La tecnologia estensimetrica

Un estensimetro (strain gauge) è un elemento la cui resistenza elettrica varia in modo proporzionale alla deformazione a cui è sottoposto. Applicando più estensimetri a un elemento elastico calibrato e collegandoli in configurazione a ponte di Wheatstone, si ottiene un segnale elettrico proporzionale alla forza, alla coppia o al peso applicati. Questo principio, adottato dalle celle di carico e dai trasduttori di coppia, garantisce elevata linearità, ripetibilità e stabilità nel tempo, ed è oggi lo standard per la misura precisa delle grandezze meccaniche.

Il segnale del ponte, molto piccolo, viene amplificato, linearizzato e convertito dall’elettronica dello strumento in un valore numerico, con possibilità di memorizzazione, comparazione con soglie di tolleranza e trasmissione a un PC. La taratura con certificato riferibile assicura la validità metrologica della misura.

Applicazioni: forza, coppia e peso

La tecnologia estensimetrica trova impiego in un’ampia gamma di strumenti: dinamometri e trasduttori di forza per prove di trazione e compressione, torsiometri per la misura di coppia su chiusure e accoppiamenti filettati, celle di carico per la pesatura e i banchi prova. In tutti i casi il vantaggio è la misura diretta e ripetibile della grandezza meccanica, con la possibilità di catturarne il valore di picco e di documentare i dati per il controllo qualità.

Nel portfolio RODER, la misura di coppia a tecnologia estensimetrica è rappresentata dai torsiometri per tappi Shimpo, impiegati per il controllo del serraggio delle chiusure nei settori farmaceutico, alimentare e cosmetico.

Il ponte di Wheatstone

Gli estensimetri di un trasduttore sono collegati in un circuito a ponte di Wheatstone, tipicamente a quattro rami attivi. Quando l’elemento elastico si deforma, alcuni estensimetri si allungano e altri si accorciano: lo sbilanciamento del ponte genera una tensione di uscita proporzionale alla deformazione e quindi alla forza o alla coppia applicata. La configurazione a ponte completo offre il duplice vantaggio di massimizzare il segnale utile e di compensare automaticamente gli effetti della temperatura e delle sollecitazioni indesiderate, migliorando la stabilità e l’accuratezza della misura.

Celle di carico e trasduttori di coppia

La cella di carico è il trasduttore estensimetrico dedicato alla misura di forza e peso; il trasduttore di coppia ne è l’analogo per il momento torcente. In entrambi i casi il progetto dell’elemento elastico (a flessione, a taglio, a torsione) determina il campo di misura, la rigidezza e la sovraccaricabilità. I trasduttori possono essere integrati nello strumento — come nei torsiometri da banco — oppure esterni e intercambiabili, per coprire con un’unica base display più portate, come nel caso del torsiometro portatile con trasduttore esterno.

Vantaggi e limiti della tecnologia estensimetrica

La tecnologia estensimetrica offre elevata linearità e ripetibilità, ottima stabilità nel tempo, ampia gamma di portate e misura diretta della grandezza meccanica. Come ogni tecnica di misura presenta anche alcuni accorgimenti da rispettare: la protezione dal sovraccarico per non danneggiare il trasduttore, il controllo delle condizioni di temperatura e il rispetto delle modalità di applicazione del carico. Il ricorso a modalità di cattura del picco (Peak, First Peak) e a un’adeguata frequenza di campionamento consente di misurare correttamente anche i fenomeni transitori rapidi.

Taratura e riferibilità

Per garantire la validità metrologica, i trasduttori estensimetrici vanno tarati periodicamente confrontandoli con campioni di riferimento. Un certificato di taratura riferibile (ad esempio NIST) documenta l’accuratezza dello strumento e ne assicura la riconducibilità ai campioni nazionali, requisito indispensabile quando le misure hanno valore contrattuale o rientrano in un sistema qualità certificato.

Dall’estensimetro al valore misurato

Il percorso del segnale in uno strumento estensimetrico è ben definito. La forza o la coppia applicata deforma l’elemento elastico; gli estensimetri traducono la deformazione in una variazione di resistenza; il ponte di Wheatstone converte questa variazione in una piccola tensione; un amplificatore ne aumenta il livello; un convertitore analogico-digitale la digitalizza; infine il microprocessore linearizza, applica la taratura e visualizza il valore nell’unità di misura scelta. Ogni stadio contribuisce all’accuratezza complessiva, motivo per cui la qualità dell’elettronica è importante quanto quella del trasduttore.

Applicazioni per settore

La misura estensimetrica di forza, coppia e peso è impiegata nel controllo qualità e nella ricerca e sviluppo di quasi tutti i comparti manifatturieri: nel packaging per il controllo delle chiusure, nella meccanica per le coppie di serraggio, nel medicale per le forze di attivazione dei dispositivi, nell’elettronica per le prove sui connettori. La stessa tecnologia è alla base delle bilance industriali e dei banchi prova, a conferma della sua versatilità.

Come scegliere il trasduttore

La scelta del trasduttore parte dalla grandezza da misurare (forza o coppia) e dal campo di misura: conviene selezionare una portata che collochi i valori tipici di prova nella parte alta del campo, per massimizzare la risoluzione, prevedendo un adeguato margine di sovraccarico. Vanno poi considerate le modalità di misura necessarie (Peak, First Peak, ecc.), le interfacce di comunicazione e i requisiti di taratura. Nei casi in cui servano più portate, un sistema con trasduttore esterno intercambiabile offre la massima flessibilità.

Compensazione della temperatura e stabilità

Un aspetto determinante per l’accuratezza dei trasduttori estensimetrici è la compensazione della temperatura. Le variazioni termiche influenzano sia la resistenza degli estensimetri sia le proprietà dell’elemento elastico; la configurazione a ponte completo, con estensimetri disposti simmetricamente, annulla in larga misura questi effetti, mantenendo stabile la misura al variare delle condizioni ambientali. A ciò si aggiungono la scelta di materiali a basso coefficiente termico e la caratterizzazione in taratura, che consentono di dichiarare l’errore residuo dovuto alla temperatura. Il risultato è una misura affidabile e ripetibile anche in ambienti industriali non climatizzati, requisito essenziale quando i dati hanno valore contrattuale. Grazie a queste caratteristiche la tecnologia estensimetrica resta il riferimento per la misura precisa di forza e coppia nel controllo qualità.

Approfondimenti

La sezione sarà ampliata con ulteriori tecnologie e strumenti a base estensimetrica man mano che verranno aggiunti al portfolio RODER.