Dilatómetro
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 27 de mayo de 2019; las comprobaciones requieren 7 ediciones .Dilatómetro [1] (del latín dilato - expandir y griego μετρέω - medir) - un dispositivo de medición diseñado para medir los cambios en las dimensiones del cuerpo causados por la influencia externa del calor (a través del intercambio de calor ), presión , campos eléctricos y magnéticos, radiación ionizante o cualquier u otros factores. La característica más importante de un dilatómetro es su sensibilidad a un cambio absoluto en las dimensiones de un cuerpo [2] .
Uno de los tipos más comunes de este dispositivo es un dilatómetro térmico, que se utiliza para medir la expansión térmica lineal o volumétrica de la muestra en función de la temperatura (ver foto). La expansión térmica es una medida de cómo cambia el volumen de un cuerpo con la temperatura.
Existen dilatómetros óptico-mecánicos, capacitivos , de inducción , de interferencia , de rayos X , radiorresonantes [2] .
La rama de la física que estudia tales procesos se llama dilatometría [3] .
Tipos de dilatómetros
Dilatómetros para medir la expansión de líquidos y gases
Para sustancias líquidas y gaseosas, solo se estudia su expansión volumétrica.
Para medir el coeficiente volumétrico de expansión térmica de los líquidos durante el calentamiento o enfriamiento, se utiliza un recipiente de paredes delgadas, generalmente un cilindro de vidrio o de cuarzo , con un volumen de varias decenas de cm 3 , con un tubo capilar , que es el cuello de este vaso. El tubo está equipado con una escala, cuyas divisiones muestran el cambio relativo en el volumen del líquido. La graduación de la escala según el cambio relativo de volumen se realiza por cálculo, si se conocen el área de la sección transversal del capilar y el volumen del recipiente, o experimentalmente, al observar la expansión en este dispositivo de un líquido bien estudiado desde este punto de vista ( calibración ). Los experimentos necesariamente toman en cuenta el cambio en el volumen del recipiente, causado por su propia expansión lineal del material del recipiente. Esto se hace empíricamente, observando la expansión de un líquido bien estudiado, o por cálculo, si el cambio en el coeficiente de expansión lineal del material del recipiente es bien conocido en el rango de temperatura de funcionamiento.
La precisión de medición y la sensibilidad del método aumentan con un aumento en la relación de los coeficientes de expansión de volumen del líquido investigado y el material del recipiente. Si son iguales, este método se vuelve inutilizable.
Durante las mediciones, el recipiente y parte del capilar se llenan completamente con el líquido de prueba o de calibración, de modo que el menisco del líquido en el capilar esté dentro de la escala graduada. Luego cambie la temperatura del recipiente y mida el desplazamiento del menisco del líquido en la escala del tubo capilar. A partir del cambio de temperatura conocido y el cambio de menisco, se calcula el valor del coeficiente de expansión térmica del líquido a las temperaturas a las que se sometió el dispositivo durante las observaciones.
Por regla general, un dilatómetro de este tipo se coloca en un termostato con temperatura de termostatización controlada. Para medir la temperatura en las inmediaciones del dilatómetro (o en contacto con él) es un termómetro [4] .
Una aplicación común de este procedimiento es medir la temperatura con un termómetro de mercurio o de alcohol a partir del desplazamiento del menisco de una columna de líquido en una escala graduada. Dado que el mercurio y el alcohol tienen coeficientes de expansión bastante constantes y bien estudiados en un amplio rango de temperatura, estos cambios caracterizan directamente la temperatura.
Dilatómetros para medir coeficientes de dilatación lineal
Casi todos estos dilatómetros se basan en la medición de desplazamientos pequeños y ultrapequeños provocados por un cambio en las dimensiones lineales de la muestra en estudio en relación con las partes del dispositivo. Por lo tanto, prácticamente cualquier método para medir pequeños desplazamientos es adecuado para usar en tales dispositivos.
Históricamente, los primeros instrumentos fueron los dilatómetros de palanca , en los que un pequeño cambio en el tamaño de la muestra a través de un sistema de palancas provocaba un desplazamiento mucho mayor de la aguja equipada con una escala. La sensibilidad límite de estos instrumentos no superaba unas pocas micras.
En los tiempos modernos, se utilizan una variedad de métodos para medir pequeños cambios de tamaño:
- óptico:
- estos son, en primer lugar, métodos de interferencia, el cambio se registra por el cambio de las franjas de interferencia en el patrón de interferencia, mientras que la sensibilidad a nivel de unidades de nm es alcanzable (interferómetro de Linnik);
- sombra, basada en un cambio en un flujo de luz transmitida muy enfocado bloqueado por un objeto opaco ( cuchillo de Foucault ), el límite de resolución es decenas de nm;
- ingeniería de radio:
- capacitivo , en el que el desplazamiento provoca un cambio en la capacitancia del capacitor , que, a su vez, está determinado por un cambio directo en la capacitancia con la ayuda de un puente , o determinando el desplazamiento de la frecuencia de oscilación en el circuito , cuando el condensador de medida actúa como capacitancia, la sensibilidad límite es inferior a 1 nm;
- inductivo , - los desplazamientos provocan un cambio en la inductancia o la inductancia mutua de la bobina de medición, los cambios en la inductancia se registran mediante métodos capacitivos similares, la sensibilidad límite es inferior a 1 nm;
- Métodos de microondas , los desplazamientos provocan un cambio en las dimensiones geométricas del resonador de microondas del autooscilador , lo que cambia la frecuencia de generación, se ha logrado una resolución en el nivel pm;
- La difracción de rayos X , basada en la medición directa de las constantes de la red cristalina por difracción de rayos X , se utiliza en investigación cuando otros métodos no son aplicables, por ejemplo, a temperaturas de muestra muy altas o cuando no es posible colocar la muestra dentro del dispositivo, por ejemplo, la muestra está dentro de la cavidad. Limitación de la resolución a nivel de unidades de micras.
Para aumentar la sensibilidad de los dilatómetros, los medidores de desplazamiento pequeño a menudo se combinan con un sistema de palanca clásico (esto no se aplica a los dilatómetros de difracción de rayos X), por ejemplo, hay dilatómetros modernos, donde el desplazamiento medido a través de un sistema de palanca provoca una inclinación del espejo o de varios espejos, que se observa a partir del desplazamiento de la imagen fuente de luz por método óptico ( telescopio ).
Dilatómetro de Marchetti para estudios de campo de suelos
El dilatómetro plano de Marchetti [5] [6] es una herramienta para la investigación de campo. Actualmente se utiliza en casi todos los países industrializados. Los procedimientos de prueba para este instrumento están incluidos en los estándares y Eurocódigos de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM). El dilatómetro de Marchetti fue objeto de una monografía detallada del comité técnico TC16 de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos y Geotecnia (ISSMGE). La Organización Internacional de Normalización (ISO) y el Comité Europeo de Normalización (CEN) están trabajando actualmente en un estándar de prueba para este instrumento.
Notas
- ↑ Small Soviet Encyclopedia , volumen 3, página 542
- ↑ 1 2 Dilatómetro : artículo de la Gran Enciclopedia Soviética .
- ↑ Gran Enciclopedia Rusa : [en 35 volúmenes] / cap. edición Yu. S. Osipov . - M. : Gran Enciclopedia Rusa, 2004-2017.
- ↑ Dilatómetro // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
- ↑ Marchetti S. Pruebas in situ mediante dilatómetro plano // Revista de la División de Ingeniería Geotécnica (GED). - ASCE, 1980. - Vol. 106, nº GT3. - Pág. 299-321.
- ↑ Marchetti S. Los dilatómetros planos y sísmicos de Marchetti para investigaciones de suelos in situ. — 2014.
Literatura
- Vitovsky BV, Lemmlein GG Un dilatómetro simple: medir el volumen de cuarzo // Actas del Laboratorio de Cristalografía de la Academia de Ciencias de la URSS. - 1940. - Emisión. 2.- S. 194-196.
- Petrushevsky F.F. Dilatometer // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
- Strelkov P. G., Kosourov G. I., Samoilov B. N. Dilatómetro para muestras de pequeño tamaño Izvestiya AN SSSR. Ser. físico. - 1953. - T. 17, N° 3. - S. 383.
- Strelkov P. G., Novikova S. I. Dilatómetro de cuarzo para bajas temperaturas // Instrumentos y técnica experimental. - 1957. - Nº 5. - S. 105.
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