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Eine universelle Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit aus Aufheizkurven konstant geheizter Zylinderquellen

Erbas, Kemal

Es wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Wärmeleitfähigkeit von Probenmaterialien aus Aufheizkurven konstant geheizter Zylinderquellen mit einer Genauigkeit von ± 2% bestimmt werden kann. Die Methode ist bei gleichbleibender Genauigkeit sowohl auf Messungen mit zylindrischen Quellen im Vollraum als auch an Halbraumoberflächen anwendbar. Der Einsatzbereich reicht dabei von Messungen im cm Bereich bei Meßzeiten <100 Sekunden bis hin zu in situ Messungen der Wärmeleitfähigkeit in Bohrungen (Meßzeiten ~ 10 Stunden, Quellenlängen von mehreren m). Es konnte gezeigt werden, daß Messungen mit konstant geheizten Nadelsonden zusätzlich die prinzipielle Möglichkeit der Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit einer Probe ermöglichen. Die zuvor erfolgte möglichst präzise Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist hierzu eine notwendige Bedingung, da dadurch die Freiheitsgrade einer iterativen Anpassung der Aufheizkurve eingeschränkt werden. Als variable Parameter bleiben für diesen Fall die gesuchte Temperaturleitfähigkeit und ein Term, der sich aus Kontaktschichtparametern innerhalb der Sonde und solchen am Übergang Sonde-Probe zusammensetzt. Der innere Aufbau der Sonde entscheidet (neben der Ankopplung zur Probe) in jedem Fall darüber, ob der Einfluß der Temperaturleitfähigkeit die Variationen in den Aufheizkurven dominiert. Ist dies der Fall, kann sie zusätzlich zu der Wärmeleitfähigkeit bestimmt werden. Da Nadelsondenmessungen zur Wärmeleitfähigkeitsbestimmung zu den Standardmeßverfahren an Gesteinen, Lockersedimenten und weiteren Materialien (Baustoffe, Industriekeramik etc.) gehören und die Datenbasis der Temperaturleitfähigkeitswerte noch sehr große Lücken aufweist, können, bei Anwendung der vorgeschlagenen Methodik, diese Lücken in den Daten der thermischen Parameter in Zukunft effektiv geschlossen werden.