(57)【要約】      （修正有）【課題】ストランドの温度を決定する方法の提供。【解決手段】ストランド１０が、その長手方向軸の方向に、既知の温度の背景ラジエータ１６に沿って搬送される工程と、搬送中に、ストランド１０が、空間分解熱結像センサ１２を使用して背景ラジエータ１６の前方で迎えられる工程と、熱結像センサ１２の背景ラジエータ１６の前方に位置するストランド部を常に完全に検出する測定値領域にわたって、積分が形成される工程と、ストランド１０の温度が、形成した積分を基準値と比較することによって推定される工程と、を含む方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストランド（１０）の温度を決定する方法であって、
−前記ストランド（１０）が、その長手方向軸の方向に、既知の温度の背景ラジエータ（１６）に沿って搬送される工程と、
−前記搬送中に、前記ストランド（１０）が、前記背景ラジエータ（１６）の前方で空間分解熱結像センサ（１２）を使用して迎えられる工程と、
−前記熱結像センサ（１２）の前記背景ラジエータ（１６）の前方に位置するストランド部の全部を常に検出する測定値領域にわたって、積分が形成される工程と、
−前記ストランド（１０）の温度が、前記形成された積分を基準値と比較することによって推定される工程と、を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記基準値は、前記背景ラジエータ（１６）の前方に位置するストランド（１０）のない前記測定値領域にわたる積分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記背景ラジエータ（１６）は、黒体ラジエータに似通っていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記背景ラジエータ（１６）の温度は、温度測定装置によって測定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記背景ラジエータ（１６）は、加熱装置によって所定の温度まで加熱されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ストランド（１０）の前記温度は、前記ストランド（１０）の想定直径または測定直径を考慮に入れて、前記形成された積分を前記基準値と比較することによって推定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ストランド（１０）の前記温度は、前記ストランド（１０）の想定放射率または測定放射率を考慮に入れて、前記形成された積分を前記基準値と比較することによって推定されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ストランド（１０）は、前記背景ラジエータ（１６）によってほとんどまたは完全に囲まれることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記背景ラジエータ（１６）は、入口開口部および出口開口部を有する空洞ラジエータであり、前記ストランド（１０）が、前記入口開口部および前記出口開口部を通じて前記空洞ラジエータを通って搬送され、前記空洞ラジエータが、少なくとも１つの測定開口部を含み、前記空間分解熱結像センサ（１２）が前記測定開口部を通って、前記背景ラジエータ（１６）の内壁の前方で前記ストランド（１０）を検出することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱結像センサ（１２）の全測定領域が測定値領域として選択されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱結像センサ（１２）は、赤外線熱結像カメラであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ストランド（１０）は、ガラス繊維または金属ワイヤであることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ストランド（１０）は、５００μｍ未満、好ましくは２５０μｍ未満、さらに好ましくは１５０μｍ未満の直径を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記背景ラジエータ（１６）に沿った搬送前または搬送後、前記ストランド（１０）は、冷却装置、好ましくはヘリウム冷却装置において冷却されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記背景ラジエータ（１６）に沿った搬送後、前記ストランド（１０）は、被覆装置において被覆を設けることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法は、ガラス繊維線引き塔において実施されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストランド、例えばガラス繊維またはワイヤの温度を決定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガラス繊維は、３０メートルより相当高くなり得る線引き塔で生産される。この場合、ガラス繊維は、直径約１００〜２５０ｍｍのプレフォームから引き出され、これはおよそ３，０００ｍ／分の速度で溶融温度まで加熱される。例えばそれが現在のデータ伝送経路に用いられる場合、ガラス繊維自体は通常、およそ１２５μｍの直径を有し、それはナノメートル範囲の精度で製造されなければならない。
【０００３】
この場合、線引き塔の高温領域におけるガラス繊維の線引き温度は、極めて重要である。可能な場合、線引き速度が可変であれば、不合格品を最小限にするために、ガラス繊維の正確な直径が始動プロセスにおいて既に達成されるように、プレフォームの温度は調整されなければならない。ガラス繊維は、線引き塔の下部領域で冷却区域を通り抜け、この区域では、例えば７０℃の常に低い温度までできる限り冷却される。このような冷却区域は、極めて高価なヘリウムを使用して操作されることが多く、その結果、線引き塔プラントの運転経費を不必要に増加させないように、不必要な冷却を防止しなければならない。このため、ガラス繊維の温度についての正確な認識も同様に重要である。加えて、冷却区域の終端で、ガラス繊維には通常、被覆が設けられる。この被覆の必要条件は、ここまでの精密公差被覆の厚みおよび同心度の変動を最小限にするためにガラス繊維の定温である。同様に、ガラス繊維の温度が被覆の最適温度特性に合致しない場合、液垂れ効果により線引き塔で塊および括れも生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０９０９９４号公報
【発明の概要】
【０００５】
ガラス繊維またはワイヤなどの、このような移動しているストランドの温度を熱結像カメラによって決定する試みが行われているが、その試みは無駄になっている。この場合、測定されるストランドは、熱結像カメラに焦点を合わせたレンズ系を用いて撮像される。次に、熱結像カメラによって検出される測定値の最大値から、温度が決定される。しかし、この手順は、実際に信頼性が高いと判明したわけではない。鍵となる課題は、熱結像カメラの画素の時定数に関連して測定されるストランドの急速な移動である。例えば、長手方向軸に沿って搬送されるガラス繊維の高周波振動が、ガラス繊維を生産するための線引き塔で必然的に生じる。例えば、直径約１２５μｍのガラス繊維は、線引き塔の測定面に対して横方向および長手方向の両方に１ミリメートル容易に揺れ得る。標準的な熱結像センサの典型的な熱時定数は、１０ミリ秒の範囲である。生産時の他の移動、または撮像する熱結像カメラに対する非直交配向により、測定誤差が生じる。製造中に、ストランドはまた、例えば、場合により正確に垂直に起立していないプレフォームにより生じる、中心から離れたその繊維のゆっくりとした方向性のない移動などにより、焦点がずれやすくなり得る。ガラス繊維製造業者によっては、これは、場合により特定され得るが、ある程度以降からしか修正しない場合がある。
【０００６】
測定されるストランドに伴う例示した難しさが特に問題であり、その中で温度信号は背景の温度信号よりも少し目立っているだけである。これは、例えば石英ガラスで作られるガラス繊維にも当てはまり、これは約７〜１４μｍの赤外線波長域で熱放射を放ち、これは、ほとんど黒体（放射率ｅ＝０．９５）のような熱結像カメラに関して通常興味深いものである。測定されるストランド、例えば金属ワイヤまたはガラス繊維が、熱結像カメラの撮像系およびレンズ系の光学的分解能より小さい寸法であるという事実に更なる課題がある。
【０００７】
すべてのこれらの課題は、現在のところ、熱結像センサを用いては、説明した種類のストランドの十分に正確かつ信頼性の高い非接触温度測定が可能ではないということを意味する。
【０００８】
説明した従来技術を発端として、それゆえに、本発明は、上述した種類の方法を提供する目的に基づいており、これを用いて、ストランド、例えばワイヤおよびガラス繊維の温度を正確かつ確実に測定することができる。
【０００９】
本発明は、請求項１の主題によって目的を解決するものである。有利な実施形態は、従属請求項、説明および図面で見出すことができる。
【００１０】
本発明は、ストランドの温度を決定するための方法によって目的を解決するものであり、本方法は、
−ストランドが、その長手方向軸の方向に、既知の温度の背景ラジエータに沿って搬送される工程と、
−搬送中に、ストランドが、背景ラジエータの前方で空間分解熱結像センサを使用して受けられる工程と、
−背景ラジエータの前方に位置するストランド部を常に完全に検出する熱結像センサの測定値領域にわたって積分を形成する工程と、
−ストランドの温度が、形成した積分を基準値と比較することによって推定される工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、ストランドは、その長手方向軸の方向に、背景ラジエータに沿って搬送され、その間、ストランドは空間分解熱結像センサ、特にラインセンサまたは表面センサ（熱結像カメラ）によって迎えられる。いかなる場合であっても、熱結像センサによって形成された測定領域は、適用可能な場合にそのレンズ系を使用して、測定時の背景ラジエータの前方に位置するストランド部の幅、およびさらに、その後方に位置する背景ラジエータの少なくとも一部分を、常に完全に検出し、すなわち、特に作動中に生じるストランドの移動またはそれぞれの偏位位置を考慮しても常に完全に検出する。本発明による教示は、熱結像センサの測定値の最大値の代わりに、形成される評価された測定値領域におけるすべての測定値にわたる積分、すなわち、測定値領域の放射画素などの面積であるという事実に基づいている。この場合、この積分は、それぞれの測定時間での背景ラジエータの前方に位置するストランド部、ならびに、背景ラジエータが測定値領域に位置するならば、背景ラジエータの両方を含む。ストランドの温度は、この積分を基準値と比較すること、特にその積分をその基準値と区別することによって推定することができる。本明細書では、本発明は、例えばストランドの焦点ずれまたは移動を考慮すると、本発明によって評価される積分がストランドの温度に関するすべての情報を常に実質的に再現するという認識に基づいている。したがって、熱結像センサ上のストランドの再現がモデルの近似表現として正規分布に基づく場合、ストランドの異なる合焦位置に対するこの正規分布を考慮すると、正規分布の幅および高さが両方とも互いに応じて変化するため、結果として常に積分に対する一定値となる。これは、測定値領域の全体にわたる積分がストランドの温度および寸法とほぼ比例していて、ストランドの位置から生じる合焦にわずかしか依存しないことを意味する。合焦に相当依存するこの正規分布の最大値の評価とは対照的に、本発明による方法は、焦点ずれまたは可変的な合焦を考慮しても、確実に正しい温度値を提供する。
【００１２】
背景ラジエータの背景温度が既知であるため、ストランドの寸法および放射率の認識、例えば測定値領域にわたる積分、ならびに一方では測定値領域に位置するストランドと他方では測定値領域に位置するストランドのない状態との比較を考慮すると、熱結像センサおよびそのレンズ系がストランドに最適に焦点を合わしていないか、または熱結像センサの合焦レベルに対してストランドの位置が変化する場合であってもそれぞれ、ストランドの絶対温度を決定することが可能である。この場合、好適な較正プロセスの間、ストランドのない熱結像センサの測定値領域にわたる積分として背景ラジエータの背景温度を決定することが可能であり、背景ラジエータの対応する温度を示す温度センサを使用して、これまで受信したスカラを参照する。
【００１３】
したがって、振動ストランドが測定値領域のかなり大きな部分にわたってその熱放射しか分布せず、それゆえに、ストランドが静止位置にあるかまたは移動により焦点がずれているかどうかに関係なく、測定値領域にわたる積分が温度値を生成することを本発明者らは理解した。さらに、本発明による方法を用いて、較正プロセス後、直径が既知である非常に細いストランドの温度を測定することも可能である。ストランドと背景ラジエータとの間のごくわずかの温度差であっても、本発明によって正確に決定することができる。
【００１４】
本発明による方法が熱結像センサ、および適用可能な場合、そのレンズ系に対してストランドの合焦または焦点ずれにそれぞれ無関係であるという事実に基づくと、例えば熱結像センサの最大値が超えないようにし、それにより測定値が減少しないようにするために、焦点ずれを意図的に引き起こすことさえできる。測定されるストランドに関して熱結像センサの傾いた位置または表面センサのレベルであってもそれぞれ、問題ではない。
【００１５】
例えば、ストランド、例としてワイヤまたはガラス繊維が中心位置周辺で振動する場合、説明したように、本発明によって評価される積分に平均的に一定値が生成され、これはほとんど合焦とは無関係である。熱結像センサの方向に、または熱結像センサから離れて移動するストランドに関して、測定された温度は実際には、まだある程度その位置に依存しており、これは結果的に、合焦位置の変化だけでなく熱結像センサに達する全体の熱量の変化となるためでもある。しかし、この依存は、補償手段によって、特に互いに対して熱結像センサの基準面の決定された温度にすることによって最小限にすることができる。加えて、この点において、本発明によれば、ストランドと熱結像センサとの間の距離が変化する場合であっても、本発明による方法は驚くべきことに、確実に正確な値を提供することを示した。これは、熱結像センサに達する対象物によって発せられる全体の熱量が常に二次曲線的に距離に依存するので驚きである。本発明による測定値領域にわたる積分により、信頼性の高い測定結果の達成が依然として可能になる。
【００１６】
原則として既に説明したように、これは特に、背景ラジエータの前方に位置するストランドのない測定値領域にわたる積分であり、これは基準値として選択することができる。対応する較正に基づいて、本発明によって形成される積分をこの基準値と比較することによって、ストランドの温度に対する絶対値が決定され得る。
【００１７】
背景ラジエータは、黒体ラジエータに似通ったものであってもよい。この点において、これが実現可能であり、合理的な努力で達成可能であるので、できる限り黒体ラジエータに近いラジエータが用いられる。背景ラジエータの温度は、温度測定装置によって測定することができる。さらに、背景ラジエータは、加熱装置によって所定の温度まで加熱することができる。背景ラジエータおよびその既知の温度を用いて、熱結像センサは、この温度値まで調整することができる。
【００１８】
更なる実施形態によれば、ストランドの温度は、ストランドの想定直径または測定直径を考慮に入れて、形成された積分を基準値と比較することによって、推定することができる。概円筒状ストランドの断面または直径はそれぞれ、直径に依存しない温度結果を受信するために既知でなければならない。利用分野に応じて、必要であるのは、所定の直径値を想定し、それに基づいて温度決定をすることだけである。しかし、直径値は、好適な測定装置によって、次いでこの測定された直径値に基づいて温度決定をするために別々に決定することもできる。
【００１９】
さらに、ストランドの温度は、ストランドの想定放射率または測定放射率を考慮に入れながら、形成された積分を基準値と比較することによって推定することができる。ストランドの放射率は、熱結像センサの画像から絶対温度値を推定することが可能であるためには、既知でなければならない。それぞれの利用分野の放射率の恒常性に応じて、必要であるのはこの場合も同様に、放射率を想定し、それに基づいて測定をすることだけである。しかし、これが相当な変動を受けることになる場合に特に、放射率を決定することもまた必要であってもよい。
【００２０】
ストランドが背景ラジエータによってほとんどまたは完全に囲まれる、更なる実施形態を提供する。具体的には、背景ラジエータは、入口開口部および出口開口部を有する空洞ラジエータであってもよく、ストランドは、入口開口部および出口開口部を通じて空洞ラジエータを通って搬送され、空洞ラジエータは、少なくとも１つの測定開口部を含み、そこを通って空間分解熱結像センサが背景ラジエータの内壁の前方でストランドを検出する。熱放射は、以下の式に従って３つのパラメータによって決定されることが知られている。
ｅ＋ｒ＋ｔ＝１
【００２１】
ここでは、「ｅ」は放射率、「ｒ」は反射率、「ｔ」は透過率と定める。例えば、金属ワイヤでは、例として赤外線測定範囲の透過率が実質的にゼロであると想定することができる。次に、上記の式は、以下の通りに簡略化することができる。
ｅ＋ｒ＝１
【００２２】
理想的な黒体ラジエータでは、反射率はゼロであり、すなわち、ｅ＝１が適用される。それに対して、実際の対象物、例えば金属ワイヤでは、反射率ｒは通常、放射率ｅよりもかなり高い。さらに、表面の構造または温度などの要素に応じて、放射率は変化する。したがって、測定される移動しているストランドの放射率は、特に金属ワイヤでは実際には知られていないことが多い。
【００２３】
それゆえに、上述の実施形態によれば、測定されるストランドにあらゆる面で外部から放射することによって、式ｅ＋ｒ＝１において放射率ｅ＜１による、１欠けた放射の部分は、空洞ラジエータの外部放射によって補正することができる。具体的には、空洞ラジエータによって測定されるストランドへ導かれる熱放射は、その反射率ｒに従って対象物によって反射され、その結果、熱放射の欠けた部分は外部から放射されることによって１まで、言うなれば「充填」される。それに基づいて、非接触温度センサは、放射率が分かっていない場合であっても、再現可能な温度測定値において較正することができる。未知の放射率を考慮した温度の非接触決定のためのこのような方法は、例えば、国際公開第２０１４／０９０９９４号公報により既知であり、これは本出願人に由来する。
【００２４】
熱結像センサの全測定領域は常に、測定値領域として選択することができる。しかし、当然のことながら、全測定領域、すなわち、具体的にはその領域を含む熱結像センサのすべての画素を使用する代わりに、単に熱結像センサの全測定領域の一部が測定値領域（関心領域ＲＯＩ）として使用され得ることもまた考えられる。この点において、この効果は、例えばラインセンサまたは表面センサを用いて、不可避の製造上の公差により、個々の画素が異なる温度値へのそれらの反応およびそれらの依存に関して、最初に未知の形で異なり得るということである。これは、個々の画素の異なるゼロ点および温度への依存の異なる増加の両方の懸念となり得る。単に熱結像センサの全測定領域の一部が測定値領域として選択される場合、計算するときに上述の異なる温度依存を取り除くために標準化が必要である。一方では、熱結像センサの全測定領域が測定値領域として使用される場合、このような標準化は必要ではない。
特に実際の形では、熱結像センサとして赤外線熱結像カメラ（いわゆるボロメータ）を使用することができる。
【００２５】
前に説明したように、ストランドは、特にガラス繊維または金属ワイヤであり得る。金属ワイヤは、例えば金属導体として機能することができる。ストランドがこのような金属ワイヤである場合、これは、例えば、本発明による温度決定後に押出システムでプラスチック絶縁を設けることができる。ガラス繊維に関して、温度を決定するときの要件および課題は最初に説明した。本発明に従って解決される本明細書で生じる特定の課題は、石英ガラスで作られる典型的なガラス繊維の約０．９５の放射率である。最初にも説明したように、確実で正確な温度値は依然として、本発明による方法を使用して決定することができる。
【００２６】
最初にも説明したように、具体的には、より小さい寸法を有するストランドは、本発明による方法を用いて確実に測定することができる。したがって、例えば、円筒状ストランドは、直径５００μｍ未満、好ましくは２５０μｍ未満、さらに好ましくは１５０μｍ未満であり得る。例えば、ガラス繊維は典型的に、直径約１２５μｍである。許容厚み偏差は、一般に１０μｍ未満であり、特に非被覆ガラス繊維は、１μｍ未満の許容厚み偏差を有することができる。非常に細いストランドは、それらの直径が熱結像センサ、および適用可能な場合そのレンズ系の分解能未満である場合であっても、本発明に従って確実に測定することができる。
【００２７】
更なる実施形態によれば、ストランドは、背景ラジエータに沿った搬送前または搬送後、かつ本発明による温度決定に従って、冷却装置、好ましくはヘリウム冷却装置において冷却することができる。
さらに、ストランドは、本発明による温度決定に従って、背景ラジエータに沿った搬送後、特に冷却装置による誘導後、被覆装置において被覆を設けることができる。
具体的には、本発明による方法は、ガラス繊維の線引き塔において実施することができる。
以下の図において本発明の例示的な実施形態をさらに詳細に説明する。図面を模式的に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による方法を実施するためのデバイスの上面図である。
【図２】図１のデバイスの側面図である。
【図３】２つの理論上の測定結果のグラフである。
【図４】図３による測定結果から形成された２つの積分のグラフである。
【図５】本発明による温度決定の２つの実際の測定結果のグラフである。
【図６】本発明による方法と従来技術による方法との比較のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
特に記載しない限り、図面では、同一参照番号は同一対象物を示す。
図１および２は、本発明による方法を実施するための測定構成を示す。この測定構成によって導かれる円筒状ストランド、例えば金属ワイヤまたはガラス繊維は、参照番号１０に隣接する部分に示される。レンズ系１４、ここではレンズ１４を備えた熱結像センサ１２が、背景ラジエータ１６、ここでは実質的に黒体ラジエータの前方でストランド１０を検出する。背景ラジエータ１６の温度は、温度センサ１８によって決定される。
【００３０】
背景ラジエータ１６に沿った搬送中に、ストランド１０は、  
熱結像センサ１２、例えば赤外線ラインセンサまたは表面センサ１２によって、背景ラジエータ１６の前方で受けられる。より詳細に図示されていない評価装置が、熱結像センサ１２の測定領域の全体にわたる積分を、例えば測定値領域として決定し、この積分と基準値との差を形成する。本実施例では、測定値領域にわたる積分は、測定構成によって導かれるストランド１０がない状態で基準値として選択することができる。ストランド１０の直径および放射率が既知であれば、それに基づいて、かつ温度センサ１８を使用して測定した背景ラジエータ１６の温度を考慮に入れて、ストランド１０の温度は、本発明に従った形で確実かつ正確に決定することができる。
【００３１】
これは、図３〜図６のグラフによってさらにより詳細に説明されるものである。同じストランドおよび同じ温度を考慮すると、図３は、一方では静止ストランド１０に対する参照番号２０に隣接し、かつ振動ストランド１０に対する参照番号２２に隣接した、図１および図２のｘ方向に沿った測定信号の理論上の進展を示す。熱結像センサによって測定される温度は、全域に適用される。図３に適用される両曲線の最大値が相当異なるが、ストランドはどちらの場合も同じ温度を有すると理解することができる。これは、温度決定に対する最大値の評価が相当な測定誤差を伴うことを意味する。
【００３２】
図４は、図３による曲線２０にわたる積分を参照番号２４に隣接して示し、図３による曲線２２にわたる積分を参照番号２６に隣接して示す。この積分は、曲線２４、２６の下の各表面積という結果となる。曲線２４、２６の下の表面内容が実質的に同一であるという事実は図４において明白であり、したがって、積分に基づいて温度を決定することは、ストランド１０の振動または移動によるぼやけにそれぞれ無関係である。
【００３３】
実際の測定値が説明のために図５に適用される。良好な合焦に対する測定値および静止ストランドの進展は、参照番号２０’に隣接して示される。同じ温度および同じストランド１０を考慮すると、不十分な合焦に対する測定値またはストランド１０の振動の進展がそれぞれ、参照番号２２’に隣接して示される。
【００３４】
参照番号２８に隣接して、図６のグラフは、同じストランドおよび同じストランド温度に対する測定曲線の最大値の評価を有する従来技術の方法に従って結果として生じる温度値を示すが、図１では、ストランド１０の位置は、ｚ方向に、すなわち、熱結像センサ１２に向かう方向に、または熱結像センサ１２から離れて変化する。熱結像センサ１２およびそのレンズ１４の焦点に対してストランド１０の変化する位置は、決定された温度値から相当な偏差を生じると理解することができる。換言すれば、図５に示した測定曲線の最大値の評価中に決定される温度値は、熱結像センサ１２およびそのレンズ１４の合焦レベルに対するストランド１０の位置にかなり依存する。
【００３５】
本発明による方法に対する温度測定値の同じ進展は、参照番号３０に隣接して示される。この場合、熱結像センサ１２およびそのレンズ１４の合焦レベルに対するｚ方向でのストランド１０の位置は、本発明による温度決定の結果にあまり影響を及ぼさないことが明白である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
Method for determining the temperature of a strand
The invention relates to a method for determining the temperature of a strand, for example a glass fibre or a wire. For example, glass fibres are produced in drawing towers which can be considerably taller than 30 metres. In this case, a glass fibre is drawn from a preform about 100 to 250 mm in diameter that is heated to melting temperature at a speed of almost 3,000 m/min. If it is to be used for today’s data transmission routes for example, the glass fibre itself typically has a diameter in the region of 125 μm, which must be manufactured with accuracies in the nanometre range.
In this case, the drawing temperature of the glass fibre in the hot region of the drawing tower is of key importance. If possible, the temperature of the preform should be regulated such that, given variable drawing speed, exact diameters of the glass fibre are already achieved in the start-up process, in order to minimise rejects. The glass fibre runs through a cooling stretch in the lower region of the drawing tower, in which it is cooled as far as possible to a constantly low temperature of 70 ℃ for example. Such cooling stretches are often operated using helium which is extremely expensive, so that an unnecessary cooling must be prevented, so as not to unnecessarily increase the operating costs of the drawing tower plant. For this reason also, an accurate knowledge of the temperature of the glass fibre is important. In addition, at the end of the cooling stretch, glass fibres are usually provided with a coating. A prerequisite for this coating is a constant temperature of the glass fibre, in order to minimise fluctuations in the thickness and concentricity of the thus far close-tolerance coating. Knots and constrictions can also arise in drawing towers due to a dripping effect if the temperature of the glass fibre does not correspond to the optimum temperature characteristics of the coating.
Attempts were made - in vain - to determine the temperature of such moving strands, such as glass fibres or wires, by means of a thermal imaging camera. In this case, the strand to be measured is imaged by means of a lens system focused on the thermal imaging camera. The temperature is then determined from the maximum value of the measuring values detected by the thermal imaging camera. However, this procedure has not proven reliable in practice. A key problem is a quick movement of the strands to be measured in relation to the time constant of the pixels of the thermal imaging camera. For example, high-frequency vibrations of the glass fibres conveyed along their longitudinal axis inevitably occur in drawing towers for producing glass fibres. For example, glass fibres about 125 μm in diameter can easily sway by 1 millimetre both transversely and longitudinally to the measuring plane in a drawing tower. Typical thermal time constants of standard thermal imaging sensors are in the range of 10 milliseconds. Other movements during production or a non-orthogonal orientation toward the imaging thermal imaging camera cause measuring errors. During manufacture the strand can also be subject to defocusing, for example due to a slow wandering of the fibre away from the centre due to a preform possibly not standing exactly vertically. Depending on the glass fibre manufacturer, this may possibly be identified, but only corrected from a certain extent onwards.
Particularly problematic are the explanatory difficulties with strands to be measured, of which the temperature signal only stands out a little from the temperature signal of a background. This is the case with glass fibres made out of quartz glass for example, which emit thermal radiation in an infrared wavelength-range from approx. 7 to 14 μm, which is regularly interesting for thermal imaging cameras, almost like a black body (emissivity e = 0.95). A further problem lies in the fact that the strands to be measured, for example metal wires or glass fibres, are of smaller dimensions than the optical resolution capacity of the imaging system of thermal imaging camera and lens system.
All these problems mean that currently, a sufficiently accurate and reliable non-contact temperature measurement of strands of the type described using thermal imaging sensors is not possible.
Starting from the prior art explained, the invention is therefore based on the object to provide a method of the aforementioned type, using which the temperature of strands, such as wires and glass fibres, can be measured accurately and reliably.
The invention solves the object by means of the subject matter of claim 1. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims, the description and the figures.
The invention solves the object by means of a method for determining the temperature of a strand, characterised by the steps:
- the strand is conveyed in the direction of its longitudinal axis, along a background radiator of known temperature,
- during the conveying, the strand is received using a spatially resolving thermal imaging sensor in front of the background radiator,
- the integral is formed across a measuring value area of the thermal imaging sensor, which, at all times, completely detects the strand portion located in front of the background radiator,
- the temperature of the strand is deduced by comparing the formed integral with a reference value.
According to the invention the strand is conveyed in the direction of its longitudinal axis, along a background radiator, during which it is received by a spatially resolving thermal imaging sensor, in particular a line sensor or surface sensor (thermal imaging camera). In any event, the measuring area formed by the thermal imaging sensor using its lens system if applicable completely detects, at all times, the width of the strand portion located in front of the background radiator at the time of measurement and, furthermore, at least one part of the background radiator located behind it, that is, in particular even given the movements, or respectively deviating positions of the strand, which occur in operation. The teaching according to the invention is based on the fact that, instead of the maximum value of the measuring values of the thermal imaging sensor, it is the integral across all the measuring values in the evaluated measuring value area, which is formed, that is, the area of the radiated pixels or the like of the measuring value area. In this case, this integral comprises both the strand portion located in front of the background radiator at the respective time of measurement as well as the background radiator provided that it is located in the measuring value area. The temperature of the strand can be deduced by comparing this integral with, in particular differentiating it from, a reference value. Here, the invention is based on the realisation that, given a defocusing or a movement of the strand for example, the integral evaluated according to the invention always substantially reproduces all the information about the temperature of the strand. Therefore, if the reproduction of the strand on the thermal imaging sensor is based on a normal distribution as an approximate representation of a model, given this normal distribution for different focusing positions of the strand, a constant value for the integral always results, since width and height of the normal distribution both change in accordance with each other. This means that the integral across the whole of the measuring value area is approximately proportional to the temperature and the dimensions of the strand and only slightly depends on the focusing which results from the position of the strand. In contrast to the evaluation of the maximum of this normal distribution, which considerably depends on the focusing, the method according to the invention provides reliably correct temperature values even given defocusing or a variable focusing.
Since the background temperature of the background radiator is known, it is possible, given knowledge of the dimensions and emissivity of the strand, for example from a comparison between the integral across the measuring value area and the strand located in the measuring value area on the one hand and without strand located in the measuring value area on the other, to determine the absolute strand temperature, even if the thermal imaging sensor and its lens system are not optimally focused on the strand, or respectively the position of the strand with respect to the focusing level of the thermal imaging sensor changes. In this case, it is possible, during a suitable process of calibration, to determine the background temperature of the background radiator as integral across the measuring value area of the thermal imaging sensor without strand and referencing the scalar thus received, using a temperature sensor which indicates the corresponding temperature of the background radiator.
The inventors have therefore realised that an oscillating strand only distributes its thermal radiation across a fairly large portion of the measuring value area, hence integration across the measuring value area produces a temperature value which is independent of whether the strand is in a stationary position or is defocused due to movement. Furthermore, using the method according to the invention, it is also possible to measure the temperature of very thin strands, of which the diameters are known, after a calibration process. Even very small differences in temperature between the strand and the background radiator can be determined accurately according to the invention.
Based on the fact that the method according to the invention is independent of a focusing or respectively defocusing of the strand with respect to the thermal imaging sensor and its lens system if applicable, a defocusing can even be induced deliberately, in order, for example, to prevent the maximum value of the thermal imaging sensor being exceeded, and the measuring values thereby reduced. Even skewed positions of the thermal imaging sensor, or respectively the level of a surface sensor, with regard to the strand to be measured are unproblematic.
If the strand, for example a wire or a glass fibre, vibrates around a central position for example, as explained, a constant value is produced on an average for the integral evaluated according to the invention, which is largely independent of the focusing. For a strand moving in the direction of the thermal imaging sensor or away from the thermal imaging sensor, the measured temperature does indeed still depend on its position to a certain extent, since this results not only in a change of the focusing position but also a change in the overall amount of heat reaching the thermal imaging sensor. However, this dependency can be minimised by compensatory measures, in particular by making the determined temperature of reference surfaces of the thermal imaging sensor relative to one another. In addition, in this respect, according to the invention, the method according to the invention has surprisingly been shown to provide reliably accurate values even if the distance between the strand and the thermal imaging sensor varies. This is surprising inasmuch as the overall amount of heat emitted by an object, which reaches the thermal imaging sensor, always depends on the distance quadratically. The integration across the measuring value area according to the invention still enables the achievement of reliable measuring results.
As has already been explained in principle, it is in particular the integral across the measuring value area without strand located in front of the background radiator, which can be selected as reference value. Based on a corresponding calibration, an absolute value for the temperature of the strand can be determined, by comparing the integral formed according to the invention with this reference value.
The background radiator can be a near black-body radiator. In this respect, a radiator as close to being a black-body radiator as possible is used inasmuch as this is feasible and can be achieved with reasonable efforts. The temperature of the background radiator can be measured by means of a temperature-measuring apparatus. Furthermore, the background radiator can be heated to a predetermined temperature by means of a heating apparatus. Using the background radiator and its known temperature, the thermal imaging sensor can be calibrated to this temperature value.
According to a further embodiment, the temperature of the strand can be deduced, by comparing the formed integral with the reference value, taking an assumed or measured diameter of the strand into account. The cross-section or respectively diameter of the generally circular cylindrical strand must be known in order to receive a temperature result which is independent of diameter. Depending on the field of application, all that is required is to assume a predetermined diameter value and to base the temperature determination thereon. However, the diameter value can also be determined separately by means of a suitable measuring apparatus and then to base the temperature determination on this measured diameter value.
Furthermore, the temperature of the strand can be deduced by comparing the formed integral with the reference value, while taking an assumed or measured emissivity of the strand into account. The emissivity of the strand must be known in order to be able to deduce an absolute temperature value from the image of the thermal imaging sensor. Depending on the constancy of the emissivity in the respective field of application, all that is again required, is to assume an emissivity and to base the measurement thereon. However, determining the emissivity can also be necessary, in particular if this is subject to considerable fluctuations.
A further embodiment provides that the strand is predominantly or wholly surrounded by the background radiator. In particular the background radiator can be a cavity radiator with an inlet opening and an outlet opening, wherein the strand is conveyed right through the inlet opening and outlet opening, through the cavity radiator, and wherein the cavity radiator comprises at least one measuring opening, through which the spatially resolving thermal imaging sensor detects the strand in front of the inner wall of the background radiator. Thermal radiation is known to be determined by means of three parameters according to the following equation:
e + r + t = 1
Here, 'e' determines the emissivity, 'r' the reflectivity, and 't' the transmissivity. For example, with metal wires it can be assumed that the transmissivity in the infrared measuring range for example is practically zero. The above equation can then be simplified as follows:
e + r = 1
In an ideal back-body radiator the reflectivity is zero, that means, e = 1 applies. In contrast, with real objects, for example with metal wires, the reflectivity r is usually much higher than the emissivity e. Moreover, the emissivity changes, depending on factors such as make-up of the surface or temperature. Therefore, the emissivity of the moving strand to be measured is often not known in practice, in particular with metal wires.
Hence, according to the aforementioned embodiments, by externally radiating the strand to be measured on all sides, the portion of the radiation missing by 1 due to the emissivity e < 1 in the equation e + r = 1 can be compensated by the external radiation of the cavity radiator. In particular, the thermal radiation guided onto the strand to be measured by the cavity radiator is reflected by the object according to its reflectivity r, so that the missing part of the thermal radiation is as it were 'filled' to 1 by being externally radiated. Based thereon, non-contact temperature sensors can be calibrated in reproducible temperature measuring values even if emissivity is not known. A method such as this for the non-contact determination of the temperature given unknown emissivity is known for example from WO 2014/090994 A2 which stems from the present applicant.
The total measuring area of the thermal imaging sensor can always be selected as measuring value area. However, it is of course also conceivable that, instead of using the total measuring area, that is, in particular all the pixels of the thermal imaging sensor comprising the region, merely a section of the total measuring area of the thermal imaging sensor can be used as measuring value area (Region of Interest ROI). In this respect, the effect is that, with line sensors or surface sensors for example, the individual pixels can differ in initially unknown manner with regard to their responsiveness and their dependency on different temperature values, due to inevitable manufacturing tolerances. This can concern both a different zero point of the individual pixels and a different increase in dependency on the temperature. If merely a part of the total measuring area of the thermal imaging sensor is selected as measuring value area, standardisation is then required, in order, when calculating, to eliminate the aforementioned different temperature dependency. On the other hand, if the total measuring area of the thermal imaging sensor is used as measuring value area, such a standardisation is not required.
In a particularly practical manner, an infrared thermal imaging camera (so-called bolometer) can be used as thermal imaging sensor.
As explained before, the strand can in particular be a glass fibre or a metal wire. The metal wire can act as metal conductor for example. If the strand is such a metal wire, it can, for example, be provided with a plastic insulation in an extrusion system after the temperature determination according to the invention. With regard to glass fibres, the requirement and the problems when determining the temperature have been explained at the outset. A particular problem arising here, which is solved according to the invention, is an emissivity of approx. 0.95 of typical glass fibres made out of quartz glass. As also explained at the outset, reliably accurate temperature values can still be determined using the method according to the invention.
As also explained at the outset, in particular strands with smaller dimensions can be measured reliably, using the method according to the invention. Accordingly, the, for example, circular cylindrical strand can be less than 500 μm, preferably less than 250 μm, further preferably less than 150 μm in diameter. For example, glass fibres are typically approx. 125 μm in diameter. The permissible thickness deviation is below 10 μm as a rule, in particular non-coated glass fibres can have permissible thickness deviations of below 1 μm. Very thin strands can be reliably measured according to the invention, even if their diameter is less than the resolution capacity of the thermal imaging sensor and its lens system, if applicable.
According to a further embodiment, the strand can be cooled in a cooling apparatus, preferably a helium cooling apparatus, before or after the conveying along the background radiator and in accordance with the temperature determination according to the invention.
Furthermore, the strand can be provided with a coating in a coating apparatus after the conveying along the background radiator and particularly after the guidance through a cooling apparatus, in accordance with the temperature determination according to the invention.
In particular, the method according to the invention can be carried out in a glass-fibre drawing tower.
An exemplary embodiment of the invention is explained in greater detail in the following figures. The figures show schematically:
Fig. 1 a device for carrying out the method according to the invention in a top view,
Fig. 2  the device from Figure 1 in a side view,
Fig. 3  a diagram with two theoretical measuring results,
Fig. 4 a diagram with two integrals formed out of the measuring results from Figure 3,
Fig. 5 a diagram with two real measuring results of the temperature determination according to the invention,
Fig. 6 a diagram with a comparison between the method according to the invention and a method according to the prior art.
Unless otherwise stated, in the figures the same reference numbers denote the same objects.
Figure 1 and 2 show a measuring arrangement for carrying out the method according to the invention. A circular cylindrical strand, for example a metal wire or a glass fibre, guided through the measuring arrangement, is shown in sections next to reference number 10. A thermal imaging sensor 12 with a lens system 14, here a lens 14, detects the strand 10 in front of a background radiator 16, here a substantially back-body radiator. The temperature of the background radiator 16 is determined by a temperature sensor 18.
During the conveying along the background radiator 16, the strand 10 is 
received in front of the background radiator 16 by the thermal imaging sensor 12, for example an infrared line sensor or surface sensor 12. An evaluation apparatus not shown in greater detail in the figures determines the integral across the whole of the measuring area of the thermal imaging sensor 12 for example as measuring value area, and forms the difference between this integral and a reference value. In the present example, the integral across the measuring value area can be selected as reference value, without strand 10 guided through the measuring arrangement. Given the known diameter and emissivity of strand 10, based thereon and taking into account the temperature of the background radiator 16 measured using the temperature sensor 18, the temperature of the strand 10 can be reliably and accurately determined in the manner according to the invention.
This is to be explained in even greater detail by means of the diagrams in Figures 3 to 6. Given the same strand and same temperature, Figure 3 shows the theoretical progress of the measuring signal along the x direction in Figures 1 and 2 next to the reference number 20 for a stationary strand 10 on the one hand, and next to reference number 22 for an oscillating strand 10. The temperature measured by the thermal imaging sensor is applied over the entire area. It can be understood that the maximum values of both the curves applied in Figure 3 differ considerably, although the strand has the same temperature in both cases. This means that the evaluation of the maximum value for a temperature determination entails a considerable measuring error.
Next to the reference number 24, Figure 4 shows the integral across the curve 20 from Figure 3, and next to the reference number 26 the integral across the curve 22 from Figure 3. The integral results in the area of each surface below the curves 24, 26. The fact that the surface content below the curves 24, 26 is practically identical is clear in Figure 4, so that determining the temperature based on the integral is independent of the oscillation of the strand 10 or respectively a blurring due to movement.
Real measuring values are applied in Figure 5 by way of illustration. The progress of a measuring value for a good focusing and a stationary strand is shown next to the reference number 20‘. Given the same temperature and same strand 10, the progress of a measuring value for a poor focusing, or respectively a vibration of the strand 10, is shown next to reference number 22‘.
Next to the reference number 28, the diagram in Figure 6 shows the resulting temperature values according to the method of the prior art with an evaluation of the maximum of the measuring curve for the same strand and same strand temperature, but in Figure 1 with the position of the strand 10 changing in z direction, that is, in the direction towards the thermal imaging sensor 12 or away from the thermal imaging sensor 12. It can be understood that the changing position of the strand 10 with respect to the focus of the thermal imaging sensor 12 and its lens 14 produces considerable deviations from the determined temperature value. In other words, the temperature value determined during an evaluation of the maximum of the measuring curves shown in Figure 5 greatly depends on the position of the strand 10 with respect to the focusing level of the thermal imaging sensor 12 and its lens 14.
The same progress of the temperature measuring value for the method according to the invention is shown next to the reference number 30. In this case it is clear that the position of the strand 10 in z direction with respect to the focusing level of the thermal imaging sensor 12 and its lens 14 has no appreciable influence on the result of the temperature determination according to the invention.
Claims 
1. Method for determining the temperature of a strand (10), characterised by the steps:
- the strand (10) is conveyed in the direction of its longitudinal axis, along a background radiator (16) of known temperature,
- during the conveying, the strand (10) is received using a spatially resolving thermal imaging sensor (12) in front of the background radiator (16),
- the integral is formed across a measuring value area, which, at all times, detects the complete strand portion located in front of the background radiator (16) of the thermal imaging sensor (12),
- the temperature of the strand (10) is deduced by comparing the formed integral with a reference value.
2. Method according to claim 1, characterised in that the reference value is the integral across the measuring value area without strand (10) located in front of the background radiator (16).
3. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the background radiator (16) is a near black-body radiator.
4. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the temperature of the background radiator (16) is measured by means of a temperature-measuring apparatus.
5. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the background radiator (16) is heated to a predetermined temperature by means of a heating apparatus.
6. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the temperature of the strand (10) is deduced by comparing the formed integral with the reference value, taking into account an assumed or measured diameter of the strand (10).
7. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the temperature of the strand (10) is deduced by comparing the formed integral with the reference value, taking into account an assumed or measured emissivity of the strand (10).
8. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the strand (10) is largely or completely surrounded by the background radiator (16).
9. Method according to claim 8, characterised in that the background radiator (16) is a cavity radiator with an inlet opening and an outlet opening, wherein the strand (10) is conveyed right through the inlet opening and the outlet opening, through the cavity radiator, and wherein the cavity radiator comprises at least one measuring opening, through which the spatially resolving thermal imaging sensor (12) detects the strand (10) in front of the inner wall of the background radiator (16).
10. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the whole measuring area of the thermal imaging sensor (12) is selected as measuring value area.
11. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the thermal imaging sensor (12) is an infrared thermal imaging camera.
12. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the strand (10) is a glass fibre or a metal wire.
13. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the strand (10) has a diameter of less than 500 μm, preferably less than 250 μm, further preferably less than 150 μm.
14. Method according to one of the preceding claims, characterised in that, before or after of the conveying along the background radiator (16), the strand (10) is cooled in a cooling apparatus, preferably a helium cooling apparatus.
15. Method according to one of the preceding claims, characterised in that, after the conveying along the background radiator (16), the strand (10) is provided with a coating in a coating apparatus.
16. Method according to one of the preceding claims, characterised in that the method is carried out in a glass fibre drawing tower.
Abstract:
The invention relates to a method for determining the temperature of a strand, characterised by the steps:
- the strand is conveyed in the direction of its longitudinal axis, along a background radiator of known temperature,
- during the conveying, the strand is received in front of the background radiator, using a spatially resolving thermal imaging sensor,
- the integral is formed across a measuring value area, which, at all times, completely detects the strand portion located in front of the background radiator of the thermal imaging sensor,
- the temperature of the strand is deduced by comparing the formed integral with a reference value.
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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