Dilatometr

Dilatometr [1] (z latiny  dilato - expandovat a řecky μετρέω - měřit) - měřící přístroj určený k měření změn tělesných rozměrů způsobených vnějšími vlivy tepla (prostřednictvím výměny tepla ), tlaku , elektrických a magnetických polí, ionizujícího záření nebo jiných nebo jiné faktory. Nejdůležitější vlastností dilatometru je jeho citlivost na absolutní změnu rozměrů tělesa [2] .

Jedním z nejběžnějších typů tohoto zařízení je tepelný dilatometr, který slouží k měření lineární nebo objemové tepelné roztažnosti vzorku v závislosti na teplotě (viz foto). Tepelná roztažnost je měřítkem toho, jak se objem tělesa mění s teplotou.

Existují opticko-mechanické, kapacitní , indukční , interferenční , rentgenové , radiorezonanční dilatometry [2] .

Obor fyziky, který takové procesy studuje, se nazývá dilatometrie [3] .

Typy dilatometrů

Dilatometry pro měření expanze kapalin a plynů

U kapalných a plynných látek se studuje pouze jejich objemová roztažnost.

Pro měření objemového součinitele tepelné roztažnosti kapalin při ohřevu nebo chlazení se používá tenkostěnná nádoba, obvykle válec ze skla nebo křemenného skla o objemu několika desítek cm 3 s kapilárou , která je hrdlo této nádoby. Trubice je opatřena stupnicí, jejíž dílky ukazují relativní změnu objemu kapaliny. Odstupňování stupnice podle relativní změny objemu se provádí výpočtem, pokud je známa plocha průřezu kapiláry a objem nádoby, nebo experimentálně při pozorování expanze v tomto zařízení. z tohoto pohledu dobře prostudovaná kapalina ( kalibrace ). Experimenty nutně berou v úvahu změnu objemu nádoby, způsobenou její vlastní lineární roztažností materiálu nádoby. To se provádí buď empiricky, pozorováním expanze dobře prozkoumané kapaliny, nebo výpočtem, je-li změna koeficientu lineární roztažnosti materiálu nádoby dobře známa v rozsahu provozních teplot.

Přesnost měření a citlivost metody se zvyšuje s rostoucím poměrem koeficientů objemové roztažnosti zkoumané kapaliny a materiálu nádoby. Pokud jsou stejné, tato metoda se stává nepoužitelnou.

Během měření se nádobka a část kapiláry zcela zaplní zkušební nebo kalibrační kapalinou tak, aby meniskus kapaliny v kapiláře byl v rámci stupnice. Poté změňte teplotu nádoby a změřte posunutí menisku kapaliny na stupnici kapiláry. Ze známé změny teploty a posunu menisku se vypočítá hodnota součinitele tepelné roztažnosti kapaliny při teplotách, kterým bylo zařízení vystaveno při pozorování.

Zpravidla je takový dilatometr umístěn v termostatu s řízenou termostatickou teplotou. K měření teploty v bezprostřední blízkosti dilatometru (nebo v kontaktu s ním) slouží teploměr [4] .

Běžnou aplikací tohoto postupu je měření teploty rtuťovým nebo lihovým teploměrem z posunutí menisku sloupce kapaliny na stupnici. Vzhledem k tomu, že rtuť a alkohol mají poměrně konstantní a dobře prostudované expanzní koeficienty v širokém teplotním rozsahu, tyto posuny přímo charakterizují teplotu.

Dilatometry pro měření koeficientů lineární roztažnosti

Téměř všechny takové dilatometry jsou založeny na měření malých a ultra malých posunů způsobených změnou lineárních rozměrů zkoumaného vzorku vzhledem k částem zařízení. Proto jsou pro použití v takových zařízeních vhodné prakticky jakékoli metody pro měření malých posunů.

Historicky prvními přístroji byly pákové dilatometry, u kterých malá změna velikosti vzorku prostřednictvím soustavy pák způsobila značně zvětšený posuv ručičky opatřené stupnicí. Mezní citlivost těchto nástrojů nepřesáhla několik mikronů.

V moderní době se k měření malých změn velikosti používají různé metody:

• optický:
  • jedná se především o interferenční metody, posun se zaznamenává posunem interferenčních proužků v interferenčním obrazci, přičemž je dosažitelná citlivost na úrovni jednotek nm (Linnikův interferometr);
  • stín, na základě změny ostře zaostřeného procházejícího světelného toku blokovaného neprůhledným předmětem ( Foucaultův nůž ), mez rozlišení jsou desítky nm;
• radiotechnika:
  • kapacitní , ve kterém posun způsobí změnu kapacity kondenzátoru , která je zase určena buď přímou změnou kapacity pomocí můstku , nebo určením posunutí frekvence kmitů v obvodu , kde měřící kondenzátor slouží jako kapacita, je mezní citlivost menší než 1 nm;
  • indukční , - posuvy způsobují změnu indukčnosti nebo vzájemné indukčnosti měřicí cívky, změny indukčnosti se zaznamenávají obdobnými kapacitními metodami, mezní citlivost je menší než 1 nm;
  • Mikrovlnné metody, posuny způsobují změnu geometrických rozměrů samooscilačního mikrovlnného rezonátoru , čímž se mění generační frekvence, bylo dosaženo rozlišení na úrovni pm;
• rentgenová difrakce , založená na přímém měření konstant krystalové mřížky rentgenovou difrakcí , se používá ve výzkumu tam, kde jiné metody nejsou použitelné, například při velmi vysokých teplotách vzorku nebo když není možné vzorek umístit dovnitř zařízení, například je vzorek uvnitř dutiny. Limitní rozlišení na úrovni jednotek mikronů.

Pro zvýšení citlivosti dilatometrů se malé posuvové měřiče často kombinují s klasickým pákovým systémem (to neplatí pro dilatometry rentgenové difrakce), např. moderní dilatometry, kde měřený posuv pákovým systémem způsobí náklon zrcadla nebo několika zrcadel, která je pozorována z přemístění zdrojového obrazového světla optickou metodou ( dalekohledem ).

Marchettiho dilatometr pro terénní studie půd

Marchettiho plochý dilatometr [5] [6] je nástrojem pro terénní výzkum. V současnosti se používá téměř ve všech průmyslově vyspělých zemích. Zkušební postupy pro tento přístroj jsou zahrnuty v normách a Eurokódech Americké společnosti pro testování a materiály (ASTM). Marchettiho dilatometr byl předmětem podrobné monografie technické komise TC16 Mezinárodní společnosti pro mechaniku zemin a geotechniku ​​(ISSMGE). Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) a Evropský výbor pro normalizaci (CEN) v současné době pracují na zkušební normě pro tento přístroj.

Poznámky

1. ↑ Malá sovětská encyklopedie , díl 3, s. 542
2. ↑ 1 2 Dilatometr – článek z Velké sovětské encyklopedie . 
3. ↑ Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích]  / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M  .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
4. ↑ Dilatometer // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
5. ↑ Marchetti S. In situ testy plochým dilatometrem // Journal of the Geotechnical Engineering Division (GED). - ASCE, 1980. - Sv. 106, č. GT3. - S. 299-321.
6. ↑ Marchetti S. Ploché a seismické Marchettiho dilatometry  pro průzkum půdy in situ. — 2014.

Literatura

• Vitovský BV, Lemmlein GG Jednoduchý dilatometr: měření objemu křemene // Sborník Laboratoře krystalografie Akademie věd SSSR. - 1940. - Vydání. 2. - S. 194-196.
• Petruševskij F.F. Dilatometer // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
• Strelkov P. G., Kosourov G. I., Samoilov B. N. Dilatometr pro vzorky malých velikostí. Izvestiya AN SSSR. Ser. fyzický. - 1953. - T. 17, č. 3. - S. 383.
• Strelkov P. G., Novikova S. I. Quartz dilatometr pro nízké teploty // Instruments and Experimental Technique. - 1957. - č. 5. - S. 105.

Slovníky a encyklopedie	Velká Katalánština Skvělý norský Brockhaus a Efron