SE515544C2 - Förfarande och anordning för bestämning av hydridinnehåll - Google Patents

Description

UPPFINNINGENS OMRÅDE OCH TIDIGARE KÄND TEKNIK Föreliggande uppfinning avser ett förfarande för bestämning av bland annat hydridinnehållet i ett mätobjekt medelst en induktiv virvelströmsmetod.

Genom US-A-5 017 869 och UK-A-2 187 844 är metoder och an-ordningar för bestämning av skikttjocklek med hjälp av virvelströmmar förut kända.

Den publicerade svenska patentansökningen 9602658-8 (och motsvarande US patentansökan 08/679 624, Jourdain et al) beskriver ett förfarande och en anordning för att bestämma tjockleken hos ett eller flera ovanpå varandra på ett substrat anordnade skikt, varvid åtminstone ett av skikten eller substratet är elektriskt ledande. Enligt detta förfarande (och anordning) genereras ett elektromagnetiskt växelfält i omedelbar närhet av det yttersta skiktet så att detta fält genererar därpå återverkande virvelströmmar i nämnda elektriskt ledande skikt, och de senares inverkan på växelfältet mätes och tjockleken på skiktet eller skikten bestäms på grundval av denna mätning. Nämnda mätning görs genom att frekvensen på växelfältet ställs in på åtminstone två olika värden och det av nämnda återverkan resulterande växelfältet mäts vid dessa frekvensvärden, varvid tjockleken på skiktet eller skikten beräknas på grundval av genom sist-nämnda mätning uppnådda data och uppgifter om åtminstone vissa av substratets och skiktets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper.

Ett förfarande och en anordning av detta slag kan användas för mätande av tjockleken hos ett eller flera skikt inom olika tekniska områden.

Nämnda svenska patentansökan beskriver främst användningen av ett sådant förfarande och en sådan anordning för mätning av tjockleken på skikt som bildas på av bränslestavar ut-gjorda substrat i kärnkraftsreaktorer. Sådana bränslestavar är vanligtvis uppbyggda av en zirkoniumlegering och innehål-ler själva 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 reaktioner, av vilka en är att det bildas ett skikt av zirkoniumdioxid utanpå själva zirkoniumlegeringen, varvid detta skikt växer inåt. Detta medför att substratets tjocklek efterhand minskar samtidigt som oxidskiktets tjocklek ökar. Dessutom bildas det ett s k crudskikt utanpå oxidskiktet. Detta består vanligtvis av en blandning av Fe, Zn och 0. Genom att substratet är elektriskt ledande, då det består av nämnda zirkoniumlegering, kan det nämnda förfarandet användas för bestämning av tjockleken hos oxidskiktet. 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 avståndet mellan spolen och substratet, dvs med tjockleken på oxidskiktet och ett eventuellt därpå liggande crudskikt. Genom förfarandet och anordningen som är beskrivna i nämnda svenska patentansökan har det visat sig att en mycket bra bestämning av skikttjocklekar kan erhållas.

Inom olika områden kan det vara ett problem att väte tränger in i ett material och förändrar materialets egenskaper. Ett fall där väte kan försämra ett materials egenskaper gäller en nukleär anläggning. Exempelvis kapslingsrören hos bränslestavarna i en sådan anläggning är som nämnts ofta tillver- kade i en zirkoniumlegering. I denna zirkoniumlegering kan väte tränga in och förena sig med zirkonium till zirkonium-hydrid. Detta gör materialet skörare och sprödare. Det finns därför en gräns för hur mycket hydrider som kan tillåtas utan att materialet blir för sprött. Mätningen av hur mycket hydrid som finns i ett substrat är speciellt svår om det på substratet kan finnas ett eller flera skikt, såsom är fallet exempelvis i samband med kapslingsrör för bränslestavar i en nukleär anläggning.

För att mäta hydridinnehållet i bränslestavarna har det tidigare varit nödvändigt att avlägsna bränslestavarna från den nukleära anläggningen och mäta på annan plats. Detta tillvägagångssätt är komplicerat och kostsamt. Det vore därför önskvärt att finna en förenklad och förbättrad metod och anordning för att mäta hydridinnehåll hos ett elektriskt ledande substrat hos ett mätobjekt som också kan ha ett eller flera skikt belägna på substratet.

SAMMANFATTNING AV FÖRELIGGANDE UPPFINNING Uppfinnarna av föreliggande uppfinning har överraskande kom-mit fram till att den metod (och anordning) för att mäta skikttjocklekar som ovan angiva skrift beskriver, kan ut-vecklas till att också mäta hydridinnehåll. Uppfinningen kan tillämpas inom vilket område som helst där det är önskvärt att bestämma hydridinnehåll i ett substrat som kan ha ett eller flera skikt belägna på substratet Ett förfarande enligt uppfinningen för bestämning av hydridinnehåll i ett elektriskt ledande substrat hos ett mätobjekt innefattar följande steg: generering av ett första elektromagnetiskt växelfält i omedelbar närhet av mätobjektet, varvid det elektromagnetiska växelfältet är sådant att det åtminstone delvis penetrerar substratet och i detta skapar virvelströmmar vilka i sin tur alstrar ett andra elektromagnetiskt växelfält som återverkar på det första elektromagnetiska växelfältet; inställning av det första elektromagnetiska växelfältet på åtminstone två olika frekvenser; mätning vid nämnda frekvenser av det kombinerade elektromagnetiska växelfält som uppstår genom det första och det andra elektromagnetiska växelfältets samverkan; och bestämning av hydridinnehållet i substratet genom användande av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av mätobjektets elektromagnetiska egenskaper .

Enligt en utföringsform av uppfinningen görs nämnda bestämning med hjälp av en modell, som beskriver en spole för generering av det första elektromagnetiska växelfältet och mätobjektets uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade första elektromagnetiska växelfältet. Genom använd-ning av en sådan modell har det visat sig att ett bra resultat i bestämningen av hydridinnehållet kan uppnås på ett relativt enkelt sätt. Det bör påpekas att modellen av spolen kan utgöras av en förenklad modell där spolen exempelvis beskrivs som om den omfattade ett enda lindningsvarv, eller som om den omfattade flera lindningsvarv belägna i ett plan.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar mätobjektet åtminstone ett skikt beläget på substratet, varvid nämnda bestämning innefattar en beräkning av ett resulterande kombinerat elektromagnetiskt växelfält, vilken beräkning innefattar insättandet av förutbestämda eller kända värden för åtminstone vissa av substratets och/eller skiktets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper och antagandet av en eller flera fria parametrar, såsom den elektriska ledningsförmågan hos substratet och tjockleken av det eller de på substratet belägna skikten, och varvid nämnda bestämning innefattar en iterativ process enligt vilken den eller de antagna fria parametrarna ändras tills det uppmätta kombinerade elektromagnetiska fältet motsvarar det beräknade fältet. Genom en sådan iterativ process och en sådan beräkning går det att på ett relativt enkelt sätt komma fram till hydridinnehållet även om flera okända parametrar måste antas vid bestämningen.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar förfarandet också bestämning av tjockleken hos åtminstone ett skikt beläget på substratet, vilken bestämning innefattar användandet av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av substratets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper. Det är en stor fördel med föreliggande uppfinning att både tjockleken på ett eller flera skikt belägna på substratet och hydridinnehållet i substratet kan bestämmas. Ännu en utföringsform av uppfinningen innefattar bestämning av den elektriska ledningsförmågan hos substratet, varvid utifrån denna bestämning hydridinnehållet bestäms. Genom att först bestämma den elektriska ledningsförmågan kan sedan hydridinnehållet bestämmas på ett relativt enkelt sätt.

Det uppfinningsenliga förfarandet är speciellt lämpat att användas i samband med ett mätobjekt som innefattar ett konstruktionselement i en nukleär anläggning, varvid nämnda substrat kan utgöras av materialet för själva konstruktionselementet och varvid på nämnda substrat kan finnas ett oxidskikt och ett crudskikt. Ett exempel på ett sådant konstruktionselement är som nämnts kapslingsrör till bränslestavarna. Det kan emellertid vara av intresse att mäta hydridinnehåll också på andra konstruktionselement som används i den reaktiva miljön i en nukleär reaktor. Sådana andra konstruktionselement innefattar spridare, som bland annat hål-ler bränslestavarna på bestämda avstånd från varandra, och höljerör, så kallade boxväggar, som omsluter en bränsle-patron.

För att erhålla bra induktiv koppling med mätobjektet genereras det första elektromagnetiska växelfältet lämpligen med hjälp av en spole som positioneras i omedelbar närhet av mätobjektet.

Enligt ännu en utföringsform av uppfinningen är nämnda spole utformad av ett elektriskt ledande material och innefattar åtminstone en första spiralformad del som utefter väsentligen hela sin längd tangerar en väsentligen plan gränsyta. Det har visat sig att genom en sådan spole utformad med en spiralformad del kan mycket hög upplösning erhållas även då mätning utförs på ett substrat med en beläggning av tunna skikt.

Det har visat sig vara fördelaktigt om mätningarna av växelfältet utförs över ett brett frekvensområde sträckande sig över en eller flera storleksordningar. Nämnda frekvensområde kan exempelvis täcka frekvenserna mellan 500 kHz och 50 MHz.

En anordning enligt uppfinningen för bestämning av hydridinnehåll i ett elektriskt ledande substrat hos ett mätobjekt innefattar organ för generering av ett sådant första elektromagnetiskt växelfält i omedelbar närhet av mätobjektet att detta växelfält åtminstone delvis penetrerar substratet och i detta skapar virvelströmmar vilka i sin tur alstrar ett andra elektromagnetiskt växelfält som återverkar på det första elektromagnetiska växelfältet; medel för inställning av det första elektromagnetiska växelfältet på åtminstone två olika frekvenser; medel för mätning vid nämnda frekvenser av det kombinerade elektromagnetiska växelfält som uppstår genom det första och det andra elektromagnetiska växelfältets samverkan; och en inrättning anordnad för bestämning av hydridinnehållet i substratet genom användande av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av mätobjektets elektromagnetiska egenskaper.

Enligt en utföringsform av anordningen är nämnda inrättning anordnad så att nämnda bestämning utförs med hjälp av en modell som beskriver en spole för generering av det första elektromagnetiska växelfältet samt mätobjektets uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade första elektromagnetiska växelfältet.

Enligt en ytterligare utföringsform av anordningen har nämnda inrättning medel för insättandet av förutbestämda eller kända värden för åtminstone vissa av substratets och på substratet belägna skikts elektromagnetiska egenskaper och medel för insättandet av en eller flera fria parametrar, såsom den elektriska ledningsförmågan hos substratet och tjockleken på den eller de på substratet belägna skikten, varvid nämnda inrättning är anordnad så att nämnda bestämning innefattar en beräkning av ett resulterande kombinerat elektromagnetiskt växelfält, vilken beräkning utnyttjar de insatta förutbestämda eller kända värdena och de fria parametrarna, och varvid inrättningen är anordnad så att nämnda bestämning innefattar en iterativ process enligt vilken den eller de antagna fria parametrarna ändras tills det uppmätta kombinerade elektromagnetiska fältet motsvar det beräknade fältet.

Enligt ännu en utföringsform av anordningen är inrättningen anordnad så att också tjockleken hos åtminstone ett skikt beläget på substratet bestäms genom användandet av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av substratets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper .

Enligt ännu en utföringsform av anordningen är inrättningen anordnad så att den elektriska ledningsförmågan hos substratet bestäms och så att utifrån denna bestämning hydridinnehållet bestäms.

Enligt en fördelaktig utföringsform av anordningen innefattar anordningen en spole för generering av nämnda första elektromagnetiska växelfält. Nämnda spole är utformad av ett elektriskt ledande material och innefattar lämpligen åtminstone en första spiralformad del som utefter väsentligen hela sin längd tangerar en väsentligen plan gränsyta.

Anordningen kan lämpligen vara inrättad så att mätningarna av växelfältet utförs över ett brett frekvensområde sträckande sig över en eller flera storleksordningar.

De olika utföringsformerna av anordningen har fördelar motsvarande de som beskrivits i samband med utföringsformerna för förfarandet ovan.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs en såsom exempel anförd föredragen utfö-ringsf orm av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar. Det bör noteras att Fig 1-5 visar principen för mätning av skikttjocklek enligt ovan nämnda svenska patentansökan.Fig1är ett förenklat schema illustrerande uppbyggnaden av en anordning medelst vilken ett förfarande enligt uppfinningen är genomförbart,Fig 2 är en mycket förenklad vy illustrerande princi-perna för den s k virvelströmsmetoden, Fig 3 är en vy illustrerande ekvivalenta spolar samt skikt använda i en matematisk inversionsmodell, Fig 4 är ett diagram illustrerande hur induktansen hos mätspolen förändras med växelfältets frekvens vid olika värden på den magnetiska permeabiliteten hos ett av skikten, här det yttersta av skikten i Fig 3, Fig 5 är ett diagram illustrerande hur induktansen i nämnda mätspole för en given frekvens förändras med mätspolens avstånd till substratet för två olika värden på den magnetiska permeabiliteten hos ett av skikten, här det yttersta skiktet, Fig 6 visar schematiskt en vy av en elektrisk mätkomponent som kan ingå i förfarandet och anordningen enligt föreliggande uppfinning, och Fig 7 visar schematiskt en snittvy av den elektriska mätkomponenten som visas i Fig 6.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN För att illustrera principen bakom föreliggande uppfinning ska först ges ett exempel på hur virvelströmsmetoden används för tjockleksbestämning såsom förklarats i den ovan angivna publicerade svenska ansökningen.

I Fig 1 illustreras schematiskt uppbyggnaden hos en anordning enligt nämnda skrift för bestämning av tjockleken på ett eller flera ovanpå varandra på ett substrat anordnade skikt genom den s k EC-metoden (EC=Eddy Current) . I detta fall mäts tjockleken på det oxidskikt 1 som bildas på ett substrat 2 i form av en av en zirkoniumlegering bestående vägg hos en bränslestav 3 som används i en nukleär reaktor (se även fig. 2) . Utanpå oxidskiktet 1 är dessutom ett s k crudskikt 4 anordnat, vilket vanligtvis består av en blandning av Fe, Zn och 0, vilken kan ha en sammansättning jäm-förbar med ZnFe204. Oxidskiktet är i föreliggande fall zirkoniumdioxid. Utvändigt om skiktet 4 är kylvatten avsett att 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 frekvens mellan dess terminaler 7. På detta sätt kan det alstras ett elektromagnetiskt växelfält, vilket är antytt genom magnet - flödeslinjer 8, via spolen 5. Spolen 5 är avsedd att föras till omedelbar närhet av det yttersta 4 av skikten. Härigenom kommer växelflödets flödeslinjer 8 att passera igenom skikten, såsom illustreras mycket schematiskt i Fig 2, och på inom elektromekaniken känt sätt kommer virvelströmmar att alstras i det av flödeslinjerna 8 genomträngda elektriskt ledande skiktet 2 väsentligen vinkelrätt mot flödeslinjerna, vilket antydes mycket schematiskt genom ringarna 9 (egentligen är dessa strömmar att beskrivas genom betydligt större virvelströmsbanor än de visade), varvid de så erhållna virvelströmsförlusterna i skiktet är proportionella till bl a kvadraten på det elektriskt ledande skiktets tjocklek i riktning vinkelrätt mot magnetflödeslinjerna och strömtätheten i skiktet. Härvid inverkar oftast inte substratets 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 ledande skiktet 2 och således vid ett visst avstånd mellan spolen och den yttre kanten av skiktet 1 beroende av tjock leken hos oxidskiktet 1. De elektromagnetiska egenskaperna, såsom dielektricitetskonstant, elektrisk ledningsförmåga och magnetisk permeabilitet, hos substratet och de olika skikten påverkar virvelströmmarnas karaktär och återverkan på växelfältet. Om exempelvis något av skikten är magnetiskt, såsom det antages vara i föreliggande fall med crudskiktet 4, då kommer detta skikt att delvis neutralisera virvelströmmarnas inverkan på växelfältet, så att växelfältet vid mätning vid en enda frekvens får ett liknande utseende som om crudskiktet ej varit magnetiskt men tjockleken hos oxidskiktet 1 varit betydligt större än vad egentligen är fallet.

Anordningen 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 frekvensområde, företrädesvis sträckande sig över en eller flera storleksordningar. Lämpligen används frekvenser mellan 100 kHz och 50 MHz. Nämnda mätning sker genom mätning av styrkan hos den ström som flyter igenom spolen 5 och amplituden 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 induktivt 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 1 eller skikten 1 och 4 på grundval av informationer från nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av substratets och skiktets eller skiktens elektromagnetiska egenskaper. Denna inrättning erhåller mätsig-naler från mätinrättningen 11. Beräkningsinrättningen 10 innefattar 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 skikttjocklekar, vilket antydes genom rutan 15. I praktiken torde hela inrättningen 10 vara bildad av en beräkningsdator.

Den matematiska modellen för spolen är utformad att beskriva spolen i form av en ekvivalent spole, och närmare bestämt beskriver den spolen genom två ekvivalenta spolar i form av en sändarspole och en mottagarspole, varvid således sändar-spolen har de karaktäristika vad gäller växelfält och dylikt som den skulle ha vid frånvaro av påverkan från de olika skikten och substratet och mottagarspolen de karaktäristika som spolen erhåller genom nämnda påverkan. I Fig 3 illustreras hur på detta sätt den matematiska modellen beskriver spolen i form av en sändarspole 16 och en mottagarspole 17, vilka är belägna på avståndet hg respektive hrfrån det yttersta skiktet. Vidare anges i Fig 3 dielektricitetskonstanten s, den magnetiska permeabiliteten |J. och den elektriska ledningsförmågan a som elektromagnetiska egenskaper hos vart och ett av skikten samt kylvattnet utanför det yttersta skiktet och innanför det innersta skiktet. Dessa elektromagnetiska egenskaper sätts in i nämnda matematiska inversionsmodell, vilken används som en matematisk modell avseende substratets och skiktens uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade växelfältet. Ett teore-tiskt 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 beräkningen görs med utgångspunkt från mätningar vid olika frekvenser, 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 inversionsmodellen och denna procedur upprepas tills väsentlig överensstämmelse uppnåtts mellan det uppmätta och det beräknade växelfältet. Härigenom erhålles ett mycket tillförlit- ligt resultat vad gäller tjocklekarna hos de olika N+l-skikten i Fig 3.

Genom fastställande av induktansen hos mottagarspolen kan således under insättande av de elektromagnetiska egenskaperna hos de olika skikten dessas tjocklekar beräknas. Genom utnyttjande av mätvärden från olika frekvenser och insättande av olika frekvenser i beräkningsmodellen kan det fastställas hur många skikt det rör sig om och vilken tjocklek dessa har. Därvid kan exempelvis även den magnetiska permeabiliteten hos något eller några av skikten vara obekant och fastställas genom nämnda beräkningar för olika frekvenser. 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 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 inversionsmodellen en normaliserad induktans L hos mottagarspolen va-rierar med frekvensen för olika antagna värden av den relativa magnetiska permeabiliteten i^r hos crudskiktet, varvid den relativa magnetiska permeabiliteten sätts som 1 vid omagnetiskt crudskikt, dvs samma värde som 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 kommer fram till att spolen har från substratet vid en given normaliserad induktans L för två olika ansatta värden på den relativa magnetiska 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 visar 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 um vid en fastställd induktans av 0,85, medan avståndet egentligen är 190 um. Därvid är100 um avståndet mellan oxidskiktet och spolen, så att skillnaden i bestämd tjocklek hos oxidskiktet blir 170 um i förhållande till 90 um.

Mätningen av det resulterande elektromagnetiska växelfältet kan göras genom mätning av impedansen hos en i närheten av det yttersta skiktet placerad mottagarspole 5 och den fas-förskjutning som en spänning över mottagarspolen uppvisar i förhållande till en ström igenom en spole 5 som används för generering av växelfältet. Nämnda impedans och fasförskjut-ning kan mätas genom mätning av styrkan hos strömmen igenom spolen som genererar växelfältet och amplituden och fasläget hos spänningen över mottagarspolen 5 relativt nämnda ström.

Enligt föreliggande uppfinning kan förfarandet (och anordning) enligt nämnda svenska patentansökning vidareutvecklas till att användas för att också bestämma hydridinnehåll.

Här nedan beskrivs nu ett utföringsexempel av uppfinningen för att bestämma hydridinnehållet i kapslingsrör för bränslestavar hos en nukleär anläggning. Uppfinningen är dock inte begränsad till detta användningsområde utan kan tillämpas inom vilket område som helst där det är önskvärt att bestämma hydridinnehåll i ett substrat som kan ha ett eller flera skikt belägna på substratet.

Såsom beskrivits ovan kan ett sådant kapslingsrör innefatta en zirkoniumlegering. Materialet i kapslingsröret benämns här nedan substrat 2. På substratet 2 kan det även finnas, såsom också beskrivits ovan, t ex ett oxidskikt 1 och ett crudskikt 4.

Det bör påpekas att kapslingsröret (substratet 2) inte nöd-vändigtvis består av endast ett material. Det är t. ex. möjligt att det består av olika skikt med olika zirkoniumleger- ingår för optimering av materialegenskaperna. Det i det följande och i patentkraven nämnda substratet 2 kan således omfatta mer än ett material. Även andra material än zirkonium-legeringar kan användas. Substratet 2 innefattar dock vanligtvis en metall och är elektriskt ledande. Som exempel nedan beskrivs zirkonium som substrat 2.

Som redan beskrivits ovan kan zirkonium förena sig med väte till zirkonium-hydridföreningar. Den elektriska ledningsförmågan försämras därmed. Det råder således ett samband mellan den elektriska ledningsförmågan hos substratet och hydridinnehållet däri.

Den ovan beskrivna iterativa beräkningsmodellen utnyttjas nu för att bestämma hydridinnehållet. Vissa kända eller förutbestämda parametrar sätts därvid in i modellen medan okända, fria parametrar bestäms genom beräkningen. De kända eller förutbestämda parametrarna behöver inte vara kända till sitt exakta värde. Tillräcklig noggrannhet erhålls om ungefärliga värden är kända. T. ex. kan följande parametrar användas som kända parametrar i beräkningen: den elektriska ledningsförmågan, dielektricitetskonstanten och den magnetiska permeabiliteten hos oxidskiktet 1 och crudskiktet 4 samt dielektricitetskonstanten och den magnetiska permeabiliteten hos substratet 2. Vidare kan oxidskiktet 1 och crudskiktet 4 i vissa tillämpningar anses ha liknande elektriska och magnetiska egenskaper. Det är därför möjligt att betrakta dessa skikt som ett skikt. Skikten är ofta icke elektriskt ledande eller har en, relativt substratet 2, låg elektrisk ledningsförmåga. För att förenkla modellen kan dessa skikt (eller detta kombinerade skikt), jämfört med substratet 2, anses vara elektriskt isolerande och omagnetiska. De fria parametrar som bestäms kan vara tjockleken hos oxid- och crudskiktet 1, 4 (eller den kombinerade tjockleken om dessa skikt betraktas som ett skikt) samt den elektriska ledningsförmågan (och därmed hydridinnehållet) hos substratet 2. Det bör påpekas att i vissa tillämpningar kan det ej antas att oxidskiktet 1 och crudskiktet 4 har liknande elektriska och magnetiska egenskaper. Exempelvis är det möjligt att zink injicerats i reaktorn hos en nukleär anläggning för att ernå en kontrollerad vattenkemi. I detta fall kan normalt inte crudskiktet 4 anses vara omagnetiskt.

Såsom beskrivits ovan påläggs ett elektromagnetiskt växelfält med hjälp av spolen 5 och det resulterande växelfältet, som uppstår genom nämnda samverkan av det pålagda fältet och det av virvelströmmarna alstrade fältet, mäts. Mätningen görs vid olika frekvenser hos det pålagda fältet.

Beräkningen görs genom ovan beskrivna iterativa metod. Dvs. antagna värden på de fria parametrarna sätts in i beräkningsmodellen och ett resulterande kombinerat elektromagnetiskt växelfält beräknas. Resultatet av beräkningen jämförs med resultatet från mätningen. De fria parametrarna ändras och beräkningen genomförs igen. Denna iterativa process genomförs till dess det beräknade fältet motsvarar det uppmätta. På så sätt kan de fria parametrarna bestämmas, vilka i detta exempel är tjockleken på oxid- och crudskikten och den elektriska ledningsförmågan hos substratet.

Med hjälp av den bestämda elektriska ledningsförmågan hos substratet bestäms sedan hydridinnehållet. Detta kan t.ex. göras genom kalibrering mot hydrerade kapslingsrör. Dvs. olika kapslingsrör av samma material som de som ska testas har exponerats med väte så att olika hydridinnehåll erhållits. Den elektriska ledningsförmågan och hydridinnehållet har sedan bestämts på kända sätt. Hydridinnehållet kan exempelvis bestämmas genom neutronradiografi eller andra kända metallografiska metoder. På så sätt erhålls ett samband mellan ledningsförmåga och hydridinnehåll. Detta samband kan sedan t.ex. lagras i ett minne i beräkningsinrättningen 10. Detta samband utnyttjas således för att bestämma hydridinne hållet utifrån den beräknade ledningsförmågan hos substratet.

I stället för detta kalibreringsförfärande kan man också med hjälp av en teoretisk modell räkna ut hydridinnehåll som funktion av den elektriska ledningsförmågan.

Med föreliggande uppfinning är det således möjligt att bestämma hydridinnehållet i substratet 2 även om tjockleken på de skikt 1, 4 som ligger på substratet inte är kända. Detta möjliggör mätning av hydridinnehåll på plats i en nukleär anläggning (t.ex. i en bränslebassäng) utan att förstöra bränslestavarna. Därmed undviks det mycket kostsamma och komplicerade förfarande där bränslestavarna måste bortföras från den nukleära anläggningen och analyseras på annan plats.

För generering och detektering av de elektromagnetiska växelfälten kan exempelvis olika typer av förut kända spolar användas. Det har emellertid visat sig att ett speciellt noggrant resultat erhålls om mätningen utförs med en speci-ell typ av mätkomponent innefattande en spole. Det bör noteras att olika spolar kan användas som sändar- och mottagarspole. Företrädesvis används dock samma spole som sändar-och mottagarspole.

Ett utföringsexempel på denna speciella typ av mätkomponent visas i figurerna 6 och 7. Fig 7 är en snittvy av det snitt som markerats med I i Fig 6.

Mätkomponenten innefattar en spole. Spolen innefattar åtminstone en första spiralformad del 20 som utefter väsentligen hela sin längd tangerar en väsentligen plan gränsyta.

I den visade utföringsformen har spolen endast en spiralformad del 20. Den spiralformade delen 20 utgör således i detta utföringsexempel hela spolen. Spolen är belägen på ett bärorgan 22. Detta bärorgan 22 benämns här nedan även substrat. Substratet 22 har en första sida 30 och en andra sida 32. Spolen är i detta fall således belägen på substratets 22 första sida 30. Spolen är utformad av ett elektriskt ledande material. Detta material kan t ex vara koppar eller alumi-nium, men även andra elektriskt ledande material kan användas. Spolen, eller den första spiralformade delen 20, kan ha en tjocklek t som väljs efter omständigheterna. Ofta är det lämpligt att denna tjocklek t är mellan 1fimoch 100/zm. Speciellt har en tjocklek t på mellan 20[ imoch 50/xm visat sig lämplig. En typisk sådan tjocklek t är omkring 35^m.

Spolen enligt den schematiskt visade utföringsformen i Fig har ungefär 3,5 lindningsvarv. Antalet lindningsvarv beror på användningsområde. Vid vissa tillämpningar kan det vara lämpligt att ha ett större antal lindningsvarv, t ex 10-40 lindningsvarv. Ofta är det dock en fördel att göra spolen så liten som möjligt. Därvid kan det vara lämpligt att spolen har ca 4-10 lindningsvarv.

Det elektriskt ledande materialet som utgör spolen benämns härefter tråd. Trådens bredd a kan också variera beroende på spolens användningsområde och beroende på tillverkningsme-tod. Ett lämpligt värde för trådens bredd a kan vara t ex 30/im - 100fim.Speciellt lämpligt har det visat sig vara om tråden har en bredd a av omkring 70 fim. Även avståndet mellan lindningsvarven hos tråden (vilket avstånd betecknas med b) beror på omständigheterna. Ett lämpligt sådant avstånd b kan vara ungefär lika med trådens bredd a, dvs. det kan ofta vara lämpligt att detta avstånd b är omkring 70 [ im. Spolens diameter d kan också väljas beroende på spolens användningsområde. Det är ofta lämpligt att denna diameter d är mindre än 50 mm. För vissa tillämpningar, t ex vid mätning av kapslingsrör hos bränslestavar (som beskrivs nedan) har det visat sig lämpligt att spolens diameter d är mindre än 6 mm, och helst mindre än 4 mm.

Substratet 22 kan utgöras av allehanda lämpliga isolerande material. Ett sådant lämpligt material är polyimid. Tjockleken c på substratet 22 kan variera. Substratets 22 tjocklek c kan t ex vara mindre än 3 0 fim, företrädesvis mindre än 20fim,helst omkring 12fim. Ett sådant substrat kan t ex utgöras av polyimid.

Substratet 22 kan vara försett med genomgående öppningar 28 (s k vior). Dessa öppningar 28 kan användas för att ansluta den spiralformade delen 20 till kontaktavsnitt 24, 26 belägna på andra sidan 32 av substratet 22. Genom dessa kontaktavsnitt 24, 26 kan således spolen anslutas till exempelvis en anordning för generering av ett elektromagnetiskt växelfält eller till en detekteringsanordning för att av-känna t ex spänningen eller strömmen över spolen.

Enligt den nu beskrivna utföringsformen är den första spiralf ormade delen 20 (dvs. i detta fall spolen) belägen väsentligen i ett plan. Detta kan uttryckas som att den första spiralformade delen 20 utefter väsentligen hela sin längd tangerar en väsentligen plan gränsyta. En sådan gränsyta kan t ex utgöras av själva substratets 22 ena sida 30 eller också kan gränsytan anses utgöra ett plan som tangerar den sida av den spiralformade delen 20 som är belägen upptill i Fig 7. Såsom påpekats ovan är en sådan gränsyta väsentligen plan. Men när spolen skall användas för mätning av ett krökt mätobjekt kan det vara en fördel om nämnda gränsyta har en krökning som motsvarar ett sådant mätobjekts krökning.

Fastän inte visat i figurerna är det möjligt att den elektriska mätkomponenten förutom en första spiralformad del 20 också innefattar en andra spiralformad del belägen på bäror-ganets 22 andra sida 32. Den andra spiralformade delen kan lämpligen vara förskjuten relativt den första spiralformade delen 20 så att de elektriskt ledande lindningarna hos den andra spiralformade delen är belägna på platser motsvarande mellanrummen mellan de elektriskt ledande lindningarna hos den första spiralformade delen 20. Den första 20 och den andra spiralformade delen kan vara elektriskt förbundna med varandra. Förbindelsen kan utgöras av en s k via genom substratet 22. De bägge spiralformade delarna kan således till-sammans utgöra en spole. Var och en av de spiralformade delarna tangerar lämpligen utefter väsentligen hela sin längd en väsentligen plan gränsyta på liknande sätt som den visade utföringsformen. En fördel med att spolen innefattar två sådana spiralformade delar är att spolen kan göras liten (ha en liten diameter) men ändå omfatta ett tillräckligt antal lindningsvarv för att uppnå en bra induktiv koppling med mätobjektet.

Det bör noteras att de bägge spiralformade delarna även kan vara separerade från varandra (dvs. inte elektriskt förbundna med varandra). Enligt en sådan utföringsform bör således var och en av de spiralf ormade delarna ha kontaktavsnitt för sammankoppling med en anordning för generering av ett elektromagnetiskt växelfält eller med en detektor. Även fast inte visat i figurerna är det möjligt att den eller de spiralformade delarna är täckta med ett skyddande elektriskt isolerande skikt av lämpligt material.

Oavsett om spolen innefattar en eller flera spiralformade delar gäller att spolen väsentligen inte innefattar någon skruvlinjeformad del av betydelse.

Den elektriska mätkomponenten kan tillverkas på olika sätt som är kända i samband med t ex kretskort- eller halvledar-tillverkning.

Som påpekats ovan kan spolen beskrivas av en förenklad modell där spolen exempelvis beskrivs som om den omfattade ett enda lidningsvarv, eller som om den omfattar flera lindningsvarv belägna i ett plan.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de visade utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (13)

1. Förfarande för bestämning av hydridinnehåll i ett elektriskt ledande substrat (2) hos ett mätobjekt, vilket förfarande innefattar följande steg: generering av ett första elektromagnetiskt växelfält i omedelbar närhet av mätobjektet, varvid det elektromagnetiska växelfältet är sådant att det åtminstone delvis penetrerar substratet (2) och i detta skapar virvelströmmar vilka i sin tur alstrar ett andra elektromagnetiskt växelfält som återverkar på det första elektromagnetiska växelfältet; inställning av det första elektromagnetiska växelfältet på åtminstone två olika frekvenser; mätning vid nämnda frekvenser av det kombinerade elektromagnetiska växelfält som uppstår genom det första och det andra elektromagnetiska växelfältets samverkan; och bestämning av hydridinnehållet i substratet (2) genom användande av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av mätobjektets elektromagnetiska egenskaper, varvid nämnda bestämning görs med hjälp av en modell, som beskriver en spole (5) eller en förenklad modell av en spole (5) för generering av det första elektromagnetiska växelfältet och mätobjektets uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade första elektromagnetiska växelfältet, varvid det första elektromagnetiska växelfältet genereras med hjälp av nämnda spole (5) som positioneras i omedelbar närhet av mätobjektet och varvid nämnda spole (5) är utformad av ett elektriskt ledande material och innefattar åtminstone en första spiralformad del (20) som utefter väsentligen hela sin längd tangerar en väsentligen plan gränsyta.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid mätobjektet innefattar åtminstone ett skikt (1, 4) beläget på substratet (2) och varvid nämnda bestämning innefattar en beräkning av ett resulterande kombinerat elektromagnetiskt växelfält, vilken beräkning innefattar insättandet av förutbestämda eller kända värden för åtminstone vissa av substratets (2) och/eller skiktet eller skiktens (1, 4) elektromagnetiska egenskaper och antagandet av en eller flera fria parametrar, såsom den elektriska ledningsförmågan hos substratet (2) och tjockleken av det eller de på substratet belägna skikten (1, 4), och varvid nämnda bestämning innefattar en iterativ process enligt vilken den eller de antagna fria parametrarna ändras tills det uppmätta kombinerade elektromagnetiska fältet motsvarar det beräknade fältet.

3. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid förfarandet också innefattar bestämning av tjockleken hos åtminstone ett skikt (1, 4) beläget på substratet (2), vilken bestämning innefattar användandet av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av substratets (2) eller skiktens (1, 4) elektromagnetiska egenskaper .

4. Förfarande enligt något av föregående krav, innefattande bestämning av den elektriska ledningsförmågan hos substratet (2), varvid utifrån denna bestämning hydridinnehållet bestäms.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid mätobjektet innefattar ett konstruktionselement i en nukleär anläggning.

6. Förfarande enligt krav 5, varvid nämnda substrat (2) utgörs av materialet för själva konstruktionselementet och varvid på nämnda substrat (2) finns ett oxidskikt (1) och ett crudskikt (4) .

7. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid mätningarna av växelfältet utförs över ett brett frekvensområde sträckande sig över en eller flera storleksordningar.

8. Förfarande enligt krav 7, varvid nämnda frekvensområde åtminstone täcker frekvenserna mellan 500 kHz och 50 MHz.

9. Anordning för bestämning av hydridinnehåll i ett elektriskt ledande substrat (2) hos ett mätobjekt, vilken anordning innefattar organ (5, 20) för generering av ett sådant första elektromagnetiskt växelfält i omedelbar närhet av mätobjektet att detta växelfält åtminstone delvis penetrerar substratet (2) och i detta skapar virvelströmmar vilka i sin tur alstrar ett andra elektromagnetiskt växelfält som återverkar på det första elektromagnetiska växelfältet; medel (6) för inställning av det första elektromagnetiska växelfältet på åtminstone två olika frekvenser; medel (6) för mätning vid nämnda frekvenser av det kombinerade elektromagnetiska växelfält som uppstår genom det första och det andra elektromagnetiska växelfältets samverkan; och en inrättning (10) anordnad för bestämning av hydridinnehållet i substratet genom användande av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av mätobjektets elektromagnetiska egenskaper, varvid nämnda inrättning (10) är anordnad så att nämnda bestämning utförs med hjälp av en modell (12) som beskriver en spole (5) eller en förenklad modell av en spole (5) för generering av det första elektromagnetiska växelfältet samt mätobjektets uppbyggnad och påverkan på det av spolen genererade första elektromagnetiska växelfältet, varvid nämnda organ innefattar nämnda spole (5) för generering av nämnda första elektromagnetiska växelfält, och varvid nämnda spole (5) är utformad av ett elektriskt ledande material och innefattar åtminstone en första spiralformad del (20) som utefter väsentligen hela sin längd tangerar en väsentligen plan gränsyta .

10. Anordning enligt krav 9, varvid nämnda inrättning (10) har medel för insättandet av förutbestämda eller kända värden för åtminstone vissa av substratets (2) och på substratet (2) belägna skikts (1, 4) elektromagnetiska egenskaper och medel för insättandet av en eller flera fria parametrar, såsom den elektriska ledningsförmågan hos substratet (2) och tjockleken på den eller de på substratet belägna skikten (1,4), varvid nämnda inrättning (10) är anordnad så att nämnda bestämning innefattar en beräkning av ett resulterande kombinerat elektromagnetiskt växelfält, vilken beräkning utnyttjar de insatta förutbestämda eller kända värdena och de fria parametrarna, och varvid inrättningen (10) är anordnad så att nämnda bestämning innefattar en iterativ process enligt vilken den eller de antagna fria parametrarna ändras tills det uppmätta kombinerade elektromagnetiska fältet motsvar det beräknade fältet.

11. Anordning enligt något av kraven 9 och 10, varvid inrättningen (10) är anordnad så att också tjockleken hos åtminstone ett skikt (1, 4) beläget på substratet (2) bestäms genom användandet av data som erhållits genom nämnda mätning och uppgifter om åtminstone vissa av substratets (2) eller skiktens (1, 4) elektromagnetiska egenskaper.

12. Anordning enligt något av kraven 9-11, varvid inrättningen (10) är anordnad så att den elektriska ledningsförmågan hos substratet (2) bestäms och så att utifrån denna bestämning hydridinnehållet bestäms.

13. Anordning enligt något av kraven 9-12, inrättad så att mätningarna av växelfältet utförs över ett brett frekvensområde sträckande sig över en eller flera storleksordningar.