Funzionamento degli estensimetri

La deformazione è una variazione longitudinale relativa di un componente o di una struttura sotto sollecitazione. Può risultare in un allungamento (stiramento) o anche in un accorciamento (compressione). La deformazione può verificarsi su una struttura a causa di forze o coppie applicate (deformazione meccanica) ma anche a causa di una dilatazione termica al variare della temperatura. In caso di misurazione indiretta della forza, la deformazione meccanica tramite estensimetri.

La variazione longitudinale relativa viene descritta come deformazione ε in [m/m] ed è definita come il rapporto di una variazione longitudinale assoluta Δ l rispetto a una lunghezza totale l0. La deformazione non ha dimensioni. Il simbolo della deformazione è ɛ. Poiché normalmente durante il monitoraggio dei componenti si verificano piccole deformazioni, queste vengono indicate in [µm/m] (1 µm = 10-6 m). In Europa le deformazioni vengono principalmente indicate in [µm/m], nelle zone anglo-americane in microstrain o microepsilon [µɛ]. Se un componente si allunga, si parla di deformazione positiva. Se si comprime, di deformazione negativa.

Nella maggior parte dei casi la deformazione viene misurata per determinare il grado di sollecitazione e quindi delle tensioni di una sostanza dovute a una sollecitazione meccanica. La misurazione della deformazione consente anche di determinare la forza che l’ha causata. In questo modo, la misurazione della deformazione offre un’alternativa intelligente per la determinazione di grandi forze. In un ambiente di laboratorio, gli estensimetri vengono applicati ripetutamente su un componente. In una produzione in serie risulta tuttavia più semplice utilizzare estensimetri avvitabili per generare rapporti costanti di elevata qualità per la misurazione indiretta della forza.

Gli estensimetri sono un’alternativa adatta ai sensori di forza, per ampi range di forza e costruzioni rigide. A differenza dei sensori di forza, gli estensimetri non vengono montati direttamente nel flusso di forza, ma avvitati sulla superficie del relativo componente. Le deformazioni si verificano a causa della sollecitazione della struttura della macchina. Gli estensimetri consentono così di determinare facilmente la forza agente tramite la deformazione misurata della superficie. In caso di misurazione indiretta della forza tramite estensimetri, le grandi forze possono essere rilevate con un piccolo estensimetro ottimizzando così i costi.

Insieme agli estensimetri avvitabili all’esterno esistono anche versioni che misurano la deformazione in un foro. Ciò può risultare sensato in base alla struttura dell’impianto.

Ogni componente caricato con una forza (F) è soggetto a un determinato allungamento (ε). Tale allungamento nella zona elastica lineare dipende sempre dal modulo E del materiale (E), dalla sezione (A) del materiale e dalla forza. Questi tre parametri consentono di calcolare la deformazione come indicato di seguito:

Tale equazione consente di determinare facilmente anche la tensione del componente corrispondente. Tali calcoli si basano sulla legge di Hooke. La legge di Hooke, nella sua forma più semplice, determina la proporzionalità diretta della deformazione ε [m/m] e della sollecitazione σ [N/mm²] di un determinato materiale in base al suo modulo di elasticità E [N/mm²].

La concezione meccanica e la scelta dei materiali del componente avvengono sulla base delle tensioni meccaniche che si verificano. In caso di acciai a bassa resistenza sono consentite tensioni più basse e quindi deformazioni. In caso di acciai altamente resistenti sono consentite tensioni più elevate e deformazioni. 
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Gli estensimetri hanno diversi range di misura che coprono le deformazioni previste.

L’allungamento effettivo di un componente, oltre alla geometria e alla forza, dipende anche sempre dal suo materiale. Il valore caratteristico decisivo è il modulo E (modulo di elasticità). Descrive il rapporto proporzionale tra tensione ed allungamento durante la deformazione di un corpo solido nel tratto elastico lineare. Vige che più rigido è un materiale, maggiore sarà anche il suo modulo E. Il modulo E per l’acciaio da bonifica comune negli estensimetro corrisponde a E = 210000 N/mm².
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Il modulo E dell’alluminio corrisponde a circa 70000 N/mm², il modulo E dell’ebanite a 5 N/mm².

Deformazione misurata sull’estensimetro: 240 µm/m

Larghezza della barra in acciaio 20 mm x 20 mm --> Sezione A = 20 mm x 20 mm = 400 mm^{2
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F= 400 mm² x 210000 N/mm² x 240 x 10-6 m/m = 20160 N

La grandezza meccanica rispetto al segnale elettrico viene elaborata in quattro fasi nei sensori di estensione basati su estensimetro. Il punto di partenza è un componente soggetto ad una deformazione a causa dell’applicazione di una forza. Tale deformazione viene trasmessa all’estensimetro tramite il collegamento per attrito. L’estensimetro, a sua volta, è dotato di un corpo a molla in acciaio da bonifica su cui si sviluppano deformazioni sulla superficie del materiale dovute a sollecitazioni esterne. Gli estensimetri applicati sulla superficie del corpo a molla rilevano tale deformazione. Essi trasformano quindi la deformazione meccanica in una variazione in resistenza elettrica e agiscono come convertitore meccanico-elettrico. Tramite questa variazione in resistenza generano una variazione di tensione proporzionale alla deformazione. La configurazione intelligente dei singoli estensimetri in un ponte di Wheatstone consente di evidenziare anche deformazioni minime.

Gli estensimetri sono il nucleo dei sensori di forza e di deformazione Baumer e vengono utilizzati per rilevare le deformazioni sulla superficie del materiale. Consistono di solito in un foglio di supporto (poliimmide), una griglia di misurazione a serpentina in constantana e uno strato di copertura. Essi trasformano quindi la deformazione meccanica in una variazione in resistenza elettrica e agiscono come convertitore meccanico-elettrico. La variazione in resistenza degli estensimetri avviene in modo proporzionale e viene definita fattore k. 

Modelli
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Gli estensimetri metallici per la costruzione di rilevatori sono disponibili in diversi modelli. Oltre ai tipici estensimetri lineari, sono modelli tipici anche le rosette estensimetriche a T, le rosette estensimetriche e gli estensimetri di taglio:

Il circuito a ponte di Wheatstone è un circuito speciale di resistente elettriche con cui è possibile eseguire una misurazione accurata delle variazioni in resistenza. Nel circuito a ponte completo utilizzato nella sensoristica vengono configurati sempre quattro estensimetri in successione secondo un determinato ordine. Il circuito a ponte è costituito da due partitori di tensione collegati in parallelo alimentati con una fonte di tensione comune con alimentazione ponte U_B.

Il circuito a ponte di Wheatstone consente di rilevare in modo accurato le minime variazioni in resistenza. Le variazioni delle singole resistenze implicano uno squilibrio del ponte UA che può essere misurato facilmente. Il segnale di misura del ponte si comporta in modo raziometrico ed è proporzionale alla tensione di alimentazione. Il segnale di misura tipico degli estensimetri rientra nell’intervallo 0,4…3,0 mV/V.

La meccanica degli estensimetri Baumer è concepita resistente alla fatica per almeno 10 milioni di cicli su +/- l’intero intervallo di deformazione (es. +/- 500 µm/m). In questo modo, è possibile monitorare processi con un elevato numero di cicli e sollecitazioni in direzione positiva e negativa. 

Il portfolio Baumer degli estensimetri offre possibilità d’impiego pressoché illimitate. Esistono estensimetri per spazi ridotti, applicazioni industriali standard e anche per applicazioni esterne rigide.