Ponte di Wheatstone

Il circuito di misura che converte la deformazione in segnale elettrico nell'estensimetria

Il ponte di Wheatstone è un circuito elettrico che misura piccole variazioni di resistenza convertendole in un segnale di tensione proporzionale. Nato per la misura di precisione delle resistenze, è oggi il cuore della misura estensimetrica: quando un estensimetro si deforma, la sua resistenza cambia di una quantità minima, che solo un circuito a ponte riesce a rilevare con l'accuratezza richiesta. La configurazione a ponte permette inoltre di compensare gli effetti della temperatura e di amplificare il segnale utile, due condizioni essenziali per una misura di deformazione affidabile. Comprenderne il funzionamento aiuta a scegliere la configurazione corretta e a completare il circuito nel modo più adatto alla propria applicazione.

Schema del ponte di Wheatstone in un circuito estensimetrico

Come funziona il ponte di Wheatstone

Il ponte di Wheatstone è formato da quattro resistenze disposte ad anello, alimentate su una diagonale e lette sull'altra. Quando le quattro resistenze sono in equilibrio, la tensione di uscita è nulla. Se una di esse varia, anche di pochissimo, il ponte si sbilancia e produce una tensione proporzionale alla variazione. È questo il meccanismo che rende possibile la misura estensimetrica: sostituendo una o più resistenze con degli estensimetri, la deformazione della struttura diventa uno sbilanciamento del ponte, e quindi un segnale elettrico leggibile dallo strumento di misura.

Le configurazioni del ponte estensimetrico

Nella misura di deformazione il ponte può essere completato in tre modi. Nel quarto di ponte un solo estensimetro è attivo e le altre tre resistenze completano il circuito: è la configurazione più semplice, ma non compensa la temperatura. Nel mezzo ponte due elementi sono attivi, e disponendoli opportunamente si ottiene la compensazione termica e si raddoppia la sensibilità. Il ponte intero impiega quattro estensimetri attivi: massima sensibilità e compensazione intrinseca degli effetti termici e delle sollecitazioni indesiderate. La scelta dipende dall'accuratezza richiesta e dallo spazio disponibile sul componente.

Il completamento esterno del ponte

Quando lo strumento di misura non integra le resistenze di completamento, il circuito va chiuso esternamente. Il completamento può avvenire con estensimetri incollati, con resistenze di precisione stabili in temperatura o con moduli dedicati. Gli estensimetri sono l'unica soluzione che permette la compensazione termica, a condizione che quello attivo e quello di compensazione siano della stessa lega e alla stessa temperatura, e che il secondo sia applicato in una zona priva di deformazione. Le resistenze di precisione, insensibili alla temperatura, sono indicate quando servono valori non standard o va dissipata una potenza elevata nel circuito. Approfondimenti sul comportamento termico degli estensimetri e sul rumore nei circuiti di misura sono disponibili nelle note tecniche TN-504 e TN-501.

Estensimetro a ponte intero con quattro griglie attive

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La configurazione del ponte di Wheatstone e il modo in cui viene completato incidono direttamente sull'accuratezza della misura e sulla compensazione termica. I nostri ingegneri ti affiancano nella scelta della configurazione corretta, dei sensori di deformazione più adatti e degli accessori di installazione, fino all'acquisizione del segnale. Contattaci per una consulenza sulla tua applicazione.

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FAQ

Che cos'è il ponte di Wheatstone?

Il ponte di Wheatstone è un circuito elettrico composto da quattro resistenze ad anello, che misura piccole variazioni di resistenza convertendole in una tensione proporzionale. Quando le resistenze sono in equilibrio l'uscita è nulla; una loro variazione sbilancia il ponte e genera un segnale misurabile. È il circuito alla base della misura estensimetrica.

A cosa serve il ponte di Wheatstone negli estensimetri?

Serve a rendere misurabile la variazione di resistenza dell'estensimetro, che è troppo piccola per essere rilevata direttamente. Inserendo l'estensimetro in un ponte di Wheatstone, la deformazione della struttura diventa uno sbilanciamento del circuito e quindi una tensione proporzionale. Il ponte permette inoltre di compensare gli effetti della temperatura sulla misura.

Qual è la differenza tra quarto di ponte, mezzo ponte e ponte intero?

La differenza sta nel numero di estensimetri attivi nel circuito. Il quarto di ponte ne impiega uno solo ed è la configurazione più semplice, ma non compensa la temperatura. Il mezzo ponte ne usa due, ottenendo compensazione termica e sensibilità doppia. Il ponte intero impiega quattro elementi attivi e offre la massima sensibilità con compensazione intrinseca degli effetti termici.

Perché completare il ponte esternamente allo strumento?

Perché non tutti gli strumenti integrano le resistenze di completamento del ponte di Wheatstone. In alcuni casi il completamento esterno serve anche a migliorare la misura: può ridurre il rumore indotto dal cablaggio o eliminare gli effetti delle resistenze di contatto. La scelta tra estensimetri di compensazione e resistenze di precisione dipende dalla necessità di compensare la temperatura.

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