198339. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és mérőszonda termofizikai jellemzők, elsősorban hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező egyidejű, in situ meghatározására
1 2 egyes 4 mérőhelyeken változhat, célszerűen a fűtés (hűtés) helyétől távolodva nőhet. Ezzel előnyösen biztosítható az, hogy a kisebb hőmérsékletváltozású helyeken relatíve nagyobb mérőjel adódjon és így a pontosság növekedjen. A bánya andezites kőzetében kísérletünknél a 3 fűtőelem hőáramsűrűsége 104 W/m2, a pontszerű hőforrásként kiképzett 3 fűtőelem sugara A/2 = 0,02225 m, hossza 1= 0,05 m. A 2 mérőszondán az egyes 4 mérőhelyek az 1 hossz mentén az alábbiak szerint helyezkednek el, a r sugár mentén: r [m]= 0,0225, 0,1,0,125, 0,15, 0,175, 0,2 0,225, 0,25, 0,275, 0,3, 0,325, 0,35, 0,375, 0,4, 0,425, 0,45,0,475, 0,5 0,525,1,0 (R referenciapont) A méréseket az alábbi r időpontokban végezzük: r [s] = 226,450,900,1800,3600, 5400,7200, 9000, 10800, 12600, 14400, 16200,18000,19800, 21600, 23400,25200,27000, 28800. A mérés során az 1. diagramon látható görbesereget nyeljük. Az utolsó mérés időpontjában, ami 8,5 órának felel meg, a behatolási mélység, azaz a perturbált terület r sugara már kb. 1 m. Ez azt jelenti, hogy a mérést ekkor már befejezzük, de úgy is eljárhatunk, hogy az R referenciapontot ezen kívül helyezzük el. A görbékből az is kitűnik, hogy a mérés elején az első néhány t időpontban a behatolási mélység még nem elegendő, ezért a kiértékelést célszerű bizonyos várakozás - előnyösen 1-2 óra után végezni. Az első 4 mérőhelyen r= 0,0225 sugáron a maximális hőmérsékletemelkedés-érték az utolsó r időpontban at= 80,9 K°. A kiértékelést az eddigiek alapján nyilvánvalóan a hőmérsékleteloszlásból adódó görbeseregek középső szakaszán célszerű végezni. Ezt a részletet ábrázoljuk a 4. ábrán, ahol a mért hőmérsékleteloszlásra illesztett simított görbesereg látható. Egy azonos t= tj^ időpontra vonatkozó helyszerinti hőmérsékleteloszlás három szomszédos 4 mérőhelyen mért hőmérséklete és a középső 4 mérőhelyen r= rn sugáron, a következő időpontra vonatkozó hőmérséklet között a leíró, ismert differenciálegyenletből a következő differenciaegyenlet származtatható le. T (n.k*l)= 23 T (T-Urn.|-Tn-U-,„.i) _ Ar 2 A fenti összefüggésből látható, hogy négy különböző, például Tn k+1, Tn+1 jt, Tn4 k és TnJc hőmérsékletértékből az a hőmérsékleteloszlási tényező értéke számítható. A mérés alapján ennek értéke 106 m2/s-nak adódott. Mivel a gömbi hőmérsékletmező a r sugár és a t időpont függvénye, ismert módon az alábbi összefüggéssel írható le: q.R2 T(r,r)=f----- • f (r,r) X. r Ebből X hővezetési tényező a hőmérsékleteloszlási tényező, valamint q hőáramsűrűség ismeretében egyetlen mért T hőmérsékletből kiszámítható. Esetünkben a Xhővezetési tényező értéke 2,5 W/m.K. A hőmérsékleteloszlás számítására szolgáló modell így visszafelé a méréskiértékeléshez is felhasználható. Megoldásunk során célszerű természetesen több értékre támaszkodó átlagolást végezni. A találmány szerinti megoldással különböző termofízikai jellemzők, elsősorban a X hővezetési tényező és az a hőmérsékleteloszlási tényező egyetlen mérési periódus alatt, egymástól függetlenül meghatározható. Megoldásunk alkalmazásával az ismert modellhibákból eredő pontatlanságok a kiértékelés során alacsony értéken tarthatók. A találmány szerinti megoldás ezért előnyösen alkalmazható in situ mérések végzésére. SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Eljárás termofízikai jellemzők, elsősorban hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező egyidejű, in situ meghatározására, amelyek során a vizsgálandó anyag legalább egy térrészében időben változó hőmérsékletmezőt hozunk létre, és a vizsgálandó anyagban mérjük a hőmérsékletet, a mért hőmérsékletadatokból és szükség esetén a bevezetett, hőmérséklet változást létrehozó teljesítményből számítással határozzuk meg a keresett jellemzőket, azzal jelleme zv e, hogy a vizsgálandó anyagban fűtéssel, vagy hűtéssel gömbalakú izotermákat hozunk létre és változó - legalább két - időpontokban, egyidőben egyszerre, legalább három helyen mérjük a hőmérsékletet olymódon, hogy a mérőhelyeken legalább fok-nagyságrendű hőmérsékletváltozást hozunk létre és a mérőhelyeket egy, az időben változó hőmérsékletmezőt létrehozó, hőforráson átmenő, az izotermákat átmérőjük mentén metsző egyenes mentén rendezzük el. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a méréseket előnyösen a gömbi izotermák sugara mentén, a hőforrás egyik oldalán végezzük. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jelle me zve, hogy a méréseket a gömbi izotermák átmérője mentén a hőforrás mindkét oldalán végezzük. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a legkülső aktív mérőhelyen kívül, a hőforrás és a vizsgálandó anyag határfelülete között referencia-mérőpontot helyezünk el, és a mérést legfeljebb addig folytatjuk, amíg a referenda-mérőpont hőmérséklete állandó. 5. Mérőszonda termofízikai jellemzők, elsősorban hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező egyidejű, in situ meghatározására, amely rúdszerű testként van kialakítva és fűtőelemet, valamint a rúdszerű test hossztengelyének irányában sorban elhelyezett mérőhelyeket tartalmaz, ahol a mérőhelyek között, valamint a mérőhelyek és a fűtőelem között a mérőszonda rossz hővezető anyagból van kiképezve, azzal jellemezve, hogy a fűtőelem (3) pontszerű hőforrásként van kiképezve olymódon, hogy a fűtőelem (3) legnagyobb mérete legalább egy nagyságrenddel kisebb, mint a közte és a legszélső mérőhely (4) közötti távolság. 6. Az 5. igénypont szerinti mérőszonda, azzal jellemezve, hogy a fűtőelem (3) jó hővezető anyagból készült, a vizsgálandó anyagban elkészített fúrólyuk (1) falára felfekyő, rugalmas gyűrűben (6) van elhelyezve. 198.339 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 5
