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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Ermittlung einer Krafteinwirkung auf einen Messkörper, mit einem Messkörper, dem eine erste Magnetanordnung zugeordnet ist und mit einem Messaufnehmer, dem eine zweite Magnetanordnung zugeordnet ist, wobei die beiden Magnetanordnungen für eine gegenseitige magnetische Wechselwirkung ausgebildet sind, um eine kontaktlose Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer zur Bereitstellung eines Schwebespalts zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer auszubilden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messanordnung.
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Die
DE 10 2009 009 204 B3 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schweberegelung eines Schwebeteils, zur Anwendung bei Magnetschwebewaagen. Der Schwebeteil umfasst ein Magnetelement und einen Lagesensor. Ein Elektromagnet wird so angesteuert, dass er eine Kraftwirkung auf das Magnetelement ausübt. In einem Kalibriervorgang wird der Elektromagnet so angesteuert, dass das Schwebeteil mindestens zwei Lagen annimmt, an denen es jeweils an weiteren, in ihrer Lage bekannten Teilen anliegt. Die von dem Sensor an den beiden Lagen gelieferten Lage-Messwerte werden als Kalibrierwerte ermittelt. In einem Betriebsvorgang wird der Elektromagnet so angesteuert, dass das Schwebeteil eine Schwebelage einnimmt.
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Hierbei wird anhand der Kalibrierwerte ein absoluter Lagewert ermittelt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung anzugeben, bei denen eine kontaktlose Kraftkopplung in einfacher Weise hergestellt und wieder aufgehoben werden kann.
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Diese Aufgabe wird für eine Messanordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die eine der Magnetanordnungen einen Supraleiter umfasst und dass die andere der Magnetanordnungen einen Permanentmagneten umfasst, wobei dem Messaufnehmer eine Sensoreinrichtung für eine Ermittlung einer physikalischen Größe für die Kraftkopplung zwischen Messkörper und Messaufnehmer zugeordnet ist und wobei eine Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung eines von der Sensoreinrichtung bereitgestellten Sensorsignals vorgesehen ist.
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Durch die Verwendung eines Supraleiters oder einer Anordnung von Supraleitern für wenigstens eine der beiden Magnetanordnungen sowie eines Permanentmagneten oder einer Anordnung von Permanentmagneten für die andere der beiden Magnetanordnungen lässt sich eine zuverlässige und selbsteinstellende Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer verwirklichen. Diese kontaktlose Kraftkopplung basiert auf dem Effekt des „Pinning”, der bei Typ II-Supraleitern durch Aufbringung eines externen Magnetfelds während einer Abkühlung von einer Temperatur oberhalb einer materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters auf eine Temperatur unterhalb der materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters hervorgerufen werden kann. Hierdurch werden im Supraleitermaterial sogenannte Flussschläuche ausgebildet, die auf verlustlosen, im supraleitenden Supraleitermaterial vorhandenen Wirbelströmen basieren. Diese Flussschläuche führen aufgrund des „Pinning”, also einer ortsfesten Anordnung der Flussschläuche im Supraleitermaterial, bei einer Veränderung des von außen aufgeprägten Magnetfelds zu einer Kraftrückwirkung auf die Quelle dieses äußeren Magnetfelds, das insbesondere von wenigstens einem Permanentmagneten bereitgestellt werden kann. Somit kann bei Verwendung eines Typ II-Supraleiters für eine der Magnetanordnungen und bei Verwendung wenigstens eines Permanentmagneten für die andere der Magnetanordnungen für den Fall einer fortdauernden Unterschreitung der materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters eine kontaktlose Kraftkopplung der beiden Magnetanordnungen bewirkt werden, ohne dass hierfür aufwändige Regelalgorithmen und/oder Mittel zur Beeinflussung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen erforderlich wären.
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Die Aufgabe des Messaufnehmers besteht darin, wenigstens eine physikalische Größe für die Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer zu ermitteln und ein Sensorsignal einer Verarbeitungseinrichtung zur Verfügung zu stellen. In der Verarbeitungseinrichtung wird aus dem eintreffenden Sensorsignal eine Information, insbesondere ein Messwert, über die Kräfte ermittelt, die auf den Messkörper einwirken. Bei diesen Kräften kann es sich insbesondere um statische Kräfte wie Gewichtskräfte sowie Zugkräfte und/oder Druckkräfte und/oder um dynamische Kräfte wie beispielsweise Strömungskräfte eines Fluids, das den Messkörper umströmt, handeln.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteilhaft ist es, wenn die erste Magnetanordnung wenigstens einen Permanentmagneten, insbesondere eine Permanentmagnetanordnung, umfasst und wenn die zweite Magnetanordnung als Supraleiter ausgebildet ist. Durch eine derartige Zuordnung des wenigstens einen Permanentmagneten zur ersten Magnetanordnungen und des wenigstens einen Supraleiters zur zweiten Magnetanordnung lässt sich eine vorteilhafte Aufbauweise für die Messanordnung erzielen. Hierdurch können in kostengünstiger Weise ein oder mehrere Messkörper, die jeweils lediglich einen oder mehrere Permanentmagnete umfassen, in Beziehung zum Messaufnehmer gebracht werden. Der Messaufnehmer kann abweichend von dem oder den Messkörpern einen komplexen Aufbau aufweisen, da er für eine, vorzugsweise sequenzielle, Bestimmung von Kräften für eine Vielzahl von Messkörpern verwendet werden kann. Der wenigstens eine Permanentmagnet kann beispielhaft als Festkörper oder als Magnetschicht, die aus einer gestaltlosen Masse geformt wurde, ausgebildet sein. Als Material für den Supraleiter kommt beispielhaft Yttriumbariumkupferoxid in Frage.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer eine Kühleinrichtung umfasst und dass der Supraleiter in einem Isolationsbehälter aufgenommen ist, der thermisch mit der Kühleinrichtung gekoppelt ist. Durch eine derartige Anordnung des Supraleiters kann die Messanordnung auch unter üblichen Raumklimabedingungen, beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius, betrieben werden. Vorzugsweise ist der Isolationsbehälter in einer Weise ausgebildet, dass die in seinem Inneren herrschenden tiefen Temperaturen (insbesondere kleiner 80 Kelvin) an seiner Außenoberfläche nicht zu Tage treten. Hierdurch wird insbesondere eine Reifbildung durch Feuchtigkeitsniederschlag an der Oberfläche des Isolationsbehälters vermieden. Beispielhaft handelt es sich bei dem Isolationsbehälter um einen Vakuumbehälter, in dem der Supraleiter aufgenommen ist. Die Kühleinrichtung dient dazu, den Supraleiter ausgehend von einer Temperatur oberhalb seiner materialspezifischen Sprungtemperatur bis auf eine Temperatur unterhalb seiner materialspezifischen Sprungtemperatur abzukühlen und diese erzielte Temperatur dauerhaft beizubehalten. Hierzu ist die Kühleinrichtung insbesondere als elektrisch angetriebener Stirling-Motor ausgebildet und erlaubt bei einer fortdauernden Zufuhr von elektrischer Energie die gewünschte Temperierung des Supraleiters unterhalb seiner Sprungtemperatur. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Kühlfinger der Kühleinrichtung in thermischer Kopplung mit dem im Isolationsbehälter aufgenommenen Supraleiter steht und auch für dessen mechanische Fixierung im Isolationsbehälter genutzt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer eine Einstelleinrichtung für eine vorgebbare Beeinflussung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen umfasst, die einstellbare Dämpfungsmittel zur Bedämpfung des magnetischen Flusses und/oder Verstärkungsmittel zur Verstärkung des magnetischen Flusses und/oder Magnetmittel zur Bereitstellung von zusätzlichem magnetischen Fluss umfasst. Eine solche Einstelleinrichtung ist insbesondere dann von Interesse, wenn ein konstanter Schwebespalt zwischen Messkörper und Messaufnehmer bereitgestellt werden soll. Grundsätzlich wird bei der Messanordnung davon ausgegangen, dass der Messkörper mit wechselnden Kräften beaufschlagt wird, wodurch auch eine Veränderung der Spaltweite des Schwebespalts zwischen Messkörper und Messaufnehmer einhergeht. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass zur Gewährleistung einer zuverlässigen Ermittlung der Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer stets eine konstante Spaltweite für den Schwebespalt aufrecht erhalten werden soll. Dies kann durch Einflussnahme auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen gewährleistet werden, beispielsweise durch Veränderung einer Bedämpfung der magnetischen Wechselwirkungen und/oder durch Veränderung einer Feldlinienkonzentration, die sich zwischen den beiden Magnetanordnungen ausbildet und/oder durch Bereitstellung eines zusätzlichem magnetischen Flusses, insbesondere durch Verwendung einer oder mehrerer elektrisch betreibbarer Magnetspulen, die im Schwebespalt oder in der Nähe des Schwebespalts angeordnet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung als Kraftmesszelle, insbesondere als Wägezelle, ausgebildet ist, die einen Deformationskörper umfasst, dessen Deformation von einem Deformationssensor in das Sensorsignal umgesetzt wird. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Messanordnung auf einer geeigneten Unterlage, beispielsweise einem Messtisch, aufliegt und dass eine Ermittlung der Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer anhand einer Kraftwirkung, die von der Messanordnung auf die Unterlage ausgeübt wird, erfolgt. Hierzu wird beispielsweise an einer der Unterlage zugewandten Unterseite der Messanordnung eine Kraftmesszelle angeordnet, die allein auf der Unterlage aufliegt, so dass sämtliche Kräfte, die von der Messanordnung auf die Unterlage übertragen werden sollen, ausschließlich über die Kraftmesszelle übertragen werden. Für die Ermittlung der Kraftkopplung weist die Kraftmesszelle, bei der es sich insbesondere um eine Wägezelle handeln kann, einen Deformationskörper auf, der exakt bekannte Deformationseigenschaften aufweist und gemäß einer vorgebbaren Beziehung in Abhängigkeit von den übertragenen Kräften deformiert wird. Diese Deformation wird mit Hilfe eines Deformationssensors ermittelt, bei dem es sich beispielhaft um eine Anordnung von Dehnungsmessstreifen oder um einen optischen Sensor zur Abtastung der Deformation des Deformationskörpers handelt. Bei einer Kraftmesszelle wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass ein Ausgangsignal proportional zu einer über die Kraftmesszelle übertragenen Kraft ist. Bei einer Wägezelle wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass ein Ausgangsignal proportional zu einem Gewicht ist.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Sensoreinrichtung für eine Erfassung wenigstens einer physikalischen Eigenschaft im Schwebespalt und/oder in unmittelbarer Umgebung des Schwebespalts aus der Gruppe: magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke, elektrische Kapazität, Wellenlaufzeit, Interferenz, ausgebildet ist. Mit einer derartigen Sensoreinrichtung erfolgt eine Ermittlung der Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und der Messanordnung direkt im Schwebespalt oder in dessen unmittelbarer Umgebung, dies ist insbesondere für Messvorgänge von Interesse, bei denen hohe Anforderungen an die Dynamik des Messergebnisses gestellt werden, beispielsweise bei schnell wechselnden Beträgen für die Kraftkopplung. In eine solche Messung fließt ausschließlich die Massenträgheit des Messkörpers ein, während die Massenträgheit der Messanordnung hierbei keine oder allenfalls eine untergeordnete Rolle spielt. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass mehrere Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, von denen wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer physikalischen Eigenschaft im Schwebespalt oder in dessen unmittelbarer Umgebung ausgebildet ist, wobei eine zweite Sensoreinrichtung als Kraftmesszelle oder Wägezelle zwischen der Messanordnung und einer Unterlage angeordnet ist und die Verarbeitungseinrichtung für eine parallele Verarbeitung der Sensorsignale der beiden Sensoreinrichtungen ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Messkörper in einem von wenigstens einer Wand begrenzten Raumabschnitt, insbesondere einem Behälter oder einem Rohrabschnitt, aufgenommen ist, und dass die Wand im Schwebespalt angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Messanordnung kann beispielsweise eine kontaminationsfreie Ermittlung einer Masse des Messkörpers durchgeführt werden, da eine Abschottung des Messkörpers, die durch die wenigstens eine Wand verwirklicht wird, einer Ermittlung der Masse des Messkörpers und/oder von Kräften, die auf den Messkörper einwirken, nicht entgegensteht. Vorzugsweise ist der Raumabschnitt hermetisch verschlossen, so dass eine Einwirkung von Umwelteinflüssen auf den Messkörper minimiert werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Raumabschnitt als Rohrabschnitt ausgebildet ist und von einem Fluid durchströmt wird, wobei der Messkörper für eine Wechselwirkung mit dem strömenden Fluid ausgebildet ist und eine Auswertung der Kraftkopplung zwischen Messkörper und Messaufnehmer Rückschlüsse auf Eigenschaften des strömenden Fluids ermöglicht. Vorzugsweise ist die im Schwebespalt angeordnet Wand aus einem Material hergestellt, das nur einen sehr geringen Einfluss auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen hat.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Messkörper eine Schnittstelle, insbesondere eine Auflagefläche, zur Anbringung eines Messobjekts umfasst. Bei diesem Messobjekt kann sich beispielsweise um einen Probenträger, insbesondere eine Petrischale, für chemische oder biologische Versuche handeln, bei dem zyklisch wiederkehrend oder in unregelmäßigen Abständen eine Gewichtsveränderung ermittelt werden soll.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messkörper als Messobjekt, insbesondere als Auftriebskörper oder Fluidwiderstandskörper, für eine Fluiddichteermittlung und/oder Fluiddruckermittlung oder Fluiddichteermittlung und/oder Fluidströmungsgeschwindigkeitsermittlung und/oder Fluidviskositätsmessung, ausgebildet ist. Dabei dient die Kraftkopplung zwischen dem Messkörper und dem Messaufnehmer als Messgröße zur Ermittlung von Fluideigenschaften.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit Hilfe eines Verfahrens gelöst, wie es im Anspruch 10 angegeben ist. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines vorgebbaren Magnetfelds, das einem Magnetfeld des Messkörpers in einem vorgebbaren Abstand gegenüber dem Supraleiter entspricht, an den Supraleiter, der dem Messaufnehmer zugeordnet ist und Abkühlen des Supraleiters unter eine materialspezifische Sprungtemperatur, Annähern des Supraleiters an den Messkörper, Ermitteln eines Sensorsignals der Sensoreinrichtung, die am Messaufnehmer für eine Ermittlung der physikalischen Größe für die Kraftkopplung zwischen Messkörper und Messaufnehmer angeordnet ist und Auswerten des von der Sensoreinrichtung bereitgestellten Sensorsignals in der Auswerteeinrichtung und Bereitstellung eines Messwerts an einer Messschnittstelle und/oder Anzeigen des ermittelten Messwerts. Vorzugsweise ist vor der Ermittlung des Sensorsignals eine Überprüfung eines Schwebespalts zwischen Messaufnehmer und Messkörper auf ein Vorliegen einer vorgebbaren Spaltweite vorgesehen. Dabei kann die Überprüfung der Spaltweite des Schwebespalts wahlweise durch eine Sensoreinrichtung vorgenommen werden, die einen Abstand zwischen Messkörper und Messaufnehmer unmittelbar ermittelt, oder es wird anhand eines Signalverlaufs eines Sensorsignals der Sensoreinrichtung, die dem Messaufnehmer zugeordnet ist, auf den Schwebezustand des Messkörpers geschlossen, da nur bei schwebendem Messkörper eine korrekte Messung vorgenommen werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer relativ zu wenigstens einem Behälter, insbesondere in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen, bewegt wird, um eine sequentielle Ermittlung von Krafteinwirkungen auf mehrere in einem oder mehreren Behältern aufgenommenen Messkörpern vorzunehmen. Hierdurch können beispielsweise eine Vielzahl von Messkörpern, die in einem Behälter aufgenommen sind, der vorzugsweise hermetisch abgeschlossen ist, von außen mit Hilfe des Messaufnehmers in einer vorgebbaren Reihenfolge oder wahlfrei nacheinander in einen Schwebezustand gebracht werden, um eine Kraftkopplung zwischen dem jeweils schwebenden Messkörper und dem Messaufnehmer zu ermitteln und daraus Rückschlüsse auf Veränderungen am jeweiligen Messkörper ziehen zu können.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung zusätzlich zu einem ersten Sensorsignal einer als Kraftmesszelle ausgebildeten ersten Sensoreinrichtung ein zweites Sensorsignal einer zweiten, zur Erfassung wenigstens einer physikalischen Eigenschaft im Schwebespalt aus der Gruppe: magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke, elektrische Kapazität, Wellenlaufzeit, Interferenz, ausgebildeten Sensoreinrichtung verarbeitet und eine Korrektur eines aus dem ersten Sensorsignal ermittelten Messwerts mit dem zweiten Sensorsignal vornimmt. Hierdurch kann eine Überprüfung des ersten Sensorsignals der ersten Sensoreinrichtung anhand des zweiten Sensorsignals der zweiten Sensoreinrichtung vorgenommen werden, um beispielsweise eine Plausibilität eines aus dem ersten Sensorsignal ermittelten Messwerts überprüfen zu können.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform einer Messanordnung mit einem Messkörper, der in einem abgeschlossenen Behälter aufgenommen ist und der über eine kontaktlose Kraftkopplung in Beziehung zu einem Messaufnehmer steht,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Messanordnung, bei der eine Ermittlung der Kraftkopplung zwischen Messkörper und Messanordnung anhand von physikalischen Größen im Schwebespalt, insbesondere für eine Druck- oder Dichtbestimmung, vorgenommen wird,
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3 eine dritte Ausführungsform einer Messanordnung, bei der der Messkörper als Fluidwiderstandskörper ausgebildet ist und ein Fluidvolumenstrom und/oder eine Fluidviskosität und/oder eine Fluiddichte ermittelt wird,
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4 eine vierte Ausführungsform einer Messanordnung, bei der der Messkörper als Fluidwiderstandskörper ausgebildet ist und ein Fluidvolumenstrom und/oder eine Fluidviskosität und/oder eine Fluiddichte ermittelt wird, und
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5 eine fünfte Ausführungsform einer Messanordnung, bei der der Messkörper als Fluidwiderstandskörper ausgebildet ist und ein Fluidvolumenstrom und/oder eine Fluidviskosität und/oder eine Fluiddichte ermittelt wird.
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Bei der nachstehenden Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsformen von Messanordnungen werden für funktionsgleiche Komponenten jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. Eine Beschreibung dieser Komponenten erfolgt jeweils nur einmal.
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Eine in der 1 dargestellte Messanordnung 1 ist zur Ermittlung einer Krafteinwirkung auf einen Messkörper 2 ausgebildet. Bei dem Messkörper 2 handelt es sich beispielhaft um eine plattenförmige Anordnung von nicht näher dargestellten quaderförmigen Magneten, die insbesondere entsprechend einem Halbach-Array angeordnet sind, so dass der Messkörper 2 bei dieser Ausführungsform einer Messanordnung 1 rein exemplarisch vollständig eine erste Magnetanordnung 10 bildet. Der Messkörper 2 trägt auf einer als Schnittstelle dienenden Oberfläche 3 rein exemplarisch einen Probenkörper 4, bei dem es sich beispielsweise um ein nach oben offenes, becherförmigees Behältnis handeln kann, in dem ein nicht näher dargestelltes Substrat aufgenommen ist. Dieses Substrat ist beispielhaft dazu vorgesehen, Feuchtigkeit aus einer gasförmigen Atmosphäre eines Raumabschnitts 5, in dem der Messkörper 2 und der Probenkörper 4 aufgenommen sind, aufzunehmen. Dabei ist der Raumabschnitt 5 durch eine kastenförmige Anordnung mehrerer Wände 6 hermetisch von einer Umgebung 7 getrennt, so dass das Substrat ausschließlich die im Raumabschnitt 5 enthaltene Feuchtigkeit aufnehmen kann. Mit Hilfe der Messanordnung 1 soll die Beladung des Substrats mit Feuchtigkeit ermittelt werden, wobei sich diese Beladung in einer Zunahme der Masse des Substrats äußert.
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Um eine Veränderung der Krafteinwirkung auf den Messkörper 2, hier rein exemplarisch durch die Massenzunahme des Substrats, ermitteln zu können, umfasst die Messanordnung 1 zusätzlich zum Messkörper 2 einen Messaufnehmer 8. Der Messaufnehmer 8 ist beispielhaft als Kombination eines in einem Isolierbehälter 9 aufgenommenen Typ II-Supraleiters, der eine zweite Magnetanordnung 11 bildet, einer als Kryostat ausgebildeten Kühleinrichtung 12 und einer als Kraftmesszelle 15 ausgebildeten Sensoreinrichtung 16 vorgesehen. Dabei ist die Sensoreinrichtung 16 über eine Sensorleitung 17 mit einer Auswerteeinrichtung 18 elektrisch verbunden. Bei dem Isolierbehälter 9 handelt es sich beispielhaft um einen kastenförmigen, hermetisch dichten Edelstahlbehälter, in dem der Typ II-Supraleiter aufgenommen ist, wobei der Isolierbehälter 9 evakuiert ist, um eine thermische Kopplung zwischen dem Typ II-Supraleiter und der Umgebung 7 zu minimieren. Ferner kann rein exemplarisch vorgesehen werden, dass an einer der Kühleinrichtung 12 entgegengesetzten Oberfläche des Isolierbehälters 9 eine nicht näher dargestellte Magnetspulenanordnung, beispielsweise in Form einer oder mehrerer auf einer nicht näher dargestellten gedruckten Schaltung ausgebildeten Planarspulen, angeordnet ist, die elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 18 verbunden werden können und die eine variable, vorgebbare Einflussnahme auf die magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Magneteinrichtungen 10 und 11 ermöglichen.
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Die Kühleinrichtung 12 steht in nicht näher dargestellter Weise mit dem Typ II-Supraleiter im Isolierbehälter 9 in thermischer Kopplung und ermöglicht dadurch eine Temperierung des Typ II-Supraleiters auf eine Temperatur unterhalb seiner materialspezifischen Sprungtemperatur. Hierdurch kann eine von außen aufgebrachte magnetische Prägung des Typ II-Supraleiters, die dieser während eines Abkühlungsvorgangs unter seine materialspezifische Sprungtemperatur gewissermaßen in Form von Flussschläuchen „gespeichert” hat, dauerhaft aufrecht erhalten werden. Vorzugsweise ist diese magnetische Prägung des Typ II-Supraleiters auf die Magnetfeldlinien der ersten Magnetanordnung 10 in einer Weise angepasst, dass die erste Magnetanordnung 10 eine vorgebbare räumliche Anordnung gegenüber dem Messaufnehmer 8 einnimmt, wie sie in der 1 schematisch dargestellt ist. Bei dieser räumlichen Anordnung ist ein Schwebespalt 19 zwischen der ersten Magnetanordnung 10 und der zweiten Magnetanordnung 11 vorgesehen, der aus den magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen 10, 11 resultiert. In dem Schwebespalt 19 ist auch eine der Wände 6 angeordnet, die den Raumabschnitt 5 begrenzen. Vorzugsweise ist die im Schwebespalt 19 angeordnete Wand 6 aus einem Material hergestellt, das möglichst keinen Einfluss auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen 10 und 11 nimmt.
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Da der Messkörper 2 mit dem darauf aufgenommenen Probenkörper 4 aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetanordnungen 10 und 11 über dem Messaufnehmer 8 schwebt und der Messaufnehmer 8 seinerseits rein exemplarisch an zwei Festlagern 20 mit einer nicht näher dargestellten Unterlage verbunden ist, wirkt sich eine Gewichtszunahme des Probenkörper 4 unmittelbar auf die Kraftmesszelle 15 aus. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kraftmesszelle 15 einen nicht näher dargestellten Deformationskörper sowie einen ebenfalls nicht dargestellten Deformationssensor umfasst. Hierdurch ermöglicht die Kraftmesszelle 15 eine Ermittlung einer Kraft, die durch den Messkörper 2, den Probenkörper 4, den Isolierbehälter 9 mit dem darin aufgenommenen Typ II-Supraleiter und die Kühleinrichtung 12 auf die Festlager 20 ausgeübt wird. Ein elektrisches Signal des Deformationssensors wird über die Sensorleitung 17 an die Auswerteeinrichtung 18 bereitgestellt, wo eine Ermittlung einer Veränderung der ausgeübten Gewichtskraft vorgenommen werden kann, wobei diese Gewichtskraftveränderung ein Maß für die Feuchtigkeitsbeladung des exemplarisch im Probenkörper 4 aufgenommenen Substrats sein kann.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass ein von den Wänden 6 gebildeter Behälter 13, der den Raumabschnitt 5 sowie den Messkörper 2 und den Probenkörper 4 umfasst, mit einer nicht bezeichneten Öse versehen ist, die einen einfachen Transport des Behälters 13 ermöglicht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, den Behälter 13 aus einer Vielzahl von nicht dargestellten Behältern auszuwählen und mit einem ebenfalls nicht dargestellten Manipulator auf Lagerböcke 14 aufzusetzen. Hierdurch wird der Messkörper 2 so nahe an die zweite Magnetanordnung 11 angenähert, dass die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magnetanordnungen 10, 11 so stark werden, dass der Messkörper 2 mit dem darauf aufgesetzten Probenkörper 4 schwebt. Damit wird eine Kraftkopplung zwischen dem Messkörper 2 und dem im Isolierbehälter 9 aufgenommenen Typ II-Supraleiter gewährleistet, womit die gewünschte Kraftmessung vorgenommen werden kann. Anschließend kann der Behälter 13 wieder nach oben von den Lagerböcken 14 abgenommen werden, wodurch der Messkörper 2 als erste Magnetanordnung 10 aus dem Einflussbereich der zweiten Magnetanordnung 11 entfernt wird und anschließend auf der unteren Wand 6 des Behälters 13 zur Auflage kommt, bis er erneut in den Einflussbereich der zweiten Magnetanordnung 11 gelangt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Behälter 13 ortsfest ist und dass der Messaufnehmer 8 mit Hilfe eines nicht dargestellten Manipulators jeweils in die Nähe eines im Behälter aufgenommenen Messkörpers 2 gebracht wird, um die Kraftkopplung zu ermitteln, und anschließend wieder entfernt wird.
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Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Messanordnung 21 handelt es sich um eine Variante der in 1 dargestellten Messanordnung 1, bei der die Sensoreinrichtung 36 rein exemplarisch zur Ermittlung einer physikalischen Größe des Schwebespalts 39 ausgebildet ist und beispielhaft zwei jeweils randseitig am Isolierbehälter 9 angebrachte optische Abstandssensoren 35 umfasst. Mit Hilfe der optischen Abstandssensoren 35 kann ein Abstand zwischen dem Messkörper 2 und dem Messaufnehmer 8 ermittelt werden und als Maß für eine Gewichtszunahme des Probenkörpers 4 herangezogen werden. Ergänzend oder alternativ kann die Sensoreinrichtung 36 auch einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, vorzugweise Hall-Sensoren, insbesondere 3D-Hallsensoren, umfassen, mit deren Hilfe Magnetfeldkomponenten und/oder eine magnetische Flussdichte im Schwebespalt 39 ermittelt werden kann. Eine derartige Ermittlung einer Veränderung der Gewichtskraft des Probenkörpers 4 wird von den Eigenschaften der beiden Magnetanordnungen 10, 11 mit beeinflusst, beispielsweise von der Gewichtskraft der Magnetanordnung 10, die bei einer Vielzahl von Magnetanordnungen 10 in einem gewissen Toleranzband liegt, und eignet sich daher insbesondere für qualitative Messaufgaben. Beispielhaft kann auch vorgesehen werden, dass der Probenkörper 4 als Auftriebskörper ausgebildet ist und fest mit dem Messkörper 2 verbunden ist, so dass eine zumindest teilweise Befüllung des Raumabschnitts 5 mit einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, dazu genutzt werden kann, die Dichte des Fluids anhand der Auswirkungen auf den Schwebespalt 39 zu bestimmen.
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Bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform einer Messanordnung 41 sind die Wände 46 des Raumabschnitts 45 bereichsweise rohrförmig ausgebildet und ermöglichen damit einen rein exemplarisch durch Strömungspfeile angedeuteten Fluidstrom durch den Raumabschnitt 45. Der Messkörper 42 ist derart gegenüberliegend zu einer der rohrförmige Wände 46 angeordnet, dass er als Fluidwiderstandskörper dient und in Abhängigkeit von einer Fluiddichte und von einem Fluidstrom mehr oder weniger stark in Richtung der zweiten Magnetanordnung 11 gedrängt wird, wobei der vom strömenden Fluid auf den Messkörper 42 ausgeübten Fluidkräfte die magnetischen Wechselwirkungen des beispielhaft als Permanentmagnetanordnung, insbesondere als Halbach-Array, und somit als erste Magnetanordnung 50 ausgebildeten Messkörpers 42 mit der zweiten Magnetanordnung 11 entgegenwirken. Hierdurch wird die gewünschte Kraftkopplung zwischen dem Messkörper 42 und dem Messaufnehmer 8 hervorgerufen, so dass die Sensoreinrichtung 16 des Messaufnehmers 8 aufgrund dieser Kraftkopplung eine Ermittlung eines Fluidstroms durch den Raumabschnitt 45 ermöglicht.
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Bei der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform einer Messanordnung 61 ist der Raumabschnitt 65 durch eine rohrförmige Wand 66 begrenzt und kann rein exemplarisch längs der eingezeichneten Strömungspfeile von einem nicht näher dargestellten Fluid durchströmt werden. Ferner ist abweichend von den bislang beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen, dass die Sensoreinrichtungen 76 der exemplarisch zwei vorgesehenen Messaufnehmer 68 jeweils als Zugkraftsensoren 75 ausgebildet sind, wobei die Zugkraftsensoren 75 wie auch die rohrförmige Wand 66 mit Festlagern 80 ortsfest befestigt sind. Der Messkörper 62 ist in Längsrichtung der rohrförmigen Wand 66 kreiszylindrisch ausgebildet und umfasst in einem radial außenliegenden Bereich eine erste Magnetanordnung 70, die beispielsweise hülsenförmig ausgebildet sein kann und einen nicht näher bezeichneten kreiszylindrischen Kern umgibt. Der Messkörper 62 steht mit den zweiten Magnetanordnungen 11, die den Kühleinrichtungen 12 zugeordnet sind, in magnetischer Wechselwirkung, wobei das strömende Fluid zu Reaktionskräften auf den Messkörper 62 führt, die in Strömungsrichtung wirken und denen die magnetischen Wechselwirkungen mit den jeweiligen zweiten Magnetanordnungen 11 entgegenwirken. Hierdurch kommt es über die jeweils zugeordneten Kühleinrichtungen 12 zu Kraftrückwirkungen auf die Zugkraftsensoren 75, wobei die gemessenen Zugkräfte ein Maß für die Fluiddichte und/oder die Fluidviskosität und/oder die Fluidströmsgeschwindigkeit des durch den Raumabschnitt 65 strömenden Fluids ist.
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Bei der in 5 dargestellten fünften Ausführungsform einer Messanordnung 81 wird der Raumabschnitt 85 von einer rohrförmige Wand 86 begrenzt und wird rein exemplarisch von einem nicht näher dargestellten Fluid längs der eingezeichneten Strömungspfeile durchströmt. Der Messkörper 82 ist rein exemplarisch keilförmig ausgebildet und an einer Unterseite mit einer plattenförmigen Permanentmagnetanordnung, insbesondere einem Halbach-Array, die eine erste Magnetanordnung 91 bildet, versehen. Diese erste Magnetanordnung 91 steht in magnetischer Wechselwirkung mit der zweiten Magnetanordnung 11 des Messaufnehmers 8, wodurch eine Positionierung des Messkörpers 82 im Raumabschnitt 85 gewährleistet wird. In Abhängigkeit von einer Fluiddichte und/oder einer Fluidviskosität und/oder einer Fluidströmungsgeschwindigkeit wird der Messkörper 82 aufgrund seiner in Strömungsrichtung ansteigenden Keilform mehr oder weniger stark nach unten in Richtung des Messaufnehmers 8 verdrängt, so dass über die Kraftkopplung zwischen dem Messkörper 82 und dem Messaufnehmer 8 mit Hilfe der Kraftmesszelle 15 die Krafteinwirkung auf den Messkörper 82 ermittelt werden kann und daraus, insbesondere bei bekannter Fluiddichte und Fluidviskosität, auf die Fluidströmungsgeschwindigkeit im Raumabschnitt 85 geschlossen werden kann.
