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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Vermessen eines Profils einer Oberfläche.
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Derartige
Verfahren und Vorrichtungen können
insbesondere zur Feststellung der Profiltiefe eines Reifens, aber
auch zur Untersuchung der Profilierung anderer Objekte eingesetzt
werden.
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Zur
Untersuchung der Profiltiefe eines Reifens sind verschiedene Verfahren
und Vorrichtungen bekannt. Die
DE 197 44 076 A1 zeigt eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Reifenprofilmessung, bei dem die Profiltiefe mittels
einer Sensoranordnung erfasst wird, die z.B. optische oder Ultraschall-Sensoren
aufweist. Hierbei kann die Zeit erfasst werden, die ein Signal für einen
Hin- und Rückweg
zwischen Signalgeber und einzelnen Stellen des Reifenumfangs benötigt. Anhand
der Laufzeitdifferenzen kann die Reifenprofiltiefe berechnet und
in einer Auswertungseinheit derart verarbeitet werden, dass das
Gesamtprofil abgebildet werden kann. Zur Erfassung der Profiltiefe
an verschiedenen Stellen des Reifens werden mehrere Sensoren eingesetzt.
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Die
DE 43 16 984 A1 zeigt
ein ähnliches
Verfahren und eine ähnliche
Vorrichtung, bei denen die Profiltiefe von Fahrzeugreifen automatisch
ermittelt wird, in dem ein Ultraschall-Signal in Richtung einer quer
zur Abrollrichtung des Reifens ausgerichteten Messlinie ausgesendet
und die Laufzeit dieses Ultraschall-Signals für eine Abstandsmessung, d.h.
Messung der Profiltiefe des Reifens, herangezogen wird. Hierzu werden
ein Signalgeber und ein Sensor entlang der Messlinie verfahren,
um den Profilverlauf entlang der Axialrichtung des Reifens ermitteln
zu können.
Hierdurch wird lediglich ein stationäres Vermessungsverfahren ermöglicht,
bei dem ein Fahrzeug auf eine spezielle Prüfvorrichtung auffährt.
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Die
WO 96/10727 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen
der Profiltiefe eines Reifens, bei der Laserlicht oder Ultraschall-Signale von
einem Signalgeber auf eine Reifenoberfläche geleitet und ein zurückgeworfenes
Signal gemessen wird. Bei Verwendung eines Lasers kann der gepulstes
Laserlicht unter Messung der Laufzeit des Signales verwendet werden.
Hierbei wird zur Vermessung mehrerer axialer Bereiche der Reifenoberfläche der Sensor
und der Empfänger
entsprechend mechanisch verfahren.
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Durch
derartige Verfahren und Vorrichtungen kann insbesondere durch eine
Laufzeitmessung eines Signales eine Profiltiefe in jeweiligen Messbereichen
relativ genau ermittelt werden. Für eine Messung der Profiltiefe
in mehreren axial zueinander versetzten Bereichen des Reifens, insbesondere
der Mitte sowie den Randbereichen des Reifens, sind jedoch entweder
mehrere Signalgeber und Sensoren notwendig, oder ein Sensor und
ein Empfänger
müssen
aufwendig in verschiedene axiale Positionen des Reifens verfahren
werden, wozu eine entsprechende Verstellvorrichtung und eine längere Messzeit
erforderlich ist. Hierbei kann insbesondere nicht die Profiltiefe
bei einem sich drehenden Reifen hinreichend schnell in verschiedenen
axialen Bereichen des Reifens an mehreren Umfangspositionen detektiert
werden.
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Die
WO 96/37754 zeigt ein Verfahren und ein Messgerät zur Messung der Profiltiefe
eines Reifens, bei der mittels eines Lasers ein Laserstrahl unter
einem bestimmten Winkel auf den Grund des Reifensprofils gelenkt
wird, und der am Grund des Reifenprofils erzeugte Lichtfleck über einen
bildauflösenden Sensor
in einer zur Einstrahlrichtung unterschiedlichen Detektionsrichtung
aufgenommen wird. Aufgrund der Position des Lichtfleckes kann durch
trigonometrische Berechnung die Tiefe des Reifenprofils ermittelt
werden. Gemäß einer
Ausführungsform kann
gepulstes Licht mit einer Laufzeitmessung verwendet werden.
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Auch
bei einem derartigen Verfahren ist für die Vermessung mehrerer Axialbereiche
des Reifens entweder eine Verwendung mehrerer Sensoren und Empfänger oder
eine entsprechende Verstellung der Sensor- und Empfängereinrichtung
notwendig.
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Die
EP 0 869 330 A2 zeigt
ein ähnliches
Verfahren, bei dem Teilbereiche eines Reifenprofils unter einer
nicht senkrechten Richtung beleuchtet werden und die reflektierte
Strahlung von einem Detektor erfasst wird, wobei aus einer Versetzung
der Lichtflecken auf der Oberfläche
eines Profilberges und den Lichtflecken auf der Oberfläche eines
Profiltales aufgrund trigonometrischer Berechnung die Profiltiefe ermittelt
werden kann. Die Verwendung einer einzigen Lichtquelle ist hierbei
möglich,
wenn ein speziell ausgebildeter Spiegel mit sägezahnförmiger Oberfläche verwendet
wird, die einen Lichteinfall unter einem gewünschten Winkel sicherstellt.
Bei diesen Verfahren ist jeweils eine genaue Positionierung der Lichtquelle
bzw. einer Reflektoreinrichtung notwendig, um die gewünschten
trigonometrischen Verhältnisse
zu erreichen. Weiterhin ist zumindest die Verwendung mehrerer Fotodetektoren
notwendig, um die verschiedenen beleuchteten Bereiche des Reifens
separat aufnehmen zu können.
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Die
EP 0 547 365 B1 zeigt
ein Verfahren zur dreidimensionalen Inspektion eines Reifens, bei
dem der Reifen um seine Drehachse gedreht, ein Laserstrahl auf die
Lauffläche
des Reifens geleitet und die zurückgeworfene
Strahlung analysiert wird. Zur Vermessung mehrerer axialer Bereiche
wird die Lasersonde von einer Rippe radial quer über den Reifen zur anderen
intermittierend bewegt, wobei eine rotierende Codiervorrichtung,
ein Motor und die Sonde gemeinsam von einem Mikroprozessor gesteuert werden,
um Daten einer Vielzahl von Punkten um jede Laufflächenrippe
zu erhalten und den Reifen umfangsmäßig zu erfassen. Auch bei einem
derartigen Verfahren ist die Vermessung der axialen Erstreckung
des Reifens aufgrund der Verstellung der Lasersonde relativ aufwendig.
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Die
DE 43 28 894 C2 zeigt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung, bei dem
ein kontinuierlicher Laserstrahl mittels einer Strahlerteilungsschaltung
in Teilstrahlen geteilt wird, mit denen ein bandförmiges Material
bearbeitet wird.
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Die
US 4,713,518 zeigt eine
Vorrichtung zur Halbleiter-Mikrostrukturierung mittels eines Laserstrahls,
der über
mehrere parallele Linsen in Teilstrahlen gebündelt wird, um Freiräume in eine
leitfähigen
Schicht zu brennen.
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Die
DE 26 29 820 B2 zeigt
eine Vorrichtung zur parallelen Ausrichtung mehrerer optischer Achsen,
bei der ein Lichtstrahl einer Lampe durch eine Kollimatorlinse parallel
gerichtet wird und nachfolgend mehrere parallele Teilstrahlen durch
konzentrisch angeordnete Ringspiegel mit abgestuften Bohrungsdurchmessern
erzeugt werden, an denen die optische Achsen ausgerichtet werden
können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserung
zu schaffen und insbesondere mit relativ geringem apparativen Aufwand
eine schnelle Vermessung eines größeren Oberflächenbereiches
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch
11.
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Die
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine einzige Signalquelle
zu verwenden und einen ausgesendeten Signalimpuls an mehreren Reflektoreinrichtungen
jeweils nur teilweise zu reflektieren. Somit wird jeweils ein Teil
des Signalimpulses als Teilsignalimpuls auf verschiedene Oberflächenbereiche
reflektiert. Das von der Oberfläche
zurückgestrahlte
Signal kann anschließend
von den gleichen Reflektoreinrichtungen wieder zu einem Signalempfänger zurückreflektiert
werden. Bei Verwendung von Ultraschall-Signalen kann die Signalquelle,
z.B. ein piezoelektrischer Kristall, gleichzeitig als Signalempfänger dienen.
Bei Verwendung von Licht, insbesondere Laserlicht, können getrennte
Signalgeber und Signalempfänger
verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Auswertung
des Messsignals erfolgt über
eine Lauf zeitermittlung. Hierbei kann aus Laufzeitunterschieden
des Signales in an sich bekannter Weise eine Profiltiefe in den
verschiedenen Oberflächenbereicher
ermittelt werden. Erfindungsgemäß kann ein
einziger Signalimpuls von einer einzigen Signalquelle zur Vermessung
mehrerer Oberflächenbereiche
verwendet werden, da die Wege bzw. Laufzeiten zwischen Signalquelle,
den einzelnen Reflektoreinrichtungen, den jeweiligen Oberflächenbereichen
und zurück
größer sind
als die Unterschiede in den Wegstrecken bzw. Laufzeiten innerhalb
der einzelnen Oberflächenbereiche
aufgrund der jeweiligen Profiltiefe. Das aufgenommene Messsignal
kann somit in mehrere Signalbereiche unterteilt werden, die den
verschiedenen Oberflächenbereichen
zugeordnet werden können,
und in den einzelnen Signalbereichen werden verschiedene Signalunterbereiche
jeweils z.B. einer Oberfläche
eines Profilberges (kürzerer
Weg bzw. kürzere
Laufzeit) und der Oberfläche
eines Profiltales (längerer
Weg bzw. längere
Laufzeit) zugeordnet.
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Hierbei
ist auch die Untersuchung komplizierterer Oberflächenstrukturen mit z.B. mehr
als zwei Reflektionsflächen
mögich.
Aus den Intensitäten
des Messsignals in den einzelnen Signalunterbereichen bzw. aus Intensitätsverhältnissen
kann auch auf die Größe der einzelnen
Strukturbereiche der Oberfläche,
z.B. der Profilberge und Profiltäler
geschlossen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere bei der Vermessung eines Fahrzeugreifens verwendet
werden, wobei hier vorteilhafterweise drei Oberflächenbereiche,
nämlich
ein mittlerer Bereich des Reifens und die beiden äußeren Randbereiche
des Reifens vermessen werden, um auch eine ungleichmäßige Abnutzung
des Reifens erfassen zu können.
Weiterhin können
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
zur Vermessung der Profilierung der Oberfläche eines Transportbandes verwendet
werden, wobei hierbei mehrere, z.B. mehr als zwei oder auch mehr als
drei quer zur Transportrichtung des Transportbandes versetzte Oberflächenbereiche
untersucht werden.
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Bei
diesen Verfahren wird vorteilhafterweise der jeweilige Gegenstand
weiterbewegt und die Sensoreinrichtung an einem festen Ort gelassen.
Hierzu kann z.B. ein Reifen weitergedreht bzw. ein Transportband
in Transportrichtung weiterbefördert
werden und in zeitlichen Abständen,
vorzugsweise gleichmäßigen zeitlichen
Abständen
jeweils Signalimpulse ausgegeben werden. Somit wird eine gleichmäßige Vermessung
der Oberfläche
sowohl quer zur jeweiligen Bewegungsrichtung als auch in der Bewegungsrichtung
möglich.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann vorteilhafterweise an einem Kraftfahrzeug angebracht werden.
Hierzu kann sie insbesondere oberhalb der Lauffläche des Reifens, z.B. im Radkasten
bzw. am Kotflügel,
angebracht werden. Die gemessene Profiltiefe kann hierbei dem Fahrer über eine
geeignete Anzeigevorrichtung angezeigt werden, oder es kann in dem
Fall, dass das Unterschreiten einer Mindestprofiltiefe festgestellt
wird, ein Warnsignal an den Fahrer ausgegeben werden. Hierbei ist
es grundsätzlich
möglich,
die Messung auch während
der Fahrt durchzuführen,
um z.B. Verformungen der Oberfläche
des Reifens oder Beschädigungen
der Oberfläche
des Reifens während
der Fahrt direkt feststellen zu können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann insbesondere ein an einem Ende offenes Gehäuse aus einem für das Signal
undurchdringlichen Material aufweisen. Dies kann z.B. ein Metall
oder ein Kunststoffmaterial sein. Es kann insbesondere ein Rohr, z.B.
ein Metallrohr verwendet werden, in dem mehrere, z.B. zwei oder
drei Reflektoreinrichtungen und jeweils eine Auslassöffnung für ein Signal
in Längsrichtung
des Rohres zueinander beabstandet vorgesehen sind. Die Auslassöffnungen
können
mit einem für den
Signalimpuls durchlässigen
Material verschlossen werden. Bei Verwendung von Licht kann dies
ein entsprechend transparentes Glas oder ein entsprechend transparenter
Kunststoff sein. Bei Verwendung von Schallwellen, z.B. Ultraschallwellen,
kann dies ein geeigneter Schwingkörper, z.B. aus einem Blechmaterial
sein. Durch derartige Abdeckungen der Auslassöffnungen kann eine Verschmutzung
und Beschädigung
des Innenraums des Gehäuses,
insbesondere auch der Reflek toreinrichtungen und des Signalgebers
bzw. Signalempfängers
verhindert werden. Der Signalgeber und gegebenenfalls ein Signalempfänger werden
in das offene Ende des Rohres gesteckt. Hierbei werden die Reflektoreinrichtungen unter
einem geeigneten Winkel gegenüber
dem Strahlengang ausgerichtet, so dass der eingegebene Signalimpuls
durch die jeweilige Öffnung
aus dem Rohr geleitet wird; vorteilhafterweise wird der reflektierte
Teilsignalimpuls senkrecht aus dem Rohr reflektiert. Die Reflektoreinrichtungen
erstrecken sich hierbei jeweils lediglich über einen Teil der Querschnittsfläche des
Rohres und sind zueinander versetzt, so dass von einem Signalimpuls
mehrere Teilsignalimpulse an verschiedenen Stellen des Metallrohrs
wegreflektiert werden können.
Hierzu können die
Reflektoreinrichtungen senkrecht zur Längsachse des Rohres zueinander
versetzt angeordnet sein, z.B. in einer horizontalen seitlichen
Richtung (nebeneinander) oder in einer vertikalen Richtung (übereinander).
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht in Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
Seitenansicht in Schnittdarstellung der Vorrichtung aus 1 bei
Anbringung oberhalb eines zu vermessenden Reifens.
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In
einem Metallrohr 2, das an einem Ende geschlossen ist,
ist in das andere, offene Ende 3 eine Signalquelle 1 gesteckt.
Diese kann insbesondere eine Ultraschall-Signalquelle sein, die
in bekannter Weise einen piezoelektrischen Kristall aufweist. Die Signalquelle
ist über
eine Anschlussleitung 4 mit einer Stromversorgung verbunden.
Vorteilhafterweise kann über
die Anschlussleitung 4 auch eine Signalweitergabe an eine
Auswerteeinheit erfolgen; alternativ hierzu ist es möglich, die
Auswerteeinrichtung bereits in der gezeigten Vorrichtung selbst
unterzubringen und ausgewertete Signale weiterzugeben.
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In
dem Metallrohr 2 sind Reflektoreinrichtungen 5a, 5b, 5c in
Längsrichtung
x des Rohres, d.h. der Laufrichtung des Signales, versetzt angeordnet. Die
Reflektoreinrichtungen sind weiterhin in einer seitlichen Richtung
y zueinander versetzt angeordnet, so dass sie jeweils einen Teil
der von der Signalquelle 1 ausgesandten Signale reflektieren,
die nicht reflektierte Strahlung jedoch ungehindert zu den nachfolgenden
Reflektoreinrichtung weitergelangen kann.
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Von
der Signalquelle 1 werden erfindungsgemäß zeitlich begrenzte Signalimpulse
ausgesendet, von denen jeweils Teilsignalimpulse s1, s2, s3 gemäß 2 durch Öffnungen 6a, 6b, 6c unterhalb
der jeweiligen Reflektoreinrichtungen 5a, 5b, 5c aus
dem Metallrohr herausreflektiert werden. Vorteilhafterweise sind
die Reflektoreinrichtungen gemäß 2 unter
einem Winkel von 45° gegenüber der
Längsrichtung
x bzw. Laufrichtung des Signales angeordnet, so dass die Teilsignalimpulse
s1, s2, s3 senkrecht aus dem Rohr herausreflektiert werden.
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Erfindungsgemäß weist
das Metallrohr 2 vorteilhafterweise einen rechteckigen,
z.B. quadratischen Querschnitt auf, wobei durch die Reflektoreinrichtungen
jeweils ein Drittel des Signalimpulses wegreflektiert werden, so
dass sich eine gleichmäßige Signalstärke der
Teilsignalimpulse s1, s2, s3 ergibt.
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Die
Teilsignalimpulse s1, s2, s3 erfassen jeweils einen Messbereich 8a, 8b, 8c an
verschiedenen, in axialer Richtung x des Reifens zueinander versetzten
Stellen. Diese Messbereiche werden durch den jeweiligen Signalkegel,
der sich aus dem Abstand der Signalquelle, der Größe der Reflektoreinrichtung
und der Größe der jeweiligen Öffnung bestimmt,
festgelegt. Von den jeweiligen Messbereichen 8a, 8b, 8c werden
somit im allgemeinen sowohl auf einer zweiten Profilhöhe z2 angeordnete
Profilerhöhungen 9 als
auch auf einer ersten Profilhöhe
z1 angeordnete Profilvertiefungen 10 der zu untersuchenden
Oberfläche 11 erfasst.
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Bei
der Auswertung wird das erhaltene Messsignal in zeitlich aufeinander
folgende Signalbereiche zerlegt, die den reflektierten Teilsignalbereichen
s1, s2, s3 entsprechen. Der Abstand der Signalbereiche des Messsignales
entspricht der doppelten Laufzeit des Abstandes zwischen den jeweiligen
Reflektoreinrichtungen, da das Signal diesen Abstand auf dem Hinweg
und Rückweg
jeweils zusätzlich
zurücklegen
muss. Aus den bekannten Abständen
der Reflektoreinrichtungen und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeites
des Signales – Ultraschall oder
Licht – kann
somit eine Einteilung des Messsignales in drei Signalbereiche getroffen
werden.
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In
den verschiedenen Signalbereichen wird eine Unterscheidung in zwei
Signalunterbereiche getroffen, die einer Reflektion jeweils an der
Oberfläche einer
Profilerhöhung 9 und
Profilvertiefung 10 entsprechen. Aus dem Laufzeitunterschied
der Signalunterbereiche kann aufgrund bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Signales eine Profiltiefe in z-Richtung aus der zusätzlichen
Laufstrecke des Signales ermittelt werden.
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Da
die Abstände
zwischen den Reflektoreinrichtungen deutlich größer als die Höhenunterschiede
der Profilerhöhungen
und Profilvertiefungen sind, treten keine (bzw. durch Mehrfachreflektion
eine geringe und zu vernachlässigende) Überlappungen
der Messungen in den verschiedenen Oberflächenbereichen 8a, 8b, 8c auf.
Somit kann erfindungsgemäß mittels
eines Signalimpulses eine Vermessung mehrerer Oberflächenbereiche
durchgeführt
werden.
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Hierbei
ist es grundsätzlich
auch möglich, aus
den Intensitäten
bzw. Intensitätsverhältnissen der
Signalunterbereiche auf die Fläche
der jeweiligen Profilvertiefungen und Profilerhöhungen zu schließen; dies
ist bei der Vermessung eines Reifens in der Regel jedoch nicht notwendig,
da sich lediglich die Profilhöhe ändert. Bei
anderen erfindungsgemäßen Anwendungen,
z.B. einer Defektanalyse, kann dies jedoch ausgenutzt werden. Weiterhin
können
auch Oberflächen
mit mehr als zwei reflektierenden Oberflächen untersucht werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann direkt in einem Kraftfahrzeug vorgesehen werden. Hierzu kann
das Gehäuse,
z. B. als Kunststoffrohr oder Metallrohr am Radkasten eines Fahrzeuges derartig
befestigt werden, dass die Öffnungen
zu der Lauffläche
des Reifens hin ausgerichtet sind.
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Neben
dem gezeigten Reifen 7 kann insbesondere auch ein Transportband
untersucht werden. Hierbei kann eine Profilierung des Transportbandes, die
bei Benutzung eventuell abnutzt, untersucht werden. Weiterhin können mechanische
Beschädigungen
des Transportbandes als zusätzliche
Vertiefungen in der Oberfläche
erfasst werden.