Applicazioni con estensimetri - Usi pratici degli estensimetri / strain gauges

Principali applicazioni degli estensimetri:

• Applicazioni industriali di estensimetri

• Applicazioni degli estensimetri in ambito aerospaziale

• Applicazioni estensimetriche per autoveicoli

• Applicazioni degli estensimetri in ambito ferroviario

• Applicazioni marittime degli estensimetri

• Applicazioni di estensimetri in ingegneria civile

• Applicazioni estensimetriche in ambito medico e sanitario

• Applicazioni domestiche degli estensimetri

Cos'è un estensimetro?

Un estensimetro è un sensore che misura la deformazione. Lord Kelvin, secoli fa, scoprì che la resistenza di un filo cambiava quando veniva allungato o compresso. L'estensimetro di oggi è semplicemente un conduttore elettrico disposto a zigzag e montato su un materiale di supporto in lamina flessibile.

L’estensimetro è direttamente incollato all'oggetto in prova. Quando l'oggetto si deforma, causa una variazione di resistenza proporzionale alla deformazione subita. Ogni estensimetro rileva la deformazione in una sola direzione, quindi vengono spesso utilizzati più estensimetri, ciascuno rivolto in una direzione diversa per catturare la flessione in più direzioni.

L’estensimetro viene collegato ad un condizionatore di segnale specializzato che lo alimenta, fornisce controlli per "bilanciarlo" prima di ogni test e amplifica la sua piccola tensione di uscita a una più adatta per la digitalizzazione. Il sistema DAQ digitalizza il segnale condizionato, lo visualizza sullo schermo e lo registra su disco. 

I sistemi DAQ progettati per gestire gli estensimetri hanno spesso almeno otto canali e talvolta centinaia di canali in applicazioni di test su larga scala.

Abbiamo bisogno di sapere quanto e quando una struttura si deformerà in modo da poter garantire che funzioni correttamente in condizioni reali. È un requisito fondamentale per il collaudo del prodotto ed è cruciale non solo per l'affidabilità del prodotto, ma anche per la sicurezza pubblica. Gli estensimetri si trovano anche nel cuore dei trasduttori di forza, pressione e celle di carico.

La corretta applicazione dell'estensimetro, ovvero l'incollaggio fisico su una superficie, è fondamentale per ottenere una buona misura. Su questo argomento sono stati scritti interi libri.

Ulteriori informazioni sugli estensimetri:

Guida completa ai Sensori Strain GaugeI sensori di deformazione e pressione sono ampiamente utilizzati in molte misurazioni statiche e dinamiche. Scopri le migliori pratiche e la teoria alla base della misurazione dell'estensimetro.

Applicazioni industriali di estensimetri

Sistemi di Pesatura:

• Sistemi di pesatura per camion sulle autostrade.

• Sistemi di pesatura negli ambienti di produzione.

• I silos che svuotano il loro contenuto in camion o vagoni ferroviari utilizzano sensori basati su estensimetri che misurano il peso del contenuto sul silos stesso.

• Le macchine di frantumazione utilizzano estensimetri per rilevare picchi di sollecitazione e spegnere la macchina se si è verificato un inceppamento prima che la macchina si danneggi.

• Gli articoli con pesi identici come viti, chiodi e altri sono spesso contati in base al loro peso. Vengono caricati in una tramoggia che li pesa e divide il peso complessivo per il peso unitario dell'articolo al fine di calcolare la quantità. 

Test delle Parti Rotanti:

• Misure di coppia e potenza su alberi di trasmissione di ogni tipo, in centrali elettriche, raffinerie, ventilatori, turbine e altro ancora. 

Test della Turbina Eolica:

• Misurare le sollecitazioni sulle pale delle turbine eoliche, sulle gondole e sulle torri stesse.

• Test di misura della coppia su alberi e altre apparecchiature rotanti

Test dei Componenti Critici:

• Very small strain gages are used to measure stresses on printed circuit boards

• Residual stress testing on the cast and welded parts

• Strain gages are used to test critical valves in nuclear power plants

Collaudo dei Sistemi di Fabbrica:

• Monitoraggio del nastro trasportatore e del sistema di binari di trasporto.

• Un corretto tensionamento nelle cartiere è fondamentale per la produzione della carta e riduce al minimo i tempi di fermo e le perdite di produzione.

• Le macchine da stampa utilizzano sistemi di estensimetri per garantire l'allineamento della carta.

Applicazioni degli estensimetri in ambito aerospaziale

Naturalmente, gli aeroplani devono essere resi il più sicuri possibile. Durante lo sviluppo e la certificazione sono richiesti test rigorosi. Gli aerei vengono, inoltre, testati a intervalli regolari per garantire che siano strutturalmente sani. 

Le persone pensano prima ai motori quando si tratta di sicurezza del volo, ma ci sono anche altri numerosi componenti che devono funzionare in modo impeccabile, giorno dopo giorno. Questi includono superfici di controllo che consentono ai piloti di guidare l'aereo in tre dimensioni e attuatori che controllano dispositivi come il carrello di atterraggio.

Ogni struttura portante di un aeromobile deve essere sottoposta a prove di sollecitazione e deformazione, tra cui:

• Ali: proprio come gli edifici alti ed i ponti sono destinati a flettersi quando sono soggetti a forze esterne, anche le ali degli aerei sono progettate per piegarsi. Il test con estensimetro garantisce che la flessione dell'ala rientri nelle specifiche critiche.

• Sollecitazione e deformazione della fusoliera dovute sia alle forze meccaniche che alle variazioni della pressione esterna e interna.

• Le strutture critiche come i supporti del motore vengono testate per avere una garanzia contro guasti critici.

• Misure di coppia e potenza su componenti rotanti/girevoli come ventole, turbine e altro.

• Testare attuatori che spostano le superfici di controllo come alette alari, dispiegano il carrello di atterraggio e altro ancora.

Applicazioni estensimetriche per autoveicoli

Ogni tipo di veicolo è sottoposto a test approfonditi durante lo sviluppo. Ciò include automobili, camion, autobus e motocicli.

• I pannelli della carrozzeria sono spesso dotati di dozzine di estensimetri. Ciò consente agli ingegneri di vedere come si deformano i pannelli quando sono soggetti a una diverse condizioni stradali a varie velocità e su diverse superfici di guida.

• I sistemi di sospensione subiscono un carico dinamico e statico costante durante il funzionamento del veicolo e sono testati per garantire che questi carichi possano essere sostenuti secondo i criteri di progettazione.

• I test su paraurti e zone di deformazione durante i crash test coinvolgono estensimetri, oltre ad accelerometri e telecamere ad alta velocità.

• Misure di coppia e potenza sull'albero di trasmissione.

• I manichini per crash test sono dotati di estensimetri e altri sensori per misurare le forze sugli occupanti del veicolo durante una serie di test di sicurezza standardizzati.

• Gli estensimetri vengono utilizzati nei sedili dei passeggeri per determinare se il sedile è occupato o meno. Questo determina se gli airbag di questo sedile devono attivarsi in caso di incidente o meno. Possono anche essere utilizzati per dispiegare l'airbag a velocità ridotta nel caso in cui un bambino sia sul sedile rispetto a un adulto più pesante.

Applicazioni degli estensimetri in ambito ferroviario

Monitoraggio Ferroviario

Non è solo il treno che deve essere controllato, ma i binari stessi perché sono soggetti a forti sollecitazioni quando i treni ci passano sopra ad alta velocità. I binari sono inoltre soggetti a sollecitazioni e deformazioni dovute allo spostamento della terra sottostante, potenzialmente causato da attività tettonica, gelate, possibile presenza di mine al di sotto di esse.

Le conseguenze di un treno pieno di passeggeri che colpisce una sezione di binario danneggiata o non allineata sarebbe devastante. I binari del treno sono costruiti in sezioni, con spazi vuoti chiamati "giunti di dilatazione". Questi spazi vuoti consentono l'espansione e la contrazione del binario in un'ampia gamma di temperature ambiente. I sensori di calore e deformazione sono spesso montati su questi giunti di dilatazione e collegati a un sistema di allarme che avvisa gli operatori ferroviari se una sezione del binario ha subito una deformazione estrema.

Test dei Vagoni Ferroviari

Anche i treni stessi sono oggetto di prove di deformazione e stress. Fondamentalmente, qualsiasi grande struttura meccanica richiede una serie di test per garantire che sia intrinsecamente sicura, specialmente quelle che coinvolgono la sicurezza pubblica. Questo vale sia per il trasporto merci che per il sistema ferroviario pendolare. 

Tutto, dalla carrozzeria stessa del vagone al "camion" sottostante, dalle parti mobili come il pantografo che viene sollevato per collegarsi alle linee elettriche della catenaria, fino al pattino sottostante che viene esteso per entrare in contatto con il sistema di alimentazione del terzo binario, è soggetto a prove estensimetriche.

Applicazioni Marittime degli Estensimetri

Sia che si tratti di una piccola barca su un lago o di una portaerei con 5000 marinai a bordo, vengono sempreeffettuati numerosi test. 

Prova di sollecitazione e deformazione della fusoliera del sottomarino: immagina le pressioni a cui è sottoposto lo scafo a profondità crescenti. Anche gli scafi di barche e navi richiedono test per garantire che possano sopportare le sollecitazioni e gli urti delle onde rimanendo strutturalmente sani.

Vengono inoltre testate le eliche, nonché le misure di sollecitazione, deformazione e coppia sugli alberi di trasmissione e su altre parti rotanti nel sistema di propulsione.

• Gli scafi delle navi e le strutture portanti devono essere testati per garantire la rigidità e la capacità di gestire le sollecitazioni richieste 

• Misure di coppia e potenza sull'albero di trasmissione e sulle eliche

Applicazioni di Estensimetri in Ingegneria Civile

La maggior parte delle strutture di ingegneria civile sono progettate per durare 100 anni. Questo richiede test regolari poiché la maggior molti dei problemi/guasti si verificano durante gli ultimi anni di vita di una struttura. Oggi, molte strutture vengono costruite con estensimetri e altri sensori integrati fin dall'inizio.

Gli estensimetri possono essere applicati all'esterno di pareti e basamenti in calcestruzzo. Ma possono anche essere incastonati all'interno di queste stesse strutture e i fili vengono fatti uscire attraverso tubi speciali. In questo caso, le deformazioni all'interno del calcestruzzo possono essere monitorate in tempo reale collegando un sistema DAQ all'esterno.

Le misure di deformazione, sollecitazione, carico e forza vengono comunemente eseguite su strutture portanti critiche, tra cui:

• Edifici, in particolare edifici pubblici, ospedali, grattacieli, ecc.

• Strade, in particolare ad alto traffico, autostrade, ecc.

• Ponti - travi in acciaio, solette in calcestruzzo, cavi, piastre di rinforzo e capriate devono essere testati a intervalli regolari. Il test di carico dinamico viene eseguito con i veicoli che utilizzano il ponte. Gli elementi mobili (come i ponti levatoi) sono sottoposti a test di sollecitazione e deformazione durante le operazioni di sollevamento e abbassamento.

• Cavalcavia e passerelle.

• Dighe: immagina le enormi pressioni a cui sono progettate per resistere, essenzialmente per sempre. Immagina anche le terribili conseguenze se una diga dovesse crollare.

• Piattaforme petrolifere in mare, compreso il fondale su cui sono alloggiate.

• Taxiway aeroportuali.

• Test di caduta massi: le reti d'acciaio vengono utilizzate lungo le strade di montagna per proteggere dalla caduta di massi, pericolosa per i conducenti e la strada stessa. Gli estensimetri vengono utilizzati per testare queste reti in acciaio e verificare la loro capacità di carico.

• Prove di stress residuo su strutture e materiali (vedi sotto per maggiori dettagli).

Cos'è lo stress residuo? 

Può sembrare strano, ma strutture e materiali possono avere stress al loro interno, anche senza l'applicazione di forze esterne. Questo è noto come "stress residuo". 

Cosa causa questo? Lo stress residuo è il sottoprodotto di uno o più processi di produzione, inclusi saldatura, lavorazione meccanica, trattamenti termici, molatura e altro. Testare lo stress residuo di una struttura o di un materiale è il modo migliore per garantire che possa sopportare i carichi che subirà durante la sua vita operativa. 

Le prove di sollecitazione residua vengono eseguite su un'ampia varietà di strutture e materiali. Esistono metodi di diffrazione ottica e di raggi X per testare lo stress residuo, ma il metodo più popolare rimane quello di praticare un foro nel materiale dopo aver applicato estensimetri sulla superficie circostante.

Applicazioni Estensimetriche in Ambito Medico e Sanitario

Esistono numerose applicazioni di estensimetri nel settore medico e sanitario. Per esempio:

• Sono spesso utilizzati in strumenti medici come macchine per dialisi renale e pompe a siringa per aiutare a monitorare le portate dei fluidi. 

• Gli estensimetri sono utilizzati anche nei sistemi di pesatura e sollevamento del paziente.

• Gli estensimetri wireless possono essere trovati negli scanner TC e nelle macchine per mammografia.

• Sistemi di posizionamento del paziente utilizzati durante i trattamenti radioterapici.

• Nelle applicazioni di terapia fisica, i sensori di forza basati su estensimetri vengono utilizzati per misurare le forze sulle articolazioni (spalle, fianchi, ginocchia, ecc).

• Le stampelle a feedback di forza aiutano i pazienti sottoposti a terapia ortopedica rilevando la quantità di peso sopportata dalla stampella.

Applicazioni Domestiche degli Estensimetri

Potresti non rendertene conto, ma gli estensimetri sono ovunque. La tua bilancia da bagno ne ha diversi all'interno, configurati come celle di carico. Quando sali sulla bilancia, applichi uno sforzo sulla bilancia, e ciò viene convertito nella misura del tuo peso in kg o libbre.

I controller di gioco utilizzano anche trasduttori di forza basati su estensimetri, così come alcuni elettrodomestici come i frigoriferi. La tendenza verso un numero sempre maggiore di elettrodomestici "connessi" sta spingendo ad accrescere sempre più il numero di sensori al loro interno. Gli aspirapolvere robot sono un altro apparecchio in cui vengono comunemente utilizzati estensimetri.

Sommario

Come puoi vedere gli estensimetri sono ovunque intorno a noi. Non sono solo strumenti astratti utilizzati da scienziati o ingegneri, ma si trovano nelle nostre case, elettrodomestici, telefoni, giochi, automobili, dove lavoriamo, praticamente ovunque. La deformazione che misurano, con le relative quantità come stress, peso, carico e forza, è di fondamentale importanza per innumerevoli applicazioni, in tutti i principali settori industriali, ovunque nel mondo.