EP4341648A1 - Remote sensoranordnung - Google Patents

Remote sensoranordnung

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Publication number
EP4341648A1
EP4341648A1 EP22728801.6A EP22728801A EP4341648A1 EP 4341648 A1 EP4341648 A1 EP 4341648A1 EP 22728801 A EP22728801 A EP 22728801A EP 4341648 A1 EP4341648 A1 EP 4341648A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
magnetic field
magnetic
sensor arrangement
medium
Prior art date
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Pending
Application number
EP22728801.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar FRÜHAUF
Florian Krogmann
Raphael KUHNEN
Pavo Vrdoljak
Peter KLÖFER
Benjamin Scherer
Sergey Lopatin
Anh Tuan Tham
Volker Frey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4341648A1 publication Critical patent/EP4341648A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9006—Details, e.g. in the structure or functioning of sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/36—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using magnetic elements, e.g. magnets, coils
    • G01K7/38—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using magnetic elements, e.g. magnets, coils the variations of temperature influencing the magnetic permeability
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
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    • G01R33/063—Magneto-impedance sensors; Nanocristallin sensors
    • G—PHYSICS
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1223—Measuring permeability, i.e. permeameters
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/16—Measuring susceptibility

Definitions

  • field devices In industrial process automation, a wide variety of field devices are used for monitoring and/or determining various process variables and/or parameters of a medium in a wide variety of configurations.
  • all measuring devices are referred to as field devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information, including remote I/Os, wireless adapters or general electronic components that are arranged at the field level.
  • a large number of such field devices are manufactured and sold by companies in the Endress + Hauser Group.
  • Non-invasive measuring devices in which the sensor unit is brought into direct contact with the respective medium
  • non-invasive measuring devices in which the process variable of the medium outside the container in which the medium is located
  • Non-invasive measuring devices basically offer the advantage that no intervention in the process is necessary.
  • such measuring devices have only been available to a limited extent so far, since many different factors have to be taken into account with regard to the achievable measuring accuracy and with regard to possible interference, for example due to the container wall or the environment. Nevertheless, a general aim is to use the measuring device used to intervene as little as possible in the respective process.
  • Another goal is the ongoing miniaturization while at the same time increasing the performance and expanding the area of application of the respective sensors.
  • such sensors are desirable that enable a comprehensive characterization of the respective medium with regard to many different process variables and/or parameters of the medium.
  • magnetic and/or electrical properties of the medium precise devices for detecting changes in magnetic and/or electrical fields and, depending on the sensor type, possibly also in gravitational fields are required in this context.
  • the present invention is based on the object of providing a sensor for characterizing media, in particular in industrial Process automation, by means of which high-precision measurements are possible with minimal intervention in the process.
  • a sensor arrangement for determining and/or monitoring a process variable and/or characteristic variable of a medium in a container comprising a sensor device, a magnetic field device and a detection device.
  • the magnetic field device is used to generate a magnetic field in such a way that the magnetic field penetrates at least the sensor device, the detection device and partially the medium.
  • the sensor device is in turn designed and/or arranged in such a way that at least one magnetic property of a component of the sensor device depends on the process variable and/or parameter and the magnetic field of the magnetic field device can be influenced by means of the sensor device depending on the process variable and/or parameter.
  • the detection device is designed to detect a variable related to the magnetic field, in particular the magnetic flux density, the magnetic susceptibility or the magnetic permeability, and to determine the process variable and/or parameter based on the variable related to the magnetic field and/or or to monitor.
  • the sensor device is arranged within an inner volume of the container and the detection device is arranged outside of the container.
  • the sensor arrangement according to the invention is thus designed in such a way that there is minimal intervention in the process.
  • the sensor device which is arranged in an inner volume of the container and is therefore in contact with the medium.
  • the detection device is arranged outside the container.
  • the magnetic field device can also be arranged outside the container.
  • an opening in a wall of the container is not required.
  • the sensor device can have either a single component or multiple components for which at least one magnetic property is dependent on the process variable and/or parameter. Different can
  • Components can be designed the same or different, in particular be made of the same or different materials. Combinations of different components are particularly advantageous with regard to the suppression of interfering external magnetic fields or with regard to the desired extension of the area of application of the respective sensor arrangement.
  • the sensor device can also be attached to an inner wall of the container, for example a container or a pipeline. Both a detachable and a non-detachable, in particular cohesive, attachment can be considered, which attachment can be produced in particular using suitable attachment means. However, the sensor device can also be integrated into the
  • the sensor device floats in the medium. It is also conceivable to integrate the sensor device into the wall of the container, in particular in such a way that the sensor device ends flush with the wall of the container.
  • the detection device can be attached to an outer wall of the container or arranged at a distance from it.
  • the detection device can also be part of a separate unit which can be brought into the vicinity of the container in each case in order to detect the process variable and/or characteristic variable of the medium.
  • the container is, for example, a container or a pipeline. It can also be a disposable container. Disposable process solutions or single-use technologies are being used to an increasing extent in many industrial processes, particularly in pharmaceutical, biological, biochemical or biotechnological processes. Corresponding process systems include pipelines or reactors that are designed as single-use containers (disposable bioreactor or single-use bioreactor or single-use component). Such disposable containers can be, for example, flexible containers, such as bags, hoses or fermenters. Some disposable containers, e.g. B. bioreactors or fermenters, have inlets and outlets, which can be designed as hoses, or in which solid pipe sections can be used as inlets and outlets.
  • An advantage of the single-use technology is that the disposable containers are disposed of after the end of a process. In this way, complex cleaning and sterilization processes are avoided. In particular, the use of disposable containers prevents the risk of cross-contamination and thus increases process reliability.
  • sensors in the field of single-use technology have to meet special requirements, for example, it is important to avoid feedthroughs to the environment, especially leaks. It is also customary to place the sensors used in the disposable container (invasive sensors), which makes coupling to the medium particularly easy to implement, but sensors attached to the container from the outside (non-invasive sensors) have the advantage that no Connection to the process is necessary and the sensors may be reusable and the sterility requirements can be fulfilled much more easily.
  • the senor device With the present solution, only the sensor device has to be introduced into the container.
  • the other components can be arranged outside of the container and are therefore advantageously reusable.
  • a connection from the interior volume of the container to the environment is not necessary, so that no leaks in the container can occur.
  • the magnetic field device comprises at least one coil and/or one permanent magnet.
  • a coil core in particular made of a material with high permeability, can also be present.
  • a component of the sensor device comprises a ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material has a phase transition from a paramagnetic state to a ferromagnetic state at a predeterminable phase transition temperature.
  • the ferromagnetic state is characterized by a tendency for the magnetic moments of the atoms of the material to be aligned in parallel.
  • the ferromagnetic material is, for example, a material such as cobalt, iron or nickel or one of their alloys. In particular, however, it can also be a nanocrystalline or amorphous material.
  • An alternative configuration of the sensor arrangement includes that a component of the sensor device comprises a magnetostrictive material.
  • a magnetostrictive material is characterized by a deformation of the material as a result of an applied magnetic field.
  • Joule magnetostriction which is understood to mean a change in length as a result of a change in magnetization
  • Villary effect which is also referred to as the inverse magnetostrictive effect, in which a change in mechanical stress leads to a change in magnetization
  • the Delta-E effect which is a change in
  • the magnetostrictive material is, for example, nickel or an iron alloy, in particular an alloy of cobalt and iron, an alloy of gallium and iron or galfenol, or an alloy of terbium, dysprosium and iron or terfenol.
  • a material with the highest possible permeability is preferably selected in order to maximize penetration of the sensor device by the magnetic field.
  • Both fixed magnetostrictive components and components made of a porous material can be used. In the case of a porous material, a mechanical deformation of the porous material can also be used to record the respective process variable and/or parameter.
  • the component of the sensor device comprises a ferrite material or a permanent magnet, the magnetic field of which depends on the process variable, for example the temperature of the medium.
  • the sensor device it is advantageous if it comprises a carrier or a membrane on which the component of the sensor device, in particular the ferromagnetic or magnetostrictive material, for example in
  • Form of a layer or an elongate element is applied, for example by means of a material connection.
  • the component can be joined to the carrier or the membrane.
  • the support or the membrane can be used to attach it to an inner wall of the container.
  • the carrier or the membrane is preferably made of a non-magnetic material, for example stainless steel, brass or aluminium. It is also advantageous if the component, which for this configuration preferably comprises a magnetostrictive material, is applied to the carrier or the membrane in such a way that there is a predeterminable, basic mechanical stress between the component and the carrier or the membrane. In this way, a sensor characteristic or the sensor behavior can be linearized.
  • the component of the sensor device comprises a magnetostrictive material which is applied to the carrier or the membrane
  • the carrier or the membrane and the magnetostrictive material have different thermal expansion coefficients.
  • This configuration is particularly suitable for detecting the temperature of the medium.
  • the temperature of the medium can therefore be determined using the Villary effect on the basis of the magnetic field.
  • a sensor device with a carrier or a membrane is also suitable for determining other process variables and/or characteristic variables of the medium, such as the pressure of the medium in the container.
  • a further refinement of the sensor device includes the component, the at least one magnetic property of which is dependent on the process variable and/or characteristic variable, being arranged in a housing.
  • the component can be a medium-tight encapsulation, in particular made of a non-magnetic material, z. B. stainless steel act.
  • compatibility with the respective medium can be achieved.
  • Such an embodiment is also advantageous in the case of a sensor device floating in the medium.
  • the detection device comprises a magnetic field sensor.
  • the magnetic field sensor serves to detect the magnetic field outside the container, which is influenced by the sensor device inside the container depending on the process variable and/or characteristic variable of the medium, or to detect the variable related to the magnetic field.
  • the detection device can also have a computing unit which is designed to determine the process variable and/or characteristic variable of the medium based on the variable related to the magnetic field.
  • the magnetic field sensor is a Hall sensor or a GMR sensor.
  • the magnetic field sensor is a quantum sensor.
  • Quantum sensors in which a wide variety of quantum effects are used to determine various physical and/or chemical measured variables, relate to various recent developments in the field of sensor technology. In the context of industrial process automation, such approaches are of particular interest with regard to increasing efforts towards miniaturization while at the same time increasing the performance, in particular the measuring accuracy, of the respective sensors.
  • Quantum sensors are based on the fact that certain quantum states of individual atoms or ensembles of 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 nanometer range possible.
  • 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.
  • different systems based on quantum-optical effects have also become known, such as, for example, quantum gravimeters, NMR gyroscopes or optically pumped magnetometers, the latter in particular being based on gas cells, among other things.
  • An embodiment of the magnetic field sensor in the form of a quantum sensor thus includes the magnetic field sensor being a gas cell.
  • Quantum sensors in the form of a gas cell are used to optically detect atomic transitions and spin states, for example to determine magnetic and/or electrical properties.
  • a gas cell typically includes a gaseous alkali metal and a buffer gas. Magnetic properties of a medium surrounding the gas cell can be determined using Rydberg states generated in the gas cell.
  • Gas cells are often used in quantum-based standards that record physical quantities with high precision, for example in frequency standards or atomic clocks, as known from EP 0 550 240 B1.
  • US Pat. No. 10,184,796 B2 describes a chip-sized atomic gyroscope in which a gas cell is used to determine the magnetic field.
  • An optically pumped magnetometer based on a gas cell is known from US Pat. No. 9,329,152 B2.
  • JP 4066804 A2 describes the use of gas cells to determine absolute path lengths.
  • gas cells are also called
  • the magnetic field sensor in the form of a quantum sensor means that the magnetic field sensor is a sensor comprising at least one crystal body with at least one defect.
  • spin-based quantum sensors atomic transitions in different crystal bodies are used to detect even small changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields.
  • diamond with at least one silicon or nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center is used as the crystal body.
  • the crystal bodies can have one or more defects. In the case of several defects, a linear arrangement of the defects is preferred.
  • DE 3742878 A1 discloses an optical magnetic field sensor in which a crystal is used as a magnetically sensitive optical component.
  • DE 10 2017205 099 A1 discloses a sensor device with a crystal body having at least one defect, a light source, a high-frequency device for applying a high-frequency signal to the crystal body, and a detection unit for detecting a magnetic-field-dependent fluorescence signal. Further sensors using defects in crystal bodies are described in DE 102017 205 265 A1, DE 10 2014 219 550 A1, DE 10 2018 214 617 A1, or DE 102016 210 259 A1.
  • a sensor device which uses a fluorescence signal from a crystal body with at least one defect to determine a process variable of a medium and which also uses a variable that is characteristic of the magnetic field to monitor the status of the respective medium
  • a limit level sensor is also known from the previously unpublished German patent application with the file number 10 2021 100223.0, in which a statement about a limit level is determined on the basis of the fluorescence.
  • the detection device with a quantum sensor with a crystal body with at least one defect, it is advantageous if the detection device also has an excitation unit for optically exciting the defect, a device for detecting a magnetic field-dependent fluorescence signal from the crystal body and an evaluation unit for determining the with the magnetic field related size based on the fluorescence signal.
  • the excitation unit for the optical excitation of the defect can be, for example, a laser or a light-emitting diode (LED).
  • the detector in turn, can be a photodetector or a CMOS sensor, for example.
  • the detection unit can have additional optical elements, such as various filters, lenses or mirrors.
  • the excitation unit and the detector can be arranged on the one hand in the area of the crystal body, or they can be spatially separated from the crystal body. In the second case, optical fibers can be present for conducting the excitation light and fluorescence signal.
  • the detection device can have a unit for exciting high-frequency or microwave radiation. This allows electrons to be excited to higher energy levels.
  • the evaluation unit for determining the variable related to the magnetic field using the fluorescence signal can include a lock-in amplifier and a modulator, by means of which modulator the magnetic field can be modulated, for example. This allows an evaluation of the fluorescence signal based on the frequency and, associated therewith, an evaluation that can be implemented in a simple manner, in particular with a reduced influence of interference signals.
  • the process variable is the temperature of the medium.
  • the temperature it is advantageous that only the sensor device is arranged inside the container. The sensor device thus always has good thermal contact with the medium.
  • no openings or windows are required within the container to record a temperature-dependent measurement signal.
  • the temperature is recorded without contact using the magnetic field influenced by the sensor device.
  • no heat conduction or heat flows from the environment need be taken into account for such a thermometer when determining the temperature.
  • the component of the sensor device comprises a ferromagnetic material.
  • the phase transition from the paramagnetic to the ferromagnetic state or vice versa does not occur abruptly at the phase transition temperature, but rather continuously within a phase transition temperature interval around the Curie temperature that is characteristic of the respective material.
  • a highly precise temperature determination can be made since a change in temperature results in a comparatively large change in magnetization, which in this case is taken as the quantity related to the magnetic field.
  • the component of the sensor device comprises a magnetostrictive material
  • an embodiment is advantageous in which different thermal expansion coefficients of the magnetostrictive material and an element that is firmly connected to the magnetostrictive material are used, such as when using a carrier or a membrane.
  • the quantity related to the magnetic field is the magnetic flux density, with the temperature being determined using the gyromagnetic ratio and the magnetic flux density.
  • the gyromagnetic ratio is defined as the proportionality factor between the spin of a particle and the magnetic moment and is not itself affected by temperature. Rather, the product of the gyromagnetic ratio and the magnetic flux density is influenced.
  • the process variable is the pressure of the medium.
  • a change in the pressure inside the container results, for example, in mechanical stress and/or deformation in the magnetostrictive material that is in contact with the medium, and an associated change in the magnetization or the magnetic field , which can be used to determine the pressure.
  • the Villary effect is used to record the pressure.
  • an embodiment of the sensor device in the form of a ceramic pressure measuring cell known from the prior art is also conceivable, on which a magnetostrictive material, for example in the form of a thin layer , is upset.
  • a change in pressure leads to a deflection of a membrane of the ceramic pressure measuring cell and, as a result, to tension in the magnetostrictive material as a result of the deformation.
  • a further embodiment of the sensor arrangement includes that the sensor arrangement, in particular the detection device, is designed to determine an influence of a wall of the container, in particular based on the thickness of the wall and/or based on the material from which the container is made, on the magnetic field record, and that the detection device is designed to take into account the influence of the wall of the container when determining and/or monitoring the process variable and/or parameter.
  • the sensor arrangement in particular the detection device, is designed to determine an influence of a wall of the container, in particular based on the thickness of the wall and/or based on the material from which the container is made, on the magnetic field record, and that the detection device is designed to take into account the influence of the wall of the container when determining and/or monitoring the process variable and/or parameter.
  • the present invention allows a process variable and/or characteristic variable of a medium to be detected through a wall of a container in which the medium is located. This does not require any openings or windows within the container.
  • the invention is based on the finding that a magnetic field, which is influenced by the respective process variable and/or characteristic variable of the medium using a suitable sensor arrangement, can be detected from outside the container, i.e. through the wall of the container.
  • the invention accordingly provides a high-performance, simple and robust structure for a sensor, which is particularly advantageously also low-maintenance.
  • the intervention in the process required for installing the same can advantageously be minimized, since only the sensor device has to be introduced into an inner volume of the container.
  • use of the sensor arrangement in a potentially explosive atmosphere is also readily possible and in particular without the need for auxiliary energy.
  • Fig. 4 a sensor arrangement according to the invention for determining the pressure of the medium
  • Fig. 5 A simplified energy scheme for a negatively charged NV center in diamond
  • FIG. 6 shows a schematic arrangement of a detection device for a quantum sensor with a crystal body with at least one defect.
  • the same elements are provided with the same reference symbols.
  • Fig. 1 shows a first, schematically illustrated embodiment for a sensor arrangement 1 according to the invention for determining and/or monitoring a process variable and/or characteristic variable of a medium M in a container 2.
  • the sensor device 3 is within the inner volume V of the container 2 (here in the form of a Container) arranged and attached to the inner wall of the container 2 Wdes.
  • the sensor device 3 includes a component 5, for which at least one magnetic property depends on the process variable and/or characteristic variable of the medium M, which is designed in the present case in the form of a thin, elongated element.
  • this component 5 can be an element made of a ferromagnetic or magnetostrictive material.
  • the component 5 is arranged on a carrier or a membrane 4 .
  • this is not absolutely necessary, which is why the carrier or the membrane is shown in dashed lines.
  • the sensor arrangement 1 also includes a magnetic field device 6 for generating a magnetic field B in the area of the sensor device 3, at least part of the medium M and in the area of the detection device 7.
  • the magnetic field B therefore penetrates the detection device 7, the sensor device 3 and the medium.
  • the magnetic field B is also influenced by the sensor device 3 or by the component 5, so that based on the detected or detected by the detection device 7 magnetic field B, or based on a detected or detected with the magnetic field B related variable, the Process variable and / or parameter of the medium M can be determined and / or monitored.
  • the detection device 7 and, for the example shown, also the magnetic field device 6 are arranged outside the container 2 .
  • FIG. 1 A further configuration for a sensor arrangement 1 according to the invention is shown in FIG.
  • the sensor device 3 arranged in a housing G, which is configured spherically here, floats in the medium.
  • the magnetic field is dependent on location, which can be taken into account in this way in the case of a floating sensor device.
  • the sensor arrangement 1, in particular the detection device 7, is advantageously designed to determine an influence of the wall W of the container on the detected magnetic field B, in particular based on a thickness of the wall and/or based on the material from which the container 2 is made and to be taken into account when determining and/or monitoring the process variable and/or parameter.
  • suitable reference curves or calculation rules for example for different materials of the containers 2 , can be stored in the detection device 7 , in particular in a computing unit of the detection device 7 .
  • FIG. 3 shows a sensor arrangement 1 according to the invention, which serves to detect the temperature T of the medium in the example shown here.
  • the sensor device 3 comprises a magnetostrictive material 5 applied to a carrier 4a, which is applied in the form of a layer to the carrier 4a and attached to the wall W of the container from the inside.
  • the carrier 4a and the magnetostrictive material 5 have different thermal expansion coefficients, so that a temperature change in the medium leads to mechanical stress in the sensor device 3, which in turn results in a changed magnetization of the magnetostrictive material 5 and, as a result, a change in the magnetic field B
  • the magnetic field device 6 includes here, for example, a permanent magnet 8 and a coil 9 with a core 9a, which consists of two L-shaped elements.
  • the detection device 7 which comprises a magnetic field sensor 10 and a computing unit 11 , is arranged in a gap between the two elements of the core 9a.
  • the magnetic field sensor 10 can be a Hall sensor, a GMR sensor or a quantum sensor, for example.
  • the temperature T of the medium can be determined, for example, in the computing unit using the gyromagnetic ratio as the variable related to the magnetic field B.
  • a further possibility for temperature determination with a sensor arrangement according to the invention arises when using a ferromagnetic material as component 5 of the sensor device 3, in which at least one magnetic property depends on the process variable and/or characteristic variable of the medium M, i.e. the temperature T.
  • the sensor arrangement 1 can be constructed analogously to the configuration shown in FIG. 3 .
  • the sensor arrangement according to the invention can also be used to determine other process variables and/or characteristic variables of the medium M, as illustrated by way of example for the case of a determination of the pressure p of the medium in FIG. 4 .
  • the Magnetic field device 6 and the detection unit 7 are designed as for the variant shown in FIG.
  • Particularly advantageous configurations of the present sensor arrangement relate to detection devices 7 in which magnetic field sensors 8 in the form of a quantum sensor 12 are used. These are characterized by great compactness with very high performance and precision.
  • the use of magnetic field sensors 8 in the form of quantum sensors 12 is explained below by way of example using a quantum sensor 12 in the form of a sensor 14 comprising at least one crystal body 15 with at least one defect.
  • NV center a nitrogen vacancy center
  • the negatively charged NV centers are important for the excitation and evaluation of fluorescence signals.
  • An applied magnetic field with a magnetic field density 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.
  • the intensity of the fluorescence signal LF depends on the respective magnetic substate from which the excitation was made, so that based on the distance of the Fluorescence minima, for example, the magnetic field density B can be calculated using the Zeeman formula.
  • exemplary detection device 7 for use with such a quantum sensor 10 in the form of a sensor 14 with a crystal body 15 with a defect is finally shown in Fig. 6.
  • the detection device 7 has an excitation unit 16 for generating the excitation light LA , and a device 17 for detecting the magnetic-field-dependent fluorescence signal LF from the crystal body 15.
  • the detection device 7 has an evaluation unit 18 for determining the variable related to the magnetic field B using the fluorescence signal LF.
  • Evaluation unit 18 in addition to a lock-in amplifier 19, a control/processing unit 20 and a modulator 21 for modulating the magnetic field of the magnetic field device.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend eine Sensorvorrichtung (3), eine Magnetfeld-Vorrichtung (6), und eine Detektionsvorrichtung (7), wobei die Magnetfeld-Vorrichtung (6) zur Erzeugung eines Magnetfelds (B) dient derart, dass das Magnetfeld (B) zumindest die Sensorvorrichtung (3), die Detektionsvorrichtung (7) und teilweise das Medium (M) durchdringt, wobei die Sensorvorrichtung (3) derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass zumindest eine magnetische Eigenschaft einer Komponente (5) der Sensorvorrichtung (3) von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig und das Magnetfeld (B) der Magnetfeld-Vorrichtung (6) vermittels der Sensorvorrichtung (3) in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße beinflussbar ist, wobei die Detektionsvorrichtung (7) dazu ausgestaltet ist, eine mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehende Größe, insbesondere die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Permeabilität, zu erfassen und anhand der mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße zu bestimmen und/oderzu überwachen, und wobei die Sensorvorrichtung (3) innerhalb eines Innenvolumens (V) des Behältnisses (2) und die Detektionsvorrichtung (7) außerhalb des Behältnisses (2) angeordnet ist.

Description

Remote Sensoranordnung
In der industriellen Prozessautomatisierung kommen unterschiedlichste Feldgeräte zur Überwachung und/oder Bestimmung verschiedener Prozessgrößen und/oder Kenngrößen eines Mediums in unterschiedlichsten Ausgestaltungen zum Einsatz. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden im Prinzip alle Messgeräte als Feldgerät bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
Viele aus dem Stand der Technik bekannte, verschiedenen Feldgeräten zugrundeliegende Messprinzipien erlauben eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich seiner magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden sowohl invasive Messgeräte, bei welchem die Sensoreinheit in direkten Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird, als auch nicht invasive Messgeräte, bei welchem die Prozessgröße des Mediums außerhalb des Behälters, in welchem sich das Medium befindet, erfasst wird, verwendet. Nicht invasive Messgeräte bieten grundsätzlich den Vorteil, dass kein Eingriff in den Prozess notwendig ist. Allerdings sind derartige Messgeräte bisher nur begrenzt verfügbar, da hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit und hinsichtlich möglicher Störeinflüsse, beispielsweise durch die Behälterwandung oder die Umgebung, viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden müssen. Dennoch liegt ein allgemeines Bestreben darin, mittels des jeweils verwendeten Messgeräts so wenig wie möglich in den jeweiligen Prozess einzugreifen.
Ein weiteres Bestreben besteht in der fortlaufenden Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit und Erweiterung des Anwendungsbereichs der jeweiligen Sensoren. Insbesondere sind solche Sensoren wünschenswert, die eine umfassende Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich vieler unterschiedlicher Prozessgrößen und/oder Kenngrößen des Mediums ermöglichen. Bezüglich magnetischer und/oder elektrischer Eigenschaften des Mediums sind in diesem Zusammenhang beispielsweise präzise Einrichtungen zur Erfassung von Änderungen von magnetischen und/oder elektrischen Feldern und je nach Sensortyp ggf. auch von Gravitationsfeldern erforderlich.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Charakterisierung von Medien, insbesondere in der industriellen Prozessautomatisierung, bereitzustellen, mittels bei minimalem Eingriff in den Prozess hochpräzise Messungen möglich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend eine Sensorvorrichtung, eine Magnetfeld-Vorrichtung, und eine Detektionsvorrichtung.
Die Magnetfeld-Vorrichtung dient zur Erzeugung eines Magnetfelds derart, dass das Magnetfeld zumindest die Sensorvorrichtung, die Detektionsvorrichtung und teilweise das Medium durchdringt. Die
Sensorvorrichtung ist wiederum derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass zumindest eine magnetische Eigenschaft einer Komponente der Sensorvorrichtung von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig und das Magnetfeld der Magnetfeld- Vorrichtung vermittels der Sensorvorrichtung in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße beinflussbar ist. Die Detektionsvorrichtung ist dazu ausgestaltet, eine mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe, insbesondere die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Permeabilität, zu erfassen und anhand der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße zu bestimmen und/oderzu überwachen. Dabei ist die Sensorvorrichtung innerhalb eines Innenvolumens des Behältnisses und die Detektionsvorrichtung außerhalb des Behältnisses angeordnet. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist somit derart ausgestaltet, dass ein minimaler Eingriff in den Prozess erfolgt. Eine Wechselwirkung mit dem Medium erfolgt lediglich vermittels der Sensorvorrichtung, welche in einem Innenvolumen des Behältnisses angeordnet und somit in Kontakt mit dem Medium ist. Die Detektionsvorrichtung ist dagegen außerhalb des Behältnisses angeordnet. Auch die Magnetfeld-Vorrichtung kann außerhalb des Behältnisses angeordnet sein. Vorteilhaft ist eine Öffnung in einer Wandung des Behältnisses nicht erforderlich.
Die Sensorvorrichtung kann sowohl über eine einzige als auch über mehrere Komponenten verfügen, für welche zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig ist. Dabei können verschiedene
Komponenten gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein, insbesondere aus demselben oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Kombinationen verschiedener Komponenten sind insbesondere hinsichtlich der Unterdrückung störender externer Magnetfelder oder hinsichtlich gewünschter Erweiterung des Anwendungsbereichs der jeweiligen Sensoranordnung vorteilhaft. Die Sensorvorrichtung kann zudem an einer Innenwandung des Behältnisses, beispielsweise ein Behälter oder eine Rohrleitung, befestigt sein. Dabei kommt sowohl eine lösbare als auch eine nicht lösbare, insbesondere stoffschlüssige, Befestigung in Betracht, welche Befestigung insbesondere unter Verwendung geeigneter Befestigungsmittel herstellbar ist. Die Sensorvorrichtung kann aber auch in das
Innenvolumen des Behältnisses eingebracht sein, ohne dieselbe an einer Wandung zu befestigen. In diesem Falle schwimmt die Sensorvorrichtung in dem Medium. Auch eine Integration der Sensorvorrichtung in die Wandung des Behältnisses, insbesondere derart, dass die Sensorvorrichtung frontbündig mit der Wandung des Behältnisses abschließt, ist denkbar.
Die Detektionsvorrichtung kann einerseits an einer Außenwandung des Behältnisses befestigt oder davon beabstandet angeordnet sein. Insbesondere kann die Detektionsvorrichtung auch Teil einer separaten Einheit sein, welche zur Erfassung der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums jeweils in die Nähe des Behältnisses bringbar ist.
Bei dem Behältnis handelt sich beispielsweise um einen Behälter oder eine Rohrleitung. Es kann sich ebenfalls um ein Einweg-Behälter handeln. Einweg-Prozesslösungen bzw. Single-Use-Technologien kommen in vielen industriellen Prozessen, insbesondere in pharmazeutischen, biologischen, biochemischen oder biotechnologischen Prozessen in zunehmendem Maße zum Einsatz. Entsprechende Prozessanlagen umfassen Rohrleitungen oder Reaktoren, die als Einweg-Behälter (engl.: disposable bzw. disposable bioreactor oder single-use bioreactor bzw. single-use component) ausgestaltet sind. Solche Einweg-Behälter können beispielsweise flexible Behälter, z.B. Beutel, Schläuche oder Fermenter, sein. Manche Einweg-Behälter, z. B. Bioreaktoren oder Fermenter, besitzen Zu- und Ableitungen, die als Schläuche ausgestaltet sein können, oder in welche als Zu- und Ableitungen auch feste Rohrstücke eingesetzt werden können. Ein Vorteil der Single-Use Technologie besteht darin, dass nach Beendigung eines Prozesses die Einweg-Behälter jeweils entsorgt werden. Auf diese Weise werden aufwändige Reinigungs- und Sterilisationsverfahren vermieden. Insbesondere wird durch den Einsatz von Einweg-Behältern das Risiko von Kreuzkontaminationen verhindert und damit die Prozesssicherheit erhöht. Auf der anderen Seite sind an Sensoren im Bereich der Single-Use-Technologie besondere Anforderungen zu stellen, beispielsweise gilt es, Durchführungen zur Umgebung, insbesondere Undichtigkeiten, zu vermeiden. So ist es zwar auch üblich, die verwendeten Sensoren in den Einweg-Behälter einzubringen (invasive Sensoren), was eine Kopplung zum Medium besonders einfach realisierbar macht, jedoch haben von außen am Behälter befestigte Sensoren (nicht-invasive Sensoren) den Vorteil, dass keine Verbindung zum Prozess notwendig ist und die Sensoren ggf. mehrfach verwendbar sind und die Anforderungen an die Sterilität wesentlich einfacher erfüllt werden können. Durch die vorliegende Lösung muss lediglich die Sensor-Vorrichtung in das Behältnis eingebracht werden. Die weiteren Komponenten können außerhalb des Behältnisses angeordnet sein und sind damit vorteilhaft wiederverwendbar. Zudem ist eine Verbindung vom Innenvolumen des Behälters zur Umgebung nicht notwendig, so dass keine Undichtigkeiten des Behältnisses entstehen können.
In einer Ausgestaltung umfasst die Magnetfeld-Vorrichtung zumindest eine Spule und/oder einen Permanentmagneten. Zudem kann auch ein Spulenkern, insbesondere aus einem Material mit einer hohen Permeabilität, vorhanden sein. Es ist einerseits möglich, ein zeitlich im Wesentlichen konstantes Magnetfeld anzulegen. Es ist aber ebenfalls möglich, dass Magnetfeld, insbesondere hinsichtlich einer Frequenz und/oder Amplitude, zu modulieren. Eine derartige Modulation ist insbesondere vorteilhaft zur Reduktion des Einflusses von Störsignalen.
Eine Ausgestaltung der Sensoranordnung beinhaltet, dass eine Komponente der Sensorvorrichtung ein ferromagnetisches Material umfasst. Das ferromagnetische Material weist bei einer vorgebbaren Phasenübergangstemperatur einen Phasenübergang von einem paramagnetischen Zustand in einen ferromagnetischen Zustand auf. Der ferromagnetische Zustand ist durch die Tendenz einer parallelen Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome des jeweiligen Materials gekennzeichnet.
Bei dem ferromagnetischen Material handelt es sich beispielsweise um Werkstoffe wie Cobalt, Eisen, oder Nickel oder eine ihrer Legierungen. Insbesondere kann es sich aber auch um einen nanokristallinen oder amorphen Werkstoff handeln.
Eine alternative Ausgestaltung der Sensoranordnung beinhaltet, dass eine Komponente der Sensorvorrichtung ein magnetostriktives Material umfasst. Ein magnetostriktives Material zeichnet sich durch eine Deformation des Materials infolge eines angelegten Magnetfelds aus. In diesem Zusammenhang wird zwischen der Joule-Magnetostriktion, unter welcher eine Längenänderung infolge einer Änderung der Magnetisierung verstanden wird, dem Villary- Effekt, der auch als inverser magnetostriktiver Effekt bezeichnet wird, bei dem also eine Änderung der mechanischen Spannung zur Änderung der Magnetisierung führt, und dem Delta-E-Effekt, welcher eine Änderung des
Elastizitätsmoduls infolge einer Änderung der Magnetisierung beschreibt, unterschieden.
Bei dem magnetostriktiven Material handelt es sich beispielsweise um Nickel oder eine Eisenlegierung, insbesondere eine Legierung aus Kobalt und Eisen, um eine Legierung aus Gallium und Eisen bzw. Galfenol, oder um eine Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen bzw. Terfenol. Vorzugsweise wird ein Material mit möglichst hoher Permeabilität gewählt, um eine Durchdringung der Sensorvorrichtung durch das Magnetfeld zu maximieren. Es kommen sowohl feste magnetostriktive Komponenten als auch solche Komponenten in Frage, welche aus einem porösen Stoff bestehen. Im Falle eines porösen Werkstoffes kann insbesondere auch eine mechanische Verformung des porösen Werkstoffs zur Erfassung der jeweiligen Prozessgröße und/oder Kenngröße ausgenutzt werden.
In weiteren alternativen Ausgestaltungen umfasst die Komponente der Sensorvorrichtung ein Ferritmaterial, oder einen Permanentmagneten, dessen Magnetfeld von der Prozessgröße, beispielsweise der Temperatur des Mediums, abhängig ist.
Es ist bezüglich der Sensorvorrichtung von Vorteil, wenn diese einen Träger oder eine Membran umfasst, auf welchem/welcher die Komponente der Sensorvorrichtung, insbesondere das ferromagnetische oder magnetostriktive Material, beispielsweise in
Form einer Schicht oder eines länglichen Elements, aufgebracht ist, beispielsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung. Insbesondere kann die Komponente mit dem Träger oder der Membran gefügt sein. Vermittels des Trägers oder der Membran kann in diesem Falle beispielsweise eine Befestigung an einer Innenwandung des Behältnisses erfolgen.
Der Träger oder die Membran sind vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise Edelstahl, Messing, oder Aluminium gefertigt. Es ist zudem von Vorteil, wenn die Komponente, welche für diese Ausgestaltung vorzugsweise ein magnetostriktives Material umfasst, derart auf dem Träger oder der Membran aufgebracht sind, dass eine vorgebbare, mechanische Grundspannung, zwischen der Komponente und dem T räger oder der Membran besteht. Auf diese Weise kann eine Linearisierung einer Sensorcharakteristik, bzw. des Sensorverhaltens, durchgeführt werden.
Im Falle, dass die Komponente der Sensorvorrichtung ein magnetostriktives Material umfasst, welches auf dem T räger oder die Membran aufgebracht ist, ist es ferner von Vorteil, wenn der Träger oder die Membran und das magnetostriktive Material unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere zur Erfassung der Temperatur des Mediums. Infolge einer Änderung der Temperatur des Mediums kommt es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers oder der Membran und des magnetostriktiven Materials zu einer mechanischen Spannung des magnetostriktiven Materials und damit einhergehend zu einer Änderung der Magnetisierung, welche wiederum das angelegte Magnetfeld beeinflusst. Es kann also anhand des Magnetfelds die Temperatur des Mediums unter Ausnutzung des Villary-Effekts ermittelt werden.
Eine Sensorvorrichtung mit einem T räger oder einer Membran eignet sich aber auch für die Bestimmung anderer Prozessgrößen und/oder Kenngrößen des Mediums, wie zum Beispiel den Druck des Mediums in dem Behältnis.
Eine weitere Ausgestaltung der Sensorvorrichtung beinhaltet, dass die Komponente, deren zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig ist, in einem Gehäuse angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich um eine mediumsdichte Kapselung, insbesondere aus einem nichtmagnetischen Material, z. B. Edelstahl, handeln. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kompatibilität zum jeweiligen Medium erreicht werden. Eine derartige Ausgestaltung ist ferner vorteilhaft im Falle einer im Medium schwimmenden Sensorvorrichtung.
In einer Ausgestaltung der Sensoranordnung umfasst die Detektionsvorrichtung einen Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor dient der Detektion des Magnetfelds außerhalb des Behältnisses, welches durch die Sensorvorrichtung im Inneren des Behältnisses in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums beeinflusst wird, bzw. zur Erfassung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe. Zudem kann die Detektionsvorrichtung auch noch über eine Recheneinheit verfügen, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums zu ermitteln. Bei dem Magnetfeldsensor handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor.
In einer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen Quantensensor. Quantensensoren, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen ausgenutzt werden, betreffen verschiedene neuere Entwicklungen im Bereich der Sensorik. Im Zusammenhang mit der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit, insbesondere der Messgenaugkeit, der jeweiligen Sensoren interessant.
Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome oder Ensembles von Atomen sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen 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 Kristall körpern 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.
So beinhaltet eine Ausgestaltung des Magnetfeldsensors in Form eines Quantensensors, dass es sich bei dem Magnetfeldsensor um eine Gaszelle handelt. Bei einem
Quantensensor in Form einer Gaszelle werden atomare Übergänge sowie Spinzustände u.a. zur Bestimmung magnetischer und/elektrischer Eigenschaften optisch detektiert. Eine Gaszelle umfasst typischerweise ein gasförmiges Alkalimetall sowie ein Puffergas. Magnetische Eigenschaften eines die Gaszelle umgebenden Mediums können vermittels in der Gaszelle erzeugter Rydbergzustände bestimmt werden.
Gaszellen kommen oft in quantenbasierten Standards, welche physikalische Größen mit hoher Präzision erfassen, beispielsweise in Frequenzstandards bzw. Atomuhren, wie aus EP 0 550 240 B1 bekannt, zum Einsatz. In US 10 184 796 B2 ist darüber hinaus ein atomares Gyroskop in Chipgröße, bei welchem eine Gaszelle zur Bestimmung des Magnetfelds zum Einsatz kommt, beschrieben worden. Ein optisch gepumptes Magnetometer basierend auf einer Gaszelle ist aus US 9 329 152 B2 bekannt. Durch Manipulation der atomaren Zustände in Gaszellen lassen sich weitere Anwendungsfelder von Gaszellen erschließen. So beschreibt JP 4066804 A2 den Einsatz von Gaszellen zur Bestimmung absoluter Weglängen. Darüber hinaus werden Gaszellen auch als
Ausgangspunkt für Mikrowellenquellen eingesetzt, wie in EP 1 224 709 B1 beschrieben.
Eine alternative Ausgestaltung des Magnetfeldsensors in Form eines Quantensensors beinhaltet, dass es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen Sensor umfassend zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle handelt. Bei derartigen Spin-basierten Quantensensoren werden atomare Übergänge in verschiedenen Kristall körpern ausgenutzt, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einer Silizium- oder Stickstoff-Fehlstelle, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich ein oder mehrere Fehlstellen aufweisen. Im Falle von mehreren Fehlstellen ist eine lineare Anordnung der Fehlstellen bevorzugt. In diesem Zusammenhang ist aus DE 3742878 A1 beispielsweise ein optischer Magnetfeldsensor bekannt geworden, bei welchem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird. Aus DE 10 2017205 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 einer magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Weitere Sensoren unter Verwendung von Fehlstellen in Kristallkörpern sind in DE 102017 205 265 A1 , DE 10 2014 219 550 A1 , DE 10 2018 214 617 A1 , oder DE 102016 210 259 A1 beschrieben.
Aus der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2020 123 993.9 ist zudem eine Sensorvorrichtung bekannt geworden, welche anhand eines Fluoreszenzsignals eines Kristallkörpers mit zumindest einer Fehlstelle eine Prozessgröße eines Mediums bestimmt und bei welcher zudem anhand einer für das Magnetfeld charakteristischen Größe eine Zustandsüberwachung des jeweiligen
Prozesses durchgeführt wird. 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.
Bezüglich der Detektionsvorrichtung mit einem Quantensensor mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle ist es von Vorteil, wenn die Detektionsvorrichtung zudem eine Anregeeinheit zur optischen Anregung der Fehlstelle, eine Vorrichtung zur Detektion eines magnetfeldabhängigen, Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals umfasst.
Bei der Anregeeinheit zur optischen Anregung der Fehlstelle kann es sich beispielsweise um einen Laser oder eine Leuchtdiode (LED) handeln. Bei dem Detektor wiederum kann es sich beispielsweise um einen Photodetektor oder einen CMOS-Sensor handeln. Zudem kann die Detektionseinheit über weitere optische Elemente verfügen, wie beispielsweise verschiedene Filter, Linsen oder Spiegel. Die Anregeeinheit und der Detektor können einerseits im Bereich des Kristallkörpers angeordnet sein, oder räumlich von dem Kristallkörper getrennt sein. Im zweiten Fall können Lichtleitfasern zur Leitung des Anregungslichts und Fluoreszenzsignals vorhanden sein.
Zudem kann die Detektionsvorrichtung eine Einheit zur Anregung von Hochfrequenz oder Mikrowellenstrahlung aufweisen. Dies ermöglicht die Anregung von Elektronen in höhere Energieniveaus. Auch hinsichtlich der Auswerteeinheit zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals sind verschiedene Varianten denkbar. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit einen Lock-In-Verstärker und einen Modulator umfassen, mittels welchem Modulator beispielsweise das Magnetfeld modulierbar ist. Dies erlaubt eine Auswertung des Fluoreszenzsignals anhand der Frequenz und damit einhergehend eine auf einfache Art und Weise realisierbare Auswertung, insbesondere mit reduziertem Einfluss von Störsignalen.
In einer Ausgestaltung der Sensoranordnung handelt es sich bei der Prozessgröße um die Temperatur des Mediums. Hinsichtlich der Temperatur ist es von Vorteil, dass lediglich die Sensorvorrichtung innerhalb des Behältnisses angeordnet ist. Die Sensorvorrichtung weist somit stets einen guten thermischen Kontakt mit dem Medium auf. Es sind zudem zur Erfassung eines temperaturabhängigen Messsignals keinerlei Öffnungen oder Fenster innerhalb des Behältnisses erforderlich. Die Erfassung der Temperatur erfolgt berührungslos anhand des durch die Sensorvorrichtung beeinflussten Magnetfelds. Vorteilhaft ist für ein derartiges Thermometer keine Wärmeleitung bzw. Wärmeströme aus der Umgebung bei der Bestimmung der Temperatur zu berücksichtigen. Ebenso kommt es nicht zu einem unerwünschten Energieeintrag von der Umgebung in das jeweilige Behältnis hinein.
Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Temperatur ist es in einer Ausgestaltung denkbar, dass die Komponente der Sensorvorrichtung ein ferromagnetisches Material umfasst. Typischerweise erfolgt der Phasenübergang vom paramagnetischen in den ferromagnetischen Zustand oder umgekehrt nicht sprunghaft bei der Phasenübergangstemperatur, sondern vielmehr kontinuierlich innerhalb eines für das jeweilige Material charakteristischen Phasenübergangs-Temperaturintervalls um die Curie-Temperatur herum. Innerhalb des Phasenübergangs-Temperaturintervalls kann eine hochpräzise Temperaturbestimmung durchgeführt werden, da eine Änderung der Temperatur zu einer vergleichsweise großen Änderung der Magnetisierung führt, welche in diesem Falle als die mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe herangezogen wird.
Im Falle, dass die Komponente der Sensorvorrichtung dagegen ein magnetostriktives Material umfasst, ist wiederum eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei welchem unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des magnetostriktiven Materials und einem Element, welches mit dem magnetostriktiven Material fest verbunden ist, ausgenutzt werden, wie beispielswiese bei Verwendung eines Trägers oder einer Membran. Hinsichtlich der Bestimmung der Temperatur des Mediums ist es zudem von Vorteil, wenn es sich bei der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe um die magnetische Flussdichte handelt, wobei die Temperatur anhand bzw. mit Hilfe des gyromagnetischen Verhältnisses und der magnetischen Flussdichte bestimmt wird. Das gyromagnetische Verhältnis ist definiert als Proportionalitätsfaktor zwischen dem Spin eines Teilchens und dem magnetischen Moment und wird selbst nicht durch die Temperatur beeinflusst. Beeinflusst wird vielmehr das Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis und der magnetischen Flussdichte. Ein Einfluss der Temperatur kommt demnach ausschließlich durch die das Magnetfeld beeinflussende Sensorvorrichtung zustande, so dass eine Auswertung des Magnetfelds hinsichtlich der Temperatur mit Hilfe des gyromagnetischen Verhältnisses auf eindeutige Art und Weise möglich ist. Dies führt zu einer besonders hohen Messgenauigkeit.
In einerweiteren Ausgestaltung der Sensoranordnung handelt es sich bei der Prozessgröße um den Druck des Mediums. Durch eine Änderung des Drucks innerhalb des Behältnisses kommt es im Falle einer Sensoranordnung mit einer magnetostriktiven Komponente beispielsweise zu einer mechanischen Spannung und/oder Deformation in dem mit dem Medium in Kontakt stehenden magnetostriktiven Material, und damit einhergehend zu einer Änderung der Magnetisierung bzw. des Magnetfelds, welches zur Ermittlung des Drucks heranziehbar ist. Auch in diesem Falle wird der Villary-Effekt zur Erfassung des Drucks herangezogen.
Im Falle, dass es sich um eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drucks eines Mediums handelt, ist auch eine Ausgestaltung der Sensorvorrichtung in Form einer an sich aus dem Stand der Technik bekannten keramischen Druckmesszelle denkbar, auf welche ein magnetostriktives Material, beispielsweise in Form einer dünnen Schicht, aufgebracht ist. In diesem Falle führt eine Druckänderung zu einer Auslenkung einer Membran der keramischen Druckmesszelle und damit einhergehend zu einer Spannung des magnetostriktiven Materials infolge der Verformung.
Eine weitere Ausgestaltung der Sensoranordnung beinhaltet schließlich, dass die Sensoranordnung, insbesondere die Detektionsvorrichtung dazu ausgestaltet ist, einen Einfluss einer Wandung des Behältnisses, insbesondere anhand einer Dicke der Wandung und/oder anhand des Materials, aus welchem das Behältnis gefertigt ist, auf das Magnetfeld zu erfassen, und dass die Detektionsvorrichtung dazu ausgestaltet ist, den Einfluss der Wandung des Behältnisses bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße und/oder Kenngröße zu berücksichtigen. Auf diese Weise können Einflüsse unterschiedlicher Materialien und unterschiedliche Dicken unterschiedlicher Behältnisse auf das Magnetfeld, welche insbesondere zu einer vom Behältnis abhängigen Dämpfung des Magnetfelds im Inneren des Behältnisses führen, berücksichtigt werden, was ebenfalls zu einer erhöhten Messgenauigkeit führt.
Zusammenfassend erlaubt die vorliegende Erfindung die Erfassung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums durch eine Wandung eines Behältnisses, in welchem sich das Medium befindet, hindurch. Hierzu sind keinerlei Öffnungen oder Fenster innerhalb des Behältnisses erforderlich. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das ein Magnetfeld, welches mittels einer geeigneten Sensoranordnung durch die jeweilige Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums beeinflusst wird, von außerhalb des Behältnisses, d.h. durch die Wandung des Behältnisses hindurch, erfassbar ist.
Die Erfindung stellt demnach einen hoch leistungsfähigen, einfachen und robusten Aufbau für einen Sensor, bereit, der insbesondere vorteilhaft auch wartungsarm ist. Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der zur Installation derselben erforderliche Eingriff in den Prozess vorteilhaft minimiert werden, da lediglich die Sensorvorrichtung in ein Innenvolumen des Behältnisses eingebracht werden muss. Zudem ist auch ein Einsatz der Sensoranordnung in explosionsgefährdeter Atmosphäre ohne Weiteres und insbesondere ohne die Notwendigkeit von Hilfsenergie möglich.
Im Folgenden werden die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer an der Behälterwandung befestigten Sensorvorrichtung;
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer im Medium schwimmend angeordneten Sensorvorrichtung;
Fig. 3: eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung der Temperatur des Mediums;
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung des Drucks des Mediums; Fig. 5: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant, und
Fig. 6: eine schematische Anordnung einer Detektionsvorrichtung für einen Quantensensor mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle. In den Figuren sind gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen.
Fig 1 zeigt eine erste, schematisch dargestellte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums M in einem Behältnis 2. Die Sensorvorrichtung 3 ist innerhalb des Innenvolumens V des Behältnisses 2 (hier in Form eines Behälters) angeordnet und an der Innenwandung Wdes Behältnisses 2 befestigt. Die Sensorvorrichtung 3 umfasst eine Komponente 5, für die zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M abhängig ist, welche vorliegend in Form eines dünnen, länglichen Elements ausgestaltet ist.
Beispielsweise kann es sich bei dieser Komponente 5 um ein Element aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Material handeln. Vorliegend ist die Komponente 5 auf einem Träger bzw. einer Membran 4 angeordnet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, weswegen der Träger bzw. die Membran gestrichelt dargestellt ist.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner eine Magnetfeld-Vorrichtung 6 zur Erzeugung eines Magnetfelds B im Bereich der Sensorvorrichtung 3, zumindest einem Teil des Mediums M und im Bereich der Detektionsvorrichtung 7. Das Magnetfeld B durchdringt also die Detektionsvorrichtung 7, die Sensorvorrichtung 3 und das Medium. Das Magnetfeld B wird zudem von der Sensorvorrichtung 3 bzw. von der Komponente 5 beeinflusst, so dass anhand des seitens der Detektionsvorrichtung 7 erfassten bzw. detektierten Magnetfeld B, bzw. anhand einer erfassten bzw. detektierten mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehenden Größe, die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M bestimmt und/oder überwacht werden kann. Erfindungsgemäß sind die Detektionsvorrichtung 7 und für das gezeigte Beispiel auch die Magnetfeld-Vorrichtung 6 außerhalb des Behältnisses 2 angeordnet.
Eine weitere Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung aus Fig. 1 schwimmt die in einem, hier kugelförmig ausgestalteten, Gehäuse G angeordnete Sensorvorrichtung 3 im Medium.
Für eine solche Anordnung ist es von Vorteil, eine Referenz bereitzustellen, um die Abstandsabhängigkeit des Magnetfelds B und den variablen Abstand zwischen der Sensorvorrichtung 3 und der Detektionsvorrichtung 7, welche sich für eine schwimmende Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 3 ergibt, zu berücksichtigen. Hierbei kann es sich um eine Einrichtung zur Durchführung einer Referenzmessung oder auch um eine
Referenzkurve oder einen geeigneten Referenzalgorithmus handeln. Das Magnetfeld weist eine Ortsabhängigkeit auf, welche im Falle einer schwimmenden Sensorvorrichtung auf diese Weise berücksichtigt werden kann. Vorteilhaft ist die Sensoranordnung 1 , insbesondere die Detektionsvorrichtung 7, dazu ausgestaltet, einen Einfluss der Wandung W des Behältnisses auf das erfasste Magnetfeld B, insbesondere anhand einer Dicke der Wandung und/oder anhand des Materials, aus welchem das Behältnis 2 gefertigt ist, zu ermitteln und bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße und/oder Kenngröße zu berücksichtigen.
Hierzu können beispielsweise geeignete Referenzkurven oder Rechenvorschriften, beispielsweise für unterschiedliche Materialen der Behältnisse 2 in der Detektionsvorrichtung 7, insbesondere in einer Recheneinheit der Detektionsvorrichtung 7, hinterlegt sein.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gezeigt, welche für das hier gezeigte Beispiel zur Erfassung der Temperatur T des Mediums dient. Die Sensorvorrichtung 3 umfasst ein auf einem Träger 4a aufgebrachtes magnetostriktives Material 5, welches in Form einer Schicht auf den Träger 4a aufgebracht und von innen an der Wandung W des Behälters befestigt ist. Der Träger 4a und das magnetostriktive Material 5 weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass es infolge einer Temperaturänderung des Mediums zu einer mechanischen Spannung in der Sensorvorrichtung 3 kommt, welche wiederum eine geänderte Magnetisierung des magnetostriktiven Materials 5 zur Folge hat und damit einhergehend eine Änderung des Magnetfelds B.
Die Magnetfeld-Vorrichtung 6 umfasst hier beispielhaft einen Permanentmagneten 8 und eine Spule 9 mit einem Kern 9a, welcher aus zwei L-förmigen Elementen besteht. In einem Spalt zwischen den beiden Elementen des Kerns 9a ist die Detektionsvorrichtung 7 angeordnet, welche einen Magnetfeldsensor 10 und eine Recheneinheit 11 umfasst. Bei dem Magnetfeldsensor 10 kann es sich beispielsweise um einen Hall-Sensor, einen GMR-Sensor oder um einen Quantensensor handeln. Die Temperatur T des Mediums kann beispielsweise in der Recheneinheit anhand des gyromagnetischen Verhältnisses als die mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehende Größe ermittelt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Temperaturbestimmung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergibt sich bei Verwendung eines ferromagnetischen Materials als Komponente 5 der Sensorvorrichtung 3, bei welcher zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M, also der Temperatur T, abhängt. Die Sensoranordnung 1 kann für diesen zweiten Fall analog zu der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung aufgebaut werden.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann aber auch zur Bestimmung weiterer Prozessgrößen und/oder Kenngrößen des Mediums M herangezogen, wie beispielhaft für den Fall einer Bestimmung des Drucks p des Mediums in Fig. 4 illustriert. Während die Magnetfeld-Einrichtung 6 und die Detektionseinheit 7 so ausgestaltet sind, wie für die in Fig. 3 gezeigte Variante, kommt als Sensorvorrichtung 3 eine keramische Druckmesszelle 12 mit einer Membran 4b zum Einsatz, auf welcher Membran 4b eine magnetostriktive Schicht 5 angeordnet ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Sensoranordnung betreffen Detektionsvorrichtungen 7, bei welchen Magnetfeldsensoren 8 in Form eines Quantensensors 12 zum Einsatz kommen. Diese zeichnen sich durch große Kompaktheit bei sehr hoher Leistungsfähigkeit und Präzision aus. Die Verwendung von Magnetfeldsensoren 8 in Form von Quantensensoren 12 ist nachfolgend beispielhaft am Beispiel von einem Quantensensor 12 in Form eines Sensors 14 umfassend zumindest einen Kristallkörper 15 mit zumindest einer Fehlstelle erläutert.
Zu diesem Zweck ist in Fig. 5 ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in Diamant dargestellt. Auf diese Weise kann die Anregung der Fehlstelle und die Detektion der Fluoreszenz beispielhaft erläutert werden. Die nachfolgenden Überlegungen gelten gleichermaßen für andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen. 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. Durch Anregungslicht LA aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht LA mit einer Wellenlänge von ca. 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 LF mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand 3A zurückkehrt. Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfelddichte 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 LF ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfelddichte B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann.
Es sind aber auch weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals möglich, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche mit dem angelegten Magnetfeld in Zusammenhang steht, oder eine elektrische Auswertung, beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl kurz PDMR, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Eine beispielhafte Detektionsvorrichtung 7 zur Verwendung mit einem derartigen Quantensensor 10 in Form eines Sensors 14 mit einem Kristallkörper 15 mit einer Fehlstelle ist schließlich in Fig. 6 dargestellt. Die Detektionsvorrichtung 7 verfügt über eine Anregeeinheit 16 zur Erzeugung des Anregungslicht LA, und eine Vorrichtung 17 zur Detektion des magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals LF von dem Kristallkörper 15. Darüber hinaus verfügt die Detektionsvorrichtung 7 über eine Auswerteeinheit 18 zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals LF.
Für die in Fig. 6 dargestellte Ausgestaltung ist zudem eine Einheit 22 zur Anregung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung vorhanden. Zudem umfasst die
Auswerteeinheit 18 neben einem Lock-In Verstärker 19 eine Steuer-/Recheneinheit 20 und einen Modulator 21 zur Modulation des Magnetfelds der Magnetfeld-Vorrichtung.
Bezugszeichenliste
1 Sensoranordnung
2 Behältnis
3 Sensorvorrichtung
4 T räger (4a) oder Membran (4b)
5 Komponente, für die eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums abhängt
6 Magnetfeld-Vorrichtung
7 Detektionsvorrichtung
8 Permanentmagnet
9 Spule, 9a Kern
10 Magnetfeldsensor
11 Recheneinheit
12 Keramische Druckmesszelle
13 Quantensensor
14 Sensor umfassend einen Kristall mit einer Fehlstelle
15 Kristall
16 Anregungseinheit
17 Einheit zur Detektion des Fluoreszenzsignals
18 Auswerteeinheit
19 Lock-In Verstärker
20 Steuer-/Recheneinheit
21 Modulator
22 Einheit zur Erzeugung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung M Medium
W Wandung B Magnetfeld V Innenvolumen G Gehäuse LA Anregungslicht LF Fluoreszenzlicht

Claims

WO 2022/243120 PCT/EP2022/062718Patentansprüche
1 . Sensoranordnung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer
Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend eine Sensorvorrichtung (3), eine Magnetfeld-Vorrichtung (6), und eine Detektionsvorrichtung (7) wobei die Magnetfeld-Vorrichtung (6) zur Erzeugung eines Magnetfelds (B) dient derart, dass das Magnetfeld (B) zumindest die Sensorvorrichtung (3), die Detektionsvorrichtung (7) und teilweise das Medium (M) durchdringt, wobei die Sensorvorrichtung (3) derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass zumindest eine magnetische Eigenschaft einer Komponente (5) der Sensorvorrichtung (3) von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig und das Magnetfeld (B) der Magnetfeld-Vorrichtung (6) vermittels der Sensorvorrichtung (3) in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße beinflussbar ist, wobei die Detektionsvorrichtung (7) dazu ausgestaltet ist, eine mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehende Größe, insbesondere die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Permeabilität, zu erfassen und anhand der mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße zu bestimmen und/oderzu überwachen, und wobei die Sensorvorrichtung (3) innerhalb eines Innenvolumens (V) des Behältnisses (2) und die Detektionsvorrichtung (7) außerhalb des Behältnisses (2) angeordnet ist.
2. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 , wobei die Magnetfeld-Vorrichtung (6) zumindest eine Spule (8) und/oder einen Permanentmagneten (9) umfasst.
3. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Komponente (5) der Sensorvorrichtung ein ferromagnetisches Material umfasst.
4. Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Komponente (5) der Sensorvorrichtung ein magnetostriktives Material umfasst.
5. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Sensorvorrichtung (3) einen Träger (4a) oder eine Membran (4b) umfasst, auf welchem/welcher die Komponente (5) der Sensorvorrichtung (3), insbesondere das ferromagnetische oder magnetostriktive Material, beispielsweise in Form einer Schicht oder eines länglichen Elements, aufgebracht ist. WO 2022/243120 PCT/EP2022/062718
6. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die Komponente (5) der Sensorvorrichtung (3) ein magnetostriktives Material umfasst, welches auf dem Träger (4a) oder die Membran (4b) aufgebracht ist, und wobei der Träger (4a) oder die Membran (4b) und das magnetostriktive Material (5) unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
7. Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Detektionsvorrichtung (7) einen Magnetfeldsensor (10) umfasst.
8. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Magnetfeldsensor (10) um einen Hall-Sensor oder einen GMR- Sensor handelt.
9. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Magnetfeldsensor (10) um einen Quantensensor (12) handelt.
10. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem Quantensensor (12) um eine Gaszelle handelt.
11. Sensoranordnung (1 ) nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem Quantensensor (12) um einen Sensor (14) umfassend zumindest einen Kristallkörper (15) mit zumindest einer Fehlstelle handelt.
12. Sensoranordnung (1 ) nach Anspruch 11 , wobei die Detektionsvorrichtung (7) zudem eine Anregeeinheit (16) zur optischen Anregung der Fehlstelle, eine Vorrichtung (17) zur Detektion eines magnetfeldabhängigen, Fluoreszenzsignals (I_F) von dem Kristallkörper (15) und eine Auswerteeinheit (18) zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals (I_F) umfasst.
13. Sensoranordnung (1 ) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Prozessgröße um die Temperatur (T) des Mediums (M) handelt.
14. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 13, wobei es sich bei der mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehenden Größe um die magnetische Flussdichte handelt, und wobei die Temperatur (T) anhand des gyromagnetischen Verhältnisses und der magnetischen Flussdichte bestimmt wird.
15. Sensoranordnung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1-12, wobei es sich bei der Prozessgröße um den Druck (p) des Mediums (M) handelt.
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