(57)【要約】  炉のための制御システムを提供する。当該制御システムは、熱画像カメラ及び制御ユニットを含む。熱画像カメラは、炉内の複数の位置から熱放射を受け取って、炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するように構成されている。制御ユニットは、画像を熱画像カメラから受け取って、画像を用いて炉のための制御信号を生成するように構成されている。
2020513529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉の制御システムであって、
炉内の複数の位置から熱放射を受け取って、前記炉内の前記複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するように構成された熱画像カメラと、
前記画像を前記熱画像カメラから受け取って、前記画像を用いて前記炉のための制御信号を生成するように構成された制御ユニットと、を備えた、制御システム。
【請求項２】
前記制御信号が前記炉内の温度を調整するためのものである、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記制御信号が、前記炉内の１以上の位置における温度を差別的に調整するためのものである、請求項１又は２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記制御信号がバッチ導入を調整するためのものである、請求項１又は２に記載の制御システム。
【請求項５】
前記制御ユニットが、前記画像を以前に収集された画像と比較して、温度又は位置の変化を検出するように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項６】
前記制御ユニットが、前記炉内の位置から受け取った前記放射における反射成分を識別及び減算するように構成された反射補償モジュールを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項７】
前記反射補償モジュールが、前記炉内の生成物上の２つの位置を選択し、前記２つの選択された位置がほぼ同一の温度を有し、且つ、前記２つの選択された位置が、前記炉内の異なる温度を有するそれぞれの位置から生じる反射成分を含む、請求項６に記載の制御システム。
【請求項８】
前記反射補償モジュールが、前記生成物の放射率を算出するように構成されている、請求項７に記載の制御システム。
【請求項９】
前記反射補償モジュールが、前記生成物の前記放射率を用いて前記生成物の温度を算出するように構成されている、請求項８に記載の制御システム。
【請求項１０】
記炉内の単一の位置から放射を受けて当該位置の温度を測定するように構成された追加の温度感知装置を備え、前記制御ユニットが、関連する位置に関して、前記温度感知装置及び前記熱画像カメラにより測定された温度を比較し、そして、前記熱画像カメラにより生成された画像に関連する温度情報を較正するように構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記温度感知装置が、（少なくとも）２つの波長で放射を受け取り、且つ、前記関連位置の温度を、前記（少なくとも）２つの波長で受け取られる放射の量に基づいて測定するように構成されている、請求項１０に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記制御ユニットが、前記熱画像カメラからの画像内でバッチを識別するように構成されたバッチ識別モジュールを備えている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記バッチ識別モジュールが、前記識別されたバッチの速度を測定するように構成されている、請求項１２に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記バッチ識別モジュールが、前記バッチの移動を追跡するように構成されている、請求項１２又は１３に記載の制御システム。
【請求項１５】
前記バッチの移動を追跡することが、前記バッチの移動を予測することを含む、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
前記バッチの移動の予測が、複数の位置における温度情報に基づいている、請求項１５に記載の制御システム。
【請求項１７】
前記制御信号が、前記バッチの移動を制御するために前記炉内の１以上の位置の温度を調整するためのものである、請求項１２〜１６のいずれかに記載の制御システム。
【請求項１８】
前記制御信号が、前記バッチの導入を制御するためのものである、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項１９】
前記制御ユニットが、異常なバッチ温度を識別して、前記バッチに関する品質問題を強調するための制御信号を生成するように構成されている、請求項１２に記載の制御システム。
【請求項２０】
前記制御ユニットが、異常なバッチ位置を識別して、前記バッチに関する品質問題を強調するための制御信号を生成するように構成されている、請求項１２に記載の制御システム。
【請求項２１】
前記制御ユニットが、熱応力、損傷、又は損傷の可能性の増大を示す、前記炉内の異常な温度及び温度差を識別するように構成されている、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項２２】
前記異常な温度及び温度差が，壁又は前記炉のクラウンに存在する、請求２１に記載の制御システム。
【請求項２３】
制御信号が、前記炉内の温度プロファイルを変更するために、又は、損傷を防止若しくは軽減するために操作者に警告するために発生される、請求項２１又は２２に記載の制御システム。
【請求項２４】
前記制御システムが、前記炉の加熱及び／又はメンテナンス作業中の損傷を防止又は軽減するように構成されている、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項２５】
前記制御ユニットが、さらに、前記温度が熱依存化学反応の可能性を示す所定の値に達する１つ又は複数の位置を識別するように構成されている、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項２６】
前記制御ユニットが、前記化学反応の生成速度を、前記温度が前記所定の値を超えた位置の個数から予測するように構成されている、請求項２５に記載の制御システム。
【請求項２７】
前記予測が、各位置の温度と、温度の関数としての前記反応速度の知識とに基づいている、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項２８】
前記化学反応が、望ましくない副生成物の形成である、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項２９】
前記化学反応がＮＯｘの生成であり、前記所定の値が少なくとも１６００℃である、請求項２８に記載の制御システム。
【請求項３０】
前記制御信号が、前記温度が前記所定の値を超える前記識別された位置に基づいて前記炉内の温度を調整するためのものである、請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項３１】
バッチを受け取り、溶融させて生成物を形成するための炉であって、
チャンバと、
前記チャンバにバッチを導入するためのバッチディスペンサと、
前記チャンバに導入されたバッチを溶融するための少なくとも１つのバーナと、
請求項１〜３０のいずれかに記載の前記制御システムと、を備えた、炉。
【請求項３２】
前記チャンバの第１のサイド（側面）上の第１バーナ又はバーナ配列と、前記バーナの第２のサイド（側面）上の第２バーナ又はバーナ配列とを含み、前記制御信号が、前記第１のサイド上のバーナと前記第２のサイド上のバーナとを、前記熱画像カメラから受信した画像に基づいて切り替えるためのものである、請求項３１に記載の炉。
【請求項３３】
前記制御信号が、所定の位置又は複数の位置における温度が所定の値に達したときに前記第１サイドバーナと第２サイドバーナとを切り替えるためのものである、請求項３２に記載の炉。
【請求項３４】
前記制御信号が、所定の位置又は複数の位置における温度が所定の値に達したときに、前記バーナの少なくとも１つに対して燃料及び酸素プロファイルを制御するためのものである、請求項３２に記載の炉。
【請求項３５】
前記所定の値が最大値である、請求項３３又は３４に記載の炉。
【請求項３６】
前記燃料及び酸素プロファイルの切り替え又は制御が、前記所定値が熱依存化学反応を示しているときに生じる、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の炉。
【請求項３７】
前記化学反応が、望ましくない副生成物の形成である、請求項３６に記載の炉。
【請求項３８】
前記化学反応がＮＯｘの生成である、請求項３７に記載の炉。
【請求項３９】
前記所定の値が、製品品質、エネルギー効率を最適化するために、又は、炉のインフラストラクチャへの損傷を回避するために選択される、請求項３３〜３８のいずれか一項に記載の炉。
【請求項４０】
炉を制御する方法であって、
炉内の複数の位置から熱画像カメラで熱放射を受け取るステップと、
前記炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するステップと、
前記炉のための制御信号を、制御ユニットにて、前記画像を使用して生成するステップと、を含む、方法。
【請求項４１】
コンピュータ実行可能な命令を含むコンピュータプログラム製品であって、前記命令が、コンピュータにより実行されるときに当該コンピュータに、
炉内の複数の位置から熱画像カメラで熱放射を受け取るステップと、
前記炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するステップと、
前記炉のための制御信号を、制御ユニットにて、前記画像を使用して生成するステップと、を含むステップを実行させる、コンピュータプログラム製品。
【請求項４２】
画像を、所定の時間間隔で、又は、所定の事象に関連して記録するステップと、
メンテナンス要件を特定するために、長期間にわたり撮影された画像を比較するステップと、をさらに含む、請求項４１に記載のコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱画像カメラを用いた炉の制御システムに関する。特に、本発明は、炉により製造される生成物、並びに、その炉のエネルギー使用量、動作効率及び寿命を改善するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスは、粒状の原料（一般に「バッチ」と称される）を「溶融タンク」又は炉の一端に加えることにより工業的に製造される。これを溶融するために、バッチより上にバーナが設置され、最終生成物は、炉の他端から流出する。また、炉は、その他の生成物（例えば金属）の工業的製造にも使用される。
【０００３】
バーナは、一般的に、炉の端部又は側面（サイド）上に配置されて、いわゆるエンドファイア型又はサイドファイア型の設計（共に空気及び酸素が燃焼される）を構成している。バーナは、大抵、炉の両端／側面に沿って対称的に又は互い違いに配列される。再生空気炉においては、両端／側面のいずれかのバーナが、約２０〜３０分毎に「反転」されて連続的に燃焼される。
【０００４】
炉は、伝統的に、単一点の温度を測定するための熱電対又はその他の個別の温度測定装置を有している。高温で強烈な環境の炉は、一般的に、耐火壁に埋め込まれた熱電対を有し、これらが温度傾向を提示する。
【０００５】
また、炉内の瞬間的な点測定も、手持ち式高温計又は固定式繊維温度装置を使用して行われ得る。これらは、炉内の単一位置の温度測定を行い得るが、温度が読み取られるのは、アクセス窓を開けることができるとき、又は、反転中に炎が存在しないときだけであり、その頻度は低い。
【０００６】
炉の放射測定は、通常、排気筒又は煙突で行われる。連続測定が可能であるが、炉の容積が大きく、また、炉内外へのガス流速に制限があるため、測定にはかなりのタイムラグが伴う。
【０００７】
炉内の温度状態をリアルタイムで監視するために、昨今、熱画像カメラ及び光学画像カメラが導入されている。熱画像カメラは、炉内の状態に関するヒートマップを、赤外線を使用して作成できる。
【０００８】
炉内の温度プロファイルが、生成物の品質、エネルギー使用量及び作業効率に重要であることがわかっている。ガラスの場合、温度は、理想的には、炉の長さに沿った特定の地点で最高温度まで上昇し、その後、排出端に向かって再び降下する。これが、ガラス内の対流を、最高温度の地点で上昇するように確立するが、バッチは、典型的に、炉の投入／溶融端で溶融ガラスになる。「泡立ち」又は電極、若しくは堰壁、或いは深さの変化が、最高温度の地点（深部からの熱いガラスが表面に上昇する）で時々観察される。ホットスポット又はバッチ溶融位置が偏ると、生成物の品質が低下することになる。
【０００９】
炉の壁及びクラウンの温度プロファイルも重要である。熱応力は、ホットスポット又はコールドスポット周辺の耐火物を損傷させる。腐食性化合物、例えばＮａＯＨは、炉の低温領域で凝縮し得るため、コールドスポットは化学的攻撃も受ける。これは、オキシ‐燃料を使用する昨今の炉（空気‐燃料混合物から、パーセントレベルで最大３．５倍のＮａＯＨを生成し得る高い火炎温度を有する）において、特に問題である。
【００１０】
また、詳細な熱画像を使用すると、熱依存化学反応が発生していると考えられる領域の特定も可能である。例えば、ガラス溶融用途において生成されるＮＯｘの大部分は「サーマルＮＯｘ」であり、１６００°Ｃ（２９００°Ｆ）を超える温度で生成され、温度が上昇するにつれ、生成速度が速くなる。熱画像カメラからの画像を、燃焼ガス用のポータブル分析計による煙道ガス測定値と比較すると、炉の入口又は側面（１６００℃超の温度領域が、明らかに、より大きい）に、より多量のＮＯｘが存在することが明らかである。サーマルＮＯｘの理論によれば、火炎の温度が高いほどＮＯｘの生成速度が速い。高温領域が大きいほど反応ゾーンが大きい。従って、炉のリアルタイム熱画像があれば、感熱性化学反応が生じ得る領域を迅速に特定でき、そして、それらの領域の温度が、生じ得る反応速度を提示し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の炉は、動作の変化への応答又は反応に、不都合に長い時間がかかるという問題がある。本発明の目的は、この問題に対処し、これを軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、炉の制御システムであって、前記炉内の複数の位置から熱放射を受け取って、前記炉内の前記複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するように構成された熱画像カメラと、前記画像を前記熱画像カメラから受け取って、前記画像を用いて前記炉のための制御信号を生成するように構成された制御ユニット、とを備えた制御システムが提供される。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、コンピュータ実行可能な命令を含むコンピュータプログラム製品が提供される。前記命令は、コンピュータにより実行されるときに、当該コンピュータに、炉内の複数の位置から熱画像カメラで熱放射を受け取るステップと、前記炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するステップと、制御ユニットにて、前記炉のための制御信号を、前記画像を用いて生成するステップと、を含むステップを実行させる。
【００１４】
前記熱画像カメラは、好ましくは、前記炉の内部の、前記カメラ内の画素に対応する数百又は数千の位置に関する温度情報を含む広角画像を生成するように構成される。好ましくは、前記熱画像カメラは、前記炉の複数の領域を画像化するように構成される。当該複数の領域は、前記炉の生成物、壁、及びクラウンのいずれをも含む。前記制御信号は、前記炉内の複数の位置における温度を差別的に調整するためのものであり得る。
【００１５】
前記熱画像カメラは、前記炉内の温度プロファイルをリアルタイムで決定できる。従って、前記制御信号は、前記炉の特性をリアルタイムで調整可能となる。このリアルタイムのフィードバック制御が、高品質の生成物を常に保証でき、生成物及びエネルギーの無駄を最小限にする。当技術分野において、熱画像カメラを指す用語として、その他の多数の用語、例えば「赤外線カメラ」及び「熱画像ボアスコープ」が使用されている。
【００１６】
前記熱画像カメラ及び制御信号は、前記炉の連続運転中だけでなく、加熱中、冷却中、及び／又は、修理作業（例えば、耐火壁のセラミック溶接）中のいずれにおいても使用され得る。
【００１７】
誤動作の場合に冗長性を提供するために、或いは、前記炉の異なる段階に対する視野角を提供するために、複数の熱画像カメラを前記炉と共に使用してもよい。一例において、前記炉が、示差膨張率による損傷を特に受けやすい場合、炉の加熱中に、より低い温度範囲を有する熱画像カメラを使用してもよい。別の例において、特定の範囲の波長に敏感な熱画像カメラを選択して、前記炉内雰囲気の構成要素を画像化又は「透視」するか、或いは、溶融生成物内のより深い箇所から画像化可能である。
【００１８】
好ましくは、前記制御ユニットは、前記炉内の位置から受け取った前記放射における反射成分を識別及び減算するように構成された反射補償モジュールを含む。炉の底部上の溶融又は部分溶融生成物が、熱放射の有効な反射体として作用し得る。反射成分を減算することにより、前記生成物から直接放出される放射成分を算出することが可能であり得る。このようにして、前記生成物の正確な放射率及び温度を測定することが可能であり得る。前記生成物の複数の位置が選択され得る。各位置に対して放射率及び温度の算出を実行し得る。或いは、１つの位置で算出された放射率値を、その他の位置（前記生成物が前記プロセスの同一段階にあり同一放射率を有し得る位置）での温度を算出するために使用することも可能である。
【００１９】
前記反射補償モジュールは、前記炉内の前記生成物上の、ほぼ同一温度の２つの位置を任意に選択することもできる。前記２つの選択された位置は、前記炉内の異なる温度のそれぞれの位置から発生する反射成分を含み得る。従って、前記反射成分は、それらがほぼ同一温度であるという事実にもかかわらず、それぞれ識別され得る。なぜなら、前記２つの選択された位置から受け取られる放射の量が異なるからである。これにより、前記反射成分の識別及び減算が可能になり、前記２つの選択された位置における前記生成物の真の温度が決定され得る。これは、前記生成物（ガラスであり得る）の放射率を算出することにより達成され得る。
【００２０】
好ましくは、前記熱画像カメラは、また、前記炉内の異なる温度のそれぞれの位置から直接放射される熱放射を受け取る。これは、前記反射補償モジュールが、前記生成物上の選択された位置から受け取った放射からこの放射束を減算することを可能にし得る。
【００２１】
追加の温度感知装置、すなわち、前記炉内の単一の位置から放射を受けて当該位置の温度を決定するように構成された温度感知装置を設けてもよい。次いで、前記制御ユニットが、前記温度感知装置及び前記熱画像カメラにより関連する位置に関して決定された温度を比較し、そして、前記熱画像カメラにより生成された画像に関連する温度情報を較正し得る。こうして、前記熱画像カメラにより算出された温度に対して調整をなし得る。これは、材料がカメラのレンズを覆い隠し、受け取った放射線量を減らして、誤った温度測定をもたらす場合に特に有用である。このような状況は、前記炉の過酷な環境では珍しいことではない。
【００２２】
一構成において、前記温度感知装置は、単一の位置にて温度を測定するように設計された高温計である。前記温度感知装置を、熱画像形成カメラとは異なる位置に取り付けて、これらの両方の装置が同種類の掩蔽を受ける可能性を最小限にすることも可能である。
【００２３】
前記温度感知装置は、（少なくとも）２つの波長で放射を受け取り、且つ、前記関連位置の温度を、前記２つの波長で受け取られる放射の相対的な量に基づいて決定するように構成され得る。二波長高温計は、部分的な掩蔽が生じても温度を適切に測定できる。なぜなら、温度における掩蔽のいずれの影響も、各波長で異なるからである。二波長高温計を使用することで、前記熱画像内の関連位置の温度測定値を有効に較正でき、その地点での掩蔽を補償するのに必要な係数を、前記熱画像の残りの部分にも適用できる。幾つかの実施形態において、前記熱画像カメラは、２つ以上の波長の放射を受け取ることが可能であり、これは、さらなる温度感知装置（例えば高温計）を必要とせずに、前記熱画像カメラが自己較正可能なことを意味する。
【００２４】
前記制御ユニットは、前記画像を以前に収集された画像と比較して、温度又は位置の変化を検出するように構成されている。前記画像は、連続した時点で生成されてもよく、移動変化、速度変化、温度変化及び変化率のいずれかを決定するために制御システムにより以前の画像と比較されてもよい。有利には、これにより、生成物がその形成中に経験した条件の履歴を、品質目的のために編集することが可能になる。これにより、異常な変化率及び材料又は計測機器、例えば熱電対の緩慢な劣化を確認できる。連続した時点からの画像を使用して、連続運転中、炉の加熱中若しくは冷却中、又はメンテナンス作業中に状態を記録し、又は異常な温度変化を識別することが可能である。
【００２５】
前記連続した時点は、連続したフレーム間の間隔から１年の間隔までの任意の間隔にあり得る。定期的な測定が、一定の時間間隔で、或いは、炉の事象に従って行われ得る。例えば、再生式ガラス炉の場合、毎日午前０時以降の最初の２回の反転時に温度画像を記録することが可能である。幾つかの態様において、３００，０００個を超える温度データポイントが、連続した時点の各々にて収集され得る。
【００２６】
熱画像カメラの使用は、炉を長期間にわたり監視可能なことを意味する。従って、前記制御ユニットは、前記炉の動作を変更する制御信号を長時間にわたり生成するように構成され得る。これらの制御信号の使用により、炉の寿命を延ばすことができ、或いは、メンテナンスのためのより良好なタイミングを提供できる。
【００２７】
本発明のさらに別の態様によれば、炉を制御する方法が提供され、この方法は、炉内の複数の位置から熱画像カメラで熱放射を受け取るステップと、前記炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するステップと、前記炉のための制御信号を、制御ユニットにて、前記画像を使用して生成するステップと、を含む。前記方法は、前記制御ユニットで生成された制御信号に従って前記炉を制御するステップを、さらに含み得る。
【００２８】
このようにして、前記炉を、前記複数の位置の温度に従って制御できる。炉の特性、例えばバーナ、及び／又はスループット率に対して調整をなし得る。これが、最終生成物の品質及び生産率を向上させ、前記炉の寿命を最大化し、そして、エネルギー使用量及び排出量を最小化し得る。
【００２９】
好ましくは、前記制御信号は、前記炉内の温度を調整するためのものである。前記炉内の温度は、火炎長さ、及び／又は、燃料／酸素若しくは空気混合物を制御することにより調整可能である。また、火炎を、前記炉内の異なる位置で温度の微調整を達成するようにも制御し得る。温度プロファイルの正確な制御は、前記生成物の品質、並びにその炉のエネルギー使用量、動作効率及び寿命を最適化するために重要であり得る。
【００３０】
幾つかの実施形態において、前記制御ユニットは、さらに、温度が所定の値（高温又は低温）を超えた位置を識別するように構成される。これは、インフラストラクチャの損傷又は製品品質の低下が発生し得る状態を示し得る。前記制御信号を、必要に応じて加熱を加減して供給するために使用し得る。
【００３１】
前記制御信号は、バーナの反転を制御するためにも使用され得る。従って、バーナの逆転は、単純に規則的な時間間隔ではなく、前記炉のリアルタイム状態に従って最も適切な時間に生じ得る。前記熱画像カメラが、特定の位置又は複数の位置での温度が所定の値又は最大値に達したことを示したとき、或いは、その所定の値を超えた位置の割合が、所定の閾値に達した場合、バーナの反転が前記制御ユニットにより合図され得る。前記特定の位置は、画像の任意の領域又は複数の領域に、壁、クラウン、生成物及び／又は炎の温度に基づいて反転をトリガーするように関連し得る。
【００３２】
前記制御信号は、一般的に「バッチ」と称される原材料の導入率を調整するためのものであり得る。生成物のスループットをリアルタイムで制御することが、製品の品質、エネルギー使用量、及び動作効率の最適化において重要であることが分かっている。幾つかの態様において、前記方法は、さらに、前記画像内のバッチの領域を識別すること、及び、温度情報に基づいてバッチの移動を追跡することを含み得る。
【００３３】
前記制御ユニットは、前記熱画像カメラからの画像内のバッチを識別するように構成されたバッチ識別モジュールを含み得る。このようにして、バッチに関する温度が測定され得る。前記バッチ識別モジュールは、バッチが存在する画像内の位置を識別でき、これらの位置からのデータの使用が、溶融ガラス温度に関する制御信号の生成においては回避される。
【００３４】
好ましくは、前記バッチ識別モジュールは、識別されたバッチの速度を測定するように構成され得る。前記熱画像カメラは、連続した時点で得られた温度情報を統合してバッチの移動を追跡できるように、連続した時点で画像を生成し得る。これが、バッチ移動の速度を測定するために使用され得る。
【００３５】
バッチの移動の追跡は、バッチの移動の予測を含み得る。バッチ移動の予測は、複数の位置における温度情報に基づき得る。前記制御信号を、バッチの移動を制御するために前記炉内の１以上の位置で温度を調整するために使用できる。或いは、又は、さらに、前記制御信号を、バッチの導入を制御するために使用することも可能である。
【００３６】
前記生成物の温度分布の分析から、対流を、高温領域から低温領域への経路として識別できる。これらの対流は、バッチのリアルタイムでの移動を示すものである。これは、上述のように、バッチを最適な対流に方向付けるために前記バッチチャージャを制御するように用いられて、バッチの混合、滞留時間、そしてそれにより製品品質を最大限にし得る。或いは、前記制御ユニットを、バーナ間で、対流パターン及び直接バッチ移動を変更するために調整し又は切り替えてもよい。
【００３７】
対流を識別及び制御することは、生成物の特性を決定するためだけでなく、損傷の低減にも有用であろう。マランゴニ効果により、前記炉のガラス浴のガラス接触耐火物は、継続的に磨耗する。過度の冷却領域が摩耗を増大させ得ることも分かっている。バッチの移動を追跡して対流を制御できれば、この不都合な影響の低減に役立つであろう。
【００３８】
本発明の別の態様によれば、バッチを受け取り、溶融させて生成物を形成するための炉が提供される。当該炉は、チャンバと、当該チャンバにバッチを導入するためのバッチディスペンサ又はチャージャと、前記チャンバに導入されたバッチを溶融するための少なくとも１つのバーナと、上述の制御システムと、を備えている。
【００３９】
前記炉は、ガラスの製造用に特別に設計されていても、或いは、金属などのその他の生成物に適していてもよい。
【００４０】
好ましくは、前記炉は、第１バーナ、又は、前記チャンバの第１のサイド（側面）に沿ったバーナ配列と、第２バーナ、又は、バーナの第２のサイド（側面）に沿ったバーナ配列とを含む。前記制御信号は、好ましくは、前記第１サイドバーナと前記第２サイドバーナとを、前記熱画像カメラから受信した画像に基づいて切り替えることができる。このようにして、前記炉の反転を、リアルタイムの熱的条件に従って動的に制御できる。
【００４１】
前記制御ユニットは、前記炉内の或る位置の温度が所定の値又は最大値に達したときに前記第１サイドバーナ及び前記第２サイドバーナの動作を切り替えることが可能である。前記位置は所定の位置であり得る。前記所定の位置は、前記炉又は再生器の任意の領域であり得る。この状態の検出により、前記炉の反転が、最適な製品品質、エネルギー使用量、排出量及び資産寿命のいずれかを保証するために促され得る。
【００４２】
場合によっては、前記制御信号は、さらに、個々のバーナに対して燃料プロファイルを切り替えて制御できる。これは、バーナの拡張セット内にある。このようにして、前記炉内の温度プロファイルに対する、より微細な調整が可能である。
【００４３】
幾つかの態様において、前記バーナ制御の反転又は個々の調整は、前記炉内でのバッチの移動をリアルタイムで制御することであり得る。例えば、低温領域が検出されたとき、当該低温領域に最も近いバーナのスイッチをオンにして、バッチが前記低温領域から確実に遠ざかるようにし得る。
【００４４】
本発明の方法は、温度が所定の値を超える領域内の位置又は位置の個数若しくは割合を識別することをさらに含み得る。多くの化学反応は感熱性（温度依存性）であるため、それらの可能な反応量が熱画像内で観察され得る。化学反応は、望ましい化合物の形成、又は、望ましくない副生成物（例えばＮＯｘ）の形成を含み得る。
【００４５】
一例において、少なくとも１６００℃、典型的には１８００℃を超える所定の値を超える温度を有する位置を、ＮＯｘ生成率のリアルタイム指標として使用してもよい。この場合、前記制御信号を使用して、前記第１サイドバーナと前記第２サイドバーナとを切り替えるか、又は、燃料プロファイル又はそのバーナへの燃料速度を調整することにより、１以上の個々のバーナから、火炎の温度又は長さを減じ得る。
【００４６】
さらなる態様によれば、炉の制御システムであって、炉内の複数の位置から熱放射を受け取り、当該炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するように構成された熱画像カメラと、前記温度情報を分析して、異常な温度を示す位置を判断し、そして、異常な温度が検出されたことを示すためのアラーム（警報）を生じさせるための制御信号を生成するように構成された制御ユニットと、を備えた、炉の制御システムが提供される。
【００４７】
さらに別の態様において、コンピュータ実行可能な命令を含むコンピュータプログラム製品が提供される。前記命令は、コンピュータにより実行されるときに、当該コンピュータに、炉内の複数の位置から熱画像カメラで熱放射を受け取るステップと、前記炉内の複数の位置に関する温度情報を含む画像を生成するステップと、当該温度情報を分析して、異常な温度を示している位置を判断するステップと、当該異常な温度が検出されたことを示すためのアラームを発生させる制御信号を生成するステップと、を含むステップを実行させる。
【００４８】
有利なことに、これは、一般的に望まれる温度範囲以外の温度で動作している領域の検出を可能にする。これにより、操作者は適切な措置をなし得る。いくつかの局面における異常な温度は、製品品質の重大事項を示す場合があり、或いは、炉への損傷又は損傷の可能性を示す場合もある。適切な措置は、炉の運転条件の調整（例えば、バーナ設定）、現在の生成物を後続段階の検疫及び品質検査に送ること、及び、炉のメンテナンス作業のいずれをも含み得る。アラームシステムは、連続運転中、炉の加熱中若しくは冷却中、又は、修理作業中に使用され得る。
【００４９】
アラームは、低温警報、高温警報、又は、温度が所定の範囲内にあるかどうかを示すための温度警報のいずれであってもよい。アラームは、所定の位置における温度を、予め決められた最大値、最小値、又は閾値の範囲と比較することによりトリガーされ得る。また、アラームは、画像内の位置間の温度差により、若しくは、画像内の位置と別の温度測定源（例えば熱電対）との温度差によりトリガーされ得る。異なる温度状況が検出されたことを示すために、様々なアラームが存在し得る。
【００５０】
ここで、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ、例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態における炉及び制御システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態で使用するための熱画像カメラの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態で使用するための熱画像カメラにより生成されたエンドファイア型炉の画像の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、炉１０及び制御ユニット１２の概略図である。炉１０は、バッチ、すなわち原材料を炉の一端に投入又は分与するためのバッチチャージャ（投入器）１４を含む。サイドバーナ１６，１８が炉１０の両側部に設けられている。炉１０の一方の側部のサイドバーナ１６は、約２０分間燃焼するように設計されており、その後、反転があり、他方側のサイドバーナ１８が燃焼する。生成物出口２０が、炉１０の、バッチチャージャ１４の反対端に設けられている。使用時に、バッチがバッチチャージャにより導入され、サイドバーナ１６，１８により溶融される。サイドバーナ１６，１８は、炉１０内での所望の温度プロファイル（典型的に、コンテナ炉に沿った経路の７５％〜８０％でピーク温度に達する）を生成するように制御される。より高品質のガラス用のその他の炉であれば、チャージャ１４により近い地点でピーク温度を有するであろう。次いで、温度プロファイルは、その最大値から生成物出口２０に向かって低減する。
【００５３】
炉１０は、バッチチャージャ１４とは反対側の端壁に配置された熱画像カメラ２２を含む。熱画像カメラ２２の一例が図２に示されている。このカメラは、ランド・インストゥルメンツ・インターナショナル社(Land Instruments International Ltd.)により製造されたＮＩＲボアスコープとして商業的に知られている。熱画像カメラ２２は、炉１０内部の高解像度画像を生成するように設計されており、３００，０００画素よりも多数の画素、及び、９０°の視野を有する。熱画像カメラより生成された高解像度画像は、各画素が、炉１０内の個々の位置に対応する温度情報を含む。
【００５４】
図１の実施形態においては、バッチラインを監視するためにチャージャ１４へと戻る長手方向視野を有する単一のカメラが存在する。その他の実施形態において、カメラがその他の壁上又は炉クラウン内に設置されてもよく、或いは、複数のカメラが使用されてもよい。視野は必ずしも９０°でなくてもよく、機器は、その取り付け具に対して必ずしも垂直に位置合わせされなくてもよい。幾つかの実施形態において、熱画像カメラは可動式であり得る。熱画像カメラの配置は、必要に応じて温度を炉全体にわたって測定できるようになされ得る。
【００５５】
また、炉１０は二波長高温計２４も含み、二波長高温計２４も、バッチチャージャ１４とは反対側の端壁に配置されているが、熱画像カメラ２２からずらして配置されている。二波長高温計２４は、炉１０内の特定の位置（炉１０の底部、又は壁の１つの上に存在する生成物であり得る）に向くように構成されている。二波長高温計２４を用いることにより、炉内の温度を、２つの波長で受けた放射比率を分析することにより測定できる。従って、二波長高温計２４により測定される温度は、装置上に展開し得る掩蔽（オブスキュレーション）による影響が大幅に低減される。
【００５６】
バッチチャージャ１４、サイドバーナ１６，１８、熱画像カメラ２２、及び二波長高温計２４は、制御ユニット１２に接続されている。使用中、熱画像カメラ２２は、炉１０内のリアルタイムの高解像度熱画像（画像の各点が温度情報を含む）を生成し、これを制御ユニット１２に送信する。制御ユニット１２は、この画像を、１以上のプロセッサを用いて、理想的な温度プロファイルと比較することにより処理する。制御ユニット１２は、熱画像カメラ２２により検出された炉１０内の実際の温度プロファイルと、理想的な温度プロファイルとの差を決定して、炉１０のための制御信号を生成する。制御信号は、サイドバー１６，１８に、炉１０内の状態を変更するために、及び、実際の温度プロファイルと理想的な温度プロファイルとの差を低減するために送信され得る。
【００５７】
実際の温度プロファイルが理想的温度プロファイルに十分に一致するまで、リアルタイムプロセスが繰り返し行われる。
【００５８】
制御ユニット１２は、熱画像カメラ２２とは別に示されている。幾つかの実施形態において、制御ユニット１２は熱画像カメラ２２内に埋め込まれ得る。制御ユニット１２は、コンピュータ又はその他の任意のローカル若しくはリモートコンピューティングデバイスに実装され得る。制御ユニット１２は、熱画像を記録し、それらの画像を以前の画像と比較して、動きの変化、速度変化、温度変化及び変化率を推定するために使用され得る。制御ユニット１２は、炉を制御するための信号と、生じ得る問題を作業員に警告するためのアラームとを発生する。
【００５９】
二波長高温計２４は、熱画像カメラ２２による温度測定値を較正するために使用され得る。熱画像カメラ２２が、炉１０内の材料により不明瞭になり得ることが分かっている。制御ユニット１２は、二波長高温計２４により測定された特定の位置の温度と、熱画像カメラ２２により測定された同一位置の温度とを比較する。そして、制御ユニット１２は、熱画像カメラ２２の全ての測定値に較正係数を用いて、不都合な掩蔽作用のいずれをも補正できる。
【００６０】
その他の実施形態においては、単一波長高温計も使用できる。有効であるために、単一波長高温計は、熱画像カメラ２２とは独立に、掩蔽が生じないような位置に取り付けられる必要があろう。さらに別の実施形態において、熱画像カメラ自体が２つの熱波長の放射を検出することも可能であろう。これは、掩蔽の悪影響を低減又は除去するために熱画像カメラ２２が自己較正することを可能にし得る。
【００６１】
熱画像は、検出器の個々の画素により収集された赤外線の一連の測定値を基に作成される。各画素の温度は、収集された放射から、プランクの法則(Planck’s Law)（黒体輻射を波長及び温度の関数として定義する）を用いて決定される。実際の対象物の放射のほとんどが黒体輻射よりも効率が悪く、放出される放射は、表面放射率として知られている因子により減じられている。正確な温度測定のためには、表面放射率を熱画像カメラ２２又は制御ユニット１２内で確認又は計算する必要がある。
【００６２】
制御ユニット１２は、炉１０の底部上の生成物から受け取った放射中の反射成分を識別して減算できる反射補償モジュール２６を含む。図３は、熱画像カメラ２２により生成された、エンドファイア型炉の、炉１０の内部を示す画像の一例である。この例において、炉はエンドファイア型であり、バーナ１６が、予熱空気を供給及び排出するポートの下に配置されている。熔融ガラス１１が炉１０の底部上に提供されている。
【００６３】
熱画像カメラ２２は、溶融ガラス１１の表面上の第１領域１及び第２領域２から熱放射を受け取る。さらに、熱画像カメラ２２は、熱放射を、炉１０の端壁上の第３領域３、及び、排気側再生器（リジェネレータ）のターゲット壁における第４領域４から受け取る。炉１０の幾何学的形状は、第３領域３からの放射が熱画像カメラ２２にて直接、及び反射により間接的に受け取られるような形状である。第３領域３からの放射は第１領域１にて反射され、次いで熱画像カメラ２２で受信される。従って、熱画像カメラ２２が第１領域１から受ける放射は、溶融ガラス１１からの放射成分と、第３領域３から放射された後に反射された成分とを含む。同様に、熱画像カメラ２２が第２領域２から受ける放射は、溶融ガラス１１からの放射成分と、第４領域４から放射された後に反射された成分とを含む。反射成分と放射成分との相対的な割合は、ガラスの放射率εｇ及び反射率ｒｇに基づいて決定され得る。
【００６４】
第１領域１と第２領域２とは、炉１０の長さに沿った同一の地点にあり、且つ、これらの地点の温度Ｔｇ及び放射率εｇが実質的同一であるように十分に近接している。第１領域１内のスポットを見ている画素は、放射Ｒ１を受ける。すなわち、
【数１】
2020513529.tif 000003
式中、関数ｆ（Ｔ）は、表面からの放射を温度Ｔでモデル化するためのプランクの法則の適用に基づくが、機器固有のパラメータ（熱画像カメラ２２の画素により収集される放射量を制限する）も含む。この関数は、方程式よりも、カメラ２２内のルックアップテーブルとして与えられることが一般的である。
【００６５】
第２領域２内のスポットを見ている画素が、放射Ｒ２を受ける。すなわち、
【数２】
2020513529.tif 000004
【００６６】
こうして、ガラスの放射率は、反射補償モジュール２６により、式（１）から式（２）を減算し、以下のように整理することにより算出され得る。
【数３】
2020513529.tif 000005
【００６７】
Ｔ３及びＴ４は、第３領域３及び第４領域４の直接測定から知られる。第３領域３及び第４領域４は、具体的には、同一温度を有する可能性が低い領域として選択される。この例において、第４領域４内のバッチチャージャ１４の温度は、炉の端壁上の第３領域３の温度よりも低い可能性が高い。
【００６８】
ガラスの放射率は、式（３）に従って算出され得る。そして、真のガラス温度は、制御ユニット１２内の反射補償モジュール２６により、ガラス放射率を式（１）又は（２）に代入することにより導出され得る。
【００６９】
熱画像カメラ２２からの画像は、バーナ１６により生成された火炎内の第５領域５と、溶融ガラスの表面上の、バーナ１６に近接した第６域６とを含む。上述の方法によりガラスの放射率及び温度を算出するために、壁の高温領域及び低温領域を用いるのではなく、火炎自体を、ガラスにて反射された高温領域として、ガラスにて反射された壁の、より低温の領域と共に用いることが可能である。
【００７０】
ガラス上の複数の点に関して算出された放射率値を用いて温度を算出することにより、一次元温度プロファイル又は二次元サーマルマップの導出が可能になる。ガラス表面上の対流を、高温領域から低温領域への経路として認識できる。そしてこれらを、以下に説明するように、バッチ流を予測するために使用できる。
【００７１】
泡立ち点が、制御ユニット１２により、耐火壁又は天井に沿った温度プロファイルにおける、又はガラスの長さに沿った（ガラス放射率値を用いることによる）ホットスポットとして検出され得る。温度測定が、ガラス表面上の泡立ち点で熱画像カメラ２２により行われる場合、これらの温度は、ガラス内の対流により新たに上昇した温度であり、従って、炉１０の底部にあるガラスの温度を示す。
【００７２】
制御信号は、炉１０内で、燃料分布を調整し、また、任意選択的に、バーナ１６，１８からの火炎長さ、火炎タイミング、及び／又は、燃料／酸素混合物を調整することにより実行され得る。また、個々のバーナからの火炎を、炉１０内の異なる位置で温度が変わるように制御することもできる。このようにして、炉１０内の火炎温度を制御して、ＮＯｘ排出を低減し、熱依存化学反応を制御できる。これに関しては、以下に説明する。また、制御信号は、熱画像カメラ２２により測定された炉１０の実際の状態に従ってバーナ１６,１８の反転を制御するためにも使用され得る。バーナ１６，１８の反転は、炉１０内の所定の位置における温度が、所定の値又は最大値に達したときに行われ得る。
【００７３】
制御ユニット１２は、注意又はメンテナンスを必要とし得る炉１０内の問題を決定するために使用され得る。例えば、熱画像カメラ２２は、耐火物損傷の危険性がある過熱領域を検出し得る。同様に、熱画像カメラ２２は、予測された温度よりも一貫して低温状態にある画像内位置を検出し得る。これは、この地点で炉１０の壁に欠陥があることを示し得、動作状況の変更、アラームの発生、及び／又はメンテナンスが必要となろう。
【００７４】
熱画像カメラ２２は、炉１０の初期加熱中に使用され得る。加熱中、炉１０の異なる領域が同じ速度で加熱されることを確実にすることが重要である。そうでない場合、熱応力が損傷を引き起こす可能性がある。制御ユニット１２は、炉１０のリアルタイム加熱を理想的なヒートマップと比較して、バーナ１６，１８の動作を最適化する制御信号を生成するように動作可能である。
【００７５】
熱画像カメラ２２は、炉がその動作温度まで最初に上昇される前に設置され得る。場合によっては、周囲状況から温度を測定可能な特別な低温範囲の熱画像カメラを設置してもよい。例えば、これは、ランド・インストゥルメンツ社(Land Instruments Ltd.)から市販されているＡｒｃイメージャ(Arc Imager)であり得る。低温カメラの温度範囲は、０℃〜５００℃、又は、１００℃〜１０００℃であり得る。この低温カメラは、炉の温度が、より高い温度範囲に達したときに取り外されてよい。運転中に炉内で使用される熱画像カメラの温度範囲は、プロセス温度に応じて、より高温の運転温度領域を有し得る。ガラス溶融炉、及びその他の火炎加熱炉に関しては、少なくとも１６００℃に達し、より好ましくは、少なくとも１８００℃にも達する高温が望ましい。
【００７６】
制御ユニット１２は、炉の壁又はクラウン上の１以上の位置の温度が、炉の雰囲気中に存在する揮発性化合物、例えば水酸化ナトリウムＮａＯＨの凝縮点よりも低くなるときを判断できる。温度がこの揮発性凝縮点を下回らないようにすることが、耐火物損傷の防止に役立つ。
【００７７】
また、制御ユニット１２は、セラミック溶接補修に必要な領域を識別し、その後、補修の完了及び／又は完全性を確認するためにも使用され得る。有利には、熱画像を溶接プロセス中に使用でき、この場合、これらの条件において、光学画像は大気により曖昧になる可能性がある。
【００７８】
制御システム１２を用いて、ガラスの品質がいつ妥協されたかを判断することも可能である。例えば、溶融温度が、理想的なガラス形成には過度に高温又は過度に低温の場合がある。熱プロファイルが移動したか、或いは、バッチラインが臨界点を超えたのかも知れない。製品の品質が低下した可能性があることを示すために、アラームがトリガーされ得る。有利には、これが、検査機器又は操作者が問題を解決するために動員されることを可能にし、且つ／又は、動作条件が自動的に調整されることを可能にする。また、これにより、特定の製品を追加検査のために隔離する場合もある。
【００７９】
制御ユニット１２は、感熱性化学反応の反応速度を示すためにも使用され得る。制御ユニット１２は、温度が所定の閾値温度を超えている位置を特定できる。制御ユニット１２は、さらに、画像内の１以上の領域内又は画像全体内のそのような位置の個数又は割合を算出できる。所定の閾値が、それを超えると化学反応が起こる温度である場合、この温度を超える位置の個数又は割合が、生じ得る反応体積を示す。反応及び試薬濃度に関する知識を利用して、或いは、以前の較正から、化学反応による生成物に関する、推定生成速度を算出できる。また、制御ユニット１２は、各位置の温度、及び、異なる温度での変化する反応速度を考慮に入れた、より詳細な分析も実行できる。この場合、初期閾値は必要でない場合があり、或いは、計算に含まれる画素数を減じるためにのみ使用され得る。
【００８０】
熱依存反応速度は、温度帯域内で、或いは温度閾値未満で（例えば、試薬濃度が高温の反応により枯渇され得る場合）推定され得る。幾つかの実施形態において、反応速度は、化学反応からの望ましい生成物の生成速度を示すために使用されるであろう。その他の実施形態において、反応速度は、ＮＯｘなどの不都合な副生成物の生成速度を示すために使用されるであろう。この場合、閾値温度は少なくとも１６００°Ｃになる。
【００８１】
また、制御ユニット１２は、バッチ識別モジュール２８も含む。バッチ識別モジュール２８は、溶融生成物１１の表面上のバッチの固体領域を識別するように構成される。固体バッチは溶融生成物１１よりも低温であり、従って、制御ユニットは、炉１０のための制御信号を生成するときに、これらの固体領域を無視できる。
【００８２】
バッチ識別モジュールは、バッチの溶融が許容可能な状況内で生じていることを確認するように構成されている。例えば、固体バッチが、炉内の望ましくない位置で識別された場合、炉制御信号が生成されて、アラームがトリガーされ得る。
【００８３】
また、バッチ識別モジュール２８は、バッチの移動を追跡し、バッチの移動速度、移動方向及び加速度を、以前の画像からこれまでの位置の変化に基づいて算出し、今後の移動を予測するようにも構成される。今後の移動の予測は、バッチの現在の移動パラメータと、上述のように算出されるガラス内及び炉内の対流を使用する。現在及び計画されている炉の設定も計算に含めることもできる。予測される移動が、要求限界を超えるバッチ移動、又は準最適の溶融若しくは混合を示す場合、炉内の温度プロファイルと、従って対流及びバッチ溶融とを調整するために、制御信号が発生され得る。
【００８４】
幾つかの実施形態において、制御ユニット１２は、熱画像カメラ２２の視野を補正して、上述のように算出された距離、速度、加速度、寸法、体積、熱プロファイル及びマップが、画像座標ではなく現実世界に存在するように構成され得る。この場合、炉の取り付け位置及び形状に関する知識が必要である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2020513529.tif 000008
【国際調査報告】
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2020513529.tif 000010
2020513529.tif 000011
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