Trasduttori di forza basati sugli estensimetri

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I trasduttori di forza basati sugli estensimetri hanno un cosiddetto elemento elastico o corpo di carico a cui vengono applicate le forze da misurare.

Sotto il carico, l'elemento elastico genera una deformazione sulla sua superficie. Il compito dell'elemento elastico è pertanto quello di convertire le forze da misurare in una deformazione nel modo più riproducibile e lineare possibile. Molte delle caratteristiche del trasduttore di forza vengono definite dalla scelta opportuna del materiale e della struttura dell'elemento elastico.

L'effettivo organo sensore è l'estensimetro (ER), il quale consiste in uno strato isolante (detto supporto) e nella griglia di misura inglobata in esso. Gli estensimetri vengono incollati all'elemento elastico in punti adatti. In genere sono utilizzati quattro estensimetri, installati in modo che due siano allungati e due siano compressi dalla forza applicata.

I quattro ER sono collegati in un circuito detto a ponte di Wheatstone. Come mostrato nella figura sottostante, il ponte di Wheatstone è alimentato dalla tensione di alimentazione. Si ha sempre una tensione di uscita allorché le quattro resistenze sono differenti: ad esempio quando la resistenza degli ER cambia sotto l'azione della deformazione.

Principio operativo di un trasduttore di forza ad estensimetri mediante l'esempio di un trasduttore a torsione anulare (tipo: C18)

Il segnale di uscita dipende dalla variazione della resistenza degli ER, pertanto direttamente dalla forza applicata.

Di questo principio si possiede una comprovata esperienza ed esso offre numerosi vantaggi. I più importanti sono:

• Quando la resistenza elettrica di tutti gli ER varia della medesima polarità ed entità, non viene generata alcuna tensione di uscita. Ciò significa che vengono compensate numerose influenze parassite quali, ad esempio, quella della dipendenza del punto zero dalla temperatura, le influenze del momento flettente e gli effetti della forza laterale (vedere più avanti).
• Questo principio di misura consente la costruzione di trasduttori di forza di altissima accuratezza a costi relativamente bassi.
• La forza nominale del trasduttore è determinata solo dalla rigidità dell'elemento elastico. La HBM dispone di trasduttori con forze nominali da 10 N a 5 MN.

Il primo punto è particolarmente significativo. Esso dimostra che usando il circuito a ponte di Wheatstone si possono compensare numerose influenze non desiderate.
In particolare può essere compensata ad un livello molto alto l'influenza della temperatura sul punto zero (TK_Zero). Qualsiasi estensimetro mostra un segnale di uscita se varia la temperatura, la cosiddetta deformazione apparente.

Figura 1: Segnale di uscita dell'ER dipendente dalla temperatura

L'effetto di compensazione è dovuto al fatto che per quanto concerne la polarità e l'entità di variazione della resistenza, tutti i quattro ER si comportano nello stesso modo durante le variazioni di temperatura. Rientrando nell'equazione i due segnali positivi ed i due negativi degli ER, non viene praticamente generato alcun segnale di uscita in seguito alla variazione di temperatura.

Il minimo errore residuo restante può essere corretto con speciali resistori di Nickel collegati nel ponte di Wheatstone.

L'aggiunta di resistenze dipendenti dalla temperatura (cioè gli elementi di Nickel) nella diagonale di alimentazione del ponte compensa la dipendenza dalla temperatura della sensibilità(TCS). Durante la variazione della temperatura, diminuisce il modulo E del materiale, col risultato di aumentare la deformazione a parità della forza applicata. Inoltre, anche la sensibilità dell'ER è dipendente dalla temperatura. Ulteriori resistori nella diagonale di misura compensano tale effetto aumentando il valore della loro resistenza all'aumentare della temperatura, provocando così una maggior caduta di tensione. Ciò riduce la tensione di alimentazione del ponte di Wheatstone e, conseguentemente, diminuisce il segnale di uscita.

Gli errori di linearità nascono dai rapporti geometrici che cambiano sotto l'effetto del carico. I trasduttori di forza possono essere ottimizzati al fine di ottenere una linearità estremamente buona, mediante la scelta intelligente della struttura dell'elemento elastico ed il preciso posizionamento degli estensimetri.

La figura 2 mostra una sintesi delle opzioni di compensazione. Oltre alle influenze del TKzero e TCS sopra descritte dettagliatamente, è anche possibile compensare la linearità e, con l'aggiustamento, ottenere la sensibilità richiesta.

Figura 2: Configurazione di un trasduttore di forza con l'aggiustamento TKzero e TCS. Elementi addizionali di aggiustamento della sensibilità e della linearità

La tecnologia ad ER consente anche la compensazione delle influenze meccaniche che non devono essere misurate, p.es. i momenti flettenti e le forze laterali.