Una estructura simple de un dilatómetro para la medición de la expansión térmica de líquidos y sólidos.
Un dilatómetro es un instrumento científico que mide los cambios de volumen provocados por un proceso físico o químico. Una aplicación habitual de un dilatómetro es el termómetro de mercurio en vidrio , en el que el cambio de volumen de la columna de líquido se lee a partir de una escala graduada. Debido a que el mercurio tiene una tasa de expansión bastante constante en los rangos de temperatura ambiente, los cambios de volumen están directamente relacionados con la temperatura.
Aplicaciones
Los dilatómetros se han utilizado en la fabricación de aleaciones metálicas, estudio de la transformación de martensita , compuestos refractarios comprimidos y sinterizados , vidrios, productos cerámicos, materiales compuestos y plásticos. [1]
La dilatometría también se utiliza para controlar el progreso de las reacciones químicas, en particular las que muestran un cambio sustancial en el volumen molar (por ejemplo, la polimerización). Un ejemplo específico es la velocidad de los cambios de fase. [2]
Otra aplicación común de un dilatómetro es la medición de la expansión térmica . La expansividad térmica es un parámetro de ingeniería importante y se define como:
Tipos
Existen varios tipos de dilatómetros:
Los dilatómetros de capacitancia poseen un capacitor de placas paralelas con una placa fija y una placa móvil. Cuando la longitud de la muestra cambia, se mueve la placa móvil, lo que cambia la separación entre las placas. La capacitancia es inversamente proporcional a la separación. Se pueden detectar cambios en la longitud de 10 picómetros . [4]
Dilatómetro de biela (de empuje) , la muestra que se puede examinar se encuentra en el horno. Una biela transmite la expansión térmica a un extensómetro , que mide el desplazamiento. Dado que el sistema de medición (biela) está expuesto a la misma temperatura que la muestra y, por lo tanto, también se expande, se obtiene un valor relativo, que debe convertirse posteriormente. Se pueden utilizar materiales de baja expansión y construcciones diferenciales adaptados para minimizar la influencia de la expansión de la biela [5] [6]
Alta resolución: dilatómetro láser La resolución más alta y la precisión absoluta son posibles con un dilatómetro láser de tipo interferómetro de Michelson. La resolución llega hasta los picómetros. Además, el principio de medición por interferencia brinda la posibilidad de lograr precisiones mucho mayores y es una técnica de medición absoluta que no necesita calibración. [7] [ Aclaración necesaria ]
El dilatómetro óptico es un instrumento que mide las variaciones de dimensión de una muestra calentada a temperaturas que generalmente varían de 25 a 1400 °C. El dilatómetro óptico permite el seguimiento de las expansiones y contracciones de los materiales mediante un método sin contacto: un grupo óptico conectado a una cámara digital captura las imágenes de la muestra en expansión/contracción en función de la temperatura con una resolución de aproximadamente ±70 micrómetros por píxel. [8] Como el sistema permite calentar el material y mide sus movimientos longitudinales/verticales sin ningún contacto entre el instrumento y la muestra, es posible analizar los materiales más dúctiles, como los polímeros , así como los más frágiles, como los polvos cerámicos incoherentes para el proceso de sinterización .
Para mediciones más sencillas en un rango de temperatura de 0 a 100 °C, se calienta agua y fluye sobre la muestra. Si se deben medir coeficientes de expansión lineales de un metal, se hace circular agua caliente por un tubo fabricado con el metal. El tubo se calienta hasta la temperatura del agua y se puede determinar la expansión relativa en función de la temperatura del agua.
Para medir la dilatación volumétrica de líquidos se utiliza un recipiente de vidrio grande lleno de agua. En un tanque de expansión (recipiente de vidrio con una escala de volumen precisa) se coloca el líquido de muestra. Si se calienta el agua, el líquido de muestra se expande y se lee el cambio de volumen. Sin embargo, también se debe tener en cuenta la dilatación del recipiente de muestra.
Los dilatómetros suelen incluir un mecanismo para controlar la temperatura. Puede ser un horno para mediciones a temperaturas elevadas (temperaturas de hasta 2000 °C) o un criostato para mediciones a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente. Las aplicaciones metalúrgicas suelen implicar controles de temperatura sofisticados capaces de aplicar perfiles precisos de temperatura-tiempo para calentar y enfriar la muestra. [9]
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Referencias
^ Hans Lehmann, refugio Gatzke Dilatometría y análisis térmico diferencial para la evaluación de procesos ? ? , 1956.
^ Kastle, JH; Kelley, WP (julio de 1904). "Sobre la velocidad de cristalización del azufre plástico". American Chemical Journal . 32 : 483–503.
^ Bowers, RH (1 de marzo de 1978). "Cálculo rápido de valores de índice de grasa sólida a partir de lecturas de dilatómetro". Revista de la Sociedad Americana de Químicos del Petróleo . 55 (3): 350–351. doi :10.1007/BF02669928. ISSN 1558-9331. S2CID 96393933.
^ JJ Neumeier, RK Bollinger, GE Timmins, CR Lane, RD Krogstad y J. Macaluso, "Celda de dilatómetro capacitivo construida de cuarzo fundido para medir la expansión térmica de sólidos", Review of Scientific Instruments 79 , 033903 (2008).
^ Theta Industries http://www.theta-us.com/dil/dil1.html Archivado el 30 de diciembre de 2009 en Wayback Machine.
^ "Analizadores | Proveedores industriales".
^ C. Linseis El siguiente paso en la dilatometría, invención y uso del dilatómetro láser Linseis , Linseis Messgeraete GmbH, Selb (Alemania)
^ M.Paganelli El dilatómetro óptico sin contacto diseñado para el comportamiento de materias primas cerámicas , Expert System Solutions Srl, Módena (Italia).
^ "Theta Industries, Inc. Página del dilatómetro de temple/deformación - 02/01". Archivado desde el original el 15 de enero de 2010. Consultado el 10 de septiembre de 2009 .
