DE102008057458B4

DE102008057458B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Integritätstests

Info

Publication number: DE102008057458B4
Application number: DE102008057458A
Authority: DE
Inventors: Maik Jornitz; Dr. Meyer Jens
Original assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2028-11-15
Also published as: WO2010054740A1; US20110214485A1; EP2365855A1; DE102008057458A1; US9072996B2

Abstract

Verfahren zur Durchführung von Integritätstests von mindestens einem innerhalb eines Filtergehäuses (2, 2') angeordneten Filterelement (3, 3') mit porösen Filtermaterialien, bei dem Mittel zur Schallmessung von durch ein Testfluid bei Durchströmung des Filterelementes (3, 3') erzeugtem Schall vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schrt benetzten Filtermaterialien des Filterelements (3, 3') mit dem Testfluid unter Aufrechterhaltung eines konstanten Fluiddrucks, b) Messen des von dem die Filtermaterialien durchströmenden Testfluids verursachten Körperschalls und/oder der Vibration mit Sensoren (6, 15, 16, 18, 19, 20) und c) Vergleichen des in Schritt b) gemessenen Körperschalls und/oder der Vibration mit dem unter identischen Bedingungen gemessenen Körperschall und/oder der Vibration eines integeren gleichen Filterelementes (3, 3').

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Integritätstests von mindestens einem innerhalb eines Filtergehäuses angeordneten Filterelement mit porösen Filtermaterialien, bei dem Mittel zur Schallmessung von durch ein Testfluid bei Durchströmung des Filterelementes erzeugtem Schall vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung von Integritätstests von mindestens einem innerhalb eines Filtergehäuses angeordneten Filterelement mit porösen Filtermaterialien, die von einem Testfluid durchströmbar sind, bei der Mittel zur Schallmessung von durch das Testfluid bei Durchströmung des Filterelementes erzeugtem Schall vorgesehen sind.
Stand der Technik
Aus der WO 94/11721 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von Integritätstests von innerhalb eines Filtergehäuses angeordneten Filterelementen mit porösem Filtermaterial bekannt. Dabei unterteilt ein mit einer Benetzungslösung benetztes Filterelement einen Gehäuseinnenraum in eine Einlassseite bzw. einen Unfiltratraum und eine Auslassseite bzw. Filtratraum. Beide Seiten können mit einem Testfluid gefüllt werden, wobei eine Druckdifferenz zwischen der Einlass- und der Auslassseite erzeugt wird, so dass das Testfluid durch das Filterelement hindurchströmt, wobei dabei erzeugter Schall von einem Sensor bzw. einem Mikrofon, das in der Nähe des benetzten Filterelementes bzw. im Lumen eines Einlassrohres oder eines Auslassrohres angeordnet ist, aufgenommen und als elektrisches Signal einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt wird. Die Signalverarbeitungseinheit analysiert das Signal und stellt fest, ob das Filterelement integer ist oder nicht.
Nachteilig dabei ist, dass hier ein Test durchgeführt wird, der einen benetzten Filter benötigt. Die verwendete Druckdifferenz bzw. der Druck zur Durchströmung des Filterelementes muss dabei geringer sein als der Druck, bei welchem das Benetzungsmittel aus der größten Pore einer homogenen porösen Struktur des Filtermaterials ausgetrieben wird.
Weiterhin ist aus der EP 0 248 218 B1 ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Integritätstests bekannt, bei dem ein Filterelement, beispielsweise eine Hohlfadenmembran in einem Gehäuseinnenraum angeordnet ist. Auch hier wird ein sogenannter Bubble Point-Test durchgeführt. Dazu muss auch hier das Filtermaterial mit einer benetzenden Flüssigkeit benetzt werden. Während einer zeitlichen Erhöhung des Gasraumdruckes wird die Schallintensität in einem mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuseinnenraum mit einem Mikrofon gemessen, wobei der Gasraumdruck bestimmt wird, bei dem eine sprunghafte Erhöhung der Schallintensität feststellbar ist.
Weiterhin ist aus der WO 99/16538 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lokalisierung defekter Filterelemente innerhalb einer Mehrzahl von Filterelementen, die in einem Gehäuse angeordnet sind, bekannt. Auch hier sind alle in einem Gehäuse angeordneten Filterelemente von einer Flüssigkeit benetzt und werden einem Gasdruck ausgesetzt, wobei das Vorhandensein defekter Filterelemente während eines Diffusiontestes akustisch durch Mikrofone erkannt wird.
Weiterhin ist aus der JP 2006-218372 A (Abstract) ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Integritätstests von einem innerhalb eines Filtergehäuses angeordnetem Membranfilter bekannt. Die Membranfilter teilen ein Membranmodul bzw. Filtergehäuse in einen Unfiltratraum und in einen Filtratraum. Ein Gasfluss zwischen beiden Kammern kann mit Mitteln zur Messung von Schall, der in dem Membranmodul erzeugt wird, festgestellt werden.
Nachteilig ist auch hier, dass die Filterelemente offenbar benetzt werden müssen.
Aus der US 6 666 070 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Integritätsdefekten in Form von Leckstellen in einer Wabenstruktur eines Filters zum Einfangen und Verbrennen von Diesel-Abgas-Partikeln bekannt. Die Wabenstruktur des Filters umfasst mehrere parallele Zellkanäle, welche die Wabenstruktur von einem Einlassende zu einem Auslassende durchqueren. Zur Durchführung des Integritätstests wird Druckluft durch das Einlassende der Wabenstruktur geleitet. An dem Auslassende der Wabenstruktur ist ein akustischer Sensor angeordnet, der einen Luftstrom an dem Auslassende erkennt.
Nachteilig dabei ist, dass der Filter eine Porosität aufweist, die nicht erlaubt, dass die Druckluft die internen Wände passiert, solange keine Leckstellen vorhanden sind. Das dabei verwendete Luftgebläse weist einen Druck auf, der zwischen 1 und 15 psi liegen soll. Auch bei einem mit einem fest eingestellten Wert arbeitenden Luftgebläse ändert sich der auf die Filtermaterialien wirkende Fluiddruck in Abhängigkeit von vorhandenen Leckstellen. Weiterhin nachteilig ist, dass der Filter zum Testen in ein spezielles Testgehäuse eingesetzt werden muss.
Aus der DE 694 09 736 T2 ist ein Verfahren zur Durchführung von Integritätstests von einem innerhalb eines Filtergehäuses angeordneten Filterelement mit porösen Filtermaterialien bekannt, dabei wird ein Gasgemisch unter Druck auf eine Oberfläche des Filters bzw. der Membranstruktur aufgebracht, um das Gasgemisch zu veranlassen, durch die Poren der Membranstruktur zu wandern und aus einer zweiten Oberfläche derselben auszutreten.
Nachteilig dabei ist, dass zur Erzeugung einer akustischen Emission Bestandteile des Gasgemisches bzw. des Testfluids nach dessen Austritt aus der zweiten Oberfläche mit einem Lichtstrahl einer Wellenlänge, die von dem Bestandteil des Gasgemisches stark absorbiert wird, erregt werden müssen.
Weiterhin nachteilig dabei ist, dass auch bei diesem Test ein benetzter Filter benötigt wird.
Aus der US 6 568 282 81 ist ein Verfahren zur Durchführung von Integritätstests von einem Filter bekannt, der als eine in einem Gehäuse aufgespannte poröse Membran ausgebildet ist. Bei dem Verfahren wird ein Fluid, welches mindestens teilweise nicht mit dem für die Membran verwendeten Benetzungsfluid mischbar ist, an einer ersten Seite der benetzten Membran bei einem Druck, der größer als ein Druck auf einer zweiten Seite der Membran ist, zugeführt. Dabei wird in dem Membran- bzw. Filtergehäuse eine vorbestimmte Druckdifferenz eingestellt und anschließend wird die Übertragungsgeschwindigkeit des Testfluids von der ersten Seite der Membran zu der zweiten Seite der Membran gemessen. Die gemessene Übertragungsgeschwindigkeit wird anschließend mit einer zweiten vorbestimmten Übertragungsgeschwindigkeit verglichen, um die Integrität zu bestimmen.
Nachteilig ist auch hier, dass eine Benetzung des Filtermaterials notwendig ist. Eine Schallmessung ist aus dieser Druckschrift nicht bekannt und macht aufgrund des verwendeten Messprinzips keinen Sinn.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen und wobei insbesondere eine Durchführung des Verfahrens bei unbenetzten Filterelementen möglich ist.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass es durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

a) Beaufschlagen einer ersten Seite der nicht benetzten Filtermaterialien des Filterelements mit dem Testfluid unter Aufrechterhaltung eines konstanten Fluiddrucks,
b) Messen des von dem die Filtermaterialien durchströmenden Testfluid verursachten Körperschalls und/oder der Vibration mit Sensoren und
c) Vergleichen des in Schritt b) gemessenen Körperschalls und/oder der Vibration mit dem unter identischen Bedingungen gemessenen Körperschall und/oder der Vibration eines integeren gleichen Filterelementes.

Im Gegensatz zu den bekannten Testverfahren wie Bubble Point-Test und Diffusiontest ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig, die Filterelemente vor dem Test zu benetzen. Das Geräusch bzw. der Schall der erfindungsgemäßen Fluidströmung variiert in seiner spektralen Zusammensetzung bzw. Frequenzen und/oder seiner Höhe, falls Veränderungen im Filtersystem auftreten, die benutzt werden können, um die Integrität des gesamten Filtersystems oder eines einzelnen Filterelementes zu bestimmen. Dabei wird der Schall als von dem die Filtermaterialien durchströmenden Testfluid verursachten Körperschall und/oder als verursachte Vibration indirekt gemessen. Die Grundlage der Schallstärke und seines Spektrums kann durch Vergleich des gemessenen Körperschalls und/oder der Frequenzen bzw. Vibration mit unter identischen Bedingungen gemessenen Körperschall und/oder Vibrationen eines integren gleichen Filterelementes bestimmt werden. Damit lässt sich relativ einfach und sicher die Integrität eines Filterelementes testen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann als Testfluid eine Testflüssigkeit verwendet werden. Von besonderem Vorteil ist jedoch als Testfluid ein Testgas zu verwenden. Hierzu ist es nicht notwendig, wie bei den bekannten Tests, die Filterelemente vorher zu benetzen.
Der Körperschall kann mithilfe an einer Filtergehäusewandung und/oder an Zu- oder Abflussleitungen angeordneten Sensoren gemessen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Körperschall berührungsfrei durch Laser-Vibrationsmessung gemessen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden an den Filterelementen und/oder am Filtergehäuse und/oder an den Zu- und/oder Abflüssen entstehende Vibrationsmuster gemessen. Die Vibrationsmuster können dabei mit Vibrationssensoren gemessen werden, die direkt an den Filterelementen, dem Filtergehäuse oder dem Zu- oder Abfluss angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Vibrationsmuster aber auch kontaktlos mit optischen Vibrationssensoren gemessen werden. Insbesondere ist es möglich, die Vibrationsmuster kontaktlos durch Laser-Vibrationsmessung zu bestimmen.
Die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 11 dadurch gelöst, dass zur Messung des Schalls als Körperschall an der Filtergehäusewandung und/oder an Zu- oder Abflussleitungen Sensoren vorgesehen sind, und/oder dass zur Messung von Vibrationsmustern an den Filterelementen und/oder am Filtergehäuse und/oder an den Zu- und/oder Abflüssen kontaktlose optische Vibrationssensoren vorgesehen sind.
Durch die Verwendung kontaktloser Sensoren als Mittel zur Schallmessung kann auf Sensoren innerhalb des Gehäuses, des Filterelementes oder der Zu- und Ableitungen verzichtet werden. Die kontaktlosen Sensoren sind wieder verwendbar, während das Filtergehäuse mit Filterelement oder zumindest das Filterelement, beispielsweise als Einmal-Filterelement, kostengünstig austauschbar sind.
Die Sensoren sind dabei als optische Vibrationssensoren in Verbindung mit einer Laser-Vibrationsmessung ausgebildet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung von Integritätstests mit einem einzelnen Filterelement und
2: eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung von Integritätstests mit einem Gehäuse mit drei Filterelementen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Vorrichtung 1 zur Durchführung von Integritätstests besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, einem Filterelement 3, einem Zufluss 4, einem Abfluss 5, Sensoren 6 und einer Signalverarbeitungseinheit 7.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1 ist in einem Gehäuseinnenraum 8 des Gehäuses 2 das Filterelement 3 angeordnet. Das Filterelement 3 mit porösem Filtermaterial unterteilt den Gehäuseinnenraum 8 in einen Unfiltratraum 9 und einen zentrisch im Filterelement 3 angeordneten Filtratraum 10. Der Unfiltratraum 9 ist mit dem Zufluss 4 und der Filtratraum 10 ist mit dem Abfluss 5 verbunden. Die Sensoren 6 stehen über Signalleitungen 13 mit der Signalverarbeitungseinheit 7 in Verbindung. Die Signalleitungen 13 können auch als drahtlose Verbindungen ausgebildet sein.
Auch wenn in 1 eine Mehrzahl von Sensoren 6 dargstellt ist, ist zur Durchführung eines Integritätstests mit einem einzelnen Filterelement 3 ein einzelner Sensor 6 ausreichend.
Zur Körperschall- oder Vibrationsmessung hat sich ein an der Bodenplatte 14 außen angeordneter Sensor 15 bewährt. Auch ist es möglich, zur Körperschall- oder Vibrationsmessung einen Sensor 16 außen an der Gehäusewandung 17 des Gehäuses 2 anzuordnen.
Exemplarisch ist ein weiterer Sensor 18 gezeigt, der außen am Abfluss 12 oder innerhalb des Abflusses 5 angeordnet sein kann. Auch ist es möglich, einen Sensor 19 im Filterelement 3 bzw. im Filtratraum 10 anzuordnen.
Weiterhin exemplarisch ist in 1 ein kontaktloser Sensor 20 dargestellt, der die Gehäusewandung 17 des Gehäuses 2 optisch abtastet und die gemessenen Vibrationen der Gehäusewandung 17 über die Signalleitung 13 an die Signalverarbeitungseinheit 7 weiterleitet.
Das Ausführungsbeispiel der 2 zeigt eine Vorrichtung 1' mit einem Gehäuse 2', in dessen Gehäuseinnenraum 8' drei Filterelemente 3' angeordnet sind. Bei Verwendung nur eines Sensors 6 kann bei Durchführung eines Integritätstests zumindest festgestellt werden, ob die Gruppe von drei Filterelementen 3' integer ist. Soweit auch die Integrität eines einzelnen Filterelementes 3' festgestellt werden soll, wird jedem Filterelement 3' ein Sensor 6 zugeordnet.
Zur Durchführung eines Integritätstests wird über den Zufluss 4 dem Unfiltratraum 9 unter Aufrechterhaltung eines konstanten Fluiddrucks ein Testfluid zugeführt, so dass eine dem Unfiltratraum 9 zugewandte erste Seite der Filtermaterialien des Filterelements 3, 3' mit dem Fluiddruck beaufschlagt wird. Dabei durchströmt das Testfluid das Filterelement 3, 3' bzw. dessen Filtermaterialien und verursacht Schall bzw. Vibrationen. Dabei wird der verursachte Schall und/oder die Vibration mit den Sensoren 6 gemessen und in einem anschließenden Schritt mit dem gemessenen Schall und/oder der Vibration mit dem unter identischen Bedingungen gemessenen Schall und/oder der Vibration eines integeren gleichen Filterelementes verglichen. D. h. der Schall bzw. die Vibration wird von den Sensoren 6 detektiert und über die Signalleitung 13 an die Signalverarbeitungseinheit 7 weitergeleitet, in der unter identischen Bedingungen gemessene Schall- oder Vibrationswerte abgespeichert sind, so dass in der Signalverarbeitungseinheit 7 ein Vergleich stattfinden kann.

Claims

Verfahren zur Durchführung von Integritätstests von mindestens einem innerhalb eines Filtergehäuses (2, 2') angeordneten Filterelement (3, 3') mit porösen Filtermaterialien, bei dem Mittel zur Schallmessung von durch ein Testfluid bei Durchströmung des Filterelementes (3, 3') erzeugtem Schall vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Beaufschlagen einer ersten Seite der nicht benetzten Filtermaterialien des Filterelements (3, 3') mit dem Testfluid unter Aufrechterhaltung eines konstanten Fluiddrucks, b) Messen des von dem die Filtermaterialien durchströmenden Testfluids verursachten Körperschalls und/oder der Vibration mit Sensoren (6, 15, 16, 18, 19, 20) und c) Vergleichen des in Schritt b) gemessenen Körperschalls und/oder der Vibration mit dem unter identischen Bedingungen gemessenen Körperschall und/oder der Vibration eines integeren gleichen Filterelementes (3, 3').
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Testfluid eine Testflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Testfluid ein Testgas verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschall mit Hilfe an der Filtergehäusewandung (17) und/oder an Zu- (4) oder Abflussleitungen (5) angeordneter Sensoren (6, 15, 16, 18, 19, 20) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschall berührungsfrei durch Laser-Vibrationsmessung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Filterelementen (3, 3') und/oder am Filtergehäuse (2, 2') und/oder an den Zu- (4) und/oder Abflüssen (5) entstehende Vibrationsmuster gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmuster mit Vibrationssensoren (6, 18, 19, 20) gemessen werden, die direkt an den Filterelementen (3, 3'), dem Filtergehäuse (2, 2') oder dem Zu- (4) oder Abfluss (5) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmuster kontaktlos mit optischen Vibrationssensoren (20) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmuster durch Laser-Vibrationsmessung gemessen werden.
Vorrichtung (1) zur Durchführung von Integritätstests von mindestens einem innerhalb eines Filtergehäuses (2, 2') angeordneten Filterelement (3, 3') mit porösen Filtermaterialien, die von einem Testfluid durchströmbar sind, bei der Mittel zur Schallmessung von durch das Testfluid bei Durchströmung des Filterelementes (3, 3') erzeugtem Schall vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Schalls als Körperschall an der Filtergehäusewandung (17) und/oder an Zu- (4) oder Abflussleitungen (5) Sensoren (6, 15, 16, 18, 19, 20) vorgesehen sind, und/oder dass zur Messung von Vibrationsmustern an den Filterelementen (3, 3') und/oder am Filtergehäuse (2, 2') und/oder an den Zu- (4) und/oder Abflüssen (5) kontaktlose optische Vibrationssensoren vorgesehen sind.