Miniaturisierung in der optischen Spektroskopie

Die Miniaturisierung ist längst in der Prozessanalytik angekommen. Wo früher komplexe Geräteschränke eingesetzt wurden, erfüllen heute vielfach miniaturisierte Sensoren oder intelligente Sensornetze die Aufgaben.

Insbesondere in der optischen Spektroskopie ist die Miniaturisierung erheblich fortgeschritten, dank der rapiden Entwicklungen bei Mikroelektronik, Bildsensoren und Lasern für mobile Kommunikationsanwendungen. Dies bietet für die Prozessanalytik heute und in Zukunft erhebliche Wachstumschancen.

Wir möchten Informationen und Einschätzungen zusammentragen, diskutieren und so letztlich allen Mitgliedern eine Orientierungshilfe bieten.

Als Einstieg in die Thematik haben wir uns zunächst mit den Hindernissen für den Einsatz von miniaturisierten optischen Spektroskopiesystemen (MOSS) in der Prozessanalytik beschäftigt Mit Ihrer Unterstützung können wir auf dieser Basis gezielte Vorschläge machen, wie die Prozessanalytik die Chancen der Miniaturisierung zukünftig besser nutzen kann.

Wir freuen uns über Ihre Mitarbeit und stehen für weitere Fragen gerne zur Verfügung.

Ansprechpartner

Dr. Armin Lambrecht (E-Mail: armin.lambrecht(atnospam)ipm.fraunhofer.de)
Joachim Mannhardt (E-Mail: jm(atnospam)artphotonics.de)
Dr. Heinrich Prüfer (E-Mail: heinrich.pruefer(atnospam)sensologic.de)
Dr. Jens Nolte (E-Mail: j.nolte(atnospam)polytec.de)
Dr. Hanns Simon Eckhardt (E-Mail: h.eckhardt(atnospam)tec5.com)


Leitfragen der Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Miniaturisierung“

Geschrieben von: Armin Lambrecht, Jens Nolte, Heichrich Prüfer und Joachim Mannhardt Mittwoch, den 26. November 2014 um 18:30 Uhr

Leitfragen zur Überwindung möglicher Hindernissen für den Einsatz von miniaturisierten optischen Spektroskopiesystemen in der Prozessanalytik

Der Ad-hoc-Arbeitskreis diskutiert u. a. über diese Leitfragen. Wir würden uns über Ihre weiteren Anregungen freuen.

1. Technische Beschränkungen von MOSS auf System- bzw. Komponentenebene €

Die verfügbaren Systeme können die Prozessanforderungen aufbaubedingt physikalisch, optomechanisch oder elektronisch nicht erfüllen.

Wellenlängen-Achse:

  • spektrale Auflösung zu gering
  • Spektralbereich zu eingeschränkt
  • Stabilität der individuellen Komponente nicht ausreichend
  • Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit über die Serie nicht ausreichend

Intensitäts-Achse:

  • Lichtdurchsatz zu gering
  • Nachweisempfindlichkeit bzw. S/N zu klein
  • Messrate zu klein
  • Signaldynamik zu klein
  • photometrische Stabilität der individuellen Komponente nicht ausreichend
  • photometrische Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit über die Serie nicht ausreichend

Systemkonzept:

  • Faserkopplung ungeeignet
  • integrierte Kalibrationsmöglichkeit fehlt
  • integrierte Lichtquelle ungeeignet bzw. keine geeignete Lichtquelle verfügbar

Umgebungsbedingungen:

  • zulässiger Umgebungstemperaturbereich zu klein
  • mechanische Robustheit unzureichend (Vibration etc.),
2. Hindernisse bei der Prozessankopplung €

Der Ein- oder Anbau der verfügbaren Systeme an die vorgesehenen Messstellen sowie die Steuerung und Auswertung über Standard-Software ist problematisch.

Mechanisch und Elektrisch

  • Ankopplung an Probennahmesystem, Messfenster, Sonde etc. ist schwierig
  • keine geeigneten Armaturen vorhanden
  • Probenzelle ungeeignet
  • Verschmutzung (keine oder unzureichende Reinigungsmöglichkeit)
  • fehlende Kalibrationsmöglichkeit, keine Referenz
  • Gehäuse ungeeignet
  • Lichtleiterkopplung problematisch
  • Miniaturisierung der optischen Systeme erschwert eine angemessene Probenpräsentation für inhomogene Messgüter
  • Hersteller-übergreifend standardisierte Schnittstellen für die Ansteuerung und Ergebnisübernahme existieren noch nicht

Software

  • Softwareschnittstellen/ – Protokolle / -Sicherheit unzureichend
  • Selbsttestfunktion fehlt
  • Auswertungssoftware/Chemometrie nicht vorhanden oder nicht auf Hardware abgestimmt
  • Software läuft nicht stabil
  • Zuverlässigkeit im Prozess (365d/24h) nicht gegeben
  • Miniaturisierung geht Verwendung von etablierter Standardsoftware für PC entgegen
  • hardwarenahe Umsetzung von chemometrischer Auswertung erweist sich in der Anwendung als unflexibel
  • chemometrische Kalibrierungen sind nur innerhalb des jeweiligen Softwaresystems eines einzelnen Herstellers kompatibel
  • im Gegensatz zu den Spektren existiert für die Kalibrationsmodelle kein Datenaustauschformat zwischen verschiedenen Softwaresystemen
3. Schwierigkeiten während des Betriebes €

Im laufenden Betrieb kommen die Systeme nicht ohne Service oder Wartung aus, auch eine Bediener-Interaktion ist mitunter erforderlich.

Wartung und Service

  • Dokumentation bzw. Schulung der Mitarbeiter unklar
  • Wartungsaufwand (z.B. Reinigung, Kalibration, häufige Rekalibration) notwendig
  • Ersatzteile nicht dauerhaft verfügbar, Konzepte zum schnellen Austausch von Modulen nicht vorhanden
  • Softwaresupport und Softwareupdates insbesondere bei zeitkritischen Problemen etwa in laufender Produktion sind schwierig abzubilden (z.B. kein 24h Service verfügbar)
  • Referenzen fehlen

Betriebswirtschaftlich

  • Gesamtpreis liegt nicht wesentlich unter etabliertem PA-Gerät mit vergleichbarer Performance
  • Betriebskosten zu hoch (häufiger Wechsel durch Verschleiß, immer Komplettaustausch notwendig)
  • Langlebige Investition gefordert ( >10a)
  • Lebensdauer unbekannt
  • eingeschränkter Einsatzbereich, da Auslegung auf die jeweilig originäre Applikation (z.B. Feuchtesensor, Glukosesensor)
  • der Kostenaufwand zur individuellen Kalibrierung und Optimierung für eine einzelne Messstelle bleibt genauso groß wie bei einem klassischen Spektrometer und erscheint somit unverhältnismäßig
4. Rahmenbedingungen €

Auch MOSS unterliegen in Produktionsbetrieben den gleichen normativen und betrieblichen Regularien wie entsprechende konventionelle Systeme.

  • Auslegung/Ausführung entspricht nicht der vorgegeben Norm (z.B. Lebensmittelunbedenklichkeit, Betriebssicherheit, Ex-Schutz)
  • Auslegung/Ausführung entspricht nicht der geforderten Richtlinie (z.B. Namur)