DE102021134246A1

DE102021134246A1 - Mikrowellenmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102021134246A1
Application number: DE102021134246.5A
Authority: DE
Inventors: Anne Habermehl; Wolfgang Drahm; Raphael Kuhnen; Christof Huber
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117258A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenmessvorrichtung, umfassend:- ein Messrohr (1) zum Führen des Mediums;- eine erste Mikrowellenantenne (2), die dazu eingerichtet ist, ein insbesondere veränderliches Mikrowellensignal zu erzeugen und in das Medium einzustrahlen; und- zumindest eine erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung (3) zum Bestimmen eines Magnetfeldes, umfassend:-- eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material (11),wobei das Mikrowellensignal in Wirkung mit dem optisch anregbaren Material (11) steht;-- 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 Licht korreliert;- eine Auswerteschaltung (4), die dazu eingerichtet ist ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenmessvorrichtung zum Ermitteln eines Feststoffanteils in einem Medium und mindestens einer weiteren physikalischen und/oder chemischen Größe des Mediums.
Mittels Mikrowellen lassen sich die physikalischen Größen Permittivität, sowie Verlustfaktor eines Mediums in einer Prozessleitung ermitteln. Aus diesen beiden Größen - gemessen entweder bei einer oder über viele unterschiedliche Frequenzen - lassen sich Rückschlüsse auf anwendungsspezifische Parameter ziehen, beispielsweise auf den Anteil von Wasser in einem Gemisch aus Wasser und anderen nicht oder wenig polaren Komponenten.
Die etablierte Transmissions-/Reflexionsmessung ist beschrieben in L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V. K. Varadan - „Microwave Electronics, Measurement and Materials Characterization“, John Wiley & Sons Ltd., 2004. Hierfür wird das Mikrowellensignal an zwei unterschiedlichen Positionen an das Medium in einem Behälter bzw. Messrohr angekoppelt, die Streuparameter (Transmission und ggfs. Reflexion) zwischen diesen Ankoppelstrukturen gemessen und aus den gemessenen Streuparametern auf die genannten physikalischen Eigenschaften des Mediums zurückgerechnet.
Die WO 2018/121927 A1 lehrt eine Messanordnung zur Analyse von Eigenschaften eines strömenden Mediums mittels Mikrowellen. Dabei weist die Messanordnung zusätzlich zu den Mikrowellenantennen eine elektrisch isolierende Auskleidungsschicht an der inneren Mantelfläche des Messrohres auf. Diese Auskleidungsschicht bildet einen dielektrischen Wellenleiter über den ein Mikrowellensignal zumindest anteilig von einer ersten Mikrowellenantenne zu einer zweiten Mikrowellenantenne gelangen kann. Eine Anwendung für eine derartige Messanordnung ist die Bestimmung von Feststoffanteilen im zu führenden Medium.
Eine neuere Entwicklung im Bereich der Sensorik stellen sogenannte Quantensensoren dar, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen ausgenutzt 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.
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, NMR Gyroskope oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren.
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 einer 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.
Aus der DE 10 2017 205 099 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, einer Lichtquelle, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal, und einer Detektionseinheit zur Detektion eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Die Lichtquelle ist auf einem ersten Substrat und die Detektionseinrichtung auf einem zweiten Substrat angeordnet, während die Hochfrequenzeinrichtung und der Kristallkörper auf beiden, miteinander verbundenen Subtraten angeordnet sein können. Als Messgrößen kommen externe Magnetfelder, elektrische Ströme, eine Temperatur, mechanischen Spannung oder ein Druck in Frage. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE 10 2017 205 265 A1 bekannt geworden.
Die DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Magnetfeldern, wobei das Sensorelement eine Diamantstruktur mit zumindest einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum aufweist.
Die DE 10 2018 214 617 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung, welche ebenfalls einen Kristallkörper mit einer Anzahl von Farbzentren, bei welcher zur Steigerung der Effektivität und zur Miniaturisierung verschiedene optische Filterelemente verwendet werden.
Aus der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2020 123 993.9 ist eine Sensorvorrichtung bekannt geworden, welche anhand eines Fluoreszenzsignals eines Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle eine Prozessgröße eines Mediums auswertet. Zudem wird anhand einer für das Magnetfeld charakteristischen Größe, wie beispielsweise der magnetischen Permeabilität oder magnetischen Suszeptibilität, eine Zustandsüberwachung des jeweiligen Prozesses durchgeführt. Aus der ebenfalls bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2021 100223.0 ist darüber hinaus ein Grenzstandsensor bekannt geworden, bei welchem anhand der Fluoreszenz eine Aussage über einen Grenzstand ermittelt wird.
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.
Die US 10 184 796 B2 offenbart darüber hinaus ein atomares Gyroskop in Chipgröße, bei welchem eine Gaszelle zur Bestimmung des Magnetfelds zum Einsatz kommt. Ein optisch gepumptes Magnetometer basierend auf einer Gaszelle ist aus der US 9 329 152 B2 bekannt. Durch Manipulation der atomaren Zustände in Gaszellen lassen sich weitere Anwendungsfelder von Gaszellen erschließen. So beschreibt die JP 4066804 A2 den Einsatz von Gaszellen zur Bestimmung absoluter Weglängen. Darüber hinaus werden Gaszellen auch als Ausgangspunkt für Mikrowellenquellen eingesetzt, wie in der EP 1 224 709 B1 beschrieben.
Viele aus dem Stand der Technik bekannte Messprinzipien erlauben eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich seiner magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden sowohl invasive Messgeräte, bei welchem die jeweilige Sensoreinheit in direkten Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird, als auch nicht-invasive Messgeräte, bei welchem die Prozessgröße außerhalb des Behälters 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 möglichen Störeinflüssen, beispielsweise durch die Behälterwandung oder die Umgebung, viele verschiedene Faktoren, insbesondere die Messgenauigkeit betreffend, berücksichtigt werden müssen.
Ein weiteres Bestreben besteht in der fortlaufenden Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren. So sind solche Sensoren wünschenswert, die eine umfassende Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich vieler unterschiedlicher physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften ermöglichen. Hinsichtlich magnetischer und/oder elektrischer Eigenschaften sind in diesem Zusammenhang präzise Einrichtungen zur Erfassung von Änderungen von magnetischen Feldern, magnetischen Feldern, und je nach Sensortyp ggf. auch Gravitationsfeldern erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das Messprinzip der Mikrowellentechnologie weiterzuentwickeln.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Mikrowellenmessvorrichtung nach Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Mikrowellenmessvorrichtung, insbesondere zum Ermitteln eines Feststoffanteils eines fließfähigen Mediums, umfassend:

- ein Messrohr zum Führen des Mediums;
- eine erste Mikrowellenantenne, die dazu eingerichtet ist, ein, insbesondere veränderliches, Mikrowellensignal zu erzeugen und in das Medium einzustrahlen; und
- zumindest eine erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung zum Bestimmen eines Magnetfeldes, umfassend:
- -- eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material, wobei das Mikrowellensignal in Wirkung mit dem optisch anregbaren Material steht;
- -- 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 Licht korreliert;
- eine Auswerteschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen.

Mikrowellenmessvorrichtung zum Ermitteln eines Feststoffanteils werden beispielsweise in Anwendungen zur Steuerung des Schlammabzuges in der Vor- oder Nachklärung, zur Optimierung des Verbrauchs von Flockungshilfsmitteln bei der Eindickung von Faulschlamm und/oder zur Optimierung der Entwässerung des Überschussschlammes eingesetzt. Dafür ist zumindest eine erste Mikrowellenantenne vorgesehen, um ein Mikrowellensignal in das zu führende und zu überwachende Medium einzustrahlen. Das emittierte Mikrowellensignal durchdringt das Medium und wird an der Innenwandung des Messrohres zurück zur ersten Mikrowellenantenne reflektiert und dort detektiert. In dem Fall ist die erste Mikrowellenantenne ebenfalls dazu eingerichtet, das reflektierte Mikrowellensignal zu messen. Mit Hilfe des reflektierten und detektierten Mikrowellensignals lässt sich der Feststoffanteil im Medium bestimmen. Alternativ kann eine weitere Mikrowellenantenne vorgesehen sein zum Detektieren des Mikrowellensignales der ersten Mikrowellenantenne.
Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Mediums zu ermitteln. In Abhängigkeit der ermittelten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Mediums kann ein korrigierter Feststoffanteil ermittelt werden. Das Mikrowellensignal kann zum einen zur Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums als auch zur Anregung des optisch anregbaren Materials eingesetzt werden. Die optische Anregungsvorrichtung ist für das Anregen des optisch anregbaren Materials dazu eingerichtet, ein optisches Anregungssignal, insbesondere mit einer festen Frequenz, zu erzeugen. Die optische Detektionsvorrichtung ist dazu eingerichtet, dass von dem optisch anregbaren Material emittierte Fluoreszenzsignal zu detektieren und ein Detektionssignal bereitzustellen, welches die Intensität des Fluoreszenzsignales umfasst.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Mikrowellensignal eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst.
Dies erlaubt zum einen die Anwendung hochkomplexer Modelle - dank des breiten Spektrums an Frequenzen und dazugehörige Messsignalintensität - für die Bestimmung des Feststoffanteils und gleichzeitig die Ermittlung eines frequenzabhängigen Absorptionsspektrums an der optischen Detektionsvorrichtung.
Eine Ausgestaltung umfasst weiterhin:

- eine zweite Mikrowellenantenne, welche diametral zur ersten Mikrowellenantenne angeordnet ist, wobei die zweite Mikrowellenantenne dazu eingerichtet ist, das Mikrowellensignal zu empfangen.

Die zweite Mikrowellenantenne ist dazu eingerichtet, das emittierte Mikrowellensignal zu erfassen bzw. zu messen. Auf den Weg von der ersten Mikrowellenantenne zur zweiten Mikrowellenantenne propagiert das Mikrowellensignal durch das Medium und durch den etwaigen Feststoff im Medium. Die Auswerteschaltung ist dazu eingerichtet in Abhängigkeit von dem empfangenen Mikrowellensignal den Feststoffanteil im Medium zu bestimmen. Anhand der Signallaufzeit von Mikrowellen wird die Konzentration der Trockensubstanz im Medium ermittelt.
Eine Ausgestaltung umfasst weiterhin:

- zumindest eine zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtungen, wobei die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtungen und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung am Umfang des Messrohres beabstandet angeordnet sind.

Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass die zwei magnetfeldsensitiven Messvorrichtung die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums an zwei unterschiedliche Positionen im Messrohr überwachen können. So lässt sich ein erster Bereich - in dem sich z.B. typischerweise zuerst Belag bildet oder der Feststoff entlang bewegt - unabhängig von einem zweiten Bereich - der frei von Feststoffen ist - überwachen.
Eine Ausgestaltung umfasst weiterhin:

- eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Medium aufweist;
- eine Betriebsschaltung welche dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Betriebssignal in die magnetfelderzeugende Vorrichtung einzuspeisen, wobei das Betriebssignal derart ausgebildet ist, dass das mittels der magnetfelderzeugende Vorrichtung erzeugte Magnetfeld bewegliche Ladungsträger im Medium zu einer Bewegung anregt.

Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, eine Vorzugspolarisation der Kernspins in dem Medium zu induzieren und ein, insbesondere statisches, Magnetfeld zumindest in einem Bereich der jeweiligen magnetfeldsensitiven Messvorrichtung, insbesondere im Bereich des optisch anregbaren Materials, zu erzeugen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein Teil der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung, insbesondere die Messvorrichtungskomponente, in der zweiten Mikrowellenantenne integriert ist.
Somit kann z.B. der mediumsberührende Teil der zweiten Mikrowellenantenne mittels der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung überwacht werden. Eine Integration der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung in der zweiten Mikrowellenantenne hat zudem den Vorteil, dass zum einen die Intensität des Mikrowellensignals maximal ist und zum anderen auf eine weitere Öffnung im Messrohr verzichtet werden kann.
Alternativ kann auch ausschließlich die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung in der ersten Mikrowellenantenne integriert sein.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal eine elektrische Leitfähigkeit des Mediums zu bestimmen,
wobei das Detektionssignal mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger des Mediums erzeugten Magnetfeldes korreliert.
Die Ausgestaltung macht sich zu Nutze, dass die beweglichen Ladungsträger des Mediums durch ihre Bewegung auf Grund eines wechselnden, jedoch bekannten Magnetfeldes, wiederum ein Magnetfeld erzeugen. Durch das Messen des erzeugten Magnetfeldes mittels der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung lässt sich eine Leitfähigkeit des Mediums bestimmen. Die ermittelte Leitfähigkeit kann in die Ermittlung des korrigierten Feststoffanteils eingehen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abweichung des Detektionssignales von einem insbesondere veränderlichen Kriterium Fremdkörper im Medium zu detektieren.
Die Ausgestaltung macht sich zu Nutze, dass sich mittels der magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen bereits geringste Magnetfelder ermitteln lassen können. Somit können selbst kleinste magnetische oder metallische Partikel im Medium detektiert werden. Weiterhin können mit Hilfe einer magnetfelderzeugenden Vorrichtung Fremdkörper detektiert werden, die weder metallisch noch magnetisch sind. Kunststoff oder Keramik Fremdkörper im Medium stören das durch die Bewegung der beweglichen Ladungsträger im Medium erzeugte Magnetfeld. Diese Störung wird erfindungsgemäß mit der oder den magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen ermittelt und ausgehend von festgesetzten Kriterien lässt sich eine Aussage über die Präsenz eines Fremdkörpers machen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem von einem Kernspinresonanz des Mediums beeinflussten Detektionssignales eine chemische oder physikalische Eigenschaft des Mediums zu ermitteln.
Viele Atomkerne weisen einen von Null verschiedenen Kernspin und damit als rotierende Ladungsträger ein magnetisches Moment auf, so wie beispielsweise 1 H- oder 13 C-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. Gemäß der Ausgestaltung macht man sich die hohe Empfindlichkeit der ersten magnetfeldsensitive Messvorrichtung gegenüber der Magnetfelder im Medium zu Nutze, um somit die chemische oder physikalische Eigenschaft des Mediums zu ermitteln.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messrohr durch eine Messrohrebene in zwei Abschnitte eingeteilt ist,
wobei die erste Mikrowellenantenne und zumindest die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung in unterschiedlichen Abschnitten angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das optisch anregbare Material zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle oder zumindest eine Gaszelle aufweist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass 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.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Gaszelle um eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle handelt.
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.
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 Querschnitt durch eine erste Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung;
3: einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung;
4: einen Querschnitt durch eine dritte Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung;
5: einen Querschnitt durch eine vierte Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung;
6: einen Querschnitt durch eine fünfte Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung; und
7: einen Längsschnitt durch die erste Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung.

In 1 ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in einem Diamanten gezeigt, um die Anregung und die Fluoreszenz einer Fehlstelle in einem Kristallkörper beispielhaft zu erläutern. Die folgenden Überlegungen lassen sich auf andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen übertragen.
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 m_s = 0, ±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett-Zustände ¹A und ¹E zwischen dem Grundzustand ³A und dem angeregten Zustand ³E.
Durch Anregungslicht 201 aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht 201 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 202 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand ³A zurückkehrt. Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfeldstärke B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals vorgesehen, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche dem angelegten Magnetfeld ebenfalls proportional ist. Eine elektrische Auswertung wiederum kann beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl. kurz PDMR) erfolgen. Neben diesen Beispielen zur Auswertung des Fluoreszenzsignals sind noch weitere Möglichkeiten vorhanden, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
Die Anregung von Gaszellen ist nicht explizit gezeigt, jedoch führt auch bei Gaszellen die Anregung mit Licht einer definierten Wellenlänge zu einer Anregung eines Elektrons, wobei im Anschluss eine Aussendung eines Fluoreszenzlichts folgt. Beispielsweise wird die Intensität und/oder die Wellenlänge des ausgesandten Fluoreszenzlicht zur Bestimmung des Magnetfelds herangezogen.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung zum Ermitteln eines Feststoffanteils eines fließfähigen Mediums. Die Mikrowellenmessvorrichtung umfasst ein Messrohr 1 zum Führen des Mediums, eine erste Mikrowellenantenne 2, die dazu eingerichtet ist, ein insbesondere veränderliches, Mikrowellensignal zu erzeugen und in das Medium einzustrahlen und eine erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 zum Bestimmen eines Magnetfeldes, welche diametral zur ersten Mikrowellenantenne 2 angeordnet ist. Die erste Mikrowellenantenne 2 ist mediumsberührend in einer Öffnung im Messrohr 1 positioniert. Bei der ersten Mikrowellenantenne 2 kann es sich beispielsweise um eine Hohleiterantenne oder eine Planarantenne handeln. Das Messrohr 1 umfasst ein, insbesondere metallisches, Trägerrohr. Eine Auswerteschaltung 4 ist dazu eingerichtet, ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung in Abhängigkeit von einem Detektionssignal zu bestimmen. Die Auswerteschaltung 4 umfasst einen Mikroprozessor zum Verarbeiten des an der optischen Detektionsvorrichtung 10 bereitgestellten Detektionssignales und umfasst in der Regel eine Vielzahl von elektrischen bzw. elektromechanischen Einzelelementen (Batterie, Schalter, Anzeige, ...) zu einer funktionsgerechten Anordnung. Weiterhin ist die Auswerteschaltung 4 dazu eingerichtet, ein an der ersten Mikrowellenantenne 2 gemessenen Mikrowellensignales zu verarbeiten. Weiterhin ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Detektionssignales ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung zu bestimmen.
7 zeigt einen Längsschnitt durch die erste Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung mit einer detaillierteren Darstellung der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 umfasst eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material 11, welches in Wirkung mit dem Mikrowellensignal steht, welches eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst. Außerdem umfasst die erste 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 2 zeigt weiterhin eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Medium. Dabei kann die magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 eine Spule oder einen Permanentmagneten umfassen. Im Falle, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 eine Spule umfasst ist weiterhin eine Betriebsschaltung 9 vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Betriebssignal in die magnetfelderzeugende Vorrichtung 8, insbesondere in die Spule, einzuspeisen. Für die Induktion einer Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums ist eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 vorgesehen. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 erzeugt zumindest im Bereich der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung und im Bereich des optisch anregbaren Materials ein homogenes Magnetfeld.
Das Betriebssignal kann derart ausgebildet sein, dass das mittels der magnetfelderzeugende Vorrichtung 8 erzeugte Magnetfeld bewegliche Ladungsträger im Medium zu einer Bewegung anregt. Anhand der Bewegung der beweglichen Ladungsträger lässt sich zum Beispiel über die Auswerteschaltung 4 eine Leitfähigkeit des Mediums in Abhängigkeit von dem Detektionssignal bestimmen, da dieses mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger des Mediums erzeugten Magnetfeldes korreliert.
Alternativ kann die Auswerteschaltung 4 dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abweichung des Detektionssignales, von einem, insbesondere veränderlichen, Kriterium Fremdkörper im Medium zu detektieren.
Gemäß einer weiteren Alternative kann die Auswerteschaltung 4 dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem von einem Kernspinresonanz des Mediums beeinflussten Detektionssignales eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums zu ermitteln. Somit lassen sich die Zusammensetzung des Mediums und/oder geringste Verunreinigungen im Medium detektieren.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung. Die zweite Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung dadurch, dass mehr als nur eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung vorgesehen ist. Zusätzlich zur ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3 sind eine zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtungen 6 und eine dritte magnetfeldsensitive Messvorrichtung 12 jeweils in einer vorgesehenen Öffnung im Messrohr mediumsberührend angeordnet. Die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtungen 3, die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 6 und die dritte magnetfeldsensitive Messvorrichtung 12 sind am Umfang des Messrohres beabstandet angeordnet. Das Messrohr umfasst ein metallisches Trägerrohr 13 mit einem innenseitig angeordneten elektrisch isolierenden Liner 14. Das durch die erste Mikrowellenantenne 2 ausgesandte Mikrowellensignal propagiert durch das Medium hin zu den gegenüberliegend angeordneten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3, 6, 12, um dort eine Vorzugspolarisation in den Elektronspins der Sensorkomponente zu induzieren und diese Vorzugspolarisation der Elektronenspins anschließend auf die Kernspins der Probe zu übertragen. Wenn das Mikrowellensignal einen Frequenzbereich von vorzugsweise 0,3 bis 20 GHz, insbesondere von 1,8 bis 8,5 GHz und bevorzugt von 1,8 bis 3,0 GHz abdeckt, dann kann bei einem optischen Anregungssignal mit einer festen Frequenz ein frequenzabhängiges Absorptionsspektrum erzeugt werden, welches in Form des Detektionssignales an der optischen Detektionsvorrichtung bereitsgestellt wird. Mit Hilfe von Minima in der Intensität des Detektionssignales, insbesondere der Position der Minima lassen sich kleinste Magnetfelder oder Magnetfeldänderungen detektieren.
Es können auch mehr als drei magnetfeldsensitive Messvorrichtungen 3, 6, 12 vorgesehen sein. Außerdem können die magnetfeldsensitive Messvorrichtungen 3, 6, 12 ebenfalls in unmittelbarer Nähe zur erste Mikrowellenantenne 2 angeordnet sein. Siehe dazu die vierte Ausgestaltung der 5.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung. Die dritte Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung dadurch, dass zusätzlich zur ersten Mikrowellenantenne 2 eine zweite Mikrowellenantenne 5 in einer Öffnung im Messrohr eingesetzt ist. Die zweite Mikrowellenantenne 5 ist diametral zur ersten Mikrowellenantenne 2 angeordnet und dazu eingerichtet, das von der ersten Mikrowellenantenne 2 ausgesandte Mikrowellensignal zu empfangen. Die Auswerteschaltung (nicht abgebildet) ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des an der zweiten Mikrowellenantenne 5 empfangenen Mikrowellensignales einen Feststoffanteil des Mediums zu ermitteln. Zusätzlich kann das erzeugte und ausgesandte Mikrowellensignal in die Ermittlung des Feststoffanteils eingehen. Es können beide Mikrowellenantennen 2, 5 jeweils dazu eingerichtet sein, ein Mikrowellensignal auszusenden und/oder zu empfangen. Weiterhin umfasst die dritte Ausgestaltung zusätzlich zu der ersten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3 eine weitere zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 6. Diese ist diametral zur ersten magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 angeordnet. Beide magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen 3, 6 stehen in Wirkung der Mikrowellensignale der Mikrowellenantennen 2, 5, da diese ausgehend von der jeweiligen Mikrowellenantenne 2, 5 in alle Richtungen innerhalb des Messrohres propagieren. Eine Messrohrebene M schneidet das Messrohr und teilt es zumindest abschnittsweise in zwei im Wesentlichen volumenmäßig gleiche Abschnitte ein. Beide Abschnitte umfassen jeweils eine Mikrowellenantenne und eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung. Die beiden magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen weisen jeweils eine magnetfelderzeugende Vorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, lokal ein Magnetfeld zu erzeugen. Dieses kann konstant oder veränderlich sein. Die magnetfeldsensitive Messvorrichtungen sind jeweils mit der Auswerteschaltung elektrisch verbunden (nicht abgebildet). Diese ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der mittels der magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen ermittelten und bereitgestellten Detektionssignale eine ungefähre Position eines Fremdkörpers und/oder einen Grad einer Verunreinigung zu bestimmen.
Die 6 zeigt einen Querschnitt durch eine fünfte Ausgestaltung der Mikrowellenmessvorrichtung. Die fünfte Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung dadurch, dass zusätzlich zu der erste Mikrowellenantenne 2 eine zu ihr diametral angeordnete zweite Mikrowellenantenne 5 vorgesehen ist. Diese ist dazu eingerichtet, das durch die erste Mikrowellenantenne 2 emittierte Mikrowellensignal zu erfassen und gegebenenfalls ein eigenes Mikrowellensignal auszusenden. In zumindest einem Teil der zweiten Mikrowellenantenne 5 ist die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3, insbesondere deren Messvorrichtungskomponente bzw. das optisch anregbare Material 11 integriert. Dies kann beispielsweise so umgesetzt sein, dass eine Öffnung in der zweite Mikrowellenantenne 5 vorgesehen ist, in der die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 eingeführt ist. Alternativ kann auch eine zumindest abschnittsweise sacklochförmige Aufnahme in der zweite Mikrowellenantenne 5 vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste

1: Messrohr
2: erste Mikrowellenantenne
3: erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung
4: Auswerteschaltung
5: zweite Mikrowellenantenne
6: zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung
7: optische Anregungsvorrichtung
8: magnetfelderzeugende Vorrichtung
9: Betriebsschaltung
10: optische Detektionsvorrichtung
11: optisch anregbares Material
12: dritte magnetfeldsensitive Messvorrichtung
13: Trägerrohr
14: Liner

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/121927 A1 [0004]
DE 102017205099 A1 [0008]
DE 102017205265 A1 [0008]
DE 102014219550 A1 [0009]
DE 102018214617 A1 [0010]
DE 102020123993 [0011]
DE 102021100223 [0011]
EP 0550240 B1 [0013]
US 10184796 B2 [0014]
US 9329152 B2 [0014]
JP 4066804 A2 [0014]
EP 1224709 B1 [0014]

Claims

Mikrowellenmessvorrichtung, insbesondere zum Ermitteln eines Feststoffanteils eines fließfähigen Mediums, umfassend: - ein Messrohr (1) zum Führen des Mediums; - eine erste Mikrowellenantenne (2), die dazu eingerichtet ist, ein insbesondere veränderliches Mikrowellensignal zu erzeugen und in das Medium einzustrahlen; und - zumindest eine erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung (3) zum Bestimmen eines Magnetfeldes, umfassend: -- eine Messvorrichtungskomponente mit einem optisch anregbaren Material (11), wobei das Mikrowellensignal in Wirkung mit dem optisch anregbaren Material (11) steht; -- 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 Licht korreliert; - eine Auswerteschaltung (4), die dazu eingerichtet ist ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung in Abhängigkeit von dem Detektionssignal zu bestimmen.
Vorrichtung nach dem Anspruch 1, wobei das Mikrowellensignal eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - eine zweite Mikrowellenantenne (5), welche diametral zur ersten Mikrowellenantenne (2) angeordnet ist, wobei die zweite Mikrowellenantenne (5) dazu eingerichtet ist, das Mikrowellensignal zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem empfangenen Mikrowellensignal einen Festkörperanteil im Medium zu bestimmen.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - zumindest eine zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtungen (6), wobei die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtungen (3) und die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung (6) am Umfang des Messrohres (1) beabstandet angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (8) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Medium aufweist; - eine Betriebsschaltung (9) welche dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Betriebssignal in die magnetfelderzeugende Vorrichtung (8) einzuspeisen, wobei das Betriebssignal derart ausgebildet ist, dass das mittels der magnetfelderzeugende Vorrichtung (8) erzeugte Magnetfeld bewegliche Ladungsträger im Medium zu einer Bewegung anregt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der zweiten magnetfeldsensitiven Messvorrichtung (6), insbesondere die Messvorrichtungskomponente in der zweiten Mikrowellenantenne (5) integriert ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal eine elektrische Leitfähigkeit des Mediums zu bestimmen, wobei das Detektionssignal mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger des Mediums erzeugten Magnetfeldes korreliert.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abweichung des Detektionssignales von einem, insbesondere veränderlichen, Kriterium Fremdkörper im Medium zu detektieren.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (4) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem von einem Kernspinresonanz des Mediums beeinflussten Detektionssignales eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums zu ermitteln.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr (1) in einer Messrohrebene in zwei Abschnitte eingeteilt ist, wobei die erste Mikrowellenantenne (2) und zumindest die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung (3) in unterschiedlichen Abschnitten angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optisch anregbare Material (11) zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle oder zumindest eine Gaszelle aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei es sich bei der Gaszelle um eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle handelt.