Istruzioni di costruzione degli estensimetri

Gli estensimetri sono un’alternativa intelligente alle celle di carico e vengono normalmente utilizzati in molteplici applicazioni tra cui il monitoraggio di forze superiori ai 10000 N. Di seguito sono riportati un paio di esempi. Ulteriori esempi applicativi sono riportati anche sulla pagina web degli estensimetri.

Misurazione della deformazione in ambiente esterno ostico:

Per identificare l’estensimetro corretto bisogna verificare l’applicazione osservandone divesi aspetti. La selezione di un estensimetro inizia dall’ambiente di utilizzo. Esistono estensimetri per applicazioni esterne rigide o ambienti interni industriali. Le condizioni costruttive della struttura da monitorare indicano successivamente se è possibile utilizzare un estensimetro avvitabile o, ad esempio, se la deformazione si misura meglio in un foro. Anche gli spazi devono essere tenuti in considerazione e Baumer offre soluzioni anche per ingombri limitati.
Il range di misura dell’estensimetro deve essere selezionato in base alla deformazione prevista nella posizione calcolata. Se la deformazione prevista non è ancora chiara, per un primo tentativo si preferisce un estensimetro con un range di misura maggiore. 
La maggior parte degli estensimetri dispone già di un’elettronica di amplificazione integrata e quindi è di solito possibile selezionare segnali standard quali +/- 10V, 4..20 mA, CANopen. Nei sensori passivi con uscita mV/V, senza uscita pre-amplificata, sono disponibili amplificatori di segnale esterni.

Gli estensimetri sono concepiti per resistere alla fatica e sono idonei ad applicazioni cicliche. I tempi di ciclo brevi nell’intervallo dei millisecondi sono facili da monitorare. Anche nelle applicazioni statiche è possibile impiegare bene gli estensimetri con meccanica di misurazione corrispondente. A tal proposito occorre osservare che le deformazioni, che non vengono provocate dalla sollecitazione bensì da influssi esterni quali oscillazioni termiche, potrebbero alterare il segnale di uscita. A tal proposito esistono misure apposite che compensano tali effetti. 

Gli estensimetri avvitabili sono facili da montare e possono misurare deformazioni minime nell’intervallo dei micrometri su una struttura tramite l’applicazione di forza. Per determinare il punto di posizionamento ottimale ed ottenere i migliori risultati possibili Occorre seguire due punti.

L’estensimetro deve essere montato in posizioni in cui è possibile prevedere deformazioni misurabili nella direzione richiesta, dovute all'applicazione di una forza sulla struttura. Queste sono perlopiù deformazioni o tensioni meccaniche generate da flessione e sollecitazione per trazione e compressione. Il metodo degli elementi finiti consente di rilevare la deformazione prevista della superfice e la direzione con stati di tensione multiasse e quindi il range di misura necessario sul punto previsto. Se non sussiste questa possibilità, occorre tentare più semplicemente con un estensimetro con un range di misura maggiore ad es. 750 o 1000 µm/m e quindi determinare l’effettiva deformazione sul punto selezionato. Un confronto con una forza nota restituisce una semplice correlazione alla deformazione corrispondente sulla struttura da monitorare. Naturalmente anche fattori quali le condizioni costruttive, l’accessibilità o la protezione dell’estensimetro rivestono un ruolo importante nel posizionamento degli estensimetri. 

Quali deformazioni sono vantaggiose nel posizionamento?

Deformazione da flessione:

Nel posizionamento degli estensimetri le deformazioni superficiali causate da flessione sono facili da rilevare e quindi vantaggiose. Nei disegni sottostanti sono riportati un paio di esempi relativi al punto in cui si prevedono le massime deformazioni misurabili in caso di flessione.

Deformazione da sollecitazione per trazione e compressione:

Anche le deformazioni dovute a sollecitazioni per trazione e compressione sono semplici da rilevare e possono essere calcolate facilmente per determinare il range di misura previsto.
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Nella maggior parte dei casi su una macchina da monitorare si verificano deformazioni prodotte dalla combinazione di flessione, sollecitazione per trazione e compressione, torsione ecc. Il calcolo degli elementi finiti consente di determinarle facilmente. La pratica dimostra anche che è sufficiente una semplice osservazione meccanica per definire i punti esatti della struttura dove si verificano e sono misurabili le deformazioni. Un confronto tra le sollecitazioni note e le deformazioni misurate consente di determinare le deformazioni esatte. Naturalmente sui punti interessati è innanzitutto possibile incollare anche gli estensimetri per semplificare il corretto posizionamento del sensore.

La maggior parte degli estensimetri di Baumer ha una meccanica con ridotta rigidità. Ovvero la forza necessaria per tirare o comprimere il sensore alla sua deformazione nominale è piccola. A tal proposito, l’estensimetro ha un’influenza ridotta sulla superficie da monitorare. Inoltre, le viti di montaggio vengono caricate solo in misura ridotta incrementando così la qualità del segnale stabile senza possibili movimenti al di sotto delle viti. Ciò può risultare importante se non è possibile tarare l’estensimetro ciclicamente.
Quindi gli estensimetri Baumer sono idonei sia per le applicazioni statiche sia per quelle cicliche.

Per ottenere buoni risultati di misurazione, gli estensimetri vengono avvitati al componente con le viti di fissaggio fornite in dotazione. L’estensimetro rileva le deformazioni nell’intervallo dei micrometri tramite un collegamento per attrito. A tal proposito è possibile prevedere fori ciechi o passanti. Vedi anche paragrafo Opzioni di fissaggio. L’avvitamento di un estensimetro stabile a lungo termine a qualità costante consente di rinunciare al faticoso montaggio di estensimetri incollati.

Cosa occorre osservare durante il montaggio di estensimetri?

Affinché gli estensimetri possano misurare le deformazioni superficiali in modo pulito e restituire buoni risultati di misurazione, occorre osservare diverse condizioni generali durante il montaggio, riportate anche nelle istruzioni per l’uso di ciascun estensimetro. La superficie di montaggio riveste quindi un ruolo importante. La deformazione della struttura di base viene trasmessa all’estensimetro tramite collegamento per attrito.

Quali opzioni di fissaggio sono disponibili?

Opzione 1: 
Gli estensimetri possono essere fissati ai fori ciechi della struttura da monitorare con le apposite viti. 

Opzione 2: 
Gli estensimetri possono essere fissati a strutture più sottili con fori passanti e un dado.
 

Come bisogna predisporre la superficie di montaggio?

Importante:
Il sensore fornisce risultati di misurazione non accurati in caso di superficie di misurazione imbrattata o montaggio errato:

• Evitare imbrattamenti da olio o grasso
• Montare il sensore su una superficie piana e lavorata
• Osservare la rugosità superficiale

Le viti di montaggio, le distanze dei fori e i diametri sono riportati nelle istruzioni per l’uso corrispondenti.


Opzione: 

Qualora risulti difficile predisporre le superfici di montaggio in una qualità sufficiente, è possibile utilizzare in ogni caso rondelle sferiche per compensare determinate aplanarità o scostamenti dell’angolare forato. 

Sul mercato sono disponibili anche rondelle diamantate (friction shim) che compensano le lievi aplanarità e aumentano l’attrito.

Gli estensimetri sono sensori di misura di precisione con una meccanica misurata in fabbrica. Il sensore può essere danneggiato in caso di caduta privo di imballaggio.
Osservare le avvertenze sullo stoccaggio e sul trasposto riportate nelle istruzioni per l’uso.

La coppia di serraggio corrispondente è riportata nelle apposite istruzioni per l’uso.

Gli estensimetri sono nati per misurare la deformazione dovuta all'impatto di una forza meccanica e non sono influenzati dalla dilatazione termica. In caso di esposizione termica, un corpo si dilata in tutte le direzioni. La configurazione idonea degli estensimetri nel sensore consente di compensare le dilatazioni termiche uniformi. Gli estensimetri sono compensati sulla dilatazione termica dell’acciaio. Occorre verificare che la distribuzione della temperatura sia il più uniforme possibile sul punto selezionato. In questo modo le influenze termiche vengono compensate in modo pulito.

Dilatazione termica:

Esempi di coefficienti di dilatazione termica α: 

Acciaio al nichel-cromo CrNi 80 20         α = 15,5 x 10^-6 [K^-1]
Acciaio al cromo 13 Cr                          α = 11 x 10^-6 [K^-1]
Alluminio puro                              α = 23,8 x 10^-6 [K^-1]

Esempi:
1.    Dilatazione di una barra in acciaio al nichel-cromo CrNi 80 20, da 20°C a 70°C con una lunghezza lo di 1 m.
∆l   = lo x α x ∆T  = 1000 mm x 15,5 x 10^-6 [K^-1] x 50 K = 0,775 mm
Ciò corrisponde a 775 µm/m

2.    Dilatazione di una barra in alluminio, da 20°C a 70°C con una lunghezza lo di 1 m. 
∆l   = lo x α x ∆T  = 1000 mm x 23,8 x 10^-6 [K^-1] x 50 K = 1,19 mm
Ciò corrisponde a 1190 µm/m

Se un estensimetro compensato per acciaio deve monitorare una struttura in alluminio, occorre compensare la dilatazione termica affinché si verifichi solo la deformazione da influssi meccanici. Se è possibile procedere alla taratura naturalmente dopo ogni ciclo di sollecitazione meccanica, gli influssi delle dilatazioni termiche possono essere trascurati.

Ulteriori opzioni per la compensazione termica: 

• Posizionamento a 90° degli estensimetri per compensare gli effetti termici o tramite misura della temperatura sul componente.

Una forza risultante a una determinata deformazione può essere rilevata matematicamente o semplicemente con il confronto diretto con una determinata forza. Quindi, l’estensimetro viene avvitato alla struttura scarica e successivamente tarato. Successivamente alla struttura viene applicato un carico noto o una forza definita. In questo modo si crea la connessione tra la deformazione e la forza risultante. Tale taratura deve essere eseguita una sola volta per ogni impianto. Gli estensimetri Baumer sono compensati sulla deformazione già nella produzione ed emettono quindi gli stessi valori misurati anche in caso di sostituzione.

Fissare l’estensimetro e farlo riscaldare con alimentazione di corrente inserita secondo le istruzioni per l’uso (le misurazioni non avvitate su un tavolo non restituiscono risultati stabili). Il primo assestamento può essere minimizzato sollecitando, se possibile, 10 volte la struttura da monitorare a pieno carico. Con struttura scaricata, occorre tarare il sensore sull’amplificatore. In questo modo è possibile compensare le variazioni di segnale dovute al montaggio.

Taratura dopo avvitamento:
Gli estensimetri devono essere tarati sull’amplificatore dopo il montaggio. In questo modo è possibile compensare le variazioni di segnale dovute al montaggio. 
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Taratura durante l’esercizio:
Nei processi ciclici si raccomanda di tarare l’estensimetro dopo ogni ciclo con la macchina non caricata. In questo modo vengono compensate le influenze termiche o gli eventuali movimenti lievi sotto le viti di montaggio. Gli estensimetri Baumer sono principalmente dotati di meccaniche di misurazione morbide che consentono misurazioni statiche stabili anche senza taratura ciclica. 

Estensimetri con elettronica di amplificazione integrata:

Estensimetri con elettronica di amplificazione separata:

Estensimetri passivi collegati direttamente a un sistema di controllo con amplificatore integrato:

Importante: i cavi di collegamento devono presentare almeno la classe di protezione IP dell’estensimetro. Ad esempio IP69K per DST55R con classe di protezione IP69K