DE2809227A1 - Vorrichtung zur reproduzierbaren messung der festigkeit oder konsistenz oder zaehigkeit eines feststoffes - Google Patents

Vorrichtung zur reproduzierbaren messung der festigkeit oder konsistenz oder zaehigkeit eines feststoffes

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DE2809227A1 DE19782809227 DE2809227A DE2809227A1 DE 2809227 A1 DE2809227 A1 DE 2809227A1 DE 19782809227 DE19782809227 DE 19782809227 DE 2809227 A DE2809227 A DE 2809227A DE 2809227 A1 DE2809227 A1 DE 2809227A1
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Description

- 4 M/19035
Beschreibung
Bei der Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines Materials ist es bekannt, die Zähigkeit oder Festigkeit oder Konsistenz dieses Materials zu messen. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Festigkeit oder Konsistenz oder Härte oder Zähigkeit dadurch zu messen, daß man die Verschiebung eines Fühlstiftes, der gegen das zu untersuchende Material einwirkt, unter einer vorbestimmten Kraft feststellt. Wenn es erwünscht ist, die Messung der Festigkeit oder Konsistenz oder Zähigkeit oder Härte mit einem Gerät durchzuführen, welches leicht transportierbar ist, so verwendet man ein manuell betätigbares Gerät, welches man gegen die Oberfläche des zu prüfenden Materials drückt. Auf diese Weise kann man zufriedenstellende Ergebnisse erhalten, wenn das zu prüfende Material verhältnismäßig starr oder steif oder fest ist, beispielsweise, wenn dieses Material ein Metall oder ein starrer oder steifer Kunststoff ist. Wenn jedoch im Gegensatz hierzu das zu prüfende Material verhältnismäßig weich und verformbar ist, so ergeben die Konsistenz- oder Zähigkeits- oder Festigkeitsmessungen mit einem manuell betätigbaren Gerät, welches auf das Material aufgedrückt wird, keine reproduzierbaren Ergebnisse. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein derartiges Gerät verwendet wird, um die Konsistenz oder Festigkeit eines lebenden Gewebes zu messen, beispielsweise die Konsistenz einer weiblichen Brust.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Gerät zu schaffen, mit dem in reproduzierbarer Weise die Festigkeit oder Zähigkeit oder die Konsistenz eines relativ
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weichen Materials gemessen werden kann. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß man vollständig reproduzierbare Messungen mit einem Gerät erhält, welche die Verschiebung eines Fühlstiftes und dessen Aufdruck auf das Material mißt, wenn man dafür sorgt, daß diese Messungen für einen konstanten Auflagerdruck des Gerätes auf dem Material durchgeführt werden. Es ist klar, daß es schwierig ist, ganz strikt den Auflagerdruck eines Gerätes auf einem relativ weichen Material, welches mit der Hand betätigt wird, konstant zu halten. Demzufolge ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Gerät auf das zu prüfende Material mit einem veränderlichen Druck aufzudrücken und die Verschiebung des Fühlstiftes in dem Moment festzustellen, in dem der Auflagerdruck des Gerätes auf dem Material gleich dem vorbestimmten Druck ist, bei dem man die Messung durchführen will. Man kann auf diese Weise das erfindungsgemäße Gerät ohne übermäßige Vorsichtsmaßnahmen einsetzen und erhält dennoch vollständig reproduzierbare Messungen bei weichen Materialien, wie beispielsweise bei Messungen der Haut.
Die Erfindung hat zum Ziel, ein Gerät zur reproduzierbaren Messung der Festigkeit oder Konsistenz oder Zähigkeit eines Feststoffes zu schaffen, beispielsweise eines relativen Materials. Das Gerät wird auf das zu prüfende Material aufgedrückt und trägt einen Fühlstift, der gegen das Material mit einer vorbestimmten Kraft gedrückt wird. Die Messung wird bei einem vorbestimmten Auflagerdruck P_ des Gerätes auf dem Material durchgeführt. Erfindungsgemäß ist ein Ausgangselement vorgesehen, welches selektiv und automatisch eine Anzeige der Verschiebung des Fühlstiftes für den vorbestimmten Wert des Auflagerdruckes Pn des Gerätes auf dem Material abgibt«
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gerät einen Spannungsaufnehmer auf, der im Auflagerbereich des Gerätes auf dem Material angeordnet ist und den Druck mißt, mit dem das Gerät auf das Material aufgedrückt wird. Das Ausgangssignal dieses Druckaufnehmers wird mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen und löst, wenn diese Schwelle erreicht wird, die Zuführung der Verschiebungsanzeige des Fühlstiftes aus. Die Eindringtiefe des Fühlstiftes des Gerätes in das Material, welches untersucht werden soll, wird von einem Verschiebungsaufnehmer aufgenommen. Der Fühlstift wird gegen das zu untersuchende Material durch eine Feder gedrückt. Der Spannungsaufnehmer ist ein ringförmiger Aufnehmer, der symmetrisch um die Achse des Fühlstiftes und des Verschiebungsaufnehmers angeordnet ist. Der Verschiebungsaufnehmer gibt einen Gleich- oder Wechselstrom ab, dessen Spannungsamplitude im wesentlichen proportional zur Eindringtiefe des Fühlstiftes ist. Der Druckaufnehmer gibt einen Gleichoder Wechselstrom ab, dessen Spannungsamplitude im wesentlichen proportional zum Auflagerdruck des Gerätes auf dem Material ist. Der Druckaufnehmer wird mit einem niederfrequenten Wechselstrom gespeist und besteht aus einer Wheastoneschen Brücke, deren beide Zweige druckempfindliche Elemente sind, wie beispielsweise Membranen, die Halbleiteranordnungen oder Halbleitersätze tragen. Der Druckaufnehmer speist eine Triggerschaltung, die den Durchgang der vom Aufnehmer zugeführten Spannung für einen vorbestimmten Wert festlegt, der dem Druck P_ entspricht. Diese Triggerschaltung löst einen monostabilen Multivibrator aus, wobei die senkrechte Flanke des von diesem abgegebenen Signals die Speicherung der Spannung auslöst, die vom Verschiebungsaufnehmer abgegeben wird. Die Spannung, die vom Verschiebungsaufnehmer abgegeben wird, wird
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in den Augenblicken gespeichert, die von der Triggerschaltung bestimmt werden. Als Ausgangsorgan ist ein Digitalvoltmeter vorgesehen. Der monostabile Multivibrator steuert mit einer vorbestimmten Verzögerung die Zuführung der Festspannung zum Digitalvoltmeter, und zwar vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines bistabilen Multivibrators. Das erfindungsgemäße Gerät ermöglicht in einfacher Weise eine manuelle Handhabung, wobei eine Anzeige der Verschiebung eines Fühlstiftes für einen konstanten Auflagerdruck PQ auf dem weichen Material, welches untersucht werden soll, möglich ist. Das proportionale Ausgangssignal des Verschiebungsaufnehmers wird dauernd vom Digitalvoltmeter gemessen. Dieses Digital'voltmeter erzeugt eine Messung be:', jeder Zählstufe, die durch seinen Taktgeber bestimmt wird. Diese verschiedenen Messungen werden jedoch am Voltmeter nicht dauernd angezeigt. Wenn der Auflagerdruck des Gerätes auf dem zu prüfenden Material den vorbestimmten Wert P0 nicht erreicht, zeigt das Voltmeter keine konstante meßbare Anzeige an. Wenn man jedoch das Gerät fortschreitend gegen das zu prüfende Material drückt, so erreicht man den Druck P^, und in diesem Moment wird das Signal gespeichert, welches vom Verschiebungsaufnehmer abgegeben wird und das Digitalvoltmeter, welches den gespeicherten Verschiebungswert anzeigt, wird blockiert. Vorzugsweise wird das Voltmeter gegenüber der Speicherung mit einer geringen Verzögerung gesperrt, um Störsignale auszuschalten, die sich über die abzulesende Spannung legen, und zwar in der Zeit, in der Steuerpulse vorhanden sind oder auftreten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen
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Fig. 1 eine schema tische Axialschnittansicht, eines erfindungsgemäßen Meßgerätes,
Fig. 2 eine elektronische Schaltung für das in Fig. 1 dargestellte Gerät
und
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Auflagerdruck.es P des Gerätes auf einem zu prüfenden Material als Funktion der Zeit und der Spannungen an verschiedenen Punkten der in Fig. 2 dargestellten Schaltung.
In Fig. 1 ist das zu prüfende Material 1 dargestellt. Das Material kann ein Bereich der Haut oder die Oberfläche eines Muskels oder irgendein anderes Gewebe sein, beispielsweise die Oberfläche der weiblichen Brust, deren Konsistenz (Festigkeit) gemessen werden soll. Das Gerät weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, welches eine Feder
3 aufnimmt, deren Zusammendrückung mittels der Schraube
4 einstellbar ist. Die Feder 3 drückt einen Gleitkolben
5 in Richtung des Materials 1, wobei am Ende dieses Gleitkolbens 5 ein Fühlstift 6 befestigt ist. Die Verschiebung des Kolbens 5 in dem zylindrischen Gehäuse 2 wird mittels eines üblichen Verschiebungsaufnehmers 7 festgestellt. Dieser Verschiebungsaufnehmer gibt an seinem Ausgang eine kontinuierliche Spannung ab, die der Verschiebung des Fühlstiftes, ausgehend von einer Bezugsstellung, proportional ist. Das Gehäuse 2 weist Anschläge 8 auf, die die seitliche Bewegung des Kolbens 5, hervorgerufen durch den Druck der Feder 3, begrenzt und die die vorgenannte Bezugsstellung bilden. Der Teil des Gehäuses 2, der un-
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mittelbar dem zu prüfenden Material 1 gegenüberliegt, ist derart verbreitet, daß dieser eine Art Trichter 2a bildet, an dessen Ende ein ringförmiger Druckaufnehmer 9 angeordnet ist. Der Druckaufnehmer 9 bildet einen Kreisring, in dessen Mitte der Fühlstift 6 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Druckaufnehmer 9 ein Aufnehmer vom Typ "ELF-1OOO", der von der Firma "ENTRAN DEVICES INC." hergestellt wird. Dieser Druckaufnehmer wird durch eine Wheastonsche Brücke gebildet, deren beide Zweige Membranen aufweisen, die eine Halbleiteranordnung oder einen Halbleitersatz abdecken. Der Druckaufnehmer 9 wird mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 kHz mittels eines Oszillators 10 gespeist. Dieser Druckaufnehmer 9 gibt an seinem Ausgang eine Wechselstromspannung von gleicher Frequenz wie die Speisespannung ab und die maximale Spannung dieses Wechselstromausgangs ist proporti= onal zum Auflagedruck des Gerätes auf dem Material 1. In Fig. 3 ist in der ersten Zeile die Veränderung des Auflagedruckes P des Gerätes als Funktion der Zeit dargestellt, wenn man das Gerät auf das zu prüfende Material aufbringt, und in der zweiten Zeile sind die Änderungen der Ausgangsspannung des Druckaufnehmers 9 (nach Verstärkung) dargestellt.
Fig. 2 ist eine Übersichtsdarstellung der elektronischen Schaltung, die dem in Fig- 1 dargestellten Meßgerät zugeordnet ist» Das in Fig. 1 dargestellte Gerät ist der bewegliche Teil der Meßvorrichtung und ist einem festen Teil zugeordnet, der einen Ausgang hat, welcher von einem Digitalvoltmeter 11 gebildet wird. In Fig. 2 symbolisiert die gestrichelte Linie 12 die Trennung zwischen dem festen Teil der Meßvorrichtung, der rechts von dieser Linie 12
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angeordnet ist und dem beweglichen Teil, der links von dieser Linie angeordnet ist und in Fig. 1 dargestellt ist. Das in Fig. 1 dargestellte Gerät ist mit dem festen Teil der Meßvorrichtung über elektrische Leitungen verbunden, welche zur Speisung der beiden Aufnehmer dienen und welche die Ausgangssignale übertragen, die von den beiden Aufnehmern 7 und 9 abgegeben werden.
Das Ausgangssignal des Druckaufnehmers 9 wird einem Selektivverstärker 13 für die Frequenz von 1 kHz zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 13 ist eine lineare Funktion des Auflagerdruckes des Aufnehmers 9 auf dem zu prüfenden Material 1. In der zweiten Linie der Fig. 3 v/erden die Veränderungen der Spannung V3, am Punkt A am Ausgang des Verstärkers 13 dargestellt. Die Spannung V7. wird einer Triggerschaltung 14 zugeführt, die am Ausgang ein Signal Vp mit konstanter Amplitude und mit der Frequenz von 1 kHz abgibt, sobald die Eingangsspannung VT die obere Schwelle U-. der Triggerschaltung 14 erreicht. Dieses Ausgangssignal wird während der Zeit aufrechterhalten, in der die Eingangsspannung V, oberhalb der unteren Schwelle U.. der Triggerschaltung 14 bleibt. In der dritten Linie der Fig. 3 ist das Ausgangssignal V der Triggerschaltung 14 dargestellt.
Die Spannung V_ wird dem Eingang eines monostabilen Vibrators 15 zugeführt, dessen Ausgangsspannung Vg in der vierten Zeile der Fig. 3 dargestellt ist. Die Spannung V„
nimmt einen hohen Wert an der aufsteigenden oder senkrechten Flanke der Spannung VT an, und dieser Wert wird aufrechterhalten, während das Signal V„, vorhanden ist und auch noch während einer Verzögerungszeit t.. nach dem Ende des Signals V1-.
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Die Ausgangsspannung νσ des monostabilen Vibrators 15 wird einer Torschaltung 16 zugeführt, die aus einem Feldeffekttransistors besteht, der von der Spannung V gespeist wird, die vom Verschiebungsaufnehmer 7 zugeführt wird. In der fünften Linie der Fig. 3 sind die Spannungsänderungen der Spannung dargestellt, die vom Aufnehmer 7 zugeführt wird. Wenn der monostabile Vibrator 15 kein Signal abgibt, so ist der Transistor, der die Torschaltung 16 bildet, leitend und die Speisespannung Vn des Transistors lädt einen Kondensator auf, der die Speicherschaltung 17 bildet. In der sechsten Zeile der Fig. 3 ist die Spannung V am Ausgang der Speicherschaltung 17 dargestellt. In dem Augenblick, in dem die aufsteigende oder senkrechte Flanke des Signals V0 gebildet wird, das vom monostabilen Multivibrator 15 zugeführt wird, ist die Spannung, die vom Aufnehmer 7 zugeführt wird, VQ und diese Spannung tritt am Ausgang der Speicherschaltung 17 auf. Die aufsteigende oder senkrechte Flanke des Signals Vg blockiert den Transistor der Torschaltung 16, und die Spannung V„ bleibt danach konstant bei einer geringen Entladung des Kondensators, der die Speicherschaltung 17 bildet. Im Augenblick der Sperrung des Transistors entstehen parasitäre Schwingungen der Spannung V.., die derart sind, daß bevorzugt wird, den Wert dieser Spannung zur Anzeige am Digitalvoltmeter 11 nach Zeitverzögerung t_ gegenüber dem Augenblick aufzunehmen, der der Sperrung des Transistors entspricht, welcher die Torschaltung 16 bildet. Das Digitalvoltmeter 11 zählt mit einer Frequenz, die von einem eingebauten Taktgeber bestimmt wird,und die Verzögerung t kann so gewählt werden, daß sie gleich zwei Zählperioden des Voltmeters ist.
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Um den Zählerstand des Digitalvoltraeters in dem Augenblick zu blockieren, in dem die Torschaltung 16 blockiert wird, und zwar mit der Verzögerung t_, verwendet man das Signal Vg, welches vom monostabilen Multivibrator 15 abgegeben wird. Dieses Signal steuert einen Verzögerungskreis 18, der seinerseits einen bistabilen Multivibrator 19 steuert. In der letzten Zeile der Fig. 3 ist die Ausgangsspannung V des bistabilen Multivibrators 19 dargestellt. Die senkrechte Flanke des Signals V_ folgt mit der Verzögerung to der senkrechten Flanke des Signals Ve, d. h. dem Augenblick der Sperrung der Torschaltung 16. Wenn das Signal V0 einen hohen Wert annimmt, wird das Digitalvoltmeter 11 bei der letzten durchgeführten Zählung gesperrt. Das Digitalvoltmeter 11 kann lediglich dann entsperrt werden, wenn der bistabile Multivibrator 19 auf Null manuell zurückgestellt ist. Das Digitalvoltmeter 11 wird daher bei dem Wert der Spannung V.. gesperrt, der um t_ hinter dem Augenblick der Sperrung der Torschaltung liegt. Die Verzögerung to ist gering, und der Kondensator der Schaltung 17 hat keine Zeit, sich wesentlich zu entladen, und deshalb ist die Spannung praktisch gleich der Spannung VQ, die am Ausgang des Verschiebungsaufnehmers in dem Augenblick auftritt, in dem man den Druck P_ am Druckaufnehmer 9 erreicht.
Wenn man das erfindungsgemäße Gerät einsetzt, so ist zu erkennen, daß die Messungen der Festigkeit, der Konsistenz oder der Zähigkeit eines relativ weichen Materials, beispielsweise der weiblichen Brust, Werte ergeben, die vollständig reproduzierbar sind. Ferner sind die Abmessungen des in Fig. 1 dargestellten Gerätes gering gehalten, und dies ermöglicht, die Änderungen der Festigkeit oder der Konsistenz in verschiedenen Bereichen des gleichen Materials dadurch zu untersuchen, daß manuell dieses Gerät
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auf dem Material verschoben wird. Die Anwendung dieses Gerätes ist außerordentlich einfach. Nachdem das Digitalvoltmeter 11 dadurch entsperrt wurde, daß der bistabile Multivibrator 19 auf Null zurückgesetzt wurde, ist es lediglich erforderlich, fortschreitend die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung auf das zu prüfende Material zu drücken und am Voltmeter 11 den Wert in dem Moment abzulesen, in dem man den Meßdruck Pn erreicht»
Es sei bemerkt, daß der Aufbau der Vorrichtung außerordentlich einfach ist, und daß diese Vorrichtung leicht und billig hergestellt werden kann.
Es können Abänderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.
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Claims (12)

  1. PATENTANWÄLTE O O Π Q O O *7
    PROF. DR. DR. J. REITSTÖTTER ^
    DR.-ING. WOLFRAM BUNTE
    DR. WERNER KlNZEBACH
    BAUERSTRASSE 22. D - 8OOO MÜNCHEN 4O - FERNRUF (OS9) 37 63 83 · TELEX S21B208 ISAR D POSTANSCHRIFT: POSTFACH 78Ο. D-8OOO MÜNCHEN 43
    München, den 3. März 1978
    M/19035, M/19059
    Firma L1OREAL
    14 , rue Royale
    F-75008 Paris
    Vorrichtung zur reproduzierbaren Messung
    der Festigkeit oder Konsistenz oder Zähigkeit eines Feststoffes
    Patentansprüche ι
    ι Vorrichtung zur reproduzierbaren Messung der Festigkeit, ■
    Konsistenz, Härte oder Zähigkeit eines Feststoffes, ins- i
    besondere eines relativ weichen Materials, die auf das j
    zu prüfende Material aufgesetzt wird und einen Fühlstift j aufweist, der auf das Material mit einer vorbestimmten
    Kraft aufgedrückt werden kann, wobei die Messung bei einem
    i vorbestimmten Wert PQ des Auflagerdruckes der Vorrichtung
    auf das Material durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, | daß ein Ausgangselement selektiv und automatisch die Ver- I Schiebung des Fühlstiftes für den vorbestimmten Wert des | Auflagerdruckes PQ der Vorrichtung auf dem Material abgibt.
    ORlGiMAL INSPECTED
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  2. 2. Vorrichtung-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckaufnehmer im Anlagebereich der Vorrichtung auf dem Material angeordnet ist und den Druck mißt, den die Vorrichtung auf das Material ausübt und daß das Ausgangssignal dieses Druckaufnehmers mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen wird und wenn es diese Schwelle erreicht, die Aufnahme des Verschiebungssignals des Fühlstiftes sperrt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindringen des Fühlstiftes in das zu prüfende Material von einem Verschiebungsaufnehmer festgestellt wird.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühlstift gegen das zu prüfende Material durch eine Feder drückbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer ein ringförmiger Druckaufnehmer ist, der symmetrisch um die Achse des Fühlstiftes und des Verschiebungsaufnehmers herum angeordnet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebungsaufnehmer einen Gleich- oder Wechselstrom abgibt, dessen Spannungsamplitude im wesentlichen proportional zur Eindringtiefe des Fühlstiftes ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer einen Gleich- oder Wechselstrom abgibt, dessen Spannungsamplitude im wesentlichen proportional zum Auflagerdruck der Vorrichtung auf dem zu prüfenden Material ist.
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  8. 8» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer mit einem niederfrequenten Wechselstrom gespeist wird und eine Wheastonesche Brücke ist, dessen beide Zweige druckempfindliche Elemente sind, wie beispielsweise Membranen, die Halbleiter sätze tragen.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer eine Triggerspannung speist, die den Durchgang der vom Druckaufnehmer zugeführten Spannung für einen vorbestimmten Wert festlegt, der dem Druck P0 entspricht und daß diese Triggerschaltung einen monostabilen Multivibrator auslöst,, wobei die senkrechte Flanke des von diesem abgegebenen Signal die Speicherung der Spannung hervorruft, die vom Verschiebungsaufnehmer abgegeben wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung, die vom Verschiebungsgeber abgegeben wird, in den Augenblicken gespeichert wird, die von der Triggerschaltung bestimmt werden.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangselement ein Digitalvoltmeter isi:.
  12. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Triggerschaltung ausgelöste monostabile Multivibrator die Eingabe der gemessenen Spannung in das Voltmeter vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines bistabilen Multivibrators mit einer vorbestimmten Verzögerung steuert.
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DE19782809227 1977-03-04 1978-03-03 Vorrichtung zur reproduzierbaren messung der festigkeit oder konsistenz oder zaehigkeit eines feststoffes Granted DE2809227A1 (de)

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