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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum indirekten Messen eines Parameters
einer Beschichtung eines Bauteils.
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Aus
EP 599153 A1 ist
ein Verfahren bekannt, durch das ein Werkstoff durch indirektes
Messen identifiziert wird. Beispielsweise wird hierdurch eine Trennung
von verschiedenen Kunststoffen ermöglicht. Die Oberfläche des
zu identifizierenden Werkstoffs wird kurzfristig und punktförmig mit
Laserenergie erwärmt.
Die Antwort des Werkstoffes auf diesen Wärmeimpuls wird gemessen, beispielsweise
indem der Temperaturverlauf während
der Abkühlung
gemessen wird. Bestimmte Kenngrößen der
Wärmeimpuls-Antwort,
z. B. die maximale Temperatur oder die Abkühlgeschwindigkeit oder die
Temperaturverteilung, werden ermittelt. Die verschiedenen in Betracht kommenden
Werkstoffe unterscheiden sich hinsichtlich dieser Kenngrößen. Der
vorliegende Werkstoff wird aufgrund der ermittelten Kenngröße und dieser Unterschiede
identifiziert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, durch das ein Parameter einer Beschichtung eines Bauteils
berührungslos
und zerstörungsfrei
gemessen wird. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch
1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst folgende Schritte:
- – Ein Bereich der Beschichtungsoberfläche wird erwärmt. Hierbei
wird der Bereich während
einer vorgegebenen Erwärmungs-Zeitspanne
mit einer vorgegebenen Energiemenge versehen. Diese Energiemenge
kann während
der Erwärmungs-Zeitspanne
konstant bleiben oder variieren, z. B. zunächst ansteigen und dann wieder
absinken. Die Oberfläche
erwärmt
sich hierbei in vom Parameter abhängiger Weise. Nach Ablauf der
Erwärmungs-Zeitspanne
wird keine Energie mehr zugeführt
und die Oberfläche
kühlt sich
in vom Parameter abhängender
Weise ab. Weil die Energiemenge sowie die Länge der Erwärmungs-Zeitspanne vorgegeben
sind, kühlt
sich die Oberfläche
nach Ende des Erwärmens
in reproduzierbarer Weise ab, und der Verlauf der Temperatur hängt nur
noch vom zu messenden Parameter ab.
- – Die
von der Oberfläche
emittierte Wärmestrahlung
des Bereiches wird gemessen. Diese ist ein Maß für die Temperatur des Bereiches.
Die Messung wird zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt, also
während
des Aufheizens oder der Abkühlung
der Beschichtung, durchgeführt.
Der Zeitpunkt wird relativ zur Erwärmungs-Zeitspanne angegeben,
beispielsweise ist er gleich dem Ende-Zeitpunkt der Erwärmungs-Zeitspanne oder liegt
0,1 Sekunden nach diesem Ende-Zeitpunkt. Möglich sind mehrere Messungen
zu mehreren vorgegebenen Zeitpunkten. Weil die Zeitpunkte vorgegeben
sind, liefern die Messungen reproduzierbare Ergebnisse. Insbesondere
werden dabei Temperaturdifferenzen bzgl. der Ausgangstemperatur
gemessen so dass letztere nicht bekannt sein muss.
- – Ein
funktionaler Zusammenhang, der den Parameter als Funktion emittierter
Wärmestrahlung, also
der Temperatur zum Zeitpunkt angibt, wird ausgewertet. Dieser Zusammenhang
ist vorgegeben und wird durch Erwärmung und anschließender Temperaturmessungen
an Beschichtungen mit bekannten Parameterwerten oder mit Hilfe eines
physikalischen Modells erzeugt.
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Die
zugeführte
Energiemenge ist vorteilhafterweise so groß und die Erwärmungs-Zeitspanne so lang,
dass durch die Erwärmung
ein messbarer Temperaturanstieg bewirkt wird und die anschließende Abkühlung so
stark vom zu messenden Parameter abhängt, dass bei verschiedenen
Parameterwerten ein messbarer Unterschied auftritt. Vorzugsweise wird
die Energiemenge andererseits so gering und die Erwärmungs-Zeitspanne
so kurz gehalten, dass durch die Erwärmung die Beschichtung nicht
beschädigt
wird, sondern nach Abklingen der Erwärmung im wesentlichen den gleichen
Zustand wie vor der Messung hat, und auch kein Grundmaterial des
Bauteils mit erwärmt
wird.
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Das
Verfahren lässt
sich anwenden, um den Parameter nach dem Auftragen der Beschichtung
auf das Bauteil zu messen. Eine solche Beschichtung wird durch einen
oft aufwendigen Beschichtungsprozess aufgetragen und muss hohen
Qualitätsanforderungen
bei kleinen Toleranzen genügen.
Zwangsläufig
schwanken die Kenngrößen des
Beschichtungsprozesses oder der verwendeten Werkstoffe, so dass der
Parameter von Bauteil zu Bauteil unterschiedliche Werte annimmt.
Das Verfahren zeigt einen Weg auf, den Wert des Parameters an jedem
Bauteil zu messen, nachdem die Beschichtung aufgetragen wurde.
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Das
Verfahren arbeitet berührungsfrei.
Weder beim Erwärmen
noch beim Messen der Temperatur berührt eine Vorrichtung, die das
erfindungsgemäße Verfahren
ausführt,
das Bauteil. Dadurch ist eine mechanische Zerstörung durch das indirekte Messen
ausgeschlossen.
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Es
lässt sich
daher zur Qualitätskontrolle
von allen Bauteilen, die in einem technischen Produkt verwendet
werden sollen, verwenden, beispielsweise zur Kontrolle von thermisch
beschichteten Schaufeln oder von beschichteten Gehäusen einer
Gasturbine.
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Das
Verfahren erfordert keine Vorbehandlung der Oberfläche der
Beschichtung. Es kann auch an sehr dünnen Schichten angewendet werden.
Dadurch lässt
sich das Verfahren schnell und kostengünstig durchführen. Vor
allem gegenüber
konventionellen Härtemessverfahren,
bei denen die Oberfläche
mechanisch belastet wird und deshalb eine Mindest schichtdicke vorhanden
sein muss, besteht hierin ein Vorteil. Zudem kann das Verfahren
auch bei porösen
Schichten zur Messung der Härte
angewendet werden, was mit konventionellen Methoden häufig nicht
oder nur ungenau möglich
ist.
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Das
Verfahren ist zur Messung jedes Parameters geeignet, der die Oberflächentemperatur während des
Aufheizens oder Abklingens in messbarer Weise beeinflusst. Gemäß Anspruch
2 ist dieser Parameter beispielsweise die Dichte, die Härte oder die
Porosität
der Beschichtung. Die Porosität
ist vorzugsweise der Anteil von Luft oder anderen Fremdsubstanzen
an der Beschichtung. Die drei Parameter Dichte, Härte und
Porosität
hängen
proportional zusammen: Je größer die
Porosität
ist, desto geringer sind Dichte und Härte. Je größer die Dichte ist, desto härter ist
die Beschichtung.
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Zur
Messung der emittierten Wärmestrahlung
wird vorzugsweise ein Pyrometer verwendet (Anspruch 5). Ein Pyrometer
misst die Temperatur indirekt, indem es die Energie der emittierten
Energie misst und daraus die Temperatur ermittelt. Pyrometer arbeiten
berührungsfrei,
daher wird die Beschichtung durch die Messung nicht verändert. Sie
sind kostengünstig,
leicht und haben geringe Abmessungen. Dadurch ist es möglich, den
Parameter auch dann zu messen, wenn um das Bauteil herum nur wenig
Platz vorhanden ist oder das Bauteil eine komplizierte Geometrie
aufweist, wie dies beispielsweise bei den Schaufeln einer Turbine
mit mehreren Stufen der Fall ist.
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Gemäß Anspruch
7 wird die Temperatur nicht nur zu einem einzigen Zeitpunkt gemessen, sondern
zu mehreren Zeitpunkten innerhalb einer vorgegebenen Aufheiz- und/oder
Abkühlungs-Zeitspanne.
Dadurch wird ein zeitlicher Verlauf ermittelt. Gemessen wird also
der zeitliche Verlauf der Temperatur. Dieser zeitliche Verlauf wird
mit mehreren vorgegebenen Referenz-Verläufen verglichen. Jedem Referenz-Verlauf
ist ein möglicher
Parameterwert zugeordnet, und auch die Referenz-Verläufe beziehen sich
auf die Aufheiz- und Abkühlungs-Zeitspanne. Der
gemessene zeitliche Verlauf wird mit dem Referenz-Verlauf verglichen.
Aufgrund des Vergleichs und der möglichen Parameterwerte, denen
diese Referenz-Verläufe zugeordnet
sind, wird der zu messende Parameterwert bestimmt.
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Vorzugsweise
wird der Vergleich so durchgeführt,
dass derjenige Referenz-Verlauf ausgewählt wird, welcher dem gemessenen
Verlauf am ähnlichsten
ist (Anspruch 8). Beispielsweise wird die Quadratsumme der Unterschiede
als Maß für den Unterschied
zwischen dem gemessenen Verlauf und einem Referenz-Verlauf gewählt. Als
zu messender Parameterwert wird derjenige der möglichen Parameterwerte verwendet,
dem der ausgewählte
Referenz-Verlauf zugeordnet ist.
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Die
Ausgestaltung nach Anspruch 12 zeigt einen Weg auf, wie die funktionale
Abhängigkeit
erzeugt wird, ohne dass ein physikalisches Modell des Zusammenhangs
zwischen dem Parameter und der Temperatur benötigt wird. Mehrere mögliche Parameterwerte
sind vorge geben, beispielsweise indem der Wertebereich des Parameters
in Teilbereiche unterteilt wird und aus jedem Teilbereich ein Wert
ausgewählt
wird.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1. einen prinzipiellen Aufbau
einer Messvorrichtung für
das erfindungsgemäße Verfahren;
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2. Referenz-Verläufe der
Temperatur-Differenz für
drei Härtegrade.
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Das
Ausführungsbeispiel
bezieht sich auf Bauteile einer Gasturbine für ein Flugzeug. Ein solches
Bauteil ist das Gehäuse
einer Verdichterstufe. Die Rotorschaufeln bewegen sich mit hoher
Geschwindigkeit dicht an der Innenseite des Gehäuses entlang. Der Abstand zwischen
den Rotorspitzen und der Innenseite des Gehäuses muss einerseits so gering
wie möglich
gehalten werden, damit die Luft hinter den Schaufeln (in Strömungsrichtung
der Luft gesehen) einen wesentlich höheren Druck als vor den Schaufeln
aufweist und die Verdichterstufe einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Andererseits muss sichergestellt werden, dass die Rotorspitzen beim
Rotieren nicht das Gehäuse
beschädigen.
Daher werden zwar die Rotorspitzen gepanzert ausgeführt, die im
Einlaufbereich des Gehäuses
befindliche Beschichtung aus NiC oder BN, die sogenannten Einlaufbeläge, sind
hingegen leicht elastisch und nachgiebig ausgeführt, damit eine Berührung zwischen Rotorspitze
und Gehäuse
nicht zu Beschädigungen führt. Die
Beschichtung ist daher zwangsläufig
porös und
die Porosität
variiert von Gehäuse
zu Gehäuse.
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Ein
weiteres Bauteil, auf das sich die Erfindung anwenden lässt, sind
Wärmedämmschichten einer
Schaufel. Eine solche wärmedämmende Beschichtung
wird vorzugsweise aus keramischen Werkstoffen hergestellt.
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Im
Ausführungsbeispiel
soll die Härte
der Beschichtung gemessen werden. Die Definition der Härte eines
Werkstoffs ist aus „Dubbel – Taschenbuch
für den
Maschinenbau", 20.
Auflage, Springer-Verlag, 2001, E28, bekannt.
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1 zeigt den prinzipiellen
Aufbau einer Messvorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren
durchführt.
Die Vorrichtung umfasst folgende Bestandteile:
- – eine industrietaugliche
Datenverarbeitungsanlage 100, z. B. eine SPS oder ein
- – Industrie-PC,
- – eine
ansteuerbare Blitzlichtlampe 120,
- – einen
Umlenkspiegel 160,
- – ein
Pyrometer 110
- – und
ein Gehäuse 150 mit
einer Öffnung 190.
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Das
Bauteil 130 mit der Beschichtung 140 wird in eine
vorgegebene Position vor der Öffnung 190 des
Gehäuses 150 platziert.
Weil das Bauteil 130 an einer bestimmten Position vor der Öffnung 190 des
Gehäuses 150 positioniert
ist, ist sichergestellt, dass die Blitzlichtlampe 120 und
der zu erwärmende Bereich 170 stets
den gleichen Abstand voneinander haben und dass der Bereich 170 und
das Pyrometer 110 stets den gleichen Abstand haben. Die
Größe der Öffnung 190 legt
die Größe des zu
erwärmenden Bereichs 170 der
Oberfläche
der Beschichtung 140 fest. Dieser Bereich 170 ist
in 1 mit einem Strich gekennzeichnet.
Er unterscheidet sich aber nicht von der übrigen Beschichtungsoberfläche, eine
Vorbehandlung wird nicht durchgeführt. Der Bereich 170 hat
in diesem Beispiel einen Durchmesser von 5 mm bis 25 mm.
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Die
Datenverarbeitungsanlage 100 steuert die Blitzlichtlampe 120 und
das Pyrometer 110 an, wertet die emittierte Wärmestrahlung
bzw. die Temperaturen aus und bestimmt den zu messenden Parameterwert.
Die Blitzlichtlampe 120 sendet einen definierten Lichtblitz 200 mit
einer Dauer von 10–15 ms
aus, der vom Umlenkspiegel 160 auf die Öffnung 190 und damit
auf den zu erwärmenden
Bereich 170 der Beschichtungsoberfläche gelenkt wird. Der erwärmte Bereich 170 emittiert
Wärmestrahlung 210, die
von Pyrometer 110 gemessen wird. Aus der Energie der Wärmestrahlung 210 bestimmt
das Pyrometer 110 die aktuelle Temperatur des erwärmten Bereichs 170.
Das Gehäuse 150 vermeidet
störende Umgebungseinflüsse, welche
die Messung verfälschen
könnten.
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Die
Datenverarbeitungsanlage 100 überwacht weiterhin die Funktionsfähigkeit
von Blitzlichtlampe 120 und Pyrometer 110 und
gibt z. B. dann eine Fehlermeldung aus, wenn eine Datenverbindung
zu Blitzlichtlampe 120 oder Pyrometer 110 fehlt.
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Pyrometer
sind aus „Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Auflage, Springer-Verlag, 2001, W 18,
bekannt. Deren Verwendung werden auch in GB 2300476 A,
EP 1227222 A2 ,
EP 605055 B1 und
EP 1075892 A2 beschrieben.
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Anstelle
eines Lichtblitzes kann der Bereich
170 auch z. B. mit
einem Laserstrahl erwärmt
werden. Anstelle eines Pyrometers lassen sich eine Thermokamera,
ein Infrarot-Linien-Abtaster
oder ein Infrarot-Zeilen-Abtaster verwenden. Derartige Geräte werden
z. B. in
EP 599153 A1 beschrieben.
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Die
Erwärmungs-Zeitspanne
beträgt
in diesem Beispiel 15 Millisekunden. Die Datenverarbeitungsanlage 100 löst den Blitz 200 der
Blitzlichtlampe 120 zu Beginn der Zeitspanne aus und bringt
so eine Energie von 1 J/cm2 auf den zu messenden
Bereich ein. Es ist auch möglich
dass mehrere Blitze Energie einbringen und dabei nach oder zwischen
den Blitzen gemessen wird. Außerdem
ist es möglich,
vor der Blitzlichtlampe 120 einen Infrarotfilter zu positionieren,
um die Messung zu verbessern.
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Je
nach Härte
der Beschichtung 140 erwärmt sich der Bereich 170 um
25 bis 35 Kelvin. Binnen 1 bis 2 Sekunden nach Beginn der Erwärmungs-Zeitspanne
ist der erwärmte
Bereich 170 wieder auf die ursprüngliche Temperatur abgekühlt. Die
von dem Pyrometer 110 ermittelte Temperatur wird zu den Zeitpunkten
t_A = 0 Millisekunden, 5 Millisekunden, 10 Millisekunden, 20 Millisekunden,
30 Millisekunden, ..., 100 Millisekunden (jeweils gerechnet ab Beginn
der Erwärmung)
gemessen. In diesem Beispiel wird also zu nicht äquidistanten Zeitpunkten gemessen.
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In
einer ersten Phase werden einmal vorab Referenz-Verläufe in Abhängigkeit
der Temperatur mit Hilfe der gerade beschriebenen Vorrichtung erzeugt.
Drei mögliche
Werte des zu messenden Parameters, also drei Härtegrade, werden vorgegeben, nämlich h_1
(geringe Härte),
h_2 (mittlere Härte)
und h_3 (hohe Härte).
Drei Referenz-Verläufe
werden erzeugt. Hierfür
werden drei gleiche Bauteile mit je einer Beschichtung versehen.
Die Beschichtung des ersten Bauteils hat den Härtegrad h_1, die des zweiten
Bauteils den Härtegrad
h_2 und die des dritten Bauteils den Härtegrad h_3.
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Anstelle
die drei Härtegrade
vorzugeben, ist auch möglich,
die drei Bauteile unterschiedlich zu beschichten und die Härtegrade
der drei Beschichtungen mit einem bekannten Verfahren zu messen.
Bei diesen Prüfverfahren
wird ein Bereich der Beschichtung beschädigt oder gar zerstört. Dies
wird in Kauf genommen, weil die Referenz-Verläufe einmal vorab erzeugt werden
und die hier beschriebene Ausführungsform
des Verfahrens nur die Beschädigung
dieser drei Bauteile zur Folge hat.
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Die
kurzzeitige Erwärmung
wird für
alle drei Bauteile durchgeführt,
und die gemessenen Temperatur-Verläufe in der Erwärmungs-
und der Abkühlungs-Phase
werden aufgezeichnet. Die Referenz-Verläufe der Temperatur-Differenz,
also des Temperaturanstiegs im Vergleich zur Temperatur vor der
Erwärmung,
werden berechnet und als Referenz-Verläufe verwendet. 2 zeigt drei Referenz-Verläufe der
Temperatur-Differenz für
die drei Härte grade.
Der Verlauf ΔT_1
ist dem Härtegrad
h_1 zugeordnet, der Verlauf ΔT_2
dem Härtegrad
h_2 und der Verlauf ΔT_3
dem Härtegrad
h_3.
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Die
drei Referenzverläufe
werden numerisch für
i = 1, 2, 3 integriert;
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Dies
wird durchgeführt,
indem die Fläche
unter den Kurven numerisch bestimmt wird. Den drei Härtegraden
wird je ein Integral des zeitlichen Verlaufs der Temperatur-Differenz
zugeordnet. Dadurch ist eine funktionale Abhängigkeit zwischen dem Härtegrad
und dem Integral des zeitlichen Verlaufs der Temperatur-Differenz
bestimmt.
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In
einer zweiten Phase wird der Härtegrad
jedes produzierten Bauteils
130 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
indirekt gemessen. Der Bereich
170 der Beschichtungsoberfläche wird
mit Hilfe der Blitzlichtlampe
120 kurzzeitig erwärmt. Die
Temperatur vor Beginn der Erwärmungen
sowie zu den Zeitpunkten 0, 5, 10, 15, 20, 30, ..., 100 Millisekunden wird
mit dem Pyrometer
110 gemessen. Der Verlauf der Temperatur-Differenz ΔT in der
Zeitspanne zwischen t_A und t_E wird berechnet und anschließend numerisch
integriert:
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Auf
den so bestimmten Wert wird der funktionale Zusammenhang, der in
der ersten Phase bestimmt wurde, angewendet. Beispielsweise wird
eine Interpolation über
den Streckenzug durchgeführt. Oder
es wird einfach der dem Wert I nächstliegende Wert
unter den drei Werte I_1, I_2 und I_3 ausgewählt, und der Härtegrad,
der in der ersten Phase zu diesem nächstliegenden Wert führte, als
Ergebnis der indirekten Messung verwendet.
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Eine
Abwandlung dieses Vorgehens wird vorzugsweise angewendet, wenn die
Bauteile nach dem Beschichten lediglich in „gut" und „schlecht" klassifiziert werden sollen. Ein „gutes" Bauteil hat eine
Beschichtung mit ausreichend großem Härtegrad, ein „schlechtes" eine Beschichtung,
die nicht hart genug ist. Je größer die
Härte ist,
desto geringer ist der Temperatur-Anstieg aufgrund der kurzfristigen Erwärmung, was
auch 2 illustriert.
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In
der ersten Phase wird das Verfahren auf gute und schlechte Bauteile
angewendet. Wie oben beschrieben wird jeweils das Integral des zeitlichen Verlaufs
bestimmt. Daraus wird ein Grenzwert I_max bestimmt. Alle guten Bauteile
führen
zu einem Integral, das kleiner oder gleich I_max ist, alle schlechten zu
einem Integral größer I_max.
In der zweiten Phase wird das Verfahren angewendet und das Integral
I des zeitlichen Verlaufs bestimmt. Dieses Integral wird mit dem
Grenzwert I_max verglichen. Falls I kleiner oder gleich I_max ist,
wird das untersuchte Bauteil 130 als „gut" bewertet, d. h. seine Beschichtung
ist ausreichend hart. Ansonsten wird es als „schlecht" bewertet.
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Die
Verwendung des Integrals mittelt einzelne Messfehler und andere
unvermeidliche zufällige Ereignisse
heraus, weswegen diese Ausgestaltung gute Ergebnisse liefert und
robust ist. Anstelle des Integrals lässt sich auch die maximale
Temperatur oder der zeitliche Temperaturverlauf verwenden, die sich mit
weniger Rechenaufwand als das Integral ermitteln lassen.
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- 100
- industrietaugliche
Datenverarbeitungsanlage
- 110
- Pyrometer
- 120
- Blitzlichtlampe
- 130
- Bauteil
- 140
- Beschichtung
- 150
- Gehäuse
- 160
- Umlenkspiegel
- 170
- zu
erwärmender
Bereich
- 190
- Öffnung des
Gehäuses 150
- 200
- Lichtblitz
- 210
- von
der Beschichtung emittierte Wärmestrahlung
- H_1,
h_2, h_3
- drei
vorgegebenen Härtegrade
- 1
- Integral
des gemessenen Verlaufs der Temperatur-Differenz ΔT
- I_1,
I_2, I_3
- Integrale
der Referenz-Verläufe
der Temperatur-Differenz
- ΔT
- gemessener
zeitlicher Verlauf der Temperatur-Differenz
- ΔT_1, ΔT_2, ΔT_3
- Referenz-Verläufe der
Temperatur-Differenz
