Die Erfindung betrifft einen Leitfähigkeitssensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums in einem Behälter.

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.

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.

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.

Eine neuere Entwicklung im Bereich der Sensorik stellen sogenannte Quantensensoren dar, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen ausgenutzt werden. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren interessant.

Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit Auflösungen im Nanometerbereich möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in 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.

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.

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.

Ein weiterer Teilbereich im Feld von Quantensensoren betrifft Gaszellen, in welchen atomare Übergänge sowie Spinzustände u.a. zur Bestimmung magnetischer und/elektrischer Eigenschaften optisch abgefragt werden können. In der Regel liegen in der Gaszelle ein gasförmiges Alkalimetall sowie ein Puffergas vor. Magnetische Eigenschaften eines umgebenden Mediums können durch in der Gaszelle erzeugte Rydbergzustände bestimmt werden.

Beispielsweise werden Gaszellen in quantenbasierten Standards eingesetzt, welche physikalische Größen mit hoher Präzision bereitstellen. So werden sie seit langem in Frequenzstandards bzw. Atomuhren eingesetzt, wie aus der EP 0 550240 B1 bekannt.

Die US 10 184 796 B2 offenbart darüber hinaus ein atomares Gyroskop in Chipgröße, bei welchem eine Gaszelle zur Bestimmung des Magnetfelds zum Einsatz kommt. Ein optisch gepumptes Magnetometer basierend auf einer Gaszelle ist aus der US 9 329 152 B2 bekannt. Durch Manipulation der atomaren Zustände in Gaszellen lassen sich weitere Anwendungsfelder von Gaszellen erschließen. So beschreibt die JP 4066804 A2 den Einsatz von Gaszellen zur Bestimmung absoluter Weglängen. Darüber hinaus werden Gaszellen auch als Ausgangspunkt für Mikrowellenquellen eingesetzt, wie in der EP 1 224 709 B1 beschrieben.

Viele aus dem Stand der Technik bekannte Messprinzipien erlauben eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich seiner magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden sowohl invasive Messgeräte, bei welchem die jeweilige Sensoreinheit in direkten Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird, als auch nicht-invasive Messgeräte, bei welchem die Prozessgröße außerhalb des Behälters erfasst wird, verwendet. Nicht-invasive Messgeräte bieten grundsätzlich den Vorteil, dass kein Eingriff in den Prozess notwendig ist. Allerdings sind derartige Messgeräte bisher nur begrenzt verfügbar, da hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit und möglichen Störeinflüssen, beispielsweise durch die Behälterwandung oder die Umgebung, viele verschiedene Faktoren, insbesondere die Messgenauigkeit betreffend, berücksichtigt werden müssen.

Ein weiteres Bestreben besteht in der fortlaufenden Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren. So sind solche Sensoren wünschenswert, die eine umfassende Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich vieler unterschiedlicher physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften ermöglichen. Hinsichtlich magnetischer und/oder elektrischer Eigenschaften sind in diesem Zusammenhang präzise Einrichtungen zur Erfassung von Änderungen von magnetischen Feldern, magnetischen Feldern, und je nach Sensortyp ggf. auch Gravitationsfeldern erforderlich.

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.

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:

- eine Erregerspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem 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

- 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.

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.

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.

In einerweiteren Ausgestaltung umfasst die Gaszelle eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Teilbereich einen Spalt aufweist, wobei die Magnetfeld-sensitive Einheit, insbesondere die Untereinheit in dem Spalt angeordnet ist.

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.

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.

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.

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 der

Feldführungskörper als Topfkern ausgebildet ist, wobei die Erregerspule in dem Topfkern angeordnet ist, insbesondere um einen Teilbereich des Topfkerns gewickelt ist.

In der alternativen Ausgestaltung sind die Erregerspule und die Magnetfeld-sensitive Einheit innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Gehäuse kann an einer äußeren

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.

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.

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.

Der Vorteil der beiden vorhergehenden Ausgestaltungen besteht in der verbesserten Empfindlichkeit gegenüber Ereignissen, welche nicht zu einer räumlich homogenen

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.

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.

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.

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.

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.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren Fig. 1 - 4 näher erläutert werden. Sie zeigen:

Fig. 1 : ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant;

Fig. 2: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors;

Fig. 3: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors;

Fig. 4: eine Perspektive Ansicht auf eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors;

Fig. 5: einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; und

Fig. 6: einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors eingesetzt in einer Rohrleitung.

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.

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 ³ A ein angeregter Triplett-Zustand ³ E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände m _s =0,±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett- Zustände ¹ A und ¹ E zwischen dem Grundzustand ³ A und dem angeregten Zustand 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 ³ A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand ³ E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons 2 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand ³ A 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausgestaltung des Messsystems 13 und des Leitfähig- keitssensors 3 dargestellt. In diesem Fall ist eine invasive Anbringung des

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 erzeugten

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 bereitgestellten

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.

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.

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.

Alternativ kann das Gehäuse 18 des Leitfähigkeitssensors 3 auch an der äußeren Fläche einer Rohrleitung angebracht sein.

Bezugszeichenliste

1 Anregungslicht

2 Fluoreszenzlicht 3 Leitfähigkeitssensor

4 Medium

5 Behälter

6 Erregerspule

7 Magnetfeld-sensitive Einheit 8 Auswerteeinheit

9 Anregungseinheit

10 Detektionseinheit

11 Isolator

12 magnetische Abschirmung 13 Messsystem

14 Temperatursensor

15 Untereinheit

15.1 Untereinheit

15.2 Untereinheit 15.3 Untereinheit

15.4 Untereinheit

16 Feldführungskörper

17 Teilbereich

18 Gehäuse 19 Betriebsschaltung

20 Anschlussstutzen

B1 eingespeistes Magnetfeld der Erregerspule E1 elektrisches Feld

B2 Magnetfeld resultierend aus Bewegung der Ladungsträger