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Optische Spektroskopie und Chemometrie für
wissensbasierte Produkte und Verfahren
Spektroskopie, Chemometrie - Spektrales Imaging -
Prozesstomographie - Untersuchung streuender Systeme
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Prof. Dr. Rudolf W. Kessler,
Fakultät Angewandte
Chemie, Hochschule Reutlingen
VDI-Fachkonferenz 16. - 17. Februar 2011 in Frankfurt am Main |
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Produktionsprozess mit re- und pro-aktiver Prozessanalytik
Bei den
vorwärtsgerichteten Verfahren (feed forward=pro-aktiv) werden bereits vor dem Eintritt
der Störung Maßnahmen ergriffen, weil Planwerte mit den erwarteten Werten nicht übereinstimmen]
.
Aufgabe der Prozessanalytik ist es in diesem Fall, die Informationen
für die regelbasierte Produktion bereit zu stellen.
Im Gegensatz dazu werden bei den
traditionellen rückwärtsgerichteten Verfahren (feed back=re-aktiv), die vorhandenen
Fehler erst im Nachhinein korrigiert. Hier werden also die realisierten Istwerte mit den
Planwerten verglichen.
Die Abbildung visualisiert das Konzept.
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Toolbox für wissensbasierte Produktion: Spektroskopie und Chemometrie
Spektroskopie
Spektralanalytische Verfahren spielen in der Prozessanalytik eine große Rolle weil sie folgende Vorteile
besitzt:
• berührungsfreie Messung
• Information auf molekularer Basis
• keine zerstörende Probenahme
• hohe Geschwindigkeit
• 100%-Kontrolle möglich
Chemometrie
Ein häufig verwendetes Verfahren zur Reduktion der Dimensionen im Datenraum und zur
Klassifizierung der Objekte ist die Hauptkomponentenanalyse (Principal Component
Analysis, PCA)Sie bestimmt die so genannten Hauptkomponenten, die auch häufig
Faktoren genannt werden, nach rein mathematischen Gesichtspunkten. |
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Toolbox Multivariate Datenanalyse
Der wesentliche Nachteil der PCA (und der PLSR ist), dass die Hauptkomponenten
abstrakte, sogenannte latente Variable darstellen und häufig den physikalisch
chemischen Hintergrund nur ungenau wiederspiegeln.
Es ist deshalb wünschenswert,
neue Methoden für die komplexe Datenanalyse zu entwickeln, die es ermöglichen,
Basiswissen über den Prozess in die chemometrische Beschreibung zu integrieren.
Die
Methoden der multivariaten Kurvenauflösung (Multivariate Curve Resolution, MCR)
erlauben das Einbringen von vorhandenem Wissen in die chemometrische Auswertung in
Form von Nebenbedingungen. Damit kann man die überlagernden spektralen
Informationen in Basisspektren zerlegen. |
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Spektrales Imaging und Prozesstomographie
Taxonomie
Das chemische bzw. das spektrale Imaging kombiniert die molekulare Spektroskopie mit
der ortsaufgelösten digitalen Bildanalyse.
Man unterscheidet ganz allgemein zwischen Imaging und Mapping Techniken.
Mapping oder auch „Whiskbroom Imaging“ genannt,
bedeutet, dass für jeden Objektpunkt ein komplettes Spektrum aufgenommen wird.
Beim
Imaging, oder auch „Staring Imaging“, wird das Objekt mit einer Kamera als Ganzes in
einem einzigen Vorgang bei einer definierten Wellenlänge vermessen.
Beim Linienscan
(= „Pushbroom Imaging“) werden entlang einer Linie zahlreiche Spektren simultan
aufgenommen. |
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