Come misurare il coefficiente di dilatazione termica di un materiale

A volte è necessario misurare il coefficiente di dilatazione termica di un materiale senza avere a disposizione strumenti delicati, quali per esempio il dilatometro. Esiste un metodo facile e preciso per misurare il coefficiente di dilatazione termica di un materiale ed è quello di confrontarlo con quello di un materiale preso come referenza. Il metodo si basa sull'incollaggio di 2 estensimetri: uno sul provino di referenza, l’altro su quello in prova. I provini possono avere qualsiasi forma e dimensione, purché compatibili con l'apparecchiatura di riscaldamento e raffreddamento che si ha a disposizione.

In assenza di sollecitazioni, il segnale differenziale degli estensimetri applicati sui due provini, che devono avere la medesima temperatura, è uguale alla differenza delle unità di dilatazione (µm/m). Due estensimetri presi dalla medesima confezione, avranno un comportamento identico per quanto concerne il segnale dovuto alla temperatura.

Ancora più vicini, per quanto riguarda le caratteristiche termiche, sono le due griglie dell'estensimetro 125 MG a doppia griglia illustrato nell’immagine. Separando le due griglie con un taglio preciso avremo due gemelli perfettamente identici. Per la misura, un estensimetro viene incollato su un materiale a basso coefficiente di deformazione termica (per esempio silicato di titanio che ha un coefficiente di 0,03 x 10-6/C. tra O e 200°C.) e l'altro sul provino che deve essere misurato.

Successivamente i provini, completi di estensimetri collegati a mezzo di ponte allo strumento di misura, vengono messi od in forno od in frigorifero senza alcuna sollecitazione meccanica. Se il «gage factor» riportato sulla confezione è stato predisposto sullo strumento di misura, la deformazione misurata alla temperatura di prova è uguale alla differenza delle unità di dilatazione termica, corrispondente alla variazione di temperatura che ha avuto luogo dalla condizione iniziale di bilanciamento. Oltre alla semplicità, questa prova, non richiede strumentazione particolare. La tecnica può essere anche usata con materiale anaisotropico per determinare la direzione del coefficiente di dilatazione termica.

Oltre alla normale cura necessaria per una misura estensimetrica, sarà necessario tener conto di queste considerazioni:

  1. Il provino campione e quello di prova devono essere all'esatta medesima temperatura durante la misura.
  2. I due provini devono essere privi di sollecitazioni meccaniche ed in equilibrio termico con l'ambiente di prova (per evitare sollecitazioni termiche).
  3. La dissipazione termica dell'estensimetro deve essere minima per evitare imprecisioni dovute all'auto-riscaldamento dell'estensimetro.
  4. I provini devono essere abbastanza spessi (rispetto al modulo di elasticità) in modo che si possano trascurare effetti di rinforzo.
  5. La temperatura dei due provini deve variare abbastanza lentamente per evitare sollecitazioni termiche transienti che, combinate con tensioni residue, causano una deformazione permanente.

Se si esegue con cura l'applicazione, la precisione viene limitata da: la precisione di misura della temperatura e la tolleranza del gage factor (± 0,2%); la prima è la sorgente maggiore di errore. Con questo metodo non è necessario conoscere la caratteristica termica degli estensimetri in quanto in fabbricazione essi vengono accoppiati ed in seguito usati solo in un circuito differenziale. 

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