Простая конструкция дилатометра для измерения теплового расширения жидкостей и твердых тел.
Дилатометр — это научный прибор , который измеряет изменения объема, вызванные физическими или химическими процессами. Известным применением дилатометра является ртутный термометр , в котором изменение объема столба жидкости считывается по градуированной шкале. Поскольку ртуть имеет довольно постоянную скорость расширения в диапазоне температур окружающей среды, изменения объема напрямую связаны с температурой.
Приложения
Дилатометры применяются при изготовлении металлических сплавов, изучении мартенситного превращения, прессованных и спеченных тугоплавких соединений, стекол, керамических изделий, композиционных материалов и пластмасс. [1]
Дилатометрия также используется для мониторинга хода химических реакций, особенно тех, которые демонстрируют существенное изменение молярного объема (например, полимеризация). Конкретным примером является скорость фазовых изменений. [2]
Другое распространенное применение дилатометра — измерение теплового расширения . Тепловое расширение является важным инженерным параметром и определяется как:
Типы
Существует несколько типов дилатометров:
Емкостные дилатометры имеют конденсатор с параллельными пластинами, одной неподвижной и одной подвижной пластиной. При изменении длины образца перемещается подвижная пластина, что изменяет зазор между пластинами. Емкость обратно пропорциональна зазору. Могут быть обнаружены изменения длиной до 10 пикометров . [4]
Шатунный (толкательный) дилатометр , образец которого можно исследовать, находится в печи. Шатун передает тепловое расширение на тензодатчик , который измеряет смещение. Поскольку измерительная система (шатун) подвергается воздействию той же температуры, что и образец, и вследствие этого также расширяется, получается относительное значение, которое впоследствии необходимо преобразовать. Для минимизации влияния расширения шатуна можно использовать подходящие материалы с низким коэффициентом расширения и дифференциальные конструкции [5] [6]
Высокое разрешение — лазерный дилатометр. Наивысшее разрешение и абсолютная точность возможны при использовании лазерного дилатометра типа интерферометра Майкельсона. Разрешение достигает пикометров. Кроме того, принцип интерференционного измерения обеспечивает гораздо более высокую точность и представляет собой абсолютный метод измерения, не требующий калибровки. [7] [ нужны разъяснения ]
Оптический дилатометр — это прибор, который измеряет изменения размеров образца, нагретого при температурах, обычно находящихся в диапазоне от 25 до 1400 °C. Оптический дилатометр позволяет контролировать расширение и сжатие материалов бесконтактным методом: оптическая группа, подключенная к цифровой камере, фиксирует изображения расширяющегося/сжимающегося образца в зависимости от температуры с разрешением около ±70 микрометров на единицу измерения. пиксель. [8] Поскольку система позволяет нагревать материал и измерять его продольные/вертикальные перемещения без какого-либо контакта между инструментом и образцом, можно анализировать как наиболее пластичные материалы, такие как полимеры , так и самые хрупкие, такие как в качестве несвязных керамических порошков для процесса спекания .
Для более простых измерений в диапазоне температур от 0 до 100 °C, когда вода нагревается и течет над образцом. Если необходимо измерить линейные коэффициенты расширения металла, горячая вода будет течь по трубе, сделанной из металла. Труба нагревается до температуры воды, и относительное расширение можно определить как функцию температуры воды.
Для измерения объемного расширения жидкостей берут большую стеклянную емкость, наполненную водой. В расширительный бак (стеклянную емкость с точной шкалой объема) с пробой жидкости. Если нагреть воду, исследуемая жидкость расширяется и считывается изменение объема. Однако необходимо также учитывать расширение контейнера для проб.
Коэффициент расширения и сжатия газов невозможно измерить с помощью дилатометра, поскольку здесь играет роль давление . Для таких измерений больше подходит газовый термометр .
Дилатометры часто включают в себя механизм контроля температуры. Это может быть печь для измерений при повышенных температурах (до 2000 °С) или криостат для измерений при температурах ниже комнатной. Металлургические применения часто включают в себя сложный контроль температуры, позволяющий применять точные температурно-временные профили для нагрева и закалки образца. [9]
^ Ганс Леманн, убежище Гацке Дилатометрия и дифференциальный термический анализ для оценки процессов ? ? , 1956.
^ Касл, Дж. Х.; Келли, WP (июль 1904 г.). «О скорости кристаллизации пластической серы». Американский химический журнал . 32 : 483–503.
^ Бауэрс, Р.Х. (1 марта 1978 г.). «Быстрый расчет значений индекса твердого жира по показаниям дилатометра». Журнал Американского общества нефтехимиков . 55 (3): 350–351. дои : 10.1007/BF02669928. ISSN 1558-9331. S2CID 96393933.
^ Дж. Дж. Ноймайер, Р. К. Боллинджер, Дж. Е. Тимминс, К. Р. Лейн, Р. Д. Крогстад и Дж. Макалузо, «Емкостная ячейка дилатометра, изготовленная из плавленого кварца, для измерения теплового расширения твердых тел», Review of Scientific Instruments 79 , 033903 (2008) .
^ Theta Industries http://www.theta-us.com/dil/dil1.html Архивировано 30 декабря 2009 г. в Wayback Machine.
^ «Анализаторы | Промышленные поставщики» .
^ C.Linseis Следующий шаг в дилатометрии, изобретение и использование лазерного дилатометра Linseis , Linseis Messgeraete GmbH, Зельб (Германия)
^ М.Паганелли Бесконтактный оптический дилатометр, предназначенный для анализа поведения керамического сырья , Expert System Solutions Srl, Модена (Италия).
^ "Страница дилатометра закалки/деформации Theta Industries, Inc. - 01 февраля" . Архивировано из оригинала 15 января 2010 г. Проверено 10 сентября 2009 г.
