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Vorlasthärteprüfgerät mit elektronischer Meßeinrichtung Bei der Vorlasthärteprüfung
wird die bei der Steigerung des Prüfdruckes von der Vorlast auf die Gesamtlast und
anschließender Wiederentlastung auf die Vorlast erzielte Vergrößerung der Eindringtiefe
des Eindringkörpers als Härtewert gemessen. Hieraus lassen sich folgende Bedingungen
für die Meßeinrichtung ableiten: Wenn nur die Vergrößerung der Eindringtiefe gemessen
werden soll, so setzt das voraus, daß bis zum Aufbringen der Vorlast oder mindestens
in dem Augenblick, in welchem die Vorlast aufgebracht ist, das Anzeigeinstrument
den Wert Null anzeigt. Erst dann darf die Vergrößerung der Eindringtiefe, die unter
der Wirkung der zusätzlich aufgebrachten Hauptlast zustande kommt, eine Anzeige
zur Folge haben. Der bei der anschließenden Wiederentlastung auf die Vorlast verbleibende
Anzeigewert entspricht dann dem Härtewert. Dieser Wert soll auch nach der vollständigen
Entlastung des Härteprüfers zur Entnahme des Prüflings festgehalten werden und wenigstens
eine gewisse Zeit zur Auswertung des Meßergebnisses zur Verfügung stehen.
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Die meisten der bis jetzt bekanntgewordenen Vorlasthärteprüfer sind
mit mechanisch arbeitenden Meßeinrichtungen ausgerüstet, wobei der gemessene Härtewert
an Meßuhren angezeigt wird. Auch für das Aufnullstellen und für das Festhalten des
Meßwertes werden im wesentlichen mechanische Hilfsmittel verwendet. Der Nachteil
aller dieser Konstruktionen ist, daß ein relativ großer Aufwand an Obersetzungshebeln,
Lagerstellen aus Schneiden und Pfannen und komplizierten Klemmvorrichtungen notwendig
wird, um diese Forderungen zu erfüllen.
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Alle diese Glieder sind mit Fehlern behaftet, welche die Genauigkeit
der Messung verringern und stellen Fehlerquellen dar, weil ihre Teile dem Verschleiß
unterworfen sind. Ein grundsätzlicher Mangel ist, daß die Achse der Meßeinrichtung
nicht identisch ist mit der Achse, in welcher die Prüfkraft aufgebracht wird und
daß infolge dessen kleinste Verlagerungen des Prüfstempels im Zusammenhang mit dem
Meßuhrhebel zu Meßfehlern führen.
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Ein weiterer entscheidender Nachteil ist, daß alle diese Meßeinrichtungen
praktisch nur in vertikaler Richtung arbeiten können, da einzelne Bauteile, wie
z. B. der Meßuhrhebel mit seiner Lagerung durch Schneiden und Pfannen, nur unter
dem Einfluß der Schwerkraft ordnungsgemäß funktionieren.
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Darüber hinaus sind Härteprüfer bekanntgeworden, welche für die Messung
der Eindringtiefe elektrisch arbeitende Wegmeßsysteme verwenden, - die im wesentlichen
als induktive Brückenschaltung oder nach dem Prinzip des Differentialtransformators
aufgebaut sind. Dadurch werden zwar die obenerwähnten Nachteile der mechanischen
Sießeinrichtungen vermieden, aber keine der bekanntgewordenen elektrischen Meßeinrichtung
erfüllt die Vorschriften für die Vorlasthärteprüfung, wie sie z. B. in der DIN-Norm
50103, Härteprüfung nach Rockwell, festgelegt sind.
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Eine der bekannten mit elektrischem Wegmeßsystem ausgerüsteten Meßeinrichtungen
arbeitet nur mit einer Last und verzichtet auf die Vorlast. Es fehlt also das wesentliche
Merkmal der Vorlasthärteprüfung.
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Eine weitere Meßeinrichtung mit elektrischem Wegmeßsystem hat wohl
eine Belastungseinrichtung mit Vorlast und Hauptlast, es wird aber nur das bekannte
Meßbüchsenprinzip beschrieben, das nur die groben Oberflächenunterschiede auszugleichen
vermag. Da die beschriebene Meßeinrichtung nur als Mikro-Härteprüfer für Prüflinge
mit exakt geschliffener oder geläppter Oberfläche eingesetzt werden soll, wird auf
die bisher nur mit komplizierten Vorrichtungen erreichbare Nullanzeige beim Erreichen
der Vorlast verzichtet.
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Bei normal bearbeiteten Prüflinge treten aber nach dem Aufbringen
der Vorlast erhebliche Differenzen in der Anfangslage der Meßeinrichtung zum Beginn
der eigentlichen Härteprüfung auf. Wird die exakte Nullstellung der Meßeinrichtung
beim Erreichen der Vorlast nicht erzwingeri, so gehen diese als Fehler mit ihrer
vollen Größe in das Prüfergebnis ein.
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Es ist ein weiteres Härteprüfgerät mit induktivem Wegmeßsystem bekanntgeworden,
bei welchem aber die Merkmale für die definitionsgemäße Durchführung des Prüfvorganges
fehlen.
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Zum Prüfen der Härte im Innern von Rohren wird bei einem anderen
Härteprüfgerät ein induktives Meßsystem eingesetzt. Die Eindringtiefe des Eindringkörpers
wird infolge der beim Innenmessen vorliegenden besonderen Verhältnisse mit einem
komplizierten elektromechanischen Übertragungssystem auf eine außenliegende Meßeinrichtung
übertragen.
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Der Härtewert muß durch eine Reihe manueller Abgleich- und Regelvorgänge
bestimmt werden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile der Vorlasthärteprüfgeräte
mit mechanischer Meßeinrichtung zu vermeiden und durch Einsatz elektrischer Hilfsmittel
eine Meßeinrichtung zu schaffen, welche eine exakte, schnelle und automatische Ermittlung
des Härtewertes entsprechend den Vorschriften der Härteprüfung nach Rockwell ermöglicht.
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Ausgegangen wird hierbei von einem Vorlasthärtepriifgerät mit einem
den Eindringkörper tragenden Prüfstempel, welcher in einer auf den Prüfkörper aufsetzbaren
und im Geräterahmen verschiebbar angeordneten Meßbüchse gleitet, und mit einer ein
elektrisches Wegmeßsystem aufweisenden und ein Anzeigeinstrument betätigenden elektronischen
Einrichtung zum Ermitteln der Relativbewegung zwischen der Meßbüchse und dem Prüfstempel.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch zwei parallelgeschaltete
Speicher für die Meßspannungswerte, durch eine solche Schaltung des Anzeigeinstrumentes,
daß es auf die Differenz der in den beiden Speichern gespeicherten Meßwerte anspricht,
und durch einen von der Relativbewegung zwischen der Meßbüchse und dem Prüfstempel
betätigten Signalgeber, welcher beim Erreichen der durch die Vorlast bedingten Eindringung
des Eindringkörpers ein Schaltmittel zum Trennen des Speichers von der Meßspannung
und nach Aufbringung der Hauptlast und anschließender Entlastung auf Vorlast ein
weiteres Schaltmittel zum Trennen des zweiten Speichers von der Meßspannung betätigt.
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Weiterhin ist gemäß der Erfindung ein in der Ausgangslage der Meßbüchse
betätigter Signalgeber eingebaut, welcher auf die beiden Schaltmittel im Sinne eines
Anschlusses der beiden Speicher an die Meßspannung einwirkt. Gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform bestehen die Signalgeber aus einer elektrischen Kontaktanordnung
und die beiden Speicher aus Kondensatoren, welche an das Gitter je einer in Kathodenverstärkerschaltung
betriebenen Triode angeschlossen sind, in deren Gitterzuleitungen die Schaltmittel
angeordnet sind, und ist das Anzeigeinstrument derart geschaltet, daß es die Differenz
der beiden Kathodenspannungen mißt.
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Ein Ausführungsbeispiel des mechanischen Aufbaus und der elektrischen
Schaltung wird nachstehend beschrieben: Die Abb. 1 bis 5 zeigen beispielsweise und
schematisch denAufbau des Prüfkopfes, dessen Körper 2 mit dem Maschinenkörper 1
mechanisch verbunden ist. Die Verbindung zum elektronischen Auswertegerät wird durch
ein Meß- und Steuerkabel 6 hergestellt.
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Der Prülkoplkörper 2 enthält gleitend geführt eine Meßbüchse 9, in
welcher, wiederum gleitend, ein Prüfstempel 14 läuft. Am unteren Ende des Prüfstempels
14 ist ein Eindringkörper 15 befestigt, während an seinem oberen Ende die Belastungsein-
richtung
angreift, beispielsweise dargestellt durch eine Vorlastfeder 4 und eine Hauptlastfeder
3. In der Ausgangsstellung, Abt. 1, wird die Meßbüchse 9 durch eine Meßbüchsenfeder
5 auf den Prüfkopfkörper 2 aufgesetzt.
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Während des Prüfvorganges muß die Relativbewegung zwischen der Meßbüchse
9 und dem Prüfstempel 14 gemessen werden. Hierzu kann eines der bekannten elektrischen
Wegmeßsysteme auf ohmscher, induktiver oder kapazitiver Basis benutzt werden, das
eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom liefert, proportional der
relativen Lage zwischen der Meßbüchse 9 und dem Prüfstempel 14.
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Aus konstruktiven Gründen und vor allem, um die Meßrichtung exakt
in die Richtung, bzw. in die Achse der Belastungskraft zu legen, wurde ein induktives
Meßsystem konzentrisch um den Prüfstempel 14 direkt in die Meßbüchse 9 eingebaut.
Es ist als induktive Brückenschaltung, bzw. nach der Art des bekannten Differentialtransformators
aufgebaut und besteht aus einem Spulensystem 11, das von einem Hochfrequenzeisenrohr
13 umgeben ist und in dessen Innerem ein Hochfrequenzeisenkern 12 berührungslos
verschoben werden kann. Der Hochfrequenzeisenkern 12 ist mit dem PrüfstempeI 14
fest verbunden, während das Spulensystem 11 über das Hochfrequenzeisenrohr 13 in
der Meßbüchse 9 befestigt ist. Eine Relativbewegung zwischen Meßbüchse 9 und Prüfstempel
14 stellt damit auch gleichzeitig eine Verschiebung zwischen Hochfrequenzeisenkern
12 und Spulensystem 11 dar und hat damit eine entsprechende elektrische Spannungsänderung
zur Folge.
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Da gemäß den Vorschriften für die Vorlasthärteprüfung nur die Vergrößerung
der Eindringtiefe bei der Steigerung des Prüfdruckes von der Vorlast auf die Hauptlast
und wieder Entlasten auf die Vorlast als Härtewert angezeigt werden soll, sind weitere
elektrische Maßnahmen notwendig. Bis zum Aufbringen der Vorlast treten zwischen
dem Prüfstempel 14 und der Meßbüchse 9 Relativbewegungen auf, deren Größe bei jedem
Prüfling verschieden sein kann. Sie hängen unter anderem von der Oberflächenform
und von der Oberflächenbeschaflfenheit sowie vom Härtewert ab und können ein Mehrfaches
von der Bewegung betragen, die bei dem zu messenden Härtewert auftritt. Es ist deshalb
ein Signalgeber bestehend aus den Kontakten 7 und 8 vorgesehen, die von der Meßbüchse
9 betätigt werden und den Meßvorgang im Auswertegerät steuern.
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Die Abt. 6 zeigt als Beispiel den vereinfachten Schaltplan des elektrischen
Wegmaßsystems sowie die elektronische Schaltung des Auswertegerätes, deren Funktionen
im folgenden erläutert werden sollen: Ein Hochfrequenzgenerator20 speist das induktive
Wegmeßsystem 21, das eine der relativen Lageänderung zwischen der Meßbüchse 9 und
dem Prüfstempel 14 proportionale Wechselspannung an einen nachfolgenden Verstärker
mit Gleichrichter 22 liefert. Die am Ausgang des Verstärkers 22 auftretende gleichgerichtete
Meßspannung Um ist damit ebenfalls proportional dieser Lageänderung. Die Spannung
Um wird über die beiden geschlossenen Kontakte 23 und 27 den beiden Gittern einer
Doppeltriode 25 zugeführt. Sie ist als I(athodenverstärker geschaltet, um linearisierte
Kennlinien und hohe Eingangswiderstände zu erreichen. An den beiden Kathodenwiderständen
28
und 29 fallen die Spannungen U,, und U»2 ab, die proportional den Gitterspannungen
Ugl und U22 sind. Zwischen den beiden Kathoden der Doppeltriode 25 liegt ein Anzeigeinstrument
30, an welchem die Härtewerte abzulesen sind. Zwischen den beiden Gittern und den
beiden Minuspolen von Um und der Anodenspannung U, liegen die beiden Meßwertspeicher
24 und 26, die in ihrer einfachsten Form als Kondensatoren ausgebildet sind.
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Sind die beiden Kontakte 23 und 27, die sich je auf einem getrennten,
im Schaltplan nicht angegebenen Relais befinden, geschlossen, so liegt an beiden
Gittern die gleiche Spannung, nämlich die Meßspannung U,n, d. h. Ugi = Ug2 = Um.
Infolgedessen sind auch die beiden Kathodenspannungen Uki und V2 gleich, so daß
an den Klemmen des Anzeigeinstrumentes 30 die Spannungsdifferenz Null ist und der
Zeiger auf Null steht.
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Andert sich die Meßspannung Um durch eine Lageänderung zwischen dem
Prüfstempel 14 und der Meßbüchse 9, so ändern sich beide Gitterspannungenes, und
U22 sowie die beiden Kathodenspannungen Uk1 und U2 gleichermaßen. Die Differenz
zwischen den beiden Kathodenspannungen Ukt und Uk2 bleibt aber immer Null, so daß
der Zeiger des Anzeigeinstrumentes trotz wechselnder Meßspannung Un, auf Null stehenbleibt.
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Die beiden Speicherkondensatoren 24 und 26 werden immer auf die jeweils
am Gitter herrschende Spannung aufgeladen. Sobald ein oder beide Gitterkontakte
23 oder 27 geöffnet werden, halten die Kondensatoren 24 oder 26 die Gitterspannung
fest Da über die Steuergitter der Triode 25 keine Ladung aus den Kondensatoren abfließt,
bleiben die Gitter auf dem Potential Ug1 und Zug2, das im Augenblick des Öffnens
der Kontakte an den Gittern herrscht.
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Wird nur ein Kontakt, z. B. 23, geöffnet und ändert sich dann die
Meßspannung U,n, so ändert sich nur die Gitterspannung U22 des rechten Triodensystems,
während die Gitterspannung Ug l durch den Speicherkonsator 24 auf konstanter Höhe
gehalten wird. Die Doppeltriode 25 wird jetzt unsymmetrisch ausgesteuert, so daß
jetzt auch die beiden KathodenspannungenU,, und U»2 unterschiedliche Höhen bekommen.
Die Differenz der beiden Spannungen ist jetzt nicht mehr Null, sondern proportional
der Differenz der Meßspannung Um im Augenblick des Öffnens des Kontaktes 23 und
der momentan herrschenden Meßspannung Um. Diese Differenz wird nun von dem Anzeigeinstrument
30 angezeigt.
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Wird nach einer solchen Änderung auch der Kontakt 27 geöffnet. so
wird die im Augenblick des Öffnens herrschende Gitterspannung U22 durch den Speicherkondensator
26 festgehalten. Damit bleibt auch der Zeiger des Anzeigeinstrumentes bei dem Meßwert
stehen, den er im Augenblick des Öffnens des Kontaktes 27 angezeigt hat.
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Da nun die beiden Steuergitter der Doppeltriode 25 infolge der offenen
Kontakte 23 und 27 nicht mehr mit der Meßspannung Um in Verbindung stehen, kann
dieselbe sich beliebig ändern, ohne daß der Zeigerausschlag des Anzeigeinstrumentes
beeinflußt wird.
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Werden die beiden Kontakte 23 und 27 gleichzeitig geschlossen, so
werden sofort wieder gleiche Spannungen Ug1 und Ug2 sowie entsprechend gleiche Kathodenspannungen
erzwungen und der Zeiger des Anzeigeinstrumentes geht auf Null zurück.
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An Hand der Abb. 1 bis 5 soll nun ein Arbeitsspiel erläutert werden.
Abb. 1 ist die Ausgangslage.
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Auf einer Prüfspindel 10 liegt ein Prüfling 16. Er berührt die Meßbüchse
9 noch nicht. Die Meßbüchse 9 und der Prüfstempel 14 liegen auf dem Prüfkopfkörper
2 auf. Die Vorlastfeder 4 und die Hauptlastfeder 3 berühren den Prüfstempel 14 nicht.
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Der Löschkontakt 8 ist geschlossen, der Speicherkontakt 7 offen, das
Meßsystem gibt eine Spannung entsprechend der Ausgangslage ab.
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A b b. 2. Die Prüfspindel 10 mit dem Prüfling 16 ist nach oben gegangen
und hat die Meßbüchse 9 angehoben, was eine elektrische Spannungsänderung zur Folge
hat. Der Löschkontakt 8 wird geöffnet, dadurch wird das vorhergehende Prüfergebnis
gelöscht und der Zeiger des Anzeigeinstrumentes 30 auf Null gebracht. Die Vorlastfeder
4 liegt noch nicht auf, der Eindringkörper 15 berührt gerade den Prüfling.
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Abb. 3. Zwischen der Phase Abb. 2 und Abb. 3 wird die Meßbüchse 9
weiter angehoben, so daß weitere elektrische Spannungsänderungen unbestimmter Größe
auftreten, die aber keinen Einfluß auf das Anzeigeinstrument 30 haben. Es steht
weiterhin auf Null. Dann kommt die Vorlastfeder 4 zur Wirkung, der Prüfstempel 14
setzt sich auf den Prüfling 16 auf und der Eindringkörper 15 dringt unter der Wirkung
der Vorlast etwas in den Prüfling 16 ein. Der zu dieser Stellung (Prüfstempel 14
zu Meßbüchse 9) gehörende Spannungswert hat, wie schon erwähnt, wegen der unterschiedlichen
Oberflächenverhältnisse eine unbestimmte Größe. Da er den Anfangswert für die'jetzt
nachfolgende eigentliche Härteprüfung bilden soll, muß dieser Wert festgehalten
bzw. gespeichert werden. Dies geschieht bei weiterem Anheben der Meßbüchse 9 dadurch,
daß der Speicherkontakt 7 geschlossen und ein entsprechendes Signal an das Auswertegerät
gegeben wird. Bis zu diesem Zeitpunkt steht das Anzeigeinstrument 30 für die Härtewerte
auf Null.
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A b b, 4. Die Meßbüchse 9 wird weiter angehoben, so daß jetzt die
Hauptlastfeder 3 auf dem Prüfstempel 14 zur Wirkung kommt. Dadurch dringt der Eindringkörper
15 tiefer in den Prüfling 16 ein. Eine entsprechende Relativbewegung zwischen der
Meßbüchse 9 und dem Prüfstempel 14 tritt auf, die eine dieser Bewegung proportionale
elektrische Spannungsänderung zur Folge hat. Diese Spannungsänderung wird jetzt
am Anzeigeinstrument 30 angezeigt.
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Abt. 5. Nach dem Aufbringen der Hauptlast wird entsprechend den Prüfvorschriften
wieder bis zur Vorlast entlastet. Die Prüfspindel 10 bewegt sich nach unten, bis
die Hauptlastfeder 3 nicht mehr auf den Prüfstempel 14 drückt und nur noch die Vorlastfeder
4 wirksam ist. Kleine elastische Formänderungen, hervorgerufen durch den Druck der
Hauptlast, sind nun wieder ausgeglichen, so daß das Anzeigeinstrument 30 jetzt den
tatsächlichen Härtewert anzeigt. Wird die Prüfspindel 10 bzw. die Meßbüchse 9 weiter
nach unten bewegt, so wird, während die Vorlast noch wirksam ist, der Speicherkontakt
7 geöffnet und dadurch ein Signal an das Auswertegerät gegeben, welches ein Festhalten
des momentanen elektrischen Spannungswertes, entsprechend dem gemessenen Härtewert,
bewirkt.
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Die beim weiteren Abwärtsbewegen der Prüfspindel 10 bis zur Endlage
bzw. zur Anfangslage für den neuen Prüfzyklus (Abb. 1) auftretenden Reiativbewegungen
zwischen
Prüfstempel und Meßbüchse bzw. die dadurch hervorgerufenen Spannungsänderungen haben
keinen Einfluß auf den angezeigten Härtewert, da beide Speicher von der Meßspannungsquelle
abgetrennt sind.
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Die elektronische Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht damit
den Aufbau eines einfachen, genau und schnell arbeitenden Härteprüfgerätes. Da der
Prüfkopf keine lageabhängigen Teile enthält, ist man nicht mehr auf die vertikale
Prüfrichtung angewiesen, sondern kann die Prüfung in jeder Richtung des Raumes durchführen.
Von besonderem Vorteil ist dabei, daß Prüfkopf und Anzeigeeinrichtung getrennt bzw.
nur durch ein Kabel miteinander verbunden sind. Man wird dadurch konstruktiv völlig
frei und kann den Prüfkopf, z. B. bei größeren Werkstücken direkt an der Stelle
ansetzen, an welcher geprüft werden soll. Zur Ablesung des Härtewertes kann in beliebiger
Entfernung von der Prüfstelle an der für den Prüfer günstigsten Stelle das Anzeigeinstrument
angebracht werden. In gleicher Weise können, wenn z. B. an mehreren Stellen gleichzeitig
geprüft wird, die Anzeigeinstrumente aller Prüfstellen auf einem gemeinsamen Kontrollfeld
zusammengefaßt werden, so daß der Prüfer alle Härtewerte mit einem Blick übersehen
kann.