Quali cavi di collegamento usare per le applicazioni con estensimetri elettrici a lamina – Test strutturali/Misure di durata

Sul mercato sono disponibili molti cavi che possono essere usati per le applicazioni con estensimetri.

Il successo di una misurazione dipende dall’uso dei cavi di collegamento corretti, poiché il loro compito non è soltanto quello di trasferire i segnali di misura dal sensore al sistema DAQ, ma anche di evitare segnali di interferenza e resistere alle deformazioni durante l’uso. In una situazione ideale, il cavo non dovrebbe influenzare in alcun modo la misura delle deformazioni. In realtà, però, i cavi/fili possono influenzare il segnale di misura; è possibile comunque limitare gli effetti dei fili riducendoli ad un livello accettabile. HBM offre una vasta scelta di cavi di misura e cavi flessibili di piccole dimensioni per una vasta gamma di applicazioni. Ci sono alcuni punti molto importanti da prendere in considerazione quando si deve scegliere il cavo corretto per la propria applicazione:

Nella maggior parte delle applicazioni con estensimetri, vengono utilizzati i fili a più trefoli con rivestimento in stagno. Solitamente, vengono usati come fili i conduttori in rame (si tratta dello standard più comune, per l’ottimo rapporto costi-conduzione).

In una configurazione quarter-bridge, il segnale di misura della deformazione è molto sensibile:

  • La tensione di eccitazione tipica di un estensimetro quarter-bridge è di 2,5 V
  • La deformazione applicata all’estensimetro crea una tensione in uscita dal ponte relativamente bassa!

(0,000125V per una deformazione di 100µm/m e 0,0025V per una deformazione di 2000µm/m). Il grafico rappresentato qui di seguito mostra la situazione tipica di un’applicazione quarter-bridge.

Questo segnale di tensione della misura non deve interferire con segnali esterni. Per questo motivo, è assolutamente necessario utilizzare un cavo di misura corretto!

Segnale di tensione in uscita dal ponte con segnale di deformazione di 100µm/m. La tensione di eccitazione del ponte (rosso) è molto piccola rispetto alla tensione di eccitazione (blu):


1 Funzione dei fili

Collegamento tra sensore e amplificatore

  • Fornisce alimentazione per l’eccitazione del circuito di estensimetri
  • Trasmette il segnale di misura dal sensore al sistema DAQ
  • Svolge una funzione di protezione contro le interferenze esterne

2 Interferenze/impatti sul cavo di misura


3 I requisiti di un cavo per applicazioni con estensimetri in breve

1.     Bassa resistenza (generalmente) e alta capacità elettrica

2.     Buon isolamento

3.     Buona protezione meccanica

4.     Buona maneggevolezza (flessibilità)

5.     Intervallo di temperatura di esercizio adatto e bassa influenza delle variazioni di temperatura

6.     Buona capacità di saldatura dei fili

7.     Requisiti di sicurezza (ignifugo ecc.)

8.     Robustezza meccanica

9.     Robustezza nei confronti di diversi ambienti (acqua, olio, solventi, ecc.)


4 Requisiti ambientali di cavi/fili:

Il rivestimento e l’isolamento del filo influenzano l’intervallo di temperatura a cui può essere esposto. Il grafico qui di seguito mostra l’intervallo di temperatura tipico dei cavi in base al rivestimento degli stessi.

  • Per la maggior parte delle applicazioni, è possibile utilizzare cavi isolati in PVC che offrono un ottimo rapporto costi-rendimento (fino a 80 °C)
  • Per le temperature medie, i cavi in TPE rappresentano una buona scelta (fino a 150 °C)
  • Per le temperature più alte, si consiglia di utilizzare cavi in PFA (fino a 250 °C) o cavi rivestiti in poliimmide (>300 °C)
  • Alle basse temperature, i cavi standard possono indebolirsi e creare problemi nel caso in cui vengano utilizzati in ambienti di prova dinamici. In questo caso, si consiglia di utilizzare cavi con una guaina in PTFE, PI o fibra di vetro.

I cavi devono rispondere anche a molti altri requisiti, come ad esempio la resistenza a diversi fluidi e l’infiammabilità. La tabella qui di seguito contiene un riepilogo delle guaine e dei materiali di isolamento tipici dei cavi e i rispettivi intervalli di temperatura:


5 Diametro del conduttore:

  • Il diametro del filo fa una grande differenza sulla resistenza. La tensione di eccitazione di un ponte di estensimetri genera una corrente che riscalda il conduttore. Più piccolo è il diametro, più la temperatura sul filo aumenta.

  • Per ridurre al minimo gli errori, si deve utilizzare il diametro maggiore possibile per il filo, in modo tale da limitare l’effetto della resistenza del filo di piombo nelle applicazioni con estensimetri e gli effetti termici sul cavo.

  • In alcune applicazioni, è necessario usare cavi sottili per ridurre l’inerzia/il peso o consentire un raggio di curvatura ridotto.

  • I cavi dei sensori lunghi solitamente richiedono diametri dei fili maggiori.

Si deve utilizzare un cavo di diametro ridotto in corrispondenza dell’estensimetro per ridurre la quantità di materiale di saldatura e la sollecitazione del momento parassita sull’estensimetro. Tuttavia, bisogna tenere in considerazione che questi fili sottili influiscono sulla stabilità e sulla sensibilità del circuito.

  • È possibile utilizzare un terminale di saldatura come punto di intersezione tra il cavo di misura e il filo di collegamento dell’estensimetro. Questo metodo permette una transizione tra un cavo di diametro ridotto e un cavo di diametro maggiore:

Estensimetro collegato con la tecnologia a 4 fili brevettata da HBM:

Che cos’è la configurazione a 4 fili brevettata da HBM?

Solo il circuito a 4 fili, o circuito Kreuzer brevettato da HBM, consente di compensare diverse resistenze dei cavi. Un flusso di corrente elettrica noto passa attraverso il resistore tramite due dei fili di piombo. La caduta di tensione in corrispondenza del resistore RKab1 viene corretta (ad alta impedenza) tramite due fili di piombo aggiuntivi.

Il circuito Kreuzer misura la tensione attraverso il resistore RKab2 e la somma all’eccitazione. La tensione e quindi la corrente che passano attraverso il resistore di completamento Rerg sono indipendenti dalla resistenza del cavo. Gli errori di sensibilità e quelli relativi al punto zero che derivano dagli effetti del cavo vengono compensati elettronicamente.

https://www.hbm.com/en/3458/tips-and-tricks-successfully-compensating-for-lead-resistances/

Suggerimenti su come spelare i fili degli estensimetri

1 Spelare tramite stripping termico 5mm di materiale di isolamento dal filo da attaccare all’estensimetro.

Lo stripping termico permette di evitare i danni che possono verificarsi utilizzando lo stripping meccanico con le pinze.

2 Saldare a stagno l’estremità del filo.

3 Spuntare il conduttore stagnato in modo tale che non fuoriesca dal supporto dell’estensimetro dopo la saldatura (1-3mm a seconda della geometria dell’estensimetro).


6 Numero di conduttori

1 filo: Collegamenti tra gli estensimetri e i terminali di saldatura

3-/4 fili: per applicazioni quarter -bridge (immagine relativa solo all’opzione con 4 fili) o full-bridge:

5 fili: applicazioni half-bridge

6 fili: applicazioni full-bridge


7 Lunghezza dei cavi

  • Nelle misurazioni con estensimetri, la lunghezza dei cavi varia da pochi centimetri a centinaia di metri.

  • Utilizzare doppini e cavi schermati per ridurre al minimo l’interferenza elettromagnetica.

  • In linea di massima, tenere la lunghezza il più corta possibile per ridurre al minimo l’interferenza termica ed elettromagnetica.
  • Per le lunghe distanze, scegliere conduttori con diametri maggiori per mantenere basso l’effetto della resistenza.
  • Se i segnali vengono trasmessi con frequenza elevata e cc, si consiglia di utilizzare un filo a bassa capacità elettrica.

Qual è la differenza tra un amplificatore a corrente continua e uno a frequenza portante?

Amplificatore cc

  • Contiene un generatore che fornisce una tensione cc stabilizzata per l’alimentazione del circuito a ponte
  • Amplifica i segnali statici e dinamici fino alle alte frequenze
  • In pratica: solitamente max. 10 kHz; le frequenze più alte derivano da impulsi di interferenze che non dovrebbero influenzare il segnale di misura

Svantaggio: L’interferenza (causata da campi elettrici o magnetici e dalla presenza di tensione termoelettrica e galvanica nel circuito di misura) è completamente amplificata.

  • Errore nel risultato di misura
  •  È necessaria una schermatura elettrica o magnetica
  • o una correzione matematica delle tensioni termoelettriche

Amplificatore a frequenza portante

  • Il generatore fornisce una tensione alternata stabilizzata per tensione e frequenza per alimentare il circuito a ponte
  • Tensione in uscita = tensione alternata con ampiezze proporzionali allo squilibrio del ponte (modulazione di ampiezza)
  • Selezione di frequenza in modo tale che venga amplificata solo la frequenza della tensione di alimentazione (le interferenze non hanno alcuna influenza)
  • Frequenze portanti comuni:
    • 225 Hz: Misurazione dei processi statici e quasi statici (fino a 9 Hz) 5 kHz: Misurazione

    • Misurazione dei processi statici e quasi statici (fino a 1 kHz)

Svantaggio: ampiezza di banda limitata

8 Protezione del cavo intorno all’estensimetro per condizioni difficili

  • Collegamento resistente all’umidità tra il filo e il rivestimento di protezione.  Tuttavia, è necessaria la massima aderenza tra il rivestimento, il cavo di connessione e la superficie del materiale
  • I cavi in fluoropolimero devono essere preventivamente incisi per permettere la corretta saldatura del cavo di misura
  • Si raccomanda di utilizzare cavi speciali con guaina impermeabile per l’immersione in acqua (contattare il servizio di assistenza HBM)
  • Garantire una lunghezza minima del rivestimento di protezione intorno al punto di accesso del cavo per massimizzare la distanza di scorrimento e garantire che i punti critici siano sigillati

9 Dinamica dei test

  • Per le misurazioni altamente dinamiche, si devono utilizzare i ponticelli. I ponticelli sono costituiti da molti fili singoli a trefoli sottili avvolti da un materiale di isolamento flessibile.

  • I fili solidi devono essere utilizzati solamente su oggetti statici (ad esempio per i collegamenti tra ponti)

10 Conclusione

  1. Utilizzare il diametro dei cavi massimo
  2. Utilizzare cavi a bassa resistenza e bassa capacità elettrica
  3. Ridurre al minimo la lunghezza dei cavi, per quanto possibile
  4. Utilizzare direttamente il diametro minimo sull’estensimetro
  5. Scegliere il cavo corretto a seconda dello scenario di test
  6. Utilizzare cavi flessibili
  7. Utilizzare cavi con schermatura conduttiva
  8. Assicurare la messa a terra corretta della schermatura
  9. Garantire una gabbia di Faraday per la catena del segnale di misura
  10. Instradamento attento dei fili
  11. Doppini
  12. Non posizionare i cavi della linea di corrente principale vicino al cavo di misura in un unico cavo (90° dalle linee di alimentazione e dalle linee del segnale di misura)
  13. Rimuovere le fonti di rumore
  14. Usare amplificatori a frequenza portante
  15. Usare i filtri corretti
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