Konzeption, Entwicklung und Evaluierung eines Messsystems zur sortenreinen Klassifikation von fluoreszenzcodierten Kunststoffen im Rahmen des Kunststoff-Recyclings:
Gespeichert in:
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| Veröffentlicht: |
München
[2017]
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| adam_text | INHALTSVERZEICHNIS
ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIII
TABELLENVERZEICHNIS XVII
SYMBOLVERZEICHNIS XIX
INDEXVERZEICHNIS XXVII
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS XXXI
1 MOTIVATION UND STAND DER TECHNIK 1
1.1 MOTIVATION UND
AUSGANGSSITUATION............................................................
1
1.2 STAND DER TECHNIK BEI DER KUNSTSTOFFSORTIERUNG
...............................................
3
1.2.1 MANUELLE
SORTIERUNG.......................................................................
3
1.2.2 PHYSIKALISCH-CHEMISCHE SORTIERUNG
..............................................
5
1.2.3 SORTIERUNG BASIEREND AUF DER VERWENDUNG
OPTISCHER/SPEKTROSKOPISCHER SENSOREN
...........................................
9
1.2.4 MARKER-BASIERTE
SORTIERUNG............................................................
14
1.3 KONZEPT DES KUNSTSTOFF-RECYCLINGS BASIEREND AUF DER
VERWENDUNG VON FLUORESZENZMARKERN
......................................................
20
1.4
PROBLEMSTELLUNG.........................................................................................
22
1.5
AUFGABENSTELLUNG.......................................................................................
23
1.6 AUFBAU UND GLIEDERUNG DER
ARBEIT............................................................ 26
2 GRUNDLAGEN DER FLUORESZENZSPEKTROSKOPIE UND DER
BILDGEBENDEN SPEKTROSKOPIE 27
2.1
FLUORESZENZ...............................................................................................
27
2.1.1 JABIONSKI DIAGRAM M
......................................................................
28
2.1.2 ABSOLUTE
QUANTENAUSBEUTE............................................................
30
2.1.3 EMISSIONS- UND ANREGUNGSSPEKTREN
..............................................
31
2.1.4 FLUORESZENZSTRAHLUNGSINTENSITAET
.
................................................... 32
2.2 MESSVERFAHREN IN DER
FLUORESZENZSPEKTROSKOPIE...................................... 35
2.2.1 STEADY-STATE
SPEKTROSKOPIE............................................................
35
2.2.2 ZEITAUFGELOESTE (LIFE TIME)
SPEKTROSKOPIE...................................... 35
2.3 BILDGEBENDE
SPEKTROSKOPIE......................................................................
37
2.3.1
TERMINOLOGIEN..................................................................................
37
2.3.2
AUFNAHMEMETHODEN.......................................................................
38
2.3.3 MODELL FUER SPEKTRALE PUSH-BROOM BILDAUFNAHMESYSTEME..............
41
2.3.4 RAEUMLICHE
SYSTEMANTWORT...............................................................
43
2.3.5 SPEKTRALE SYSTEMANTWORT
............................................................... 49
2.3.6 DIGITALISIERUNG DER KOMBINIERTEN RAEUMLICHEN UND
SPEKTRALEN
SYSTEMANTWORT...............................................................
51
2.3.7 DEFINITION DER A U
FLOESUNG...............................................................
53
2.3.8
SYSTEMRAUSCHEN...............................................................................
56
3 MESSTECHNISCHE AUFBAUTEN ZUR FLUORESZENZMESSUNG 63
3.1
LABOR-VERSUCHSSTATION...............................................................................
63
3.1.1 SPEKTRALES
BILDAUFNAHMESYSTEM....................................................
66
3.1.2
ZEILENKAMERA..................................................................................
68
3.1.3
BELEUCHTUNGSQUELLEN.......................................................................
69
3.1.4
POSITIONIERSYSTEME..........................................................................
69
3.1.5 R ADIOM
ETER.....................................................................................
70
3.2 KALIBRIERUNG DER
SPEKTRALKAMERA...............................................................
72
3.2.1 RAUSCHEN
.......................................................................................
72
3.2.2 SPEKTRALE
KALIBRIERUNG....................................................................
74
3.2.3 RADIOMETRISCHE KALIBRIERUNG
.........................................................
78
3.2.4 MESSUNG DER RAEUMLICHEN AUFLOESUNG
..............................................
81
3.2.5 ERFASSUNG VON BAD PIXEL DES BILDSENSORS EINER K A M E RA
................
89
3.3 ENTWICKELTE SOFTWARE ZUR ERFASSUNG VON SPEKTRALDATEN
...........................
89
3.4 EXPERIMENTELLER AUFBAU FUER DIE MESSUNG VON
FLUORESZENZEMISSIONSSPEKTREN
.................................................................
91
3.5 REFERENZMESSUNGEN VON FLUORESZENZEMISSIONS- UND
ANREGUNGSSPEKTREN.....................................................................................
96
4 DEFINITION DES MESSPROBLEMS 99
4.1 SPEKTRALE CHARAKTERISTIKA DER VERWENDETEN FLUORESZENZLEUCHTSTOFFE
.... 99
4.2 BESTIMMUNG DER OPTIMALEN
ANREGUNGSWELLENLAENGE................................. 101
4.3 AUSWAHL OPTISCHER F ILTE R
............................................................................
108
4.4 KRITISCHE FAKTOREN IN ZUSAMMENHANG MIT DER
FLUORESZENZCODIERUNG VON
KUNSTSTOFFEN.................................................... 110
4.4.1 FLUORESZENZINTENSITAET UND KONZENTRATION
......................................
110
4.4.2 RAEUMLICHE HOMOGENITAET DER FLUORESZENZLEUCHTSTOFFE
IM
KUNSTSTOFF..................................................................................
116
4.4.3 VERAENDERUNG DER FLUORESZENZ DURCH DIE EIGENFARBE
DER
KUNSTSTOFFE...............................................................................
118
4.4.4 AUTOFLUORESZENZ (AF) VON
KUNSTSTOFFEN......................................... 122
4.4.5 SAETTIGUNG DER
FLUORESZENZ...............................................................
125
4.5 ANFORDERUNG AN DIE FLUORESZENZLEUCHTSTOFFE ZUR KUNSTSTOFFSORTIERUNG
. . . 131
4.6
FLUORESZENZCODIERUNG...............................................................................
132
4.7 DEFINITION DER KUNSTSTOFF-LEUCHTSTOFF-KOMBINATIONEN
..............................
133
5 ENTWICKLUNG DES SYSTEMKONZEPTS 137
5.1 ANFORDERUNGEN AN DAS
MESSSYSTEM............................................................
137
5.2
SYSTEMUEBERBLICK..........................................................................................
139
5.3 BESTIMMUNG DER NOTWENDIGEN SORTIERGESCHWINDIGKEIT
..............................
140
5.4 ERFASSUNG DER FUNKTIONELLEN
INFORMATION.................................................... 143
5.4.1
DIMENSIONIERUNG............................................................................
145
5.4.2 HARDWAREAUSWAHL
.........................................................................
147
5.4.3 BELEUCHTUNGSEINHEIT ZUR ANREGUNG DER FLUORESZENZEMISSION . . . 151
5.4.4 ZUSAMMENBAU DES SPEKTRAL-DATENAUFNAHMESYSTEMS
.
................... 153
5.4.5 BESTIMMUNG OPTISCHER PARAMETER DES
SPEKTRAL-DATENAUFNAHMESYSTEMS....................................................
155
5.5 ERFASSUNG DER MORPHOLOGISCHEN INFORM
ATION............................................ 160
5.5.1 K O N ZEP
T..........................................................................................
160
5.5.2
DIMENSIONIERUNG............................................................................
163
5.5.3 AUSWAHL GEEIGNETER
KOMPONENTEN................................................. 164
6 SIGNALVERARBEITUNG UND KLASSIFIKATION 167
6.1
MULTIKLASSEN-KLASSIFIKATION.......................................................................
167
6.1.1
KLASSIFIKATIONSPROBLEM....................................................................
167
6.1.2 MERKMALE
(FEATURES).......................................................................
169
6.1.3
KLASSIFIKATOREN...............................................................................
176
6.2 ERWEITERTES MISCHMODELL ZUR REDUZIERUNG DES EINFLUSSES
VON
AUTOFLUORESZENZ..................................................................................
182
6.2.1 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG
.........................................................
182
6.2.2 GUETEKRITERIUM ZUR BEWERTUNG DER ABUNDANZSCHAETZUNG
................
184
6.2.3 EINFLUSSFAKTOREN AUF DIE GUETE DER LINEAREN ENTM
ISCHUNG.............. 184
6.2.4 SIMULATIONSSETUP ZUR BEWERTUNG DER ABUNDANZSCHAETZUNG
...........
185
6.2.5 VERBESSERUNG DER ABUNDANZSCHAETZUNG DURCH ANWENDUNG
DES ENTMISCHUNGSVERFAHRENS MIT POLYNOMIALER REGRESSION
............
186
6.2.6 GUETE DER ABUNDANZSCHAETZUNG IN ABHAENGIGKEIT VON RAUSCHEN
UND
AUTOFLUORESZENZ.......................................................................
189
6.2.7 AUSWAHL DER POLYNOMORDNUNG FUER DAS ERWEITERTE
ENTMISCHUNGSVERFAHREN.................................................................
195
6.3 BEWERTUNG DER LEISTUNGSFAEHIGKEIT VON KLASSIFIKATOREN .
.
........................... 197
6.3.1 KONFUSIONSMATRIX FUER /
KLASSEN...................................................... 197
6.3.2 STATISTISCHE G UETEM
ASSE....................................................................
199
6.3.3
KREUZVALIDIERUNG...............................................................................
202
7 REALISIERUNG DES MESSSYSTEMS (PROTOTYP) 205
7.1 INTEGRATION DES MESSSYSTEMS IN EINE M ESSZELLE
............................................
205
7.2 AUFBAU DES
PROTOTYPS.....................................................................................205
7.3 STEUERUNG UND
SYNCHRONISATION.....................................................................206
7.4
SYSTEMKALIBRIERUNG........................................................................................207
7.5 SOFTWAREKONZEPT DER FUER DAS MESSSYSTEM IMPLEMENTIERTEN
APPLIKATIONSSOFTWARE.....................................................................................211
XI
7.5.1 AUFGABEN
...........................................................................................211
7.5.2 PROZESSM
ODULE...................................................................................212
7.5.3
PROGRAMMARCHITEKTUR........................................................................214
7.5.4 GRAPHISCHE BENUTZEROBERFLAECHE (G U
I)............................................ 216
7.5.5 IMPLEMENTIERUNG DER KLASSIFIKATION IN DER APPLIKATIONSSOFTWARE .
216
7.5.6 IMPLEMENTIERUNG DER MORPHOLOGISCHEN PARAMETERBESTIMMUNG
IN DER
APPLIKATIONSSOFTWARE................................................................225
8 SYSTEMEVALUIERUNG 231
8.1 MESSTECHNISCHE EXPERIMENTE .
.
....................................................................
231
8.1.1 ABLAUF DER DATENAUFNAHME
...............................................................
232
8.1.2 ERFASSUNG VON M
ESSDATEN..................................................................
233
8.1.3 VERGLEICH DER
REFERENZSPEKTREN..........................................................
233
8.1.4 UNTERSUCHUNG DER KLASSENTRENNBARKEIT
............................................
234
8.2 EVALUIERUNG DER
KLASSIFIKATIONSGUETE.............................................................238
8.2.1 UEBERSICHT VERWENDETER KLASSIFIKATOREN
...............................................
240
8.2.2 BESTIMMUNG DES NOTWENDIGEN STICHPROBENUMFANGS FUER DIE
EVALUIERUNG DER
KLASSIFIKATIONSGUETE..................................................240
8.2.3 EVALUIERUNG VON MESSKAMPAGNE 1
.....................................................242
8.2.4 EVALUIERUNG VON MESSKAMPAGNE 2
.....................................................253
8.3 SCHAETZUNG DES ERREICHBAREN
MASSENDURCHSATZES..........................................261
8.4 LIMITIERENDE FAKTOREN BEZOGEN AUF DIE INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT DES
SYSTEMKONZEPTS.............................................................262
9 ZUSAMMENFASSUNG 267
LITERATUR 275
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