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Optische Spektroskopie und Chemometrie für wissensbasierte Produkte und Verfahren

Spektroskopie, Chemometrie - Spektrales Imaging -
Prozesstomographie - Untersuchung streuender Systeme

 

Prof. Dr. Rudolf W. Kessler, Fakultät Angewandte Chemie, Hochschule Reutlingen
VDI-Fachkonferenz 16. - 17. Februar 2011 in Frankfurt am Main


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.

   

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.

 
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.
   

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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