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Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließ- und leitfähigen Mediums.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Dabei werden inline magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte von magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden unterschieden, die in der Regel in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingesetzt werden. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Zudem weist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ein Messrohr auf, auf das die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes angeordnet ist. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes mediumsberührendes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potentialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday'schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der induzierten Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und - mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts - der Volumendurchfluss ermittelt werden.
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Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, welches ein Messrohr zum Führen des Mediums mit angebrachter Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes und Messelektroden umfasst, werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrem üblicherweise kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingeführt und fluiddicht fixiert. Ein spezielles Messrohr ist nicht mehr notwendig. Die eingangs erwähnte Messelektrodenanordnung und Spulenanordnung auf der Mantelfläche des Messrohrs entfällt, und wird durch ein im Inneren des Gehäuses und in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ersetzt, welche so ausgestaltet ist, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes die Frontfläche bzw. die Fläche zwischen den Messelektroden senkrecht schneidet. Im Stand der Technik gibt es bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 µS/cm. Entsprechende Durchflussmessvorrichtungen werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG oder MAGPHANT vertrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine alternative Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließfähigen Mediums bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließ- und leitfähigen Mediums in einem Führungskörper zum Führen des Mediums, insbesondere einem Messrohr oder einer Rohrleitung, umfasst:
- - eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines bewegliche Ladungsträger im Medium trennenden ersten Magnetfeldes;
- - eine magnetfeldsensitive Messanordnung zum Ermitteln eines durch die beweglichen Ladungsträger erzeugten zweiten Magnetfeldes,
- wobei die magnetfeldsensitive Messanordnung eine erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung mit einem magnetfeldsensitiven und optisch anregbaren Material umfasst,
- wobei die magnetfeldsensitive Messanordnung zumindest eine optische Anregungseinheit zur optischen Anregung der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung und eine optische Detektionseinheit zur Detektion eines Messsignales, insbesondere eines Fluoreszenzsignales aufweist, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke des zweiten Magnetfeldes korreliert; und
- - eine Auswerteschaltung, die dazu eingerichtet ist die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe zu bestimmen,
- wobei in die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe Messsignale mindestens zweier unterschiedlicher Magnetfeldzustände eingehen.
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Der Unterschied des durch die Ladungsträger erzeugte zweiten Magnetfeldes zwischen den zwei unterschiedlichen Magnetfeldzuständen hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ab. Ist das Magnetfeld der mindestens zwei Magnetfeldzuständen bekannt, so lässt sich daraus die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe - d.h. die Strömungsgeschwindigkeit, der Volumendurchfluss oder der Massefluss des Mediums - bestimmen.
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Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die in herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten mit mediumsberührenden Messelektroden auftretenden elektrochemischen Einflüsse - welche die Messung verfälschen und sogar zur Degradation der Messelektroden führen - vermieden werden.
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Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung übernimmt die Funktion der Messelektroden, die in herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten entweder an der Außenfläche des Führungskörpers - bspw. eines Trägerrohres - angeordnet sind oder sich durch Öffnungen im Führungskörper in das Trägerrohrinnere erstrecken und somit mediumsberührend sind. Die Messelektroden in Verbindung mit einer Messschaltung sind dazu eingerichtet, eine induzierte Messspannung im Medium zu messen, die proportional zur Fließgeschwindigkeit des Mediums ist. Vorteilhaft gegenüber der zweiten Variante ist, dass zum einen keine Öffnungen - und somit potenzielle Leckagestellen - in dem Führungskörper notwendig sind und zum anderen der Verschleiß erheblich verringert wird. Der Führungskörper kann aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein oder eine an der inneren Mantelfläche angebrachte elektrische Isolierung, einen sogenannten Liner aufweisen.
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Die Auswerteeinheit umfasst zumindest eine elektronische Schaltung, die derart ausgebildet und dazu eingerichtet ist, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des Mediums zumindest anhand des von der magnetfeldsensitiven Anordnung bereitgestellten Messsignales, insbesondere des Fluoreszenzsignales, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger erzeugten zweiten Magnetfeldes korreliert und einer Leitfähigkeit des Mediums zu ermitteln. Dafür kann die elektronische Schaltung elektronische Bauelemente, wie passive Bauelemente, Energiequellen, aktive Bauelemente, integrierte Schaltkreise und/oder eingebettete Rechnersysteme aufweisen.
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Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere zwei bevorzugt diametral angeordnete Permanentmagnete umfasst.
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Dies hat zum Vorteil, dass für die magnetfelderzeugende Vorrichtung keine zusätzliche Energiequelle und Betriebs- und/oder Regelschaltung notwendig ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Spule, insbesondere zwei bevorzugt diametral angeordnete Spulen umfasst.
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Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung gegenüber der Ausgestaltung mit Permanentmagneten ist, dass die mindestens zwei Magnetfeldzustände durch die mindestens eine Spule erzeugt werden können. Weiterhin besteht die Möglichkeit die zeitliche Veränderung des zweiten Magnetfeldes in Abhängigkeit eines sich ändernden ersten Magnetfeldes zu ermitteln und dies in die Ermittelung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe mit einfließen zu lassen. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil, denn somit lässt sich eine Vorrichtung zum Bestimmen der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des fließ- und leitfähigen Mediums mit genau einer ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung realisieren.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die mindestens eine Spule dazu eingerichtet ist, die zwei unterschiedlichen Magnetfeldzustände zu erzeugen,
wobei ein erster Magnetfeldzustand dem an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegenden Magnetfeld während einer Ruhephase der mindestens einen Spule entspricht,
wobei während der Ruhephase das an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegende Magnetfeld kleiner als ein Grenzwert, insbesondere gleich Null ist,
wobei ein zweiter Magnetfeldzustand dem an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegende Magnetfeld während einer Speisephase der mindestens einen Spule entspricht,
wobei während der Speisephase das an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegende Magnetfeld größer als der Grenzwert ist,
wobei die Detektionseinheit dazu eingerichtet ist, ein erstes Messsignal während der Ruhephase und ein zweites Messsignal während der Speisephase der magnetfelderzeugenden Vorrichtung zu detektieren.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung und die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung in einer gemeinsamen Querschnittsebene des Trägerkörpers angeordnet sind.
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Anhand einer vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung erfolgte Leerrohr-Kalibration kann das durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld an der Position der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung ermittelt und charakterisiert werden. Dieses ist somit bekannt. Bei Vorliegen eines fließenden Mediums durch den Führungskörper erfahren die bewegten Ladungsträger durch das erzeugte erste Magnetfeld eine Kraft, senkrecht zum ersten Magnetfeld und zur Fließrichtung. Dies führt zu einer Auftrennung der Ladungsträger in zwei separate Pfade. Diese Pfade erzeugen wiederum jeweils ein zweites Magnetfeld, welches von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums abhängt. Das tatsächlich an der ersten magnetfeldsensitive Messvorrichtung vorliegende Magnetfeld setzt sich somit aus dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld zusammen. Ist das mittels der ersten magnetfelderzeugenden Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld bekannt, so lässt sich der Anteil des zweiten Magnetfeldes und somit auch die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe des Mediums bestimmen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Leitfähigkeit des Mediums in die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eingeht.
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Die Leitfähigkeit des durchströmenden Mediums kann durch einen ebenfalls am Messrohr oder der Rohrleitung angeordneten Leitfähigkeitssensor ermittelt und zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann - bspw. bei Anwendungen mit bekanntem und unveränderlichen Medium - eine Leitfähigkeit bedienerseitig festgelegt werden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfeldsensitive Messanordnung eine zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung mit einem magnetfeldsensitiven Material umfasst,
wobei die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung derart in Fließrichtung des Mediums versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie bei fließendem Medium und Vorliegen des zweiten Magnetfeldes jeweils unterschiedlichen Magnetfeldzuständen ausgesetzt sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung zwischen der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung und der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung angeordnet ist.
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Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass ein bidirektionales Messen ermöglicht wird.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung zwischen der magnetfelderzeugende Vorrichtung und der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung angeordnet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Abstand der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung und/oder der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung derart zur magnetfelderzeugenden Vorrichtung gewählt ist, dass das an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung und/oder zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegende erste Magnetfeld kleiner einem Grenzwert ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Regelschaltung umfasst,
wobei die Regelschaltung dazu eingerichtet ist, eine Betriebsgröße der magnetfelderzeugenden Vorrichtung derart zu regeln, dass Messwerte des Messsignales der magnetfeldsensitiven Messanordnung, insbesondere der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung und/oder der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung einen Sollwert annehmen,
wobei die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Betriebsgröße und/oder einer Änderung der Betriebsgröße die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe zu ermitteln.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe anhand eines an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung detektierten ersten Messsignales in Verbindung mit einem an der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung detektieren zweiten Messsignales oder einem Referenzsignales zu bestimmen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung mechanisch trennbar an einer äußeren Mantelfläche des Führungskörpers anbringbar ist.
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Da die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung nicht notwendigerweise mediumsberührend sein muss, ergibt sich die Möglichkeit zur Realisierung einer Clamp-On Vorrichtung, die an bestehende Rohrleitungen anbringbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtungen an die Messstellen montiert oder Vorrichtungen ausgewechselt werden können, ohne dass bestehende Prozesse unterbrochen werden müssen. Eine mechanische trennbare Verbindung der Vorrichtung am Führungskörper schließt eine stoffschlüssige Verbindung einzelner Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung über eine lösbare Klemmverbindung mit dem Führungskörper verbunden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung aufweist, mit der die magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung lösbar an der äußeren Mantelfläche befestigbar ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Kristallkörper einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, ein Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder ein hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Gaszelle zumindest eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle umfasst.
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Die Vorrichtung umfasst eine Anregungseinheit zur optischen Anregung der Untereinheit, d.h. des optisch anregbaren Materials bzw. des Kristallkörpers oder der Gaszelle und eine Detektionseinheit zur Detektion eines Fluoreszenzsignals des Kristallkörpers oder der Gaszelle auf, welches mit dem auf die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung, insbesondere das optisch anregbare Material wirkenden Magnetfeld korreliert. Optional können Filter und Spiegel sowie weitere optische Elemente eingesetzte werden, um ein Anregungslicht zum Kristallkörper oder zur Gaszelle und/oder das Fluoreszenzsignal hin zur Detektionseinheit zu lenken. Der Kristallkörper kann optional mit einem insbesondere frequenzabhängigen Mikrowellensignal beaufschlagt sein, welches durch eine Mikrowelleneinheit erzeugt wird, die Teil der ersten magnetfeldsensitiven Messeinheit bzw. in der ersten magnetfeldsensitiven Messeinheit integriert oder als eine separate Einheit ausgebildet sein kann.
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Vorteilhaft ist, dass auf Grund der genauen Magnetfeldmessungen - auch von sehr geringen Magnetfeldern - Anwendungen mit einem Medium, welches eine sehr geringe Leitfähigkeit (d.h. σ << 5 µS/cm) aufweist möglich sind, für die herkömmliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nicht geeignet sind.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4: eine perspektivische Ansicht auf eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 5: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere drei in Längsrichtung des Führungskörpers 1 versetzte Querschnitte durch die Vorrichtung. Die Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließ- und leitfähigen Mediums in einem Führungskörper 1 zum Führen des Mediums, insbesondere einem Messrohr oder einer Rohrleitung umfasst eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines bewegliche Ladungsträger im fließenden Medium trennenden ersten Magnetfeldes. Bei der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 handelt es sich um zwei in einem Führungskörperquerschnitt diametral angeordnete Permanentmagnete. Alternativ kann die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule, insbesondere zwei bevorzugt diametral an der Mantelfläche des Führungskörperw 1 angeordnete Spulen umfassen, die über eine Betriebsschaltung derart betrieben wird, dass diese ein im Wesentlichen zeitlich konstantes oder ein zeitlich veränderliches erstes Magnetfeld erzeugt.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine magnetfeldsensitive Messanordnung, die dazu eingerichtet ist ein durch die beweglichen Ladungsträger erzeugtes zweites Magnetfeld zu ermitteln. Gemäß der Ausgestaltung der 1 umfasst die magnetfeldsensitive Messanordnung eine erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1, welche ein magnetfeldsensitives und optisch anregbares Material aufweist. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 ist in Längsrichtung zur magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 beabstandet an der äußeren Mantelfläche des Führungskörpers angeordnet. Teil der magnetfeldsensitive Messanordnung ist eine optische Anregungseinheit 4 zur optischen Anregung der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und eine optische Detektionseinheit 5 zur Detektion eines Messsignales, insbesondere eines Fluoreszenzsignales, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke des zweiten Magnetfeldes korreliert. Die magnetfeldsensitive Messanordnung umfasst weiterhin eine zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2, ebenfalls mit einem magnetfeldsensitiven Material. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 sind derart in Fließrichtung des Mediums, insbesondere Längsrichtung des Führungskörpers 1 versetzt zueinander angeordnet, dass sie bei fließendem Medium und Vorliegen des zweiten Magnetfeldes jeweils unterschiedlichen Magnetfeldzuständen ausgesetzt sind. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 ist zwischen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 und der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 angeordnet. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 sind jeweils auf einer Querachse X angeordnet, welche senkrecht zur Hauptfeldachse Y des ersten Magnetfeldes orientiert ist. Zudem sind die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 auf derselben Seite des Führungskörpers 1 angebracht. Eine die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 verbindende Gerade verläuft parallel zur Längsachse des Führungskörpers 1. Alternativ kann die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 zwischen der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 angeordnet sein. Dies ermöglicht ein bidirektionales Bestimmen der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Auswerteschaltung 6, die dazu eingerichtet ist die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe zu bestimmen. Dabei gehen in die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe Messsignale mindestens zweier unterschiedlicher Magnetfeldzustände ein. Das erste Magnetfeld verursacht, dass sich die Ladungsträger im fließenden Medium auftrennen. Dies führt zu einem ersten Pfad mit positiven Ladungsträgern und einen zweiten Pfad mit negativen Ladungsträgern. Auf Grund der beweglichen Ladungsträger erzeugen die beiden Pfade jeweils das zweite Magnetfeld. Das zweite Magnetfeld ändert sich mit abnehmenden ersten Magnetfeld. Somit nähern sich die beiden aufgetrennten Pfade in Fließrichtung hinter der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 wieder an, bis sie zusammentreffen und das erzeugte zweite Magnetfeld verschwindet. Das an den Messpositionen der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 gemessene Magnetfeld, weist anteilig das erzeugte zweite Magnetfeld auf und hängt somit von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ab. Das mittels der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 ermittelte Magnetfeld kann auch strömungsgeschwindigkeitsunabhängige Anteile des ersten Magnetfeldes aufweisen. Diese können mittels einer Leerrohr-Kalibration ermittelt und bei der Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe berücksichtigt werden. Der erste Magnetfeldzustand ist durch das mit einem ersten Abstand von der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 an der Messposition der ersten magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 vorliegende Magnetfeld definiert. Der zweite Magnetfeldzustand ist durch das mit einem zweiten Abstand von der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 an der Messposition der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 vorliegende Magnetfeld definiert. Dabei ist der zweite Abstand größer als der erste Abstand. Alternativ kann einer der zwei Magnetfeldzustände Anteile des durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 erzeugten ersten Magnetfeldes aufweisen. So kann die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 beispielsweise mit der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 in einem gemeinsamen Querschnitt angeordnet sein. Alternativ kann der Abstand zwischen der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und/oder der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 derart zur magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 gewählt sein, dass das an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und/oder der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 vorliegende erste Magnetfeld kleiner einem Grenzwert ist. Dabei kann der Grenzwert einer unteren Detektionsgrenze der magnetfeldsensitiven Messanordnung entsprechen. Gemäß der abgebildeten Ausgestaltung ist die Auswerteschaltung 6 dazu eingerichtet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe anhand eines an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 detektierten ersten Messsignales in Verbindung mit einem an der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 detektieren zweiten Messsignales zu bestimmen.
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Gemäß der Alternative, nach der die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule umfasst, kann die Vorrichtung eine Regelschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine Betriebsgröße - d.h. einen Betriebsstrom, eine Betriebsspannung oder eine Zeitdauer in welcher der Betriebsstrom oder die Betriebsspannung an die Spule angelegt ist - derart zu regeln, dass Messwerte des Messsignales der magnetfeldsensitiven Messanordnung, insbesondere der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 und/oder der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 einen Sollwert annehmen. In dem Fall ist die Auswerteschaltung 6 dazu eingerichtet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe in Abhängigkeit der Betriebsgröße und/oder einer Änderung der Betriebsgröße zu ermitteln.
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In der abgebildeten Ausgestaltung der 1 und ebenfalls in den nachfolgenden Ausgestaltungen weist zumindest die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle auf. Der Kristallkörper kann einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, ein Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder ein hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum umfassen. Die Gaszelle kann zumindest eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle umfassen. Die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 kann ebenfalls einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle umfassten.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere drei in Längsrichtung des Führungskörpers 1 versetzte Querschnitte durch die Vorrichtung. Die zweite Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung im Wesentlichen dadurch, dass einer der zwei Magnetfeldzustände ein Magnetfeld beschreibt, welches frei vom zweiten Magnetfeld ist. Dafür ist die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 so weit von der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 beabstandet, dass unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und Magnetfeldstärke der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2, das an der Messposition der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 detektierbare Magnetfeld frei vom Beitrag des ersten Magnetfeldes und des zweiten Magnetfeldes ist. Die Auswerteschaltung 6 ist dann dazu eingerichtet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe anhand eines an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 detektierten ersten Messsignales in Verbindung mit einem an der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.2 detektieren Referenzsignales - d.h. der Anteil des ersten Magnetfeldes und des zweiten Magnetfeldes ist Null - zu bestimmen. Das Refenzsignal kann alternativ auch ohne zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 - beispielsweise bedienerseitig - bereitgestellt sein.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere drei Magnetfeldzustände, denen die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 ausgesetzt ist. Gemäß der dritten Ausgestaltung weist die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 eine Spulenanordnung mit zwei diametral angeordneten Spulen auf. Eine Betriebsschaltung 13 ist dazu eingerichtet, die Spulen der Spulenanordnung 12 zu betreiben. Dafür kann die Betriebsschaltung dazu eingerichtet sein, einen vordefinierten Spannungsverlauf oder Stromverlauf an die Spulen anzulegen. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 und die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 sind in einer gemeinsamen Querschnittsebene des Führungskörpers 1 angeordnet. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 kann jedoch auch zur Spulenanordnung beabstandet angeordnet sein. Die magnetfeldsensitive Messanordnung weist keine zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung auf. Die mindestens zwei Magnetfeldzustände werden durch die Spulenanordnung erzeugt. Der erste Magnetfeldzustand kann durch den Zustand des Magnetfeldes während des Bestromens der mindestens einen Spule und somit bei Vorliegen des ersten Magnetfeldes bestimmt sein. Der zweite Magnetfeldzustand kann durch den Zustand des Magnetfeldes während einer Ruhephase - d.h. bei nicht bestromten Spulen - bestimmt sein. Abhängig vom Zeitpunkt der Bestimmung des aktuell vorliegenden Magnetfeldes an der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 kann die Änderung des zweiten Magnetfeldes relativ zum ersten Magnetfeldzustand bestimmt werden und daraus die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe bestimmt werden.Die Ruhephase kann so gewählt sein, dass sichergestellt ist, dass sich ein dritter Magnetfeldzustand ausbildet, bei dem das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld Null sind. In dem Fall kann ein potentieller Offset des ermittelten Magnetfeldes bestimmt werden, welcher von externen Magnetfelder herrührt. Dieser Offset kann für die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe berücksichtigt werden. Alternativ kann auch der zeitliche Verlauf und davon abgeleitete Größen - wie z.B. die zeitliche Magnetfeldänderung - des an der Messposition der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3.1 vorliegenden Magnetfeldes in die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eingehen.
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Die 4 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung und die magnetfeldsensitive Messanordnung sind mechanisch trennbar an einer äußeren Mantelfläche des Führungskörpers 1 anbringbar bzw. angebracht. Dafür weist die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung 9 auf, mit der die magnetfelderzeugende Vorrichtung und die magnetfeldsensitive Messanordnung, insbesondere das Gehäuse 7 lösbar an der äußeren Mantelfläche form- und/oder kraftschlüssig befestigbar ist. Ein Messaufnehmer 10 weist die Betriebsschaltung, die Auswerteschaltung und optional die Regelschaltung auf.
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In 5 ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in einem Diamanten gezeigt, um die Anregung und die Fluoreszenz einer Fehlstelle in einem Kristallkörper beispielhaft zu erläutern. Die folgenden Überlegungen lassen sich auf andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen übertragen.
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Im Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein nitrogen vacancy-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV--Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett-Grundzustand 3A ein angeregter Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände ms=0, ±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett-Zustände 1A und 1E zwischen dem Grundzustand 3A und dem angeregten Zustand 3E.
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Durch Anregungslicht 1 aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht 1 mit einer Wellenlänge von 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand 3A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand 3E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons 2 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand 3A zurückkehrt. Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfeldstärke B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals vorgesehen, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche dem angelegten Magnetfeld ebenfalls proportional ist. Eine elektrische Auswertung wiederum kann beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl. kurz PDMR) erfolgen.
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Neben diesen Beispielen zur Auswertung des Fluoreszenzsignals sind noch weitere Möglichkeiten vorhanden, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
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Die Anregung von Gaszellen ist nicht explizit gezeigt, jedoch führt auch bei Gaszellen die Anregung mit Licht einer definierten Wellenlänge zu einer Anregung eines Elektrons, wobei im Anschluss eine Aussendung eines Fluoreszenzlichts folgt. Beispielsweise wird die Intensität und/oder die Wellenlänge des ausgesandten Fluoreszenzlicht zur Bestimmung des Magnetfelds herangezogen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führungskörper
- 2
- magnetfelderzeugende Vorrichtung
- 3.1
- erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung
- 3.2
- zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung
- 4
- optische Anregungseinheit
- 5
- optische Detektionseinheit
- 6
- Auswerteschaltung
- 7
- Gehäuse
- 8
- Permanentmagnet
- 8.1
- erste Permanentmagnet
- 8.2
- zweite Permanentmagnet
- 9
- Befestigungsvorrichtung
- 10
- Messumformer
- 12
- Spulenanordnung
- 13
- Betriebsschaltung
