-
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 zeitli che 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 ent sprechen
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. Entspre chend
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
Be standteile 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 erfor derlich
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 Referenz punkt 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