"Precisione - la gentilezza dei re!" Nel nostro tempo, l'importanza di questo aforisma francese medievale sta solo crescendo. Per eseguire calcoli di misura accurati in produzione e nella vita di tutti i giorni, vengono sempre più utilizzati dispositivi basati su estensimetri.
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Che cos'è l'estensimetro ea cosa servono gli estensimetri?
La tensometria (dal latino tensus - stressato) è un metodo e una tecnica per misurare lo stato sforzo-deformazione di un oggetto o di una struttura misurata. Il fatto è che è impossibile misurare direttamente lo stress meccanico, quindi il compito è misurare la deformazione dell'oggetto e calcolare lo stress utilizzando tecniche speciali che tengono conto delle proprietà fisiche del materiale.
Il lavoro degli estensimetri si basa sull'effetto della deformazione: questa è la proprietà dei materiali solidi di cambiare la loro resistenza con varie deformazioni. I sensori estensimetrici sono dispositivi che misurano la deformazione elastica di un corpo solido e ne convertono il valore in un segnale elettrico. Questo processo si verifica quando la resistenza del conduttore del sensore cambia quando viene allungato e compresso. Sono l'elemento principale negli strumenti per misurare la deformazione dei solidi (ad esempio parti di macchine, strutture, edifici).
Dispositivo e principio di funzionamento
La base dell'estensimetro è un estensimetro dotato di contatti speciali fissati sulla parte anteriore del pannello di misura. Durante la misurazione, i contatti sensibili del pannello sono a contatto con l'oggetto. Si verifica la loro deformazione, che viene misurata e convertita in un segnale elettrico trasmesso agli elementi di elaborazione e visualizzazione del valore misurato dell'estensimetro.
A seconda dell'ambito di utilizzo funzionale, i sensori differiscono sia per i tipi che per i tipi di grandezze misurate. Un fattore importante è la precisione di misura richiesta. Ad esempio, una cella di carico a cella di carico all'uscita del panificio non è assolutamente adatta per bilance farmaceutiche elettroniche, dove ogni centesimo di grammo è importante.
Consideriamo più in dettaglio i tipi e i tipi di estensimetri moderni.
Sensori di coppia
I sensori di coppia sono progettati per misurare la coppia sulle parti rotanti di sistemi come l'albero a gomiti del motore o il piantone dello sterzo.Gli estensimetri di coppia possono determinare la coppia statica e dinamica tramite il metodo di contatto o senza contatto (telemetrico).
Celle di carico a trave, a sbalzo e perimetrali
Questi tipi di trasduttori sono solitamente realizzati sulla base di un progetto a parallelogramma con un elemento di piegatura incorporato per un'elevata sensibilità e linearità delle misurazioni. Gli estensimetri in essi contenuti sono fissati sulle aree sensibili dell'elemento elastico del sensore e sono collegati secondo lo schema del ponte completo.
Strutturalmente, la cella di carico a trave ha fori speciali per la distribuzione non uniforme del carico e il rilevamento delle deformazioni di compressione e trazione. Per ottenere il massimo effetto, gli estensimetri sono rigorosamente orientati da segni speciali sulla superficie della trave nel punto più sottile. Sensori di questo tipo altamente precisi e affidabili vengono utilizzati per creare sistemi di misurazione multisensore in bilance a piattaforma o bunker. Hanno trovato la loro applicazione in dosatori di pesatura, confezionatrici di prodotti sfusi e liquidi, misuratori di tensione per cavi e altri misuratori di carico di potenza.
Celle di carico a trazione e compressione
Le celle di carico a trazione e compressione sono generalmente a forma di S, realizzate in alluminio e acciaio inossidabile legato. Progettato per bilance per bunker e dosatori con un campo di misura da 0,2 a 20 tonnellate. Le celle di carico a trazione e compressione a forma di S possono essere utilizzate in macchine per cavi, tessuti e fibre per controllare la forza di trazione di questi materiali.
Estensimetri per fili e lamine
Filo gli estensimetri sono realizzati sotto forma di una spirale di filo di piccolo diametro e montati su un elemento elastico o parte in prova con colla.Si distinguono per:
- facilità di fabbricazione;
- dipendenza lineare dalla deformazione;
- piccola dimensione e prezzo.
Tra le carenze si notano la bassa sensibilità, l'influenza della temperatura e dell'umidità dell'ambiente sull'errore di misurazione, la possibilità di utilizzare solo nel campo delle deformazioni elastiche.
Foglio gli estensimetri sono attualmente il tipo più comune di estensimetri grazie alle loro elevate qualità metrologiche e producibilità. Questo è diventato disponibile grazie alla tecnologia fotolitografica della loro fabbricazione. La tecnologia avanzata consente di ottenere estensimetri singoli con una base di 0,3 mm, prese speciali per estensimetri e catene di estensimetri con un'ampia gamma di temperature di esercizio da -240 a +1100 ºС, a seconda delle proprietà dei materiali della griglia di misura.
Vantaggi e svantaggi degli estensimetri
Gli estensimetri sono ampiamente utilizzati per le loro proprietà:
- la possibilità di un collegamento monolitico dell'estensimetro con la parte in studio;
- piccolo spessore dell'elemento di misurazione, che garantisce un'elevata precisione di misurazione con un errore dell'1-3%;
- facilità di fissaggio, sia su superfici piane che curve;
- la capacità di misurare deformazioni dinamiche che cambiano con una frequenza fino a 50.000 Hz;
- la possibilità di eseguire misurazioni in condizioni ambientali difficili nell'intervallo di temperatura da -240 a +1100˚С;
- la possibilità di misurare i parametri contemporaneamente in più punti delle parti;
- la possibilità di misurare la deformazione di oggetti posti a grandi distanze dai sistemi di estensimetri;
- la capacità di misurare le deformazioni nelle parti mobili (rotanti).
Tra le carenze, va notato:
- influenza delle condizioni meteorologiche (temperatura e umidità) sulla sensibilità dei sensori;
- variazioni insignificanti nella resistenza degli elementi di misura (circa 1%) richiedono l'uso di amplificatori di segnale.
- quando gli estensimetri operano in ambienti ad alta temperatura o aggressivi, sono necessarie misure speciali per proteggerli.
Schemi elettrici di base
Consideriamolo usando l'esempio del collegamento di estensimetri a bilance domestiche o industriali. Una cella di carico standard per bilance ha quattro fili multicolori: due ingressi sono di alimentazione (+Ex, -Ex), gli altri due sono uscite di misura (+Sig, -Sig). Ci sono anche opzioni con cinque fili, dove un filo aggiuntivo funge da schermo per tutti gli altri. L'essenza del lavoro del sensore di misurazione del peso del tipo a raggio è abbastanza semplice. L'alimentazione viene fornita agli ingressi e la tensione viene rimossa dalle uscite. Il valore della tensione dipende dal carico applicato sul sensore di misura.
Se la lunghezza dei fili dalla cella di carico del peso all'unità ADC è significativa, la resistenza dei fili stessi influenzerà la lettura della bilancia. In questo caso è consigliabile aggiungere un circuito di retroazione che compensi la caduta di tensione correggendo l'errore dalla resistenza dei fili introdotti nel circuito di misura. In questo caso, lo schema di collegamento avrà tre coppie di fili: potenza, misura e compensazione delle perdite.
Esempi di applicazione per estensimetri
- elemento di pesatura.
- misurazione delle forze di deformazione nella lavorazione dei metalli mediante pressione su presse e laminatoi.
- monitoraggio degli stati di sollecitazione-deformazione di strutture e strutture edilizie durante la loro costruzione e funzionamento.
- sensori per alte temperature in acciaio legato resistente al calore per le imprese metallurgiche.
- con elemento elastico in acciaio inox per misure in ambienti chimicamente aggressivi.
- per la misurazione della pressione in oleodotti e gasdotti.
Semplicità, praticità e producibilità degli estensimetri sono i fattori principali per la loro ulteriore implementazione attiva, sia nei processi metrologici che nella vita quotidiana come elementi di misura degli elettrodomestici.
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