Дилатометр

Прибор для измерения изменений объема

Простая конструкция дилатометра для измерения теплового расширения жидкостей и твердых тел

Дилатометр — это научный прибор, который измеряет изменения объема, вызванные физическим или химическим процессом. Знакомое применение дилатометра — ртутный стеклянный термометр , в котором изменение объема столба жидкости считывается с градуированной шкалы. Поскольку ртуть имеет довольно постоянную скорость расширения в диапазоне температур окружающей среды, изменения объема напрямую связаны с температурой.

Приложения

Дилатометры использовались при изготовлении металлических сплавов, изучении мартенситного превращения, сжатых и спеченных тугоплавких соединений, стекол, керамических изделий, композитных материалов и пластмасс. ^[1]

Дилатометрия также используется для контроля хода химических реакций, особенно тех, которые демонстрируют существенное изменение молярного объема (например, полимеризация). Конкретным примером является скорость фазовых изменений. ^[2]

В пищевой науке дилатометры используются для измерения индекса твердого жира пищевых масел и сливочного масла. ^[3]

Другим распространенным применением дилатометра является измерение теплового расширения . Тепловое расширение является важным инженерным параметром и определяется как:

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{V}}{\biggl (}{\frac {\partial V}{\partial T}}{\biggr )}_{p,N}\ }$

Типы

Существует несколько типов дилатометров:

• Емкостные дилатометры имеют параллельный плоский конденсатор с одной неподвижной пластиной и одной подвижной пластиной. Когда длина образца изменяется, он перемещает подвижную пластину, которая изменяет зазор между пластинами. Емкость обратно пропорциональна зазору. Изменения длины в 10 пикометров могут быть обнаружены. ^[4]
• Дилатометр с шатунами (толкателями) , образец, который может быть исследован, находится в печи. Шатун передает тепловое расширение на тензодатчик , который измеряет сдвиг. Поскольку измерительная система (шатун) подвергается воздействию той же температуры, что и образец, и, таким образом, также расширяется, получается относительное значение, которое должно быть преобразовано впоследствии. Для минимизации влияния расширения шатунов можно использовать согласованные материалы с низким расширением и дифференциальные конструкции ^{[5] [6]}
• Высокое разрешение - лазерный дилатометр Наивысшее разрешение и абсолютная точность возможны с лазерным дилатометром типа интерферометра Майкельсона. Разрешение достигает пикометров. Кроме того, принцип измерения интерференции дает возможность для гораздо более высокой точности, и это абсолютный метод измерения без необходимости калибровки. ^{[7] [ необходимо разъяснение ]}
• Оптический дилатометр — это прибор, который измеряет изменения размеров образца, нагретого при температурах, которые обычно находятся в диапазоне от 25 до 1400 °C. Оптический дилатометр позволяет контролировать расширение и сжатие материалов, используя бесконтактный метод: оптическая группа, подключенная к цифровой камере, фиксирует изображения расширяющегося/сжимающегося образца в зависимости от температуры с разрешением около ±70 микрометров на пиксель. ^[8] Поскольку система позволяет нагревать материал и измерять его продольные/вертикальные перемещения без какого-либо контакта между прибором и образцом, можно анализировать как самые пластичные материалы, такие как полимеры , так и самые хрупкие, такие как некогерентные керамические порошки дляпроцесса спекания .

Для более простых измерений в диапазоне температур от 0 до 100 °C, когда вода нагревается и течет по образцу. 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 берется большая стеклянная емкость, наполненная водой. В расширительном баке (стеклянная емкость с точной шкалой объема) с образцом жидкости. Если нагреть воду, образец жидкости расширяется, и объем изменяется, что считывается. Однако расширение образца емкости также должно быть принято во внимание.

Коэффициент расширения и сжатия газов нельзя измерить с помощью дилатометра, так как здесь играет роль давление . Для таких измерений больше подходит газовый термометр .

Дилатометры часто включают механизм для контроля температуры. Это может быть печь для измерений при повышенных температурах (температуры до 2000 °C) или криостат для измерений при температурах ниже комнатной. Металлургические приложения часто включают сложные температурные регуляторы, способные применять точные температурно-временные профили для нагрева и закалки образца. ^[9]

Смотрите также

• Оптический дилатометр
• Тензодатчик

Ссылки

1. Ганс Леманн, убежище Гатцке Дилатометрия и дифференциальный термический анализ для оценки процессов ? ? , 1956.
2. Kastle, JH; Kelley, WP (июль 1904 г.). «О скорости кристаллизации пластической серы». American Chemical Journal . 32 : 483–503.
3. Боуэрс, Р. Х. (1 марта 1978 г.). «Быстрый расчет значений индекса твердого жира по показаниям дилатометра». Журнал Американского общества нефтехимиков . 55 (3): 350–351. doi :10.1007/BF02669928. ISSN  1558-9331. S2CID  96393933.
4. JJ Neumeier, RK Bollinger, GE Timmins, CR Lane, RD Krogstad и J. Macaluso, «Емкостная дилатометрическая ячейка, изготовленная из плавленого кварца для измерения теплового расширения твердых тел», Review of Scientific Instruments 79 , 033903 (2008).
5. Theta Industries http://www.theta-us.com/dil/dil1.html Архивировано 30 декабря 2009 г. на Wayback Machine
6. "Анализаторы | Промышленные поставщики".
7. C.Linseis Следующий шаг в дилатометрии, изобретение и использование лазерного дилатометра Linseis , Linseis Messgeraete GmbH, Зельб (Германия)
8. М.Паганелли Бесконтактный оптический дилатометр, разработанный для изучения поведения керамического сырья , Expert System Solutions Srl, Модена (Италия).
9. "Theta Industries, Inc. Quench/Deformation Dilatometer page - 02/01". Архивировано из оригинала 2010-01-15 . Получено 2009-09-10 .