WO2004014442A1 - Luftreinigungsgerät - Google Patents

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WO2004014442A1
WO2004014442A1 PCT/EP2003/008789 EP0308789W WO2004014442A1 WO 2004014442 A1 WO2004014442 A1 WO 2004014442A1 EP 0308789 W EP0308789 W EP 0308789W WO 2004014442 A1 WO2004014442 A1 WO 2004014442A1
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air
gas sensor
controller
ionizer
cleaning device
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PCT/EP2003/008789
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Werner Schröder
Original Assignee
Schroeder Werner
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L9/00—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
    • A61L9/16—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using physical phenomena
    • A61L9/22—Ionisation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
    • F24F8/10—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering
    • F24F8/192—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering by electrical means, e.g. by applying electrostatic fields or high voltages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
    • F24F8/30—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by ionisation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/50—Air quality properties
    • F24F2110/60—Odour
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to an air purification device for reducing pollutants in the air with an ionizer which is exposed to an air flow and which can be acted upon by a driver stage with ionization power, the air supplied by the air flow being ionizable depending on the ionization performance, and with "a Gas sensor for measuring pollutant concentrations.
  • ionizers It is known in principle to treat room air or breathing air with so-called ionizers to reduce pollutants. Pollutants or odorous substances usually form complex and large molecules, which are broken down into small-molecule fragments by the ionizer. At the same time, the ionization forms radicals and here in particular oxygen termels, which can then oxidize with the split fragments.
  • the ionizer is based on a controlled gas discharge that takes place between two electrodes and a dielectric in between.
  • the gas discharge represents a barrier discharge, with the dielectric acting as a dielectric barrier. In this way, time-limited individual discharges are achieved, which are preferably distributed homogeneously over the entire electrode area. It is characteristic of these barrier discharges that the transition to a thermal arc discharge is prevented by the dielectric barrier.
  • Air purifier has been proposed. For example, it is known from DE 198 10 497 AI to provide such an air cleaning device in a toilet for removing odors. For this purpose, suitable suction devices with air ducts on the upper rinsing edge of the toilet bowl or in a hollow channel in the toilet seat direct the contaminated air to the ionizer in order to reduce the odor nuisance.
  • Control of the ionizer with a needs-based ionization performance If too little ionization power is applied to the ionizer, the ionization is unsatisfactorily low, while if the ionization is too high, too much ions and radicals are released, which leave the user with the impression of the smell of a harsh caustic or cleaning agent. In this operating state, in addition to the formation of ions, ozone is also produced, the overproduction of which is also undesirable.
  • WO 98/26482 describes an air cleaning device with an ionizer, the supply voltage of which is controlled by a gas sensor.
  • the gas sensor is one
  • Metal oxide semiconductor sensor the resistance of which decreases with increasing concentration of certain gases (usually oxidizable gases or vapors, for example hydrogen sulfide, hydrogen, ammonia, ethanol or carbon monoxide).
  • gases usually oxidizable gases or vapors, for example hydrogen sulfide, hydrogen, ammonia, ethanol or carbon monoxide.
  • the change in resistance is thus a measure of the air pollution with certain pollutants.
  • the ionization power with which the ionizer is acted upon is increased in a sensor-controlled manner with increasing pollutant concentration up to a maximum value. This means that if the gas sensor has a low pollutant concentration, a correspondingly low ionization power is applied to the ionizer, while if the gas pollutant concentration is high, the ionizer is also driven with a correspondingly high ionization power.
  • WO 98/26482 also describes the use of an additional ionization sensor and / or ozone sensor. Since the air quality sensor measures the pollutant concentration of the air supplied and is thus arranged in terms of flow technology in front of the ionizer, the additional ionization sensor and / or ozone sensor serve to determine a still undesirable ozone concentration in the cleaned air in order to then possibly correspond to the ionization output correct.
  • a sensor control corresponding to WO 98/26482 is also described in DE 43 34 956 AI.
  • DE 43 34 956 AI a tin dioxide gas sensor is proposed, which detects the oxidizable indoor air components. If this gas sensor detects a larger space load, then the ionizer is also controlled with a higher ionization power.
  • the use of a moisture sensor and a flow sensor is proposed in order to increase the ionization capacity even when a larger amount of air or a higher humidity is measured.
  • a disadvantage of the known control methods from WO 98/26482 and DE 43 34 956 AI is the fact that the gas sensors used have a limited measuring range and additionally a relatively slow response time.
  • the limited measuring range means that sensor control of the ionization power in the edge regions of the measuring range is not possible. If the pollutant concentration is below the lowest measured value of the gas sensor, for example, the ionizer is either switched off or continues to be operated at a predetermined minimum value of the ionization power. When things change quickly
  • the slow response time of the sensor also means that the ionizer only needs to be activated after a certain time
  • Delay occurs. This delay is disadvantageous, for example, in the removal of odors in a toilet, since an immediate removal of the odorants by the ionizer is desirable, especially in the event of a sudden increase in the odorants.
  • An essential feature of the invention is that the driver stage, the ionizer and the gas sensor interact with a controller in a closed control loop in such a way that the output signal of the gas sensor essentially corresponds to a predetermined target value.
  • the invention describes a fundamentally different route.
  • the gas sensor is operated only at a certain operating point, which is predetermined by the setpoint of the control loop. The gas sensor therefore always delivers as the output signal a value which essentially corresponds to the target value, while the controller is responsible for setting the ionization power at the ionizer which keeps the output of the gas sensor at the said target value.
  • the invention is based further on the recognition that the gas sensor is arranged in relation to the air flow and with respect to the ionizer such that a change in the 'output signal supplied during open loop control of the gas sensor due to an abrupt change in the concentration of pollutants in the air flow Air can be compensated for by a change in the ionization energy, so that Output signal of the gas sensor can be traced back to its original value.
  • the feedback between the ionizer and the gas sensor must be brought about by the arrangement of the gas sensor in relation to the air flow and in relation to the ionizer so that the effect of the ionizer and the effect of the pollutant concentrations contained in the air flow can overlap at the gas sensor.
  • An open control loop in the sense of the invention is present when there is an electrical feedback between the
  • Output signal of the gas sensor and the controller is interrupted.
  • a step change in the pollutant concentration as a test function for the open control loop is present in the sense of the invention when the pollutant concentration in the air supplied to the ionizer by the air flow changes from a first constant value by a certain step height to a second constant value at a certain point in time changes.
  • Pollutant concentration remains constant and is not additionally influenced by the air flow discharged by the ionizer.
  • the jump amplitude of the sudden change in the pollutant concentration is preferably based on typical changes in the pollutant concentration.
  • Typical changes in the pollutant concentration in the air flow can be determined for the respective application by the expected changes in the Pollutant concentration according to their expected frequency are plotted in a histogram. For example, all cases that lie within +/- 10% of a frequency maximum can be assumed to be typical. If, for example, the air purification device in a room is to reduce the smell of cigarette smoke, the expected change in the concentration of pollutants is based on the expected air pollution from cigarette smoke compared to normal air pollution.
  • the gas sensor must now be arranged in relation to the air flow and in relation to the ionizer in such a way that said change in the pollutant concentration in the air flow can be compensated for by a change in the ionization energy, so that the output signal of the gas sensor is on it
  • the original value can be traced back, which in the example corresponds to the original value of the normal air pollution.
  • Another finding of the invention is that commercially available gas sensors can be used as the measuring element of the control loop for measuring pollutant concentrations. It has already been shown that way An overproduction of ozone which is disruptive to humans can be avoided by the ionizer, so that the ionization sensors or ozone sensors which are otherwise used for this purpose are not absolutely necessary.
  • the setpoint is set to a certain pollutant concentration with the air purification device according to the invention, polluted air is fed to the ionizer and pollutant-reduced air is removed from the ionizer.
  • polluted air is fed to the ionizer and pollutant-reduced air is removed from the ionizer.
  • all or part of the air removed is recirculated to the ionizer in the recirculation mode in order to increase the efficiency of the air purification.
  • An important advantage of the invention is that the mode of operation of the air cleaning device is not fundamentally limited by the measuring range of the gas sensor. Since the gas sensor is operated in accordance with the operating point specified by the setpoint, changes in the pollutant concentration can also be treated by the air purification device that go beyond the measuring range of the gas sensor. In the case of a conventional sensor control, on the other hand, the output signal of the gas sensor would be limited and would therefore also limit the activation of the ionizer or the driver stage. The limits of the air purification device are therefore in principle only due to the limitation of the ionization power. Appropriate measures can, however, additionally increase the ionization output, for example by connecting additional ionizers and / or fans to increase the flow velocity of the air flow.
  • the air cleaning device according to the invention This opens up a wide range of possible applications, from the household sector to industrial cleaning of large air spaces.
  • Another advantage of the invention is that an appropriate design of the controller enables a settling behavior of the closed control loop, the settling time of which is below the time constant of the gas sensor. This can be achieved, for example, by means of a differential component in the controller, which causes large manipulated variables at the driver stage even with small changes in the output signal of the gas sensor.
  • the driver stage comprises a high-voltage transformer, on the secondary side of which an oscillating high voltage can be generated.
  • the ionization power supplied to the ionizer can be influenced primarily by the peak value of the oscillating high voltage and / or by pulsing the oscillating high voltage.
  • the driver stage preferably comprises a circuit for pulse width modulation with which the
  • High-voltage transformer can be controlled on the primary side and the peak value and / or the pulse ratio of the high-voltage oscillating on the secondary side can be set.
  • the pulse-width-modulated signal can be rectified and fed to the input of the resonator.
  • the resonator in turn supplies an oscillating voltage to the primary side of the
  • the peak value on the secondary side of the high-voltage transformer is therefore proportional to the pulse width ratio.
  • the on the Secondary side delivered high voltage is pulsed. This means that the ionizer is only subjected to a certain number of full waves before the oscillating high voltage is interrupted again.
  • the ionization power thus supplied on average is also proportional to the pulse width ratio.
  • the pulse width ratio can be the same
  • Pulse width modulation signal are obtained, which is present at the input of the resonator, or a further pulse width modulation signal is generated for this purpose.
  • the high voltage oscillating on the secondary side can be set with a peak value in the range from 1 kV to 10 kV and with a frequency in the range from 10 kHz to 50 kHz.
  • the ionizer consists of a glass tube, the inner wall of which is lined with a perforated plate as the first electrode and the outer wall of which is surrounded by a wire mesh as the second electrode, the oscillating high voltage of the driver stage being present between the first electrode and the second electrode.
  • the high-voltage transformer is controlled in such a way that radicals, preferably oxygen radicals, are generated in the event of a gas discharge.
  • the high-voltage transformer is usually supplied with an AC voltage in the range of -ca; 10 kHz to 50 kHz, preferably in the range from 15 kHz to 30 kHz, operated at a peak value of 1 to 10 kV. If a gas flows around such an ionization tube, a gas discharge thus takes place, which results in ionization of the gas flowing around.
  • the gas discharge represents one Barrier discharge, which takes place through the glass tube acting as a dielectric barrier. In this way, time-limited individual discharges are achieved, which are distributed homogeneously over the entire electrode area. It is characteristic of these barrier discharges that the transition to a thermal arc discharge is prevented by the dielectric barrier.
  • any other form of ionizer is conceivable, such as, for example, a plate-shaped arrangement or combinations of tube arrangement and plate-shaped arrangement.
  • the gas sensor consists of a metal oxide sensor, the resistance of which changes during reactions with gases.
  • the metal oxide is applied to a substrate which is kept at a predetermined temperature with a heating element.
  • a gas sensor is preferably used which shows no change in resistance to changing oxygen concentration in the air. It has been shown that a particularly reliable control of the pollutant concentration is possible with such gas sensors.
  • the metal oxide can consist of tin dioxide, for example.
  • the air inlet opening of the gas sensor is at a distance of approximately 0.5 cm to 5.0 cm, preferably approximately 1.0 cm to 2.0 cm, from the air in relation to the air flowing around the ionizer Has surface of the ionizer. It has been shown that at these distances the Adjustment range of the gas sensor can be reconciled with the adjustment range of the ionizer and the range of values for usual pollutant concentrations.
  • the setpoint on the device can be set manually.
  • the operator thus has the option of specifying a mode of operation of the device which is pleasant for him, given the normal concentration of pollutants in the air.
  • the arrangement of the gas sensor is particularly preferably selected in such a way that the predefined setpoint value corresponds to a middle range in relation to the entire modulation range of the output signal of the gas sensor. Since, according to the invention, the control loop ensures that the pollutant concentration measured by the gas sensor essentially corresponds to the desired value, the gas sensor is thus operated in a range which enables maximum controllability during the transient process of the closed control loop.
  • the air flow is generated by convection, which in the case of small domestic appliances can, for example, result from the air supplied to the electrical components of the appliance being heated.
  • a fan is provided for generating the air flow. It was recognized that the air flow can also influence the way the control loop works. If the gas sensor is located, for example, on the flow side in front of the ionizer, the coupling between the ionizer and the gas sensor is smaller compared to one with the same distance between the gas sensor and the surface of the ionizer Arrangement in which the gas sensor is arranged on the flow side behind the ionizer.
  • Control circuit consisting of ionizer, driver stage, gas sensor and controller a limitation occurs.
  • the additional controller must act in such a way that the limitation that occurs can be sensibly compensated for.
  • the mode of operation of the control loop naturally depends to a large extent on the type of controller used. If the transmission behavior of the other control loop elements, i.e. the ionizer, the driver stage and the gas sensor, has been determined by suitable identification methods, the controller can basically be designed according to the available control engineering methods.
  • a P controller, a PI controller or a PID controller can be used as classic control loop elements.
  • the simplest case is the P controller, which in principle, however, requires a control difference between the specified setpoint and the pollutant concentration measured by the gas sensor in order to be able to output a manipulated variable. However, if the gain factor of the P controller is chosen high enough, the control difference can be neglected.
  • a high gain factor of the P-controller is only permissible if there is still a sufficient signal / noise ratio at the output signal of the gas sensor. Should the signal / noise ratio at the output signal of the gas sensor If, on the other hand, you are no longer sufficient to use a P controller, the use of a PI controller is recommended. Thanks to its integrative behavior, the PI controller is able to deliver a permanent manipulated variable even if the control difference disappears. Thus, when using a PI controller, the disappearance of the control difference can basically be achieved when the control loop is steady. In order to accelerate the settling behavior of the control loop, a di ferential element is usually added to the PI controller, creating a PID controller. The differential behavior of the PID controller can lead to limits appearing in the control loop elements when there are rapid changes in the pollutant concentration or the setpoint. In this case, it is advantageous to add a
  • the additional controller can instead provide for an increase in the flow velocity of the air flow.
  • controllers can of course also be provided, such as a rule-based fuzzy controller or a state controller.
  • a rule-based fuzzy controller or also a state controller are particularly suitable if the controller is to process further measured variables in addition to the measured pollutant concentration. Basically, it is conceivable that the control behavior by additional
  • a calibration element calibrates the gas sensor to the desired value when the gas sensor is supplied with a pollutant concentration corresponding to the desired value.
  • the ionizer is preferably supplied
  • the ionizer can also be controlled in calibration operation with a predetermined continuous ionization power with which the ionizer is to be operated at least in order to maintain a pleasant room climate at all times.
  • the manufacturing-related tolerances of a gas sensor can be compensated for by calibrating the gas sensor.
  • the tin dioxide gas sensors mentioned above it was observed that the. Tolerances essentially affect an absolute shift in the characteristic curve, while the relative change in the sensor signal as a function of
  • the calibration element can consist of a simple adder, which adds a corresponding voltage to the output voltage of the gas sensor in calibration operation.
  • a pollutant concentration is supplied to the gas sensor during the calibration operation, which the user presupposes as "clean air”.
  • Goal is . it is to determine in the calibration operation by the calibration element that additional voltage which is necessary to make the control deviation approximately zero.
  • Fig. Lb the response function at output 150 with a step amplitude of 1
  • Fig. Lc the response function at output 150 with a step amplitude of 2.5
  • 3a a block diagram for the transmission behavior of an open control loop with a step function of the pollutant concentration
  • 4a a block diagram for the transmission behavior of an open control loop with a step function of the ionization power
  • 4b the response function at output 450 with a step amplitude of 1
  • 5a a block diagram for the signal flow of a closed control loop
  • 5b a block diagram for the transmission behavior of a closed control loop with a step function of the pollutant concentration
  • Fig. 6a a block diagram for the transmission behavior of a closed control loop with a step function of the setpoint and a subsequent step function of the
  • FIG. 8 is a perspective view of an air cleaning device according to the invention.
  • FIG. 9 a block diagram of the air cleaning device according to the invention according to FIGS. 8 and 10: a flowchart of the control algorithm of the controller from FIG. 9.
  • Fig. La shows a block diagram for the transmission behavior of a gas sensor with a step function as an input.
  • the series connection of two PTI elements 111, 112 and a limiting element 113 was therefore adopted as a model for the transmission behavior of a gas sensor 110.
  • An abrupt increase in pollutant concentration 101 is present as an input function, and the corresponding response function can be tapped at output 150.
  • the following parameters were used:
  • Gas sensor can be controlled in a range from -2.0 volts to 2.0 volts.
  • 1b shows the response function at output 150 with a step amplitude of 1.
  • the gas sensor responds with a delayed pollutant concentration as expected and approaches the jump amplitude of 1 exponentially-1 after approx. 60 seconds.
  • a sensor control according to the state of the art, such as, for example, according to WO 98/26482 or DE 43 34 956 AI, basically consists of a gas sensor 210 with a subsequent driver stage 220.
  • the gas sensor 210 consists, as in FIG. 1 a, of two PTI elements 211, 212 and a limitation 213, the parameters likewise corresponding to those from FIG.
  • a P-link 221 with a downstream limit 222 was used. The following were assumed as parameters:
  • the output voltage of the gas sensor 210 is converted by the driver stage 220 into a high voltage by a factor of 250, although the offsets that occur in practice were not taken into account for simplification.
  • Usual output voltages of a gas sensor connected in a voltage divider are, for example, in the range from 1 V to 5 V and are translated into a high voltage of, for example, 1000 V to 2000 V by the driver stage.
  • these offsets are of no further importance for the control loop model and can be easily added at any time if necessary.
  • Fig. 2b shows the response function at the output 250 with a step amplitude of 1. In order to be able to also represent the step amplitude in Fig. 2b, this was enlarged by a factor of 250. As expected, the same response function as in FIG. 1b is shown in FIG. 2b, but now stretched by a factor of 250 due to the downstream driver stage 220.
  • the transmission behavior shown in accordance with FIGS. 2a, 2b and 2c essentially corresponds to the known sensor controls for air cleaning devices with ionizers.
  • the invention proposes the construction of a closed control loop in which the effects of the pollutant concentration and air ionization on the part of the ionizer are appropriately superimposed and compensated for on the pollutant sensor.
  • a block diagram for the signal flow of a control loop closed in this way is shown in FIG. 5a and is explained further below.
  • FIG. 3a In order to analyze individual components of the control loop, a block diagram for the transmission behavior of an open control loop with a step function of the pollutant concentration is first shown in FIG. 3a. According to its basic structure, the open control circuit according to FIG.
  • 3a consists of a controller 340, a subsequent driver stage 320 and the following ionizer 330.
  • the effects of the ionizer 330 and the pollutants contained in the air flow should now overlap at the entrance of the gas sensor 310 , This circumstance is modeled in the block diagram according to FIG. 3a by the summation point 303, to which both a step function of the pollutant concentration 301 and via the
  • Transmission path 332 acts on the ionizer 330.
  • the parameters of the gas sensor 310 are identical to the parameters given in FIG. Since only the behavior of the gas sensor in the case of a step function of the pollutant concentration is initially to be considered in isolation according to FIG.
  • FIG. 3b shows the response function at output 350 with a step amplitude 1. Since an open control loop was assumed in accordance with FIG. 3a, the response function in accordance with FIG. 3b results exclusively from the abrupt change in the pollutant concentration and thus corresponds to the response function in accordance with FIG.
  • Fig. 4a shows a block diagram for the
  • the open control loop again consists of a controller 440, a driver stage 420, an ionizer 430 and a gas sensor 410.
  • the ionizer 430 acts at the summation point 403 without any additional influence on the part of the Pollutant concentration, which is now kept constant in the air flow supplied to the ionizer.
  • the summation point 405, on which the step function 404 acts was inserted between the controller 440 and the driver stage 420.
  • the parameters of the blocks 411, 412, 413 of the gas sensor 410 are identical to the parameters of the gas sensor 110 according to FIG.
  • the parameters of blocks 421, 422 of driver stage 420 are identical to the parameters of driver stage 220 according to FIG. 2a.
  • the ionizer 430 was modeled by a simple P-link 431 with the following parameter:
  • the output of the ionizer acts directly on the summation point 403 via the path 432 without any delay. It was assumed here that the gas sensor 410 is arranged in the immediate vicinity of the ionizer 430. If there is a greater distance between ionizer 430 and gas sensor 410, a dead time element must be inserted on route 432, for example.
  • the transmission behavior of the P-element of the 431 thus corresponds to a translation of the change in high voltage present at the output of the driver stage 420 into a change in the pollutant concentration to be measured by the gas sensor 410.
  • FIG. 4b shows the response function at output 450 with a step amplitude of 1.
  • An increase in the input voltage at driver stage 420 by 1 volt thus results in a decrease in the output voltage of the gas sensor of likewise 1 volt, the time function again here results from the transmission behavior of the two PTI elements 412, 413.
  • the opposite behavior can be explained by the fact that an increase in the ionization capacity is accompanied by a decrease in pollutants in the air flow. Accordingly, Fig. 4c shows the
  • FIGS. 3a, 3b and 4a, 4b, 4c show how the arrangement of the gas sensor according to the invention in relation to the air flow and in relation to the ionizer can be determined in a simple manner can be.
  • 3b shows the output signal of the gas sensor with an open control loop due to a change in the pollutant concentration in the air flow. Due to this change, the output signal at the gas sensor increases from 0 V to 1 V.
  • FIG. 4b shows the output signal of the gas sensor with an open control loop when there is a change in the ionization energy and at the same time a constant pollutant concentration in the air flow supplied to the ionizer.
  • the output signal of the gas sensor 450 changes in this case from 0 V to -1 V when the voltage at the input of the driver stage is increased by 1 V.
  • the arrangement of the gas sensor simulated in this case in relation to the air flow and in relation to the ionizer corresponds exactly to the desired effect that the change in the output signal of the gas sensor shown in FIG. 3b can be compensated for by a corresponding change in the ionization energy according to FIG. 4b.
  • corresponding tests to FIGS. 3a and 4a can be carried out in order to verify the said compensation effect on the open control loop.
  • 5a shows a block diagram for the basic signal flow of the closed control loop.
  • the closed control loop consists of the control loop elements already described above, i.e. a gas sensor 510, a controller 540, a driver stage 520 and an ionizer 530.
  • the driver stage 520 in turn consists of a voltage source 525, a pulse width modulator 526, a resonator 527 and a high voltage transformer 528.
  • a DC voltage supplied by the voltage source 525 is converted by the pulse width modulator 526 into pulses with a pulse width ratio specified by the controller 540 and one by a clock generator (not shown further) with a specified clock rate.
  • a direct voltage which is proportional to the pulse width ratio results and is fed to a resonator 527.
  • the resonator 527 is connected to the subsequent high-voltage transformer 528 in such a way that, on the one hand, it vibrates automatically when a DC voltage is fed in at a working frequency in the range from approx.
  • the air 500 to be cleaned flows around the ionizer 530, the gas sensor 510 being arranged on the flow side behind the ionization tube 530. In the case of a closed control loop, the air flow can optionally be partially or completely returned by recirculation mode.
  • the gas sensor 510 supplies its output signal to the controller 540, which performs a setpoint / actual value comparison on the basis of the setpoint 547 and sets the pulse width ratio of the pulse width modulator 526 in accordance with the underlying control algorithm.
  • Fig. 5b shows a block diagram for the
  • the closed control loop according to Fig. 5b goes from the open loop shown in FIG. 3a characterized 'indicates that the output signal of the gas sensor 550 is fed back via branch 514 to the controller 540th
  • the blocks of the gas sensor 510, the driver stage 520 and the ionizer 530 with the associated parameters are identical to the specified parameters of the gas sensor 310 according to FIG. 3a or the driver stage 420 and the ionizer 430 according to FIG. 4a, so that in this respect to the Description can be made according to FIG. 3a and FIG. 4a.
  • controller 540 The structure of controller 540 will now be described in detail.
  • the setpoint 547 is fed to the subtraction point 546 in the controller.
  • the control difference determined in this way reaches the subsequent PID controller via P-element 541.
  • the PID controller in turn consists of a P-element 542, a DTI-element 543 and an I-element 544, the outputs of which are combined with the summation point 545 to form the output 551.
  • Output 551 provides the manipulated variable that serves as the input for driver stage 520.
  • the parameters of controller 540 were defined as follows:
  • time constant 2 s
  • step function 501 which corresponds to a step change in the pollutant concentration in the air flow.
  • step function 501 corresponds to a step change in the pollutant concentration in the air flow.
  • 5c shows the response functions at the outputs 550 and 551 with a step amplitude of 1.
  • the control loop is able to return the output signal 550 to the setpoint 547.
  • the output signal After increasing the output signal to approx. 0.25, the output signal reaches after approx. 40 seconds back to its original value and then approaches the setpoint again with a small overshoot within a further 40 seconds.
  • the output variable 551 of the controller 540 ensures that the driver stage 520 is supplied with a sufficient input value so that the change in the pollutant concentration that has occurred can be compensated for at the summation point 503.
  • the manipulated variable 551 has reached its maximum value and from there approaches the final value of 1.0 / what an input voltage of 1.0 V at the input of
  • Driver level 520 corresponds. It can be seen from FIG. 5c that the settling behavior of the closed control loop is essentially determined by the time behavior of the gas sensor 510, provided there are no additional ones on the path 532 between the ionizer 530 and the gas sensor 510
  • the time constant of the gas sensor can be determined using an arrangement as shown in FIG.
  • the time constant of the recorded step function 150 corresponds approximately to the time in which the step function 150 has reached the value (1 - 1 / e) if it is assumed that the entire transmission behavior of the gas sensor is approximated by a single PTI element.
  • a secondary condition can be set up for this delay time in order to
  • the delay time of the output signal of the gas sensor with an open control loop and with a constant pollutant concentration changes the ionization energy should be below the time constant of the gas sensor defined above.
  • the time constant of the gas sensor 510 can be determined from the time function according to FIG. 1b to be approximately 20 seconds. To optimize the timing of the
  • the gas sensor should therefore meet the additional constraint with regard to the air flow and with regard to the ionizer, that the delay time of the section 532 is also less than 20 seconds.
  • this secondary condition can be easily met by arranging the gas sensor appropriately close to the ionizer.
  • Fig. 6a shows a block diagram for the transmission behavior of a closed control loop with a step function of the setpoint and a subsequent step function of the pollutant concentration.
  • the block diagram according to FIG. 6a differs from the block diagram according to FIG. 5b only in that a step function 648 is now present as the setpoint and that the abrupt change in the pollutant concentration 601 only takes place after a certain dead time 602. 100 s were assumed as parameters for the dead time. Otherwise, the block diagram according to FIG. 6a corresponds to the block diagram according to FIG. 5b, so that reference can be made to the description there with regard to the other components.
  • the closed control circuit according to FIG. 6a is therefore initially subjected to a change in the setpoint 648 and is additionally subjected to a change in the pollutant concentration 601 after the dead time 602.
  • 6b shows the corresponding response functions at outputs 650 and 651.
  • the dashed line at value 2 also indicates the limit that the Limitation of driver stage 620, taking into account the transfer coefficient of P-element 621.
  • the sudden increase in the setpoint 648 initially causes a large manipulated variable 651 due to the differential component 643 of the controller 640. After 60 seconds, the control loop has then settled to the new setpoint, so that the output signal with the value -1.0 at the output 650 of the gas sensor is applied. After 100 seconds there is then an additional activation of the abrupt change in the pollutant concentration, whereupon the manipulated variable 651 rises again in order to keep the output signal 650 of the gas sensor at the value -1 this time.
  • the interpretation of areas 623 and 624 is instructive here
  • driver stage 620 cannot pass the controlled variables above the value 2.0 or below the value -2.0 to the ionizer 630. As already mentioned above, it therefore makes sense to provide additional measures in these areas in order to provide a higher ionization capacity, for example by switching on an additional blower and / or by switching on further ionizers.
  • Fig. 7 shows the sensitivity characteristic of a tin dioxide gas sensor.
  • the relative air resistance-related change in resistance of the tin dioxide element is plotted as a function of the pollutant concentration of various pollutants.
  • line 701 shows, the tin dioxide gas sensor is insensitive to air or
  • FIG. 8 shows a perspective view of an air cleaning device according to the invention.
  • Air cleaning device 801 is designed as a tabletop device with a base 802 and a cover 803.
  • An ionization tube 804, which is constructed in the manner described above, is attached to the base as an ionizer.
  • a gas sensor 805, which according to the invention is arranged in relation to the ionizer 804 in such a way that, with an open control loop, a change in the output signal of the gas sensor due to a sudden change in the pollutant concentration in the air supplied by the air flow due to a change in the ionization energy is compensable.
  • the air flow enters and exits the housing through the air slots 806 embedded in the cover 803.
  • a suitable fan can additionally be provided on the base 802 or outside the device.
  • An LED display 807, an operating potentiometer 808 and an electrical supply line 809 are provided on the edge of the base for operating the device.
  • FIG. 9 shows a block diagram of the air cleaning device according to the invention according to FIG. 8.
  • the calibration operation is described in which the gas sensor is calibrated to a predetermined pollutant concentration.
  • This calibration is generally necessary because standard gas sensors have different characteristics and would cause different control loop behavior.
  • tin dioxide gas sensors it was observed that the relative change in the output signal of the gas sensor is approximately constant when the gas concentration changes and that only an absolute shift in the output signal can be observed between different gas sensors for a given gas concentration.
  • the fact that the sensor is only operated in a small working area in the control according to the invention can be exploited, so that the sensor characteristic curve can be linearized around this working area once the working point has been calibrated.
  • the changeover switch 901 is first set to position 1, so that the ionization tube 904 is not subjected to ionization power. Instead, the control deviation is fed to the calibration element 912. A constant pollutant concentration is then introduced into the air flow 906, which concentration corresponds to "clean air” and thus to the desired setpoint as a function of the respective application.
  • the operating potentiometer 808 is brought into the desired setpoint position, so that the setpoint 908 set thereby is applied to the comparison point 909. If the calibration has not yet taken place, a control deviation 910 will then be observed at the output of the comparison element.
  • the addition element 911 and the calibration element 912 are now additionally provided for calibration.
  • the calibration element 912 receives the control deviation 910 as input from the changeover switch 901 and thereupon increases or decreases the output voltage 913 in such a way that the control deviation 910 becomes zero.
  • the voltage value 913 determined in this way can, for example, be stored in a memory so that it is still available even after a power failure. This type of calibration can be repeated several times, if necessary changing pollutant concentrations 906 can be taken into account.
  • controller 902 receives the control deviation 910 as an input variable.
  • the driver stage 903 supplies the ionization tube 904 with ionization power.
  • the control algorithm of controller 902 corresponds to one
  • the control deviation 910 remains unchanged at zero, so that the controller does not take any action. If the pollutant concentration 906 now increases, this increase in the pollutant concentration is detected by the gas sensor 905, which results in an increase in the control difference 910. Depending on the control algorithm, the controller 902 then increases the manipulated variable 914, so that a greater ionization power is applied to the ionization tube 904 via the driver stage 903. This process continues until, according to the invention, the output signal of the gas sensor 905 is returned to its original value due to the increased ionization power and the control difference 910 thus becomes zero again. The corresponding mode of operation is obtained if, conversely, the pollutant concentration 906 is reduced again.
  • the display 907 is used by the user to check the manipulated variable 914.
  • Large manipulated variables indicate a large one Ionization performance and thus to a highly polluted air, while low manipulated variables correspond to the pollutant loads specified during the calibration operation.
  • the display 907 has been realized by an LED display 807.
  • step 1001 there is first a comparison between the setpoint value and the delivered measured value of the gas sensor, which, if necessary, has been corrected by a calibration value as explained above.
  • steps 1002 and 1003 it is then first checked whether there is a positive or a negative control difference. If this is the case, a wait timer is started in steps 1004 and 1005, which is used to suppress
  • step 1006 or 1007 it is then checked whether the control difference is still present. If this is the case, the manipulated variable 914 is increased or decreased.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftreinigungsgerät zur Verminderung von Schadstoffen in der Luft mit einem Ionisator (904), der einer Luftströmung (906) ausgesetzt ist und der seitens einer Treiberstufe (903) mit Ionisationsleistung zur Ionisierung der durch die Luftströmung zugeführten Luft beaufschlagbar ist, und mit einem Gassensor (905) zur Messung von Schadstoffkonzentrationen. Um ein Luftreinigungsgerät zu schaffen, das eine bedarfsgerechte Luftreinigung auch dann ermöglicht, wenn sich die Schadstoffkonzentrationen schnell ändern und/oder Extremwerte annehmen, ist vorgesehen, dass die Treiberstufe (903), der Ionisator (904) und der Gassensor (905) mit einem Regler (902) in einem geschlossenen Regelkreis derart zusammenwirken, dass das Ausgangssignal des Gassensors (905) einem vorgegebenen Sollwert im wesentlichen entspricht.

Description

Luf reinigungsgerät
Die Erfindung betrifft ein Luftreinigungsgerät zur Verminderung von Schadstoffen in der Luft mit einem Ionisator, der einer Luftströmung ausgesetzt ist und der seitens einer Treiberstufe mit Ionisationsleistung beaufschlagbar ist, wobei die durch die Luftströmung zugeführte Luft in Abhängigkeit von der Ionisationsleistung ionisierbar ist, und mit "einem Gassensor zur Messung von Schadstoffkonzentrationen.
Es ist grundsätzlich bekannt, mit so genannten Ionisatoren Raum- oder Atemluft zur Verminderung von Schadstoffen zu behandeln. Schadstoffe bzw. Geruchsstoffe bilden meist komplexe und große Moleküle, die durch den Ionisator in kleinmolekulare Fragmente aufgespalten werden. Gleichzeitig bilden sich durch die Ionisation Radikale und hier insbesondere Sauerstoff adikale, die dann mit den aufgespaltenen Fragmenten oxidieren können. Der Ionisator basiert dabei auf einer kontrollierten Gasentladung, die zwischen zwei Elektroden und einem dazwischen liegenden Dielektrikum stattfindet. Die Gasentladung stellt eine Barriereentladung dar, wobei das Dielektrikum als dielektrische Barriere wirkt. Hierdurch werden zeitlich begrenzte Einzelentladungen erreicht, die vorzugsweise homogen über die gesamte Elektrodenfläche verteilt sind. Charakteristisch für diese Barriereentladungen ist, dass der Übergang in eine thermische Bogenentladung durch die dielektrische Barriere verhindert wird. Die Entladung bricht ab, bevor die bei der Zündung entstehenden hochenergetischen Elektronen (1 - 10 eV) durch
Thermalisierung ihre Energie an das umgebene Gas abgeben.
Insbesondere für den Haushaltsbereich sind bereits verschiedene Anwendungen für ein derartiges
Luftreinigungsgerät vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist es aus DE 198 10 497 AI bekannt, ein derartiges Luftreinigungsgerät in einer Toilette zur Beseitigung von Gerüchen vorzusehen. Hierzu leiten geeignete Absaugvorrichtungen mit Luftführungen am oberen Spülrand des WC Beckens oder in einem Hohlkanal im Toilettensitz die belastete Luft zu dem Ionisator, um eine Verminderung der Geruchsbelästigung zu erreichen.
Ein Problem beim Betreiben des Ionisators ist die
Ansteuerung des Ionisators mit einer bedarfsgerechten Ionisationsleistung. Wird der Ionisator mit zu wenig Ionisationsleistung beaufschlagt, erfolgt eine unbefriedigend niedrige Ionisation, während bei zu hoher Ionisation mitunter zu viel Ionen und Radikale freigesetzt werden, die beim Benutzer den Eindruck des Geruchs eines scharfen Ätz- bzw. Säuberungsmittels hinterlassen. In diesem Betriebszustand kommt es neben der Bildung von Ionen auch zur Produktion von Ozon, dessen Überproduktion ebenfalls unerwünscht ist.
Zur Lösung dieses Problems beschreibt WO 98/26482 eine Luftreinigungsvorrichtung mit einem Ionisator, dessen VersorgungsSpannung über einen Gassensor gesteuert wird. Bei dem Gassensor handelt es sich dabei um einen
Metalloxid-Halbleiter-Sensor, dessen Widerstand mit zunehmender Konzentration bestimmter Gase (in der Regel oxidierbare Gase oder Dämpfe, beispielsweise Schwefelwasserstoff, Wasserstoff, Ammoniak, Äthanol oder Kohlenmonoxid) abnimmt. Die Widerstandsänderung ist somit ein Maß für die Belastung der Luft mit bestimmten Schadstoffen. Gemäß WO 98/26482 wird die Ionisationsleistung, mit der der Ionisator beaufschlagt wird, sensorgesteuert mit zunehmender Schadstoffkonzentration bis zu einem Maximumwert gesteigert. Dies bedeutet also, dass bei einer von dem Gassensor gemessenen niedrigen Schadstoffkonzentration der Ionisator mit einer entsprechend niedrigen Ionisationsleistung beaufschlagt wird, während bei einer von dem Gassensor gemessenen hohen Schadstoffkonzentration der Ionisator auch mit einer entsprechend hohen Ionisationsleistung angesteuert wird. Zur Ergänzung dieser Sensorsteuerung beschreibt WO 98/26482 außerdem den Einsatz eines zusätzlichen Ionisationssensors und/oder Ozonsensors. Da der Luftgütesensor bei der Sensorsteuerung voraussetzungsgemäß die Schadstoffkonzentration der zugeführten Luft misst und damit strömungstechnisch vor dem Ionisator angeordnet ist, dienen der zusätzliche Ionisationssenor und/oder Ozonsensor dazu, eine immer noch unerwünschte Ozonkonzentration in der gereinigten Luft festzustellen, um daraufhin gegebenenfalls die Ionisationsleistung entsprechen zu korrigieren.
Eine der WO 98/26482 entsprechende Sensorsteuerung ist auch in DE 43 34 956 AI beschrieben. In DE 43 34 956 AI ist ein Zinndioxid-Gassensor vorgeschlagen, der die oxidierbaren Raumluf bestandteile detektiert. Wenn dieser Gassensor eine größere Raumbelastung feststellt, dann wird der Ionisator auch mit einer höheren Ionisationsleistung angesteuert. Zusätzlich wird der Einsatz eines Feuchtesensors und eines Strömungssensors vorgeschlagen, um die Ionisationsleistung auch dann zu erhöhen, wenn eine größere Luftmenge oder eine größere Luftfeuchte gemessen wird. Ein Nachteil der bekannten Steuerungsverf hren aus WO 98/26482 und DE 43 34 956 AI ist die Tatsache, dass die verwendeten Gassensoren einen begrenzten Messbereich und zusätzlich eine verhältnismäßig langsame Reaktionszeit haben. Der begrenzte Messbereich führt dazu, dass eine Sensorsteuerung der lonisationsleistung in den Randbereichen des Messbereichs nicht möglich ist. Befindet sich die Schadstoffkonzentration beispielsweise unterhalb des niedrigsten Messwertes des Gassensors, so wird der Ionisator entweder abgeschaltet oder wird auf einem vorgegebenen Minimalwert der lonisationsleistung weiter betrieben. Bei sich schnell ändernden
Schadstoffkonzentrationen führt die langsame Reaktionszeit des Sensors außerdem dazu, dass die bedarfsgerechte Ansteuerung des Ionisators erst nach einer gewissen
Verzögerung erfolgt. Diese Verzögerung ist beispielsweise bei der Beseitigung von Gerüchen in einer Toilette nachteilhaft, da gerade bei einer sprungförmigen Erhöhung der Geruchstoffe eine sofortige Beseitigung der Geruchstoffe durch den Ionisator erwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Luftreinigungsgerät zu schaffen, das eine bedarfsgerechte Luftreinigung auch dann ermöglicht, wenn sich Schadstoffkonzentrationen schnell ändern und/oder Extremwerte annehmen.
Diese Aufgabe wird durch ein Luftreinigungsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Verminderung von Schadstoffen mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Treiberstufe, der Ionisator und der Gassensor mit einem Regler in einem geschlossenen Regelkreis derart zusammenwirken, dass das Ausgangssignal des Gassensors einem vorgegebenen Sollwert im Wesentlichen entspricht . Während also nach dem Stand der Technik eine Sensorsteuerung vorgeschlagen wird, bei der die Sensorkennlinie in Abhängigkeit von der gemessenen Schadstoffkonzentration durchlaufen wird, beschreibt die Erfindung einen grundsätzlich anderen Weg. Gemäß der Erfindung wird der Gassensor lediglich in einem bestimmten Arbeitspunkt betrieben, der durch den Sollwert des Regelkreises vorgegeben ist. Der Gassensor liefert also als Ausgangssignal immer einen Wert, der im wesentlichen mit dem Sollwert übereinstimmt, während der Regler dafür verantwortlich ist, beim Ionisator gerade diejenige lonisationsleistung einzustellen, die den Ausgang des Gassensors auf dem besagten Sollwert hält.
Um dieses Ziel zu erreichen, muss allerdings eine gewisse Rückkopplung zwischen dem Gassensor und dem Ionisator vorhanden sein. Die Notwendigkeit dieser Rückkopplung sowie der Zusammenhang zwischen der Rückkopplung und der Anordnung des Gassensors in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator wurden allerdings im Stand der Technik bisher ebenfalls noch nicht erkannt. Die im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen des Gassensors beziehen sich lediglich auf Anordnungen, die strömungstechnisch vor dem Ionisator liegen, so dass die erfindungsgemäße Regelkreiswirkung nicht eintreten kann.
Demgegenüber beruht die Erfindung weiterhin auf der Erkenntnis, dass der Gassensor in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator derart angeordnet ist, dass bei offenem Regelkreis eine Änderung des' Ausgangssignals des Gassensors aufgrund einer sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration in der durch die Luftströmung zugeführten Luft durch eine Änderung der Ionisationsenergie kompensierbar ist, so dass das Ausgangssignal des Gassensors auf seinen Ursprungswert zurückführbar ist . Die Rückkopplung zwischen Ionisator und Gassensor muss durch die Anordnung des Gassensors in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator also so herbeigeführt werden, dass sich am Gassensor die Wirkung des Ionisators und die Wirkung der in der Luftströmung enthaltenen Schadstoffkonzentrationen überlagern können.
Ein offener Regelkreis im Sinne der Erfindung liegt dann vor, wenn eine elektrische Rückkopplung zwischen dem
Ausgangssignal des Gassensors und dem Regler unterbrochen ist .
Eine sprungförmige Änderung der Schadstoffkonzentration als Testfunktion für den offenen Regelkreis liegt im Sinne der Erfindung dann vor, wenn sich die Schadstoffkonzentration in der dem Ionisator durch die Luftströmung zugeführte Luft zu einem bestimmten Zeitpunkt von einem ersten konstanten Wert um eine bestimmte Sprunghöhe auf einen zweiten konstanten Wert ändert. Bei einer praktischen
Versuchsanordnung bedeutet dies, dass eine gegebenenfalls vorgesehene Umluft der Luftströmung unterbrochen werden muss, damit die Schadstoffkonzentration in der dem Ionisator zugeführten Luftströmung voraussetzungsgemäß vor und nach der sprungförmigen Änderung der
Schadstoffkonzentration konstant bleibt und nicht zusätzlich durch die vom Ionisator abgeführte Luftströmung beeinflusst wird.
Vorzugsweise werden bei der Sprungamplitude der sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration typische Änderungen der Schadstoffkonzentration zugrunde gelegt. Typische Änderungen der Schadstoffkonzentration in der Luftströmung können für den jeweiligen Anwendungsfall ermittelt werden, indem die zu erwartenden Änderungen der Schadstoffkonzentration ihrer voraussichtlichen Häufigkeit nach in einem Histogramm aufgetragen werden. Als typisch können beispielsweise alle Fälle angenommen werden, die innerhalb +/- 10 % eines Häufigkeitsmaximums liegen. Soll also beispielsweise in einem Raum das Luftreinigungsgerät den Geruch von auftretendem Zigarettenqualm vermindern, so wird als typische Änderung der Schadstoffkonzentration die zu erwartende Luftbelastung durch Zigarettenqualm gegenüber einer normalen Luftbelastung zugrunde geleg . Erfindungsgemäß muss nunmehr der Gassensor in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator derart angeordnet sein, dass die besagte Änderung der Schadstoffkonzentration in der Luftströmung durch eine Änderung der Ionisationsenergie wieder kompensierbar ist, so dass das Ausgangssignal des Gassensors auf seinen
Ursprungswert zurückführbar ist, der in dem Beispielsfall dem Ursprungswert der normalen Luftbelastung entspricht. Je größer also der zu erwartende Einfluss der Änderung der Schadstoffkonzentration ist, desto näher muss auch der Gassensor an dem Ionisator angeordnet sein. Sind dagegen nur kleine Änderungen der Schadstoffkonzentration zu erwarten, so sollte der Gassensor nicht zu nahe an den Ionisator angeordnet sein, da ansonsten das Ausgangssignal des Gassensors leicht in die Begrenzung kommen kann. In jedem Fall muss der Gassensor aber einen bestimmten Mindestabstand zum Ionisator einhalten, damit die Rückkopplung zwischen Ionisator und Gassensor nicht aus, um die auftretenden Änderungen der Schadstoffkonzentration zu kompensieren und damit das Ausgangssignal erfindungsgemäß im Bereich eines vorgegebenen Sollwertes zu halten.
Eine weitere Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass als Messglied der Regelschleife handelsübliche Gassensoren zur Messung von Schadstoffkonzentrationen verwendet werden können. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise bereits eine für den Menschen störende Überproduktion von Ozon durch den Ionisator vermieden werden kann, so dass die ansonsten hierfür verwendeten Ionisationssensoren oder Ozonsensoren nicht unbedingt benötigt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verminderung von Schadstoffen in der Luft wird mit dem erfindungsgemäßen Luftreinigungsgerät der Sollwert auf eine bestimmte Schadstoffkonzentration eingestellt, dem Ionisator schadstoffhaltige Luft zugeführt und Schadstoff verminderte Luft vom Ionisator abgeführt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die abgeführte Luft im Umluftbetrieb ganz oder teilweise dem Ionisator wieder zugeführt wird, um den Wirkungsgrad der Luftreinigung zu erhöhen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wirkungsweise des Luftreinigungsgerätes durch den Messbereich des Gassensors nicht grundsätzlich begrenzt ist. Da der Gassensor er indungsgemäß in einem durch den Sollwert vorgegebenen Arbeitspunkt betrieben wird, können auch Änderungen der Schadstoffkonzentration durch das Luftreinigungsgerät behandelt werden, die über den Messbereich des Gassensors hinausgehen. Im Falle einer herkömmlichen Sensorsteuerung würde das Ausgangssignal des Gassensors demgegenüber in die Begrenzung laufen und würde damit auch die Ansteuerung des Ionisators bzw. der Treiberstufe begrenzen. Die Begrenzungen des Luftreinigungsgerätes sind demnach vom Prinzip her nur durch die Begrenzung der lonisationsleistung bedingt. Durch entsprechende Maßnahmen kann allerdings die lonisationsleistung zusätzlich gesteigert werden, wie beispielsweise durch das Zuschalten weiterer Ionisatoren und/oder Gebläse zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung. Dem erfindungsgemäßen Luftreinigungsgerät eröffnet sich damit ein weites Feld möglicher Anwendungen vom Haushaltsbereich bis zur industriellen Reinigung großer Luft engen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine entsprechende Auslegung des Reglers ein Einschwingverhalten des geschlossenen Regelkreises ermöglicht, dessen Einschwingzeit unter der Zeitkonstante des Gassensors liegt. Dies kann beispielsweise durch einen differenziellen Anteil im Regler erreicht werden, wodurch bereits bei kleinen Änderungen des Ausgangssignals des Gassensors große Stellgrößen an der Treiberstufe hervorgerufen werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Treiberstufe einen Hochspannungstransformator umfasst, an dessen Sekundärseite eine oszillierende Hochspannung erzeugbar ist. Die dem Ionisator zugeführte lonisationsleistung ist vor allem durch den Scheitelwert der oszillierenden Hochspannung und/oder durch das Pulsen der oszillierenden Hochspannung beeinflussbar. Vorzugsweise umfasst die Treiberstufe eine Schaltung zur Pulsweitenmodulation, mit der der
Hochspannungstransformator primärseitig ansteuerbar und der Scheitelwert und/oder das Pulsverhältnis der sekundärseitig oszillierenden Hochspannung einstellbar ist. Bei einer Reihenschaltung bestehend aus Hochspannungstransformator und Resonator, der eingangsseitig mit einer Gleichspannung gespeist wird, kann das pulsweitenmodulierte Signal gleichgerichtet und dem Eingang des Resonators zugeführt werden. Der Resonator liefert wiederum eine oszillierende Spannung an die Primärseite des
Hochspannungstransformators, so dass der Scheitelwert an der Sekundärseite des Hochspannungstransformators damit proportional zum Pulsweitenverhältnis ist. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die an der Sekundärseite abgegebene Hochspannung gepulst wird. Dies bedeutet, dass der Ionisator nur mit einer bestimmten Anzahl von Vollwellen beaufschlagt wird, bevor dann die oszillierende Hochspannung wieder unterbrochen wird. Die damit im Mittel zugeführte lonisationsleistung ist ebenfalls proportional zum Pulsweitenverhältnis. Das Pulsweitenverhältnis kann aus dem gleichen
Pulsweitenmodulationssignal gewonnen werden, das am Eingang des Resonators anliegt, oder aber es wird für diesen Zweck ein weiteres Pulsweitenmodulationssignal erzeugt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die sekundärseitig oszillierende Hochspannung mit einem Scheitelwert im Bereich von 1 kV bis 10 kV und mit einer Frequenz im- Bereich von 10 kHz bis 50 kHz einstellbar ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Ionisator aus einem Glasrohr, dessen Innenwandung mit einem Lochblech als erste Elektrode ausgekleidet ist und dessen Außenwandung mit einem Drahtgewebe als zweite Elektrode umgeben ist, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode die oszillierende Hochspannung der Treiberstufe anliegt. Um eine Entkeimung oder Reinigung des die Ionisationsröhre umströmenden Gases zu erreichen, wird der Hochspannungstransformator derart- angesteuert, dass bei einer Gasentladung Radikale, vorzugsweise Sauerstoffradikale, erzeugt werden. Der Hochspannungstransformator wird dabei üblicherweise mit einer WechselSpannung im Bereich von -ca; 10 kHz bis 50 kHz, vorzugsweise im Bereich von 15 kHz bis 30 kHz, bei einem Scheitelwert von 1 bis 10 kV betrieben. Wird eine derartige Ionisationsröhre mit einem Gas umströmt, findet somit eine Gasentladung statt, die eine Ionisation des umströmenden Gases zur Folge hat. Die Gasentladung stellt eine Barrierenentladung dar, die durch das als dielektrische Barriere wirkende Glasrohr stattfindet. Hierdurch werden zeitlich begrenzte Einzelentladungen erreicht, die homogen über die gesamte Elektrodenfläche verteilt sind. Charakteristisch für diese Barrierenentladungen ist, dass der Übergang in eine thermische Bogenentladung durch die dielektrische Barriere verhindert wird. Die Entladung bricht ab, bevor die bei der Zündung entstehenden hochenergetischen Elektronen (1 - 10 eV) durch Thermalisierung ihre Energie an das umgebende Gas abgeben. Alternativ ist selbstverständlich jede andere Form des Ionisators denkbar, wie beispielsweise eine plattenfδrmige Anordnung oder auch Kombinationen von Röhrenanordnung und plattenförmiger Anordnung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass der Gassensor aus einem Metalloxidsensor besteht, dessen Widerstand sich bei Reaktionen mit Gasen verändert. Das Metalloxid ist dabei auf einem Substrat aufgebracht, das mit einem Heizelement auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Vorzugsweise wird dabei ein Gassensor verwendet, der keine WiderStandsänderung gegenüber sich ändernder Sauerstoffkonzentration in der Luft zeigt. Es hat sich gezeigt, dass mit derartigen Gassensoren eine besonders zuverlässige Regelung der Schadstoffkonzentration möglich ist. Das Metalloxid kann dabei beispielsweise aus Zinndioxid bestehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lufteintrittsδffnung des Gassensors in Bezug auf die den Ionisator umströmende Luft einen Abstand von ca. 0,5 cm bis 5,0 cm, vorzugsweise ca. 1,0 cm bis 2,0 cm von der Oberfläche des Ionisators aufweist. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Abständen üblicherweise der Aussteuerungsbereich des Gassensors mit dem Aussteuerungsbereich des Ionisators und dem Wertebereich üblicher Schadstoffkonzentrationen in Einklang gebracht werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sollwert am Gerät manuell einstellbar ist. Der Bediener hat damit die Möglichkeit, bei normaler Schadstoffkonzentration der Luft eine für ihn angenehme Betriebsweise des Gerätes vorzugeben. Besonders vorzugsweise ist die Anordnung des Gassensors dabei derart gewählt, dass der vorgegebene Sollwert einem mittleren Bereich bezogen auf den gesamten Aussteuerungsbe eich des Ausgangssignals des Gassensors entspricht. Da nämlich erfindungsgemäß der Regelkreis dafür sorgt, dass die von dem Gassensor gemessene Schadstoffkonzentration dem Sollwert im wesentlichen entspricht, wird der Gassensor damit in einem Bereich betrieben, der eine maximale Aussteuerbarkeit beim Einschwingungsvorgang des geschlossenen Regelkreises ermöglicht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Luftströmung durch Konvektion erzeugt wird, die bei kleinen Hausgeräten beispielsweise von der Erwärmung zugeführten Luft an den elektrischen Bauteilen des Gerätes her rühren kann.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein Lüfter zur .Erzeugung der Luftströmung vorgesehen. Es wurde erkannt, dass die Luftströmung ebenfalls einen Einfluss auf die Arbeitsweise des Regelkreises haben kann. Befindet sich der Gassensor beispielsweise strömungsseitig vor dem Ionisator, so ist die Kopplung zwischen Ionisator und Gassensor bei gleichem Abstand des Gassensors zur Oberfläche des Ionisators geringer im Vergleich, zu einer Anordnung, bei der der Gassensor stromungsseitig hinter dem Ionisator angeordnet ist .
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist deshalb vorgesehen, dass ein Zusatzregler die
Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung zusätzlich derart regelt, dass das Ausgangssignal des Gassensors einem vorgegebenen Sollwert im Wesentlichen entspricht. Insbesondere hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass der Zusatzregler zugeschaltet wird, sobald in dem
Regelkreis bestehend aus Ionisator, Treiberstufe, Gassensor und Regler eine Begrenzung auftritt. Der Zusatzregler muss in diesem Fall derart wirken, dass die aufgetretene Begrenzung sinnvoll ausgeglichen werden kann.
Die Wirkungsweise des Regelkreises hängt selbstverständlich in hohem Maße davon ab, welcher Reglertyp eingesetzt wird. Ist das Übertragungsverhalten der übrigen Regelkreisglieder, also des Ionisators, der Treiberstufe und des Gassensors, durch geeignete Identifikationsmethoden ermittelt worden, kann der Reglerentwurf grundsätzlich nach den zur Verfügung stehenden Methoden der Regelungstechnik erfolgen. Als klassische Regelkreisglieder bieten sich zunächst ein P-Regler, ein PI-Regler oder PID-Regler an. Den einfachsten Fall stellt der P-Regler dar, der allerdings prinzipiell eine Regeldifferenz zwischen dem vorgegebenen Sollwert und der von dem Gassensor gemessenen Schadstoffkonzentration benötigt, um eine Stellgröße abgeben zu können. Wird der Verstärkungsfaktor des P- Reglers allerdings hoch genug gewählt, so kann die Regeldifferenz vernachlässigt werden. Ein hoher Verstärkungsfaktor des P-Reglers ist allerdings nur zulässig, soweit noch ein ausreichender Signal/Rausch- Abstand am Ausgangssignal des Gassensors vorliegt. Sollte der Signal/Rausch-Abstand am Ausgangssignal des Gassensors für die Verwendung eines P-Reglers dagegen nicht mehr ausreichen, so bietet sich die Verwendung eines PI-Reglers an. Durch sein integratives Verhalten ist der PI-Regler in der Lage, eine bleibende Stellgröße auch bei einer verschwindenden Regeldifferenz zu liefern. Somit kann also bei Verwendung eines PI-Reglers grundsätzlich das Verschwinden der Regeldifferenz bei eingeschwungenem Regelkreis erreicht werden. Um das Einschwingverhalten des Regelreises zu beschleunigen, wird dem PI-Regler üblicherweise ein Di ferenzialglied hinzugefügt, wodurch ein PID-Regler entsteht. Das Differentialverhalten des PID- Reglers kann dazu führen, dass bei schnellen Änderungen der Schadstoffkonzentration oder des Sollwertes Begrenzungen in den Regelkreisgliedern auftauchen. In diesem Fall ist es von Vorteil, die oben erwähnte Zuschaltung eines
Zusatzreglers für die Strömungsgeschwindigeit vorzusehen. Kommt der Ionisator also mit seiner lonisationsleistung an die obere Begrenzung, so kann der Zusatzregler stattdessen eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung vorsehen.
Neben den klassischen Reglertypen P-Regler, PI-Regler und PID-Regler können selbstverständlich auch andere Regler vorgesehen werden, wie beispielsweise ein regelbasierender Fuzzy-Regler oder ein Zustandsregler. Ein regelbasierter Fuzzy-Regler oder auch ein Zustandsregler bieten sich insbesondere dann an, wenn durch den Regler neben der gemessenen Schadstoffkonzentration weitere Messgrδssen verarbeitet werden sollen. Grundsätzlich ist es nämlich denkbar, das Regelk eisverhalten durch zusätzliche
Sensoren, wie beispielsweise einen Feuchtesensor und/oder einen Ionisationssensor und/oder einen Ozonsensor zu verbessern. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Kalibrierelement den Gassensor auf den Sollwert kalibriert', wenn dem Gassensor eine dem Sollwert entsprechende Schadstoffkonzentration zugeführt wird. Vorzugsweise ist die dem Ionisator zugeführte
Ionisatonsenergie während der Kalibrierung des Gassensors ausgeschaltet, um störende Rückwirkungen des Ionisators im Kalibrierbetrieb zu vermeiden. Alternativ dazu kann der Ionisator aber auch im Kalibrierbetrieb mit einer vorgegebenen Dauerionisationsleistung angesteuert werden, mit der der Ionisator zur ständigen Aufrechterhaltung eines angenehmen Raumklimas mindestens betrieben werden soll .
Durch die Kalibrierung des Gassensors können die herstellungsbedingten Toleranzen eines Gassensors ausgeglichen werden. Bei Verwendung der oben erwähnten Zinndioxid-Gassensoren wurde beobachtet, dass die. Toleranzen sich im Wesentlichen in einer absoluten Verschiebung der Kennlinie auswirken, während die relative Änderung des Sensorsignals als Funktion der
Gaskonzentration näherungsweise bei allen Gassensoren gleich bleibt. In diesem Fall kann das Kalibrierelement aus einem einfachen Addierer bestehen, der im Kalibrierbetrieb eine entsprechende Spannung auf die AusgangsSpannung des Gassensors aufaddiert. Hierbei ist es zusätzlich erforderlich, dass während des Kalibrierbetriebes dem Gassensor eine Schadstoffkonzentration zugeführt wird, die von dem Nutzer als "saubere Luft" vorausgesetzt wird. Ziel ist.es, in dem Kalibrierbetrieb durch das Kalibrierelement diejenige Zusatzspannung zu ermitteln, die erforderlich ist, um die Regelabweichung näherungsweise zu Null werden zu lassen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1: ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines Gassensors mit einer Sprungfunktion als Eingang,
Fig. lb: die Antwortfunktion am Ausgang 150 mit einer Sprungamplitude von 1,
Fig. lc : die Antwortfunktion am Ausgang 150 mit einer Sprungamplitude von 2,5,
Fig. 2a: ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten einer Sensorsteuerung mit einer Sprungfunktion als Eingang,
Fig. 2b: die Antwortfunktion am Ausgang 250 mit einer Sprungamplitude von 1,
Fig. 2c : die Antwortfunktion am Ausgang 250 mit einer Sprungamplitude von 2,5,
Fig. 3a: ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines offenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion der Schadstoffkonzentration,
Fig. 3b: die Antwortfunktion am Ausgang 350 mit einer Sprungampiitude 1,
Fig. 4a: ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines offenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion der Ionisierungsleistung, Fig. 4b: die Antwortfunktion am Ausgang 450 mit einer Sprungamplitude von 1,
Fig. 4c : die Antwortfunktion am Ausgang 450 mit einer Sprungamplitude von -1,
Fig. 5a: ein Blockschaltbild für den Signalfluss eines geschlossenen Regelkreises,
Fig. 5b: ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines geschlossenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion der Schadstoffkonzentration,
Fig. 5c : die Antwortfunktionen an den Ausgängen 550 und 551 mit einer Sprungamplitude von 1,
Fig. 6a: ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines geschlossenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion des Sollwertes und einer darauf folgenden Sprungfunktion der
Schadstoffkonzentration,
Fig. 6b: die Antwortfunktionen an den Ausgängen 650 und 651 mit Sprungamplituden jeweils von 1,
Fig. 7: die Empfindlichkeitscharakteristik eines Zinndioxid-Gassensors,
Fig. 8: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Luftreinigungsgerätes,
Fig. 9: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Luftreinigungsgerätes gemäß Fig. 8 und Fig. 10: ein Flussdiagramm des Regel-Algorithmus des Reglers aus Fig. 9.
Fig. la zeigt ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines Gassensors mit einer Sprungfunktion als Eingang. Als Modell für das Übertragungsverhalten eines Gassensors 110 wurde demnach die Reihenschaltung von 2 PTl-Gliedern 111, 112 und einem Begrenzungsglied 113 angenommen. Als Eingangfunktion liegt eine sprungförmige Erhöhung der Schadstoffkonzentration 101 an, wobei die entsprechende Antwortfunktion am Ausgang 150 abgegriffen werden kann. Die folgenden Parameter wurden zugrunde gelegt :
PTl-Glieder 111,112: Zeitkonstante = 10,0s, Übertragungswert = 1,0.
Begrenzung 113: Obergrenze = 2,0, Untergrenze = - 2,0.
Es wurde somit angenommen, dass das Ausgangssignal des
Gassensors sich in einem Bereich von -2,0 Volt bis 2,0 Volt aussteuern lässt.
Fig. lb zeigt die Antwortfunktion am Ausgang 150 mit einer Sprungamplitude von 1. Auf eine Sprungfunktion der
Schadstoffkonzentration antwortet der Gassensor somit wie erwartet verzögert und nähert sich nach ca. 60 Sekunden exponentiel-1 der Sprungamplitude von 1 an.
Fig. lc zeigt die Antwortfunktion am Ausgang 150 mit einer Sprungamplitude von 2,5. Beim Erreichen des Wertes 2,0 wird die Begrenzung 113 wirksam, so dass die Antwortfunktion nach ca. 30 Sekunden beim Wert 2,0 konstant bleibt und sich der Sprungamplitude von 2,5 nicht weiter annähern kann. Fig. 2a zeigt ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten einer Sensorsteuerung mit einer Sprungfunktion als Eingang. Eine Sensorsteuerung nach dem Stand der Technik wie beispielsweise gemäß WO 98/26482 oder gemäß DE 43 34 956 AI besteht ihrem grundsätzlichen Aufbau nach aus einem Gassensor 210 mit einer nachfolgenden Treiberstufe 220. Der Gassensor 210 besteht wie in Fig. la aus 2 PTl-Gliedern 211, 212 und einer Begrenzung 213, wobei die Parameter ebenfalls denjenigen aus Fig. la entsprechen. Als Modell für die Treiberstufe 220 wurde ein P-Glied 221 mit einer nachgeschalteten Begrenzung 222 zugrunde gelegt. Als Parameter wurden angenommen:
P-Glied 221: Übertragungsbeiwert = 250,0
Begrenzer 222: Obergrenze = 500 V, Untergrenze -500,0 V.
Dies bedeutet, dass gemäß Fig. 2a die AusgangsSpannung des Gassensors 210 von der Treiberstufe 220 mit dem Faktor 250 in eine Hochspannung umgesetzt wird, wobei allerdings zur Vereinfachung die in der Praxis auftretenden Offsets nicht berücksichtigt wurden. Übliche Ausgangspannungen eines in einem Spannungsteiler verschalteten Gassensors liegen beispielsweise im Bereich von 1 V bis 5 V und werden durch die Treiberstufe in eine Hochspannung von beispielsweise 1000 V bis 2000 V übersetzt. Für das Modell des Regelkreises sind diese Offsets allerdings nicht weiter von Bedeutung und können bei Bedarf jederzeit auf einfache Weise hinzugefügt werden.
Zur Untersuchung des Übertragungsverhaltens der Sensorsteuerung gemäß Fig. 2a wurde wiederum angenommen, dass am Eingang eine sprungförmige Erhöhung der Schadstoffkonzentration 201 wirkt, die am Ausgang 250 der Treiberstufe 220 aufgenommen wird.
Fig. 2b zeigt die Antwor funktion am Ausgang 250 mit einer Sprungamplitude von 1. Um die Sprungamplitude in Fig. 2b ebenfalls darstellen zu können, wurde diese allerdings um den Faktor 250 vergrößert. Wie erwartet, zeigt sich gemäß Fig. 2b die gleiche Antwortfunktion wie in Fig. lb, nunmehr allerdings gestreckt um den Faktor 250 aufgrund der nachgeschalteten Treiberstufe 220.
Fig. 2c zeigt schließlich die Antwortfunktion am Ausgang 250 mit einer Sprungamplitude von 2,5, wobei aus Darstellungsgründen die Sprungamplitude wiederum um den Faktor 250 vergrößert wurde. Aufgrund der erhöhten
Sprungamplitude von 2,5 werden die Begrenzungen 213 bzw.
222 wirksam, so dass nach ca. 30 Sekunden die
Antwortfunktion gemäß Fig. 2c bei 500 V konstant bleibt.
Das dargestellte Übertragungsverhalten gemäß Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c entspricht im Wesentlichen den bekannten Sensorsteuerungen für Luftreinigungsgeräte mit Ionisatoren. Im Gegensatz dazu schlägt die Erfindung den Aufbau eines geschlossenen Regelkreises vor, bei dem sich am Schadstoffsensor die Wirkungen der Schadstoffkonzentration und der Luftionisation seitens des Ionisators in geeigneter Weise überlagern und kompensieren. Ein Blockschaltbild für den Signalfluss eines in dieser Weise geschlossenen Regelkreises ist in Fig. 5a dargestellt und wird weiter unten erläutert. Um einzelne Komponenten des Regelkreises zu analysieren, ist gemäß Fig. 3a zunächst ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines offenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion der Schadstoff onzentration dargestellt . Seinem grundsätzlichen Aufbau nach besteht der offene Regelkreis gemäß Fig. 3a aus einem Regler 340, einer nachfolgenden Treiberstufe 320 sowie dem darauf folgenden Ionisator 330. Erfindungsgemäß sollen sich nunmehr am Eingang des Gassensors 310 die Wirkungen des Ionisators 330 und der in der Luftströmung enthaltenen Schadstoffe überlagern. Die Modellbildung dieses Umstandes erfolgt in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 3a durch die Summationsstelle 303, auf die sowohl eine Sprungfunktion der Schadstoffkonzentration 301 sowie über die
Übertragungsstrecke 332 der Ionisator 330 einwirkt. Die Parameter des Gassensors 310 sind mit den in Fig. la angegebenen Parametern identisch. Da gemäß Fig. 3a zunächst nur das Verhalten des Gassensors bei einer Sprungfunktion der Schadstoffkonzentration isoliert betrachtet werden soll, sind die Parameter der übrigen Regelkreisglieder zunächst noch nicht von Bedeutung und werden daher in den folgenden Figuren erst an geeigneter Stelle erläutert.
Fig. 3b zeigt die Antwortfunktion am Ausgang 350 mit einer Sprungamplitude 1. Da gemäß Fig. 3a ein offener Regelkreis vorausgesetzt wurde, resultiert die Antwortfunktion gemäß Fig. 3b ausschließlich von der sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration und entspricht damit der Antwortfunktion gemäß Fig. lb.
Fig. 4a zeigt ein Blockschaltbild für das
Übertragungsverhalten eines offenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion der lonisationsleistung. Der offene Regelkreis besteht wie in Fig. 3a wiederum aus einem Regler 440, einer Treiberstufe 420, einem Ionisator 430 sowie einem Gassensor 410. An der Summatiorisstelle 403 wirkt in diesem Fall ausschließlich der Ionisator 430 ohne einen weiteren zusätzlichen Einfluss seitens der Schadstoffkonzentration, die nunmehr in der dem Ionisator zugeführten Luftströmung konstant gehalten wird.
Um eine Sprungfunktion der lonisationsleistung im Blockschaltbild gemäß Fig. 4a zu untersuchen, wurde zwischen dem Regler 440 und der Treiberstufe 420 die Summationsstelle 405 eingefügt, auf die die Sprungfunktion 404 einwirkt. Die Parameter der Blöcke 411, 412, 413 des Gassensors 410 sind identisch mit den Parametern des Gassensors 110 gemäß Fig. la. Weiterhin sind die Parameter der Blöcke 421, 422 der Treiberstufe 420 identisch mit den Parametern der Treiberstufe 220 gemäß Fig. 2a. Der Ionisator 430 wurde durch ein einfaches P-Glied 431 mit dem folgenden Parameter modelliert:
P-Glied 431: Übertragungsbeiwert = -0,004
Der Ausgang des Ionisators wirkt über die Strecke 432 direkt auf die Summationsstelle 403 ohne jegliche Verzögerung ein. Es wurde also hier angenommen, dass der Gassensor 410 in unmittelbarer Nähe zum Ionisator 430 angeordnet ist. Bei einem größeren Abstand zwischen Ionisator 430 und Gassensor 410 ist beispielsweise auf der Strecke 432 ein Totzeitglied einzufügen. Das Übertragungsverhalten des P-Glied des 431 entspricht damit einer Übersetzung der an dem Ausgang der Treiberstufe 420 anliegenden Änderung der Hochspannung in eine von dem Gassensor 410 zu messende Änderung der Schadstoffkonzentration.
Fig. 4b zeigt die Antwortfunktion am Ausgang 450 mit einer Sprungamplitude von 1. Eine Erhöhung der EingangsSpannung an der Treiberstufe 420 um 1 Volt resultiert damit in eine Erniedrigung der AusgangsSpannung des Gassensors von ebenfalls 1 Volt, wobei die Zeitfunktion sich hier wiederum aus dem Übertragungsverhalten der beiden PTl-Glieder 412, 413 ergibt. Das gegenläufige Verhalten ist dadurch zu erklären, dass eine Erhöhung der lonisationsleistung mit einer Verminderung von Schadstoffen in der Luftströmung einhergeht. Dementsprechend zeigt Fig. 4c die
Antwortfunktion am Ausgang 450 mit einer Sprungamplitude von -1. Hier ist ebenfalls ein gegenläufiges Verhalten festzustellen, da eine Erniedrigung der lonisationsleistung eine Erhöhung der Schadstoffkonzentration in der Luftströmung zur Folge hat .
Die Messungen am offenen Regelkreis gemäß Fig. 3a, Fig. 3b bzw. Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c zeigen auf, wie die erfindungsgemäße Anordnung des Gassensors in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator auf einfache Weise festgestellt werden kann. Fig. 3b zeigt das Ausgangssignal des Gassensors bei offenem Regelkreis aufgrund einer Änderung der Schadstoffkonzentration in der Luftströmung. Aufgrund dieser Änderung steigt das Ausgangssignal am Gassensor von 0 V auf 1 V.
Erfindungsgemäß muss nun der Gassensor in Bezug auf die ■ Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator derart angeordnet sein, dass diese Änderung durch eine Änderung der lonisationsenergie bei. offenem Regelkreis kompensierbar ist, so dass das Ausgangssignal des Gassensors auf seinen Ursprungswert zurückführbar ist. Fig. 4b zeigt das Ausgangssignal des Gassensors bei offenem Regelkreis bei einer Änderung der lonisationsenergie und gleichzeitig konstanter Schadstoffkonzentration in der dem Ionisator zugeführten Luftströmung. Das Ausgangssignal des Gassensors 450 ändert sich in diesem Fall von 0 V auf -1 V, wenn am Eingang der Treiberstufe die Spannung von 1 V erhöht wird. Die in diesem Fall simulierte Anordnung des Gassensors in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator entspricht also genau dem gewünschten Effekt, dass die in Fig. 3b dargestellte Änderung des Ausgangsignals des Gassensors aufgrund einer entsprechenden Änderung der lonisationsenergie gemäß Fig. 4b kompensierbar ist. In der Praxis können entsprechende Versuche zu Fig. 3a und Fig. 4a durchgeführt werden, um die besagte KompensationsWirkung am offenen Regelkreis zu verifizieren.
Im Folgenden wird nun das Verhalten des geschlossenen Regelkreises näher erläutert. Hierzu zeigt Fig. 5a zunächst ein Blockschaltbild für den prinzipiellen Signalfluss des geschlossenen Regelkreises. Der geschlossene Regelkreis besteht aus den oben bereits beschriebenen Regelkreisgliedern, also einem Gassensor 510, einem Regler 540, einer Treiberstufe 520 und einem Ionisator 530. Die Treiberstufe 520 besteht wiederum aus einer Spannungsquelle 525, einem Pulsweitenmodulator 526, einem Resonator 527 sowie einem Hochspannungstransformator 528.
Eine von der Spannungsquelle 525 gelieferte Gleichspannung wird von dem Pulsweitenmodulator 526 in Impulse mit einem von dem Regler 540 vorgegebenen Pulsweitenverhältnis und einer von einem nicht weiter dargestellten Taktgenerator mit vorgegebener Taktrate umgewandelt. Bei Glättung dieser Pulse ergibt sich eine dem Pulsweitenverhältnis proportionale Gleichspannung, die einem Resonator 527 zugeführt wird. Der Resonator 527 ist mit dem nachfolgenden Hochspannungs-Transformator 528 so beschaltet, dass er zum einen bei Einspeisung einer Gleichspannung auf einer Arbeitsfrequenz im Bereich von ca. 25 kHz bis 35 kHz selbsttätig anschwingt und zum anderen eine sekundärseitig oszillierende Hochspannung liefert, deren Scheitelwert annähernd proportional zur Eingangsspannung des Resonators 527 bzw. zur eingestellten Pulsweite des Pulsweitenmodulators 526 ist. Die von dem Hochspannungstransformator 528 gelieferte oszillierende Hochspannung mit Scheitelwerten im Bereich von beispielsweise 1,0 kV bis 2 , 0 kV wird an die beiden Elektroden des Ionisators 530 angelegt.
Der Ionisator 530 wird von der zu reinigenden Luft 500 umströmt, wobei stromungsseitig hinter der Ionisationsröhre 530 der Gassensor 510 angeordnet ist. Optional kann die Luftströmung im Fall des geschlossenen Regelkreises teilweise oder ganz durch Umluftbetrieb zurückgeführt werden. Der Gassensor 510 liefert sein Ausgangssignal zum Regler 540, der aufgrund des Sollwertes 547 einen Soll- Istwertvergleich durchführt und gemäß dem zugrunde liegenden Regelalgorithmus das Pulsweitenverhältnis des Pulsweitenmodulators 526 einstellt.
Fig. 5b zeigt ein Blockschaltbild für das
Übertragungsverhalten eines geschlossenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion der Schadstoffkonzentration. Der geschlossene Regelkreis gemäß Fig. 5b geht aus dem offenen Regelkreis gemäß Fig. 3a dadurch 'hervor, dass das Ausgangssignal 550 des Gassensors über den Zweig 514 zu dem Regler 540 zurückgeführt ist. Die Blöcke des Gassensors 510, der Treiberstufe 520 sowie des Ionisators 530 mit den zugehörigen Parametern sind dabei identisch zu den angegebenen Parametern des Gassensors 310 gemäß Fig. 3a bzw. der Treiberstufe 420 und den Ionisators 430 gemäß Fig. 4a, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung gemäß Fig. 3a und gemäß Fig. 4a verwiesen werden kann.
Der Aufbau des Reglers 540 wird nunmehr im Einzelnen beschrieben. Der Sollwert 547 wird im Regler auf die Subtraktionsstelle 546 geführt. Die hierdurch ermittelte Regeldifferenz gelangt über das P-Glied 541 zu dem darauf folgenden PID-Regler. Der PID-Regler besteht wiederum aus einem P-Glied 542, einem DTl-Glied 543 und einem I-Glied 544, deren Ausgänge mit der Summationsstelle 545 zu dem Ausgang 551 zusammengefasst werden. Der Ausgang 551 liefert die Stellgröße, die als Eingang für die Treiberstufe 520 dient. Die Parameter des Reglers 540 wurden wie folgt festgelegt :
Sollwert 547: Sollwert = 0
P-Glied 541: Übertragungsbeiwert = -1
P-Glied 542 : Übertragungsbeiwert = 2
DTl-Glied 543: Übertragungsbeiwert = 8, Zeitkonstant = 2 s
I-Regler 544: Übertragungsbeiwert = 0,2 l/Sekunde, entsprechend einer Integrationskonstante -von 5 s.
Das geschlossene Regelkreisverhalten wird nun untersucht anhand der Sprungfunktion 501, die einer sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration in der Luftströmung entspricht . Hierbei werden die Zeitsignale am Ausgang des Gassensors 550 und am Ausgang des Reglers 551 dargestellt.
Fig. 5c zeigt die Antwortfunktionen an den Ausgängen 550 und 551 mit einer Sprungamplitude von 1.
Anhand des AusgangsSignals des Gassensors 550 wird deutlich, dass trotz einer sprunghaften Änderung der Schadstoffkonzentration der Regelkreis in der Lage ist, das Ausgangssignal 550 wieder auf den Sollwert 547 zurückzuführen. Nach einer Erhöhung des AusgangsSignals auf ca. 0,25 erreicht das Ausgangssignal nach ca. 40 Sekunden wieder seinen ursprünglichen Wert und nähert sich dann mit einem kleinen Überschwinger innerhalb weiterer 40 Sekunden dem Sollwert wieder an. Die Ausgangsgröße 551 des Reglers 540 sorgt dagegen dafür, dass die Treiberstufe 520 mit einem ausreichenden Eingangswert beaufschlagt wird, damit an der Summationsstelle 503 die aufgetretene Änderung der Schadstoffkonzentration kompensiert werden kann. Nach ca. 25 Sekunden hat die Stellgröße 551 ihren maximalen Wert erreicht und nähert sich von da an dem Endwert 1,0/ was einer Eingangsspannung von 1,0 V am Eingang der
Treiberstufe 520 entspricht. Aus Fig. 5c ist zu entnehmen, dass das Einschwingverhalten des geschlossenen Regelkreises im wesentlichen von dem Zeitverhalten des Gassensors 510 bestimmt wird, soweit auf der Strecke 532 zwischen Ionisator 530 und Gassensor 510 keine zusätzlichen
Verzögerungen auftreten. Die Zeitkonstante des Gassensors lässt sich dabei mit einer Anordnung ermitteln, wie diese in Fig. la gezeigt ist. Die Zeitkonstante der aufgenommenen Sprungfunktion 150 entspricht dabei näherungsweise derjenigen Zeit, in der die Sprungfunktion 150 den Wert (1 - 1/e) erreicht hat, wenn angenommen wird, dass das gesamte Übertragungsverhalten des Gassensors näherungsweise durch ein einzelnes PTl-Glied angenähert wird.
Sollte dagegen die Strecke 532 zwischen Ionisator 530 und Gassensor 510 eine Verzögerung aufweisen (beispielsweise aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung, wenn der Gassensor von dem Ionisator entfernt angeordnet ist) , so kann für diese Verzögerungszeit eine Nebenbedingung aufgestellt werden, um das
Einschwingverhalten des geschlossenen Regelkreises nicht unnötig zu verlangsamen. Als Nebenbedingung kann demnach formuliert werden, dass die Verzögerungszeit des Ausgangssignals des Gassensors bei offenem Regelkreis und bei konstanter Schadstoffkonzentration auf eine Änderung der lonisationsenergie unterhalb der oben definierten Zeitkonstante des Gassensors liegen sollte. Im vorliegenden Fall lässt sich die Zeitkonstante des Gassensors 510 aus der Zeitfunktion gemäß Fig. lb zu ca. 20 Sekunden bestimmen. Zur zeitlichen Optimierung des
Einschwingverhaltens des geschlossenen Regelkreises sollte damit der Gassensor in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator die zusätzliche Nebenbedingung erfüllen, dass die Verzδgerungszeit der Strecke 532 ebenfalls unter 20 Sekunden liegt. In der Regel ist diese Nebenbedingung leicht zu erfüllen, indem der Gassensor entsprechend dicht an dem Ionisator angeordnet wird.
Fig. 6a zeigt ein Blockschaltbild für das Übertragungsverhalten eines geschlossenen Regelkreises mit einer Sprungfunktion des Sollwertes und einer darauf folgenden Sprungfunktion der Schadsto fkonzentration. Das Blockschaltbild gemäß Fig. 6a unterscheidet sich von dem Blockschaltbild gemäß Fig. 5b lediglich dadurch, dass als Sollwert nunmehr eine Sprungfunktion 648 anliegt und dass die sprungförmige Änderung der Schadstoffkonzentration 601 erst nach einer gewissen Totzeit 602 erfolgt. Als Parameter für die Totzeit wurden 100 s angenommen. Ansonsten entspricht das Blockschaltbild gemäß Fig. 6a dem Blockschaltbild gemäß Fig. 5b, so dass hinsichtlich der übrigen Komponenten auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.
Der geschlossene Regelkreis gemäß Fig. 6a wird also zunächst, mit einer Änderung des Sollwertes 648 beaufschlagt und wird nach Ablauf der Totzeit 602 zusätzlich mit einer Änderung der Schadstoffkonzentration 601 beaufschlagt. In Fig. 6b sind die entsprechenden Antwortfunktionen an den Ausgängen 650 und 651 dargestellt. Die gestrichelte Linie am Wert 2 zeigt zusätzlich die Begrenzung an, die der Begrenzung der Treiberstufe 620 unter Berücksichtigung des Übertragungsbeiwertes des P-Gliedes 621 entspricht.
Die sprungförmige Erhöhung des Sollwertes 648 bewirkt zunächst aufgrund des Differenzialanteils 643 des Reglers 640 eine hohe Stellgröße 651. Nach 60 Sekunden ist der Regelkreis sodann auf den neuen Sollwert eingeschwungen, so dass am Ausgang 650 des Gassensors nunmehr das Ausgangssignal mit dem Wert -1,0 anliegt. Nach 100 Sekunden erfolgt sodann eine zusätzliche Aufschaltung der sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration, woraufhin die Stellgröße 651 erneut ansteigt, um diesmal das Ausgangssignal 650 des Gassensors auf dem Wert -1 zu halten. Aufsσhlussreich ist hier die Interpretation der Bereiche 623 und 624. Aufgrund der Begrenzung 622 der
Treiberstufe 620 können nämlich die Regelgrößen oberhalb des Wertes 2,0 bzw. unterhalb des Wertes -2,0 nicht an den Ionisator 630 weitergegeben werden. Wie bereits oben erwähnt, ist es daher sinnvoll, in diesen Bereichen zusätzliche Maßnahmen vorzusehen, um eine höhere lonisationsleistung bereitzustellen, beispielsweise durch Zuschalten eines zusätzlichen Gebläses und/oder durch Zuschalten weiterer Ionisatoren.
Fig. 7 zeigt die Empfindlichkeitscharakteristik eines Zinndioxid-Gassensors. Aufgetragen ist die auf Luft bezogene relative Widerstandsänderung des Zinndioxid- Elements in Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration verschiedener Schadstoffe. Wie die Linie 701 zeigt, ist der Zinndioxid-Gassensor unempfindlich gegenüber Luft bzw.
Sauerstoff. Für H2S, Wasserstoff, Ammoniak, Äthanol und CO bestehen dagegen ausgeprägte Empfindlichkeiten bei steigender Schadstoffkonzentration. Für den Haushaltsbereich hat sich herausgestellt, dass eine stabile Regelung insbesondere dann erreicht werden kann, wenn die Regelung auf die Empfindlichkeitskurve 702 von CO eingestellt wird.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Luftreinigungsgerätes. Das
Luftreinigungsgerät 801 ist als Tischgerät mit einem Sockel 802 und einer Abdeckung 803 ausgeführt. Auf dem Sockel ist als Ionisator eine Ionisationsröhre 804 befestigt, die in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist. Ebenfalls auf dem Sockel befestigt ist ein Gassensor 805, der erfindungsgemäß in Bezug auf den Ionisator 804 derart angeordnet ist, dass bei offenem Regelkreis eine Änderung des AusgangsSignals des Gassensors aufgrund einer sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration in der durch die Luftströmung zugeführten Luft durch eine Änderung der lonisationsenergie kompensierbar ist. Die Luftströmung tritt dabei durch die in der Abdeckung 803 eingelassenen Luftschlitze 806 in das Gehäuse ein und wieder aus. Zur Unterstützung der Luftströmung kann zusätzlich auf dem Sockel 802 oder auch außerhalb des Gerätes ein geeigneter Ventilator vorgesehen sein. Am Rand des Sockels sind zur Bedienung des Gerätes eine LED-Anzeige 807, ein Bedienpotentiometer 808 sowie zur Stromversorgung eine elektrische Zuleitung 809 vorgesehen.
Die Funktion des Luftreinigungsgerätes 801 wird anhand von Fig. 9 erläutert, die ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Luftreinigungsgerätes gemäß Fig. 8 zeigt. Zunächst wird der Kalibrierbetrieb beschrieben, in dem der Gassensor auf eine vorgegebene Schadstoffkonzentration kalibriert wird. Diese Kalibrierung ist in der Regel erforderlich, da handelsübliche Gassensoren verschiedene Kennlinien aufweisen und somit ein unterschiedliches Regelkreisverhalten hervorrufen würden. Bei der Verwendung von Zinndioxid-Gassensoren wurde allerdings beobachtet, dass die relative Änderung des Ausgangssignals des Gassensors bei sich ändernder Gaskonzentration näherungsweise konstant ist und dass lediglich eine absolute Verschiebung des Ausgangssignals bei gegebener Gaskonzentration zwischen verschiedenen Gassensoren zu beobachten ist. Zusätzlich kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass bei der erfindungsgemäßen Regelung der Sensor ohnehin nur in einem kleinen Arbeitsbereich betrieben wird, so dass um diesen Arbeitsbereich herum die Sensorkennlinie linearisiert werden kann, wenn der Arbeitspunkt einmal kalibriert worden ist .
Für den Kalibrierbetrieb wird der Umschalter 901 zunächst in die Stellung 1 gebracht, so dass die Ionisationsrδhre 904 nicht mit lonisationsleistung beaufschlagt wird. Statt dessen wird die Regelabweichung dem Kalibrierelement 912 zugeführt. Sodann wird in die Luftströmung 906 eine konstante Schadstoffkonzentration eingebracht, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall "sauberer Luft" und damit dem gewünschten Sollwert entspricht. An dem Gerät wird das Bedienpotentiometer 808 in die gewünschte Sollwertstellung gebracht, so dass an der Vergleichsstelle 909 der dadurch eingestellte Sollwert 908 anliegt. Bei noch nicht erfolgter Kalibrierung wird sodann eine Regelabweichung 910 am Ausgang des Vergleichselements zu beobachten sein. Zur Kalibrierung sind nun zusätzlich das Addierelement 911 und das Kalibrierelement 912 vorgesehen. Das Kalibrierelement 912 erhält als Eingang vom Umschalter 901 die Regelabweichung 910 und erhöht oder verringert daraufhin die AusgangsSpannung 913 derart, dass die Regelabweichung 910 zu Null wird. Der auf diese Weise ermittelte Spannungswert 913 kann beispielsweise in einem Speicher abgelegt werden, um auch nach einem Stromausfall noch zur Verfügung zu stehen. Diese Art von Kalibrierung kann gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden, wobei auch sich ändernde Schadstoffkonzentrationen 906 berücksichtigt werden können.
Es erfolgt nun die Beschreibung des laufenden Betriebes, wozu der Umschalter 901 in die Stellung 2 umgelegt wird, so dass der Regler 902 die Regelabweichung 910 als Eingangsgröße erhält. Die Treiberstufe 903 versorgt in Abhängigkeit von dem Ausgang des Reglers 902 die Ionisationsröhre 904 mit lonisationsleistung. Der Regelalgorithmus des Reglers 902 entspricht dabei einem
Integrationsregler, dessen Funktion durch das Flussdiagramm gemäß Fig. 10 dargestellt ist. Zunächst sei angenommen, dass der Regler am Ausgang eine vorab abgespeicherte Initialisierungsgröße liefert, die einer geringen lonisationsleistung entspricht. Soweit die
Schadstoffkonzentration 906 dem vorab eingestellten Sollwert entspricht, bleibt die Regelabweichung 910 unverändert auf Null, so dass der Regler keine Aktion durchführt. Erhöht sich nun die Schadstoffkonzentration 906, so wird diese Erhöhung der Schadstoffkonzentration von dem Gassensor 905 erfasst, was eine Vergrößerung der Regeldifferenz 910 zur Folge hat. In Abhängigkeit des Regelalgorithmus erhöht daraufhin der Regler 902 die Stellgröße 914, so dass über die Treiberstufe 903 die Ionisationsröhre 904 mit einer größeren lonisationsleistung beaufschlagt wird. Dieser Vorgang dauert so lange an, bis erfindungsgemäß durch die erhöhte lonisationsleistung das Ausgangssignal des Gassensors 905 wieder auf seinen Ursprungswert zurückgeführt wird und somit die Regeldifferenz 910 wieder zu Null wird. Die entsprechende Funktionsweise ergibt sich, wenn nun umgekehrt die Schadstoffkonzentration 906 wieder verringert wird.
Die Anzeige 907 dient dem Nutzer zur Kontrolle der Stellgröße 914. Große Stellgrößen deuten auf eine große lonisationsleistung und damit auf eine stark schadstoffbelastete Luft hin, während niedrige Stellgrößen den während des Kalibrierbetriebes vorgegebenen Schadstoffbelastungen entsprechen. Bei dem Luftreinigungsgerät gemäß Fig. 8 ist die Anzeige 907 durch eine LED-Anzeige 807 realisiert worden. Hierbei ist es zweckmäßig, den momentanen Wertebereich der Stellgröße 914 an den Anzeigebereich der LED-Anzeige 807 adaptiv anzupassen. Dies kann dadurch geschehen, dass in einem vorgegebenen Zeitfenster der Wertebereich zwischen der kleinsten und der größten Stellgröße erfasst wird und dazwischen die Werte der Stellgröße auf die LED-Anzeige 807 linear oder entsprechend skaliert (also z.B. logarithmisch) aufgeteilt werden.
Der Regelalgorithmus wird im Einzelnen anhand Fig. 10 erläutert, die ein Flussdiagramm des Regelalgorithmus des Reglers aus Fig. 9 zeigt. Im Schritt 1001 erfolgt zunächst der Vergleich zwischen dem Sollwert und dem gelieferten Messwert des Gassensors, der gegebenenfalls wie oben erläutert durch einen Kalibrierwert korrigiert wurde. In den Schritten 1002 und 1003 wird sodann zunächst geprüft, ob eine positive bzw. eine negative Regeldifferenz vorliegt. Ist dies der Fall, wird in dem Schritt 1004 bzw. 1005 ein Wartetimer gestartet, der zur Unterdrückung von
Störgrößen dient. In dem Schritt 1006 bzw. 1007 wird sodann geprüft, ob die Regeldifferenz noch vorhanden ist. Ist dies der Fall, erfolgt ein Anheben bzw. ein Verringern der Stellgröße 914.

Claims

Patentansprüche
Luftreinigungsgerät zur Verminderung von Schadstoffen in der Luft,
mit einem Ionisator, der einer Luftströmung ausgesetzt ist und der seitens einer Treiberstufe mit lonisationsleistung zur Ionisierung der durch die Luftströmung zugeführte Luft beaufschlagbar ist, und
mit einem Gassensor zur Messung von Schadstoffkonzentrationen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Treiberstufe, der Ionisator und der Gassensor mit einem Regler in einem geschlossenen Regelkreis derart zusammenwirken, dass das Ausgangssignal des Gassensors einem vorgegebenen Sollwert im Wesentlichen entspricht,
wobei der Gassensor in Bezug auf die Luftströmung und in Bezug auf den Ionisator derart angeordnet ist, dass bei offenem Regelkreis eine Änderung des Ausgangssignals des Gassensors aufgrund einer sprungförmigen Änderung der Schadstoffkonzentration in der durch die Luftströmung zugeführten Luft durch eine Änderung der lonisationsenergie kompensierbar ist, so dass das Ausgangssignal des Gassensors auf seinen Ursprungswert zurückführbar ist.
2. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberstufe einen Hochspannungstransformator umfasst, an dessen Sekundärseite eine oszillierende Hochspannung erzeugbar ist.
3. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberstufe eine Schaltung zur Pulsweitenmodulation umfasst, mit der der Hochspannungstransformator primärseitig ansteuerbar und der Scheitelwert und/oder das Pulsverhältnis der sekundärseitig oszillierenden Hochspannung einstellbar ist.
4. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitig oszillierende Hochspannung mit einem Scheitelwert im Bereich von 1 kV bis 10 kV und mit einer Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 50 kHz einstellbar ist.
5. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 2 - 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisator aus einem Glasrohr besteht, dessen Innenwandung mit einem
Lochblech als erste Elektrode ausgekleidet ist und dessen Außenwandung mit einem Drahtgewebe als zweite Elektrode umgeben ist, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode die oszillierende Hochspannung der Treiberstufe anliegt.
6. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor aus einem Metalloxidsensor besteht, dessen Widerstand sich in '■ Abhängigkeit von der Konzentration bestimmter Gase ändert .
7. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid aus Zinndioxid besteht.
8. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteintrittsöffnung des Gassensors in Bezug auf die den Ionisator umströmende Luft abluftseitig einen Abstand von ca. 0 , 5 cm bis 2 cm, vorzugsweise ca. 1 cm von der Oberfläche des Ionisators aufweist.
9. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert am Gerät manuell einstellbar ist.
10. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lüfter zur Erzeugung der Luftströmung vorgesehen ist.
11. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzregler die Drehzahl des Lüfters zusätzlich derart regelt, dass das
Ausgangssignal des GasSensors einem vorgegebenen Sollwert im Wesentlichen entspricht.
12. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzregler zugeschaltet wird, sobald in dem Regelkreis bestehend aus Ionisator, Treiberstufe, Gassensor und Regler eine Begrenzung auftritt .
13. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler aus einem P- Regler oder einem PI-Regler oder einem PID-Regler besteht .
14. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Regler neben der gemessenen Schadstoffkonzentration weitere Messgrößen verarbeitbar sind.
15. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den Regler ein Strömungssensor und/oder ein Feuchtesensor und/oder ein Ionisationssensor und/oder ein Ozonsensor zur Verarbeitung weiterer Messgrδßen angeschlossen ist.
16. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 14 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler aus einem regelbasierten Fuzzy-Regler besteht.
17. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 14 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler aus einem
Zustandsregler besteht .
18. Luftreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierelement den Gassensor auf den Sollwert kalibriert, wenn dem Gassensor eine dem Sollwert entsprechende Schadstoffkonzentration zugeführt wird.
19. Luftreinigungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ionisator zugeführte Ionisatonsenergie während der Kalibrierung des Gassensors ausgeschaltet ist .
20. .Verf hren zur Verminderung von Schadstoffen in der L ft mit einem Luftreinigungsgerät nach einem der
Ansprüche 1 - 17, bei dem der Sollwert auf eine bestimmte Schadstoffkonzentration eingestellt wird, bei dem schadstoffhaltige Luft dem Ionisator zugeführt wird und bei dem Schadstoff verminderte Luft abgeführt wird.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1445387A2 (de) † 2003-02-03 2004-08-11 Villeroy & Boch Ag Deodosierungsvorrichtung und -verfahren für Toiletten und damit ausgerüstete Toilette
EP1726351A1 (de) * 2004-03-18 2006-11-29 Daikin Industries, Ltd. Luftreinigungsvorrichtung
CN102172460A (zh) * 2005-07-14 2011-09-07 捷通国际有限公司 空气处理系统
US9764623B2 (en) 2012-12-12 2017-09-19 Audi Ag Vehicle air conditioner device
CN112923498A (zh) * 2021-02-19 2021-06-08 合肥中科离子医学技术装备有限公司 一种强度自动调节低温等离子体空气消毒装置
AT523773A1 (de) * 2020-05-13 2021-11-15 Schwarzenberger Alois Luftionisierungsvorrichtung
US11287387B2 (en) 2014-12-24 2022-03-29 Koninklijke Philips N.V. Measurements and calibration utilizing colorimetric sensors

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007035129A1 (de) * 2007-07-25 2009-01-29 Abb Ag System und Verfahren zur vorausschauenden Überwachung und zum Schutz elektrischer Einrichtungen
CN104654451A (zh) * 2013-11-25 2015-05-27 珠海格力电器股份有限公司 空气净化器及空气净化方法
CN104874266B (zh) * 2015-05-15 2017-03-15 清工学研(上海)环保科技有限公司 一种电离子净化设备
CN108779926B (zh) * 2016-03-16 2021-02-05 皇家飞利浦有限公司 空气净化器以及用于检测气体过滤器的状况的方法
CN107435995A (zh) * 2016-05-25 2017-12-05 上海灏群电子科技有限公司 一种金字塔型电离空气净化器
CN107300246A (zh) * 2017-08-10 2017-10-27 广州艾熙门环保科技有限公司 一种空气净化控制器
CN113097868B (zh) * 2021-04-09 2022-06-10 浙江新蓝环保工程有限公司 沿面放电基本单元、离子风空气净化器及离子量控制系统
KR102412113B1 (ko) * 2022-01-19 2022-06-22 한재진 이오나이저를 포함하는 반도체식 가스센서 유해가스 검출장치

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4334956A1 (de) * 1993-10-14 1995-04-20 Lk Luftqualitaet Ag Steuerung von Luftionisationsapparaten
DE19651402A1 (de) * 1996-12-11 1998-06-18 T E M Tech Entwicklung Und Man Apparat zur physikalischen Aufbereitung von Luft, insbesondere von Atemluft
DE19919623A1 (de) * 1999-04-29 2000-11-02 T E M Tech Entwicklungen Und M Luftaufbereitungssystem zum wirksamen Abbau von luftgetragenen Gerüchen, Keimen und Schadstoffen
WO2001062306A2 (de) * 2000-02-01 2001-08-30 T.E.M.! Technische Entwicklungen Und Management Gmbh Verfahren und vorrichtung zur regelung der kapazität zwischen zwei elektroden in einem gas
DE10007523A1 (de) * 2000-02-18 2001-09-06 Lk Luftqualitaet Ag Reussbuehl Verfahren zur Luftbehandlung durch Ionisation sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE10111445A1 (de) * 2001-03-09 2002-09-12 Werner Schroeder Luftreinigungsgerät
DE10134707A1 (de) * 2001-07-21 2003-02-13 Keune Achim Verfahren zur geregelten Ionisation von Gasen, Gasgemischen, Gas-Dampf-Gemischen oder Flüssigkeits-Gas- Gemischen

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19810497A1 (de) * 1998-03-11 1999-09-30 Brand Gerhart Rosemarie Verfahren zur Beseitigung übler Gerüche in Toiletten

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4334956A1 (de) * 1993-10-14 1995-04-20 Lk Luftqualitaet Ag Steuerung von Luftionisationsapparaten
DE19651402A1 (de) * 1996-12-11 1998-06-18 T E M Tech Entwicklung Und Man Apparat zur physikalischen Aufbereitung von Luft, insbesondere von Atemluft
DE19919623A1 (de) * 1999-04-29 2000-11-02 T E M Tech Entwicklungen Und M Luftaufbereitungssystem zum wirksamen Abbau von luftgetragenen Gerüchen, Keimen und Schadstoffen
WO2001062306A2 (de) * 2000-02-01 2001-08-30 T.E.M.! Technische Entwicklungen Und Management Gmbh Verfahren und vorrichtung zur regelung der kapazität zwischen zwei elektroden in einem gas
DE10007523A1 (de) * 2000-02-18 2001-09-06 Lk Luftqualitaet Ag Reussbuehl Verfahren zur Luftbehandlung durch Ionisation sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE10111445A1 (de) * 2001-03-09 2002-09-12 Werner Schroeder Luftreinigungsgerät
DE10134707A1 (de) * 2001-07-21 2003-02-13 Keune Achim Verfahren zur geregelten Ionisation von Gasen, Gasgemischen, Gas-Dampf-Gemischen oder Flüssigkeits-Gas- Gemischen

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1445387A2 (de) † 2003-02-03 2004-08-11 Villeroy & Boch Ag Deodosierungsvorrichtung und -verfahren für Toiletten und damit ausgerüstete Toilette
EP1445387B2 (de) † 2003-02-03 2009-10-28 Villeroy & Boch Ag Deodorisierungsvorrichtung und -verfahren für Toiletten
EP1726351A1 (de) * 2004-03-18 2006-11-29 Daikin Industries, Ltd. Luftreinigungsvorrichtung
EP1726351A4 (de) * 2004-03-18 2008-04-16 Daikin Ind Ltd Luftreinigungsvorrichtung
AU2005224234B2 (en) * 2004-03-18 2008-10-02 Daikin Industries, Ltd. Air purification device
US7569100B2 (en) 2004-03-18 2009-08-04 Daikin Industries, Ltd. Air purification device
EP2229998A1 (de) * 2004-03-18 2010-09-22 Daikin Industries, Ltd. Luftreiniger
CN102172460B (zh) * 2005-07-14 2013-03-13 捷通国际有限公司 空气处理系统
CN102172460A (zh) * 2005-07-14 2011-09-07 捷通国际有限公司 空气处理系统
US9764623B2 (en) 2012-12-12 2017-09-19 Audi Ag Vehicle air conditioner device
US11287387B2 (en) 2014-12-24 2022-03-29 Koninklijke Philips N.V. Measurements and calibration utilizing colorimetric sensors
US11333611B2 (en) 2014-12-24 2022-05-17 Koninklijke Philips N.V. Measurements and calibration utilizing colorimetric sensors
AT523773A1 (de) * 2020-05-13 2021-11-15 Schwarzenberger Alois Luftionisierungsvorrichtung
AT523773B1 (de) * 2020-05-13 2022-07-15 Schwarzenberger Alois Luftionisierungsvorrichtung
CN112923498A (zh) * 2021-02-19 2021-06-08 合肥中科离子医学技术装备有限公司 一种强度自动调节低温等离子体空气消毒装置
CN112923498B (zh) * 2021-02-19 2022-06-28 合肥中科离子医学技术装备有限公司 一种强度自动调节低温等离子体空气消毒装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE10236196B4 (de) 2005-12-01
CA2494917A1 (en) 2004-02-19
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