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29.11.2016 | Optische Technologien | Im Fokus | Onlineartikel

Messtechnische Licht(ein)blicke

Autor:
Dieter Beste

Die exakte Erfassung von Messgrößen in Prozessen ist das A und O etwa bei chemisch-physikalischen oder biotechnischen Produktionsverfahren. Eine aktuelle Studie untersucht die Entwicklungschancen der optischen Prozessanalytik.

Wenn Licht auf Materie trifft, können verschiedene Wechselwirkungen auftreten, die eine Vielzahl von optischen Phänomenen zur Folge haben, wie die Autoren von "Automatische Sichtprüfung" zusammenfassen: "Licht kann absorbiert und in Wärme umgewandelt werden, es kann gerichtet reflektiert oder diffus gestreut werden. Transparente und teiltransparente Materialien lassen einen Teil des Lichtes passieren (Transmission), wobei es an der Grenzfläche des Materials im Allgemeinen nicht geradlinig verläuft (Brechung)" (Seite 82). All diese Phänomene werden messtechnisch genutzt, insbesondere auch in der Prozessanalysentechnik (PAT).

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Die optische Prozessanalytik misst chemische und physikalische Eigenschaften berührungslos und schnell, liefert eine hohe Informationsdichte, kommt ohne Probenahme aus, lässt sich enorm verkleinern und kann einfach in bestehende Prozesslinien integriert werden, heißt es in einer Mitteilung des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT), das in einer Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der RWTH Aachen sowie 14 Unternehmen aus Deutschland und Österreich die Zukunftsperspektiven der optischen Prozessanalytik analysiert hat. Ergebnis der Studie "Inline-Prozessanalytik mit Licht – InLight" ist eine Technologie-Roadmap. Die Herausgabe eines Whitepapers mit den Studienergebnissen planen die Partner für Anfang 2017.

Prozessanalysetechnik - eine Branche mit Potenzial

Bei chemisch-physikalischen oder biotechnischen Produktionsverfahren kommt es darauf an, Messgrößen im laufenden Prozess exakt zu erfassen. "Das Instrumentarium dazu bietet die Prozessanalysentechnik (PAT), für die sich optische Messverfahren besonders eignen", erklärt Reinhard Noll, Leiter des ILT-Kompetenzfeldes Messtechnik und EUV-Strahlquellen. Damit sich die optische PAT nicht nur für den Einsatz im Labor, sondern auch im rauen Industriealltag eignet, bedarf es jedoch robuster, prozesstauglicher und automatisierbarer Sensorik. Dazu untersuchte das Konsortium vier Themenfelder. Gute Entwicklungschancen ermittelte das Team für "spektroskopische Methoden", die sich auch für Anwender ohne spezielles Fachwissen eignen. Gefragt seien flexible Geräte zum Messen in den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig. 

Optischer Zugang ohne Wartung

Im Mittelpunkt des Themenschwerpunkts „optischer Zugang“ steht nach einer Information des ILT die Vision eines wartungsfreien optischen Zugangs. Hier gebe es einen hohen Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Sehr anspruchsvoll fielen auch die Anforderungen des Studienteams im dritten Themenfeld an die "Laserstrahlquellen" aus: Gefragt seien preiswerte Lichtquellen (Preis: < 1000 Euro) für einen breiten Anwendungsbereich (vom mittleren infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich) mit einer langen Betriebsdauer (> 100 000 Stunden) und einem erweiterten Temperaturbetriebsbereich. 

Sensoren einfacher kalibrieren 

Viel hängt mit Blick auf die Zukunft der optischen PAT-Systeme von den Fortschritten bei den Themen "Kalibrierung, Soft Sensor und Sensor Fusion" ab. Die Studie stellte eine Wunschliste auf, die von der stark vereinfachten Kalibrierung von Sensoren bis hin zur Übertragbarkeit von Kalibrierungen zwischen verschiedenen Geräten reicht. Um die mittel- und langfristigen Ziele zu erreichen, zeigt die Technologie Roadmap verschiedene Wege wie Sensorfusion, Selbstdiagnose und automatische Kalibrierung von Sensoren oder In-situ-Qualifizierung auf. 

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