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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)
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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.
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Ma come funziona?
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Ma come funziona?
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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.
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Il ponte di Wheatstone
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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
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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.
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Schemi di collegamento
Trazione
e
Compressione
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Schemi di collegamento
Torsione
e
Taglio
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Alcuni casi di applicazioni
estensimetriche
su componenti industriali
Storie di vita vissuta
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Estensimetri, quali ?
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Estensimetri,
cosa ?
Celle di carico
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Torsiometri
Trasduttori
di pressione
Accelerometri
Trasduttori di
spostamento
Estensometri
Sensori speciali
Estensimetri,
cosa ?
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Estensimetri, dove ?
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Estensimetri
in laboratorio
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Estensimetri a supporto
dellattivit industriale
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La gru edile
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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
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Area di rischio
Area di lavoro
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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
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.. i riferimenti
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.. i riferimenti ????
64 .. le conseguenze ieri !!!!!!!!
65 .. le conseguenze oggi !!!!!!!!
66 .. I disastri !!!!!!
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Ricerca di una soluzione
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Tiro in
seconda
Tiro in
quarta
Ricerca di una soluzione
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Idea Progettuale
t
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Disegno esecutivo
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Strumentazione
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Incollaggio e
cablaggio
estensimetri
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Azzeramento
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Il prodotto finito
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Nuovi prodotti
Celle di carico per
usi particolari
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Per carri ponte anche di notevole
dimensione (la cella pesa 48 Kg)
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metr
i
27 m
etr
i La ricerca e
produzione di
idrocarburi
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Disposizione
estensimetri
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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
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Taratura dellestensimetro
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Calibrazione del punto di misura
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Pup joint
strumentato
e protetto
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Discesa in
pozzo
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Flangia passacavo
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Isolamento
interno
sulla
flangia
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Cablaggio sulle flangie e
montaggio su Christmas tree
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Il predistributore per turbina
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Lalbero della turbina
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Schema
collegamento
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La gru semovente da banchina
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Il carro ferroviario
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Preparazione della superficie
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Tracciatura
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Incollaggio
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( Divagazione
115
Divagazione
116
Divagazione
117
Divagazione
118
Divagazione )
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Lammortizzatore e la molla del freno
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121
122
123
124
Lauto
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126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
Porosit interdendritiche
da fusione
struttura del materiale
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I rinominabili (?) impianti
nucleari
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150
151
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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
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ANGELO FINELLI
Grazie per lattenzione