"La precisione è la cortesia dei re!" Al giorno d'oggi questo aforisma francese medievale sta diventando sempre più attuale. Gli strumenti basati sulla tecnologia degli estensimetri sono sempre più utilizzati per compiti di misurazione precisi nell'industria e nelle abitazioni private.
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Cos'è la tecnologia degli estensimetri e a cosa servono le celle di carico?
Strain-gauge (dal latino tensus - stressato) è un metodo e una tecnica per misurare lo stato di stress-strain dell'oggetto o della struttura misurata. Il punto è che è impossibile misurare lo stress meccanico direttamente, quindi il compito è quello di misurare la deformazione dell'oggetto e calcolare lo stress utilizzando tecniche speciali che tengono conto delle proprietà fisiche del materiale.
Gli estensimetri si basano sull'effetto di deformazione, che è la proprietà dei materiali solidi di cambiare la loro resistenza sotto varie deformazioni. Gli estensimetri sono dispositivi che misurano la deformazione elastica di un corpo solido e la convertono in un segnale elettrico. Questo processo avviene quando la resistenza del conduttore del sensore cambia quando viene allungato e compresso. Sono un elemento centrale nei dispositivi per misurare le deformazioni nei solidi (ad esempio parti di macchine, costruzioni, edifici).
Design e principio di funzionamento
Il cuore dell'estensimetro è un estensimetro, dotato di contatti speciali attaccati alla parte anteriore della cella di misura. Durante il processo di misurazione, i contatti sensibili sul pannello toccano l'oggetto. Questa deformazione viene misurata e convertita in un segnale elettrico che viene trasmesso agli elementi di elaborazione e visualizzazione dell'estensimetro.
A seconda dell'area di utilizzo funzionale, i sensori differiscono sia nel tipo che nel tipo di valore misurato. Un fattore importante è la precisione di misurazione richiesta. Per esempio, la cella di carico di una bilancia da camion in un negozio di panetteria non è all'altezza di una bilancia elettronica da farmacia, dove ogni centesimo di grammo è importante.
Diamo un'occhiata più da vicino ai tipi e alle tipologie di estensimetri moderni.
Sensori di coppia
I sensori di coppia sono progettati per misurare la coppia su parti rotanti come l'albero motore di un motore o la colonna dello sterzo. I sensori di coppia possono determinare la coppia statica e dinamica in modo contatto o senza contatto (telemetrico).
Celle di carico a trave, a sbalzo e da bordo
Questi tipi di sensori sono solitamente basati su un design a parallelogramma con un elemento di flessione integrato per un'alta sensibilità e linearità di misura. Gli estensimetri sono fissati alle parti sensibili dell'elemento elastico del sensore e sono collegati in una disposizione a ponte intero.
Strutturalmente, l'estensimetro per travi ha dei fori speciali per la distribuzione irregolare del carico e il rilevamento delle deformazioni in compressione e trazione. Per ottenere il massimo effetto, gli estensimetri sono orientati rigorosamente sulla superficie della trave nel suo punto più sottile, utilizzando marcature speciali. Le celle di carico di questo tipo, altamente accurate e affidabili, sono utilizzate per costruire sistemi di misurazione multisensore nelle bilance a piattaforma o a tramoggia. Sono anche utilizzati nelle pesatrici dosatrici, nelle riempitrici di liquidi e di prodotti sfusi, nei misuratori di tensione dei cavi e in altre celle di carico.
Celle di carico a trazione e compressione
Le celle di carico a trazione e compressione sono generalmente a forma di S, fatte di alluminio o di acciaio inossidabile. Progettato per bilance a tramoggia e macchine dosatrici con un campo di misura da 0,2 a 20 tonnellate. Le celle di carico a trazione e compressione di tipo S possono essere utilizzate nelle macchine di produzione di cavi, tessuti e fibre per monitorare la forza di trazione di questi materiali.
Estensimetri a filo e a foglio
Filo avvolto Gli estensimetri a ruota sono fatti in forma di bobine di filo di piccolo diametro e sono attaccati all'elemento elastico o al pezzo da provare per mezzo di colla. Le loro caratteristiche sono:
- facilità di fabbricazione;
- dipendenza lineare dalla deformazione;
- Piccole dimensioni e prezzo.
Gli svantaggi sono la bassa sensibilità, l'influenza della temperatura e dell'umidità sull'errore di misurazione, la possibilità di applicazione solo nel campo della deformazione elastica.
Foglio Gli estensimetri sono attualmente il tipo più comune di estensimetro grazie alle loro elevate qualità metrologiche e alla loro fabbricabilità. Ciò è reso possibile dalla tecnologia fotolitografica per la loro fabbricazione. Una tecnologia all'avanguardia permette di produrre estensimetri singoli con base di 0,3 mm, prese di estensimetri speciali e catene di estensimetri con un'ampia gamma di temperature operative da -240 a +1100 ºС, a seconda delle proprietà dei materiali del reticolo di misura.
Vantaggi e svantaggi delle celle di carico
Gli estensimetri sono ampiamente utilizzati per le loro proprietà:
- La possibilità di una connessione monolitica tra l'estensimetro e il pezzo in studio;
- Piccolo spessore dell'elemento di misura, che permette un'alta precisione delle misure con un errore del 1-3 %;
- facile montaggio, sia su superfici piane che curve;
- la capacità di misurare deformazioni dinamiche con una frequenza fino a 50.000 Hz;
- la capacità di misurare in condizioni ambientali difficili nella gamma di temperature da -240 a +1100˚C;
- Possibilità di misurare i parametri simultaneamente in molti punti dei pezzi;
- possibilità di misurare le deformazioni di oggetti situati a grandi distanze dai sistemi di misurazione della deformazione;
- possibilità di misurare la deformazione in parti in movimento (rotanti).
Gli svantaggi sono:
- l'influenza delle condizioni meteorologiche (temperatura e umidità) sulla sensibilità dei sensori;
- Variazioni insignificanti della resistenza degli elementi di misura (circa 1%) richiedono l'uso di amplificatori di segnale.
- Quando gli estensimetri lavorano in ambienti ad alta temperatura o aggressivi, sono necessarie misure speciali per la loro protezione.
Schemi di collegamento di base
Consideriamo questo sull'esempio del collegamento degli estensimetri alle bilance domestiche o industriali. La cella di carico standard per bilance ha quattro fili di colore diverso: due ingressi sono l'alimentazione (+Ex, -Ex), gli altri due sono le uscite di misura (+Sig, -Sig). Ci sono anche varianti con cinque fili, dove un filo in più serve da schermo per tutti gli altri fili. Il funzionamento di una cella di carico a trave è abbastanza semplice. L'alimentazione è applicata agli ingressi e la tensione è presa dalle uscite. La grandezza della tensione dipende dal carico applicato sul sensore di misura.
Se la lunghezza del filo dalla cella di carico all'unità ADC è significativa, allora la resistenza dei fili stessi influenzerà la lettura della bilancia. In questo caso è consigliabile aggiungere un circuito di feedback, che compensa la caduta di tensione correggendo l'errore di resistenza del piombo introdotto nel circuito di misura. In questo caso lo schema elettrico avrà tre coppie di fili: alimentazione, misurazione e compensazione delle perdite.
Esempi di applicazioni di estensimetri
- Un componente nella costruzione di scale.
- Misurazione delle forze di deformazione nella formatura dei metalli su presse di forgiatura e laminatoi.
- Monitoraggio degli stati di sforzo-deformazione di strutture e costruzioni edilizie durante il loro montaggio e funzionamento.
- Sensori ad alta temperatura in acciaio legato resistente al calore per impianti metallurgici.
- con elemento resiliente in acciaio inossidabile per misure in ambienti chimicamente aggressivi.
- Per la misurazione della pressione negli oleodotti e nei gasdotti.
Semplicità, convenienza e processabilità delle celle di carico sono i fattori principali per la loro ulteriore implementazione attiva, sia nei processi metrologici che nell'uso nella vita quotidiana come elementi di misurazione degli elettrodomestici.
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