Estensimetri

INTRODUZIONE ALLESTENSIMETRIA -

ALCUNI CASI DI APPLICAZIONI ESTENSIMETRICHE

SU COMPONENTI INDUSTRIALI

Angelo FINELLI

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Dipartimento di Ingegneria e Architettura Universit di Trieste 22 novembre 2012

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ANGELO FINELLI

ESPERIENZA PROFESSIONALE

1972 1983 AGIP NUCLEARE S.p.A.

Laboratori di Medicina (Medicina BO)

1983 1988 AGIP S.p.A.

Centro Ricerche Tecnologie Avanzate - Medicina (BO)

1989 1993 TEMAV S.p.A.

Centro Ricerche Bologna - Medicina (BO)

1994 2010 ENEA

Unit Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza

1991 - Consulenze nel campo della Meccanica Sperimentale

1997 - 3 Livello CICPND - Esperto Misure Estensimetriche

ISO 9712:2005 (Doc. 317 Rev. 2)

3

Meccanica del continuo

Propriet meccaniche dei materiali

Estensimetri elettrici a resistenza

Introduzione allestensimetria

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Meccanica del Continuo

Studio dellequilibrio elastico di un corpo continuo

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Definizione del continuo

Si definisce continuo un corpo il cui volume e occupato da

materia in ogni sua parte.

Vogliamo studiare la trasformazione che un corpo continuo

subisce quanto e sottoposto ad un insieme di forze e

distorsioni.

Questa trasformazione porta alla variazione dellassetto

geometrico del corpo e alla comparsa di stati tensionali.

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Diagramma di flusso

Tale trasformazione pu essere rappresentata dal seguente diagramma di flusso

P s e S

Insieme delle forze interne e superficiali che agiscono sul corpo,

Insieme delle tensioni che si sono destate in ogni punto del corpo,

Insieme delle deformazioni che si misurano allinterno del corpo,

Insieme degli spostamenti di ogni punto del corpo.

P

s

e

S

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I tre legami

Questo legame e fornito da condizioni di

equilibrio,

Questo legame e fornito da leggi costitutive del materiale,

Questo legame e fornito da condizioni di congruenza.

P s

s e

e S

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La deformazione del continuo

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Il legame s e: Relazioni di Navier (Equazioni di elasticit)

E - Modulo di elasticit normale o modulo di Young,

n - Modulo di Poisson,

G = E /2 (1 + n) - Modulo di elasticit

tangenziale.

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Il legame s e: Relazioni inverse di Navier

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Proprieta meccaniche

dei materiali

Concetto di deformazione, di tensione, modulo di

Young, modulo di Poisson.

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Modulo di Young

Dipende dal tipo di materiale

Diminuisce allaumentare della temperatura (cosi come diminuiscono

la tensione di snervamento y e la tensione di rottura r )

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Modulo di Poisson

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Estensimetri elettrici a

resistenza

Cosa misuriamo, come funziona lestensimetro, il ponte di Wheatststone, configurazione del ponte, influenza della

temperatura

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Ma cosa misuriamo

sperimentalmente?

Lunica grandezza che e possibile misurare la deformazione.

Misurata la deformazione e possibile ricavare tutte le altre grandezze

(tensioni meccaniche, modulo di Young, modulo di Poisson,)

La misura delle deformazioni pu essere effettuata con laiuto

dellestensimetria

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Che cose lestensimetria?

E un metodo per lanalisi sperimentale delle deformazioni.

Definizione di estensimetro

Lestensimetro e un dispositivo in grado di misurare la deformazione, nella direzione assegnata, delloggetto su cui posizionato.

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Estensimetro elettrico a resistenza

E costituito da una griglia di sottilissimo filo metallico rigidamente applicata su di un supporto di materiale plastico. Venne inventato da

Edward E. Simmons e Arthur C. Ruge nel 1938.

L'estensimetro viene utilizzato incollandolo sulla superficie del corpo

di cui si vogliono misurare le deformazioni. Il filo dell'estensimetro

segue le deformazioni della superficie a cui incollato, allungandosi

ed accorciandosi insieme ad essa; queste variazioni dimensionali

causano una variazione della resistenza elettrica del filo. Misurando,

tramite un ponte di Wheatstone tali variazioni, si pu risalire all'entit

della deformazione che le ha causate.

Le dimensioni di un estensimetro possono variare da pochi micron

ad alcuni centimetri. Quelli di dimensioni minori sono utilizzati per

misure puntuali, cio per conoscere il valore delle deformazioni in un

punto preciso, mentre quelli di maggior lunghezza sono utili per

rilevare la deformazione media relativa ad un'area pi estesa.

23

Ma come funziona?

24

Ma come funziona?

25

Deformazione vs variazione di

resistenza

Cio alla deformazione del provino prodotta dalla forza F si associa

una variazione della resistenza elettrica dellestensimetro incollato sul provino stesso.

Qual e la relazione che lega deformazione e variazione di resistenza?

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Misura di una resistenza elettrica

Per misurare la deformazione dobbiamo eseguire una

misura di resistenza elettrica,

Per misurare in modo preciso il valore di una resistenza

elettrica si usa il Ponte di Wheatstone che fu inventato da

Samuel Hunter Christie e perfezionato da Charles

Wheatstone.

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Il ponte di Wheatstone E = tensione di alimentazione del

ponte,

eo = tensione di uscita,

R1, R2, R3 e R4 = resistenze,

P+ P- = diagonale di alimentazione (P = Power)

S+ S- = diagonale di uscita (S = Signal)

P+S-, S-P-, P-S+ e S+P+ = rami del ponte. (Per definizione rami

adiacenti hanno segno opposto,

rami opposti segni uguali).

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Il ponte di Wheatstone

Il ponte di Wheatstone un circuito elettrico in grado di rilevare piccole

variazioni di resistenza. Per questa sua propriet, viene utilizzato per

misurare la variazione di resistenza degli estensimetri. Il ponte, come

visto nella slide precedente, costituito dal collegamento di quattro

resistori. Supponiamo che:

R1 = R2 = R3 = R4, oppure

R1 x R3 = R2 x R4

Quando una qualunque tensione viene applicata fra P+ e P-, il segnale

di uscita fra S+ e S- pari a zero. In questo stato il ponte viene definito

bilanciato. Quando viene meno questa condizione, la tensione di uscita

direttamente proporzionale alla variazione di resistenza.

31

Il ponte di Wheatstone

32

La deformazione e una grandezza adimensionale (rapporto tra una

variazione di lunghezza su lunghezza

iniziale)

E uso comune esprimerla come (Non e una unita di misura del S.I.)

Ulteriore modo di esprimerla %

Unita di misura della deformazione

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Configurazioni del ponte

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Collegamento a quarto di ponte

Collegamento a tre fili: Non consentito

da tutti gli strumenti di misura.

Compensa le variazioni termiche e di

resistenza dovute alla lunghezza dei

cavi ma non compensa le variazioni di

temperatura del campione

Il collegamento prevede lutilizzo di un solo estensimetro attivo ma collegato a mezzo ponte

con un estensimetro "dummy" .

Vengono compensate le variazioni termiche e di

resistenza dovute alla lunghezza dei cavi e le

variazioni di temperatura del campione

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Variazione del gage factor con la

temperatura

36

Deformazione apparente vs

temperatura

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Non sempre usiamo lestensimetro singolo

Si pu usare quando noto lo stato di deformazione della struttura (si conoscono le direzioni principali di deformazione):

Trave soggetta a sforzo normale, a flessione pura, a torsione.

Su strutture complesse, non conoscendo a priori lo stato di deformazione (non sono note le direzioni principali), usiamo le

rosette.

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Tipi di rosette estensimetriche

T 2 griglie a 90

Chevron 2 griglie a 90 rispetto

allasse centrale

Rettangolari 3 griglie a 45

Delta 3 griglie a 60

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Quando usarle?

Le rosette T: quando sono note le direzioni

principali di deformazione,

Le Chevron: per misurare il taglio o la torsione,

Le Rettangolari o le Delta: quando non sono

note le direzioni principali di deformazione.

Storicamente quelle pi usate sono le rosette

rettangolari perch sono caratterizzate da

formule pi semplici.

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Altre rosette

Le griglie affiancate dissipano meglio il calore,

quelle sovrapposte occupano meno spazio.

Esistono anche rosette a 4 griglie che

permettono una misura ridondante.

41

Schemi di collegamento

Trazione

e

Compressione

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Schemi di collegamento

Torsione

e

Taglio

44

Alcuni casi di applicazioni

estensimetriche

su componenti industriali

Storie di vita vissuta

45

Estensimetri, quali ?

46

Estensimetri,

cosa ?

Celle di carico

47

Torsiometri

Trasduttori

di pressione

Accelerometri

Trasduttori di

spostamento

Estensometri

Sensori speciali

Estensimetri,

cosa ?

48

Estensimetri, dove ?

49

Estensimetri

in laboratorio

54

Estensimetri a supporto

dellattivit industriale

55

La gru edile

56

Capacit di sollevamento

010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

Cari

co

so

llevab

ile [

%]

Posizione carrello [%]

Curva di sicurezza

57

Area di rischio

Area di lavoro

58

SAIPEM 7000

Dimensions:

Length: 198 m

Breadth: 87 m

Depth to main deck: 45 m

Transit draft: 10.5 m

Operational draft: 27.5 m

Lifting facilities main crane:

2 twin S 7000

Main blocks tandem lift: 14,000 t

Main block single lift: 7,000 t at 40 m rad./41 m

Lowering capability to 450 m below sea level

Carichi sempre maggiori

59 .. Scarse condizioni di visibilit

60 .. il lavoro notturno

61 .. bracci sempre pi lunghi

62

.. i riferimenti

63

.. i riferimenti ????

64 .. le conseguenze ieri !!!!!!!!

65 .. le conseguenze oggi !!!!!!!!

66 .. I disastri !!!!!!

67

Ricerca di una soluzione

68

Tiro in

seconda

Tiro in

quarta

Ricerca di una soluzione

70

Idea Progettuale

t

71

Disegno esecutivo

72

Strumentazione

75

Incollaggio e

cablaggio

estensimetri

76

Azzeramento

77

Il prodotto finito

78

Nuovi prodotti

Celle di carico per

usi particolari

79

Per carri ponte anche di notevole

dimensione (la cella pesa 48 Kg)

80

11

metr

i

27 m

etr

i La ricerca e

produzione di

idrocarburi

82

Disposizione

estensimetri

83

Schema collegamenti

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Protezione del punto di misura

La protezione del punto di misura deve essere in grado di

resistere alleffetto combinato di:

Erosione del fango durante lo spiazzamento dello stesso

Temperatura crescente durante lo spiazzamento del fango (150 C a regime)

Deve essere inoltre in grado di sopportare, senza deteriorarsi,

lazione aggressiva del gasolio che viene utilizzato per lo

spiazzamento del fango ed il lavaggio finale della colonna

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Protezione del punto di misura

86

Taratura dellestensimetro

88

Calibrazione del punto di misura

90

Pup joint

strumentato

e protetto

91

Discesa in

pozzo

92

Flangia passacavo

93

Isolamento

interno

sulla

flangia

94

Cablaggio sulle flangie e

montaggio su Christmas tree

95

Il predistributore per turbina

99

Lalbero della turbina

102

Schema

collegamento

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La gru semovente da banchina

109

Il carro ferroviario

111

Preparazione della superficie

112

Tracciatura

113

Incollaggio

114

( Divagazione

115

Divagazione

116

Divagazione

117

Divagazione

118

Divagazione )

119

Lammortizzatore e la molla del freno

124

Lauto

139

Porosit interdendritiche

da fusione

struttura del materiale

140

I rinominabili (?) impianti

nucleari

154

Prove non distruttive

Controllo mediante estensimetri elettrici a resistenza

Termini e definizioni UNI 10478-1

Scelta degli estensimetri e dei componenti accessori UNI 10478-2

Installazione estensimetrica e sua verifica UNI 10478-3

Circuiti di misura, elaborazione e presentazione dei risultati UNI 10478-4

Controllo delle caratteristiche UNI 10478-5

155

ANGELO FINELLI

[email protected]

Grazie per lattenzione

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