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Dokumentenidentifikation DE102005055464A1 02.11.2006
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen der Wirksamkeit eines Filters
Anmelder UST Umweltsensortechnik GmbH, 98716 Geschwenda, DE
Erfinder Kiesewetter, Olaf Dr. Ing., 98716 Geschwenda, DE;
Ewert, Anatolij, Dipl.-Ing.(FH), 98693 Ilmenau, DE;
Kittelmann, Sven, Dipl.-Ing.(FH), 99326 Stadtilm, DE
Vertreter Patentanwälte Liedtke & Partner, 99096 Erfurt
DE-Anmeldedatum 22.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005055464
Offenlegungstag 02.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.2006
IPC-Hauptklasse B01D 46/42(2006.01)A, F, I, 20051122, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen einer Effizienz und/oder eines Verschmutzungsgrades eines Filters in einem Gasstrom.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, die eine genaue Bestimmung der Wirksamkeit eines Filters ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren gelöst, bei denen mittels mindestens eines vor dem Filter angeordneten ersten Sensors eine anfallende Eingangsgasdosis eines Bestandteils des Gasstroms ermittelt wird, mittels eines nach dem Filter angeordneten hinteren Arrays von Sensoren eine anfallende Ausgangsgasdosis des Bestandteils des Gasstroms ermittelt wird und anhand der Eingangsgasdosis und der Ausgangsgasdosis mindestens eine Kenngröße für die Effizienz und/oder den Verschmutzungsgrad des Filters ermittelt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen einer Effizienz und/oder eines Verschmutzungsgrades eines Filters in einem Gasstrom.

Die Überwachung von Filterwirksamkeit beim Herausfiltern von schädlichen Stoffen ist aus verschiedenen Gründen notwendig. So werden solche Systeme benötigt, um den Sättigungsgrad des Filters zu erkennen und die Luft auf der filterabgewandten Seite möglichst sauber zu halten, um Personen, die eventuell diese Luft einatmen, zu schützen. Es kann auch notwendig sein, Filter für die Abluft von technischen Prozessen zu reinigen und/oder auf ihre Wirksamkeit zu testen und/oder Filter solange zu betreiben bis die Abscheideleistung ein bestimmtes Maß unterschreitet. Da der Austausch der Filtermaterialien mit Kosten verbunden ist, ist man bestrebt, den Filter erst dann auszutauschen, wenn er einen bestimmten, insbesondere einen absoluten Sättigungsgrad eines auszufilternden Gases oder Stoffes erreicht hat.

Die Überwachung von Filtern wird im Stand der Technik abhängig von der Art der jeweiligen Filter mittels zahlreicher Methoden durchgeführt. Für die Filterung von staubhaltiger Luft sind Differenzdrucksysteme zur Überwachung bekannt, wobei der Strömungswiderstand als Maß für die Sättigung des Filters verwendet wird. Ebenso ist es bekannt, das Gewicht des Filters als Maß für die Sättigung des Filters heranzuziehen.

Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren, dass sie für die Bestimmung der Wirksamkeit von Filtern für die Adsorption von Gasen regelmäßig ausscheiden, da durch leichte Gase keine sicher nachweisbare Gewichtszunahme erfolgt sowie der Differenzdruck sich nicht nachweisbar ändert.

Daneben ist es im Stand der Technik bekannt, Gassensoren zur Bestimmung der Wirksamkeit von Filtern einzusetzen. So werden in DE 199 55 905 A1, DE 299 05 469 U1 sowie in der EP 0 623 376 B1 Verfahren beschrieben, bei denen vor dem Filter und nach dem Filter jeweils ein Gassensor eingesetzt wird und jeweils über die Detektion einer Leitkomponente und die Abnahme der Konzentration derselben der Filterzustand detektiert wird.

Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren, dass regelmäßig nur die Sättigung des Filters mit genau einem Gas, nämlich der Leitkomponente, ermittelt werden kann. Sofern mehr als ein Gas ausgefiltert wird, sind daher die bekannten Verfahren nicht geeignet. Insbesondere sind die bekannten Verfahren nicht geeignet, wenn die verwendeten Sensoren querempfindlich sind, also beim Vorhandensein weiterer Gase das zu detektierende Gas nicht zuverlässig detektieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die eine genaue Bestimmung der Wirksamkeit eines Filters ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 15 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vor dem Filter zur Bestimmung einer anfallenden Eingangsgasdosis wenigstens eines Bestandteils des Gasstroms mindestens ein erster Sensor angeordnet, mittels dessen ein mit der Eingangsgasdosis korrespondierendes Eingangssignal an eine Auswerteeinheit ausgebbar ist, und nach dem Filter zur Bestimmung einer anfallenden Ausgangsgasdosis des Bestandteils des Gasstroms ein hinteres Array von Sensoren angeordnet, mittels dessen mit der Ausgangsgasdosis korrespondierende Ausgangssignale an die Auswerteeinheit ausgebbar sind. Die Auswerteeinheit ermittelt anhand des mindestens einen Eingangssignals und anhand der Ausgangssignale mindestens eine Kenngröße für die Effizienz und/oder den Verschmutzungsgrad des Filters.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden. Die Filterwirksamkeit kann mit hoher Genauigkeit und kurzer Reaktionszeit ermittelt und überwacht werden. Da eine hohe Durchführungsgeschwindigkeit des Verfahrens möglich ist, kann eine Filterüberwachung in Echtzeit erfolgen. Die aufwendige Injektion einer Leitkomponente in den Gasstrom ist nicht erforderlich. Die vorliegende Erfindung nutzt zumindest nach dem Filter im Gegensatz zum einzelnen Gassensor ein austauschbares hinteres Gassensorarray, welches durch seinen Aufbau breitbandig auf mehrere verschiedene anfallende Gase anspricht und es so ermöglicht, Querempfindlichkeiten zu kompensieren. Ein Sensorarray misst wie ein Dosimeter die anfallende Gasdosis eines Bestandteils des Gasstroms, die mit der Konzentration des Bestandteils im Gasstrom korreliert. Vor dem Filter ist zumindest ein einzelner Sensor angeordnet, der ein Eingangssignal ermittelt und der Auswerteeinheit zur Verfügung stellt. Die Eingangs- und Ausgangssignale verändern sich in Abhängigkeit vom Füllungsgrad des Filters, da die leicht ad- oder desorbierbaren Stoffe den Filter schneller sättigen beziehungsweise reinigen als schwer ad- oder desorbierbare Stoffe.

Für die erfindungsgemäße Auswertung der Eingangs- und Ausgangssignale stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.

Die Erfindung kann feste, flüssige oder gasförmige Bestandteile eines Gasstroms zur Ermittlung der Filterwirksamkeit analysieren. Es kann sich insbesondere um Stäube handeln. Es können organische oder anorganische sowie basische, neutrale oder saure Bestandteile analysiert werden.

In einer speziellen Ausgestaltung ist der erste Sensor als Teil eines vorderen Arrays von Sensoren zur Bestimmung der Eingangsdosis ausgebildet, welches vor dem Filter angeordnet ist und mittels dessen mit der Eingangsdosis korrespondierende Eingangssignale an die Auswerteeinheit ausgebbar sind. Erfindungsgemäß können so Unterschiede in der Gasdosis beziehungsweise – konzentration im Gasstrom zwischen dem Bereich des Filtereingangs und dem Bereich des Filterausgangs ermittelt werden, um die Kenngröße zu bestimmen. Die Zusammensetzung des eingangsseitigen Gasgemisches unterscheidet sich im Betrieb eines wirksamen Filters von der Zusammensetzung des ausgangsseitigen Gasgemisches. Das Signalmuster verändert sich durch die Sättigung des Filters derart, dass die Konzentrationsunterschiede zwischen Eingang und Ausgang abnehmen.

Vorteilhafterweise sind das vordere Array und das hintere Array hinsichtlich der enthaltenen Sensoren und der jeweiligen Arbeitstemperaturen der einzelnen Sensoren identisch zusammengesetzt. Die Signale der Sensoren können dadurch mit geringem Aufwand verglichen werden. Der Herstellungsaufwand der Vorrichtung kann so außerdem verringert werden.

Zweckmäßigerweise sind mittels verschiedener Sensoren eines Arrays der Vorrichtung unterschiedliche Gase detektierbar.

Es ist weiterhin zweckmäßig, dass mittels der Sensoren eines Arrays der Vorrichtung leicht ad- und/oder desorbierbare Stoffe unterscheidbar.

Die Genauigkeit der Kenngröße kann verbessert werden durch eine Einrichtung zum Ermitteln einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder eines Volumenstroms des Gasstroms durch den Filter. Die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumenstrom kann so bei der Ermittlung der Kenngröße berücksichtigt werden, um deren Genauigkeit zu verbessern.

In einer besonderen Ausführungsform ermittelt die Auswerteeinheit das zeitliche Integral des Produktes aus einem ermittelten Konzentrationsunterschied des Bestandteils des Gasstroms zwischen Filtereingang und Filterausgang mit dem Volumenstrom des Gasstroms durch den Filter und bestimmt aus diesem zeitlichen Integral die Kenngröße.

Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist mit einer Zähleinrichtung zum Ermitteln einer Laufzeit des Bestandteils des Gasstroms durch den Filter versehen, wobei die Auswerteeinheit die Kenngröße anhand der Laufzeit ermittelt. Dies ermöglicht eine höhere Genauigkeit der Kenngröße.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gibt die Auswerteeinheit bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwertes für die Kenngröße ein Warnsignal für ein Auswechseln des Filters aus. Dadurch kann der Filter ausgewechselt werden, ohne dass er zuvor eventuell unbemerkt unwirksam wird.

Vorzugsweise wird dazu ein Überschreiten eines Schwellwertes der Kenngröße für den Verschmutzungsgrad und/oder ein Unterschreiten eines Schwellwerts für die Kenngröße der Effizienz ermittelt.

Vorteilhafterweise sind ein oder alle Arrays von Sensoren der Vorrichtung austauschbar ausgebildet. Dies ermöglicht eine Wartung der Vorrichtung mit geringem Aufwand, insbesondere bei Sensoren mit begrenzter Lebensdauer.

In besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird für das Ermitteln der Kenngröße zumindest eine Hauptkomponentenanalyse einer Menge der Eingangs- und/oder der Ausgangssignale durchgeführt. Diese ermöglicht die Bestimmung der Kenngröße mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand nach einmaliger Kalibrierung, beispielsweise durch Mustererkennung.

In einer ersten Variante des Auswertungsverfahrens werden eine erste Hauptkomponentenanalyse der Eingangssignale eines vorderen Arrays und eine zweite Hauptkomponentenanalyse der Ausgangssignale des hinteren Arrays durchgeführt. Dies ermöglicht den direkten Vergleich der durch Transformation ermittelten Hauptkomponenten zwischen Filtereingang und -ausgang. Äquivalent dazu können Unterschiede der Hauptkomponenten zwischen Filtereingang und -ausgang als Kenngröße ermittelt werden, indem die Kenngröße anhand einer Änderung einer Hauptkomponente zwischen der ersten Hauptkomponentenanalyse und der zweiten Hauptkomponentenanalyse ermittelt wird.

In einer zweiten Variante des Auswertungsverfahrens wird eine gemeinsame Hauptkomponentenanalyse eines Eingangssignals des ersten Sensors und der Ausgangssignale des hinteren Arrays oder eine gemeinsame Hauptkomponentenanalyse der Eingangssignale eines vorderen Arrays und der Ausgangssignale des hinteren Arrays durchgeführt. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Kenngröße aus den absoluten Signalhöhen der Eingangs- und Ausgangssignale. In dieser zweiten Variante wird außer dem ersten Sensor nur ein einziges Sensorarray benötigt. Zudem muss nur eine einzige Hauptkomponentenanalyse durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung berücksichtigt vorteilhafterweise, dass sich der Filter im Betrieb ohne sich ablagernde Bestandteile des Gasstroms reinigt, da die durchströmende Luft die zunächst im Filter gebundenen Stoffe wieder desorbiert, wodurch sich die Wirksamkeit des Filters verbessert und somit seine Standzeit wieder erhöht.

Das Signalmuster verändert sich auch im Laufe der Reinigung des Filters derart, dass die Konzentrationsunterschiede zwischen Eingang und Ausgang des Filters abnehmen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dazu zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

2 einen schematischen Aufbau einer alternativen Ausgestaltung der ersten Ausführungsform,

3 einen schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

4 schematische Verfahrensergebnisse bei mit der Zeit zunehmend verschmutztem Filter und

5 Ermittelte Hauptkomponenten bei verschiedenen Gasen in unterschiedlichen Konzentrationen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb eines Rohres 7, in dem ein austauschbarer Luftfilter 3 angeordnet ist. Es handelt sich um ein Umluftsystem einer Laserbearbeitungsanlage, in der diskontinuierlich Werkstücke aus Kunststoff geschnitten werden, wobei aromatische Kohlenwasserstoffe als Abfallstoffe entstehen, die als Bestandteile eines Gasstroms 5 aus der Laserbearbeitungsanlage herausgeleitet werden. Nach Filterung im Filter 3 wird der Gasstrom 5 wieder in die Laserbearbeitungsanlage hineingeleitet. Das in den Filter 3 einströmende Gasgemisch 5.1 enthält neben Luft die aromatischen Kohlenwasserstoffe, die mittels des Filters 3 ausgefiltert werden sollen, damit das ausströmende Gasgemisch 5.2 soweit gereinigt ist, dass sie als Atemluft genutzt werden kann. Es ist daher wichtig, dass eine ausreichende Wirksamkeit des Filters 3 permanent überwacht wird.

In Strömungsrichtung vor dem Filter 3 ist ein erster Sensor 1.1 angeordnet, der vorzugsweise breitbandig auf alle zu detektierenden Bestandteile des Gasstroms 5 anspricht. In Strömungsrichtung nach dem Filter 3 ist ein hinteres Array 2 von Sensoren 2.1 bis 2.3 angeordnet; die Sensoren 2.1 bis 2.3 sind zur Detektion wenigstens eines jeweiligen Stoffes und/oder Gases ausgebildet. Alle Sensoren 1.1, 2.1, 2.2, 2.3 sind als Metalloxid-Halbleiter-Sensoren ausgeführt und mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden. Der erste Sensor 1.1. gibt ein Eingangssignal an die Auswerteeinheit 6 ab. Die Sensoren 2.1, 2.2, 2.3 des hinteren Arrays geben drei Ausgangssignale an die Auswerteeinheit 6 ab. Das Eingangssignal und die Ausgangssignale werden digital ausgegeben oder von der Auswerteeinheit 6 digitalisiert.

In einer Kalibrierung werden der Vorrichtung in mehreren Durchgängen möglichst alle eventuell im regulären Betrieb zu detektierenden und/oder analysierenden Schadstoff-Bestandteile in einem Kalibriergasstrom 5 in unterschiedlichen Konzentrationen und Mischungen und Mischungsverhältnissen zugeführt, wobei der Filter 3 ausgebaut oder künstlich unwirksam gemacht ist. Die in den Durchgängen ermittelten Messdatensätze, die jeweils einen Eingangssignalwert und drei Ausgangssignalwerte enthalten, werden in einer Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. In der Hauptkomponentenanalyse wird eine Transformationsvorschrift ermittelt, um aus einem Messdatensatz eine oder mehrere Hauptkomponenten zu gewinnen, die als Kenngrößen insbesondere bei einem umfangreichen Messdatensatz eine deutlich höhere Aussagekraft ermöglichen als die Menge der ursprünglichen Eingangs- und Ausgangssignalwerte.

Die Auswerteeinheit 6 analysiert in einem erfindungsgemäßen Verfahren wiederholt die digitalen oder digitalisierten Eingangs- und Ausgangssignale. Sie führt dazu eine Transformation aller vier Signalwerte gemäß der in der Hauptkomponentenanalyse ermittelten Transformationsvorschrift durch, um beispielsweise eine Hauptkomponente als erste Kenngröße und eine weitere Hauptkomponente als zweite Kenngröße zu ermitteln. Die Kenngrößen entsprechen einer absoluten Signalhöhe, die die Wirksamkeit des Filters 3 beschreibt, beispielsweise als Effizienz oder komplementär als Verschmutzungsgrad.

Die ermittelten Kenngrößen vergleicht die Auswerteeinheit 6 mit vorgebbaren Schwellwerten für jede Kenngröße. Werden diese überstiegen, beispielsweise bei Schwellwerten betreffend den Verschmutzungsgrad, oder unterschritten, beispielsweise bei Schwellwerten betreffend die Effizienz des Filters 3, so wird ein Warnsignal ausgegeben, welches anzeigt, dass der Filter 3 ausgewechselt werden muss.

Die Genauigkeit der Auswertung kann mittels einer Einrichtung 4 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit verbessert werden.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform derselben Vorrichtung. Sie weist vor dem Filter 3 drei Sensoren 1.1, 1.2, 1.3 als vorderes Array 1 auf, worin der erste Sensor 1.1 enthalten ist. Die Sensorpaare 1.1, 2.1 und 1.2, 2.2 und 1.3, 2.3 der Arrays 1, 2 sind paarweise identisch ausgebildet und werden bei paarweise identischen Arbeittemperaturen betrieben. Das vordere Array 1 gibt drei Eingangssignale an die Auswerteeinheit 6 ab. Die Sensoren 2.1, 2.2, 2.3 des hinteren Arrays 2 geben drei Ausgangssignale an die Auswerteeinheit 6 ab. Die Eingangssignale und die Ausgangssignale werden digital ausgegeben oder von der Auswerteeinheit 6 digitalisiert.

In der Kalibrierung werden der Vorrichtung in mehreren Durchgängen möglichst alle eventuell im regulären Betrieb zu detektierenden und/oder analysierenden Schadstoff-Bestandteile in einem Kalibriergasstrom 5 in unterschiedlichen Konzentrationen und Mischungen und Mischungsverhältnissen zugeführt, wobei der Filter 3 ausgebaut oder künstlich unwirksam gemacht ist. In jedem Durchgang wird ein erster Messdatensatz für das vordere Array 1 und ein zweiter Messdatensatz für das hintere Array 2 ermittelt. Jeder erste Messdatensatz enthält die drei Eingangssignalwerte des betreffenden Durchgangs. Entsprechend enthält jeder zweite Messdatensatz die drei Ausgangssignalwerte des betreffenden Durchgangs. Die ersten Messdatensätze werden in einer ersten Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. In der ersten Hauptkomponentenanalyse wird eine erste Transformationsvorschrift ermittelt, um aus einem ersten Messdatensatz eine oder mehrere Hauptkomponenten erster Art gewinnen zu können. Die zweiten Messdatensätze werden in einer zweiten Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. In der zweiten Hauptkomponentenanalyse wird eine zweite Transformationsvorschrift ermittelt, um aus einem zweiten Messdatensatz eine oder mehrere Hauptkomponenten zweiter Art gewinnen zu können.

Die Auswerteeinheit 6 analysiert in einem erfindungsgemäßen Verfahren wiederholt die digitalen oder digitalisierten Eingangs- und Ausgangssignale. Sie führt dazu eine Transformation der betreffenden Eingangssignalwerte gemäß der in der ersten Hauptkomponentenanalyse ermittelten ersten Transformationsvorschrift durch, um eine Hauptkomponente erster Art zu ermitteln. Sie führt anschließend eine Transformation der betreffenden Ausgangssignalwerte gemäß der in der zweiten Hauptkomponentenanalyse ermittelten zweiten Transformationsvorschrift durch, um eine Hauptkomponente zweiter Art zu ermitteln. Sie ermittelt sodann die Differenz zwischen der Hauptkomponente zweiter Art und der Hauptkomponente erster Art als Kenngröße für die Filterwirksamkeit. Die Kenngröße entspricht einer relativen Signalhöhe, welche die Wirksamkeit des Filters 3 durch die Änderung der Konzentration des Bestandteils im Gasstrom 5 beschreibt. Diese kann als Effizienz oder komplementär als Verschmutzungsgrad interpretiert werden, um einen Vergleich mit vorgebbaren Schwellwerten für ein Warnsignal durchzuführen.

In einer Weiterbildung kann zusätzlich die Laufzeit eines Bestandteils des Gasstroms 5 durch den Filter 3 in Art eines Gaschromatographen in die Ermittlung der Kenngröße miteinbezogen werden. Die Laufzeit kann aus dem zeitlichen Verhalten der Eingangs- und Ausgangssignale ermittelt werden, beispielsweise durch Signalflanken erkennende Trigger oder von Signalspitze zu Signalspitze wie in der Gaschromatographie.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb eines Rohres 7, in dem ein austauschbarer Luftfilter 3 angeordnet ist. In Strömungsrichtung vor dem Filter 3 ist ein vorderes Array 1 von Sensoren angeordnet, welches sechs Sensoren 1.1 bis 1.6 umfasst, wobei jeder dieser Sensoren 1.1 bis 1.6 für die Detektion eines bestimmten Gases beziehungsweise Stoffes geeignet ist. Das einströmende Gasgemisch 5.1 enthält neben Luft diverse Gase und/oder Stoffe, die mittels des Filters 3 ausgefiltert werden sollen, damit das ausströmende Gasgemisch 5.2 soweit gereinigt ist, dass es für dieses Ausführungsbeispiel als Atemluft genutzt werden kann. In Strömungsrichtung nach dem Filter ist ein hinteres Array 2 von Sensoren 2.1 bis 2.8 angeordnet; die Sensoren 2.1 bis 2.8 sind jeweils zur Detektion wenigstens eines Stoffes und/oder Gases geeignet und bestimmt. Das vordere Array 1 von Sensoren 1.1 bis 1.6 sowie das hintere Array 2 von Sensoren 2.1 bis 2.8 sind mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden.

Die Auswerteeinheit 6 umfasst eine erste Untereinheit 6.1 sowie eine zweite Untereinheit 6.2. Diese Untereinheiten 6.1 und 6.2 dienen dazu, die Zusammensetzung des ein- bzw. ausströmenden Gasgemischs 5.1 und 5.2 zu analysieren. Die dritte Untereinheit 6.3, die ebenfalls Bestandteil der Auswerteeinheit 6 ist, dient dazu, Konzentrationsunterschiede für bestimmte Bestandteile des Gasstroms 5 zwischen dem einströmenden Gasgemisch 5.1 und dem ausströmenden Gasgemisch 5.2 zu bestimmen. Im Rohr 7 ist desweiteren eine Einrichtung 4 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit angeordnet, die mit der Auswerteeinheit 6 verbunden ist. Mit der Einrichtung 4 zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit kann bei bekanntem Querschnitt des Rohres 7 der Volumenstrom des einströmenden Gasgemisches 5.1 bestimmt werden. Aufgrund des ermittelten Konzentrationsunterschiedes wird mit der Auswerteeinheit 6 unter Berücksichtigung des über die Zeit integrierten Produktes aus Volumenstrom und relativem Konzentrationsunterschied eines oder mehrerer Bestandteile zwischen einströmendem Gasgemisch 5.1 und ausströmendem Gasgemisch 5.2 der Absolutwert der durch den Filter 3 herausgefilterten Bestandteile als Kenngröße für den Verschmutzungsgrad des Filters 3 ermittelt.

Im Regelfall wird das einströmende Gasgemisch 5.1 einen höheren Gehalt eines bestimmten Bestandteils aufweisen als das gereinigte, gefilterte, ausströmende Gasgemisch 5.2. Damit werden im Regelfall durch den Filter 3 herausgefilterte Bestandteile im Filter 3 akkumuliert. Die akkumulierte Gesamtmenge wird durch die Auswerteeinheit 6 ermittelt. Unter den genannten Vorraussetzungen wird im Laufe der Zeit während des Betriebes die im Filter 3 akkumulierte Menge von Schadstoff-Bestandteilen immer größer, so dass bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes für den Verschmutzungsgrad, dessen Überschreitung durch die Auswerteeinheit 6 ermittelt werden kann, der Austausch des Filters 3 erforderlich wird.

Erfindungsgemäß wird dabei auch berücksichtigt, dass, falls das einströmende Luftgemisch 5.1 weitgehend frei von Schadstoffen ist oder eine geringe Schadstoffkonzentration aufweist, d.h. dass das einströmende Gasgemisch 5.1 weitgehend sauber ist, im Filter 3 bereits akkumulierte Gase und/oder Stoffe wieder ausgelöst und durch das ausströmende Gasgemisch 5.2 wieder ausgetragen werden. Sofern die Konzentration der Bestandteile, die dabei ausgetragen wird, unterhalb vorgebbarer Grenzwerte liegt, ist der beschriebene Selbstreinigungseffekt des Filters 3 für die weitere Benutzung des ausströmenden Gasgemischs 5.2 unschädlich. Durch den beschriebenen Selbstreinigungseffekt des Filters 3 erhöht sich jedoch wieder die Standzeit des Filters 3, das heißt, dass sich durch den beschriebenen Effekt die Nutzungs- beziehungsweise Lebensdauer des Filters 3 verlängert und damit ein Austausch des Filters 3 erst zu einem späteren Zeitpunkt erforderlich wird, als ohne Berücksichtigung des Selbstreinigungseffektes des Filters 3 zu erwarten wäre.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungemäße Verfahren wird sichergestellt, dass für jeden beliebigen Zeitpunkt der Verschmutzungsgrad des Filters 3 genau ermittelt werden kann. Damit kann eine zuverlässige Aussage darüber geliefert werden, ob ein Austausch des Filters 3 bereits erforderlich ist oder nicht. Diese genannte Aussage wird durch die Auswerteeinheit 6 erzeugt.

In 4 sind Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens bei mit der Zeit t zunehmend verschmutztem Filter 3 in einer Anordnung gemäß 1 schematisch dargestellt. Das obere Diagramm zeigt die im einströmenden Gasgemisch 5.1 enthaltene Eingangskonzentration C1 eines speziellen aromatischen Kohlenwasserstoffes als Bestandteil des Gasstroms 5. Das mittlere Diagramm zeigt die im ausströmenden Gasgemisch 5.2 enthaltene Ausgangskonzentration C2 des Bestandteils. Im unteren Diagramm sind die mittels der Transformationsvorschrift ermittelten Hauptkomponenten X und Y dargestellt. Anhand der Lage des diesen Hauptkomponenten zugeordneten Punktes im zweidimensionalen Raum kann die Effizienz beziehungsweise der Verschmutzungsgrad des Filters 3 ermittelt werden. Bezüglich der Lage des Referenzpunktes bei unverschmutzten Filter 3 gibt die Richtung eines jeweils ermittelten Punktes die Art des detektierten Bestandteils und die Entfernung vom Referenzpunkt die Konzentration des detektierten Bestandteils an.

Aufgrund der zunehmenden Verschmutzung des Filters verringert sich seine Effizienz, so dass mit der Zeit t eine zunehmende Menge des Bestandteils den Filter passieren kann. Dadurch nimmt die Ausgangskonzentration C2 mit der Zeit t zu, bis sie schließlich bei vollständiger Filterunwirksamkeit mit der Eingangskonzentration C1 übereinstimmt. Die Punkte der ermittelten Hauptkomponenten liegen in zunehmender Entfernung vom Referenzpunkt auf einer Geraden. Es handelt sich daher in allen drei Zeitpunkten um denselben Bestandteil in zunehmender Konzentration. Für die Hauptkomponenten X, Y sind Schwellwerte vorgegeben, bei deren Unterschreiten die Auswerteeinheit 6 ein Warnsignal ausgibt.

5 zeigt Hauptkomponenten X, Y, die bei jeweils vier oder fünf unterschiedlichen Konzentrationen von vier verschiedenen Gasen als jeweils einzigem Bestandteil des Gasstroms 5 neben Luft ermittelt wurden. Der Referenzpunkt in reiner Luft liegt im Ursprung des Diagramms. Es ist erkennbar, dass die Art des Gases aus dem Winkel bezüglich des Ursprungs und beispielsweise der X-Achse ermittelbar ist. Die Konzentration oder Dosis des betreffenden Bestandteils des Gasstroms 5 ist aus der Entfernung des betreffenden Hauptkomponenten-Punktes zum Ursprung ermittelbar.

In Weiterbildungen der Erfindung ist eine beliebige Anzahl von Hauptkomponenten mittels der Hauptkomponentenanalysen ermittelbar. Die in den Ausführungsbeispielen verwendete Anzahl von zwei Hauptkomponenten X, Y ist lediglich zum einfachen Verständnis gewählt.

1
Vorderes Array
1.1
Erster Sensor
1.2–1.6
Sensoren
2
Hinteres Array
2.1–2.8
Sensoren
3
Filter
4
Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschw.
5
Gasstrom
5.1
Einströmendes Gasgemisch
5.2
Ausströmendes Gasgemisch
6
Auswerteeinheit
6.1
Erste Untereinheit
6.2
Zweite Untereinheit
6.3
Dritte Untereinheit
7
Rohr
t
Zeit
C1
Eingangskonzentration
C2
Ausgangskonzentration
X, Y
Hauptkomponenten


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Ermittlung und/oder zur Überwachung einer Effizienz und/oder eines Verschmutzungsgrades eines Filters (3) in einem Gasstrom (5), wobei

– vor dem Filter (3) zur Bestimmung einer anfallenden Eingangsgasdosis wenigstens eines Bestandteils des Gasstroms (5) mindestens ein erster Sensor (1.1) angeordnet ist, mittels dessen ein mit der Eingangsgasdosis korrespondierendes Eingangssignal an eine Auswerteeinheit (6) ausgebbar ist,

– nach dem Filter (3) zur Bestimmung einer anfallenden Ausgangsgasdosis des Bestandteils des Gasstroms ein hinteres Array (2) von Sensoren (2.12.6) angeordnet ist, mittels dessen mit der Ausgangsgasdosis korrespondierende Ausgangssignale an die Auswerteeinheit (6) ausgebbar sind, und

– die Auswerteeinheit (6) anhand des mindestens einen Eingangssignals und anhand der Ausgangssignale mindestens eine Kenngröße für die Effizienz und/oder den Verschmutzungsgrad des Filters (3) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (1.1) als Teil eines vorderen Arrays (1) von Sensoren (1.11.6) zur Bestimmung der Eingangsdosis ausgebildet ist, welches vor dem Filter (3) angeordnet ist und mittels dessen mit der Eingangsdosis korrespondierende Eingangssignale an die Auswerteeinheit (6) ausgebbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Array (1) und das hintere Array (2) hinsichtlich der enthaltenen Sensoren (1.11.6, 2.12.6) und der jeweiligen Arbeitstemperaturen der einzelnen Sensoren (1.11.6, 2.12.6) identisch zusammengesetzt sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels verschiedener Sensoren (1.11.6, 2.12.6) eines Arrays (1, 2) der Vorrichtung unterschiedliche Gase detektierbar sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensoren (1.11.6, 2.12.6) eines Arrays (1, 2) der Vorrichtung leicht ad- und/oder desorbierbare Stoffe unterscheidbar sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ermitteln einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder eines Volumenstroms des Gasstroms (5) durch den Filter (3). Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit das zeitliche Integral des Produktes aus einem ermittelten Konzentrationsunterschied des Bestandteils des Gasstroms (5) zwischen Filtereingang und Filterausgang mit dem Volumenstrom des Gasstroms (5) durch den Filter (3) ermittelt und aus diesem zeitlichen Integral die Kenngröße bestimmt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zähleinrichtung zum Ermitteln einer Laufzeit des Bestandteils des Gasstroms (5) durch den Filter (3), wobei die Auswerteeinheit (6) die Kenngröße anhand der Laufzeit ermittelt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwertes der Kenngröße ein Warnsignal für ein Auswechseln des Filters (3) ausgibt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) die Kenngröße mittels einer Hauptkomponentenanalyse einer Menge der Eingangs- und/oder der Ausgangssignale ermittelt. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) eine erste Hauptkomponentenanalyse der Eingangssignale eines vorderen Arrays (1) und eine zweite Hauptkomponentenanalyse der Ausgangssignale des hinteren Arrays (2) ausführt. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) die Kenngröße anhand einer Änderung einer Hauptkomponente zwischen der ersten Hauptkomponentenanalyse und der zweiten Hauptkomponentenanalyse ermittelt wird. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) eine gemeinsame Hauptkomponentenanalyse eines Eingangssignals des ersten Sensors (1.1) und der Ausgangssignale des hinteren Arrays (2) oder eine gemeinsame Hauptkomponentenanalyse der Eingangssignale eines vorderen Arrays (1) und der Ausgangssignale des hinteren Arrays (2) ausführt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array (1, 2) von Sensoren (1.11.6, 2.12.6) der Vorrichtung austauschbar ausgebildet ist. Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen einer Effizienz und/oder eines Verschmutzungsgrades eines Filters (3) in einem Gasstrom (5), insbesondere unter Verwendung einer der vorgenannten Vorrichtungen, wobei

– mittels mindestes eines vor dem Filter (3) angeordneten ersten Sensors (1.1) eine anfallende Eingangsgasdosis eines Bestandteils des Gasstroms (5) ermittelt wird,

– mittels eines nach dem Filter (3) angeordneten hinteren Arrays (2) von Sensoren (2.12.6) eine anfallende Ausgangsgasdosis des Bestandteils des Gasstroms (5) ermittelt wird und

– anhand der Eingangsgasdosis und der Ausgangsgasdosis mindestens eine Kenngröße für die Effizienz und/oder den Verschmutzungsgrad des Filter (3) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsdosis mittels eines vorderen Arrays (1) von Sensoren (1.11.6), das den ersten Sensor (1.1) enthält, ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit verschiedenen Sensoren (1.11.6, 2.12.6) eines Arrays (1, 2) unterschiedliche Gase detektiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensoren (1.11.6, 2.12.6) eines Arrays (1, 2) zwischen leicht ad- und/oder desorbierbaren Stoffen unterschieden wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder ein Volumenstrom des Gasstroms (5) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitliche Integral des Produktes aus einem ermittelten Konzentrationsunterschied des Bestandteils des Gasstroms (5) zwischen Filtereingang und Filterausgang mit dem Volumenstrom des Gasstroms (5) durch den Filter (3) ermittelt wird und dass aus diesem zeitlichen Integral die Kenngröße bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des Bestandteils des Gasstroms (5) durch den Filter (3) ermittelt und beim Ermitteln der Kenngröße verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes der Kenngröße für den Verschmutzungsgrad und/oder bei Unterschreiten eines Schwellwerts für die Kenngröße der Effizienz ein Signal für ein Auswechseln des Filters (3) ausgegeben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass für das Ermitteln der Kenngröße eine Hauptkomponentenanalyse einer Menge von Eingangs- und/oder Ausgangssignalen der Sensoren (1.11.6, 2.12.6) durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Hauptkomponentenanalyse der Eingangssignale eines vorderen Arrays (1) und eine zweite Hauptkomponentenanalyse der Ausgangssignale des hinteren (2) Arrays durchgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße anhand einer Änderung einer Hauptkomponente zwischen der ersten Hauptkomponentenanalyse und der zweiten Hauptkomponentenanalyse ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Hauptkomponentenanalyse eines Eingangssignals des ersten Sensors (1.1) und der Ausgangssignale des hinteren Arrays (2) oder eine gemeinsame Hauptkomponentenanalyse der Eingangssignale eines vorderen Arrays (1) und der Ausgangssignale des hinteren Arrays (2) durchgeführt wird.






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