Misura dell’allungamento

I materiali possono deformarsi a causa degli effetti termici e meccanici. Un esempio di tale cambiamento di forma è l’allungamento. È il termine utilizzato per descrivere la variazione relativa della lunghezza di un componente o di un materiale sottoposto a tensione meccanica (forza) o a variazioni di temperatura. Se si esercita una forza su un componente dall’esterno, questo si allunga (allungamento positivo, allungamento). Gli allungamenti che si verificano come reazione all’applicazione di una forza provocano la deformazione del materiale. Se il componente è esposto a pressione, viene compresso (accorciato, allungamento negativo). Se il materiale subisce una variazione di temperatura che ne aumenta le dimensioni, si parla di allungamento termico. Le alte temperature causano un allungamento termico positivo, il freddo uno negativo. Inoltre, si verifica uno stiramento dovuto alla tensione interna. Queste deformazioni si verificano quando i componenti vengono forgiati e saldati. Inoltre, esistono allungamenti causati da un campo magnetico o da un campo elettrico.

Per calcolare l’allungamento di un materiale, la variazione di lunghezza viene divisa per la lunghezza originale e indicata in micrometri per metro (μm / m). Per molti materiali, l’allungamento è proporzionale alla forza che agisce. Lo stiramento può avvenire in direzione longitudinale o come risultato di una contrazione trasversale alla direzione della forza. Se le forze di trazione, compressione e taglio agiscono insieme, il risultato è un allungamento in tutte le direzioni. Queste deformazioni complesse possono anche essere simulate al computer.

I materiali si differenziano per l’allungamento: L’acciaio si deforma meno della gomma quando viene applicata una forza. Il titanio non si allunga sotto l’effetto del calore come l’alluminio. La causa dell’allungamento dei componenti è indicata dai coefficienti o dai moduli dei materiali. Quando si parla di sollecitazioni meccaniche, l’allungamento è rappresentato dal modulo di elasticità. Il coefficiente di allungamento termico descrive l’allungamento dovuto all’azione del calore. Un gran numero di materiali si espande uniformemente in tutte le direzioni. Al contrario, l’allungamento causato da una sollecitazione meccanica avviene solitamente nella direzione di tale forza. L’allungamento può essere calcolato e anche misurato sperimentalmente.

I metodi di misurazione dell’allungamento oggi prevalentemente utilizzati sono la misurazione elettrica e ottica con l’ausilio di strisce di misurazione dell’allungamento (EMS). Se l’EMS è realizzata in lamina metallica, può essere utilizzato per misurare allungamenti da 1/100 a 1/10 μm / m. Gli EMS a semiconduttore consentono di rilevare con precisione la variazione di lunghezza nell’intervallo compreso tra 1/1000 e 1/100 μm/m. La striscia di misurazione dell’allungamento indica sempre l’allungamento medio del materiale a cui è fissata con uno speciale adesivo. A seconda delle condizioni ambientali, si utilizzano EMS di dimensioni diverse.

Le strisce di misurazione dell’allungamento elettrico sono note anche come strisce di allungamento del film. Sono disponibili da oltre 80 anni e sono costituiti da due sottili fogli di poliammide con una griglia di misurazione integrata in costantana. Per la misurazione si utilizzano solitamente circuiti a ponte. Al posto di una griglia di misura metallica, si può utilizzare anche una griglia di silicio (EMS a semiconduttore). Queste strisce di misurazione dell’allungamento sono molto più sensibili delle EMS metalliche. Le strisce di misurazione elettriche hanno dimensioni comprese tra 0,2 e 150 mm. Con la misura convenzionale, sono possibili deviazioni tra lo 0,1 e l’1% dal valore di fondo scala.

Quando si allunga, la resistenza della griglia di misura aumenta e si deforma. La sensibilità nel rilevare la deformazione varia con il semiconduttore EMS in base all’orientamento del cristallo e al silicio (n o p). Questi EMS consentono di ottenere risultati di misura privi di errori nella gamma di frequenze da 5 a 8 MHz. La tensione massima di esercizio dipende dalle dimensioni della striscia di misura e dal materiale. I comuni formati di EMS che aderiscono a buoni conduttori di calore possono sopportare da 5 a 10 V. La misurazione ottica dell’allungamento avviene con l’aiuto di sensori a fibra ottica (FOS), che vengono incollati o saldati al rispettivo materiale.

Queste strisce ottiche di misurazione dell’allungamento sono note anche come sensori a reticolo di Bragg. Sono insensibili alle interferenze elettromagnetiche e ad altre condizioni sfavorevoli. Sono quindi utilizzati quando non è possibile utilizzare l’EMS elettrica, ad esempio a temperature comprese tra -270 e 300 °C. L’EMS ottica ha come nucleo una fibra di vetro di quarzo rivestita di plastica, che è circondata da un rivestimento più denso e da una protezione in plastica. La fibra contiene diversi reticoli di Bragg. Se la luce laser introdotta dall’esterno tramite un interrogatore colpisce questa griglia, alcuni dei raggi luminosi vengono riflessi e rimandati all’interrogatore. Da ciò si possono determinare le sollecitazioni all’interno del materiale e le deformazioni.

Se la fibra si allunga durante la misurazione dell’allungamento, le distanze tra le parti della griglia aumentano. Allo stesso tempo, la lunghezza d’onda della luce riflessa cambia. Poiché ogni fibra può contenere innumerevoli reticoli di Bragg, questa misurazione dell’allungamento è adatta per il monitoraggio di condotte e tunnel. A differenza della misurazione elettrica dell’allungamento, in cui ogni EMS deve essere collegato a un cavo di connessione separato, per gli EMS ottici è sufficiente una singola fibra di vetro. In questo modo si risparmiano sforzi e costi di installazione.

Le misurazioni dell’allungamento hanno il vantaggio di poter determinare in modo estremamente preciso e puntuale anche le più piccole variazioni di forma e di tensione e di poter essere utilizzate quasi universalmente con l’aiuto di diverse strisce di misurazione dell’allungamento. I componenti possono essere monitorati per anni. Le misurazioni dell’allungamento possono essere eseguite anche su componenti complessi (alloggiamento in alluminio pressofuso, guide della turbina) e sott’acqua con l’ausilio dell’EMS.

La misurazione dell’allungamento può essere effettuata anche con sistemi di misura ottici dotati di telecamere ad alta risoluzione, come il sistema ARAMIS di ZEISS. È sufficiente marcare preventivamente il materiale da testare con una griglia di misurazione mediante un laser di marcatura. Mentre il materiale si deforma, le due fotocamere lo fotografano. La misura dell’allungamento 3D può essere eseguita anche su componenti con geometria complessa. Sulla base delle coordinate dei pixel misurati del modello applicato, gli allungamenti possono essere calcolati con precisione utilizzando uno speciale software ZEISS. Il sistema di misurazione ottica può essere montato in modo permanente sulla rispettiva macchina di prova.

Le misurazioni dell’allungamento vengono effettuate con metodi diversi, limitati a specifici settori di applicazione. Le misure stesse sono versatili e possono essere utilizzate in vari settori.