DE19831414C1 - Filter comprises particle load detector providing continual indication of filter condition in safety-critical applications without interruption to filter operation - Google Patents
Filter comprises particle load detector providing continual indication of filter condition in safety-critical applications without interruption to filter operationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung mit einem Partikelfilter und/oder mit einem Absorptionsfilter.The invention relates to a filter device with a Particle filter and / or with an absorption filter.
Der Beladungszustand von Partikelfiltern kann mit Hilfe eines Differenzdruckmessgerätes bestimmt werden. Zu diesem Zwecke wird die Druckdifferenz zwischen der Anströmseite und der Abströmseite des Filters gemessen. Mit zunehmender Partikel-Beladung baut sich im Filter nämlich ein sogenannter Partikelkuchen auf, durch welchen die offene, d. h. die Filterfläche des Filters verkleinert und damit der Druckabfall durch das Filter hindurch erhöht wird.The loading status of particle filters can be checked using a Differential pressure measuring device can be determined. For this purpose the pressure difference between the upstream and downstream sides of the filter measured. With increasing particle loading, it builds up namely in the filter, a so-called particle cake, through which the open, d. H. the filter area of the filter is reduced and thus the pressure drop through the filter is increased.
Der Beladungszustand von Partikelfiltern kann bspw. auch durch die Anwendung elektromagnetischer Strahlung bestimmt werden, bei der es sich z. B. um sichtbares Licht oder um Gamma-Strahlung handelt. Hierbei wird das Filtermaterial in die Strahlung eingebracht und die Dämpfung der Intensität der transmittierten Strahlung gemessen. Bei diesem Verfahren ist der apparative Aufwand relativ groß. The loading status of particle filters can also be determined, for example, by the Application of electromagnetic radiation can be determined in the z. B. is visible light or gamma radiation. Here, the filter material is introduced into the radiation and the attenuation of the intensity of the transmitted radiation measured. In this method, the expenditure on equipment is relative large.
Die DE 295 07 061 U1 beschreibt eine Vorrichtung zum Prüfen von Filtermedien für Stäube, enthaltend eine Halterung für ein Filtermedium, das eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, einen Rohgaskanal, der mit der Vorderseite des Filtermediums verbunden ist, eine Gasversorgung, die über eine Mischstrecke mit dem Rohgaskanal verbunden ist, eine Staubdosiereinrichtung, die mit der Mischstrecke verbunden ist, und einen Absaugkanal, der an der Rückseite des Filtermediums angeschlossen ist und dem ein Filter und eine Absauganlage nachgeschaltet sind. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der Rohgaskanal horizontal angeordnet, sind die Gasversorgung, die Staubdosiereinrichtung und die Absauganlage elektrisch ansteuerbar, und ist die Vorrichtung mit einer Meß- und Steuereinheit ausgerüstet, die mit der Gasversorgung, der Staubdosiereinrichtung und der Absauganlage elektrisch verbunden ist. Diese Vorrichtung kann mit mindestens einem elektronisch abfragbaren Druckaufnehmer ausgerüstet sein, der mit der Meß- und Steuereinheit elektrisch verbunden ist. Desgleichen ist es möglich, daß diese Vorrichtung mit mindestens einer elektronisch abfragbaren Staubmeßeinrichtung ausgerüstet ist, die mit der Meß- und Steuereinheit elektrisch verbunden ist. Diese mindestens eine Staubmeßeinrichtung kann optische Sensoren enthalten.DE 295 07 061 U1 describes a device for testing Filter media for dust, containing a holder for a Filter medium that has a front and a back, a raw gas duct that connects to the front of the filter medium is connected to a gas supply via a mixing section the raw gas channel is connected, a dust metering device is connected to the mixing section, and a suction channel that the back of the filter medium is connected and the one Filters and an extraction system are connected downstream. At this known device, the raw gas channel is arranged horizontally, are the gas supply, the dust metering device and the Extraction system can be controlled electrically, and is the device with a measuring and control unit equipped with the Gas supply, the dust metering device and the suction system is electrically connected. This device can with at least be equipped with an electronically queried pressure transducer, which is electrically connected to the measuring and control unit. Likewise, it is possible that this device with at least equipped with an electronically queried dust measuring device is, which is electrically connected to the measuring and control unit. This at least one dust measuring device can be optical sensors contain.
Aus dem Patent Abstract of Japan 63-274422 (A) ist ein Detektor für ein Luftfilter bekannt, wobei in einem Strömungskanal des Luftfilters ein Ventilator angeordnet ist. Im Strömungskanal ist außerdem ein Piezoelement angeordnet. Der Strömungsdruck der den Strömungskanal durchströmenden Luft erzeugt am Piezoelement eine elektrische Spannung, die an einer mit dem Piezoelement zusammengeschalteten elektronischen Schaltung anliegt. Der jeweiligen Beaufschlagung des Luftfilters entsprechend wird die Luftströmung reduziert. Diese Reduktion der Luftströmung wird mit dem Piezoelement bestimmt und in der elektronischen Schaltung verarbeitet, um die jeweilige Beaufschlagung des Luftfilters zu bestimmen.From the Patent Abstract of Japan 63-274422 (A) is a detector for an air filter known, wherein in a flow channel of the Air filter a fan is arranged. In the flow channel also arranged a piezo element. The flow pressure of the Air flowing through the flow channel creates a on the piezo element electrical voltage on one with the piezo element interconnected electronic circuit is present. The The air filter is activated accordingly Air flow reduced. This reduction in air flow is associated with the piezo element and in the electronic circuit processed to the respective loading of the air filter determine.
Die Messung des Beladungszustandes von Adsorptionsfiltern erfolgt üblicherweise durch die Aufnahme vom Durchbruchkurven. Hierbei erfolgt eine Messung der Konzentration des zu filternden Schadgases stromabwärts nach dem Adsorptionsfilter. Diese Konzentrationsmessung des Schadgases erfolgt bspw. mit Hilfe von Gasdetektionsmessgeräten wie Flammenionisationsdetektoren, elektrochemischen Gassensoren oder dergl. Mit diesen Gasdetektionsmessgeräten wird die Restaktivität der - Sorptionsschicht des Adsorptionsfilters gemessen. Zur Aufnahme der besagten Durchbruchkurven ist es notwendig, den Adsorptionsfilter in geeigneten Messeinrichtungen zu vermessen.The loading state of adsorption filters is measured usually by taking breakthrough curves. Here the concentration of the substance to be filtered is measured Harmful gas downstream after the adsorption filter. This Concentration measurement of the harmful gas takes place, for example, with the help of Gas detection measuring devices such as flame ionization detectors, electrochemical gas sensors or the like. With these Gas detection measuring devices, the residual activity of the - Sorption layer of the adsorption filter measured. To accommodate the said breakthrough curves it is necessary to use the adsorption filter to be measured in suitable measuring equipment.
Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß es sich um zerstörende Messungen bzw. Prüfungen handelt. Das bedeutet, daß der jeweilige Filter nach dieser Prüfung nicht mehr brauchbar ist. Gegebenenfalls kann der Filter regenerierbar sein, d. h. regeneriert werden. Die relativ hohen Kosten einer solchen Messung stehen jedoch oftmals in keinem Verhältnis zu den Kosten eines ungebrauchten neuen Filters.Common to these procedures is that they are destructive Measurements or tests. That means that the respective Filter after this test is no longer usable. If necessary, the filter can be regenerable, i. H. be regenerated. The relatively high cost of such a measurement are often out of proportion to the cost of one unused new filter.
Insbesondere bei Anwendung solcher Filter der oben genannten Art in Sicherheitsbereichen bzw. bei der Beachtung sicherheitsrelevanter Gesetze und Auflagen ist es erforderlich, über den jeweiligen Beladungszustand des Filters zu jeder Zeit informiert zu sein - möglichst ohne den Filtrierprozess zu unterbrechen -, um rechtzeitig einen Austausch des jeweiligen Filters bzw. eine Regeneration desselben vorzunehmen.Especially when using such filters of the type mentioned above in security areas or when observing safety-relevant laws and requirements require about the respective load status of the filter at all times to be informed - if possible without the filtration process interrupt - in order to exchange the respective one in time Filters or a regeneration of the same.
Der Erfindung liegt in Kenntnis dieser Gegebenheiten die Aufgabe zugrunde, eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher mit einfachen Mittel jederzeit eine Messung des Beladungzustandes möglich ist.The invention lies in the knowledge of these circumstances, the task based on a filter device of the type mentioned create a measurement with simple means at any time the loading condition is possible.
Diese Aufgabe wird bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Filtereinrichtung zur Bestimmung ihres Beladungszustandes einen mechanischen Resonator aufweist, der mit einer bestimmten Quantität eines Partikel- und/oder Adsorber-Filtermediums versehen ist.This task is the beginning of a filter device mentioned type according to the invention solved in that the Filter device for determining their loading condition has mechanical resonator with a certain Provide quantity of a particle and / or adsorber filter medium is.
Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise jederzeit eine Bestimmung ihres Beladungszustandes bezügl. Partikel- und/oder Schadgasbeladung, wobei in vorteilhafter Weise eine Aufrechterhaltung der Messung des Beladungszustandes während des Filtrierprozesses ohne eine Zerstörung der Filtereinrichtung möglich ist. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung bestehen in ihrer kostengünstigen Herstellbarkeit, in ihrer Wartungsfreiheit und durch Integration des mechanischen Resonators in die Filtereinrichtung, in dessen Austauschbarkeit beim jeweiligen Filterwechsel. Durch die Kombination des mechanischen Resonators mit einer definierten, relativ kleinen Quantität des Filtermediums, ergibt sich der Vorteil, daß die erfindungsgemäße Filtereinrichtung für das jeweilige Filtermedium, d. h. sowohl für Partikel- bzw. Staubbelastung als auch für spezifische Schadgase in einfacher Weise anwendbar ist. Bspw. kann die erfindungsgemäße Filtereinrichtung für den Fahrgastinnenraum eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.The filter device according to the invention advantageously enables Way at any time a determination of their loading condition. Particle and / or harmful gas loading, advantageously maintaining the measurement of the loading condition during the filtration process without destroying the filter device is possible. Further advantages of the invention Filter device consist in its inexpensive Manufacturability, in their maintenance-free and through integration of the mechanical resonator in the filter device, in the Interchangeability with each filter change. Through the Combination of the mechanical resonator with a defined, relatively small quantity of the filter medium, the results Advantage that the filter device according to the invention for the respective filter medium, d. H. both for particle or Dust pollution as well as for specific harmful gases in simple Way is applicable. E.g. can the invention Filter device for the passenger compartment of a motor vehicle be provided.
Bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ist der mechanische Resonator vorzugsweise ein piezokeramischer Resonator. Solche piezokeramische Resonatoren stehen in einer Vielzahl verschiedener Ausbildungen wunschgemäß und preisgünstig zur Verfügung. Der mechanische Resonator kann als Biegeschwinger ausgebildet sein. Solche Biegeschwinger sind bspw. als Röhrchenschwinger oder als mehrlagige Blättchenschwinger ausgebildet. Piezokeramische Resonatoren bestehen bekanntermaßen aus vorpolarisierten Piezokeramiken auf der Basis eines ferroelektrischen polykristallinen Keramikmaterials. Sie sind mit Elektroden versehen. Durch Deformation der Piezokeramik kann an den Elektroden eine elektrische Spannung abgegriffen werden (= Piezoeffekt). Durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung an die entsprechenden Elektroden der Piezokeramik ist eine mechanische Deformation derselben möglich (= inverser piezoelektrischer Effekt). Piezokeramische Resonatoren weisen bauform-, gewichts- und materialabhängig eine bestimmte Resonanzfrequenz sowie eine bestimmte Amplitude der Resonanzfrequenz auf, die bekanntermaßen von der Güte der Anregungsfrequenz und der Anregungsamplitude abhängig ist. Durch Anlegen einer bestimmten Wechselspannung mit einer definierten Anregungsfrequenz und Anregungsamplitude wird ein solcher piezokeramischer Resonator folglich in Schwingung versetzt. Die dabei sich einstellende Resonanzfrequenz ist - wie bereits erwähnt worden ist - von der verwendeten Bauform des piezokeramischen Resonators abhängig. Die Resonanzfrequenzen solcher piezokeramischer Resonatoren betragen typischerweise 30 kHz bis 15 MHz.In the filter device according to the invention, the mechanical Resonator preferably a piezoceramic resonator. Such Piezoceramic resonators come in a variety of different types Training as required and inexpensive available. The mechanical resonator can be designed as a bending oscillator. Such bending vibrators are, for example, as tube vibrators or as multi-layered leaf vibrator. Piezoceramic As is known, resonators consist of pre-polarized ones Piezoceramics based on a ferroelectric polycrystalline ceramic material. They are with electrodes Mistake. By deformation of the piezoceramic can Electrodes an electrical voltage can be tapped (= Piezo effect). By applying an external electrical voltage is on the corresponding electrodes of the piezoceramic mechanical deformation of the same is possible (= inverse piezoelectric effect). Piezoceramic resonators have depending on the design, weight and material Resonance frequency as well as a certain amplitude of the Resonance frequency, which is known from the quality of the Excitation frequency and the excitation amplitude is dependent. By Apply a specific AC voltage with a defined one Excitation frequency and amplitude become one Piezoceramic resonator consequently vibrated. The the resonance frequency that arises is - as already mentioned has been - from the design used of the piezoceramic Dependent on resonators. The resonance frequencies of such Piezoceramic resonators are typically 30 kHz to 15 MHz.
Erfindungsgemäß kann der mechanische bzw. piezokeramische Resonator vom Partikelfilter und/oder vom Adsorptionsfilter getrennt vorgesehen sein, bevorzugt ist es jedoch, wenn der mechanische Resonator integraler Bestandteil der Filtereinrichtung ist. Eine solche Ausbildung weist den Vorteil auf, daß der jeweilige preisgünstig zur Verfügung stehende mechanische Resonator mit der entsprechenden Filtereinrichtung zu gegebener Zeit gemeinsam austauschbar und durch einen neuen ersetzbar ist.According to the mechanical or piezoceramic Resonator from the particle filter and / or from the adsorption filter be provided separately, but it is preferred if the mechanical resonator integral part of the filter device is. Such training has the advantage that respective inexpensively available mechanical Resonator with the appropriate filter device to given Time is interchangeable and can be replaced by a new one.
Erfindungsgemäß kann der mechanische Resonator mit einer definierten kleinen Menge Adsorbermaterial versehen sein. Zu diesem Zwecke kann am mechanischen Resonator ein Adsorbergranulat mittels eines Klebers festgeklebt sein. Desgleichen ist es möglich, daß am mechanischen Resonator ein Vliesstoff befestigt ist. Hierbei kann es sich um ein Elektret-Vlies handeln, das am mechanischen Resonator festgeklebt ist.According to the mechanical resonator with a defined small amount of adsorber material. To For this purpose, an adsorber granulate can be used on the mechanical resonator be glued in place with an adhesive. It is the same possible that a nonwoven attached to the mechanical resonator is. This can be an electret fleece, which on mechanical resonator is glued.
Erfindungsgemäß wird also zur Realisierung eines Beladungs-Sensors eine definierte kleine Menge des jeweiligen aktiven Filtermaterials am piezokeramischen Resonator festgelegt. Bei Schadgas- bzw. Geruchsfiltern wird also ein adsorbtives Medium wie bspw. Aktivkohle und bei Partikelfiltern wird z. B. ein Vliesstoff am piezokeramischen Resonator festgelegt. Dabei sind selbstverständlich abhängig von der Bauform und dem Einsatzort auch aerodynamische Kriterien zu beachten. Infolge der kleinen Gesamtabmessungen des jeweiligen piezokeramischen Resonators kann dieser in vorteilhafter Weise sowohl integraler Bestandteil der Filtereinrichtung als auch im Außenbereich derselben angeordnet sein - wie bereits erwähnt worden ist -.According to the invention, this is used to implement a load sensor a defined small amount of the respective active Filter material fixed on the piezoceramic resonator. At Pollutant gas or odor filters thus become an adsorbent medium such as activated carbon and particle filters, for. B. a Non-woven fabric attached to the piezoceramic resonator. Are there of course depending on the design and the location also consider aerodynamic criteria. As a result of the small Overall dimensions of the respective piezoceramic resonator can this advantageously both an integral part of the Filter device and arranged in the outer area of the same be - as has already been mentioned -.
Der mechanische Resonator ist zweckmäßigerweise an einer Halterung vorgesehen, die Anschlußkontakte für eine Anregungs- und Auswerteschaltung aufweist. Durch geeignete Anordnung der Anschlußkontakte ist sowohl eine Schwingungsanregung entsprechend dem inversen Piezoeffekt als auch eine Amplitudenmessung entsprechend dem normalen Piezoeffekt möglich. Durch das Anlegen einer geeigneten externen elektrischen Spannung an die Anregungs- Anschlußkontakte ist der piezokeramische Resonator geeignet deformierbar. Die diesen Deformationen entsprechende, induzierte Spannung kann an den Anschlußkontakten für die Auswerteschaltung abgegriffen werden. Der Absolutbetrag der induzierten Spannung ist abhängig von der Schwingungsamplitude des piezokeramischen Resonators und von seinen piezoelektrischen Kenngrößen wie dem piezoelektrischen Kopplungsfaktor und der Ladungs- Spannungskonstanten, die wiederum von der Polarisationsrichtung innerhalb der Kristallstruktur der zur Anwendung gelangenden Piezokeramik abhängt. The mechanical resonator is expediently on a holder provided the connection contacts for an excitation and Has evaluation circuit. By appropriate arrangement of the Connection contacts is both a vibration excitation accordingly the inverse piezo effect as well as an amplitude measurement possible according to the normal piezo effect. By putting on a suitable external electrical voltage to the excitation The piezoceramic resonator is suitable for connecting contacts deformable. The induced corresponding to these deformations Voltage can be on the connection contacts for the evaluation circuit be tapped. The absolute amount of the induced voltage is depending on the vibration amplitude of the piezoceramic Resonators and its piezoelectric characteristics like that piezoelectric coupling factor and the charge Voltage constants, which in turn depend on the direction of polarization within the crystal structure of those used Piezoceramic depends.
Der einen Beladungssensor bildende mechanische Resonator, der bspw. auch von einem Schwingquarz gebildet sein könnte, vorzugsweise jedoch von einem piezokeramischen Resonator gebildet ist, ist mit der Filtereinrichtung derartig kombiniert, daß mit dem Filtermedium der Filtereinrichtung gleichzeitig auch der Resonator mit zu filterenden Partikeln und/oder mit zu adsorbierendem Schadgas beladen wird. Durch diese Beladung, d. h. durch die Massen-Auf- bzw. Zunahme ändert sich die Eigenfrequenz, d. h. die Resonanzeigenschaft des piezokeramischen Resonators. In erster Näherung ist die Frequenzänderung zur Massenzunahme proportional. Das führt bei einer definierten konstanten Anregungsfrequenz, d. h. Eigen-Resonanzfrequenz, zu einer abnehmenden Schwingungsamplitude. Das bedeutet, daß die Resonanzüberhöhung des piezokeramischen Resonators entsprechend abnimmt. Diese Abnahme der Schwingungsamplitude bzw. der Resonanzüberhöhung kann erfindungsgemäß zur Bestimmung des Beladungszustandes der Filtereinrichtung benutzt werden, wobei die Anregungs- und Auswerteschaltung ausgangsseitig einen Oszillator und eingangsseitig eine Gleichrichterschaltung und eine mit der Gleichrichterschaltung verbundene Schwellwertschaltung mit einem Signalausgang aufweist.The mechanical resonator forming a load sensor, the for example, could also be formed from a quartz crystal, but preferably formed by a piezoceramic resonator is combined with the filter device in such a way that with the filter medium of the filter device also the Resonator with particles to be filtered and / or with too adsorbing harmful gas is loaded. By this loading, i.e. H. the natural frequency changes due to the mass increase or increase, d. H. the resonance property of the piezoceramic resonator. In The first approximation is the frequency change to the mass increase proportional. That leads to a defined constant Excitation frequency, d. H. Eigen-resonance frequency, to one decreasing vibration amplitude. That means that Resonance increase of the piezoceramic resonator accordingly decreases. This decrease in the vibration amplitude or According to the invention, excessive resonance can be used to determine the Loading state of the filter device are used, the Excitation and evaluation circuit on the output side of an oscillator and on the input side a rectifier circuit and one with the Rectifier circuit connected threshold circuit with a Signal output has.
Der Zeitraum zwischen den beiden extremen Beladungszuständen einer Filtereinrichtung, nämlich zwischen der nicht beladenen und der voll beladenen Filtereinrichtung, ist von der Konzentration des Schadgases in der den Filter durchströmenden Luft abhängig. Damit ist die Amplitude der induzierten Spannung des piezokeramischen Resonators ein Maß für die Massenbelegung der Filtereinrichtung selbst. Infolge der Tatsache, daß handelsübliche piezokeramische Resonatoren eine Curietemperatur von mindestens 300°C besitzen, ist die erfindungsgemäße Filtereinrichtung auch für desorbierbare Filter verwendbar, wenn die Desorption der Filter durch geeignetes Tempern des Filtermediums durchgeführt wird.The period between the two extreme load conditions of one Filter device, namely between the unloaded and the fully loaded filter device, is from the concentration of the Harmful gas in the air flowing through the filter. In order to is the amplitude of the induced voltage of the piezoceramic Resonators a measure of the mass occupancy of the filter device itself. Due to the fact that commercially available piezoceramic Resonators have a Curie temperature of at least 300 ° C, is the filter device according to the invention also for desorbable Filters can be used if the filter is desorbed by a suitable filter Annealing of the filter medium is carried out.
Durch den mechanischen Resonator bzw. durch den piezokeramischen Resonator der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ergibt sich ein robuster und kompakter Aufbau, eine einfache Anpaßbarkeit des Resonators an das jeweilige Filtermaterial durch einfache Auswahl des am mechanischen Resonator in definierter kleiner Menge anzubringenden Adsorbermaterials bzw. Vliesstoffes, sowie durch das störunempfindliche und preisgünstige Messystem, bei welchem der Resonator, mit der Filtereinrichtung ausgetauscht werden kann. Erfindungsgemäß ist eine integrale Messung von Schadgas und/oder von Partikeln möglich. Infolge der Tatsache, daß das Sensor- und das Messystem im piezokeramischen Resonator integriert sind, ergibt sich der Vorteil eines minimalen Aufwandes zur Ansteuerung des piezokeramischen Resonators und zur Auswertung der Ausgabeparameter des piezokeramischen Resonators.Through the mechanical resonator or through the piezoceramic A resonator of the filter device according to the invention results robust and compact structure, easy adaptability of the Resonators to the respective filter material by simple selection of the mechanical resonator in a defined small amount to be attached adsorber material or nonwoven, and by the fault-resistant and inexpensive measuring system, with which the resonator with which the filter device can be exchanged. According to the invention is an integral measurement of harmful gas and / or of particles possible. Due to the fact that the sensor and the measuring system is integrated in the piezoceramic resonator, there is the advantage of minimal effort for control of the piezoceramic resonator and for evaluating the Output parameters of the piezoceramic resonator.
Die Ansteuerungs- und Auswerte-Elektronik ist in vorteilhafter Weise einfach ausgebildet, sie kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung in Kraftfahrzeugen problemlos in deren Bordelektronik integriert werden.The control and evaluation electronics are more advantageous Simply trained, it can be used with the Filter device according to the invention in motor vehicles without problems be integrated into their on-board electronics.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer in der Zeichnung dargestellten Ausbildung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung bzw. wesentlicher Einzelheiten bzw. Eigenschaften derselben. Es zeigen:Further details, features and advantages result from the following description of one shown in the drawing Design of the filter device according to the invention or essential details or properties of the same. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausbildung der Filtereinrichtung mit einem polarisierten Filter, Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of the filter device with a polarized filter,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Details II in Fig. 1 zur Verdeutlichung einer Ausbildung des mechanischen bzw. piezokeramischen Resonators der Filtereinrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 2 is an enlarged representation of the detail II in FIG. 1 showing an embodiment of the mechanical or piezoceramic resonator of the filter device shown in FIG. 1,
Fig. 3 den piezokeramischen Resonator gemäß Fig. 2 in Kombination mit einer zugehörigen Anregungs- und Auswerteschaltung, Fig. 3 shows the piezoceramic resonator of FIG. 2 in combination with an associated excitation and evaluation circuit,
Fig. 4 eine Ausbildung des piezokeramischen Resonators als piezokeramisches Röhrchen, Fig. 4 shows a configuration of the piezoelectric ceramic resonator as a piezoceramic tube,
Fig. 5 den piezokeramischen Resonator gemäß Fig. 4 nach Anlegen einer Gleichspannung zur Verdeutlichung der mechanischen Verbiegung des piezokeramischen Resonators nach dem Anlegen der Spannung, Fig. 5 shows the piezoceramic resonator of Fig. 4, by applying a DC voltage to illustrate the mechanical bending of the piezoceramic resonator of the application of the voltage
Fig. 6 in einer räumlichen Darstellung einen zweilagigen plättchenförmigen piezokeramischen Resonator im unbelasteten Zustand, Fig. 6 in a spatial representation of a two-layered platelet-shaped piezoelectric ceramic resonator in the unloaded state,
Fig. 7 den piezokeramischen Resonator gemäß Fig. 6 nach dem Anlegen einer Spannung - ähnlich dem piezokeramischen Resonator gemäß Fig. 5, Fig. 7 shows the piezoceramic resonator of Figure 6 after application of a voltage -., Similar to the piezoceramic resonator of FIG. 5
Fig. 8 den piezokeramischen Resonator gemäß den Fig. 4 und 5, wenn an ihn eine Wechselspannung angelegt wird, Fig. 8 shows the piezoceramic resonator of FIGS. 4 and 5, when an AC voltage is applied thereto,
Fig. 9 den Funktionszusammenhang zwischen der Amplitude A und der Zeit t der Anregungs-Wechselspannung U1 und der induzierten Wechselspannung U2 des jeweiligen piezokeramischen Resonators, und Fig. 9 shows the functional relationship between the amplitude A and the time of the excitation ac t U1 and U2 of the induced alternating voltage of the respective piezoelectric ceramic resonator, and
Fig. 10 den Funktionszusammenhang zwischen der Resonanzamplitude Ra und der Anregungsfrequenz f des piezokeramischen Resonators in Abhängigkeit von der jeweiligen Massenbelegung des Resonators. Fig. 10 shows the functional relationship between the resonant amplitude Ra and the excitation frequency f of the piezoelectric ceramic resonator, depending on the respective mass occupancy of the resonator.
Fig. 1 zeigt in einer räumlichen Darstellung eine Ausbildung der Filtereinrichtung 10 mit einem polarisierten Partikelfilter 12 und Adsorptionsfilter 14, die in einem Rahmen 16 vorgesehen sind. An der Anströmseite der Filtereinrichtung 10 ist ein mechanischer Resonator 18 angeordnet, der als piezokeramischer Resonator 20 ausgebildet ist. Der mechanische bzw. piezokeramische Resonator 18, 20 ist an einer Halterung 22 befestigt, von welcher er als Biegeschwinger freikragend wegsteht. Die Halterung 22 ist am umlaufenden Rahmen 16 der Filtereinrichtung 10 angebracht oder integrales Bestandteil desselben. An der Halterung 22 sind Anschlußkontakte 24, 26 und 28 angebracht, die mit dem piezokeramischen Resonator 20 zusammengeschaltet sind. Fig. 1 shows a spatial representation of an embodiment of the filter device 10 with a polarized particulate filter 12 and the adsorption filter 14 which are provided in a frame 16. A mechanical resonator 18 , which is designed as a piezoceramic resonator 20 , is arranged on the upstream side of the filter device 10 . The mechanical or piezoceramic resonator 18 , 20 is fastened to a holder 22 , from which it projects cantilevered as a bending oscillator. The bracket 22 is attached to the peripheral frame 16 of the filter device 10 or an integral part thereof. On the bracket 22 , contacts 24 , 26 and 28 are attached, which are interconnected with the piezoceramic resonator 20 .
Wie aus Fig. 2, in welcher gleiche Einzelheiten mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind, ersichtlich ist, ist der piezokeramische Resonator 20, der zwei Piezokeramik-Plättchen 30 und 32 aufweist, die miteinander verbunden sind, mit einer definierten kleinen Menge Adsorbermaterial 34 versehen. Mit demselben Adsorbermaterial ist der Adsorptionsfilter 14 versehen. Bei dem Adsorbermaterial 34 handelt es sich bspw. um Aktivkohle (ca. 46 mg) auf Kokosnußbasis mit einer spezifischen Oberfläche (BET-Oberfläche) von 1000 m2/g bis 1600 m2/g, die durch einen pulverförmigen Thermoplasten porös auf den einen Biegeschwinger bildenden piezokeramischen Resonator 20 festgeklebt ist. Die Aktivkohle adsorbiert in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit bspw. ca. 3 mg n-Butan, was stellvertretend als Testgas für kohlenwasserstoffhaltige Schadgase verwendet wird. As can be seen from FIG. 2, in which the same details are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1, the piezoceramic resonator 20 , which has two piezoceramic plates 30 and 32 which are connected to one another, is of a defined small amount Adsorber material 34 provided. The adsorption filter 14 is provided with the same adsorber material. The adsorber material 34 is, for example, activated carbon (approx. 46 mg) based on coconut with a specific surface area (BET surface area) of 1000 m 2 / g to 1600 m 2 / g, which is porous on the one hand due to a powdery thermoplastic Bending oscillator forming piezoceramic resonator 20 is glued. Depending on the relative humidity, the activated carbon, for example, adsorbs approx. 3 mg of n-butane, which is used as a test gas for harmful gases containing hydrocarbons.
Das Adsorbermaterial 34 kann - wenn es sich bei der Filtereinrichtung 10 insbesondere um ein Partikelfilter 12 handelt - durch einen Vliesstoff ersetzt sein, der am piezokeramischen Resonator 20 befestigt ist.The adsorber material 34 can - if the filter device 10 is in particular a particle filter 12 - be replaced by a non-woven material which is attached to the piezoceramic resonator 20 .
Fig. 3 zeigt den mechanischen bzw. piezokeramischen Resonator 18, 20 gemäß den Fig. 1 und 2 gemeinsam mit der zugehörigen Anregungs- und Auswerteschaltung 36, die ausgangsseitig einen Oszillator 38 und die eingangsseitig eine Gleichrichterschaltung 40 und eine mit der Gleichrichterschaltung 40 verbundene Schwellwertschaltung 42 aufweist, die einen Signalausgang 44 besitzt. Der Oszillator 38 der Anregungs- und Auswerteschaltung 36 liefert die erforderliche Anregungsspannung mit der erforderlichen Anregungsfrequenz an die Anschlußkontakte 24 und 26 des piezokeramischen Resonators 20. Im piezokeramischen Resonator 20 wird eine entsprechende Wechselspannung induziert, die an den Anschlußkontakten 26 und 28 abgegriffen und in der Gleichrichterschaltung 40 in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Die der Gleichrichterschaltung nachgeschaltete Schwellwertschaltung 42 dient zur Kontrolle der am Ausgang der Gleichrichterschaltung 40 anstehenden Gleichspannung. Fällt diese Gleichspannung unter einen vorgegebenen Spannungswert ab, so wird über den Signalausgang 44 ein Warnsignal abgegeben. Der Signalausgang 44 ist bspw. mit einer Leuchtdiode 46 oder dergl. zusammengeschaltet, die aufleuchtet und somit ein optisches Warnzeichen abgibt, wenn die Spannung am Signalausgang 44 unter den erwähnten vorgegebenen Wert abfällt. Auf diese Weise wird also angezeigt, wenn ein Wechsel der Filtereinrichtung 10 bzw. eine Desorption derselben erforderlich wird. Fig. 3 shows the mechanical or piezo-ceramic resonator 18, 20 according to FIGS. 1 and 2 together with the associated excitation and evaluation circuit 36, the output side of an oscillator 38 and the input side of a rectifier circuit 40 and means connected to the rectifier circuit 40 threshold 42 has a signal output 44 . The oscillator 38 of the excitation and evaluation circuit 36 supplies the required excitation voltage with the required excitation frequency to the connection contacts 24 and 26 of the piezoceramic resonator 20 . A corresponding alternating voltage is induced in the piezoceramic resonator 20 , which is tapped at the connecting contacts 26 and 28 and converted into a direct voltage in the rectifier circuit 40 . The threshold circuit 42 connected downstream of the rectifier circuit serves to control the DC voltage present at the output of the rectifier circuit 40 . If this DC voltage drops below a predetermined voltage value, a warning signal is emitted via the signal output 44 . The signal output 44 is connected, for example, to a light-emitting diode 46 or the like, which lights up and thus emits an optical warning sign when the voltage at the signal output 44 drops below the specified value mentioned. In this way, it is indicated when a change of the filter device 10 or a desorption thereof is required.
Die Fig. 4 und 5 verdeutlichen schematisch in einem stark vergrößerten Maßstab, nicht maßstabsgetreu, eine Ausbildung des piezokeramischen Resonators 20 in Gestalt eines Röhrchenschwingers mit einer die Innenoberfläche 48 vollständig bedeckenden Innenelektrode 50 und mit zwei sich diametral gegenüberliegenden Außenelektroden 52 und 54. Bspw. kann ein solcher Röhrchenschwinger einen Außendurchmesser von 2,57 mm, eine Wanddicke von 0,3 mm und eine Röhrchenlänge von 8,7 mm besitzen. Ein solcher Röhrchenschwinger weist eine Resonanzfrequenz von 74 kHz auf. Bspw. sind auch Röhrchenschwinger mit einem Außendurchmesser von 3,57 mm, einer Wanddicke von 0,37 mm und einer Röhrchenlänge von 4,9 mm im Handel erhältlich. Solche Röhrchenschwinger der zuletzt genannten Art besitzen eine Resonanzfrequenz von 98 kHz. Die Fig. 4 zeigt einen solchen Röhrchenschwinger im inaktiven Zustand, d. h. ohne daß an ihn eine Anregungsspannung angelegt ist. Demgegenüber zeigt die Fig. 5 den als Röhrchenschwinger ausgebildeten piezokeramischen Resonator 20, wenn zwischen den Elektroden 50 und 52 eine Gleichspannung U = angelegt wird. Das führt zu einer entsprechenden Verbiegung des Röhrchenschwingers. Diese Verbiegung entsprechend dem inversen piezoelektrischen Effekt ergibt infolge des Piezoeffektes zwischen den Elektroden 50 und 54 eine induzierte Spannung, die abgegriffen und in der Auswerteschaltung 36 (siehe Fig. 3) ausgewertet wird. Zu diesem Zwecke ist die gemeinsame Innenelektrode 50 mit dem Anschlußkontakt 26, die Außenelektrode 52 mit dem Anschlußkontakt 24 und die Außenelektrode 54 mit dem Anschlußkontakt 28 der Halterung 22 zusammengeschaltet. FIGS. 4 and 5 schematically illustrate in a greatly enlarged scale, not to scale, an embodiment of the piezo-ceramic resonator 20 in the form of a tube oscillator with the inner surface 48 which completely covers the inner electrode 50, and with two diametrically opposite external electrodes 52 and 54. E.g. Such a tube vibrator can have an outer diameter of 2.57 mm, a wall thickness of 0.3 mm and a tube length of 8.7 mm. Such a tube vibrator has a resonance frequency of 74 kHz. E.g. Tube vibrators with an outer diameter of 3.57 mm, a wall thickness of 0.37 mm and a tube length of 4.9 mm are also commercially available. Such tube vibrators of the latter type have a resonance frequency of 98 kHz. Fig. 4 shows such a tube oscillator in the inactive condition, ie, without an excitation voltage is applied thereto. In contrast, FIG. 5 shows the piezoceramic resonator 20 designed as a tube oscillator when a direct voltage U = is applied between the electrodes 50 and 52 . This leads to a corresponding bending of the tube vibrator. This bending corresponding to the inverse piezoelectric effect results in an induced voltage due to the piezo effect between the electrodes 50 and 54 , which voltage is tapped and evaluated in the evaluation circuit 36 (see FIG. 3). For this purpose, the common inner electrode 50 is connected to the connection contact 26 , the outer electrode 52 to the connection contact 24 and the outer electrode 54 to the connection contact 28 of the holder 22 .
Die Fig. 6 und 7 verdeutlichen stark vergrößert und nicht maßstabsgetreu eine Ausbildung des piezokeramischen Resonators 20 im nicht-angeregten Zustand (siehe Fig. 6) und im durch Anlegen einer Gleichspannung angeregten Zustand (siehe Fig. 7), der - wie oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben worden ist - zwei miteinander verbundene piezokeramische Plättchen 30 und 32 aufweist. Zwischen den beiden Plättchen 30 und 32 ist auch bei dieser Ausbildung des piezokeramischen Resonators 20 eine Innenelektrode 50 vorgesehen. An den voneinander abgewandten Außen-Hauptflächen des piezokeramischen Resonators 20 sind die beiden Außenelektroden 52 und 54 vorgesehen. Figs. 6 and 7 illustrate highly enlarged and not to scale an embodiment of the piezo-ceramic resonator 20 in the non-excited state (see Fig. 6) and excited by applying a DC voltage state (see Fig. 7), which - as described above in connection has been described with Fig. 2 - has two interconnected piezoceramic plates 30 and 32 . An internal electrode 50 is also provided between the two plates 30 and 32 in this configuration of the piezoceramic resonator 20 . The two outer electrodes 52 and 54 are provided on the outer main surfaces of the piezoceramic resonator 20 facing away from one another.
Fig. 8 verdeutlicht stark vergrößert schematisch den als Röhrchenschwinger ausgebildeten piezokeramischen Resonator 20 gemäß den Fig. 4 und 5, wenn zwischen der Innenelektrode 50 und der einen Außenelektrode 52 eine Anregungs-Wechselspannung mit einer definierten Anregungsfrequenz angelegt wird. Diese führt zu einer schwingenden Auslenkung des piezokeramischen Resonators 20, die in Fig. 8 durch den bogenförmigen Doppelpfeil 56 angedeutet ist. Zu diesem Zwecke ist es selbstverständlich erforderlich, den piezokeramischen Resonator 20 einseitig in eine Halterung 22 (siehe die Fig. 1, 2 und 3) einzuspannen, damit das von der Halterung entfernte freie Ende des piezokeramischen Resonators 20 frei schwingen kann (bogenförmiger Doppelpfeil 56 in Fig. 8). Diese Schwingbewegung des piezokeramischen Resonators 20 induziert entsprechend dem piezoelektrischen Effekt zwischen der Innen elektrode 50 und der zweiten Außenelektrode 54 - wie bereits ausgeführt worden ist - eine Ausgangsspannung, die zur Anregungsspannung zwischen den Elektroden 50 und 52 phasengleich ist, wie aus Fig. 9 ersichtlich ist. In Fig. 9 ist die Anregungsspannung mit U1 und die induzierte Ausgabespannung mit U2 bezeichnet. Fig. 8 shows a greatly enlarged schematic view of the constructed as a tube vibrator piezoceramic resonator 20 shown in Figs. 4 and 5, when an excitation AC voltage is applied with a defined excitation frequency between the inner electrode 50 and an outer electrode 52. This leads to an oscillating deflection of the piezoceramic resonator 20 , which is indicated in FIG. 8 by the curved double arrow 56 . For this purpose it is of course necessary to clamp the piezoceramic resonator 20 on one side in a holder 22 (see FIGS. 1, 2 and 3) so that the free end of the piezoceramic resonator 20 removed from the holder can oscillate freely (curved double arrow 56 in Fig. 8). This oscillating movement of the piezoceramic resonator 20 induces an output voltage which is in phase with the excitation voltage between the electrodes 50 and 52 , as can be seen in FIG. 9, in accordance with the piezoelectric effect between the inner electrode 50 and the second outer electrode 54 . In Fig. 9, the excitation voltage is designated U1 and the induced output voltage U2.
Fig. 10 verdeutlicht den Zusammenhang der Resonanz-Amplitude Ra und der Anregungsfrequenz f in Abhängigkeit von der Massenbelegung des piezokeramischen Resonators 20. Die Kurve 58 verdeutlicht die Resonanz-Signalantwort des piezokeramischen Resonators 20 ohne Beladung desselben und die strichlierte Kurve 60 verdeutlicht die Resonanz-Signalantwort bei einer entsprechenden Beladung des piezokeramischen Resonators. Wie die Kurve 58 verdeutlicht, steigt bei der Resonanzfrequenz des piezokeramischen Resonators 20 die Schwingungsamplitude durch Resonanzüberhöhung steil an. Die Steilheit bzw. die Güte des piezokeramischen Resonators sowie seine Betriebsparameter, d. h. die Piezokonstanten sind nach den Erfordernissen der Messbedingungen wie bspw. der Massenzahl und der Kapazität, dem Filtermaterial anzupassen. Die Resonanzüberhöhung, d. h. der Unterschied zwischen der Anregungsamplitude und der Resonanzamplitude sinkt mit zunehmender Massenbelegung des piezokeramischen Resonators 20 ab. Daraus ist folglich direkt ein Signal für den Beladungszustand des piezokeramischen Resonators 20 und somit für den Beladungszustand der Filtereinrichtung 10 ableitbar. Fig. 10 illustrates the relationship of the resonance amplitude Ra and the excitation frequency f as a function of the mass density of the piezoelectric ceramic resonator 20. Curve 58 illustrates the resonance signal response of piezoceramic resonator 20 without loading the same, and dashed curve 60 illustrates the resonance signal response when the piezoceramic resonator is loaded accordingly. As curve 58 shows, at the resonance frequency of the piezoceramic resonator 20, the oscillation amplitude rises steeply due to excessive resonance. The slope or the quality of the piezoceramic resonator and its operating parameters, ie the piezo constants, are to be adapted to the filter material according to the requirements of the measurement conditions, for example the number of masses and the capacity. The resonance increase, ie the difference between the excitation amplitude and the resonance amplitude, decreases with increasing mass occupancy of the piezoceramic resonator 20 . From this, a signal for the loading state of the piezoceramic resonator 20 and thus for the loading state of the filter device 10 can be derived directly.
Ist der piezokeramische Resonator 20 bspw. Bestandteil eines Partikelfilters 12, so kann der piezokeramische Resonator 20 bspw. mit einem PP- oder PC-Elektret-Vliesmaterial versehen sein, das mit einem Thermoplasten wie Hotmelt an der Oberfläche des piezokeramischen Resonators festgeklebt wird. Das Elektret-Vlies lagert Staubpartikel ein, wodurch die Masse zu- und die Resonanzfrequenz des piezokeramischen Resonators abnimmt, wie oben in Verbindung mit Fig. 10 ausgeführt worden ist. Kommt der piezokeramische Resonator 20 bei einem Adsorptionsfilter 14 zur Anwendung, so kann - wie ebenfalls bereits ausgeführt worden ist - der piezokeramische Resonator 20 mit Aktivkohle auf Kokosnußbasis oder dergl. kombiniert sein. Die Aktivkohle adsorbiert Schadgas, wodurch es zu einer Massezunahme kommt. Durch diese Massezunahme ergibt sich wiederum eine Änderung der Resonanzeigenschaften des piezokeramischen Resonators, d. h. die Resonanzfrequenz und insbesondere die Amplitude der Resonanz-Signalantwort nehmen ab. In erster Näherung ist die Frequenzänderung zur Massenänderung proportional. Bei konstant gehaltener Anregungsfrequenz führt das zu einer Abnahme der Schwingungsamplitude. Die Resonanzüberhöhung nimmt also ab. Diese Abnahme der Resonanzüberhöhung wird in der Anregungs- und Auswerteschaltung 36 ausgewertet. Diese kann Teil der Bordelektronik sein, wenn die Filtereinrichtung 10 bspw. im Fahrgastinnenraum eines Kraftfahrzeuges zur Anwendung gelangt.If the piezoceramic resonator 20 is, for example, part of a particle filter 12 , the piezoceramic resonator 20 can be provided, for example, with a PP or PC electret non-woven material which is adhered to the surface of the piezoceramic resonator with a thermoplastic such as hot melt. The electret fleece stores dust particles, as a result of which the mass increases and the resonance frequency of the piezoceramic resonator decreases, as was explained above in connection with FIG. 10. If the piezoceramic resonator 20 is used in an adsorption filter 14 , the piezoceramic resonator 20 can be combined with activated carbon based on coconut or the like, as has also already been explained. The activated carbon adsorbs harmful gas, which leads to an increase in mass. This increase in mass results in a change in the resonance properties of the piezoceramic resonator, ie the resonance frequency and in particular the amplitude of the resonance signal response decrease. In a first approximation, the change in frequency is proportional to the change in mass. If the excitation frequency is kept constant, this leads to a decrease in the oscillation amplitude. The resonance increase therefore decreases. This decrease in the excessive resonance is evaluated in the excitation and evaluation circuit 36 . This can be part of the on-board electronics if the filter device 10 is used, for example, in the passenger compartment of a motor vehicle.
1010th
Filtereinrichtung
Filter device
1212th
Partikelfilter (von Particle filter (from
1010th
)
)
1414
Adsorptionsfilter (von Adsorption filter (from
1010th
)
)
1616
Rahmen (von Frame (from
1010th
)
)
1818th
mechanischer Resonator
mechanical resonator
2020th
piezokeramischer Resonator
piezoceramic resonator
2222
Halterung (von Bracket (from
1818th
, ,
2020th
)
)
2424th
Anschlußkontakt (an Connection contact (at
2222
)
)
2626
Anschlußkontakt (an Connection contact (at
2222
)
)
2828
Anschlußkontakt (an Connection contact (at
2222
)
)
3030th
piezokeramisches Plättchen (von piezoceramic plate (from
2020th
)
)
3232
piezokeramisches Plättchen (von piezoceramic plate (from
2020th
)
)
3434
Adsorbermaterial (an Adsorber material (an
1818th
)
)
3636
Anregungs- und Auswerteschaltung (für Excitation and evaluation circuit (for
1010th
)
)
3838
Oszillator (von Oscillator (from
3636
)
)
4040
Gleichrichterschaltung (von Rectifier circuit (from
3636
)
)
4242
Schwellwertschaltung (von Threshold switching (from
3636
)
)
4444
Signalausgang (von Signal output (from
4242
)
)
4646
Leuchtdiode (an LED (on
4444
)
)
4848
Innenoberfläche (von Inner surface (of
2020th
)
)
5050
Innenelektrode (an Inner electrode (on
4848
)
)
5252
Außenelektrode (von Outer electrode (from
2020th
)
)
5454
Außenelektrode (von Outer electrode (from
2020th
)
)
5656
bogenförmiger Doppelpfeil
curved double arrow
5858
Kurve
Curve
6060
Kurve
Curve
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998131414 DE19831414C1 (en) | 1998-07-14 | 1998-07-14 | Filter comprises particle load detector providing continual indication of filter condition in safety-critical applications without interruption to filter operation |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10120223B4 (en) * | 2001-04-24 | 2005-08-25 | Carl Freudenberg Kg | Multi-layer air filter and its use |
DE102006027077A1 (en) * | 2006-06-10 | 2007-12-13 | Volkswagen Ag | Method for diagnosis of particle filter arranged in exhaust gas mass flow in exhaust system of combustion engine e.g. diesel engine, involves determining loading condition of measuring surface with particles |
US9120043B2 (en) | 2006-05-30 | 2015-09-01 | 3M Innovative Properties Company | Filter sensor |
EP4300094A1 (en) * | 2022-07-01 | 2024-01-03 | Institut Für Luft- Und Kältetechnik gGmbh | Sensor unit for monitoring a sorbent and sorption filter having an integrated sensor unit |
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1998
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Patent Citations (1)
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DE29507061U1 (en) * | 1995-05-05 | 1995-07-27 | Hoechst Ag | Automated device for testing filter media |
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