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Estensimetro

estensimetro

L’ estensimetro elettrico consiste di una griglia di sottilissimo filo metallico incollata su un supporto di materiale plastico. Gli estensimetri sono disponibili in migliaia di configurazioni per adattarsi ad una vasta gamma di applicazioni. In pratica l’estensimetro è incollato sulla superficie di una struttura generalmente utilizzando collanti istantanei, quali il ciano acrilato. Il filo dell’estensimetro segue le deformazioni della superficie su cui è incollato. Le variazioni dimensionali causano una variazione della resistenza elettrica del filo.

estensimetro saldature

Resistenza di un estensimetro

Misurando la resistenza dell’estensimetro si calcola l’entità della deformazione. La variazione di resistenza è infatti proporzionale alla deformazione e può essere misurata con grande precisione. Un estensimetro elettrico è caratterizzato da due grandezze fondamentali:

  1. la resistenza del filo che costituisce la griglia sensibile (i valori comuni di 120, 350 e 600 ohm);
  2. il gauge factor ovvero il fattore di trasduzione, che esprime la sensibilità dell’estensimetro.

L’incremento di resistenza dell’estensimetro viene espressa come rapporto fra la variazione di resistenza e la resistenza totale del filo.
L = è la lunghezza iniziale del corpo
\Delta L = la variazione di lunghezza
R = è la resistenza iniziale del filo
\Delta R = la variazione di resistenza

Il gauge factor è pari a: G_f=\frac{\Delta R/R}{\Delta L/L}

Negli estensimetri commerciali il valore del gauge factor va da 2 a 150. Tipicamente si possono misurare delle deformazioni con una risoluzione di un micrometro/metro, cioè di una parte su un milione. Per determinare le sollecitazioni principali si usano estensimetri con 3 griglie su uno stesso supporto ma orientati diversamente. La risposta dell’estensimetro è istantanea, ciò permette di individuare sia le deformazioni statiche che le deformazioni dinamiche. Le frequenze di esercizio possono arrivare a diverse migliaia di Hertz. Gli estensimetri possono essere usati per misurare delle grandezze fisiche in maniera diretta o indiretta. È importante scegliere l’estensimetro in funzione dell’accuratezza, della durata a fatica, del campo in temperatura e delle condizioni ambientali.
I parametri da selezionare sono in sequenza:

  • lunghezza;
  • geometria della griglia e dei terminali;
  • la serie (combinazione supporto-lega);
  • l’opzione;
  • la resistenza in Ohm;
  • il numero STC

Ponte di Wheatstone

Dispositivo elettrico usato per misurare in laboratorio il valore di una resistenza. Il ponte di Wheatstone È costituito da tre resistenze di valore noto e dalla resistenza incognita. Le resistenze sono connesse in un circuito a forma di rombo. Il circuito è alimentato da un generatore di corrente continua connesso a due vertici del circuito. Ai due vertici rimanenti si collega uno strumento per la misurazione della differenza di potenziale (un multimetro).

ponte wheatstone

L’applicazione delle leggi di Kirchhoff permette di capire il funzionamento dello strumento. Nel ponte non circola corrente se i prodotti delle resistenze sui lati opposti sono uguali. Per portarsi in tale condizione, detta di equilibrio, si varia la resistenza campione fino a quando il galvanometro si azzera; è facile ora trovare la resistenza incognita. Lo stesso principio è alla base della costruzione di strumenti che rilevano le variazioni di una grandezza fisica: in essi, a una (o più) delle resistenze si sostituisce gli estensimetri. Il ponte è calibrato in modo che la condizione di equilibrio sia inizialmente verificata, e nel ponte non fluisca corrente. Quando però la grandezza in esame cioè la deformazione varia, la resistenza del sensore stesso cambia, e una corrente prende a fluire attraverso il ponte che si può leggere sul multimetro.

alimentatore

Installazione di un estensimetro

Questa procedura è molto delicata in quanto non ci devono essere contaminazioni di nessun tipo, come per esempio impronte digitali dell’operatore o qualsiasi altra traccia che possa interferire con la misurazione, sulla superficie che vogliamo misurare. La contaminazione della superficie insieme alle sue irregolarità provocherebbe un incollaggio non ideale dell’estensimetro.

Di seguito viene riportata la procedura di installazione e taratura di un estensimetro eseguita in università da me e altri colleghi.Praticamente abbiamo installato 4 estensimetri su una placchetta di alluminio e abbiamo poi ammorsato una estremità e appeso all’altra estremità pesetti calibrati. Cosi facendo abbiamo creato un dinamometro, che ad una certo peso restituisce una precisa differenza di potenziale grazie agli estensimetri.

Il nostro provino è una billetta di alluminio avente le seguenti dimensioni:

Lunghezza = 130.1 mm
Larghezza = 30.3 mm
Spessore = 3.1 mm

Innanzitutto si deve effettuare una foratura sul bordo dove verrà ammorzata la billetta, per permettere durante l’esperimento di attaccare i pesi che andranno a deformare la superficie. Il foro da un 1.5 mm in diametro è stato effettuato a una distanza di 1 mm dal bordo. Successivamente viene eseguita la tracciatura sulle due superfici, che ci permetterà di installare gli strumenti in modo simmetrico, sia su una superficie che sull’altra: questa può effettuarsi sia con una matita con mina molto dura (4H). Durante questa operazione bisogna tener presente che gli estensimetri devono essere incollati a una distanza sufficientemente lontana dal bordo, per permettere l’ammorsaggio.

Incollaggio dell’estensimetro

Per ottenere un buon incollaggio dello strumento bisogna seguire alcuni passaggi:

  1. Pulire bene la superficie dove verrà applicato l’estensimetro con uno sgrassatore CSM-2 e con della garza: unico avvertimento è quello di non passare due volte con la stessa garza sulla zona appena trattata, eventuali tracce contaminanti potrebbero ridepositarsi sulla superficie.
  2. Subito dopo il carteggio con varie granulometrie di carta abrasiva per rendere le superfici lucide: si esegue il primo carteggio con una granulometria 200 – 240, poi segue un secondo carteggio con una granulometria 320 e alla fine l’ultimo carteggio con granulometria 400.
  3. Con una garza pulita passare sulla superficie un prodotto chiamato condizionatore (CONDITIONER – A) il quale attacca il metallo per renderlo più lucido e toglie le impurità. Anche qui vale lo stesso accorgimento: mai passare due volte con la stessa garza sulla superficie perche potrebbe ricontaminarsi.
  4. Di seguito trattare la superficie con un altro prodotto, chiamato neutralizzatore il quale ripristina la neutralità del provino: asciughiamo bene con una garza evitando sempre di ripassare più di una volta sulla zona già trattata. Il provino è pronto e possiamo applicare gli estensimetri sulle due superfici.
  5. Con una pinza prendiamo un estensimetro e lo posizioniamo sullo scotch speciale (PCT-2A) che non lascia residui siliconici durante la sua rimozione.

Ripetiamo l’operazione per altre tre volte fino a che non abbiamo installato tutti e quattro gli estensimetri: ultima installazione è il bondable terminal CEG-75C con il quale facciamo i collegamenti tra i quattro estensimetri tramite saldatura a stagno. Ora possiamo iniziare a collegare tra loro gli estensimetri seguendo lo schema del ponte di Wheatstone. Dal bondable terminal partono due coppie di terminali che indicano rispettivamente: una l’acquisizione dati, che andranno in uno strumento di acquisizione (multimetro); l’altra è l’alimentazione, collegata a un power supplier.

multimetro

Calibrazione

Per calibrare i pesetti abbiamo usato una bilancia elettrica che misura fino al millesimo di grammo, essendo tale bilancia estremamente sensibile, si sono fatte 10 pesate per campione, estraendone una media. Ammorsiamo ora la billetta al tavolo, e colleghiamo i vari terminali agli strumenti sopracitati. Bisogna far attenzione ad applicare i pesi in ordine crescente di massa, così che le deformazioni maggiori si abbiano alla fine, perché producono il ritorno elastico maggiore. Ora lasciamo che il filo si tenda sotto l’applicazione del carico e si attende fino a quando la massa smette di oscillare, e si prende il valor medio della tensione rilevata; facciamo così per tutte le masse necessarie alla taratura.

Noti i dati delle pesate e delle f.e.m degli estensimetri, si ottiene la curva di taratura con una linea di tendenza in Excel. Il nostro strumento è tarato, basta infatti inserire un peso incognito e, grazie alla curva appena creata, siamo in grado di stabilirne il peso.Abbiamo cosi creato una bilancia.

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