Gli estensimetri. Introduzione

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1 Gli estensimetri Introduzione Nel 1843 il fisico inglese Sir Charles Wheatstone ( ) perfezionò un circuito a ponte per la misurazione di resistenze elettriche inventato da Samuel Hunter Christie. In questo circuito a ponte, noto oggi come il ponte di Wheatstone, sconosciute resistenze sono confrontate con delle resistenze note. Il ponte di Wheatstone è adatto per la misurazione delle piccole variazioni di una resistenza e, pertanto, è adatto anche per misurare il cambiamento della resistenza di un estensimetro (STRAIN GAUGE). Se analizziamo lo schema del ponte vediamo che, Rx è il resistore il cui valore di resistenza elettrica vogliamo determinare, R1 e R3 sono resistori di valore fisso e noto, mentre il resistore R2 è variabile. Se la relazione dei due resistori noti (R2/(R2+R1)) è uguale alla relazione degli altri due resistori non noti (Rx/(Rx+R3)), la differenza di potenziale elettrico tra i due punti intermedi DB sarà nulla e pertanto non circolerà nessuna corrente elettrica fra questi due punti. Per effettuare la misura si fa variare il resistore R2 fino ad ottenere il punto di equilibrio. Il controllo della corrente nulla si può realizzare con grande precisione mediante il galvanometro VG. La direzione della corrente, in condizione di non equilibrio, indica se R2 è troppo alta o troppo bassa. Il valore della forza elettromotrice (E) del generatore è ininfluente per la determinazione del valore della misura. Quando il ponte è costruito in modo che R1 è uguale a R3, Rx risulta uguale a R2 solamente in condizione di equilibrio. Nello stesso modo, in condizione di equilibrio, è sempre vero che : 1

2 Che cosa è un estensimetro L'estensimetro consiste di una griglia di metallo laminato incollato su un supporto di materiale plastico. Gli estensimetri sono disponibili in migliaia di configurazioni per adattarsi ad una vasta gamma di applicazioni. Un estensimetro è più sottile di un francobollo e certi modelli hanno griglie non più larghe della punta di uno spillo. In pratica estensimetro è incollato su una superficie di una struttura: quando viene sollecitata, le deformazioni trasmesse alla griglia causano una variazione della resistenza elettrica. Questa variazione è proporzionale alla deformazione e può essere misurata con grande precisione. Tipicamente si possono misurare delle deformazioni con una risoluzione di un micron/metro (µm), cioè di una parte su un milione. Per determinare le sollecitazioni principali e le relative direzioni principali si usano estensimetri denominati rosette con 2 o 3 griglie sullo stesso supporto ma orientati in direzioni diverse. In figura: estensimetro biassiale La risposta dell'estensimetro è istantanea, ciò permette di individuare sia le deformazioni statiche che le deformazioni dinamiche con frequenze che possono arrivare a diverse migliaia dì Hertz 2

3 Costituzione di un estensimetro Leghe utilizzate Costantana auto-compensata in temperatura: è la più anziana ma ancora la più usata in virtù della sua buona sensibilità alla deformazione. Ha una elevata resistività (anche con griglie piccole si possono avere resistenze elevate) e un coefficiente di temperatura non eccessivo. Ha una buona vita a fatica e una buona capacità di allungamento. Difetti: Per temperature superiori a 65 C si ha una variazione permanete della resistenza ad ogni ciclo (deriva dello zero) Pregi: può essere trattata per l'autocompensazione termica. Costantana trattata: utilizzata per misurare deformazioni superiori al 5%; è duttile in griglie di 3mm può essere allungate del 20% o più. Difetti: ha una variazione della resistenza ad ogni ciclo (zero non stabile); tendenza alla rottura se sottoposta a deformazioni ripetute. Mal si adatta all'impiego di deformazioni cicliche. Lega isoelastica: si usa per misure puramente dinamiche perché ha una vita a fatica superiore rispetto alla lega in costantana e un migliore rapporto di taratura che migliora il rapporto segnale rumore. Difetti: Non ha l'autocompensazione termica; ha una deriva dello zero; la sua risposta alla deformazione non è lineare Lega Karma: ha una buona vita a fatica e un'eccellente stabilità. E' usata in misure statiche con un range di temperature da -260 C a 260 C circa. Se incapsulata in materiale inerte può essere fino a 400 C. Ha una curva termica più piatta quindi le correzioni di uscita termica sono più precisi. Offre l'autocompensazione termica. Circuiti elementari con estensimetri I principali campi di applicazione di estensimetri sono le analisi sperimentali di stress e la progettazione/fabbricazione di trasduttori. 1-ponte intero 2-mezzo ponte 3-quarto di ponte 3

4 Disposizione degli estensimetri per le misure Secondo il tipo di misurazione come flessione, torsione, compressione, allungamento sono presenti uno o più estensimetri disposti nelle configurazioni denominate: Flessione 4

5 Torsione 5

6 Compressione 6

7 Allungamento 7

8 Tipi di estensimetri Monoassiale HBM 120: resistenza caratteristica = 120 Ohm, coefficiente K = 2.10 HBM 20/120 FA1: resistenza caratteristica = 120 Ohm, coefficiente K =

9 Biassiale Modello : (HBM) 3/120 XE 11: resistenza caratteristica = 120 Ohm, coefficiente K = 2.03 Modello:(HBM) 20/600 FA1 X: resistenza caratteristica = 600 Ohm, coefficiente K = 2.14 Triassiale Modello (HBM) 20/600 FA1 R: resistenza caratteristica = 596 Ohm, coefficiente K =

10 Incollaggio degli estensimetri Occorre porre molta attenzione nell'incollare l'estensimetro alla superficie su cui si vuole fare una misura; infatti posizionando male l'estensimetro si ha un errore che è sostanzialmente diverso da quello dovuto alla sensibilità trasversale: infatti si avrà un errore di misura dello sforzo principale dovuto al non perfetto allineamento dell'asse dell'estensimetro con quello dello sforzo nelle due direzioni (uno lungo il piano d'appoggio in quanto l'estensimetro è ruotato rispetto alla direzione principale e uno perpendicolare al piano dovuto al fatto che lo strato di colla non è uniforme) Le colle Un buon incollaggio di un estensimetro è fondamentale per attendibilità dei dati misurati, occorre seguire sempre la procedura consigliata, utilizzando gli elementi del kit di incollaggio. Per prima cosa si descrivono i vai tipi di collanti e si discute l'adesione. Le colle possono essere composti (resine) che hanno la medesima origine delle basi chimiche dell'estensimetro. Buona parte di esse sono liquide e una volta applicate. solidificano per polimerizzazione, per unione di più molecole della stessa specie chimica che formano una macromolecola. La polimerizzazione si verifica in certe condizioni di temperatura e di pressione a partire da una causa esterna (catalizzatore. umidità, ecc). Terminato il processo, il liquido risulta trasformato in un'unica massa solida che per quanto detto ha legami molecolari con la base e legami di tipo meccanico con il materiale sottostante e sovrastante. Un collante farà sicuramente presa se è posto in presenza del solo metallo, da ciò deriva l'importanza della pulizia della superficie. che deve essere eseguita con idonei solventi e successivo trattamento con carta abrasiva fine. La pulizia e lo sgrassamento deve essere effettuato evitando che tra l'istante in cui si ritiene che la superficie sia preparata e l'istante nel quale viene applicato l'estensimetro, non passi troppo tempo (3-4 ), perché la superficie può ossidarsi o sporcarsi di polvere. La durata delle colle prima dell utilizzo è limitata nel tempo, mediamente varia da 12 a 18 mesi ma può essere superiore in dipendenza dalla temperatura di conservazione. Un collante di comune impiego per estensimetro a temperatura ambiente è il cianoacrilato (attak) che può polimerizzare pressoché istantaneamente. Il suo pregio è la velocità di presa, un suo difetto è la scarsa affidabilità a lungo termine; il suo impiego può avvenire tra -20 C e +80 C. Un ancoraggio è completo dopo 24 ore, anche se le misure possono essere effettuate già dopo 15 10

11 minuti. Il cianoacrilato ha affinità per la maggior parte dei supporti degli estensimetri, eccetto che per l'incollaggio su materiali porosi (legno). In tali casi possono essere utilizzati anche cianoacrilati specifici. I collanti che hanno più vasta applicazione nelle tecniche estensimetriche sono quelli a due componenti (epossidici) perché più affidabili nel tempo. Essi consistono di: a) la resina pura mescolata con altri materiali d'apporto che determinano le caratteristiche meccaniche dell'adesivo; b) un componente catalizzatore. Quando i due componenti vengono mescolati in idonee proporzioni inizia la reazione di polimerizzazione. Alcuni adesivi epossidici sono ad un unico componente nel senso che sono già premescolati e distribuiti in unica confezione. Il collante epossidico è adatto nel campo da -270 a +100 C. Esistono anche colle miste epossidico-fenoliche che hanno la caratteristica di essere molto fluide e quindi di avere eccellenti capacità di ricoprimento; possono essere utilizzate entro un campo di temperature che va da -270 a +320 C e la polimerizzazione di queste colle richiede un ciclo termico di circa 1 ora a 140 C. Per le alte temperature vengono utilizzate colle ceramiche (cementi) che per la polimerizzazioni richiedono un ciclo termico di 15 minuti a +175 C e 60 minuti a 315 C: la temperatura di esercizio di questi cementi è assai estesa da -200 a +800 C. La procedura di incollaggio Si illustra di seguito la procedura standard per ottenere un buon incollaggio con colle cianoacrilate adatte a temperatura ambiente. Pulire l'area dove viene incollato l'estensimetro con solvente (Clorotene o trielina). Trattare a secco con carta abrasiva al carburo di silicio grana 220/320 la superficie. Quindi trattare con carta grana 400. Pulire con solvente e asciugare con garza. Con una matita dura 3H tracciare senza incidere in corrispondenza della superficie di contatto le linee di posizionamento dell'estensimetro. Riapplicare il solvente e asciugare con cotton fioc. Attenzione!! NON LASCIARE ASCIUGARE alcuna sostanza sulla superficie poiché questa lascia uno strato di contaminazione che riduce la qualità dell'incollaggio. Togliere l'estensimetro dalla bustina della confezione con una pinzetta pulita e depositarlo, con la superficie da incollare verso il basso. Se si usano basette posizionarle presso l'estensimetro lasciando circa 10 mm di spazio. Appoggiare una striscia di circa 100 mm di nastro adesivo sopra la basetta e l'estensimetro. Quindi centrare l'estensimetro sui segni fatti in precedenza. Se l'allineamento non fosse ben eseguito, risollevare il nastro fino a liberare l'estensimetro. Procedere successivamente ad un nuovo allineamento. Una volta posizionato in modo esatto, risollevare un lembo di adesivo finché si scopre l'estensimetro nel verso da incollare ed applicare la colla acrilica senza abbondare e quindi premere con forza sull'estensimetro e sulla parte attorno ad esso per qualche minuto in modo da 11

12 togliere eventuali bolle d'aria formatesi durante il procedimento. Il migliore incollaggio si ottiene quando lo strato di collante è molto sottile. Estensimetro e basetta sono ora incollati. Per togliere il nastro adesivo tirarlo indietro sopra se stesso, liberando lentamente la superficie. Questo permette di evitare il sollevamento della griglia metallica e di danneggiare l'installazione. Non è necessario togliere subito il nastro, anzi è bene lasciarlo come protezione fino all'effettuazione del collegamento elettrico. Utilizzare lo stagno e i fili di collegamento per eseguire la stagnatura. dopo avere coperto con nastro crespato tutte le parti scoperte della griglia per evitare possibili danni. Mediante l'ausilio di un multimetro, verificare il valore della resistenza ai capi del circuito sia compatibile con il valore nominale dato dal costruttore e con l'eventuale valore misurato prima dell'incollaggio. Infine applicare il protettivo all'estensimetro. Link produttori Produttore Paese Sito Rappresentanza Italiana Kyowa Giappone Portale CWM S.r.l HBM Germania Portale info@it.hbm.com Huggenberger Svizzera Portale belotti.sistemi@iol.it BLH USA Portale Amplificatori per estensimetri Di seguito presento 4 schemi di amplificatori per estensimetri che hanno caratteristiche diverse ma ugualmente funzionanti: A-Schema che utilizza 1B31 Amplificatore con caratteristiche eccellenti utilizzato per misure di precisione. L'amplificatore incorpora un filtro passa basso a larga banda. B-Schema che utilizza 1B32 Amplificatore con caratteristiche eccellenti utilizzato per misure di precisione. L'amplificatore incorpora un filtro passa basso a 4Hz. C-Schema che utilizza amplificatori operazionali con buon guadagno ma di poca stabilità. Basso costo D-Schema che utilizza AMP04 IC dedicato di buone caratteristiche con guadagno da 10 a Basso costo Ricfed 12

13 Schema A 13

14 Schema B 14

15 Schema C 15

16 Schema D 16