DE19934042C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des durchschnittlichen wassergehalts eines heterogenen, feststoffhaltigen Mediums - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes eines von einem Fluid durchströmten heterogenen Mediums (12), insbesondere des Filterbettes (12) eines Biofilters (10). Erfindungsgemäß wird der Wassergehalt bestimmt, indem neben einem Wassergehaltssensor an einer Referenzstelle zusätzlich der Druckabfall über das Medium (12) mit mindestens einem Drucksensor (17) gemessen und der Druckabfall zur genaueren Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes des Mediums (12) und zur Einteilung in Betriebsmerkmalsgruppen (zu hoch, Fehler, Sollzustand, zu feucht) verwendet wird. Dadurch ist eine kostengünstige Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes eines von einem Gas und/oder einer in Wasser schwer löslichen Flüssigkeit durch­ strömten heterogenen Mediums, insbesondere des Filterbettes eines Biofilters oder Festbettreaktors gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 sowie Vorrichtungen dazu gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 11 und 13.

Die Problematik der Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes stellt sich bei allen heterogenen Medien, in denen das Wasser aufgrund dieser Inhomogenitäten nicht gleichmäßig über das Medium verteilt ist. Besonders ausge­ prägt ist diese Problematik bei Biofilteranlagen, da diese mit sehr inhomogenem Material betrieben werden und die Ein­ haltung eines vorgegebenen Wassergehalts für den Betrieb besonders wichtig ist.

Die biologische Abgasreinigung in Biofiltern, wie Sie zum Beispiel in der DE 197 05 052 C1 beschrieben ist, hat in den letzten Jahren ein breites Anwendungsgebiet gefunden. In Biofilteranlagen kann nicht nur geruchsbelastende Abluft aus Landwirtschaft und lebensmittelverarbeitenden Betrie­ ben, sondern auch industrielles Abgas umweltschonend und relativ einfach und preisgünstig gereinigt werden. Die biologische Abgasreinigung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß Mikroorganismen unerwünschte Inhalts­ stoffe der zu reinigenden Abluft in unschädliche Abbaupro­ dukte umwandeln.

Um eine optimale Reinigungswirkung durch den Biofilter zu erreichen, müssen die Lebensbedingungen der Mikroorganismen im Filtermaterial möglichst gut eingestellt werden. Von ent­ scheidender Bedeutung für den stabilen und kontinuierlichen Betrieb ist dabei die Einhaltung eines bestimmten Feuchte­ gehaltes bzw. Wassergehaltes von etwa 40 bis 55 Gew.-% bezogen auf das feuchte Filtermaterial. Entsprechend der im Biofilter vorhandenen Stoffe kann mit zunehmender Bindungs­ stärke Wasser als freies Wasser in Zwischenräumen, großen Hohlräumen und Poren, durch Adhäsion an Oberflächen, durch sorptiv gebundenes Wasser und durch chemisch gebundenes Wasser im Biofilter vorkommen.

Die für Biofilter typische Schüttung ist ein organisches, extrem heterogen zusammengesetztes Meßgut bestehende aus organischen und anorganischen Bestandteilen.

Dabei beruhen 50 bis 75% aller Betriebsprobleme mit Biofil­ tern auf Vernässen oder Austrocknen des Filtermaterials. Der Biofilter neigt beim Betrieb zur Austrocknung durch die fortwährende Abführung von Wasser durch das zu reinigende Prozeßgas, auch wenn dies zuvor mit Wasserdampf gesättigt wurde. Um diesem Zustand entgegenzuwirken, wird üblicherwei­ se eine Oberflächenbefeuchtungseinheit eingesetzt, mit welcher der Filter zusätzlich durch das Berieseln mit Wasser befeuchtet werden kann.

Die prozeßnahe räumliche und zeitliche Erfassung des Wasser­ gehalts bildet für die optimale Prozeßführung (optimaler Schadstoffabbau durch optimale Kulturbedingungen der Mikro­ organismen) eine wesentliche Bedingung. Die Schwierigkeiten liegen dabei darin, daß das für den Biofilter verwendete extrem heterogen zusammengesetzte Material dazu führt, daß die genaue Bestimmung des Durchschnittswassergehalts über das gesamte Volumen des Filtermaterials aufgrund der eben­ falls sehr heterogenen Verteilung des Wassers nur schwer möglich ist.

Zur Wassergehaltsbestimmung sind Mikrowellen-Feuchtemeßgerä­ te mit Einstichapplikatoren, insbesondere Resonanzapplikato­ ren, die ein großes Meßvolumen erreichen, geeignet. Bei allen Vorteilen dieser Sensoren, liefern diese jedoch nur punktuelle Meßwerte des Wassergehalts. Eine Steuerung mit wenigen Sensoren führt dazu, daß in vielen Fällen kein optimaler Betrieb des Biofilters gewährleistet ist, und es zu einem lokalen Austrocknen oder Übernässen kommen kann. Hinzu kommt, daß die Steuerung der Oberflächenbefeuchtungs­ einheit in der Regel durch manuelles Zuschalten erfolgt. Alternativ kann eine große Anzahl von Sensoren eingesetzt werden, um eine ausreichende Bestimmung des durchschnittli­ chen Wassergehalts zu erreichen. Dies ist jedoch aus wirt­ schaftlichen Gesichtspunkten kaum praktikabel.

Der Einsatz von Drucksensoren für die Druckregulierung ist zum Beispiel aus der DE 43 41 898 A1 für eine Hauswasseran­ lage mit Filtereinrichtung bekannt. Für eine Wassergehalts­ bestimmung werden diese jedoch nicht herangezogen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren und Vorrichtungen zur Bestimmung und zur Regelung des durchschnittlichen Wassergehaltes eines von einem Gas und/­ oder einer in Wasser schwer löslichen Flüssigkeit durch­ strömten heterogenen Mediums, insbesondere des Filterbettes eines Biofilters der eingangs genannten Art zu schaffen, das besonders kostengünstig arbeitet.

Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, daß der Druckabfall über das Medium mit mindestens einem Drucksen­ sor gemessen und dieser Druckabfall zur Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes des Mediums verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf alle von einem Gas und/oder einer in Wasser schwer löslichen Flüssigkeit durchströmten heterogenen Medien anwendbar, die einen Feststoffanteil besitzen, der dem Medium eine ausrei­ chende Strukturstabilität verleiht. Unter Fluid wird jedes fließfähige Medium verstanden, als insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit. Auch fließfähige Mehrphasengemische werden im Rahmen dieser Erfindung als Fluid bezeichnet.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ausgenutzt, daß der Druckabfall, der durch das Medium verursacht wird, vom Was­ sergehalt des heterogenen Mediums abhängt. Auf diese Art und Weise ist eine effiziente und kostengünstige Messung und Regelung des Wassergehaltes möglich. Der Einsatz einer Vielzahl von Wassergehaltssensoren entfällt.

Es ist weiterhin zweckmäßig einen funktionalen Zusammen­ hang zwischen der Differenz des Gasdruckes und dem durch­ schnittlichen Wassergehalt zu ermitteln. Damit erhält man eine gut handhabbare Kenngröße.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung wird zunächst in einer vorgeschalteten Phase neben dem Druckabfall auch die räumliche Verteilung des Wassergehal­ tes im Medium gemessen. Zu diesem Zweck werden mindestens zwei Wassergehaltssensoren eingesetzt. Weiterhin wird ein zweiter funktionaler Zusammenhang zwischen dem lokalen Was­ sergehalt von mindestens einer Referenzstelle im Medium und dem Druckabfall durch das Medium ermittelt. Unter Referenz­ stellen sind frei wählbare Punkte innnerhalb des Mediums zu verstehen, anhand derer die spätere Bestimmung des durch­ schnittlichen Wassergehalts erfolgen soll.

Im anschließenden Betrieb der Anlage wird der durchschnitt­ liche Wassergehalt des inhomogenen Mediums bestimmt, indem die Druckdifferenz und der lokale Wassergehalt in Bezug auf die festgelegten Referenzstellen gemessen wird. Die Anzahl der Referenzstellen liegt dabei unter der Anzahl der Meß­ stellen, die in der vorgeschalteten Phase verwendet werden. Unter Ausnutzung des ermittelten zweiten funktionellen Zusammenhangs läßt sich aus den Meßwerten der Druckdiffe­ renz und des lokalen Wassergehalts an der oder den Referenz­ stellen die Wassergehaltsverteilung im Medium ermitteln.

Die Referenzstelle muß in der Vorschaltphase nicht notwendi­ gerweise durch einen Wassergehaltssensor abgedeckt werden. So könnte aus den Meßwerten mehrerer Wassergehaltssensoren eine Referenzstelle rechnerisch gebildet werden.

Es ist jedoch bevorzugt, daß mindestens eine Referenzstelle mit der Position eines Wassergehaltssensors zusammenfällt, da dies einen besonders einfachen Aufbau erlaubt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung wird die Ermittlung des ersten funktionellen Zusammenhangs und/oder des zweiten funktionellen Zusammen­ hangs durch Systemmodellierung unter Einsatz moderner Softcomputingverfahren mit unscharfen Verarbeitungsalgorith­ men ausgeführt. Unter Softcomputingverfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung fallen Fuzzy-Control Systeme und künstliche neuronale Netze. Diese Softcomputingverfahren sind insbesondere dazu geeignet, komplexe Systeme zu be­ schreiben und können als Grundlage für eine Regelung einer Anlage dienen.

Besonders bevorzugt wird es, den ermittelten ersten funktio­ nellen Zusammenhangs und/oder zweiten funktionellen Zusam­ menhang in einen geräteunabhängigen Run-Time-Code zu über­ führen. Dieser Run-Time-Code stellt eine PC-unabhängige, eigenständig lauffähige Applikation dar, die wiederum auf beliebige preiswerte Zielhardware-Systeme (z. B. Mikrocompu­ tersysteme) portiert werden kann. Damit kann ein rechnerge­ neriertes Modell ohne großen Aufwand direkt z. B. als Rege­ lungsalgorithmus implementiert werden.

Die erfindungsgemäße Bestimmung des Wassergahaltes kann insbesondere zur Regelung des Wassergehaltes in Biofiltern verwendet werden. Die Ansteuerung des Zulaufventils der Oberflächenbefeuchtungseinheit erfolgt dabei in Abhängig­ keit von dem ermittelten durchschnittlichen Wassergehalt.

Eine besonders einfache Regelung des Wassergehaltes ist möglich, wenn der zweite funktionelle Zusammenhang zu einer Einteilung der Betriebszustände des Mediums in diskrete Be­ triebsmerkmalsgruppen bezüglich der Wassergehaltsverteilung genutzt wird. Diese Betriebsmerkmalsgruppen bilden die Grundlage für die Ansteuerung zusätzlicher Befeuchtungssy­ steme, z. B. Oberflächenbefeuchter.

Besonders bevorzugt ist es dabei, daß die diskreten Be­ triebsmerkmalsgruppen mindestens die Einteilung "zu troc­ ken", "zu feucht", "optimale Feuchtigkeit", "lokale Aus­ trocknung des Mediums" und "lokale Überfeuchtung des Medi­ ums" aufweisen. Mit Hilfe dieser Einteilung werden beson­ ders gute Ergebnisse bezüglich der Regelung des Wassergehal­ tes.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestim­ mung des durchschnittlichen Wassergehaltes eines von einem Fluid durchströmten heterogenen Mediums, insbesondere des Filterbettes eines Biofilters, umfaßt einen Drucksensor, mindestens zwei Wassergehaltssensoren, die räumlich über das Medium verteilt sind und Mittel zur Bestimmung des zweiten funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Wasserge­ halt an mindestens einer Referenzstelle des Mediums und dem Druckabfall über das Medium.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorgenannten Vorrichtung sind die Mittel zur Bestimmung des zweiten funk­ tionellen Zusammenhangs als selbsorganisierendes künstli­ ches Neuronales Netz ausgebildet.

Eine Vorrichtung zur Regelung des Wassergehaltes umfaßt mindestens einen Drucksensor, mindestens einen Wasserge­ haltssensor und Mittel zur Ansteuerung des Zulaufventils der Oberflächenbefeuchtungseinheit. Die Mittel zur Ansteue­ rung setzen die gemessenen Druck- und Wassergehaltsdaten in den durchschnittlichen Wassergehalts (klassifiziert in Betriebsmerkmalsgruppen) und Steuersignale für das Zulauf­ ventil um.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnun­ gen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines üblichen Biofil­ ters;

Fig. 2 eine geeignete Einteilung der Meßwerte in Betriebs­ merkmalgruppen für verschiedene Betriebszustände des Biofilters;

Fig. 3 einen Biofilter mit einem Drucksensor und drei Wassergehaltssensoren für die Bestimmung der Wasser­ gehaltsverteilung während der vorgeschalteten Phase;

Fig. 4 einen Biofilter mit einem Drucksensor und einem Wassergehaltssensor im laufenden Betrieb der Anla­ ge;

Fig. 5 eine schematische Meßanordnung für die Bestimmung der Wassergehaltsverteilung während der vorgeschal­ teten Phase; und

Fig. 6 eine schematische Regelungsanordnung unter Verwen­ dung eines in einen Run-Time-Code umgesetzten trai­ nierten selbstorganisierenden künstlichen Neurona­ len Netzes.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Biofiltern dargestellt. Die technische Lehre erstreckt sich aber generell auch auf andere heterogene Medien, wie z. B. andere Filtermaterialien, Stützmaterialien, Schlämme etc.

Fig. 1 zeigt einen Biofilter 10 wie er in der Praxis eingesetzt wird. In der Regel besteht ein derartiger Biofil­ ter 10 aus einem Gitterrost oder Spaltenboden 11, auf dem ein Filterbett bzw. Filtermaterial 12 aufgeschüttet ist. Das Filtermaterial ist dabei in offenen Behältern oder geschlossenen Containersystemen 13 untergebracht. Das Filterbett 12 selbst besteht in der Regel aus organischem Material, wie z. B. Rindenmulch, Torf, Kompost, Sand oder Erde und einem Stützmaterial wie z. B. Heidekraut, Rinde, Holz oder Reisig. Das Stützmaterial dient als Armierung und verringert den Druckverlust. Häufig werden auch syntheti­ sche oder organische Stoffe, wie Kohle, Styropor oder Glasschaum zugesetzt. Sie dienen als Ansiedlungsfläche für Mikroorganismen oder zur verbesserten Wasserhaltung. Das zu reinigende Abgas 14 durchströmt das Filtermaterial und verläßt den Filter als Reingas 15. Der Eingang 19 des Filters befindet sich unterhalb, der Ausgang oberhalb des Filterbettes 12. Der Ausgang ist aus Gründen der Übersicht­ lichkeit nicht mit eingezeichnet.

Durch Voruntersuchungen an einer Pilotbiofilteranlage, bei der alle relevanten Prozeßgrössen über einen längeren Zeitraum erfaßt werden, kann eine ausreichend hohe Korrela­ tion zwischen den meßtechnisch relativ einfach zu erfassen­ den Prozeßgrößen, wie Druck und Wassergehalt im Filtermate­ rial nachgewiesen werden. Außerdem werden die folgenden grundlegenden Zusammenhänge meßtechnisch untermauert (siehe Fig. 2):

• a) Im Normalbetrieb des Filters ist mit steigendem Wasserge­ halt im Filtermaterial auch ein Druckanstieg im Filter festzustellen.
• b) Sind gegenläufige Tendenzen der Meßreihen von Druck und Wassergehalt zu erkennen (steigender Druck bei sinkendem Wassergehalt ad. sinkender Druck bei steigendem Wasserge­ halt) liegt ein außergewöhnlicher Betriebsfall der Anlage vor:
  • a) Ein hoher Wassergehalt und ein niedriger Druck deuten auf eine lokale Austrocknung des Filters hin;
  • b) Ein niedriger Wassergehalt und ein hoher Druck können auf eine Überfeuchtung des Filters im unteren Bereich (Wasserstau in der Drainageableitung 25) hindeu­ ten.

Beide Betriebsfälle können auch durch einen Ausfall von Wassergehaltssensoren (16) oder Drucksensoren (17) (siehe Fig. 3) verursacht werden.

Diese verschiedenen Betriebszustände werden zu Betriebsmerk­ malsgruppen zusammengefaßt. Für die Messung des Wasserge­ halts eines unbekanntes Biofilters ist es notwendig, die Be­ triebsmerkmalsgruppen in bezug auf die Referenzstellen des Biofiltermaterials 12 zu bestimmen.

Fig. 3 zeigt die Anordnung zur Bestimmung der Wassergehalts­ verteilung. Bevorzugt erfolgt die Wassergehaltsbestimmung, indem eine erhöhte Anzahl von Wassergehaltssensoren 16 gegenüber dem späteren Betrieb des Biofilters 10 eingesetzt wird, besonders bevorzugt ist der Einsatz von mindestens drei Sensoren 16. Die Referenzstelle 20 wird dabei so ausge­ wählt, daß sie möglichst sensitiv auf Veränderungen des durchschnittlichen Wassergehaltes reagiert. In diesem Fall fällt die Referenzstelle (20) nicht mit einem Wasserge­ haltssensor (16) zusammen. Die Datenerfassung erfolgt über einen ausreichend langen Zeitraum, um eine genügend hohe Anzahl von Meßdatensätzen zu erhalten. Während dieser Phase werden möglichst alle Betriebszustände der Anlage durch ent­ sprechende Datensätze abgedeckt.

Gegebenenfalls kann sich an diese Phase eine Aufbereitung der Daten anschließen. Diese umfaßt:

• a) Berücksichtigung der bei der Sensorkalibrierung ermittel­ ten Approximationsgleichungen;
• b) Reduzierung des Datensatzesdurch Entfernung redundanter Daten;
• c) Filterung von Sprüngen aus den Rohmeßdaten; iv. Glät­ tung des Rohdatensatzes.

Die Messung und Aufbereitung der Daten erfolgt mittels kom­ merziell erhältlicher Auswerteprogramme für EDV-Anlagen.

Ziel ist es, eine Einteilung in Klassen mit einer minimier­ ten Anzahl an Wassergehaltssensoren 16 zu ermöglichen. Dazu wird die Matrix auf die für die spätere Messung während des Betriebes der Anlage vorgesehene, um mindestens eins redu­ zierte Anzahl von Referenzstellen 20, bevorzugt eine Refe­ renzstelle 20 reduziert. Die Gruppeneinteilung wird beibe­ halten und nur auf die Referenzstellen 20 und den Druck be­ zogen. Die so erzeugte Matrix bildet die Grundlage für die später auzuführende Korrelationsanalyse zur Ermittlung des funktionellen Zusammenhangs.

Die Zuordnung zu Betriebsmerkmalsgruppen wird mit EDV-Werk­ zeugen automatisiert. Die rechentechnische Umsetzung des Trainings des selbstorganisierenden künstlichen neuronalen Netzes und die Run-Time-Code-Generierung (z. B. C-Code) wird mit einem eigenen leistungsfähigen Tool mit grafischer Win­ dows-konformer Benutzungsoberfläche durchgeführt. Zusätz­ lich wird durch das Programm ein Datenimport unter Verwen­ dung der Windows-Zwischenablage, ein leichtes Parametrisie­ ren des Netzes und eine grafische Visualisierung der Trai­ nings und Testlaufdaten zur Kontrolle des Lernerfolges be­ reitgestellt.

Diese Programm übernimmt die im Schritt Datenbewertung/­ Einteilung in Merkmalsgruppen ermittelte Trainingsmatrix und trainiert ein frei parametrierbares selbstorganisieren­ des künstliches Neuronales Netz.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, wie sie bei der eigentlichen Messung des Wassergehalts während des Betriebes des Biofil­ ters mit einem Wassergehaltssensor 16, der in diesem Fall mit der Referenzstelle 20 zusammenfällt, unter gleichzeiti­ ger Messung des Differenzdrucks mit einem Drucksensor 17 verwendet wird. Übergibt man dem erfolgreich mit einem Softcomputingverfahren erstellten Systemmodell nun unkorri­ gierte Meßwerte und Störgrößen, so kann es daraus sofort den korrigierten Wert berechnen. Diese berechneten Meßwerte dienen der genaueren volumenbezogenen Wassergehaltsbestim­ mung und der Ableitung von Parametern zur Beschreibung des Prozeßzustandes und bilden damit gleichzeitig die Eingangs­ signale für das Prozeßführungssystem, bestehend aus Rege­ leinrichtungen und Alarmanlagen.

Das Meßhardwaresystem für die vorgeschaltete Phase zur vorherigen Charakterisierung des Filtermediums, d. h. zur Bestimmung der räumlichen Wassergehaltsverteilung in ver­ schiedenen Betriebszuständen, ist in Fig. 5 dargestellt. Es besteht aus einem Meß-PC 50 mit einer Einsteckkarte zur Ana­ log-Digital-Wandlung der Sensorausgangsignale. An diese Meß­ karte werden ein Drucksensor 17 zur Messung des Differenzdrucks des Biofilters 10 und drei Wassergehaltssen­ soren 16 zur Aufnahme des Wassergehalts an verschiedenen Stellen im Biofilter 10 (siehe Fig. 3) angeschlossen. Die Steuerung 54 des Wasserzulaufs 51 der Oberflächenbefeuch­ tungseinheit 18 erfolgt manuell. Die Datenaufnahme der Was­ sergehaltssensoren 16 wird über die serielle Schnittstelle 56 über RS232C 56, die des Drucks über einen zusätzlichen analogen Eingang 57 vorgenommen. Die Steuereinheit 60 steuert einen Lüfter 61, eine Heizung 62 und einen Befeuch­ ter 63.

Zur Meßdatenerfassung ist ein kommerzielles Meßdatenerfas­ sungs- und Auswertetool installiert, das eine Online-Meßda­ tenerfassung der Daten von drei Wassergehaltssensoren 16 und einem Drucksensor 17 über einen längeren Zeitraum erlaubt. Die Meßdaten werden automatisch in einer Datenta­ belle gespeichert.

Nach der vorgeschalteten Phase folgt die Datenbewertung bzw. die Einteilung der Meßwerte in Merkmalsgruppen. Um die Gruppeneinteilung zu realisieren, werden zunächst jeweils zwei Schwellwerte für den Wassergehalt (oberer Schwellwert 21 und unterer Schwellwert 22 und den Druck (oberer Schwell­ wert 23 und unterer Schwellwert 24) definiert (siehe Fig. 2). Durch einen entsprechenden algebraischen Vergleich der Meßwerte und der Schwellwerte kann dadurch eine Zuord­ nung der Meßwerte zu den sich aus den Schwellen ergebenden neuen Gruppen erfolgen. Als Meßdaten werden der Differenzdruck im Biofilter und der Wassergehalt im Filter bezogen auf sein Gesamtvolumen, d. h. ein gewichteter Mittel­ wert aus allen Wassergehaltsmeßwertstellen, verwendet.

Fig. 2 zeigt die für Biofilter bevorzugte Gruppeneinteilung, wobei die Meßwerte schon auf den Bereich (0 < x < 1) nor­ miert wurden.

Entsprechend den physikalischen Zusammenhängen und den Er­ fordernissen des Anlagenbetriebes werden die Gruppen 4, 7 und 8 sowie die Gruppen 2, 3 und 6 zu einer Gruppe zusammen­ gefaßt. Die einzelnen Gruppen werden wie folgt prozeßtech­ nisch interpretiert:

Durch die Gruppeneinteilung ergibt sich folgende Matrix:

Daraus ergibt sich durch Reduktion auf einen Wassergehalts­ sensor 16:

Die Gruppeneinteilung wird beibehalten und nur auf die eine Wassergehaltsmeßstelle und den Differenzdruck bezogen. Die so erzeugte Matrix bildet die Grundlage für die später aus­ zuführende Systemmodellierung unter Einsatz moderner Softcomputingverfahren, in diesem Fall in Form des Trai­ nings eines selbstorganisierenden künstlichen neuronalen Netzes. Aus den aufbereiteten Meßdaten wird automatisch die zum Training des neuronalen Netzes erforderliche Trainings­ matrix generiert.

Beim Betrieb der Anlage kann aus dem gemessenen Druckabfall und dem lokalen Wassergehalt mit Hilfe des trainierten neuronalen Netzes die entsprechende Betriebsmerkmalsgruppe automatisch zugeordnet werden, die die Grundlage für die An­ steuerung Prozeßführungssystem bildet. Liegt ein Zustand vor, der nicht der Gruppe "Sollzustand" entspricht, so werden entsprechende Gegenmaßnahmen ausgelöst, um die Abweichung zu korrigieren. Im Fall der Betriebsmerkmalsgrup­ penbezeichnung "zu trocken" oder "zu feucht" erfolgt die Korrektur im Normalfall automatisch, z. B durch Einschalten der Befeuchtungseinheit (18) oder der Verringerung des Feuchtegehaltes des dem Filter zugeführten zu reinigenden Gases. Beim Vorliegen von Fehler A oder Fehler B ist eine automatische Korrektur möglich, unter Umständen ist aber auch ein Eingriff des Prozeßsteuerers erforderlich, um den Fehler zu beheben. Handelt es sich bei Fehler A bzw. Fehler B um einen Sensordefekt, so ist in jedem Fall ein manueller Eingriff nötig.

Alle bisher erläuterten Teilschritte werden mit Hilfe eines einem Meßdatenerfassungs- und Auswertetool umgesetzt. Zum Training des selbstorganisierenden Neuronalen Netzes und zur Generierung eines Run-Time-Quellcodes für ein Zielhard­ waresystem wurde im weiteren ein leistungsfähiges Tool mit grafischer Windows-konformer Benutzungsoberfläche erstellt. Dieses Tool dient zur rechentechnischen Umsetzung des selbstorganisierenden neuronalen Netzes und zur Run-Time-Co­ de Generierung. Im letzen Schritt wird das auf dem PC trainierte und getestete neuronale Netz in einen Run-Ti­ me--Code überführt. Dabei wird das gesamte Trainingswissen in Form von Matrizen mitübersetzt. Es steht damit eine PC-unabhängige eigenständig lauffähige Applikation zur Verfügung.

Die Messung im Normalbetrieb der Anlage erfolgt mit einem einzigen Wassergehaltssensor 16 und einem Drucksensor 17, wie in Fig. 4 dargestellt.

Fig. 6 zeigt die eingesetzte Anordnung unter Verwendung eines Mikrocontrollersystems 72 mit dem C 80C167 System 70 mit einer Statusanzeige 71, die zur Überwachung des Biofil­ ters 10 mit einem Wassergehaltssensor 16 und zur automati­ schen Steuerung des Zulaufventils 54 des Wasserzulaufs 51 der Oberflächenbefeuchtungseinheit 18 über RS232C 26 einge­ setzt wird.

Das C 80C167 System 70 enthält das trainierte neuronale Netz als Run-Time-C-Code. Die Steuerung des Lüfters 61, der Heizung 62 und des Befeuchters 63 erfolgt ebenfalls rege­ lungstechnische Stellmöglichkeiten.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung des durchschnittlichen Wassergehaltes eines heterogenen, feststoffhaltigen Mediums, insbesondere eines Filterbetts eines Bio­ filters, das von einem Gas und/oder einer in Wasser schwer löslichen Flüssigkeit durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Druckabfall über das Medium (12) mit minde­ stens einem Drucksensor (17) gemessen wird, und
• b) der Druckabfall zur Bestimmung des durchschnitt­ lichen Wassergehaltes des Mediums (12) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster funktioneller Zusammenhang zwischen dem Druckabfall und dem durchschnittlichen Wasserge­ halt ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer Vorschaltphase

• - die räumliche Verteilung des Wassergehaltes im Medium (12) durch mindestens zwei Wassergehaltssen­ soren (16) erfaßt wird,
• - anhand der gemessenen räumlichen Verteilung des Wassergehaltes ein zweiter funktioneller Zusammen­ hang zwischen dem Wassergehalt an mindestens einer Referenzstelle (20) des Mediums (12) und dem Druck­ abfall über das Medium (12) gebildet wird, wobei die Anzahl der Referenzstellen (20) kleiner ist, als die Anzahl der Wassergehaltssensoren (16).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Referenzstelle mit der Position eines Wassergehaltssensors (16) zusammenfällt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein mit Was­ serdampf gesättigter Luftstrom ist.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste funktionel­ le Zusammenhang und/oder der zweite funktionelle Zusammenhang unter Einsatz von Softcomputingverfah­ ren, insbesondere Fuzzy-Logic oder neuronalen Netzen, mit unscharfen Verarbeitungsalgorithmen er­ mittelt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte erste funktionelle Zusammenhang und/oder der zweite funktionelle Zusammenhang in einen geräteunabhängi­ gen Run-Time-Code überführt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt des Mediums (12) durch die Ansteuerung eines Zulaufven­ tils (54) einer Oberflächenbefeuchtungseinheit (18) in Abhängigkeit von dem ermittelten durchschnittli­ chen Wassergehalt geregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite funktionelle Zusammenhang zu einer Einteilung der Betriebszustände des Mediums (12) in diskrete Betriebsmerkmalsgruppen bezüglich der Was­ sergehaltsverteilung genutzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Betriebsmerkmalsgruppen minde­ stens die Einteilung "zu trocken", "zu feucht", "Sollzustand", "lokale Austrocknung des Mediums" und "lokale Überfeuchtung des Mediums" aufweisen.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Drucksensor (17), mindestens zwei Wassergehaltssensoren (16), die räumlich über das Medium (12) verteilt sind und Mittel zur Bestimmung des zweiten funktionalen Zu­ sammenhangs zwischen dem Wassergehalt an mindestens einer Referenzstelle (20) des Mediums (12) und dem Druckabfall über das Medium (12).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur Bestimmung des zweiten funktionellen Zusammenhangs mittels Softcomputing­ verfahren als selbstorganisierende künstli­ che neuronale Netze ausgebildet sind.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, 9 oder 10 gekennzeichnet durch minde­ stens einen Drucksensor (17), mindestens einen Was­ sergehaltssensor (16) und Mittel zur Ansteuerung des Zulaufventils (54) der Oberflächenbefeuchtungs­ einheit (18) in Abhängigkeit von dem ermittelten durchschnittlichen Wassergehalt.