DE10131591C1

DE10131591C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Höhenlage von Phasen-Grenzflächen in Schmelzenbehältern

Info

Publication number: DE10131591C1
Application number: DE2001131591
Authority: DE
Inventors: Sylvio Lauerbach
Original assignee: Beteiligungen Sorg GmbH and Co KG
Current assignee: Beteiligungen Sorg GmbH and Co KG
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: WO2003002470A1

Abstract

Die Höhenlage des Schmelzenspiegels (8) bzw. des Füllstandes ("H") einer Glasschmelze (7) in Schmelzenbehältern (1) mit einem Boden (2) und einer oberen Bodenfläche (3) wird bei Glasschmelzanlagen unter Verwendung eines Ultraschallsenders (11) und eines Ultraschallempfängers (12) und durch Auswertung von Reflexionssignalen des Schmelzenspiegels (8) dadurch bestimmt, daß man DOLLAR A a) durch den Boden (2) mindestens ein Kopplungselement (9, 10) hindurchführt und dessen Oberseite (9a, 10a) unterhalb des Schmelzenspiegels (8) der Glasschmelze (7) zumindest im wesentlichen bündig in der oberen Bodenfläche (3) anordnet, DOLLAR A b) an der Unterseite des mindestens einen Kopplungselements (9, 10) mindestens ein Ultraschallelement aus der Gruppe Ultraschallsender (11), Ultraschallempfänger (12) und Sender-Empfänger-Einheit anordnet und DOLLAR A c) aus der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen Ultraschallsender (11), Ultraschallempfänger (12) oder Sender-Empfänger-Einheit unter Abzug der Laufzeiten in dem mindestens einen Kopplungselement (9, 10) den Füllstand ("H") bestimmt. DOLLAR A Die Regelung des Füllstandes ("H") kann dadurch geschehen, daß man mittels einer Regelanordnung (17) die Zufuhrmenge von Chargiermaterial in eine dem Schmelzenbehälter (1) vorgeschaltete Schmelzwanne nach Maßgabe der Entnahmemenge aus dem Schmelzenbehälter (1) regelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Höhenlage von Phasen-Grenzflächen in Schmelzenbehältern mit einem Boden und einer oberen Bodenfläche bei Glasschmelzanlagen unter Verwendung eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers und durch Auswer tung von Reflexionssignalen an diesen Phasen-Grenzflächen.

Die Glasstandsmessung und -regelung ist - neben der Beeinflussung von Temperaturprofilen in Längsrichtung und in mehreren senkrechten Quer schnittsprofilen eines Glaskanals - für eine vollautomatische Glasverarbei tung eine wesentliche Voraussetzung für eine gleichmäßige und störungs freie Produktion. Glasstandsänderungen rufen vor allem abweichende Artikelgewichte hervor, so daß das Gleichgewicht zwischen Glasentnahme und Gemengeeinlage ständig aufrecht zu erhalten ist.

Grundlagen der Ultraschall-Technologie, der Sender und Empfänger, der Frequenzen, der Schallausbreitung und verschiedener Anwendungen sind in der "Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", 1981, Zweiburgen Verlag, Weinheim, Seiten 4718 und 4719, beschrieben.

Durch die US-A-4 194 077 und die US-A-4 302 623 ist es bekannt, die Schichtdicke von Beschickungsgut (Gemenge, Zuschläge, Scherben), das in einer Schmelzwanne auf einer Glasschmelze schwimmt, durch zwei verschiedene Meßverfahren zu bestimmen, nämlich einmal von oben her durch Ultraschallsignale, deren Reflexionen an der Phasengrenze Ofen atmosphäre/Beschickungsgut erfaßt werden, und zum anderen von unten her durch Messung des hydrostatischen Drucks der Glasschmelze mittels eines Bubblers und eines Drucksensors. Aus der Differenz der Meßwerte wird dann die Schichtdicke errechnet. Da beide Meßverfahren mit Meß fehlern unterschiedlicher Ursachen behaftet sind, ergeben sich beträcht liche Ungenauigkeiten. Speziell die Füllstandsmessung durch den Gas druck in Bubblern, wie sie auch in der US-A-3 200 971 beschrieben ist, ist wegen des erheblichen Einflusses der Glasviskosität sehr ungenau.

Durch die US-A-4 345 106 ist es bekannt, den Füllstand einer Glasschmel ze in einer Schmelzwanne von oben her durch Ultraschallsignale unter schiedlicher Frequenzen zu bestimmen und durch Phasenverschiebung und Frequenzmodulation auf die Lage des Schmelzenspiegels zu schließen. Da die Ultraschallsignale hierbei das Beschickungsgut durchdringen müssen, das nicht homogen ist und erhebliche Streuungen der Schallwellen verursacht, ist diese Meßmethode gleichfalls nicht hinreichend genau.

Die Probleme des "Signalrauschens" durch US-Reflexionen an den Ober flächen von losen Schüttungen werden neben anderen Meßmethoden von Dr. Berrie u. a. in dem Aufsatz "Non-contact level measurements in the glass-making industry", veröffentlicht in International Glas Review, Spring/Summer 1996, Seiten 75 bis 79, ausführlich beschrieben.

Durch den Aufsatz von Faber u. a. "Application of ultrasonic measuring techniques in industrial glass melting", veröffentlicht in Glastech. Ber. 64 (1991), Nr. 5, Seiten 117 bis 122, ist es bekannt, mittels von oben in die Glasschmelze eintauchender Sender und Empfänger folgende Schmelz parameter zu bestimmen: a) Die Anwesenheit von Blasen, b) Glasströmun gen und c) die Korrosion von Feuerfestmaterial. Die Füllstandsmessung ist nicht angegeben.

Messungen von oben her, und dazu gehören auch die bekannten opti schen Messungen durch infrarot- und Laserstrahlen, radioaktive Strahlun gen und mechanische Abtastverfahren, sind jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, daß der Oberbau des Schmelzenbehälters (Schmelzwanne, Arbeitswanne und Speiser bzw. Vorherde) mit entsprechenden Durch brüchen versehen sein muß, in denen sich verdampfte und wieder konden sierte Glaskomponenten absetzen. Die Durchbrüche bzw. Öffnungen können sowohl den Schmelz- als auch den Meßprozeß negativ beeinflus sen.

In dem Buch von Fröhler "Glas und Glasprodukte", Informationsschrift 50, 1996, Verlag J. Agst Moers, Seiten 276/277, sind in einer Tabelle verschie dene Meßverfahren für die Glasstandsmessung in Speisern einander gegenüber gestellt, darunter die Abtastung mit einer Pt-Elektrode, die elektrische Widerstandsmessung, die pneumatische Sonde und die radioisotopische Messung. Auch dort wird auf die Notwendigkeit von Öffnungen in der Speiserdecke und auf Spülluft hingewiesen.

Ähnlich einschränkende Bemerkungen sind auch in den Glastech. Ber. Glass Sci. Technol. 73 C2 (2000), Seiten 111 bis 123, in dem Kapitel "Sensors for Glass Melting Processes" von Faber u. a. zu finden. Dort heißt es abschließend auf Seite 119, daß die Anwendung von akustischen Sensoren immer noch begrenzt ist, weil die Interpretation der akustischen Reflexionen von Glasschmelzen ziemlich komplex ist, und daß solche Ultraschallmessungen nur örtliche Informationen über die Glasschmelze (Defekte, Geschwindigkeit) oder über das Feuerfestmaterial (Wandstärke) liefern.

Mit seitlichen Ultraschall-Meßverfahren für die Bestimmung der Restwand stärke von Glaskanälen befassen sich auch die "HVG-Mitteilung Nr. 1801" von Fleischmann u. a. vom 01.08.1993 und die "HVG-Mitteilung Nr. 1875" über einen Vortrag von Fleischmann vom 05.06.1996 anläßlich der 70. Glastechnischen Tagung der DGG in Cottbus. Es geht jedoch nicht um die Füllstandsmessung.

Durch die DE 198 47 318 C1 ist es auch bekannt, durch den Boden von Glasschmelzwannen Heizlektroden einzuführen, die an ihren unteren Enden mit Sendern und Empfängern für Ultraschallsignale versehen sind. Dadurch soll jedoch die Restlänge der Elektroden bestimmt werden, die maßgeblich für die Heizleistung ist. Durch signalabhängiges Nachschieben der Elektroden soll die Heizleistung auf konstante Werte eingeregelt werden. Es geht jedoch auch hierbei nicht um eine Füllstandsmessung.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, mit dem es möglich ist, den Füllstand bzw. die Höhenlage des Schmelzenspiegels oberhalb der oberen Bodenfläche eines Schmelzenbehälters ausschließlich durch Ultraschallsignale und deren meßtechnische Verarbeitung zu bestimmen, ohne daß im Oberbau des Schmelzenbehälters Ausnehmungen und/oder Durchbrüche vorgesehen werden müßten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man den Füllstand einer Glas schmelze in dem Schmelzenbehälter dadurch bestimmt, daß man

a) durch dessen Boden mindestens ein Kopplungselement hindurch führt und dessen Oberseite unterhalb des Schmelzenspiegels der Glasschmelze zumindest im wesentlichen bündig in der oberen Bodenfläche anordnet,
b) an der Unterseite des mindestens einen Kopplungselements minde stens ein Ultraschallelement aus der Gruppe Ultraschallsender, Ultraschallempfänger und Sender-Empfänger-Einheit anordnet, und
c) aus der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen Ultraschallsen der, Ultraschallempfänger oder Sender-Empfänger-Einheit unter Abzug der Laufzeiten in dem mindestens einen Kopplungselement den Füllstand bestimmt.

Durch die Erfindung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, nämlich den Füllstand bzw. die Höhenlage des Schmelzenspiegels ober halb der oberen Bodenfläche eines Schmelzenbehälters ausschließlich durch Ultraschallsignale und deren meßtechnische Verarbeitung zu bestimmen, ohne daß im Oberbau des Schmelzenbehälters Ausnehmun gen und/oder Durchbrüche vorgesehen werden müßten.

Außerdem sind damit die folgenden weiteren Vorteile verbunden: Es handelt sich um einen einfachen mechanischen Aufbau zur direkten Messung des Füllstandes, so daß eine entsprechende Vorrichtung auch zum Ersatz anderer Vorrichtungen und zur Nachrüstung bestehender Schmelzenbehälter eingesetzt werden kann, und zwar ein- oder mehrfach an nahezu beliebigen Stellen des Behälterbodens von Schmelzwannen, Arbeitswannen und Speisern bzw. Vorherden. Es sind je nach dem Meß prinzip lediglich ein oder zwei Öffnungen im Boden erforderlich, um das Kopplungselement oder die Kopplungselemente mit der Glasschmelze in Berührung zu bringen. Beweglich Teile sind ebenso wenig erforderlich wie gefährliche und genehmigungspflichtige Strahlungsquellen wie radioaktive Substanzen. Die Meßgenauigkeit ist verblüffend hoch. So können beispielsweise Füllstandsdifferenzen von nur 0,1 bis 0,3 mm ausgeregelt werden. Als Sender und Empfänger können bekannte Systeme wie Piezokristalle verwendet werden.

Die Vermeidung von Durchbrüchen im Oberbau bzw. in der Ofendecke vermeidet die Beeinträchtigung der Glasschmelze und der Temperatur- und Viskositätsverteilung in der Glasschmelze durch unerwünschte Gas austritte und/oder Lufteinbrüche und damit Prozeßstörungen. Ferner werden Kondensationen verdampfter Glaskomponenten und Feststoff ansammlungen auf den Meßeinrichtungen vermieden. Schließlich werden auch unerwünschte Wechselwirkungen mit notwendigerweise vorhandenen Heiz- oder Kühleinrichtungen im Oberofen und/oder in der Decke des Schmelzenbehälters vermieden.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, wenn man - entweder einzeln oder in Kombination -:

- im Boden des Schmelzenbehälters voneinander getrennt, senkrecht und parallel zueinander zwei Kopplungselemente anordnet und das eine Kopplungselement an seiner Unterseite mit einem Ultraschall sender und das andere Kopplungselement an seiner Unterseite mit einem Ultraschallempfänger versieht,
- im Boden des Schmelzenbehälters ein senkrechtes Kopplungs element anordnet, das an seiner Unterseite mit einer Sender-Emp fänger-Einheit für Ultraschallsignale versehen ist,
- den Ultraschallsender über eine Datenverarbeitungseinrichtung mit einer Impulsfolge für die Erzeugung von Ultraschallsignalen beauf schlagt und die an den Phasen-Grenzflächen reflektierten Anteile der Ultraschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinrichtung analy siert und daraus Signale für den Füllstand gewinnt, und/oder, wenn man
- die Istwert-Signale für den Füllstand sowie Sollwertsignale für den Füllstand einer Regelanordnung aufschaltet und mittels der Regel anordnung das Gleichgewicht zwischen den Zufuhr- und Entnahme mengen von Glasschmelze in und aus dem Schmelzenbehälter auf vorgegebene Werte einregelt, insbesondere, wenn man mittels der Regelanordnung die Zufuhrmenge von Chargiermaterial in eine dem Schmelzenbehälter vorgeschaltete Schmelzwanne nach Maßgabe der Entnahmemenge aus dem Schmelzenbehälter regelt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den übrigen Verfahrensansprüchen.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Höhen lage von Phasen-Grenzflächen in Schmelzenbehältern mit einem Boden und einer oberen Bodenfläche bei Glasschmelzanlagen unter Verwendung eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers und durch Auswertung von Reflexionssignalen an diesen Phasen-Grenzflächen.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Vorrichtung erfindungs gemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Füllstandes einer Glasschmelze in dem Schmelzenbehälter

a) durch dessen Boden mindestens ein Kopplungselement hindurch geführt ist, dessen Oberseite unterhalb des Schmelzenspiegels der Glasschmelze zumindest im wesentlichen bündig in der oberen Bodenfläche angeordnet ist,
b) an der Unterseite des mindestens einen Kopplungselements minde stens ein Ultraschallelement aus der Gruppe Ultraschallsender, Ultraschallempfänger und Sender-Empfänger-Einheit angeordnet ist, und wenn
c) eine Datenverarbeitungeinrichtung vorgesehen ist, durch die aus der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen Ultraschallsender, Ultra schallempfänger oder Sender-Empfänger-Einheit unter Abzug der Laufzeiten in dem mindestens einen Kopplungselement der Füllstand bestimmbar ist.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombi nation -:

- im Boden des Schmelzenbehälters voneinander getrennt, senkrecht und parallel zueinander zwei Kopplungselemente angeordnet sind, von denen das eine Kopplungselement an seiner Unterseite mit einem Ultraschallsender und das andere Kopplungselement an seiner Unterseite mit einem Ultraschallempfänger versehen ist,
- im Boden des Schmelzenbehälters ein senkrechtes Kopplungs element angeordnet ist, das an seiner Unterseite mit einer Sender- Empfänger-Einheit für Ultraschallsignale versehen ist,
- die Kopplungselemente aus mindestens einem Werkstoff aus der Gruppe der keramischen Werkstoffe, der Feuerfestwerkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit, der Metalle und der Verbundwerkstoffe bestehen, und/oder, wenn
- die Kopplungselemente mit einer Kühleinrichtung versehen sind.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und deren Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen stark abstrahierten Vertikalschnitt durch ein erstes Aus führungsbeispiel, bei dem Ultraschallsender und -empfänger getrennt voneinander angeordnet sind,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel analog Fig. 1, bei dem jedoch Ultraschallsender und -empfän ger baulich vereint sind, und

Fig. 3 die Hüllkurven von Oszillator-Diagrammen des Empfängers bei zwei unterschiedlichen Oberflächenzuständen der Glasschmelze (oben und unten) sowie der Differenzbildung aus diesen Diagrammen (Mitte).

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Schmelzenbehälter 1 gezeigt, der im vorliegenden Fall ein Speiserkanal bzw. ein Vorherd ist. Dieser besitzt einen Boden 2 mit einer oberen, waagrechten und ebenen Bodenfläche 3 und zwei Seitenwände 4 und 5 sowie eine Decke 6. Diese Bauteile bestehen aus Feuerfestwerkstoffen. Wärmedämmungen, Außenmantel, Rahmenteile und Heiz- und Kühleinrichtungen sind der Einfachheit halber fortgelassen. Der Schmelzenbehälter 1 ist mit einer Glasschmelze 7 gefüllt, die bis zu einem Schmelzenspiegel 8 reicht, dessen Höhenlage um ein Maß "H" über der Bodenfläche 3 liegt, das den Füllstand charakteri siert.

Durch den Boden 2 sind in vertikaler Richtung zwei Kopplungselemente 9 und 10 hindurchgeführt, deren ebene Oberseiten 9a und 10a in einer Ebene mit der Bodenfläche 3 liegen und von der Glasschmelze 7 berührt werden. Die Kopplungselemente 9 und 10 tragen an ihren unteren Enden einen Ultraschallsender 11 bzw. einen Ultraschallempfänger 12, nachste hend nur kurz "Sender" und "Empfänger" genannt.

Sender 11 und Empfänger 12 sind über Leitungen 13 und 14 einer Daten verarbeitungseinrichtung 15 aufgeschaltet, die - nicht besonders darge stellt - ein Steuergerät, einen Signalprozessor und einen Mikrocomputer enthält. Das Steuergerät steuert die Abgabe der Impulse an den Sender 11. Der Empfänger 12 leitet die empfangene Impulsfolge an die Daten verarbeitungseinrichtung 15. Deren Ausgangssignale sind über eine Leitung 16 einer Regelanordnung 17 für den Füllstand aufgeschaltet. Eingänge und Ausgänge für Sollwerte und Stellsignale sind nicht dargestellt. Beispielhaft kann durch die Regelanordnung 17 die Chargiereinrich tung einer Schmelzwanne gesteuert bzw. geregelt werden, um das Gleich gewicht zwischen der Zufuhr von Glasrohstoffen und Entnahme von Glasschmelze aufrecht zu erhalten. Zur Datenverarbeitungseinrichtung 15 gehören in der Regel eine Eingabetastatur 15a, eine Anzeigeeinrichtung 15b und ein Drucker 15c für eine Signalaufzeichnung. Auf die Eingabe tastatur kann bei entsprechender Programmierung verzichtet werden.

Da die Glasschmelze 7 je nach Glasart Temperaturen von 900°C bis ca. 1.600°C aufweisen kann und Sender und Empfänger, für die Piezokristalle verwendet werden können, nur Temperaturen von weniger als 350°C aus halten, bestehen die Kopplungselemente 9 und 10 aus einem keramischen Werkstoff bzw. einem Feuerfestmaterial mit geringer Wärmleitfähigkeit, einem Metall oder Verbundwerkstoff und haben eine entsprechende Länge. Ggf. können sie auch mit nicht gezeigten Kühleinrichtungen verse hen sein.

Das Kopplungselement 9 sendet über seine Oberseite 9a Ultraschallwellen aus, von denen ein Teil am Schmelzenspiegel 8 zur Oberseite 10a des Kopplungselements 10 reflektiert wird, was durch die Pfeile 18 angedeutet ist. Jedes Kopplungselement steht in direktem Kontakt mit der Glas schmelze einerseits und Sender und Empfänger andererseits.

Die Datenverarbeitungseinrichtung 15 gibt über den Sender 11 eine Folge von Ultraschallimpulsen ab, die durch das Kopplungselement 9 des Senders 11 und durch die Glasschmelze 7 zum Schmelzenspiegel 8 und von dort zurück zum Kopplungselement 10 und zum Empfänger 12 verläuft (Pfeile 18). An den durchlaufenen Material- oder Phasengrenzflächen Sender/Kopplungselement, Kopplungselement/Glasschmelze, Glasschmel ze/Ofenatmosphäre (Schmelzenspiegel) und zurück, Glasschmelze/Kopp lungselement, Kopplungselement/Empfänger treten Reflexionen auf, die als zeitlich versetzte Impulsfolgen vom Empfänger registriert werden. Aus dieser Impulsfolge extrahiert die Datenverarbeitungseinrichtung 15 das Laufzeitsignal für die Schmelzenoberfläche (den Schmelzenspiegel 8) und somit die gesamte Impulslaufzeit. Die gesamte Impulslaufzeit t_imp setzt sich aus den Laufzeiten der einzelnen Teilstrecken zusammen:

t_imp = t_k1 + 2 × t_Glas + t_k2 (1), wobei

t_k1 = Impulslaufzeit im Kopplungselement des Senders,
t_k2 = Impulslaufzeit im Kopplungselement des Empfängers und
t_Glas = Impulslaufzeit in der Glasschmelze.

Die Ermittlung des Füllstandes der Glasschmelze durch die Datenverarbei tungseinrichtung 15 kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung 15 die Selektierung der Impuls folgen vornimmt und die Reflexionen an den Kopplungselementen ausblen det und die gesamte Impulslaufzeit t_imp ermittelt.

Folgende Verfahren wurden mit Erfolg erprobt:

a) Die Schallgeschwindigkeiten für alle Materialien sind bekannt:
Sind die Schallgeschwindigkeiten und die Längen der Kopplungs elemente und somit die Impulslaufzeit bekannt, kann anhand der gesamten Impulslaufzeit die Impulslaufzeit in der Glasschmelze berechnet und bei bekannter Schallgeschwindigkeit in der Glas schmelze die Weglänge in der Glasschmelze ermittelt werden:
t_Glas = 0,5 × (t_imp - t_k1 - t_k2), (2) wobei
S_Glas = v_Glas × t_Glas und
S_Glas = Weglänge in der Glasschmelze und
v_Glas = Schallgeschwindigkeit in der Glasschmelze.
b) Die Schallgeschwindigkeiten sind nur für die Kopplungselemente bekannt:
Sind die Schallgeschwindigkeiten und die Längen der Kopplungs elemente bekannt, kann anhand der gesamten Impulslaufzeit die Impulslaufzeit in der Glasschmelze berechnet werden:

t_Glas = 0,5 × (t_imp - t_k1 - t_k2). (3)
Anhand eines Parametrierungszyklus durch definiertes Anheben und Absenken des Füllstandes der Glasschmelze kann die Änderung der Impulslaufzeit Δt_imp gemessen und daraus die Änderung der Impuls laufzeit in der Glasschmelze Δt_Glas ermittelt und die Schallgeschwin digkeit - v_Glas - berechnet werden. Die Vorrichtung kann mittels der nun bekannten Schallgeschwindigkeit in der Glasschmelze - v_Glas - parametriert werden:
v_Glas = ΔS_Glas/Δt_Glas (4).
c) Die Schallgeschwindigkeiten in den Materialien sind nicht bekannt:
Anhand eines Parametrierungszyklus durch definiertes Anheben und Absenken des Füllstandes der Glasschmelze kann die Änderung der Impulslaufzeit Δt_imp gemessen werden. Da die Längen der Kopplungs elemente konstant sind, sind auch ihre Impulslaufzeiten konstant. Dies bedeutet, daß die Änderung der Impulslaufzeit auf die Änderung der Impulslaufzeit in der Glasschmelze zurückzuführen ist:
Δt_imp = Δt_Glas (5).
Mit bekannter Impulslaufzeit in der Glasschmelze Δt_Glas wird die Schallgeschwindigkeit - v_Glas - berechnet. Die Vorrichtung kann mittels der nun bekannten Schallgeschwindigkeit in der Glasschmelze - v_Glas - parametriert werden.

Die Datenverarbeitungseinrichtung 15 selektiert die Impulslaufzeit in der Glasschmelze t_Glas aus der gesamten Impulsfolge. Bei bekannter Impuls laufzeit in der Glasschmelze kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit v_Glas der Füllstand "H" der Glasschmelze berechnet bzw. bei unbekannter Schallgeschwindigkeit durch einen Parametrierungszyklus ermittelt wer den, wie vorstehend beschrieben.

In Fig. 2 werden für gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. In diesem Fall sind Sender und Empfänger zu einer Sender-Empfänger-Einheit 19 mit einem gleichfalls senkrecht ange ordneten Kopplungselement 21 verbunden, das eine gleichfalls ebene und waagrechte Oberseite 21a besitzt, die bündig in der oberen Bodenfläche 3 liegt. Ultraschallwellen werden jetzt von dieser Oberseite 21a ausgesendet und kehren zu dieser zurück, was durch die senkrechten parallelen Pfeile 20 angedeutet ist.

Fig. 3 zeigt die Hüllkurven S1 und S2 der Oszillator-Diagramme des Empfängers bei zwei verschiedenen Oberflächenzuständen sowie der Differenzbildung aus diesen Diagrammen (Hüllkurven S3). Diese Hüllkur ven umreißen gewissermaßen die Amplituden der Schwingungen. Es handelt sich um die Hüllkurven von Ultraschallimpulsen, die nach entspre chender Verstärkung mit einem Oszillographen aufgenommen wurden.

Das Empfängersignal resultierte aus longitudinalen, transversalen und Oberflächenwellen. Aus dem Laufzeitabstand entsprechend H' läßt sich deutlich der Eintreffzeitpunkt der Signale vom Schmelzenspiegel 8 erken nen und auswerten. Ähnliche Auswertungen lassen sich aus einem Phasen vergleich der Impulsfolgen gewinnen. Die Programmierung der Datenver arbeitungseinrichtung erfolgt mittels entsprechender Software unter Berücksichtigung der obigen Berechnungsgrundlagen. Die Anzeige- und Meßgenauigkeit betrug zwischen etwa 0,1 und 0,3 mm Spiegeldifferenz.

Bezugszeichenliste

1

Schmelzenbehälter

2

Boden

3

Bodenfläche

4

Seitenwand

5

Seitenwand

6

Decke

7

Glasschmelze

8

Schmelzenspiegel

9

Kopplungselement

9

a Oberseite

10

Kopplungselement

10

a Oberseite

11

Ultraschallsender

12

Ultraschallempfänger

13

Leitung

14

Leitung

15

Datenverarbeitungseinrichtung

15

a Eingabetastatur

15

b Anzeigeeinrichtung

15

c Drucker

16

Leitung

17

Regelanordnung

18

Pfeile

19

Sender-Empfänger-Einheit

20

Pfeile

21

Kopplungselement

21

a Oberseite
"H" Maß für Füllstand
"H'" Maß für Füllstand
S1 Hüllkurven
S2 Hüllkurven
S3 Hüllkurven

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Höhenlage von Phasen-Grenzflächen in Schmelzenbehältern (1) mit einem Boden (2) und einer oberen Bodenfläche (3) bei Glasschmelzanlagen unter Verwendung eines Ultraschallsenders (11) und eines Ultraschallempfängers (12) und durch Auswertung von Reflexionssignalen an diesen Phasen-Grenz flächen, dadurch gekennzeichnet, daß man den Füllstand ("H") einer, Glasschmelze (7) in dem Schmelzenbehälter (1) dadurch bestimmt, daß man

a) durch dessen Boden (2) mindestens ein Kopplungselement (9, 10, 21) hindurchführt und dessen Oberseite (9a, 10a, 21a) unterhalb des Schmelzenspiegels (8) der Glasschmelze (7) zumindest im wesentlichen bündig in der oberen Bodenfläche (3) anordnet,
b) an der Unterseite des mindestens einen Kopplungselements (9, 10, 21) mindestens ein Ultraschallelement aus der Gruppe Ultraschallsender (11), Ultraschallempfänger (12) und Sender-Empfänger-Einheit (19) anordnet, und
c) aus der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen Ultraschall sender (11), Ultraschallempfänger (12) oder Sender-Empfän ger-Einheit (19) unter Abzug der Laufzeiten in dem mindestens einen Kopplungselement (9, 10, 21) den Füllstand ("H") bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Boden (2) des Schmelzenbehälters (1) voneinander getrennt, senk recht und parallel zueinander zwei Kopplungselemente (9, 10) anordnet und das eine Kopplungselement (9) an seiner Unterseite mit einem Ultraschallsender (11) und das andere Kopplungselement (10) an seiner Unterseite mit einem Ultraschallempfänger (12) versieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Boden (2) des Schmelzenbehälters (1) ein senkrechtes Kopplungs element (21) anordnet, das an seiner Unterseite mit einer Sender- Empfänger-Einheit (19) für Ultraschallsignale versehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Ultraschallsender (11) über eine Datenverarbeitungseinrichtung (15) mit einer Impulsfolge für die Erzeugung von Ultraschallsignalen beaufschlagt und die an den Phasen-Grenzflächen reflektierten Anteile der Ultraschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinrich tung (15) analysiert und daraus Signale für den Füllstand ("H") gewinnt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Istwert-Signale für den Füllstand ("H") sowie Sollwertsignale für den Füllstand ("H") einer Regelanordnung (17) aufschaltet und mittels der Regelanordnung (17) das Gleichgewicht zwischen den Zufuhr- und Entnahmemenmengen von Glasschmelze in und aus dem Schmelzenbehälter (1) auf vorgegebene Werte einregelt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels der Regelanordnung (17) die Zufuhrmenge von Chargier material in eine dem Schmelzenbehälter (1) vorgeschaltete Schmelz wanne nach Maßgabe der Entnahmemenge aus dem Schmelzen behälter (1) regelt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Werkstoff für die Kopplungselemente (9, 10, 21) und deren Länge in der Weise wählt, daß die Temperatur von der Temperatur der Glas schmelze an der Oberseite (9a, 10a, 21a) der Kopplungselemente (9, 10, 21) an den unteren Enden der Kopplungselemente (9, 10, 21) auf eine Temperatur abgesenkt wird, die höchstens der maximal zuläs sigen Betriebstemperatur der Ultraschallelemente (11, 12, 19) entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kopplungselemente (9, 10, 21) kühlt.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Datenverarbeitungseinrichtung (15) in der Weise ausgelegt wird, daß sie über den Sender (11) oder die Sender-Emp fänger-Einheit (19) eine Folge von Ultraschallimpulsen abgibt, die durch das jeweilige Kopplungselement (9, 21) und durch die Glasschmelze (7) zum Schmelzenspiegel (8) und von dort zurück zum Kopplungselement (10, 21) und zum Empfänger (12) oder zur Sender-Empfängereinheit (19) verläuft,
b) die an den durchlaufenen Material- oder Phasengrenzflächen Sender/Kopplungselement, Kopplungselement/Glasschmelze, Glasschmelze/Ofenatmosphäre (Schmelzenspiegel) und zurück durch Glasschmelze/Kopplungselement, Kopplungselement/ Empfänger auftretenden Reflexionen als zeitlich versetzte Impulsfolgen vom Empfänger registriert werden,
c) die Datenverarbeitungseinrichtung (15) aus der Impulsfolge das Laufzeitsignal für den Schmelzenspiegel (8) und somit die gesamte Impulslaufzeit extrahiert, wobei sich die gesamte Impulslaufzeit t_imp aus den Laufzeiten der einzelnen Teilstrec ken wie folgt zusammensetzt:
t_imp = t_k1 + 2 × t_Glas + t_k2, wobei
t_k1 = Impulslaufzeit im Kopplungselement des Senders,
t_k2 = Impulslaufzeit im Kopplungselement des Empfängers und
t_Glas = Impulslaufzeit in der Glasschmelze.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei bekannten Schallgeschwindigkeiten und Impulslaufzeiten für alle Materialien und bei bekannten Längen der Kopplungselemente (9, 10, 21) die Impulslaufzeit und die Weglänge(n) in der Glasschmelze anhand der gesamten Impulslaufzeit wie folgt ermittelt werden:
t_Glas = 0,5 × (t_imp - t_k1 - t_k2), wobei
S_Glas = v_Glas × t_Glas und
S_Glas = Weglänge in der Glasschmelze und
v_Glas = Schallgeschwindigkeit in der Glasschmelze.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei bekannten Schallgeschwindigkeiten und Längen nur für die Kopplungselemente anhand der gesamten Impulslaufzeit die Impulslaufzeit in der Glasschmelze berechnet wird:
t_Glas = 0,5 × (t_imp - t_k1 - t_k2),
wobei anhand eines Parametrierungszyklus durch definiertes Anheben und Absenken des Füllstandes der Glasschmelze die Änderung der Impulslaufzeit Δt_imp gemessen und daraus die Änderung der Impulslaufzeit in der Glasschmelze Δt_Glas ermittelt und die Schallgeschwindigkeit - v_Glas - berechnet wird und wobei die Vorrichtung mittels der nun bekannten Schallgeschwindigkeit in der Glasschmelze - v_Glas - wie folgt parametriert wird:
v_Glas = ΔS_Glas/Δt_Glas.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei unbekannten Schallgeschwindigkeiten in den Materialien und konstanten Längen und Impulslaufzeiten der Kopplungselemente (9, 10, 21) anhand eines Parametrierungszyklus durch definiertes Anheben und Absenken des Füllstandes der Glasschmelze die Änderung der Impulslaufzeit Δt_imp gemessen wird, wobei die Änderung der Impulslaufzeit auf die Änderung der Impulslaufzeit in der Glasschmelze wie folgt zurückzuführen ist:
Δt_imp = Δt_Glas,
und wobei mit bekannter Impulslaufzeit in der Glasschmelze Δt_Glas die Schallgeschwindigkeit - v_Glas - in der Glasschmelze berechnet und die Vorrichtung mittels der nun bekannten Schallgeschwindigkeit in der Glasschmelze - v_Glas - parametriert wird.

13. Vorrichtung zum Bestimmen der Höhenlage von Phasen-Grenzflä chen in Schmelzenbehältern (1) mit einem Boden (2) und einer oberen Bodenfläche (3) bei Glasschmelzanlagen unter Verwendung eines Ultraschallsenders (11) und eines Ultraschallempfängers (12) und durch Auswertung von Reflexionssignalen an diesen Phasen- Grenzflächen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Füllstandes ("H") einer Glasschmelze (7) in dem Schmelzenbehälter (1)

a) durch dessen Boden (2) mindestens ein Kopplungselement (9, 10, 21) hindurchgeführt ist, dessen Oberseite (9a, 10a, 21a) unterhalb des Schmelzenspiegels (8) der Glasschmelze (7) zumindest im wesentlichen bündig in der oberen Bodenfläche (3) angeordnet ist,
b) an der Unterseite des mindestens einen Kopplungselements (9, 10, 21) mindestens ein Ultraschallelement aus der Gruppe Ultraschallsender (11), Ultraschallempfänger (12) und Sender- Empfänger-Einheit (19) angeordnet ist, und daß
c) eine Datenverarbeitungseinrichtung (15) vorgesehen ist, durch die aus der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen Ultra schallsender (11), Ultraschallempfänger (12) oder Sender- Empfänger-Einheit (19) unter Abzug der Laufzeiten in dem mindestens einen Kopplungselement (9, 10, 21) der Füllstand ("H") bestimmbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (2) des Schmelzenbehälters (1) voneinander getrennt, senk recht und parallel zueinander zwei Kopplungselemente (9, 10) angeordnet sind, von denen das eine Kopplungselement (9) an seiner Unterseite mit einem Ultraschallsender (11) und das andere Kopplungselement (10) an seiner Unterseite mit einem Ultraschall empfänger (12) versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (2) des Schmelzenbehälters (1) ein senkrechtes Kopplungs element (21) angeordnet ist, das an seiner Unterseite mit einer Sender-Empfänger-Einheit (19) für Ultraschallsignale versehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente (9, 10, 21) aus mindestens einem Werkstoff aus der Gruppe der keramischen Werkstoffe, der Feuerfestwerk stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit, der Metalle und der Verbundwerkstoffe bestehen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente (9, 10, 21) mit einer Kühleinrichtung versehen sind.