DINAMOMETRO

DINAMOMETRO (XII, p. 902)

Dinamometri elettrici. - Accanto ai classici dinamometri di tipo meccanico, hanno recentemente avuto un considerevole sviluppo quelli di tipo elettrico, nei quali la forza da misurare è valutata indirettamente, attraverso le variazioni che essa produce in una determinata grandezza elettrica (tensione, corrente, capacità, ecc.).

In confronto ai dinamometri meccanici, quelli elettrici presentano i seguenti vantaggi principali: 1) maggiore sensibilità e precisione di misura; 2) possibilità di misurare forze variabili assai rapidamente e di registrarne il valore, trasmettendolo eventualmente a distanza considerevole; 3) possibilità di eseguire la misura senza che il punto di applicazione della forza si sposti sensibilmente.

Per istituire una corrispondenza tra i valori di una forza e quelli di una grandezza elettrica, si potrebbero utilizzare gli stessi principî fisici di cui ci si serve nei microfoni, negli altoparlanti e nei fonorivelatori. Non tutti questi principî fisici permettono, però, ugualmente bene di ottenere quelle caratteristiche di robustezza e di stabilità di taratura che debbono essere proprie di un dinamometro; per questa ragione, i tipi di dinamometri elettrici che sono attualmente adoperati nella tecnica si riducono a tre: dinamometro a quarzo (o piezoelettrico), dinamometro a resistenza e dinamometro a capacità (o elettrostatico).

I dinamometri a quarzo sono basati sull'effetto piezoeletirico. Una lamina di quarzo, tagliata in modo che le sue facce siano perpendicolari all'asse di simmetria ternaria, dà luogo, quando sia compressa, ad una localizzazione di cariche elettriche di segno opposto sulle facce stesse. Inserendo la lamina tra due armature metalliche isolate, queste si caricano per induzione e la differenza di potenziale (d. d. p.) che ne risulta è proporzionale, entro un vasto campo, alla grandezza della forza applicata. Per la misura di questa d. d. p. è necessario disporre di uno strumento a resistenza interna elevatissima; può servire a tale scopo un elettrometro od un triodo elettrometrico caratterizzato dal piccolissimo valore della corrente di griglia.

I dinamometri a quarzo riescono assai semplici e compatti, in quanto le armdture del condensatore possono essere applicate direttamente per deposizione chimica, o meglio per spruzzamento catodico nel vuoto, sulle facce della lamina, che ha generalmente uno spessore di qualche mi] limetro. In questo modo si ottiene un elemento sensibile che resiste bene anche alle alte temperature e permette di seguire forze rapidamente variabili ed anche di tipo alternativo, almeno finché la frequenza di tali forze si mantiene inferiore alla frequenza fondamentale delle vibrazioni longitudinali della lamina di quarzo.

I dinamometri a quarzo si prestano quindi particolarmente bene al rilievo delle pressioni nei cilindri dei motori a scoppio e questa è stata appunto la principale applicazione che hanno finora ricevuto. Più delicato invece è il loro uso per misure statiche, a causa dell'elevatissimo isolamento richiesto tra le armature metalliche.

I dinamometri a resistenza sono basati sulle variazioni di resistenza che un conduttore subisce in conseguenza di allungamenti o contrazioni. L'elemento sensibile è costituito da un sottile filo eonduttore, incollato con un mastice cellulosico su un sottile foglio di materiale isolante. Il filo segue fedelmente le deformazioni del supporto; quando quest'ultimo si allunga, la resistenza elettrica del filo aumenta sia per effetto dell'aumento di lunghezza, sia in seguito alla diminuzione di sezione prodotta dalla contrazione laterale. Generalmente le variazioni percentuali di resistenza sono all'incirca doppie degli allungamenti percentuali. Per misurare questi ultimi su di una provetta assegnata, basta incollare il supporto isolante dell'elemento sensibile sulla provetta stessa (sempre con un mastice di tipo cellulosico), disponendo i tratti paralleli del filo nella stessa direzione delle deformazioni da misurare. La provetta può essere tarata mediante altri dinamometri, o meglio a carico diretto, in modo da determinare il coefficiente di proporzionalità che lega le forze applicate alle variazioni di resistenza e da ottenere un vero e proprio dinamometro a resistenza.

Per la misura si adopera generalmente un ponte di Wheatstone che permette di apprezzare variazioni relative della resistenza dell'ordine di 10^-6. La stabilità della taratura è però alquanto minore, sia a causa delle deformazioni permanenti dei mastici e del supporto isolante che fanno parte dell'elemento sensibile, sia a causa delle variazioni accidentali di resistenza dovute alle fluttuazioni della temperatura ambiente e delle forze termoelettromotrici che si producono nei giunti del circuito. Questi ultimi due inconvenienti possono essere grandemente ridotti con un'opportuna scelia del materiale che costituisce il filo e mediante l'uso di dispositivi di compensazione; in complesso l'uso dei dinamometri a resistenza è assai comodo, per le limitatissime dimensioni dell'elemento sensibile ed il suo basso costo, sia per la semplicità del circuito di misura e la facilità di eseguire misure ad una considerevole distanza dall'elemento sensibile, in quanto il cavo di collegamento non desta particolari preoccupazioni.

Un altro tipo di dinamometro a resistenza è basato sullo stesso principio del microfono a carbone adoperato in telefonia. Variando la pressione esercitata sui granuli di carbone contenuti nella capsula sensibile, varia anche la loro resistenza di contatto ed è quindi possibile risalire dai valori di quest'ultima a quelli della forza applicata. Questo dinamometro ha, su quello a filo, il vantaggio di una sensibilità molto maggiore in quanto le variazioni relative della resistenza di contatto sono generalmente molto più grandi di quelle dovute all'allungamcnto del filo. Tuttavia la stabilità di taratura è molto più modesta, a causa delle considerevoli fluttuazioni della resistenza di riposo dell'elemento sensibile, e quindi questo tipo di dinamometro è attualmente poco adoperato.

I dinamometri a capacità sono basati sulle variazioni che si producono nella capacità di un condensatore allorché una forza ne deforma le armature o il dielettrico. L'elemento sensibile è generalmente costituito da una scatola metallica il cui coperchio deformabile porta fissato nel centro un elettrodo piano collocato a piccola distanza da un secondo elettrodo isolato, che è fissato a sua volta al fondo rigido della scatola. La forza da misurare è applicata al centro del coperchio e le sue variazioni producono variazioni corrispondenti nella distanza delle armature e quindi nella loro capacità mutua. La misura della capacità è effettuata, confrontandola con quella di un condensatore variabile campione; per tale confronto si possono utilizzate sia un circuito a ponte, sia i battimenti di due circuiti oscillatorî in cui siano inserite le capacità stesse.

I dinamometri a capacità hanno il pregio essenziale di possedere un elemento sensibile particolarmente robusto, e che può essere costruito in modo da ridurre enormemente ogni effetto di isteresi. Inoltre i circuiti elettrici di misura, e in particolare quelli a battimenti, consentono di rivelare variazioni di capacità estremamente piccole e di sentire variazioni relative della forza dell'ordine di 10^-3 con una stabilità di taratura corrispondente. Non è però possibile effettuare misure a notevole distanza dall'elemento sensibile, in quanto l'aumento che ne consegue nella capacità del cavo di collegamento diminuisce la sensibilità e la precisione della misura stessa.