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Die
Erfindung bezieht sich auf den Aufbau einer Messeinrichtung mit
einem E-Feld-Messverfahren,
zur Analyse, Messung und Lokalisierung von Fehlstellen, Inhomogenitäten, Rissen,
Blasen, Lunkern etc. innerhalb von flachen oder voluminösen, leitenden,
halbleitenden oder isolierenden Körpern, Platten, Schichten,
Beschichtungen, Folien oder ähnlichen
physikalischen oder biologischen Körpern.
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Hierbei
kann der Prüfling
entweder indirekt einem konstanten, homogenen E-Feld im Nahbereich
ausgesetzt oder direkt, galvanisch kontaktierend mit einem Konstantstrom
beaufschlagt werden. Analog zu den im Prüflingskörper geometrisch verteilten
Teiladmittanzen, mit ihren entsprechenden spezifischen Teilpermittivitäten stellen
sich bei einem indirekt aufgeprägten
homogenem E-Feldeinfluss oder einem direkt eingeprägtem Konstantstrom
adäquate
ortsaufgelöste
Feld-, Ladungs- und Stromverteilungen mit entsprechenden Felddichteveränderungen
ein.
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So
ist es Ziel der Erfindung diese Felddichteänderungen ortsaufgelöst auf dem
Prüflingskörper indirekt
mittels einer Messsonde punktuell oder mittels eines Sondenarrays
als Fläche
zu erfassen, mit dem Ziel, eine einfache, indirekte, besonders preiswerte,
für eine
100%-Fertigungsprüfung
online-fähige,
gefahrlose, nicht störende
Messeinrichtung bereitzustellen mit einer Partikelerkennung und
Auflösung
bis 0,2 mm, mit Messzeiten < 2
sec, für
Messflächen
bis 5 000 mm2.
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Bekannte
Verfahren zur Materialanalyse, wie Röntgen, Computertomographie,
Ultraschall, Wirbelstrom sind alle nicht kontaktierende Verfahren,
jedoch entweder sehr kostenaufwendig, störempfindlich, störend oder
oft nicht online-fähig.
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Um
Impedanz- oder Admittanzwerte von Prüflingen, Flächen oder Volumina ortsaufgelöst zu erfassen,
ist es notwendig auch diese entsprechend geometrisch verteilt zu
kontaktieren. Das bedeutet, bei einem direkt messenden Verfahren
müssen
je nach Raster und Fläche
bis zu 100 federnde mechanische Kontakte gleichzeitig oder nacheinander
am Prüfling
ansetzen, mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,0x mm. Dies erfordert
eine sehr hohe Anforderung an Lebensdauer, Mechanik, Reibung, Abrieb und
Betriebssicherheit.
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Direkt
kontaktierende Verfahren wie in
DE 102 35 124 A1 und
DE 10 2006 044 962 A1 erfüllen fast
alle oben genannte Forderungen. Sie sind jedoch wegen der direkten
Kontaktierung am Prüfling
bezüglich
Lebensdauer, Abrieb, Kontaktsicherheit, Kontaktausfall, Reibung
und Kurzschlussgefahr nicht für
einen dauerhaften Online-Betrieb
geeignet.
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In
der
DE 102 35 124
A1 und
DE
10 2006 044 962 A1 werden zur Erkennung von Inhomogenitäten und
Fehlstellen in flächigen
oder voluminösen physikalischen
Materialien mittels direkter 4-Leiter-/Kelvinkontaktierung die Impedanzänderungen diffe rentiell
gemessen und als 2D- und 3D-Grafik als Widerstandsgebirge dargestellt.
Eine ortsaufgelöste Erkennung
der Fehlstellen ist dort so möglich.
Die
DE 10 2006
044 962 A1 erwähnt
auch die Möglichkeit des
Einsatzes verschiedener Messarten und Messfrequenzen. Eine indirekte
Messung oder Erfassung der Impedanzänderungen ist jedoch nicht
beschrieben.
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In
der
DE 295 13 955
U1 wird eine indirekt messende E-Feldsondeneinrichtung
beschrieben, die mittels HF-Burstgenerator E-Feldstörpulse im MHz-Bereich
einen Prüfling
auf EMV-Störfestigkeit testet,
um leitungsgebundene und leitungsungebundene Störstellen auf Leiterplatten
und IC's zu detektieren.
Die Messeinrichtung ist eine Punktsonde für Einzelmessung. Das E-Feld
ist nicht homogen. Die Störfrequenz
ist sehr hoch (MHz) und pulsförmig. Eine
Messfläche
von 5 000 mm
2 kann hiermit nicht in < 2 sec. detektiert
werden. Die Messeinrichtung ist nur für Laborbetrieb einsetzbar und
ist nicht online-fähig
für Fertigungsbetrieb.
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Eine
weitere Vorrichtung zum Messen von Oberflächenwiderständen ist in der
WO 01/90749 A2 und ähnlich auch
in der
WO 01/90730
A2 und der
WO
01/19972 A1 angegeben. Bei dieser bekannten Vorrichtung,
die auf einer indirekten Kontaktiermethode zur Messung und Analyse
von Oberflächeneigenschaften
von leitenden, halbleitenden, physikalischen und chemischen Flächen beruht,
wird eine Kontaktmodulanordnung einer Messsonde mit den üblichen
vier Kelvin-Kontakten indirekt der Messfläche zugeordnet, wobei eine
mechanisch oszillierende Kondensatorplatte verwendet wird, deren
Ladungsverschiebung einen Wechselstrom durch den Prüfling treibt.
Die Wechselwirkung zwischen Kondensator, Prüfling und Luftabstand ergibt
ein Kontaktpotential als Maß des
Oberflächenwiderstandes,
das in einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung weiterverarbeitet
wird. Die Messfläche
am Prüfling
ist durch die kleine Fläche
der oszillierenden Messsonde begrenzt und kann nur zeitversetzt
nacheinander verschiedene Prüflingsflächen vermessen.
So wird die auf einem in x-y-Richtung verfahrbaren Tisch befindliche
Messfläche
mittels einer von einer Steuereinrichtung gesteuerten Positioniereinrichtung
relativ zu den Kontakten der Messsonde in die einzelnen Messpositionen
verfahren, so dass sich relativ lange Messzeiten ergeben. Bei dem
vorgeschlagenen Messprinzip ist außerdem schwierig, genaue Messergebnisse
sicherzustellen, da die Messungen sehr empfindlich gegenüber Luftabstandstoleranzen,
Erschütterungen,
Störfeldern,
Temperatur, Feuchte und ähnlichen
Umgebungsbeeinflussungen sind.
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Die
DE 198 28 207 A1 zeigt
eine Vorrichtung zum Ermitteln des Restfeuchtegehalts der Wäsche in einem
Wäschetrockner
mittels eines Kondensators. Dabei werden die Komponenten des Kondensators durch
Bauteile des Trockners, wie z. B. die Trommel, gebildet. Mit diesen
Maßnahmen
kann lediglich global der Trocknungszustand der in der Trommel befindlichen
Wäsche
erfasst werden. Hingegen sind keine Inhomogenitäten innerhalb eines Prüflings messbar.
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Die
DE 692 13 301 T2 zeigt
eine Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften einer Mehrphasenströmung in
einer Rohrleitung über
den Querschnitt der Rohrleitung, wobei innerhalb der Rohrleitung
ein Paar von unbeweglichen parallelen Platten in einer Linie mit
der Strömung
angeordnet ist und mindestens eine der Platten mehrere in Segmente
geteilte Elektroden aufweist und die andere Platte mindestens eine
kontinuierliche Elektrode aufweist. Hierbei wird das Messsignal
der Platten selbst ausgewertet, um eine kontinuierliche Messung
der Strömungsmustergeschwindigkeit
durchzuführen.
Aus der Kapazitätsmessung
wird eine Dielektrizitätskonstante des
Fluids zwischen den Platten berechnet. Auch eine solche Maßnahme ist
für eine
exakte ortsaufgelöste
Erfassung von Ladungsverteilungen innerhalb eines Prüflings unzulänglich.
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In
der
DE 93 20 446 U1 ist
eine kapazitive Messzelle zur berührungslosen Messung von Volumen,
Dichte und Zusammensetzung von Materialien angegeben, die als Plattenkondensator
ausgebildet ist. Zwischen den Platten wird eine Volumenmes sung in
der gebildeten Kammer vorgenommen. Auch mit einem solchen Aufbau
ist es schwierig, örtliche
Ladungsverteilungen und Ladungsverschiebungen innerhalb eines Prüflings zuverlässig zu
messen.
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Die
DE 44 13 840 C2 zeigt
eine weitere Vorrichtung zur berührungslosen
Messung in einem elektrischen Feld zwischen Elektrodenflächen, wobei an
einer Elektrode eine Wechselspannung erfasst wird, deren Amplitude
für ein
zwischen den Elektroden hindurch geführtes Messobjekt kennzeichnend ist.
Diese Vorrichtung dient zur Messung der Dicke eines Auftrags, insbesondere
zum Bestimmen der enthaltenen Feuchte, wobei angegeben ist, dass
die Lage des Substrats zwischen den Elektroden nicht kritisch ist
(vgl. Spalte 4, Zeilen 26 bis 32). Auch dabei ist es jedoch schwierig,
flächig
verteilte Inhomogenitäten
in einem Prüfling
festzustellen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung bereitzustellen,
die mittels eines indirekten, nicht kontaktierenden Messverfahrens
die Impedanz- oder Admittanzgradienten und deren Verteilung innerhalb
eines Prüflings
erfasst und darstellt.
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Ausgehend
von der physikalischen Proportionalität zwischen der komplexen elektrischen
Admittanz mit Leitwert Gx und der Kapazität Cx eines Mediums zu der komplexen
relativen Permittivität
wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Hierbei
ist vorgesehen, dass entweder mittels eines Frequenzgenerators ein
homogenes E-Feld (AC oder DC) in einem Plattenkondensator erzeugt wird,
mit konstanter Frequenz und einstellbar von 0 Hz ... 1 MHz, und
der Prüfling
in das homogene E-Feld eingelegt wird. Entsprechend der Verteilung der
Teilimpedanzen/Teiladmittanzen des Prüflings stellt sich, verursacht
durch die elektrische Polarisationswirkung eine entsprechende Verteilung
der Feldliniendichte partiell im Prüfling dar. Oder als Variante
zur indirekten Einprägung
eines äußeren E-Feldes
kann dem Prüfling
mittels direkter Kontaktierung ein Konstantstrom (AC oder DC) aufgeprägt werden, der
eine identische, wie oben beschriebene Feldlinienverteilung hervorruft.
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Diese
Feldverteilung kann erfasst werden, indem in einem definierten Abstand über/unter
dem Prüfling
eine E-Feldsonde/E-Feld-Array eingeführt wird.
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Die
E-Feldsonde besteht aus einem kleinen miniaturisierten Kondensator
der ortsaufgelöst
in x und y-Richtung innerhalb der Elektrodenplatten geometrisch
variabel verstellt werden kann.
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Erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft ist eine Sondenanordnung als E-Feld-Messsondenarray, bestehend aus n × m Einzel-E-Feldsonden,
die je nach Prüflingsgeometrie
und -Bauform veränderbar ausgestaltet
werden kann. Hierbei können
beliebige Einzelmesssonden/Kondensatorplatten im Raster bis 3 mm
und kleiner im Array angeordnet werden. Jeder Einzelmesssonde ist
ein eigener Verstärker
zugeordnet. Damit ist eine gleichzeitige, synchrone Messung einer
Feldfläche
des Prüflings
möglich.
Gemäß der geometrischen
Anordnung der Einzelelektroden ist eine ortsaufgelöste Erfassung
der Feldstärkegradienten
gewährleistet.
Jede Einzelmesssonde des Arrays ist mit einer Auswerte- und Verstärkereinheit verbunden
und kann parallel und/oder seriell ausgelesen werden. So sind Messzeiten
von < 2 sec. möglich.
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Wegen
der starken Empfindlichkeit von E-Feldern, besonders im Nahbereich,
sowie der geringen Sendeleistung des Störfeldes und der sehr geringen
Messspannung der Einzelmesssonden ist eine Schirmung unbedingt notwendig.
Ebenso sind Sende- und
Messleitungen, sowie die Verstärkereinheiten
zu schirmen und störsicher
auszuführen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A Plattenkondensator
mit homogenem E-Feld mit Frequenzgenerator,
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1B Prüfling mit
Stromlinienverteilung, und direkt kontaktierter Konstantstromquelle,
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2 Prüfling im
E-Feld mit Ladungsverschiebung,
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3A Gesamtaufbau
der Messanordnung mit homogenem E-Feld,
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3B Gesamtaufbau
der Messanordnung mit Konstantstromquelle,
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4 Ausführungsbeispiele
der Messsonde,
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5 Ausführungsbeispiele
eines Messsonden-Arrays mit Plattenkondensator,
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6 und 7 Ausführungsbeispiele
eines Messsondenarrays mit koaxialer Kondensator-Bauform.
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1A zeigt
in schematischer Darstellung einen Plattenkondensator 1,
der wahlweise von einem Frequenzgenerator 2 mit Gleichspannung
oder mit einer Wechsel spannung, variabel einstellbar auf eine jeweils
konstante Frequenz von 0 Hz ... 1 MHz, betrieben wird. Zwischen
den Kondensatorplatten wird ein homogenes Feld erzeugt, mit geradem
und parallelem Feldlinienverlauf.
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1B zeigt
in schematischer Darstellung einen Prüfling 3, der direkt
an eine Konstantstromquelle 2' angeschlossen ist. Die Konstantstromquelle 2' kann mit Gleichstrom
oder Wechselstrom und mit variabel einstellbarer Frequenz betrieben
werden. Im Prüfling 3 ist
eine Verteilung der Stromlinien angedeutet.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung einen Prüfling 3, der in das
eingeprägte
homogene E-Feld des Plattenkondensators 1 eingelegt ist.
Der Prüfling 3 besteht
aus einem Material mit der relativen Permittivität ε2 3.2. In der Mitte
von Prüfling 3 befindet
sich ein simulierter Fehler mit der Permittivität ε1 3.1. Infolge der
unterschiedlichen Permittivitäten ε1 und ε2 stellt
sich eine, dem lokalen Fehlerort entsprechende Ladungsverschiebung
ein, die eine Veränderung
der konstanten homogenen Feldlinienverteilung an dieser Stelle hervorruft.
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Eine
Abschirmung 6, etwa als Faradaykäfig, bewirkt, dass Fremdfeldeinflüsse durch
Bedienpersonal, 50 Hz-Netz, Messgeräte und andere abgehalten werden.
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3A zeigt
ein Beispiel für
den Gesamtaufbau der Messanordnung, mit Plattenkondensator 1, Frequenzgenerator 21,
Prüfling 3,
Messsonde 4, Messverstärker
mit Messwertverarbeitung, Steuerung und Schnittstelle 5 und
Abschirmgehäuse 6.
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Für die eigentliche
Messeinheit, den Frequenzgenerator 2 und für die Messverstärkung 5 sind getrennte
Faradaykäfig-Einheiten 12, 13 und 14 vorgesehen.
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Gegenüber 2 ist
hier eine einzelne Messsonde 4, die auch als Sonden-Array
(siehe 5, 6 und 7) mit n × m-matrixartig angeordneten Einzelsonden 4 ausge führt werden
kann, in das eingeprägte
E-Feld zwischen Kondensatorplatte 1 und den Prüfling 3 eingebracht.
Durch Verschieben der Messsonde 4 parallel zum Prüfling 3 können so
feinste lokale Feldänderungen
gemessen werden.
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3B zeigt
ein Beispiel für
den Gesamtaufbau der Messanordnung mit einer Konstantstromquelle 22,
Prüfling 3,
Messsonde 4 und Messverstärker mit Messwertverarbeitung,
Steuerung und Schnittstelle 5.
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4 zeigt
mögliche
Ausführungsformen der
Messsonde 4.
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In 4.1 ist diese als miniaturisierter Plattenkondensator
dargestellt. Die Schirmleitung 7 ist hierbei so nahe wie
möglich
an die Kondensatorplatten heranzuführen, um parasitäre Leitungskapazitäten abzuschirmen.
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4.2 zeigt in Seitenansicht eine mögliche Ausführung der
Messsonde 4 als Plattenkondensator, dargestellt als Leiterplatte
oder Leiterplattenfolie mit doppelseitiger Kupferbeschichtung. Die
elektrisch wirksamen Kondensator-Plattenelemente 4.11 und 4.12 befinden
sich hierbei exakt überdeckend
jeweils auf der Ober- und Unterseite des Trägermaterials, als ausgeätzte Teilflächen der
Kupferbeschichtung.
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4.3 zeigt die Ausführung einer Messsonde 4 als
Plattenkondensator in runder Bauform.
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In 4.4 ist eine Messsonde 4 in koaxialer Bauform
ausgeführt,
bestehend aus einer Variante mit konzentrischer äußerer Ringfläche und
einer inneren kreisförmigen
Fläche.
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5.1 und 5.2 zeigen
beispielsweise ein Messsonden-Array, ähnlich 4.2,
hier jedoch als 4 × 4-Matrix
in schematischer Darstellung, bestehend aus 4 × 4 Ein zelmesssonden 4.
Hierbei sind die Einzelsonden 4 geometrisch zueinander,
in definiertem Rasterabstand zueinander in x- und y-Richtung zur
Messfläche,
als Sonden-Matrix
angeordnet. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, die Prüflingskontur
geometrisch so zu gestalten, dass die gesamte Fläche oder besonders interessante,
kritische Flächen
des Prüflings
mit Einzelsonden messtechnisch erfasst werden. Erfindungsgemäß ist es
hiermit besonders vorteilhaft, dass so gleichzeitig alle Messspannungen
der Einzelsonden erfasst werden können. Messzeiten von < 1 sec sind so realisierbar.
Notwendig ist hierbei, dass jeder Messkanal eine eigene Messverstärkereinheit
besitzt. So kann eine parallele Abfrage der 4 × 4 Messwerte gleichzeitig
erfolgen.
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In 5.1 und 5.2 ist
eine solche Array-Anordung als Flächen-/Plattenkondensatorausführung dargestellt.
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In 6 und 7 ist
eine solche Anordnung in koaxialer Ausführung, etwa als Rohrkondensator
oder in ähnlicher
Bauart dargestellt.
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Zusammengefasst
ergibt die Erfindung folgende Vorteile:
- 1.
Messsondenarray: Es gibt keine Kontakt/Positionsfehler bei jeder
Messung, da der Array-Körper massiv,
als Einheit mit fest einander zugeordneten Einzelmesselementen ausgeführt ist.
- 2. Die Messsonde oder das Messsondenarray kann etwa mittels
Passstifte in definierter Position zum Prüfling 3 fixiert werden.
Somit sind reproduzierbare Messungen möglich. Die verschiedenen Prüflinge haben
immer die gleichen geometrischen Positionen und können ohne
Fehler verglichen werden.
- 3. Prüflinge
werden nicht beschädigt
oder verletzt durch indirekte berührungslose Messung.
- 4. Es gibt keine Kontaktprobleme, etwa durch Korrosion, Alterung,
Beschädigung,
Abrieb, Toleranz- und Positionsveränderung, Bruch der Federkontakte,
Reibung oder Klemmung. Direkt kontaktierende Messeinheiten besitzen
bis zu 50 ... 100 verschiedene federnde Messkontakte.
- 5. Messzeiten von < 1
sec für
eine Gesamtfläche oder
Teilfläche
eines Prüflings
sind mit einem erfindungsgemäß aufgebauten
Messsonden-Array möglich.
- 6. Partikelerkennung, Fehler- und Inhomogenitäten: eine
Partikel- und Risserkennung von 0,1 × 3 mm wurde an Versuchsobjekten
nachgewiesen.
- 7. Die Lebensdauer der Messeinrichtung ist sehr hoch und wird
durch keine mechanisch bewegten Teile begrenzt, sondern durch die
Lebensdauer der elektrischen und elektronischen Bauelemente.
- 8. Ausfall, Störung,
Redundanz: Durch Bereitstellung redundant verfügbarer Ersatzmodule ist bei Störung und
Ausfall ein Bauteilwechsel in Minuten gewährleistet.
- 9. On-line-Fähigkeit
für Fertigungsbetrieb:
Infolge der Messfähigkeit
zur Erkennung kleinster Risse von 0,1 mm, der extrem kurzen Messzeit
von << 1 sec, des nicht
störenden,
störsicheren
und preiswerten Aufbaus ist die Messeinrichtung für einen On-line-Fertigungseinsatz
geeignet.