Filtereinrichtung mit MikrowellenresonatorVorgestellt wird eine Filtereinheit in deren Filtermaterial ein oder mehrere Mikrowellenresonatoren integriert sind, die eine Überwachung des Beladungsgrades des Filtermaterials während des Betriebs erlauben. Dadurch können Filterwechselintervalle der realen Beladung des Filters angepasst werden. ProblemstellungDer Wirkungsgrad einer Filtereinheit hängt wesentlich von der Beladung des Filters mit herausgefilterten Inhaltsstoffen ab. Die Beladung kann auf verschiedene Weisen gemessen werden, wie zum Beispiel durch den Druckabfall über die Filtereinheit bei der Durchströmung mit einem bestimmten Volumenstrom, oder über die Massenzunahme durch herausgefilterte Inhaltsstoffe. Beide Verfahren sind komplex, bei letzterem muss zum Beispiel der laufende Prozess unterbrochen und die Filtereinheit gewogen werden. Wenn sich die tatsächliche Beladung einer Filtereinheit allerdings nicht bestimmen lässt, muss sie in der Regel nach einem gewissen Zeitintervall, zu dem eine Beladung die gewünschte Funktion infrage stellt, getauscht oder regeneriert werden. Das Fehlen einer entsprechenden Messmöglichkeit bedingt, dass oftmals Filtereinheiten getauscht werden, obwohl dies noch nicht notwendig wäre. Eine Überwachung des Beladungsgrades von Filtereinheiten im laufenden Betrieb kann deshalb helfen Kosten zu reduzieren. Unsere LösungVorgestellt wird eine Filtereinheit, mit einem oder mehreren in das Filtermaterial integrierten Mikrowellenresonatoren (Abb. 1):
Abb. 1 A) Schematische Zeichnung eines Mikrowellenresonators (5) in einer Filtereinheit (1), bestehend aus Leitermaterial (4), in Form eines Außen- (6) und eines Innenrings (7), das im, in z-Richtung durchströmten Filtermaterial (3) einen streifenförmigen Teil (8) der Filterschicht (2) ausbildet und über elektromagnetische Anschlüsse (9, 10) angeschlossen ist. B) Anschluss-Option nach Art eines Spartransformators, wobei sich eine elektrisch leitende, konduktive Verbindung zwischen dem Außen- (11) und Innenleiter (12) eines Koaxialkabels (13) über einen Teil des äußeren Rings (6) aus dem Leitermaterial (4) des Mikrowellenresonators (5) hinweg erstreckt. (Quelle: Schimmack, Taute, Höft) Einbringen von Fremdmaterial in das elektromagnetische Feld eines Mikrowellenresonators, verschiebt die Resonanzfrequenz einer eingekoppelten Mikrowelle und erhöht zudem die Dämpfung des Resonanzkreises (Abb. 2B/C). Ist ein Mikrowellenresonator also Teil einer Filtereinheit (Abb. 1/2A), so wirkt sich das beim Herausfiltern zwischen das Leitermaterial eingebrachte Material demnach auf die in ihm angeregten Mikrowellen aus. Dies ermöglicht es einen Mikrowellenresonator, der im Filtermaterial integriert ist, zu nutzen, um Rückschlüsse auf die Beladung des Filtermaterials mit den herausgefilterten Inhaltsstoffen oder sogar deren Zusammensetzung, zu ziehen. Die Integration eines Mikrowellenresonators lässt sich dabei einfach und kostengünstig realisieren, indem das Leitermaterial in Form von leitfähigen Fasern oder dünnen Drähten (z.B. als Nahtmaterial), in das Filtermaterial eingenäht, gestickt (Abb. 2A) oder aber auch aufgedruckt oder -gespritzt werden kann. Hierdurch lassen sich solche Filtereinheiten auch weiterhin als kostengünstige Einwegprodukte herstellen. Vorteile
Anwendungsbereiche
EntwicklungsstandSimulationen wurden durchgeführt und ein Prototyp wurde aufgebaut und vermessen (Abb. 2).
Abb. 2: Experimentelle Messung der Beladung einer Filtereinheit mit integriertem Mikrowellenresonator. A) Prototyp einer respiratorischen Filtereinheit (1) mit in das Filtermaterial (2) implementierten Metall-Polymer hybriden Mikrowellenresonators, bestehend aus einem äußeren (3) und einem inneren Ring (4). Der Mikrowellenresonator ist an den Punkten (5) und (6) über kapazitive Kopplung angeschlossen. B) Gemessene Einfügungsdämpfung für die Beladung der Filtereinheit mit Buchenholz-Staubpartikeln bei zunehmendem Gewicht. C) Regressionsgerade, die die Verschiebung der Frequenz (MHz) gegenüber der Beladung mit Buchenholz-Staubpartikeln (Mass in mg) veranschaulicht. (Quelle: Schimmack, Taute, Höft) PatentsituationDE Patent erteilt: DE102017122809B3 Anmelder: Weiterführende InformationenAktuelle Publikation der Erfinder: KontaktDr. Tilmann Götze |
