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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft thermographische, nichtzerstörende Techniken
zum Ermitteln der Dicke eines Objektes. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein transientes thermographisches IR Verfahren zum Analysieren
von Stapeln von Bildrahmen mit thermischen Daten, das eine thermische
Resonanzfunktion einer schnellen Fourier-Transformierten verwendet,
um die Dicke zu ermitteln.
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HINTERGRUND
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Über die
Jahre wurden verschiedene, nichtzerstörende Ultraschallmeßtechniken
eingesetzt, um die Querschnittsdicke von Gußmetall und anderen festen
Objekten zu ermitteln. Herkömmlicherweise wird
das Objekt mit Ultraschallwellen geprüft, welche in die Oberfläche eindringen
und intern an der gegenüberliegenden
Seite oder Oberfläche
des Objektes reflektiert werden. Auf der Basis der erforderlichen Zeit
für den
Empfang einer reflektierten Welle kann die Strecke zu der gegenüberliegenden
(Rück-)
Seite ermittelt werden, was die Dicke des Objektes an diesem Punkt
ergibt. Leider würde
die Durchführung
von Ultraschallmessungen dieser Art zum Überprüfen der Querschnittsdicke für den größten Teil
eines Objektes üblicherweise
ein mühsames
und zeitaufwendiges mechanisches Abtasten der gesamten Oberfläche mit
einem Meßwertaufnehmer
erfordern. Zusätzlich
muß zur
Ermöglichung
eines engen Schallkontaktes zwischen dem Meßwertaufnehmer und der Objektoberfläche ein
Strom eines flüssigen
Kopplungsmittels auf die Oberfläche
aufgebracht werden, oder alternativ eine vollständige Eintauchung des Objektes
in das Kopplungsmittel angewendet werden. Derartige Anpassungen
sind jedoch nicht sehr praktisch oder leicht aus zahlreichen strukturellen und
Materialgesichtspunkten durchführbar.
Beispielsweise sind Ultraschallsysteme, die in der Lage sind, komplexe
Teile abzutasten und geometrisch zu analysieren, typischerweise
sehr teuer und kompliziert. Zusätzlich
kann ein mechanisches Abtasten des Meßwertaufnehmers über der
Oberfläche
eines großen
Objektes buchstäblich
Stunden dauern.
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Ferner
kann bei der Durchführung
von Ultraschallmessungen auf bestimmten Metallobjekten die interne
Kristallorientierung und Struktur des Metalls unerwünschte Störungs- und
Richtungseffekte erzeugen, die zu Ungenauigkeiten in den erfaßten Daten
beitragen. Diese inhärente
Einschränkung
von Ultraschallmessungen erweist sich als ein ernster Nachteil,
wenn Komponenten geprüft
werden, die aus kristallinen oder "richtungsorientierten" Metallen aufgebaut
sind, wie sie oft in derzeitigen Turbinenschaufeln verwendet werden.
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Im
Gegensatz dazu ist die transiente Infrarot(IR)-Thermographie eine
etwas vielseitigere, nichtzerstörende
Prüftechnik,
welche auf zeitlichen Messungen des Wärmedurchtrittes durch ein Objekt beruht,
um Information bezüglich
der Struktur und Integrität
des Objektes zu liefern. Da der Wärmefluß durch ein Objekt im wesentlichen
durch die Mikrostruktur und die Einkristallorientierungen des Materials
des Objektes unbeeinflußt
bleibt, ist eine transiente Infrarot-Thermographieanalyse im wesentlichen frei
von den Einschränkungen,
welche diese bei Ultraschallmessungen erzeugen. Im Gegensatz zu
den meisten Ultraschalltechniken ist ein transienter Thermographieanalyse-Lösungsweg
nicht wesentlich durch die Größe, Kontur
oder Form des zu prüfenden Objektes
beeinträchtigt
und kann ferner 10 bis 100-mal schneller als die meisten herkömmlichen
Ultraschallverfahren durchgeführt
werden, wenn Objekte mit einem großen Oberflächenbereich geprüft werden.
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Eine
bekannte derzeitige Anwendung transienter Thermographie, welche
die Fähigkeit
der Ermittlung der Größe und "relativen" Lage (Tiefe) von Defekten
innerhalb fester, nicht-metallischer Verbundstoffe ermöglicht,
ist in dem U.S. Patent 5,711,603 für Ringermacher et al., mit
dem Titel "Nondestructive
Testing: Transient Depth Thermography" offenbart. Im wesentlichen beinhaltet
diese Technik die Erwärmung
der Oberfläche
eines interessierenden Objektes und die Aufzeichnung der Temperaturveränderungen über der
Zeit über
sehr kleinen Bereichen oder "Auflösungselementen" auf der Oberfläche des
Objektes. Diese Oberflächentemperaturänderungen
stehen in Beziehung zu der charakteristischen Dynamik des Wärmeflusses
durch das Objekt, welcher durch das Vorhandensein von Defekten beeinflußt wird.
Demzufolge kann die Größe und ein
Wert, der eine "relative" Tiefe eines Defektes
(das heißt,
relativ zu anderen Defekten innerhalb des Objektes) auf der Basis
einer sorgfältigen
Analyse der Temperaturänderungen
ermittelt werden, die an jedem Auflösungselement über der
Oberfläche
des Objektes verteilt auftreten. Obwohl es nicht explizit in dem
vorstehend angesprochenen Ringermacher-Patent offenbart ist, kann
die "tatsächliche" Tiefe eines Defektes
(das heißt
die Tiefe eines Defektes von der Oberfläche des Objektes) nicht ermittelt
werden, sofern kein "Standardblock" mit Hohlräumen bei
bekannten Tiefen oder ein thermisch dicker ("unendlicher Halbraum")-Bezugsbereich des Objektes, als ein
Teil der thermographischen Datenerfassung und Analyse zum Vergleich
gegenüber
den relativen Tiefenwerten mit einbezogen wird.
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Um
genaue thermische Messungen unter Verwendung der transienten Thermographie
zu erhalten, muß die
Oberfläche
eines Objektes auf eine spezielle Temperatur innerhalb einer ausreichend kurzen
Zeitdauer erwärmt
werden, um so jede signifikante Erwärmung des Restes des Objektes
auszuschließen.
Abhängig
von der Dicke und den Materialeigenschaften des zu prüfenden Objektes
wird eine Quarzlampe oder eine Blitzlampe hoher Intensität in herkömmlicher
Weise verwendet, um einen Wärmepuls
mit geeigneter Größe und Dauer
zu erzeugen. Jedoch könnte
der zum Erwärmen
der Objektoberfläche
verwendete spezifische Mechanismus jede Einrichtung sein, die in
der Lage ist, schnell die Oberfläche
auf eine Temperatur zu erwärmen,
die ausreicht, eine thermographische Überwachung durchzuführen, wie
z.B. gepulstes Laserlicht. Sobald die Oberfläche des Objektes erwärmt ist,
wird eine graphische Aufzeichnung der Wärmeveränderungen über der Oberfläche erfaßt und analysiert.
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WO98/0529
offenbart eine derartige Technik für die Ermittlung der Dicke
eines Objektes.
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Herkömmlicherweise
wurde eine Infrarot (IR) Videokamera verwendet, um aufeinanderfolgenden thermische
Bilder (Rahmen) einer Objektoberfläche nach deren Erwärmung aufzuzeichnen
und zu speichern. Jedes Videobild ist aus einer festen Anzahl von
Pixeln zusammengesetzt. In diesem Zusammenhang ist Pixel ein kleines
Bildelement in einer Bildanordnung oder einem Rahmen, welches einem
als ein "Auflösungselement" bezeichneten rechteckigen
Bereich auf der Oberfläche
des abgebildeten Objektes entspricht. Da die Temperatur bei jedem
Auflösungselement
direkt zu der Intensität
des entsprechenden Pixels in Bezug steht, können Temperaturänderungen
bei jedem Auflösungselement
auf der Objektoberfläche
in Form von Änderungen
in Pixelkontrast analysiert werden. Die gespeicherten IR Videobilder werden
dann dazu verwendet, den Kontrast jedes Pixels in einem Bildrahmen
zu bestimmen, indem die mittlere Pixelintensität für einen einen bekannten Zeitpunkt
darstel lenden speziellen Bildrahmen von der individuellen Pixelintensität an diesen
gleichen Zeitpunkt subtrahiert wird.
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Die
Kontrastdaten für
jedes Pixel werden dann im Zeitbereich (das heißt über viele Bildrahmen hinweg)
analysiert, um den Zeitpunkt des Auftretens eines "Wendepunktes" der Kontrastkurvendaten
zu identifizieren, welcher mathematisch auf eine relative Tiefe
eines Defektes innerhalb des Objektes bezogen ist. Im Grunde benötigt bei
einer Anwendung auf ein exemplarisches "plattenähnliches" Objekt aus konsistentem Material und
einer Dicke L ein auf ein Objekt auftreffender Migrationswärmeflußpuls eine "charakteristische
Zeit" TC,
um das Objekt bis zu der gegenüberliegenden
Seite (Rückwand)
zu durchdringen und zu der abgebildeten Vorderseite zurückzukehren.
Diese charakteristische Zeit TC ist auf
die Dicke des Objektes bezogen, wenn das thermische Diffusionsverfahren
des Materials durch die nachstehende Gleichung gegeben ist: Tc =
4L2/ π2☐ Gl. 1wobei L
die Dicke (cm) des Objektes und α das
thermische Diffusionsvermögen
(cm2/s) des Materials ist. (Ein Objekt kann
auch thermisch von einer der Wärmeflußquelle
gegenüberliegenden
Seite des Objektes aus abgebildet werden. Dieses führt lediglich
zu einem Wert von Tc, der sich um einen
Faktor von Vier unterscheidet).
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Aus
empirischen Beobachtungen ist bekannt, daß, nachdem ein Wärmepuls
auf ein plattenartiges Objekt auftrifft, die von derselben Seite
des Objektes (das heißt
der Vorderseite) aus beobachtete Oberflächentemperatur in einer Art
ansteigt, die auch von der Dicke und dem thermischen Diffusionsvermögen des
Materials abhängt.
Ferner kann man aus einer graphischen Darstellung der Zeit über der Temperatur
(T-t) Verlauf der
Oberfläche
die charakteristische Zeit TC in Form eines
eindeutigen Punktes auf der T-t Kurve, bezeichnet als der "Wendepunkt", ermitteln. Dieser
Wendepunkt tinfl wird durch den Punkt der
maximalen Steigung auf der T-t Kurve (das heißt der Spitzensteigungszeit)
angezeigt und steht zu der charakteristischen Zeit Tc über die
nachstehende Gleichung in Beziehung tinfl = 0,9055 Tc Gl.
2Diese Beziehung zwischen dem Wendepunkt
und der charakteristischen Zeit, ausgedrückt durch die Gleichung 2,
ist genau etwa 1% für
eine eindimensionale (1- D),
sowie für
eine zweidimensionale (2-G) Wärmeflußanalyse.
Sobald ein Wendepunkt tinfl aus der T-t
Antwort ermittelt ist, kann eine relative Dicke L des Objektes aus
der GL. 1 unter Verwendung des bekannten thermischen Diffusionsvermögens α des Materials
und des tatsächlichen
Wertes TC aus Gl. 2 ermittelt werden.
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Diesbezüglich kann
man eine detailliertere Diskussion der wärmeflußinvarianten Beziehung zwischen
der Spitzensteigungszeit (Wendepunkt) und der "charakteristischen Zeit" des Materials gemäß vorstehender
Definition in Review Of Progress In Quantitative Nondestructive
Evaluation in einem Artikel von Ringermacher et al., mit dem Titel "Towards A Flat-Bottom
Hole Standard For Thermal Imaging", published May 1998 by Prenum Press,
New York finden.
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Leider
erzeugt die vorstehend erwähnte
Vorrichtung und das Verfahren des U.S. Patents 5,711,603 für Ringermacher
et al. nur "relative" Tiefenmessungen.
Es kann nicht dazu genutzt werden, einen quantitativen Wert für die tatsächliche
Dicke eines Metallobjektes an einem gewünschten Punkt zu erzielen.
Demzufolge war ein verbessertes Verfahren zur Durchführung einer
transienten IR Thermographie und Verarbeitung der erfaßten Daten
erforderlich, welche eine Ermittlung der tatsächlichen Dicke von Metallobjekten
ermöglichen.
Ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung ist in WO 00/63642
offenbart. Im wesentlichen verwendet die darin offenbarte Anordnung
eine Fokalebenen-Array-Kamera für
eine IR Bilddatenerfassung und Hochleistungs-Blitzlampen, um rasch
die Oberfläche
eines gewünschten
Prüfobjektes
zusammen mit einem Barrenstandard-Bezugsobjekt, das aus einem ähnlichen
Material besteht und Abschnitte bekannter Dicke besitzt (ein "thermisch dicker" Abschnitt des geprüften Objektes
kann optional als ein "unendlicher Halbraum"-Wärmebezug
verwendet werden) zu erwärmen.
Die Blitzlampen sind mit spektral abgestimmten optischen Filtern
versehen, die langwellige IR „Nachglüh-" Emissionen minimieren
und Hintergrundstrahlungseffekte reduzieren, welche die Genauigkeit
der thermischen Messungen reduzieren. Eine vorbestimmte Anzahl von
IR Bildrahmen wird erfaßt
und über
eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Zünden der Blitzlampen aufgezeichnet,
um einen Temperatur/Zeit (T-t) Verlauf der Objektoberfläche (und
des Bezugsstandards) zu entwickeln. Die Kontrast/Zeit-Daten werden
dann für
jedes Pixel in dem Bild entwickelt, um die Objektdicke an einer
Stelle zu ermitteln, die der Pixelposition entspricht.
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In
dem vorstehend beschriebenen Verfahren werden Kontrast/Zeit-Daten
entwickelt, indem Temperatur/Zeit-Daten des Barrenbezugsstandards (oder
Temperatur/Zeit-Daten eines thermisch dicken "Halbraum"-Bezugsbereiches des Objektes) von den Temperatur/Zeit-Daten
jedes Pixels subtrahiert werden. Leider leidet dieses Verfahren
unter dem Nachteil, daß es
einen bestimmten Fehlergrad einführen kann,
wenn Objekte abgebildet werden, welche eine variierende Oberflächengleichmäßigkeit
besitzen. Ferner erfordert es das Vorhandensein eines Barrenstandards
in dem Bild oder die Verwendung von Temperatur/Zeit Daten aus einem
tiefen Bezugsbereich des Objektes – unter der Annahme, daß ein derartiger
Bezugsbereich zur Verfügung
steht. Zusätzlich muß eine spezielle
Beschichtung üblicherweise
auf die Oberfläche
des Objektes aufgebracht werden (und auf den Barrenstandard), bevor
die IR Abbildung stattfindet, um die optische Absorption und Oberflächengleichmäßigkeit
zu verbessern.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein nichtzerstörendes Prüfverfahren und eine Vorrichtung zum
Ermitteln und Darstellen der tatsächlichen Dicke eines Objektes
durch die Verwendung einer schnellen transienten Infrarot(IR) Thermographie.
Ein verbesserter Lösungsweg
einer schnellen transienten IR Thermographieanalyse wird verwendet,
um genau die Dicke eines Objektes zu messen und eine visuell codierte
Anzeige bereitzustellen, welche die Querschnittsdicke über einen
gewünschten
Bereich des Objektes darstellt. Ein wesentliches Merkmal dieses verbesserten
Lösungsweges
besteht in der Verwendung einer Resonanzfunktion einer schneller
Fourier-Transformierten, um die Dicke zu ermitteln. Ein nützlicher
Aspekt besteht darin, daß das
transiente Thermographieverfahren der vorliegenden Erfindung kein
Vorhandensein eines Referenzstandards in dem Bild oder einen nutzbaren
Referenzbereich auf dem geprüften
Objekt erfordert. Zusätzlich
gibt es keine Notwendigkeit einer speziellen Oberflächenvorbereitung
oder spezieller Oberflächenbeschichtungen,
um die optische Absorption zu steigern oder die Oberflächengleichmäßigkeit
des Prüfobjektes
zu verbessern.
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Im
wesentlichen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Analysieren der Real- und Imaginär-Komponenten
der schnellen Fourier- Transformierten
(FFT) der Temperatur/Zeit (T-t) Antwortkurve eines rasch erwärmten Objektes
bereit, um einen Frequenzwert zu erhalten, der direkt auf die spezielle
charakteristische Zeit TC des Durchtritts
für einen
thermischen Puls durch das Objekt bezogen ist. Sobald die charakteristische
Zeit bekannt ist, kann sie zum Berechnen eines quantitativen Wertes
für die
Dicke L zwischen zwei Oberflächen
des Objektes an einen gewünschten
Punkt gemäß der vorstehenden
Gleichung 1 verwendet werden. Die T-t Antwort wird anfänglich aus
den thermischen Daten ermittelt, welche aus auseinanderfolgenden
IR Kamerabildrahmen über
eine vorbestimmte Beobachtungsdauer erfaßt werden – bevorzugt den, die von Beobachtungen
derselben Seite („Vorderseite") des Objektes erhalten
werden. (Idealerweise ist diese Beobachtungsdauer mindestens etwas länger, als
eine angenommene charakteristische Zeit laut Ermittlung aus der
vorstehenden Gl. 1 und einer Ermittlung der Dicke des bewerteten
Objektes).
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Im
wesentlichen werden die gewonnenen thermischen Daten assembliert,
um eine individuelle T-t Antwortkurve für jedes Pixel in dem Bild zu
erzeugen. Die jedem Pixel zugeordneten T-t Antwortkurvendaten werden
dann normiert und es wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT)
durchgeführt, um
die Daten in den Frequenzbereich umzusetzen. Die Real-Komponente
(oder alternativ die Imaginär-Komponente) der komplexen
FFT wird dann analysiert, um den Wendepunkt der T-t Antwort in dem Frequenzbereich
zu lokalisieren. Der Frequenzwert an diesem Wendepunkt steht zu
der thermischen charakteristischen Zeit TC gemäß der durch
die nachstehenden Gleichung 3 und 4 gegebenen Beziehungen in Bezug. TCfRe = 0,372 Gl.3 TCfIm = 0,748 Gl.4wobei fRe die Real-Komponente der schnellen Fourier-Transformierten
an dem Wendepunkt und fIm die Imaginär-Komponente
der schnellen Fourier-Transformierten an dem Wendepunkt der jedem
Pixel zugeordneten T-t Antwortdaten ist.
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Die
Real-Komponente der FFT der T-t Antwortdaten ist eine "Resonanzfunktion" – welche in etwa wie eine "thermische Absorptions"-Funktion in dem
Frequenzbereich arbeitet – deren
Frequenzhalbwertsbreite an dem Wendepunkt direkt auf die charakteristische
Zeit TC bezogen ist. In ähnlicher Weise ist die Imaginär-Komponente der FFT
der T-t Antwortdaten eine "Spitzenfunktion" – welche in etwa wie eine "thermische Dispersion"-Funktion in dem Frequenzbereich
wirkt -, deren Spitzenbereich fIm ebenfalls
in Bezug zu der charakteristischen Zeit TC steht.
Demzufolge wird die Lage des Wendepunktes in dem Frequenzbereich
und somit die Ermittlung der charakteristischen Zeit entweder durch
Identifizieren der Spitze der Ableitungsfunktion der Real-Komponente
der FFT oder Identifizieren des Spitzenwertes der Imaginär-Komponente
der FFT erhalten.
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Gemäß Darstellung
in 1 enthält
die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Bildgebungssystem,
welches eine oder mehrere Hochleistungs-Blitzlampen, ausgestattet
mit speziellen optischen Filtern, eine IR-empfindliche Fokalebenen-Array-Kamera zur Datenerfassung
und einen Anzeigemonitor umfaßt.
Ein Computersystem steuert das Bildgebungssystem, zeichnet die über die
IR Kamera erfaßten
Oberflächendaten
auf und analysiert diese und liefert ein Farb- oder Grauskalen-
codiertes Bild auf dem Anzeigemonitor, das genau der Dicke des Objektes
entspricht.
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Die
Erfassung der Oberflächentemperaturdaten
wird durch Zünden
der Blitzlampen ausgelöst, um
die Oberfläche
des Objektes zu beleuchten. Spektral abgestimmte optische Filter
werden dazu verwendet, um die gesamte 3–5 μm IR Strahlung zu absorbieren
und/oder zurück
in die Blitzlampen reflektieren. Dieses verhindert, daß unerwünschte langwellige
IR "Nachglüh" Emissionen – welche
typischerweise durch überhitzte
metallische Elemente in den Blitzlampen erzeugt werden, nachdem
die Lampen gelöscht
sind – das
Objektes oder die Kamera erreichen.
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Eine
vorbestimmte Anzahl von Bildrahmen wird dann über einer Zeitperiode aufgezeichnet, nachdem
die Blitzlampen gezündet
sind. Jeder aufgezeichnete Bildrahmen besteht aus einem m × m Array
von Bildpixeln, deren Intensität
mit der Oberflächentemperatur
des Objektes zu dem Zeitpunkt, an dem die Rahmendaten erfaßt wurde,
korreliert – wobei
jedes Pixel eine (x, y) Lagenbezeichnung innerhalb des Bildrahmens
besitzt, der einem speziellen Auflösungselement entspricht. Die
aufgezeichneten IR Bilddaten werden dann zum Entwickeln eines Temperaturzeit
(T-t) Verlaufs für
jeden elementaren Bereich oder "Auflösungselement" über dem interessierenden Bereich
der Objektoberfläche
verwendet. Anschließend
wird ein "Knie"-Punkt in der charakteristischen Kurve
identifiziert, die von dem Verlauf von T-t Daten für jedes
der Pixel erzeugt wird. Um die Daten für alle Pixel zu normieren,
wird die T-t Datenkurve geklippt und wird dann unmittelbar dahinter
konstant aufgefüllt,
um einen kontinuierlichen "flachen" Kurvenabschnitt
mit konstanten Temperaturwert gleich dem Kurvenwert an dem Klippunkt
zu erzeugen.
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Eine
mathematische Ableitungskurve der Real-Komponente der FFT wird dann
berechnet, um den Wendepunkt fRe der T-t
Antwortdaten in dem Frequenzbereich zu identifizieren. Die Ableitungskurve kann
beispielsweise unter Verwendung einer Dreipunkt-Datenabtastung mit
einer Trennung des ersten und dritten Abtastpunktes, die proportional
zu dem Wert des Bildrahmenelementes an dem zweiten Abtastpunkt in
Beziehung steht, berechnet werden. Bevorzugt werden alle lokalen "Spitzen" in der Ableitungsberechnung
identifiziert und gefiltert (beispielsweise kann eine Gewichtungspunktion
verwendet werden, um die Signifikanz aller derartig lokalisierten Spitzen
anzupassen, um am besten die tatsächliche Wendepunktfrequenz
zu identifizieren). Zum Schluß werden
die charakteristische Zeit TC und die Dicke
L des Objektes an einer jedem Pixel entsprechenden Stelle quantitativ
anhand von Gl. 1 und Gl. 3 ermittelt.
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Alternativ
kann die Spitze in der Imaginär-Komponente
der FFT verwendet werden, um den Wendepunkt fIm der
T-t Antwortdaten in dem Frequenzbereich zu identifizieren. In diesem
Falle kann die Spitze leicht durch irgendein herkömmliches
Berechnungsverfahren bestimmt werden. Die charakteristische Zeit
Tc und die Dicke L des Objektes an einer
jedem Pi xel entsprechenden Stelle werden quantitativ anhand der
Gl. 1 und der Gl. 4 ermittelt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Der
Zweck und die durch die vorliegenden Erfindung gewonnenen Vorteile
werden am besten durch ein sorgfältiges
Studium der nachstehenden detaillierten Beschreibung der momentan
bevorzugten Ausführungsform
unter spezieller Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlich.
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1 ist
eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Anordnung
eines transienten Infrarot Thermographiesystems zum Ermitteln und
Darstellen der tatsächlichen
Dicke eines Objektes gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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2 ist
ein Flußdiagramm,
welches den Ablauf der Erfassung der Infrarotbilddaten und der durch
das System von 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgeführten
Analyse darstellt; und
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3 ist
eine Darstellung eines Beispiels einer Bilddarstellung einer transienten
IR Thermographie eines mehrschichtigen Objektes.
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BESTE AUSFÜHRUNGSART
DER ERFINDUNG
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1 stellt
ein Beispiel eines transienten IR Thermographiesystems 10 zum
Ermitteln und Darstellen der Dicke eines Objektes, wie z. B. einer
Metallturbinenluftschaufel 1 mit absichtlichen Hohlräumen 4 dar.
Für die
Zwecke der nachstehenden Diskussion bezieht sich die "Dicke" eines Objektes auf eine
Vorderwand oder Oberflächendicke
im Zusammenhang eines hohlen oder halbhohlen Objektes (das heißt eines
Objektes mit einem gewollten Hohlraum).
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Gemäß Darstellung
in 1 wird eine Blitzlampen-Wärmepulsquelle 11 verwendet,
um rasch die Oberfläche
des zu messenden Objektes zu erwärmen.
Eine geeignete Anordnung für
eine Blitzlampen-Wärmepulsquelle 11 wäre beispielsweise
ein Satz von vier oder acht Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs-Blitzlampen
für Photographie,
welche jeweils etwa 4,8 KJ Ausgangsleistung liefern können und
jeweils eine eigene Stromversorgung besitzen (wie z. B. Blitzlampen,
hergestellt von Speedotron Corp. in Chicago, II).
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Da
Metalle eine signifikant schnellere Wärmeleitungsgeschwindigkeit
als Nichtmetalle besitzen, sind die charakteristischen Zeiten für den Wärmefluß in Metallen
wesentlich schneller als beispielsweise diejenigen in Kunststoff
oder Verbundmaterialien. Demzufolge ist bei dem Versuch der Anpassung der
herkömmlichen
IR Thermographie – welche
normalerweise auch Nichtmetalle beschränkt ist – auf Metalle, ein steiles
Abschalten in der aufgebrachten Wärme erforderlich. Um dieses
zu erreichen, wird ein 3–5 μm Reflexionsfilter 18 (abdeckend)
zwischen den Blitzlampen 11 und dem interessierenden Objekt 1 verwendet,
um so zu verhindern, daß das
Objekt Restwärme
ausgesetzt wird, wenn die Blitzlampen nach der Belichtung abkühlen.
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In
der Praxis können
ein oder mehrere Filter verwendet werden (z. B. eines pro Blitzlampe).
Diese Filter dienen dazu, eine direkte langwellige Strahlung – die typischerweise
durch das "Nachglühen" überhitzter metallischer Elemente
in den Blitzlampen erzeugt wird – daran zu hindern, ständig die
Blitzlampen zu verlassen und auf das Ziel aufzutreffen oder auf
andere Weise in die Fokalebenen-Array-Kamera 13 reflektiert
zu werden. Eine derartige primäre Nachglühstrahlung
aus den Blitzlampen 11 konkurriert mit und kann sich mit
den langwelligen IR-Emissionen aus dem Zielobjekt während der
frühen
Thermodatenerfassung überlagern,
und somit die tatsächliche
Ziel-erzeugte IR-Strahlung überdecken und
letztlich Bildkontrast und -qualität verringern. Somit erzeugt
die Verwendung dieser speziellen Filter einen ausreichend scharfen
Wärmepuls,
um die Detektion der kürzeren
Wärmelaufzeit
in dem Metall zu ermöglichen.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht ein Bitzlampenfilter 18 aus
PyrexTM, geschmolzenem Quarz, BK7TM oder anderem optischen Material, das für sichtbares
und UV-Licht transparent ist, und auf der der Blitzlampe zugewandten
Seite mit einer Infrarot reflektierenden Beschichtung beschichtet
ist, um die gesamte Strahlung in dem 3–5 μm Bereich zurück in die
Blitzlampen zu reflektieren (Optisches Glas und beschichtete Filter
können
von einem Hersteller für
allgemeine wissenschaftliche Optik und optisches Glas, wie z. B.
Oriel in Stratford, CT bezogen oder speziell hergestellt werden).
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Oberflächentemperaturmessungen
eines mit einem Wärmepuls
beleuchteten Objektes 1 werden unter Verwendung eines Infrarot
(IR) empfindlichen Bildgebungssystems, bestehend aus einer IR empfindlichen
Fokalebenen-Array-Kamera 13 (beispielsweise kann eine Radiance
HS Infrarotkamera von Amber Engineering – a Raytheon Company – in Goleta,
Ca bezogen werden), einer Steuerelektronik 14, einem Rahmendatenspeicher 15,
einer Steuercomputer/Bildverarbeitungseinrichtung 16 und
einem Anzeigemonitor 17 erfaßt.
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Die
Erfassung der thermischen Daten wird bevorzugt zum Zeitpunkt der
Blitzlampenzündung, entweder
durch optische Auslösung
oder durch eine andere geeignete Einrichtung, gestartet. Die Blitzlampenzündung wird über eine
herkömmliche
Blitzlampenelektronik 14 gesteuert, welche von einer herkömmlichen
Videorahmen-Erfassungssoftware
verwaltet wird, die auf einem Systemcomputer 16 läuft (wie
z. B. dem von dem ImageDeskTM Rahmenerfassungssystem
von Amber Corp. bereitgestellten, oder durch andere herkömmlicher
Rahmenerfassungs- und Blitzlampensteuerungssoftware, wie sie beispielsweise
im Handel von Thermal Wave Imaging Inc. in Lathrup Village, MI erhältlich ist).
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Die
Systemsteuerungscomputer/Bildverarbeitungseinrichtung 16 ist
ein speziell programmierter digitaler Allzweck-Computer, der zur
Peripheriegerätesteuerung
und für
Kommunikationsfunktionen zusätzlich
zu digitaler Bildverarbeitung und Darstellung in Abhängigkeit
von dem Verfahren der vorliegenden Erfindung in der Lage ist. Der
Systemcomputer 16 steuert die Kamera und Lampenelektronik 14 und
die Rahmendatenerfassung 15, um eine vorbestimmte Anzahl
von aufeinanderfolgender thermischen Bildrahmen der Objektoberfläche zu erfassen, welche
im Speicher 15 für
eine zukünftige
Analyse gespeichert werden.
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Bevorzugt
wird die IR Kamera 13 vor dem Beginn des thermischen Bildgebungsprozesses
unter Verwendung einer "Vollfeld" Doppelbildkalibrierungstechnik,
wie sie nun beschrieben wird, kalibriert. Diese Kalibrierungstechnik
verwendet im wesentlichen zwei "Schwarzkörper" (BB) Bildkalibrierungsreferenzen:
(1) eine BB "Kalt"-Quelle unter Verwendung
einer flachen schwarzen Platte auf Raumtemperatur und (2) eine BB "Heiß"-Quelle unter Verwendung
einer erwärmten
schwarzen, flachen Platte. Beispielsweise wird zum Erfassen der
BB "Kalt"-Quellenkalibrierungsbildes ein die flache schwarze
Platte bei Raumtemperatur enthaltender flacher schwarz gestrichener
Kasten, die in einem Winkel von 45° zu dem Kameraobjektiv angeordnet ist,
direkt vor dem Objektiv angeordnet. Zum Erfassen des BB "Heiß"-Quellenkalibrierungsbildes
wird das Kameraobjektiv in denselben flachen schwarz gestrichenen
Kasten nach dem Erwärmen
der flachen schwarzen Platte – normalerweise
auf etwa 10°C über der
Umgebungstemperatur – so
gerichtet, daß die
Kamera die erwärmte
Platte über
ihr vollständiges
Feld abbildet. Obwohl die vorstehend beschriebene Doppelbildkalibrierungstechnik
bevorzugt wird, kann jede andere Kalibrierungstechnik, welche die Gleichmäßigkeit
innerhalb des Bildfeldes maximiert, – was wichtig für eine Bildgebung
mit hohem Kontrast und zum Erzielen einer verbesserten Genauigkeit
ist- verwendet werden.
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Jeder
während
des Abbildungsprozesses erfaßte
Bildrahmen besteht aus N × N
Pixeln – wobei jedes
Pixel einem Auflösungselement
auf der Objektoberfläche
ent spricht – wobei
N typischerweise entweder 128 oder 256, abhängig von der gewünschten Auflösung und
Genauigkeit, ist. Jedes Pixel belegt etwa 2 Bytes an Speicherplatz
und kann beispielsweise durch eine binäre Zahl von 12 Bit oder eine größere Binärzahl dargestellt
werden. Die gespeicherte Bildrahmen werden sequentiell mit zunehmenden
Rahmennummernwerten identifiziert, welche zusammengenommen dazu
dienen, eine Verlaufsaufzeichnung der Temperatur über der
Zeit (T-t Charakteristik der Vorderfläche des Objektes 1 für eine vorbestimmte
Dauer nach dem Auftreffen des von der Blitzlampe 11 abgegebenen
Wärmepulses zu
erzeugen.
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Während der
Bewertung eines metallischen Objektes werden, nachdem der Steuercomputer 16 das
Zünden
der Blitzlampe(n) (11) auslöst, Bildrahmendaten von der
Kamera 13 erfaßt
und die IR Intensität
bei jedem Auflösungselement
auf dem Bild digital aufgezeichnet und im Rahmendatenrekorder 15 gespeichert.
Die Datenerfassung setzt sich über
eine vorbestimmte Anzahl von aufeinander folgenden Bildrahmen fort,
die ausreichen, um eine sinnvolle T-t Verlauf über eine Dauer von wenigstens
einer geschätzten "charakteristischen
Zeit" für das Material des
Objektes zu erfassen. Die Gesamtanzahl erfaßter Bildrahmen kann abhängig von
der gewünschten Genauigkeit
und Bildauflösung
variieren und kann bis zu 550 Rahmen pro Sekunde der Datenerfassung betragen.
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Der
Rahmendatenrekorder 15 kann ein herkömmlicher digitaler Speicher
innerhalb des Prozessors 16 oder irgendein geeignetes Videorahmendaten-Speichergerät sein,
auf das der Prozessor 16 zugreifen kann. Jedem erfaßten aufeinanderfolgenden thermischen
Bildrahmen wird eine Rahmennummer Z mit zunehmendem Wert zugewiesen,
welcher dem realen Zeitverlauf entspricht. Der sich ergebende Datenrahmen-"Stapel" wird dann unter
Verwendung eines Lösungswegs
einer eindimensionalen Wärmeflußanalyse,
wie vorstehend skizziert analysiert. Gemäß diesem Lösungsweg nutzt das Verfahren
der vorliegenden Erfindung den Vorteil einer bekannten thermischen
Invarianzeigenschaft – verdeutlicht
in dem Temperatur/Zeit (T-t) Verlauf jedes Bildpixels über aufeinanderfolgenden
IR Bildrahmen – die
auf einer Identifikation der Lage eines "Wendepunktes" oder eines Spitzensteigungspunktes,
das heißt
des Zeitpunktes der maximalen Steigung der T-t Datenkurve, beruht.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird nun ein Flußdiagramm
dargestellt, das beispielhafte Verarbeitungsschritte zur Durchführung einer
transienten IR Thermogra phie unter Verwendung von thermischen Reaktionsbildgebungstechniken
der vorliegenden Erfindung darstellt. Diese Schritte können beispielsweise
durch geeignetes Programmieren eines Computers 16 (1)
unter Verwendung bekannter herkömmlicher
Programmiersprachen/Techniken implementiert werden.
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Zu
Beginn wird gemäß Darstellung
bei dem Block 20 ein interessierender Bereich des Objektes 1 identifiziert
(das heißt,
die IR Kamera wird fokussiert, um den interessierenden Bereich zu
erfassen) und ein Systembediener wählt Information bezüglich der relevanten
Parameter zur Überprüfung des
Objektes, wie z. B. einen thermischen Diffusionskoeffizienten für das Objekt
aus und gibt diesen ein. Anschließend weist gemäß Darstellung
beim Block 20 in 2 der Systemsteuercomputer
die Blitzlampenelektronik an, die Blitzlampen 11 zu zünden und
die Bildrahmendatenerfassung aus der Fokalebenen-Array-Kamera 13 zu
starten. Die Datenerfassung schreitet über eine vorbestimmte Anzahl
aufeinanderfolgender Bildrahmen fort und dann wird, wie bei 21 dargestellt,
die Bildfolge im Rahmenspeicher 15 gespeichert, nachdem
jeder erfaßte
Bilddatenrahmen mit einer aufeinanderfolgenden Rahmennummer Z identifiziert
ist.
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Anschließend werden,
wie es bei 22 dargestellt ist, die thermischen Daten für jedes
Pixel in dem thermischen Bild, das jeder Auflösungselementlage über dem
interessierenden Bereich auf der Oberfläche des Objektes für alle von
den aufeinander folgenden Rahmen entspricht, identifiziert. Ein
Pixel wird dann, wie es bei 23 dargestellt ist, zur Bewertung ausgewählt. Anschließend werden,
wie es bei 24 dargestellt ist, T-t Kurvendaten für jedes
Pixel unter Verwendung der Rahmennummer als temporäre Ordinate
entwickelt. Ferner wird eine Zeit (Rahmennummer) des anfänglichen
IR Erwärmungs"Blitzes" identifiziert und
als ein erster ungesättigter
Datenrahmen identifiziert.
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Anschließend wird,
wie es bei 25 dargestellt ist, ein "Knie"-Abschnitt
in jeder charakteristischen T-t Datenkurve für jedes von den Pixeln identifiziert.
Die T-t Datenkurve jedes Pixels wird dann geklippt und konstant
unmittelbar hinter diesem "Knieabschnitt" ausgefüllt, um
einen kontinuierlichen "flachen" Kurvenabschnitt
mit einem konstanten Temperaturwert gleich dem T-t Datenwert an
dem Klipp-Punkt zu erzeugen. Bevorzugt wird ein Daten-Klipp-Punkt
TCpt gewählt,
der etwas größer als
der Bereich von Zeitwerten ist, welche normalerweise dem Knieabschnitt der
Kurve entsprechen und wenigstens etwas größer als eine Zeit t = L2/π2α.
Der genaue Wert oder Zeitpunkt des ausgewählten Klipp-Punktes TCpt ist nicht kritisch, jedoch beeinflußt dessen
Auswahl die endgültige
Qualität
der erzeugten Bilder. Demzufolge wird die Auswahl eines geeigneten
Klipp-Punktes an besten durch einen empirischen Vergleich von Bildern
festgelegt, die unter Verwendung einer Vielzahl von nahegelegenen
Klipp-Punkten entwickelt wurden, die aus einem Bereich entlang der
charakteristischen T-t Datenkurve in der Nähe des Endes des identifizierten
Knieabschnittes ausgewählt
wurden, jedoch wenigstens ein Wert größer als eine Zeit t = L2/π2α.
Zusätzlich
wird zur Normierung der Daten für alle
Pixel in dem Bild die T-t Kurve für jedes Pixel um einen ausgewählten Vorspann
so verschoben, daß der
den konstanten Temperaturwert entsprechende "flache" Abschnitt gleich Null ist.
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Anschließend wird,
wie es bei 26 dargestellt ist, eine schnelle Fourier-Transformation
(FFT) an den normierten Kurvendaten durchgeführt und es kann dann entweder
der Real- oder Imaginär-Komponententeil
der sich ergebenden Transformationsdaten analysiert werden, um den
Wendepunkt in dem Frequenzbereich zu identifizieren. Wenn der Real-Komponententeil
verwendet wird, wie es bei den Blöcken 27 und 28 dargestellt
ist, wird zuerst eine mathematische Ableitung der Real-Komponente
der FFT ermittelt. Zum Berechnen der Ableitungsdaten kann ein Intervall
mit variabler Breitenbasis verwendet werden. Beispielsweise wird
für jeden
ausgewählten
Punkt entlang der Real-Komponentendatenkurve das Basisintervall
zum Berechnen der Ableitung proportional zu der Quadratwurzel der
IR-Bildrahmennummer Z gemacht.
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Anschließend werden
bei dem Schritt 28 alle lokalen Spitzen in der Ableitungskurve
identifiziert und ein Signifikanz/Gewichtungs-Filter verwendet, um
die geeignete Spitze zur Interpretation als den Wendepunkt zu bewerten.
Beispielsweise kann eine Liste aller Spitzenrahmen und Amplituden
in dem Computerspeicher aufbewahrt werden. Durch Anwenden einer
vorbestimmten, geeigneten Gewichtungsfunktion auf diese Liste ist
es möglich,
die Signifikanz jeder lokalen Spitze so einzustellen, daß beispielsweise
Störungseffekte,
welche früh
in der Datenerfassungszeit auftreten, effektiv vernachlässigt werden
können.
Die Spitzen werden dann nach abnehmender Signifikanz/Gewicht sortiert
und die Spitze mit dem größten Gewichtungswert
(d.h., die signifikanteste) wird als eine Anzeige des Wendepunktes ausgewählt. Wie
es bei dem Schritt 30 dargestellt ist, wird die Frequenz
fRe an dieser Spitze dann verwendet, um
quantitativ die charakteristische Zeit TC und die
Dicke L des Objektes an einer jedem Pixel entsprechenden Stelle
anhand der (vorstehenden) Gl. 1 und Gl. 3 zu ermitteln.
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Alternativ
kann anstelle der Schritte 27 und 28 eine Spitze
in dem Imaginär-Komponentenabschnitt
der FFT der T-t Antwortdaten ebenfalls verwendet werden, um den
Wendepunkt in dem Frequenzbereich zu identifizieren, wie es bei
dem Schritt 29 dargestellt ist. In diesem Falle kann die
Spitze in der Imaginär-Komponente
mittels normaler herkömmlicher
Berechnungsmethoden erfaßt
werden. Wie es bei dem Schritt 30 dargestellt ist, wird
die Frequenz fIm an dieser Spitze dann verwendet
zum Ermitteln der charakteristischen Zeit Tc und
der Dicke L des Objektes an einer jedem Pixel entsprechenden Stelle
anhand der (vorstehenden) Gl. 1 und Gl. 4.
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Zum
Schluß wird
bei dem Schritt 31 der berechnete Dickenwert L im Speicher
gespeichert und zum Aufbau eines einer spezifischen Dicke entsprechenden
Farbzuordnungs- oder Grauskalen-Bildes des interessierenden Bereiches
auf der Objektoberfläche
zum Anzeigen oder Drucken verwendet – wobei jede Farbe oder Grauschattierung
einer speziellen Dicke entspricht. Das nächste Pixel wird dann gemäß Darstellung
durch den Pfeil zu dem Schritt 23 hin ausgewählt und
die vorstehenden Schritte werden für jedes das IR Bild umfassende
wiederholt. Durch Durchführen
einer transienten thermographischen Analyse unter Verwendung der
vorstehend beschriebenen Schritte für die thermische Datenerfassung
und Analyse in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung
können
Wanddickenwerte genau, sogar für
nah beabstandete Rückwand- oder
Innenstrukturen, die einen Teil des geprüften Objekt bilden oder damit
verbunden sind, erhalten werden – wie zum Beispiel bei den
rippenartigen Strukturen, die man oft in Turbinenluftschaufeln wie der
in 1 dargestellten findet. Falls gewünscht, kann
die Eingabe und Ausgabe verschiedener Parameterwerte, wie z. B.
der Diffusionskonstante, des Datenanalysestartpunktes und des Farbzuordnungsbereiches
ebenfalls mittels herkömmlicher
Programmierung des Systemsteuercomputers automatisiert werden.
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Bezugnehmend
auf 3 wird nun zum Schluß eine Darstellung eines Anzeigebildes
einer transienten IR Thermographie für einen mehrschichtigen Objektblock
gezeigt. Der in 3 dargestellte Objektblock 32 weist
sechs quadratische Abschnit te unterschiedlicher Dicke auf. Die Dicke
von jedem der sechs Abschnitte wird durch eine unterschiedliche Farbe
oder Grautonschattierung in dem erzeugten Bild (hier als unterschiedliche
Kreuzschattierungen) angezeigt, welche einer entsprechenden Farbe
oder Schattierung in einer rechts auf dem Bild dargestellten Balkendickenskala
entsprechen. In diesem Beispiel enthält die Balkenskala Anzeigen
für Dicken, welche
von 0,013 bis 0,056 inches reichen, wobei jedoch der Fachmann auf
diesem Gebiet erkennen wird, daß eine
dargestellte Balkenskala mit einem anderen Bereich von Dickenwerten
ebenfalls in der vorliegenden Erfindung implementiert werden könnte.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit
für die
praktischste und bevorzugteste Ausführungsform gehalten wird, dürfte es
sich verstehen, daß die
Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist,
sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen gemäß Definition
durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche mit abdecken soll.