Brevet FR2873200A1 — publié le 20060120

Procédé et dispositif pour la mesure optique sans contact de l'épaisseur de corps en verre chauds, par l'intermédiaire de l'aberration chromatique L'invention a pour objet un procédé et un dispositif pour la mesure optique sans contact de l'épaisseur de corps en verre chaud, par l'intermédiaire de l'aberration chromatique, directement après leur fabrication, quand ils sont encore à l'état chaud. Pour produire des corps en verre, il est nécessaire de respecter certaines dimensions. Le plus souvent, celles-ci sont définies à l'avance par le client et ne doivent pas sortir d'une certaine plage de tolérances. Jusqu'à présent, il n'est souvent possible d'effectuer des mesures exactes de l'épaisseur du verre qu'à l'extrémité d'un trajet de refroidissement, car une mesure trop précoce avec palpage mécanique pourrait détériorer la surface du verre et fausser alors des mesures effectuées sans contact sur le verre chaud. Se trouve ainsi écartée par exemple la triangulation au laser, car les vagues se produisant dans l'air au-dessus du verre chaud faussent le chemin optique. La mesure aux ultrasons n'est pas utilisable car elle nécessite entre le verre et la source d'ultrasons un moyen de couplage, l'interférométrie en lumière blanche ne fonctionne pas dans les conditions difficiles de production, et la microscopie à foyer commun accouplée à un système autofocus est trop chère de plusieurs milliers d'euros par dispositif de mesure. Une mesure effectuée le plus tôt possible de l'épaisseur du verre est toutefois désirée, car le nombre de pièces défectueuses diminue d'autant plus que les défauts sont reconnus plus tôt dans la chaîne de production et peuvent être éliminés. Cela peut apporter d'importants avantages dans la production, car il peut s'écouler jusqu'à plusieurs heures après obtention du produit avant que celui-ci atteigne l'extrémité du parcours de refroidissement, ce qu'on appelle "l'extrémité froide", et qu'on dispose alors des valeurs de mesure nécessaires pour effectuer une correction à l'extrémité chaude. Il existe donc le problème de trouver un procédé et un dispositif de mesure de l'épaisseur de corps de verre, par lesquels il est déjà possible de mesurer avec une précision assez élevée l'épaisseur du corps de verre chaud directement après sa fabrication ("à l'extrémité chaude"). Ce problème est résolu par le procédé et par le dispositif que décrivent les revendications. Le procédé selon l'invention utilise la dispersion, déjà connue pour des mesures de distances et d'épaisseurs de couches, de la lumière lors de sa diffraction dans des lentilles, ou lors de sa traversée de matériaux ayant un effet de diffraction. Quand on focalise de la lumière blanche, on n'obtient pas un foyer unique, chaque couleur a son propre foyer sur l'axe du rayon, c'est-à-dire il existe sur cet axe un segment à l'intérieur duquel se trouvent les foyers correspondant aux différentes couleurs. En photographie, l'aberration chromatique est éliminée en combinant des lentilles faites de verres différents, car sur l'image les franges colorées sont indésirables. Par aberration chromatique, on entend le phénomène optique selon lequel la lumière possédant des longueurs d'ondes différentes (= couleurs) présente des réfractions différentes à travers la lentille ou un objectif corrigé. Dans le procédé de mesure d'épaisseur, par contre ce phénomène peut être utilisé. Le segment sur l'axe du rayon, dans lequel se trouvent les différents foyers, dépend de la lentille utilisée et de la matière qui la compose. Avec une lentille dont la zone focale va de 22 à 25 cm, on peut déterminer des épaisseurs de verre allant jusqu'à environ 3 cm. Dans ce procédé de mesure bien connu, un rayon lumineux polychromatique, blanc en général, est amené par un câble à fibres optiques dans un dispositif de focalisation (tête de mesure ou tige de lumière) et de là, focalisé sur le corps en verre. Du fait des propriétés chromatiques de formation d'images de l'optique, différentes longueurs d'ondes sont focalisées à des distances différentes de l'optique. Si alors, se trouve dans un tel foyer une surface limite (par exemple passage de l'air au verre), cette longueur d'ondes spécifique est fortement réfléchie. Toutes les autres longueurs d'ondes sont renvoyées bien plus faiblement et forment à l'intérieur du spectre réfléchi un arrière-plan faible et diffus. La lumière réfléchie parvient à nouveau par le dispositif de focalisation dans le câble à fibres optiques, et est amenée à un spectromètre, où les longueurs d'ondes fortement réfléchies sont détectées sous forme de maxima d'intensité. Dans un corps en verre transparent, il y a toujours deux maxima d'intensité, car il se produit une réflexion sur la face externe et sur la face interne du verre, quand on l'observe depuis la tête de mesure. En formant simplement la différence des signaux de distance, on peut alors déterminer directement l'épaisseur de la paroi en tenant compte de l'indice de réfraction du verre à mesurer. Des appareils de mesure basés sur le principe indiqué de l'aberration chromatique, sont connus en général et peuvent être acquis dans le commerce, par exemple de la firme Precitec Optronic GmbH, Rodgau, Allemagne sous la référence CHR 150 E. La mesure, le traitement et la délivrance, c'est-à-dire l'indication des valeurs obtenus ont lieu au moyen d'un ordinateur, ce qui permet d'obtenir jusqu'à 1000 mesures et plus par seconde. Cette fréquence de mesure élevée facilite l'établissement d'une moyenne et augmente ainsi la précision de la mesure. La mesure de l'épaisseur de la paroi du corps de verre, par exemple d'un tube, de l'épaisseur d'un barreau ou de l'épaisseur d'une bande de verre dans une installation de fabrication de verre plat, doit s'effectuer aussi tôt que possible après que le corps ait pris sa forme. Une mesure n'est bien sûr opportune qu'après que le corps a atteint sa forme définitive et qui correspond en général à une température en dessous de la température de ramollissement (softening point) à laquelle le verre possède une viscosité de 106 Pa.s. Quand le verre se refroidit en passant de cette température à la température ambiante, il subit naturellement un retrait, les valeurs mesurées sur le verre chaud ne correspondent pas aux valeurs finales et doivent être diminuées d'un facteur qui correspond au retrait, ce qui ne présente aucun problème si on connaît la température du verre au point de mesure et le coefficient de dilatation thermique de ce verre. Pour diminuer la contrainte thermique que supporte le dispositif de focalisation, celui-ci est maintenu par refroidissement à une température inférieure à 120 C et, de plus l'action du rayonnement thermique sur le dispositif de focalisation est empêchée par l'interposition d'un filtre de protection thermique dans le parcours des rayons entre le verre et le dispositif de focalisation. Des filtres de protection thermique sont connus et utilisés en grand nombre dans des projecteurs de diapositives, dans des projecteurs de cinéma, dans des beamers et similaires. Ils se caractérisent par le fait qu'ils laissent passer pratiquement sans obstacle la lumière visible, mais ne laissent pas passer la lumière infrarouge (rayonnement thermique). Les filtres de protection thermique fonctionnent selon deux principes différents. L'un est le principe de réflexion, l'autre d'absorption. Dans des filtres de protection thermique à réflexion, le côté du filtre en regard de la source de rayonnement porte une couche réfléchissant les infrarouges, par exemple en or, en platine ou faite d'un paquet de couches réfléchissantes (filtres à interférences). Les filtres à absorption sont faits de verres qui absorbent largement, par un dopage approprié, les rayonnements infrarouges. Comme ces verres s'échauffent naturellement et de ce fait doivent être refroidis, il est avantageux d'installer sur le parcours des rayons, tout d'abord un filtre de protection thermique réfléchissant, de sorte que jusqu'à 98% du rayonnement infrarouge peut être réfléchi, et ensuite si nécessaire, d'absorber au moyen d'un filtre à absorption monté en aval le rayonnement résiduel infrarouge qui a traversé le filtre à réflexion. On peut se procurer dans le commerce un grand nombre de tels filtres fonctionnant selon les deux principes. Pour éviter des effets de vieillissement du dispositif de focalisation, il est avantageux que la température de ce dispositif soit maintenue entre 20 et 100 . Pour obtenir une bonne exactitude de la mesure, la température du dispositif de focalisation ne doit pas osciller de 10 C par rapport à la température de consigne réglée. Le procédé convient pour déterminer l'épaisseur de verres qui présentent une température allant jusqu'à 1200 . De préférence, la mesure concerne des verres ayant une température allant de 200 à 1000 C. Quand on mesure des tubes, il y a avantage à ce que cette mesure ait lieu au milieu, c'est-à-dire que le rayon de mesure frappe la surface du verre sous un angle de 90 ou autre, de sorte que la prolongation du rayon de mesure suive l'axe du tube. Avec tout autre incidence du rayon de mesure qui ne passe pas au centre du tube, la précision de la mesure diminue, car la courbure différente de la paroi interne par rapport à la paroi externe entraîne des erreurs angulaires qui conduisent à l'indication d'une mesure d'épaisseur qui n'est pas exacte. Ces erreurs, dans le cas de mesure en dehors du centre, sont d'autant plus grandes que le diamètre du tube est petit. On peut dire en général qu'avec des tubes d'un diamètre de 10 à 20 mm environ et présentant une épaisseur de paroi de 0,4 à 1 mm environ, un décalage latéral de 0,5 à 1 mm environ conduit à un écart de 2 par rapport à la valeur effective de l'épaisseur. Il est donc très important que le rayon de mesure frappe le tube au centre. Dans le cas d'un impact non centré du rayon de mesure, non seulement les mesures sont erronées, mais aussi l'intensité de la lumière réfléchie est plus faible, car le rayon lumineux, dont l'angle d'incidence sur la surface du verre s'écarte de 90 , n'est pas totalement réfléchi. Si l'on déplace la tête de mesure perpendiculairement à l'axe du tube, jusqu'à ce que l'intensité des longueurs d'ondes réfléchies atteigne sa valeur maximale, alors le rayon lumineux frappe le tube au centre. De cette manière, il est possible de réaliser très simplement un ajustage optimal de la tête de mesure. Cet ajustage peut être effectué manuellement, mais il peut être également automatisé au moyen de moteurs de déplacement et d'un programme d'ordinateur correspondant, de sorte que même pendant le fonctionnement, la position optimale du capteur peut suivre le mouvement. Le procédé et le dispositif vont être exposés à l'aide du dessin annexé. La Fig. 1 est une représentation schématique du procédé de mesure. Les Fig. 2 représente le dispositif de focalisation avec son boîtier réfrigéré. A la figure 1 apparaît la configuration d'un dispositif de mesure. La lumière émise par la source polychromatique de lumière 1 est transmise par le conducteur 2a du câble en fibres de verre 2 comportant deux conducteurs 2a et 2b, au dispositif de focalisation 3. La lumière sortant de ce dispositif vient frapper le corps de verre 4 qu'il s'agit de mesurer et qui comporte une face avant 5 et une face arrière 6. Le dispositif de focalisation 3 focalise la lumière des différentes longueurs d'ondes à des distances différentes du point de sortie de la lumière. La face avant 5 du corps en verre 4 se trouve au foyer de la lumière de longueur d'onde 2d, tandis que la face arrière 6 du corps de verre 4 se trouve au foyer de la lumière de longueur d'onde 2 2. La lumière réfléchie dans le corps de verre 4 parvient par le conducteur 2b du câble en fibres de verre 2 au spectromètre 7. Comme les longueurs d'onde focalisées sur la face avant 5 et sur la face arrière 6 sont réfléchies plus fortement que les longueurs d'onde dont le foyer ne se trouve pas sur ces faces avant et arrière, ces longueurs d'onde peuvent être détectées par leurs intensités dans le spectre. Au spectromètre 7 est raccordé un traitement numérique du signal 8 qui met à disposition le résultat de mesure sous une forme utilisable telle que des données analogiques et/ou numériques, en indiquant par exemple l'épaisseur mesurée, ou encore met à disposition des signaux de commande pour influencer le processus de production. A la figure 2, est représenté à titre d'exemple un dispositif de focalisation dans son boîtier. Le dispositif de focalisation 3 qui comporte une lentille 9 est relié par un câble en fibres de verre 2 à l'unité de sélection 9. L'unité de focalisation se trouve dans un boîtier à double paroi 11, comportant une entrée 12 et une sortie 13 pour un fluide de refroidissement, de l'eau en général. Le boîtier peut être équipé de chicanes non figurées, par exemple en spirales, ou d'autres moyens pour guider impérativement le fluide de refroidissement et ainsi obtenir un refroidissement uniforme de l'ensemble de boîtier 11. De plus, le boîtier 11 présente une ouverture 14 à travers laquelle la lumière provenant du dispositif de focalisation peut arriver à l'objet à mesurer et en revenir. Vers l'arrière, le boîtier 11 comporte un couvercle 15 à travers lequel passe le câble 2 en direction de l'extérieur. Le dispositif de focalisation 3 est fixé dans le boîtier, au milieu de celui-ci et au-dessus de l'ouverture de sortie 14, par des moyens non figurés, par exemple par trois vis de serrage décalées de 120 entre elles. Le volume interne du boîtier 11 est protégé de l'entrée de rayons calorifiques par un filtre d'absorption d'infrarouges 16 et par un filtre de réflexion d'infrarouges 17. Si la charge en rayons infrarouges est faible, il est même possible de n'utiliser qu'un filtre à infrarouges. De plus, l'ouverture 14 est équipée d'une plaque transparente 18 empêchant l'action de gaz agressifs sur les plaques de filtre 16 et 17. Cette plaque peut être en corindon. Les plaques 16, 17 et 18 sont montées entre des bagues intermédiaires élastiques 19 ayant pour rôle d'une part de rendre étanche l'intérieur du boîtier par rapport à l'atmosphère extérieur et, d'autre part de compenser les tensions entre le boîtier 11 et les plaques 16, 17, 18 résultant de coefficients de dilatation thermique différents ou de températures différentes. Ont fait leurs preuves comme matériau pour les bagues intermédiaires, le caoutchouc de silicone ou des résines fluorées élastiques, mais d'autres matériaux peuvent être imaginés dans la mesure où ils disposent de l'élasticité nécessaire pour éliminer les tensions et également de la stabilité thermique nécessaire. Le boîtier 11 peut de plus être équipé d'une tôle de protection contre les rayons 20, empêchant l'impact direct des rayons chauffants sur le boîtier. La tôle de protection 20, comme cela est usuel pour de telles tôles, est disposée à une certaine distance de l'objet à protéger. Cette tôle peut être métallique, mais elle peut également être faite de matériaux mauvais conducteurs de la chaleur, par exemple des oxydes réfractaires, ou être constituée de disques poreux en métal fritté. Dans l'espace situé entre la tôle de protection 20 et le boîtier 11, peut être introduit par la conduite 21 un gaz de balayage, notamment de l'air, pour former un voile gazeux devant l'ouverture 14. Ainsi, l'entrée de gaz agressifs à travers l'ouverture 14 où la formation de condensats à partir de composants gazeux vaporisés est évitée, et les filtres 16 et 17 ainsi que la plaque 18 sont particulièrement bien protégés. Avec le procédé et le dispositif, il est devenu possible pour la première fois de mesurer l'épaisseur de parois d'articles en verre (par exemple des tubes, des barres, des lentilles ou du verre plat) directement après leur fabrication, avec la plus haute précision, à l'extrémité chaude, c'est-à-dire que dans le cas du cylindrage de verre plat, la mesure a lieu directement derrière la machine à cylindrer ou directement sur le bain de floating, si ce procédé est utilisé. Dans la fabrication de lentilles ou d'ébauches de lentilles par pression, celles-ci, par des prélèvements aléatoires, peuvent être mesurées avant l'entrée dans le parcours de refroidissement, ce qui permet de détecter beaucoup plus tôt que jusqu'à présent, l'usure de l'outil de presse. Ainsi, en cas de défaut, il est possible d'intervenir beaucoup plus tôt et beaucoup plus rapidement sur le processus de production pour le régler, ce qui augmente le rendement et la qualité des produits. Revendications 1. Procédé pour la mesure optique sans contact de l'épaisseur de corps en verre par l'intermédiaire de la dispersion optique, dans lequel - un rayon issu d'une source polychromatique de lumière est focalisé sur le verre par un dispositif de focalisation (tête de mesure), - la lumière réfléchie par le verre arrive à un spectromètre où elle est détectée, deux longueurs d'onde étant réfléchies par la face avant et par la face arrière du verre avec une intensité plus élevée que pour les autres longueurs d'onde et, à partir de la différence de ces longueurs d'onde à intensité de réflexion plus élevée, l'épaisseur de verre à mesurer est déterminée en tenant compte de l'indice de réfraction, caractérisé en ce que l'épaisseur du corps de verre chaud est mesurée directement après sa fabrication, le dispositif de focalisation étant maintenu par refroidissement à une température inférieure à 120 et l'action de rayons calorifiques sur le dispositif de focalisation étant largement empêchée par au moins un filtre de protection thermique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du dispositif de focalisation est maintenue entre 20 et 100 . 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température du dispositif de focalisation est maintenue constante à 10 C. 4. Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure est réalisée à une température du corps de verre comprise entre 200 et 1100 C. 5. Procédé selon une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour mesurer l'épaisseur de tubes en verre, le dispositif de focalisation est coulissé perpendiculairement à l'axe du tube jusqu'à ce que les longueurs d'onde, à intensité plus élevée, aient atteint chacune leur intensité maximale. 6. Procédé selon une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'en amont d'au moins un filtre de protection thermique est créé un voile gazeux pour empêcher la formation de condensats ou l'action de gaz agressifs. 7. Dispositif pour la mesure de l'épaisseur d'un corps en verre chaud, dans lequel un rayon de lumière blanche polychromatique est focalisé par un dispositif de focalisation sur le corps de verre, et la lumière réfléchie est envoyée à une unité d'exploitation, caractérisé en ce que le dispositif de focalisation (3) est monté dans un boîtier (11) à double paroi qui possède une conduite d'amenée (12) et une conduite de sortie (13) pour un fluide de refroidissement, ainsi qu'une fenêtre de vision (14) pour l'entrée et la sortie du rayon lumineux et de la lumière réfléchie, cette fenêtre (14) étant obturée par au moins un filtre de protection thermique (17). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le filtre de protection thermique 17 est monté entre deux bagues intermédiaires (19) élastiques et résistant à la chaleur, notamment en caoutchouc de silicone ou en résine d'hydrocarbure fluoré. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que, vue de l'extérieur, une plaque transparente (8) en matériau résistant à la corrosion, est située devant le filtre de protection thermique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la plaque transparente est en corindon (Al2O3) ou en verre contenant du fluor. 11. Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que devant l'ouverture (14) est prévue une entrée (21) pour un gaz de balayage. 12. Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que, observée selon la direction du rayonnement, une tôle de protection contre le rayonnement (20) est prévue à une certaine distance du boîtier (11) avec une fenêtre pour le passage du rayon lumineux. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'entrée (21) pour le gaz de balayage se trouve entre le boîtier et la tôle de protection contre le rayonnement.