DE102021132527A1

DE102021132527A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102021132527A1
Application number: DE102021132527.7A
Authority: DE
Inventors: Raphael Kuhnen
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023104490A1; EP4445131A1; CN118284790A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend eine Magnetanordnung (3) mit zumindest einem Permanentmagneten (6,8) und/oder zumindest einer Spule zur Erzeugung zumindest eines Magnetfelds (B), welche Magnetanordnung (4) derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld (B) zumindest teilweise das Medium (M) in dem Behältnis (2) durchdringt und von zumindest einer Eigenschaft des Mediums (M) beeinflusst wird, zumindest einen Magnetfeldsensor (4) zur Detektion des Magnetfelds (B), und eine Elektronik (5) zur Bestimmung und/oder Überwachung der zumindest einen Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand des Magnetfelds (B). Erfindungsgemäß sind die Magnetanordnung (3) und der Magnetfeldsensor (4) außerhalb des Behältnisses (2) angeordnet und an einer Wandung (W) des Behältnisses (2) befestigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend eine Magnetanordnung, einen Magnetfeldsensor und eine Elektronik.
Feldgeräte zur Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden im Prinzip alle Messgeräte bzw. Sensoranordnungen als Feldgerät bezeichnet werden, die prozessnah eingesetzt werden und prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
Viele, verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Feldgeräten zugrundeliegende, Messprinzipien erlauben eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums anhand und/oder hinsichtlich seiner magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden sowohl invasive Messgeräte, bei welchem die Sensoreinheit in direkten Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird, als auch nicht invasive Messgeräte, bei welchem die Prozessgröße des Mediums außerhalb des Behälters, in welchem sich das Medium befindet, erfasst wird, verwendet. Nicht invasive Messgeräte bieten grundsätzlich den Vorteil, dass kein Eingriff in den Prozess notwendig ist. Allerdings sind derartige Messgeräte bisher nur begrenzt verfügbar, da hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit und hinsichtlich möglicher Störeinflüsse, beispielsweise durch die Behälterwandung oder die Umgebung, viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden müssen. Dennoch liegt ein allgemeines Bestreben darin, mittels des jeweils verwendeten Messgeräts so wenig wie möglich in den jeweiligen Prozess einzugreifen.
Bei einer Mediencharakterisierung anhand oder mithilfe magnetischer Felder kommt bei nicht invasiven Messgeräten erschwerend hinzu, dass Wandungen des jeweils verwendeten Behältnisses die jeweilige Messung erheblich behindern, beispielsweise verfälschen, können.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen nicht invasiven Sensor zur Charakterisierung von Medien, insbesondere in der industriellen Prozessautomatisierung, bereitzustellen, mittels welchem zuverlässige und genaue Messungen möglich sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend

- eine Magnetanordnung mit zumindest einem Permanentmagneten und/oder zumindest einer Spule zur Erzeugung zumindest eines Magnetfelds, welche Magnetanordnung derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld zumindest teilweise das Medium in dem Behältnis durchdringt und von zumindest einer Eigenschaft des Mediums beeinflusst wird,
- zumindest einen Magnetfeldsensor zur Detektion des Magnetfelds, und
- eine Elektronik zur Bestimmung und/oder Überwachung der zumindest einen Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand des Magnetfelds.

Erfindungsgemäß sind die Magnetanordnung und der Magnetfeldsensor außerhalb des Behältnisses angeordnet und an einer Wandung des Behältnisses befestigt. Auch die Elektronik kann von außen am Behältnis befestigt bzw. gemeinsam mit der Magnetanordnung und dem Magnetfeldsensor angeordnet sein. Sie kann aber auch von diesen Komponenten separat angeordnet sein.
Bei einer derartigen nicht invasiven Sensoranordnung erfolgt eine Wechselwirkung mit dem Medium vermittels des von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfelds, welches zumindest teilweise die Wandung des Behältnisses und das Medium durchdringt. Das Magnetfeld wird von zumindest einer Eigenschaft des Mediums beeinflusst, so dass die zumindest eine Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand des Magnetfelds ermittelbar ist.
Bei dem Behältnis handelt sich beispielsweise um einen Behälter oder eine Rohrleitung. Es kann sich ebenfalls um einen Einweg-Behälter bzw. Single-Use Behälter handeln. Im Falle, dass die Magnetanordnung zumindest eine Spule umfasst, kann die Spule zudem auch einen Spulenkern, insbesondere aus einem Material mit einer hohen Permeabilität, aufweisen. Es ist bei Verwendung einer Spule einerseits möglich, ein zeitlich im Wesentlichen konstantes Magnetfeld zu erzeugen. Es ist aber ebenfalls möglich, dass Magnetfeld, insbesondere hinsichtlich einer Frequenz und/oder Amplitude, zu modulieren.
In einer Ausgestaltung ist die Magnetanordnung, insbesondere der Permanentmagnet und/oder die Spule, derart angeordnet und/oder ausgestaltet, dass in einem vorgebbaren Bereich, insbesondere außerhalb des Behältnisses, eine Feldstärke des Magnetfelds minimal ist. Die magnetische Feldstärke weist in dem vorgebbaren Bereich also ein, insbesondere lokales, Minimum auf. In dem vorgebbaren Bereich sind demnach nur geringe Hintergrundfelder vorhanden, so dass eine medieninduzierte Änderung des Magnetfelds in dem vorgebbaren Bereich besonders einfach und effektiv erfassbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Magnetanordnung zumindest einen Permanentmagneten, wobei der zumindest eine Permanentmagnet der Magnetanordnung parallel zu der Wandung des Behältnisses magnetisiert ist. Auf diese Art und Weise kann auf einfache Art und Weise eine ausreichende Durchdringung des Mediums durch das mittels des Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds erreicht werden. Bei Verwendung einer Spule kann diese derart angeordnet und/oder ausgestaltet sein, dass ein entsprechendes Magnetfeld erzeugbar ist.
Vorzugsweise handelt es sich im Falle, dass die Magnetanordnung zumindest einen Permanentmagneten umfasst, bei dem zumindest einen Permanentmagneten der Magnetanordnung um einen Ringmagneten oder um einen Stabmagneten. Bei Verwendung zumindest einer Spule kann die Spule analog ausgestaltet sein.
Die Verwendung von Permanentmagneten für die Magnetanordnung ist insbesondere in Bezug auf den Energiebedarf der Sensoranordnung vorteilhaft.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung beinhaltet, dass die Magnetanordnung zumindest zwei Permanentmagnete und/oder Spulen zur Erzeugung von zumindest zwei Magnetfeldern umfasst, wobei die Magnetanordnung derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass die Magnetfelder zumindest teilweise das Medium in dem Behältnis durchdringen und von zumindest einer Eigenschaft des Mediums beeinflusst werden. Durch die Verwendung von zumindest zwei Permanentmagneten und/oder Spulen kann die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums differentiell erfasst werden, was wiederum eine erhöhte Messgenauigkeit zur Folge hat.
Es ist auch denkbar, zumindest einen Permanentmagnet und zumindest eine Spule zu verwenden.
Es ist von Vorteil, wenn die zumindest zwei Permanentmagnete und/oder Spulen nebeneinander angeordnet sind. Vorzugsweise weisen die beiden Permanentmagnete und/oder Spulen einen vorgebbaren Abstand zueinander auf.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die zumindest zwei Permanentmagnete und/oder Spulen derart angeordnet und/oder ausgestaltet sind, dass sie gegensätzlich polarisiert sind. Bei mehr als zwei Permanentmagneten und/oder Spulen ist es vorteilhaft, wenn jeweils benachbarte Permanentmagnete und/oder Spulen gegensätzlich polarisiert sind.
Es ist schließlich ebenfalls von Vorteil, wenn die Sensoranordnung zudem zumindest zwei Magnetfeldsensoren umfasst, wobei jeder Magnetfeldsensor derart angeordnet ist, dass mittels des jeweiligen Magnetfeldsensors jeweils eins der zumindest zwei Magnetfelder erfassbar ist, und wobei die Elektronik insbesondere dazu ausgestaltet ist, die zumindest eine Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums anhand der zumindest zwei Magnetfelder zu ermitteln.
Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen Fluxgate-Sensor, einen magnetostriktiven Sensor, insbesondere einen GMR-, AMR- oder TMR-Sensor, einen Sensor umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement, oder um einen Quantensensor, insbesondere um eine Gaszelle oder einen Sensor mit einem Sensorelement mit einem Kristallkörper und zumindest einer Fehlstelle.
Im Falle, dass ein Sensor umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement zum Einsatz kommt, handelt es sich vorzugsweise um ein Sensorelement, welches Sensorelement zumindest eine erste Schicht aus einem magnetostriktiven Material, eine zweite Schicht aus einem piezoelektrischen Material, und zumindest eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, aufweist. Der Sensor, insbesondere eine Elektronik, ist ferner dazu ausgestaltet, das Sensorelement mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen des Sensorelements zu empfangen und in ein Empfangssignal umzuwandeln, das Anregesignal ausgehend vom Empfangssignal zu erzeugen, und anhand des Empfangssignals eine mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe zu ermitteln. Anhand dieser Größe kann dann die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums ermittelt werden. In diesem Zusammenhang wird vollumfänglich Bezug genommen auf die bisher unveröffentlichte, deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102021109408.9 .
Bei einem Quantensensor hingegen wird ausgenutzt, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome oder Ensembles von Atomen sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen magnetischen Feldern möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in Kristallkörpern zur Detektion von Änderungen magnetischen Feldern eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch unterschiedliche auf quantenoptischen Effekten basierende Systeme bekannt geworden, wie beispielsweise Quantengravimeter, NMR Gyroskope oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren.
Bei einem Quantensensor in Form einer Gaszelle werden atomare Übergänge sowie Spinzustände u.a. zur Bestimmung magnetischer und/elektrischer Eigenschaften optisch detektiert. Eine Gaszelle umfasst typischerweise ein gasförmiges Alkalimetall sowie ein Puffergas. Magnetische Eigenschaften eines die Gaszelle umgebenden Mediums können vermittels in der Gaszelle erzeugter Rydbergzustände bestimmt werden. Bei Sensoren umfassend zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle handelt es sich um einen Spin-basierten Quantensensor, bei welchem atomare Übergänge in verschiedenen Kristallkörpern ausgenutzt werden, um bereits geringe Änderungen magnetischen Feldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einer Silizium- oder Stickstoff-Fehlstelle, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich ein oder mehrere Fehlstellen aufweisen. Im Falle von mehreren Fehlstellen ist eine lineare Anordnung der Fehlstellen bevorzugt.
In diesem Zusammenhang ist aus DE 3742878 A1 beispielsweise ein optischer Magnetfeldsensor bekannt geworden, bei welchem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird. Weitere Sensoren unter Verwendung von Fehlstellen in Kristallkörpern sind in DE 10 2017 205 099 A1 , DE 10 2017 205 265 A1 , DE 10 2014 219 550 A1 , DE 10 2018 214 617 A1 , DE 10 2016 210 259 A1 oder den bisher unveröffentlichten, deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2020 123 993.9 , 10 2021 100223.0 oder 102021113199.5 beschrieben worden. Auf die genannten Offenbarungen wird ebenfalls vollumfänglich Bezug genommen.
In einer Ausgestaltung der Sensoranordnung ist der Magnetfeldsensor in einem vorgebbaren Bereich außerhalb des Behältnisses, angeordnet, in welchem eine Feldstärke des Magnetfelds minimal ist. Vorzugsweise ist dann die Magnetanordnung, insbesondere der zumindest eine Permanentmagnet und/oder die zumindest eine Spule, entsprechend angeordnet und/oder ausgestaltet. Durch eine derartige Anordnung und/oder Ausgestaltung können negative Effekte aufgrund einer möglichen Sättigung des Magnetfeldsensors vermieden und medieninduzierte Änderungen des Magnetfelds bzw. der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe, präzise und genau erfasst werden.
Es ist aber ebenfalls vorteilhaft, wenn der Magnetfeldsensor derart angeordnet ist, dass er senkrecht zu einer Tangente an eine Feldlinie des Magnetfelds ausgerichtet ist. Auch durch eine derartige Ausgestaltung und/oder Anordnung des Magnetfeldsensors und/oder eine entsprechende Anordnung und/oder Ausgestaltung der Magnetanordnung kann eine medieninduzierte Änderungen des Magnetfelds bzw. der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe, besonders präzise und genau erfasst werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Magnetanordnung zumindest einen Permanentmagnet in Form eines Ringmagnets oder eine Spule, welcher/welche derart an der Wandung des Behältnisses befestigt ist, dass eine Rotationsachse des Ringmagneten oder der Ringspule senkrecht zur Wandung des Behältnisses ausgerichtet ist, und wobei der Magnetfeldsensor in einem Bereich um einen Mittelpunkt des Ringmagneten oder der Ringspule angeordnet ist. Im Mittelpunkt bzw. in einem vorgebbaren Bereich um den Mittelpunkt des Ringmagneten bzw. der Ringspule ist die magnetische Feldstärke minimal. In diesem vorgebbaren Bereich ist der Magnetfeldsensor angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Magnetanordnung zumindest drei nebeneinander angeordnete Permanentmagnete, insbesondere in Form von Stabmagneten, oder Spulen, welche jeweils parallel zur Wandung des Behältnisses magnetisiert und angeordnet sind, wobei jeweils benachbarte Stabmagnete und/oder Spulen gegensätzlich polarisiert sind, und zumindest zwei Magnetfeldsensoren, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor zwischen zwei benachbarten Stabmagneten oder Spulen der Magnetanordnung angeordnet ist, insbesondere jeweils in einem Bereich, in welchem eine Feldstärke des jeweiligen Magnetfelds minimal ist. Ein erstes Magnetfeld wird dabei zwischen einem ersten und zweiten Magneten bzw. einer ersten und zweiten Spule und ein zweites Magenfeld zwischen dem zweiten und einem dritten Magneten bzw. der zweiten und einer dritten Spule erzeugt. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft zur Durchführung einer differentiellen Erfassung der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums.
Alternativ kann die Magnetanordnung zur Realisierung einer differentiellen Erfassung der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums auch zumindest zwei nebeneinander angeordnete Permanentmagnete in Form von Ringmagneten oder Ringspulen umfassen.
Die Sensoranordnung kann ferner zumindest ein Abschirmelement umfassen, welches zumindest die Magnetanordnung zumindest teilweise umgibt und gegenüber einer Umgebung der Anordnung außerhalb des Behältnisses abschirmt.
Vorteilhaft kann mittels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit nicht nur eine Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums ermittelt werden. Vielmehr kann anhand des Magnetfelds bzw. einer mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe auch eine Prozessüberwachung erfolgen.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist die Sensoranordnung, insbesondere die Elektronik, dazu ausgestaltet, anhand des Magnetfelds eine Permeabilität des Mediums zu ermitteln. Die Prozessüberwachung und/oder die Prozessgrößen- bzw. Kenngrößenermittlung kann dann vorteilhaft anhand der Permeabilität des Mediums durchgeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sensoranordnung, insbesondere die Elektronik, dazu ausgestaltet, anhand des Magnetfelds einen, insbesondere vorgebbaren, Füllstand des Mediums in dem Behältnis zu ermitteln. In diesem Falle handelt es sich bei der Sensoranordnung um einen Füllstands- bzw. Grenzstandsensor.
Aber auch andere Prozess- und/oder Kenngrößen des Mediums sind mithilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ermittelbar, wie beispielsweise die Temperatur, den Druck, die Leitfähigkeit, oder ein Durchfluss des Mediums.
Zusammenfassend handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung vorteilhaft um einen nicht-invasiven Sensor, welcher insbesondere eine Charakterisierung eines Prozessmediums hinsichtlich der magnetischen Permeabilität im Prozess erlaubt. Die Messung kann vorteilhaft durch eine nicht- oder schwach magnetische Barriere hindurch, wie beispielsweise eine Wandung eines Behältnisses, insbesondere Edelstahl, erfolgen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt

1: eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
2: eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer Magnetanordnung umfassend einen Ringmagnet;
3: eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer Magnetanordnung umfassend einen Stabmagnet;
4 eine bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit zumindest zwei Permanentmagneten in Form von Stabmagneten und zwei Magnetfeldsensoren; und
5 eine bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit zumindest zwei Permanentmagneten in Form von Ringmagneten und zwei Magnetfeldsensoren.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine schematische Abbildung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gezeigt. Die Sensoranordnung 1 ist von außen an dem teilweise mit dem Medium M gefüllten Behältnis 2 angeordnet und an dessen Wandung W befestigt. Bei der Befestigung kann es sich sowohl um eine lösbare als auch um eine nicht lösbare Befestigung handeln. Die Sensoranordnung 1 umfasst eine Magnetanordnung 3 mit mindestens einem Permanentmagnet oder zumindest einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds B, einen Magnetfeldsensor zur Erfassung des Magnetfelds B und eine Elektronik 5 zur Ermittlung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M.
Das Magnetfeld B durchdringt teilweise das Medium M und wird von dessen Eigenschaften beeinflusst. Entsprechend kann anhand des vom Magnetfeldsensor 4 erfassten Magnetfelds B oder einer mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M ermittelt werden.
Obgleich sämtliche nachfolgend gezeigten Ausgestaltungen für Magnetanordnungen 3 mit Permanentmagneten und Spulen realisierbar sind, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung ausschließlich auf Permanentmagneten. Die jeweiligen Überlegungen gelten mutatis mutandis für den Fall, dass anstelle der Permanentmagnete Spulen verwendet werden.
Eine erste bevorzugte, mögliche und beispielhafte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ist Gegenstand von 2. Gezeigt ist eine Schnittdarstellung einer Sensoranordnung 1, bei welcher die Magnetanordnung 3 einen Permanentmagneten in Form eines Ringmagneten 6 umfasst. Eine Rotationsachse r des Magneten 6 ist senkrecht zur Wandung W des Behältnisses 2 ausgerichtet. Der Ringmagnet 6 ist ferner radial, d.h. parallel zur Wandung W des Behältnisses 2, polarisiert. In einem Bereich um den Mittelpunkt m des Ringmagneten 6 ist die magnetische Feldstärke minimal. In diesem vorgebbaren Bereich ist der Magnetfeldsensor 4 angeordnet.
Je nach Vorhandensein von und/oder den Eigenschaften des Medium M in dem Behälter 2 auf der der Sensoranordnung 1 gegenüberliegenden Seite der Wandung W kommt es zu einer Verschiebung der magnetischen Feldlinien bzw. zu einer Änderung des Magnetfelds B, welches von dem Magnetfeldsensor 4 erfasst wird. Durch eine Positionierung des Magnetfeldsensors in dem vorgebbaren Bereich minimaler Feldstärke kann eine Sättigung des Magnetfeldsensors vermieden werden. Dies wirkt sich positiv auf die erreichbare Messgenauigkeit der Sensoranordnung 1 aus.
Für die in 2 dargestellte Ausführung umfasst die Sensoranordnung 1 ferner ein optionales Abschirmelement 7, welches die Sensoranordnung 1 gegenüber einer Umgebung der Anordnung 1 außerhalb des Behältnisses 2 abschirmt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ist in 3 skizziert. Hier umfasst die Magnetanordnung 4 einen Permanentmagneten in Form von einem Stabmagnet 8, dessen Längsachse I parallel zur Wandung des Behälters 2 ausgerichtet ist. Hierdurch ergibt sich eine Polarisation parallel zur Wandung W des Behälters 2. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung gemäß 2 ist der Magnetfeldsensor 4 zudem senkrecht zu einer Tangente t an eine Feldlinie F des Magnetfelds B ausgerichtet. Auch durch diese Art und Weise der Positionierung des Magnetfeldsensors 4 relativ zum Magnetfeld B kann eine genaue und präzise Erfassung des Magnetfelds B erfolgen.
Für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 können aber auch Magnetanordnungen 3 mit mehr als einem Permanentmagneten und/oder mehrere Magnetfeldsensoren 4 zum Einsatz kommen. Zwei derartige bevorzugte Ausgestaltungen für eine Sensoranordnung 1 werden anhand der Figuren 4 und 5 beschrieben.
In 4 ist eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung 1 mit einer Magnetanordnung 3 umfassend drei nebeneinander angeordneten Stabmagneten 8a-8c gezeigt, bei denen jeweils eine Längsachse I parallel zur Wandung W des Behältnisses 2 verläuft, ähnlich wie im Fall der in 3 gezeigten Ausführung. So wird ein erstes Magnetfeld B1 mittels des ersten 8a und zweiten Magneten 8b und ein zweites Magnetfeld B2 mittels des zweiten 8b und dritten Magneten 8c erzeugt.
Jeweils zwischen zwei benachbarten Stabmagneten 8a und 8b bzw. 8b und 8c ist ein Magnetfeldsensor 4a bzw. 4b angeordnet. Die Magnete 8a-8c sind jeweils gegensätzlich polarisiert. Hierdurch ergibt sich, ähnlich wie im Falle der in 2 gezeigten Ausführung, jeweils zwischen zwei benachbarten Magneten 8a und 8b bzw. 8b und 8c ein vorgebbarer Bereich minimaler Feldstärke mittig zwischen den beiden Magneten 8a und 8b bzw. 8b und 8c. In diesen beiden Bereichen sind jeweils die Magnetfeldsensoren 4a und 4b angeordnet. Anhand des ersten B1 und zweiten Magnetfelds B2 kann dann vorteilhaft eine differentielle Bestimmung der jeweiligen Prozess- und/oder Kenngröße des Mediums erfolgen.
Eine ähnliche Anordnung 1 ist in 5 gezeigt. Hier umfasst die Magnetanordnung 3 zwei Ringmagnete 6a und 6b, welche nebeneinander an der Behälterwandung W angeordnet und parallel zu dieser ausgerichtet sind, ähnlich wie im Falle der in 2 dargestellten Ausführung. Die beiden Ringmagnete 6a und 6b sind gegensätzlich polarisiert, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor 4a bzw. 4b in der Mitte von jedem der beiden Ringmagnete 6a bzw. 6b angeordnet ist. Auch in diesem Falle werden mittels der beiden Magnetfeldsensoren 4a, 4b die beiden Magnetfelder B1 und B2 erfasst, so dass eine differentielle Bestimmung der jeweiligen Prozess- und/oder Kenngröße des Mediums möglich wird.
Bezugszeichenliste

1: Sensoranordnung
2: Behältnis
3: Magnetanordnung
4 4a, 4b: Magnetfeldsensoren
5: Elektronik
6 6a, 6b: Permanentmagnet in Form eines Ringmagneten
7: Abschirmelement
8 8a-8c: Permanentmagnet in Form eines Stabmagneten
M: Medium
B B1, B2: Magnetfeld
W: Wandung des Behältnisses
r: Rotationsachse
m: Mittelpunkt
I: Längsachse
t: Tangente
F: Feldlinie
N: Nordpol
S: Südpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021109408 [0020]
DE 3742878 A1 [0023]
DE 102017205099 A1 [0023]
DE 102017205265 A1 [0023]
DE 102014219550 A1 [0023]
DE 102018214617 A1 [0023]
DE 102016210259 A1 [0023]
DE 102020123993 [0023]
DE 102021100223 [0023]
DE 102021113199 [0023]

Claims

Sensoranordnung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend - eine Magnetanordnung (3) mit zumindest einem Permanentmagneten (6,8) und/oder zumindest einer Spule zur Erzeugung zumindest eines Magnetfelds (B), welche Magnetanordnung (4) derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld (B) zumindest teilweise das Medium (M) in dem Behältnis (2) durchdringt und von zumindest einer Eigenschaft des Mediums (M) beeinflusst wird, - zumindest einen Magnetfeldsensor (4) zur Detektion des Magnetfelds (B), und - eine Elektronik (5) zur Bestimmung und/oder Überwachung der zumindest einen Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand des Magnetfelds (B), wobei die Magnetanordnung (3) und der Magnetfeldsensor (4) außerhalb des Behältnisses (2) angeordnet und an einer Wandung (W) des Behältnisses (2) befestigt sind.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Magnetanordnung (3), insbesondere der Permanentmagnet (6,8) und/oder die Spule, derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass in einem vorgebbaren Bereich, insbesondere außerhalb des Behältnisses (2), eine Feldstärke des Magnetfelds (B) minimal ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetanordnung (3) zumindest einen Permanentmagneten (6,8) umfasst, und wobei der zumindest eine Permanentmagnet (6,8) der Magnetanordnung (3) parallel zu der Wandung (W) des Behältnisses (2) magnetisiert ist.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich im Falle, dass die Magnetanordnung (3) zumindest einen Permanentmagneten (6,8) umfasst, bei dem zumindest einen Permanentmagneten (6,8) der Magnetanordnung (3) um einen Ringmagneten (6) oder um einen Stabmagneten (8) handelt.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Magnetanordnung (3) zumindest zwei Permanentmagnete (6,8) und/oder Spulen zur Erzeugung von zumindest zwei Magnetfeldern (B1, B2) umfasst, wobei die Magnetanordnung (3) derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass die Magnetfelder (B1, B2) zumindest teilweise das Medium (M) in dem Behältnis (2) durchdringen und von zumindest einer Eigenschaft des Mediums (M) beeinflusst werden.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die zumindest zwei Permanentmagnete (6,8) und/oder Spulen nebeneinander angeordnet sind.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zumindest zwei Permanentmagnete (6,8) und/oder Spulen derart angeordnet und/oder ausgestaltet sind, dass sie gegensätzlich polarisiert sind.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5-7, umfassend zumindest zwei Magnetfeldsensoren (4a, 4b), wobei jeder Magnetfeldsensor (4a, 4b) derart angeordnet ist, dass mittels des jeweiligen Magnetfeldsensors (4a, 4b) jeweils eins der zumindest zwei Magnetfelder (B1, B2) erfassbar ist, und wobei die Elektronik (5) insbesondere dazu ausgestaltet ist, die zumindest eine Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums (M) anhand der zumindest zwei Magnetfelder (B1, B2) zu ermitteln.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Magnetfeldsensor (4) um einen Fluxgate-Sensor, einen magnetostriktiven Sensor, insbesondere einen GMR-, AMR- oder TMR-Sensor, einen Sensor umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement, oder um einen Quantensensor, insbesondere um eine Gaszelle oder einen Sensor mit einem Sensorelement mit einem Kristallkörper und zumindest einer Fehlstelle, handelt.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (3) in einem vorgebbaren Bereich außerhalb des Behältnisses (2), angeordnet ist, in welchem eine Feldstärke des Magnetfelds (B) minimal ist.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (3) derart angeordnet ist, dass er senkrecht zu einer Tangente (t) an eine Feldlinie (F) des Magnetfelds (B) ausgerichtet ist.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Magnetanordnung (3) zumindest einen Permanentmagnet (6) in der Form eines Ringmagnets (6) oder eine Spule umfasst, welcher/welche derart an der Wandung (W) des Behältnisses (2) befestigt ist, dass eine Rotationsachse (r) des Ringmagneten (6) oder der Ringspule senkrecht zur Wandung (W) des Behältnisses (2) ausgerichtet ist, und wobei der Magnetfeldsensor (4) in einem Bereich um einen Mittelpunkt (m) des Ringmagneten (8) oder der Ringspule angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Magnetanordnung (3) mit zumindest drei nebeneinander angeordnete Permanentmagneten (8a-8c), insbesondere in Form von Stabmagneten, oder Spulen, welche jeweils parallel zur Wandung (W) des Behältnisses (2) magnetisiert und angeordnet sind, und wobei jeweils benachbarte Stabmagnete (8a-8c) und/oder Spulen gegensätzlich polarisiert sind, und mit zumindest zwei Magnetfeldsensoren (4a, 4b), wobei jeweils ein Magnetfeldsensor (4a, 4b) zwischen zwei benachbarten Stabmagneten (8a-8c) oder Spulen der Magnetanordnung angeordnet ist, insbesondere jeweils in einem Bereich, in welchem eine Feldstärke des jeweiligen Magnetfelds (B1, B2) minimal ist.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1), insbesondere die Elektronik (5), dazu ausgestaltet ist, anhand des Magnetfelds (B) eine Permeabilität des Mediums (M) zu ermitteln.
Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1), insbesondere die Elektronik (5), dazu ausgestaltet ist, anhand des Magnetfelds (B) einen, insbesondere vorgebbaren, Füllstand des Mediums (M) in dem Behältnis zu ermitteln.