DE19841814A1 - Filtereinrichtung mit Adsorptionsfilter, Verfahren zum Betrieb einer Filtereinrichtung sowie Verwendung einer Filtereinrichtung und Verwendung eines Sensorarray-Detektors - Google Patents

Abstract

Es wird eine Filteranordnung vorgeschlagen, die infolge der Verwendung geeignet ausgewählter Sensorarrays und deren geschickter Auswertung eine Vielzahl von Möglichkeiten für eine zuverlässige Filtrierung von schadstoffhaltigen Gasen ermöglicht. Weiterhin werden entsprechende Meß- und Auswertemöglichkeiten sowie bevorzugte Verwendungen derartiger Filtereinrichtungen vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtereinrichtung mit Adsorptionsfilter zum Entfernen von Schadstoff- und Geruchskomponenten aus einem Gasstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Filtereinrichtung nach Anspruch 24 sowie eine Verwendung einer Filtereinrichtung nach Anspruch 32 und eine Verwendung eines Sensorarray-Detektors nach Anspruch 33.

Filtereinrichtungen mit Adsorptionsfiltern sind an sich bekannt und werden in der Praxis verwendet, um gasförmige Verunreinigungen aus Gasgemischströmen zu entfernen. Bei den Gasgemischen handelt es sich meist um Schadstoffluftgemische mit gasförmigen Schadstoff- und Geruchskomponenten.

Eine Anpassung des Betriebs der Filtereinrichtung fand bisher nur über eine Abriegelung der Filterzuluft bei Auftreten erhöhter Geruchs- und Schadstoffkonzentrationen in der Filterzuluft statt, und zwar mit dem Ziel, den Filter zu schützen. Dazu ist bei diesen bekannten Einrichtungen ein Sensor vor dem zu schützenden Filter angeordnet. Mit Hilfe dieses Sensors wird ein Filterabriegelungssystem gesteuert. Die eingesetzten Sensoren sind meist unspezifisch, wie z. B. einfache Halbleitersensoren, um auf eine Vielzahl von Substanzen reagieren zu können.

Der Einsatz von Filtereinrichtungen zur Luftreinigung für Innenräume, insbesondere zur Luftreinigung von toxischen Substanzen, war bisher nicht ohne Risiken möglich in Anbetracht des Durchbrechens dieser Substanzen bei längeren Betriebszeiten und in Verbindung mit schwankenden Zuluftzusammensetzungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen besonders sicheren und effektiven Betrieb der Filtereinrichtung ermöglicht. Es sollen auch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer Filtereinrichtung und entsprechende Verwendungen einer Filtereinrichtung und zugehöriger Sensorik geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche 1, 24, 32 und 33.

Die Lösungen sehen vor, daß vom momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters abhängige Daten ermittelt werden und diese Daten zur Steuerung des Betriebs der Filtereinrichtung verwendet werden. Durch Messung der Komponenten im Gasstrom an einer oder mehreren bestimmter Stellen relativ zum Adsorptionsfilter werden Rückschlüsse auf den momentanen Beladungszustand des Filters und seine Restkapazität erhalten. Die Daten werden beim laufenden Betrieb der Filtereinrichtung sozusagen "online" für die Steuerung des Betriebs berücksichtigt, indem entsprechende Steuerschritte eingeleitet werden. Die Steuerung kann durch manuellen Eingriff oder über eine automatische Steuereinrichtung erfolgen.

Es werden spezielle Sensoreinrichtungen, vorzugsweise mit Sensorarray-Detektoren, eingesetzt. Mit der Sensoreinrichtung kann zumindest das Auftreten bestimmter Komponenten des Gasgemischs, sog. Suchkomponenten, erfaßt werden, oder es können auch sämtliche Komponenten identifiziert oder die genauen Konzentrationen der Komponenten erfaßt werden. Die Sensorsignale können über eine Elektronik mit Datenverarbeitung verarbeitet und ausgewertet werden.

Es wird damit gewissermaßen ein "intelligentes" Filtersystem erhalten. Aufgrund der analytischen Erfassung der Komponenten ergeben sich Vorteile bei der Filtration von Gasgemischen mit toxischen Substanzen und schwankenden Zusammensetzungen, denn in diesen Fällen ist eine besonders zuverlässige Überwachung und Steuerung der Betriebsbedingungen erforderlich.

Ferner kann mit der Sensoreinrichtung auch die Verdrängung einzelner adsorbierter Komponenten - insbesondere die Verdrängung von niedrigsiedenden durch hochsiedende Komponenten - überwacht werden. Dies kann eingesetzt werden, um eine optimale Nutzung des Adsorptionsfilters zu erhalten. So kann ein Filter, z. B. ein Aktivkohlefilter, weiter mit krebserregendem Benzol oder Toluol beladen werden, obwohl er schon durch adsorbierte leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe beladen ist, die verdrängt werden.

Die Sensorarray-Detektoren weisen jeweils mehrere Einzelsensoren gleichen oder unterschiedlichen Sensortyps auf einem gemeinsamen Träger angeordnet auf. Solche Sensoren sind für den Einsatz in elektronischen Olfaktometern bekannt (VDI-Bericht 1373, 1998, Sektion II, S. 51 ff., K. Heining). Diese Geräte werden als elektronische Nasen bezeichnet. Sie werden eingesetzt, um einfache und komplexe Gerüche zu identifizieren. Bei den Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden die Sensorarray-Detektoren für die Meßstellen in der Filtereinrichtung eingesetzt.

Durch besondere Anordnung einer oder mehrerer Meßstellen relativ zum Adsorptionsfilter können die Aussagen über den Beladungszustand des Filters optimiert werden. Vorzugsweise sind im Strömungsweg des Gasstroms in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Meßstellen angeordnet.

Vorteilhafterweise ist zumindest eine Meßstelle im Strömungskanal abströmseitig, also nach dem Adsorptionsfilter angeordnet. Damit kann die betreffende Komponente im abströmenden Gasstrom überwacht werden und so der Durchbruch einer Komponente kontrolliert werden. Kurz vor dem eigentlichen Durchbruch der Komponente kann nun der Filter gewechselt werden oder in anderer Weise in den Betrieb der Filtereinrichtung eingegriffen werden.

Aufschlußreichere Aussagen werden erhalten, wenn mehrere Meßstellen eingesetzt werden, z. B. eine Meßstelle abströmseitig nach dem Filter und eine Meßstelle anströmseitig vor dem Filter oder eine Meßstelle innerhalb des Filters und eine Meßstelle ab- oder anströmseitig. Mit solchen Anordnungen zweier Meßstellen kann die Konzentrationsdifferenz der Komponente ermittelt werden und damit besserer Rückschluß auf den momentanen Beladungszustand getroffen werden.

Mit mehreren innerhalb des Adsorptionsfilters in Durchströmungsrichtung hintereinander angeordneten Meßstellen können substanzspezifische Beladungsgradienten in dem Adsorptionsfilter ermittelt werden. Dies kommt insbesondere bei Adsorptionsfiltern größerer Dicke zur Anwendung, um rechtzeitig vor dem Durchbruch einer Substanz Austausch oder Regeneration des Filters vorzunehmen.

Die Sensoren können innerhalb oder außerhalb des Adsorptionsfilters angeordnet werden. Bei Anordnung innerhalb des Filters ergibt sich eine einfache Austauschbarkeit des Filters mitsamt den Sensoren. Bei räumlich getrennter Anordnung kann die Sensoreinrichtung unabhängig von der Lebensdauer des Adsorptionsfilters weiterverwendet werden. Vorteile ergeben sich bei Anordnung der Sensoren außerhalb des Strömungskanals und Verwendung von Sensoren mit Probenahmesonde, z. B. als Schlauch oder Röhrchen ausgebildet.

Die Meßwerte bzw. daraus abgeleitete Informationen können kontinuierlich ermittelt und an einer Anzeigeeinrichtung angezeigt werden oder bei einfacheren Ausführungen nur bedarfsweise abgerufen werden. Die Steuerung des Betriebs der Filtereinrichtung kann manuell vorgenommen werden oder insbesondere bei kontinuierlicher Überwachung automatisch über eine entsprechende Steuerungseinrichtung erfolgen.

Folgendes Meßprinzip kann zur Anwendung kommen:
Jeder einzelne Sensortyp liefert entsprechend dem Sensortyp, den Betriebsbedingungen und der Schadgasart und -Konzentration ein analoges Ausgangssignal. Sind zwei Sensortypen ähnlich, d. h. unterscheiden sie sich nur minimal, z.B,. in der Betriebstemperatur bei MOx-Sensoren, so wird ihr analoges Ausgangssignal bei gleicher Schadstoffkonzentration ebenso ähnlich sein. Unterscheiden sich die Sensoren deutlicher voneinander, so ist auch die Differenz ihrer Ausgangssignale größer.

Dieser Ausgangssignalunterschied der Sensoren ist charakteristisch für die einzelnen Komponenten des Schadgasgemisches. Wird die Sensoreinrichtung zuvor mit einzelnen Schadgasen angeströmt, so lassen sich charakteristische Signalmuster messen. Unter Signalmuster versteht man die Menge aller Sensormeßwerte je Messung. Eine Messung bedeutet ein zeitliches Aufzeichnen der Ausgangssignale aller Einzelsensoren der Sensoreinrichtung.

In einem ersten Schritt erfolgt die Analyse der Schadstoffe. Die Muster für die einzelnen Schadstoffe werden einzeln stellvertretend für alle Einheiten zunächst von einer Auswerteeinheit im Labor "gelernt", d. h. in einer Datenbank gespeichert. Sind die Schadgase linear unabhängig voneinander, d. h. beeinflussen sie sich nicht gegenseitig in der Entstehung des Sensorsignals, können die Signalmuster von der Auswerteeinheit verglichen und somit "wiedererkannt" werden, falls bei der Messung die einzelnen Schadgase als Gasgemische auftreten. Dazu werden die Muster des Meßsignals mit allen Mustern der Datenbank verglichen. Mengentheoretisch könnte man sagen, daß die gelernten Muster eine Teilmenge der Muster der Gasgemische sind.

In einem zweiten Schritt wird die Bestimmung der Konzentration der jeweiligen Schadstoffe durchgeführt. Sind die Schadstoffe nach dem vorangehenden Schritt identifiziert, werden die entsprechenden Schadstoffkonzentrationen nach dem Algorithmus der Hauptkomponentenanalyse (siehe Wernecke; Angewandte Statistik für die Praxis, Addison-Wesley, Bonn 1995, S. 205 ff.) ermittelt.

Entsprechend der Aufgabenstellung bzw. des zu messenden Schadgases brauchen nur die gesuchten Schadgaskonzentrationen ausgewertet werden.

In einem weiteren Schritt wird der Beladungszustand bestimmt. Die beiden vorangehenden Schritte können z. B. für die beiden Sensoren vor und hinter dem Filter durchgeführt werden. Die vom Filter aufgenommene Beladung pro Zeiteinheit entspricht der Differenz der Schadstoffkonzentration vor und hinter dem Filter. Der Beladungszustand läßt sich demnach ermitteln über folgende Methoden:

• A) Ständiges Messen der Schadstoffdifferenz und Aufintegrieren des Wertes. Es ergibt sich die Beladung des Filters. Dazu sind zwei Sensoren vor und hinter dem Filter nötig.
• B) Durch Kenntnis des Verlaufs der Adsorptionskennlinie und durch das Messen der Schadstoffkonzentration hinter dem Filter. So kann die noch zur Verfügung stehende Restkapazität berechnet werden. Falls die Konzentration der Anströmseite nicht gemessen wird, z. B. bei nur einem Sensor abströmseitig, läßt sich der Beladungszustand nicht genau berechnen. Durch Analyse der Meßwerte, z. B. durch Mittelung über eine Zeiteinheit der substanzspezifischen Durchbruchswerte, läßt sich die Restkapazität des Filters substanzspezifisch abschätzen.
• C) Für die Sicherheitsanwendungen bei denen kein Schadgas durchbrechen kann, ist es sinnvoll, einen dritten Sensor im Filtermedium anzuordnen. Dadurch erhält das Auswertesystem Informationen über den Konzentrationsverlauf der adsorbierten Substanz innerhalb des Filters.

Ein Durchbrechen des zu beobachtenden Schadstoffes kann somit zuverlässig verhindert werden.

Die Auswertung wird folgendermaßen vorgenommen:

Die analogen Ausgangssignale werden zunächst mit Analog/Digitalwandler in digitale Signale umgewandelt. Mit dem mathematischen Prinzip der Hauptkomponentenanalyse (Wernecke; Angewandte Statistik für die Praxis, Addison-Wesley, Bonn 1995, S. 205 ff.) können aus den einzelnen Sensorsignalen der Gasgemische die Konzentrationen der einzelnen Inhaltsstoffe (Geruchs- und Schadstoffe) berechnet werden.

Bei Kontakt von Geruchs- und Schadstoffen mit MOx-Halb­ leitersensoren der oben beschriebenen Art wird deren Leitfähigkeit verändert. Die Leitfähigkeitsänderung ist sensorspezifisch und gleichzeitig substanzspezifisch unterschiedlich. Somit wird von jedem Einzelsensor ein für die Gesamtkonzentration an Geruchs- und Schadstoffen spezifischer Gesamtstrom erzeugt. Dieses Signal wird über eine geeignete Anpaßelektronik, z. B. bestehend aus einem Strom/Spannungswandler mit einem Verstärker und einem Analog/Digitalwandler in digitale Signale umgesetzt. Die so aufbereiteten Meßsignale werden durch einen herkömmlichen Mikroprozessor, Mikrocontroller oder einen PC nach der Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Damit wird ermittelt, welche Komponenten in welcher Konzentration in Gasgemisch vorliegen. Die zweckmäßigen, interessierenden Daten werden darauf extrahiert und können auf einem Display ausgegeben werden.

Zu den zum Einsatz kommenden Sensorarray-Sensoren sollen folgende Erläuterungen gegeben werden:
Die bevorzugt zum Einsatz kommenden Sensorarray-Detektoren bestehen aus einer beschränkten Zahl von Gassensoren, üblich sind vier bis zehn Sensoren, die bei einem beliebigen Gasgemisch, z. B. verschiedenen Schadstoffen in Luft, ein unterschiedliches Ansprechverhalten zeigen. Der Unterschied im Ansprechverhalten kann entstehen durch unterschiedliche Sensortypen, durch Fertigungstoleranzen gleicher Sensortypen oder z. B. unterschiedliche Betriebsbedingungen gleicher Sensortypen, wie z. B. unterschiedliche Betriebstemperaturen oder Beschichtung der Sensoroberfläche.

Alle Einzelsensoren detektieren also alle Stoffe, nur in jeweils unterschiedlichen Intensitäten. Solche Sensoren sind insbesondere Metalloxidsensoren MOx, z. B. Figaro-Sensoren der Serie TGS8XX oder UST-Sensoren der GGS- oder GGA-Serien, Schwingquarzsensoren (QMB) oder SurfaceAcoustic Wave Sensoren (SAW).

Die vollständige Sensoreinrichtung besteht also aus mehreren Einzelsensoren - üblich sind 4 bis 10 Sensoren - mindestens eines Sensortyps, deren Ansprechverhalten gegenüber den zu erfassenden Substanzen variiert ist.

So kann zur Detektion von unterschiedlichsten Gasgemischen z. B. aus Alkanen, Alkoholen, Aromaten, Stickstoff- und Schwefelverbindungen die Sensoreinrichtung aus einer Vielzahl von Kombinationen aus Einzelsensoren bestehen. Beispiele für solche Sensorkombinationen sind vier oder sechs MOx-Sensoren, oder drei MOx-Sensoren und drei QMB-Sensoren, oder zwei MOx-Sensoren und vier QMB-Sensoren und drei SAW-Sensoren. Die Wahl der eingesetzten Sensortypen und die Anzahl der Einzelsensoren hängt dabei von der Komplexität des zu untersuchenden Gasgemisches, der Größe der Konzentration und des Einsatzzweckes ab.

Der Einsatz von Sensoren des MOx-Typs, insbesondere von SnO2- oder TiO2-Sensoren ist für die Online-Beladungsmessung von Adsorptionsfiltern von Fahrgastkabinen besonders zweckmäßig.

In der bevorzugten Ausführungsform werden drei Einzelsensoren des SnO2-Typs und drei Einzelsensoren des TiO2-Typs in einer Sensoreinrichtung zusammengefaßt, die über ein Thermoelement auf unterschiedliche Temperaturen, vorzugsweise zwischen 200 und 400 Grad, erwärmt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Filtereinrichtung mit Adsorptionsfilter in einem Strömungskanal

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Filtereinrichtung mit Adsorptionsfilter in einem Strömungskanal

Fig. 3 eine Anordnung einer Stomabeuteleinrichtung mit Adsorptionsfilter.

Bei der Filtereinrichtung in Fig. 1 ist ein Adsorptionsfilter 1 in einem Strömungskanal 2 angeordnet. Der Strömungskanal 2 wird von einem Gasstrom 3 in Pfeilrichtung A durchströmt. Der Gasstrom 3 ist aus mehreren Gaskomponenten zusammengesetzt. Es handelt sich um ein Gasgemisch, z. B. um einen Luftstrom 3a mit störenden Schadgas- oder Geruchskomponenten 3b. Der Adsorptionsfilter 1 entfernt die störenden Komponenten 3b, indem er diese bei seiner Durchströmung durch Adsorption aufnimmt.

Die Filtereinrichtung in Fig. 1 kann in einer Lüftungsanlage oder Klimaanlage für den Innenraum eines Fahrzeugs oder für den Innenraum eines Gebäudes eingesetzt sein. Bei dem Strömungskanal 2 handelt es sich um einen Luftführungskanal der Anlage, d. h. Zuluftkanal oder Luftrückführungskanal.

Die dargestellte Filtereinrichtung weist eine Einrichtung auf, die den Beladungszustand des Adsorptionsfilters 1 überwacht und die Entscheidungskriterien zur Steuerung des Betriebs der Filtereinrichtung liefert. Die Einrichtung weist eine Sensoreinrichtung 4 und eine Auswerteeinrichtung 6 auf.

Die Sensoreinrichtung 4 mißt die Konzentration der Komponenten 3b des Gasgemischs 3 an verschiedenen Stellen der Durchströmungsstrecke - im folgenden Meßstellen genannt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind drei solcher Meßstellen vorgesehen. Eine erste Meßstelle 11 ist anströmseitig, also vor dem Filter 1, eine zweite Meßstelle 12 in dem Filter 1 und eine dritte Meßstelle 13 abströmseitig, also nach dem Filter 1 angeordnet. Die Meßstellen 11, 12, 13 sind jeweils innerhalb des Strömungskanals 2 angeordnet.

Die Sensoreinrichtung 3 in Fig. 1 weist für jede Meßstelle 11, 12, 13 einen separaten Sensorarray-Detektor 41, 42, 43 auf. Die Sensorarray-Detektoren sind jeweils im Strömungskanal 2 unmittelbar an der Meßstelle angeordnet. Sie bilden jeweils die Meßstelle. Dies bedeutet: Der erste Sensorarray-Detektor 41 ist anströmseitig vor dem Filter 1 an der Meßstelle 11 angeordnet. Der zweite Sensorarray-Detektor 42 ist innerhalb des Adsorptionsfilters angeordnet und bildet die Meßstelle 12. Der dritte Sensorarray-Detektor 43 ist abströmseitig angeordnet. Er bildet die Meßstelle 13.

Jeder Sensorarray-Sensor 41, 42, 43 weist mehrere Einzelsensoren auf, die jeweils auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Die Einzelsensoren sind über eine nicht dargestellte Heizungseinrichtung mit Thermoelementen thermostatisiert gehalten. Bei Einsatz eines Sensorarray-Detektors des MOx-Typs kann das Sensorarray sechs Einzelsensoren aufweisen und zwar drei des SnO2-Typs und drei des TiO2-Typs. Die Einzelsensoren werden auf unterschiedlichen Temperaturen zwischen 200°C und 400°C thermostatisiert gehalten.

Die Sensorarray-Detektoren 41, 42, 43 sind über elektrische Signalleitungen 5 mit der gemeinsamen Auswerteeinrichtung 6 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 6 weist einen Verstärker 7 mit Untergrundkompensation, einen Analog/Digital-Wandler 8, einen Mikroprozessor 9 und eine Anzeigeeinrichtung 10 auf. Die Anzeigeeinrichtung 10 kann ein Monitor, ein Display oder eine einfache Signallampe sein, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie als 4-stelliges Digitaldisplay ausgebildet.

Die Meßsignale werden über die elektrischen Leitungen 5 an den Verstärker 7 gegeben. Hier werden die Signale für den Analog/Digital-Wandler 8 aufbereitet. Danach stehen die Meßdaten in digitaler Form zur Verfügung und können über den Mikroprozessor 9 analysiert und ausgewertet werden. Das Ergebnis wird über die Anzeigeeinrichtung 10 ausgegeben.

Die Auswertung im Mikroprozessor 9 erfolgt nach dem Algorithmus der Hauptkomponentenanalyse. Es werden damit die genauen Konzentrationen der Gaskomponenten ermittelt. Durch die Messung vor, im und nach dem Adsorptionsfilter werden Daten und Informationen über den momentanen Beladungszustand und den zeitlichen Verlauf des Beladungsvorgangs erhalten. Diese Daten und Informationen werden als Kriterien zur Steuerung des Betriebs des Filters 1 verwendet. Die Steuerungsmaßnahmen können sodann manuell eingeleitet werden, z. B. Wechsel des Filters oder Umschalten auf einen anderen Filter. Es kann die Wirksamkeit des Adsorptionsfilters genau überwacht und der optimale Zeitpunkt ermittelt werden, wann der Filter beladen ist und ausgetauscht oder regeneriert werden muß. Ferner können auf Basis der Überwachung auch alle weiteren Parameter der Betriebsbedingungen gesteuert werden, z. B. Anströmgeschwindigkeit, Umluft, Betriebstemperaturen usw.

Bei gegenüber Fig. 1 abgewandelten, nicht dargestellten einfacheren Ausführungen kann auf die Meßstellen 11 oder 12 verzichtet werden. Bei einer besonders einfach aufgebauten Ausführungsform wird auf beide Meßstellen 11 und 12 verzichtet, d. h. lediglich die abströmseitige Meßstelle 13 ist vorgesehen. Der Informationsgehalt ist dann geringer. Die Auswertung der Meßsignale erfolgt vorzugsweise bei Anordnungen mit nur einem Sensor unter Verwendung gespeicherter Durchbruchkurven, die spezifisch für den eingesetzten Filtertyp und die betreffenden Gaskomponenten zuvor eingegeben werden.

Bei weiteren, gegenüber Fig. 1 abgewandelten, nicht dargestellten Ausführungen können jeweils mehrere Adsorptionsfilter 1 vorgesehen sein, denen eigene Meßstellen mit Sensorarray-Detektoren zugeordnet sind. Die verschiedenen Adsorptionsfilter 1 können in dem selben Strömungskanal 2 hintereinander geschaltet oder in separaten Strömungskanälen angeordnet sein.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels in Fig. 1 dar. Es weist übereinstimmend mit Fig. 1 einen Adsorptionsfilter 1 in einem Strömungskanal 2 auf. Im Unterschied zu Fig. 1 weist die Sensoreinrichtung 4 jedoch nur einen einzigen Sensorarray-Detektor 47 auf. Er ist außerhalb des Strömungskanals angeordnet und kann wahlweise einer ersten oder einer zweiten Meßstelle 15 bzw. 16 zugeordnet werden. Die Meßstelle 15 ist im Strömungskanal 2 anströmseitig also vor dem Filter 1 angeordnet. Die Meßstelle 16 ist im Strömungskanal abströmseitig, also nach dem Filter 1 angeordnet.

Die beiden Meßstellen weisen je eine Probenahmesonde 15a, 16a auf. Die eigentliche Meßstelle 15, 16 ist jeweils an dem in den Strömungskanal 2 eingreifenden Ende der Sonde als Probenahmeöffnung ausgebildet. Die Sonde ist als Schlauch ausgebildet. Der Schlauch ist in den Strömungskanal eingreifend angeordnet. Das in dem Strömungskanal angeordnete Schlauchende ist die Probenahmeöffnung. Das andere Schlauchende ist aus dem Strömungskanal herausgeführt.

Der Schlauch der Meßstelle 15 ist so angeordnet, daß seine Probenahmeöffnung im Strömungskanal 2 anströmseitig, also vor dem Filter angeordnet ist. Der Schlauch der Meßstelle 16 ist so angeordnet, daß seine Probenahmeöffnung abströmseitig, also nach dem Filter 1 angeordnet ist. Die Schläuche sind an ihrem aus dem Strömungskanal herausgeführten Ende mit einer gemeinsamen Verteilereinrichtung 17 mit Gaspumpe verbunden, über die die angesaugte Gasprobe dem Sensorarray-Detektor 47 zugeleitet wird. Je nach Schaltstellung der Verteilereinrichtung 17 wird so eine Gasprobe von der Meßstelle 15 oder von der Meßstelle 16 dem Sensorarray-Detektor 47 zugeführt. Die Verteilereinrichtung 17 ist z. B. elektrisch schaltbar.

Es sind verschiedene Anwendungs- und Einsatzbereiche für Filtereinrichtungen des Aufbaus gemäß Fig. 1 und 2 möglich. Bei Anwendungen in Lüftungs- oder Klimaanlagen in Fahrzeugen kann die Anzeigeeinrichtung 10 und vorzugsweise auch die Auswerteeinrichtung 6 im Armaturenbrett des Führerstands untergebracht sein. Bei Anwendungsbeispielen in Gebäuden kann die Anzeigeeinrichtung vorzugsweise in einer Gebäudezentrale installiert werden.

Filtereinrichtungen des Aufbaus nach Fig. 1 und 2 können auch zur Überwachung und Steuerung von technischen Geräten, die Abluft erzeugen, eingesetzt werden, z. B. bei Ozon erzeugenden Geräten, wie Laserdrucker, und aber auch zur Überwachung und Steuerung von Arbeitsmaschinen und Motoren, z. B. im Abluftsystem von Verbrennungsmotoren. Der Adsorptionsfilter 1 und die Sensoreinrichtung ist dann spezifisch für die betreffenden Gaskomponenten ausgelegt.

Ferner können auch Filtereinrichtungen des dargestellten Aufbaus in Gasmasken angewandt werden. Der Adsorptionsfilter 1 ist in der Atemlufteinlaßeinrichtung der Gasmaske angeordnet. Die Auswerteeinrichtung 6 kann ebenfalls in der Gasmaske, aber auch separat portabel oder ortsfest angeordnet sein. Die Stromversorgung kann über eine in der Gasmaske angeordnete Batterie erfolgen. Die Signalübertragung zwischen Sensor und Auswerteeinrichtung kann über Kabel aber auch drahtlos erfolgen. Vorteilhafterweise ist die Anzeigeeinrichtung 10 räumlich getrennt ausgebildet, z. B. in eine Armbanduhr integrierbar.

Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist eine Filtereinrichtung mit Adsorptionsfilter in Verbindung mit einem Stomabeutel 30 eingesetzt. Der Stomabeutel 30 ist in einer gürtel- oder miederartigen Einrichtung gehaltert, die der Stomapatient am Körper trägt. Der Adsorptionsfilter 31 ist im Auslaß des Stomabeutels 30 angeordnet. Die aus dem Auslaß des Beutels 30 austretende Abluft durchströmt den Adsorptionsfilter 31. Die Geruchsstoffe werden solange bis der Filter 31 noch nicht seine vollständige Beladung erreicht hat, durch Adsorption im Filter 31 zurückgehalten.

Die Filtereinrichtung ist im Prinzip gleich aufgebaut wie in den Fig. 1 und 2. Sie weist ebenfalls eine Einrichtung zur Überwachung der Filtereinrichtung auf, die mit einer Sensoreinrichtung arbeitet und zumindest auf Abruf den momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters erfaßt und es ermöglicht, den Filter rechtzeitig, bevor er unwirksam wird und die Geruchsstoffe durchbrechen, auszutauschen.

Die Sensoreinrichtung weist einen oder mehrere Sensorarray-Detektoren auf. Ein Sensorarray-Detektor 47 ist unmittelbar am Auslaß des Stomabeutels 30 oder an einem Kleidungsstück des Stomaträgers in der Nähe des Auslasses des Stomabeutels 30 angebracht.

Durch Anbringen eines nicht dargestellten zweiten Sensors an oder in der Oberbekleidung, der mit der Raumluft in engerem Kontakt steht als der Sensor an der Unterwäsche, kann ein Abgleich der Signale erfolgen. Der zweite Sensor kann z. B. drahtlos mit dem Rechner des ersten Sensors gekoppelt werden.

Die Spannungsversorgung erfolgt über eine unmittelbar am Beutel 30 oder in der Kleidung des Patienten getragene Batterie. Die Meßsignale des Detektors 47 werden über elektrische Leitungen oder drahtlos zu einer Auswerteeinrichtung übertragen, die als Baueinheit mit der Batterie ausgebildet sein kann. Die Programmierung kann individuell gestaltet werden, so daß in der Umgebung vorhandene, neutrale - nicht stomaverursachte - eventuelle Geruchsbelastung berücksichtigt und ausgeblendet wird. So kann auch die Verwendung eines persönlichen Parfüms berücksichtigt werden.

Die Auswerteeinheit 6 kann an einem Gürtel befestigt sein. Die Auswerteeinheit 6 kann aber auch z. B. aufgespaltet werden in eine Meß- und Steuereinheit (bestehend aus den Komponenten Verstärker 7, Analog/Digital-Wandler 8, Mikroprozessor 9) und eine abgetrennte Anzeigeeinheit 10 (entsprechend Fig. 1 und 2). Die abgetrennte Anzeigeeinheit kann dann z. B. in einer Armbanduhr des Stomapatienten integriert sein. Die Signalübertragung zur Anzeigeeinrichtung erfolgt hierbei vorteilhafterweise drahtlos, z. B. über Ultraschall. Die Anzeige gibt Auskunft über die momentane Wirksamkeit des Adsorptionsfilters bzw. den momentanen Beladungszustand oder die jeweilige Restkapazität des Adsorptionsfilters 31. Sie kann mit einer grünen und roten Diode ausgestattet sein. Grün leuchtet bei Kontrolle auf und bedeutet: System funktioniert, keine Geruchsabweichung zum normalen Umfeld unterhalb der Wäsche. Rot leuchtet auf, wenn eine Geruchsabweichung dort auftritt. Da die Meßaussage nicht permanent vom Patienten benötigt wird, kann die Einrichtung so gestaltet sein, daß die Messung nur auf Abruf des Patienten oder automatisch in periodischen Abständen erfolgt.

Bei Einsatz eines Sensors mit Kohlepartikeln auf einem Schwingquarz, insbesondere mit entsprechend dotierter Kohle, kann der Beladungsgrad besonders zuverlässig detektiert werden. Es wird die Information erhalten "Filter wirksam"/­ "Filter nicht mehr wirksam". Der Sensor sollte am Auslaß des Filters 31 unmittelbar an oder im Stomabeutel 30 integriert angeordnet werden.

Ferner sind Ausführungen für Stomabeutel vorgesehen, bei denen der Sensor innerhalb des Filters 31 nach ca. 2/3 der Durchströmungsstrecke angeordnet ist. Es kann dann detektiert werden "Filter wirksam"/"Filter nahezu erschöpft".

Aufwendigere Ausführungen verwenden zwei Sensoren und zwar einen ersten Sensor im Stomafilter 31 und einen zweiten Sensor unmittelbar am Auslaß des Stomabeutels. Es werden Informationen erhalten wie "Filter 3/4 verbraucht" bei Beladung im Bereich der Meßstelle des ersten Sensors und "Filter nicht mehr wirksam" bei Beladung oder teilweiser Beladung im Bereich der Meßstelle des zweiten Sensors.

Die Sensoren bei Verwendung mit Stomaeinrichtung sind entsprechend isoliert, um den Patienten nicht zu beeinträchtigen.

Bei den diversen Ausführungsbeispielen der Filtereinrichtungen mit Sensoreinrichtung können als Adsorptionsfilter alle gasadsorptiven Materialien, wie z. B. Aktivkohle, Cellulose und Zeolithe eingesetzt werden. Auch unterschiedliche Filtertypen, wie z. B. Schüttbett- oder Matrixfilter, reine Adsorptionsfilter oder Partikel/Adsorptions-Kombinationsfilter können mit den Sensorarray-Dektoren ausgestattet werden.

Claims (32)

1. Filtereinrichtung zum Entfernen von Schadstoff- und/oder Geruchskomponenten aus einem strömenden Gasgemisch, vorzugsweise kontinuierlichem Gasstrom, mit einem Adsorptionsfilter (1, 31), der im Strömungsweg des Gasgemischs, vorzugsweise einem Strömungskanal (2), angeordnet ist und von dem Gasgemisch durchströmt wird, gekennzeichnet durch:
eine vom momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters (1, 31) abhängige, Daten zur Steuerung des Betriebs der Filtereinrichtung liefernde Einrichtung
mit einer Sensoreinrichtung (4) mit mindestens einem Sensorarray-Detektor (41, 42, 43; 47),
mit mindestens einer dem Sensorarray-Detektor (41, 42, 43; 47) zugeordneten Meßstelle (11, 12, 13; 15, 16), die abströmseitig (13; 16) oder anströmseitig (11, 15) oder innerhalb (12) des Adsorptionsfilters (1; 31) ausgebildet ist und
mit einer die Sensorsignale verarbeitenden elektronischen Auswerteeinrichtung (6).

2. Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg des Gasgemischs in Strömungsrichtung (A) hintereinander mehrere Meßstellen (11, 12, 13; 15, 16) ausgebildet sind.

3 Filtereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß abströmseitig nach dem Adsorptionsfilter (1) und anströmseitig vor dem Adsorptionsfilter (1) jeweils mindestens eine Meßstelle (11, 13; 15, 16) ausgebildet ist oder
daß abströmseitig nach dem Adsorptionsfilter (1) und innerhalb des Adsorptionsfilters (1) jeweils mindestens eine Meßstelle (12, 13) ausgebildet ist oder
daß innerhalb des Adsorptionsfilters (1) und anströmseitig vor dem Adsorptionsfilter (1) jeweils mindestens eine Meßstelle (11, 12) ausgebildet ist oder
daß innerhalb des Adsorptionsfilters (1) mindestens zwei Meßstellen angeordnet sind.

4. Filtereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß mehreren Meßstellen (11, 12, 13) jeweils ein separater Sensorarray-Detektor (41, 42, 43) zugeordnet ist oder
daß mehreren Meßstellen (15, 16) ein gemeinsamer Sensorarray-Detektor (47) zugeordnet ist.

5. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensorarray-Detektor (41, 42, 43) im unmittelbaren Bereich der Meßstelle (11, 12, 13) vorzugsweise innerhalb des Strömungswegs (2) angeordnet ist.

6. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorarray-Detektor (47) mit Abstand zur Meßstelle (15, 16), vorzugsweise außerhalb des Strömungskanals (2), angeordnet und einer Probenahmesonde (15a, 16a) zugeordnet ist, die mit ihrem die Meßstelle bildenden Probenahmeende in die Strömungsbahn (2) eingreift und mit ihrem anderen Ende außerhalb der Strömungsbahn (2) angeordnet ist.

7. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Meßstellen mit Probenahmesonde (15a, 16a) einem gemeinsamen Sensorarray-Detektor (47) zugeordnet sind und
daß eine, vorzugsweise elektrisch schaltbare, Verteilereinrichtung (17) zwischen den Probenahmesonden und dem Sensorarray-Dektektor (47) geschaltet ist.

8. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) einen Strom-Spannungs­ konverter mit vorzugsweise integriertem Verstärker (7), einen Analog/Digital-Wandler (8) und einen Rechner (9), z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroler oder PC, vorzugsweise zur Hauptkomponentenanalyse, aufweist.

9. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) eine Anzeigeeinrichtung (10) aufweist.

10. Filtereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (10) räumlich getrennt von der Auswerteeinrichtung (6) ausgebildet ist, vorzugsweise als ortsfeste Einrichtung oder als portable Einrichtung mit drahtloser Signalübertragung, z. B. in einer Armbanduhr integrierbar.

11. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) mit einer die Betriebsbedingungen automatisch steuernden Steuereinrichtung verbunden ist.

12. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensorarray-Detektor (41, 42, 43; 47) mehrere Einzelsensoren gleichen oder unterschiedlichen Sensortyps aufweist.

13. Filtereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorarray-Detektor (41, 42, 43; 47) vier bis zehn Einzelsensoren aufweist, vorzugsweise sechs Einzelsensoren, wobei drei Einzelsensoren eines ersten Sensortyps und drei Einzelsensoren eines zweiten Sensortyps vorgesehen sind.

14. Filtereinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Einzelsensoren als Halbleiterelement ausgebildet ist, insbesondere ein MOx-Halbleiter ist.

15. Filtereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der MOx-Halbleiter ein SnO2-Halbleiter oder TiO2-Halbleiter ist.

16. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Einzelsensor als Schwingquarz ausgebildet ist.

17. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Einzelsensoren auf eine Sensorbetriebstemperatur thermostatisiert ist, vorzugsweise mehrere, insbesondere alle Einzelsensoren des Sensorarray-Detektors (41, 42, 43; 47) auf unterschiedliche Sensorbetriebstemperaturen thermostatisiert sind.

18. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorarray-Detektor eine Partikelfilterschicht aufweist.

19. Filtereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsfilter (1) in einem Luftführungskanal (2), z. B. Zuluftkanal, Abluftkanal oder Luftrückführungskanal einer Belüftungsanlage oder Klimaanlage für den Innenraum eines Fahrzeugs oder eines Gebäudes angeordnet ist.

20. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsfilter (1) in einem Abluftkanal einer Abluft erzeugenden Maschine, z. B. eines ozonerzeugenden Lasergerätes, wie Laserdrucker, oder Verbrennungsmotor angeordnet ist.

21. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsfilter in einer Atemluftzuführeinrichtung einer Gasmaske angeordnet ist.

22. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsfilter (31) im Auslaß einer Stomabeuteleinrichtung (30) angeordnet ist.

23. Verfahren zum Betrieb einer Filtereinrichtung mit einem von einem Gasgemisch durchströmten Adsorptionsfilter,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) mit Hilfe einer Sensoreinrichtung mit Sensorarray-Detektor wird an einer Meßstelle, die abströmseitig nach dem Adsorptionsfilter oder innerhalb des Adsorptionsfilters oder anströmseitig vor dem Adsorptionsfilter angeordnet ist, das momentane Auftreten und/oder die momentane Konzentration mindestens einer Komponente des Gasgemischs ermittelt,
• b) abhängig von der Information aus Schritt a) wird unter Rückschluß auf den momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters der Betrieb der Filtereinrichtung gesteuert.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt a) ungefähr zum selben Zeitpunkt an mehreren Meßstellen durchgeführt wird, welche in Strömungsrichtung des Gasgemischs hintereinander angeordnet sind, vorzugsweise eine Meßstelle abströmseitig nach dem Adsorptionsfilter und eine Meßstelle innerhalb des Adsorptionsfilters oder anströmseitig vor dem Adsorptionsfilter.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) das Auftreten und/oder die Konzentration mehrerer Komponenten des Gasgemischs, vorzugsweise nur bestimmter Suchkomponenten, ermittelt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) das Auftreten einer Komponente ermittelt wird unter Vergleich der gemessenen Signalmuster mit gespeicherten, komponentenspezifischen Signalmustern.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Konzentration einer Komponente ermittelt wird unter Anwendung der Hauptkomponentenanalyse.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) der momentane Beladungszustand des Adsorptionsfilters ermittelt wird durch Vergleich der Konzentration der Komponenten an verschiedenen Meßstellen oder durch Vergleich der Konzentration an einer Meßstelle mit gespeicherten Daten der Durchbruchskurve der Komponente.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Meßsignale des Sensorarray-Detektors mit einem Mikroprozessor, Mikrocontroler oder PC durchgeführt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Betriebs der Filtereinrichtung die Anströmgeschwindigkeit und/oder der Umluft/Bypassbetrieb und/oder die Betriebszeit des Adsorptionsfilters und/oder der Adsorptions/Desorptionszyklus gesteuert wird.

31. Verwendung einer Filtereinrichtung, wobei die Filtereinrichtung einen Adsorptionsfilter, der von einem Gasgemisch durchströmt wird, und eine vom momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters abhängige Daten zur Steuerung des Betriebs der Filtereinrichtung liefernde Einrichtung mit einer Sensoreinrichtung, vorzugsweise mit Sensorarray-Detektor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eingesetzt wird:

• - in einer Lüftungseinrichtung und/oder Klimaanlage für den Innenraum eines Fahrzeugs oder eines Gebäudes oder
• - in einer Gasmaskeneinrichtung oder
• - in einer Abluftreinigungseinrichtung für Abluft erzeugende Maschinen, z. B. ozonerzeugende Lasergeräte, Verbrennungsmotoren usw. oder
• - in einer Stomabeuteleinrichtung,

wobei mit Hilfe der Sensoreinrichtung an mindestens einer Meßstelle, die abströmseitig nach dem Adsorptionsfilter oder innerhalb des Adsorptionsfilters oder anströmseitig vor dem Adsorptionsfilter angeordnet ist, oder an mehreren solcher Meßstellen das momentane Auftreten oder die momentane Konzentration mindestens einer Komponente des Gasgemischs ermittelt wird und abhängig von dieser Information unter Rückschluß auf den momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters der Betrieb der Filtereinrichtung gesteuert wird.

32. Verwendung eines Sensorarray-Detektors zur Steuerung des Betriebs einer Filtereinrichtung mit Adsorptionsfilter, der von einem Gasgemisch durchströmt wird,um daraus Schadstoff- und/oder Geruchskomponenten zu entfernen,
wobei mit Hilfe des Sensorarray-Detektors an mindestens einer Meßstelle, die abströmseitig nach dem Adsorptionsfilter oder innerhalb des Adsorptionsfilters oder anströmseitig vor dem Adsorptionsfilter angeordnet ist, oder an mehreren solcher Meßstellen das momentane Auftreten oder die momentane Konzentration mindestens einer Komponente des Gasgemischs ermittelt wird und abhängig von dieser Information unter Rückschluß auf den momentanen Beladungszustand des Adsorptionsfilters der Betrieb der Filtereinrichtung gesteuert wird.