DE19827525A1 - Verfahren zur Auswertung von Spektren - Google Patents
Verfahren zur Auswertung von SpektrenInfo
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Abstract
Kontinuierliche Spektren können durch rechnerische Methoden mathematisch ausgewertet werden. Erfindungsgemäß erfolgt eine stufenweise Auswertung der Spektren, indem schrittweise von einer komplexen phänomenologischen Beschreibung zu verfeinerten Beschreibungen übergegangen wird. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Auswertung von Holz-oder Faserspektren im Rahmen der Zellstoff- und Papierindustrie.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auswertung
von Spektren, bei denen mittels rechnerischer Methoden über
einen vorgegebenen Bereich erfaßte, kontinuierliche Spektren
ausgewertet werden. Die Erfindung soll insbesondere auf dem
Gebiet der Zellstoff- und Papierindustrie eingesetzt werden.
Komplexe chemische Systeme, wie z. B. Holz, Zellstoff oder
Papier, besitzen eine heterogene Struktur und eine viel
schichtige chemische Zusammensetzung. Durch Anwendung von
Spektroskopie erhält man von diesen Stoffen äußerst kompli
zierte optische Spektren. Bereits vorgeschlagen wurde die
Auswertung dieser Spektren, um die mechanischen Eigenschaften
des Papiers und des Zellstoffs zu erhalten oder um auf die
Spezies und die Zusammensetzung des Holzes zu schließen. Ziel
ist es immer, die Größen unmittelbar zur Prozeßführung zu
nutzen. Dafür müssen die Spektren online gemessen und aus
gewertet werden.
Bisher erfolgt die Auswertung der Spektren auf zwei Wegen:
Einmal kann eine bevorzugte Wellenlänge unmittelbar mit einer
Stoffeigenschaft in Verbindung gebracht werden, wie z. B. bei
der Bestimmung des Ligningehaltes bei einer Wellenlänge von
280 nm üblich. Es kann aber auch das gesamte Spektrum aus
gewertet werden, z. B. mit einer Hauptkomponentenanalyse oder
ähnlicher komplexer Auswerteverfahren.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbesser
tes Auswerteverfahren anzugeben, das einfacher und genauer
als die bisher angewandten Methoden ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
stufenweise Auswertung der Spektren erfolgt, indem schritt
weise von einer komplexen phänomenologischen Beschreibung zu
verfeinerten Beschreibungen übergegangen wird. Dabei werden
neben den kontinuierlichen Spektren vorzugsweise auch deren
erste und zweiten Ableitungen ausgewertet. Zur Auswertung
kommen chemometrische Methoden, wie insbesondere die Haupt
komponentenanalyse (PCA = Principle Component Analysis),
aber auch Modellierungsansätze, wie Neuronale Netze und/oder
Fuzzy-Methoden.
Bei der Erfindung werden sogenannte Klassifikatoren einge
setzt. Derartige Klassifikatoren eignen sich beispielsweise
zur Untersuchung von Holzspektren oder Faserspektren. Das
Verfahren kann aber auch überall dort eingesetzt werden, wo
komplexe chemische und physikalische Prozesse ablaufen, deren
Zwischen- und Endprodukte durch Spektren bewertet werden kön
nen und wo summarische, phänomenologische Qualitätseigen
schaften für die Produktbewertung zu ermitteln sind. Bei
spielsweise kann das Verfahren neben der hier im einzelnen
beschriebenen bevorzugten Anwendung in der Zellstoff- und
Papierindustrie auch in der klassischen Chemie, Polymer
chemie, Biochemie, in der Abwasseranalytik, in der Lebens
mittelindustrie, in der Enzymchemie und in der Pharmazie
angewandt werden.
Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Vor
gehensweise eine erheblich höhere Genauigkeit und Treff
sicherheit als beim Stand der Technik. Bestimmte physikali
sche Größen lassen sich überhaupt erst dann bestimmen, wenn
man ähnliche Spektren zu Spektrengruppen zusammenfaßt und für
diese Spektren ein Modell aufstellt. Durch die schrittweise
Auswertung der Spektren von einem grobmaschigen Modell zu
einem feinmaschigen Modell werden die Modelle unempfindlicher
gegen Störungen oder Rauschen der Signale.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs
beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren
Unteransprüchen. Es zeigen
Fig. 1a ein Spektrum zur Holzarterkennung,
Fig. 1b zweite Ableitungen von Spektren verschiedener
Faserstoffe,
Fig. 2 das Schema der Auswertung von Holzspektren und
Fig. 3 und 4 Schemata zur Auswertung von Faserspektren.
Die Fig. 1a zeigt ein Holzspektrum, wie es mit bekannten
Spektrometern im Infrarotbereich (IR) oder nahen Infrarot
bereich (NIR) erhalten wird. Die Spektren werden in bekannter
Weise mit chemometrischen Methoden ausgewertet, wobei insbe
sondere das Verfahren der Hauptkomponentenanalyse (PCA =
Partial Component Analysis) angewandt wird, das an anderer
Stelle bereits beschrieben ist. Dabei werden nicht nur die
Originalspektren, wie beispielsweise in Fig. 1a, sondern
auch die erste und/oder die zweite Ableitung (Differenzen
quotient der Spektren) verwendet, beispielsweise die Kurven
11 bis 14 der Fig. 1b. An den Ableitungen werden zur Aus
wertung entsprechende mathematische Methoden durchgeführt.
In Fig. 2 bedeutet 20 ein Modell zur Auswertung von Holz
spektren. Dabei ist mit 21 ein Klassifikator für die Unter
scheidung von Laubholz und Nadelholz bezeichnet, dem weitere
Klassifikatoren 22 und 23 für die Unterscheidung unterschied
licher Laubhölzer einerseits und die Unterscheidung unter
schiedlicher Nadelhölzer andererseits folgen. Mit solchen
Klassifikatoren können vorab einzelne Modelle gewählt werden,
beispielsweise für Laubholz ein Buchemodell, ein Birkemodell
oder ein Eukalyptusmodell, und für Nadelholz beispielsweise
ein Fichtemodell, ein Piniemodell und ein Tannemodell. Als
Ausgabesignale werden in diesem Fall beispielsweise die
chemische Zusammensetzung des jeweiligen Holzes und/oder die
Feuchte erhalten. Es ist möglich, den einzelnen Holz
art-Modellen weitere Klassifikatoren für Unterarten zuzuordnen,
beispielsweise dem Piniemodell ein Klassifikator 26 für be
kannte Pinienunterarten.
Entsprechendes ist in der Fig. 3 für die Anwendung bei
Faserspektren dargestellt. 30 kennzeichnet ein Modell für die
Auswertung der Faserspektren mit einem Klassifikator 31 für
die Unterscheidung der unterschiedlichen Fasern, dem die
einzelnen Modelle für die Fasern nachgeschaltet sind. Bei
spielsweise folgt ein sogenanntes BSK-Modell 32 (BSK =
Bleached Softwood Kraft, Nadelholz, Kraftzellstoff), ein
sogenanntes BHK-Modell 33 (BHK = Bleached Hardwood Kraft,
Laubholz, Kraftzellstoff), ein sogenanntes BSS-Modell 34 (BSS
= Bleached Softwood Sulfit, Nadelholz, Sulfitzellstoff) und
ein BHS-Modell 55 (BHS = Bleached Hardwood Sulfit, Laubholz,
Sulfitzellstoff). Für die Fasern folgen weiterhin ein soge
nanntes CTMP-Modell 36 (CTMP = Chemical Thermical Mechanical
Pulp, Refinerstoff), ein sogenanntes DIP-Modell 37 (DIP =
Deinked Pulp, deinkter Papierzellstoff) und ein sogenanntes
GW-Modell 38 (GW = Ground Wood, Holzschliff).
In Fig. 4 ist ein Modell 40 zur Auswertung von Faserspektren
unter Berücksichtigung des Mahlgrades beschrieben, das ins
besondere zur Bestimmung der Festigkeitseigenschaften von
Papier angewandt werden kann. Es hat sich gezeigt, daß eine
sehr feine Modellierung der Festigkeitseigenschaften von
Papier dann erreicht werden kann, wenn vor der eigentlichen
Modellierung die Festigkeitseigenschaften nach dem Mahlgrad
klassifiziert werden. Entsprechend sind in Fig. 4 dem Modell
für den Mahlgrad 41 Untermodelle 42 bis 46 nachgeordnet, die
jeweils für unterschiedliche Mahlgrade ausgelegt sind. Als
Ergebnis werden für die einzelnen Modelle jeweils die Festig
keitseigenschaften von Papier erhalten.
Die Einrichtung mit der Klassifizierung nach dem Mahlgrad
gemäß Fig. 4 kann sich einem Modell zur Klassifizierung der
Faserspektren gemäß Fig. 3 anschließen. Sie kann aber auch
allein eingesetzt werden, wenn insbesondere bereits der
Fasertyp bekannt ist und hier keine Änderungen zu erwarten
sind. Dabei kann der in der ersten Stufe mit dem ersten
Modell bestimmte Mahlgrad für die Modellierung in der zweiten
Stufe mit dem zweiten Modell bestimmt werden. Aus dem Mahl
grad allein und/oder unter Einbeziehung der Spektren wird das
Modell für die Festigkeit erstellt.
Speziell zur Bestimmung der Eigenschaften von Papier in einer
Papiermaschine kann die spektroskopische Messung vorteilhaft
direkt über der laufenden Papierbahn erfolgen. Der Meßkopf
des Spektrometers kann dabei über die Papierbahn traversieren
oder es können mehrere Sensoren über der laufenden Papierbahn
fest im Querschnitt angeordnet sein.
Bei der Modellierung der Festigkeiten über dem Mahlgrad kann
in einem ersten Schritt die Festigkeit aus dem Mahlgrad
selbst berechnet werden und in einem zweiten Schritt ein
Offset zu dem direkt aus dem Mahlgrad ermittelten Festig
keitswert aus den Spektren bestimmt werden, wozu ein
Offset-Modell verwendet wird.
Die Beispiele anhand der Fig. 2 bis 4 betreffen Spektren,
die an Holz und/oder Fasern durchgeführt werden. Im Prinzip
kann die Methode der stufenweisen Auswertung der Spektren,
bei der schrittweise von einer komplexen phänomenologischen
Beschreibung zu Detailbeschreibungen übergegangen wird,
überall dort eingesetzt werden, wo komplexe chemische und
physikalische Prozesse ablaufen und deren Zwischen- und
Endprodukte durch Spektren bewertet werden können und bei
denen summarische, phänomenologische Qualitätseigenschaften
für die Produktbewertung zu ermitteln sind. Neben den be
vorzugten Anwendungsgebieten in der Zellstoff- und Papier
industrie ist die Erfindung beispielsweise auch in der
Abwasseranalytik, in der Lebensmittelindustrie, in der
Enzymchemie und Pharmazie sowie in der allgemeinen Polymer
chemie und Biochemie anwendbar.
Claims (18)
1. Verfahren zur Auswertung von Spektren, bei denen mittels
rechnerischer Methoden über einen vorgegebenen optischen
Bereich erfaßte, kontinuierliche Spektren ausgewertet
werden, dadurch gekennzeichnet, daß
eine stufenweise Auswertung der kontinuierlichen Spektren
erfolgt, indem schrittweise von einer komplexen phänomeno
logischen Beschreibung zu Detailbeschreibungen übergegangen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Auswertung zusätzlich an der
ersten und/oder zweiten Ableitung der kontinuierlichen Spek
tren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Auswertung chemometrische Methoden
und/oder Neuronale Netze und/oder Fuzzy-Methoden herangezogen
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Messungen und/oder die Auswertun
gen online oder offline durchgeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß für eine erste Eigenschaft ein erstes
Modell aufgestellt, daß für eine zweite Eigenschaft ein zwei
tes Modell aufgestellt wird und daß für weitere Eigenschaften
weitere Modelle verwendet werden, wobei jedes Modell jeweils
für sich die kompletten Spektren bzw. deren Ableitungen aus
wertet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die in einem vorangehenden Schritt
erhaltene Eigenschaft bestimmt, welches Modell für die Er
mittlung der weiteren Eigenschaften angewandt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Anwendung bei der
Prozeßsteuerung zur Herstellung von Produkten, deren Aus
gangsstoffe, Zwischen- und/oder Endprodukte durch Spektren
bewertet werden können.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Anwendung bei der
Qualitätskontrolle zur Herstellung von Produkten, deren Aus
gangsstoffe, Zwischen- und/oder Endprodukte durch Spektren
bewertet werden können.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß Holzspektren
ausgewertet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß in einer ersten Stufe mit
einem ersten Klassifikator ermittelt wird, ob es sich bei dem
Holzspektrum um Laubholz oder Nadelholz handelt, und daß in
einer zweiten Stufe mit weiteren Klassifikatoren jeweils
eigene Modelle für die einzelnen Arten der Laubhölzer oder
der Nadelhölzer verwendet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß in einem dritten Schritt die
Unterart des Holzes ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß für einzelne Holzarten
mittels eines unterlagerten Modells auch die chemische
Zusammensetzung bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß Faserspektren
ausgewertet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß in der ersten Stufe nach der
Faserart klassifiziert wird, insbesondere in
- - Nadelholz, Kraftzellstoff
- - Laubholz, Kraftzellstoff
- - Nadelholz, Sulfitzellstoff
- - Laubholz, Sulfitzellstoff
- - Refinerstoff
- - deinkter Papierzellstoff
- - Holzschliff.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß nach der Klassifizierung der
Faserart ein für die jeweilige Faserart erstelltes Modell
benutzt wird, um die Festigkeitseigenschaften zu bestimmen.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Festigkeitsmodelle eine
Klassifizierung nach dem Mahlgrad aufweisen.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß dem Modell zur Unterteilung
in Mahlgrade weitere Modelle zur Bestimmung von physika
lisch/chemischen Eigenschaften folgen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, da
durch gekennzeichnet, daß die Be
stimmung der Faserspektren durch spektroskopische Messungen
an der laufenden Papierbahn erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998127525 DE19827525A1 (de) | 1998-06-22 | 1998-06-22 | Verfahren zur Auswertung von Spektren |
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Publications (1)
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DE1998127525 Withdrawn DE19827525A1 (de) | 1998-06-22 | 1998-06-22 | Verfahren zur Auswertung von Spektren |
Country Status (1)
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DE (1) | DE19827525A1 (de) |
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