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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen und zur Berechnung
bzw. zur Simulation der Ausbereitung von Gerüchen.
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Eine
zunehmende Bedeutung haben unangenehme Gerüche in vielen Teilen der Industrie,
der Landwirtschaft und der Abfallwirtschaft. Geruchsstoffe besitzen
keine typischen chemischen, reversiblen Eigenschaften, da Gerüche aus
einer Vielzahl anorganischer und organischer Substanzen bestehen, zwischen
denen verstärkt
durch meteorologische Einflüsse
synergetische Effekte auftreten. Das führt dazu, daß sich Geruchsbelästigungen
häufig
vervielfachen.
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Es
sind bereits mehrere Vorschläge
bekannt, deren Aufgabe es ist, Gerüche zu erfassen und zu bestimmen.
So wurde ein Verfahren zur Bestimmung, Quantifizierung und/oder
Objektivierung von Geruchsimmissionen bekannt, bei dem mindestens ein
Geruchsstoff über
einen längeren
Zeitraum mit der chemisch inerten Tracersubstanz in Verbindung gebracht
wird, um anhand der Konzentration der gemessenen Tracersubstanz
die aktuelle Geruchsbelästigung
am Immissionsort zu ermitteln (
DE 43 19 857 C2 ). Nachteil dieser Lösung ist,
daß durch
den Einsatz einer Tracersubstanz die Umwelt zusätzlich belastet wird.
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Weiter
ist aus der
EP 07 43
535 A1 ein Überwachungssystem
bekannt, das aus einer Informationseinheit und mehreren Messzellen
besteht und mit den Wetterphänomene
registriert werden.
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In
der
DE 694 16 842
T2 ist ein Verfahren zum Nachweis duftender Substanzen
bekannt, bei der in mehreren Messkammern mittels verschiedener Messverfahren
unterschiedliche gasförmige
Stoffe registriert werden. Dazu sind die Messkammern mit mehreren
Halbleitergassensoren oder Polymerleiter-Gassensoren ausgestattet.
Die Messdaten werden gebündelt
und in Form eines Histogramms, Kurvendiagramms oder eines Sterndiagramms
dargestellt und abgespeichert. Diese Messdaten z. B. in Form des
Sterndiagramms können
dann mit Vergleichsdaten verglichen werden.
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Aus
der Veröffentlichung „Mustererkennung und
Multikomponentenanalyse bei chemischen Sensoren" (veröffentlicht in: im – Technisches
Messen 62 (1995) 6, S. 229–236)
ist es bekannt. Sensorarrays zum Nachweis verschiedener gase einzusetzen
und deren Messsignale mit künstlich-neuronalen
Netzen auszuwerten.
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Weiterhin
wurde ein verfahren zur Bestimmung von Geruchsarten und/oder Geruchsstoffkonzentrationen
durch Probenahame, Bestimmunh der Einzelstoffkonzentrationen mittels
Gaschromatographen, der programmtechnischen Mustererkennung und
Bestimmung der gesuchten Größen bekanne (
DE 197 18 464 A1 ).
nachteil dieses Verfahrens ist, daß zur Bestimmung der Einzelstoffkonzentrationen ein
Gaschromatograph genutzt wird, was einen erheblichen technischen
Aufwand darstellt. ein weiterer Nachteil ist, daß sich bei der Auswahl dieser
Einzelstoffe auf Leitkomponenten des untersuchten Geruchs bezogen
werden muss. Diese Auswahl der Leitkomponenten kann einen Geruch
nur unter konstanten physikalischen Bedingungen charakterisieren,
was eine bedeutende Einschränkung
auf reale Geruchsausbreitungsprozesse darstellt.
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Weiteren
wurde ein Verfahren und Einrichtung zur sensorischen Erfassung und
gezielten Reduzierung von Gerüchen
an offenen Anlagen bekannt, wobei Gas- und meteorologische Sensoren, eine
Probenahme-, eine Auswerte-, eine Steuerungs- und eine Aufzeichnungseinheit
so miteinander verknüpft
werden, daß Geruchsimmissionen
simuliert werden können.
Beim Überschreiten
von Grenzwerten werden bestimmte Maßnahmen eingeleitet, die die
Geruchsimmission vermeiden oder zumindest mindern sollen (
DE 196 04 600 A1 ).
Nachteil dieser Lösung
ist, daß unterschiedlichste
Geruchsmuster entstehen, weil Gerüche und die damit aufzeichneten Sensorsignale
nie exakt gleich sind und deshalb eine hohe Fehlerquote enthalten.
Ein weiterer Nachteil ist, daß bei
Anwendung einer Probeentnahmeeinheit an ausgewählten Stellen der offenen Anlage
gemessen werden muss.
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Die
einzelnen Messungen werden nicht zum gleichen Zeitpunkt durchgeführt. In
dieser Zeit können
sich meteorologischen Bedingungen, insbesondere die Windrichtung
und die Windgeschwindigkeit ändern.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen und
Berechnen der Ausbreitung bzw. Simulation von Gerüchen vorzuschlagen, das
universell anwendbar ist und zu jedem Zeitpunkt das exakte Ermitteln
der jeweiligen Gerüche
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Markmale
gelöst.
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Beidem
verfahren zum Erfassen und Messen der Ausbreitung von Gerüchen finden
1–20 Meßgeräte und 3–7 Wetterstationen
Anwendung, wobei die Wetterstationen einen Windgeschwindigkeitsmesser,
einen Windrichtungsmesser, einen Lufttemperaturmesser und ein Abstandsmeßgerät bestehend
aus einem Peilsender enthalten und das Meßgerät über einen Peilsender zur Abstandsmessung und
eine Lufttemperaturmessung verfügt,
besteht und an einem Computer angeschlossen ist und daß 3–7 örtlich unterschiedliche
aufgenommenen meteorologische Meßdaten und 3–10 örlich voneinander unterschiedliche
aufgenommenen Geruchskonzentrationen als Datensatz in der Ausbreitungsrechnung verwendet
werden. Die qualitative Geruchserkennung erfolgt mit dem Hauptachsentransformationsverfahren
und die quantitative Geruchserkennung erfolgt mit Hilfe neuronaler
Netze. Die Kalibrierung des Meßsystems
ist so durchzuführen,
daß eine
Vielfalt an Geruchstypen erreicht wird. Die für die Geruchsmessung verwendeten
neuronalen Netze sind auf einem Geruchstyp kalibriert und die Auswahl
des entsprechenden neuronalen Netzes erfolgt durch das Hauptachsentransformationsverfahren.
Es wird eine Datenbank Merkmalsgruppe-neuronales Netz verwendet.
Weiterhin wird einen äquivalenten
Wert, der durch ein neuronales Netz gebildet wurde und dem Geruchsschwellwert
entspricht, in der numerischen Simulation verwendet. Außerdem wird
eine Geruchsdatenbank äquivalenten
Wert – Geruchsschwellwert benutzt,
die z. B. durch Olfaktometrie erstellt wurde. Für die Ausbreitungsrechnung
wird eine numerische Simulation und/oder eine analytische Gleichung
oder Gleichungssysteme verwendet und die benötigten orographischen Daten über Eingabe
oder als Datei zur Verfügung
gestellt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden,
dabei zeigt:
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I:
Schematischer Aufbau,
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II:
Geruchsmuster des Geruchsstoffes A,
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III:
Hauptachsentransformationsverfahren für Geruchsstoffe A, B, C und
D,
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IV:
Normiertes Hauptachsentransformationsverfahren,
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V:
Schematischer Arbeitsablauf,
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VI:
Schnitt der dreidemensionale Darstellung der Geruchsausbreitung
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Das
Verfahren besteht, wie in I dargestellt ist, aus drei stationären Wetterstationen 1 und einem
Meßgerät 2.
Die Wetterstationen 1 bestehen aus einem Windrichtungsmesser,
einem Windgeschwindigkeitsmesser, einem Lufttemperaturmesser und
einem Abstandsmesser.
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Das
Meßgerät 2 besteht
aus fünf
Einrichtungen zur Bestimmung der Geruchskonzentrationen und einer
beweglichen Wetterstation mit einem Lufttemperaturmesser und einem
Abstandsmesser. Die Meßdaten
der fünf
Meßvorrichtungen
zur Bestimmung der Geruchskonzentration und der Wetterstationen
werden im Computer verarbeitet.
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Wie I zeigt,
werden die stationären
Wetterstationen 1 am äußeren Rand
des Untersuchungsgebietes angeordnet. Die Abstandsmesser, ausgeführt als
Peilsender, geben während
des gesamten Meßvorganges
ständig
Signale ab. Gleichzeitig werden ständig die Meßdaten der Windrichtungsmesser, der
Windgeschwindigkeitsmesser und der Lufttemperaturmesser an das Meßgerät 2 übertragen.
Mit dem Meßgerät 2 wird
die Geruchskonzentration bestimmt. Aus den Signalen der Abstandsmessern
werden zu jedem Meßvorgang
die Entfernungen zwischen dem Meßgerät 2 und den stationären Wetterstationen 1 ermittelt.
Alle Meßdaten
werden zeitgleich und kontinuierlich gemessen im Computer verarbeitet.
Das sind einerseits die Meßdaten
der Wetterstationen 1 und andererseits die Meßdaten fünf Einrichtungen
zur Bestimmung der Geruchskonzentrationen und der beweglichen Wetterstation.
Diese Daten werden durch unterschiedliche mathematische Verfahren,
die im Computer in ein Strömungsprogramm
impliziert sind, ausgewertet und die Geruchsausbreitung berechnet
bzw. simuliert.
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Erfindungsgemäß besteht
das Verfahren aus nachfolgenden Schritten:
- 1.
Kalibrierung des Meßsystems
(Hauptachsentransformationsverfahren und neuronales Netz),
- 2. Geruchserkennung oder qualitative Einschätzung des Geruches über ein
Hauptachsentransformationsverfahren,
- 3. Geruchsmessung oder quantitative Geruchseinschätzung über ein
neuronales Netz und
- 4. Berechnung/numerische Simulation der Geruchsausbreitung.
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Die
Kalibrierung des Meßsystems
erfogt bei Verwendung unbekannter Gerüche. In II ist ein Geruchsmuster
dargestellt. Es zeigt die unbehandelten normierten Spannungswerte
der Geruchskonzentrationsmessung. In III ist
das Ergebnis eines Hauptachsentransformationsverfahren dargestellt. Das
ist ein mathematisches Verfahren der Merkmalsextration, mit dem
eine beliebige Menge von Meßdaten
mehrerer Sensoren (n-dimensionale Merkmalsraum) auf zwei Hauptmerkmale
transformiert wird, wobei eine größtmögliche Unterscheidung erreicht wird.
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Ziel
der hier vorgestellten Kalibrierung ist es, eine Vielfalt an Geruchstypen
entsprechend neuronale Netze zugeordnet und in einer Datenbank Merkmalsgruppen-neuronales
Netz enthalten. Die Kalibrierung der neuronalen Netze erfolgt z.
B. durch Olfaktometrie. Das Ergebnis dieser Kalibrierung ist die Geruchsdatenbank äquivalenten
Wert-Geruchsschwellwert.
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Die
Geruchserkennung oder die qualitative Geruchseinschätzung erfolgt über das
Hauptachsentransformationsverfahren. Als Ergebnis wird, wie in IV dargestellt,
eine zweidimensionale Einteilung in Merkmalgruppen erreicht. Diesen
Merkmalgruppen, die einem Geruchstyp entsprechen, sind neuronale
Netze zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt aus einer Datenbank Merkmalsgruppeneuronales
Netz.
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Die
Geruchsmessung oder quantitative Einschätzung des Geruches erfolgt
durch das neuronale Netz. Mit dem neuronalen Netz wird ein äquivalenter Wert
berechnet. Ist dieser äquivalente
Wert gleich 1, dann ist die Geruchskonzentration gleich dem Geruchsschwellwert,
Ist dieser äquivalente
Wert größer 1, dann
ist die Geruchskonzentration größer als
der Geruchsschwellwert. In beiden Fällen wird der Geruch vom Menschen
wahrgenommen. Ist dieser äquivalente
Wert kleiner 1, dann ist die Geruchskonzentration kleiner als der
Geruchsschwellwert und der Geruch wird vom Menschen nicht wahrgenommen.
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Die
Geruchsausbreitung wird auf der Basis einer numerischen Simulation
und/oder auf der Grundlage analytischer Gleichungen oder Gleichungssysteme
berechnet. Die entsprechenden orographischen Daten liegen als Datei
vor und sind im Strömungsprogramm
implementiert. Die Standorte der Wetterstationen 1 sind
in der Datei bzw. im Programm gekennzeichnet. Durch die Abstandsmesser, bestehend
aus Peilsender und Peilempfänger,
wird kontinuierlich der Aufenthaltsort des Meßgerätes 2 registriert,
so daß alle
gemessenen Daten ortsgebunden in die numerische Simulation einfließen, Die
gemessenen Daten sind als Datensätze
zu betrachten, daß heißt zu bestimmten
Daten der Wetterstationen gehört
eine entsprechende Geruchsausbreitung. Es werden immer alle Daten
der Wetterstation erfaßt und
erst dann mit den Ausbreitungsergebnisse vergleichen, das heißt die gemessenen
Daten mit den berechneten/simulierten Daten der Geruchsausbreitung.
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Der
komplette Arbeitsvorgang, wie in V zusammengefaßt, besteht
aus nachfolgenden Arbeitsschritten:
- 1. Geruch
Messen (Hauptachsentransformationsverfahren: Bestimmung der Geruchsart
und daraus Festlegung des neuronalen Netzes);
- 2. Geruch Messen mittels neuronalen Netzes und numerische Simulation
bzw. analytische Berechnung der Geruchsausbreitung (dann wieder
Messen und Vergleich mit Berechnungsergebnissen; bei keiner Übereinstimmung
dienen das Meßgergebnis
als Eingangsgröße für neue Berechnung);
- 3. Schritt 2 wird bis Übereinstimmung besteht wiederholt.
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Erfindungsgemäß wird die
numerische Simulation der Geruchsausbreitung nicht wie in bisher erkannten
Verfahren mit einem Konzentrationsmaß gelöst, sondern es wird ein dem
Geruchsschwellwert äquivalenter
Wert, der über
das neuronale Netz ermittelt wird, genutzt. Das grafische Ergebnis
der Simulation, wie in VI als Schnittdarstellung zeigt, kann
eine dreidimensionale Darstellung sein, dessen Oberfläche dem
Geruchsschwellwert entspricht, das heißt innerhalb der Kurve kann
der Geruch wahrgenommen werden, den der äquivalenter Wert liegt oberhalb
des Geruchsschwellwertes und außerhalb dieser
Kurve ist der äquivalenter
Wert kleiner als der Geruchsschwellwert, das heißt der Geruch kann nicht wahrgenommen
werden.
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Erfindungsgemäß können mit
diesem Meßsystem
kontinuierlich Meßwerte
erfaßt,
gespeichert und die Geruchsausbreitung berechnet bzw. simuliert werden.