198339. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és mérőszonda termofizikai jellemzők, elsősorban hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező egyidejű, in situ meghatározására
1 2 A találmány tárgya eljárás és mérőszonda termőfizikai jellemzők, elsősorban hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező egyidejű, in situ meghatározására. A megoldás során a vizsgálandó anyag legalább egy térrészében fűtéssel (vagy hűtéssel) időben változó hőmérsékletmezőt keltünk, ezt mérjük, majd a kapott hőmérsékletadatokból és a bevezetett fűtőteljesítményből számítással határozzuk meg a keresett jellemzőket. A találmány tárgya továbbá az eljárás foganatosítására szolgáló mérőszonda is. A hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező mérésének fontosságát általánosságban nem kell bizonyítani. Ismeretes, hogy az inhomogén struktúrájú anyagok — például granulátumok, magvak, halmazai, földkéreg, vagy például ásványok rétegzett előfordulásai — esetén az egyenértékű átlagolt termofizikai jellemzők legmegbízhatóbb mérése in situ végezhető el, mivel ezek a konkrét elrendeződés, nyomás, sőt például a helyi nedvességtartalom függvényei lehetnek. Mintavételezéssel, valamint laboratóriumi méréssel ezért szisztematikus eltérések származhatnak az in situ állapothoz képest. Mindezek aláhúzzák az in situ mérés fontosságát minden esetben, ha nem standard minőségű anyagról van szó. A méréstechnikában azonban még mindig csupán különféle próbálkozások figyelhetők meg és ezt az útkeresést jól jellemzi a bányakőzetekre vonatkozó méréstechnika, amely jelenlegi állapotában általában ötletes, de ad hoc megoldásokat tartalmaz. Az ismert megoldások illusztrálására a bánya vágatfalkőzet termofizikai jellemzőinek mérésére ismert módszereket a következőkben foglaljuk össze. Az ismert in situ megoldások egyik csoportját a rövid szondás tranziens hővezetési tényező mérése alkotja. Ezeket a tengelyvonalban vonalszerű hőforrással ellátott mérőszondával végzik. A mérőszonda felületén helyezkednek el a termoelemek. A fűtés bekapcsolása után két időpont között mért hőmérsékletemelkedésből a kőzet hővezetési tényezőjére lehet következtetni. Ilyen megoldást ismertet például a GB 2.071.319. lajstromszámú (angol) szabadalmi leírás is. Ezen ismert módszer hátránya, hogy kiértékeléskor a szonda körül hengerszimmetrikus izotermák meglétét feltételezi, amely nem minden esetben teljesül és ez méréssel nem is ellenőrizhető. Az izoterma-seregből csupán egyet, a mérőszonda felületi hőmérsékletét mérik. A mérőszonda azonban felfűtés alatt van és ezért a szonda és a kőzet felületi hőmérsékletei között hőfoklépcsőt gondos illesztéssel csökkenteni kell, teljesen eltüntetni azonban nem lehet. Ez az ismert megoldás egyébként is csak a hővezetési tényező meghatározására alkalmazható. Az in situ mérések további csoportjába a valamilyen hengerszimmetrikus izotermákkal jellemezhető tranziens hővezetés radiális irányú hőmérsékletelosztásának mérésén és kiértékelésén alapuló módszerek tartoznak. A vizsgált térrész, például a bányavágat körüli kialakuló, a szellőztetési idő alatt változó hőmérsékletű tér. A hőmérsékleteloszlás mérése pedig radiális irányú fúrólyukakban történik, amelyek jellegzetesen 5-30 m mélységet is elérnek (Hitchcock— -Jones: Heat flow into a new main roadway, Colliery Engineering, 1985. február-márdus, 73—76. és 117— -122. old., valamint Jones: Air temperature along a main intake roadway, Colliery Guardian, 1964. június, 844-850. old.). A mérés kiértékelésénél mindkét esetben feltételezik, hogy a szellőztetés megkezdésétől a kiértékelés teljes időtartama alatt a szellőztető levegő hőmérséklete konstans, és ez, mint termikus zavarás, hozza létre a kőzethőmérséklet megváltozását. Ezen mérések esetén ez kétségkívül pontatlanságok forrása, hiszen a mérés időtartama igen hosszú, általában több hónap. Ismeretes olyan megoldás is, amelynél változó hőmérsékletű szellőztető levegőt tételeznek fel és a mérés kiértékelését ennek figyelembevételével végzik. A kiértékeléshez a vágatfal két különböző mélységében felvett időbeli hőmérsékletváltozásokat veszik figyelembe (Cifka-Dankó-Esztó: In situ determination of the thermal diffusivity of rocks around underground airways, Publications of the Hungarian Central Institute for the Development of Mining, 1979. No. 22.133—138. old.). Ismeretesek még a kőzetköpeny gyors felfűtésén alapuló mérések (harmadik csoport), amelyek lényege, hogy a változást generáló peremfeltétel ismert legyen, így egyszerű és pontos kiértékelés válik lehetővé. Például egy lezárt vágatszakasz gyors felfű* tését biztosítva és a kőzetköpenybe fúrt lyukakban, a felülethez viszonylag közel mérve a kőzet hőmérsékletének időbeli változását, végezhető ismert megoldás (Sherratt-Hinsley: A heating experiment to determine the thermal constans of rocks in situ, The Mining Engineer, 1961. No. 3871. 700-771. old.). Ez az ismert megoldás mindkét keresett paraméter meghatározására alkalmas, azonban ez is a kiértékelés során hengerszimmetrikus izotermákat tételez fel és ezért az előzőekben már ismertetett hibaforrások ennél a megoldásnál is megtalálhatók. Kísérletek történtek közvetettebb in situ mérési megoldásokkal, például olymódon, hogy egy adott hosszúságú vágatszakaszban áramló levegő felmelegedéséből próbáltak a kőzet hőfizikai jellemzőire következtetni. Olyan különleges mérés is ismeretes, amelynél a kőzetben készített fúrólyukban jó hővezetési tényezőjű szondával az eredetileg hosszirányban meglévő hőmérsékletgradienst mintegy lesöntölik és mérik a gradiens megváltozását. Ilyen megoldást Ismertet az US—PS 3.808.889. lajstromszámú szabadalmi leírás. Ezek az ismert mérések azonban nem tükrözik hűen a közvetlen hőfizikai jellemzőket, így pontos mérés megvalósítására nem alkalmasak. A találmány célja az ismert megoldások hiányosságainak kiküszöbölése, olyan megoldás létrehozása, amellyel különböző termofizikai jellemzők, elsősorban hővezetési és hőmérsékleteloszlási tényező egyetlen mérési periódus alatt, egymástól függetlenül meghatározható olymódon, hogy a kiértékelés során a modellhibákból eredő pontatlanságok minimális szinten maradjanak, kiküszöböljük a viszonylag lassú termikus folyamatok hatását és a jó mérhetőség érdekében aktív beavatkozáson alapuló mérést végezzünk. -Felismertük, hogy $ kitűzött cél célszerűen megoldható abban az esetben, ha a vizsgálandó anyag legalább egy térrészében ■- az eddig ismert megoldásoktól eltérően - hűtéssel, vagy fűtéssel úgy határozzuk meg a termofizikai jellemzőket, hogy gömgalakú izotermákat képezünk a vizsgálandó anyagban, annak legalább egy térrészében olymódon, hogy a mérési helyekén legalább fok-nagyságrendű hőméisékletvál-198.339 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
