SE508354C2 - Förfarande och anordning för bestämning av skikttjocklek - Google Patents

Description

508 354 Sådana bränslestavar som används i kärnkraftsreaktorer är vanligtvis uppbyggda av en zirkoniumlegering och innehåller sj älva bränslet, vanligtvis i form av ett antal små sintrade kutsar av urandioxid. I den mycket reaktiva miljö som dessa bränslestavar befinner sig i förekommer en mängd kemiska re- aktioner, av vilka en är att det bildas ett skikt av zirko- niumdioxid utanpå själva zirkoniumlegeringen, varvid detta skikt växer inåt och således substratets tjocklek efterhand minskar samtidigt som oxidskiktets tjocklek ökar. Dessutom bildas det ett s k crudskikt utanpå oxidskiktet, och detta består vanligtvis av en blandning av Fe, Zn och O. Det är av yttersta vikt att det has kontroll över utvecklingen av oxidskiktets tjocklek, då denna av framförallt säkerhetsskäl inte får överstiga ett fastlagt värde. Görs detta måste bränslestaven tas ut och en ny bränslestav sättas in.

Genom att substratet i detta fall är elektriskt ledande ge- nom att det består av nämnda zirkoniumlegering, kan det in- ledningsvis nämnda förfarandet användas för bestämning av Därvid har det hittills gått tillväga på det sättet att en spole bringas att generera ett tjockleken hos oxidskiktet. elektromagnetiskt växelfält med given frekvens i närheten av folier med olika tjocklekar samtidigt som nàgon_storhet hos växelfältet mätes, såsom den ström som flyter igenom spolen vid given spänning över den, för kalibrering av mätspolen.

Det är nämligen så att de virvelströmmar som växelfältet alstrar i det elektriskt ledande substratet kommer att störa själva växelfältet, varvid denna störning minskar med av- ståndet mellan spolen och substratet, d v s med tjockleken på oxidskiktet och ett eventuellt därpå liggande crudskikt.

Det har emellertid visat sig att de mätresultat som uppnåtts med dessa mätningar stundom varit förbryllande, då det synes som om ibland alldeles för stora skikttjocklekar indikeras.

Det med har genom studerande av de ifrågavarande bränslestavarna olika metoder kunnat fastställas att i sådana fall ofta 508 354 den utförda mätningen kraftigt överskattat skikttjocklekar. ifrågavarande Således leder ett användande av detta tidigare kända mätför- farande till att bränslestavar kommer att tas ut och bytas ut onödigt tidigt med stora tilläggskostnader som följd, samtidigt som det inte går att riktigt lita på de mätresul- tat som uppnás och det inte går att utföra några tillförlit- liga studier av hur hög oxidbildningshastigheten är och hur den utvecklas för olika typer av zirkoniumlegeringar.

Vidare kan sägas att det har framkommit kraftigt överdrivna värden på oxidtjocklekarna speciellt i reaktorer där zink doseras för att minska strålningsdoserna i cirkulations- och hjälpsystem.

SAMANEAIINlNQ_A¥_HEBElNNlNGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande för samt en anordning som kommer tillrätta med ovannämnda olägenheter hos tidigare förfaranden och anord- ningar och möjliggör tillförlitlig bestämning av tjockleken hos ett eller flera skikt genom användande _av den s k "virvelströmsmetoden“.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genmn att hos ett förfarande av det inledningsvis definierade slaget nämnda mätning görs genom att frekvensen hos växelfältet ställs in på åtminstone tvà olika värden och det av nämnda àterverkan resulterande växelfältet mäts vid dessa frekvensvärden, och tjockleken på skiktet eller skikten beräknas på grundval av genom sistnämnda mätning uppnådda data och uppgifter om åt- minstone vissa av substratets eller skiktens elektromagne- tiska egenskaper. 508 554 Genom att utföra ifrågavarande mätning vid olika frekvenser kan det för det första uteslutas att det tjockleksvärde man kommer fram till är kraftigt överdrivet, då en jämförelse av mätningarna vid de olika frekvenserna direkt ger vid handen att det finns något som stör mätningen, därest detta skulle vara fallet, och skulle ge ett helt felaktigt resultat vid användande av ovan beskrivna kalibreringsmetod.

Framförallt bygger uppfinningen på insikten att det är de elektromagnetiska, egenskaperna hos substratet och skiktet eller skikten som samspelar med växelfältet för påverkan av virvelströmmarnas återverkan på växelfältet, och genom att mäta växelfältet vid olika frekvensvärden och medtaga dessa värden samt nämnda uppgifter om elektromagnetiska egenskaper vid beräkningen av tjockleken på skiktet eller skikten är det möjligt att med god tillförlitlighet bestämma tjockleken på skiktet eller skikten. Därvid har uppfinnarna kommit fram till att det i det ovan beskrivna speciella fallet är den magnetiska permeabiliteten hos nämnda crudskikt som spelat ett spratt, och detta förklarar varför de uppmätta skikt- tjocklekarna har blivit kraftigt överdrivna speciellt i re- aktorer där zink doseras, eftersom sådan zinkdosering medför att cruden blir magnetisk. Det är nämligen så att om något i detta fall crudskiktet, detta att motverka virvelströmmarnas inverkan på växelfältet av skikten, är magnetiskt kommer och växelfältet därför se ut som om det elektriskt ledande skiktet, i. detta fall substratet, längre avstånd från det elektromagnetiska växelfältets ur- skulle vara beläget på sprung än verkligen är fallet, och därigenom skulle en allt- för stor tjocklek på oxidskiktet indikeras vid användande av det tidigare kända förfarandet. Något sådant undvikes emel- lertid genom föreliggande uppfinning, då det vid beräkningen av skikttjockleken tas hänsyn till de elektromagnetiska egenskaperna, såsom dielektricitetskonstanten, den elek- triska ledningsförmågan samt den magnetiska permeabiliteten, hos substratet och de olika skikten. Därvid är det natur- 508 354 ligtvis fullt möjligt att någon eller några av dessa para- metrar i en given situation för mätning av tjockleken hos ett givet skikt inte påverkar resultatet nämnvärt och därför kan ansättas till relativt godtyckliga värden. Likaså är det inte nödvändigt att dessa elektromagnetiska egenskaper är tidigare kända, utan vissa av dem skulle kunna framtagas vid nämnda beräkning, och det vore även möjligt att speciella medel är anordnade för mätande av exempelvis den magnetiska permeabiliteten hos något av skikten. Det påpekas även att det är möjligt att på detta sätt bestämma tjockleken hos flera ovanpå varandra placerade skikt.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen sker be- räkningen av nämnda tjocklek genom användande av en matema- tisk modell som beskriver en spole använd för genererande av växelfältet och en matematisk modell avseende substratets och skiktets eller skiktens uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererande växelfältet, och i sistnämnda matema- tiska modell sätts bestämda värden in för åtminstone vissa av susbstratets och skiktet eller skiktens elektromagnetiska egenskaper. Genom att använda en sådan matematisk modell för spolen som genererar växelfältet och en matematisk modell för de delar växelfältet inverkar på och vilka påverkar väx- elfältet, blir det möjligt att med god noggrannhet bestämma tjockleken på ifrågavarande skikt under hänsynstagande till de störningar som substratet och skiktet eller skikten kan förorsaka på virvelströmmarnas inverkan på växelfältet. Det har således kommits fram till att det är av stor fördel att utforma en spole för genererande av växelfältet så att den blir väl beskrivbar genom en matematisk modell.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen an- vänds en matematisk inversionsmodell som nämnda matematiska modell för substratet och skiktet eller skikten, och vid nämnda beräkning av skikttjockleken sätts en antagen tjock- lek för ifrågavarande skikt in i denna modell, nämnda växel- 508 354 fält beräknas genom den matematiska modellen för spolen samt nämnda matematiska inversionsmodell och det vid denna beräk- ning uppnådda resultatet jämförs med resultatet av mätningen av växelfält, varpå ett nytt värde för nämnda tjocklek sätts in i den matematiska inversionsmodellen och denna procedur upprepas tills väsentlig överensstämmelse uppnåtts mellan det uppmätta och det beräknade växelfältet. Ett på en sådan inversionsalgoritm grundat förfarande leder till en entydig och på detta sätt kan ett tillförlitligt värde uppnås för tjockleken på bestämning av de parametrar som är obekanta, ett, två eller ett ännu större antal skikt.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det en eller flera av dielektricitetskonstanten, den elek- triska ledningsförmàgan och den magnetiska permeabiliteten hos substratet och skiktet eller skikten som används som nämnda elektromagnetiska egenskaper vid nämnda beräkning av tjockleken på skiktet eller skikten. Därvid är det exempel- vis möjligt att bortse ifrån någon av dessa parametrar och sätta dem väldigt låga, därest de i praktiken inte har någon inverkan på virvelströmmarnas återverkan på växelfältet, ge- nom att de är försumbara i förhållande till motsvarande elektromagnetiska egenskap hos något annat av skikten eller dylikt. knippade problemen är det av vikt att just den magnetiska I det ovan beskrivna fallet och vid de därmed för- permabiliteten används vid nämnda beräkning.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen ut- förs mätningarna av växelfältet över ett brett frekvensområ- de sträckande sig över en eller flera storleksordningar. Ett inställande av växelfältet över ett brett frekvensomràde in- nebär möjlighet till uppnående av cndentliga skillnader i frekvensberoende parametrar hos växelfältet och ett noggrant och tillförlitligt bestämmande av nämnda skikttjocklek. 508 354 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen mä- tes nämnda elektromagnetiska växelfält resulterande av åter- verkan av de därav alstrade virvelströmmarna därpå genom mä- tande av impedansen hos åtminstone en i närheten av nämnda yttersta skikt placerad mottagarspole och den fasförskjut- ning som en spänning över mottagarspolen uppvisar i förhål- lande till en ström igenom en spole som används för genere- På detta sätt kan med enkla medel tillförlitliga data användbara rande av växelfältet. för nämnda beräkning av tjockleken uppnås genom insikten att impedansen och fasför- skjutningen hos en sådan mottagarspole väl beskriver nämnda växelfält och den påverkan nänmda virvelströmmar har därpå, samtidigt som dessa storheter är beroende av frekvensen hos växelfältet.

Enligt en mycket fördelaktig utföringsform av uppfinningen är det samma spole som används för generering av det elek- tromagnetiska växelfältet och som nämnda mottagarspole.

Detta förenklar mätförfarandet och gör en anordning enligt uppfinningen enkel och lätthanterlig under begränsande av möjliga felkällor.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen mäts nämnda impedans och fasförskj utning genom mätande av styrkan hos strömmen igenom spolen som genererar växelfältet och amplituden och fasläget hos spänningen över mottagarspolen På detta sätt kan nämnda växelfält enkelt och tillförlitligt mätas genom mätande av amplituden relativt nämnda ström. och fasläget hos spänningen över mottagarspolen, varvid denna mätning blir speciellt enkel i fallet då en enda spole används för generering av det elektromagnetiska fältet och som nänmda mottagarspole. Med uttrycket "växelfä1tet mätes" menas följaktligen att det även kan mätas indirekt, såsom i detta fall, sk j utning , genom mätande av nämnda impedans och fasför- varvid dock även dessa storheter mätes indirekt genom mätande av amplituden och fasläget hos spänningen. 508 354 Därvid är det inte något självändamål att bestämma just im- pedansen och fasförskjutningen, utan det kan mycket väl vara så att dessa aldrig bestäms, med att värden för mottagarspolens induktans i form av en utan i stället kan det räcka real del och en imaginär del och fasförskjutningen som arc- tan av den imaginära delen genom den reala delen bestäms för olika frekvenser hos växelfältet och därigenom indirekt spo- lens impedans, då induktansen är avgörande för spolens impe- dans vid given frekvens. Normalt kan det bortses från den kapacitiva kopplingen mellan spolen och skikten och substra- tet och vid beräkningarna kan därför då en begränsning ske till den induktiva kopplingen däremellan.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är det tjockleken hos ett skikt av en oxid av en metall på ett sub- strat i form av nämnda metall eller en legering därav i form av en vägg hos en bränslestav hos en kärnkraftsreaktor som bestäms, vilket utgör en speciellt föredragen användning av det uppfinningsenliga förfarandet, och därvid sker med för- del bestämningen av tjockleken hos nämnda oxidskikt med ett skikt av åtminstone delvis magnetisk crud anordnat ovanpå oxidskiktet, crudskikt medtages vid nämnda beräkning. Härigenom kan ovan- nämnda problem vid det tidigare kända, på oxidtjockleksmät- och den xnagnetiska permeabiliteten hos detta ning hos bränslestavar applicerade förfarandet lösas och en tillförlitlig tjockleksuppgift hos oxidskiktet uppnås, så att bränslestaven kan utnyttjas optimalt innan den måste tas bort från reaktorn för utbyte och ävenledes oxidbildnings- hastigheten för just det material som används för bränsle- staven kan studeras för lämplig utvärdering.

Det ovan deklarerade syftet med uppfinningen löses även ge- nom tillhandahållande av en anordning enligt bilagda själv- ständiga anordningspatentkrav. De egenskaper en sådan anord- ning uppvisar och de fördelar detta leder till framgår tyd- 508 354 ligt av den ovanstående diskussionen av det uppfinningsenli- ga förfarandet och de olika utföringsformerna därav.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefat- tar nämnda växelfältgenereringsorgan en med en matematisk modell beskrivbar spole, och inrättningen är utformad att använda denna matematiska modell vid sin beräkning. Därvid är det fördelaktigt att anordna en spole med ett enda skikt av lindningsvarv, då denna láter sig väl beskrivas genom en matematisk modell, och speciellt enkel blir denna matema- tiska modell då den utformas att beskriva spolen i form av en ekvivalent spole med ett enda lindningsvarv.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen beskriver den matematiska modellen spolen genom åtminstone två ekviva- lenta spolar i form av en sändarspole och åtminstone en mot- tagarspole. Därvid har de ekvivalenta spolarna med fördel ett enda lindningsvarv för förenklande av beräkningarna.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos upp- finningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KQBI_BESKBl¥NlNQ_A¥_BlINlNQABNA Härnedan beskrivs en såsom exempel anförd föredragen utfö- ringsform av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig 1 är ett förenklat schema illustrerande uppbyggnaden av en anordning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, medelst vilken ett förfarande enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är genomför- bart, 508 354 Fig 2 är en mycket förenklad vy illustrerande principerna för den s k virvelströmsmetoden, Fig 3 är en vy illustrerande ekvivalenta spolar samt skikt använda i en matematisk inversionsmodell enligt upp- finningen för beräknande av tjocklekarna hos skikten, Fig 4 är ett diagram illustrerande hur induktansen hos mät- spolen hos en anordning enligt uppfinningen förändras med växelfältets frekvens vid. olika 'värden på den magnetiska permeabiliteten hos ett av skikten, här det yttersta av skikten i fig 3, och Fig 5 är ett diagram illustrerande hur induktansen i nämnda mätspole för en given frekvens_förändras med mätspo- lens avstånd till substratet för tvâ olika värden på den magnetiska permeabiliteten 'hos ett av skikten, här det yttersta skiktet.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN I fig 1 illustreras schematiskt uppbyggnaden hos en anord- ning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen för bestämning av tjockleken på ett eller flera ovanpå varandra pà ett substrat anordnade skikt genom den s k EC-metoden (EC=Eddy Current). I föreliggande fall mätes tjockleken pà det oxidskikt 1 som bildas pà ett substrat 2 i form av en av en zirkoniumlegereing bestående vägg hos en bränslestav 3 Utanpà oxidskiktet l är dessutom ett s k crudskikt 4 anordnat, vil- som används i kärnkraftsreaktorer (se även fig 2).

Zn och 0, vil- Oxid- Innanför ket vanligtvis består av en blandning av Fe, ken kan ha en sammansättning jämförbar med ZnFe204. skiktet är i föreliggande fall zirkoniumdioxid. skiktet 2 och utvändigt om skiktet 4 är kylvatten avsett att 508 354 ll strömma för kylning av de av spjälkningen av bränslet i bränslestaven uppvärmda bränslestavsväggarna.

Anordningen innefattar en spole 5, vilken är bildad av en tråd av elektriskt ledande material lindad i varv i ett skikt, så att det blir väl möjligt att beskriva spolen genom en matematisk modell, och denna spole 5 är anslutbar till en enhet 6 anordnad att lägga en växelspänning av varierbar På detta sätt kan det vilket är antytt genom magnetflödeslinjer 8, via spolen 5. Spolen 5 är avsedd frekvens mellan dess terminaler 7. alstras ett elektromagnetiskt växelfält, att föras till omedelbar närhet av det yttersta 4 av skik- ten. Härigenom kommer växelflödets flödeslinjer 8 att passe- ra igenom skikten, såsom illustreras mycket schematiskt i fig 2, och på inom elektromekaniken känt sätt kommer virvel- strömmar att alstras i det av flödeslinjerna B genomträngda elektriskt ledande skiktet 2 väsentligen vinkelrätt mot flö- deslinjerna, vilket antydes mycket schematiskt genom ringar- na 9 (egentligen är dessa strömmar att beskrivas genom be- tydligt större virvelströmsbanor än de visade), varvid de så erhållna virvelströmsförlusterna i skiktet är proportionell till bl a kvadraten på det elektriskt ledande skiktets tjocklek i riktning vinkelrätt mot magnetflödeslinjerna och strömtätheten i skiktet. Härvid inverkar oftast inte sub- stratets tjocklek, då den ofta är så stor att den kan anses vara oändlig. De på detta sätt alstrade virvelströmmarna kommer att återverka på växelfältet, så att dettas utseende blir beroende därav. Därvid kommer denna påverkan att vara beroende av avståndet mellan spolen 5 och det elektriskt le- dande skiktet 2 och således vid ett visst avstånd mellan spolen och den yttre kanten av skiktet 1 beroende av tjock- leken hos och oxidskiktet 1. De elektromagnetiska egenska- perna, såsom dielektricitetskontant, elektrisk ledningsför- màga och magnetisk permeabilitet, hos substratet och de olika skikten påverkar virvelströmmarnas karaktär och åter- verkan på växelfältet. Om exempelvis något av skikten är 508 354 12 magnetiskt, såsom det antages vara i föreliggande fall med crudskiktet 4, då kommer detta skikt att delvis neutralisera så att växelfäl- frekvens får ett liknande utse- virvelströmmarnas inverkan på växelfältet, tet vid mätning vid en enda ende som om crudskiktet ej varit magnetiskt men tjockleken hos oxidskiktet 1 varit betydligt större än vad egentligen är fallet.

Anordningen enligt uppfinningen innefattar även i enheten 6 ingående medel anordnade att mäta växelfältet samt organ för inställande av frekvensen hos växelfältet för utförande av nämnda mätning vid olika frekvenser inom ett brett frekvens- område, företrädesvis sträckande sig över' en. eller flera storleksordningar och i föreliggande fall används frekvenser mellan 100kHz och 20MHz. av styrkan hos den ström som flyter igenom spolen och ampli- Nämnda mätning sker genom mätning tuden och fasläget hos spänningen över spolen 5, varvid med fasläget menas spänningens fas i förhållande till strömmen igenom spolen. Då det antages att spolen endast kopplar in- duktivt med skikten och substratet kan man således uttrycka det som att det är spolens induktans som mätes.

Anordningen innefattar en inrättning 10 anordnad att beräkna tjockleken på skiktet l eller skikten l och 4 på grundval av informationer från nämnda mätning och uppgifter om åtmins- tone vissa av substratets och skiktets eller skiktens elek- tromagnetiska egenskaper. Denna inrättning erhåller mätsig- naler från mätinrättningen ll. Beräkningsinrättningen lO in- nefattar en sammansatt matematisk modell illustrerad genom en ruta 12, vilken är bildad genom en spolen 5 beskrivande matematisk modell 13 och en nedan beskriven matematisk in- versionsmodell 14. Genom samverkan av de matematiska model- lerna 13 och 14 erhålles ett resultat i form av skikttjock- lekar, vilket antydes genom rutan 15. I praktiken torde hela inrättningen 10 vara bildad av en beräkningsdator. 508 354 13 Den matematiska modellen för spolen är utformad att beskriva spolen i form av en ekvivalent spole med ett enda lindnings- varv, och närmare bestämt beskriver den spolen genom två ek- vivalenta spolar i form av en sändarspole och en mottagar- spole, varvid således sändarspolen har de karaktäristika vad gäller växelfält och dylikt som den skulle ha vid frånvaro av påverkan från de olika skikten och substratet och motta- garspolen de karaktäristika som spolen erhåller genom nämnda påverkan. I fig 3 illustreras hur på detta sätt den matema- tiska modellen beskriver spolen i form av en sändarspole 16 och en mottagarspole 17, vilka är belägna på avståndet hs respektive hr från det yttersta skiktet. Vidare anges i fig 3 dielektricitetskonstanten 8, den magnetiska permeabilite- ten p och den elektriska ledningsförmágan o som elektromag- netiska egenskaper hos vart och ett av skikten samt kylvatt- net utanför det yttersta skiktet och innanför det innersta skiktet. Dessa elektromagnetiska egenskaper sätts in i nämn- da matematiska inversionsmodell, vilken används som en mate- matisk modell avseende substratets och skiktens uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade växelfältet. Enligt uppfinningen är det avsett att gås så tillväga att ett teo- retiskt värde beräknas för växelfältet genom den matematiska modellen för spolen och den matematiska inversionsmodellen och det vid denna beräkning uppnådda resultatet jämförs med resultatet av mätningen av växelfältet, varvid därvid beräk- ningen görs med utgångspunkt från mätningar vid olika fre- kvenser, varvid vid denna beräkning en antagen tjocklek för ifrågavarande skikt sätts in i denna modell, varpå ett nytt värde för nämnda tjocklek sätts in i den matematiska inver- sionsmodellen och denna procedur upprepas tills väsentlig övensstämmelse uppnåtts mellan det uppmätta och det beräk- nade växelfältet. Härigenom erhålles ett mycket tillförlit- ligt resultat vad gäller tjocklekarna hos de olika N+1-skik- ten i fig 3. 508 354 14 Den använda matematiska modellen ger vid handen att induk- tansen hos mottagarspolen, således i föreliggande fall spo- len 5, genom förekomsten av de olika skikten 1 och 4 ovanpå substratet har en term som påverkas i enlighet med formeln ,1 2 S 2 -uo(hs+h,)u-Jl(za)dz.

L =fra po re ° Där LS = induktansen hos mottagarspolen a = den ekvivalenta spolens radie pc = magnetiska konstanten (permeabiliteten i vakuum) r = reflektionskoefficienten ug = JÄ?-kf, varvid 'få = (02 Ho So 60 = dielektricitetskonstanten i vakuum m = vinkelhastigheten hs = avstånd till ovanytan från sändarekvivalensspolen hr = avstånd till ovanytan från mottagarekvivalensspolen Ä = integrationsparameter med dimensionen vågtal (m'1) J1 = första ordningens Besselfunktion _ Således kan genom fastställande av induktansen hos mottagar- spolen under insättande av de elektromagnetiska egenskaperna hos de olika skikten dessas tjocklekar beräknas. Genom utnyttjande av mätvärden från olika frekvenser och insät- tande av olika frekvenser i beräkningsmodellen kan det fastställas hur många skikt det rör sig om och vilken tjock- lek dessa har. permeabiliteten hos något eller några av skikten vara obe- Därvid kan exempelvis även den magnetiska kant och fastställas genom nämnda beräkningar för olika fre- kvenser. Det påpekas emellertid att det även är möjligt att den magnetiska permeabiliteten för exempelvis crudskiktet 4 är obekant, men att denna bestämmes genom separat anordnade 508 354 medel för mätande av just denna, så att denna kan sättas in som en bekant storhet i den matematiska inversionsmodellen.

I fig 4 illustreras hur enligt den matematiska inversionsmo- dellen en normaliserad induktans L hos mottagarspolen varie- rar med frekvensen för olika antagna värden av den relativa magnetiska permeabiliteten ulr hos crudskiktet, varvid den relativa magnetiska permeabiliteten sätts som l vid omagne- tiskt crudskikt, d v s samma värde den har hos oxidskiktet.

Av denna figur framgår att induktansen hos spolen påverkas avsevärt av en förändring av den magnetiska permeabiliteten, och i fig 5 illustreras det avstånd man komer fram till att spolen har från substratet vid en given normaliserad induk- tans L för två olika ansatta värden på den relativa magne- tiska permeabiliteten. Därvid är dessa värden satta till 1 och 2 (kurva 18 respektive 19). Härav framgår att i det fall det bortses från att crudskiktet är magnetiskt, men det vi- sar sig att detta faktiskt är fallet och den skulle uppvisa en relativ magnetisk permeabilitet av 2, då skulle man sluta sig till att avståndet mellan substratet och spolen är 270 pm vid en fastställd induktans av 0,85, medan avståndet egentligen. är 190 pm. Därvid. är 100 pnl avståndet mellan oxidskiktet och spolen, så att skillnaden i bestämd tjocklek hos Oxidsklktet blir lvo pm l förhållande till 90 pm.

Vid utförande av mätningarna kommer först spolen 5 att sty- i detta fall centralt mot den väsentligen cylindriska bränslestaven, ras in så att den står rätt riktad mot skikten, och sedan utförs nëtningarna och beräkningarna för olika fre- kvenser för att bestämma tjockleken på oxidskiktet där mät- ningarna utförts. Sedan flyttas vanligtvis spolen till andra delar av bränslestaven för bestämning av oxidskiktstjockle- ken där, dà denna kan variera utmed staven. Dessutom kan nämnas att crudskiktets sammansättning och magnetiska perme- abilitet kan variera utmed staven, men detta påverkar ju in- te de bestämda tjockleksvärdena när förfarandet enligt före- 508 354 16 liggande uppfinning användes. En tillkommande fördel med uppfinningen består i att förfarandet är anpassat till reak- tormiljö och att användas på bestràlade komponenter, då spo- len tål sådan bestrålning.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till den ovan beskrivna föredragna utföringsformen, utan en mängd möjligheter till nwdifikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på området, utan att denne för den skull av- viker från uppfinningens grundtanke. Exempelvis vore det som således är och det vore även tänkbart att anordna flera sådana nàtspolar för möjligt att anordna en separat mätspole, skild från den spolen som genererar växelfältet, att på så sätt förfina mätningarna. Med patentkravsdefini- tionen att växelfältet mätes, avses att storheter som kan användas för att beskriva växelfältet och/eller är framkal- lade därav mätes.

Substratet anses vara det understa av skikten, men det kan mycket väl vara tunnare än de skikt man mäter på. Dessutom är det fullt möjligt att det är något annat skikt än sub- stratet som är av elektriskt ledande material och det kan t o m vara så att flera skikt är elektriskt ledande, så att det alstras virvelströmmar i flera av skikten.“ Patentkravsdefinitionen "organ för jämförande av amplituden med styrkan hos strömmen igenom mottagarspolen" innebär inte nödvändigtvis att det finns ett speciellt organ för utfö- rande av en sådan jämförelse, utan det kan mycket väl vara sä att anordningen helt enkelt har uppgift om både amplitu- den och nämnda strömstyrka och dessa medtages i beräkningen och egentligen inte någon direkt jämförelse göres.

Claims (24)

10 15 20 25 30 35 508 354 17 Batnikray

1. Förfarande för bestämning av tjockleken hos ett eller flera ovanpå varandra på ett substrat (2) anordnade skikt (1, 4), varvid åtminstone ett av skikten eller substratet är elektriskt ledande, fält genereras i omedelbar närhet av det yttersta vid vilket ett elektromagnetiskt växel- (4) av skikten så att detta fält genererar därpå återverkande vir- velströmmar (9) i nämnda elektriskt ledande skikt (2), de senares inverkan på växelfältet mätes och tjockleken på och skiktet eller skikten bestäms på grundval av denna mätning, kännetecknar därav, kvensen hos växelfältet ställs in på åtminstone två olika att nämnda mätning görs genom att fre- värden och det av nämnda återverkan resulterande växelfältet mäts vid dessa frekvensvärden, och att tjockleken på skiktet eller skikten beräknas på grundval av genom sistnämnda mät- ning uppnådda data och uppgifter om åtminstone vissa av sub- stratets och skiktets eller skiktens elektromagnetiska egen- skaper. kännefiegknat därav, att beräk- ningen av nämnda tjocklek sker genom användande av en mate-

2. Förfarande enligt krav 1, matisk modell som beskriver en spole (5) använd-för genere- rande av växelfältet och en matematisk modell avseende sub- stratets och skiktets eller skiktens uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade växelfältet, och att i sist- nämnda matematiska modell bestämda värden sätts in för åt- minstone vissa av substratets och skiktets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper.

3. Förfarande enligt krav 2, kännfiificknât därav, att det är en matematisk inversionsmodell som används som nämnda mate- matiska modell för substratet (2) och skiktet eller skikten (1. 4), antagen tjocklek för ifrågavarande skikt sätts in i denna modell, och att vid nämnda beräkning av skikttjockleken en nämnda växelfält beräknas genom den matematiska mo- 10 15 20 25 30 35 508 354 18 dellen för spolen samt nämnda matematiska inversionsmodell och det vid denna beräkning uppnådda resultatet jämförs med resultatet av mätningen av växelfältet, varpå ett nytt värde för nämnda tjocklek sätts in i den matematiska inversionsmo- dellen och denna procedur upprepas tills väsentlig överens- stämmelse uppnåtts :mellan det uppmätta och. det beräknade växelfältet. den

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, därav, att en eller flera av dielektricitetskonstanten, elektriska ledningsförmågan och den magnetiska permeabilite- ten hos substratet och skiktet eller skikten är de elektro- magnetiska egenskaper som används vid nämnda beräkning av tjockleken på skiktet eller skikten. kännetecknar att nämnda mätning av växelfältet görs vid en mängd

5. Förfarande enligt något av kraven 1-4, därav, olika frekvenser för beräkning av de obekanta av skikttjock- lekar och elektromagnetiska egenskaper hos substratet och skiktet eller skikten. 1.. I Z E därav, att mätningarna av växelfältet utförs över ett brett

6. Förfarande enligt något av kraven 1-5, frekvensområde sträckande sig över en eller flera storleks- ordningar.

7. Förfarande enligt krav 6, känngiggknat därav, att nämnda frekvensområde åtminstone täcker frekvenserna mellan 500 kHz och 10 MHz. 1.. I Z E att nämnda elektromagnetiska växelfält resulterande

8. Förfarande enligt något av kraven 1-7, därav, av återverkan av de därav alstrade virvelströmmarna därpå mätes genom mätande av impedansen hos åtminstone en i närhe- ten av nämnda yttersta skikt (4) placerad mottagarspole (5) och den fasförskjutning som en spänning över mottagarspolen 10 15 20 25 30 35 (H CD 00 u! LH ß 19 uppvisar i förhållande till en ström igenom en spole (5) som används för genererande av växelfältet.

9. Förfarande enligt krav 8, därav, att samma spole (5) används för generering av det elektromagnetiska växelfältet och som nämnda mottagarspole. därav, att nämnda impedans och fasförskjutning mäts genom mätande

10. Förfarande enligt krav 8 eller 9, av styrkan hos strömmen igenom spolen som genererar växelfältet och amplituden och fasläget hos spänningen över mottagarspolen (5) relativt nämnda ström. 1.. I!! därav, att det är tjockleken hos ett skikt (1) av en oxid av

11. Förfarande enligt något av kraven 1-10, en metall på ett substrat i form av nämnda metall eller en legering därav i form av en vägg hos en bränslestav (3) hos en kärnkraftsreaktor som bestäms. kännetecknar därav, att be- stämningen av tjockleken hos nämnda oxidskikt (1) sker med

12. Förfarande enligt krav 11, ett skikt (4) av åtminstone delvis magnetisk crud anordnat ovanpå oxidskiktet, och att den magnetiska permeabiliteten hos detta crud-skikt medtages vid nämnda beräkning. därav, att det utförs på ett substrat (2) av en zirkoniumle-

13. Förfarande enligt något av kraven 10-12, gering och ett oxidskikt (1) i form av zirkoniumdioxid.

14. Anordning för bestämning av tjockleken hos ett eller flera ovanpå varandra pà ett substrat (2) anordnade skikt (1, 4), varvid åtminstone ett av skikten eller substratet är elektriskt ledande, varvid den innefattar organ (5) för ge- nererande av ett elektromagnetiskt växelfält i omedelbar närhet av det yttersta av skikten så att detta fält genere- rar därpå àterverkande virvelströmmar (9) i nämnda elek- 10 15 20 25 30 35 508 354 20 triskt ledande skikt (2), samt medel för mätande av växel- fältet, därav, för inställande av frekvensen hos det genererade att nämnda medel är utformat att utföra mät- att den dessutom innefattar or- gan (6) växelfältet, ningen av växelfältet för àtminstone tvâ olika frekvensvär- den, och att anordningen innefattar en inrättning (10) an- ordnad att beräkna tjockleken på skiktet eller skikten på grundval av informationer från nämnda mätning och uppgifter om àtminstone vissa av substratets och skiktets eller skik- tens elektromagnetiska egenskaper.

15. Anordning enligt krav 14, kännejegknafi därav, att nämnda växelfältgenereringsorgan innefattar en med en matematisk modell beskrivbar spole (5), och att nämnda inrättning är utformad att använda denna matematiska modell vid sin beräk- ning.

16. Anordning enligt krav 15, känneiegknad därav, att nämnda spole (5) uppvisar ett enda skikt av lindningsvarv.

17. Anordning enligt krav 15 eller 16, kännetegknad därav, att nämnda matematiska modell beskriver spolen (5) i form av en ekvivalent spole (16, 17) med ett enda lindningsvarv. att den matematiska modellen beskriver spolen genom

18. Anordning enligt något av' kraven 15-17, därav, àtminstone två ekvivalenta spolar i form av en sändarspole (16) och àtminstone en mottagarspole (17).

19. Anordning enligt krav 15, kännefiegknad därav, att nämnda inrättning (10) är anordnad att beräkna nämnda tjocklek ge- nom att använda den matematiska modellen för spolen (5) och en matematisk modell avseende substratets och skiktets eller skiktens uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade växelfältet, och att inrättningen uppvisar organ för insät- tande av bestämda värden i den sistnämnda matematiska model- 10 15 20 25 30 35 21 len för åtminstone vissa av substratets och skiktets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper.

20. Anordning enligt krav 19, kännfitfiflknâd därav, att in- rättningen (10) är utformad att använda en matematisk inver- sionsmodell som nämnda matematiska modell för substratet (2) och skiktet eller skikten (1, 4), att den uppvisar organ för insättande av en antagen tjocklek för ifrågavarande skikt i denna modell vid nämnda beräkning av skikttjockleken, att inrättningen är anordnad att beräkna nämnda växelfält genom den matematiska modellen för spolen samt nämnda matematiska inversionsmodell, att inrättningen uppvisar organ anordnade att jämföra det vid denna beräkning uppnådda resultatet med resultatet av mätningen av växelfältet för att pà basis av denna jämförelse genom nämnda organ sätta in ett nytt värde för nämnda tjocklek i den matematiska inversionsmodellen, och att inrättningen är utformad att upprepa denna procedur tills väsentlig överensstämmelse uppnåtts mellan det uppmät- ta och det beräknade växelfältet. att nämnda mätningsmedel innefattar åtminstone en

21. Anordning enligt något av kraven 14-20, därav, mottagarspole (5) placerad i närheten av nämnda yttersta skikt samt organ för mätande av impedansen hos denna motta- garspole och den fasförskjutning som en spänning över mottagarspolen uppvisar i förhållande till en ström igenom en spole som används för genererande av växelfältet.

22. Anordning enligt krav 21, kännfifififlknâd därav, att en och samma spole (5) är anordnad att generera det elektromagne- tiska växelfältet och fungera som nämnda mottagarspole.

23. Anordning enligt krav 21 eller 22, kšnfiififlknfid därav, att nämnda organ för impedans- och fasförskjutningsmätning är anordnat att mäta amplituden och fasläget hos spänningen över mottagarspolen (5) relativt strömmen igenom den spole 10 508 354 22 som används för växelfältet, och att anordningen uppvisar ett organ för jämförande av amplituden genererande av med styrkan hos strömmen igenom mottagarspolen.

24. Anordning enligt krav 20, kännfiflggknad därav, att nämnda inrättning (10) är utformad att använda en matematisk inver- sionsmodell utformad att för nämnda frekvensvärden beräkna induktansen hos en spole (5) placerad i närheten av nämnda yttersta skikt (4) och påverkad av växelfältet för beräk- nande av spolens impedans.