Дилатометр

Дилато́метр (от лат. dilato — расширяю и греч. μετρέω — измеряю) — измерительный прибор, предназначенный для измерения изменения размеров тела, вызванных внешним воздействием температуры, давления, электрического и магнитного полей, ионизирующих излучений или каких-либо других факторов. Наиболее важная характеристика дилатометра — его чувствительность к абсолютному изменению размеров тела.

Один из наиболее распространённых типов данного прибора — тепловой дилатометр, который служит для измерения линейного или объемного теплового расширения образца в зависимости от температуры (см. фото). Тепловое расширение является мерой того, как изменяется объём тела при изменении температуры.

Существуют оптико-механические, ёмкостные, индукционные, интерференционные, рентгеновские, радиорезонансные дилатометры.

Виды дилатометров

Дилатометры для измерения расширения жидкостей и газов

Для жидких и газообразных веществ изучается только их объёмное расширение.

Для измерения объёмного коэффициента теплового расширения жидкостей при нагревании или охлаждении используется тонкостенный сосуд, обычно цилиндр, изготовленный из стекла, или кварцевого стекла, объёмом в несколько десятков см³, с капиллярной трубочкой, являющейся горлышком этого сосуда. Трубочка снабжена шкалой, деления которой показывают относительное изменение объёма жидкости. Градуировка шкалы по относительному изменению объёма производится расчётом, если известны площадь поперечного сечения капилляра и объём сосуда, или опытным путём, при наблюдении расширения в данном приборе хорошо изученной с этой точки зрения жидкости (калибровкой). В опытах обязательно учитывается изменение объёма сосуда, вызванное собственным линейным расширением материала сосуда. Это производят либо опытным путём, наблюдая расширение хорошо изученной жидкости, или расчётным путём, если хорошо известно изменение коэффициента линейного расширения материала сосуда в рабочем диапазоне температур.

Точность измерения и чувствительность метода повышаются при увеличении отношения объёмных коэффициентов расширения исследуемой жидкости и материала сосуда. При их равенстве этот метод становится непригоден.

При измерениях сосуд и часть капилляра полностью заполняются исследуемой или калибровочной жидкостью так, чтобы мениск жидкости в капилляре находился в пределах градуированной шкалы. Затем изменяют температуру сосуда и измеряют смещение мениска жидкости по шкале капиллярной трубочки. По известному изменению температуры и смещению мениска вычисляется значение коэффициента теплового расширения жидкости при температурах, которым прибор был подвергаем при наблюдениях.

Как правило, такой дилатометр помещают в термостат с регулируемой температурой термостатирования. Для измерения температуры в непосредственной близости от дилатометра (либо же соприкасающийся с ним ) находится термометр.

Обычным применением этой процедуры может служить измерение температуры с помощью ртутного или спиртового термометра по смещению мениска столбика жидкости на градуированной шкале. Поскольку ртуть и спирт имеют достаточно постоянные и хорошо изученные коэффициенты расширения в широком диапазоне температур, то эти смещения непосредственно характеризуют температуру.

Дилатометры для измерения коэффициентов линейного расширения

Практически все такие дилатометры основаны на измерении малых и сверхмалых смещений, вызванных изменением линейных размеров исследуемого образца относительно деталей прибора. Поэтому для применения в таких приборах пригодны практически любые методы измерения малых смещений.

Исторически первыми приборами были рычажные дилатометры, в которых малое изменение размера образца через систему рычагов вызывало многократно увеличенное смещение стрелки, снабжённой шкалой. Предельная чувствительность этих приборов не превышала единиц мкм.

В современное время для измерения малых изменений размеров используются самые разные методы:

• оптические:
  • это, в первую очередь, интерференционные методы, смещение регистрируется по смещению интерференционных полос в интерференционной картине, при этом достижима чувствительность на уровне единиц нм (интерферометр Линника);
  • теневые, основанные на изменении остросфокусированного проходящего потока света, перекрываемого непрозрачным предметом (нож Фуко), предел разрешения — десятки нм;
• радиотехнические:
  • ёмкостные, при которых смещение вызывает изменение ёмкости конденсатора, которое, в свою очередь, определяется либо непосредственным изменением ёмкости с помощью моста, или определением смещения частоты колебаний в контуре, где ёмкостью служит измерительный конденсатор, предельная чувствительность менее 1 нм;
  • индукционные, — смещения вызывают изменение индуктивности или взаимоиндуктивности измерительной катушки, изменения индуктивности регистрируются аналогичными ёмкостным методами, предельная чувствительность менее 1 нм;
  • СВЧ-методы, смещения вызывают изменение геометрических размеров СВЧ-резонатора автогенератора, что изменяет частоту генерации, достигнуто разрешение на уровне пм;
• рентгеноструктурные, основаны на непосредственном измерении постоянных решётки кристаллов дифракцией рентгеновских лучей, применяются при исследовании тогда, когда другие методы неприменимы, например, при очень высоких температурах образца или при отсутствии возможности помещения образца внутрь прибора, например, образец находится внутри полости. Предельное разрешение на уровне единиц мкм.

Для повышения чувствительности дилатометров, измерители малых смещений часто комбинируют с классической системой рычагов (это не относится к рентгеноструктурным дилатометрам), так, например, существуют современные дилатометры, где измеряемое смещение через систему рычагов вызывает наклон зеркала или нескольких зеркал, которое наблюдается по смещению изображения источника света оптическими методом (телескопом).

Литература

• Стрелков П. Г., Косоуров Г. И., Самойлов Б. Н. Дилатометр для образцов малых размеров. — Изв. АН СССР. Сер. физическая, 1953. — Т. 17, № 3. — С. 383.
• Стрелков П. Г., Новикова С. И. Кварцевый дилатометр для низких температур. — Приборы и техника эксперимента, 1957. — Т. № 5. — С. 105.

При написании этой статьи использовался материал из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907).

Отрывок, характеризующий Дилатометр

Ночь была туманная, и сквозь туман таинственно пробивался лунный свет. «Да, завтра, завтра! – думал он. – Завтра, может быть, всё будет кончено для меня, всех этих воспоминаний не будет более, все эти воспоминания не будут иметь для меня более никакого смысла. Завтра же, может быть, даже наверное, завтра, я это предчувствую, в первый раз мне придется, наконец, показать всё то, что я могу сделать». И ему представилось сражение, потеря его, сосредоточение боя на одном пункте и замешательство всех начальствующих лиц. И вот та счастливая минута, тот Тулон, которого так долго ждал он, наконец, представляется ему. Он твердо и ясно говорит свое мнение и Кутузову, и Вейротеру, и императорам. Все поражены верностью его соображения, но никто не берется исполнить его, и вот он берет полк, дивизию, выговаривает условие, чтобы уже никто не вмешивался в его распоряжения, и ведет свою дивизию к решительному пункту и один одерживает победу. А смерть и страдания? говорит другой голос. Но князь Андрей не отвечает этому голосу и продолжает свои успехи. Диспозиция следующего сражения делается им одним. Он носит звание дежурного по армии при Кутузове, но делает всё он один. Следующее сражение выиграно им одним. Кутузов сменяется, назначается он… Ну, а потом? говорит опять другой голос, а потом, ежели ты десять раз прежде этого не будешь ранен, убит или обманут; ну, а потом что ж? – «Ну, а потом, – отвечает сам себе князь Андрей, – я не знаю, что будет потом, не хочу и не могу знать: но ежели хочу этого, хочу славы, хочу быть известным людям, хочу быть любимым ими, то ведь я не виноват, что я хочу этого, что одного этого я хочу, для одного этого я живу. Да, для одного этого! Я никогда никому не скажу этого, но, Боже мой! что же мне делать, ежели я ничего не люблю, как только славу, любовь людскую. Смерть, раны, потеря семьи, ничто мне не страшно. И как ни дороги, ни милы мне многие люди – отец, сестра, жена, – самые дорогие мне люди, – но, как ни страшно и неестественно это кажется, я всех их отдам сейчас за минуту славы, торжества над людьми, за любовь к себе людей, которых я не знаю и не буду знать, за любовь вот этих людей», подумал он, прислушиваясь к говору на дворе Кутузова. На дворе Кутузова слышались голоса укладывавшихся денщиков; один голос, вероятно, кучера, дразнившего старого Кутузовского повара, которого знал князь Андрей, и которого звали Титом, говорил: «Тит, а Тит?»
– Ну, – отвечал старик.
– Тит, ступай молотить, – говорил шутник.
– Тьфу, ну те к чорту, – раздавался голос, покрываемый хохотом денщиков и слуг.
«И все таки я люблю и дорожу только торжеством над всеми ими, дорожу этой таинственной силой и славой, которая вот тут надо мной носится в этом тумане!»


Ростов в эту ночь был со взводом во фланкёрской цепи, впереди отряда Багратиона. Гусары его попарно были рассыпаны в цепи; сам он ездил верхом по этой линии цепи, стараясь преодолеть сон, непреодолимо клонивший его. Назади его видно было огромное пространство неясно горевших в тумане костров нашей армии; впереди его была туманная темнота. Сколько ни вглядывался Ростов в эту туманную даль, он ничего не видел: то серелось, то как будто чернелось что то; то мелькали как будто огоньки, там, где должен быть неприятель; то ему думалось, что это только в глазах блестит у него. Глаза его закрывались, и в воображении представлялся то государь, то Денисов, то московские воспоминания, и он опять поспешно открывал глаза и близко перед собой он видел голову и уши лошади, на которой он сидел, иногда черные фигуры гусар, когда он в шести шагах наезжал на них, а вдали всё ту же туманную темноту. «Отчего же? очень может быть, – думал Ростов, – что государь, встретив меня, даст поручение, как и всякому офицеру: скажет: „Поезжай, узнай, что там“. Много рассказывали же, как совершенно случайно он узнал так какого то офицера и приблизил к себе. Что, ежели бы он приблизил меня к себе! О, как бы я охранял его, как бы я говорил ему всю правду, как бы я изобличал его обманщиков», и Ростов, для того чтобы живо представить себе свою любовь и преданность государю, представлял себе врага или обманщика немца, которого он с наслаждением не только убивал, но по щекам бил в глазах государя. Вдруг дальний крик разбудил Ростова. Он вздрогнул и открыл глаза.
«Где я? Да, в цепи: лозунг и пароль – дышло, Ольмюц. Экая досада, что эскадрон наш завтра будет в резервах… – подумал он. – Попрошусь в дело. Это, может быть, единственный случай увидеть государя. Да, теперь недолго до смены. Объеду еще раз и, как вернусь, пойду к генералу и попрошу его». Он поправился на седле и тронул лошадь, чтобы еще раз объехать своих гусар. Ему показалось, что было светлей. В левой стороне виднелся пологий освещенный скат и противоположный, черный бугор, казавшийся крутым, как стена. На бугре этом было белое пятно, которого никак не мог понять Ростов: поляна ли это в лесу, освещенная месяцем, или оставшийся снег, или белые дома? Ему показалось даже, что по этому белому пятну зашевелилось что то. «Должно быть, снег – это пятно; пятно – une tache», думал Ростов. «Вот тебе и не таш…»
«Наташа, сестра, черные глаза. На… ташка (Вот удивится, когда я ей скажу, как я увидал государя!) Наташку… ташку возьми…» – «Поправей то, ваше благородие, а то тут кусты», сказал голос гусара, мимо которого, засыпая, проезжал Ростов. Ростов поднял голову, которая опустилась уже до гривы лошади, и остановился подле гусара. Молодой детский сон непреодолимо клонил его. «Да, бишь, что я думал? – не забыть. Как с государем говорить буду? Нет, не то – это завтра. Да, да! На ташку, наступить… тупить нас – кого? Гусаров. А гусары в усы… По Тверской ехал этот гусар с усами, еще я подумал о нем, против самого Гурьева дома… Старик Гурьев… Эх, славный малый Денисов! Да, всё это пустяки. Главное теперь – государь тут. Как он на меня смотрел, и хотелось ему что то сказать, да он не смел… Нет, это я не смел. Да это пустяки, а главное – не забывать, что я нужное то думал, да. На – ташку, нас – тупить, да, да, да. Это хорошо». – И он опять упал головой на шею лошади. Вдруг ему показалось, что в него стреляют. «Что? Что? Что!… Руби! Что?…» заговорил, очнувшись, Ростов. В то мгновение, как он открыл глаза, Ростов услыхал перед собою там, где был неприятель, протяжные крики тысячи голосов. Лошади его и гусара, стоявшего подле него, насторожили уши на эти крики. На том месте, с которого слышались крики, зажегся и потух один огонек, потом другой, и по всей линии французских войск на горе зажглись огни, и крики всё более и более усиливались. Ростов слышал звуки французских слов, но не мог их разобрать. Слишком много гудело голосов. Только слышно было: аааа! и рррр!
– Что это? Ты как думаешь? – обратился Ростов к гусару, стоявшему подле него. – Ведь это у неприятеля?
Гусар ничего не ответил.