CN116113839A - 量子传感器 - Google Patents

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英·图安·塔姆
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拉斐尔·屈南
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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测容器(5)中的介质(4)的过程变量的传感器装置(3)，包括‑具有至少一个缺陷(7)的晶体(6)，‑用于产生磁场的磁场系统(8)，其中，磁场系统(8)被布置成使得，借助于磁场系统(8)能够在晶体(6)的区域和位于容器(5)内的介质(4)的区域中产生磁场(B)，并且其中，晶体(6)和磁场系统(8)能够从外部布置在容器(5)的壁上，‑检测单元(9)，其用于检测来自晶体(6)的磁场相关的荧光信号(2)，其中，检测单元(9)具有用于光学激发缺陷(7)的激发单元(10)和用于检测荧光信号(2)的检测器(11)，以及‑评估单元(12)，其用于基于荧光信号(2)确定关于过程变量的至少一条信息。此外，本发明涉及一种用于操作本发明的传感器装置(3)的方法。

Description

量子传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监测容器中的介质的过程变量的传感器装置以及一种用于借助于本发明的传感器装置确定和/或监测过程变量的方法。
背景技术
用于监测和/或确定介质的至少一个例如化学或物理过程变量的现场设备在本领域的各种实施例中是已知的。在本发明的上下文中，原则上，所有测量设备都被称为现场设备，它们应用在过程附近并且传递或处理过程相关信息，因此，所有测量设备也被称为远程I/O、无线电适配器并且被一般地称为电子组件，它们被布置在现场级。Endress+Hauser集团公司生产和销售大量此类现场设备。
传感器主题的最新发展涉及所谓的量子传感器，在这种情况下，最多样化的量子效应被用于确定各种物理和/或化学测量变量。例如，此类方法在工业过程自动化领域很受关注，尤其是在不断努力实现小型化以及提高传感器性能方面。
DE3742878A1例如描述了一种光磁场传感器，其中，使用晶体作为磁敏光学元件。
从DE102017205099A1中已知一种传感器装置，其具有包含至少一个缺陷的晶体、光源、用于以高频信号撞击晶体的高频系统以及用于检测磁场相关的荧光信号的检测单元。光源被布置在第一基板上，并且检测系统被布置在第二基板上，而高频系统和晶体能够被布置在相互连接的两个基板上。被测变量能够是外部磁场、电流、温度、机械应力或压力。从DE102017205265A1已知类似的装置。
DE102014219550A1描述了一种用于记录压力、温度和/或磁场的组合传感器，其中，传感器元件具有带有至少一个氮空位中心的金刚石结构。
DE102018214617A1公开了一种传感器系统，其同样具有带有多个色心或F中心的晶体，在这种情况下使用不同的滤光器元件用于提高效率和用于小型化。
DE102016210259A1公开了另一种形式的传感器装置以及基于晶体中缺陷的校准和评估方法。该传感器装置包括具有至少一个缺陷的晶体、光源、用于向晶体提供微波的微波天线、用于记录来自晶体的荧光的检测系统以及应用系统，借助于该应用系统，感应电流能够被施加到微波天线。因此，微波天线用于产生微波和产生内部磁场。内部磁场实现在持续运行期间的校准。
发明内容
从现有技术出发，本发明的一个目的是扩展此类技术的应用领域。
通过如权利要求1所定义的传感器装置以及如权利要求6所定义的方法来实现该目的。
关于传感器装置，本发明的目的通过一种用于确定和/或监测容器中的介质的过程变量的传感器装置来实现，该传感器装置包括
-具有至少一个缺陷的晶体，
-用于产生磁场的磁场系统，
其中，磁场系统被布置成使得借助于磁场系统，可在晶体的区域和位于容器内的介质的区域中产生磁场，并且
其中，晶体和磁场系统可从外部布置在容器的壁上，
-用于检测来自晶体的磁场相关的荧光信号的检测单元，
其中，检测单元具有用于光学激发缺陷的激发单元和用于检测荧光信号的检测器，并且
-评估单元，其用于基于荧光信号确定关于过程变量的至少一条信息。
晶体中的缺陷被光学激发，并且缺陷的荧光被检测和评估。此外，借助于磁场系统，在晶体的区域和容器的区域中产生磁场。该磁场继而受到容器中存在的介质的影响，例如，由于介质的存在或不存在、填充水平的变化或介质的属性的至少一种、尤其是物理或化学的属性的变化。磁场的变化继而影响缺陷的荧光信号，使得基于磁场相关的荧光信号，过程监测是可能的，或者过程变量是可确定的。有利地，能够基于晶体中的缺陷来记录与介质相关的磁场变化的非常高的测量分辨率。这实现了非常高的测量精度。
此外，本发明的传感器装置提供了一种可在容器处从外部紧固的装置。它能够与容器的壁齐平终止，并且因此是非侵入性的。出于各种原因，借助于齐平安装或非侵入式测量装置确定一个或多个过程变量在过程自动化领域是非常有利的，并且普遍努力针对最多样化的应用实施这样的解决方案。然而，这在个别情况下能够很困难。因此，此类设备只能孤立使用，并且当可用时，其应用范围也是有限的。本发明提供了一种齐平式或非侵入式传感器，它实现多种应用，并且借助于它可能进行全面的过程分析。
容器尤其是容器装置或管道。
检测单元包括用于光学激发缺陷的激发单元。激发单元能够是例如激光器或发光二极管(LED)。检测单元的检测器继而能够是例如光电检测器或CMOS传感器。另外，检测单元能够包括其他光学元件，诸如例如各种滤光器、透镜或反射镜。
在一个实施例中，晶体为具有至少一个氮缺陷的金刚石、具有至少一个硅缺陷的碳化硅或具有至少一个色心缺陷的六方氮化硼。
根据本发明的晶体包括至少一个缺陷。然而，也能够使用多个缺陷。在这种情况下，尤其优选的是缺陷的线性排列。多个缺陷导致强度增加，从而提高测量分辨率，并且即使在相对弱的磁场的情况下也变得可检测到强度变化。
在附加实施例中，磁场系统包括至少一个线圈。有利地，当晶体和磁场系统被布置在容器的壁处时，线圈至少部分地围绕晶体。晶体优选地至少部分地布置在线圈内。
一方面，能够选择传感器装置的紧凑结构。在这种情况下，检测单元被布置在磁场系统和晶体的直接附近。然而，在另一实施例中，传感器装置另外包括用于将荧光信号从晶体引导至检测单元的光纤。在后一种情况下，检测单元在空间上与传感器装置的其他组件分开布置。哪种变型是优选的取决于传感器装置的特定应用。在这种情况下，测量精度尤其明确地取决于检测单元的组件，例如激发单元、光学组件等。根据预期的应用选择检测单元以及其相对于传感器装置的其余组件的布置。
此外，一方面，可以选择在容器的壁上将传感器装置从外部紧固。在这种情况下，能够发生至少一个过程变量的非侵入式确定。然而，替代实施例规定传感器装置被体现为使得其齐平地被应用在容器的壁中。因此，传感器装置在一个实施例中包括用于将传感器装置的至少一个组件引入容器的壁中的框架。该框架能够被设置在容器的壁中对应体现的开口中。框架由可预定的材料制成，例如不锈钢。在这方面的一个优点是，借助于框架，能够最小化或消除容器的壁对过程变量的确定的影响。
在本发明的传感器装置的附加实施例中，能够存在用于激发高频或微波辐射的单元。这使得电子能够激发到更高的能级。
此外，本发明的目的通过一种用于借助本发明的传感器装置确定和/或监测容器中的介质的过程变量的方法来实现，其包括如下方法步骤：
-在晶体的区域中和位于容器内的介质的区域中产生磁场，
-激发晶体中的缺陷以发出荧光，
-检测来自晶体的磁场相关的荧光信号，以及
-基于荧光信号确定关于过程变量的至少一条信息。
有利地，本发明的方法以及本发明的传感器装置的特征在于非常高的测量精度，既关于关于介质的绝对信息，也关于有关介质的相对信息。即使由介质引起的非常小的磁场变化或在介质的区域中引起的变化也可高精度检测，这是现有技术的传统测量设备无法实现的。
该方法的一个实施例包括基于荧光信号确定磁场的至少一个可变特征，尤其是磁化率或磁导率。该磁场特征变量继而能够被考虑用于确定关于过程变量的信息。
就此而言，例如有利的是，基于磁场的可变特征确定介质的至少一个物理和/或化学特征变量。在这种情况下，磁场的可变特征能够是例如介质的磁导率，特别是在非导电介质的情况下。然而，例如在导电介质的情况下，例如基于涡流也可确定电导率。然而，也可以确定介质的其他质量参数。
同样有利的是，基于磁场的可变特征，对在容器中运行的过程进行状态监测。特别地，磁场的可变特征或从其中导出的变量能够被认为是时间的函数。状态监测的示例包括例如监测至少两种介质的混合或监测容器内发生的化学反应。
因此，本发明的传感器装置和本发明的方法能够进行全面的过程监测。
本发明方法的另一个实施例包括监测容器中的介质的可预定极限水平。因此，本发明系统的传感器也能够被用作限制水平开关，其用于监测容器中的介质的可预定填充水平。
有利地，就此而言，磁场的可变特征的极限值是预先确定的，并且其中，在超过或低于极限值时，用信号通知达到可预定极限水平。
交变场或直流场能够与本发明的方法结合使用。虽然交变场是有利的，特别是对于测量信号的评估，但必须考虑在导电容器的情况下形成的涡流的影响。就此而言，使用已知材料的合适框架的传感器装置的齐平实施例能够是有利的，因为以这种方式，产生的涡流的影响是已知的并且能够被最小化或消除。
最后，在本发明的方法的一个实施例中规定，产生在晶体的区域和位于容器内的介质的区域中产生的磁场作为交变场，并且改变该交变场的频率。磁场穿过容器的壁的穿透深度，尤其是在导电容器的情况下，以及进入介质的穿透深度取决于磁场的频率。穿透深度随着频率的降低而增加。通过改变交变场的频率，能够对容器中的介质进行多维分析。通过这种方式，例如，能够检测到积淀物、根据容器内的位置的介质成分的梯度和沉积物。
这里要注意的是，结合本发明的传感器装置描述的实施例能够在经过必要的必要修改后应用于本发明的方法中，反之亦然。
附图说明
现在将基于附图更详细地解释本发明，附图显示如下：
图1是金刚石中的负NV中心的简化能级图，
图2是本发明的传感器装置的第一实施例，以及
图3是本发明的传感器装置的第二实施例。
在图中，相同的元件被提供相同的附图标记。
具体实施方式
参照图1，首先，以金刚石中的NV中心的情况为示例，说明晶体的缺陷的荧光的激发。这些考虑能够被应用于具有对应缺陷的其他晶体。
作为碳的基本形式之一的金刚石具有立方体的、面心晶体结构，每个原始晶胞有两个原子。称为NV中心的是在具有作为四个最近邻原子之一的氮原子(N)的晶格位置处的空碳原子(V)。对于荧光信号的激发和评估来说，重要的尤其是负NV中心，它们具有来自与它们相关的金刚石晶格的额外电子。
具有嵌入的负NV中心的金刚石结构被分配给对称群C3ν，它确定了NV中心的可能的空间本征态。从图1中没有共振激发和没有外部磁场的能级图明显看出，产生三重态基态3A2和激发三重态3E，两个亚稳态单重态1E和1A位于它们之间。三重态基态3A2具有三个磁性子态ms＝0,±1。同样在激发3E态的情况下，存在能级的分裂。
例如，通过利用波长λ＝532nm的光的激发1，发生激发的3E态的振动态的激发，随后Frank-Condon跃迁到基态3A2，在这种情况下，发射出具有λ＝630nm的波长的荧光光子2。此外，在施加外部磁场时，发生能级的塞曼分裂，并且与此相关，发射两个荧光最小值，其间隔例如与施加的磁场强度B成比例。
根据本发明，能够以许多不同的方式进行荧光的评估。除了上面提到的两个能级之间的能量差的评估，该评估允许基于塞曼公式确定磁场，在另一种光学评估方法中，也能够考虑辐射光的强度，其同样是与磁场成比例。继而，例如经由磁共振的光电流检测(PDMR)的电气评估也是一种选择。除了这些荧光信号的评估示例之外，其他选项也是可用的，它们同样落入本发明的范围内。
图2示出了本发明的传感器装置3的实施例的可能示例，其安装在容器形式的容器4的外表面上，该容器部分地被填充有介质5。传感器装置3包括具有至少一个缺陷7的晶体6以及具有至少一个线圈的磁场系统8，该线圈至少部分地包围晶体6。在这里所图示的实施例的情况下，晶体6被布置在线圈8内。磁场系统8用于在晶体6的区域和容器4的内部体积的区域中产生磁场B。
此外，传感器装置包括：具有激发单元10和用于检测荧光信号2的检测器11的检测单元9；以及，用于信号2的附加评估和用于确定关于过程变量的至少一条信息的评估单元12。
虽然图2a示出可从外部紧固在容器4的壁上的非侵入式传感器装置3，图2b示出使得与容器4的壁齐平终止的装置3。图2b的装置3包括框架13，传感器装置3的至少一个组件(这里是晶体6和线圈)借助于框架13可紧固在容器4的壁的开口中。
图3示出具有本发明的两个装置3和3'的系统的另一个可能的实施例。与图2的实施例相反，在图3的情况下，没有使用紧凑的结构，而是检测单元9、9'和评估单元12、12'被布置为在空间上远离传感器装置3和3'的其余组件并且因此未示出。为了在每种情况下能够将荧光信号2引导至检测单元9、9'，两个显示的传感器装置3、3'在每种情况下包括光纤14、14'，其用于将来自晶体6、6'的光引导到相应的检测单元9、9'。甚至可以选择为两个晶体6、6'使用一个检测单元9，而不是两个单独的检测单元9、9'。激发单元11能够被布置在容器4的区域中或者与评估单元12一起布置。而且，一个共享的激发单元11能够被用于激发，而不是两个单独的单元。
本发明的传感器装置3和本发明的方法许可全面的过程监测扩展从现有技术已知的用于过程自动化的测量方法的能力。一方面，能够监测过程变量，例如容器中的介质的可预定填充水平。然而，此外，还能够对介质5或在容器5内发生的过程进行综合表征。另外，本发明的装置3有利地是非侵入式传感器，其因此不需要侵入正在进行的过程并且能够以简单的方式实现传感器装置的小型化，同时拓宽了应用领域。
附图标记
1     激发光
2     荧光
3     传感器装置
4     介质
5     容器
6     晶体
7     缺陷
8     磁场系统
9     检测单元
10    激发单元
11    探测器
12    评估单元
13    框架
14    光纤

Claims (13)

1.一种用于确定和/或监测容器(5)中的介质(4)的过程变量的传感器装置(3)，包括
-具有至少一个缺陷(7)的晶体(6)，
-用于产生磁场的磁场系统(8)，
其中，所述磁场系统(8)被布置成使得借助于所述磁场系统(8)，能够在所述晶体(6)的区域和位于所述容器(5)内的所述介质(4)的区域中产生磁场(B)，并且
其中，所述晶体(6)和所述磁场系统(8)能够从外部布置在所述容器(5)的壁上，
-检测单元(9)，所述检测单元(9)用于检测来自所述晶体(6)的磁场相关的荧光信号(2)，
其中，所述检测单元(9)具有用于光学激发所述缺陷(7)的激发单元(10)和用于检测所述荧光信号(2)的检测器(11)，
以及
-评估单元(12)，所述评估单元(12)用于基于所述荧光信号(2)确定关于所述过程变量的至少一条信息。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(3)，
其中，所述晶体(6)为具有至少一个氮缺陷的金刚石、具有至少一个硅缺陷的碳化硅或具有至少一个色心缺陷的六方氮化硼。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置(3)，
其中，所述磁场系统(8)包括至少一个线圈。
4.根据权利要求3所述的传感器装置(3)，
其中，当所述晶体(6)和所述磁场系统(8)被布置在所述容器(5)的所述壁上时，所述线圈至少部分地围绕所述晶体(6)。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器装置(3)，
还包括光纤(14)，所述光纤(14)用于将所述荧光信号(2)从所述晶体(6)引导至检测单元(9)。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器装置(3)，
还包括框架(13)，所述框架(13)用于将所述传感器装置(3)的至少一个组件(6)引入所述容器(5)的壁中。
7.一种用于借助于根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器装置(3)确定和/或监测容器(5)中的介质(4)的过程变量的方法，包括以下方法步骤：
-在所述晶体(6)的区域和位于所述容器(5)内的所述介质(5)的区域中产生磁场(B)，
-激发在所述晶体(6)中的所述缺陷(7)以发出荧光，
-检测来自所述晶体(6)的所述磁场相关的荧光信号(2)，以及
-基于所述荧光信号(2)确定关于所述过程变量的所述至少一条信息。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，基于所述荧光信号(2)，确定所述磁场(B)的至少一个可变特征，尤其是磁化率或磁导率。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中，基于所述磁场(B)的所述可变特征来确定所述介质(5)的至少一个物理和/或化学特征变量。
10.根据权利要求8或9所述的方法，
其中，基于所述磁场(B)的所述可变特征，对在所述容器(5)中运行的过程进行状态监测。
11.根据权利要求8-10中的至少一项所述的方法，
其中，监测在所述容器(5)中的所述介质(4)的能够预定的极限水平。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中，所述磁场(B)的所述可变特征的极限值是预定的，并且其中，在超过或低于所述极限值时用信号通知达到所述能够预定的极限水平。
13.根据权利要求8-12中的至少一项所述的方法，
其中，在所述晶体(6)的区域中和在位于所述容器(5)内的所述介质(4)的区域中产生的所述磁场被产生为交变场，并且其中，所述交变场的频率是变化的。
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