Misurazioni con estensimetri: come evitare gli effetti indesiderati della temperatura sui risultati della misurazione

In questo articolo indicheremo quali effetti (indesiderati) della temperatura possono incidere sui risultati quando si utilizzano gli estensimetri. Troverete anche una pratica assistenza per come ridurre al minimo questi effetti o compensarli completamente. I punti più importanti sono riassunti alla fine dell'articolo in una checklist.

Le variazioni di temperatura durante una misurazione con estensimetro spesso possono avere effetti indesiderati sui risultati della misurazione. Fortunatamente sono disponibili alcune opzioni per compensare in gran parte gli effetti indesiderati della temperatura ed è quindi possibile scegliere il "giusto" estensimetro, che si adatti al meglio all’applicazione, usando gli effetti di un circuito a ponte di Wheatstone con circuito half o full bridge e anche con metodi computazionali.

Vista d’insieme: quali grandezze incidono sulle variazioni di temperatura e cosa si può fare per contrastarle

Grandezza influente

Possibili misure di compensazione

Espansione del materiale Uso di estensimetri auto-compensati
Resistenza dei cavi Uso di tecniche con cablaggi multipli
Coefficiente di temperatura del fattore estensimetro Molto basso, solitamente ignorato. La compensazione computazionale con misurazione simultanea della temperatura è possibile.
Influenza della temperatura sul modulo di elasticità Solitamente ignorato
 
Anche i seguenti punti, che possono anche essere legati alla temperatura, sono importanti:

Effetto

Possibili misure di compensazione

Auto-riscaldamento dell'estensimetro Rispettare la massima tensione di eccitazione
Clima/umidità relativa Copertura attenta del punto di misura
Scorrimento adesivo Osservare i limiti di temperatura dell'adesivo in uso

 

 

I fattori principali: espansione del materiale ed effetti dei cavi

Occorre prestare particolare attenzione a queste due grandezze influenti:

  • Espansione del materiale (“deformazione apparente”)
  • Effetti derivanti dalla resistenza del cavo di misura.

Che cosa bisogna fare per l’espansione del materiale ("deformazione apparente")?

I materiali misurati si espandono man mano che aumenta la temperatura. Questa espansione è descritta dal coefficiente di espansione del materiale. Il valore dipende dal materiale. Per l'acciaio è di circa 11 ppm/K, per esempio, pari ad un’espansione di 11 µm/m per una differenza termica di più/meno un grado Celsius. L’espansione del materiale, sulla quale incidono le variazioni della temperatura, ha come effetto la misurazione di una deformazione "apparente", ovvero senza carico.

Variazione di volume

∆V = α •V0•∆ T

La migliore contromisura possibile in questo caso è l’uso di estensimetri con auto-compensazione. La reazione alla temperatura di questi estensimetri è adattata ad uno specifico materiale, quindi compensano la deformazione apparente (e, di conseguenza, anche l’espansione indotta dalla temperatura del corpo di misurazione).

Che cosa si può fare per le variazioni nella resistenza dei cavi?

Quando è in uso un circuito a due conduttori (v. diagramma), la resistenza di un cavo di misurazione si aggiunge alla resistenza dell'estensimetro – quindi influisce sulla misurazione. Oltre alla risultante deriva zero e alla riduzione dell’effettivo fattore di trasduzione, anche la resistenza del cavo di misura dipende dalla temperatura. Un’efficace contromisura in questo caso è l’uso di tecniche con cablaggi multipli come descritto sotto.

Altre grandezze che influiscono sugli effetti della temperatura

Oltre a questi due fattori principali, esistono altre grandezze influenti, per le quali gli effetti della temperatura risultano importanti.

Tuttavia, la somma di questi effetti può essere ignorata e può solitamente essere risolta attraverso la compensazione computazionale (v. la spiegazione della compensazione computazionale in basso).

Coefficiente di temperatura del fattore estensimetro

Il fattore di trasduzione è la proprietà più importante dell'estensimetro. Descrive la correlazione tra deformazione e il cambiamento della resistenza. Il fattore di trasduzione dipende dalla temperatura. Con i tipici coefficienti della temperatura del fattore di trasduzione pari a 0.01 %/K, il suo effetto distorcente sul risultato della misurazione solitamente è relativamente piccolo, quindi per lo più ignorato. È comunque possibile anche una compensazione computazionale (per la misurazione della temperatura).

Dipendenza dalla temperatura del modulo di elasticità

Il modulo di elasticità è una proprietà del corpo di misurazione che dipende dal materiale. Descrive la correlazione tra la deformazione misurata e lo stress meccanico. Il modulo di elasticità dipende dalla temperatura. Un valore tipico dell’acciaio in questo caso è pari a circa -0,02%/K. Nell’analisi sperimentale dello stresso, l’effetto del modulo di elasticità viene solitamente ignorato. Con i trasduttori ad alta precisione, che possono essere tarati, la compensazione avviene mediante elementi di nichel nel ponte che dipendono dalla temperatura.

Auto-riscaldamento dell’estensimetro (tensione di eccitazione)

La tensione di eccitazione provoca il riscaldamento dell’estensimetro rispetto al corpo di misurazione. A seconda della conducibilità termica del corpo di misurazione, la conduttanza termica è più o meno assorbita dal corpo di misurazione. Se il corpo di misurazione ha una scarsa conducibilità del calore, potrebbe verificarsi una differenza di temperatura tra il corpo di misurazione e l’estensimetro. Ciò potrebbe interferire con il funzionamento dell’estensimetro auto-compensato. Se la massima tensione di eccitazione

Clima e umidità relativa

Se il punto di misurazione non è adeguatamente protetto, potrebbe verificarsi una deriva del punto zero a seconda dell’umidità relativa. Ciò dipende dalle molecole di acqua dell’adesivo e del materiale di supporto dell'estensimetro che vengono assorbite (igroscopia) Una contromisura adeguata consiste nel coprire con cura il punto di misura.

Scorrimento adesivo

Con l'aumento della temperatura, gli adesivi si ammorbidiscono e non sono più in grado di trasferire il 100% della deformazione. In questo modo sono comparabili ad un fattore di trasduzione in diminuzione. Per questo motivo è importante osservare sempre i limiti di temperatura dell'adesivo e sceglierli correttamente in base al campo di applicazione.

Misure di compensazione

Uso di estensimetri auto-compensati

Gli estensimetri auto-compensati sono appositamente sviluppati per compensare reazioni alla temperatura di determinati materiali con il proprio comportamento alla temperatura. Ciò significa che contrastano la deformazione apparente (e quindi l’espansione indotta dalla temperatura del corpo di misurazione). Occorre dunque scegliere un estensimetro con risposta alla temperatura adatta per il materiale di misurazione.

Regolazione della temperatura per materiali comunemente usati con estensimetri auto-compensati:

Codice

Materiale (esempi)

α (·10-6 / °K)

1 Acciaio ferritico  10,8
3 Alluminio  23
5 Acciaio austenitico  16
6 Silicio / compositi  0,5
7 Titanio / ghisa grigia  9,0
8 Plastica  65
9 Molibdeno  5,4

Scegliere un estensimetro adatto al materiale consente di compensare la parte principale della deformazione apparente. Rimane un errore residuo (componente non-lineare). Questo errore viene determinato durante la produzione ed è inserito nella scheda tecnica (v. figura). Per calcoli più complessi, come quelli con escursioni termiche più ampie, è anche possibile eseguire una compensazione computazionale (v. sotto).

Realizzazione della curva d’errore in una scheda tecnica tipica

Circuito con ponte di Wheatstone e circuito con cablaggi multipli

Oltre all’uso di estensimetri auto-compensati, anche il collegamento ad un circuito half o full bridge, l’uso di circuiti a tre o quattro cavi è un altro importante metodo di compensazione particolarmente utile per ridurre al minimo o addirittura eliminare del tutto l’effetto della resistenza.

Il circuito con ponte di Wheatstone converte i minimi cambiamenti di resistenza in tensione elettrica misurabile. I quattro resistori possono essere sostituiti con uno (circuito quarter bridge circuit), due (circuito half bridge) o quattro (circuito full bridge) estensimetri.

Dato che i rami individuali fluiscono nel circuito con ponte di Wheatstone con diversi segnali, esiste la possibilità di compensare. Questo effetto di compensazione della temperatura può essere dimostrato con l’esempio di una lamina in flessione:

con carica positiva, la molla presenta una deformazione (+) in alto e una compressione (-) in basso. Se si collegano due estensimetri ad un circuito con ponte di Wheatstone, il risultato è il raddoppio del segnale. Se si verifica una deformazione in funzione della temperatura, la deformazione appare a entrambi gli estensimetri con stesso segno. Nel circuito con ponte di Wheatstone, gli effetti si annullano reciprocamente.

L’effetto della resistenza del cavo può essere ampiamente compensato in modo selettivo con un circuito a tre fili. Per farlo, il cavo di collegamento ed un terzo cavo aggiuntivo vengono cablati in due diversi rami del circuito con ponte di Wheatstone. Dato che i due cavi hanno un comportamento opposto per via della simmetria della struttura, si compensano reciprocamente, per cui le resistenze dei cavi vengono compensate dal circuito a tre cavi, salvo in caso di cavi asimmetrici e con gradienti di temperatura.

Tutti gli effetti dei cavi sono compensati anche per il circuito a quattro cavi brevettato da HBM.

Compensazione computazionale

La compensazione computazionale può essere eseguita per l'errore residuo con estensimetri auto compensati, per l’errore di un estensimetro non regolato o non sufficientemente regolato e anche per altri piccoli errori (come la dipendenza dalla temperatura del fattore di trasduzione).

Per farlo, la temperatura viene misurata in parallelo e la deformazione misurata viene corretta da un canale in linea o calcolato di conseguenza. Occorre anche considerare i gradienti di temperatura.  Per la temperatura occorre fornire più punti di misurazione, se necessario. Strumenti software come catman® di HBM forniscono anche funzioni adeguate per la compensazione computazionale.

Uso di un amplificatore di misura a frequenza portante

Oltre al sensore stesso, anche l’amplificatore ha un ruolo importante nel considerare gli effetti della temperatura, soprattutto con le tensioni termoelettriche.

Grazie all’effetto termoelettrico, viene prodotta una tensione elettrica dipendente dalla temperatura nel punto in cui si collegano più materiali. Le termocoppie sfruttano questo effetto. Tuttavia, si ha un effetto anche sul sistema di misura con estensimetro (errore zero in funzione della temperatura (ritorno di segnale zero)).

La tensione termoelettrica può essere compensata ampiamente usandoun amplificatore di misura a frequenza portante. In questo caso si crea una tensione di eccitazione sinusoidale, di modo che il segnale di misurazione possa essere modulato in un segnale periodico. La demodulazione viene eseguita digitalmente dopo che il segnale passa attraverso un filtro passa banda cosicché le tensioni termoelettriche quasi-statiche possano essere filtrate nel percorso verso l’amplificatore.

Limiti di temperatura degli estensimetri e adesivi

L’intervallo di temperatura degli estensimetri a pellicola è limitato dai materiali usati. L’intervallo massimo è compreso tra circa 300°C e 400°C. Se occorre eseguire misurazioni a temperature maggiori, occorre usare estensimetri adatti alle alte temperature con principi di funzionamento diversi.

I limiti di temperatura degli estensimetri HBM sono:

  • Serie Y: 200°C
  • Serie M: 300°C
  • Serie C: 250°C
  • Serie G: 200°C
  • Estensimetri precablati: 150°C

Ovviamente occorre rispettare il limite della temperatura dell'adesivo in uso. Se un adesivo si ammorbidisce man mano che aumenta la temperatura, la deformazione non sarà più correttamente trasferita. Pertanto, occorre rispettare i limiti di temperatura dell'adesivo in uso. Gli adesivi sono divisi in prodotti polimerizzati a freddo o a caldo: ciò dipende dal fatto che la polimerizzazione sia adeguata a temperatura ambiente oppure se sia necessario l’uso di un forno. I limiti di temperatura dell'adesivo di HBM sono:

Polimerizzazione a caldo

  • EP310S: 310°C
  • EP150: 150°C


Polimerizzazione a freddo:

  • Z70: 120°C
  • X60: 80°C
  • X280: 280°C

Checklist: i punti principali che riguardano la compensazione della temperatura degli estensimetri

A seconda della grandezza influente, sono disponibili più opzioni per ridurre l’impatto della temperatura sul risultato della misurazione. Ecco la checklist per effettuare misurazioni con ridotto impatto della temperatura:

  • Uso di estensimetri auto-compensati
  • Uso del circuito con ponte di Wheatstone con tre o quattro cavi
  • Uso di un amplificatore di misura a frequenza portante per escludere le tensioni termoelettriche
  • Per la compensazione computazionale: Eseguire una misurazione della temperatura parallela
  • Rispettare i limiti di temperatura degli estensimetri e degli adesivi

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