Filtereinrichtung mit Mikrowellenresonator

Vorgestellt 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.

Problemstellung

Der 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 Lösung

Vorgestellt 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

  • Kostenersparnis durch angepasste Filterwechselzyklen
  • Überwachung des Beladungsgrades von Filtereinheiten im laufenden Betrieb
  • Analyse von gefilterten Stoffen
  • Hinweise auf Filterbeschädigung oder -versagen
  • Kostengünstige Herstellung möglich (z.B. als Einwegfilter)

Anwendungsbereiche

  • Filtration von Inhaltsstoffen aus Gasen, ggf. auch Flüssigkeiten
  • nutzbar in verschiedensten Filtermaterialien wie poröser Keramik, Gewebe oder Vlies
  • Filtertechnologien für Industrieanwendungen oder Sicherheitstechnologien wie z.B.:
    • Industrieabluft
    • Arbeitsschutz
    • Feuerwehr
    • Katastrophenschutz

Entwicklungsstand

Simulationen 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)

Patentsituation

DE Patent erteilt: DE102017122809B3
Internationale Patentanmeldung: WO2019063618A1

Anmelder:

Leuphana Universität Lüneburg Stiftung öffentlichen Rechts
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weiterführende Informationen

Aktuelle Publikation der Erfinder:
Metal-Polymer Hybrid Embroidered Microwave Multiresonator for High-Frequency Sensing: Modelling, Simulation, and Experimental Analysis
IEEE - 2018 48th European Microwave Conference (EuMC)
DOI: 10.23919/EuMC.2018.8541718
M. Schimmack, W. Taute, M. Höft

Vorarbeiten der Erfinder:
Modelling, Simulation and Experimental Analysis of a Metal-Polymer Hybrid Fibre Based Microstrip Resonator for High Frequency Characterisation
Procedia Engineering 168, 2016, Pages 975 - 978
M. Schimmack, W. Taute, M. Höft

Kontakt

Dr. Markus Muchow
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: CPA-2020-Ulue
www.sciencebridge.de

Tags: Mess- und Analysetechnik

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