durchführung genauer Messungen erschweren würde.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung der vorgenannten Impedanzbestimmung bei einem Prozess zur Herstellung von Glas mittels einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne bereitgestellt. In der elektrisch beheizten Glasschmelzwanne wird ein Prozess, beispielsweise zur Konditionierung der Glasschmelze, ausgeführt und werden Parameter des Prozesses auf der Grundlage der erfindungsgemäß bestimmten Impedanz überwacht, gesteuert oder geregelt.

Dabei kann die Impedanz insbesondere als Maßgröße für einen Parameter bestimmt werden, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die folgende Parameter umfasst: einen Abbrand von Heizelektroden der Glasschmelzwanne; eine Wandstärke von die Glasschmelzwanne auskleidenden bzw. abschließenden Steinen; einen Erdungsschluss in der Glasschmelzwanne; zwischen allen Heizelektroden der Glasschmelzwanne fließende Ströme; einen Gleichstrompfad in der Glasschmelzwanne; einen elektrochemischen Vorgang an einer in der Glasschmelzwanne vorgesehenen Rühreinrichtung zum Rühren einer in der Glasschmelzwanne aufgenommenen Glasschmelze; eine Bildung von Belägen an Wandungen und/oder Elementen der Glasschmelzwanne. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgenannten Parameter beschränkt, sondern können beliebige andere Parameter herangezogen werden, für die die Impedanz als Maßgröße dienen kann, was dem Fachmann beim Studium der vorliegenden Anmeldung ohne weiters ersichtlich sein wird.

Weitere Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung betreffen eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Impedanz gemäß dem vorgenannten Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas, die sich durch eine solche Schaltungsanordnung auszeichnet, um mittels der vorgenannten Verwendung den Prozess auf der Grundlage eines Parameters, wie vorstehend ausgeführt, zu überwachen, zu steuern oder zu regeln.

Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben für den Fachmann ergeben werden. Im Einzelnen zeigt:

1 ein schematisches Schaltschemas einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und

2 eine Schemazeichnung einer weiteren Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.

Gemäß der 1 umfasst die Schaltungsanordnung einen Signalgenerator 1 zur Erzeugung eines sinusförmigen Messsignals. Dieses Messsignal wird über einen jeweiligen Verstärker 4, 5 verstärkt und an eine zugeordnete Messstelle 10, 11 an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne (nicht gezeigt) angelegt. Bei den Messstellen 10, 1,1 kann es sich insbesondere um spannungsführende Teile handeln, beispielsweise Heizstäbe bzw. Heizelektroden, wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben. Gemäß der 1 können die beiden Verstärker 4, 5 in einem gemeinsamen Gehäuse 32 untergebracht und von einer gemeinsamen Netzspannung 31 über einen zugeordneten Trenntrafo 16 versorgt werden. Somit sind nur die Verstärker 4, 5 direkt mit den Messstellen, beispielsweise den spannungsführenden Teilen, verbunden, nicht aber der empfindliche Signalgenerator 1. Zur noch besseren Isolation des Signalgenerators 1 ist ein als Trennelement wirkender Potenzialtrenner 16, insbesondere ein Trenntrafo, zwischen den Ausgang des Signalgenerators und den jeweiligen Eingang des Verstärkers 4, 5 geschaltet. Zur besseren Isolation können die Potenzialtrenner 16 in einem gemeinsamen, isolierten Gehäuse 30 untergebracht sein.

Gemäß der 1 wird zwischen den Punkten 7, 8 eine Messspannung abgegriffen, die an den Signaleingang des als Demodulator wirkenden Lock-In Verstärkers 14 angelegt wird. Ferner ist in der Schaltungsanordnung ein vorbestimmter Widerstand RSH vorgesehen, über den eine Messspannung abfällt, die an zwei Stellen abgegriffen wird und an den zugeordneten Lock-In Verstärker 13 angelegt wird. Zur besseren Isolation der Lock-In Verstärker 13, 14 von der AC-Heizspannung ist vor den jeweiligen Messeingang ein Potenzialtrenner 17, der insbesondere durch eine Kombination aus Trenntrafos und Hochpassfilter ausgebildet sein kann, geschaltet.

Gemäß der 1 erzeugt der Signalgenerator 1 ein zu dem modulierten Messsignal phasenstarres (phase-locked) Referenzsignal, das über die Signalleitung 12 an den jeweiligen Referenzsignal-Eingang des Lock-In Verstärkers 13, 14 angelegt wird. Mithilfe des jeweiligen Lock-In Verstärkers 13, 14 wird das jeweilige Messsignal mit dem Referenzsignal bei der von dem Signalgenerator 1 vorbestimmten Frequenz multipliziert (Demodulation). Auf diese Weise wird ein Signal bei dem Zweifachen der Referenzfrequenz mit einer Gleichstromkomponente erhalten, das direkt mit der Amplitude des Messsignals bei der vorbestimmten Frequenz korreliert und mithilfe eines Tiefpassfilters isoliert und gemessen werden kann. Bekanntermaßen hängt der Wert des Gleichstromanteils von dem Phasenwinkel zwischen dem Eingangssignal und dem Referenzsignal ab, was durch Abgleich der beiden Phasen des Lock-In Verstärkers in der bekannten Weise zur Optimierung des Gleichstromsignals ausgenutzt werden kann. Die so erhaltene Messgröße kann jeweils für sich repräsentativ für die Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz des Referenzsignals sein, da die Stromstärke bzw. Spannung des abgeleiteten Messsignals von der Impedanz abhängen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die in der 2 gezeigt ist, sind die beiden Messverstärker sowie der Signalgenerator gemeinsam in Form eines Frequenzgang-Analysators zusammengefasst, wie dieser üblicher Weise zum Messen des Frequenzgangs von Vierpolen verwendet wird. Gemäß der 2 sind ferner die beiden Verstärker in einem Vier-Quadrantenverstärker zusammengefasst. Bei dem vorgenannten Frequenzgang-Analysator kann es sich beispielsweise um das handelsübliche Gerät Solatron SI 1260 handeln. Bei dem Vier-Quadrantenverstärker kann es sich insbesondere um einen handelsüblichen Verstärker vom Typ Kepco BOP 72–5 handeln.

Gemäß den 1 und 2 wird das Messsignal nach Verstärkung über die beiden Messstrecken 2, 3 an die Messstellen 10, 11 angelegt. Die Kapazität des Kondensators 6 bzw. allgemeiner die Impedanz eines den Kondensator 6 ersetzenden Bauelements bestimmt die Stärke des AC-Heizstroms im Messkreis. Sie ist zweckmäßig so klein zu wählen, dass der AC-Heizstrom, beispielsweise der 50Hz-Strom oder ein synthetisch erzeugter 10 kHz-Heizstrom, stark gedämpft wird zugleich jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Signale bei der durch den Signalgenerator vorbestimmten Frequenz im Wesentlichen ungehindert durchgelassen werden. Da aber im Falle einer Kapazität auch ein merklicher Anteil der Messsignalspannung am Kondensator 6 abfällt, sollte die Kapazität beispielsweise so groß wie möglich gewählt werden, um das Messsignal nicht unnötig abzuschwächen.

In dem Stromkreis liegt ein Shunt 9 zur Messung des Stroms des Messsignals vor. Der Shunt ist so zu wählen, dass möglichst je die Hälfte der Messfrequenzspannung am Shunt und zwischen den Messstellen 10, 11, beispielsweise den Heizelektroden, abfällt, das heißt es sollte gelten: RSHUNT = RMesstrecke. Im letzteren Fall ist das Signal-Zu-Rauschverhältnis am geeignetsten.

Die Spannung des an den Messstellen 10, 11 anliegenden Messsignals gelangt über den Potenzialtrenner 17 an den Messeingang des Lock-In Verstärkers 14 bzw. den Eingang des Messverstärkers 1. Die Spannung, die am Shunt 9 abfällt und somit proportional zur Stromstärke des Messsignals ist, gelangt über einen Potenzialtrenner 17 an den zweiten Lock-In Verstärker 13 bzw. an den Eingang des Messverstärkers 2. Daraus wird erfindungsgemäß die Stromstärke und unter Einbeziehung der am anderen Lock-In Verstärker 14 bzw. am anderen Messverstärker 1 gemessenen Spannung der Widerstand zwischen den beiden Messstellen 10, 11 berechnet.

Die 1 zeigt ferner schematisch eine Vorrichtung zum Überwachen, Steuern oder Regeln eines Prozesses, der im Rahmen der Glasherstellung in einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne ausgeführt wird, beispielsweise zur Konditionierung der Glasschmelze. Zu diesem Zweck sind gemäß der 1 die beiden Ausgänge der Lock-In Verstärker 13, 14 mit einer Auswerteeinheit 15 verbunden, welche die Messsignale weiter auswertet, beispielsweise einen geeigneten Quotienten zur quantitativen Bestimmung der Impedanz berechnet oder die zeitliche Abhängigkeit der Messgrößen auswertet.

Gemäß der 1 ist die gemeinsame Auswerteeinheit 15 über eine Leitung 18 mit einer Steuerungs- oder Regelungseinheit 19 verbunden, welche über eine Signalleitung 20 Stellglieder 21, 22 betätigt, welche die Messstellen 10, 11 beeinflussen bzw. verstellen. Beispielsweise kann es sich bei den Stellgliedern 21, 22 um Verstellmotoren zum Verstellen von Heizelektroden in der Glasschmelzwanne (nicht gezeigt) handeln.

Nachfolgend werden bevorzugte Beispiele für entsprechende Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlicher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

Bei den Messstellen handelt es sich um Heizstäbe aus hochschmelzenden Metallen, wie beispielsweise Molybdän, Wolfram oder Platin, die in eine Glasschmelze in einer nicht dargestellten Glasschmelzwanne eintauchen. Zwischen die Heizstäbe bzw. Gruppen von Heizstäben wird aus einer entsprechenden Quelle eine AC-Heizspannung angelegt, sodass in der Glasschmelze ein Heizstrom zum Heizen der Glasschmelze fließt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Metallstäbe in Abhängigkeit vom verwendeten Glas, der Temperatur der Glasschmelze, der Frequenz der Wechselspannungsquelle und der Stromdichte des Heizstromes sich allmählich auflösen, wobei der Materialabtrag insbesondere an den Spitzen der Heizstäbe besonders stark ist, sodass die Heizstäbe im Laufe der Zeit allmählich kürzer werden. Dies geschieht an den einzelnen Stäben mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, sodass es zu einer geringeren bzw. ungleichmäßigen Wärmeeintragung in der Glasschmelze und damit zu instabilen Betriebszuständen, beispielsweise Thermospannungen, hervorgerufen durch Temperatur- und Konzentrationsunterschiede, und zu erhöhtem Ausschuss kommt.

Bekanntermaßen befinden sich in elektrisch beheizten Glasschmelzwannen üblicherweise mehr Heizelektroden als zum planmäßigen Betrieb notwendig sind. Diese Elektroden sind während des Normalbetriebs auch nicht an Trafos angeschlossen, tragen somit nicht zur Heizung bei und zeigen deshalb praktisch keinen Abbrand. Solche überschüssigen Heizelektroden werden bei diesem Ausführungsbeispiel als Referenzelektrode verwendet. Zeigt sich bei der Messung einer zum Heizen verwendeten, d.h. beschalteten, Betriebselektrode gegen eine solche Referenzelektrode ein erhöhter Widerstand, dann zeigt dies mit hoher Wahrscheinlichkeit einen durch Abbrand verursachten Materialverlust der Betriebselektrode an.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung zur erfindungsgemäßen Impedanzmessung in das zur Glasherstellung verwendete Prozessleitsystem aufgenommen, sodass alle zum Heizen eingesetzten, d.h. beschalteten bzw. aktiven, Betriebselektroden automatisch in regelmäßigen Abständen geprüft werden und das Bedienungspersonal von den Messungen erst dann erfährt, wenn beispielsweise durch Vergleich mit einem Referenzwert anhand der gemessenen Impedanz eine Alarmmeldung generiert wird, die das Bedienungspersonal darauf hinweist, dass eine Betriebselektrode nachgeschoben werden muss. Selbstverständlich kann ein solches „Nachschieben" der Betriebselektrode grundsätzlich auch vollautomatisch bewirkt werden, beispielsweise mittels der vorstehend anhand der 1 beschriebenen Stellglieder.

Ausführungsbeispiel 2

Bei den Messstellen handelt es sich um die Innen- und Außenseite von Palisadensteinen, die zur Auskleidung der Glasschmelzwanne dienen und aus einem feuerfesten Material bestehen. Es hat sich gezeigt, dass die Wanddicke solcher Palisadensteine aufgrund des unmittelbaren Kontakts mit der Glasschmelze allmählich abnimmt.

Als qualitative Maßgröße für die Wanddicke der Palisadensteine – oder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Glasschmelzwanne – kann die geringe elektrische Leitfähigkeit der Palisadensteine verwendet werden. Werden die Palisadensteine dünner, so nimmt diese Leitfähigkeit ab. Anhand der Impedanz oder einer mit dieser korrelierenden elektrischen Größe, beispielsweise einer Stromstärke oder Messspannung, kann erfindungsgemäß die Wandstärke überwacht werden. Wird die Wandstärke zu dünn, wird erfindungsgemäß der Prozess in der Glasschmelzwanne abgebrochen.

Ausführungsbeispiel 3

Bei diesem Ausführungsbeispiel taucht ein Rührer in die Glasschmelze ein, um die Glasschmelze umzurühren und so Konzentrationsunterschiede weiter zu verringern. Die Oberflächen solcher Rührer sind üblicher Weise mit einem gegen die Glasschmelze inerten Edelmetall, insbesondere Platin, überzogen. Als Messstelle kann somit ein Rührerflügel verwendet werden, der mit einer vorbestimmten Kreisfrequenz gedreht wird. Als zweite Messstelle kann eine Referenzelektrode in der Glasschmelze oder ein anderer ortsfester Bezugspunkt, der auch an dem Rührer selbst ausgebildet sein kann, verwendet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll bestimmt werden, ob der Rührflügel exzentrisch gedreht wird.

Zu diesem Zweck wird die zeitliche Abhängigkeit einer elektrischen Messgröße, beispielsweise einer Messspannung oder Stromstärke oder einer Impedanz, mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt. Das Drehen des Rührflügels wird durch periodische Minima und Maxima der Messgröße repräsentiert, die mit der Kreisfrequenz des Rührflügels auftreten. Eine exzentrische Drehbewegung des Rührflügels würde zu asymmetrischen Minima und Maxima der Messgröße führen, was ohne weiteres ausgewertet werden kann. Eine entsprechende Auswerteeinheit bzw. Steuerungs- oder Regeleinheit kann über eine Signalleitung ein Stellglied betätigen, das den Rührflügel in zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen senkrecht zur Drehachse des Rührflügels verstellen kann. Die Verstellung erfolgt so lange, bis die Exzentrizität auf ein gewünschtes Maß abgesenkt ist.

Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ersichtlich sein wird, können die vorgenannten Trennelemente durch beliebige geeignete passive oder aktive Bauelemente oder Bauelementanordnungen ersetzt werden, insbesondere mit Frequenzfilterfunktion, wie vorstehend beschrieben. Als aktive Trennelemente kommen beispielsweise Optokoppler oder dergleichen in Betracht.

Zusammenfassend können erfindungsgemäß elektrische Größen abgeleitet werden, die zur Überwachung, Steuerung oder Regelung von Prozessen in elektrisch beheizten Glasschmelzwannen herangezogen werden können, was sich vorteilhaft auf Prozessstabilität, Ausbeute, Qualität des Glases und Lebensdauer der Glasschmelzwanne auswirken wird. Insbesondere kann erfindungsgemäß

  • – der Abbrand von Heizelektroden überwacht werden:
  • – die betriebliche Stellung Heizelektroden gesteuert bzw. geregelt werden, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag in die Glasschmelze und damit stabilere Betriebszustände zu gewährleisten;
  • – die Wandstärke der Glasschmelzwanne bzw. von Palisadensteinen überwacht werden;
  • – ungewollte Erdschlüsse in oder an der Glasschmelzwanne aufgespürt werden;
  • – zwischen allen Elektroden der Glasschmelzwanne fließende Ströme berechnet werden;
  • – Gleichstrompfade, die eine ungewünschte Blasenbildung und Korrosion verursachen können, berechnet bzw. ermittelt werden;
  • – elektrochemische Vorgänge an Rührern überwacht bzw. beurteilt werden; elektrochemische Vorgänge an den Walzen von Ceranwannen überwacht bzw. beurteilt werden, einschließlich der Bildung von Belägen und Gegenmaßnahmen, um diese zu verhindern.

1
Signalgenerator
2
Erste Messstrecke
3
Zweite Messstrecke
4
Verstärker
5
Verstärker
6
Kapazität
7
Erster Messpunkt
8
Zweiter Messpunkt
9
Messwiderstand
10
Element/Erste Messstelle
11
Element/Zweite Messstelle
12
Referenzsignalleitung
13
Phase-lock-loop/Lock-In Verstärker
14
Phase-lock-loop/Lock-In Verstärker
15
Auswerteeinheit
16
Trenntrafo/Trenntrafo und Hochpassfilter
17
Trenntrafo/Trenntrafo und Hochpassfilter
18
Signalleitung
19
Steuerungs-/Regelungseinheit
20
Signalleitung
21
Aktuator
22
Aktuator
30
Gemeinsames Gehäuse
31
Spannungsversorgung
32
Gemeinsames Gehäuse/Vier-Quadranten-Verstärker


Anspruch[de]
Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne, bei welchem Verfahren ein mit einer vorbestimmten Frequenz moduliertes Signal an zueinander beabstandete Messstellen (10, 11) angelegt wird und von den Messstellen zumindest ein Messsignal abgeleitet wird, das jeweils mit einem zu dem modulierten Signal phasenstarren Referenzsignal demoduliert wird, um zumindest eine Messgröße zu bestimmen, die repräsentativ für die Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz ist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das modulierte Signal ein Wechselstromsignal ist, das mittels eines rückstromfesten Verstärkers (32) verstärkt und an die jeweilige Messstelle (10, 11) angelegt wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der rückstromfeste Verstärker (32) ein Vier-Quadrantenverstärker ist, der eine Mehrzahl von Verstärkern (4, 5) zum unabhängigen Verstärken von jeweiligen Eingangssignalen umfasst, die an die jeweilige Messstelle (10, 11) angelegt werden. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Signaleingang des Verstärkers (32) über ein Trennelement (30) von einem Signalgenerator (1) zum Erzeugen des modulierten Signals getrennt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das jeweilige Messsignal mittels eines jeweiligen Lock-In Verstärkers (13, 14) demoduliert wird, dessen Signaleingang über ein Trennelement (17) von der zugeordneten Messstelle (10, 11) getrennt ist. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der jeweilige Lock-In Verstärker (13, 14) einen Tiefpassfilter umfasst. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Trennelement als Frequenzfilter ausgelegt ist, um einen AC-Heizstrom zu unterdrücken. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei ein erstes moduliertes Signal über ein Bauelement (6) mit einer vorbestimmten Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz an eine erste Messstelle (10) angelegt wird. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmte Impedanz (6) so gewählt ist, dass ein AC-Heizstrom zum Heizen der Glasschmelzwanne unterdrückt und das Messsignal bei der vorbestimmten Frequenz durchgelassen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ferner ein zweites moduliertes Signal an eine zweite Messstelle (11) angelegt wird und über einen vorbestimmten Widerstand (RSH) fließt, sodass über den vorbestimmten Widerstand eine Messspannung abfällt, die bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zwischen den beiden Messstellen (10, 11) eine Spannung gemessen wird und aus der gemessenen Spannung und dem vorbestimmten Widerstand (RSH) eine Stromstärke bestimmt wird, wobei die Impedanz aus der Messspannung und der so bestimmten Stromstärke bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Frequenz kein ganzzahliges Vielfaches einer zum Heizen der Glasschmelzwanne verwendeten Heizspannung ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messstellen (10, 11) spannungsführende Teile, insbesondere Heizelektroden zum Heizen der Glasschmelzwanne, sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Frequenz im Bereich zwischen 800 Hz und 3 kHz liegt. Verwendung der Impedanzbestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Prozess zur Herstellung von Glas mittels einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne, wobei der Prozess in der elektrisch beheizten Glasschmelzwanne ausgeführt wird und wobei der Prozess auf der Grundlage der Impedanz überwacht, gesteuert oder geregelt wird. Verwendung nach Anspruch 15, wobei

die Impedanz als Maßgröße für einen Parameter bestimmt wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die folgende Parameter umfasst: einen Abbrand von Heizelektroden der Glasschmelzwanne; eine Wandstärke von die Glasschmelzwanne auskleidenden bzw. abschließenden Steinen; einen Erdungsschluss in der Glasschmelzwanne; zwischen allen Heizelektroden der Glasschmelzwanne fließende Ströme; einen Gleichstrompfad in der Glasschmelzwanne; einen elektrochemischen Vorgang an einer in der Glasschmelzwanne vorgesehenen Rühreinrichtung zum Rühren einer in der Glasschmelzwanne aufgenommenen Glasschmelze; eine Bildung von Belägen an Wandungen und/oder Elementen der Glasschmelzwanne; und wobei

der Prozess auf der Grundlage dieses Parameters überwacht, gesteuert oder geregelt wird.
Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Impedanz an einer elektrisch beheizten Glasschmelzwanne, mit einem Signalgenerator (1) zum Erzeugen eines mit einer vorbestimmten Frequenz modulierten Signals, das an zueinander beabstandete Messstellen (10, 11) angelegt wird, und mit zumindest einem Demodulator (13, 14) zum Demodulieren von zumindest einem Messsignal, das an den Messstellen abgeleitet ist, mit einem zu dem modulierten Signal phasenstarren Referenzsignal, um zumindest eine Messgröße zu bestimmen, die repräsentativ für die Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, wobei der Signalgenerator (1) ausgelegt ist, um ein Wechselstromsignal als moduliertes Signal zu erzeugen, wobei zumindest ein rückstromfester Verstärker (32) zum Verstärken des modulierten Signals vorgesehen ist, der zwischen die jeweilige Messstelle (10, 11) und einen Signalausgang des Signalgenerators (1) geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei der jeweilige Demodulator ein Lock-In Verstärker (13, 14) zum Demodulieren des jeweiligen Messsignals ist, wobei ein Signaleingang des jeweiligen Lock-In Verstärkers (13, 14) über ein jeweiliges Trennelement (17) von der zugeordneten Messstelle (10, 11) getrennt ist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei ein Bauelement (6) mit einer vorbestimmten Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz zwischen den Verstärker (32) und eine erste Messstelle (10) geschaltet ist, wobei die vorbestimmte Impedanz (6) so gewählt ist, dass ein AC-Heizstrom zum Heizen der Glasschmelzwanne unterdrückt und das Messsignal bei der vorbestimmten Frequenz durchgelassen wird. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, wobei ein vorbestimmter Widerstand (RSH) zwischen eine zweite Messstelle (11) und einen zugeordneten Demodulator (13) geschaltet ist, über den eine Messspannung abfällt, die von dem zugeordneten Demodulator (14) bestimmt wird. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, die so ausgelegt ist, dass zwischen den beiden Messstellen (10, 11) eine Spannung gemessen wird, dass aus der so gemessenen Spannung und dem vorbestimmten Widerstand (RSH) eine Stromstärke bestimmt wird und dass die Impedanz aus der so bestimmten Messspannung und der so bestimmten Stromstärke bestimmt wird. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Signalgenerator (1) ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt, die ein nicht ganzzahliges Vielfaches einer zum Heizen der Glasschmelzwanne verwendeten Heizspannung ist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei der Signalgenerator (1) ausgelegt ist, um das modulierte Signal mit einer Frequenz im Bereich zwischen 800 Hz und 3 kHz zu erzeugen. Vorrichtung zur Herstellung von Glas, umfassend eine elektrisch beheizte Glasschmelzwanne, in der ein Prozess zur Konditionierung der Glasschmelze ausgeführt wird, die zu dem Glas weiterverarbeitet wird, mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, um eine Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz zu bestimmen, und mit einer Steuer- oder Regeleinheit (19), um den Prozess auf der Grundlage der so bestimmten Impedanz zu überwachen, zu steuern oder zu regeln. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Steuer- oder Regeleinheit (19) so ausgelegt ist, dass

die so bestimmte Impedanz als Maßgröße für einen Parameter verwendet wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die folgende Parameter umfasst: einen Abbrand von Heizelektroden der Glasschmelzwanne; eine Wandstärke von die Glasschmelzwanne auskleidenden bzw. abschließenden Steinen; einen Erdungsschluss in der Glasschmelzwanne; zwischen allen Heizelektroden der Glasschmelzwanne fließende Ströme; einen Gleichstrompfad in der Glasschmelzwanne; einen elektrochemischen Vorgang an einer in der Glasschmelzwanne vorgesehenen Rühreinrichtung zum Rühren einer in der Glasschmelzwanne aufgenommenen Glasschmelze; eine Bildung von Belägen an Wandungen und/oder Elementen der Glasschmelzwanne; und dass

der Prozess auf der Grundlage dieses Parameters überwacht, gesteuert oder geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, weiterhin umfassend zumindest ein Stellglied (21, 22), um ein in oder an der Glasschmelzwanne vorgesehenes Element (10, 11) auf der Grundlage der so bestimmten Impedanz oder des so bestimmten Parameters zu verstellen.






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