DE102021134237A1 - Device for analyzing impurities or foreign bodies - Google Patents

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Mohammad Sadegh Ebrahimi
Dietmar Frühauf
Volker Frey
Raphael Kuhnen
Wolfgang Drahm
Stefan Pflüger
Anne Habermehl
Hao Zhu
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium auf der Basis einer Messung von magnetischen Kernspinresonanzen, umfassend:- eine Vorrichtung (8) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes zum Anregen einer Vorzugspolarisation von Kernspins im Mediums;- eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung (3) zum Bestimmen eines mit einer Präzession der Kernspins korrelierenden Magnetfeldes, umfassend:-- eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material (11);-- eine optische Anregungsvorrichtung (7), die dazu eingerichtet ist das optisch anregbare Material (11) optisch anzuregen; und-- eine optische Detektionsvorrichtung (10), die dazu eingerichtet ist ein Detektionssignal bereitzustellen, welches mit einem vom optisch anregbaren Material (11) emittierten Fluoreszenzsignal korreliert;- eine Auswerteschaltung (4), die dazu eingerichtet ist, das Vorliegen von Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen, und eine Messanordnung.The invention relates to a device for analyzing impurities or foreign bodies in a flowable medium based on a measurement of magnetic nuclear spin resonances, comprising: - a device (8) for generating an electromagnetic alternating field for exciting a preferred polarization of nuclear spins in the medium; - a magnetic field-sensitive measuring device (3) for determining a magnetic field correlating with a precession of the nuclear spins, comprising: -- a measuring device component with an optically excitable material (11); -- an optical excitation device (7) which is set up to optically excite the optically excitable material (11). to stimulate and-- an optical detection device (10) which is set up to provide a detection signal which correlates with a fluorescence signal emitted by the optically excitable material (11);- an evaluation circuit (4) which is set up to detect the presence of impurities or foreign bodies to be determined in the medium as a function of the detection signal, and a measuring arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium auf der Basis einer Messung von magnetischen Kernspinresonanzen und eine Messanordnung.The invention relates to a device for analyzing impurities or foreign bodies in a flowable medium based on a measurement of magnetic nuclear spin resonances and a measuring arrangement.

Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) erlaubt die Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome sowie deren Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen. So können mittels der NMR-Spektroskopie die Komponenten von Proben und die Strukturen von Molekülen bestimmt werden. Die NMR-Spektroskopie bildet auch die Basis der Magnetresonanztomographie, welche häufig im medizinischen oder biologischen Bereich zur Untersuchung von Geweben und Organen eingesetzt wird.Nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR spectroscopy) allows the investigation of the electronic environment of individual atoms and their interactions with neighboring atoms. The components of samples and the structures of molecules can be determined using NMR spectroscopy. NMR spectroscopy also forms the basis of magnetic resonance tomography, which is often used in the medical or biological field to examine tissues and organs.

Viele Atomkerne weisen einen von Null verschiedenen Kernspin und damit als rotierende Ladungsträger ein magnetisches Moment auf, so wie beispielsweise 1H- oder 13C-Atome. Die Kernspins führen in einem statischen Magnetfeld eine präzidierende Bewegung, die sogenannten Larmorpräzession, um die Achse des konstanten Magnetfelds durch. Dabei ändern die Atomkerne die Orientierung ihrer Kernspins zum Magnetfeld durch die Absorption oder Emission von magnetischen Wechselfeldern, wenn diese resonant mit der Larmorfrequenz sind. Dieser Effekt ist auch als Kernspinresonanz bekannt. Die möglichen magnetischen Drehimpulsquantenzustände der Kernspins sind dabei äquidistant und abhängig von der Larmorfrequenz. Die Frequenz und die Dauer der Larmorpräzession sind abhängig von dem jeweiligen Kernspin, sowie seiner räumlichen und chemischen Umgebung. Die Detektion der Larmorpräzessionen anhand der Larmorfrequenzen ermöglicht somit eine sehr genaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Probe und der räumlichen Struktur der in der Probe enthaltenen Moleküle.Many atomic nuclei have a non-zero nuclear spin and thus a magnetic moment as rotating charge carriers, such as 1 H or 13 C atoms. In a static magnetic field, the nuclear spins perform a precession movement, the so-called Larmor precession, around the axis of the constant magnetic field. The atomic nuclei change the orientation of their nuclear spins to the magnetic field through the absorption or emission of alternating magnetic fields when these are resonant with the Larmor frequency. This effect is also known as nuclear magnetic resonance. The possible magnetic angular momentum quantum states of the nuclear spins are equidistant and dependent on the Larmor frequency. The frequency and duration of the Larmor precession depend on the respective nuclear spin and its spatial and chemical environment. The detection of the Larmor precessions based on the Larmor frequencies thus enables a very precise determination of the chemical composition of the sample and the spatial structure of the molecules contained in the sample.

Das magnetische Wechselfeld wird in der Regel durch eine Magnetspule erzeugt. In der konventionellen NMR-Spektroskopie werden in der Regel induktive Verfahren zur Detektion der Kernspinresonanzen verwendet. So ist die Probe häufig von einer Induktionsspule umgeben, in welcher eine elektrische Spannung durch die von den präzidierenden Kernspins emittierten magnetischen Wechselfelder erzeugt wird. Typischerweise werden starke statische Magnetfelder von bis zu 25 T zur Polarisierung der Kernspins eingesetzt, um eine Vorzugspolarisation von gleichartig ausgerichteten Kernspins und somit eine Magnetisierung zu erhalten, die mit herkömmlichen Magnetfeldsensoren messbar ist. Eine Miniaturisierung der NMR-Messgeräte ist damit in der Regel nicht möglich.The alternating magnetic field is usually generated by a magnetic coil. In conventional NMR spectroscopy, inductive methods are generally used to detect nuclear magnetic resonances. The sample is often surrounded by an induction coil in which an electrical voltage is generated by the alternating magnetic fields emitted by the nuclear spins occurring. Typically, strong static magnetic fields of up to 25 T are used to polarize the nuclear spins in order to obtain a preferred polarization of nuclear spins aligned in the same way and thus a magnetization that can be measured with conventional magnetic field sensors. As a rule, miniaturization of the NMR measuring devices is not possible.

In der Regel werden NMR-Messgeräte zur Untersuchung von Proben ex situ eingesetzt. Es gibt jedoch auch Beispiele für Inline-Messungen an Medien. Aus der WO 2021/079027 A1 ist beispielsweise eine NMR-Messeinheit bekannt geworden, welche einen vom Medium separierten Flusskanal aufweist, innerhalb dessen mittels einer Spule und eines Magneten NMR-Messungen am Medium durchgeführt werden.As a rule, NMR measuring devices are used to examine samples ex situ. However, there are also examples of inline measurements on media. From the WO 2021/079027 A1 For example, an NMR measuring unit has become known which has a flow channel separated from the medium, within which NMR measurements are carried out on the medium by means of a coil and a magnet.

Aus der EP 3 198 264 B1 ist ein Atemgasanalysegerät zur NMR-Analyse von Substanzen einer Probe bekannt geworden. Als Magnetfeldsensor werden Diamantenstrukturen mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren eingesetzt.From the EP 3 198 264 B1 a breath gas analyzer for NMR analysis of substances in a sample has become known. Diamond structures with nitrogen vacancy centers are used as magnetic field sensors.

Die letztere Art von Magnetfeldsensor fällt in den Bereich der sogenannten Quantensensoren, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen genutzt werden. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren interessant.The latter type of magnetic field sensor falls into the area of the so-called quantum sensors, in which a wide variety of quantum effects are used to determine various physical and/or chemical measured variables. In the field of industrial process automation, such approaches are of particular interest with regard to the increasing efforts towards miniaturization while at the same time increasing the performance of the respective sensors.

Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit Auflösungen im Nanometerbereich möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in Kristallkörpern zur Detektion von Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch unterschiedliche auf quantenoptischen Effekten basierende Systeme bekannt geworden, wie beispielsweise Quantengravimeter oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren.Quantum sensors are based on the fact that certain quantum states of individual atoms can be very precisely controlled and read out. In this way, for example, precise and low-interference measurements of electric and/or magnetic fields and gravitational fields with resolutions in the nanometer range are possible. In this context, various spin-based sensor arrangements have become known, for which atomic transitions in crystal bodies are used to detect changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields. In addition, various systems based on quantum-optical effects have also become known, such as quantum gravimeters or optically pumped magnetometers, the latter in particular being based on gas cells, among other things.

Beispielsweise sind im Bereich Spin-basierter Quantensensoren verschiedene Vorrichtungen bekannt geworden, welche atomare Übergänge, beispielsweise in verschiedenen Kristallkörpern, ausnutzen, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einem Silizium- oder Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich ein oder mehrere Fehlstellen aufweisen.For example, in the field of spin-based quantum sensors, various devices have become known which use atomic transitions, for example in various crystal bodies, in order to detect even small changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields. Typically, diamond with at least one silicon or nitrogen vacancy center, silicon carbide with at least one silicon vacancy or hexagonal boron nitride with at least one vacancy color center is used as the crystal body. In principle, the crystal bodies can have one or more defects.

Ein weiterer Teilbereich im Feld von Quantensensoren betrifft Gaszellen, in welchen atomare Übergänge sowie Spinzustände u.a. zur Bestimmung magnetischer und/elektrischer Eigenschaften optisch abgefragt werden können. In der Regel liegen in der Gaszelle ein gasförmiges Alkalimetall sowie ein Puffergas vor. Magnetische Eigenschaften eines umgebenden Mediums können durch in der Gaszelle erzeugte Rydbergzustände bestimmt werden. Beispielsweise werden Gaszellen in quantenbasierten Standards eingesetzt, welche physikalische Größen mit hoher Präzision bereitstellen. So werden sie seit langem in Frequenzstandards bzw. Atomuhren eingesetzt, wie aus der EP 0 550 240 B1 bekannt.Another sub-area in the field of quantum sensors relates to gas cells, in which atomic transitions and spin states can be queried optically to determine magnetic and/or electrical properties, among other things. A gaseous alkali metal and a buffer gas are usually present in the gas cell. Magnetic properties of a surrounding medium can be determined by Rydberg states generated in the gas cell. For example, gas cells are used in quantum-based standards that provide physical quantities with high precision. So they have long been used in frequency standards or atomic clocks, such as from the EP 0 550 240 B1 known.

Die Kernspins des zu untersuchenden Mediums liegen für gewöhnlich im thermischen Gleichgewicht vor, so dass die Nettopolarisation über alle Kernspins des Mediums in etwa Null ist. Dies führt auch beim Einsatz von Quantensensoren in der Regel zu sehr langen Messzeiten, da der Anteil des Rauschens gegenüber dem Anteil des Kernspinresonanzsignals im optischen Signal relativ hoch ist. Um die Sensitivität der Messung zu verbessern, wird daher häufig ein Induktor eingesetzt, welcher die thermische Gleichgewichtsverteilung der Kernspins stört und eine Vorzugspolarisation der Kernspins induziert, so dass die Nettopolarisation über alle Kernspins des Mediums im Bereich der Sensorkomponente ungleich Null ist. In herkömmlichen NMR-Messgeräten wird dies mittels einer Magnetfeldeinrichtung erreicht. Anstelle einer Magnetfeldeinrichtung kann der Induktor auf anderen Methoden der Hyperpolarisierung beruhen, also z.B. in Form von durch das Medium geströmtem para-Wasserstoff ausgestaltet sein. Durch Stöße des para-Wasserstoffs mit dem Medium wird der Spinzustand des para-Wasserstoffs auf das Medium übertragen, so dass die Kernspin des Mediums eine Vorzugspolarisation erhalten. Es ist auch möglich, den Induktor als Laserquelle und/oder Mikrowellenantenne auszugestalten und damit eine Vorzugspolarisation in den Elektronenspins des Quantensensors zu induzieren und diese Vorzugspolarisation anschließend auf das Medium zu übertragen. Einer fachlich qualifizierten Person sind derartige Methoden als „hyperpolarization“ oder „dynamic nuclear polarization“ bekannt (siehe z.B. S. Pustelny et al., The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12, 787, oder I. Schwartz et al., Scientific Reports 2019, 9, 6938).The nuclear spins of the medium to be examined are usually in thermal equilibrium, so that the net polarization over all nuclear spins of the medium is approximately zero. Even when using quantum sensors, this usually leads to very long measurement times, since the noise component is relatively high compared to the nuclear magnetic resonance signal component in the optical signal. In order to improve the sensitivity of the measurement, an inductor is often used, which disturbs the thermal equilibrium distribution of the nuclear spins and induces a preferential polarization of the nuclear spins, so that the net polarization over all nuclear spins of the medium in the area of the sensor component is not equal to zero. In conventional NMR measuring devices, this is achieved by means of a magnetic field device. Instead of a magnetic field device, the inductor can be based on other methods of hyperpolarization, e.g. in the form of para-hydrogen flowing through the medium. The spin state of the para-hydrogen is transferred to the medium by collisions of the para-hydrogen with the medium, so that the nuclear spin of the medium obtains a preferential polarization. It is also possible to configure the inductor as a laser source and/or microwave antenna and thus to induce a preferred polarization in the electron spins of the quantum sensor and then to transfer this preferred polarization to the medium. Such methods are known to a technically qualified person as "hyperpolarization" or "dynamic nuclear polarization" (see e.g. S. Pustelny et al., The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12, 787, or I. Schwartz et al., Scientific Reports 2019, 9, 6938).

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Inline-Messgerät zur zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium bereitzustellen.Proceeding from the stated prior art, the object of the invention is to provide a simple inline measuring device for analyzing contamination or foreign bodies in a flowable medium.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und die Messanordnung nach Anspruch 12.The object is achieved by the device according to claim 1 and the measuring arrangement according to claim 12.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium auf der Basis einer Messung von magnetischen Kernspinresonanzen, umfasst:

  • - eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes zum Anregen einer Vorzugspolarisation von Kernspins im Mediums;
  • - eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung zum Bestimmen eines mit einer Präzession der Kernspins korrelierenden Magnetfeldes, umfassend:
    • -- eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material;
    • -- eine optische Anregungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist das optisch anregbare Material optisch anzuregen; und
    • -- eine optische Detektionsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist ein Detektionssignal bereitzustellen, welches mit einem vom optisch anregbaren Material emittierten Fluoreszenzsignal korreliert;
  • - eine Auswerteschaltung, die dazu eingerichtet ist, das Vorliegen von Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen.
The device according to the invention for the analysis of impurities or foreign bodies in a flowable medium on the basis of a measurement of magnetic nuclear spin resonances comprises:
  • - A device for generating an electromagnetic alternating field for exciting a preferred polarization of nuclear spins in the medium;
  • - a magnetic field-sensitive measuring device for determining a magnetic field correlating with a precession of the nuclear spins, comprising:
    • -- a measuring device component with an optically excitable material;
    • -- an optical excitation device configured to optically excite the optically excitable material; and
    • -- an optical detection device which is set up to provide a detection signal which correlates with a fluorescence signal emitted by the optically excitable material;
  • - an evaluation circuit which is set up to determine the presence of impurities or foreign bodies in the medium as a function of the detection signal.

Die erfindungsgemäße Messanordnung in einer Prozessanlage, umfasst:

  • - ein Behälter zum Führen eines fließfähigen Mediums; und
  • - mindestens zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen,
wobei die mindestens zwei Vorrichtungen am Behälter angeordnet sind.The measuring arrangement according to the invention in a process plant comprises:
  • - A container for guiding a flowable medium; and
  • - at least two devices according to the invention,
wherein the at least two devices are arranged on the container.

Das erfindungsgemäße Inline-Messgerät bzw. Vorrichtung kann an einem Behälter innerhalb einer Prozessanlage angeordnet sein. Sie ist dazu eingerichtet mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums anhand eines optischen Signals, in diesem Fall eines Fluoreszenzsignals zu ermitteln. Die Vorrichtung berührt mindestens teilweise das Medium, so dass die magnetfeldsensitive Messvorrichtung unter optischer Anregung mittels der optische Anregungsvorrichtung ein von den Kernspinresonanzen des Mediums beeinflussten Fluoreszenzsignal aussendet. Das Fluoreszenzsignal steht dabei in einem direkten kausalen Zusammenhang mit den Kernspinresonanzen des Mediums, so dass die Kernspinresonanzen in Abhängigkeit des Fluoreszenzsignals ermittelt werden können. In der Regel berührt die magnetfeldsensitive Messvorrichtung das Medium mit zumindest einer Fläche des Gehäuses. Die optische Anregungsvorrichtung und/oder die optische Detektionsvorrichtung können ggf. von dem Medium abgesetzt angeordnet sein. Die Auswerteeinheit ist in der Regel außerhalb des Behälters angeordnet und kann beispielsweise in einem von der Sensoreinheit separaten Gehäuse angeordnet sein. Weitere optische Komponenten wie Spiegel, Filter u.ä. sind ggf. im Bereich der Sensoreinheit angeordnet, um das Anregungslicht der optische Anregungsvorrichtung zur Messvorrichtungskomponente, insbesondere zum optisch anregbaren Material und/oder das Fluoreszenzsignal zur optische Detektionsvorrichtung zu lenken. Beispielsweise können Lichtleitfasern für die Führung des Anregungslichts und/oder des Fluoreszenzlichts eingesetzt werden, so dass die optische Anregungsvorrichtung und/oder die optische Detektionsvorrichtung beabstandet zum Medium angeordnet sein können.The inline measuring device or device according to the invention can be arranged on a container within a process plant. It is set up to determine at least one chemical and/or physical property of the medium using an optical signal, in this case a fluorescence signal. The device touches the medium at least partially, so that the magnetic field-sensitive measuring device emits a fluorescence signal influenced by the nuclear spin resonances of the medium under optical excitation by means of the optical excitation device. The fluorescence signal is in a direct causal relationship with the nuclear magnetic resonances of the medium, so that the nuclear magnetic resonances can be determined as a function of the fluorescence signal. As a rule, the magnetic field-sensitive measuring device touches the medium with at least one surface of the housing. The optical excitation device and/or the optical detection device can optionally be arranged offset from the medium. The evaluation unit is usually arranged outside of the container and can be arranged, for example, in a housing that is separate from the sensor unit. Other optical components such as mirrors, filters, etc. are possibly arranged in the area of the sensor unit in order to direct the excitation light of the optical excitation device to the measuring device component, in particular to the optically excitable material and/or the fluorescence signal to the optical detection device. For example, optical fibers can be used to guide the excitation light and/or the fluorescent light, so that the optical excitation device and/or the optical detection device can be arranged at a distance from the medium.

Das erfindungsgemäße Inline-Vorrichtung erlaubt eine Online-Überwachung des Mediums innerhalb des Behälters, ohne dass eine Probe des Mediums aus dem Behälter entnommen und in einem vom Prozess separaten NMR-Messgerät analysiert werden muss. Im Gegensatz zu dem in der Einleitung beschriebenen Atemgasanalysegerät und dem NMR-Messgerät weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin keinen schmalen Fluidkanal auf, durch welchen das Medium hindurchfließen muss. Durch das zumindest teilweise Einbringen der Vorrichtung in das Medium entfallen Probleme wie ein Verstopfen des Fluidkanals und eine damit einhergehende erhöhte Wartungsanfälligkeit.The inline device according to the invention allows online monitoring of the medium within the container without having to take a sample of the medium from the container and analyze it in an NMR measuring device that is separate from the process. In contrast to the respiratory gas analysis device and the NMR measuring device described in the introduction, the device according to the invention also has no narrow fluid channel through which the medium has to flow. The at least partial introduction of the device into the medium eliminates problems such as clogging of the fluid channel and an associated increased susceptibility to maintenance.

Vorteilhafterweise weist die zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle oder zumindest eine Gaszelle auf. Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle als auch Gaszellen zeigen unter entsprechender optischer Anregung ein Fluoreszenzsignal, welches unter anderem von einem an dem Kristallkörper oder der Gaszelle anliegenden Magnetfeld abhängig bzw. beeinflussbar ist. Die Kernspinresonanzen des Mediums beeinflussen das anliegende Magnetfeld, so dass mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums anhand des Fluoreszenzsignals ermittelbar ist. Optional wird der Kristallkörper zusätzlich mittels einer Antenne mit einem Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal angeregt. Sowohl der Kristallkörper mit dem zumindest einem Fehlstellen-Zentrum als auch die Gaszelle führen zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit der Detektion der Kernspinresonanzen des Mediums und damit der mindestens einen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft des Mediums aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern. Darüber hinaus kann anhand des Fluoreszenzsignals eine Aussage über die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität, die magnetische Permeabilität oder einer weiteren mit zumindest einer dieser Größen in Beziehung stehenden Größe ermittelt werden.The at least one crystal body advantageously has at least one defect or at least one gas cell. Crystal bodies with at least one defect as well as gas cells show a fluorescence signal under appropriate optical excitation, which is dependent or can be influenced, among other things, by a magnetic field applied to the crystal body or the gas cell. The nuclear spin resonances of the medium influence the applied magnetic field, so that at least one chemical and/or physical property of the medium can be determined using the fluorescence signal. Optionally, the crystal body is additionally excited by means of an antenna with a high-frequency or microwave signal. Both the crystal body with the at least one defect center and the gas cell lead to an improvement in the measuring accuracy of the detection of the nuclear magnetic resonances of the medium and thus the at least one chemical and/or physical property of the medium due to their high sensitivity to magnetic fields. In addition, the fluorescence signal can be used to determine the magnetic flux density, the magnetic susceptibility, the magnetic permeability or another variable related to at least one of these variables.

Im Bereich der Messvorrichtungskomponente ist weiterhin eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes vorgesehen, welche der Anregung der Sensorkomponente und/oder des Mediums dient. Das Einbringen von Wechselfeldern kann genutzt werden, um typische, aus der NMR-Spektroskopie bekannte Anrege-Abfragesequenzen durchzuführen, wie beispielsweise das Spin-Echo-Verfahren oder die sogenannte XY8N-Sequenz, bei denen die Magnetisierung der Kernspins mithilfe des Wechselfelds gezielt eingestellt und beobachtet wird. Mithilfe dieser Sequenzen können auch schnell wechselnde Magnetfelder durch verschiedene im Bereich der Messvorrichtungskomponente vorliegenden Komponenten des Mediums präzise detektiert werden. Die Wechselfrequenzantenne kann beispielsweise eine Mikrowellenantenne sein und das elektromagnetische Wechselfeld ein Mikrowellensignal.In the area of the measuring device component, there is also a device for generating an electromagnetic alternating field, which is used to excite the sensor component and/or the medium. The introduction of alternating fields can be used to carry out typical excitation-query sequences known from NMR spectroscopy, such as the spin-echo method or the so-called XY8N sequence, in which the magnetization of the nuclear spins is specifically adjusted and observed using the alternating field becomes. With the help of these sequences, rapidly changing magnetic fields can also be precisely detected by various components of the medium present in the area of the measuring device component. The alternating frequency antenna can be a microwave antenna, for example, and the alternating electromagnetic field can be a microwave signal.

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messvorrichtungskomponente einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle umfasst.One embodiment provides that the measuring device component includes a crystal body with at least one defect center or a gas cell.

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.One embodiment provides that the crystal body comprises a diamond with at least one nitrogen vacancy center, a silicon carbide with at least one silicon vacancy or a hexagonal boron nitride with at least one color vacancy center.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Gaszelle zumindest eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle umfasst.One embodiment provides that the gas cell comprises at least one cell enclosing a gaseous alkali metal.

Die Mikrowellenmessvorrichtung umfasst eine optische Anregungsvorrichtung zur optischen Anregung des optisch anregbaren Materials bzw. des Kristallkörpers oder der Gaszelle und eine Detektionseinheit zur Detektion eines Fluoreszenzsignals des Kristallkörpers oder der Gaszelle, welches mit dem auf die magnetfeldsensitive Messvorrichtung, insbesondere das optisch anregbare Material wirkenden Magnetfeld korreliert. Optional können Filter und Spiegel sowie weitere optische Elemente eingesetzt werden, um ein Anregungslicht zum Kristallkörper oder zur Gaszelle und/oder das Fluoreszenzsignal hin zur Detektionseinheit zu lenken. Der Kristallkörper wird mit dem frequenzabhängigen Mikrowellensignal beaufschlagt, welches durch eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung erzeugt wird. Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass derartige Messsysteme sehr kompakt realisierbar sind und sich einfach in die Mikrowellenmessvorrichtung integrieren lassen. Weiterhin ist vorteilhaft, dass sich mit den erfindungsgemäßen magnetfeldsensitive Messvorrichtungen, insbesondere Kristallkörpern, bereits sehr geringe Magnetfelder bzw. Magnetfeldänderungen detektieren lassen.The microwave measuring device comprises an optical excitation device for optically exciting the optically excitable material or the crystal body or the gas cell and a detection unit for detecting a fluorescence signal from the crystal body or the gas cell, which correlates with the magnetic field acting on the magnetic field-sensitive measuring device, in particular the optically excitable material. Optionally, filters and mirrors as well as other optical elements can be used to direct an excitation light to the crystal body or to the gas cell and/or the To direct fluorescence signal towards the detection unit. The crystal body is exposed to the frequency-dependent microwave signal, which is generated by a magnetic field-sensitive measuring device. The advantage of the configuration is that such measuring systems can be implemented in a very compact manner and can be easily integrated into the microwave measuring device. Furthermore, it is advantageous that even very small magnetic fields or magnetic field changes can be detected with the magnetic field-sensitive measuring devices according to the invention, in particular crystal bodies.

Eine Ausgestaltung umfasst:

  • - eine magnetfelderzeugende Vorrichtung, insbesondere einen Permanentmagneten, zum Erzeugen eines zeitlich konstanten Magnetfeldes.
An embodiment includes:
  • - A magnetic field generating device, in particular a permanent magnet, for generating a temporally constant magnetic field.

Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist dazu ausgestaltet, eine Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums zu induzieren. Dafür ist die magnetfelderzeugende Vorrichtung dazu eingerichtet ein, insbesondere statisches, Magnetfeld zumindest in einem Bereich des Mediums und im Bereich der Sensoreinheit zu erzeugen.The magnetic field generating device is designed to induce a preferential polarization of the nuclear spins of the medium. For this purpose, the magnetic field generating device is set up to generate a, in particular static, magnetic field at least in one area of the medium and in the area of the sensor unit.

Alternativ ist es auch möglich, eine Laserquelle und/oder Mikrowellenantenne an Stelle der magnetfelderzeugende Vorrichtung vorzusehen und somit eine Vorzugspolarisation in den Elektronspins der Sensorkomponente zu induzieren und diese Vorzugspolarisation der Elektronenspins anschließend auf die Kernspins des Mediums zu übertragen. Als Laserquelle kann insbesondere die optische Anregungsvorrichtung eingesetzt werden. Die Mikrowellenantenne kann sowohl zur Induktion einer Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums als auch zur Anregung des optisch anregbaren Materials eingesetzt werden.Alternatively, it is also possible to provide a laser source and/or microwave antenna instead of the magnetic field generating device and thus to induce a preferred polarization in the electron spins of the sensor component and then to transfer this preferred polarization of the electron spins to the nuclear spins of the medium. In particular, the optical excitation device can be used as the laser source. The microwave antenna can be used both to induce a preferred polarization of the nuclear spins of the medium and to excite the optically excitable material.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfeldes dazu eingerichtet ist, einen Radiowellen-Puls in das Medium zu strahlen.One embodiment provides that the device for generating the alternating electromagnetic field is set up to emit a radio wave pulse into the medium.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfeldes eine Spule umfasst, welche dazu eingerichtet ist, ein kontinuierliches und zeitlich veränderliches Magnetfeld im Medium zu erzeugen.One embodiment provides that the device for generating the alternating electromagnetic field comprises a coil which is set up to generate a continuous and time-varying magnetic field in the medium.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, Verunreinigungen in Form von organischem Kohlenstoff im Medium, insbesondere im Wasser, zu detektieren.One embodiment provides that the evaluation circuit is set up to detect impurities in the form of organic carbon in the medium, in particular in the water.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, nitrathaltige Verunreinigungen im Medium, insbesondere im Wasser, zu detektieren.One embodiment provides that the evaluation circuit is set up to detect nitrate-containing impurities in the medium, in particular in the water.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, metallhaltige, insbesondere bleihaltige Verunreinigungen oder Fremdkörper im Medium, insbesondere im Wasser, zu detektieren.One embodiment provides that the evaluation circuit is set up to detect impurities containing metal, in particular contamination containing lead, or foreign bodies in the medium, in particular in the water.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, Verunreinigungen in Form von Wasser im Medium zu detektieren.One embodiment provides that the evaluation circuit is set up to detect impurities in the form of water in the medium.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messanordnung eine Vorrichtung zum Ermitteln eines pH-Wertes des Mediums umfasst,
wobei die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, das Vorliegen der Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit des ermittelten pH-Wertes zu bestimmen.One embodiment provides that the measuring arrangement includes a device for determining a pH value of the medium,
wherein the evaluation circuit is set up to determine the presence of impurities or foreign bodies in the medium as a function of the determined pH value.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant;
  • 2: einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung der Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern; und
  • 3: einen Längsschnitt durch die weitere Ausgestaltung der Messanordnung.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
  • 1 : a simplified energy scheme for a negatively charged NV center in diamond;
  • 2 : a longitudinal section through an embodiment of the measuring arrangement with a device according to the invention for the analysis of impurities or foreign bodies; and
  • 3 : a longitudinal section through the further configuration of the measuring arrangement.

In 1 ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (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.In 1 A simplified energy scheme for a negatively charged nitrogen vacancy (NV) center in diamond is shown to exemplify the excitation and fluorescence of a vacancy in a crystalline body. The following considerations can be transferred to other crystal bodies with corresponding defects.

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. In Abwesenheit eines externen Magnetfelds tritt eine Aufspaltung der beiden Zustände ms = +/-1 von dem Grundzustand ms = 0 auf, welche als Nullfeldaufspaltung Δ bezeichnet wird und welche abhängig von der Temperatur T ist.In diamond, each carbon atom is typically covalently bonded to four other carbon atoms. A nitrogen vacancy center (NV center) consists of a defect in the diamond lattice, i.e. an unoccupied lattice site, and a nitrogen atom as one of the four neighboring atoms. In particular, the negatively charged NV - centers are important for the excitation and evaluation of fluorescence signals. In the energy scheme of a negatively charged NV center there is a triplet ground state 3 A and an excited triplet state 3 E, each of which has three magnetic substates m s = 0, ±1. Furthermore, there are two metastable singlet states 1 A and 1 E between the ground state 3 A and the excited state 3 E. In the absence of an external magnetic field, a splitting of the two states m s = +/-1 from the ground state m s = occurs 0, which is called the zero field splitting Δ and which depends on the temperature T.

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. Dieses Fluoreszenzsignal ist ein Maß für die Nullfeldaufspaltung Δ und kann zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T herangezogen werden.Excitation light 1 from the green range of the visible spectrum, e.g. excitation light 1 with a wavelength of 532 nm, excites an electron from the ground state 3A into a vibrational state of the excited state 3E, which emits a fluorescence photon 2 with a wavelength of 630 nm returns to the ground state 3A. This fluorescence signal is a measure of the zero field splitting Δ and can be used to determine and/or monitor the temperature T.

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. Die Magnetfeldstärke B wird durch die Kernspins des Mediums 4 modifiziert oder ergibt sich aus diesen.An applied magnetic field with a magnetic field strength B leads to a splitting (Zeeman splitting) of the magnetic sub-states, so that the ground state consists of three energetically separated sub-states, each of which can be excited. However, the intensity of the fluorescence signal depends on the respective magnetic substate from which the excitation took place, so that the distance between the fluorescence minima can be used, for example, to calculate the magnetic field strength B using the Zeeman formula. The magnetic field strength B is modified by the nuclear spins of the medium 4 or results from them.

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. Alternativ können wie bereits beschrieben verschiedene Anrege-Abfragesequenzen zur gezielten Kontrolle und Manipulation der Kernspins eingesetzt werden. Neben diesen Beispielen zur Auswertung des Fluoreszenzsignals sind noch weitere Möglichkeiten vorhanden, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.Further options for evaluating the fluorescence signal are provided within the scope of the present invention, such as evaluating the intensity of the fluorescent light, which is also proportional to the applied magnetic field. An electrical evaluation, in turn, can be carried out, for example, via photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR for short). Alternatively, as already described, various excitation-interrogation sequences can be used for the targeted control and manipulation of the nuclear spins. In addition to these examples for evaluating the fluorescence signal, there are other options which also fall within the scope of the present invention.

2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung der Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium auf der Basis einer Messung von magnetischen Kernspinresonanzen mit einer detaillierteren Darstellung der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3. Die Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern umfasst ein Gehäuse 12, das mediumsberührend in einer Öffnung eines Behälters 5 zum Führen eines fließfähigen Mediums angeordnet ist. Im Gehäuse 12 ist zumindest die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist ebenfalls die Auswerteschaltung 4 in dem Gehäuse 12 untergebracht. Die Auswerteschaltung 4 kann sich jedoch auch außerhalb des Gehäuses 12 befinden und mit der magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 über ein Kabel oder kabellos kommunizieren. Die Auswerteschaltung 4 ist dazu eingerichtet, das Vorliegen von Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen. Dafür macht es sich zunutze, dass die Kernspins der Verunreinigungen oder der Fremdkörper das Detektionssignal beeinflussen. Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 umfasst eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material 11, welches in Wirkung mit einem Mikrowellensignal stehen kann, welches eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst. Optional wird die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 mikrowellenfrei betrieben. Das optisch anregbare Material 11 ist zumindest teilweise im Bereich einer Wandung des Behälters 5 angeordnet. Außerdem umfasst die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 eine optische Anregungsvorrichtung 7, die dazu eingerichtet ist, das optisch anregbare Material optisch 11 anzuregen und eine optische Detektionsvorrichtung 10, die dazu eingerichtet ist, ein Detektionssignal bereitzustellen, welches mit einem vom optisch anregbaren Material 11 emittierten Fluoreszenzsignales, insbesondere Licht, korreliert. Das optisch anregbare Material 11 umfasst zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, wobei es sich bei dem Kristallkörper um einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum handelt. Dabei kann das optisch anregbare Material 11 auch als eine Beschichtung mit einer Vielzahl von Kristallkörpern ausgebildet sein. Alternativ kann das optisch anregbare Material 11 eine Gaszelle aufweisen, die als eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle ausgebildet ist. Die optische Anregungsvorrichtung 7 und/oder die optische Detektionsvorrichtung 10 können im Bereich der Wandung oder außerhalb des Behälters 5 angeordnet sein. In der abgebildeten Ausgestaltung ragt lediglich die Auswerteschaltung 4 nicht in den Behälter hinein oder schließt mit der Wandung des Behälters ab. 2 shows a longitudinal section through an embodiment of the measuring arrangement with a device according to the invention for analyzing impurities or foreign bodies in a flowable medium based on a measurement of magnetic nuclear spin resonances with a more detailed representation of the magnetic field-sensitive measuring device 3. The device for analyzing impurities or foreign bodies comprises a housing 12, which is arranged in contact with the medium in an opening of a container 5 for guiding a flowable medium. At least the magnetic field-sensitive measuring device 3 is arranged in the housing 12 . In the embodiment shown, the evaluation circuit 4 is also housed in the housing 12 . However, the evaluation circuit 4 can also be located outside the housing 12 and can communicate with the magnetic field-sensitive measuring device 3 via a cable or wirelessly. The evaluation circuit 4 is set up to determine the presence of impurities or foreign bodies in the medium as a function of the detection signal. To do this, it makes use of the fact that the nuclear spins of the impurities or foreign bodies influence the detection signal. The magnetic field-sensitive measuring device 3 includes a measuring device component with an optically excitable material 11, which can interact with a microwave signal that includes a sequence of high-frequency signals. Optionally, the magnetic field-sensitive measuring device 3 is operated without microwaves. The optically excitable material 11 is at least partially arranged in the area of a wall of the container 5 . In addition, the magnetic field-sensitive measuring device 3 comprises an optical excitation device 7, which is set up to optically excite the optically excitable material 11, and an optical detection device 10, which is set up to provide a detection signal which corresponds to a fluorescence signal emitted by the optically excitable material 11, in particular light, correlated. The optically excitable material 11 comprises at least one crystal body with at least one defect, the crystal body being a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center. In this case, the optically excitable material 11 can also be in the form of a coating with a large number of crystal bodies. Alternatively, the optically excitable material 11 can comprise a gas cell, which is designed as a cell enclosing at least one gaseous alkali metal. The optical excitation device 7 and/or the optical detection device 10 can be arranged in the area of the wall or outside of the container 5 . In the embodiment shown, only the evaluation circuit 4 does not protrude into the container or closes with the wall of the container.

Die Auswerteschaltung 4 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Verunreinigungen in Form von organischem Kohlenstoff im Medium, insbesondere im Trinkwasser, zu detektieren. Es sind Anwendungen bekannt, in denen die Anwesenheit von organischen Kohlenstoffen im Medium die Qualität des Produktes verschlechtern. Organische Kohlenstoffe weisen Kohlenstoff und Sauerstoff auf. Sauerstoff hat keinen Kernspin und lässt sich somit nicht mittels der magnetfeldsensitive Messvorrichtung detektieren. Kohlenstoff und oxidierter Kohlenstoff lassen sich jedoch detektieren. Liegt mindestens eines von beiden vor, so kann dies durch eine Kunststoffverunreinigung, die insbesondere durch einen Kunststoff-Fremdkörper hevorgerufen ist, hervorgerufen sein.The evaluation circuit 4 is preferably set up to detect impurities in the form of organic carbon in the medium, in particular in drinking water. Applications are known in which the presence of organic carbon in the medium degrades the quality of the product. Organic carbons include carbon and oxygen. Oxygen has no nuclear spin and therefore cannot be detected using the magnetic field-sensitive measuring device. leave carbon and oxidized carbon however, detect themselves. If at least one of the two is present, this can be caused by plastic contamination, which is caused in particular by a plastic foreign body.

Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteschaltung 4 dazu eingerichtet sein, nitrathaltige Verunreinigungen im Medium, insbesondere im Trinkwasser zu detektieren.Alternatively or additionally, the evaluation circuit 4 can be set up to detect nitrate-containing impurities in the medium, in particular in drinking water.

Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteschaltung 4 dazu eingerichtet sein, metallhaltige, insbesondere bleihaltige, Verunreinigungen oder Fremdkörper im Medium, insbesondere im Trinkwasser, zu detektieren.Alternatively or additionally, the evaluation circuit 4 can be set up to detect metal-containing, in particular lead-containing, impurities or foreign bodies in the medium, in particular in drinking water.

Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteschaltung 4 dazu eingerichtet sein, Verunreinigungen in Form von Wasser im Medium zu detektieren.Alternatively or additionally, the evaluation circuit 4 can be set up to detect impurities in the form of water in the medium.

Ebenfalls im Gehäuse angeordnet ist eine Vorrichtung 8 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes zum Anregen einer Vorzugspolarisation von Kernspins im Medium. Die Vorrichtung 8 zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfeldes umfasst in der abgebildeten Ausgestaltung eine Spule, welche dazu eingerichtet ist, ein kontinuierliches und zeitlich veränderliches Magnetfeld im Medium zu erzeugen. Dafür wird sie mit einer Betriebsschaltung betrieben. Alternativ kann die Vorrichtung 8 zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfeldes dazu eingerichtet sein, einen Radiowellen-Puls in das Medium zu strahlen. Eine Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines zeitlich konstanten Magnetfeldes ist außerhalb des Gehäuses und des Inneren des Behälters 5 an der Außenwandung angeordnet. Alternativ kann die Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines zeitlich konstanten Magnetfeldes auch im Gehäuse, insbesondere in unmittelbarer Nähe zum Medium, angeordnet sein. Die Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines zeitlich konstanten Magnetfeldes ist dazu eingerichtet ein zeitlich konstantes Magnetfeld zu erzeugen. Sie kann eine Spule und/oder einen Permanentmagneten umfassen.Also arranged in the housing is a device 8 for generating an electromagnetic alternating field for exciting a preferred polarization of nuclear spins in the medium. In the configuration shown, the device 8 for generating the electromagnetic alternating field comprises a coil which is set up to generate a continuous and time-varying magnetic field in the medium. For this purpose, it is operated with an operating circuit. Alternatively, the device 8 for generating the alternating electromagnetic field can be set up to emit a radio wave pulse into the medium. A device 2 for generating a time-constant magnetic field is arranged outside the housing and inside the container 5 on the outer wall. Alternatively, the device 2 for generating a temporally constant magnetic field can also be arranged in the housing, in particular in the immediate vicinity of the medium. The device 2 for generating a magnetic field that is constant over time is set up to generate a magnetic field that is constant over time. It can comprise a coil and/or a permanent magnet.

Die 3 zeigt einen Längsschnitt durch die weitere Ausgestaltung der Messanordnung. Die Messanordnung umfasst einen Behälter 5 zum Führen eines fließfähigen Mediums und zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 1, 6 zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern, die am Behälter 5 mediumsberührend angeordnet sind. Zusätzlich zu den zwei Vorrichtungen 1, 6 ist eine Vorrichtung 9 zum Ermitteln eines pH-Wertes des Mediums ebenfalls mediumsberührend in einer Öffnung des Behältnisses angeordnet. Eine mit den Vorrichtungen 1, 6, 9 in Komunikation stehende Auswerteschaltung 4 ist dazu eingerichtet, das Vorliegen der Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit des ermittelten pH-Wertes zu bestimmen.The 3 shows a longitudinal section through the further configuration of the measuring arrangement. The measuring arrangement comprises a container 5 for carrying a free-flowing medium and two devices 1, 6 according to the invention for analyzing impurities or foreign bodies, which are arranged on the container 5 in contact with the medium. In addition to the two devices 1, 6, a device 9 for determining a pH value of the medium is also arranged in contact with the medium in an opening of the container. An evaluation circuit 4, which is in communication with the devices 1, 6, 9, is set up to determine the presence of impurities or foreign bodies in the medium as a function of the pH value determined.

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Claims (13)

Vorrichtung zur Analyse von Verunreinigungen oder Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium auf der Basis einer Messung von magnetischen Kernspinresonanzen, umfassend: - eine Vorrichtung (8) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes zum Anregen einer Vorzugspolarisation von Kernspins im Medium; - eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung (3) zum Bestimmen eines mit einer Präzession der Kernspins korrelierenden Magnetfeldes, umfassend: -- eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material (11); -- eine optische Anregungsvorrichtung (7), die dazu eingerichtet ist das optisch anregbare Material (11) optisch anzuregen; und -- eine optische Detektionsvorrichtung (10), die dazu eingerichtet ist ein Detektionssignal bereitzustellen, welches mit einem vom optisch anregbaren Material (11) emittierten Fluoreszenzsignal korreliert; - eine Auswerteschaltung (4), die dazu eingerichtet ist, das Vorliegen von Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen.Apparatus for analyzing contaminants or foreign bodies in a flowable medium based on a measurement of nuclear magnetic resonance, comprising: - A device (8) for generating an electromagnetic alternating field for exciting a preferential polarization of nuclear spins in the medium; - a magnetic field-sensitive measuring device (3) for determining a magnetic field correlating with a precession of the nuclear spins, comprising: -- a measuring device component with an optically excitable material (11); -- an optical excitation device (7) which is set up to optically excite the optically excitable material (11); and -- an optical detection device (10) which is set up to provide a detection signal which correlates with a fluorescence signal emitted by the optically excitable material (11); - an evaluation circuit (4) which is set up to determine the presence of impurities or foreign bodies in the medium as a function of the detection signal. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Messvorrichtungskomponente einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle umfasst. Device according to the previous claim, wherein the measuring device component comprises a crystalline body with at least one defect center or a gas cell. Vorrichtung nach dem Anspruch 2, wobei 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.device after claim 2 wherein the crystalline body comprises a diamond having at least one nitrogen vacancy center, a silicon carbide having at least one silicon vacancy, or a hexagonal boron nitride having at least one vacancy color center. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Gaszelle zumindest eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle umfasst.device after claim 2 wherein the gas cell comprises at least one cell confining a gaseous alkali metal. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - eine Vorrichtung (2) zum Erzeugen eines zeitlich konstanten Magnetfeldes, insbesondere einen Permanentmagneten.Device according to at least one of the preceding claims, comprising: - A device (2) for generating a temporally constant magnetic field, in particular a permanent magnet. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (8) zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfeldes dazu eingerichtet ist, einen Radiowellen-Puls in das Medium zu strahlen.Device according to at least one of the preceding claims, wherein the device (8) for generating the alternating electromagnetic field is set up to emit a radio wave pulse into the medium. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung (8) zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfeldes eine Spule umfasst, welche dazu eingerichtet ist, ein kontinuierliches und zeitlich veränderliches Magnetfeld im Medium zu erzeugen. Device according to at least one of Claims 1 until 5 , wherein the device (8) for generating the alternating electromagnetic field comprises a coil which is set up to generate a continuous and time-varying magnetic field in the medium. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, Verunreinigungen in Form von organischem Kohlenstoff im Medium, insbesondere im Wasser, zu detektieren.Device according to at least one of the preceding claims, wherein the evaluation circuit (4) is set up to detect impurities in the form of organic carbon in the medium, in particular in the water. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, nitrathaltige Verunreinigungen im Medium, insbesondere im Wasser zu detektieren.Device according to at least one of the preceding claims, wherein the evaluation circuit (4) is set up to detect nitrate-containing impurities in the medium, in particular in the water. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, metallhaltige, insbesondere bleihaltige Verunreinigungen oder Fremdkörper im Medium, insbesondere im Wasser zu detektieren.Device according to at least one of the preceding claims, wherein the evaluation circuit (4) is set up to detect metal-containing, in particular lead-containing impurities or foreign bodies in the medium, in particular in the water. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, Verunreinigungen in Form von Wasser im Medium zu detektieren.Device according to at least one of the preceding claims, wherein the evaluation circuit (4) is set up to detect impurities in the form of water in the medium. Messanordnung in einer Prozessanlage, umfassend: - ein Behälter (5) zum Führen eines fließfähigen Mediums; und - mindestens zwei Vorrichtungen (1, 6) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei Vorrichtungen (1, 6) am Behälter (5) angeordnet sind. Measuring arrangement in a process plant, comprising: - A container (5) for guiding a flowable medium; and - at least two devices (1, 6) according to at least one of the preceding claims, wherein the at least two devices (1, 6) are arranged on the container (5). Messanordnung nach Anspruch 12, umfassend: - eine Vorrichtung (9) zum Ermitteln eines pH-Wertes des Mediums, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, das Vorliegen der Verunreinigungen oder Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit des ermittelten pH-Wertes zu bestimmen.measurement arrangement claim 12 , comprising: - a device (9) for determining a pH value of the medium, wherein the evaluation circuit (4) is set up to determine the presence of impurities or foreign bodies in the medium as a function of the determined pH value.
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