Dilatometer

Dilatometer [1] (av latin  dilato - expandera och grekiska μετρέω - mått) - en mätanordning utformad för att mäta förändringar i kroppsdimensioner orsakade av yttre påverkan av värme (genom värmeväxling ), tryck , elektriska och magnetiska fält, joniserande strålning eller ev. eller andra faktorer. Den viktigaste egenskapen hos en dilatometer är dess känslighet för en absolut förändring av en kropps dimensioner [2] .

En av de vanligaste typerna av denna enhet är en termisk dilatometer, som används för att mäta den linjära eller volymetriska termiska expansionen av provet beroende på temperatur (se bild). Termisk expansion är ett mått på hur en kropps volym förändras med temperaturen.

Det finns optisk-mekaniska, kapacitiva , induktions- , interferens- , röntgen- , radioresonanta dilatometrar [2] .

Den gren av fysiken som studerar sådana processer kallas dilatometry [3] .

Typer av dilatometrar

Dilatometrar för att mäta expansionen av vätskor och gaser

För flytande och gasformiga ämnen studeras endast deras volymetriska expansion.

För att mäta den termiska expansionskoefficienten för vätskor under uppvärmning eller kylning används ett tunnväggigt kärl, vanligtvis en cylinder gjord av glas eller kvartsglas , med en volym på flera tiotals cm 3 , med ett kapillärrör , som är halsen på detta fartyg. Röret är utrustat med en skala, vars indelningar visar den relativa förändringen i vätskevolymen. Graderingen av skalan enligt den relativa volymförändringen utförs genom beräkning, om kapillärens tvärsnittsarea och kärlets volym är känd, eller experimentellt, när man observerar expansionen i denna anordning av en väl studerad vätska ur denna synvinkel ( kalibrering ). Experimenten tar nödvändigtvis hänsyn till förändringen i kärlets volym, orsakad av dess egen linjära expansion av kärlets material. Detta görs antingen empiriskt, genom att observera expansionen av en väl studerad vätska, eller genom beräkning, om förändringen i den linjära expansionskoefficienten för kärlmaterialet är välkänd i driftstemperaturområdet.

Metodens mätnoggrannhet och känslighet ökar med en ökning av förhållandet mellan volymexpansionskoefficienterna för den undersökta vätskan och kärlets material. Om de är lika blir denna metod oanvändbar.

Under mätningar är kärlet och en del av kapillären helt fyllda med test- eller kalibreringsvätskan så att menisken på vätskan i kapillären är inom den graderade skalan. Ändra sedan kärlets temperatur och mät förskjutningen av vätskans menisk på kapillärrörets skala. Från den kända temperaturförändringen och meniskförskjutningen beräknas värdet på vätskans termiska expansionskoefficient vid de temperaturer som anordningen utsattes för under observationer.

Som regel placeras en sådan dilatometer i en termostat med kontrollerad termostateringstemperatur. För att mäta temperaturen i dilatometerns omedelbara närhet (eller i kontakt med den) är en termometer [4] .

En vanlig tillämpning av denna procedur är att mäta temperaturen med en kvicksilver- eller alkoholtermometer från förskjutningen av menisken i en vätskekolonn på en graderad skala. Eftersom kvicksilver och alkohol har ganska konstanta och väl studerade expansionskoefficienter över ett brett temperaturområde, karaktäriserar dessa förskjutningar direkt temperaturen.

Dilatometrar för att mäta linjär expansionskoefficienter

Nästan alla sådana dilatometrar är baserade på mätning av små och ultrasmå förskjutningar orsakade av en förändring i de linjära dimensionerna hos provet som studeras i förhållande till anordningsdelarna. Därför är praktiskt taget alla metoder för att mäta små förskjutningar lämpliga för användning i sådana anordningar.

Historiskt sett var de första instrumenten spakdilatometrar , där en liten förändring i storleken på provet genom ett system av spakar orsakade en kraftigt ökad förskjutning av visaren utrustad med en skala. Den begränsande känsligheten för dessa instrument översteg inte några mikrometer.

I modern tid används en mängd olika metoder för att mäta små förändringar i dimensioner:

• optisk:
  • dessa är först och främst interferensmetoder, förskjutningen registreras av förskjutningen av interferenskanterna i interferensmönstret, medan känsligheten på nivån för enheter av nm är uppnåbar (Linnik-interferometer);
  • skugga, baserat på en förändring i ett skarpt fokuserat transmitterat ljusflöde blockerat av ett ogenomskinligt föremål ( Foucault-kniv ), är upplösningsgränsen tiotals nm;
• radioteknik:
  • kapacitiv , där förskjutningen orsakar en förändring av kapacitansen hos kondensatorn , som i sin tur bestäms antingen av en direkt förändring av kapacitansen med hjälp av en brygga , eller genom att bestämma förskjutningen av svängningsfrekvensen i kretsen , där mätkondensatorn tjänar som kapacitans, är den begränsande känsligheten mindre än 1 nm;
  • induktiva , - förskjutningar orsakar en förändring i induktansen eller ömsesidig induktans hos mätspolen, förändringar i induktansen registreras med liknande kapacitiva metoder, begränsande känslighet är mindre än 1 nm;
  • Mikrovågsmetoder , förskjutningar orsakar en förändring i de geometriska dimensionerna hos självoscillatormikrovågsresonatorn , vilket ändrar genereringsfrekvensen, en upplösning på pm-nivån har uppnåtts;
• röntgendiffraktion , baserad på direkt mätning av kristallgitterkonstanter genom röntgendiffraktion , används i forskning när andra metoder inte är tillämpliga, till exempel vid mycket höga provtemperaturer eller när det inte är möjligt att placera provet inuti provet är till exempel inuti kaviteten. Begränsande upplösning på nivån för enheter av mikron.

För att öka dilatometrars känslighet kombineras ofta små förskjutningsmätare med ett klassiskt spaksystem (detta gäller inte röntgendiffraktionsdilatometrar), till exempel finns det moderna dilatometrar, där den uppmätta förskjutningen genom ett spaksystem orsakar en lutning av spegeln eller flera speglar, vilket observeras från förskjutningen av källbildljuset med optisk metod ( teleskop ).

Marchettis dilatometer för fältstudier av jordar

Marchettis platta dilatometer [5] [6] är ett verktyg för fältforskning. Det används för närvarande i nästan alla industriländer. Testprocedurer för detta instrument ingår i American Society for Testing and Materials (ASTM) standarder och eurokoder. Marchetti-dilatometern var föremål för en detaljerad monografi av TC16 tekniska kommittén för International Society for Soil Mechanics and Geotechnics (ISSMGE). Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) och Europeiska standardiseringskommittén (CEN) arbetar för närvarande på en teststandard för detta instrument.

Anteckningar

1. ↑ Small Soviet Encyclopedia , vol. 3, s. 542
2. ↑ 1 2 Dilatometer - artikel från Great Soviet Encyclopedia . 
3. ↑ Stora ryska encyklopedin  : [i 35 volymer]  / kap. ed. Yu. S. Osipov . - M .  : Great Russian Encyclopedia, 2004-2017.
4. ↑ Dilatometer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
5. ↑ Marchetti S. Tester på plats med platt dilatometer // Journal of the Geotechnical Engineering Division (GED). - ASCE, 1980. - Vol. 106, nr GT3. - s. 299-321.
6. ↑ Marchetti S. De platta och seismiska Marchetti's dilatometrar  för in situ markundersökningar. — 2014.

Litteratur

• Vitovsky BV, Lemmlein GG En enkel dilatometer: mäta volymen av kvarts // Proceedings of the Laboratory of Crystallography of the Academy of Sciences of the USSR. - 1940. - Utgåva. 2. - S. 194-196.
• Petrushevsky F.F. Dilatometer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och 4 ytterligare). - St Petersburg. 1890-1907.
• Strelkov P. G., Kosourov G. I., Samoilov B. N. Dilatometer för prover av små storlekar. Izvestiya AN SSSR. Ser. fysisk. - 1953. - T. 17, nr 3. - S. 383.
• Strelkov P. G., Novikova S. I. Kvartsdilatometer för låga temperaturer // Instrument och experimentell teknik. - 1957. - Nr 5. - S. 105.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor katalanska Stor norsk Brockhaus och Efron