Come massimizzare la vita a fatica degli estensimetri elettrici a lamina

Quello della vita a fatica degli estensimetri elettrici è spesso un argomento controverso. Alcuni dei nostri clienti ci chiedono “Qual è la vita a fatica massima degli estensimetri?” e “Qual è l’ampiezza di deformazione massima consentita e per quanti cicli?” I materiali sono sempre più forti (materiali compositi) e richiedono estensimetri resistenti per i test di durata.

Gli estensimetri elettrici sono sensori con una tecnologia comprovata utilizzati per molti test in diversi campi, come ad esempio test di carico statico, prove a fatica nei test sui componenti e in scala reale. In questo contesto, i materiali vengono migliorati e progettati per essere utilizzati fino al limite massimo possibile per migliorare il rapporto peso-forza ed essere pronti a rispondere alle esigenze dei prodotti futuri.

In questi test, i materiali devono essere testati periodicamente su macchine di prova sia come componenti che come prodotti completi o, in test in mobilità, per simulare situazioni di sollecitazione per assicurarsi che non si verifichino guasti.

Un guasto non previsto di un estensimetro durante un test di durata può avere come conseguenza costi e impegno di risorse aggiuntivi. È quindi importante sapere quanti cicli di carico possono essere sopportati da un estensimetro e il grado di precisione che può essere raggiunto.

Uno dei fattori limitanti è costituito dal materiale usato per gli estensimetri elettrici a lamina. Uno dei componenti principali di un estensimetro a lamina è la griglia in metallo. La griglia in metallo a serpentina viene deformata intenzionalmente durante il carico per ottenere una variazione della resistenza ohmica. Questa variazione della resistenza ohmica può essere rilevata come modifica della tensione nel ponte di Wheatstone.

I metalli più usati per gli estensimetri elettrici sono la costantana o il CrNi (Modco). La costantana e il Modco sono materiali metallici simili ad altri materiali di costruzione più comuni come l’acciaio e l’alluminio. I metalli hanno una zona di deformazione elastico-lineare e una plastica. Il grafico riportato qui di seguito illustra il comportamento dell’acciaio in termini di sollecitazione e deformazione.

Se un materiale viene sollecitato solamente nella zona elastico-lineare la deformazione del materiale è reversibile. La sollecitazione di un materiale oltre il limite di snervamento ne provoca una deformazione plastica. Quando un materiale raggiunge un valore di sollecitazione specifico in questa zona, non ritorna allo stato iniziale una volta rimosso il carico: il materiale viene deformato in maniera irreversibile. Questo comportamento tipico dell’acciaio esiste anche nei materiali usati per gli estensimetri a lamina!

Purtroppo, però, il punto di snervamento/limite elastico non può essere esteso all’infinito e questo è uno dei motivi per cui la fatica degli estensimetri elettrici è limitata.

Da questo grafico tipico è possibile derivare quanto segue: la durata di un estensimetro durante un test dipende dalla sollecitazione applicata allo stesso. Ampiezze ridotte aumentano notevolmente la vita a fatica perché l’estensimetro è sollecitato nella zona elastico-lineare e la deformazione del materiale è reversibile. Ampiezze maggiori sono invece più problematiche, poiché nel campo degli estensimetri il superamento di un limite specifico può verificarsi una sola volta.

Le illustrazioni seguenti mostrano come appare tale comportamento in un test meccanico:

1. Esempio di profilo di carico per test di deformazione statica

Se viene eseguito un test di deformazione statica (1.), l’estensimetro può essere utilizzato in una sola direzione (tensione o compressione) e superare il limite di snervamento. Il valore misurato nella zona di deformazione è comunque valido. I valori massimi per gli estensimetri elettrici sono indicati come deformazione assoluta nel catalogo in PDF degli estensimetri. I valori di tensione e compressione sono indicati separatamente. Per questi test, con gli estensimetri a lamina di HBM è possibile raggiungere valori di deformazione elevati, compresi tra l’1% e il 10%.

2. Esempio di profilo di carico per un test dinamico

Quando l’estensimetro viene utilizzato in un test di carico dinamico (2.), ossia con deformazioni in direzioni alternate (tensione e compressione), il superamento del limite di snervamento del materiale della griglia non è ammesso. I massimi valori ammissibili sono indicati nel catalogo degli estensimetri come vita a fatica. La vita a fatica implica la massima ampiezza ammissibile a seconda dei cicli di carico e della tolleranza della deriva del punto zero del segnale. Gli estensimetri sottoposti a test sulla vita a fatica in HBM vengono sempre testati in entrambe le direzioni (tensione e compressione).

Un ciclo di carico corrisponde a 1x tensione e 1 x compressione all’ampiezza specificata.

Deformazione assoluta

Deformazione statica significa che l’estensimetro può essere caricato con la deformazione specificata in una direzione una sola volta durante la sua vita utile. Se il limite specificato viene superato, è molto probabile che l’estensimetro subisca un danno.

Extract from data sheet of Y-Series — Estratto dalle specifiche della Serie Y

Il grafico riportato qui di seguito illustra la deformazione statica massima che può essere raggiunta con diversi estensimetri della Serie Y quando vengono caricati con +-5%, con quelli della Serie M fino all’1% e con i nostri estensimetri pre-cablati basati sulla Serie Y con una deformazione massima fino a +2,5/-2%.

Vita a fatica (test dinamico)

Un estensimetro a lamina caricato più volte in una prova a fatica mostra che esiste una forte correlazione tra il numero di cicli di carico e l’ampiezza di carico. Ampiezze di deformazione elevate sul materiale della griglia di misura possono causare una deformazione plastica, che viene riconosciuta come deriva del punto zero del segnale o perdita completa del segnale. In questo caso, il numero di cicli di carico può essere ridotto drasticamente. Il grafico riportato di seguito mostra che la vita a fatica dipende da numerosi parametri. La correlazione tra ampiezza di carico e cicli di carico non è lineare.

La vita a fatica di ogni singolo estensimetro a lamina è indicata nel catalogo in PDF degli estensimetri.

Come mi accorgo che il mio estensimetro ha superato la sua vita a fatica?

1. Deriva del punto zero del segnale (variazione permanente di resistenza)

2. Variazione permanente del fattore k

Anche una variazione permanente del fattore k è un chiaro indicatore del fatto che l’estensimetro è danneggiato.

3. Interruzione del segnale di misura

Eventuali crepe nella griglia di misura vengono evidenziate da un segnale sinusoidale discontinuo. Durante il caricamento singolo l’apertura e la chiusura di piccole crepe provocano la perdita del segnale. La connessione del segnale elettrico è quindi solo parziale.

4. Irregolarità visibili

Anche la presenza di crepe e irregolarità visibili nell’estensimetro o nella saldatura mostrano che l’estensimetro è danneggiato.

Crepe su un giunto di saldatura dopo diversi cicli di carico

La vita a fatica degli estensimetri HBM

Il grafico seguente illustra la vita a fatica degli estensimetri elettrici per cicli di carico compresi tra 1000 e 10.000.000 per estensimetri Serie Y e M. I massimi valori raggiungibili dipendono da diversi fattori, come ad esempio la qualità dell’installazione.

La correlazione tra i cicli di carico e l’ampiezza di carico massima non è per niente lineare (scala logaritmica).
Tutti i valori sono valori medi di un test statico
Per tutti i valori di misura viene tollerata una deriva specifica del punto zero (vedi catalogo in PDF degli estensimetri).
Con la Serie M di HBM, è possibile raggiungere cicli di carico fino a 100.000.000 (100 milioni) con un’ampiezza di carico di 1000 µm/m.

Le misure ad ampiezze maggiori (>4000 µm/m) effettuate con estensimetri elettrici mostrano un’ulteriore diminuzione dei cicli di carico ammissibili prima che il segnale mostri una deriva significativa del punto zero. I test di deformazione ad ampiezze decisamente elevate mostrano che il numero di cicli di carico viene notevolmente ridotto. Usando, ad esempio, estensimetri della Serie M solo per test di carico con rigonfiamento con +5200 µm/m, il test viene ridotto a 1000 cicli. Se il test viene eseguito a +7000µm/m, i cicli di test vengono ridotti a 100.

Per testare ampiezze di carico elevate con un numero maggiore di cicli, suggeriamo anche l’uso di estensimetri ottici.

Cosa posso fare per massimizzare la vita a fatica degli estensimetri?

1. Ridurre al minimo la quantità di materiale di saldatura sul terminale di saldatura.

Le zone rigide del materiale sono il punto più a rischio di danneggiamento quando vi si applica un carico statico o dinamico. Una saldatura professionale con la minima quantità di materiale di saldatura possibile sul terminale di saldatura riduce la rigidità e aumenta la vita a fatica.

2. Saldare il cavo a 90° rispetto alla direzione della deformazione.

Ridurre al minimo la superficie di contatto sul terminale di saldatura aumenta la vita a fatica.

3. Usare materiale di cablaggio e fili altamente flessibili.

I cavi collegati al terminale di saldatura fanno parte del sistema meccanico. L’uso di cavi rigidi con ampi diametri aumenta la rigidità locale. Tale rigidità può essere ridotta usando cavi flessibili con diametri ridotti.

4. Usare estensimetri con terminali di saldatura esterni.

L’uso di terminali di saldatura esterni consente l’uso di estensimetri collegati tramite filo elettrico. Gli estensimetri collegati tramite filo elettrico offrono il massimo livello di flessibilità possibile e permettono di evitare l’accumulo di materiale di saldatura sull’estensimetro stesso. La saldatura avviene sul terminale di saldatura.

5. Evitare i rivestimenti.

Per raggiungere la massima vita a fatica possibile, è consigliabile evitare i rivestimenti, in quanto essi interagiscono con l’estensimetro e potrebbero aumentare le sollecitazioni in punti specifici.

6. Usare griglie di misura ampie.

Una superficie della griglia di misura più ampia aumenta la vita a fatica (usare, ad esempio, griglie di 6mm invece che di 3mm).

7. Garantire un’elevata qualità del legame.

Usare adesivi sottili come Z70 o EP310N.

8. Usare estensimetri con incapsulamento (standard per la maggior parte degli estensimetri di HBM).

9. Usare estensimetri specifici per la vita a fatica.

La Serie M di HBM è stata sviluppata appositamente per i test su materiali con una vita a fatica lunga. Questi estensimetri hanno una griglia realizzata con un materiale molto resistente (Modco) e un catalizzatore speciale (resina fenolica). Inoltre, hanno un serra-cavi integrato che separa le linguette di saldatura dalla griglia di misura.

HBM Serie M

Sviluppata appositamente per materiali con vita a fatica elevata
Catalizzatore in resina fenolica rinforzato con fibra di vetro
Disponibile con resistenza di 350 e 1000 Ohm
Serra-cavi integrato
Temperatura di esercizio compresa tra -200 °C e 300 °C

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