Le caratteristiche degli estensimetri

Il comportamento e le caratteristiche degli estensimetri sono conseguenti a diverse grandezze, proprietà e caratteristiche.

A tal proposito, eccone piccolo un elenco:

• Resistenza elettrica
• Fattore di taratura
• Sensibilità trasversale
• Coefficiente di temperatura del fattore di taratura
• Sensibilità alla temperatura
• Resistenza di isolamento
• Base di misura
• Effetto rinforzante
• Rigidezza
• Deformazione limite
• Scorrimento
• Isteresi meccanica
• Resistenza a fatica
• Livello di alimentazione
• Deriva
• Isteresi termica

La prime sette caratteristiche degli estensimetri – fino a “base di misura” – sono fondamentali. Riguardano, infatti, tutte le applicazioni. Dipendono dal produttore stesso, e per questo motivo vengono direttamente indicate sulle confezioni degli estensimetri elettrici a resistenza. L’unica eccezione è la resistenza di isolamento, poiché è strettamente correlata alla fase di installazione.

Le altre caratteristiche degli estensimetri, invece, legate a ad applicazioni particolari, devono essere indicate in maniera specifica nei cataloghi del produttore. Oppure determinate dall’utilizzatore finale.

Prima di entrare nel dettaglio di alcune delle caratteristiche degli estensimetri elencate – riferendoci in particolare modo alle influenze negli ambiti di misura estensimetrica – ci ritagliamo questo piccolo spazio per un’ultima precisazione. La norma nazionale UNI 10478-5 stabilisce che la tolleranza delle prime cinque caratteristiche deve avere un livello di confidenza del 95%. Ciò significa che la tolleranza dichiarata dal produttore non deve, in sostanza, essere inferiore a due volte lo scarto tipo.

La resistenza elettrica

La resistenza elettrica (Re) è quella resistenza misurata nei terminali della griglia, a temperatura ambiente, con l’estensimetro non installato e non deformato. Nei casi di analisi sperimentali delle tensioni su materiali metallici in genere si usano estensimetri da 120 Re. Quest’ultima, infatti, è un buon compromesso, capace di assecondare diverse esigenze. Un esempio? Con l’aumentare della Re dell’estensimetro, diminuiscono gli errori dovuti ai cavi di collegamento – tuttavia, aumentano quegli errori causati dalla resistenza di isolamento.

Nei casi di analisi sperimentale delle tensioni, l’utilizzo di estensimetri elettrici a resistenza con Re elevata, si limita ai casi in cui è necessario ridurre la generazione di calore per effetto Joule. Altri valori riducibili in questo modo sono l’influenza della resistenza dei cavi sulla misura, oppure l’influenza delle variazioni spurie di resistenza sulla misura.

Il caso dei compositi

Molto spesso i materiali compositi sono pessimi conduttori del calore. Gli estensimetri elettrici impiegati nelle prove su materiali metallici, pertanto, hanno una Re molto più elevata della standard – fissata, per così dire, a 120. La scelta della resistenza elettrica, come quella della base di misura, viene stabilita valutando anche la tensione di alimentazione del ponte di misura.

La sensibilità alla deformazione

In generale, è corretto affermare che la sensibilità alla deformazione dell’estensimetro non coincide con quella del filo. Ciò è dovuto ai raccordi trasversali sensibili alla deformazione trasversale.

Linearità

Ai fini pratici il fattore di taratura si considera indipendente dalla deformazione. Si considerano quindi valide le relazioni lineari: la relazione tra variazione relativa di resistenza e deformazione, in realtà, non è rigorosamente lineare. Questo perché il fattore di taratura varia – anche se leggermente – con la deformazione persino in campo elastico, a causa dell’effetto piezoresistivo.

Gli estensimetri a semiconduttore sono più soggetti all’effetto piezoresistivo che a quello geometrico. Di conseguenza presentano una marcata deviazione dalla linearità. Gli estensimetri elettrici a resistenza subiscono, invece, un effetto geometrico prevalente rispetto a quello resistivo: la deviazione di linearità è, quindi, nel loro caso, ridotta.

Genesi della sensibilità trasversale

La sensibilità trasversale degli estensimetri a filo è conseguente alla geometria della griglia. Edificando delle relazioni è possibile mostrare come la sensibilità trasversale di questi ultimi corrisponda al rapporto tra la resistenza dei tratti trasversali e quelli longitudinali.

Dato questo presupposto è possibile affermare che, a parità di misura e di larghezza della griglia, gli estensimetri elettrici a resistenza con griglia a tratti presentano una sensibilità trasversale inferiore rispetto a quelli con griglia continua. Inoltre, a parità di larghezza della griglia, la sensibilità trasversale diminuisce in relazione all’aumentare della base di misura dell’estensimetro.

Negli estensimetri a lamine invece, la genesi della sensibilità trasversale è decisamente più complessa. Dipende, infatti, dalle caratteristiche geometriche ed elastiche di griglia, supporto e adesivo.

L’effetto rinforzante

Gli estensimetri elettrici a resistenza sono tarati utilizzando provini materialmente dotati di un ampio spessore, con un elevato modulo di Young – il valore che esprime la capacità di deformarsi di un materiale – rispetto a quello dell’installazione estensimetrica. In condizioni come questa, l’influenza dell’ER sul campo di deformazione è decisamente trascurabile.

Nei casi in cui, invece, l’estensimetro elettrico a resistenza è installato su una struttura sottile – o con un modulo di Young paragonabile o inferiore a quello dell’ER -, si presenta una modifica del campo di deformazione. Per cui, la deformazione misurata dall’ER è ben differente da quella effettiva. Si parla, quindi, di effetto rinforzante.

A tal proposito, questa condizione va distinta in due effetti separati.
L’effetto rinforzante globale si manifesta, infatti, quando il provino ha una sezione così sottile che la presenza dell’ER altera il valore della deformazione dell’intera sezione. L’effetto rinforzante locale invece si verifica quando, nonostante il provino sia di forte spessore, l’estensimetro elettrico a resistenza è installato su un materiale a basso modulo di Young.

La resistenza di isolamento

La resistenza di isolamento Ri è la resistenza elettrica tra la griglia dell’estensimetro elettrico a resistenza e il materiale su cui l’ER è installato. Questo tipo di resistenza può a tutti gli effetti considerarsi parallela resistenza dell’estensimetro. Un’elevata Ri, oltre a rendere trascurabile attenuazione della deformazione misurabile dovuta alla resistenza d’isolamento stessa, indica la qualità dell’installazione estensimetrica per tutto ciò che concerne:

• l’assenza di umidità, contaminanti e/o solventi
• l’aderenza dell’adesivo
• la riduzione della deformazione apparente dovuta all’eventuale variazione della resistenza di isolamento

Per motivi meccanici – e, molto spesso, anche per motivi elettrici – è necessario che la resistenza di isolamento sia elevata e stabile durante la misura. Per misure di precisione come, per esempio, quelle effettuate dalle celle di carico, è necessario che la Ri sia decisamente elevata. In generale, è corretto affermare che con l’aumentare della temperatura sono tollerate resistenze di isolamento anche più basse. A decretare questi standard sono, ovviamente, normative ufficiali UNI e ASTM. Tendenzialmente, si controlla la resistenza di isolamento nel corso dell’installazione estensimetrica.

La deformazione limite

Tra le caratteristiche degli estensimetri, la deformazione limite di un ER è la massima deformazione che può essergli imposta, quando installato su un materiale senza causare variazioni della deformazione indicata superiori ad un valore prefissato. Valore che, in genere, è pari al 10% della deformazione imposta.

Condizioni ambientali quali temperatura e umidità, nonché ovviamente le caratteristiche dell’adesivo, sono strettamente correlate alla deformazione limite di un estensimetro. Per i casi specifici di grandi deformazioni plastiche, esistono estensimetri speciali: ER con griglia di Costantana ridotta e supporto poliammidico.

Lo scorrimento

Chiamato anche “creep”, lo scorrimento indica quella variazione di deformazione affermata nel tempo da un estensimetro elettrico a resistenza installato su una struttura soggetta ad una deformazione costante.

Consideriamo un’installazione estensimetrica con un definito valore di deformazione. La deformazione imposta alla struttura è, infatti, trasmessa alla griglia attraversando l’adesivo e e il supporto. La griglia torna nella posizione non deformata proprio a causa dello scorrimento di questi ultimi. Per questa deformazione, quindi, la deformazione indicata dall’estensimetro tende a diminuire nel corso del tempo.

In modo analogo ad altre condizioni, lo scorrimento tende ad aumentare con la temperatura e con i tempi di prova. I suoi effetti sono pertanto maggiormente evidenti nelle prove a temperatura elevata, nonché in quelle con tempistiche più dilatate. Tanto che nei casi di prove a temperatura ambiente l’effetto dello scorrimento è addirittura trascurabile. Nei casi di trasduttori di precisione come le celle di carico, lo scorrimento dell’estensimetro elettrico a resistenza viene utilizzato per compensare il creep del materiale di cui il trasduttore stesso è composto.

L’isteresi meccanica

È detta isteresi meccanica la differenza, a un certo valore della deformazione imposta tra quelle indicate, in salita come in discesa, durante un ciclo di deformazione massima assegnata. Per un’installazione estensimetrica, l’isteresi è collegata ai seguenti fattori:

• deformazione massima imposta
• valore della deformazione alla quale si misura l’isteresi
• numero di cicli subiti dall’estensimetro

In ogni caso, l’isteresi viene notevolmente ridotta quando l’ER subisce una serie di cicli di stabilizzazione – detti, anche, “allenamento”. Quando si attueranno cicli di carico ripetibili è possibile eliminare il manifestarsi dell’isteresi tramite un certo numero di cicli di stabilizzazione. Cicli che, ovviamente, vanno effettuati prima dei cicli di misura.

La resistenza a fatica

Nei casi in cui gli estensimetri elettrici a resistenza vengono utilizzati per la misura di deformazione in prove di fatica, l’ER stesso diventa soggetto al fenomeno della fatica che finisce per portarlo alla rottura dopo una certa quantità di cicli. Questo momento, tuttavia, è ovviamente preceduto da una variazione della deformazione indicata dall’estensimetro.

I fenomeni che determinano la variazione sono sia la variazione della resistività dovuta all’incrudimento della lega estensimetrica, che la formazione di cricche che negli ER a lamina si propagano fino alla rottura della griglia. Nel caso di estensimetri elettrici a resistenza a filo, invece, si parla di allentamento della griglia nei confronti del supporto.

In sostanza, viene definita resistenza a fatica dell’estensimetro il numero di cicli che l’ER può sopportare senza rompersi, e senza che la deformazione indicata vari entro i limiti di un valore (prefissato) rispetto alla deformazione indicata durante il primo ciclo.

La deriva

Durante le fasi di misura, l’estensimetro elettrico a resistenza è soggetto ad una tensione, poiché attraversato da una corrente. Di conseguenza, la potenza elettrica finisce per dissiparsi in calore, che a sua volta si propaga nell’ambiente circostante.

L’innalzamento di temperatura in questione dipende da vari parametri, quali il tipo di estensimetro, le dimensioni della griglia, le caratteristiche del supporto e dell’adesivo, il tipo del protettivo, le caratteristiche della struttura e, infine, banalmente, la quantità di calore da dissipare. In ogni caso, l’innalzamento di provoca una deformazione apparente, detta deriva. Viene definita deriva, infatti, la variazione della deformazione indicata nel tempo da una installazione estensimetrica non deformata.

La base di misura

Infine, come chiusura per questo elenco di caratteristiche degli estensimetri, ecco la base di misura: la lunghezza del segmento del quale si misura la variazione di lunghezza. Tuttavia, nel caso specifico degli estensimetri elettrici a resistenza, la base di misura coincide con la lunghezza della griglia che partecipa alla misura della deformazione.

Occorre però considerare come questa definizione sia ambigua: anche i raccordi trasversali partecipano infatti alla misura della deformazione. È quindi convenzione che la base di misura degli ER con griglia a filo comprenda anche i raccordi trasversali, mentre quelli degli ER a lamina li esclude.

L’estensimetro elettrico a resistenza infatti misura la deformazione media lungo la base di misura. Questa deformazione però non coincide, generalmente, con la deformazione effettiva che si manifesta nel punto medio della base stessa.