WO2023280748A1 - Conductivity sensor - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a conductivity sensor for determining and/or monitoring the specific electrical conductivity of a medium in a container.
- conductivity sensors that work according to an inductive or a conductive measuring principle are often used in process automation to measure the electrical conductivity of a medium.
- a conductive conductivity sensor is known from the prior art, for example, which comprises at least two electrodes that are immersed in a medium for the measurement. To determine the electrical conductivity of the medium, the resistance or conductance of the electrode measuring section in the medium is determined. If the cell constant is known, the conductivity of the medium can be determined. In order to measure the conductivity of a medium using a conductive conductivity sensor, it is absolutely necessary to bring at least two electrodes into contact with the measuring liquid.
- sensors With the inductive principle of determining the conductivity of process media, sensors are used which have an excitation coil and a receiving coil arranged at a distance from it.
- An electromagnetic alternating field is generated by means of the excitation coil, which acts on charged particles, e.g. ions, in the liquid medium and causes a corresponding current flow in the medium.
- This flow of current creates an electromagnetic field at the receiving coil, which induces a received signal (induction voltage) in the receiving coil according to Faraday's law of induction.
- This received signal can be evaluated and used to determine the electrical conductivity of the liquid medium.
- inductive conductivity sensors are constructed as follows:
- the excitation and receiving coils are generally designed as ring coils and include a continuous opening that can be acted upon by the medium, so that medium flows around both coils.
- the conductivity of the measuring liquid can then be determined by evaluating the current or voltage signal from the receiving coil in response to the signal from the excitation coil.
- the principle itself is established in industrial process measurement technology and is documented in a large number of documents in the patent literature, for example in DE 198 51 146 A1.
- a temperature sensor immersed in the medium eg an Rt100, Rt1000, NTC etc., is used for temperature measurement, which is usually separated from the medium by a housing wall or a casing.
- quantum sensors in which a wide variety of quantum effects are used to determine various physical and/or chemical measured variables.
- quantum sensors In the field of industrial process automation, such approaches are of particular interest with regard to the increasing efforts towards miniaturization while at the same time increasing the performance of the respective sensors.
- Quantum sensors are based on the fact that certain quantum states of individual atoms can be very precisely controlled and read out. In this way, for example, precise and low-interference measurements of electric and/or magnetic fields and gravitational fields with resolutions in the nanometer range are possible.
- 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.
- various systems based on quantum-optical effects have also become known, such as quantum gravimeters, NMR gyroscopes or optically pumped magnetometers, the latter in particular being based on gas cells, among other things.
- various devices which use atomic transitions, for example in various crystal bodies, in order to detect even small changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields.
- diamond with at least one nitrogen defect silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center is used as the crystal body.
- the crystal bodies can have one or more defects.
- DE 102017 205 099 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.
- the light source is arranged on a first substrate and the detection device on a second substrate, while the high-frequency device and the Crystal bodies can be arranged on both interconnected substrates. External magnetic fields, electrical currents, temperature, mechanical stress or pressure can be used as measured variables. A similar device is known from DE 102017 205265 A1.
- DE 102014 219 550 A1 describes a combination sensor for detecting pressure, temperature and/or magnetic fields, the sensor element having a diamond structure with at least one nitrogen vacancy center.
- DE 102018 214 617 A1 discloses a sensor device which also has a crystal body with a number of color centers, in which various optical filter elements are used to increase effectiveness and for miniaturization.
- a sensor device has become known from the previously unpublished German patent application with the file number 10 2020 123 993.9, which evaluates a process variable of a medium on the basis of a fluorescence signal of a crystal body with at least one defect. In addition, the status of the respective process is monitored using a variable that is characteristic of the magnetic field, such as the magnetic permeability or magnetic susceptibility.
- 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.
- a gaseous alkali metal and a buffer gas are usually present in the gas cell.
- Magnetic properties of a surrounding medium can be determined by Rydberg states generated in the gas cell.
- gas cells are used in quantum-based standards that provide physical quantities with high precision. They have long been used in frequency standards or atomic clocks, as is known from EP 0 550240 B1.
- US Pat. No. 1,0,184,796 B2 also discloses 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 used as the starting point for microwave sources, as described in EP 1 224 709 B1.
- Non-invasive measuring devices in which the respective sensor unit is brought into direct contact with the respective medium
- non-invasive measuring devices in which the process variable is recorded outside the container
- 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, in particular relating to the measuring accuracy, have to be taken into account with regard to the achievable measuring accuracy and possible interference, for example due to the container wall or the environment.
- Another aim is to continue to miniaturize while simultaneously increasing the performance of the respective sensors.
- sensors are desirable that enable a comprehensive characterization of the respective medium with regard to many different physical and/or chemical properties.
- magnetic and/or electrical properties precise devices for detecting changes in magnetic fields, magnetic fields and, depending on the sensor type, possibly also gravitational fields are required in this context.
- the object of the present invention is therefore to specify a conductivity sensor which offers an alternative to conventional inductive and conductive conductivity sensors and is preferably suitable for detecting foreign bodies in the medium to be conveyed.
- a conductivity sensor for determining and/or monitoring an in particular specific electrical conductivity of a flowable medium in a container, in particular in a tank or through a pipeline, comprising:
- an operating circuit which is set up to feed an electrical input signal into the excitation coil, the input signal being designed in such a way that the magnetic field generated thereby by means of the excitation coil excites mobile charge carriers in the medium to move;
- a magnetic field-sensitive unit which is set up to provide a measurement signal, in particular a fluorescence signal, which correlates with a change and/or a strength of a magnetic field generated by the mobile charge carriers of the medium, the magnetic field-sensitive unit comprising a sub-unit, which has an optically excitable material, the magnetic field-sensitive unit having an optical excitation unit for optically exciting the subunit and an optical detection unit for detecting the measurement signal, in particular the fluorescence signal;
- an evaluation unit which is set up to determine the particular specific electrical conductivity of the medium at least on the basis of the measurement signal provided by the magnetic field-sensitive unit.
- the conductivity sensor according to the invention uses an excitation coil in order to set the charge carriers in the medium in motion.
- the conductivity sensor according to the invention is not based on measuring an induction voltage of a receiving coil, but instead directly measures a change and/or strength of the magnetic field that is generated by the movement of the charge carriers.
- Today's magnetic field-sensitive units, also called magnetic field sensors, are characterized by a very high sensitivity to magnetic fields, so that a precise measurement of the magnetic field is made possible both with an invasive and with a non-invasive arrangement of the magnetic field-sensitive unit.
- the electrical input signal of the excitation coil is, for example, an alternating current.
- the magnetic field-sensitive unit can consist exclusively of the sub-unit or of a large number of sub-units of the same type and/or other, in particular electronic, components such as electronic circuits, photo-sensitive units such as a photodiode, measurement signal conductors such as an optical waveguide, and/or structural components such as a carrier substrate.
- the sub-unit of the magnetic field-sensitive unit preferably comprises a crystal body with at least one defect center or a gas cell.
- crystal bodies with at least one defect center or gas cells show a fluorescence signal which is dependent on a magnetic field present at the crystal body or the gas cell.
- the crystal body is additionally excited with a microwave signal.
- the crystal body with the at least one defect center and the gas cell lead to an improvement in the measuring accuracy of the conductivity due to their high sensitivity to magnetic fields.
- the crystal body comprises a diamond with at least one nitrogen vacancy center, a silicon carbide with at least one silicon vacancy or a hexagonal boron nitride with at least one color vacancy center.
- the gas cell comprises a cell enclosing at least one gaseous alkali metal.
- the conductivity sensor comprises an excitation unit for optically exciting the subunit, i.e. the optically excitable material or the crystal body or the gas cell, and a detection unit for detecting a fluorescence signal from the crystal body or the gas cell, which correlates with the magnetic field acting on the subunit.
- Filters and mirrors as well as other optical elements can optionally be used in order to direct an excitation light to the crystal body or to the gas cell and/or the fluorescence signal to the detection unit.
- the crystal body can optionally have a frequency-dependent microwave signal applied to it, which is generated by a microwave unit that is part of the magnetic field-sensitive unit or that can be integrated in the magnetic field-sensitive unit or designed as a separate unit.
- the conductivity sensor has a field guide body for guiding magnetic fields, with the magnetic field-sensitive unit, in particular the sub-unit, being arranged in a partial area of the field guide body.
- the magnetic fields generated by the medium to be guided and/or magnetic field changes caused can be better captured and guided to the magnetic field-sensitive unit.
- the specific electrical conductivity of the medium can be determined over a measuring tube cross-section through the appropriate number of magnetic field-sensitive units and a suitably designed field guide body.
- An advantageous embodiment provides that the field guiding body is configured in sections in such a way that the magnetic field to be conducted is concentrated in the partial area.
- An advantageous embodiment provides that the partial area is designed as a narrowing of the field guide body.
- the field guide body has a receptacle in the partial area, with the magnetic field-sensitive unit, in particular the sub-unit, being arranged in the receptacle.
- An advantageous embodiment provides that the partial area has a gap, with the magnetic field-sensitive unit, in particular the sub-unit, being arranged in the gap.
- the advantage of the previous configurations is that events which cause even the smallest changes in the magnetic field generated by the eddy currents in the conductive medium can be detected using the magnetic field-sensitive unit, since the magnetic field is guided by the field guide body to the magnetic field-sensitive unit.
- the field guide body is designed as a sleeve which at least partially encloses the exciter coil, the exciter coil being arranged at least partially between an outer wall of the container and the field guide body.
- the advantage of the configuration is that no openings are required in the container or in the pipeline for the conductivity sensor.
- a conductivity sensor that can be clamped on can also be implemented, which can be attached to the container or to the pipeline exclusively in a non-positive and/or positive manner.
- the conductivity sensor comprises a medium-contacting housing in particular, wherein the field guide body, the excitation coil and the magnetic field-sensitive unit are arranged in the housing, wherein the
- Field guide body is designed as a pot core, wherein the excitation coil is arranged in the pot core, in particular is wound around a portion of the pot core.
- the excitation coil and the magnetic field-sensitive unit are arranged inside the housing.
- the housing can be on an outer
- the conductivity sensor is designed as a plug-in sensor that can be plugged into the container, such as existing pipelines, and by means of the connection sockets provided is fastened and / or - is immersed by the operator in the medium to be examined - such as in laboratory and / or environmental applications.
- the field guide body is designed such that the magnetic field to be conducted is concentrated in at least two sub-areas, with a magnetic field-sensitive unit, in particular a sub-unit, being arranged in each of the at least two sub-areas.
- the evaluation unit is designed in such a way that it carries out a differential evaluation of the measurement signals provided by the at least two magnetic field-sensitive units, in particular the at least two sub-units, in particular the fluorescence signals.
- An advantageous embodiment provides that the evaluation unit is set up to interpret a deviation of the measurement signal or a measurement variable dependent on the measurement signal from a monitoring criterion as caused by a foreign body.
- the conductivity sensor is used to detect foreign bodies such as glass, metal splinters, etc. in the medium.
- foreign bodies such as glass, metal splinters, etc.
- the conductivity sensor is used to detect foreign bodies such as glass, metal splinters, etc. in the medium.
- the field guide body has exactly two, in particular exactly four sub-areas, in each of which exactly one magnetic field-sensitive unit, in particular exactly one sub-unit, is arranged.
- the sensitivity of the conductivity sensor to contamination can be improved, so that even in large containers, especially in Monitoring of the medium can be guaranteed in pipelines with large nominal diameters.
- FIGS. 1-4 show:
- FIG. 1 A simplified energy scheme for a negatively charged NV center in a diamond is shown in FIG. 1 in order to exemplify the excitation and the fluorescence of a defect in a crystal body. The following considerations can be transferred to other crystal bodies with corresponding defects.
- each carbon atom is typically covalently bonded to four other carbon atoms.
- a nitrogen vacancy center (NV center) consists of a defect in the diamond lattice, i.e. an unoccupied lattice site, and a nitrogen atom as one of the four neighboring atoms.
- the negatively charged NV centers are important for the excitation and evaluation of fluorescence signals.
- Excitation light 1 from the green range of the visible spectrum e.g. excitation light 1 with a wavelength of 532 nm, excites an electron from the ground state 3 A into a vibrational state of the excited state 3 E, which emits a fluorescence photon 2 with a wavelength of 630 nm returns to the ground state 3 A.
- An applied magnetic field with a magnetic field strength B leads to a splitting (Zeeman splitting) of the magnetic sub-states, so that the ground state consists of three energetically separated sub-states, each of which can be excited.
- the intensity of the fluorescence signal depends on the respective magnetic substate from which the excitation took place, so that the distance between the fluorescence minima can be used, for example, to calculate the magnetic field strength B using the Zeeman formula.
- Further options for evaluating the fluorescence signal are provided within the scope of the present invention, such as evaluating the intensity of the fluorescent light, which is also proportional to the applied magnetic field.
- An electrical evaluation can in turn be carried out, for example, via a photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR for short).
- PDMR photocurrent detection of magnetic resonance
- excitation of gas cells is not explicitly shown, but in the case of gas cells, too, excitation with light of a defined wavelength leads to an excitation of an electron, which is followed by the emission of fluorescent light.
- the intensity and/or the wavelength of the fluorescent light emitted is used to determine the magnetic field.
- the container 5 is a pipeline through which the medium 4 flows.
- the container 5 can be a tank.
- the conductivity sensor 3 has an excitation coil 6 arranged around the pipeline, which feeds an electrical input signal into the medium 4, which is shown as the fed-in magnetic field B1.
- the fed-in magnetic field B1 induces an electric field E1, which leads to a partial movement of the mobile charge carriers of the medium 4 and thus to a current flow. This in turn results in a magnetic field B2.
- the magnetic field-sensitive unit 7 is arranged and designed in such a way that a change and/or a strength of the magnetic field B2 generated by the mobile charge carriers of the medium 4 can be determined.
- an evaluation unit 8 is provided in order to determine the specific electrical conductivity of the medium 4 at least on the basis of the magnetic field determined by the magnetic field-sensitive unit 7 .
- the induced electric field E1 leads to the flow of an electric current, i.e. to the flow of mobile charge carriers.
- An insulator 11 is optionally provided on the inner wall of the pipeline 5 .
- the insulator 11 is arranged on an area of an inner wall of the container in such a way that the mobile charge carriers of the medium 4 have to move across the insulator 11 .
- the container enclosing the medium is often made of a conductive material, so that the current generated by the movement of the charge carriers can propagate through the wall of the container.
- the current must flow at least partially through the medium.
- an insulator is attached in sections to an inner wall of the container.
- the non-invasive variant in particular, in which only the insulator is arranged inside the container, offers the advantage of simple and hygienic attachment of the conductivity sensor.
- the magnetic field B2 caused by the movement of the charge carriers is determined by the magnetic field-sensitive unit 7 .
- a crystal body with at least one defect center or a gas cell is used as the magnetic field-sensitive unit 7 .
- the first case it is, inter alia, a diamond with at least one nitrogen vacancy center, silicon carbide with at least one silicon vacancy or hexagonal boron nitride with at least one vacancy color center.
- a cell enclosing at least one gaseous alkali metal, for example, can be used as the gas cell.
- Both the crystal body with at least one defect center and the gas cell each require an excitation unit 9 for optical excitation of the crystal body or gas cell and a detection unit 10 for detecting a magnetic field-dependent fluorescence signal of the crystal body or gas cell.
- the excitation unit 9 and/or the detection unit 10 can optionally be arranged in the area of the magnetic field-sensitive unit 7, but they can also be arranged away from the magnetic field-sensitive unit 7, for example using optical light guides.
- the measuring system 13 for determining and/or monitoring the specific electrical conductivity of a medium 4 in a container 5 consists of at least the conductivity sensor 3 and a temperature sensor 14 for determining the temperature of the medium 4, which is here, for example, outside the container 5 is arranged. In principle, it is also possible to attach the temperature sensor 14 inside the container 5 .
- a platinum resistance thermometer or a crystal body with at least one defect can be used as the temperature sensor 14 .
- the evaluation unit 8 uses the magnetic field determined by the magnetic field-sensitive unit 7 and the temperature determined by the temperature sensor 14 to determine the specific electrical conductivity of the medium 4 at a defined temperature.
- FIG. 13 A second embodiment of the measuring system 13 and the conductivity sensor 3 is shown in FIG. In this case, an invasive application of the
- Fig. 4 shows a third embodiment of the conductivity sensor 3 for determining and / or monitoring a particular electrical conductivity of a flowable medium in a container 5 - in the case in a pipeline - comprising an excitation coil 6 for generating a magnetic field in the medium, a Operating circuit 19, which is set up to feed an electrical input signal into the excitation coil 6.
- the input signal is designed in such a way that the magnetic field thus generated by means of the excitation coil 6 excites mobile charge carriers in the medium to move.
- the conductivity sensor includes a magnetic field-sensitive unit 7, which is set up to provide a measurement signal, in particular a fluorescence signal, which is generated by the mobile charge carriers of the medium with a change and/or a strength
- the conductivity sensor 3 includes exactly four magnetic field-sensitive units 7, with two magnetic field-sensitive units 7 being covered by the container.
- the magnetic field-sensitive unit 7 includes a sub-unit 15, which includes an optically excitable material and an optical excitation unit 9 for optical excitation of the sub-unit 15 and an optical detection unit for detecting the measurement signal.
- the measurement signal can be a fluorescence signal that is generated by the material and by the detection unit.
- the conductivity sensor includes an evaluation unit which is set up to determine the specific electrical conductivity of the medium at least on the basis of that provided by the magnetic field-sensitive unit 7
- the sub-unit 15 of the magnetic field-sensitive unit 7 can comprise a crystal body with at least one defect center or a gas cell. According to the case that the subunit 15 has a crystal body, this comprises a diamond with at least one nitrogen vacancy center, a silicon carbide with at least one silicon vacancy or a hexagonal boron nitride at least one defect color center. In the event that the sub-assembly 15 comprises a gas cell, this comprises at least one cell enclosing a gaseous alkali metal.
- the conductivity sensor 3 shown has a field guiding body 16 for guiding magnetic fields.
- the magnetic field-sensitive unit 7, in particular the sub-unit 15, is arranged in a partial area 17 of the field-guiding body 16.
- the field guiding body 16 is configured in sections in such a way that the magnetic field to be conducted is concentrated in the partial area 17 .
- the partial area 17 is designed as a taper.
- a receptacle can be provided in the partial area 17, in which the magnetic field-sensitive unit 7, in particular the sub-unit 15, is arranged.
- the partial area 17 can have a gap in which the magnetic field-sensitive unit 7, in particular the sub-unit 15, is arranged.
- the field guide body 16 is designed as a sleeve which encloses the excitation coil 6 at least in sections.
- the exciter coil 6 is arranged at least in sections between an outer wall of the container 5 and the field guide body 16 .
- the conductivity sensor can be used to detect foreign bodies.
- an evaluation unit 8 is set up to interpret this as caused by a foreign body if the measurement signal or a measurement variable dependent on the measurement signal deviates from a monitoring criterion.
- FIG. 5 shows a cross section through an embodiment in which the field guide body 16 is designed in such a way that the magnetic field to be guided is concentrated into four independent partial areas.
- the field guide body 16 has a taper in each of the partial areas.
- a magnetic field-sensitive unit, in particular a sub-unit 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, is arranged in each of the partial areas.
- a gap can be provided in the partial area in which the sub-unit 15 is inserted.
- the evaluation unit 8 is designed in such a way that it carries out a differential evaluation of the measurement signals, in particular sub-unit measurement signals, provided by means of at least two magnetic field-sensitive units or by means of all magnetic field-sensitive units, in particular their four sub-units 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 .
- the evaluation unit 8 is set up to interpret a deviation of the measurement signal or a measurement variable dependent on the measurement signal from a monitoring criterion as caused by a foreign body. Events caused by contamination can thus be detected.
- the evaluation circuit 8 can take into account a conductivity value provided by the operator.
- the excitation coil 6 is arranged between the field guide body 16 and the tube wall of the container 5 .
- FIG. 6 shows a further embodiment of the conductivity sensor 3, which is inserted into an opening of a container 5.
- the conductivity sensor 3 comprises a medium-contacting housing 18 in which the excitation coil 6 and the magnetic field-sensitive unit 7 are arranged.
- the field guide body 16 is designed as a pot core, with a receptacle in which the magnetic field-sensitive unit is arranged.
- the exciter coil 6 is arranged on the pot core, in particular the exciter coil 6 is wound around a portion of the pot core.
- the conductivity sensor 3 is inserted into an opening and connected to the container 5 by means of a connecting piece 20 .
- a temperature sensor 14 is arranged in a front section in contact with the medium. This can be in contact with the medium.
- the housing 18 of the conductivity sensor 3 can also be attached to the outer surface of a pipeline.
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Abstract
Description
Leitfähigkeitssensor conductivity sensor
Die Erfindung betrifft einen Leitfähigkeitssensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums in einem Behälter. The invention relates to a conductivity sensor for determining and/or monitoring the specific electrical conductivity of a medium in a container.
Im Allgemeinen werden in der Prozessautomatisierung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums häufig Leitfähigkeitssensoren verwendet, die nach einem induktiven oder einem konduktiven Messprinzip arbeiten. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise ein konduktiver Leitfähigkeitssensor bekannt, der mindestens zwei Elektroden umfasst, die zur Messung in ein Medium eingetaucht werden. Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums wird der Widerstand oder Leitwert der Elektrodenmessstrecke im Medium bestimmt. Bei bekannter Zellkonstante lässt sich daraus die Leitfähigkeit des Mediums ermitteln. Zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ist es zwingend erforderlich, mindestens zwei Elektroden in Kontakt mit der Messflüssigkeit zu bringen. In general, conductivity sensors that work according to an inductive or a conductive measuring principle are often used in process automation to measure the electrical conductivity of a medium. A conductive conductivity sensor is known from the prior art, for example, which comprises at least two electrodes that are immersed in a medium for the measurement. To determine the electrical conductivity of the medium, the resistance or conductance of the electrode measuring section in the medium is determined. If the cell constant is known, the conductivity of the medium can be determined. In order to measure the conductivity of a medium using a conductive conductivity sensor, it is absolutely necessary to bring at least two electrodes into contact with the measuring liquid.
Beim induktiven Prinzip der Leitfähigkeitsbestimmung von Prozessmedien werden Sensoren eingesetzt, die eine Erregerspule sowie eine davon beabstandet angeordnete Empfangsspule aufweisen. Mittels der Erregerspule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf geladene Teilchen, z.B. Ionen, in dem flüssigen Medium einwirkt und einen entsprechenden Stromfluss im Medium hervorruft. Durch diesen Stromfluss entsteht an der Empfangsspule ein elektromagnetisches Feld, das in der Empfangsspule ein Empfangssignal (Induktionsspannung) nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz induziert. Dieses Empfangssignal kann ausgewertet und zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen Mediums herangezogen werden. With the inductive principle of determining the conductivity of process media, sensors are used which have an excitation coil and a receiving coil arranged at a distance from it. An electromagnetic alternating field is generated by means of the excitation coil, which acts on charged particles, e.g. ions, in the liquid medium and causes a corresponding current flow in the medium. This flow of current creates an electromagnetic field at the receiving coil, which induces a received signal (induction voltage) in the receiving coil according to Faraday's law of induction. This received signal can be evaluated and used to determine the electrical conductivity of the liquid medium.
Typischerweise sind induktive Leitfähigkeitssensoren wie folgt aufgebaut: Die Erreger- und Empfangsspule sind in der Regel als Ringspulen ausgestaltet und umfassen eine durchgehende, von dem Medium beaufschlagbare Öffnung, so dass beide Spulen von Medium umströmt werden. Bei Erregung der Erregerspule bildet sich ein innerhalb des Mediums verlaufender geschlossener Strompfad, der sowohl Erreger- als auch Empfangsspule durchsetzt. Durch Auswertung des Strom- oder Spannungssignals der Empfangsspule in Antwort auf das Signal der Erregerspule kann dann die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit ermittelt werden. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert, beispielsweise in der DE 198 51 146 A1 . Für die Bestimmung der Leitfähigkeit ist es notwendig die Temperatur des zu messenden Mediums zu kennen, mit steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit in der Regel zu. Für die Temperaturmessung wird ein in das Medium eingetauchter Temperaturfühler, z.B. ein Rt100, Rt1000, NTC etc. genutzt, welcher in der Regel durch eine Gehäusewand oder eine Ummantelung vom Medium getrennt ist. Typically, inductive conductivity sensors are constructed as follows: The excitation and receiving coils are generally designed as ring coils and include a continuous opening that can be acted upon by the medium, so that medium flows around both coils. When the excitation coil is excited, a closed current path is formed within the medium, which passes through both the excitation coil and the receiving coil. The conductivity of the measuring liquid can then be determined by evaluating the current or voltage signal from the receiving coil in response to the signal from the excitation coil. The principle itself is established in industrial process measurement technology and is documented in a large number of documents in the patent literature, for example in DE 198 51 146 A1. In order to determine the conductivity, it is necessary to know the temperature of the medium to be measured; the conductivity usually increases as the temperature rises. A temperature sensor immersed in the medium, eg an Rt100, Rt1000, NTC etc., is used for temperature measurement, which is usually separated from the medium by a housing wall or a casing.
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. A more recent development in the field of sensor technology is represented by so-called quantum sensors, in which a wide variety of quantum effects are used to determine various physical and/or chemical measured variables. In the field of industrial process automation, such approaches are of particular interest with regard to the increasing efforts towards miniaturization while at the same time increasing the performance of the respective sensors.
Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit Auflösungen im Nanometerbereich möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in 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. Quantum sensors are based on the fact that certain quantum states of individual atoms can be very precisely controlled and read out. In this way, for example, precise and low-interference measurements of electric and/or magnetic fields and gravitational fields with resolutions in the nanometer range are possible. In this context, various spin-based sensor arrangements have become known, for which atomic transitions in crystal bodies are used to detect changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields. In addition, various systems based on quantum-optical effects have also become known, such as quantum gravimeters, NMR gyroscopes or optically pumped magnetometers, the latter in particular being based on gas cells, among other things.
Beispielsweise sind im Bereich Spin-basierter Quantensensoren verschiedene Vorrichtungen bekannt geworden, welche atomare Übergänge, beispielsweise in verschiedenen Kristallkörpern, ausnutzen, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest 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 102017 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 102017 205265 A1 bekannt geworden. For example, in the field of spin-based quantum sensors, various devices have become known which use atomic transitions, for example in various crystal bodies, in order to detect even small changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields. Typically, diamond with at least one 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. In principle, the crystal bodies can have one or more defects. DE 102017 205 099 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. The light source is arranged on a first substrate and the detection device on a second substrate, while the high-frequency device and the Crystal bodies can be arranged on both interconnected substrates. External magnetic fields, electrical currents, temperature, mechanical stress or pressure can be used as measured variables. A similar device is known from DE 102017 205265 A1.
Die DE 102014 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 102018 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. DE 102014 219 550 A1 describes a combination sensor for detecting pressure, temperature and/or magnetic fields, the sensor element having a diamond structure with at least one nitrogen vacancy center. DE 102018 214 617 A1 discloses a sensor device which also has a crystal body with a number of color centers, in which various optical filter elements are used to increase effectiveness and for miniaturization. A sensor device has become known from the previously unpublished German patent application with the file number 10 2020 123 993.9, which evaluates a process variable of a medium on the basis of a fluorescence signal of a crystal body with at least one defect. In addition, the status of the respective process is monitored using a variable that is characteristic of the magnetic field, such as the magnetic permeability or magnetic susceptibility. 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.
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. Another sub-area in the field of quantum sensors concerns gas cells, in which atomic transitions and spin states can be queried optically to determine magnetic and/or electrical properties, among other things. A gaseous alkali metal and a buffer gas are usually present in the gas cell. Magnetic properties of a surrounding medium can be determined by Rydberg states generated in the gas cell.
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 550240 B1 bekannt. For example, gas cells are used in quantum-based standards that provide physical quantities with high precision. They have long been used in frequency standards or atomic clocks, as is known from EP 0 550240 B1.
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. US Pat. No. 1,0,184,796 B2 also discloses 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. By manipulating the atomic states in gas cells, further Open up fields of application for gas cells. For example, JP 4066804 A2 describes the use of gas cells to determine absolute path lengths. In addition, gas cells are also used as the starting point for microwave sources, as described in EP 1 224 709 B1.
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. Many measurement principles known from the prior art allow the respective medium to be characterized with regard to its magnetic and/or electrical properties. In this context, both invasive measuring devices, in which the respective sensor unit is brought into direct contact with the respective medium, and non-invasive measuring devices, in which the process variable is recorded outside the container, are used. Non-invasive measuring devices basically offer the advantage that no intervention in the process is necessary. However, such measuring devices have only been available to a limited extent so far, since many different factors, in particular relating to the measuring accuracy, have to be taken into account with regard to the achievable measuring accuracy and possible interference, for example due to the container wall or the environment.
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. Another aim is to continue to miniaturize while simultaneously increasing the performance of the respective sensors. Thus, such sensors are desirable that enable a comprehensive characterization of the respective medium with regard to many different physical and/or chemical properties. With regard to magnetic and/or electrical properties, precise devices for detecting changes in magnetic fields, magnetic fields and, depending on the sensor type, possibly also gravitational fields are required in this context.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leitfähigkeitssensor anzugeben, weicher eine Alternative zu herkömmlichen induktiven und konduktiven Leitfähigkeitssensoren bietet und bevorzugt dazu geeignet ist Fremdkörper im zu führenden Medium zu detektieren. The object of the present invention is therefore to specify a conductivity sensor which offers an alternative to conventional inductive and conductive conductivity sensors and is preferably suitable for detecting foreign bodies in the medium to be conveyed.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Leitfähigkeitssensor zur Bestimmung und/oder Überwachung einer insbesondere spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines fließfähig Mediums in einem Behälter insbesondere in einem Tank oder durch eine Rohrleitung, umfassend: According to the invention, the object is achieved by a conductivity sensor for determining and/or monitoring an in particular specific electrical conductivity of a flowable medium in a container, in particular in a tank or through a pipeline, comprising:
- eine Erregerspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Medium; - an excitation coil for generating a magnetic field in the medium;
- eine Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Eingangssignal in die Erregerspule einzuspeisen, wobei das Eingangssignal derart ausgebildet ist, dass das dadurch mittels der Erregerspule erzeugte Magnetfeld bewegliche Ladungsträger im Medium zu einer Bewegung anregt; - eine Magnetfeld-sensitive Einheit, welche dazu eingerichtet ist, ein Messsignal, insbesondere ein Fluoreszenzsignal bereitzustellen, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger des Mediums erzeugten Magnetfelds korreliert, wobei die Magnetfeld-sensitive Einheit eine Untereinheit umfasst, welche ein optisch anregbares Material aufweist, wobei die Magnetfeld-sensitive Einheit eine optische Anregungseinheit zur optischen Anregung der Untereinheit und eine optische Detektionseinheit zur Detektion des Messsignales, insbesondere des Fluoreszenzsignales aufweist; und - an operating circuit, which is set up to feed an electrical input signal into the excitation coil, the input signal being designed in such a way that the magnetic field generated thereby by means of the excitation coil excites mobile charge carriers in the medium to move; - a magnetic field-sensitive unit, which is set up to provide a measurement signal, in particular a fluorescence signal, which correlates with a change and/or a strength of a magnetic field generated by the mobile charge carriers of the medium, the magnetic field-sensitive unit comprising a sub-unit, which has an optically excitable material, the magnetic field-sensitive unit having an optical excitation unit for optically exciting the subunit and an optical detection unit for detecting the measurement signal, in particular the fluorescence signal; and
- eine Auswerteeinheit, welche dazu eingerichtet ist, die insbesondere spezifische elektrische Leitfähigkeit des Mediums zumindest anhand des von der Magnetfeld sensitiven Einheit bereitgestellten Messsignales zu ermitteln. - an evaluation unit which is set up to determine the particular specific electrical conductivity of the medium at least on the basis of the measurement signal provided by the magnetic field-sensitive unit.
Der erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensor setzt analog zu herkömmlichen induktiven Leitfähigkeitssensoren eine Erregerspule ein, um die Ladungsträger im Medium in Bewegung zu setzen. Im Gegenteil zu induktiven Leitfähigkeitssensoren beruht der erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensor jedoch nicht auf der Messung einer Induktionsspannung einer Empfangsspule, sondern misst stattdessen unmittelbar eine Änderung und/oder eine Stärke des Magnetfelds, welches durch die Bewegung der Ladungsträger erzeugt wird. Heutige Magnetfeld-sensitive Einheiten, auch Magnetfeldsensoren genannt, zeichnen sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern aus, so dass eine präzise Messung des Magnetfelds sowohl bei einer invasiven als auch bei nicht-invasiven Anordnung der Magnetfeld-sensitiven Einheit ermöglicht wird. Das elektrische Eingangssignal der Erregerspule ist beispiels weise ein Wechselstrom. Die Magnetfeld-sensitive Einheit kann ausschließlich aus der Untereinheit oder aus einer Vielzahl an Untereinheiten der gleichen Art bestehen und/oder weitere insbesondere elektronische Komponenten, wie z.B. elektronische Schaltungen, Photo-sensitive Einheiten, wie z.B. eine Photodiode, Messsignalleiter, wie z.B. einen Lichtwellenleiter, und/oder konstruktive Komponenten, wie z.B. ein Trägersubstrat umfassen. Analogously to conventional inductive conductivity sensors, the conductivity sensor according to the invention uses an excitation coil in order to set the charge carriers in the medium in motion. In contrast to inductive conductivity sensors, however, the conductivity sensor according to the invention is not based on measuring an induction voltage of a receiving coil, but instead directly measures a change and/or strength of the magnetic field that is generated by the movement of the charge carriers. Today's magnetic field-sensitive units, also called magnetic field sensors, are characterized by a very high sensitivity to magnetic fields, so that a precise measurement of the magnetic field is made possible both with an invasive and with a non-invasive arrangement of the magnetic field-sensitive unit. The electrical input signal of the excitation coil is, for example, an alternating current. The magnetic field-sensitive unit can consist exclusively of the sub-unit or of a large number of sub-units of the same type and/or other, in particular electronic, components such as electronic circuits, photo-sensitive units such as a photodiode, measurement signal conductors such as an optical waveguide, and/or structural components such as a carrier substrate.
Bevorzugterweise umfasst die Untereinheit der Magnetfeld-sensitiven Einheit einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle. Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder Gaszellen zeigen unter entsprechender optischer Anregung ein Fluoreszenzsignal, welches von einem am dem Kristallkörper oder der Gaszelle anliegenden Magnetfeld abhängig ist. Optional wird der Kristallkörper zusätzlich mit einem Mikrowellensignal angeregt. Sowohl der Kristallkörper mit dem zumindest einem Fehlstellen-Zentrum als auch die Gaszelle führen zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit der Leitfähigkeit aufgrund ihrer hohem Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern. In einer möglichen Ausgestaltung umfasst der Kristallkörper einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, einen Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder einen hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen- Farbzentrum. The sub-unit of the magnetic field-sensitive unit preferably comprises a crystal body with at least one defect center or a gas cell. Under appropriate optical excitation, crystal bodies with at least one defect center or gas cells show a fluorescence signal which is dependent on a magnetic field present at the crystal body or the gas cell. Optionally, the crystal body is additionally excited with a microwave signal. Both the crystal body with the at least one defect center and the gas cell lead to an improvement in the measuring accuracy of the conductivity due to their high sensitivity to magnetic fields. In one possible configuration, the crystal body comprises a diamond with at least one nitrogen vacancy center, a silicon carbide with at least one silicon vacancy or a hexagonal boron nitride with at least one color vacancy center.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst die Gaszelle eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle. In a further embodiment, the gas cell comprises a cell enclosing at least one gaseous alkali metal.
Der Leitfähigkeitssensor umfasst eine Anregungseinheit zur optischen Anregung der Untereinheit, d.h. des optisch anregbaren Materials bzw. des Kristallkörpers oder der Gaszelle und eine Detektionseinheit zur Detektion eines Fluoreszenzsignals des Kristallkörpers oder der Gaszelle auf, welches mit dem auf die Untereinheit wirkenden Magnetfeld korreliert. Optional können Filter und Spiegel sowie weitere optische Elemente eingesetzte werden, um ein Anregungslicht zum Kristallkörper oder zur Gaszelle und/oder das Fluoreszenzsignal hin zur Detektionseinheit zu lenken. Der Kristallkörper kann optional mit einem insbesondere frequenzabhängigen Mikrowellensignal beaufschlagt sein, welches durch eine Mikrowellen-Einheit erzeugt wird, die Teil der Magnetfeld-sensitiven Einheit bzw. die in der Magnetfeld-sensitiven Einheit integriert oder als eine separate Einheit ausgebildet sein kann. The conductivity sensor comprises an excitation unit for optically exciting the subunit, i.e. the optically excitable material or the crystal body or the gas cell, and a detection unit for detecting a fluorescence signal from the crystal body or the gas cell, which correlates with the magnetic field acting on the subunit. Filters and mirrors as well as other optical elements can optionally be used in order to direct an excitation light to the crystal body or to the gas cell and/or the fluorescence signal to the detection unit. The crystal body can optionally have a frequency-dependent microwave signal applied to it, which is generated by a microwave unit that is part of the magnetic field-sensitive unit or that can be integrated in the magnetic field-sensitive unit or designed as a separate unit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Leitfähigkeitssensor einen Feldführungskörper zum Führen von Magnetfeldern aufweist, wobei die Magnetfeld sensitive Einheit, insbesondere die Untereinheit in einem Teilbereich des Feldführungskörpers angeordnet ist. An advantageous embodiment provides that the conductivity sensor has a field guide body for guiding magnetic fields, with the magnetic field-sensitive unit, in particular the sub-unit, being arranged in a partial area of the field guide body.
Mittels des Feldführungskörpers lassen sich die durch das zu führende Medium erzeugten Magnetfelder und/oder hervorgerufene Magnetfeldänderungen besser einfangen und zur Magnetfeld-sensitive Einheit führen. Somit kann durch die passende Anzahl an Magnetfeld-sensitiven Einheiten und einen passend ausgebildeten Feldführungskörper die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Mediums über einen Messrohrquerschnitt ermitteln. By means of the field guide body, the magnetic fields generated by the medium to be guided and/or magnetic field changes caused can be better captured and guided to the magnetic field-sensitive unit. Thus, the specific electrical conductivity of the medium can be determined over a measuring tube cross-section through the appropriate number of magnetic field-sensitive units and a suitably designed field guide body.
Weiterhin lassen sich durch den Feldführungskörper geringe Magnetfeldänderungen, welche durch Verunreinigungen im Medium hervorgerufen werden auch dann detektieren, wenn die Verunreinigung die Magnetfeld-sensitive Einheit nicht unmittelbar passieren. Furthermore, small changes in the magnetic field caused by contamination in the medium can be detected by the field guide body even if the contamination does not directly pass through the magnetic field-sensitive unit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper abschnittsweise derart ausgestaltet ist, das zu führende Magnetfeld in dem Teilbereich zu konzentrieren. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Teilbereich als Verjüngung des Feldführungskörpers ausgebildet ist. An advantageous embodiment provides that the field guiding body is configured in sections in such a way that the magnetic field to be conducted is concentrated in the partial area. An advantageous embodiment provides that the partial area is designed as a narrowing of the field guide body.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper im Teilbereich eine Aufnahme aufweist, wobei die Magnetfeld-sensitive Einheit, insbesondere die Untereinheit in der Aufnahme angeordnet ist. An advantageous embodiment provides that the field guide body has a receptacle in the partial area, with the magnetic field-sensitive unit, in particular the sub-unit, being arranged in the receptacle.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Teilbereich einen Spalt aufweist, wobei die Magnetfeld-sensitive Einheit, insbesondere die Untereinheit in dem Spalt angeordnet ist. An advantageous embodiment provides that the partial area has a gap, with the magnetic field-sensitive unit, in particular the sub-unit, being arranged in the gap.
Vorteilhaft an den vorhergehenden Ausgestaltungen ist, dass Ereignisse, welche bereits kleinste Änderungen des durch die Wirbelströme im leitfähigen Medium erzeugte Magnetfeldes hervorrufen mittels der Magnetfeld-sensitiven Einheit detektierbar werden, da das Magnetfeld durch die Feldführungskörper zur Magnetfeld-Sensitiven Einheit geführt wird. The advantage of the previous configurations is that events which cause even the smallest changes in the magnetic field generated by the eddy currents in the conductive medium can be detected using the magnetic field-sensitive unit, since the magnetic field is guided by the field guide body to the magnetic field-sensitive unit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper als Hülse ausgebildet ist, welche die Erregerspule zumindest abschnittsweise umhüllt, wobei die Erregerspule zumindest abschnittsweise zwischen einer Außenwandung des Behälters und dem Feldführungskörper angeordnet ist. An advantageous embodiment provides that the field guide body is designed as a sleeve which at least partially encloses the exciter coil, the exciter coil being arranged at least partially between an outer wall of the container and the field guide body.
Der Vorteil an der Ausgestaltung ist, dass keine Öffnungen im Behälter oder in der Rohrleitung für den Leitfähigkeitssensor notwendig sind. Zudem lässt sich somit auch ein anklemmbarer Leitfähigkeitssensor realisieren, welcher ausschließlich kraft- und/oder formschlüssig am Behälter oder an der Rohrleitung anbringbar ist. The advantage of the configuration is that no openings are required in the container or in the pipeline for the conductivity sensor. In addition, a conductivity sensor that can be clamped on can also be implemented, which can be attached to the container or to the pipeline exclusively in a non-positive and/or positive manner.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Leitfähigkeitssensor ein insbesondere mediumsberührendes Gehäuse umfasst, wobei der Feldführungskörper die Erregerspule und die Magnetfeld-sensitive Einheit in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei derAn advantageous embodiment provides that the conductivity sensor comprises a medium-contacting housing in particular, wherein the field guide body, the excitation coil and the magnetic field-sensitive unit are arranged in the housing, wherein the
Feldführungskörper als Topfkern ausgebildet ist, wobei die Erregerspule in dem Topfkern angeordnet ist, insbesondere um einen Teilbereich des Topfkerns gewickelt ist. Field guide body is designed as a pot core, wherein the excitation coil is arranged in the pot core, in particular is wound around a portion of the pot core.
In der alternativen Ausgestaltung sind die Erregerspule und die Magnetfeld-sensitive Einheit innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Gehäuse kann an einer äußerenIn the alternative embodiment, the excitation coil and the magnetic field-sensitive unit are arranged inside the housing. The housing can be on an outer
Mantelfläche angebracht oder in einer Öffnung des Behälters so anordenbar sein, dass ein Frontabschnitt des Gehäuses mediumsberührend ist. Im zweiten Fall ist der Leitfähigkeitssensor als Einsteck-Sensor ausgebildet, der in Behälter- wie z.B. bestehende Rohrleitungen - einsteckbar und mittels vorgesehenen Anschlussstutzen befestigbar ist und/oder der - wie z.B. bei Labor- und/oder Umweltanwendungen - durch den Bediener in das zu untersuchende Medium eintauchbar ist. Lateral surface mounted or in an opening of the container can be arranged so that a front portion of the housing is in contact with the medium. In the second case, the conductivity sensor is designed as a plug-in sensor that can be plugged into the container, such as existing pipelines, and by means of the connection sockets provided is fastened and / or - is immersed by the operator in the medium to be examined - such as in laboratory and / or environmental applications.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper derart ausgestaltet ist, dass das zu führende Magnetfeld in mindestens zwei Teilbereichen konzentriert wird, wobei in den mindestens zwei Teilbereichen jeweils eine Magnetfeld-sensitive Einheit, insbesondere jeweils eine Untereinheit angeordnet ist. An advantageous embodiment provides that the field guide body is designed such that the magnetic field to be conducted is concentrated in at least two sub-areas, with a magnetic field-sensitive unit, in particular a sub-unit, being arranged in each of the at least two sub-areas.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, eine differentielle Auswertung der jeweils mittels der mindestens zwei Magnetfeld sensitiven Einheiten, insbesondere der mindestens zwei Untereinheiten bereitgestellten Messsignale, insbesondere der Fluoreszenzsignale auszuführen. An advantageous embodiment provides that the evaluation unit is designed in such a way that it carries out a differential evaluation of the measurement signals provided by the at least two magnetic field-sensitive units, in particular the at least two sub-units, in particular the fluorescence signals.
Der Vorteil der beiden vorhergehenden Ausgestaltungen besteht in der verbesserten Empfindlichkeit gegenüber Ereignissen, welche nicht zu einer räumlich homogenenThe advantage of the two previous configurations is the improved sensitivity to events that do not result in a spatially homogeneous event
Magnetfeldänderung führen. Ändert sich die Leitfähigkeit des Mediums gleichmäßig über den Messbereich des Leitfähigkeitssensors, so führt das zu einer gleichmäßigen Änderung der Messsignale. Ändern sich jedoch die Wirbelströme im Medium örtlich bspw. durch die Anwesenheit von nicht leitenden Verunreinigungen, so ist dies mit der differentiellen Auswertung detektierbar. lead to magnetic field changes. If the conductivity of the medium changes uniformly over the measuring range of the conductivity sensor, this leads to a uniform change in the measuring signals. However, if the eddy currents in the medium change locally, for example due to the presence of non-conductive impurities, this can be detected with the differential evaluation.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, bei Abweichung des Messsignales oder einer von dem Messsignal abhängigen Messgröße von einem Überwachungskriterium dies als durch einen Fremdkörper hervorgerufen zu interpretieren. An advantageous embodiment provides that the evaluation unit is set up to interpret a deviation of the measurement signal or a measurement variable dependent on the measurement signal from a monitoring criterion as caused by a foreign body.
Erfindungsgemäß wird der Leitfähigkeitssensor dazu eingesetzt um Fremdkörper, wie z.B. Glas, Metallsplitter usw. im Medium zu detektieren. Dafür macht man sich zu Nutze, dass die im Wesentlichen konstante oder nur kontinuierlich veränderlichen Wirbelströme im Medium durch die Verunreinigung gestört werden. Diese Störung wirkt sich auf das erzeugte Magnetfeld aus und kann somit mit der Magnetfeld-sensitiven Einheit detektiert und aus dem ermittelten Messignal herausgefiltert werden. According to the invention, the conductivity sensor is used to detect foreign bodies such as glass, metal splinters, etc. in the medium. For this one makes use of the fact that the essentially constant or only continuously changing eddy currents in the medium are disturbed by the contamination. This disturbance affects the generated magnetic field and can thus be detected with the magnetic field-sensitive unit and filtered out of the measurement signal determined.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feldführungskörper genau zwei, insbesondere genau vier Teilbereiche aufweist, in denen jeweils genau eine Magnetfeld sensitive Einheit, insbesondere jeweils genau eine Untereinheit angeordnet ist. An advantageous embodiment provides that the field guide body has exactly two, in particular exactly four sub-areas, in each of which exactly one magnetic field-sensitive unit, in particular exactly one sub-unit, is arranged.
Somit lässt sich die Empfindlichkeit des Leitfähigkeitssensors gegenüber Verunreinigungen verbessern, so dass auch in großen Behältnissen, insbesondere in Rohrleitungen mit großen Nennweiten eine Überwachung des Mediums gewährleistet werden kann. In this way, the sensitivity of the conductivity sensor to contamination can be improved, so that even in large containers, especially in Monitoring of the medium can be guaranteed in pipelines with large nominal diameters.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren Fig. 1 - 4 näher erläutert werden. Sie zeigen: The present invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. 1-4. They show:
Fig. 1 : ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant; 1: a simplified energy scheme for a negatively charged NV center in diamond;
Fig. 2: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; 2 shows a first embodiment of the conductivity sensor according to the invention;
Fig. 3: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; 3 shows a second embodiment of the conductivity sensor according to the invention;
Fig. 4: eine Perspektive Ansicht auf eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; 4: a perspective view of a third embodiment of the conductivity sensor according to the invention;
Fig. 5: einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; und 5 shows a cross section through a further embodiment of the conductivity sensor according to the invention; and
Fig. 6: einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors eingesetzt in einer Rohrleitung. 6: a cross section through a further embodiment of the conductivity sensor according to the invention used in a pipeline.
In Fig. 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. A simplified energy scheme for a negatively charged NV center in a diamond is shown in FIG. 1 in order to exemplify the excitation and the fluorescence of a defect in a crystal body. The following considerations can be transferred to other crystal bodies with corresponding defects.
Im Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein nitrogen vacancy-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV -Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett- Grundzustand 3A ein angeregter Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände ms=0,±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett- Zustände 1A und 1E zwischen dem Grundzustand 3A und dem angeregten Zustand 3E. In diamond, each carbon atom is typically covalently bonded to four other carbon atoms. A nitrogen vacancy center (NV center) consists of a defect in the diamond lattice, i.e. an unoccupied lattice site, and a nitrogen atom as one of the four neighboring atoms. In particular, the negatively charged NV centers are important for the excitation and evaluation of fluorescence signals. In the energy scheme of a negatively charged NV center, in addition to a triplet ground state 3 A, there is an excited triplet state 3 E, each of which has three magnetic substates m s =0,±1. Furthermore, there are two metastable singlet states 1 A and 1 E between the ground state 3 A and the excited state 3 E.
Durch Anregungslicht 1 aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht 1 mit einer Wellenlänge von 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand 3A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand 3E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons 2 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand 3A zurückkehrt. Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfeldstärke B mithilfe derZeeman-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. Excitation light 1 from the green range of the visible spectrum, e.g. excitation light 1 with a wavelength of 532 nm, excites an electron from the ground state 3 A into a vibrational state of the excited state 3 E, which emits a fluorescence photon 2 with a wavelength of 630 nm returns to the ground state 3 A. An applied magnetic field with a magnetic field strength B leads to a splitting (Zeeman splitting) of the magnetic sub-states, so that the ground state consists of three energetically separated sub-states, each of which can be excited. However, the intensity of the fluorescence signal depends on the respective magnetic substate from which the excitation took place, so that the distance between the fluorescence minima can be used, for example, to calculate the magnetic field strength B using the Zeeman formula. Further options for evaluating the fluorescence signal are provided within the scope of the present invention, such as evaluating the intensity of the fluorescent light, which is also proportional to the applied magnetic field. An electrical evaluation can in turn be carried out, for example, via a photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR for short). In addition to these examples of evaluating the fluorescence signal, there are other options which also fall within the scope of the present invention.
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. The excitation of gas cells is not explicitly shown, but in the case of gas cells, too, excitation with light of a defined wavelength leads to an excitation of an electron, which is followed by the emission of fluorescent light. For example, the intensity and/or the wavelength of the fluorescent light emitted is used to determine the magnetic field.
In Fig. 2 ist eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors 3 und eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems 13 gezeigt, in welcher der Leitfähigkeitssensor 3 außerhalb des Behälters 5, also nicht-invasiv, angeordnet ist. Der Behälter 5 ist im Beispiel von Fig. 2 eine Rohrleitung, welches von dem Medium 4 durch strömt wird. Alternativ kann der Behälter 5 ein Tank sein. 2 shows a first embodiment of the conductivity sensor 3 according to the invention and a first embodiment of the measuring system 13 according to the invention, in which the conductivity sensor 3 is arranged outside the container 5, ie non-invasively. In the example of FIG. 2, the container 5 is a pipeline through which the medium 4 flows. Alternatively, the container 5 can be a tank.
Der Leitfähigkeitssensor 3 weist eine rings um die Rohrleitung angeordnete Erregerspule 6 auf, welche ein elektrisches Eingangssignal in das Medium 4 einspeist, welches als eingespeistes Magnetfeld B1 dargestellt ist. Das eingespeiste Magnetfeld B1 induziert ein elektrisches Feld E1 , welches zu einer teilweisen Bewegung der beweglichen Ladungsträger des Mediums 4 und damit zu einem Stromfluss führt. Hierdurch ergibt sich wiederum ein Magnetfeld B2. Die Magnetfeld-sensitive Einheit 7 ist derart angeordnet und ausgestaltet, dass eine Änderung und/oder eine Stärke des durch die beweglichen Ladungsträger des Mediums 4 erzeugten Magnetfelds B2 ermittelbar ist. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit 8 vorgesehen, um die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Mediums 4 zumindest anhand des von der Magnetfeld-sensitiven Einheit 7 ermittelten Magnetfelds zu bestimmen. Die Pfeile auf den Feldlinien der Magnetfelder B1 , B2 und des elektrischen Feldes E1 deuten die Flussrichtung an. In der Regel gibt die Erregerspule 6 ein magnetisches Wechselfeld aus, so dass folglich auch die resultierenden elektrischen Felder E1 und Magnetfelder B2 Wechselfelder sind. In den Figuren 2-6 sind zur Vereinfachung keine Wechselfelder eingezeichnet, sondern es ist jeweils ein Beispiel gegeben, das auf einem eingespeisten Magnetfeld B1 mit einer beispielhaften Flussrichtung basiert. The conductivity sensor 3 has an excitation coil 6 arranged around the pipeline, which feeds an electrical input signal into the medium 4, which is shown as the fed-in magnetic field B1. The fed-in magnetic field B1 induces an electric field E1, which leads to a partial movement of the mobile charge carriers of the medium 4 and thus to a current flow. This in turn results in a magnetic field B2. The magnetic field-sensitive unit 7 is arranged and designed in such a way that a change and/or a strength of the magnetic field B2 generated by the mobile charge carriers of the medium 4 can be determined. Furthermore, an evaluation unit 8 is provided in order to determine the specific electrical conductivity of the medium 4 at least on the basis of the magnetic field determined by the magnetic field-sensitive unit 7 . The arrows on the field lines of the magnetic fields B1, B2 and the electric field E1 indicate the direction of flow. As a rule, the excitation coil 6 outputs an alternating magnetic field, so that consequently the resulting electric fields E1 and magnetic fields B2 are alternating fields. For reasons of simplification, no alternating fields are shown in FIGS.
Das induzierte elektrische Feld E1 führt zum Fluss eines elektrischen Stroms, d.h. zum Fluss der beweglichen Ladungsträger. Optional ist ein Isolator 11 an der inneren Wandung der Rohrleitung 5 vorgesehen. Der Isolator 11 ist derart an einem Bereich einer inneren Wandung des Behälters angeordnet, dass die beweglichen Ladungsträger des Mediums 4 sich über den Isolator 11 hinwegbewegen müssen. Der das Medium einschließende Behälter besteht häufig aus einem leitfähigen Material, so dass der durch die Bewegung der Ladungsträger entstehende Strom sich durch die Wandung des Behälters ausbreiten kann. Zur korrekten Bestimmung des Magnetfelds und der Leitfähigkeit muss der Strom jedoch zumindest teilweise durch das Medium fließen. Zu diesem Zweck wird ein Isolator abschnittsweise an einer inneren Wandung des Behälters angebracht. Insbesondere die nicht-invasive Variante, bei der lediglich der Isolator innerhalb des Behälters angeordnet ist, bietet den Vorteil einer einfachen und hygienischen Anbringung des Leitfähigkeitssensors. Das durch die Bewegung der Ladungsträger hervorgerufene Magnetfeld B2 wird durch die Magnetfeld-sensitive Einheit 7 ermittelt. The induced electric field E1 leads to the flow of an electric current, i.e. to the flow of mobile charge carriers. An insulator 11 is optionally provided on the inner wall of the pipeline 5 . The insulator 11 is arranged on an area of an inner wall of the container in such a way that the mobile charge carriers of the medium 4 have to move across the insulator 11 . The container enclosing the medium is often made of a conductive material, so that the current generated by the movement of the charge carriers can propagate through the wall of the container. However, in order to correctly determine the magnetic field and the conductivity, the current must flow at least partially through the medium. For this purpose, an insulator is attached in sections to an inner wall of the container. The non-invasive variant in particular, in which only the insulator is arranged inside the container, offers the advantage of simple and hygienic attachment of the conductivity sensor. The magnetic field B2 caused by the movement of the charge carriers is determined by the magnetic field-sensitive unit 7 .
Als Magnetfeld-sensitive Einheit 7 wird beispielsweise ein Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle eingesetzt. Im ersteren Fall handelt sich unter anderem um einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum. Als Gaszelle ist beispielsweise eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle einsatzbar. Sowohl der Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum als auch die Gaszelle benötigen jeweils eine Anregungseinheit 9 zur optischen Anregung des Kristallkörpers oder der Gaszelle und eine Detektionseinheit 10 zur Detektion eines Magnetfeld-abhängigen Fluoreszenzsignals des Kristallkörpers oder der Gaszelle. Die Anregungseinheit 9 und/oder die Detektionseinheit 10 können optional im Bereich der Magnetfeld-sensitiven Einheit 7 angeordnet sein, sie können jedoch beispielsweise unter der Verwendung von optischen Lichtleitern auch entfernt von der Magnetfeld-sensitiven Einheit 7 angeordnet sein. A crystal body with at least one defect center or a gas cell, for example, is used as the magnetic field-sensitive unit 7 . In the first case, it is, inter alia, a diamond with at least one nitrogen vacancy center, silicon carbide with at least one silicon vacancy or hexagonal boron nitride with at least one vacancy color center. A cell enclosing at least one gaseous alkali metal, for example, can be used as the gas cell. Both the crystal body with at least one defect center and the gas cell each require an excitation unit 9 for optical excitation of the crystal body or gas cell and a detection unit 10 for detecting a magnetic field-dependent fluorescence signal of the crystal body or gas cell. The excitation unit 9 and/or the detection unit 10 can optionally be arranged in the area of the magnetic field-sensitive unit 7, but they can also be arranged away from the magnetic field-sensitive unit 7, for example using optical light guides.
Das Messsystem 13 zur Bestimmung und/oder Überwachung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums 4 in einem Behälter 5 wird gebildet aus zumindest dem Leitfähigkeitssensor 3 und einem Temperatursensor 14 zur Bestimmung der Temperatur des Mediums 4, welcher hier beispielhaft außerhalb des Behälters 5 angeordnet ist. Ein Anbringen des Temperatursensors 14 innerhalb des Behälters 5 ist prinzipiell ebenso möglich. Als Temperatursensor 14 kann beispielsweise ein Platin- Widerstandsthermometer oder ein Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle zum Einsatz kommen. Die Auswerteeinheit 8 ermittelt anhand des von der Magnetfeld- sensitiven Einheit 7 ermittelten Magnetfelds und der von dem Temperatursensor 14 bestimmten Temperatur die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Mediums 4 bei einer definierten Temperatur. The measuring system 13 for determining and/or monitoring the specific electrical conductivity of a medium 4 in a container 5 consists of at least the conductivity sensor 3 and a temperature sensor 14 for determining the temperature of the medium 4, which is here, for example, outside the container 5 is arranged. In principle, it is also possible to attach the temperature sensor 14 inside the container 5 . For example, a platinum resistance thermometer or a crystal body with at least one defect can be used as the temperature sensor 14 . The evaluation unit 8 uses the magnetic field determined by the magnetic field-sensitive unit 7 and the temperature determined by the temperature sensor 14 to determine the specific electrical conductivity of the medium 4 at a defined temperature.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausgestaltung des Messsystems 13 und des Leitfähig- keitssensors 3 dargestellt. In diesem Fall ist eine invasive Anbringung desA second embodiment of the measuring system 13 and the conductivity sensor 3 is shown in FIG. In this case, an invasive application of the
Leitfähigkeitssensors 3 und des Temperatursensors 14 gezeigt. Optional ist die Erregerspule 6 mit einer magnetischen Abschirmung 12 versehen, um das Magnetfeld B2 im Bereich der Magnetfeld-sensitiven Einheit 7 nicht zu stören. Die Fig. 4 zeigt eine dritte Ausgestaltung des Leitfähigkeitssensor 3 zur Bestimmung und/oder Überwachung einer insbesondere spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines fließfähig Mediums in einem Behälter 5 - in dem Fall in einer Rohrleitung - umfassend eine Erregerspule 6 zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Medium, eine Betriebsschaltung 19, welche dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Eingangssignal in die Erregerspule 6 einzuspeisen. Dabei ist das Eingangssignal derart ausgebildet ist, dass das dadurch mittels der Erregerspule 6 erzeugte Magnetfeld bewegliche Ladungsträger im Medium zu einer Bewegung anregt. Weiterhin umfasst der Leitfähigkeitssensor eine Magnetfeld-sensitive Einheit 7, welche dazu eingerichtet ist, ein Messsignal, insbesondere ein Fluoreszenzsignal bereitzustellen, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger des Mediums erzeugtenConductivity sensor 3 and the temperature sensor 14 shown. The excitation coil 6 is optionally provided with a magnetic shield 12 in order not to disturb the magnetic field B2 in the area of the magnetic field-sensitive unit 7 . Fig. 4 shows a third embodiment of the conductivity sensor 3 for determining and / or monitoring a particular electrical conductivity of a flowable medium in a container 5 - in the case in a pipeline - comprising an excitation coil 6 for generating a magnetic field in the medium, a Operating circuit 19, which is set up to feed an electrical input signal into the excitation coil 6. The input signal is designed in such a way that the magnetic field thus generated by means of the excitation coil 6 excites mobile charge carriers in the medium to move. Furthermore, the conductivity sensor includes a magnetic field-sensitive unit 7, which is set up to provide a measurement signal, in particular a fluorescence signal, which is generated by the mobile charge carriers of the medium with a change and/or a strength
Magnetfelds korreliert. Im abgebildeten Fall umfasst der Leitfähigkeitssensor 3 genau vier Magnetfeld-sensitive Einheiten 7, wobei zwei Magnetfeld-sensitive Einheiten 7 durch den Behälter verdeckt sind. Erfindungsgemäß umfasst die Magnetfeld-sensitive Einheit 7 eine Untereinheit 15, welche ein optisch anregbares Material umfasst und eine optische Anregungseinheit 9 zur optischen Anregung der Untereinheit 15 und eine optische Detektionseinheit zur Detektion des Messsignales. Das Messsignal kann ein Fluoreszenzsignal sein, dass durch das Material erzeugt und von der Detektionseinheit sein. Weiterhin umfasst der Leitfähigkeitssensor eine Auswerteeinheit, welche dazu eingerichtet ist, die insbesondere spezifische elektrische Leitfähigkeit des Mediums zumindest anhand des von der Magnetfeld-sensitiven Einheit 7 bereitgestelltencorrelated magnetic field. In the case shown, the conductivity sensor 3 includes exactly four magnetic field-sensitive units 7, with two magnetic field-sensitive units 7 being covered by the container. According to the invention, the magnetic field-sensitive unit 7 includes a sub-unit 15, which includes an optically excitable material and an optical excitation unit 9 for optical excitation of the sub-unit 15 and an optical detection unit for detecting the measurement signal. The measurement signal can be a fluorescence signal that is generated by the material and by the detection unit. Furthermore, the conductivity sensor includes an evaluation unit which is set up to determine the specific electrical conductivity of the medium at least on the basis of that provided by the magnetic field-sensitive unit 7
Messsignales zu ermitteln. Die Untereinheit 15 der Magnetfeld-sensitiven Einheit 7 kann einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle umfassen. Gemäß dem Fall, dass die Untereinheit 15 einen Kristallkörper aufweist, umfasst dieser einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, ein Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder ein hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum. Gemäß dem Fall, dass die Untereinheit 15 eine Gaszelle aufweist, umfasst diese zumindest eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle. Der abgebildete Leitfähigkeitssensor 3 weist einen Feldführungskörper 16 zum Führen von Magnetfeldern auf. Die Magnetfeld-sensitive Einheit 7, insbesondere die Untereinheit 15 ist in einem Teilbereich 17 des Feldführungskörpers 16 angeordnet. Der Feldführungskörper 16 ist abschnittsweise derart ausgestaltet, das zu führende Magnetfeld in dem Teilbereich 17 zu konzentrieren. Gemäß der abgebildeten Ausgestaltung ist der Teilbereich 17 als Verjüngung ausgebildet. Zusätzlich kann in dem Teilbereich 17 eine Aufnahme vorgesehen sein, in der die Magnetfeld-sensitive Einheit 7, insbesondere die Untereinheit 15 angeordnet ist. to determine the measurement signal. The sub-unit 15 of the magnetic field-sensitive unit 7 can comprise a crystal body with at least one defect center or a gas cell. According to the case that the subunit 15 has a crystal body, this comprises a diamond with at least one nitrogen vacancy center, a silicon carbide with at least one silicon vacancy or a hexagonal boron nitride at least one defect color center. In the event that the sub-assembly 15 comprises a gas cell, this comprises at least one cell enclosing a gaseous alkali metal. The conductivity sensor 3 shown has a field guiding body 16 for guiding magnetic fields. The magnetic field-sensitive unit 7, in particular the sub-unit 15, is arranged in a partial area 17 of the field-guiding body 16. The field guiding body 16 is configured in sections in such a way that the magnetic field to be conducted is concentrated in the partial area 17 . According to the illustrated embodiment, the partial area 17 is designed as a taper. In addition, a receptacle can be provided in the partial area 17, in which the magnetic field-sensitive unit 7, in particular the sub-unit 15, is arranged.
Alternativ kann der Teilbereich 17 einen Spalt aufweisen, in dem die Magnetfeld-sensitive Einheit 7, insbesondere die Untereinheit 15 angeordnet ist. Der Feldführungskörper 16 ist als Hülse ausgebildet, welche die Erregerspule 6 zumindest abschnittsweise umhüllt. Die Erregerspule 6 ist zumindest abschnittsweise zwischen einer Außenwandung des Behälters 5 und dem Feldführungskörper 16 angeordnet. Der Leitfähigkeitssensor kann zum Detektieren von Fremdkörpern eingesetzt sein. Dafür ist eine Auswerteeinheit 8 dazu eingerichtet, bei Abweichung des Messsignales oder einer von dem Messsignal abhängigen Messgröße von einem Überwachungskriterium dies als durch einen Fremdkörper hervorgerufen zu interpretieren. Alternatively, the partial area 17 can have a gap in which the magnetic field-sensitive unit 7, in particular the sub-unit 15, is arranged. The field guide body 16 is designed as a sleeve which encloses the excitation coil 6 at least in sections. The exciter coil 6 is arranged at least in sections between an outer wall of the container 5 and the field guide body 16 . The conductivity sensor can be used to detect foreign bodies. For this purpose, an evaluation unit 8 is set up to interpret this as caused by a foreign body if the measurement signal or a measurement variable dependent on the measurement signal deviates from a monitoring criterion.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausgestaltung, bei welcher der Feldführungskörper 16 derart ausgestaltet ist, dass das zu führende Magnetfeld in vier unabhängige Teilbereiche konzentriert wird. Der Feldführungskörper 16 weist in den Teilbereichen jeweils eine Verjüngung auf. Dabei ist in den Teilbereichen jeweils eine Magnetfeld-sensitive Einheit, insbesondere eine Untereinheit 15.1 , 15.2, 15.3, 15.4 angeordnet. Alternativ kann jeweils ein Spalt im Teilbereich vorgesehen sein, in dem die Untereinheit 15 eingesetzt ist. Gemäß der abgebildeten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit 8 derart ausgebildet ist, eine differentielle Auswertung der jeweils mittels mindestens zwei Magnetfeld-sensitive Einheiten bzw. mittels aller Magnetfeld-sensitive Einheiten, insbesondere deren vier Untereinheiten 15.1 , 15.2, 15.3, 15.4 bereitgestellten Messsignale, insbesondere Untereinheitenmesssignale auszuführen. Die Auswerteeinheit 8 ist in dem Fall dazu eingerichtet, bei Abweichung des Messsignales oder einer von dem Messsignal abhängigen Messgröße von einem Überwachungskriterium dies als durch einen Fremdkörper hervorgerufen zu interpretieren. Somit lassen sich durch Verun- reinigungen hervorgerufene Ereignisse detektieren. Die Auswerteschaltung 8 kann dazu einen durch den Bediener bereitgestellten Leitfähigkeitswert berücksichtigen. Weiterhin ist zwischen dem Feldführungskörper 16 und der Rohrwandung des Behältnisses 5 die Erregerspule 6 angeordnet. Im abgebildeten Fall ist die Erregerspule 6 um einen Teilabschnitt der Rohrleitung gewickelt. Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Leitfähigkeitssensors 3, die in eine Öffnung eine Behältnisses 5 eingesetzt ist. Der Leitfähigkeitssensor 3 umfasst in dem Fall ein mediumsberührendes Gehäuse 18 in dem die Erregerspule 6 und die Magnetfeld sensitive Einheit 7 angeordnet sind. Der Feldführungskörper 16 ist als Topfkern ausgebildet, mit einer Aufnahme, in der die Magnetfeld-sensitive Einheit angeordnet ist. Die Erregerspule 6 ist am Topfkern angeordnet, insbesondere ist die Erregerspule 6 um einen Teilbereich des Topfkerns gewickelt. Der Leitfähigkeitssensor 3 ist in eine Öffnung eingesetzt und mittels einen Anschlussstutzen 20 mit dem Behälter 5 verbunden. In einem mediumsberührenden Frontabschnitt ist ein Temperatursensor 14 angeordnet. Dieser kann mediumsberührend sein. FIG. 5 shows a cross section through an embodiment in which the field guide body 16 is designed in such a way that the magnetic field to be guided is concentrated into four independent partial areas. The field guide body 16 has a taper in each of the partial areas. A magnetic field-sensitive unit, in particular a sub-unit 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, is arranged in each of the partial areas. Alternatively, a gap can be provided in the partial area in which the sub-unit 15 is inserted. According to the configuration shown, the evaluation unit 8 is designed in such a way that it carries out a differential evaluation of the measurement signals, in particular sub-unit measurement signals, provided by means of at least two magnetic field-sensitive units or by means of all magnetic field-sensitive units, in particular their four sub-units 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 . In this case, the evaluation unit 8 is set up to interpret a deviation of the measurement signal or a measurement variable dependent on the measurement signal from a monitoring criterion as caused by a foreign body. Events caused by contamination can thus be detected. For this purpose, the evaluation circuit 8 can take into account a conductivity value provided by the operator. Furthermore, the excitation coil 6 is arranged between the field guide body 16 and the tube wall of the container 5 . In the case shown, the excitation coil 6 is wound around a section of the pipeline. FIG. 6 shows a further embodiment of the conductivity sensor 3, which is inserted into an opening of a container 5. In this case, the conductivity sensor 3 comprises a medium-contacting housing 18 in which the excitation coil 6 and the magnetic field-sensitive unit 7 are arranged. The field guide body 16 is designed as a pot core, with a receptacle in which the magnetic field-sensitive unit is arranged. The exciter coil 6 is arranged on the pot core, in particular the exciter coil 6 is wound around a portion of the pot core. The conductivity sensor 3 is inserted into an opening and connected to the container 5 by means of a connecting piece 20 . A temperature sensor 14 is arranged in a front section in contact with the medium. This can be in contact with the medium.
Alternativ kann das Gehäuse 18 des Leitfähigkeitssensors 3 auch an der äußeren Fläche einer Rohrleitung angebracht sein. Alternatively, the housing 18 of the conductivity sensor 3 can also be attached to the outer surface of a pipeline.
Bezugszeichenliste reference list
1 Anregungslicht 1 excitation light
2 Fluoreszenzlicht 3 Leitfähigkeitssensor 2 fluorescent light 3 conductivity sensor
4 Medium 4 media
5 Behälter 5 containers
6 Erregerspule 6 excitation coil
7 Magnetfeld-sensitive Einheit 8 Auswerteeinheit 7 magnetic field-sensitive unit 8 evaluation unit
9 Anregungseinheit 9 excitation unit
10 Detektionseinheit 10 detection unit
11 Isolator 11 insulator
12 magnetische Abschirmung 13 Messsystem 12 magnetic shielding 13 measuring system
14 Temperatursensor 14 temperature sensor
15 Untereinheit 15 subunit
15.1 Untereinheit 15.1 Subunit
15.2 Untereinheit 15.3 Untereinheit 15.2 Subunit 15.3 Subunit
15.4 Untereinheit 15.4 Subunit
16 Feldführungskörper 16 field guide bodies
17 Teilbereich 17 section
18 Gehäuse 19 Betriebsschaltung 18 housing 19 operating circuit
20 Anschlussstutzen 20 connecting pieces
B1 eingespeistes Magnetfeld der Erregerspule E1 elektrisches Feld B1 magnetic field fed into the excitation coil E1 electric field
B2 Magnetfeld resultierend aus Bewegung der Ladungsträger B2 Magnetic field resulting from the movement of charge carriers
Claims
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