„Dickenmessverfahren“ – Versionsunterschied
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'''Dickenmessverfahren''' spielen in der Fertigung und Materialprüfung eine große Rolle, insbesondere wenn es sich um zerstörungsfreie Verfahren handelt. |
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Es gibt offline Dickenmessverfahren, die manuell und nicht in der Produktionslinie angewendet werden. Die Dickenmessung einer Beschichtung, eines [[Draht|Drahtes]], einer [[Folie]] oder eines Bandes kann offline berührend, aber zerstörungslos durch taktiles Messen ([[Messschraube]], [[Messschieber]], Ultraschall) oder zerstörend durch Untersuchung eines Querschliffes mit einem Mess[[mikroskop]] ([[Objektmikrometer]] oder Messokular) geschehen. |
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Industrielle Dickenmessverfahren, also die automatische Messung direkt in der Produktionslinie, werden als inline-Messverfahren bezeichnet. |
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Eine '''Drahtdickenmessung''' kann optisch (Abschattung eines Lichtfächers auf einer [[CCD-Sensor|CCD-Zeile]]), mikroskopisch oder mechanisch (Messschieber) erfolgen. |
Eine '''Drahtdickenmessung''' kann optisch (Abschattung eines Lichtfächers auf einer [[CCD-Sensor|CCD-Zeile]]), mikroskopisch oder mechanisch (Messschieber) erfolgen. |
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Oft ist die Bestimmung der Schichtdicke auf einem Draht (z. B. Isolierschicht auf [[Kupferlackdraht]]) nötig, sie kann kapazitiv erfolgen oder, indem eine durch den laufenden Draht abtransportierte [[elektrische Ladung|Ladung]]smenge bestimmt wird. |
Oft ist die Bestimmung der Schichtdicke auf einem Draht (z. B. Isolierschicht auf [[Kupferlackdraht]]) nötig, sie kann kapazitiv erfolgen oder, indem eine durch den laufenden Draht abtransportierte [[elektrische Ladung|Ladung]]smenge bestimmt wird. |
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== Verfahren zur Inlinemessung von Blechen und Bändern == |
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Dickenmessung (Gesamtdicke) von Metallband (Coils) und Streifen in der Querteil- oder Längsteilanlage. |
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[[Datei:Querteilanlage.jpeg|mini]] |
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Bei der industriellen Produktion sollen mittels Dickenmessung Abweichungen von der Solldicke aussortiert und ausgeregelt werden. Kriterien sind Dicke in der Bandmitte in Längsrichtung und auch das Querprofil. |
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Dickenmessgerät in einer Längsteilanlage. |
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Bei der Herstellung von Metallband ([[Coil|Coils]]) unterscheidet man zwischen den Prozesslinien Querteilanlage (das Band wird quer in Blechtafeln zerschnitten) und Längsteilanlage (das Band wird längs in Streifen geschnitten). |
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Wie klassisch seit Jahrzehnten in [[Walzwerk|Walzwerken]] und in der Metallverarbeitung angewandt, wird die Dicke in oben genannten Prozesslinien zweiseitig per Punktlaserabstand, per Laserlinienabstand oder radiometrisch mittels Isotopen oder Röntgenstrahler gemessen. Die durchstrahlenden Messmethoden benötigen keinerlei Abgleich während einer Messung, um äußere Einflüsse wie Temperaturveränderungen zu kompensieren und sind seit langem unter allen Umgebungsbedingungen industrieerprobt. Allerdings beeinflussen Änderungen des Materials oder der Legierung den Messwert ähnlich wie Dickenänderungen. Daher ist eine Kalibration auf das Target erforderlich. Die mit solchen Systemen erreichten Messgenauigkeiten liegen bei stabiler Legierung unter 1 Mikrometer Abweichung und genügen somit den heutigen Qualitätsanforderungen von automobilen Endkunden sowie einer [[Messsystemanalyse|Messsystemanalyse (MSA)]] nach der [[ISO/TS 16949]]. |
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| ⚫ | Bei Längsteilanlagen werden die Querprofile der Bänder aus Platz- und Bandberuhigungsgründen auch bereits vor der Längsteilschere gemessen. Zur Kontrolle aller Bandstreifen muss die Blechdicke im kompletten Querprofil gemessen werden. Dabei können die Messwerte den späteren Streifen mit unterschiedlichsten Breiten zugeordnet werden. Die Querprofildickenmessung deckt Bandbreiten bis zu 4 Meter quer zum Materialfluss ab. Während bei einer Bandmitten-Dickenmessung die Sensorik üblicherweise mit einem C-Rahmen im Messort gehaltet wird, wird die verfahrbare Sensorik bei einer traversierenden Messspur z.B. aus Platzgründen von einem statischen O-Rahmen getragen. Die Dickenprofile längs und quer der Spaltbänder werden ermittelt und für jedes [[Coil]] einzeln dokumentiert. Somit ist auch die Längsposition von detektierten Toleranzverletzungen für jeden Streifen bekannt. Diese nahtlose Qualitätsdokumentation erlaubt es, die Produkte auftrags- und kundenspezifisch zu selektieren. |
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Die Dickenmessgeräte die auf Lasertechnik basieren arbeiten unbeeinflusst von Legierungsänderungen. Der Bediener ist jederzeit in der Lage, einen Messmittelfähigkeitsnachweis durchzuführen (Audit). Eine Kalibration von Temperaturänderungen erfolgt sowohl vor Beginn als auch iterativ während der Messungen. |
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Motivation zur 100%-Kontrolle der Banddicke ist den heutigen Qualitätsanforderungen von automobilen Endkunden sowie einer [[Messsystemanalyse|Messsystemanalyse (MSA)]] nach der [[ISO/TS 16949]] zu genügen. |
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=== Taktile Dickenmessung === |
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Die taktile Dickenmessung besteht aus zwei [[Messtaster|Messtastern]], die senkrecht von der Ober- und der Unterseite [[Kollinearität|kollinear]] das Messgut gleitend abtasten. Mit einer Referenzierung wird zuvor der Abstand der beiden Taster zueinander ermittelt. |
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Das Messverfahren ist [[Rückführbarkeit|rückführbar]]. |
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Zu den Nachteilen zählen die Beeinflussung empfindlichen Messguts und Verschleiß der Tasterköpfe. Diese führten zu Entwicklung berührungsloser Messverfahren. |
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=== Radiometrische Dickenmessung === |
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Die radiometrische Dickenmessung erfolgt kontinuierlich und berührungslos. Es wird zwischen Messverfahren mit radioaktiven [[Isotop|Isotopenstrahlern]] oder Röntgenstrahlern als Quelle unterschieden. Ferner wird zwischen radiometrischer Dickenmessung im Durchstrahlverfahren (Quelle und Detektor auf gegenüberliegenden Seiten des Messguts) und Rückstreuverfahren (Quelle und Detektor auf der gleichen Seite des Messguts) unterschieden <ref>{{Literatur|Autor=Werner Stolz|Titel=Radioaktivität - Springer|DOI=10.1007/978-3-663-01497-3|Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-663-01497-3|Abruf=2016-09-05}}</ref>. |
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Die Messmethoden sind in der [[Industrie]] spätestens seit der Verfügbarkeit neuer Isotopenquellen in den 50er Jahren etabliert und verbreitet <ref>{{Literatur|Titel=Industrial radiography|Sammelwerk=Wikipedia, the free encyclopedia|Datum=2016-08-31|Online=https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Industrial_radiography&oldid=737126821|Abruf=2016-09-05}}</ref>. Sie sind unempfindlich gegen äußere Temperaturveränderungen. Allerdings beeinflussen Änderungen des Materials oder der [[Legierung]] den Messwert ähnlich wie Dickenänderungen. Bei [[Betastrahlung|β-]] und [[Gammastrahlung|γ-Strahlern]] weicht zudem die [[Absorption (Physik)|Absorption]] bei starken Dickenänderungen deutlich vom exponentiellen Gesetz ab <ref>{{Literatur|Autor=L. G. Erwall, H. G. Forsberg, K. Ljunggren|Titel=Radioaktive Isotope in der Technik - Springer|DOI=10.1007/978-3-663-02872-7|Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-663-02872-7|Abruf=2016-09-05}}</ref>. Daher ist eine [[Kalibrierung]] speziell für das zu messende Target erforderlich (Legierung, Dicke). Die mit solchen Systemen erreichten Messgenauigkeiten liegen bei stabiler Legierung unter 1 Mikrometer Abweichung. |
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Die Anwendung der radiometrischen Dickenmessung bringt erhöhte Anforderung an den Strahlungsschutz mit sich <ref>{{Internetquelle|url=http://www.gesetze-im-internet.de/strlschv_2001/|titel=StrlSchV - nichtamtliches Inhaltsverzeichnis|werk=www.gesetze-im-internet.de|zugriff=2016-09-05}}</ref>. |
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=== Optische Dickenmessung === |
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[[Datei:ThicknessCONTROL MTS 8202.LLT-CFK.jpg|miniatur|C-Rahmen aus CFK mit integrierter Kalibrationsvorrichtung]] |
[[Datei:ThicknessCONTROL MTS 8202.LLT-CFK.jpg|miniatur|C-Rahmen aus CFK mit integrierter Kalibrationsvorrichtung]] |
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Die optische Dickenmessung erfolgt entsprechend der taktilen Dickenmessung mit zwei Abstands-Sensoren, die von der Ober- und der Unterseite - [[Kollinearität|kollinear]] angeordnet - den Abstand zum Band-Material messen. Mit einer Referenzierung wird zuvor der Abstand der beiden Sensoren zueinander ermittelt. Die industriell eingesetzten Abstandssensoren messen berührungslos nach dem Prinzip der [[Abstandsmessung (optisch)|Lasertriangulation]]. <ref>{{Literatur|Autor=Bela G. Liptak|Titel=Instrument Engineers' Handbook Process Measurement and Analysis|Hrsg=|Sammelwerk=|Band=|Nummer=|Auflage=4th Edition|Verlag=CRC Press|Ort=|Datum=June 27, 2003|Seiten=1049|ISBN=978-0849310836}}</ref> |
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Die Messung erfolgt zeitlich diskret mit Messraten von typischerweise einigen 10 kHz. |
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Die bei der Dickenmessung zum Einsatz kommenden Triangulationssensoren sind, je nach Anwendungsschwerpunkt, mit Laserpunkt oder Laserlinie ausgeführt. |
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Allen Triangulationssensoren gemeinsam ist ein fest definierter Messbereich für den oberen und den unteren Sensor und die mit dem Messbereich [[Proportionalität|proportional]] skalierende [[Messunsicherheit]]. Letztere wird deshalb i.d.R. in Prozent vom Messbereich angegeben. |
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In die Messgenauigkeit eines Dickenmesssystems fließen die voneinander unabhängigen Messfehler beider Triangulationssensoren ein. Die [[Richtigkeit]] einer optischen Dickenmessung ist in der Praxis bei Punktlasern nicht besser, als 2 mal 0,01% des Messbereichs, bei Linienlasern nicht besser als 2 mal 0,1%. |
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Durch gleitende Mittelung in Materialtransportrichtung (typ. wenige Millimeter) wird eine hohe [[Präzision]] der Dickenwerte erreicht. Die von vielen Herstellern angegebene [[Auflösung (Digitaltechnik)|Auflösung]] hingegen sagt praktisch nichts über die [[Genauigkeit (Messtechnik)|Messgenauigkeit]] aus. |
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Die Dickenmessung mittels Lasertriangulation ist [[Rückführbarkeit|rückführbar]]. Der Bediener ist jederzeit in der Lage, einen [[Messsystemanalyse|Messmittelfähigkeit]]<nowiki/>snachweis durchzuführen (Audit). |
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| ⚫ | Im Vergleich zur radiometrischen Dickenmessung besitzt die optische Dickenmessung eine hohe Ortsauflösung und im Verhältnis zu taktiler Dickenmessung ist eine schnelle Reaktion auf Dickenänderungen möglich. Die optische Dickenmessung ermöglicht mit diesen Vorteilen das Herangehen an spezielle Messaufgaben, die mit taktilen Messsystem, Isotopen und Radiometern nicht realisierbar sind. Dazu gehört z.B. die dynamische Walzenregelung, die Messung von Riffelblechen (Dicke des Grundbleches und die Riffelhöhe) oder Dicken von „Sandwichblechen“ aus inhomogenem Material (Strukturen aus Aluminium mit Luftanteil, Aufbau ähnlich Wellpappe). |
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Die optische Dickenmessung arbeitet unbeeinflusst von der Materiallegierung. |
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Der Wartungsaufwand der optischen Dickenmessung ist gering. Verschleiß gibt es bei dem Messprinzip praktisch nicht. Die Lebensdauer der verwendeten Laserdioden mit Leistungen im unteren Milliwatt-Bereich liegt bei typischerweise > 40.000 h. <ref>{{Literatur|Autor=Dirk Jansen|Titel=Optoelektronik - Springer|DOI=10.1007/978-3-663-05975-2|Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-663-05975-2|Abruf=2016-09-05}}</ref> |
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Bei höchsten Genauigkeitsanforderungen müssen Temperaturschwankungen der Messtechnik kompensiert oder verhindert werden. Ein Ansatz zur Kompensation von Fehlern durch Temperaturänderungen ist die regelmäßige (automatische) Referenzierung, sowohl vor Beginn als auch [[Iteration|iterativ]] während der Messungen. |
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== Literatur == |
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Version vom 5. September 2016, 15:59 Uhr
Dickenmessverfahren spielen in der Fertigung und Materialprüfung eine große Rolle, insbesondere wenn es sich um zerstörungsfreie Verfahren handelt.
Es gibt offline Dickenmessverfahren, die manuell und nicht in der Produktionslinie angewendet werden. Die Dickenmessung einer Beschichtung, eines Drahtes, einer Folie oder eines Bandes kann offline berührend, aber zerstörungslos durch taktiles Messen (Messschraube, Messschieber, Ultraschall) oder zerstörend durch Untersuchung eines Querschliffes mit einem Messmikroskop (Objektmikrometer oder Messokular) geschehen.
Industrielle Dickenmessverfahren, also die automatische Messung direkt in der Produktionslinie, werden als inline-Messverfahren bezeichnet.
Eine Drahtdickenmessung kann optisch (Abschattung eines Lichtfächers auf einer CCD-Zeile), mikroskopisch oder mechanisch (Messschieber) erfolgen.
Oft ist die Bestimmung der Schichtdicke auf einem Draht (z. B. Isolierschicht auf Kupferlackdraht) nötig, sie kann kapazitiv erfolgen oder, indem eine durch den laufenden Draht abtransportierte Ladungsmenge bestimmt wird.
Verfahren zur Inlinemessung von Blechen und Bändern
Bei der industriellen Produktion sollen mittels Dickenmessung Abweichungen von der Solldicke aussortiert und ausgeregelt werden. Kriterien sind Dicke in der Bandmitte in Längsrichtung und auch das Querprofil.
Bei der Herstellung von Metallband (Coils) unterscheidet man zwischen den Prozesslinien Querteilanlage (das Band wird quer in Blechtafeln zerschnitten) und Längsteilanlage (das Band wird längs in Streifen geschnitten).
Bei Längsteilanlagen werden die Querprofile der Bänder aus Platz- und Bandberuhigungsgründen auch bereits vor der Längsteilschere gemessen. Zur Kontrolle aller Bandstreifen muss die Blechdicke im kompletten Querprofil gemessen werden. Dabei können die Messwerte den späteren Streifen mit unterschiedlichsten Breiten zugeordnet werden. Die Querprofildickenmessung deckt Bandbreiten bis zu 4 Meter quer zum Materialfluss ab. Während bei einer Bandmitten-Dickenmessung die Sensorik üblicherweise mit einem C-Rahmen im Messort gehaltet wird, wird die verfahrbare Sensorik bei einer traversierenden Messspur z.B. aus Platzgründen von einem statischen O-Rahmen getragen. Die Dickenprofile längs und quer der Spaltbänder werden ermittelt und für jedes Coil einzeln dokumentiert. Somit ist auch die Längsposition von detektierten Toleranzverletzungen für jeden Streifen bekannt. Diese nahtlose Qualitätsdokumentation erlaubt es, die Produkte auftrags- und kundenspezifisch zu selektieren.
Motivation zur 100%-Kontrolle der Banddicke ist den heutigen Qualitätsanforderungen von automobilen Endkunden sowie einer Messsystemanalyse (MSA) nach der ISO/TS 16949 zu genügen.
Taktile Dickenmessung
Die taktile Dickenmessung besteht aus zwei Messtastern, die senkrecht von der Ober- und der Unterseite kollinear das Messgut gleitend abtasten. Mit einer Referenzierung wird zuvor der Abstand der beiden Taster zueinander ermittelt.
Das Messverfahren ist rückführbar.
Zu den Nachteilen zählen die Beeinflussung empfindlichen Messguts und Verschleiß der Tasterköpfe. Diese führten zu Entwicklung berührungsloser Messverfahren.
Radiometrische Dickenmessung
Die radiometrische Dickenmessung erfolgt kontinuierlich und berührungslos. Es wird zwischen Messverfahren mit radioaktiven Isotopenstrahlern oder Röntgenstrahlern als Quelle unterschieden. Ferner wird zwischen radiometrischer Dickenmessung im Durchstrahlverfahren (Quelle und Detektor auf gegenüberliegenden Seiten des Messguts) und Rückstreuverfahren (Quelle und Detektor auf der gleichen Seite des Messguts) unterschieden [1].
Die Messmethoden sind in der Industrie spätestens seit der Verfügbarkeit neuer Isotopenquellen in den 50er Jahren etabliert und verbreitet [2]. Sie sind unempfindlich gegen äußere Temperaturveränderungen. Allerdings beeinflussen Änderungen des Materials oder der Legierung den Messwert ähnlich wie Dickenänderungen. Bei β- und γ-Strahlern weicht zudem die Absorption bei starken Dickenänderungen deutlich vom exponentiellen Gesetz ab [3]. Daher ist eine Kalibrierung speziell für das zu messende Target erforderlich (Legierung, Dicke). Die mit solchen Systemen erreichten Messgenauigkeiten liegen bei stabiler Legierung unter 1 Mikrometer Abweichung.
Die Anwendung der radiometrischen Dickenmessung bringt erhöhte Anforderung an den Strahlungsschutz mit sich [4].
Optische Dickenmessung
Die optische Dickenmessung erfolgt entsprechend der taktilen Dickenmessung mit zwei Abstands-Sensoren, die von der Ober- und der Unterseite - kollinear angeordnet - den Abstand zum Band-Material messen. Mit einer Referenzierung wird zuvor der Abstand der beiden Sensoren zueinander ermittelt. Die industriell eingesetzten Abstandssensoren messen berührungslos nach dem Prinzip der Lasertriangulation. [5]
Die Messung erfolgt zeitlich diskret mit Messraten von typischerweise einigen 10 kHz.
Die bei der Dickenmessung zum Einsatz kommenden Triangulationssensoren sind, je nach Anwendungsschwerpunkt, mit Laserpunkt oder Laserlinie ausgeführt.
Allen Triangulationssensoren gemeinsam ist ein fest definierter Messbereich für den oberen und den unteren Sensor und die mit dem Messbereich proportional skalierende Messunsicherheit. Letztere wird deshalb i.d.R. in Prozent vom Messbereich angegeben.
In die Messgenauigkeit eines Dickenmesssystems fließen die voneinander unabhängigen Messfehler beider Triangulationssensoren ein. Die Richtigkeit einer optischen Dickenmessung ist in der Praxis bei Punktlasern nicht besser, als 2 mal 0,01% des Messbereichs, bei Linienlasern nicht besser als 2 mal 0,1%.
Durch gleitende Mittelung in Materialtransportrichtung (typ. wenige Millimeter) wird eine hohe Präzision der Dickenwerte erreicht. Die von vielen Herstellern angegebene Auflösung hingegen sagt praktisch nichts über die Messgenauigkeit aus.
Die Dickenmessung mittels Lasertriangulation ist rückführbar. Der Bediener ist jederzeit in der Lage, einen Messmittelfähigkeitsnachweis durchzuführen (Audit).
Im Vergleich zur radiometrischen Dickenmessung besitzt die optische Dickenmessung eine hohe Ortsauflösung und im Verhältnis zu taktiler Dickenmessung ist eine schnelle Reaktion auf Dickenänderungen möglich. Die optische Dickenmessung ermöglicht mit diesen Vorteilen das Herangehen an spezielle Messaufgaben, die mit taktilen Messsystem, Isotopen und Radiometern nicht realisierbar sind. Dazu gehört z.B. die dynamische Walzenregelung, die Messung von Riffelblechen (Dicke des Grundbleches und die Riffelhöhe) oder Dicken von „Sandwichblechen“ aus inhomogenem Material (Strukturen aus Aluminium mit Luftanteil, Aufbau ähnlich Wellpappe).
Die optische Dickenmessung arbeitet unbeeinflusst von der Materiallegierung.
Der Wartungsaufwand der optischen Dickenmessung ist gering. Verschleiß gibt es bei dem Messprinzip praktisch nicht. Die Lebensdauer der verwendeten Laserdioden mit Leistungen im unteren Milliwatt-Bereich liegt bei typischerweise > 40.000 h. [6]
Bei höchsten Genauigkeitsanforderungen müssen Temperaturschwankungen der Messtechnik kompensiert oder verhindert werden. Ein Ansatz zur Kompensation von Fehlern durch Temperaturänderungen ist die regelmäßige (automatische) Referenzierung, sowohl vor Beginn als auch iterativ während der Messungen.
Literatur
- Walter Wegener, Heinz Bechlenberg:Vergleichende Untersuchungen an Meßvorrichtungen zur fortlaufenden Ermittlung der Materialungleichmäßigkeit. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 1970.
- Siegfried Methfessel:Dünne Schichten, ihre Herstellung und Messung. W. Knapp, 1953.
Siehe auch
Weblinks
- Dickenmessverfahren Patentschrift, Veröffentlichungsnummr EP0324896 B1 (abgerufen am 15. Oktober 2015)
- Bedampfen im Hochvakuum und Schichtdickenmessung (abgerufen am 15. Oktober 2015)
- ↑ Werner Stolz: Radioaktivität - Springer. doi:10.1007/978-3-663-01497-3 (springer.com [abgerufen am 5. September 2016]).
- ↑ Industrial radiography. In: Wikipedia, the free encyclopedia. 31. August 2016 (wikipedia.org [abgerufen am 5. September 2016]).
- ↑ L. G. Erwall, H. G. Forsberg, K. Ljunggren: Radioaktive Isotope in der Technik - Springer. doi:10.1007/978-3-663-02872-7 (springer.com [abgerufen am 5. September 2016]).
- ↑ StrlSchV - nichtamtliches Inhaltsverzeichnis. In: www.gesetze-im-internet.de. Abgerufen am 5. September 2016.
- ↑ Bela G. Liptak: Instrument Engineers' Handbook Process Measurement and Analysis. 4th Edition Auflage. CRC Press, 2003, ISBN 978-0-8493-1083-6, S. 1049.
- ↑ Dirk Jansen: Optoelektronik - Springer. doi:10.1007/978-3-663-05975-2 (springer.com [abgerufen am 5. September 2016]).