DE2054505A1 - Verfahren und Testgerat zur Harte messung - Google Patents
Verfahren und Testgerat zur Harte messungInfo
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Description
DA-6771(3490-25)
Beschreibung
zu der
Patentanmeldung
Patentanmeldung
Consolidated Paper (Bahamas) Limited 50 Frederick Street, Nassau,
Bahamas
betreffend
Verfahren und Testgerät zur Härtemessung (Priorität: 5. November 1969 -Kanada - Nr. 066 78O)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Testgerät zur Härtemessung beliebiger kompressibler Oberflächen, die flach,
rund oder unregelmäßig sein können. Sie betrifft insbesondere einen Rollen-Härtetester zur Messung des Härteprofils in Umfangsund
Längsrichtung einer kompressiblen Rolle, beispielsweise einer Rolle aus Papier oder dergleichen, während sie auf der Haspeloder
Umhaspeistation aufgewickelt wird.
Die Rollenhärte wird am Haspel von Papiermaschinen herköcr:-
licherweise mittels eines Verfahrens geschätzt, bei dem ein Prüfstab einer Bedienungsperson (backtender's billy-stick) verwendet
wird. V/ird der Prüf stab gegen eine Rolle geschlagen, so gibt der Rückprall desselben eine Anzeige für die Härte, die eine erfahrene
Bedienungsperson (durch entsprechende Einstellung der Luftzufuhr zum Kalander (calendar air showers) und des Backensetzstoeis
bzw. der Bremse) zur Steuerung benutzt.
Wissenschaftlichere Versuche zu einer genaueren Anzeige der Rollenhärte wurden unter Verwendung von Abwandlungen der
Shore-Skleroskop- bzw. Rücksprung-Härteprüfung durchgeführt. Hierbei
läßt man ein Stahlgewicht längs eines Rohrs auf eine augewik-
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kelte Rolle fallen und mißt die Rücksprunghöhe. Hierbei wurde
eine Beziehung zwischen der Rücksprunghöhe und dem Testgerät festgestellt. Diese Rücksprung-Härteprüfung wird noch gelegentlich
angewendet, ist Jedoch wegen der Größe des Gerätes und der Sorgfalt, die angewendet werden muß, um das Rohr senkrecht zu
halten, etwas unpraktisch.
Ferner wurde für die Prüfung der Papierrollenhärte ein Test angewendet, der zunächst zur Prüfung der Druckfestigkeit
von Beton entwickelt wurde. Bei dieser Prüfung wird durch Lösen einer Feder ein Hammer auf die Oberfläche der Rolle geschlagen.
Die Rücksprunghöhe des Hammers wird dann auf einer Skala angezeigt und gibt ein Maß für die Rollenhärte.
Heuerdings wird, um zu einer Härteanzeige zu gelangen, ein
Instrument verwendet, das auf dem Hammerprlnzip beruht, bei dem jedoch im Hammakopf ein plezo-elektrischer Kristall eingebaut ist.
Dieses Gerät wird von Hand gehalten und sein Kolben wird durch eine Feder oder dergleichen gegen die Rollenoberfläche geschlagen.
Dieses Gerät zeigt Jedoch variable Werte an, wenn es an umlaufenden Rollen verwendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ^ ein Verfahren und ein Testgerät der eingangs genannten Art anzuge-
* ben, die eine relativ genaue Anzeige der Rcilenhärte beim Aufwikkeln
der Rolle ergeben.
Es 1st festgestellt worden, daß zwischen einer Gesamtspaltbelastung
und der Spaltbelastung über einen kleinen Bereich an der
Spaltmitte eine Beziehung besteht, die ein gutes Maß für die normale Rollenhärte gibt. Dies ist das Verhältnis $t (p = Belastung
in der Spaltmitte, pt = Gesamtspaltbelastung), das verhältnismäßig
einfach zu messen ist und ein brauchbares Härtemaß ergibt. Auf dieser Erkenntnis beruhen das erfindungsgemäße Verfahren und die
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erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung der Rollenhärte.
Allgemein bezieht sich die Erfindung auf die Härteprüfung, indem ein Verhältnis zwischen der Gesamtspaltbelastung und der
Spaltbelastung in der Mitte ermittelt wird. Das Verhältnis dieser Belastungen wird verglichen und ergibt eine Anzeige der Rollenhärte.
Die Gesamtspaltbelastung wird vorzugsweise erzielt, indem ein großer Kontaktknopf gegen das zu prüfende Material gedrückt und
die Belastung von dem großen Kontaktknopf auf einen piezoelektrischen
Kristall aufgebracht wird. Das gleiche geschieht mit einem kleinen Kontaktknopf. Mittels einer Schaltung wird das Verhältnis
der in den piezo-elektrischen Kristallen erzeugten Spannungen ermittelt,
wenn die Kontaktknöpfe gegen das in der Prüfung befindliche
Material gedrückt werden, wodurch ein Maß für die Materialhärte ermittelt wird. Vorzugsweise sind die Kontaktknöpfe und die Kristalle
auf einer Scheibe bzw. einem Rad untergebracht, das auf dem zu prüfenden Material abläuft.
Anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß·
!auf gebauten Rollenhärte-Testgerätes;
Pig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Einzelheit des Härtetestgerätes;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht der Einzelheit der Fig. 3; Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch das erfindungsgemäße
Rad;
Pig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der bei dem erfIndungsgemäßen Testgerät zu verwendenden Schaltung; und
Pig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der bei dem erfIndungsgemäßen Testgerät zu verwendenden Schaltung; und
Fig. 7 im Diagramm die Zuordnung erfindungsgemäß ermittelter Prüfungsergebnisse
gegenüber mittels eines Schmidt-Härteprüfers ermittelten Werten.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist das erfindungsgemäße
Härte-Testgerät 10 auf einem Schlitten 11 befestigt, der wiederum
auf Schienen 12 auf einem Ständer 14 befestigt ist. Der Ständer 14 ist auf einer zweiten Gruppe von Schienen 16 angebracht, die
am Boden des Gebäudes befestigt sind. Der Ständer 14 ist mittels eines elektrischen Antriebs 18 auf eine Papierrolle 20 zu und von
dieser weg beweglich. Die Papierrolle 20 ist auf einem zum Teil gezeigten Rollenhaspel 22 befestigt.
Per Schlitten 11 ist auf den Schienen 12 beweglich und
kann automatisch oder von Hand mittels eines endlosen Seils 24 gesteuert werden, das durch den Ständer 14 und über die obere
Oberfläche desselben verläuft und an einander gegenüberliegenden Seiten des Schlittens 11 befestigt 1st. Das Seil 24 ist über eine
Seilscheibe 26 geführt und wird mittels eines Motors 28 über eine Seilscheibe 30 angetrieben. Wie oben angedeutet wurde, kann der
Motor 28 automatisch durch eine schematisch gezeigte, geeignete automatische Steuereinrichtung 32 oder durch eine Handsteuerung
wie beispielsweise Druckknopfschalter oder dergleichen, die die
automatische Steuereinrichtung 32 außer Tätigkeit setzen, gesteuert werden.
Das Härte-Testgerät 10 enthält einen am Schlitten 11 befestigten
Hauptrahmen 40 mit zwei oberen Seitenschienen 42 und 44, die Je mit einem Schlitz 46 zur Aufnahme von Bädern 48 versehen
sind. In Fig. 2 ist lediglich ein Schlitz gezeigt. Die Bäder 48 sind auf seitlich von einem U-förmigen Hilfsrahmen 50 vorstehenden
Achsen befestigt. Der Mittelsteg des U-förmigen Hilfsrahmens 50
ist über eine Kolben-Zylinder-Einheit 52 am hinteren Rahmenteil
des Hauptrahmens 40 befestigt. Bei Betätigung der Kolben-Zylinder-Einheit
52 wird der U-förmige Hilfsrahmen 50 ein- und ausgefahren.
Dabei liegt der Hilfsrahmen 50 auf den Bädern 48 auf, die in den Schlitzen 46 in den Seitenschienen 42 und 44 rollen.
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Zwischen den freien Enden der Arme 54 und 56 des U-förmigen
Hilfsrahmens 50 ist eine Scheibe bzw. ein Rad 58 drehbar befestigt,
an dessen Umfang ein großer Kontaktknopf 60 und ein kleiner
Kontaktknopf 62 befestigt sind.-Hinter den Kontaktknöpfen 60
und 62 liegt je ein schematisch dargestellter piezo-elektrischer
Kristall 61 bzw. 63. Die piezoelektrischen Kristalle 61 und 63 sind im wesentlichen identisch. Bei der gezeigten Anordnung liegen
die Kontaktknöpfe einander diametral gegenüber. Dies ist Jedoch nicht wesentlich. Allgemein ist es zweckmäßig, die Kontaktknöpfe
verhältnismäßig nahe aneinander zu legen. Ideal wäre es, den kleinen
Kontaktknopf an der Mitte des großen Kontaktknopfes anzuordnen.
Dies ist_ jedoch aus mechanischen Gründen schwierig und stört in gewissem Maße die auf den großen Kontaktknopf aufgebrachte Belastung.
Aus diesen Gründen werden die Kontaktknöpfe vorzugsweise in einem geringen Abstand voneinander angeordnet. Aus Zweckmäßigkeitsgründen
wurden sie, wie oben erwähnt, bei dem kleinen Had um 18O° gegeneinander versetzt. Die Kontaktfläche des großen Kontaktknopfes
60 sollte etwa 10 mal größer sein als die des kleinen Kontaktknopfes 62.
Die Oberfläche des Rades 58 ist, wie bei 64 in Pig. 5 gezeigt, konvex, so daß praktisch die gesamte Oberfläche des Kontaktknopfes
60 bzw. 62 die zu prüfende Papierrolle 20 berührt. Wird ein Rad 58 mit flacher Oberfläche verwendet, so nimmt der an die
Druckknöpfe 60 und 62 angrenzende Umfang desselben einen Teil der Last auf, so daß die Höhe des von einem der piezo-elektrischen
Kristalle 61 und 63 erzeugten Signals verringert wird.
Wichtig ist, daß die gesamte Spalt-Berührungsfläche innerhalb der Grenzen des großen Kontaktknopfes 60 liegt und so die
maximal mögliche Belastung erzielt wird. Hierdurch ergibt sich eine Gesamtspaltbelastung zwischen dem Rad 58 und der zu prüfenden
Probe. Die Berührungsfläche des kleinen Kontaktknopfes 62 ist
wesentlich geringer als der Spalt. Vorzugsweise ist die Breite des kleinen Kontaktknopfes größer als die Breite der Kontaktfläche,
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jedoch in Umfangsrichtung des Rades 58 kleiner als der Spalt.
Die in den Kristallen 61 und 63 erzeugten Impulse werden von Rad 53 über Schleifringe 73 und 75 abgeführt und durch eine
noch zu beschreibende Schaltung verstärkt.
Größe und Gewicht des Rades 58 können ebenfalls wichtig
sein. Wie oben erwähnt wurde, sollten die Kontaktknöpfe 60 und
62 verhältnismäßig nahe aneinander liegen. Bei großem Raddurchmesser können daher offensichtlich die beiden Kontaktknöpfe nicht
diametral gegenüber liegend angeordnet werden, da sonst die durch die Kontaktknöpfe eingedrückten Flächen der Rolle zu weit ausein-"
ander liegen würden. Der Durchmesser des Rades 58 sollte gering gehalten werden, um'ttia^furch eine Änderung des Durchmessers der
in der Untersuchung befindlichen Rolle auf die erhaltenen Meßwerte zu verringern. Bs ist festgestellt worden, daß ein aus Aluminium
hergestelltes Rad mit einer Breite von etwa 2,5 cm (1 inch) und einem Durchmesser von etwa 13 cm (5 inch) zufriedenstellend
arbeitet. Eine Gesamtspaltbelastung von etwa 4,5 kg (10 lbs) zwischen
der zu untersuchenden Rolle und dem Rad 58 führt zu annehmbaren Meßwerten ohne übermäßige Einkerbung der Rolle. Bei Verwendung
großer und/oder schwerer Räder muß sorgfältig gearbeitet werden, da die Neigung besteht, daß das Rad von der in der Untersuchung
befindlichen Rolle zurückprallt.
w Um ein Maß für die Härte zu erhalten, muß das Verhältnis
^ der Höhen der Impulszüge von den beiden Kristallen gemessen werden.
Eine Ausführungsförm einer Schaltung hierfür ist in Flg. 6
dargestellt. Die piezoelektrischen Kristalle 61 und 63 geben je einen Spannungsimpulszug ab, der erzeugt wird, wenn die Kontaktknöpfe
60 und 62 die Papierrolle 20 berühren. Die Kristalle besitzen einen hohen Innenwiderstand bzw. eine hohe innere Impedanz,
zur übertragung der Signale über Schleifringe oder dergleichen
1st jedoch eine Quelle mit niedrigem Außenwiderstand erforderllchv
Aus diesem Gründe müssen innerhalb des Rades 58 impedanzwandler 70
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und 72 befestigt sein. Die Signale von den Impedanzwandlern werden
über die Schleifringe 73 und 75 zu Gleichstrom-Verstärkern 74 bzw.
76 geführt und in Integrierschaltungen eingespeist, die aus einer Diode D1, einem Kondensator O2 und einem Widerstand R2 bestehen.
Jeder Impuls lädt den Kondensator O2 über die Diode D1 auf, der
Kondensator O2 kann sich Jedoch nicht über die Diode D1 entladen,
da diese in Sperrlchtung vorgespannt ist. Der Kondensator O2 muß
sich daher über den Widerstand R2 entladen. Die Zeitkonstante O2R2
ist so gewählt, daß durch das Abklingen des Signals zwischen den Impulsen der Spannungspegel· soweit verringert wird, daß er signer/
unterhalb des Pegels des nächsten Impulses liegt. Dies ist zwar in gewissem Maße-geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängig, die Drehzahl
der Maschine, für die die Vorrichtung in erster Lli.ie gedacht
ist, wird Jedoch verhältnismäßig konstant gehalten, so daß diese Drehzahlabhängigkeit keine ernste Schwierigkeit darstellt.
Das Ausgangssignal der beiden Integrierschaltungen ist eine
der Höhe der Eingangsimpulse proportionale Gleichspannung. Zur Messung
des Verhältnisses dieser Spannungen werden sie über Impedanz-Anpassungsschaltungen
80 bzw. 82 einem Analogteiler 78 zugeführt. Das Ausgangssignal des Analogteilers 78 ist eine dem Verhältnis
der beiden Eingangesignale proportionale Gleichspannung, die ein
geeignetes Signal für eine-Meßstreifenaufzeichnung bildet. Dieses
Ausgangssignal zeigt die Härte der Papierrolle 20 an. Zur Korrektur
von Durchmesseränderungen der Papierrolle 20 kann die Schaltung gegebenenfalls mit weiteren, nicht gezeigten Einrichtungen versehen
werden. Wie das in Fig. 7 dargestellte Diagramm zeigt, besteht zwischen der mit dem fiad ermittelten Härte und der Schmidt-Härte
eine zufriedenstellende Beziehung.
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, einen der Kontaktknöpfe, insbesondere den großen Kontaktknopf 60 zur Messung
der Gesamtspaltlast, wegzulassen. Dies kann geschehen, indem man, um das Rad 58 gegen die Papierrolle 20 zu halten, eine mit konstanter
Last arbeitende Belastungseinrichtung vorsieht. Die Belastungseinrichtung bzw. Kolben-Zylinder-Einheit 52 wird hierbei so ausge-
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legt, daß sie eine im wesentlichen konstante Belastung auf das Rad
58 aufbringt, so daß die Gesamtbelastung stets gleichbleibt. Verwendet man dann die durch die Kolben-Zylinder-Einheit 52 aufgebrachte
Belastung anstelle der durch den größeren Kontaktknopf 60 gemessenen Belastung, so kann das Verhältnis der Gesamt-Spaltbelastung
zur Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes ermittelt werden. D. h., die Härte kann direkt aus der vom kleinen Kontaktknopf
62 gemessenen Belastung ermittelt werden. Dieses letztere Verfahren wird Jedoch nicht bevorzugt, und zwar wegen der durch die Rückprall·
neigung des Rades bedingten Schwierigkeiten, wenn die Papierrolle 20 nicht vollständig rund ist. Ferner ist es wegen der Bewegung
des Rades, wenn sich die Rolle aufbaut, sowie durch die Bewegung quer zur Rolle schwierig, einen gleichmäßigen Druck des Rades gegen
die Rolle zu erzielne. Ferner muß der Luftdruck verhältnismäßig genau eingehalten werden.
Die vorstehende Beschreibung befaßt sich zwar in erster Linie mit der Verwendung piezo-elektrischer Kristalle. Es können
Jedoch auch andere Einrichtungen zur Anzeige der Gesamtkraft verwendet werden, wie beispielsweise Dehnungsmeßstreifen und andere
Energieumwandlungseinrichtungen.
Gewünsentenfalls kann das Ausgangssignal der Vorrichtung
zur Steuerung von Hilfseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise
zur Einstellung der Spannung oder anderer Eigenschaften der in der Herstellung befindlichen Rolle oder des Materials, das zur
Rolle gewickelt wird. Wird nur ein kleiner Kontaktknopf benötigt und ein gleichmäßiger Druck aufrechterhalten, so kann das Ausgangssignal
vom kleinen Kontaktknopf selbst als Steuerimpulsquelle zur Steuerung der Hilfseinrichtung dienen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern bezieht sich/sämtliche Innerhalb des
Rahmens der Erfindung liegenden Ausführungsformen.
Ansprüche
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Claims (15)
- ANSPRÜCHEVerfahren zur Gewinnung einer Anzeige der Härte einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Probe und einer Testeinrichtung ein Spalt gebildet wird, daß die Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes gemessen wird, daß ein der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes entsprechendes Signal erzeugt wird, und daß das Signal in eine Härteanzeige bzw. ein Härtemaß umgewandelt wird.
- 2. Verfahren zur Gewinnung einer Anzeige der Härte einer Probe, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein die Gesamt-Spaltbelastung zwischen der Probe und einer Testeinrichtung anzeigendes Signal erzeugt wird, daß zur Gewinnung einer Anzeige der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes über einen kleinen Bereich in der Mitte des Spaltes ein piezo-elektrischer Kristall belastet wird, dessen Fläche kleiner ist als der zwischen der Probe und der Testeinrichtung gebildete Spalt, daß zur Bildung eines Verhältnisses der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes zur Gesamt-Spaltbelastung die Gesamt-Spaltbelastung mit der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes verglichen wird, und daß das Verhältnis zur Anzeige der Härte der Probe aufgezeichnet wird.109820/1512
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Gesamt-Spaltbelastung anzeigende Signal dadurch erzeugt wird, daß ein piezo-elektrischer Kristall auf einer größeren Fläche als der kleinen Fläche gegen die Probe gedrückt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e η η * zeich"η et, daß die Verhältnisse an axial auseinanderliegenden Stellen der Probe gebildet werden, um ein Härteprofil der Probe zu messen.
- 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-elektrische Kristall durch relative Bewegung der Probe und des Kristalls um eine Achse gedreht wird.^
- 6. Härte-Testgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Halteeinrichtung (58), durch Einrichtungen (60, 6t) zur Anzeige der Gesamtbelastung zwischen der Halteeinrichtung und der zu prüfenden Probe (20), durch Einrichtungen (62, 63) auf der Halteeinrichtung (53) zur Messung der Spaltbelastung in einem kleinen Bereich In der Mitte des Spaltes zwischen der Halteeinrlohtung (58) und der zu prüfenden Probe (20), und durch eine Einrichtung (52) zum Pressen der Testeinriohtung gegen die Probe.109820/1512
- 7. Härte-Testgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung aus einem Rad (58) besteht, und daß die Einrichtungen (62, 63) zur Messung der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes am Umfang des Rades befestigt sind, so daß sie mit der Probe (20) in rollenden Kontakt kommen.
- 8. Härte-Testgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Messuug der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes einen piezo-elektrlschen Kristall (63) und eine Einrichtung (62) zur Betätigung des Kristalls enthalten.
- 9. Härte-Testgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine zur Bildung eines Verhältnisses zwischen der Gesamtbelastung und der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes die Einrichtungen (60, 61 ) zur Anzeige der Gesamtbelastung und die Einrichtungen (62, 63) zur Messung der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes verbindende Schaltung.
- 10. Härte-Testgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen (60, 61) zur Anzeige der Gesamt-Spaltbelastung auf der Halteeinrichtung (58) befestigt sind und eine größere Einrichtung (60) zur Betätigung eines piezoelektrischen Kristalls (61) enthalten,109820/1512- 12 - 205A505und daß die Einrichtungen (62, 63) zur Messung der Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes eine kleinere Einrichtung (62) zur Betätigung eines plezo-elektrischen Kristalls (63) enthalten.
- 11. Härte-Testgerät nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß die größere Einrichtung (60) zur Betätigung des piezo-elektrlschen Kristalls (61) und die^ kleinere Einrichtung (62) zur Betätigung des,plezo-elektrl-.sehen Kristalls (63) auf dem Umfang (64) des Rades befestigt sind, so daß sie mit der Probe in rollende Berührung gelangen.
- 12. Härte-Testgerät nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang (64) des Rades (58) einen konvexen Querschnitt besitzt.
- 13. Härte-Testgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e kennzeichnet, daß die Kontaktfläche der größeren^ Einrichtung (60) wenigstens 10 mal größer ist als die der kleineren Kontakteinrichtung (62).
- 14. Härte-Testgerät nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung die Kristalle (61, 63) miteinander verbindet und das Verhältnis der von den beiden Kristallen erzeugten Spannungen aufzeichnet.109820/151 2
- 15. Härte-Testgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Probe aus einer umlaufenden Rolle (20) besteht und daß Einrichtungen (28, 30, 24) zur seitlichen Bewegung des Härte-Testgerätes gegenüber der Holle vorgesehen sind, so daß die Rollenhärte an axial zur Rolle in Abständen voneinander liegenden Stellen angezeigt werden kann.109820/1512e e rs eit
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