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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 Mindestschichtdicke 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 vorgegeben, 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, W18, 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 Härtegrade. 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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Bezugszeichenliste
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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
- I
- 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
