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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft eine Verwendung eines elektrischen Messelements
zum Messen von Parametern von Materialien mittels eines induktiven
Wirbelstromverfahrens.
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Die
US-A-5 017 869 und die GB-A-2 187 844 offenbaren Beispiele für Wirbelstrom-Messverfahren zur
Bestimmung von Parametern von Materialien. Das als erstes genannte
Dokument betrifft vor allem die Messung von Schichtdicken mit einem
solchen Wirbelstrom-Messverfahren. Das als zweites genannte Dokument
betrifft ebenfalls die Messung der Schichtdicke, aber auch die Messung
der Temperatur dünner
Bleche. Wirbelstrom-Messverfahren können auch verwendet werden,
um viele verschiedene Eigenschaften eines Messelements zu testen.
Es ist beispielsweise bekannt, dass ein solches Messverfahren verwendet
werden kann, um Unstetigkeiten, innere Risse, Formveränderungen
oder andere Defekte bei einem Messobjekt festzustellen. Ein Vorteil beim
Testen mittels eines Wirbelstromverfahrens ist, dass das Messobjekt
durch das Testen nicht zerstört wird.
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Die
US-4,706,020 beschreibt einen Wirbelstromsensor, der eine im Wesentlichen
plane, spiralartige, einschichtige Spule umfasst, die auf einem isolierenden
Substrat angebracht ist. Das Dokument beschreibt auch ein Verfahren
zum Feststellen von Fehlern. Bei dem Verfahren wird eine Brückenschaltung
verwendet. Die Brückenschaltung
umfasst unter anderem den Wirbelstromsensor und eine Vergleichsspule.
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Tests
oder Messungen mittels eines Wirbelstromverfahrens werden, kurz
beschrieben, folgendermaßen
durchgeführt.
Ein elektromagnetisches Wechselfeld wird in der Nähe des Messobjekts
erzeugt. Dieses Wechselfeld dringt in das Messobjekt ein und verursacht
dort (wenn das Messobjekt elektrisch leitfähig ist) Wirbelströme. Diese
Wirbelströme erzeugen
wiederum ein elektromagnetisches Wechselfeld. Dieses Wechselfeld
oder seine Rückwirkung auf
das erstgenannte elektromagnetische Wechselfeld kann dann erfasst
werden. Das erstgenannte elektromagnetische Wechselfeld wird übli cherweise mittels
einer Spule erzeugt. Die Erfassung des Wechselfelds, das von den
Wirbelströmen
erzeugt wird, erfolgt üblicherweise
ebenfalls mittels einer Spule.
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Die
schwedische veröffentlichte
Patentanmeldung 9602658-8 (und die parallele US 08/679 624, Jourdain
et al.) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen
der Dicke einer oder mehrerer Schichten, die aufeinander auf einem Substrat
angeordnet sind. Auch gemäß diesem
Dokument wird die Bestimmung mittels eines Wirbelstrom-Messverfahrens
vorgenommen.
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Die
oben genannten Dokumente beschreiben nicht den Aufbau der Spule
oder der Spulen im Einzelnen. Der Aufbau der Spule selbst wurde
bisher nicht als besonders entscheidend für das erzielte Messergebnis
angesehen. Die in der Praxis verwendeten Spulen hatten bisher üblicherweise
eine Helixform. Eine solche helixförmige Spule kann entweder in
mehreren Schichten aufeinander gewunden sein oder kann auch in einer
einzigen zylinderförmigen Schicht
gewunden sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Verwendung eines elektrischen Messelements
zu erzielen, die das Messergebnis bei einem Wirbelstrom-Messverfahren
verbessert.
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Das
erfindungsgemäß verwendete
elektrische Messelement ist besonders für die Messung dünner Schichten
geeignet. Die Messung solcher Schichten kann beispielsweise die
Messung der Schichtdicke umfassen. Solche Messungen erfordern eine
hohe Auflösung.
Wenn außerdem
mehrere Schichten mit unterschiedlichen elektrischen oder magnetischen
Eigenschaften aufeinander vorhanden sind, kann es schwierig sein,
die Schichten zu unterscheiden, und dadurch kann es schwierig sein,
die Eigenschaften der einzelnen Schichten zu bestimmen. Die Erfinder
der vorliegenden Erfindung sind daher zu dem Schluss gekommen, dass
ein Bedürfnis
besteht, ein Messelement zu bilden, das eine bessere Auflösung als
die zuvor verwendeten liefert.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die in Anspruch 1 definierte Verwendung
gelöst.
Das Messelement umfasst eine Spule aus einem elektrisch leitfähigen Material, und
die Spule ist so ausgebildet, dass sie wenigstens einen ersten spiralförmigen Teil umfasst.
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Mathematisch
gesehen liegt eine Spirale in einer Ebene. Eine helixförmige Kurve
andererseits hat eine Ausdehnung in drei Dimensionen. In der Praxis
hat eine Spirale natürlich
auch eine bestimmte Ausdehnung in einer dritten Dimension (da die
Spirale eine bestimmte Dicke haben muss). Im Wesentlichen kann jedoch
davon ausgegangen werden, dass eine solche Spirale in einer Ebene
liegt. Mit „spiralförmiger Teil" ist in dieser Anmeldung
also gemeint, dass die Spirale im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet
ist. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Ebene tatsächlich etwas
gekrümmt
sein kann. Die Ebene ist also keine Ebene im mathematischen Sinn. Beispielsweise
kann es ein Vorteil sein, wenn der spiralförmige Teil in seiner Ausdehnung
etwas gekrümmt
ist, wenn das Messobjekt eine entsprechend gekrümmte Oberfläche hat.
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Da
das Messelement eine Spule umfasst, die spiralförmig ist, wird eine deutlich
bessere Auflösung erzielt,
wenn dünne
Schichten gemessen werden. Die Erfinder sind zu dem Schluss gekommen,
dass eine bessere Auflösung
erzielt wird, wenn die Höhe der
Spule im Vergleich zu den Dicken der zu messenden Schichten nicht
zu groß ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Messelements bildet der erste spiralförmige Teil im Wesentlichen
entlang seiner gesamten Länge
eine Tangente zu einer im Wesentlichen planen Grenzfläche. Eine solche
Grenzfläche
kann vollständig
plan oder auch, wie oben erwähnt,
etwas gekrümmt
sein. Eine etwas gekrümmte
Grenzfläche
kann daher geeignet sein, wenn das Messobjekt eine entsprechend
gekrümmte äußere Oberfläche hat.
Gemäß dieser
Ausführungsform
kann die Spule sehr nah an dem Messobjekt angeordnet sein, was zu
besserer Messgenauigkeit führt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Messelements hat die Spule einen Durchmesser von weniger als
5 mm. Eine Spule mit dieser Abmessung bietet Vorteile, wenn kleinere
Flächen
eines Messobjekts gemessen werden. Es kann auch ein Vorteil sein,
eine solche kleine Spule zu verwenden, wenn beispielsweise das Messobjekt
etwas gekrümmt
ist. Eine solche kleine Spule kann daher plan sein und trotzdem
nah an dem Messobjekt angeordnet werden. Wenn der Krümmungsradius
des Messobjekts relativ relativ groß ist, kann eine solche kleine
Spule, selbst wenn sie plan ist, als parallel zu dem Messobjekt
positioniert angesehen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Messelements hat der erste spiralförmige Teil eine Dicke zwischen
1 μm und
50 μm. Da
der spiralförmige
Teil eine solche begrenzte Ausdehnung in der Richtung seiner Dicke
hat, kann dieser Teil als im Wesentlichen in einer Ebene liegend
betrachtet werden. Diese geringe Ausdehnung in der Richtung der
Dicke verbessert das Messergebnis wenigstens bei der Messung dünner Schichten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Messelements weist der erste spiralförmige Teil wenigstens 3 Windungen
auf. Bevorzugt weist dieser Teil wenigstens 4 und höchstens
10 Windungen auf. Eine solche begrenzte Zahl der Windungen führt dazu,
dass das Messelement klein sein kann, was die oben genannten Vorteile
bietet. Es ist jedoch zu beachten, dass es bei bestimmten Anwendungen
interessant sein kann, wenn viele Windungen vorhanden sind, um ein
elektromagnetisches Wechselfeld einer gewünschten Stärke zu erzeugen. Es ist daher
denkbar, dass der erste spiralförmige
Teil viel mehr Windungen als 10 aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfasst das Messelement ein elektrisch isolierendes Stützglied,
wobei der erste spiralförmige
Teil an einer Seite des Stützglieds
angeordnet ist. Ein solches Stützglied
trägt zu
der Stabilität
des Messelements bei, besonders der Spule. Es ist auch ein Vorteil
für die
Herstellung der Spule, wenn sie an einem solchen Stützglied
ausgebildet wird. Da das Stützglied so
ausgebildet sein kann, dass es eine klar definierte plane Oberfläche hat,
kann die Spule daher im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sein.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
umfasst die Spirale auch einen zweiten spiralförmigen Teil, wobei der zweite
spiralförmige
Teil an der anderen Seite des Stützglieds
angeordnet ist. Wie oben erwähnt
kann es in bestimmten Situationen von Vorteil sein, wenn der Durchmesser
der Spule klein ist. Um trotzdem einen ausreichenden induktiven
Austausch mit dem Messobjekt zu erreichen, kann es wesentlich sein,
dass die Spule eine ausreichende Zahl von Windungen aufweist. Dies
kann dadurch erreicht werden, dass die Spule zwei spiralförmige Teile
umfasst, die jeder an seiner Seite eines Stützglieds angeordnet sind. Da
das Stützglied
dünn sein
kann, kann die Ausdehnung des Messelements in Querrichtung zu der
Ebene, in der die spiralförmigen
Teile liegen, begrenzt sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der zweite spiralförmige
Teil bezüglich
des ersten spiralförmigen
Teils so verschoben, dass das elektrisch leitfähige Material des zweiten spiralförmigen Teils nicht
genau gegenüber
dem elektrisch leitfähigen Material
des ersten spiralförmigen
Teils angeordnet ist. Durch eine solche Form der spiralförmigen Teile wurde
gezeigt, dass ein elektrisches Messelement mit hoher Auflösung erzielt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der erste spiralförmige
Teil elektrisch mit dem zweiten spiralförmigen Teil verbunden. Bei
dieser Konstruktion bilden die beiden spiralförmigen Teile somit zusammen
eine Spule. Es ist jedoch für
die Erfindung nicht erforderlich, dass die beiden Teile elektrisch
miteinander verbunden sind. Es ist auch denkbar, dass die beiden
spiralförmigen
Teile parallel verbunden sind.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Messelements zeichnet sich durch Kontaktabschnitte aus, die an
dem Stützglied
angeordnet sind und mit dem spiralförmigen Teil oder den spiralförmigen Teilen,
die an dem Stützglied
angeordnet sind, verbunden sind. Durch solche Kontaktabschnitte
kann das elektrische Messelement auf einfache Art mit einem Messkreis oder
einem Kreis, der ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, verbunden
werden.
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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eines elektrischen Messelements
gemäß einer
der oben beschriebenen Ausführungsformen,
um wenigstens einen Parameter eines Messobjekts mittels eines induktiven
Wirbelstrom-Messverfahrens zu bestimmen. Es ist zu beachten, dass
ein Messelement wie das oben genannte auch in anderen Bereichen
als einem Wirbelstromverfahren verwendet werden kann. Das Messelement
kann daher immer dann nützlich sein,
wenn die Verwendung einer Spule von Vorteil ist, die im Wesentlichen
in einer Ebene angeordnet ist. Wie oben beschrieben bietet jedoch
die Verwendung des Messelements bei einem induktiven Wirbelstrom-Messverfahren
besondere Vorteile.
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Eine
erfindungsgemäße Verwendung
ist in Anspruch 1 definiert. Durch die Form des Messelements wird
bei einem solchen Verfahren eine sehr hohe Auflösung erreicht, wie oben beschrieben.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verwendung
umfassen der oder die Parameter, die durch das Messverfahren bestimmt werden,
die Dicke wenigstens einer der Schichten. Wie oben beschrieben hat
das Messelement besondere Vorteile, wenn es für eine solche Bestimmung der
Schichtdicke verwendet wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verwendung
umfassen der oder die Parameter, die durch das Messverfahren bestimmt
werden, den Hydridgehalt in dem Substrat und/oder in einer der Schichten.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein Messelement
wie das oben beschriebene zu verwenden, um den Hydridgehalt in Substraten
zu bestimmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Messobjekt ein Strukturelement in einem
Kernreaktor, wobei das Substrat das eigentliche Material für das Strukturelement
bildet und die Schichten eine Oxidschicht auf dem Strukturelement
und eine Fremdstoffschicht auf der Oxidschicht bilden. Es hat sich
als besonders vorteilhaft herausgestellt, das Messelement zur Bestimmung von
Parametern eines solchen Substrats oder solcher Schichten bei einem
Strukturelement für
einen Kernreaktor zu verwenden. Solche Strukturelemente können Hüllrohre
für Brennstäbe, Steuerstäbe, Abstandshalter
oder andere Einzelteile in einem Kernreaktor sein. Die Strukturelemente
können
beispielsweise aus Zirconiumlegierungen oder Hafniumlegierungen
bestehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verwendung
umfasst das Messobjekt wenigstens ein Substrat und eine oder mehrere
Funktionsschichten auf dem Substrat, wobei durch das Messverfahren
der Zustand wenigstens der Funktionsschicht oder einer der Funktionsschichten geprüft wird,
beispielsweise bezüglich
Abnutzung oder Korrosion. Wie bereits oben beschrieben können Wirbelstrom-Messverfahren vorteilhaft
verwendet werden, um Defekte in Materialien zu prüfen. Insbesondere
hat es sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Verwendung geeignet ist,
um den Grad der Abnutzung oder Korrosion zu bestimmen, wenn das Messobjekt
ein Substrat mit einer oder mehreren Schichten darauf umfasst.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Messobjekt ein Strukturelement in einem
Kernreaktor, wobei das Substrat das eigentliche Material für das Strukturelement
bildet und die eine oder mehreren Funktionsschichten eine oder mehrere
Schutzschichten auf dem Substrat bilden. Es hat sich daher herausgestellt,
dass es sehr gut funktioniert, ein Messelement wie das oben genannte
zu verwenden, um den Zustand solcher Schutzschichten auf einem Strukturelement
in einem Kernreaktor zu prüfen.
Das Strukturelement kann beispielsweise aus dem Hüllrohr eines Brennstabs,
einem Abstandshalter, der unter anderem dazu verwendet wird, um
die Brennstäbe
in bestimmten Abständen
zueinander zu halten, oder dem Ummantelungsrohr oder der Kastenwand,
die eine Brennstoffkassette umschließt, bestehen.
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Bezüglich der
erfindungsgemäßen Verwendung
wird die Messung somit bei wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen
durchgeführt,
beispielsweise bei drei oder mehr verschiedenen Frequenzen, bevorzugt
bei fünf
oder mehr verschiedenen Frequenzen. Es hat sich gezeigt, dass eine
gute Genauigkeit erzielt wird, wenn die Messung bei mehreren verschiedenen
Frequenzen durchgeführt
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Verwendung
wird ein Modell verwendet, das eine Spule für die Erzeugung des elektromagnetischen
Wechselfelds und den Aufbau des Messobjekts sowie den Einfluss des
Messobjekts auf das von der Spule erzeugte elektromagnetische Wechselfeld
beschreibt.
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Erfindungsgemäß wird eine
Berechnung eines resultierenden kombinierten elektromagnetischen
Wechselfelds vorgenommen, wobei diese Berechnung die Einführung von
vorher bestimmten oder bekannten Werten für wenigstens einige der elektromagnetischen
Eigenschaften des Substrats und/oder der Schicht oder der Schichten
und die Annahme eines oder mehrerer freier Parameter umfasst, wie
die elektrische Leitfähigkeit
des Substrats und die Dicke der Schicht oder der Schichten, die
auf dem Substrat angeordnet sind, und wobei die Bestimmung einen iterativen
Prozess umfasst, gemäß dem der
angenommene freie Parameter oder die angenommenen freien Parameter
ge ändert
werden, bis das gemessene kombinierte elektromagnetische Feld dem
berechneten Feld entspricht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun vermittels der beschriebenen Ausführungsformen,
die als Beispiel angeführt
sind, und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Ansicht eines elektrischen Messelements, das erfindungsgemäß verwendet
werden kann.
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2 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten
elektrischen Messelements.
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3 zeigt
eine ähnliche
Querschnittsansicht wie 2, aber von einer anderen Ausführungsform
des Elements.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
Messelement wird als Nächstes
vermittels der in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
beschrieben. 2 ist eine Querschnittsansicht des
Querschnitts, der in 1 mit I bezeichnet ist. Das
gezeigte Messelement umfasst eine Spule aus einem elektrisch leitfähigen Material,
wobei die Spule so geformt ist, dass sie einen ersten spiralförmigen Teil 20 bildet.
Bei der gezeigten Ausführungsform weist
die Spule nur einen spiralförmigen
Teil 20 auf. Der spiralförmige Teil 20 bildet
damit bei dieser Ausführungsform
die gesamte Spule. Die Spule ist an einem Stützglied 22 angeordnet.
Dieses Stützglied 22 wird
im Folgenden auch als Substrat bezeichnet. Das Substrat 22 hat
eine erste Seite 30 und eine zweite Seite 32.
Die Spule ist in diesem Fall also an der ersten Seite 30 des
Substrats 22 angeordnet. Die Spule ist aus einem elektrisch
leitfähigen
Material ausgebildet. Dieses Material kann z.B. Kupfer oder Aluminium sein,
aber auch andere elektrisch leitfähige Materialien können verwendet
werden. Die Spule oder der erste spiralförmige Teil 20 kann
eine Dicke t haben, die je nach den Umständen gewählt wird. Oft ist es zweckmäßig, dass
diese Dicke t zwischen 1 μm
und 100 μm
liegt. Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine Dicke t zwischen
20 μm 100 μm liegt.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine Dicke t zwischen 20 μm und 50 μm geeignet
ist. Eine typische Dicke t beträgt
ungefähr
35 μm.
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Die
Spule gemäß der in 1 schematisch gezeigten
Ausführungsform
weist ungefähr
3,5 Windungen auf (mit der Zahl der Windungen ist in dieser Anmeldung
die Zahl der Windungen der Spirale um ihre Mittelachse gemeint).
Die Zahl der Windungen hängt
von dem Verwendungsbereich ab. Für
bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, dass eine größere Zahl
von Windungen vorhanden ist, z.B. 10–40 Windungen. Oft ist es jedoch
von Vorteil, wenn die Spule so klein wie möglich ist. Es kann daher zweckmäßig sein,
dass die Spule ungefähr
4–10 Windungen
hat.
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Das
elektrisch leitfähige
Material, das die Spule bildet, wird im Folgenden als Draht bezeichnet. Die
Breite a des Drahts kann ebenfalls abhängig von dem Verwendungsbereich
der Spule und vom Herstellungsverfahren variieren. Ein geeigneter
Wert für die
Breite a des Drahts kann z.B. 30 μm–100 μm sein. Als
besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn der Draht eine Breite
a von ungefähr
70 μm hat.
Auch der Abstand zwischen den Windungen des Drahts (dieser Abstand
ist mit b bezeichnet) hängt
von den Umständen
ab. Ein geeigneter Abstand b kann ungefähr gleich der Breite a des
Drahts sein, d.h. es kann oft zweckmäßig sein, dass dieser Abstand
b ungefähr 70 μm beträgt. Der
Durchmesser d der Spule kann ebenfalls abhängig von dem Verwendungsbereich der
Spule gewählt
werden. Es ist oft zweckmäßig, dass
dieser Durchmesser d weniger als 50 μm beträgt. Für bestimmte Anwendungen, z.B.
zum Messen von Hüllrohren
von Brennstäben
(wie unten beschrieben) hat es sich als geeignet erwiesen, dass der
Durchmesser d der Spule weniger als 6 mm und bevorzugt weniger als
4 mm beträgt.
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Das
Substrat 22 kann aus einer Vielzahl von geeigneten isolierenden
Materialien bestehen. Ein solches geeignetes Material ist Polyimid.
Die Dicke c des Substrats 22 kann in hohem Grad variieren.
Bei dieser Ausführungsform,
bei der nur ein spiralförmiger
Teil 20 auf einer Seite 30 des Substrats 22 angeordnet
ist, ist die Dicke c des Substrats 22 oft nicht so wichtig,
da die Spule nah an dem Messobjekt angeordnet sein kann. Das Substrat 22 kann
jedoch, wenn dies wünschenswert
ist, eine Dicke t von nur ungefähr
12 μm oder
weniger haben. Das Substrat 22 kann mit durchgehenden Öffnungen 28 (so
genannten Durchgängen)
versehen sein. Diese Öffnungen 28 können verwendet
werden, um den spiralförmigen Teil 20 mit
Kontaktabschnitten 24, 26 zu verbinden, die an
der anderen Seite 32 des Substrats 22 angeordnet
sind. Durch diese Kontaktabschnitte 24, 26 kann
die Spule so z.B. mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen
Wechselfelds oder mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen z.B.
der Spannung oder des Stroms in der Spule verbunden sein.
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Gemäß der im
Folgenden beschriebenen Ausführungsform
ist der erste spiralförmige
Teil 20 (d.h. in diesem Fall die Spule) im Wesentlichen
in einer Ebene angeordnet. Dies kann so ausgedrückt werden, als ob der erste
spiralförmige
Teil 20 im Wesentlichen entlang seiner gesamten Länge eine
Tangente zu einer im Wesentlichen planen Grenzfläche bildet. Eine solche Grenzfläche kann
beispielsweise aus einer Seite 30 des eigentlichen Substrats 22 bestehen,
oder die Grenzfläche
kann auch so betrachtet werden, dass sie eine Ebene bildet, die
eine Tangente zu der Seite des spiralförmigen Teils 20 bildet, der
in 2 oben angeordnet ist. Wie oben erwähnt ist
eine solche Grenzfläche
im Wesentlichen plan. Wenn aber die Spule zur Messung eines gekrümmten Messobjekts
verwendet werden soll, kann es von Vorteil sein, wenn die Grenzfläche eine
Krümmung hat,
die der Krümmung
eines solchen Messobjekts entspricht.
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Die
Ausführungsform
gemäß 3 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
gemäß 1 und 2 hauptsächlich darin,
dass das elektrische Messelement zusätzlich zu einem ersten spiralförmigen Teil 20 auch
einen zweiten spiralförmigen
Teil 21 aufweist. Diese Ausführungsform ist hier nur in
Querschnittsansicht gezeigt, aber die beiden spiralförmigen Teile 20 und 21 haben
eine Form, die den in 1 gezeigten ähnlich ist. Jeder spiralförmige Teil 20, 21 kann
beispielsweise zwischen 3 und 8 Windungen aufweisen. Gemäß der Ausführungsform
von 3 ist der zweite spiralförmige Teil 21 an der
anderen Seite 32 des Stützglieds 22 angeordnet.
Der zweite spiralförmige
Teil 21 ist bezüglich
des ersten spiralförmigen
Teils 20 so verschoben, dass die elektrisch leitfähigen Windungen
des zweiten spiralförmigen
Teils 21 an Positionen angeordnet sind, die den Zwischenräumen zwischen
den elektrisch leitfähigen Windungen
des ersten spiralförmigen
Teils 20 entsprechen. Der erste und der zweite spiralförmige Teil 20 und 21 sind
gemäß dieser
Ausführungsform
elektrisch miteinander verbunden. Die Verbindung besteht in diesem
Fall aus einem so genannten Durchgang 28 durch das Substrat 22.
Die beiden spiralförmigen
Teile 20 und 21 bilden zusammen also eine Spule.
Jeder der spiralförmigen
Teile 20 und 21 bildet im Wesentli chen entlang
seiner gesamten Länge eine
Tangente zu einer im Wesentlichen planen Grenzfläche, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2.
Ein Generator für
ein elektromagnetisches Wechselfeld oder eine Erfassungseinrichtung
können
in geeigneter Weise über
Kontaktabschnitte 34 und 36 mit der Spule verbunden sein.
Die beiden spiralförmigen
Teile 20 und 21 sollten natürlich eine solche Form haben
und sollten so miteinander verbunden sein, dass der Strom, der durch
die Spule fließt,
bewirkt, dass diese beiden Teile 20 und 21 bei
der Bildung eines elektromagnetischen Felds zusammenwirken.
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Es
ist zu beachten, dass die beiden spiralförmigen Teile 20 und 21 auch
voneinander getrennt (d.h. nicht elektrisch miteinander verbunden)
sein können.
Gemäß einer
solchen Ausführungsform
sollte jeder der spiralförmigen
Teile 20 und 21 Kontaktabschnitte aufweisen, um
mit einem Generator oder einer Erfassungseinrichtung verbunden zu
werden. Ein solcher Kontaktabschnitt sollte dabei in geeigneter Weise
in der Mitte des entsprechenden spiralförmigen Teils angeordnet sein,
und ein anderer Kontaktabschnitt sollte an der Peripherie angeordnet
sein. Bei einer Ausführungsform,
bei der die beiden spiralförmigen
Teile 20, 21 nicht elektrisch miteinander verbunden
sind, kann beispielsweise ein spiralförmiger Teil 20 als
Emitterspule und der andere spiralförmige Teil 21 als
Erfassungsspule verwendet werden.
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Obwohl
dies nicht in den Figuren gezeigt ist, ist es möglich, dass der spiralförmige Teil
oder die spiralförmigen
Teile 20 und 21 von einer schützenden elektrisch isolierenden
Schicht aus geeignetem Material bedeckt sind.
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Das
elektrische Messelement kann zum Messen mit einem induktiven Wirbelstrom-Messverfahren verwendet
werden. Eine solche Verwendung umfasst die Messung eines Messobjekts,
das wenigstens teilweise elektrisch leitfähig ist, wobei das Messverfahren
die folgenden Schritte umfasst:
- – Positionieren
des elektrischen Messelements nahe an dem Messobjekt;
- – Anlegen
eines elektromagnetischen Wechselfelds über das elektrische Messelement,
so dass die Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das
das zu bestimmende Material wenigstens teilweise durchdringt und
darin Wirbelströme
erzeugt, die ihrerseits ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das
auf das angelegte elektromagnetische Feld zurückwirkt;
- – Messen
des Einflusses, den das durch die Wirbelströme erzeugte Feld auf das angelegte
Feld hat;
- – wobei
die Messung durchgeführt
wird, indem die Frequenz des angelegten Wechselfelds auf wenigstens
zwei unterschiedliche Werte gesetzt wird und der Einfluss bei diesen
Frequenzwerten gemessen wird; und wobei der zu bestimmende Parameter
oder die zu bestimmenden Parameter auf der Grundlage von Daten,
die durch die letztgenannte Messung erhalten werden, und Informationen über wenigstens
einige der elektromagnetischen Eigenschaften des Materials berechnet werden.
Eine solche Verwendung ist besonders geeignet, um die Dicke einer
oder mehrerer Schichten zu bestimmen, die auf einem Substrat angeordnet
sind. Das Prinzip für
ein solches Messverfahren ist in der oben genannten schwedischen
Patentanmeldung gut beschrieben. Daher wird dieses Messverfahren
hier nicht beschrieben.
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Es
hat sich ebenfalls gezeigt, dass das elektrische Messelement geeignet
ist, um den Hydridgehalt in einem elektrisch leitfähigen Substrat
zu bestimmen, bei dem eine oder mehrere Schichten auf dem Substrat
angeordnet sind.
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Das
elektrische Messelement ist besonders geeignet, um zur Messung von
Parametern eines Strukturelements in einem Kernreaktor verwendet
zu werden. Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass das Messelement
zur Bestimmung des Zustands von so genannten Funktionsschichten
auf solchen Strukturelementen verwendet werden kann. Solche Funktionsschichten
können
sehr dünn
sein, z.B. nur ein oder wenige μm.
Für Messungen
an dünnen
Schichten ist es vorteilhaft, wenn die Spule eine Dicke t in derselben
Größenordnung
hat, d.h. nur ein oder wenige μm.
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Durch
die oben genannte Verwendung können
z.B. sowohl der Hydridgehalt in dem Substrat als auch die Dicke
von einer oder mehreren Schichten, die auf dem Substrat angeordnet
sind, durch einen einzigen Messvorgang bestimmt werden. Weiterhin können sowohl
der Zustand von einer oder mehreren Funktionsschichten als auch
der Hydridgehalt in dem Substrat mit einem einzigen Messvorgang
bestimmt werden.
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Zur
Verwendung des elektrischen Messelements für Wirbelstrom-Messungen kann
das Messelement entweder als Emitterspule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds
wirken, das in ein Messobjekt eindringt, oder das Messelement kann
auch als Empfängerspule
zur Erfassung des Einflusses der Wirbelströme auf das erzeugte Feld verwendet
werden. Es ist auch möglich,
dass das erfindungsgemäße elektrische
Messelement sowohl als Emitter- wie auch als Empfängerspule
wirkt.
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Das
elektrische Messelement kann auf verschiedene Arten hergestellt
werden, die z.B. im Zusammenhang mit der Herstellung von Leiterplatten oder
Halbleitern bekannt sind. Ein solches geeignetes Herstellungsverfahren
umfasst die Photolitographie. Bei einem solchen Produktionsverfahren
wird üblicherweise
eine Maske hergestellt, die anschließend zur Herstellung vieler
Messelemente verwendet werden kann. Auf diese Art können viele
Messelemente zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Bei bestimmten
Messungen (z.B. bei der Messung eines gekrümmten Objekts mit einem elektrischen
Messelement in Form einer planen Spule) ist es von Vorteil, wenn
die Spule sehr klein ist. Ein Spulendurchmesser von 2,5 mm kann
beispielsweise geeignet sein. Durch Verwendung zweier spiralförmiger Teile 20, 21 (einer
an jeder Seite des Substrats 22) kann somit eine Spule
mit mehr Windungen und gleichzeitig einem kleinen Durchmesser hergestellt
werden. Es ist auch möglich,
dass mehr als zwei spiralförmige
Teile 20, 21 vorhanden sind. Es ist daher denkbar,
dass drei oder mehr spiralförmige
Teile mit isolierenden Substraten oder Schichten zwischen jedem
Teil angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass es, wenn das elektrische
Messelement zwei oder mehr spiralförmige Teile 20, 21 mit
einem isolierenden Substrat 22 zwischen ihnen aufweist,
von Vorteil sein kann, wenn das Substrat 22 dünn ist,
da in diesem Fall die Ausdehnung des Messelements in Querrichtung
zu der Ebene der spiralförmigen
Teile klein sein kann. Die Dicke c des Substrats 22 kann
beispielsweise weniger als 30 μm
betragen, bevorzugt weniger als 20 μm, am stärksten bevorzugt ungefähr 12 μm. Ein solches
Substrat kann z.B. aus Polyimid bestehen. Es ist ebenfalls zu beachten,
dass die Spule, die einen Teil eines erfindungsgemäßen Messelements
bildet, bevorzugt keinen helixförmigen
Teil aufweist (wenigstens keinen helixförmigen Teil, der einen wesentlichen
Teil der Spule bildet). Dies ist sowohl dann der Fall, wenn die
Spule nur einen spiralförmigen
Teil aufweist, als auch, wenn die Spule mehrere spiralförmige Teile
aufweist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt, sondern
kann innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche variiert
und abgewandelt werden.