Sfide di misurazione dello Strain ad alta temperatura

Gli ambienti di produzione di gas non densi, gas naturale, nucleare o geotermica, possono essere sottoposti a sistemi di estensimetri a temperature termiche estreme, spesso superiori a 500°C nelle pale della turbina, nei tubi della caldaia o nei sistemi di scarico.

Selezione avanzata dei materiali per il calore estremo

Lega di conduttore di rete e di filo

L’elemento conduttivo di un alto calibro di temperatura deve presentare una resistenza stabile e un’alta sensibilità di sforzo lineare (fattore di carico) attraverso la gamma termica mirata.Per applicazioni inferiori a 400°C, costante (lega di rame-nichel) rimane valida se correttamente trattato termicamente, ma sopra questo tipo di ossidazione di temperatura e di migrazione di rame diventano problematici.

Isolamento e incapsulamento

I sistemi di isolamento termico e di tipo industriale (in inglese) sono utilizzati per la produzione di materiale di tipo industriale.

Sottostrato di aggancio e inserimento

Per l'installazione permanente su componenti metallici, gli ingegneri utilizzano saldatura del punto di estensimetri saldabili (dove la griglia è pre-bonded a un sottile supporto metallico che viene saldato alla struttura dell'host) o

Strategie di progettazione per l'accuratezza e la longevità

Metodi di compensazione della temperatura

Apparent strain caused by temperature fluctuations can be one to two orders of magnitude larger than the actual mechanical strain signal. The most common compensation uses a half-bridge or full-bridge Wheatstone circuit with a dummy gauge mounted on an identical, unstrained material specimen placed in the same thermal environment. This arrangement automatically subtracts the temperature-induced resistance change. At high temperatures, however, the dummy gauge must be thermally identical (same thermal inertia and mounting method). Self-temperature-compensated gauges—where the grid alloy’s temperature coefficient of resistance is matched to the CTE of the test material—are available for limited temperature ranges (e.g., for steel or aluminum up to 350°C). For wider ranges, electronic compensation using a separate thermocouple or RTD placed near the strain gauge, combined with a polynomial correction algorithm, can reduce apparent strain error to less than 10 με over a 500°C span. Engineers should pre-characterize each gauge’s drift and apparent strain curve during laboratory thermal cycling before field deployment.

Robusto montaggio e gestione dei cavi di piombo

A temperature elevate, l'espansione termica dell'area di montaggio può indurre la compressione o la trazione del pre-strato se il metodo di fissaggio è troppo rigido. La saldatura del punto offre un legame meccanico controllato che può flex, ma le saldature possono incrinarsi sotto il ciclo termico ripetuto se non adeguatamente distanziato.

Condizionamento del segnale e riduzione del rumore

I segnali di estensimetri ad alta temperatura sono nella gamma di microvolt ed estremamente suscettibili di interferenze elettromagnetiche (EMI), perdite omogenee e tensioni termoelettriche. Un amplificatore dedicato situato il più vicino possibile al ponte (in modo identico entro pochi metri) riduce il pick-up del rumore

Cerniere protettive e sigillatura

In ambienti di centrali elettriche, gli estensimetri possono essere esposti non solo ad alte temperature ma anche a vapore, gas di combustione, particolati e sostanze chimiche corrosive. Un alloggiamento di metallo ermetico fatto da Inconel o Hastelloy, riempito con gas inerte, può proteggere il manometro e conduce per anni. Tuttavia, i contenitori di metallo pieno possono introdurre irrigidimento meccanico; quindi, gli ingegneri spesso usano un

Attuazione nei sistemi di centrali elettriche

Lame e Rotori di Turbine di vapore

Le fasi di lavorazione a bassa pressione (LP) sono a 100°C, dove i misuratori convenzionali sono sufficienti, ma gli stadi intermedi di pressione (IP) e ad alta pressione (HP) superano i 500°C per i progetti avanzati ultra-critici (USC) e sono quindi installati su rametti di calore e di cavi isolati a raggi ultra-minerali.

Tubi e testate per caldaie

Nelle caldaie a carbone e a biomassa, i tubi a surriscaldamento e a riscaldamento sperimentano temperature metalliche fino a 650°C. Gli ingegneri installano array di estensimetri saldabili a curve e intestazioni per rilevare il rilassamento dei visceri e dello stress durante le modifiche di avviamento e di carico.

Gas Turbine Combustor e Transition Ducts

Il percorso di gas caldo in una turbina a gas, i sensori di COSTRUZIONE e i pezzi di transizione, può superare gli 800°C. Solo i misuratori di filo di free-filament (ad esempio FeCrAl o Pt-W) attaccati con i cementi di ceramica sopravvivono a questo ambiente.

Calibrazione, verifica e affidabilità a lungo termine

Ogni sistema di estensimetri ad alta temperatura deve essere sottoposto a una rigorosa procedura di taratura prima della messa in servizio. Il fattore di carico ] deve essere misurato a temperature multiple che spaziano all’intervallo di funzionamento—solitamente utilizzando un sistema di piegatura a quattro punti all’interno di un forno a tubo.

Per il monitoraggio a lungo termine in attività di centrali elettriche critiche, i sensori sono spesso incollati con un manometro di riferimento installato su un coupon privo di stress dello stesso materiale posto accanto al componente.

Tendenze e avanzamenti futuri

I sensori di tensione a bassa frequenza (MEMS) promuovono ulteriormente i confini. Gli estensimetri a bassa densità di energia (FLT:0) prevedono che i sistemi di misurazione a bassa temperatura siano più elevati, ma i loro piccoli ingombri consentono di incorporare i sistemi di filtraggio a bassa temperatura.

Conclusioni

Progettare sistemi di estensimetri resistenti per ambienti di centrali elettriche superiori a 300°C richiede un approccio multidisciplinare che spazia alla scienza dei materiali, all'ingegneria meccanica e alla progettazione elettronica.