In der industriellen Prozessautomatisierung kommen unterschiedlichste Feldgeräte zur Überwachung und/oder Bestimmung verschiedener Prozessgrößen und/oder Kenngrößen eines Mediums in unterschiedlichsten Ausgestaltungen zum Einsatz. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden im Prinzip alle Messgeräte als Feldgerät bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.

Viele aus dem Stand der Technik bekannte, verschiedenen Feldgeräten zugrundeliegende Messprinzipien erlauben eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich seiner magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden sowohl invasive Messgeräte, bei welchem die Sensoreinheit in direkten Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird, als auch nicht invasive Messgeräte, bei welchem die Prozessgröße des Mediums außerhalb des Behälters, in welchem sich das Medium befindet, erfasst wird, verwendet. Nicht invasive Messgeräte bieten grundsätzlich den Vorteil, dass kein Eingriff in den Prozess notwendig ist. Allerdings sind derartige Messgeräte bisher nur begrenzt verfügbar, da hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit und hinsichtlich möglicher Störeinflüsse, beispielsweise durch die Behälterwandung oder die Umgebung, viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden müssen. Dennoch liegt ein allgemeines Bestreben darin, mittels des jeweils verwendeten Messgeräts so wenig wie möglich in den jeweiligen Prozess einzugreifen.

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

Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Charakterisierung von Medien, insbesondere in der industriellen Prozessautomatisierung, bereitzustellen, mittels bei minimalem Eingriff in den Prozess hochpräzise Messungen möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend eine Sensorvorrichtung, eine Magnetfeld-Vorrichtung, und eine Detektionsvorrichtung.

Die Magnetfeld-Vorrichtung dient zur Erzeugung eines Magnetfelds derart, dass das Magnetfeld zumindest die Sensorvorrichtung, die Detektionsvorrichtung und teilweise das Medium durchdringt. Die

Sensorvorrichtung ist wiederum derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass zumindest eine magnetische Eigenschaft einer Komponente der Sensorvorrichtung von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig und das Magnetfeld der Magnetfeld- Vorrichtung vermittels der Sensorvorrichtung in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße beinflussbar ist. Die Detektionsvorrichtung ist dazu ausgestaltet, eine mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe, insbesondere die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Permeabilität, zu erfassen und anhand der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße zu bestimmen und/oderzu überwachen. Dabei ist die Sensorvorrichtung innerhalb eines Innenvolumens des Behältnisses und die Detektionsvorrichtung außerhalb des Behältnisses angeordnet. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist somit derart ausgestaltet, dass ein minimaler Eingriff in den Prozess erfolgt. Eine Wechselwirkung mit dem Medium erfolgt lediglich vermittels der Sensorvorrichtung, welche in einem Innenvolumen des Behältnisses angeordnet und somit in Kontakt mit dem Medium ist. Die Detektionsvorrichtung ist dagegen außerhalb des Behältnisses angeordnet. Auch die Magnetfeld-Vorrichtung kann außerhalb des Behältnisses angeordnet sein. Vorteilhaft ist eine Öffnung in einer Wandung des Behältnisses nicht erforderlich.

Die Sensorvorrichtung kann sowohl über eine einzige als auch über mehrere Komponenten verfügen, für welche zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig ist. Dabei können verschiedene

Komponenten gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein, insbesondere aus demselben oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Kombinationen verschiedener Komponenten sind insbesondere hinsichtlich der Unterdrückung störender externer Magnetfelder oder hinsichtlich gewünschter Erweiterung des Anwendungsbereichs der jeweiligen Sensoranordnung vorteilhaft. Die Sensorvorrichtung kann zudem an einer Innenwandung des Behältnisses, beispielsweise ein Behälter oder eine Rohrleitung, befestigt sein. Dabei kommt sowohl eine lösbare als auch eine nicht lösbare, insbesondere stoffschlüssige, Befestigung in Betracht, welche Befestigung insbesondere unter Verwendung geeigneter Befestigungsmittel herstellbar ist. Die Sensorvorrichtung kann aber auch in das

Innenvolumen des Behältnisses eingebracht sein, ohne dieselbe an einer Wandung zu befestigen. In diesem Falle schwimmt die Sensorvorrichtung in dem Medium. Auch eine Integration der Sensorvorrichtung in die Wandung des Behältnisses, insbesondere derart, dass die Sensorvorrichtung frontbündig mit der Wandung des Behältnisses abschließt, ist denkbar.

Die Detektionsvorrichtung kann einerseits an einer Außenwandung des Behältnisses befestigt oder davon beabstandet angeordnet sein. Insbesondere kann die Detektionsvorrichtung auch Teil einer separaten Einheit sein, welche zur Erfassung der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums jeweils in die Nähe des Behältnisses bringbar ist.

Bei dem Behältnis handelt sich beispielsweise um einen Behälter oder eine Rohrleitung. Es kann sich ebenfalls um ein Einweg-Behälter handeln. Einweg-Prozesslösungen bzw. Single-Use-Technologien kommen in vielen industriellen Prozessen, insbesondere in pharmazeutischen, biologischen, biochemischen oder biotechnologischen Prozessen in zunehmendem Maße zum Einsatz. Entsprechende Prozessanlagen umfassen Rohrleitungen oder Reaktoren, die als Einweg-Behälter (engl.: disposable bzw. disposable bioreactor oder single-use bioreactor bzw. single-use component) ausgestaltet sind. Solche Einweg-Behälter können beispielsweise flexible Behälter, z.B. Beutel, Schläuche oder Fermenter, sein. Manche Einweg-Behälter, z. B. Bioreaktoren oder Fermenter, besitzen Zu- und Ableitungen, die als Schläuche ausgestaltet sein können, oder in welche als Zu- und Ableitungen auch feste Rohrstücke eingesetzt werden können. Ein Vorteil der Single-Use Technologie besteht darin, dass nach Beendigung eines Prozesses die Einweg-Behälter jeweils entsorgt werden. Auf diese Weise werden aufwändige Reinigungs- und Sterilisationsverfahren vermieden. Insbesondere wird durch den Einsatz von Einweg-Behältern das Risiko von Kreuzkontaminationen verhindert und damit die Prozesssicherheit erhöht. Auf der anderen Seite sind an Sensoren im Bereich der Single-Use-Technologie besondere Anforderungen zu stellen, beispielsweise gilt es, Durchführungen zur Umgebung, insbesondere Undichtigkeiten, zu vermeiden. So ist es zwar auch üblich, die verwendeten Sensoren in den Einweg-Behälter einzubringen (invasive Sensoren), was eine Kopplung zum Medium besonders einfach realisierbar macht, jedoch haben von außen am Behälter befestigte Sensoren (nicht-invasive Sensoren) den Vorteil, dass keine Verbindung zum Prozess notwendig ist und die Sensoren ggf. mehrfach verwendbar sind und die Anforderungen an die Sterilität wesentlich einfacher erfüllt werden können. Durch die vorliegende Lösung muss lediglich die Sensor-Vorrichtung in das Behältnis eingebracht werden. Die weiteren Komponenten können außerhalb des Behältnisses angeordnet sein und sind damit vorteilhaft wiederverwendbar. Zudem ist eine Verbindung vom Innenvolumen des Behälters zur Umgebung nicht notwendig, so dass keine Undichtigkeiten des Behältnisses entstehen können.

In einer Ausgestaltung umfasst die Magnetfeld-Vorrichtung zumindest eine Spule und/oder einen Permanentmagneten. Zudem kann auch ein Spulenkern, insbesondere aus einem Material mit einer hohen Permeabilität, vorhanden sein. Es ist einerseits möglich, ein zeitlich im Wesentlichen konstantes Magnetfeld anzulegen. Es ist aber ebenfalls möglich, dass Magnetfeld, insbesondere hinsichtlich einer Frequenz und/oder Amplitude, zu modulieren. Eine derartige Modulation ist insbesondere vorteilhaft zur Reduktion des Einflusses von Störsignalen.

Eine Ausgestaltung der Sensoranordnung beinhaltet, dass eine Komponente der Sensorvorrichtung ein ferromagnetisches Material umfasst. Das ferromagnetische Material weist bei einer vorgebbaren Phasenübergangstemperatur einen Phasenübergang von einem paramagnetischen Zustand in einen ferromagnetischen Zustand auf. Der ferromagnetische Zustand ist durch die Tendenz einer parallelen Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome des jeweiligen Materials gekennzeichnet.

Bei dem ferromagnetischen Material handelt es sich beispielsweise um Werkstoffe wie Cobalt, Eisen, oder Nickel oder eine ihrer Legierungen. Insbesondere kann es sich aber auch um einen nanokristallinen oder amorphen Werkstoff handeln.

Eine alternative Ausgestaltung der Sensoranordnung beinhaltet, dass eine Komponente der Sensorvorrichtung ein magnetostriktives Material umfasst. Ein magnetostriktives Material zeichnet sich durch eine Deformation des Materials infolge eines angelegten Magnetfelds aus. In diesem Zusammenhang wird zwischen der Joule-Magnetostriktion, unter welcher eine Längenänderung infolge einer Änderung der Magnetisierung verstanden wird, dem Villary- Effekt, der auch als inverser magnetostriktiver Effekt bezeichnet wird, bei dem also eine Änderung der mechanischen Spannung zur Änderung der Magnetisierung führt, und dem Delta-E-Effekt, welcher eine Änderung des

Elastizitätsmoduls infolge einer Änderung der Magnetisierung beschreibt, unterschieden.

Bei dem magnetostriktiven Material handelt es sich beispielsweise um Nickel oder eine Eisenlegierung, insbesondere eine Legierung aus Kobalt und Eisen, um eine Legierung aus Gallium und Eisen bzw. Galfenol, oder um eine Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen bzw. Terfenol. Vorzugsweise wird ein Material mit möglichst hoher Permeabilität gewählt, um eine Durchdringung der Sensorvorrichtung durch das Magnetfeld zu maximieren. Es kommen sowohl feste magnetostriktive Komponenten als auch solche Komponenten in Frage, welche aus einem porösen Stoff bestehen. Im Falle eines porösen Werkstoffes kann insbesondere auch eine mechanische Verformung des porösen Werkstoffs zur Erfassung der jeweiligen Prozessgröße und/oder Kenngröße ausgenutzt werden.

In weiteren alternativen Ausgestaltungen umfasst die Komponente der Sensorvorrichtung ein Ferritmaterial, oder einen Permanentmagneten, dessen Magnetfeld von der Prozessgröße, beispielsweise der Temperatur des Mediums, abhängig ist.

Es ist bezüglich der Sensorvorrichtung von Vorteil, wenn diese einen Träger oder eine Membran umfasst, auf welchem/welcher die Komponente der Sensorvorrichtung, insbesondere das ferromagnetische oder magnetostriktive Material, beispielsweise in

Form einer Schicht oder eines länglichen Elements, aufgebracht ist, beispielsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung. Insbesondere kann die Komponente mit dem Träger oder der Membran gefügt sein. Vermittels des Trägers oder der Membran kann in diesem Falle beispielsweise eine Befestigung an einer Innenwandung des Behältnisses erfolgen.

Der Träger oder die Membran sind vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise Edelstahl, Messing, oder Aluminium gefertigt. Es ist zudem von Vorteil, wenn die Komponente, welche für diese Ausgestaltung vorzugsweise ein magnetostriktives Material umfasst, derart auf dem Träger oder der Membran aufgebracht sind, dass eine vorgebbare, mechanische Grundspannung, zwischen der Komponente und dem T räger oder der Membran besteht. Auf diese Weise kann eine Linearisierung einer Sensorcharakteristik, bzw. des Sensorverhaltens, durchgeführt werden.

Im Falle, dass die Komponente der Sensorvorrichtung ein magnetostriktives Material umfasst, welches auf dem T räger oder die Membran aufgebracht ist, ist es ferner von Vorteil, wenn der Träger oder die Membran und das magnetostriktive Material unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere zur Erfassung der Temperatur des Mediums. Infolge einer Änderung der Temperatur des Mediums kommt es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers oder der Membran und des magnetostriktiven Materials zu einer mechanischen Spannung des magnetostriktiven Materials und damit einhergehend zu einer Änderung der Magnetisierung, welche wiederum das angelegte Magnetfeld beeinflusst. Es kann also anhand des Magnetfelds die Temperatur des Mediums unter Ausnutzung des Villary-Effekts ermittelt werden.

Eine Sensorvorrichtung mit einem T räger oder einer Membran eignet sich aber auch für die Bestimmung anderer Prozessgrößen und/oder Kenngrößen des Mediums, wie zum Beispiel den Druck des Mediums in dem Behältnis.

Eine weitere Ausgestaltung der Sensorvorrichtung beinhaltet, dass die Komponente, deren zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig ist, in einem Gehäuse angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich um eine mediumsdichte Kapselung, insbesondere aus einem nichtmagnetischen Material, z. B. Edelstahl, handeln. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kompatibilität zum jeweiligen Medium erreicht werden. Eine derartige Ausgestaltung ist ferner vorteilhaft im Falle einer im Medium schwimmenden Sensorvorrichtung.

In einer Ausgestaltung der Sensoranordnung umfasst die Detektionsvorrichtung einen Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor dient der Detektion des Magnetfelds außerhalb des Behältnisses, welches durch die Sensorvorrichtung im Inneren des Behältnisses in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums beeinflusst wird, bzw. zur Erfassung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe. Zudem kann die Detektionsvorrichtung auch noch über eine Recheneinheit verfügen, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums zu ermitteln. Bei dem Magnetfeldsensor handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor.

In einer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen Quantensensor. Quantensensoren, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen ausgenutzt werden, betreffen verschiedene neuere Entwicklungen im Bereich der Sensorik. Im Zusammenhang mit der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit, insbesondere der Messgenaugkeit, der jeweiligen Sensoren interessant.

Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome oder Ensembles von Atomen sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit Auflösungen im Nanometerbereich möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in Kristall körpern zur Detektion von Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch unterschiedliche auf quantenoptischen Effekten basierende Systeme bekannt geworden, wie beispielsweise Quantengravimeter, NMR Gyroskope oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren.

So beinhaltet eine Ausgestaltung des Magnetfeldsensors in Form eines Quantensensors, dass es sich bei dem Magnetfeldsensor um eine Gaszelle handelt. Bei einem

Quantensensor in Form einer Gaszelle werden atomare Übergänge sowie Spinzustände u.a. zur Bestimmung magnetischer und/elektrischer Eigenschaften optisch detektiert. Eine Gaszelle umfasst typischerweise ein gasförmiges Alkalimetall sowie ein Puffergas. Magnetische Eigenschaften eines die Gaszelle umgebenden Mediums können vermittels in der Gaszelle erzeugter Rydbergzustände bestimmt werden.

Gaszellen kommen oft in quantenbasierten Standards, welche physikalische Größen mit hoher Präzision erfassen, beispielsweise in Frequenzstandards bzw. Atomuhren, wie aus EP 0 550 240 B1 bekannt, zum Einsatz. In US 10 184 796 B2 ist darüber hinaus ein atomares Gyroskop in Chipgröße, bei welchem eine Gaszelle zur Bestimmung des Magnetfelds zum Einsatz kommt, beschrieben worden. Ein optisch gepumptes Magnetometer basierend auf einer Gaszelle ist aus US 9 329 152 B2 bekannt. Durch Manipulation der atomaren Zustände in Gaszellen lassen sich weitere Anwendungsfelder von Gaszellen erschließen. So beschreibt JP 4066804 A2 den Einsatz von Gaszellen zur Bestimmung absoluter Weglängen. Darüber hinaus werden Gaszellen auch als

Ausgangspunkt für Mikrowellenquellen eingesetzt, wie in EP 1 224 709 B1 beschrieben.

Eine alternative Ausgestaltung des Magnetfeldsensors in Form eines Quantensensors beinhaltet, dass es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen Sensor umfassend zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle handelt. Bei derartigen Spin-basierten Quantensensoren werden atomare Übergänge in verschiedenen Kristall körpern ausgenutzt, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einer Silizium- oder Stickstoff-Fehlstelle, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich ein oder mehrere Fehlstellen aufweisen. Im Falle von mehreren Fehlstellen ist eine lineare Anordnung der Fehlstellen bevorzugt. In diesem Zusammenhang ist aus DE 3742878 A1 beispielsweise ein optischer Magnetfeldsensor bekannt geworden, bei welchem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird. Aus DE 10 2017205 099 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, einer Lichtquelle, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal, und einer Detektionseinheit zur Detektion einer magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Weitere Sensoren unter Verwendung von Fehlstellen in Kristallkörpern sind in DE 102017 205 265 A1 , DE 10 2014 219 550 A1 , DE 10 2018 214 617 A1 , oder DE 102016 210 259 A1 beschrieben.

Aus der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2020 123 993.9 ist zudem eine Sensorvorrichtung bekannt geworden, welche anhand eines Fluoreszenzsignals eines Kristallkörpers mit zumindest einer Fehlstelle eine Prozessgröße eines Mediums bestimmt und bei welcher zudem anhand einer für das Magnetfeld charakteristischen Größe eine Zustandsüberwachung des jeweiligen

Prozesses durchgeführt wird. Aus der ebenfalls bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2021 100223.0 ist darüber hinaus ein Grenzstandsensor bekannt geworden, bei welchem anhand der Fluoreszenz eine Aussage über einen Grenzstand ermittelt wird.

Bezüglich der Detektionsvorrichtung mit einem Quantensensor mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle ist es von Vorteil, wenn die Detektionsvorrichtung zudem eine Anregeeinheit zur optischen Anregung der Fehlstelle, eine Vorrichtung zur Detektion eines magnetfeldabhängigen, Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals umfasst.

Bei der Anregeeinheit zur optischen Anregung der Fehlstelle kann es sich beispielsweise um einen Laser oder eine Leuchtdiode (LED) handeln. Bei dem Detektor wiederum kann es sich beispielsweise um einen Photodetektor oder einen CMOS-Sensor handeln. Zudem kann die Detektionseinheit über weitere optische Elemente verfügen, wie beispielsweise verschiedene Filter, Linsen oder Spiegel. Die Anregeeinheit und der Detektor können einerseits im Bereich des Kristallkörpers angeordnet sein, oder räumlich von dem Kristallkörper getrennt sein. Im zweiten Fall können Lichtleitfasern zur Leitung des Anregungslichts und Fluoreszenzsignals vorhanden sein.

Zudem kann die Detektionsvorrichtung eine Einheit zur Anregung von Hochfrequenz oder Mikrowellenstrahlung aufweisen. Dies ermöglicht die Anregung von Elektronen in höhere Energieniveaus. Auch hinsichtlich der Auswerteeinheit zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals sind verschiedene Varianten denkbar. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit einen Lock-In-Verstärker und einen Modulator umfassen, mittels welchem Modulator beispielsweise das Magnetfeld modulierbar ist. Dies erlaubt eine Auswertung des Fluoreszenzsignals anhand der Frequenz und damit einhergehend eine auf einfache Art und Weise realisierbare Auswertung, insbesondere mit reduziertem Einfluss von Störsignalen.

In einer Ausgestaltung der Sensoranordnung handelt es sich bei der Prozessgröße um die Temperatur des Mediums. Hinsichtlich der Temperatur ist es von Vorteil, dass lediglich die Sensorvorrichtung innerhalb des Behältnisses angeordnet ist. Die Sensorvorrichtung weist somit stets einen guten thermischen Kontakt mit dem Medium auf. Es sind zudem zur Erfassung eines temperaturabhängigen Messsignals keinerlei Öffnungen oder Fenster innerhalb des Behältnisses erforderlich. Die Erfassung der Temperatur erfolgt berührungslos anhand des durch die Sensorvorrichtung beeinflussten Magnetfelds. Vorteilhaft ist für ein derartiges Thermometer keine Wärmeleitung bzw. Wärmeströme aus der Umgebung bei der Bestimmung der Temperatur zu berücksichtigen. Ebenso kommt es nicht zu einem unerwünschten Energieeintrag von der Umgebung in das jeweilige Behältnis hinein.

Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Temperatur ist es in einer Ausgestaltung denkbar, dass die Komponente der Sensorvorrichtung ein ferromagnetisches Material umfasst. Typischerweise erfolgt der Phasenübergang vom paramagnetischen in den ferromagnetischen Zustand oder umgekehrt nicht sprunghaft bei der Phasenübergangstemperatur, sondern vielmehr kontinuierlich innerhalb eines für das jeweilige Material charakteristischen Phasenübergangs-Temperaturintervalls um die Curie-Temperatur herum. Innerhalb des Phasenübergangs-Temperaturintervalls kann eine hochpräzise Temperaturbestimmung durchgeführt werden, da eine Änderung der Temperatur zu einer vergleichsweise großen Änderung der Magnetisierung führt, welche in diesem Falle als die mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe herangezogen wird.

Im Falle, dass die Komponente der Sensorvorrichtung dagegen ein magnetostriktives Material umfasst, ist wiederum eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei welchem unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des magnetostriktiven Materials und einem Element, welches mit dem magnetostriktiven Material fest verbunden ist, ausgenutzt werden, wie beispielswiese bei Verwendung eines Trägers oder einer Membran. Hinsichtlich der Bestimmung der Temperatur des Mediums ist es zudem von Vorteil, wenn es sich bei der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe um die magnetische Flussdichte handelt, wobei die Temperatur anhand bzw. mit Hilfe des gyromagnetischen Verhältnisses und der magnetischen Flussdichte bestimmt wird. Das gyromagnetische Verhältnis ist definiert als Proportionalitätsfaktor zwischen dem Spin eines Teilchens und dem magnetischen Moment und wird selbst nicht durch die Temperatur beeinflusst. Beeinflusst wird vielmehr das Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis und der magnetischen Flussdichte. Ein Einfluss der Temperatur kommt demnach ausschließlich durch die das Magnetfeld beeinflussende Sensorvorrichtung zustande, so dass eine Auswertung des Magnetfelds hinsichtlich der Temperatur mit Hilfe des gyromagnetischen Verhältnisses auf eindeutige Art und Weise möglich ist. Dies führt zu einer besonders hohen Messgenauigkeit.

In einerweiteren Ausgestaltung der Sensoranordnung handelt es sich bei der Prozessgröße um den Druck des Mediums. Durch eine Änderung des Drucks innerhalb des Behältnisses kommt es im Falle einer Sensoranordnung mit einer magnetostriktiven Komponente beispielsweise zu einer mechanischen Spannung und/oder Deformation in dem mit dem Medium in Kontakt stehenden magnetostriktiven Material, und damit einhergehend zu einer Änderung der Magnetisierung bzw. des Magnetfelds, welches zur Ermittlung des Drucks heranziehbar ist. Auch in diesem Falle wird der Villary-Effekt zur Erfassung des Drucks herangezogen.

Im Falle, dass es sich um eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drucks eines Mediums handelt, ist auch eine Ausgestaltung der Sensorvorrichtung in Form einer an sich aus dem Stand der Technik bekannten keramischen Druckmesszelle denkbar, auf welche ein magnetostriktives Material, beispielsweise in Form einer dünnen Schicht, aufgebracht ist. In diesem Falle führt eine Druckänderung zu einer Auslenkung einer Membran der keramischen Druckmesszelle und damit einhergehend zu einer Spannung des magnetostriktiven Materials infolge der Verformung.

Eine weitere Ausgestaltung der Sensoranordnung beinhaltet schließlich, dass die Sensoranordnung, insbesondere die Detektionsvorrichtung dazu ausgestaltet ist, einen Einfluss einer Wandung des Behältnisses, insbesondere anhand einer Dicke der Wandung und/oder anhand des Materials, aus welchem das Behältnis gefertigt ist, auf das Magnetfeld zu erfassen, und dass die Detektionsvorrichtung dazu ausgestaltet ist, den Einfluss der Wandung des Behältnisses bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße und/oder Kenngröße zu berücksichtigen. Auf diese Weise können Einflüsse unterschiedlicher Materialien und unterschiedliche Dicken unterschiedlicher Behältnisse auf das Magnetfeld, welche insbesondere zu einer vom Behältnis abhängigen Dämpfung des Magnetfelds im Inneren des Behältnisses führen, berücksichtigt werden, was ebenfalls zu einer erhöhten Messgenauigkeit führt.

Zusammenfassend erlaubt die vorliegende Erfindung die Erfassung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums durch eine Wandung eines Behältnisses, in welchem sich das Medium befindet, hindurch. Hierzu sind keinerlei Öffnungen oder Fenster innerhalb des Behältnisses erforderlich. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das ein Magnetfeld, welches mittels einer geeigneten Sensoranordnung durch die jeweilige Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums beeinflusst wird, von außerhalb des Behältnisses, d.h. durch die Wandung des Behältnisses hindurch, erfassbar ist.

Die Erfindung stellt demnach einen hoch leistungsfähigen, einfachen und robusten Aufbau für einen Sensor, bereit, der insbesondere vorteilhaft auch wartungsarm ist. Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der zur Installation derselben erforderliche Eingriff in den Prozess vorteilhaft minimiert werden, da lediglich die Sensorvorrichtung in ein Innenvolumen des Behältnisses eingebracht werden muss. Zudem ist auch ein Einsatz der Sensoranordnung in explosionsgefährdeter Atmosphäre ohne Weiteres und insbesondere ohne die Notwendigkeit von Hilfsenergie möglich.

Im Folgenden werden die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer an der Behälterwandung befestigten Sensorvorrichtung;

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer im Medium schwimmend angeordneten Sensorvorrichtung;

Fig. 3: eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung der Temperatur des Mediums;

Fig. 4: eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung des Drucks des Mediums; Fig. 5: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant, und

Fig. 6: eine schematische Anordnung einer Detektionsvorrichtung für einen Quantensensor mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle. In den Figuren sind gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen.

Fig 1 zeigt eine erste, schematisch dargestellte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums M in einem Behältnis 2. Die Sensorvorrichtung 3 ist innerhalb des Innenvolumens V des Behältnisses 2 (hier in Form eines Behälters) angeordnet und an der Innenwandung Wdes Behältnisses 2 befestigt. Die Sensorvorrichtung 3 umfasst eine Komponente 5, für die zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M abhängig ist, welche vorliegend in Form eines dünnen, länglichen Elements ausgestaltet ist.

Beispielsweise kann es sich bei dieser Komponente 5 um ein Element aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Material handeln. Vorliegend ist die Komponente 5 auf einem Träger bzw. einer Membran 4 angeordnet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, weswegen der Träger bzw. die Membran gestrichelt dargestellt ist.

Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner eine Magnetfeld-Vorrichtung 6 zur Erzeugung eines Magnetfelds B im Bereich der Sensorvorrichtung 3, zumindest einem Teil des Mediums M und im Bereich der Detektionsvorrichtung 7. Das Magnetfeld B durchdringt also die Detektionsvorrichtung 7, die Sensorvorrichtung 3 und das Medium. Das Magnetfeld B wird zudem von der Sensorvorrichtung 3 bzw. von der Komponente 5 beeinflusst, so dass anhand des seitens der Detektionsvorrichtung 7 erfassten bzw. detektierten Magnetfeld B, bzw. anhand einer erfassten bzw. detektierten mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehenden Größe, die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M bestimmt und/oder überwacht werden kann. Erfindungsgemäß sind die Detektionsvorrichtung 7 und für das gezeigte Beispiel auch die Magnetfeld-Vorrichtung 6 außerhalb des Behältnisses 2 angeordnet.

Eine weitere Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung aus Fig. 1 schwimmt die in einem, hier kugelförmig ausgestalteten, Gehäuse G angeordnete Sensorvorrichtung 3 im Medium.

Für eine solche Anordnung ist es von Vorteil, eine Referenz bereitzustellen, um die Abstandsabhängigkeit des Magnetfelds B und den variablen Abstand zwischen der Sensorvorrichtung 3 und der Detektionsvorrichtung 7, welche sich für eine schwimmende Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 3 ergibt, zu berücksichtigen. Hierbei kann es sich um eine Einrichtung zur Durchführung einer Referenzmessung oder auch um eine

Referenzkurve oder einen geeigneten Referenzalgorithmus handeln. Das Magnetfeld weist eine Ortsabhängigkeit auf, welche im Falle einer schwimmenden Sensorvorrichtung auf diese Weise berücksichtigt werden kann. Vorteilhaft ist die Sensoranordnung 1 , insbesondere die Detektionsvorrichtung 7, dazu ausgestaltet, einen Einfluss der Wandung W des Behältnisses auf das erfasste Magnetfeld B, insbesondere anhand einer Dicke der Wandung und/oder anhand des Materials, aus welchem das Behältnis 2 gefertigt ist, zu ermitteln und bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße und/oder Kenngröße zu berücksichtigen.

Hierzu können beispielsweise geeignete Referenzkurven oder Rechenvorschriften, beispielsweise für unterschiedliche Materialen der Behältnisse 2 in der Detektionsvorrichtung 7, insbesondere in einer Recheneinheit der Detektionsvorrichtung 7, hinterlegt sein.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gezeigt, welche für das hier gezeigte Beispiel zur Erfassung der Temperatur T des Mediums dient. Die Sensorvorrichtung 3 umfasst ein auf einem Träger 4a aufgebrachtes magnetostriktives Material 5, welches in Form einer Schicht auf den Träger 4a aufgebracht und von innen an der Wandung W des Behälters befestigt ist. Der Träger 4a und das magnetostriktive Material 5 weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass es infolge einer Temperaturänderung des Mediums zu einer mechanischen Spannung in der Sensorvorrichtung 3 kommt, welche wiederum eine geänderte Magnetisierung des magnetostriktiven Materials 5 zur Folge hat und damit einhergehend eine Änderung des Magnetfelds B.

Die Magnetfeld-Vorrichtung 6 umfasst hier beispielhaft einen Permanentmagneten 8 und eine Spule 9 mit einem Kern 9a, welcher aus zwei L-förmigen Elementen besteht. In einem Spalt zwischen den beiden Elementen des Kerns 9a ist die Detektionsvorrichtung 7 angeordnet, welche einen Magnetfeldsensor 10 und eine Recheneinheit 11 umfasst. Bei dem Magnetfeldsensor 10 kann es sich beispielsweise um einen Hall-Sensor, einen GMR-Sensor oder um einen Quantensensor handeln. Die Temperatur T des Mediums kann beispielsweise in der Recheneinheit anhand des gyromagnetischen Verhältnisses als die mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehende Größe ermittelt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Temperaturbestimmung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergibt sich bei Verwendung eines ferromagnetischen Materials als Komponente 5 der Sensorvorrichtung 3, bei welcher zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M, also der Temperatur T, abhängt. Die Sensoranordnung 1 kann für diesen zweiten Fall analog zu der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung aufgebaut werden.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann aber auch zur Bestimmung weiterer Prozessgrößen und/oder Kenngrößen des Mediums M herangezogen, wie beispielhaft für den Fall einer Bestimmung des Drucks p des Mediums in Fig. 4 illustriert. Während die Magnetfeld-Einrichtung 6 und die Detektionseinheit 7 so ausgestaltet sind, wie für die in Fig. 3 gezeigte Variante, kommt als Sensorvorrichtung 3 eine keramische Druckmesszelle 12 mit einer Membran 4b zum Einsatz, auf welcher Membran 4b eine magnetostriktive Schicht 5 angeordnet ist.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Sensoranordnung betreffen Detektionsvorrichtungen 7, bei welchen Magnetfeldsensoren 8 in Form eines Quantensensors 12 zum Einsatz kommen. Diese zeichnen sich durch große Kompaktheit bei sehr hoher Leistungsfähigkeit und Präzision aus. Die Verwendung von Magnetfeldsensoren 8 in Form von Quantensensoren 12 ist nachfolgend beispielhaft am Beispiel von einem Quantensensor 12 in Form eines Sensors 14 umfassend zumindest einen Kristallkörper 15 mit zumindest einer Fehlstelle erläutert.

Zu diesem Zweck ist in Fig. 5 ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in Diamant dargestellt. Auf diese Weise kann die Anregung der Fehlstelle und die Detektion der Fluoreszenz beispielhaft erläutert werden. Die nachfolgenden Überlegungen gelten gleichermaßen für andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen. Im Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein nitrogen vacancy-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV -Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett- Grundzustand 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 L _A aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht LA mit einer Wellenlänge von ca. 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand ³ A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand ³ E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons LF mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand ³ A zurückkehrt. Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfelddichte B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals LF ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfelddichte B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann.

Es sind aber auch weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals möglich, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche mit dem angelegten Magnetfeld in Zusammenhang steht, oder eine elektrische Auswertung, beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl kurz PDMR, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Eine beispielhafte Detektionsvorrichtung 7 zur Verwendung mit einem derartigen Quantensensor 10 in Form eines Sensors 14 mit einem Kristallkörper 15 mit einer Fehlstelle ist schließlich in Fig. 6 dargestellt. Die Detektionsvorrichtung 7 verfügt über eine Anregeeinheit 16 zur Erzeugung des Anregungslicht LA, und eine Vorrichtung 17 zur Detektion des magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals LF von dem Kristallkörper 15. Darüber hinaus verfügt die Detektionsvorrichtung 7 über eine Auswerteeinheit 18 zur Bestimmung der mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehenden Größe anhand des Fluoreszenzsignals LF.

Für die in Fig. 6 dargestellte Ausgestaltung ist zudem eine Einheit 22 zur Anregung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung vorhanden. Zudem umfasst die

Auswerteeinheit 18 neben einem Lock-In Verstärker 19 eine Steuer-/Recheneinheit 20 und einen Modulator 21 zur Modulation des Magnetfelds der Magnetfeld-Vorrichtung.

Bezugszeichenliste

1 Sensoranordnung

2 Behältnis

3 Sensorvorrichtung

4 T räger (4a) oder Membran (4b)

5 Komponente, für die eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums abhängt

6 Magnetfeld-Vorrichtung

7 Detektionsvorrichtung

8 Permanentmagnet

9 Spule, 9a Kern

10 Magnetfeldsensor

11 Recheneinheit

12 Keramische Druckmesszelle

13 Quantensensor

14 Sensor umfassend einen Kristall mit einer Fehlstelle

15 Kristall

16 Anregungseinheit

17 Einheit zur Detektion des Fluoreszenzsignals

18 Auswerteeinheit

19 Lock-In Verstärker

20 Steuer-/Recheneinheit

21 Modulator

22 Einheit zur Erzeugung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung M Medium

W Wandung B Magnetfeld V Innenvolumen G Gehäuse LA Anregungslicht LF Fluoreszenzlicht